JP2021181605A - 水電解システム、および水電解システムの制御方法 - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、第1実施形態の水電解システム100の構成を概念的に示す模式図である。本実施形態の水電解システム100では、4つの水電解スタック10を備え、各水電解スタック10において水を電気分解することで酸素と水素を生成する。水電解システム100は、4個の水電解スタック10と、4個の水電解スタック10に電力を分配する電力供給部20と、水電解システム100の作動を制御する制御部30と、4個の水電解スタック10に対して水を供給可能な水供給部40と、を備える。
図2は、水電解セル10Cの概略構成を概念的に示す説明図である。水電解セル10Cは、PEM(Polymer Electrolyte Membrane:固体高分子電解質膜)型水電解セルであって、膜電極接合体(以下、「MEA」という)1を有する。MEA1は、プロトン(H+)と水を通すことが可能な電解質膜1aの両面に、水を分解し酸素とプロトン(水素イオン)を生成する酸素極1bと、水素イオンから水素を生成する水素極1cと、が接合されたものである。酸素極1bの表面には、金属メッシュ等から成る給電体5が配置され、MEA1の酸素極1b側には、ガスケット2を介してセパレータ4が配置されている。同様に、水素極1cの表面には、金属メッシュ等から成る給電体6が配置され、MEA1の水素極1c側には、ガスケット3を介してセパレータ4が配置されている。セパレータ4は、いわゆる、複極板である。
(a)酸素極側及び水素極側の双方において、水を循環させる両極循環方式、
(b)酸素極側のみ水を循環させる片側循環方式
のいずれであっても良い。
図5は、水電解セル10Cにおける水素の発生量と透過量の関係を示す図である。図6は、水電解セル10Cにおける水素の発生量と限界値の関係を示す図である。図5、図6では、電解質膜1aの膜厚みが互いに異なる5種類(10μm、25μm、50μm、100μm、175μm)の水電解セルについて図示している。本実施形態において、限界値として、酸素発生の4%を用いている。
H2O → H2 + 1/2O2
例えば、発生した水素の1%の水素が電解質膜を透過して酸素極側に抜けてしまった場合、利用できる水素は発生した水素の99%であり、これは電流効率が99%で反応したことと等価である。発生した水素の2%の水素が透過した場合は、電流効率が98%の場合と等価である。
(1)酸素発生側への水素透過量は、水素圧力に比例し、電流密度に依存しない。
(2)酸素発生量は、水素圧力に依存せず、電流密度に比例する。
上記(1)、(2)の理由により、
(3)低電流密度では、酸素発生量の割に、水素透過量が多い環境になる。
(4)高電流密度では、酸素発生量の割に、水素透過量が少ない環境になる。
上記(3)、(4)に述べたように、低電流密度ほど爆発下限に近づく可能性が高い。
図10は、第2実施形態の下限電流値の説明図である。図10は、第1実施形態の図4に対応する図であり、7気圧時の電流密度と総合電力効率との関係を、電解質膜の膜厚みが互いに異なる4種類(10μm、25μm、50μm、175μm)の水電解セルについて図示している。本実施形態では、水電解スタック10の電流効率が99%以上となるように供給可能電流域を定めた。図10では、膜厚み10μmの水電解スタック10について、本実施形態の下限電流値ILOW2と、第1実施形態の下限電流値ILOWを図示している。水素透過による酸素極側の水素濃度について、より安全をみて、発生酸素の2%になるように、供給電力を決定すると、図示するように、供給可能な電流範囲のうち低電流側が、第1実施形態よりもカットされ、作動可能な電流範囲が高電流側にくる(図10において、矢印で図示)。換言すると、本実施形態では、下限電流値が第1実施形態より高い。例えば、電解質膜の膜厚みが10μmの場合、約3A/cm2が下限電流値となる。
図11は、第3実施形態の下限電流値の説明図である。図11も、図4に対応する図である。本実施形態では、水電解スタック10の電流効率が99.5%以上となるように供給可能電流域を定めた。図11では、膜厚み10μmの水電解スタック10について、第2実施形態の下限電流値ILOW2と、第1実施形態の下限電流値ILOWを図示している。水素透過による酸素極側の水素濃度について、より安全をみて、酸素の1%になるように、供給電力を決定すると、図示するように、供給可能な電流範囲のうち低電流側が、第2実施形態よりも、さらにカットされ、供給可能な電流範囲がさらに高電流側にくる(図11中矢印)。換言すると、本実施形態では、下限電流値が第2実施形態よりさらに高い。例えば、電解質膜の膜厚みが10μmの場合は、図11に示す電流範囲より高い電流値が下限電流値となる。このようにすると、さらに、水電解システムの安全性および耐久性を向上させることができる。但し、供給可能な電流範囲が、より高電流側になるため、電解質膜の厚さによっては、第1、2実施形態のように、電流効率を98%〜99%程度にすると、水電解システムの安全性、耐久性とスタック効率が両立されるため、好ましい。
図12は、第4実施形態の電力効率下限値を示す説明図である。第4実施形態では、水電解スタック10の電流効率98%以上を使用可能域とし、図12では、電流効率98%未満の電力効率曲線を、点線で図示している。第4実施形態では、水電解スタックの総合電力効率の下限値を決定している。すなわち、下限値の総合電力効率が発現する電流密度より小さい電流密度で、あるいはその下限値の総合電力効率が発現するセル電圧より高い電圧で、水電解スタック10が作動するように、電力を供給する。本実施形態では、総合電力効率の下限値を、熱負荷点(耐熱温度)を超えないように決定する。温度により許容できる熱負荷が異なるように設定するのが合理的であるためである。なぜなら、低温では発熱が大きくても材料の耐熱温度には達しにくいが高温で同等の発熱が起きると、材料の耐熱温度に達する可能性があるからである。よって、こうした環境の違いに応じて設定する。図12では、電解質膜の膜厚みが50μmの熱負荷点と、それに対応する総合電力効率の下限値を図示している。
図13は、水素透過係数の事前測定を示すフローチャートである。図14は、水素透過量の圧力依存、水素透過係数の温度依存を示す図である。
本実施形態では、水電解スタック10に供給する電力の下限電流値の設定に用いられる酸素極中の水素濃度を、予め実験的に測定された水素透過量を用いて作成された推測水素濃度mapを用いて推測する。以下に、推測水素濃度mapの生成について、図13、図14を用いて説明する。
図15は、本実施形態の下限電流値の設定を示すフローチャートである。図16は、水電解スタックの作動時間に伴う水素透過係数の変化を示す図である。
図16に示すように、水電解スタックで電解質劣化が起きると、作動時間に伴い、水素透過量が増加し、計算上は水素透過係数が増加するように見える。これは、電解質膜が化学的に劣化し薄くなることや、部分的な引きつれが起きること、ピンホールの形成が始まることが原因である。ここに挙げたような膜の変化は、外部からは観測できないため、水素透過係数の算出は膜厚みが変化しないと仮定して行うことになる。その結果、図16に示すように、算出された水素透過係数が増加するように見える。このように、長時間の運転で水素透過係数が変わる可能性があることから、本実施形態では、水電解スタックの作動時間に伴う電解質膜の劣化に応じて、下限電流値を補正する。
本実施形態の水電解システムは、第1実施形態の水電解システム100の構成に加え、さらに、水電解スタック10の抵抗値を計測する抵抗値計測装置(不図示)と、水電解スタック10の温度を計測する温度計測装置(不図示)と、を、さらに備え、制御部は、抵抗値計測装置で計測された抵抗値、および温度計測装置で計測された温度を用いて、抵抗値の温度依存性を算出し、温度依存性に基づいて、抵抗値の変化を、電極触媒の酸化に起因する可逆劣化と、電極触媒の溶出に起因する不可逆劣化に分離し、可逆劣化及び/又は不可逆劣化の大きさに基づいて、作動水電解スタックを選択する。
水電解スタック10の抵抗値は、電解質膜のイオン抵抗成分、及び接触抵抗成分(例えば、電極触媒の劣化)に限定された情報であるため、例えば、触媒被毒等の影響を受けがたく、劣化状態を診断する指標として適している。なお、本発明において、「抵抗値」という時は、特に断らない限り、
(a)抵抗値計測装置により計測された狭義の抵抗値(Ω)、又は、
(b)狭義の抵抗値(Ω)から算出される物性値であって、水電解システム100の制御に適したもの(例えば、面積抵抗値(Ω・cm2)など)、
の双方を表す。
(1)可逆劣化の程度が低いものを優先的に選択してもよい。この場合、水電解スタック10が急激に劣化する可能性は低いので、相対的に長時間の連続運転を行うことができる。
(2)可逆劣化の程度が高いものをあえて選択してもよい。
(3)不可逆劣化の程度が高いものをあえて選択してもよい。
本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
1a…電解質膜
1b…酸素極
1c…水素極
2、3…ガスケット
4…セパレータ
5、6…給電体
10…水電解システム
10、11、12、13、14…水電解スタック
10C…水電解セル
20…電力供給部
30…制御部
40…水供給部
100…水電解システム
200…電源
Claims (9)
- n(n≧1の整数)個の固体高分子型の水電解スタックを備える水電解システムであって、
前記n個の前記水電解スタックのそれぞれに対して、電源から入力される入力電力を、個別に分配可能な電力供給部と、
前記n個の水電解スタックのうち、m(1≦m≦nの整数)個の前記水電解スタックを選択し、前記電力供給部を制御して、前記m個の水電解スタックのそれぞれへ、下限電流値以上の電流の電力を供給させる、制御部と、
を備え、
前記下限電流値は、
前記水電解スタックの電流効率が98%以上となり、かつ、前記電源の電源効率と、前記水電解スタックの電力効率と、の積である総合電力効率が最大となる電流値であり、
前記mは、
前記入力電力に応じて決定され、前記m個の水電解スタックのそれぞれに、前記下限電流値で電力を供給可能な最大数である、
水電解システム。 - 請求項1に記載の水電解システムであって、
前記下限電流値は、
前記水電解スタックの電流効率が、99%以上になるように決定される、
水電解システム。 - 請求項1または請求項2に記載の水電解システムであって、
前記制御部は、
前記m個の水電解スタックのそれぞれに前記下限電流値で電力を供給した場合の合計電力が前記入力電力より小さい場合、前記入力電力から前記合計電力を減じた残余の入力電力を、前記m個の水電解スタックの1個以上に供給させる、
水電解システム。 - 請求項3に記載の水電解システムであって、
前記制御部は、
前記残余の入力電力を均等に分配する、
水電解システム。 - 請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の水電解システムであって、
前記水電解スタックの抵抗値を計測する抵抗値計測装置と、
前記水電解スタックの温度を計測する温度計測装置と、
を、さらに備え、
前記制御部は、
前記抵抗値計測装置で計測された前記抵抗値、および前記温度計測装置で計測された前記温度を用いて、前記抵抗値の温度依存性を算出し、前記温度依存性に基づいて、前記抵抗値の変化を、電極触媒の酸化に起因する可逆劣化と、前記電極触媒の溶出に起因する不可逆劣化に分離し、前記可逆劣化及び/又は前記不可逆劣化の大きさに基づいて、前記水電解スタックを選択する、
水電解システム。 - 請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の水電解システムであって、
前記制御部は、
前記水電解スタックの温度が前記水電解スタックの耐熱温度以下となるように、前記水電解スタックに電力を供給させる、
水電解システム。 - 請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の水電解システムであって、
前記水電解スタックの温度を計測する温度計測装置と、
前記水電解スタックの圧力を計測する圧力計測装置と、
前記水電解スタックの温度および圧力の少なくともいずれか一方と、前記水電解スタックにおける水素透過量との関係を示す水素透過量情報が記憶される記憶部と、を、備え、
前記制御部は、
前記温度計測装置により計測された、作動中の前記水電解スタックの温度、および前記圧力計測装置により計測された、前記作動中の水電解スタックの圧力の少なくともいずれか一方と、前記水素透過量情報とを用いて、前記作動中の水電解スタックの水素透過量を予測し、予測された前記水素透過量を用いて前記下限電流値を補正する、
水電解システム。 - 請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の水電解システムであって、
前記水電解スタックから排出される酸素が流れる流路上に設けられ、水素を検知する水素検知器を備え、
前記制御部は、
前記水素検知器による前記水素透過量の変化に応じて、前記水電解スタックに供給する電力の前記下限電流値を修正する、
水電解システム。 - n(n≧1の整数)個の固体高分子型の水電解スタックを備える水電解システムの制御方法であって、
電源から入力される入力電力に応じて、前記水電解スタックの電流効率が98%以上となり、かつ、前記電源の電源効率と、前記水電解スタックの電力効率と、の積である総合電力効率が最大となる下限電流値で電力を、均等に供給できる最大数を、mとして、前記n個の前記水電解スタックから前記m個の前記水電解スタックを選択し、前記m個の水電解スタックのそれぞれに、前記下限電流値以上の電力量を供給させる、
水電解システムの制御方法。
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