WO2023012945A1

WO2023012945A1 - 水電解システム及びその制御方法

Info

Publication number: WO2023012945A1
Application number: PCT/JP2021/029003
Authority: WO
Inventors: 貴彰水上; 昌俊杉政
Original assignee: 株式会社日立製作所
Priority date: 2021-08-04
Filing date: 2021-08-04
Publication date: 2023-02-09

Abstract

水電解システム１００は、直流電源と直列に接続される複数の電解スタック１０１と、電解スタック１０１で生成した水素ガス１０４（水素）を貯蔵する水素ガスタンク１０２と、電解スタック１０１で生成した酸素ガス１０５（酸素）を貯蔵する酸素ガスタンク１０３と、複数の電解スタック１０１全体で生成した水素ガス１０４の圧力を調整する水素ガスタンク圧力調整バルブ１１３と、複数の電解スタック１０１全体で生成した酸素ガス１０５の圧力を調整する酸素ガスタンク圧力調整バルブ１１４と、個々の電解スタック１０１で生成した水素ガス１０４の圧力を調整する電解スタック水素ガス圧力調整バルブ１１５と、個々の電解スタック１０１で生成した酸素ガス１０５の圧力を調整する電解スタック酸素ガス圧力調整バルブ１１６と、各バルブの開閉を制御する制御装置と、を備える。

Description

水電解システム及びその制御方法

　本発明は、水電解システム及びその制御方法に関する。システム内の複数の電解スタックが直並列に接続された水電解システムにおいて、電解スタックがすべて直列に直流電源と接続された全ての電解スタックで生成した水素、酸素を貯蔵する貯蔵タンクと圧力を調整するバルブを有しており、更に個別電解スタックに接続された水の水素、酸素の配管にそれぞれ圧力を調整するバルブを有した水電解システムであり、個別電解スタックに設置された制御バルブは個別電解スタックで生成する水素、酸素を所定の圧力に調整する役割を有していることを特徴とする水電解システムとその運用方法に関するものである。

　化石燃料に対して水素は、燃焼時に二酸化炭素を排出しないクリーンなエネルギーである。そのため、地球温暖化対策のためのクリーンエネルギーの一つとして注目され、水素の製造・輸送・利用に関する技術開発が進められている。

　再生可能エネルギーなどを利用した水の電気分解により大規模に水素を製造する装置およびその制御方法に関して、非特許文献１には、電力品質の安定性および設置面積の削減の観点から大規模水電解システム向けの新規半導体デバイスの開発が進められていることが記載されている。

　非特許文献２には、20MWを超える大規模水電解システムでは、電源の高効率稼働のため多数の電解スタックを１台の電源で稼働する必要性があることが記載されている。また、非特許文献１には、再エネ(太陽光発電)の最大電力点(MPP)に追従するため、ストリング(直列部)単位の動作ON/OFF、及び、ストリング中の各スタックの動作ON/OFFを制御する方法、及び、再エネ(太陽光発電)からの供給電力量の変動に応じて各水電解スタックの電力を個別調整。水電解スタックの電解効率を最大化するように、入力電流を制御する方法が記載されている。

欧州における水素製造プロジェクトの一つである「Green project」の最終報告(https://www.waterstofnet.eu/_asset/_public/Greenports/Greenports-final-report-Feb-2021.pdf) IRENAの報告書「Green Hydrogen cost reduction」(https://www.irena.org/-/media/Files/IRENA/Agency/Publication/2020/Dec/IRENA_Green_hydrogen_cost_2020.pdf)

　非特許文献１に記載の新規半導体デバイスの開発は、実用化時期やコスト、製造量の確保が課題となる。特に新規製造プロセスは、立ち上がりに時間がかかるため2050年までの500GWの需要に対応できない可能性がある。

　非特許文献２に記載の多数の電解スタックを一括稼働する手法については、電解スタックの多直列接続が挙げられる。多直列接続で高電圧化を図ることにより、一般的な大型直流電源の利用が可能となり、低コストで大規模化を実現することができると予想される。

　そこで、本発明は、電解スタックを多直列化した水電解システム及びその制御方法を提供することを目的とする。

　上記課題を解決するために、本発明に係る水電解システムは、直流電源と直列に接続される複数の電解スタックと、電解スタックで生成した水素ガスを貯蔵する水素ガスタンクと、電解スタックで生成した酸素ガスを貯蔵する酸素ガスタンクと、複数の電解スタック全体で生成した水素ガスの圧力を調整する水素ガスタンク圧力調整バルブと、複数の電解スタック全体で生成した酸素ガスの圧力を調整する酸素ガスタンク圧力調整バルブと、個々の電解スタックで生成した水素ガスの圧力を調整する電解スタック水素ガス圧力調整バルブと、個々の電解スタックで生成した酸素ガスの圧力を調整する電解スタック酸素ガス圧力調整バルブと、各バルブの開閉を制御する制御装置と、を備えることを特徴とする。

　本発明によれば、電解スタックを多直列化した水電解システム及びその制御方法を提供することができる。

本発明による水電解システムの装置構成図本発明による水電解システムの装置構成図図３の電解スタックの圧力調整によるIV曲線の変化イメージ図本発明による電解スタックの圧力調整制御フロー

　以下、本発明の実施例を、図面を用いて説明する。なお、同一の構成には、同一の符号を付し、説明が重複する場合は、その説明を省略する場合がある。また、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。異なる実施例同士を組み合わせてもよい。

　一般的に、水電解装置は電源に対して並列に接続して、各水電解装置の電流を制御することで出力（ガス生成量）を制御する。一方、多直列接続した場合には、直列に接続されたすべてのスタックで電流が一定になる。電解性能が低いスタックまたは劣化大きいスタックに合わせての電流値を下げると、全体での水素製造量が減少する。また、電流値を下げなかった場合には、これらのスタックの変換効率が低下することになる。

　発明者らは、個々の電解スタックの性能が低下した場合や、個々の電解スタックの劣化が大きくなった場合でも、電解効率をできるだけ低下させずに水素を製造する電解スタックの運転条件の制御を見出した。

　図１に示すように、本発明における水電解システム１００は、主に電解スタック１０１、水素ガスタンク１０２、酸素ガスタンク１０３、水配管１０６、水素ガス配管１０７、酸素ガス配管１０８、送水ポンプ１０９、大型冷却器１１０、水流量調整バルブ１１１、小型冷却器１１２、水素ガスタンク圧力調整バルブ１１３、酸素ガスタンク圧力調整バルブ１１４、電解スタック水素ガス圧力調整バルブ１１５、電解スタック酸素ガス圧力調整バルブ１１６、酸素ガス/水分離タンク１１７、電解スタック水圧力調整バルブ１１８、水タンク１１９から成る。また、水電解システム１００は、制御装置１５０を含んで成る。

　水電解システム１００の水素製造工程は一般的な水電解システムと同様である。水タンク１１９から送水ポンプ１０９によって水が個別の電解スタック１０１の酸素極側に供給される。電解スタック１０１に所定の電圧を印加して水を電気分解することにより水素と酸素が発生する。発生した水素は電解スタック水素ガス圧力調整バルブ１１５で所定の圧力に調整し、水素ガス配管１０７を通り、水素ガスタンク１０２に回収されて、水素ガスタンク圧力調整バルブ１１３で所定の圧力に調整されて、水素ガス１０４が外部に供給される。発生した酸素は電解されなかった水と合わせて電解スタック１０１から排出され、酸素ガス/水分離タンク１１７で分離されて、電解スタック酸素ガス圧力調整バルブ１１６で所定の圧力に調整し、酸素ガス配管１０８を通り、酸素ガスタンク１０３に回収され、酸素ガスタンク圧力調整バルブ１１４で所定の圧力に調整されて、酸素ガス１０５が外部に供給される。酸素ガス/水分離タンク１１７で分離された水は、電解スタック水圧力調整バルブ１１８で所定の圧力に調整されて、水タンク１１９に回収されて、再度送水ポンプを通じて電解スタック１０１に供給される。なお図１では電力供給線は記載されていないが、電解スタック１０１は一般的な大型直流電源が適用可能となるよう直列接続されている。直列数に関しては、特に制限はない。

　図１の水電解システム１００は、酸素極側にのみ水を供給し、水素極側では電解質膜を通ってきたプロトンから水素ガスを製造するシステムを想定している。水素と水の分離が不要であり、水供給設備が半分になるため設備費が抑制できるメリットがある。ただしプロトン透過型の固体高分子型しか適用できない点が課題である。本発明における水電解システムは電解質膜の種類によらず適用可能である。プロトン透過型以外の水電解システムは図２の水電解システム１００’に示すように、水の供給系統が２系統となり、水素極側にも水供給が行われる。発生した水素は水素ガス/水分離タンク１２０で分離されて、電解スタック水素ガス圧力調整バルブ１１５で所定の圧力に調整し、水素ガス配管１０７を通り、水素ガスタンク１０２に回収される。水素ガス/水分離タンク１２０で分離された水は、電解スタック水圧力調整バルブ１１８で所定の圧力に調整されて、水タンク１１９に回収されて、再度送水ポンプを通じて電解スタック１０１に供給される。

　電解スタック水素ガス圧力調整バルブ１１５、電解スタック酸素ガス圧力調整バルブ１１６は、本発明の水電解システム１００に特有の設備である。一般的な電解スタック１０１には特性のバラつきや、劣化による電解電圧のばらつきが存在するため、同じ電流を流しても抵抗値の差により、電解効率に差が生じる。

　本発明の水電解システム１００では、個別電解スタックの電解電圧を計測し、電解電圧が高い電解スタックは電解スタック水素ガス圧力調整バルブ１１５、電解スタック酸素ガス圧力調整バルブ１１６を調節して圧力を下げる。これによって、反応抵抗を減少させることにより電圧が高い電解スタックの電圧を降下させて、他の電解スタックとの電圧差を小さくすることで、電解効率を高めて運転することができる。

　電解スタック水素ガス圧力調整バルブ１１５、電解スタック酸素ガス圧力調整バルブ１１６については、他の電解スタックとの圧力差により逆流が生じないように開閉度は常にモニタリングされており、その状況に応じて水素ガスタンク圧力調整バルブ１１３、酸素ガスタンク圧力調整バルブ１１４を制御することで両ガスタンクの圧力を制御する制御アルゴリズムを有している。

＜実施例１＞
　本実施例では、本発明における水電解システムの圧力調整システムとその制御方法について説明する。なお本実施例は図１に示す水電解システム１００に基づき説明するが、水電解システム１００’への展開も可能であり、図１の構成に限定されるものではない。

　図１に示すように、本発明における水電解システム１００は、主に電解スタック１０１、水素ガスタンク１０２、酸素ガスタンク１０３、水配管１０６、水素ガス配管１０７、酸素ガス配管、１０８、送水ポンプ１０９、大型冷却器１１０、水流量調整バルブ１１１、小型冷却器１１２、水素ガスタンク圧力調整バルブ１１３、酸素ガスタンク圧力調整バルブ１１４、電解スタック水素ガス圧力調整バルブ１１５、電解スタック酸素ガス圧力調整バルブ１１６、酸素ガス/水分離タンク１１７、電解スタック水圧力調整バルブ１１８、水タンク１１９から成る。

　本発明の水電解システム１００では、個別電解スタックの電圧を計測し、電解電圧が高い電解スタックは電解スタック水素ガス圧力調整バルブ１１５、電解スタック酸素ガス圧力調整バルブ１１６を調節して圧力を下げる。

　図３に電解スタック群の圧力調整の一例を示す。なお、図３では電解スタック１～４（直列スタック群）の構成事例を示しているが、実際のスタック数を示したものではなく、本発明の水電解システムは図３のスタック数に限定されるものではない。

　本発明の水電解システム１００の稼働に当たって、電解スタック１０１の仕様電圧領域と警戒電圧領域を定めることが望ましい。仕様電圧領域は高効率で長期間にわたり安定に水素を製造可能な電圧領域であり、警戒電圧領域は所定の時間稼働すると電解スタックの性能低下、破損が予想される電圧領域を示している。これらの電圧領域は電解スタック特性に依存するため、実際の電解システムを構築する前に、利用する電解スタックの特性を計測し、それぞれの電圧領域を設定する必要がある。

　図３(a)では電解スタック１～４の稼働時の電圧を示している。電解スタック１，２，４は仕様電圧領域で稼働しているが、電解スタック３が警戒電圧領域の電圧で稼働していることがわかる。そこで本発明では、電解スタック３に接続された電解スタック水素ガス圧力調整バルブ１１５、電解スタック酸素ガス圧力調整バルブ１１６を調節することで、電解スタックの水素ガス、または、酸素ガスの圧力を下げる。両ガスのガス圧力調整は同様な圧力で調整しても良いし、水素発生極と酸素発生極の差圧が許容される範囲で変えても良い。これにより、電解スタック３のみの水素ガス、または、酸素ガスの圧力を調整することが可能となる。その結果、図３(b)に示すように、電解スタック１，２，４の電圧を維持したまま、電解スタック３の電圧を仕様電圧領域まで調整することができる。

　図４は図３に示した電解スタック１～４の圧力調整前後のI-V特性を示した事例である。電解スタック１～４に通電された電流値をA1アンペアとし、その時の電解スタック１，２，４の電圧をV1ボルトとすると、電解スタック３はV2ボルトであると予想される。電解スタック３は抵抗が高いため、他の電解スタックより電解電圧が高くなったと予測される。電解スタック１～４への通電電流がA1で一定あるため、抵抗の高い電解スタック３は他の電解スタックに比べて高い温度を有していると推測される。なお、本発明では電圧計測による圧力調整の事例を示しているが、より精度の高い圧力調整を実現するため個別の電解スタックの温度を併せて計測したほうが好ましい。

　更に、圧力調整後の電解スタック３の電圧はV2+ΔVボルトへと降下すると予測される。ΔVは圧力調整前後のガス圧力差によって変化し、この圧力差に比例する。このため本発明の水電解システム１００で個別の電解スタックの圧力調整が必要となった場合、目標圧力における電解電圧を算出する計算アルゴリズムを有しており、更にその値に基づいて電解スタック水素ガス圧力調整バルブ１１５、または、電解スタック酸素ガス圧力調整バルブ１１６の制御を行う制御アルゴリズムを有していることが望ましい。

　水流量調整バルブ１１１または小型冷却器１１２で電解スタック３を冷却した場合、抵抗減少により発熱量が低下し、電解スタック温度が低下するので、これらによる除熱量を調節する必要がある。電解スタックの発熱量は、電解過電圧、つまり電解電圧から理論電解電圧を引いた値と電流値を乗算した値となる。電解スタック３では圧力調整によって、発熱量がA1×(V2-理論電解電圧)からA1×(V2+ΔV-理論電解電圧)までA1×ΔV分だけ減少しているこのため本発明の水電解システム１００で個別の電解スタックの圧力調整が必要となった場合、目標圧力における電解電圧を算出する計算アルゴリズムを有しており、更にその値に基づいて水流量調整バルブ１１１または小型冷却器１１２の制御を行う制御アルゴリズムを有していることが望ましい。

　個別の電解スタックの圧力調整は複数回行ってもよい。警戒圧力領域に入った電解スタックは同様のプロセスで圧力を調整することで、電圧効率を低下させることなく、さらに、水素製造量を削減することなく稼働を続けることができる。ただし、一般的に電解セルの電極は、一定以上まで電解電圧が上昇すると電極自体の酸化などで劣化する。このため、例えば電解スタック３に複数回圧力調整を行い、V2＋ΔVの値が、電極セルの劣化が想定される電圧に達した場合は、電解の電流値を下げて電解電圧の低減を図る必要がある。本発明の水電解システム１００では多直列の電解スタックを用いるため、電流値を下げると全体の水素製造量が低下する。このため、本発明の水電解システム１００を用いる場合は、電流値を下げた後に所定の稼働期間で製造可能な水素量から得られる収益と、設備コストをかけて電解スタックを交換した後に所定の稼働期間で製造可能な水素量から得られる収益を算出、比較するアルゴリズムを有し、設備コストをかけても交換した場合の収益が高い場合は、水電解システム１００を止めて特定の電解スタックを交換する指示を発するアルゴリズムを有することが好ましい。

　図５に本発明の水電解システム１００の圧力調整プロセスフローを示す。本プロセスフローは図３および図４の電解スタック３に焦点を当てて作成したものであり、実際のフローでは圧力調整が必要な特定の電解スタックを対象として実施すればよい。

　図５に示すプロセスフローを簡単に以下に説明する。

　まず警戒電圧領域まで電解電圧が上昇した電解スタック３の存在を検知する。その後、仕様電圧領域まで電解スタック３の電解電圧を下げるための目標電圧を設定する。電解スタック３の電解特性（圧力依存性）を基に、目標圧力にした場合の電解電圧V2＋ΔVボルトを算出する。

　ここで、電解スタック３に接続された電解スタック水素ガス圧力調整バルブ１１５、電解スタック酸素ガス圧力調整バルブ１１６を調節することで、電解スタックの水素ガス、または、酸素ガスの圧力を下げる。両ガスのガス圧力調整は同様な圧力で調整しても良いし、水素発生極と酸素発生極の差圧が許容される範囲で変えても良い。

　圧力変更後、電解スタック電圧が仕様電圧領域に到達していれば操作を終了する。電解スタック電圧が仕様電圧領域に到達していない場合は、電解スタック電圧が電極セルの劣化が想定される電圧に到達しているか確認し、到達していない場合は圧力変更操作を再度行う。電解スタック電圧が電極セルの劣化が想定される電圧に到達した場合は、電解の電流値を下げることが望ましい。

　さらに、電流値を下げた後に所定の稼働期間で製造可能な水素量から得られる収益と、設備コストをかけて電解スタックを交換した後に所定の稼働期間で製造可能な水素量から得られる収益を算出、比較し、設備コストをかけても交換した場合の収益が高い場合は、水電解システム１００を止めて特定の電解スタックを交換する。

　実施例１の水電解システム１００およびその制御方法を適用することで、一般的な大型直流電源の活用が可能な多直列電解システムにおいて、高い電解効率、低コストで安定に水素製造を継続することが可能となる。

　以上の点を纏めると以下のとおりである。なお、上記には記載が無いが下記に記載がある事項については、下記の事項を上記内容に適用できる。

　水電解システム１００は、
　直流電源と直列に接続される複数の電解スタック１０１（水電解スタック）と、
　電解スタック１０１で生成した水素ガス１０４（水素）を貯蔵する水素ガスタンク１０２（第１タンク）と、
　電解スタック１０１で生成した酸素ガス１０５（酸素）を貯蔵する酸素ガスタンク１０３（第２タンク）と、
　複数の電解スタック１０１全体で生成した水素ガス１０４の圧力を調整する水素ガスタンク圧力調整バルブ１１３（第１水素圧力調整バルブ）と、
　複数の電解スタック１０１全体で生成した酸素ガス１０５の圧力を調整する酸素ガスタンク圧力調整バルブ１１４（第１酸素圧力調整バルブ）と、
　個々の電解スタック１０１で生成した水素ガス１０４の圧力を調整する電解スタック水素ガス圧力調整バルブ１１５（第２水素圧力調整バルブ）と、
　個々の電解スタック１０１で生成した酸素ガス１０５の圧力を調整する電解スタック酸素ガス圧力調整バルブ１１６（第２酸素圧力調整バルブ）と、
　水素ガスタンク圧力調整バルブ１１３、酸素ガスタンク圧力調整バルブ１１４、電解スタック水素ガス圧力調整バルブ１１５、電解スタック酸素ガス圧力調整バルブ１１６の開閉を制御する制御装置１５０と、を備える。
　なお、制御装置１５０は、何れも図示はしないが、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）等を備えて構成される。制御装置１５０は、ＲＯＭに格納されている所定のプログラム（制御プログラム）がＲＡＭに展開され、ＣＰＵによって実行されることにより具現化される。ここでいうプログラムは、コンピュータに制御方法を実行させるためのものである。なお、制御装置１５０について、制御対象の水流量調整バルブ１１１等の各制御対象機器との間の制御信号線等は、図示を省略している。

　更に、水電解システム１００は、
　個々の電解スタック１０１は、電圧計測器（不図示）を備え、
　制御装置１５０は、仕様電圧領域（図３。仕様電圧範囲）と警戒電圧領域（図３。警戒電圧範囲）の情報を有し、上記電圧計測器が計測した電解スタック１０１の電圧が、警戒電圧領域に達した場合に、上記仕様電圧領域まで電圧を下げるために減少させる水素ガス１０４の圧力又は酸素ガス１０５の圧力を算出する。

　更に、水電解システム１００は、
　個々の電解スタック１０１は、電圧計測器（不図示）を備え、
　制御装置１５０は、仕様電圧領域と警戒電圧領域の情報を有し、上記電圧計測器が計測した電解スタック１０１の電圧が、上記警戒電圧領域に達した場合に、電解スタック１０１と対応する電解スタック水素ガス圧力調整バルブ１１５又は電解スタック酸素ガス圧力調整バルブ１１６の開閉を調整し、電解スタック１０１の水素ガス１０４の圧力又は酸素ガス１０５の圧力を下げる。

　更に、水電解システム１００は、
　個々の電解スタック１０１は、電解スタック１０１のガス圧力を測定する圧力計測器（不図示）を備え、
　制御装置１５０は、仕様圧力領域と警戒圧力領域の情報を有し、上記圧力計測器が計測したガス圧力が、警戒圧力領域に達した場合に、電解スタック１０１と対応する電解スタック水素ガス圧力調整バルブ１１５又は電解スタック酸素ガス圧力調整バルブ１１６の開閉を調整し、電解スタック１０１の酸素ガス１０５又は水素ガス１０４の圧力を下げる。

　更に、水電解システム１００は、
　個々の電解スタック１０１の温度又は個々の電解スタック１０１から排出された水の温度を計測する温度計測器（不図示）と、
　複数の電解スタック１０１全体に水を供給する送水ポンプ１０９（送液装置）と、
　複数の電解スタック１０１全体に供給される水の温度を調整する大型冷却器１１０（第１冷却器）と、
　送水ポンプ１０９又は大型冷却器１１０と、電解スタック１０１と、の間の水の水配管１０６（供給配管）に設けられた水流量調整バルブ１１１（バルブ）及び小型冷却器１１２（第２冷却器）と、
　送水ポンプ１０９、大型冷却器１１０、小型冷却器１１２及び水流量調整バルブ１１１を制御する制御装置１５０と、をさらに備え、
　制御装置１５０は、個々の電解スタック１０１のいずれかの温度が変化した場合に、電解スタック１０１に対応する水流量調整バルブ１１１を開く、又は電解スタック１０１に対応する小型冷却器１１２で電解スタック１０１に供給される水を冷却する。

　水電解システム１００の制御方法は、
　個々の電解スタック１０１の電解特性から、仕様電圧領域と警戒電圧領域とをあらかじめ設定し、
　個々の電解スタック１０１の電圧を計測し、
　計測された電圧が上記警戒電圧領域に達した場合に、電解スタック１０１と対応する電解スタック水素ガス圧力調整バルブ１１５又は電解スタック酸素ガス圧力調整バルブ１１６を開閉を調整し、電解スタック１０１の酸素ガス１０５又は水素ガス１０４の圧力を下げる。

　更に、水電解システム１００の制御方法は、
　計測された電圧が警戒電圧領域に達した場合に、仕様電圧領域まで電圧を下げるために減少させる水素ガス１０４の圧力又は酸素ガス１０５の圧力を算出する。

　更に、水電解システム１００の制御方法は、
　個々の電解スタック１０１の電圧が、警戒電圧領域に達した場合で、かつ電解スタック１０１に対応する電解スタック水素ガス圧力調整バルブ１１５又は電解スタック酸素ガス圧力調整バルブ１１６の開閉を調整しても、仕様電圧領域まで電圧が下がらない場合、複数の水電解システム１００全体の電流値を下げる。

　更に、水電解システム１００の制御方法は、
　個々の電解スタック１０１の電解特性から、仕様圧力領域と警戒圧力領域とをあらかじめ設定し、
　個々の電解スタック１０１のガス圧力を計測し、
　計測された圧力が警戒圧力領域に達した場合に、電解スタック１０１と対応する電解スタック水素ガス圧力調整バルブ１１５又は電解スタック酸素ガス圧力調整バルブ１１６を開閉を調整し、電解スタック１０１のガス圧力を下げる。

　更に、水電解システム１００の制御方法は、
　電解スタック水素ガス圧力調整バルブ１１５又は電解スタック酸素ガス圧力調整バルブ１１６の開閉度を計測し、
　個々の電解スタック１０１のガス圧力を計測し、
　個々の電解スタック１０１に、生成した水素ガス１０４及び酸素ガス１０５の逆流が生じないように、計測された電解スタック水素ガス圧力調整バルブ１１５又は電解スタック酸素ガス圧力調整バルブ１１６の開閉度と、電解スタック１０１のガス圧力に応じて、水素ガスタンク圧力調整バルブ１１３及び酸素ガスタンク圧力調整バルブ１１４を制御する。

　更に、水電解システム１００の制御方法は、
　個々の電解スタック１０１の温度を計測し、
　電解スタック１０１のガス圧力が変更されて、個々の電解スタック１０１の温度が変化した場合に、個々の電解スタック１０１に供給する水量または個々の電解スタック１０１に供給される水の温度を調整する。

100：本発明における水電解システム（水電解システム）、101：電解スタック（水電解スタック）、102：水素ガスタンク（第１タンク）、103：酸素ガスタンク（第２タンク）、104：水素ガス。105：酸素ガス、106：水配管、107：水素ガス配管、108：酸素ガス配管、109：送水ポンプ、110：大型冷却器、111：水流量調整バルブ、112：小型冷却器、113：水素ガスタンク圧力調整バルブ（第１水素圧力調整バルブ）、114：酸素ガスタンク圧力調整バルブ（第１酸素圧力調整バルブ）、115：電解スタック水素ガス圧力調整バルブ（第２水素圧力調整バルブ）、116：電解スタック酸素ガス圧力調整バルブ（第２酸素圧力調整バルブ）、117：酸素ガス/水分離タンク、118：電解スタック水圧力調整バルブ、119：水タンク、120：水素ガス/水分離タンク、150：制御装置

Claims

　直流電源と直列に接続される複数の水電解スタックと、
　前記水電解スタックで生成した水素を貯蔵する第１タンクと、
　前記水電解スタックで生成した酸素を貯蔵する第２タンクと、
　前記複数の水電解スタック全体で生成した水素の圧力を調整する第１水素圧力調整バルブと、
　前記複数の水電解スタック全体で生成した酸素の圧力を調整する第１酸素圧力調整バルブと、
　個々の前記水電解スタックで生成した水素の圧力を調整する第２水素圧力調整バルブと、
　個々の前記水電解スタックで生成した酸素の圧力を調整する第２酸素圧力調整バルブと、
　前記第１水素圧力調整バルブ、第１酸素圧力調整バルブ、第２水素圧力調整バルブ、第２酸素圧力調整バルブの開閉を制御する制御装置と、を備えることを特徴とする水電解システム。
　請求項１に記載された水電解システムであって、
　個々の前記水電解スタックは、電圧計測器を備え、
　前記制御装置は、仕様電圧範囲と警戒電圧範囲の情報を有し、前記電圧計測器が計測した水電解スタックの電圧が、前記警戒電圧範囲に達した場合に、前記仕様電圧範囲まで電圧を下げるために減少させる水素ガス圧力又は酸素ガス圧力を算出する
ことを特徴とする水電解システム。
　請求項１又は請求項２に記載された水電解システムにおいて、
　個々の前記水電解スタックは、電圧計測器を備え、
　前記制御装置は、仕様電圧範囲と警戒電圧範囲の情報を有し、前記電圧計測器が計測した水電解スタックの電圧が、前記警戒電圧範囲に達した場合に、該水電解スタックと対応する前記第２水素圧力調整バルブ又は前記第２酸素圧力調整バルブの開閉を調整し、該水電解スタックの酸素又は水素の圧力を下げる
ことを特徴とする水電解システム。
　請求項１に記載された水電解システムであって、
　個々の前記水電解スタックは、該水電解スタックのガス圧力を測定する圧力計測器を備え、
　前記制御装置は、仕様圧力範囲と警戒圧力範囲の情報を有し、前記圧力計測器が計測したガス圧力が、前記警戒圧力範囲に達した場合に、該水電解スタックと対応する前記第２水素圧力調整バルブ又は前記第２酸素圧力調整バルブの開閉を調整し、該水電解スタックの酸素又は水素の圧力を下げる
ことを特徴とする水電解システム。
　請求項１乃至４のいずれか一項に記載の水電解システムであって、
　個々の前記水電解スタックの温度又は個々の前記水電解スタックから排出された水の温度を計測する温度計測器と、
　前記複数の水電解スタック全体に水を供給する送液装置と、
　前記複数の水電解スタック全体に供給される水の温度を調整する第１冷却器と、
　前記送液装置又は前記第１冷却器と、前記水電解スタックと、の間の水の供給配管に設けられたバルブ及び第２冷却器と、
　前記送液装置、第１冷却器、第２冷却器及びバルブを制御する制御装置と、をさらに備え、
　前記制御装置は、個々の前記水電解スタックのいずれかの温度が変化した場合に、該水電解スタックに対応するバルブを開く、又は該水電解スタックに対応する前記第２冷却器で該水電解スタックに供給される水を冷却することを特徴とする水電解システム。
　請求項１に記載の水電解システムの制御方法であって、
個々の前記水電解スタックの電解特性から、仕様電圧範囲と警戒電圧範囲とをあらかじめ設定し、
　個々の前記水電解スタックの電圧を計測し、
　計測された電圧が前記警戒電圧範囲に達した場合に、該水電解スタックと対応する前記第２水素圧力調整バルブ又は前記第２酸素圧力調整バルブを開閉を調整し、該水電解スタックの酸素又は水素の圧力を下げることを特徴とする水電解システムの制御方法。
　請求項６に記載の水電解システムの制御方法であって、
計測された電圧が前記警戒電圧範囲に達した場合に、前記仕様電圧範囲まで電圧を下げるために減少させる水素ガス圧力又は酸素ガス圧力を算出する
　ことを特徴とする水電解システムの制御方法
　請求項６又は７に記載された水電解システムの制御方法であって、
　個々の前記水電解スタックの電圧が、前記警戒電圧範囲に達した場合で、かつ該水電解スタックに対応する前記第２水素圧力調整バルブ又は前記第２酸素圧力調整バルブの開閉を調整しても、前記仕様電圧範囲まで電圧が下がらない場合、複数の前記水電解システム全体の電流値を下げる
　ことを特徴とする水電解システムの制御方法。
　請求項１に記載の水電解システムの制御方法であって、
　個々の前記水電解スタックの電解特性から、仕様圧力範囲と警戒圧力範囲とをあらかじめ設定し、
　個々の前記水電解スタックのガス圧力を計測し、
　計測された圧力が前記警戒圧力範囲に達した場合に、該水電解スタックと対応する前記第２水素圧力調整バルブ又は前記第２酸素圧力調整バルブを開閉を調整し、該水電解スタックのガス圧力を下げることを特徴とする水電解システムの制御方法。
　請求項６乃至9のいずれか一項に記載の水電解システムの制御方法において、
　前記第２水素圧力調整バルブ及び前記第２酸素圧力調整バルブの開閉度を計測し、
　個々の前記水電解スタックのガス圧力を計測し、
　個々の前記水電解スタックに、生成した水素及び酸素の逆流が生じないように、計測された前記第２水素圧力調整バルブ及び前記第２酸素圧力調整バルブの開閉度と、水電解スタックのガス圧力に応じて、前記第１水素圧力調整バルブ及び前記第１酸素圧力調整バルブを制御する
　ことを特徴とする水電解システムの制御方法。
　請求項６乃至9のいずれか一項に記載の水電解システムの制御方法において、
　個々の前記水電解スタックの温度を計測し、
　前記水電解スタックのガス圧力が変更されて、個々の前記水電解スタックの温度が変化した場合に、個々の前記水電解スタックに供給する水量または個々の前記水電解スタックに供給される水の温度を調整する
　ことを特徴とする水電解システムの制御方法。