JP2003155587A

JP2003155587A - ガス発生システム

Info

Publication number: JP2003155587A
Application number: JP2001356340A
Authority: JP
Inventors: Katsutoshi Shimizu; 克俊清水; Shinya Washida; 伸也鷲田
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2001-11-21
Filing date: 2001-11-21
Publication date: 2003-05-30

Abstract

(57)【要約】【課題】発電設備と水電解装置との組み合わせにより、
発電設備の効率向上と水電解装置の電力コストの低減を
図る。【解決手段】供給された電力により純水を電気分解して
酸素と水素を製造する水電解装置１と、負荷３に接続さ
れ、予め設定された出力で発電を行なう発電機２と、発
電機２が負荷３に供給する電力と、水電解装置１に供給
する電力との和が前記出力と等しくなるように、前記出
力を負荷３と水電解装置１とに分配する分流器５とを具
備するガス発生システムを用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水の電気分解を用
いて水素ガス及び酸素ガスを製造するガス発生システム
に関する。

【０００２】

【従来の技術】クリーンなシステムとして注目されてい
る燃料電池や、水素エンジンには、水素ガスあるいは酸
素ガスが必要である。水の電気分解（以下、「水電解」
と記す）により水素ガス及び酸素ガスを製造する水電解
装置としてのガス発生装置（固体高分子電解質膜を用い
た装置）は、比較的容易に無公害で水素ガス及び酸素ガ
スを製造することが可能である。ガス発生装置と何らか
の発電設備を組み合わせることにより、ガス発生システ
ムとすることが出来る。

【０００３】しかし、従来の技術での水電解用の電源
は、電力会社の系統電力を用いる場合が多い。この電力
を用いて水電解で水素ガス及び酸素ガスを製造し、それ
らのガスを用いて燃料電池で発電した場合、全体として
のシステム効率は低くなる。夜間電力などの低コストな
電力を用いる方法もあるが、その場合には使用時間が深
夜だけに限定され、利便性の面で問題がある。低コスト
で高い効率の電力の供給源が望まれる。また、時間の制
約が少ない電力の供給源が望まれる。

【０００４】一方、交流発電機のような回転機器を有す
る発電機において、発電効率は、その運転条件（回転数
など）により変動する。そして、発電効率は、ある運転
条件において最高となる。しかし、発電機に接続された
負荷の状態は一定ではないため、負荷の必要とする電力
は変動する。それに伴い、発電機は、その運転条件を変
動させ、電力の変動に対応する必要がある。従って、常
に最高の効率で運転することは不可能である。負荷の状
態が変化しても、最高効率で運転することができるシス
テムが望まれる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、発電設備と水電解装置との組み合わせにより、発電
設備の効率向上と水電解装置の電力コストの低減が可能
なガス発生システムを提供することである。

【０００６】また、本発明の他の目的は、深夜の時間帯
以外でも、低コストで水電解を実施することが可能なガ
ス発生システムを提供することである。

【０００７】また、本発明の更に他の目的は、システム
全体の稼働率を上げ、システム全体の効率を向上させる
ことが可能なガス発生システムを提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】以下に、［発明の実施の
形態]で使用される番号・符号を用いて、課題を解決す
るための手段を説明する。これらの番号・符号は、［特
許請求の範囲］の記載と［発明の実施の形態］との対応
関係を明らかにするために付加されたものである。ただ
し、それらの番号・符号を、［特許請求の範囲］に記載
されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならな
い。

【０００９】従って、上記課題を解決するための本発明
のガス発生システムは、供給された電力により純水を電
気分解して酸素と水素を製造する水電解装置（１）と、
負荷（３）に接続され、予め設定された出力で発電を行
なう発電機（２）と、発電機（２）が負荷（３）に供給
する電力と、水電解装置（１）に供給する電力との和
が、その出力と等しくなるように、その出力を負荷
（３）と水電解装置（１）とに分配する分流器（５）と
を具備する。

【００１０】また、本発明のガス発生システムは、供給
された電力により純水を電気分解して酸素と水素を製造
する水電解装置（１）と、負荷（３）に接続され、予め
設定された出力で発電を行なう発電機（２）と、発電機
（２）が負荷（３）に供給する電力が予め設定された基
準値より小さくなった時、その出力の余剰分である余剰
電力を水電解装置（１）へ供給する分流器（５）とを具
備する。

【００１１】更に、本発明のガス発生システムは、発電
機（２）により発電された電力の内、負荷に供給された
電力を除いた余剰電力を用いて水電解を行ない、酸素と
水素を製造する。

【００１２】更に、本発明のガス発生システムは、発電
機（２）は、マイクロガスタービンと、交流発電機とを
有する。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明であるガス発生システムに
ついて、添付の図面を用いて説明する。本実施例では、
マイクロガスタービンを有する交流発電機で発電した電
力を用いて、ガス発生装置で水電解を行ないガス製造を
行なうシステムを例に示して説明する。しかし、回転を
利用して発電を行なう他の発電設備の電力を用いてガス
製造を行なうシステムにおいても適用可能である。

【００１４】本発明であるガス発生システムの実施の形
態の構成について説明する。図１は、ガス発生システム
の実施の形態における構成を示す図である。ガス発生シ
ステムは、ガス発生装置１、発電機２、負荷３、ＡＣ−
ＤＣコンバータ４、分流器５、電力計測器６、酸素貯蔵
タンク７、水素貯蔵タンク８を具備する。

【００１５】本発明のガス発生システムでは、発電機２
は、最高効率で発電が可能な運転条件において、予め設
定された電力を継続的に発電する。その電力は、負荷３
により消費される。しかし、負荷３の大きさは変化する
ため、電力の一部は、余剰電力になる場合がある。そこ
で、ガス発生装置１において、その余った電力を用いて
水電解を行なうこととする。すなわち、常に一定の負荷
に成るように、ガス発生装置１が発電機２の負荷の調整
を行なう。それにより、発電機２は、常に最高効率の運
転条件で発電を継続的に行なうことができる。発電され
た電力は、負荷３とガス発生装置１とにより消費され
る。また、ガス発生装置１も低コストな電力（余剰電
力）を用いることが出来る。そして、両者を合わせた効
率も向上する。

【００１６】図１の各構成について、以下に説明する。
水電解装置としてのガス発生装置１は、発電機２（後
述）などから供給された電力により純水を電気分解（以
下「水電解」と記す）して水素ガスと酸素ガスを製造す
る。回転機器を用いた装置と異なり、効率は、投入され
る電力の大きさにそれほど依存しない。固体高分子電解
質を用い、負極側で水素ガス、正極側で酸素ガスを発生
する。製造した水素ガスは、水素貯蔵タンク８及び酸素
貯蔵タンク７に貯蔵される。

【００１７】酸素貯蔵タンク７は、ガス発生装置１で製
造された酸素ガスを貯蔵するタンクである。また、水素
貯蔵タンク８は、ガス発生装置１で製造された水素ガス
を貯蔵するタンクである。貯蔵された酸素ガス及び水素
ガスは、燃料電池や水素エンジン等に使用される。

【００１８】図２を参照して、ガス発生装置１の特性に
ついて説明する。図２は、ガス発生装置１における、電
力と電流の関係を示す。縦軸は、ガス発生装置１に投入
される電力を示す。また、横軸は、ガス発生装置１に流
れる電流を示す。製造される酸素ガス及び水素ガスの量
は、電流の大きさに比例する。図２から、投入される電
力の増加と共に、製造される酸素ガス及び水素ガスは単
調に増加する（電流が増加する）。すなわち、ガス発生
装置１は、最低電解電力Ｐｘ以上の電力を印加する限
り、供給される電力に応じて、ガスを製造できる。その
際、供給される電力によって効率は大きく影響されな
い。従って、余剰電力の調整（負荷の調整）に使用する
のに適している。

【００１９】発電機２は、化学エネルギーや熱エネルギ
ーのようなエネルギーから電気エネルギーとしての電力
を生み出す。ガスタービンや蒸気タービンのような回転
機器及び関連機器（圧縮機、減速機など）を有し、その
回転を利用して発電を行なう交流発電機（誘導発電機、
同期発電機など）である。ある一定の負荷での運転で、
最大効率となる。本実施例では、マイクロガスタービン
と交流発電機とを組み合わせた発電システムである。排
熱は排熱回収ボイラにより回収される。

【００２０】発電は、予め設定された運転条件下で行な
われる。その運転条件は、発電機２の発電効率が最大と
なる条件である。その場合、発電機２は、予め設定され
た出力の電力（以下「定格出力電力」と記す）Ｐ_０を発
電する。定格出力電力Ｐ_０を発電する際の負荷（以下
「定格負荷」と記す）Ｒ_０は、定格出力電力Ｐ_０に対応
した値となる。しかし、定格出力電力Ｐ_０を消費する負
荷３は、その稼動状態により大きさが変動するので、定
格負荷Ｒ_０を常時満たすことは出来ない。そこで、ガス
発生装置１を不足分の負荷として用いる。すなわち、ガ
ス発生装置１の負荷Ｒ_Ｃ、負荷３の負荷Ｒ_Ｂを用いてＲ_Ｃ＝Ｒ_０−Ｒ_Ｂとなるように制御する。これにより、発電機２を常に定
格負荷Ｒ_０の状態で運転することができ、最高効率の発
電を常に行うことが可能となる。これを電力で見ると、
定格出力電力Ｐ_０の内、負荷３が必要とする負荷用電力
Ｐ_Ｂを優先的に負荷３へ供給し、余剰電力Ｐ_Ｈ（＝Ｐ_０
−Ｐ_Ｂ）をガス発生装置１において水電解のために使用
する。定格出力電力Ｐ_０の大きさは、負荷３の必要とす
る最大電力を満たす。

【００２１】負荷３は、発電機２に接続された、電力を
消費する機器や設備である。その機器や設備の稼動状態
により、負荷の大きさが時間的に変動する。すなわち、
必要とする電力の大きさが時間的に変動する。

【００２２】ＡＣ−ＤＣコンバータ４は、発電機２によ
って発電された交流電力を直流電力へ変換する。

【００２３】分流器５は、発電機２によって発電された
定格出力電力Ｐ_０の内、負荷３に供給する負荷用電力Ｐ
_Ｂが予め設定された電力基準値Ｐ_Ｓより小さくなった
時、余剰電力Ｐ_Ｈをガス発生装置１へ分配する。ただ
し、電力基準値Ｐ_Ｓは、ガス発生装置１の水電解に必要
な最低電解電力Ｐｘを用いて、Ｐ_Ｓ＝Ｐ_０−Ｐｘで表される。負荷用電力Ｐ_Ｂは、電力計測器６から出力
される計測結果（電力計測結果）である。また、発電機
２が負荷３に供給する負荷用電力Ｐ_Ｂと、ガス発生装置
１に供給する電力との和が定格出力電力Ｐ_０と等しくな
るように、定格出力電力Ｐ_０を負荷３とガス発生装置１
とに分配する機能を有する。

【００２４】電力計測器６は、負荷３に供給する負荷用
電力Ｐ_Ｂを、常時継続的に計測する。計測結果である電
力計測結果を常時継続的に分流器５へ出力する。

【００２５】次に、本発明であるガス発生システムの実
施の形態の動作ついて説明する。図１を参照して、発電
機２は、予め設定された運転条件で発電を行なう。そし
て、発電効率が最大の状態で定格出力電力Ｐ_０を出力す
る。定格出力電力Ｐ_０の内、負荷３の必要とする負荷用
電力Ｐ_Ｂが、負荷３に供給される。負荷３に供給される
負荷用電力Ｐ_Ｂは、電力計測器６において常時計測され
ている。そして、その電力計測結果は、分流器５に出力
されている。分流器５は、定格出力電力Ｐ_０の内、負荷
３に供給する負荷用電力Ｐ_Ｂが電力基準値Ｐ_Ｓより小さ
くなった場合、余剰電力Ｐ_Ｈ（＝Ｐ_０−Ｐ_Ｓ）をガス発
生装置１へ分配する。

【００２６】図３を参照して、電力供給について更に説
明する。ここで、図３は、供給される電力の時間変化に
ついて示す。縦軸は、電力であり、横軸は時間である。
負荷３で使用する負荷用電力Ｐ_Ｂは、機器や設備の稼動
状況により時間変化があるので、例えば曲線Ｂのように
最大値を定格出力電力Ｐ _０として時間と共に変動する。
その一方で、発電機２では、定格出力電力Ｐ_０で一定の
電力を発電しており、曲線Ａで示される。従って、曲線
Ａと曲線Ｂとの差の分の電力（図中Ｃで示される斜線の
領域）は、余剰電力Ｐ_Ｈとなる。そこで、各時間におけ
るこの余剰電力Ｐ_Ｈをガス発生装置１に投入して、酸素
ガス及び水素ガスを製造する。このとき、負荷３の負荷
Ｒ_Ｂとガス発生装置１の負荷Ｒ_Ｃとの和は、発電機２の
定格負荷Ｒ_０になっている。

【００２７】ガス発生装置１に投入する電力は、既述の
Ｐｘ以上の電力を投入する。Ｐｘ以上の電力であれば、
電力の大きさの増加と共に、製造される酸素ガス及び水
素ガスの量も増加する。この場合、ガス発生装置１へ投
入される電力の大きさに伴う、ガス発生効率の変化はほ
とんど無い。

【００２８】発電機２は、最大効率の条件で運転される
ので、単位電力あたりの発電コストは最低となる。一
方、ガス発生装置１の効率は、投入される電力でほとん
ど変化しない。従って、発電機２とガス発生装置１とを
合わせたシステムを、ほぼ最大の効率で運転することが
出来る。また、発電機２で発電される電力は、負荷３及
びガス発生装置１により全て使用されるので、無駄な電
力の発生を無くすことが出来る。

【００２９】ガス発生装置１は、直流電力Ｐ_Ｃ’により
動作する。従って、分流器５の後のＡＣ−ＤＣコンバー
タ４により、交流電力Ｐ_Ｃを直流電力Ｐ_Ｃ’として、ガ
ス発生装置１へ投入する。そして、ガス発生装置１は、
供給された直流電力Ｐ_Ｃ’により、純水を水電解して水
素ガスと酸素ガスを製造する。製造された酸素ガスは、
酸素貯蔵タンク７に貯蔵され、他の酸素利用設備などに
おいて使用される。また、製造された水素ガスは、水素
貯蔵タンク８に貯蔵され、他の水素利用設備などにおい
て使用される。

【００３０】なお、本実施例では、負荷３での電力の使
用を優先し、余剰電力をガス発生装置１で利用してい
る。しかし、必ずしも負荷３での電力の使用を優先する
必要は無く、ガス発生装置１の電力を優先させることも
可能である。その場合、負荷３で使用する電力Ｐ_Ｂとガ
ス発生装置１で使用する電力Ｐ_Ｃとの和が、定格出力の
電力と等しくなるように、電力を配分する。図４に示す
様に、分流器５とＡＣ−ＤＣコンバータ４との間にガス
用電力計測器９を追加する。そして、ガス用電力計測器
９において電力を計測し、その結果であるガス用電力計
測結果Ｐ_Ｄを分流器５に出力する。分配器５は、負荷３
側へ（定格出力の電力Ｐ_０−ガス用電力計測結果Ｐ_Ｄ）
分の電力を分配する。ただし、負荷３側にガス発生装置
１のような電力の大きさを自由に変更可能な設備機器が
ある場合である。

【００３１】本発明のガス発生システムにおいては、部
分負荷運転での効率の低い発電機において、発電機にか
かる負荷をガス発生装置により調整することで、常に予
め設定された最高効率の運転条件に対応した負荷とする
ことが出来、システム全体での効率を向上することが可
能となる。すなわち、発電機を最高効率の状態で運転で
き、発電の単位電力当たりのコストを低減することが可
能となる。

【００３２】また、本発明のガス発生システムにより、
通常ならば使用されない余剰の電力をガス発生装置に使
用することが出来、電力の無駄を無くすことが可能とな
る。また、発電機の動作時間中であれば、深夜の時間帯
に限らずガス発生装置を稼動することが可能となる。

【００３３】本発明のガス発生システムにおいては、低
コストで酸素ガス及び水素ガスを製造することが可能と
なる。そして、それらのガスを用いた設備に対して、低
コストでガスを供給することが可能となる。

【００３４】

【発明の効果】本発明により、発電設備と水電解装置と
の組み合わせにより、発電設備の効率向上と水電解装置
の電力コストの低減が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のガス発生システムの実施の形態におけ
る構成を示す図である。

【図２】本発明のガス発生システムの実施の形態に関わ
るガス発生装置の電力と電流との関係を示すである。

【図３】本発明のガス発生システムの実施の形態に関わ
る発電機、負荷及びガス発生装置の電力と時間との関係
を示すである。

【図４】本発明のガス発生システムの実施の形態におけ
る他の構成を示すである。

【符号の説明】１ガス発生装置２発電機３負荷４ＡＣ−ＤＣコンバータ５分流器６電力計測器７酸素貯蔵タンク８水素貯蔵タンク９ガス用電力計測器

フロントページの続き (72)発明者鷲田伸也大阪府大阪市北区中之島３丁目３番22号関西電力株式会社内Ｆターム(参考） 4K021 AA01 BA02 DB28 DC01 DC03 5H590 AA02 CA08 CE01 EA16 EB22 HA15 HB03 HB16 JB04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】供給された電力により純水を電気分解して
酸素と水素を製造する水電解装置と、負荷に接続され、予め設定された出力で発電を行なう発
電機と、前記発電機が前記負荷に供給する電力と、前記水電解装
置に供給する電力との和が前記出力と等しくなるよう
に、前記出力を前記負荷と前記水電解装置とに分配する
分流器と、を具備する、ガス発生システム。
【請求項２】供給された電力により純水を電気分解して
酸素と水素を製造する水電解装置と、負荷に接続され、予め設定された出力で発電を行なう発
電機と、前記発電機が前記負荷に供給する電力が予め設定された
基準値より小さくなった時、前記出力の余剰分である余
剰電力を前記水電解装置へ供給する分流器と、を具備する、ガス発生システム。
【請求項３】発電機により発電された電力の内、負荷に
供給された電力を除いた余剰電力を用いて水電解を行な
い、酸素と水素を製造する、ガス発生システム。
【請求項４】前記発電機は、マイクロガスタービンと、交流発電機とを有する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のガス発生システ
ム。