JP2022125850A

JP2022125850A - 水素製造システム、水素製造方法

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Publication number: JP2022125850A
Application number: JP2021023663A
Authority: JP
Inventors: 敬司渡邉; Keiji Watanabe; 太古田; Futoshi Furuta; 敬郎石川; Takao Ishikawa
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2021-02-17
Filing date: 2021-02-17
Publication date: 2022-08-29
Also published as: EP4234766A3; EP4234766A2; EP4047112A2; EP4047112A3

Abstract

【課題】複数の水電解スタックを用いて水素を製造する水素製造システムにおいて、水電解スタックの劣化を効果的に抑制することができる技術を提供する。【解決手段】水素製造システム１において、電力分配制御システム１４は、水電解スタックの劣化のしやすさを示す劣化特性に基づき水電解スタックの稼働ローテーション計画を策定する。この稼働ローテーション計画により水電解スタックの動作状態は、優先的に電力を受ける稼働優先スタック、長い期間停止する停止優先スタック又は中間稼働スタックのうちいずれかに割り当てられる。【選択図】図１

Description

本発明は、複数の水電解スタックによって水素を製造する水素製造システムに関する。

水素エネルギーの普及に向け、水素価格の低減が求められている。水素価格を低減するためには、水素の製造に要するコストの低減が必要である。水素の製造は、例えば水の電気分解（以下、水電解と表記）などの方法により行われる。水素製造コストは設備コスト（ＣＡＰＥＸ：ｃａｐｉｔａｌｅｘｐｅｎｓｅ）と運用コスト（ＯＰＥＸ：ｏｐｅｒａｔｉｎｇｅｘｐｅｎｓｅ）に大別される。ＯＰＥＸは、水電解に用いる電力の調達コストやシステム保守コストなどからなる。ＣＡＰＥＸを低減するには、以下の取り組みが必要となる。

・設備価格の低減
・設備稼働率の向上（水素製造量の増加）
・設備の耐用年数の向上（設備償却費の低減）

近年、再生可能エネルギーを活用した水素製造が注目されているが、再生可能エネルギーの発電量は、風力や天候の影響で変動するので、水素製造設備の稼働率向上が課題となる。対策として、蓄電池により電力を平準化した上で水素を製造することが考えられるが、蓄電池の導入により設備価格が増大し、ＣＡＰＥＸ低減は困難となる。したがって、蓄電池を用いることなく、ＣＡＰＥＸを低減できる技術が求められる。

水素製造システムの耐用年数を向上させるためには、構成部品である水電解セルの劣化抑制が必要となる。水電解方式には、アルカリ電解、ＰＥＭ（ＰｒｏｔｏｎＥｘｃｈａｎｇｅＭｅｍｂｒａｎｅ）電解、ＡＥＭ（ＡｎｉｏｎＥｘｃｈａｎｇｅＭｅｍｂｒａｎｅ）電解などの方式がある。以下ではＰＥＭ電解セルの劣化抑制について述べる。

非特許文献１によれば、水電解セルの劣化は以下の特徴がある：
（ａ）高出力の運転を長時間（１０００時間程度）保持すると劣化率が非常に大きい（つまり途中で出力を下げる間欠運転が望ましい）；
（ｂ）間欠運転の際、高出力と中間出力との間で遷移するよりも、高出力とゼロ出力との間で遷移する方が劣化抑制できる；
（ｃ）間欠運転の際、出力サイクルの周期を短くすると（頻繁にＯＮ／ＯＦＦすると）早く劣化する。

複数の水電解スタックを用いてメガワットクラスの水素製造システムを構成する技術は多く存在する。また特許文献１は、水電解スタックのＯＮ／ＯＦＦを個別制御する技術を記載している。例えば再生可能エネルギーの電力変動に追従して、電力が大きい時には動作スタック数を多くする。特許文献１にはさらに、特定のスタックのみを酷使することによる短寿命化を防止するために、スタックの劣化状態を監視しながら、動作させるスタックを選択する技術が開示されている。

特開２０２０－０８４２５９号公報

C. Rakousky et al., J. Power Sources 342, 38 （2017）.

水電解システムに入力する電力として、系統電力と再生可能エネルギー電力の２通りが想定される。系統電力を用いて水電解システムを常時定格稼働させると、上記（ａ）の要因により、早期劣化が懸念される。一方で再生可能エネルギー電力は、風況や天候の影響により間欠的であり、かつ、出力がゼロまで低下せず、定格（最大出力）よりも小さい中間的な発電量となる頻度が高い。このような電力を水電解システムに対して入力した場合、高出力と中間出力との間で出力が頻繁に往復するので、上記（ｂ）（ｃ）の要因による劣化が懸念される。

再生可能エネルギー電力を水電解システムに対して入力する際に、特許文献１のように水電解スタックを個別にＯＮ／ＯＦＦすることを考える。再生可能エネルギー電力の短時間変動に追従して水電解スタックをＯＮ／ＯＦＦすることは、水電解スタックの応答性が十分ではない可能性があるので、必ずしも有用ではない。また、再生可能エネルギー電力を用いると水電解スタックの稼働率が下がる課題があるので、水電解スタックの上限出力を制限することによって稼働率を上げる場合がある。このような場合は水電解スタックの稼働率が全体的に高まるので、ＯＦＦすることができる水電解スタックの個数が減り、ＯＮ／ＯＦＦ制御による劣化抑制を十分に実施することができない。

本発明は、以上のような課題に鑑みてなされたものであり、複数の水電解スタックを用いて水素を製造する水素製造システムにおいて、水電解スタックの劣化を効果的に抑制することができる技術を提供することを目的とする。

本発明に係る水素製造システムは、水電解スタックの動作状態として、稼働優先スタック、停止優先スタック、中間稼働スタック、のうちいずれかを割り当てる。

本発明に係る水素製造システムによれば、水電解スタックの劣化を効果的に抑制することができる。

実施形態１に係る水素製造システム１の構成図である。再生可能エネルギーの発電量の経時変化の１例である。実施形態において稼働計画策定部１４１が策定する稼働ローテーションの１例である。図３の稼働ローテーション計画にしたがって各水電解スタック１１を運用したとき各水電解スタック１１に対して供給される電力の経時変化を示す。図３の稼働ローテーション計画にしたがって各水電解スタック１１を運用したとき各水電解スタック１１に対して供給される電力の経時変化を示す。図３の稼働ローテーション計画にしたがって各水電解スタック１１を運用したとき各水電解スタック１１に対して供給される電力の経時変化を示す。水電解スタックの劣化率を試験した結果を示す表である。６台の水電解スタック１１を運用する場合における稼働ローテーション計画の１例を示す。図６の稼働ローテーション計画にしたがって各水電解スタック１１を運用したとき各水電解スタック１１に対して供給される電力の経時変化を示す。図６の稼働ローテーション計画にしたがって各水電解スタック１１を運用したとき各水電解スタック１１に対して供給される電力の経時変化を示す。図６の稼働ローテーション計画にしたがって各水電解スタック１１を運用したとき各水電解スタック１１に対して供給される電力の経時変化を示す。太陽光発電の発電量の経時変化を示す１例である。図８の供給電力を従来手順にしたがって水電解スタックへ分配した場合において稼働スタックに対して分配される電力の経時変化を示す。電力供給が図８のように変動するときにおける稼働ローテーション計画の１例である。図１０の稼働ローテーション計画にしたがって各水電解スタック１１を運用したとき各水電解スタック１１に対して供給される電力の経時変化を示す。図１０の稼働ローテーション計画にしたがって各水電解スタック１１を運用したとき各水電解スタック１１に対して供給される電力の経時変化を示す。図１０の稼働ローテーション計画にしたがって各水電解スタック１１を運用したとき各水電解スタック１１に対して供給される電力の経時変化を示す。実施形態２に係る水素製造システム１の構成図である。実施形態３に係る水素製造システム１の構成図である。実施形態４に係る水素製造システム１の構成図である。実施形態５に係る水素製造システム１の構成図である。実施形態５において従来手順にしたがって各水電解スタックの動作状態を割り当てた場合における稼働ローテーションを示す。実施形態５における水素製造システム１の稼働ローテーションを示す。

＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施形態１に係る水素製造システム１の構成図である。水素製造システム１は、再生可能エネルギーや送配電系統が供給するＡＣ（交流）電力を用いて水素を製造するシステムである。水素製造システム１は、供給される電力を用いて水電解スタック１１を稼働させることにより、水素を製造する。水素製造システム１は、水電解スタック１１、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２、ＡＣ／ＤＣ整流器１３、電力分配制御システム１４を備える。

水電解スタック１１は、水を電気分解することによって水素を製造する。図１においては、２つの水電解スタック１１が直列接続され、さらに２つの水電解スタック１１を１つのペアとして３つのペアが並列接続されている。水電解スタック１１が製造した水素は、輸送設備や貯蔵設備へ出力される。

ＡＣ／ＤＣ整流器１３は、水素製造システム１に対して供給される交流電力をＤＣ（直流）電力に変換し、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２へ出力する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１２は水電解スタック１１に対して電力を供給することにより、水電解スタック１１の動作状態を制御する。

電力分配制御システム１４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２に対して動作指令を出力することにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２を介して水電解スタック１１の動作状態を制御する。電力分配制御システム１４は、稼働計画策定部１４１、スタック動作割当部１４２、電力分配指令部１４３、劣化特性データ管理部１４４、劣化率試算部１４５を備える。

稼働計画策定部１４１は、水電解スタック１１の稼働ローテーション計画を策定する。ここでいう稼働ローテーションとは、各水電解スタック１１の動作状態として、後述する稼働優先スタック／停止優先スタック／中間稼働スタックのうちいずれかを割り当てる順番のことである。スタック動作割当部１４２は、稼働計画策定部１４１が策定した稼働ローテーション計画にしたがって、各水電解スタック１１の動作状態を決定する。電力分配指令部１４３は、水電解スタック１１がその動作状態にしたがって動作するように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２に対して電流指令値を与える。

劣化特性データ管理部１４４は、水電解スタック１１の劣化特性を記述した劣化特性データを保持している。稼働計画策定部１４１は、この劣化特性にしたがって稼働ローテーション計画を策定することができる。劣化率試算部１４５は、その計画にしたがって水電解スタック１１を稼働させたと仮定したときにおける各水電解スタック１１の劣化率を試算する。

図２は、再生可能エネルギーの発電量の経時変化の１例である。ここでは風力発電の発電量を例示した。従来の運転制御においては、水電解スタックの稼働率を上げるために、図２のように水電解スタックの上限出力を制限する場合がある。これにより稼働率は向上するが、他方で停止状態にすることができる水電解スタックの個数が減る。例えば８台の水電解スタックに対して図２のような電力を均等に供給した場合、水電解スタックの稼働率は８４．８％となった。

図３は、本実施形態において稼働計画策定部１４１が策定する稼働ローテーションの１例である。ここでは８台の水電解スタック１１を２台ずつペアにして動作状態を割り当てた例を示した。稼働計画策定部１４１は、水電解スタック１１の動作状態として、（ａ）稼働優先スタック、（ｂ）停止優先スタック、（ｃ）中間稼働スタック、のうちいずれかを割り当てる。図３においては、稼働優先＝＞停止優先＝＞中間稼働＝＞中間稼働の順で動作状態を割り当て、中間稼働スタック以外は重複しないように動作状態をローテーションさせる例を示した。

稼働優先スタックは、他の水電解スタック１１と比較して、電力を優先的に分配するスタックである。停止優先スタックは、他の水電解スタック１１と比較して、電力供給を停止することを優先するスタックである。中間稼働スタックはこれらの中間の電力供給を受けるスタックである。例えば水素製造システム１が受け取る電力をまず稼働優先スタックと停止優先スタックに対して全て割り当てた後、残りの電力があれば中間稼働スタックへ割り当てる。

図４Ａ～図４Ｃは、図３の稼働ローテーション計画にしたがって各水電解スタック１１を運用したとき各水電解スタック１１に対して供給される電力の経時変化を示す。稼働優先スタックに対して最も優先的に電力が分配され、停止優先スタックは電力を供給しないことを最優先する。中間稼働スタックはこれらの中間の電力供給を受ける。

図５は、水電解スタックの劣化率を試験した結果を示す表である。これらは非特許文献１が記載しているものであり、５つのモードにおいてそれぞれ劣化率（電圧上昇率）を試験した結果を示している。まずこれらの試験結果から分かる水電解スタックの特徴について説明し、次に同様の試験を本実施形態において実施した場合の試算結果を示す。ただし本実施形態は水電解スタックを用い、非特許文献１は単独の水電解セルを用いているので、数値の絶対値は互いに異なることを付言しておく。

モードＢのように電流密度２Ａ／ｃｍ^２を維持すると、劣化率は最も高い１９４μＶ／ｈとなっている。したがって高出力の運転を長時間（１０００時間程度）保持すると劣化率が非常に大きい（つまり途中で出力を下げる間欠運転が望ましい）ことが分かる。

モードＣのように電流密度を２Ａ／ｃｍ^２と１Ａ／ｃｍ^２との間で遷移させると劣化率は６５μＶ／ｈであるのに対して、モードＤのように電流密度を２Ａ／ｃｍ^２と０Ａ／ｃｍ^２との間で遷移させると劣化率は１６μＶ／ｈである。したがって間欠運転する際には、高出力と中間出力との間で遷移するよりも、高出力とゼロ出力との間で遷移する方が劣化抑制できることが分かる。

モードＥは、２Ａ／ｃｍ^２の出力を１０分間継続した後に０Ａ／ｃｍ^２の出力を１０分間継続する。したがって出力サイクルが他のモードと比較して極端に短い（例：モードＣとＤは６時間＋６時間のサイクル）。モードＥの劣化率は５０μＶ／ｈであり、モードＤの劣化率は１６μＶ／ｈである。したがって出力サイクルを短くすると、早く劣化することが分かる。

従来のように各水電解スタックに対して均等に電力を分配する運用手順を用いる場合、水電解スタックは高出力と中間出力との間で遷移するので、モードＣに相当する動作をすることになる。そのうえで特許文献１のようにスタックのＯＮ／ＯＦＦを頻繁に切り替えると、モードＥに相当する動作をすることになる。そうすると従来の運用手順においては、モードＣの劣化率（６５μＶ／ｈ）に加えて、モードサイクルを６ｈから１０ｍｉｎへ短縮することによりモードＤとＥとの間の差分（５０－１６＝３４μＶ／ｈ）に相当する劣化率が重畳されると推定される。すなわち従来の運用手順における劣化率は約９９μＶ／ｈ程度であると推定される。

本実施形態における稼働優先スタックは、高出力で運転した後に停止優先スタックを割り当てる点において、モードＤに相当するので、これによる劣化は１６μＶ／ｈが６ｈ継続することになる。本実施形態における停止優先スタックは、高出力とゼロ出力との間を頻繁に往復するので、モードＥに相当し、これによる劣化は５０μＶ／ｈが６ｈ継続することになる。本実施形態における中間稼働スタックは、高出力と中間出力との間で遷移することに加えてＯＮ／ＯＦＦを頻繁に切り替えるので、上記のように劣化率は９９μＶ／ｈであり、これが６ｈ×２継続する。したがって本実施形態における劣化率は、各動作モードを平均すると６６μＶ／ｈとなり、従来と比較して劣化率を３３％低減することができる。

図６は、６台の水電解スタック１１を運用する場合における稼働ローテーション計画の１例を示す。各スタックペアに対して稼働優先＝＞停止優先＝＞中間稼働の順で動作状態を割り当て、ペア間において動作状態が重複しないようにした。

図７Ａ～図７Ｃは、図６の稼働ローテーション計画にしたがって各水電解スタック１１を運用したとき各水電解スタック１１に対して供給される電力の経時変化を示す。図３～図４Ｃの例（第１例）と同様に劣化率を試算すると、５５μＶ／ｈとなり、従来に比べて劣化率を４４％低減することができる。本例（第２例）において第１例よりも劣化抑制効果が大きい理由は、劣化率の低い稼働優先スタックや停止優先スタックの台数の割合が相対的に高くなったからであると考えられる。

ただし第１例と第２例それぞれの稼働率を比較すると、第２例においては稼働優先スタックの稼働率が低下し（図４Ａと図７Ａの比較）、停止優先スタックの稼働率が上昇している（図４Ｂと図７Ｂの比較）。これにより、例えば稼働優先スタックの劣化率はモードＤ相当とみなす近似の精度が低下する可能性がある。すなわち同じ稼働優先スタックであっても、第１例より第２例のほうが劣化率が高い可能性がある。したがって、各々の入力電力データに対する劣化率を事前評価、あるいは運転時に取得しながら稼働ローテーションを策定することが有効である。

具体的には、例えば劣化率試算部１４５が各水電解スタック１１の劣化率を現在の稼働ローテーション計画の下で試算し、稼働計画策定部１４１は、各水電解スタック１１間の劣化率の差分ができる限り小さくなるようにローテーション計画を策定すればよい。必ずしも各水電解スタック１１の劣化率を厳密に等しくする必要はなく、少なくともスタック間の劣化率の差分が縮小するのであれば、その限りにおいて相応の効果を発揮することができる。

図８は、太陽光発電の発電量の経時変化を示す１例である。１日の中で時間帯による発電量の変動、また、雲の影響による発電量低下が起こっていることがわかる。以下ではこの電力を水素製造システム１に対して供給する場合について考察する。

図９は、図８の供給電力を従来手順にしたがって水電解スタックへ分配した場合において稼働スタックに対して分配される電力の経時変化を示す。太陽光発電のように、時間帯による発電量変化が大きい場合は、図２のように上限値によって出力をフィルタリングすることによって水電解システムの稼働率を上げることが難しい。そこで、まず従来制御の例として、特許文献１のように、時間帯（発電量）に応じて水電解スタックをＯＮ／ＯＦＦさせる場合の電力分配の結果を試算した。ここでは８台の水電解スタックに対して均等に電力を分配した。図９はその結果を示す。

図９に示す稼働スタックの平均稼働率は５８．１％と低く、また、高出力と中間出力との間の頻繁な往復が見られるので早期劣化が懸念される。したがって、従来のようにＯＮ／ＯＦＦさせるスタック台数を制御する手法は、水電解スタックの劣化を抑制することが困難であることが分かる。

図１０は、電力供給が図８のように変動するときにおける稼働ローテーション計画の１例である。稼働計画策定部１４１は、水素製造システム１に対して供給される電力が閾値を下回る期間においては、図３や図６で説明した稼働ローテーションに代えて、完全にＯＦＦする（電力供給を遮断する）水電解スタック１１を割り当てる。これを停止スタックと呼ぶ。例えば図１０の０～２ｈの期間においては、供給電力が少ないので４台の水電解スタック１１のみを運用し、８～１０ｈにおいては供給電力がさらに少ないので２台のみを運用することとした。

いずれの水電解スタック１１をＯＦＦにするかについては、例えば各水電解スタック１１の稼働率がなるべく均一になるようにすればよい。ある程度の期間にわたって平均した稼働率がなるべく均一になればよく、必ずしも稼働率が厳密に常時均一となるようにする必要はない。また必ずしも、供給電力が低下した期間全体にわたって停止スタックを割り当てる必要はなく、低電力機関のうち少なくとも一部において停止スタックを割り当てれば、その限りにおいて劣化を抑制する効果を発揮できる。

図１１Ａ～図１１Ｃは、図１０の稼働ローテーション計画にしたがって各水電解スタック１１を運用したとき各水電解スタック１１に対して供給される電力の経時変化を示す。稼働優先スタックは、図９と比較して稼働率が向上し、高出力と中間出力との間で遷移する頻度が減少しているので、従来制御よりも劣化率が低減することが期待される。

図９の従来制御手法の試算においては、入力電力の変動に対してリアルタイム（秒単位）に水電解スタックのＯＮ／ＯＦＦ台数を変更している。これに対し、図１０の稼働ローテーションは「２時間毎のＯＮ／ＯＦＦ制御」に加えて「ＤＣ／ＤＣコンバータ１２による電流分配制御」により水電解スタック１１の運転状態を制御できるので、変動追従性の観点でも利点がある。

以上より、太陽光発電のように時間帯に依存した変動のある再生可能エネルギーが供給される場合であっても、本実施形態の制御手法を用いることにより、水電解スタック１１の劣化抑制が可能である。

＜実施の形態１：まとめ＞
本実施形態１に係る水素製造システム１は、水電解スタック１１の動作状態を、稼働優先スタック＝＞停止優先スタック＝＞中間稼働スタックの順に割り当てる。これにより、従来のように水電解スタック１１の稼働率を均等にする運転制御やＯＮ／ＯＦＦを頻繁に繰り返す運転制御と比較して、水電解スタック１１の劣化を抑制することができる。

本実施形態１に係る水素製造システム１は、供給される電力が少ない期間においては、水電解スタック１１の動作状態として、上記に加えて停止スタックを割り当てる。これにより、例えば太陽光発電のように経時変動が大きい電力供給を受ける場合であっても、水電解スタック１１の劣化を効果的に抑制できる。

＜実施の形態２＞
図１２は、本発明の実施形態２に係る水素製造システム１の構成図である。本実施形態２においては、実施形態１で説明した構成に加えて、発電量予測部２１を備える。発電量予測部２１は、水素製造システム１の一部として構成してもよいし、水素製造システム１とは別の機能部として構成してもよい。

発電量予測部２１は、公知の手法にしたがって、再生可能エネルギーの発電量を予測する。例えば、（ａ）気象データ２２（天候、風況、などの気象条件を記述したデータ）を用いて予測する、（ｂ）再生可能エネルギー発電設備から発電量に関するデータをリアルタイムで取得する、（ｃ）これらの組み合わせ、などが考えられる。

電力分配制御システム１４は、発電量予測部２１から予測発電量を受信し、これにしたがって各水電解スタック１１の動作状態を割り当てる。例えば、発電量が多い時には、稼働優先スタックの台数を増やす。台数を維持したまま発電量が増加すると、停止優先スタックに分配される電力が増加し、高出力と中間出力との間の遷移が増えて劣化が促進される懸念があるからである。また、実施形態１の太陽光発電の場合のように、時間帯により発電量低下が予想される場合には、図１０のように水電解スタック１１のＯＮ／ＯＦＦを制御してもよい。これらの制御により、再生可能エネルギー発電量の変動に追従しながら水電解スタック１１の劣化を抑制することができる。

＜実施の形態３＞
図１３は、本発明の実施形態３に係る水素製造システム１の構成図である。本実施形態３においては、実施形態１で説明した構成に加えて、劣化モニタリング部３を備える。劣化モニタリング部３は、水素製造システム１の一部として構成してもよいし、水素製造システム１とは別の機能部として構成してもよい。

劣化モニタリング部３は、例えば水電解スタック１１の出力電流と出力電圧を電力分配制御システム１４から受け取り、これを用いて、水電解スタック１１の劣化度（ＳｔａｔｅＯｆＨｅａｌｔｈ：ＳＯＨ）を計算する。電力分配制御システム１４は、その劣化度にしたがって各水電解スタック１１の動作状態を割り当てる。

電力分配制御システム１４は例えば、ＳＯＨが低下した水電解スタック１１は、他の水電解スタック１１と比較して、劣化率の大きい運転を実施する回数（例えば中間稼働スタックを割り当てる回数）を少なくするように、動作状態を割り当てる。これにより、特定のスタックのみが早期に劣化して交換が必要になる事態を回避することができるので、交換に伴う保守コストを削減することが可能となる。

＜実施の形態４＞

図１４は、本発明の実施形態４に係る水素製造システム１の構成図である。本実施形態４においては、実施形態１で説明した構成に加えて、マネジメントシステム４１と分配器４２を備える。マネジメントシステム４１と分配器４２は、水素製造システム１の一部として構成してもよいし、水素製造システム１とは別の機能部として構成してもよい。

本実施形態において、分配器４２は、マネジメントシステム４１からの指示にしたがって、再生可能エネルギー発電設備４３が発電した電力を、水電解スタック１１に対して供給するかそれとも需要家４４へ売電する（すなわち受け取った電力を送配電系統へ出力する）かを切り替える。マネジメントシステム４１は、例えば両者間の分配比率を分配器４２に対して指示する。

マネジメントシステム４１はさらに、需要家４４から各種エネルギー（電力、熱、水素など）の需要データを収集し、そのデータにしたがって、エネルギー流通を制御する。例えば、電力需要やそれを反映したエネルギーのスポット価格を予測し、電力需要が大きいときは売電比率を高め、電力需要が小さいときは水素を製造する、などの制御を実施することができる。これらエネルギーの供給量についても同様にデータを収集し、需要と供給のバランスにしたがって上記制御を実施してもよい。

水素製造システム１に対して供給される電力量が多いときは、停止優先スタックを割り当てることができる個数が相対的に減少する。このようなときは、分配器４２が需要家４４へ売電する比率を上げてもよい（換言すると、発電量が下がればそれに応じて売電比率を下げる）。これにより、水電解スタック１１へ供給される電力が下がるので、停止優先スタックを割り当てることができる個数は増加する。その結果として、水電解スタック１１の劣化を抑制することができる。

＜実施の形態５＞
図１５は、本発明の実施形態５に係る水素製造システム１の構成図である。本実施形態５において、水素製造システム１は送配電系統５から電力供給を受ける。したがって再生可能エネルギー電力を受け取る場合とは異なり、水電解スタック１１に対して定電流負荷がかかるので、これによる劣化を考慮する必要がある。その他の構成は実施形態１～４と同じである。

図１６Ａは、従来手順にしたがって各水電解スタックの動作状態を割り当てた場合における稼働ローテーションを示す。数値は水電解スタックに対して供給する電流密度（Ａ／ｃｍ^２）である。各スタックに対して均等に電力が分配されている。

図１６Ｂは、本実施形態における水素製造システム１の稼働ローテーションを示す。定格電流が２．０Ａ／ｃｍ^２であるとすれば、電流値が１．８Ａ／ｃｍ^２のスタックは概ね稼働優先スタックに相当し、１．０Ａ／ｃｍ^２のスタックは概ね停止優先スタックに相当する。したがって、図１６Ｂの各スタックの動作状態としてこれらを割り当てることにより実施形態１と同様の効果を発揮できる。あるいは、送配電系統５が供給する電力の経時変動が少ない点を考慮して、稼働優先スタックや停止優先スタックのように水電解スタック１１へ供給する電力を上下させず、図１６Ｂに示す電流値を固定してそのまま水電解スタック１１へ供給してもよい。供給される電力の種類に応じて、いずれを用いるかを切り替えるようにしてもよい。

図１６Ａの従来制御における劣化率は、図５のモードＢにおける劣化率を線形補間して、７８μＶ／ｈと試算した。図１６Ｂにおける劣化率は、モードＣにおける劣化率を線形補間して、５２μＶ／ｈと試算した。したがって従来制御と比較して、劣化率を３３％低減できる。したがって、系統電力のように経時変動が小さい電力を受け取る場合であっても、水電解スタック１１の劣化を抑制できる。

＜本発明の変形例について＞
本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

非特許文献１の劣化試験において、電流密度ゼロの時にも水電解セルには１．４Ｖ以上の電圧が印加されているとの記載がある。これは水の電気分解の理論電圧（１．２３Ｖ）よりやや高く、電解反応が開始される付近の電圧値である。もし運転中に電圧を０Ｖまで低下させると、逆電流が流れ、水電解セルを劣化させる恐れがある。したがって本発明においては、水電解スタック１１に流れる電流がゼロとなる時であっても、水電解スタック１１に対して電解反応の開始付近の電圧を印加できるように、水電解スタック１１に対する電力供給経路の入口にＤＣ／ＤＣコンバータ１２を配置した。同様の役割は、少なくとも２通り以上の電圧出力が可能な電力変換器によって代替することが可能である。したがってＤＣ／ＤＣコンバータ１２に代えて、そのような電力変換器を配置してもよい。

本発明は、水電解の逆反応である燃料電池にも適用できる。その場合、水電解スタック１１は燃料電池スタックに置き換わり、電力分配制御システム１４は発電分担制御システムに置き換わり、電力と水素の流れは逆向きとなる。

以上の実施形態において、電力分配制御システム１４およびその各機能部は、これらの機能を実装した回路デバイスなどのハードウェアによって構成することもできるし、これらの機能を実装したソフトウェアをプロセッサなどの演算装置が実行することによって構成することもできる。発電量予測部２１、劣化モニタリング部３、マネジメントシステム４１、についても同様である。

１：水素製造システム
１１：水電解スタック
１２：ＤＣ／ＤＣコンバータ
１３：ＡＣ／ＤＣ整流器
１４：電力分配制御システム
２１：発電量予測部
３：劣化モニタリング部
４１：マネジメントシステム

Claims

複数の水電解スタックによって水素を製造する水素製造システムであって、
前記水電解スタックに対して供給する電力を制御する電力変換器、
前記電力変換器を制御することにより各前記水電解スタックに対して分配する電力を制御する電力分配制御部、
を備え、
前記電力分配制御部は、前記水電解スタックの劣化のしやすさを示す劣化特性に基づき前記水電解スタックの稼働ローテーション計画を策定する稼働計画策定部を備え、
前記電力分配制御部は、前記稼働ローテーション計画における前記水電解スタックの動作状態を割り当てるスタック動作割当部を備え、
前記スタック動作割当部は、前記水電解スタックの動作状態として、
所定期間にわたって他の前記水電解スタックよりも優先的に電力分配を受ける稼働優先スタック、
所定期間にわたって他の前記水電解スタックよりも優先的に長く停止する停止優先スタック、
各前記水電解スタックに対して供給される電力の総和から前記稼働優先スタックへ供給される電力を差し引くとともに前記停止優先スタックへ供給される電力を差し引いた電力の分配を受ける中間稼働スタック、
のうちいずれかを割り当てる
ことを特徴とする水素製造システム。
前記スタック動作割当部は、前記稼働ローテーション計画において、前記複数の水電解スタックのうち第１スタックの動作状態として、前記稼働優先スタック、前記停止優先スタック、および前記中間稼働スタックを第１順序で順次割り当て、
前記スタック動作割当部は、前記稼働ローテーション計画において、前記複数の水電解スタックのうち前記第１スタックとは異なる第２スタックの動作状態として、前記稼働優先スタック、前記停止優先スタック、および前記中間稼働スタックを前記第１順序とは異なる第２順序で順次割り当てる
ことを特徴とする請求項１記載の水素製造システム。
前記スタック動作割当部は、前記稼働ローテーション計画において、前記第１スタックの動作状態を、前記稼働優先スタック、前記停止優先スタック、前記中間稼働スタックの順で割り当て、
前記スタック動作割当部は、前記第１スタックに対して前記稼働優先スタックを割り当てたときは前記第２スタックに対して前記稼働優先スタック以外の動作状態を割り当て、
前記スタック動作割当部は、前記第１スタックに対して前記停止優先スタックを割り当てたときは前記第２スタックに対して前記停止優先スタック以外の動作状態を割り当てる
ことを特徴とする請求項２記載の水素製造システム。
前記電力分配制御部は、前記稼働ローテーション計画を実施した場合における前記水電解スタックの劣化率を、前記水電解スタックの劣化特性にしたがって計算する、劣化率計算部を備え、
前記スタック動作割当部は、前記計算した劣化率の各前記水電解スタック間の差分が小さくなるように、前記稼働ローテーション計画を割り当てる
ことを特徴とする請求項１記載の水素製造システム。
前記スタック動作割当部は、前記水電解スタックの動作状態として、前記稼働優先スタック、前記停止優先スタック、前記中間稼働スタック、および、所定期間にわたって停止する停止スタックのうちいずれかを割り当て、
前記スタック動作割当部は、前記水電解スタックに対して供給される電力が閾値未満となる低電力期間が生じる場合は、前記低電力期間のうち少なくとも一部において、各前記水電解スタックのうちいずれかの動作状態として前記停止スタックを割り当てる
ことを特徴とする請求項１記載の水素製造システム。
前記水電解スタックは、電力値が経時変動する変動電源から電力を受け取り、
前記電力分配制御部は、前記変動電源の発電量を予測した結果を受け取り、
前記電力分配制御部は、前記予測した発電量にしたがって、前記稼働優先スタックを割り当てる前記水電解スタックの個数を調整する
ことを特徴とする請求項１記載の水素製造システム。
前記電力分配制御部は、前記予測した発電量が第１発電量であるときは、第１個数の前記水電解スタックに対して前記稼働優先スタックを割り当て、
前記電力分配制御部は、前記予測した発電量が前記第１発電量よりも小さい第２発電量であるときは、前記第１個数よりも少ない第２個数の前記水電解スタックに対して前記稼働優先スタックを割り当てる
ことを特徴とする請求項６記載の水素製造システム。
前記電力分配制御部は、前記水電解スタックの劣化状態を取得し、
前記電力分配制御部は、前記取得した劣化状態にしたがって、前記水電解スタックの動作状態を割り当てる
ことを特徴とする請求項１記載の水素製造システム。
前記電力分配制御部は、前記取得した劣化状態が第１劣化状態である前記水電解スタックについては、所定期間内において前記中間稼働スタックを割り当てる回数を第１回数以内に抑制し、
前記電力分配制御部は、前記取得した劣化状態が前記第１劣化状態よりも劣化度の小さい第２劣化状態である前記水電解スタックについては、所定期間内において前記中間稼働スタックを割り当てる回数を前記第１回数よりも多くする
ことを特徴とする請求項８記載の水素製造システム。
前記水素製造システムはさらに、前記変動電源から供給される供給電力を前記水電解スタックへ供給するかまたは送配電系統へ出力するかを切り替える分配器を備え、
前記水素製造システムはさらに、前記分配器が前記水電解スタックと前記送配電系統との間で前記供給電力を分配する比率を電力需要にしたがって制御するマネジメントシステムを備える
ことを特徴とする請求項６記載の水素製造システム。
前記電力分配制御部は、前記変動電源の発電量を予測した結果を受け取り、
前記マネジメントシステムは、前記予測した発電量が第１発電量であるときは、前記供給電力のうち第１比率の部分を前記送配電系統へ出力するように前記分配器を制御し、
前記マネジメントシステムは、前記予測した発電量が前記第１発電量よりも小さい第２発電量であるときは、前記供給電力のうち前記第１比率よりも小さい第２比率の部分を前記送配電系統へ出力するように前記分配器を制御する
ことを特徴とする請求項１０記載の水素製造システム。
前記マネジメントシステムは、前記電力需要が第１電力量であるときは、前記供給電力のうち第１比率の部分を前記送配電系統へ出力するように前記分配器を制御し、
前記マネジメントシステムは、前記電力需要が前記第１電力量よりも小さい第２電力量であるときは、前記供給電力のうち前記第１比率よりも小さい第２比率の部分を前記送配電系統へ出力するように前記分配器を制御する
ことを特徴とする請求項１０記載の水素製造システム。
前記マネジメントシステムは、熱需要、前記熱需要に対して供給される熱供給量、水素需要、および、前記水素製造システムが供給する水素供給量にしたがって、前記比率を制御する
ことを特徴とする請求項１０記載の水素製造システム。
複数の水電解スタックによって水素を製造する水素製造方法であって、
前記水電解スタックに対して供給する電力を制御する電力変換器を制御することにより各前記水電解スタックに対して分配する電力を制御するステップを有し、
前記電力変換器を制御するステップは、
前記水電解スタックの劣化のしやすさを示す劣化特性に基づき前記水電解スタックの稼働ローテーション計画を策定するステップ、
前記稼働ローテーション計画における前記水電解スタックの動作状態を割り当てるステップ、
を有し、
前記水電解スタックの動作状態を割り当てるステップにおいては、前記水電解スタックの動作状態として、
所定期間にわたって他の前記水電解スタックよりも優先的に電力分配を受ける稼働優先スタック、
所定期間にわたって他の前記水電解スタックよりも優先的に長く停止する停止優先スタック、
各前記水電解スタックに対して供給される電力の総和から前記稼働優先スタックへ供給される電力を差し引くとともに前記停止優先スタックへ供給される電力を差し引いた電力の分配を受ける中間稼働スタック、
のうちいずれかを割り当てる
ことを特徴とする水素製造方法。