WO2017169204A1 - 水素製造システム - Google Patents

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hydrogen
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production system
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朋美 原野
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Definitions

  • Embodiment relates to a hydrogen production system.
  • renewable energy refers to energy that is permanently supplemented by the natural world, such as wind and sunlight.
  • Power generation facilities that use renewable energy for example, wind power generators installed in mountainous areas, solar cell panels installed in the desert, etc., install hydrogen production equipment, and power supplied from these power generation facilities Is used to produce hydrogen by electrolyzing water, transport the produced hydrogen to the consumption area, and supply it to fuel cells and fuel cell vehicles.
  • the output power of a wind power generator depends on wind
  • the output power of a solar cell panel depends on sunlight. If the output power is unstable, the hydrogen production system may not operate well, and it may be difficult to stably produce hydrogen gas with higher purity.
  • An object of the embodiment is to provide a hydrogen production system capable of stably producing hydrogen gas with higher purity even when supplied power is unstable.
  • the hydrogen production system is an electrolysis that includes a rectifier that is supplied with first power from the outside and outputs DC second power, and a plurality of cells that are supplied with the second power to electrolyze an alkaline aqueous solution.
  • a tank a buffer tank connected to the cathode side of the plurality of cells, a compressor connected to the buffer tank for compressing gas, and whether to supply the second power to each of the plurality of cells.
  • a control device to be selected.
  • 1 is a block diagram showing a hydrogen production system according to a first embodiment. It is a block diagram which shows the rectifier of 1st Embodiment. It is a block diagram which shows the alkaline water electrolysis apparatus of 1st Embodiment. It is sectional drawing which shows the cell of 1st Embodiment. It is a figure which shows the hydrogen production system which concerns on 1st Embodiment. 1 is a perspective view showing a hydrogen production system according to a first embodiment. (A) to (c) are graphs showing time variation of each power, with time on the horizontal axis and power on the vertical axis. It is a figure which shows the hydrogen production system which concerns on 2nd Embodiment.
  • the hydrogen production system according to the present embodiment is a system for producing hydrogen gas by electrolyzing water by an alkaline electrolysis method.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a hydrogen production system according to this embodiment.
  • FIG. 2 is a block diagram showing the rectifier of this embodiment.
  • FIG. 3 is a block diagram showing the alkaline water electrolysis apparatus of the present embodiment.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing the cell of this embodiment.
  • FIG. 5 is a diagram showing a hydrogen production system according to the present embodiment.
  • FIG. 6 is a perspective view showing a hydrogen production system according to the present embodiment.
  • the flow of current and signal is indicated by a two-dot chain line
  • the flow of gas is indicated by a one-dot chain line
  • the flow of liquid is indicated by a solid line.
  • FIG. 5 shows only components directly related to the cell selection operation.
  • FIG. 6 shows only relatively large components, and small components and piping are not shown.
  • the hydrogen production system 1 is installed near a power generation facility 100.
  • the power generation facility 100 is a power generation facility using renewable energy, for example, a wind power generation facility or a solar power generation facility.
  • the power generation facility 100 is installed in a remote area, and thus the hydrogen production system 1 is also installed in a remote area.
  • “land” refers to land that is not connected to an existing power system.
  • the remote area is a land far away from a city such as a mountainous area or a remote island.
  • the power generation facility 100 outputs the AC power P1 in an unstable manner.
  • a rectifying device 11 In the hydrogen production system 1, a rectifying device 11, an alkaline water electrolysis device 12, a hydrogen tank 13, and a control device 14 are provided.
  • the rectifier 11 is supplied with AC power P1 from the power generation facility 100 and outputs DC power P2 and AC power P3.
  • the alkaline water electrolysis apparatus 12 is supplied with DC power P2 and AC power P3 from the rectifier 11 and supplied with water from the outside to produce hydrogen. Oxygen produced with hydrogen is exhausted to the outside.
  • the water supplied to the alkaline water electrolyzer 12 is, for example, tap water when a water supply is provided, or ground water or water carried from the outside when a water supply is not provided.
  • these tap water, groundwater, and water brought in from the outside are collectively referred to as “general water”.
  • the hydrogen tank 13 stores hydrogen produced by the alkaline water electrolysis device 12.
  • the control device 14 exchanges signals between the rectifying device 11 and the alkaline water electrolysis device 12 to control the rectifying device 11 and the alkaline water electrolysis device 12.
  • the control device 14 may exchange signals with the power generation facility 100 or may control the power generation facility 100.
  • the rectifier 11 is provided with a power receiving panel 21, a rectifier 22, a transformer 23, and a distribution board 24.
  • the power receiving panel 21 is supplied with AC power P ⁇ b> 1 from the power generation facility 100 (see FIG. 1), and distributes the power to the rectifier 22 and the transformer 23.
  • the rectifier 22 converts the supplied AC power into DC power P2 and outputs it.
  • a storage battery 25 is provided in the rectifier 22 and can store DC power P2.
  • the storage battery 25 can be constituted by, for example, a lithium ion storage system IPCS-LIB-S250 manufactured by Toshiba.
  • the transformer 23 adjusts the voltage of the AC power supplied from the power receiving panel 21 and outputs it to the distribution board 24.
  • the distribution board 24 converts the AC power supplied from the transformer 23 into AC power P3 having a predetermined standard voltage and outputs it.
  • the voltage of the AC power P3 is, for example, 200V.
  • the alkaline water electrolysis apparatus 12 is provided with an electrolytic cell 32, a cathode gas gas / liquid separation chamber 33, an anode gas gas / liquid separation chamber 34, and an electrolyte circulation tank 35.
  • the inside of the electrolytic cell 32 is partitioned into a plurality of cells 70.
  • the same number of cathode gas gas-liquid separation chambers 33 as cells 70 are provided. For convenience of illustration, only one cathode gas gas-liquid separation chamber 33 is shown in FIG.
  • the electrolytic bath 32 holds an alkaline aqueous solution S that is an electrolytic solution, for example, a potassium hydroxide aqueous solution (KOH) having a concentration of 25% by mass. Then, when the DC power P2 is supplied from the rectifier 22 of the rectifier 11, the alkaline aqueous solution S is electrolyzed to generate hydrogen gas (H 2 ) and oxygen gas (O 2 ).
  • an electrolytic solution for example, a potassium hydroxide aqueous solution (KOH) having a concentration of 25% by mass.
  • each cell 70 of the electrolytic cell 32 is partitioned into a cathode side space 74 and an anode side space 75 by a diaphragm 71.
  • the diaphragm 71 is a film that allows water to pass therethrough but does not allow much gas to pass through.
  • the diaphragm 71 is a film in which a polymer nonwoven fabric is bonded to both surfaces of a polymer film made of PET (PolyEthylene Terephthalate).
  • a cathode electrode 72 is provided in the cathode side space 74, and an anode electrode 73 is provided in the anode side space 75.
  • the cathode electrode 72 and the anode electrode 73 are opposed to each other with the diaphragm 71 interposed therebetween.
  • Each cell 70 is sealed, and one end of a hydrogen tube 51 is connected to the ceiling portion of the cathode side space 74, and one end of an oxygen tube 52 is connected to the ceiling portion of the anode side space 75. .
  • the other end of the hydrogen pipe 51 is connected to the cathode gas gas-liquid separation chamber 33.
  • the hydrogen gas and the alkaline aqueous solution S flow into the cathode gas gas-liquid separation chamber 33 from each cell 70 of the electrolytic cell 32 through the hydrogen pipe 51 in a mixed state.
  • the hydrogen gas and the alkaline aqueous solution S are separated in the cathode gas gas-liquid separation chamber 33. That is, the alkaline aqueous solution S falls to the lower part of the cathode gas gas-liquid separation chamber 33, and the hydrogen gas collects at the upper part of the cathode gas gas-liquid separation chamber 33.
  • the other end of the oxygen pipe 52 is connected to the anode gas gas-liquid separation chamber 34.
  • the oxygen gas and the alkaline aqueous solution S flow into the anode gas gas-liquid separation chamber 34 from each cell 70 of the electrolytic cell 32 through the oxygen pipe 52 in a mixed state.
  • the oxygen gas and the alkaline aqueous solution S are separated in the anode gas gas-liquid separation chamber 34. That is, the alkaline aqueous solution S falls in the lower part of the anode gas gas-liquid separation chamber 34, and the oxygen gas collects in the upper part of the anode gas gas-liquid separation chamber 34.
  • an electrolyte tube 53 is connected to the lower portion, for example, the bottom surface, of the cathode gas-liquid separation chamber 33.
  • the other end of the electrolyte pipe 53 is connected to the electrolyte circulation tank 35.
  • one end of an electrolyte tube 54 is connected to the lower portion, for example, the bottom surface, of the anode gas gas-liquid separation chamber 34.
  • the other end of the electrolyte pipe 54 is connected to the electrolyte circulation tank 35.
  • the electrolytic solution circulation tank 35 holds the alkaline aqueous solution S.
  • a water level gauge (not shown) is attached to the electrolyte circulation tank 35.
  • An electrolyte pipe 55 is connected between the lower part of the electrolyte circulation tank 35 and the lower part of the electrolytic tank 32.
  • a pump 36 is interposed in the electrolytic solution pipe 55. When the pump 36 is operated, the alkaline aqueous solution S is supplied from the electrolytic solution circulation tank 35 to the electrolytic bath 32 through the electrolytic solution pipe 55.
  • the alkaline aqueous solution S circulates through the path of (electrolyzer 32 ⁇ cathode gas gas / liquid separation chamber 33 or anode gas gas / liquid separation chamber 34 ⁇ electrolyte circulation tank 35 ⁇ electrolyzer 32). To do.
  • the alkaline water electrolysis device 12 is provided with an air pump 37.
  • the suction port of the air pump 37 is open to the atmosphere, and the exhaust port of the air pump 37 is connected to the electrolyte circulation tank 35 via the air pipe 56.
  • one end of an air pipe 57 is connected to the upper part of the electrolytic solution circulation tank 35, for example, the ceiling part. The other end of the air pipe 57 is disposed outside.
  • the alkaline water electrolysis apparatus 12 general water is supplied from the outside, and a pure water production apparatus 38 for producing pure water W from the general water is provided.
  • a pure water pipe 58 is connected between the pure water production apparatus 38 and the electrolyte circulation tank 35. Thereby, pure water W is supplied from the pure water production apparatus 38 to the electrolyte circulation tank 35 through the pure water pipe 58.
  • the electric conductivity of the pure water W is, for example, 10 ⁇ S / cm (micro Siemens per centimeter) or less.
  • the alkaline water electrolysis apparatus 12 is provided with a cleaning tower 41, a pump 42 and a cleaning liquid tank 43.
  • the same number of cleaning towers 41 and pumps 42 as the cells 70 of the electrolytic cell 32 are provided. For convenience of illustration, only one cleaning tower 41 and one pump 42 are shown in FIG.
  • a hydrogen pipe 61 is connected to the upper portion of the cathode gas gas-liquid separation chamber 33, for example, between the ceiling portion and the cleaning tower 41.
  • the cleaning tower 41 is separated by the cathode gas gas-liquid separation chamber 33 and sprays the cleaning liquid C on the hydrogen gas supplied by the hydrogen pipe 61 by a shower to remove the alkali component.
  • the cleaning liquid C is pure water, for example.
  • a cleaning liquid pipe 62 is connected between the lower part of the cleaning tower 41, for example, the floor surface, and the upper part, for example, the ceiling part.
  • a pump 42 is interposed in the middle of the cleaning liquid pipe 62.
  • the cleaning tower 41 and the pump 42 constitute a closed loop path by a cleaning liquid pipe 62.
  • the pump 42 pumps up the cleaning liquid C from the lower part of the cleaning tower 41 and injects it into the gas phase part at the upper part of the cleaning tower 41.
  • the pump 42 circulates the cleaning liquid C held in the cleaning tower 41.
  • the cleaning liquid tank 43 holds the cleaning liquid C and supplies the cleaning liquid C to the cleaning tower 41 as necessary.
  • a cleaning liquid pipe 63 is connected between the cleaning tower 41 and the cleaning liquid tank 43.
  • the alkaline water electrolysis device 12 is provided with a buffer tank 44.
  • the buffer tank 44 is a container for temporarily storing the produced hydrogen gas, and is provided with an inlet 44i and an outlet 44o.
  • the area of the cross section orthogonal to the direction from the inlet 44 i to the outlet 44 o in the buffer tank 44 is larger than the total area of the cross sections orthogonal to the flow direction of the hydrogen pipe 64.
  • the capacity of the buffer tank 44 is preferably equal to or greater than the amount (Nm 3 ) of hydrogen gas generated in one cell 70 during the processing capacity switching time (minute) of the compressor 45 described later.
  • the capacity of the buffer tank 44 is set to be equal to or greater than the amount of hydrogen gas generated by one cell 70 during the switching time, the number of stacks N is changed by 1, as will be described later.
  • the fluctuation amount of the supply amount of the hydrogen gas by the one cell 70 can be absorbed by the buffer 44.
  • the capacity of the buffer tank 44 is set to a capacity corresponding to them in each case. Good.
  • the inlet 44i of the buffer tank 44 is connected to all of the plurality of cleaning towers 41.
  • An upper portion of the cleaning tower 41, for example, a ceiling portion, and the inlet 44 i of the buffer tank 44 are connected by a hydrogen pipe 64.
  • An electromagnetic valve 65 is interposed in the hydrogen pipe 64. The opening and closing of the electromagnetic valve 65 is controlled by the control device 14 (see FIG. 1).
  • the alkaline water electrolysis apparatus 12 is provided with a compressor 45, a chiller 46, and a dryer 47.
  • the outlet 44 o of the buffer tank 44 and the intake port of the compressor 45 are connected by a hydrogen pipe 66.
  • the compressor 45 compresses the hydrogen gas discharged from the cleaning tower 41 and supplied via the buffer tank 44.
  • the compressor 45 is provided with a motor 45m and an inverter circuit 45i, and the processing capacity can be changed by a command from the control device 14.
  • the chiller 46 cools the compressor 45.
  • a hydrogen pipe 67 is connected between the exhaust port of the compressor 45 and the intake port of the dryer 47.
  • the dryer 47 purifies the hydrogen gas compressed by the compressor 45 and supplied via the hydrogen pipe 67.
  • the dryer 47 is provided with a filter (not shown) that removes impurities in hydrogen gas, for example, moisture by chemical adsorption.
  • the exhaust port of the dryer 47 is drawn out of the alkaline water electrolysis apparatus 12 through a hydrogen pipe 68 and connected to the hydrogen tank 13 (see FIG. 1).
  • one end of an oxygen tube 69 is connected to the upper portion of the anode gas gas-liquid separation chamber 33, for example, the ceiling portion.
  • the other end of the oxygen pipe 69 is opened outside the alkaline water electrolysis apparatus 12 and serves as an exhaust port.
  • the alkaline water electrolysis apparatus 12 is provided with a switch circuit 48 that supplies the DC power P ⁇ b> 2 supplied from the rectifier 11 to each cell 70 of the electrolytic cell 32.
  • the switch circuit 48 the same number of switches 49 as the cells 70 and a stack control unit 50 that controls opening and closing of the switches 49 are provided.
  • the stack control unit 50 operates according to a command input from the control device 14.
  • the switch circuit 48 can be constituted by, for example, a direct current high speed vacuum interrupter HS-1R50 manufactured by Toshiba.
  • the plurality of cells 70 of the electrolytic cell 32 can be connected in series to the rectifier 22 of the rectifier 11. That is, among the plurality of cells 70 arranged in a row, the anode electrode 73 of the cell 70 arranged at one end is connected to the positive electrode of the rectifier 22, and the anode electrodes 73 of the other cells 70 are adjacent to each other. Connected to the cathode electrode 72 of the cell 70. A node between adjacent cells 70 is connected to one end of the switch 49. In addition, among the plurality of cells 70 arranged in a line, the cathode electrode 72 of the cell 70 arranged at the other end is also connected to one end of the switch 49. The other ends of all the switches 49 are connected to the negative electrode of the rectifier 22.
  • FIGS. 7A to 7C are graphs showing time variations of each power, with time on the horizontal axis and power on the vertical axis.
  • the power generation facility 100 generates AC power P1.
  • the AC power P1 is supplied to the rectifier 11 of the hydrogen production system 1.
  • the output of AC power P1 is unstable and includes short-cycle fluctuations and long-cycle fluctuations.
  • a short-cycle fluctuation is a fluctuation with a period of less than one minute
  • a long-cycle fluctuation is a fluctuation with a period of one minute or more.
  • the power generation facility 100 is a wind power generation facility
  • the short-cycle fluctuation is a fluctuation due to the changing wind direction and wind speed
  • the long-cycle fluctuation is a fluctuation due to weather change, seasonal change, and the like.
  • the short-cycle fluctuation is a fluctuation due to the amount of sunlight that changes according to the cloud condition
  • the long-period fluctuation is a change between daytime and nighttime, weather change, seasonal change It is a change due to a change.
  • the alkaline aqueous solution S is held in the electrolytic solution circulation tank 35 and the electrolytic bath 32.
  • the alkaline aqueous solution S is, for example, a potassium hydroxide aqueous solution having a concentration of 25% by mass.
  • the pure water production apparatus 38 is supplied with general water, for example, ground water, from the outside of the hydrogen production system 1. Further, the cleaning liquid C is held in the cleaning tower 41 and the cleaning liquid tank 43.
  • the control device 14 operates the rectifier 11.
  • the AC power P ⁇ b> 1 supplied to the rectifier 11 is distributed to the rectifier 22 and the transformer 23 by the power receiving panel 21.
  • the AC power supplied to the rectifier 22 is absorbed through short-cycle fluctuations via the storage battery 25.
  • variation of the short cycle was suppressed by the rectifier 22 is produced
  • the DC power P2 includes long-period fluctuations included in the AC power P1.
  • the voltage of the AC power input to the transformer 23 is adjusted by the transformer 23 and output to the distribution board 24.
  • the AC power input to the distribution board 24 is converted into AC power P3 having a predetermined standard voltage. In this way, the rectifier 11 outputs the DC power P2 and the AC power P3 to the alkaline water electrolysis device 12.
  • the control device 14 operates the auxiliary devices of the alkaline water electrolysis device 12, that is, the pump 36, the pump 42, the compressor 45, and the chiller 46 by the AC power P3.
  • the pump 36 By operating the pump 36, the alkaline aqueous solution S held in the electrolytic solution circulation tank 35 is supplied into the electrolytic cell 32 through the electrolytic solution pipe 55.
  • the cleaning liquid C circulates between the cleaning tower 41 and the pump 42, and the cleaning liquid C is injected into the gas phase in the upper part of the cleaning tower 41.
  • the compressor 45 is operated, the gas flowing into the intake port of the compressor 45 is compressed and discharged from the exhaust port.
  • the compressor 45 is cooled by operating the chiller 46.
  • the control device 14 issues a command to the stack control unit 50 of the switch circuit 48, closes any one switch 49, and opens the other switch 49. Thereby, one or more cells 70 in the electrolytic cell 32 are connected to the rectifier 22 in series. As a result, DC power P2 is supplied to these cells 70. Moreover, the control apparatus 14 opens the electromagnetic valve 65 connected to the cell 70 to which direct-current power P2 is supplied among the plurality of electromagnetic valves 65, and closes the other electromagnetic valves 65.
  • the alkaline aqueous solution S accumulated in the cathode gas gas-liquid separation chamber 33 returns to the electrolyte circulation tank 35 via the electrolyte tube 53. Further, the alkaline aqueous solution S accumulated in the anode gas gas-liquid separation chamber 34 returns to the electrolyte circulation tank 35 via the electrolyte tube 54.
  • the pure water production device 38 operates to produce pure water W from general water, and the electrolyte circulation tank 35 via the pure water pipe 58. To replenish. As a result, the concentration of the alkaline aqueous solution S is always maintained within a certain range.
  • the oxygen gas separated by the anode gas gas-liquid separation chamber 34 is exhausted to the outside of the hydrogen production system 1 through the oxygen pipe 69.
  • the hydrogen gas separated by the cathode gas gas-liquid separation chamber 33 is introduced into the cleaning tower 41 through the hydrogen pipe 61.
  • the hydrogen gas introduced into the cleaning tower 41 is showered with the cleaning liquid C, and the remaining alkaline components are dissolved in the cleaning liquid C and removed. As a result, the alkali component of hydrogen gas is removed.
  • the hydrogen gas from which alkali components have been removed in the cleaning tower 41 is accumulated in the buffer tank 44 via the hydrogen pipe 64 and the electromagnetic valve 65. Then, it is sent from the buffer tank 44 to the compressor 45 through the hydrogen pipe 66, compressed to 0.8 MPa (megapascal), for example, by the compressor 45, and sent to the dryer 47 through the hydrogen pipe 67. In the dryer 47, impurities such as moisture are removed by passing hydrogen gas through the filter. Then, it is sent to the hydrogen tank 13 (see FIG. 1) via the hydrogen pipe 68 and stored in the hydrogen tank 13. In this manner, the hydrogen generation system 1 can produce hydrogen gas by supplying electric power and general water from the outside.
  • the hydrogen gas stored in the hydrogen tank 13 is sometimes filled in, for example, a hydrogen lorry vehicle and transported to a consumption place.
  • control device 14 issues a command to the stack control unit 50 to reduce the number of stacks. In this way, as shown in FIG. 7C, the control device 14 changes the number of stacks in accordance with the long-period fluctuation of the DC power P2.
  • the control device 14 opens the electromagnetic valve 65 connected to the cell 70 to which the DC power P2 is supplied, and closes the electromagnetic valve 65 connected to the cell 70 to which the DC power P2 is not supplied. . Further, the control device 14 issues a command to the inverter circuit 45 i of the compressor 45. Thereby, the rotation speed of the motor 45m is controlled, and the processing capacity of the compressor 45 is adjusted to the capacity according to the total amount of hydrogen gas generated by the electrolytic cell 32.
  • the power required for electrolysis of water is W
  • the number of cells 70 (the number of stacks) connected in series to the rectifier 22 is N
  • the cell voltage consumed in one cell 70 is V
  • the cell 70 When the cell current flowing through A is A, the following formula 1 is established. Therefore, the cell current A flowing through the cell 70 is given by the following formula 2.
  • the cell voltage V is a voltage determined by the electrode characteristics in the cell 70, it is substantially constant. For this reason, if the number of stacks N is constant, the cell current A varies as the power W of the DC power P2 varies.
  • the amount of hydrogen gas and oxygen gas generated in the cell 70 decreases in proportion to the cell current A.
  • the amounts of hydrogen gas and oxygen gas that pass through the partition 71 in the cell 70 are determined by the properties of the partition 71, so that even if the amount of hydrogen gas generated decreases, it does not decrease so much.
  • the oxygen content in the hydrogen gas flowing out from the cell 70 to the cathode gas gas-liquid separation chamber 33 increases. Thereby, the purity of the hydrogen gas finally manufactured will fall.
  • the stack number N is switched in accordance with the fluctuation of the power W.
  • the cell current A can be kept substantially constant even when the power W varies.
  • the electromagnetic valve 65 by opening and closing the electromagnetic valve 65 in conjunction with the change in the stack number N, the hydrogen gas produced by the cell 70 that is being driven passes through the buffer tank 44 and the cleaning tower 41 that is not driven, Backflow into the cathode gas gas-liquid separation chamber 33 and the cell 70 can be prevented. Further, the produced hydrogen gas can be efficiently compressed by switching the processing capacity of the compressor 45 in conjunction with the change of the stack number N.
  • the hydrogen gas accumulated in the cathode-side space 74 of the cell 70 is separated from the cathode gas by gas-liquid separation. It takes time to pass through the chamber 33, the washing tower 41, and the buffer tank 44, reach the intake port of the compressor 45, and be exhausted by the compressor 45. This time difference is called “switching time”.
  • a buffer tank 44 is provided on the intake port side of the compressor 45.
  • variation of the hydrogen amount resulting from the above-mentioned switching time can be absorbed. That is, when the stack number N is increased, the compressor 45 consumes hydrogen gas in the buffer tank 44, and when the stack number N is decreased, the cell 70, the cathode gas gas-liquid separation chamber 33 and the washing tower 41 are consumed.
  • the hydrogen gas accumulated in the gas is accumulated in the buffer tank 44. Thereby, the pressure of the hydrogen gas at the intake port of the compressor 45 can be kept within a certain range.
  • the buffer tank 44 when the stack number N is increased to increase the processing capacity of the compressor 45, hydrogen gas temporarily becomes insufficient at the intake port of the compressor 45, and the pressure decreases. To do. As a result, the pressure in the cathode side space 74 of the cell 70 decreases. On the other hand, since the pressure in the anode-side space 75 does not change, the pressure in the anode-side space 75 with respect to the cathode-side space 74 is higher than that during normal operation, and the anode-side space 75 to the cathode-side space 74 via the partition wall 71. The amount of oxygen gas entering inside increases. Thereby, the purity of hydrogen gas will fall. Further, when the stacking number N is decreased to reduce the processing capacity of the compressor 45, the hydrogen gas temporarily becomes excessive at the intake port of the compressor 45, and the pressure increases. As a result, an excessive load is applied to the compressor 45.
  • the capacity of the buffer tank 44 is preferably equal to or greater than the amount of hydrogen gas produced by one cell 70 during the switching time.
  • one cell 70 is set to be equal to or larger than the amount of hydrogen gas generated during the switching time, the number of stacks N is changed by 1, and the operation of one cell 70 is started or stopped. Variations in the amount of hydrogen gas supplied by the cell 70 can be absorbed by the buffer 44.
  • the capacity of the buffer tank 44 is set to a capacity corresponding to them in each case. Good.
  • the storage battery 25 can absorb short-cycle fluctuations in the AC power P1 generated by the power generation facility 100.
  • the control device 14 switches the switch 49 via the stack control unit 50 and adjusts the processing capacity of the compressor 45, so that long-period fluctuations in the AC power P1 can be absorbed.
  • the buffer tank 44 can absorb a temporary fluctuation in the hydrogen gas supply amount at the intake port of the compressor 45. Thereby, even if the AC power P1 fluctuates in a short cycle and a long cycle, the cell current A exceeding a predetermined value can be maintained, and the pressure of the hydrogen gas at the intake port of the compressor 45 is kept within a certain range. Can do. As a result, it is possible to stably produce hydrogen gas with higher purity without imposing an excessive load on the compressor 45.
  • hydrogen gas can be produced by effectively using the AC power P1 output from the power generation facility 100 using renewable energy.
  • the produced hydrogen gas can be stored and transported and reconverted to electrical power at any time and place, for example by a fuel cell.
  • the hydrogen production system 1 according to the present embodiment it is possible to effectively use renewable energy, and it is possible to increase the proportion of renewable energy in the power demand of the whole society.
  • control device 14 controls the electromagnetic valve 65, opens the electromagnetic valve 65 connected to the operating cell 70, and closes the electromagnetic valve 65 connected to the non-operating cell 70. ing. Thereby, it is possible to prevent the hydrogen gas produced by the operating cell 70 from flowing back to the non-operating cell 70 via the buffer tank 44. As a result, hydrogen gas can be produced efficiently.
  • FIG. 8 is a diagram showing a hydrogen production system according to this embodiment.
  • the buffer tank 44 is divided into a plurality of sub tanks 44s.
  • Each sub tank 44 s is connected to the cathode side space 74 (see FIG. 4) of each cell 70.
  • the area of the cross section orthogonal to the direction from the inlet 44 i to the outlet 44 o in the sub tank 44 s is larger than the area of the cross section orthogonal to the flow direction of the hydrogen pipe 64.
  • the capacity of each sub tank 44s is preferably equal to or greater than the amount of hydrogen gas produced by one cell 70 during the switching time of the processing capacity of the compressor 45.
  • an electromagnetic valve 77 is provided for each sub tank 44s.
  • the control device 14 supplies the DC power P2 to a certain cell 70
  • the electromagnetic valves 65 and 77 connected to the cell 70 are opened, and the control device 14 supplies the DC power P2 to the certain cell 70.
  • the electromagnetic valves 65 and 77 connected to the cell 70 are closed.
  • the buffer tank 44 is partitioned into a plurality of sub tanks 44 s connected to each cell 70, and an electromagnetic valve 77 is provided between the sub tank 44 s and the compressor 45.
  • an electromagnetic valve 77 is provided between the sub tank 44 s and the compressor 45.

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Abstract

実施形態に係る水素製造システムは、外部から第１電力が供給され、直流の第２電力を出力する整流装置と、前記第２電力が供給されてアルカリ性水溶液を電気分解する複数のセルを有する電解槽と、前記複数のセルの陰極側に接続されたバッファタンクと、前記バッファタンクに接続され、気体を圧縮するコンプレッサと、前記複数のセルのそれぞれに前記第２電力を供給するか否かを選択する制御装置と、を備える。

Description

水素製造システム
　実施形態は、水素製造システムに関する。
　近年、再生可能エネルギーを利用した水素の製造が試みられている。再生可能エネルギーとは、風力及び太陽光等の自然界によって永続的に補充されるエネルギーをいう。再生可能エネルギーを利用した発電施設、例えば、山間部に設けられた風力発電機、及び砂漠に設けられた太陽電池パネル等の近傍に水素製造装置を設置し、これらの発電施設から供給される電力を用いて水を電気分解することにより水素を製造し、製造した水素を消費地まで運搬して、そこで燃料電池や燃料電池車に供給する。このようなシステムを確立することにより、既存の電力系統が到達していない僻地に発電施設を建設し、再生可能エネルギーを有効に収集することができる。また、電力を一旦水素に変換することにより、貯蔵が容易になり、発電時と消費時を一致させる必要がなくなる。
　しかしながら、再生可能エネルギーを利用した発電施設の多くは、出力電力が不安定である。例えば、風力発電機の出力電力は風に依存し、太陽電池パネルの出力電力は日照に依存する。出力電力が不安定であると、水素製造システムがうまく稼働せず、より純度が高い水素ガスを安定して製造することが困難になる場合がある。
特許第４５２３１１６号公報 特許第４４０６８６６号公報
「水電解法による水素製造とそのコスト」阿部勲夫、水素エネルギーシステム　ｖｏｌ．３３、Ｎｏ．１（２００８）ｐ．１９－２６ 「再生可能エネルギーを活用する水素貯蔵システム」渡邉久夫　他、東芝レビューＶｏｌ．６８　Ｎｏ７（２０１３）ｐ．３５－３８ 株式会社神鋼環境ソリューション　ホームページ、http://www.kobelco-eco.co.jp/product/suisohassei/hhog_qa.html#Q1 「エレクトロケミストリー」馬場宣良　他、米田出版（１９９９）ｐ．９
　実施形態の目的は、供給される電力が不安定であっても、より純度が高い水素ガスを安定して製造できる水素製造システムを提供することである。
　実施形態に係る水素製造システムは、外部から第１電力が供給され、直流の第２電力を出力する整流装置と、前記第２電力が供給されてアルカリ性水溶液を電気分解する複数のセルを有する電解槽と、前記複数のセルの陰極側に接続されたバッファタンクと、前記バッファタンクに接続され、気体を圧縮するコンプレッサと、前記複数のセルのそれぞれに前記第２電力を供給するか否かを選択する制御装置と、を備える。
第１の実施形態に係る水素製造システムを示すブロック図である。 第１の実施形態の整流装置を示すブロック図である。 第１の実施形態のアルカリ水電解装置を示すブロック図である。 第１の実施形態のセルを示す断面図である。 第１の実施形態に係る水素製造システムを示す図である。 第１の実施形態に係る水素製造システムを示す斜視図である。 （ａ）～（ｃ）は、横軸に時間をとり、縦軸に電力をとって、各電力の時間変動を示すグラフ図である。 第２の実施形態に係る水素製造システムを示す図である。
　（第１の実施形態）
　先ず、第１の実施形態について説明する。
　本実施形態に係る水素製造システムは、アルカリ電解方式により水を電気分解することにより、水素ガスを製造するシステムである。
　図１は、本実施形態に係る水素製造システムを示すブロック図である。
　図２は、本実施形態の整流装置を示すブロック図である。
　図３は、本実施形態のアルカリ水電解装置を示すブロック図である。
　図４は、本実施形態のセルを示す断面図である。
　図５は、本実施形態に係る水素製造システムを示す図である。
　図６は、本実施形態に係る水素製造システムを示す斜視図である。
　なお、図３においては、図示の便宜上、電流及び信号の流れは二点鎖線で示し、気体の流れは一点鎖線で示し、液体の流れは実線で示している。図５には、セルの選択動作に直接関係する構成要素のみを示している。図６には、比較的大型の構成要素のみを示しており、小型の構成要素及び配管は、図示を省略している。
　図１に示すように、本実施形態に係る水素製造システム１は、発電施設１００の近くに設置されている。発電施設１００は再生可能エネルギーを利用した発電施設であり、例えば、風力発電施設又は太陽光発電施設である。発電施設１００は僻地に設置されており、従って、水素製造システム１も僻地に設置されている。なお、本明細書において「僻地」とは、既存の電力系統に接続されていない土地をいう。僻地は、例えば、山間部及び離島等の都会から遠く離れた土地である。発電施設１００は、交流電力Ｐ１を不安定に出力する。
　水素製造システム１においては、整流装置１１、アルカリ水電解装置１２、水素タンク１３及び制御装置１４が設けられている。
　整流装置１１は、発電施設１００から交流電力Ｐ１が供給されて、直流電力Ｐ２及び交流電力Ｐ３を出力する。
　アルカリ水電解装置１２は、整流装置１１から直流電力Ｐ２及び交流電力Ｐ３が供給され、外部から水が供給されて、水素を製造する。水素と共に生成される酸素は外部に排気する。アルカリ水電解装置１２に供給される水は、例えば、上水道が施設されている場合には上水道水、上水道が施設されていない場合には地下水又は外部から搬入された水である。以下、これらの上水道水、地下水、外部から搬入された水等を総称して「一般水」という。
　水素タンク１３は、アルカリ水電解装置１２により製造された水素を貯蔵する。
　制御装置１４は、整流装置１１及びアルカリ水電解装置１２との間で信号をやりとりし、整流装置１１及びアルカリ水電解装置１２を制御する。制御装置１４は、発電施設１００との間で信号をやりとりしてもよく、発電施設１００を制御してもよい。
　図２に示すように、整流装置１１においては、受電盤２１、整流器２２、変圧器２３及び分電盤２４が設けられている。受電盤２１は、発電施設１００（図１参照）から交流電力Ｐ１が供給され、これを分電して整流器２２及び変圧器２３に出力する。整流器２２は、供給された交流電力を直流電力Ｐ２に変換して出力する。また、整流器２２内には蓄電池２５が設けられており、直流電力Ｐ２を蓄積することができる。蓄電池２５は、例えば、東芝製リチウムイオン蓄電システムＩＰＣＳ－ＬＩＢ－Ｓ２５０により構成することができる。変圧器２３は、受電盤２１から供給された交流電力の電圧を調整し、分電盤２４に出力する。分電盤２４は、変圧器２３から供給された交流電力を所定の規格電圧を持つ交流電力Ｐ３に変換して出力する。交流電力Ｐ３の電圧は、例えば、２００Ｖである。
　図３に示すように、アルカリ水電解装置１２においては、電解槽３２、陰極ガス気液分離室３３、陽極ガス気液分離室３４、及び、電解液循環タンク３５が設けられている。電解槽３２の内部は、複数のセル７０に区画されている。陰極ガス気液分離室３３はセル７０と同数設けられている。なお、図示の便宜上、図３においては、陰極ガス気液分離室３３は１つしか描かれていない。
　電解槽３２は、電解液であるアルカリ性水溶液Ｓ、例えば、濃度が２５質量％の水酸化カリウム水溶液（ＫＯＨ）を保持している。そして、整流装置１１の整流器２２から直流電力Ｐ２が供給されると、アルカリ性水溶液Ｓを電気分解し、水素ガス（Ｈ２）及び酸素ガス（Ｏ２）を生成する。
　図４に示すように、電解槽３２の各セル７０は、隔膜７１によって、陰極側空間７４と陽極側空間７５に区画されている。隔膜７１は、水は通過させるが気体はあまり通過させない膜であり、例えば、ＰＥＴ（PolyEthylene Terephthalate）からなる高分子フィルムの両面に高分子不織布が貼り合わされた膜である。陰極側空間７４内には陰極電極７２が設けられており、陽極側空間７５内には陽極電極７３が設けられている。陰極電極７２と陽極電極７３は、隔膜７１を挟んで対向している。各セル７０は密閉されており、陰極側空間７４の天井部分には、水素管５１の一端が接続されており、陽極側空間７５の天井部分には、酸素管５２の一端が接続されている。
　図３に示すように、陰極ガス気液分離室３３には、水素管５１の他端が接続されている。これにより、陰極ガス気液分離室３３には、電解槽３２の各セル７０から水素管５１を介して水素ガス及びアルカリ性水溶液Ｓが混合した状態で流入する。水素ガスとアルカリ性水溶液Ｓは、陰極ガス気液分離室３３内で分離される。すなわち、アルカリ性水溶液Ｓは陰極ガス気液分離室３３の下部に落ち、水素ガスは陰極ガス気液分離室３３の上部に集まる。
　陽極ガス気液分離室３４には、酸素管５２の他端が接続されている。これにより、陽極ガス気液分離室３４には、電解槽３２の各セル７０から酸素管５２を介して酸素ガス及びアルカリ性水溶液Ｓが混合した状態で流入する。酸素ガスとアルカリ性水溶液Ｓは、陽極ガス気液分離室３４内で分離される。すなわち、アルカリ性水溶液Ｓは陽極ガス気液分離室３４の下部に落ち、酸素ガスは陽極ガス気液分離室３４の上部に集まる。
　陰極ガス気液分離室３３の下部、例えば底面には、電解液管５３の一端が接続されている。電解液管５３の他端は、電解液循環タンク３５に接続されている。一方、陽極ガス気液分離室３４の下部、例えば底面には、電解液管５４の一端が接続されている。電解液管５４の他端は、電解液循環タンク３５に接続されている。これにより、電解液循環タンク３５には、陰極ガス気液分離室３３及び陽極ガス気液分離室３４からアルカリ性水溶液Ｓが流入する。
　電解液循環タンク３５はアルカリ性水溶液Ｓを保持している。電解液循環タンク３５には水位計（図示せず）が取り付けられている。電解液循環タンク３５の下部と電解槽３２の下部との間には、電解液管５５が接続されている。電解液管５５には、ポンプ３６が介在している。そして、ポンプ３６が作動することにより、電解液循環タンク３５から電解液管５５を介して電解槽３２にアルカリ性水溶液Ｓが供給される。すなわち、ポンプ３６が作動することにより、（電解槽３２→陰極ガス気液分離室３３又は陽極ガス気液分離室３４→電解液循環タンク３５→電解槽３２）の経路で、アルカリ性水溶液Ｓが循環する。
　アルカリ水電解装置１２には、エアポンプ３７が設けられている。エアポンプ３７の吸入口は大気に開放されており、エアポンプ３７の排気口は空気管５６を介して電解液循環タンク３５に接続されている。また、電解液循環タンク３５の上部、例えば天井部分には、空気管５７の一端が接続されている。空気管５７の他端は外部に配置されている。これにより、エアポンプ３７が作動すると、電解液循環タンク３５内の空気が排出され、新しい空気と入れ替わる。
　アルカリ水電解装置１２においては、外部から一般水が供給され、この一般水から純水Ｗを製造する純水製造装置３８が設けられている。純水製造装置３８と電解液循環タンク３５との間には、純水管５８が接続されている。これにより、純水製造装置３８から純水管５８を介して、電解液循環タンク３５に純水Ｗが供給される。純水Ｗの電気伝導度は、例えば、１０μＳ／ｃｍ（マイクロジーメンス毎センチメートル）以下である。
　アルカリ水電解装置１２には、洗浄塔４１、ポンプ４２及び洗浄液タンク４３が設けられている。洗浄塔４１及びポンプ４２は、それぞれ、電解槽３２のセル７０と同数設けられている。なお、図示の便宜上、図３においては、洗浄塔４１及びポンプ４２はそれぞれ１つしか描かれていない。
　陰極ガス気液分離室３３の上部、例えば天井部分と洗浄塔４１との間には、水素管６１が接続されている。洗浄塔４１は、陰極ガス気液分離室３３によって分離され、水素管６１によって供給された水素ガスに対して、洗浄液Ｃをシャワーにより吹きかけて、アルカリ成分を除去する。洗浄液Ｃは、例えば純水である。
　また、洗浄塔４１の下部、例えば床面と、上部、例えば天井部分との間には、洗浄液管６２が接続されている。洗浄液管６２の途中には、ポンプ４２が介在している。洗浄塔４１及びポンプ４２は、洗浄液管６２によって閉じたループ経路を構成している。ポンプ４２は、洗浄塔４１の下部から洗浄液Ｃを汲み上げ、洗浄塔４１の上部の気相部分に対して噴射する。これにより、ポンプ４２は、洗浄塔４１内に保持された洗浄液Ｃを循環させる。洗浄液タンク４３は、洗浄液Ｃを保持し、必要に応じて洗浄液Ｃを洗浄塔４１に供給する。洗浄塔４１と洗浄液タンク４３との間には、洗浄液管６３が接続されている。
　アルカリ水電解装置１２には、バッファタンク４４が設けられている。バッファタンク４４は、製造された水素ガスを一時的に貯蔵する容器であり、入口４４ｉ及び出口４４ｏが設けられている。バッファタンク４４における入口４４ｉから出口４４ｏに向かう方向に対して直交する断面の面積は、水素管６４の流通方向に直交する断面の面積の合計よりも大きい。
　バッファタンク４４の容量は、１つのセル７０が後述するコンプレッサ４５の処理能力の切替時間（分）に生成する水素ガスの生成量（Ｎｍ３）以上であることが好ましい。バッファタンク４４の容量を、切替時間中に１つのセル７０が生成する水素ガスの生成量以上とすることにより、後述するように、スタック数Ｎを１だけ変化させて、１つのセル７０の稼働を開始又は停止させたときに、この１つのセル７０による水素ガスの供給量の変動分をバッファ４４により吸収することができる。また、必要な数だけのセル７０、又は、全てのセル７０の稼動を同時に開始又は停止させる場合には、バッファタンク４４の容量は、各々の場合において、それらに応じた分の容量とすればよい。
　バッファタンク４４の入口４４ｉは、複数の洗浄塔４１の全てに接続されている。洗浄塔４１の上部、例えば天井部分とバッファタンク４４の入口４４ｉとは、水素管６４により接続されている。水素管６４には、電磁バルブ６５が介在している。電磁バルブ６５の開閉は、制御装置１４（図１参照）によって制御される。
　図３及び図５に示すように、アルカリ水電解装置１２には、コンプレッサ４５、チラー４６及びドライヤ４７が設けられている。バッファタンク４４の出口４４ｏとコンプレッサ４５の吸気口とは、水素管６６により接続されている。コンプレッサ４５は、洗浄塔４１から排出され、バッファタンク４４を介して供給された水素ガスを圧縮する。コンプレッサ４５には、例えば、モータ４５ｍ及びインバータ回路４５ｉが設けられており、制御装置１４からの指令によって処理能力を変化させることができる。
　チラー４６はコンプレッサ４５を冷却する。コンプレッサ４５の排気口とドライヤ４７の吸気口との間には、水素管６７が接続されている。ドライヤ４７は、コンプレッサ４５により圧縮され水素管６７を介して供給された水素ガスを精製する。ドライヤ４７内には、水素ガス中の不純物、例えば、水分を化学吸着させて取り除くフィルタ（図示せず）が設けられている。ドライヤ４７の排気口は、水素管６８を介してアルカリ水電解装置１２の外部に引き出され、水素タンク１３（図１参照）に接続されている。
　一方、陽極ガス気液分離室３３の上部、例えば天井部分には、酸素管６９の一端が接続されている。酸素管６９の他端は、アルカリ水電解装置１２の外部において開口しており、排気口となっている。
　図５に示すように、アルカリ水電解装置１２には、整流装置１１から供給された直流電力Ｐ２を電解槽３２の各セル７０に供給するスイッチ回路４８が設けられている。スイッチ回路４８においては、セル７０と同数のスイッチ４９と、スイッチ４９の開閉を制御するスタック制御部５０が設けられている。スタック制御部５０は、制御装置１４から入力される命令によって動作する。スイッチ回路４８は、例えば、東芝製直流高速度真空遮断装置ＨＳ－１Ｒ５０によって構成することができる。
　電解槽３２の複数のセル７０は、整流装置１１の整流器２２に対して、直列に接続され得る。すなわち、一列に配列された複数のセル７０のうち、片方の端に配置されたセル７０の陽極電極７３は整流器２２の正極に接続されており、それ以外のセル７０の陽極電極７３は、隣のセル７０の陰極電極７２に接続されている。隣り合うセル７０間のノードは、スイッチ４９の一端に接続されている。また、一列に配列された複数のセル７０のうち、他方の端に配置されたセル７０の陰極電極７２も、スイッチ４９の一端に接続されている。全てのスイッチ４９の他端は、整流器２２の負極に接続されている。
　次に、本実施形態に係る水素製造システムの動作、すなわち、本実施形態に係る水素製造方法について説明する。
　図７（ａ）～（ｃ）は、横軸に時間をとり、縦軸に電力をとって、各電力の時間変動を示すグラフ図である。
　図１及び図７（ａ）に示すように、発電施設１００は交流電力Ｐ１を発電する。交流電力Ｐ１は、水素製造システム１の整流装置１１に供給される。交流電力Ｐ１の出力は不安定であり、短周期の変動と長周期の変動を含んでいる。例えば、短周期の変動とは周期が１分間未満の変動であり、長周期の変動とは周期が１分間以上の変動である。発電施設１００が風力発電施設である場合は、短周期の変動は刻々と変化する風向き及び風速による変動であり、長周期の変動は天候の変化、季節の変化等による変動である。また、発電施設１００が太陽光発電施設である場合は、短周期の変動は雲の具合で変化する日照量による変動であり、長周期の変動は昼間と夜間の変化、天候の変化、季節の変化等による変動である。
　図３に示すように、アルカリ水電解装置１２の初期状態においては、電解液循環タンク３５内及び電解槽３２内にアルカリ性水溶液Ｓが保持されている。アルカリ性水溶液Ｓは例えば濃度が２５質量％の水酸化カリウム水溶液である。また、純水製造装置３８には、水素製造システム１の外部から一般水、例えば、地下水が供給される。更に、洗浄塔４１内及び洗浄液タンク４３内には、洗浄液Ｃが保持されている。
　この状態で、図１及び図２に示すように、制御装置１４が整流装置１１を作動させる。これにより、整流装置１１に供給された交流電力Ｐ１は、受電盤２１によって整流器２２と変圧器２３に分配される。図７（ａ）に示すように、整流器２２に供給された交流電力は、蓄電池２５を介することにより、短周期の変動が吸収される。これにより、図７（ｂ）に示すように、整流器２２によって、短周期の変動が抑制された直流電力Ｐ２が生成される。直流電力Ｐ２は、交流電力Ｐ１に含まれていた長周期の変動は含んでいる。一方、変圧器２３に入力された交流電力は、変圧器２３によって電圧が調整され、分電盤２４に向けて出力される。分電盤２４に入力された交流電力は、所定の規格電圧を持つ交流電力Ｐ３に変換される。このようにして、整流装置１１は、アルカリ水電解装置１２に対して、直流電力Ｐ２及び交流電力Ｐ３を出力する。
　図３に示すように、制御装置１４（図１参照）は、交流電力Ｐ３により、アルカリ水電解装置１２の補器類、すなわち、ポンプ３６、ポンプ４２、コンプレッサ４５及びチラー４６を作動させる。ポンプ３６が作動することにより、電解液循環タンク３５内に保持されているアルカリ性水溶液Ｓが電解液管５５を介して電解槽３２内に供給される。ポンプ４２が作動することにより、洗浄液Ｃが洗浄塔４１とポンプ４２との間で循環し、洗浄塔４１の上部内において、洗浄液Ｃが気相中に噴射される。コンプレッサ４５が作動することにより、コンプレッサ４５の吸気口に流入した気体を圧縮して排気口から排出する。チラー４６が作動することにより、コンプレッサ４５を冷却する。
　図５に示すように、制御装置１４は、スイッチ回路４８のスタック制御部５０に指令を出して、いずれか１つのスイッチ４９を閉じ、他のスイッチ４９を開く。これにより、電解槽３２における１つ以上のセル７０が整流器２２に直列に接続される。この結果、これらのセル７０には、直流電力Ｐ２が供給される。また、制御装置１４は、複数の電磁バルブ６５のうち、直流電力Ｐ２が供給されるセル７０に接続された電磁バルブ６５を開き、他の電磁バルブ６５を閉じる。
　図４に示すように、電解槽３２に直流電力Ｐ２が供給されることにより、電解槽３２の陰極電極７２と陽極電極７３との間に電流が流れ、アルカリ性水溶液Ｓ中の水分が電気分解される。これにより、陰極電極７２側に水素ガスが発生すると共に、陽極電極７３側に酸素ガスが発生する。この結果、電解槽３２内のアルカリ性水溶液Ｓ中の水分が消費され、セル７０における陰極側空間７４の上部に水素ガスが溜まり、陽極側空間７５の上部に酸素ガスが溜まる。なお、このとき、陰極側空間７４内で発生した水素ガスの一部は、隔壁７１を介して陽極側空間７５内に移動し、陽極側空間７５内で発生した酸素ガスの一部は、隔壁７１を介して陰極側空間７４内に移動する。これらの移動量は主として隔壁７１の性質によって決定される。
　そして、図３に示すように、電解槽３２の各セル７０における陰極側空間７４（図４参照）の上部から、水素ガス及びアルカリ性水溶液Ｓが押し出され、水素管５１を介して陰極ガス気液分離室３３内に流入し、水素ガスとアルカリ性水溶液Ｓとに分離される。また、電解槽３２の各セル７０における陽極側空間７５（図４参照）の上部から、酸素ガス及びアルカリ性水溶液Ｓが押し出され、酸素管５２を介して陽極ガス気液分離室３４内に流入し、酸素ガスとアルカリ性水溶液Ｓとに分離される。
　陰極ガス気液分離室３３内に蓄積したアルカリ性水溶液Ｓは、電解液管５３を介して電解液循環タンク３５に戻る。また、陽極ガス気液分離室３４内に蓄積したアルカリ性水溶液Ｓは、電解液管５４を介して電解液循環タンク３５に戻る。このようにして、ポンプ３６が作動することにより、（電解液循環タンク３５→電解槽３２→陰極ガス気液分離室３３→電解液循環タンク３５）及び（電解液循環タンク３５→電解槽３２→陽極ガス気液分離室３４→電解液循環タンク３５）の経路で、アルカリ性水溶液Ｓが循環する。
　このとき、電気分解に伴ってアルカリ性水溶液Ｓ中の水分が減少し、電解液循環タンク３５の水位が低下する。このため、電解液循環タンク３５に取り付けられた水位計の出力に基づいて、純水製造装置３８が作動し、一般水から純水Ｗを製造し、純水管５８を介して電解液循環タンク３５に補充する。この結果、アルカリ性水溶液Ｓの濃度は、常に一定範囲内に維持される。
　陽極ガス気液分離室３４により分離された酸素ガスは、酸素管６９を介して水素製造システム１の外部に排気される。また、陰極ガス気液分離室３３により分離された水素ガスは、水素管６１を介して洗浄塔４１内に導入される。洗浄塔４１内に導入された水素ガスは、洗浄液Ｃのシャワーを浴び、残留していたアルカリ成分が洗浄液Ｃ中に溶け込んで除去される。この結果、水素ガスのアルカリ成分が除去される。
　洗浄塔４１内でアルカリ成分が除去された水素ガスは、水素管６４及び電磁バルブ６５を介してバッファタンク４４内に蓄積される。そして、バッファタンク４４から水素管６６を介してコンプレッサ４５に送られ、コンプレッサ４５によって例えば０．８ＭＰａ（メガパスカル）まで圧縮されて、水素管６７を介してドライヤ４７に送られる。ドライヤ４７においては、水素ガスがフィルタを通過することにより水分等の不純物が除去される。そして、水素管６８を介して水素タンク１３（図１参照）に送られ、水素タンク１３内に貯蔵される。このようにして、水素発生システム１は、外部から電力及び一般水が供給されることにより、水素ガスを製造することができる。水素タンク１３に貯蔵された水素ガスは、時々、例えば水素ローリー車等に充填されて、消費地まで輸送される。
　次に、交流電力Ｐ１の長周期の変動に対する動作について説明する。
　図７（ａ）に示すように、交流電力Ｐ１が長周期的に増加すると、直流電力Ｐ２も増加する。このとき、図５に示すように、制御装置１４（図１参照）は整流器２２からの信号により直流電力Ｐ２の増加を検知し、スタック制御部５０に対して指令を出すことにより、閉じるスイッチ４９を変更して、整流器２２に直列に接続されるセル７０の数（以下、「スタック数」ともいう）を増やす。一方、交流電力Ｐ１が長周期的に減少すると、直流電力Ｐ２も減少する。このときは、制御装置１４はスタック制御部５０に指令を出し、スタック数を減らす。このようにして、図７（ｃ）に示すように、制御装置１４は直流電力Ｐ２の長周期の変動に対応させてスタック数を変化させる。
　また、図５に示すように、制御装置１４は、直流電力Ｐ２が供給されるセル７０に接続された電磁バルブ６５を開き、直流電力Ｐ２が供給されないセル７０に接続された電磁バルブ６５を閉じる。更に、制御装置１４は、コンプレッサ４５のインバータ回路４５ｉに対して指令を出す。これにより、モータ４５ｍの回転数を制御して、コンプレッサ４５の処理能力を、電解槽３２によって生成される水素ガスの総量に応じた能力に調整する。
　電解槽３２において水の電解に必要な電力をＷとし、整流器２２に直列に接続されたセル７０の数（スタック数）をＮとし、１つのセル７０において消費するセル電圧をＶとし、セル７０に流れるセル電流をＡとするとき、下記数式１が成立する。従って、セル７０に流れるセル電流Ａは、下記数式２によって与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　セル電圧Ｖはセル７０内の電極特性によって決まる電圧であるため、略一定である。このため、仮にスタック数Ｎを一定とすると、直流電力Ｐ２の電力Ｗの変動に伴ってセル電流Ａが変動してしまう。
　セル電流Ａが減少すると、セル７０において発生する水素ガス及び酸素ガスの量もセル電流Ａに比例して減少する。しかしながら、図４に示すように、セル７０内において隔壁７１を通過する水素ガス及び酸素ガスの量は、隔壁７１の性質によって決まるため、水素ガスの発生量が減少しても、それほど減少しない。この結果、セル電流Ａが減少して、水素ガスの発生量が減少すると、セル７０から陰極ガス気液分離室３３に流出する水素ガス中における酸素含有量が増加してしまう。これにより、最終的に製造される水素ガスの純度が低下してしまう。
　そこで、本実施形態においては、電力Ｗの変動に合わせてスタック数Ｎを切り替える。これにより、上記数式２及び図７（ｃ）に示すように、電力Ｗが変動しても、セル電流Ａを略一定に保つことができる。
　また、スタック数Ｎの変更に連動させて、電磁バルブ６５を開閉することにより、駆動しているセル７０によって製造された水素ガスが、バッファタンク４４を介して、駆動していない洗浄塔４１、陰極ガス気液分離室３３及びセル７０に逆流することを防止できる。
　更に、スタック数Ｎの変更に連動させて、コンプレッサ４５の処理能力を切り替えることにより、製造された水素ガスを効率的に圧縮することができる。
　しかしながら、制御装置１４がスタック数Ｎを切り替えると共にコンプレッサ４５の処理能力を切り替えるタイミングと、コンプレッサ４５の吸気口において水素ガスの供給量が変動するタイミングとの間には、時間差がある。具体的には、スタック数Ｎを増加させて、それまで使用していなかったセル７０の陰極電極７２と陽極電極７３との間に電圧を印加しても、このセル７０において水の電解反応が進行して水素ガスが生成され、この水素ガスが陰極ガス気液分離室３３、洗浄塔４１及びバッファタンク４４を通過してコンプレッサ４５の吸気口に達するまでには時間がかかる。また、スタック数Ｎを減少させて、それまで使用していたセル７０に対する電圧の供給を停止しても、このセル７０の陰極側空間７４に蓄積されていた水素ガスが、陰極ガス気液分離室３３、洗浄塔４１及びバッファタンク４４を通過してコンプレッサ４５の吸気口に達し、コンプレッサ４５に吸気され尽くすまでには時間がかかる。この時間差を「切替時間」という。
　そこで、本実施形態においては、コンプレッサ４５の吸気口側にバッファタンク４４を設けている。これにより、上述の切替時間に起因した水素量の変動を吸収することができる。すなわち、スタック数Ｎを増加させたときは、コンプレッサ４５はバッファタンク４４内の水素ガスを消費し、スタック数Ｎを減少させたときは、セル７０、陰極ガス気液分離室３３及び洗浄塔４１に蓄積されていた水素ガスがバッファタンク４４内に蓄積される。これにより、コンプレッサ４５の吸気口における水素ガスの圧力を一定範囲内に保つことができる。
　なお、仮にバッファタンク４４が設けられていないと、スタック数Ｎを増加させてコンプレッサ４５の処理能力を増加させたときに、一時的にコンプレッサ４５の吸気口において水素ガスが不足し、圧力が低下する。この結果、セル７０の陰極側空間７４の圧力が低下する。一方、陽極側空間７５の圧力は変わらないため、通常運転時と比較して、陰極側空間７４に対する陽極側空間７５の圧力が高くなり、隔壁７１を介して陽極側空間７５から陰極側空間７４内に進入する酸素ガス量が増加する。これにより、水素ガスの純度が低下してしまう。また、スタック数Ｎを減少させてコンプレッサ４５の処理能力を低下させたときは、一時的にコンプレッサ４５の吸気口において水素ガスが過剰となり、圧力が増加する。この結果、コンプレッサ４５に過剰な負荷を与えてしまう。
　上述の如く、バッファタンク４４の容量は、上記切替時間において１つのセル７０が生成する水素ガスの生成量以上とすることが好ましい。１つのセル７０が切替時間中に生成する水素ガスの生成量以上とすることにより、スタック数Ｎを１だけ変化させて、１つのセル７０の稼働を開始又は停止させたときに、この１つのセル７０による水素ガスの供給量の変動分をバッファ４４により吸収することができる。また、必要な数だけのセル７０、又は、全てのセル７０の稼動を同時に開始又は停止させる場合には、バッファタンク４４の容量は、各々の場合において、それらに応じた分の容量とすればよい。
　次に、本実施形態の効果について説明する。
　本実施形態に係る水素製造システム１においては、蓄電池２５により、発電施設１００によって発電された交流電力Ｐ１の短周期の変動を吸収することができる。また、制御装置１４がスタック制御部５０を介してスイッチ４９を切り替えると共に、コンプレッサ４５の処理能力を調整することにより、交流電力Ｐ１の長周期の変動を吸収することができる。更に、バッファタンク４４により、コンプレッサ４５の吸気口における一時的な水素ガス供給量の変動を吸収することができる。これにより、交流電力Ｐ１が短周期及び長周期で変動しても、所定値以上のセル電流Ａを維持することができると共に、コンプレッサ４５の吸気口における水素ガスの圧力を一定範囲内に保つことができる。この結果、コンプレッサ４５に過剰な負荷をかけることなく、より純度が高い水素ガスを安定して製造し続けることができる。
　これにより、再生可能エネルギーを利用した発電施設１００から出力される交流電力Ｐ１を有効に利用して、水素ガスを製造することができる。製造された水素ガスは、貯蔵及び運搬されて、任意の時期及び場所において、例えば燃料電池により電力に再変換することができる。このように、本実施形態に係る水素製造システム１によれば、再生可能エネルギーを有効に利用することができ、社会全体の電力需要に占める再生可能エネルギーの割合を増加させることが可能となる。
　また、本実施形態においては、制御装置１４が電磁バルブ６５を制御し、稼働しているセル７０に接続された電磁バルブ６５を開き、稼働していないセル７０に接続された電磁バルブ６５を閉じている。これにより、稼働しているセル７０によって製造された水素ガスが、バッファタンク４４を介して、稼働していないセル７０に逆流することを防止できる。この結果、水素ガスを効率よく製造することができる。
　なお、本実施形態のように、セル７０のスタック数Ｎを切り替えて対応するのではなく、単に蓄電池２５を大型化することにより、交流電力Ｐ１の長周期の変動を吸収することも考えられる。しかしながら、この場合は、蓄電池２５のコストが増加してしまい、現実的ではない。例えば、水素ガスの生成量が１００Ｎｍ３／ｈ程度のアルカリ水電解装置に対しては、出力が６００ｋＷ程度の蓄電池が必要となる。
　また、蓄電池２５を設けず、スタック数Ｎ及びコンプレッサ４５の処理能力を頻繁に変更することにより、短周期の変動に対応することも考えられる。しかしながら、この場合は、大電流が流れるスイッチ４９を頻繁に開閉することになり、スイッチ４９が短期間で消耗してしまう。また、コンプレッサ４５は機械的に動作する機器であるため、処理能力を短周期で切り替えることは困難である。
　更に、バッファタンク４４を設けず、コンプレッサ４５の処理能力を精密に制御することにより、コンプレッサ４５の吸気口における水素ガスの圧力を平滑化することも考えられる。しかしながら、この場合も、上述の如くコンプレッサ４５を短周期で制御することが困難である。
　更にまた、アルカリ電解方式ではなく、固体電解質膜方式によって水素ガスを製造することも考えられる。この場合は、隔壁７１の替わりに、固体電解質膜を使用するため、陽極側空間７５から陰極側空間７４への酸素ガスの混入が少ない。しかしながら、固体電解質膜は例えば白金の粉末を含むため、高価である。また、アルカリ電解方式の場合、純水に要求される電気伝導度は１０μＳ／ｃｍ以下であるが、固体電解質膜方式の場合、純水に要求される電気伝導度は５μＳ／ｃｍ以下である。すなわち、固体電解質膜方式は、アルカリ電解方式と比較して、要求される純水の純度が高い。これらの理由により、固体電解質膜方式は、アルカリ電解方式と比較してコストが高い。
　（第２の実施形態）
　次に、第２の実施形態について説明する。
　図８は、本実施形態に係る水素製造システムを示す図である。
　図８に示すように、本実施形態に係る水素製造システム２においては、バッファタンク４４が複数のサブタンク４４ｓに分けられている。各サブタンク４４ｓは各セル７０の陰極側空間７４（図４参照）に接続されている。サブタンク４４ｓにおける入口４４ｉから出口４４ｏに向かう方向に対して直交する断面の面積は、水素管６４の流通方向に直交する断面の面積よりも大きい。また、各サブタンク４４ｓの容量は、コンプレッサ４５の処理能力の切替時間に、１つのセル７０が生成する水素ガスの生成量以上であることが好ましい。
　また、サブタンク４４ｓとコンプレッサ４５との間には、サブタンク４４ｓ毎に電磁バルブ７７が設けられている。そして、制御装置１４が、あるセル７０に直流電力Ｐ２を供給するときは、このセル７０に接続された電磁バルブ６５及び７７を開き、制御装置１４が、あるセル７０に対する直流電力Ｐ２の供給を停止するときは、このセル７０に接続された電磁バルブ６５及び７７を閉じる。
　本実施形態においては、バッファタンク４４が各セル７０に接続された複数のサブタンク４４ｓに区画されており、サブタンク４４ｓとコンプレッサ４５との間に電磁バルブ７７が設けられていることにより、あるセル７０において水の電解を停止したときに、このセル７０に接続されたサブタンク４４ｓ内に、その時点までに製造された水素ガスを封入することができる。この結果、水素製造システム２全体を停止したときに、サブタンク４４ｓ内に大気が混入することを防止でき、水素製造システム２の再稼働後、短時間で水素ガスの収集を開始することができる。本実施形態における上記以外の構成、動作及び効果は、前述の第１の実施形態と同様である。
　以上説明した実施形態によれば、供給される電力が不安定であっても、より純度が高い水素ガスを安定して製造できる水素製造システムを実現することができる。
　以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、請求の範囲に記載された発明及びその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

Claims (7)

  1. 　外部から第１電力が供給され、直流の第２電力を出力する整流装置と、
    　前記第２電力が供給されてアルカリ性水溶液を電気分解する複数のセルを有する電解槽と、
    　前記複数のセルの陰極側に接続されたバッファタンクと、
    　前記バッファタンクに接続され、気体を圧縮するコンプレッサと、
    　前記複数のセルのそれぞれに前記第２電力を供給するか否かを選択する制御装置と、
    　を備えた水素製造システム。
  2. 　前記整流装置は、前記第２電力を蓄積可能な蓄電池を有する請求項１記載の水素製造システム。
  3. 前記制御装置はスイッチング機能を有し、前記スイッチング機能によって、前記制御装置は前記複数のセルのそれぞれに前記第２電力を供給するか否かを選択する請求項１または２に記載の水素製造システム。
  4. 前記第１電力は交流電力である請求項１～３のいずれか１つに記載の水素製造システム。
  5. 　各前記セルと前記バッファタンクとの間に接続されたバルブをさらに備え、
    　前記制御装置は、前記第２電力を供給する前記セルに接続された前記バルブを開き、前記第２電力を供給しない前記セルに接続された前記バルブを閉じる請求項１～４のいずれか１つに記載の水素製造システム。
  6. 　前記バッファタンクは、前記複数のセルのそれぞれに接続された複数のサブタンクを有する請求項１～５のいずれか１つに記載の水素製造システム。
  7. 　前記第１電力は、再生可能エネルギーを利用した発電施設によって生成される請求項１～６のいずれか１つに記載の水素製造システム。
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