JP6936179B2 - Hydrogen production system - Google Patents
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Description
本発明は、水素製造システムに関し、詳しくは、太陽光発電や風力発電等の再生可能エネルギ発電の余剰電力から効率的に水素を製造する水素製造システムに関する。 The present invention relates to a hydrogen production system, and more particularly to a hydrogen production system that efficiently produces hydrogen from surplus power of renewable energy power generation such as solar power generation and wind power generation.
近年、太陽光発電や風力発電等の再生可能エネルギ発電設備の導入が進んでいる。しかし、再生可能エネルギ発電は、各地域の地理的条件や気象条件等によって変動しやすいこともあって、再生可能エネルギ発電の発電量から使用量を差し引いた余剰電力が多く発生している。この余剰電力を一時的に貯留する手段として、余剰電力によって水を電気分解して水素を製造し、水素の状態でエネルギ貯留する方法・装置が知られている。電力から水素を効率的に製造する方法・装置として、水電解セル方式や固体酸化物形電解セル(SOEC:Solid Oxide Electrolysis Cell、以下「SOEC」という)方式が研究開発されている。 In recent years, the introduction of renewable energy power generation facilities such as solar power generation and wind power generation has been progressing. However, renewable energy power generation tends to fluctuate depending on the geographical conditions and weather conditions of each region, and a large amount of surplus power is generated by subtracting the usage amount from the power generation amount of the renewable energy power generation. As a means for temporarily storing this surplus electric power, a method / apparatus is known in which water is electrolyzed by the surplus electric power to produce hydrogen and energy is stored in the state of hydrogen. As a method / apparatus for efficiently producing hydrogen from electric power, a water electrolysis cell method and a solid oxide electrolysis cell (SOEC: Solid Oxide Electrolysis Cell, hereinafter referred to as “SOEC”) method are being researched and developed.
例えば、水電解セル方式の例として、特許文献1には、図9に示すように、複数の水電解セルが積層されてなるセルスタック(C101、C102、C103、C104)を複数有し該セルスタックがスイッチ(S1〜S12)を介して互いに電気的に直列又は並列に接続されて構成された水電解装置101と、 該水電解装置101に電力を供給する電力供給手段102と、 前記水電解装置101に供給する電力の電圧を可変制御する電圧制御部103と、 前記水電解装置101に供給する電力に応じて、各セルスタックに作用する電圧及び電流が所定範囲内となるように前記水電解装置101におけるセルスタックの使用数を選定するスタック数制御部104とを備えたことを特徴とする水素製造設備100が開示されている。
For example, as an example of the water electrolysis cell method,
上記構成によれば、水電解装置101に供給する電力の増減に応じて、各セルスタック(C101、C102、C103、C104)に作用する電圧、電流が所定範囲内となるように水電解装置101におけるセルスタックの使用数を選定するので、各セルスタックに作用する電圧、電流を常用範囲内とすることができる。これにより、ジュール損失の増大を抑制してエネルギ変換効率の低下を防止することができる。
According to the above configuration, the
しかしながら、上記水電解装置101の場合、例えばアルカリ水電解では20〜30%程度の水酸化カリウム等の水溶液からなる電解液を使用するが、高温のアルカリ電解液は、多くのオーステナイト系ステンレス鋼に応力腐食割れを発生させる等の問題があった。そのため、通常のアルカリ水電解では、70〜90℃程度の電解槽を使用することになり、高温(通常、600℃以上)の水蒸気を電気分解するSOECと比較して、同じ電力で20〜30%程度少ない水素量しか製造できないという短所があった。
However, in the case of the
一方、SOECは、水電解セルより効率的に水素を製造できるという長所があるが、固体電解質にイットリウム等で修飾した酸化ジルコニウム等の薄膜が使用され、電解セルが薄いセラミックスで出来ている。そのため、起動停止や、急激な負荷変動(余剰電力の変動)に対して、電解セルの割れ等が生じやすいという短所があった。これに対して、水電解セルでは、耐久性に優れた隔膜や電極を使用することができ、起動停止や、急激な負荷変動(余剰電力の変動)に対して、強いという長所があった。 On the other hand, SOEC has an advantage that hydrogen can be produced more efficiently than a water electrolytic cell, but a thin film such as zirconium oxide modified with yttrium or the like is used as a solid electrolyte, and the electrolytic cell is made of thin ceramics. Therefore, there is a disadvantage that the electrolytic cell is liable to crack due to start / stop and sudden load fluctuation (fluctuation of surplus power). On the other hand, in the water electrolysis cell, a diaphragm or an electrode having excellent durability can be used, and there is an advantage that it is strong against start / stop and sudden load fluctuation (fluctuation of surplus power).
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、水電解セルとSOECにおけるそれぞれの長所を生かしつつ、変動しやすい再生可能エネルギ発電の余剰電力から効率的かつ安定して水素を製造することができる水素製造システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and efficiently and stably produces hydrogen from the surplus power of easily fluctuating renewable energy power generation while making the best use of the advantages of the water electrolysis cell and SOEC. An object of the present invention is to provide a hydrogen production system that can be produced.
上記課題を解決するために、本発明に係る水素製造システムは、次のような構成を有している。
(1)太陽光発電や風力発電等の再生可能エネルギ発電の発電量から使用量を差し引いた余剰電力によって水を電気分解して水素を製造する水電解セルと水蒸気を電気分解して水素を製造するSOECとを備えた水素製造システムであって、
前記余剰電力の電力状況を事前に予測し、予測した電力状況に基づいて実際に供給される前記余剰電力を所定時間の間で電力量が略一定に維持される安定電力と所定時間の間で電力量が変動する不安定電力とに分離し、
前記水電解セルには、前記不安定電力を供給し、前記SOECには、前記安定電力を供給することを特徴とする。
In order to solve the above problems, the hydrogen production system according to the present invention has the following configuration.
(1) Hydrogen is produced by electrolyzing water electrolyzed cells and water vapor with surplus electricity obtained by subtracting the amount used from the amount of renewable energy power generation such as solar power generation and wind power generation. It is a hydrogen production system equipped with SOEC.
The power status of the surplus power is predicted in advance, and the surplus power actually supplied based on the predicted power status is between stable power and a predetermined time in which the amount of power is maintained substantially constant for a predetermined time. Separated from unstable power whose amount of power fluctuates,
The water electrolysis cell is supplied with the unstable electric power, and the SOEC is supplied with the stable electric power.
本発明においては、余剰電力の電力状況を事前に予測し、予測した電力状況に基づいて実際に供給される余剰電力を所定時間の間で電力量が略一定に維持される安定電力と所定時間の間で電力量が変動する不安定電力とに分離し、水電解セルには、不安定電力を供給し、SOECには、安定電力を供給するので、安定電力が供給されるSOECによって電力当たりの水素製造量を増加させつつ、SOECの起動停止や負荷変動を低減又は回避して電解セルの故障を抑制できる。一方、不安定電力が供給される水電解セルは、電力当たりの水素製造量が減少するものの、起動停止や負荷変動に強いので、故障することなく安定して水素を製造できる。その結果、水電解セルとSOECにおけるそれぞれの長所を生かすことによって、再生可能エネルギ発電の余剰電力から効率的かつ安定して水素を製造することができる。なお、水電解セルは、アルカリ水電解セルでも固体高分子形電解セルでもよい。 In the present invention, the power state of surplus power is predicted in advance, and the surplus power actually supplied based on the predicted power state is maintained as a stable power and a predetermined time in which the amount of power is kept substantially constant for a predetermined time. Separated from unstable power whose electric energy fluctuates between, unstable power is supplied to the water electrolysis cell, and stable power is supplied to SOCC. It is possible to suppress the failure of the electrolytic cell by reducing or avoiding the start / stop of the SOEC and the load fluctuation while increasing the amount of hydrogen produced. On the other hand, although the water electrolysis cell to which unstable electric power is supplied reduces the amount of hydrogen produced per electric power, it is resistant to start / stop and load fluctuation, so that hydrogen can be stably produced without failure. As a result, hydrogen can be efficiently and stably produced from the surplus power of renewable energy power generation by taking advantage of each of the advantages of the water electrolysis cell and SOEC. The water electrolysis cell may be an alkaline water electrolysis cell or a solid polymer electrolysis cell.
よって、本発明によれば、水電解セルとSOECにおけるそれぞれの長所を生かしつつ、変動しやすい再生可能エネルギ発電の余剰電力から効率的かつ安定して水素を製造することができる水素製造システムを提供することができる。 Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a hydrogen production system capable of efficiently and stably producing hydrogen from surplus power of easily fluctuating renewable energy power generation while taking advantage of each of the advantages of the water electrolysis cell and SOEC. can do.
(2)(1)に記載された水素製造システムにおいて、
前記再生可能エネルギ発電を複数の地域において行い、各地域ごとの余剰電力を電力系統を介して集約することを特徴とする。
(2) In the hydrogen production system described in (1),
It is characterized in that the renewable energy power generation is performed in a plurality of regions and the surplus electric power in each region is aggregated via an electric power system.
本発明においては、再生可能エネルギ発電を複数の地域において行い、各地域ごとの余剰電力を電力系統を介して集約するので、各地域における再生可能エネルギ発電の余剰電力は、各地域の気象条件等によって異なる場合が多いが、これらを集約した合成余剰電力は、ならし効果で、安定電力を増加させ、不安定電力を減少させることができる。そのため、安定電力が供給されるSOECが製造する水素製造量を、より一層増加させることができる。 In the present invention, the regenerative energy power generation is performed in a plurality of regions, and the surplus power of each region is aggregated via the power system. Therefore, the surplus power of the regenerative energy power generation in each region is the weather conditions of each region, etc. Although it often differs depending on the type, the combined surplus power obtained by aggregating these can increase the stable power and decrease the unstable power by the break-in effect. Therefore, the amount of hydrogen produced by SOEC to which stable electric power is supplied can be further increased.
(3)(2)に記載された水素製造システムにおいて、
前記各地域の気象情報に基づいて前記余剰電力の電力状況を予測し、予測した前記電力状況から前記安定電力と前記不安定電力とを分離する基準線を前記所定時間ごとに予め決定することを特徴とする。
(3) In the hydrogen production system described in (2),
The power status of the surplus power is predicted based on the weather information of each region, and a reference line for separating the stable power and the unstable power from the predicted power status is determined in advance at each predetermined time. It is a feature.
本発明においては、各地域の気象情報に基づいて余剰電力の電力状況を予測し、予測した電力状況から安定電力と不安定電力とを分離する基準線を所定時間ごとに予め決定するので、予測する余剰電力と実際に供給される余剰電力との乖離を低減して、SOECの起動停止又は負荷変動に対する運転許容範囲内で安定電力を最大化させることができる。すなわち、SOECへ供給する安定電力を、各地域の気象情報に基づいてSOECの運転許容範囲内で設定した所定時間毎に区切って分割し、安定電力と不安定電力とを分離する基準線を最大限上昇させることができる。その結果、気象条件によって変動する余剰電力から、より一層効率的かつ安定して水素を製造することができる。 In the present invention, the power status of surplus power is predicted based on the weather information of each region, and the reference line for separating stable power and unstable power from the predicted power status is determined in advance at predetermined time intervals. It is possible to reduce the divergence between the surplus power to be supplied and the surplus power actually supplied, and to maximize the stable power within the operation allowable range for the start / stop of SOCC or the load fluctuation. That is, the stable power supplied to the SOEC is divided at predetermined times set within the allowable operating range of the SOC based on the weather information of each region, and the reference line for separating the stable power and the unstable power is maximized. It can be raised to the limit. As a result, hydrogen can be produced more efficiently and stably from the surplus electric power that fluctuates depending on the weather conditions.
(4)(3)に記載された水素製造システムにおいて、
前記余剰電力から前記安定電力と前記不安定電力とを分離し、分離した前記安定電力を前記SOECへ供給し、分離した前記不安定電力を前記水電解セルへ供給する電力分離装置と、前記電力分離装置に接続された他の電力供給装置とを備え、
前記電力供給装置から出力する電力を前記電力分離装置に補充電力として補充して、前記安定電力における前記基準線を下回る電力の不足分を補うことを特徴とする。
(4) In the hydrogen production system described in (3),
A power separation device that separates the stable power and the unstable power from the surplus power, supplies the separated stable power to the SOEC, and supplies the separated unstable power to the water electrolysis cell, and the power. Equipped with other power supply devices connected to the separator,
The power output from the power supply device is replenished to the power separation device as supplementary power to make up for the shortage of power below the reference line in the stable power.
本発明においては、余剰電力から安定電力と不安定電力とを分離し、分離した安定電力をSOECへ供給し、分離した不安定電力を水電解セルへ供給する電力分離装置と、電力分離装置に接続された他の電力供給装置とを備え、電力供給装置から出力する電力を電力分離装置に補充電力として補充して、安定電力における基準線を下回る電力の不足分を補うので、SOECの電解セルなどに与える電力変動に伴うダメージをより一層低減してその故障を回避し、SOECが製造する水素製造量を、より一層安定して増加させることができる。 In the present invention, the power separating device and the power separating device separate the stable power and the unstable power from the surplus power, supply the separated stable power to the SOEC, and supply the separated unstable power to the water electrolysis cell. It is equipped with other connected power supply devices, and the power output from the power supply device is replenished to the power separation device as supplementary power to make up for the shortage of power below the reference line in stable power. It is possible to further reduce the damage caused by electric power fluctuations and avoid the failure, and to increase the amount of hydrogen produced by SOEC more stably.
(5)(1)乃至(4)のいずれか1つに記載された水素製造システムにおいて、
各種排熱を蓄熱する蓄熱装置を備え、
前記蓄熱装置に蓄熱した熱によって前記SOECに供給する水蒸気を加熱することを特徴とする。
(5) In the hydrogen production system according to any one of (1) to (4).
Equipped with a heat storage device that stores various types of exhaust heat
The heat stored in the heat storage device is used to heat the steam supplied to the SOEC.
本発明においては、各種排熱を蓄熱する蓄熱装置を備え、蓄熱装置に蓄熱した熱によってSOECに供給する水蒸気を加熱するので、各種排熱エネルギをSOECに供給する水蒸気を加熱する熱エネルギの一部又は全部として有効利用できる。そのため、水素製造システムにおけるエネルギ効率を高めつつ、再生可能エネルギ発電の余剰電力から効率的かつ安定して水素を製造することができる。ここで、各種排熱には、本システムで製造された水素を用いて発電する固体酸化物形燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)の排熱、又はコージェネ排熱、工場排熱などが該当し、本システム内または本システム近傍から取得できる排熱であれば、特に制限される必要はない。 In the present invention, a heat storage device for storing various exhaust heat is provided, and the steam supplied to the SOIC is heated by the heat stored in the heat storage device. It can be effectively used as a part or all. Therefore, hydrogen can be efficiently and stably produced from the surplus power of renewable energy power generation while increasing the energy efficiency of the hydrogen production system. Here, the various waste heat corresponds to the waste heat of a solid oxide fuel cell (SOFC: Solid Oxide Fuel Cell) that generates electricity using the hydrogen produced by this system, the cogene heat, the factory heat, and the like. However, as long as the exhaust heat can be obtained from the inside of this system or the vicinity of this system, there is no particular need to limit it.
本発明によれば、水電解セルとSOECにおけるそれぞれの長所を生かしつつ、変動しやすい再生可能エネルギ発電の余剰電力から効率的かつ安定して水素を製造することができる水素製造システムを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a hydrogen production system capable of efficiently and stably producing hydrogen from surplus power of easily fluctuating renewable energy power generation while making the best use of the respective advantages of the water electrolysis cell and SOEC. Can be done.
次に、本発明に係る実施形態である水素製造システムについて、図面を参照して詳細に説明する。以下に、本水素製造システムの構成を詳細に説明し、その動作方法について説明する。 Next, the hydrogen production system according to the embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The configuration of this hydrogen production system will be described in detail below, and its operation method will be described.
<本水素製造システムの構成と動作方法>
本実施形態に係る水素製造システムの構成と動作方法を、図1〜図7を用いて説明する。図1に、本実施形態に係る水素製造システムのシステム構成概念図を示す。図2に、図1に示す水素製造システムにおいて、予測した電力状況に基づいて実際に供給される余剰電力を安定電力と不安定電力とに分離した概念図を示す。図3に、図1に示す制御装置の構成概念図を示す。図4に、図1に示す水素製造システムにおいて、異なる地域の余剰電力を電力分離装置に集約し、その合成余剰電力を安定電力と不安定電力とに分離した概念図を示す。(A)は、地域Aにおける余剰電力量を示し、(B)は、地域Bにおける余剰電力量を示し、(C)は、地域Aにおける余剰電力量と地域Bにおける余剰電力量とを合成した合成余剰電力量を示す。図5に、図1に示す水素製造システムにおいて、気象情報に基づいて電力分離装置からSOECへ供給する安定電力を、SOECの運転許容範囲内で時間毎に区切って分割した概念図を示す。図6に、図1に示す水素製造システムにおいて、蓄電池に貯留した電力を電力分離装置に補充して、安定電力における基準線を下回る電力の不足分を補った概念図を示す。図7に、図1に示す水素製造システムにおいて、各地域の気象情報に基づいて電力分離装置に集約する合成余剰電力を試算して、電力分離装置からSOECへ供給する安定電力をSOECの運転許容範囲内で調節するフローチャート図を示す。
<Configuration and operation method of this hydrogen production system>
The configuration and operation method of the hydrogen production system according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 7. FIG. 1 shows a system configuration conceptual diagram of the hydrogen production system according to the present embodiment. FIG. 2 shows a conceptual diagram in which the surplus power actually supplied based on the predicted power condition in the hydrogen production system shown in FIG. 1 is separated into stable power and unstable power. FIG. 3 shows a conceptual diagram of the configuration of the control device shown in FIG. FIG. 4 shows a conceptual diagram in which the surplus power in different regions is integrated into a power separation device and the combined surplus power is separated into stable power and unstable power in the hydrogen production system shown in FIG. (A) shows the surplus electric energy in the area A, (B) shows the surplus electric energy in the area B, and (C) is a combination of the surplus electric energy in the area A and the surplus electric energy in the area B. Shows the combined surplus electric energy. FIG. 5 shows a conceptual diagram in which, in the hydrogen production system shown in FIG. 1, the stable electric power supplied from the power separator to the SOEC based on the weather information is divided by time within the operation allowable range of the SOEC. FIG. 6 shows a conceptual diagram in which in the hydrogen production system shown in FIG. 1, the electric power stored in the storage battery is replenished to the electric power separator to make up for the shortage of electric power below the reference line in stable electric power. In FIG. 7, in the hydrogen production system shown in FIG. 1, the combined surplus power to be aggregated in the power separation device is calculated based on the weather information of each region, and the stable power supplied from the power separation device to the SOEC is allowed to operate in the SOEC. The flowchart figure which adjusts within a range is shown.
図1、図2、図3に示すように、本実施形態に係る水素製造システム10は、太陽光発電や風力発電等の再生可能エネルギ発電(SH)から供給される余剰電力(D)によって水を電気分解して水素を製造する水電解セル2と水蒸気を電気分解して水素を製造するSOEC3とを備えた水素製造システムであって、余剰電力(D)の電力状況を事前に予測し、予測した電力状況に基づいて実際に供給される余剰電力(D)を所定時間t0の間で電力量が略一定に維持される安定電力(D1)と所定時間t0の間で電力量が変動する不安定電力(D2)とに分離し、水電解セル2には、不安定電力(D2)を供給し、SOEC3には、安定電力(D1)を供給するように構成されている。
As shown in FIGS. 1, 2, and 3, the
ここで、余剰電力(D)の電力状況を事前に予測する方法は、後述する気象情報に基づく方法の他、前日又は前年同時期の実績データ等に基づく方法もある。また、実際に供給される余剰電力(D)の電力状況と予測した電力状況との間には、ある程度の誤差が生じ得るので、安定電力(D1)と不安定電力(D2)とを分離する基準線KLは、予測した電力状況の所定時間t0の間における下限値に基づいて設定することが好ましい。ただし、安定電力(D1)に微小な電力変動成分(不安定部分)が含まれる場合や、不安定電力(D2)に電力安定成分(安定部分)が含まれる場合がある。 Here, as a method of predicting the electric power status of the surplus electric power (D) in advance, there is a method based on the weather information described later, or a method based on the actual data of the previous day or the same period of the previous year. Further, since a certain error may occur between the power status of the surplus power (D) actually supplied and the predicted power status, the stable power (D1) and the unstable power (D2) are separated. The reference line KL is preferably set based on the lower limit value during the predetermined time t0 of the predicted power condition. However, the stable power (D1) may include a minute power fluctuation component (unstable part), or the unstable power (D2) may contain a power stable component (stable part).
また、本水素製造システム10には、再生可能エネルギ発電(SH)から供給される余剰電力(D)を安定電力(D1)と不安定電力(D2)とに分離して不安定電力(D2)を水電解セル2へ供給し安定電力(D1)をSOEC3へ供給する電力分離装置1と、電力分離装置1と水電解セル2とSOEC3とをそれぞれ制御する制御装置7とを備えている。
Further, in the
制御装置7は、余剰電力(D)の電力状況を事前に予測し、予測した電力状況に基づいて電力分離装置1から安定電力(D1)をSOEC3へ供給するよう、例えば、以下の構成を備えている。すなわち、制御装置7には、図3に示すように、電力分離装置1から提供される現在又は過去の余剰電力情報における電圧と電流の波形を微小時間Δtで分割しそれぞれデジタル変換して瞬時電圧と瞬時電流を求め、それらを乗算した瞬時電力を求めるA/D変換部71と、A/D変換部71によって切り出された各瞬時電力の内、所定時間t0の間で最小値となる瞬時電力ΔDの振幅値d1を基準線KLとして記憶する記憶部72と、記憶部72に記憶された所定時間t0と基準線KLのデータに基づいて、電力系統4から実際に供給される余剰電力(D)を基準線KL未満の電力成分からなる安定電力(D1)と基準線KL以上の電力成分からなる不安定電力(D2)とに分離するように電力分離装置1に指示する運転指示部73とを備えている。
The
そして、図1、図3に示すように、電力分離装置1は、運転指示部73の運転指示に基づいて、不安定電力(D2)を水電解セル2に供給し、安定電力(D1)をSOEC3に供給する。なお、制御装置7には、気象情報を分析する気象情報分析部74を備えている。また、記憶部72には、起動停止や負荷変動に対するSOEC3の運転許容範囲のデータ(例えば、負荷切換に対する最低時間間隔や許容負荷変動率など)と、電力系統4から電力分離装置1に供給される各地域の余剰電力(D)の過去の実績データとが、気象情報と共に記憶されている。
Then, as shown in FIGS. 1 and 3, the
また、水電解セル2は、常温から80℃程度の水を電気分解する電解セルであって、アルカリ水電解セルでも固体高分子形電解セルでもよい。アルカリ水電解セルの場合には、例えば、電解液として20〜30%程度の水酸化カリウム水溶液を常温又は70〜80℃程度に加熱して使用し、また、多孔質材料等からなるセパレータとニッケル系材料等からなるアノード電極(陽極)とニッケル系又は鉄系材料等からなるカソード電極(陰極)とを使用することができる。なお、水電解セル2は、運転指示部73の運転指示に基づいて運転する。
Further, the
また、固体高分子形電解セルの場合には、例えば、純水を常温又は60〜80℃程度に加熱して使用し、パーフルオロカーボン樹脂系材料等からなる電解質膜と酸化イリジウム系材料等からなるアノード電極(陽極)と白金系材料等からなるカソード電極(陰極)とを使用することができる。なお、アノード電極(陽極)とカソード電極(陰極)との間に不安定電力(D2)を供給すると、陰極側で水が電子を受けて水素を生成する。その時生成された酸化物イオンが電解液中又は電解質膜の内部を陽極側へ移動し電子を放出して酸素を生成する。 Further, in the case of a polymer electrolyte electrolytic cell, for example, pure water is heated to room temperature or about 60 to 80 ° C. and used, and is composed of an electrolyte membrane made of a perfluorocarbon resin-based material and the like and an iridium oxide-based material. An anode electrode (anode) and a cathode electrode (cathode) made of a platinum-based material or the like can be used. When unstable power (D2) is supplied between the anode electrode (anode) and the cathode electrode (cathode), water receives electrons on the cathode side to generate hydrogen. The oxide ions generated at that time move to the anode side in the electrolytic solution or inside the electrolyte membrane and emit electrons to generate oxygen.
また、SOEC3は、アルカリ水電解や固体高分子形電解と異なり、例えば、600〜800℃程度の高温に加熱された水蒸気を固体酸化物形電解質を用いて電気分解する電解セルである。また、SOEC3には、例えば、電解質膜として酸化物イオン電導体であるイットリウムで安定化した酸化ジルコニウム(YSZ)を使用し、ランタンストロンチウム酸化物等からなるアノード電極(陽極)とニッケルとYSZの複合体であるニッケルサーメット等からなるカソード電極(陰極)とを使用することができる。なお、アノード電極(陽極)とカソード電極(陰極)との間に安定電力(D1)を供給すると、陰極側に供給された水蒸気は電子を受けて水素を生成する。その時生成された酸化物イオンが電解質膜の内部を陽極側へ移動して電子を放出して酸素を生成する。 Further, SOEC3 is an electrolytic cell that electrolyzes water vapor heated to a high temperature of, for example, about 600 to 800 ° C. using a solid oxide type electrolyte, unlike alkaline water electrolysis and solid polymer type electrolysis. Further, for SOEC3, for example, zirconium oxide (YSZ) stabilized with yttria, which is an oxide ion conductor, is used as an electrolyte film, and an anode electrode (anode) made of lanthanum strontium oxide or the like, and a composite of nickel and YSZ are used. A cathode electrode (anode) made of a body such as nickel cermet can be used. When stable power (D1) is supplied between the anode electrode (anode) and the cathode electrode (cathode), the water vapor supplied to the cathode side receives electrons to generate hydrogen. The oxide ions generated at that time move inside the electrolyte membrane to the anode side and emit electrons to generate oxygen.
なお、SOEC3の運転は、運転指示部73の運転指示に基づいて行うが、高温の電気化学反応であるため、停止状態から起動して水素製造を行う定常状態に至るまでには数時間を要すること、電解セルの主材料であるセラミックスが熱サイクルの影響を受けやすいこと等の特殊性から、定期点検等で停止させる必要がある場合を除き、基本的に連続稼働させるのが好ましい。また、SOEC3を運転停止後に再起動させる際には、まず試運転として、商用系統からの電力をSOEC3に供給し、運転が安定した段階で、本水素製造システム10の本格稼働に移行させるのが好ましい。
The operation of the SOEC3 is performed based on the operation instruction of the
また、本水素製造システム10には、水電解セル2のカソード電極(陰極)で生成する水素とSOEC3のカソード電極(陰極)で生成する水素とを貯留する水素貯留装置5を備えている。水素貯留装置5の水素貯留方法には、例えば、水素を高圧気体の状態でタンク内に貯留する方法や、水素吸蔵合金(例えば、チタンマグネシウム、ニッケルマグネシウム等)に吸蔵させて貯留する方法などがある。
Further, the
また、図1に示すように、再生可能エネルギ発電(SH)を複数の地域(地域A、地域B、地域C、地域Dなど)において行い、各地域ごとの余剰電力(D)を電力系統4を介して電力分離装置1に集約するのが好ましい。例えば、図4に示すように、各地域(地域A、地域B)における再生可能エネルギ発電(SH)の余剰電力(DA、DB)は、各地域の地理的条件や気象条件等によって異なる場合が多いが、これらを電力分離装置1に集約した合成余剰電力(DC)は、ならし効果で、合成安定電力(D1C)を各地域の安定電力(D1A、D1B)の和より増加させることができ、また、合成不安定電力(D2C)を各地域の不安定電力(D2A、D2B)の和より減少させることができる。なお、電力系統4は、既設の送配電システムを利用できる。
Further, as shown in FIG. 1, renewable energy power generation (SH) is performed in a plurality of regions (region A, region B, region C, region D, etc.), and surplus power (D) for each region is used as
また、図1、図3、図5、図7に示すように、各地域の気象情報に基づいて余剰電力(D)の電力状況を予測し、予測した電力状況から安定電力(D11)と不安定電力(D21)とを分離する基準線(KL1、KL2、KL3、KL4)を所定時間(t1、t2、t3、t4)ごとに予め決定するのが好ましい。例えば、図7に示すステップに従って、以下のように運転する。 Further, as shown in FIGS. 1, 3, 5, and 7, the power status of surplus power (D) is predicted based on the weather information of each region, and the predicted power status is not stable power (D11). It is preferable to determine in advance the reference lines (KL1, KL2, KL3, KL4) for separating the stable power (D21) at predetermined time intervals (t1, t2, t3, t4). For example, according to the step shown in FIG. 7, the operation is performed as follows.
すなわち、第1ステップS1として、各地域(地域A、地域B、地域C、地域Dなど)の気象情報をインターネット等を介して制御装置7の気象情報分析部74に入力する。ここで、気象情報は、再生可能エネルギ発電(SH)の種類によって異なるが、例えば、太陽光発電であれば、日照時間又は日照時間に関連する「晴れ、曇り、雨」などの情報が該当し、風力発電であれば、平均風速、風向などの情報が該当する。気象情報分析部74は、これらの気象情報を、再生可能エネルギ発電(SH)の発電量及び消費量と相関する指数に変換する。なお、各地域の気象情報を検出するセンサを、各地域の再生可能エネルギ発電設備に装着しても良い。
That is, as the first step S1, the weather information of each region (region A, region B, region C, region D, etc.) is input to the weather
次に、第2ステップS2として、気象情報分析部74は、指数化した気象情報に基づいて各地域ごとの余剰電力(D)を過去の実績データから予測し、予測した各地域ごとの余剰電力を集約した合成余剰電力を試算する。また、第3ステップS3として、気象情報分析部74は、試算した合成余剰電力に対して、SOEC3の起動停止又は負荷変動に対する運転許容範囲内で安定電力(D11)を最大とするように、所定時間(t1、t2、t3、t4)と基準線(KL1、KL2、KL3、KL4)を決定し、運転指示部73へ通知する。安定電力(D11)を略一定に維持する所定時間(t1、t2、t3、t4)は、SOEC3の負荷に比例する基準線(KL1、KL2、KL3、KL4)ごとに設定することができる。
Next, as the second step S2, the meteorological
次に、第4ステップS4として、運転指示部73は、安定電力(D11)と不安定電力(D21)とを区別する所定時間(t1、t2、t3、t4)と基準線(KL1、KL2、KL3、KL4)を、電力分離装置1に指示すると共に、SOEC3と水電解セル2の運転を指示する。また、第5ステップS5として、電力分離装置1は、指示された所定時間(t1、t2、t3、t4)と基準線(KL1、KL2、KL3、KL4)に基づいて、電力系統4から供給される余剰電力(D)を安定電力(D11)と不安定電力(D21)に分離し、安定電力(D11)をSOEC3へ供給し、不安定電力(D21)を水電解セル2へ供給する。また、SOEC3は安定電力によって水素を製造し、水電解セル2は不安定電力によって水素を製造する。
Next, as the fourth step S4, the
なお、SOEC3の運転は、基本的に事前の予測に従って所定時間の電力水準を決めて、決めた電力水準に対して一定運転させ、急激な負荷変動の弊害を回避させることが好ましい。したがって、図5に示すように、実際の余剰電力(D)の安定部分が、予測した基準線(KL3、KL4)を上回っている場合でも、電力分離装置1からSOEC3へ供給する安定電力(D11)を変更させることはない。この場合、基準線(KL3、KL4)を上回る安定部分を含む不安定電力(D21)は、原則として水電解セル2へ供給される。ただし、基準線(KL3、KL4)を上回る余剰電力(D)の一部又は全部は、後述する蓄電池6に供給しても良い。また、余剰電力(D)の安定部分を予測する所定時間(t1、t2、t3、t4)と基準線(KL1、KL2、KL3、KL4)の見直しは、毎日行っても良いし、月又は季節ごとに行っても良い。
It is preferable that the operation of the SOEC3 is basically determined by determining the power level for a predetermined time according to a prior prediction and operating constantly with respect to the determined power level to avoid the harmful effects of sudden load fluctuations. Therefore, as shown in FIG. 5, even when the stable portion of the actual surplus power (D) exceeds the predicted reference line (KL3, KL4), the stable power (D11) supplied from the
また、図1、図6に示すように、電力分離装置1には、他の電力供給装置として、充放電可能に形成された蓄電池6が接続され、蓄電池6に貯留した電力を補充電力(D3)として電力分離装置1に補充して、安定電力(D12)における基準線KL5を下回る電力の不足分を補うことが好ましい。蓄電池6に貯留した電力を電力分離装置1に補充させる指示は、制御装置7が行う。ここで、補充する電力の不足分は基準線KL5を下回る電力の不安定部分を意味するが、必ずしも、図6に示す余剰電力(D)の下限値近傍に限らない。例えば、図5に示す各基準線(KL1、KL2、KL3、KL4)に対しても、余剰電力(D)の不安定部分が各基準線を下回らないよう、蓄電池6に貯留した電力を補充電力(D3)として電力分離装置1に補充することが好ましい。なお、蓄電池6は、公知のリチウムイオン二次電池などを用いることができる。
Further, as shown in FIGS. 1 and 6, a
なお、制御装置7のA/D変換部71が、電力分離装置1から提供される余剰電力情報から実際の余剰電力(D)の変化を常時監視し、その余剰電力(D)の安定部分又は不安定部分が基準線KLを上回っているか、下回っているかを判定する。また、図5に示すように、余剰電力(D)の安定部分が基準線KL3、KL4を上回っている場合であって、蓄電池6の充電状況が充電上限以下のときには、A/D変換部71の判定を受けた運転指示部73が電力分離装置1に指示して、優先的に蓄電池6に対して電力供給させる。一方、蓄電池6に充電する必要がない場合には、制御装置7の運転指示部73は、基準線KL3、KL4を上回っている余剰電力(D)の安定部分を含む不安定電力(D21)を水電解セル2へ供給するように電力分離装置1に指示する。
The A /
次に、本実施形態に係る他の水素製造システム10Bについて、図8を用いて説明する。図8に、図1に示す水素製造システムにおいて、固体酸化物形燃料電池と、固体酸化物形燃料電池の排熱を蓄熱する蓄熱装置とを追加したシステム構成概念図を示す。
Next, another
図8に示すように、本他の水素製造システム10Bは、各種排熱を蓄熱する蓄熱装置9を備え、蓄熱装置9に蓄熱した熱によってSOEC3に供給する水蒸気を加熱することが好ましい。具体的には、前述した水素製造システム10に加えて、水素貯留装置5に貯留された水素を用いて発電する固体酸化物形燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)8と、固体酸化物形燃料電池(SOFC)8の排熱を蓄熱する蓄熱装置9とを備え、蓄熱装置9に蓄熱した熱によってSOEC3に供給する水蒸気を加熱するように構成してもよい。なお、前述した水素製造システム10と共通する構成については、同様の符号を付して、ここでは、その説明を割愛する。
As shown in FIG. 8, the other
すなわち、固体酸化物形燃料電池(SOFC)8は、水素貯留装置5に貯留された水素を用いて発電すると、反応熱を発生させる。この反応熱を排熱として回収して蓄熱装置9に蓄熱させる。蓄熱装置9に蓄熱した熱によってSOEC3に供給する水蒸気を加熱することによって、固体酸化物形燃料電池(SOFC)8が発電するときに生じる熱エネルギをSOEC3に供給する水蒸気を加熱する熱エネルギの一部又は全部として有効利用でき、水素製造システム全体のエネルギ効率を向上させることができる。
That is, the solid oxide fuel cell (SOFC) 8 generates heat of reaction when it generates electricity using hydrogen stored in the
なお、固体酸化物形燃料電池(SOFC)8と蓄熱装置9は、公知のものを使用することができる。また、各種排熱には、固体酸化物形燃料電池(SOFC)8の排熱の他に、少なくとも水を120℃程度の水蒸気に変換できる熱量を有する排熱(例えば、コージェネ排熱、工場排熱など)が該当し、システム内またはシステム近傍から取得できる排熱であれば、特に制限される必要はない。
As the solid oxide fuel cell (SOFC) 8 and the
<作用効果>
以上、詳細に説明したように、本実施形態に係る水素製造システム10、10Bによれば、余剰電力(D)の電力状況を事前に予測し、予測した電力状況に基づいて実際に供給される余剰電力(D)を所定時間(t0〜t4)の間で電力量が略一定に維持される安定電力(D1、D11、D12)と所定時間(t0〜t4)の間で電力量が変動する不安定電力(D2、D21、D22)とに分離し、水電解セル2には、不安定電力(D2、D21、D22)を供給し、SOEC3には、安定電力(D1、D11、D12)を供給するので、安定電力(D1、D11、D12)が供給されるSOEC3によって電力当たりの水素製造量を増加させつつ、SOEC3の起動停止や負荷変動を回避して電解セル(SOEC3)の故障を抑制できる。一方、不安定電力(D2、D21、D22)が供給される水電解セル2は、電力当たりの水素製造量が減少するものの、起動停止や負荷変動に強いので、故障することなく安定して水素を製造できる。その結果、水電解セル2とSOEC3におけるそれぞれの長所を生かすことによって、再生可能エネルギ発電(SH)の余剰電力(D)から効率的かつ安定して水素を製造することができる。
<Effect>
As described in detail above, according to the
よって、本実施形態によれば、水電解セル2とSOEC3におけるそれぞれの長所を生かしつつ、変動しやすい再生可能エネルギ発電(SH)の余剰電力(D)から効率的かつ安定して水素を製造することができる水素製造システム10、10Bを提供することができる。
Therefore, according to the present embodiment, hydrogen is efficiently and stably produced from the surplus power (D) of the easily fluctuating renewable energy power generation (SH) while making the best use of the respective advantages of the
また、本実施形態によれば、再生可能エネルギ発電(SH)を複数の地域(地域A、地域B、地域C、地域Dなど)において行い、各地域ごとの余剰電力(D)を電力系統4を介して集約するので、各地域における再生可能エネルギ発電(SH)の余剰電力(D)は、各地域の気象条件等によって異なる場合が多いが、これらを集約した合成余剰電力(DC)は、ならし効果で、安定電力(D1C)を増加させ、不安定電力(D2C)を減少させることができる。そのため、安定電力(D1C)が供給されるSOEC3が製造する水素製造量を、より一層増加させることができる。
Further, according to the present embodiment, the renewable energy power generation (SH) is performed in a plurality of regions (region A, region B, region C, region D, etc.), and the surplus power (D) for each region is used as the
また、本実施形態によれば、各地域(地域A、地域B、地域C、地域Dなど)の気象情報に基づいて余剰電力(D)の電力状況を予測し、予測した電力状況から安定電力(D11)と不安定電力(D21)とを分離する基準線(KL1、KL2、KL3、KL4)を所定時間(t1、t2、t3、t4)ごとに予め決定するので、予測する余剰電力(D)と実際に供給される余剰電力(D)との乖離を低減して、SOEC3の起動停止又は負荷変動に対する運転許容範囲内で安定電力(D11)を最大化させることができる。すなわち、SOEC3へ供給する安定電力(D11)を、各地域の気象情報に基づいてSOEC3の運転許容範囲内で設定した所定時間(t1、t2、t3、t4)毎に区切って分割し、安定電力(D11)と不安定電力(D21)とを分離する基準線(KL1、KL2、KL3、KL4)を最大限上昇させることができる。その結果、気象条件によって変動する余剰電力(D)から、より一層効率的かつ安定して水素を製造することができる。 Further, according to the present embodiment, the power status of the surplus power (D) is predicted based on the weather information of each region (region A, region B, region C, region D, etc.), and the stable power is stable from the predicted power status. Since the reference lines (KL1, KL2, KL3, KL4) for separating the (D11) and the unstable power (D21) are determined in advance at predetermined time intervals (t1, t2, t3, t4), the predicted surplus power (D) is determined. ) And the surplus power (D) actually supplied can be reduced, and the stable power (D11) can be maximized within the operation allowable range for the start / stop of SOC3 or the load fluctuation. That is, the stable power (D11) to be supplied to the SOIC3 is divided into predetermined times (t1, t2, t3, t4) set within the operation allowable range of the SOC3 based on the weather information of each region, and the stable power is divided. The reference line (KL1, KL2, KL3, KL4) that separates (D11) and the unstable power (D21) can be raised to the maximum. As a result, hydrogen can be produced more efficiently and stably from the surplus electric power (D) that fluctuates depending on the weather conditions.
また、本実施形態によれば、余剰電力(D)から安定電力(D12)と不安定電力(D22)とを分離し、分離した安定電力(D12)をSOEC3へ供給し、分離した不安定電力(D22)を水電解セル2へ供給する電力分離装置1と、電力分離装置1に接続された他の電力供給装置6とを備え、電力供給装置6から出力する電力を電力分離装置1に補充電力(D3)として補充して、安定電力(D12)における基準線KL5を下回る電力の不足分を補うので、SOEC3の電解セルなどに与える電力変動に伴うダメージを低減してその故障を回避し、SOEC3が製造する水素製造量を、より一層安定して増加させることができる。
Further, according to the present embodiment, the stable power (D12) and the unstable power (D22) are separated from the surplus power (D), and the separated stable power (D12) is supplied to the SOIC3 to separate the unstable power. A
また、本実施形態によれば、各種排熱を蓄熱する蓄熱装置9を備え、蓄熱装置9に蓄熱した熱によってSOEC3に供給する水蒸気を加熱するので、各種排熱エネルギをSOEC3に供給する水蒸気を加熱する熱エネルギの一部又は全部として有効利用できる。そのため、水素製造システム10Bにおけるエネルギ効率を高めつつ、再生可能エネルギ発電(SH)の余剰電力(D)から効率的かつ安定して水素を製造することができる。
Further, according to the present embodiment, the
<変形例>
上述した実施形態は、本発明の要旨を変更しない範囲で変更することができる。例えば、本実施形態によれば、電力分離装置1には、他の電力供給装置として、充放電可能に形成された蓄電池6が接続され、蓄電池6に貯留した電力を補充電力(D3)として電力分離装置1に補充して、安定電力(D12)における基準線KL5を下回る電力の不足分を補うように構成されている。しかしながら、電力分離装置1に補充電力(D3)を補充する装置は、必ずしも蓄電池6に限ることはなく、例えば、電力分離装置1には、他の発電設備が接続され、その発電設備が発電した電力を電力分離装置1に補充電力(D3)として補充して、安定電力(D12)における基準線KL5を下回る電力の不足分を補うように構成してもよい。
<Modification example>
The above-described embodiment can be changed without changing the gist of the present invention. For example, according to the present embodiment, a
本発明は、例えば、太陽光発電や風力発電等の再生可能エネルギ発電の余剰電力から効率的に水素を製造する水素製造システムとして利用できる。 The present invention can be used, for example, as a hydrogen production system that efficiently produces hydrogen from surplus power of renewable energy power generation such as solar power generation and wind power generation.
1 電力分離装置
2 水電解セル
3 SOEC
4 電力系統
5 水素貯留装置
6 蓄電池(他の電力供給装置)
7 制御装置
8 固体酸化物形燃料電池
9 蓄熱装置
10、10B 水素製造システム
D 余剰電力(余剰電力量)
DC 合成余剰電力(合成余剰電力量)
D1、D11、D12 安定電力
D2、D21、D22 不安定電力
D3 補充電力
SH 再生可能エネルギ発電
t0、t1、t2 所定時間
t3、t4 所定時間
1
4
7
DC combined surplus power (combined surplus power amount)
D1, D11, D12 Stable power D2, D21, D22 Unstable power D3 Supplementary power SH Renewable energy power generation t0, t1, t2 Predetermined time t3, t4 Predetermined time
Claims (5)
前記余剰電力の電力状況を事前に予測し、予測した電力状況に基づいて実際に供給される前記余剰電力を所定時間の間で電力量が略一定に維持される安定電力と所定時間の間で電力量が変動する不安定電力とに分離し、
前記水電解セルには、前記不安定電力を供給し、前記SOECには、前記安定電力を供給することを特徴とする水素製造システム。 A water electrolysis cell that electrolyzes water to produce hydrogen by surplus electricity obtained by subtracting the amount used from the amount of renewable energy power generation such as solar power generation and wind power generation, and a SOEC that electrolyzes water vapor to produce hydrogen. It is a hydrogen production system equipped with
The power status of the surplus power is predicted in advance, and the surplus power actually supplied based on the predicted power status is between stable power and a predetermined time in which the amount of power is maintained substantially constant for a predetermined time. Separated from unstable power whose amount of power fluctuates,
A hydrogen production system characterized in that the unstable electric power is supplied to the water electrolysis cell and the stable electric power is supplied to the SOC.
前記再生可能エネルギ発電を複数の地域において行い、各地域ごとの余剰電力を電力系統を介して集約することを特徴とする水素製造システム。 In the hydrogen production system according to claim 1,
A hydrogen production system characterized in that the renewable energy power generation is performed in a plurality of regions and surplus electric power in each region is aggregated via an electric power system.
前記各地域の気象情報に基づいて前記余剰電力の電力状況を予測し、予測した前記電力状況から前記安定電力と前記不安定電力とを分離する基準線を前記所定時間ごとに予め決定することを特徴とする水素製造システム。 In the hydrogen production system according to claim 2.
The power status of the surplus power is predicted based on the weather information of each region, and a reference line for separating the stable power and the unstable power from the predicted power status is determined in advance at each predetermined time. Characterized hydrogen production system.
前記余剰電力から前記安定電力と前記不安定電力とを分離し、分離した前記安定電力を前記SOECへ供給し、分離した前記不安定電力を前記水電解セルへ供給する電力分離装置と、前記電力分離装置に接続された他の電力供給装置とを備え、
前記電力供給装置から出力する電力を前記電力分離装置に補充電力として補充して、前記安定電力における前記基準線を下回る電力の不足分を補うことを特徴とする水素製造システム。 In the hydrogen production system according to claim 3,
A power separation device that separates the stable power and the unstable power from the surplus power, supplies the separated stable power to the SOEC, and supplies the separated unstable power to the water electrolysis cell, and the power. Equipped with other power supply devices connected to the separator,
A hydrogen production system characterized in that the electric power output from the electric power supply device is replenished to the electric power separator as supplementary electric power to make up for a shortage of electric power below the reference line in the stable electric power.
各種排熱を蓄熱する蓄熱装置を備え、
前記蓄熱装置に蓄熱した熱によって前記SOECに供給する水蒸気を加熱することを特徴とする水素製造システム。 In the hydrogen production system according to any one of claims 1 to 4.
Equipped with a heat storage device that stores various types of exhaust heat
A hydrogen production system characterized in that steam supplied to the SOEC is heated by the heat stored in the heat storage device.
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