JP2024065603A - 水電解システム及びその制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】一部の電解スタックの性能が低下した場合や、電解スタックの劣化が大きくなった場合でも、各電解スタックを個別制御することで効率よく水素を製造することができる水電解システムを提供する。【解決手段】水電解システム１００は、直流電源に直列に接続される複数の水電解スタック１０１と、水電解スタックで生成したガスを貯蔵する複数のガス貯蔵タンク（例えば、水素ガスタンク１０２，低圧水素ガスタンク１０２ａ）と、複数の水電解スタック全体で生成したガスの圧力を調整する第１ガス圧力調整機構（例えば、水素ガスタンク圧力調整バルブ１１３）と、個々の水電解スタックで生成したガスの圧力を調整する複数の第２ガス圧力調整機構（例えば、水電解スタック水素ガス圧力調整バルブ１１５，水電解スタック低圧水素ガス圧力調整バルブ１１５ａ）と、第１ガス圧力調整機構と第２ガス圧力調整機構を制御する制御装置１５０と、を備える。【選択図】図１
Description
本発明は、水電解システム及びその制御方法に関するものであり、特に、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及びその制御方法に関わるものである。
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及びその制御方法に関して、非特許文献１には、電力品質の安定性及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。
電解スタックの電解効率の向上を目的とした、各電解スタックを制御する構成としては、特許文献１には、再生可能エネルギー（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を制御する方法が開示されている。
特許文献２には、再生可能エネルギー(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し、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開示されている。
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。
特許文献１においては、ストリングまたは各電解スタックの動作をＯＮ／ＯＦＦ制御するが、ＯＦＦ制御をした場合に、当該ストリングまたは各電解スタック以外の電解スタックの負荷が増加し、且つ、水素、酸素生成量が低下するという課題がある。
特許文献２においては、並列に接続された電解スタックは制御可能であるが、直列に接続された各電解スタックの性能が低下した際に十分に制御することはできないという課題がある。
本発明では、クリーンエネルギーとして製造された水素に関して、経済性、安全性、利便性と地球温暖化対策を満たしながら、太陽光発電や風力発電などの再生エネルギーから水素を製造する際に、一部の電解スタックの性能が低下した場合や、電解スタックの劣化が大きくなった場合でも、各電解スタックを個別制御することで効率よく水素を製造することができる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している。
前記目的を達成するため、本発明の直流電源に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ガスを貯蔵するガス圧力が異なる複数のガス貯蔵タンクと、前記複数の水電解スタックで生成したガスの圧力を調整する第１ガス圧力調整機構と、個々の前記水電解スタックで生成したガスの圧力を調整する複数の第２ガス圧力調整機構と、前記第１ガス圧力調整機構と前記第２ガス圧力調整機構を制御する制御装置と、を備えることを特徴とする。本発明のその他の態様については、後記する実施形態において説明する。
本発明によれば、一部の電解スタックの性能が低下した場合や、電解スタックの劣化が大きくなった場合でも、各電解スタックを個別制御することで効率よく水素を製造することができる。
以下、本発明の実施形態を、図面を用いて詳細に説明する。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。
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は、本実施形態に係る水電解システム１００の装置構成を示す図である。図１に示す水電解システム１００は、主に水電解スタック１０１、水素ガスタンク１０２、該水素ガスタンク１０２よりも低圧のガスを貯蔵する低圧水素ガスタンク１０２ａ、酸素ガスタンク１０３、該酸素ガスタンク１０３よりも低圧のガスを貯蔵する低圧酸素ガスタンク１０３ａ、水配管１０６、水素ガス配管１０７、該低圧水素ガスタンク１０２ａに接続される低圧水素ガス配管１０７ａ、酸素ガス配管１０８、該低圧酸素ガスタンク１０３ａに接続される低圧酸素ガス配管１０８ａを含んで構成される。
さらに、水電解システム１００は、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、水電解スタック水素ガス圧力調整バルブ１１５、水電解スタック低圧水素ガス圧力調整バルブ１１５ａ、水電解スタック酸素ガス圧力調整バルブ１１６、水電解スタック低圧酸素ガス圧力調整バルブ１１６ａ、酸素ガス/水分離タンク１１７、水電解スタック水排出バルブ１１８、水タンク１１９、水素ガス/水分離タンク１２０、昇圧ポンプ１２１、制御装置１５０を含んで構成される。
制御装置１５０は、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。
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水電解スタック１０１の酸素極側に供給される。水電解スタック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。発生した水素は水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水電解スタック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、水電解スタック水排出バルブ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水電解スタック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、水電解スタック１０１は一般的な大型直流電源が適用可能となるよう直並列接続されている。直並列数に関しては、特に制限はない。
図１の水電解システム１００は、酸素極側と水素極側の両方に水を供給するシステムを想定しているが、プロトン透過型の固体高分子型の水電解スタックでは酸素極側のみ水を供給する場合もある。
低圧水素ガスタンク１０２ａ、低圧酸素ガスタンク１０３ａ、低圧水素ガス配管１０７ａ、低圧酸素ガス配管１０８ａ、水電解スタック低圧水素ガス圧力調整バルブ１１５ａ、水電解スタック低圧酸素ガス圧力調整バルブ１１６ａは、本実施形態の水電解システム１００の特有の設備である。
一般的な水電解スタック１０１には特性のばらつきや、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水電解スタックの電解効率に差が生じる。
本実施形態の水電解システム１００では、個々の水電解スタックの電解電圧を計測し、電解電圧が高い水電解スタックは水電解スタック低圧水素ガス圧力調整バルブ１１５ａ、水電解スタック低圧酸素ガス圧力調整バルブ１１６ａを調節して、水電解スタックの圧力を下げる。これによって、電解電圧が高い水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。
この時、圧力を下げた水電解スタックから排出される水素と酸素の圧力は、電解電圧が低い水電解スタックから排出される水素と酸素の圧力よりも低圧のために同じガス配管系統に流すことができない。そこで、低圧水素ガス配管１０７ａ、低圧酸素ガス配管１０８ａで示す低圧のガスラインを使って低圧水素ガスタンク１０２ａ、低圧酸素ガスタンク１０３ａに蓄えたのちに、昇圧ポンプ１２１で水素ガスタンク１０２、酸素ガスタンク１０３に送られる。
水電解スタック水素ガス圧力調整バルブ１１５、水電解スタック低圧水素ガス圧力調整バルブ１１５ａ、水電解スタック酸素ガス圧力調整バルブ１１６、水電解スタック低圧酸素ガス圧力調整バルブ１１６ａ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、昇圧ポンプ１２１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。
次に、本実施形態における水電解システム１００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、本実施形態は図１に示す水電解システム１００に基づき説明するが、ガスタンクにつながる圧力系統は図１に示す通常圧力と低圧の２系統のみではなく、複数の圧力系統を設置することも可能であり、図１の構成に限定されるものではない。
本実施形態の水電解システム１００では、個々の水電解スタックの電解電圧を計測し、電解電圧が高い水電解スタックは、水電解スタック水素ガス圧力調整バルブ１１５、水電解スタック酸素ガス圧力調整バルブ１１６を閉じるとともに、水電解スタック低圧水素ガス圧力調整バルブ１１５ａ、水電解スタック低圧酸素ガス圧力調整バルブ１１６ａを調節して、水電解スタックの圧力を下げる。これによって、電解電圧が高い水電解スタックの電圧を降下させて、他の水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。
図２は、水電解スタック群の圧力調整の一例を示す図である。なお、図２では水電解スタック１～４の構成事例を示しているが、実際の水電解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２の水電解スタック数に限定されるものではない。また、直列スタック群とは1台の水電解スタックで構成される場合もあれば、複数の水電解スタックを電気的に接続して構成される直列スタック群の場合もある。
本実施形態の水電解システム１００の稼働に当たって、水電解スタック１０１の運用電圧領域と警戒電圧領域を定めることが望ましい。運用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水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水電解スタック特性に依存するため、実際の水電解システムを構築する前に、利用する水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２のグラフ２Ａでは水電解スタック１～４の稼働時の電圧を示している。水電解スタック１，２，４は運用電圧領域で稼働しているが、水電解スタック３が警戒電圧領域の電圧で稼働していることがわかる。そこで本実施形態では、水電解スタック３に接続された水電解スタック低圧水素ガス圧力調整バルブ１１５ａ、水電解スタック低圧酸素ガス圧力調整バルブ１１６ａを調節することで、水電解スタックの水素ガス、または／及び、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よいし、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よい。これにより、水電解スタック３のみの水素ガス、または／及び、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２のグラフ２Ｂに示すように、水電解スタック１，２，４の電圧を維持したまま、水電解スタック３の電圧を運用電圧領域まで調整することができる。
図３は、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である。図３は図２に示した水電解スタック１～４の圧力調整前後のＩ－Ｖ特性を示した事例である。水電解スタック１～４に通電された電流値をＡ１アンペアとし、その時の水電解スタック１，２，４の電圧をＶ１ボルトとすると、水電解スタック３はＶ２ボルトであると予想される。水電解スタック３は抵抗が高いため、他の水電解スタックより電解電圧が高くなったと予測される。水電解スタック１～４への通電電流がＡ１で一定あるため、抵抗の高い水電解スタック３は他の水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々の水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、圧力調整後の水電解スタック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。このため本実施形態の水電解システム１００で個々の水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電解スタック水素ガス圧力調整バルブ１１５、水電解スタック低圧水素ガス圧力調整バルブ１１５ａ、水電解スタック酸素ガス圧力調整バルブ１１６、水電解スタック低圧酸素ガス圧力調整バルブ１１６ａ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／及び小型冷却器１１２で水電解スタック３を冷却した場合、圧力調整による抵抗減少で発熱量が低下し、水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。水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。水電解スタック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で個々の水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／及び小型冷却器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。
個々の水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水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が加速する。このため、例えば水電解スタック３に複数回圧力調整を行い、Ｖ２＋ΔＶの値が、セルの電極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。本実施形態の水電解システム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水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を止めて特定の水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４は、本実施形態に係る電解スタックの圧力調整制御を示すフロー図である。図４に本実施形態の水電解システム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２及び図３の水電解スタック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水電解スタックを対象として実施すればよい。
図４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水電解スタック３の存在を検知する（ステップＳ１０１）。その後、運用電圧領域まで水電解スタック３の電解電圧を下げるための目標電圧を設定する（ステップＳ１０２）。水電解スタック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（ステップＳ１０３）。
まず警戒電圧領域まで電解電圧が上昇した水電解スタック３の存在を検知する（ステップＳ１０１）。その後、運用電圧領域まで水電解スタック３の電解電圧を下げるための目標電圧を設定する（ステップＳ１０２）。水電解スタック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（ステップＳ１０３）。
ここで、水電解スタック３に接続された水電解スタック低圧水素ガス圧力調整バルブ１１５ａ、水電解スタック低圧酸素ガス圧力調整バルブ１１６ａを調節することで、水電解スタックの水素ガス、または／及び、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よいし、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よい（ステップＳ１０４）。
圧力変更後、水電解スタック電圧が運用電圧領域に到達していれば（ステップＳ１０５，Ｙｅｓ）、操作を終了する。水電解スタック電圧が運用電圧領域に到達していない場合は（ステップＳ１０５，Ｎｏ）、水電解スタック電圧がセルの電極の劣化が想定される電圧に到達しているか確認し（ステップＳ１０６）、到達していない場合は（ステップＳ１０６，Ｎｏ）、ステップＳ１０１に戻り圧力変更操作を再度行う。水電解スタック電圧がセルの電極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、水電解スタック電圧がセルの電極の劣化が想定される電圧に到達している場合は（ステップＳ１０６，Ｙｅｓ）、電流値を下げた後に（ステップＳ１０７）、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水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（ステップＳ１０８）。
本実施形態の水電解システム１００及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。
（１）水電解システム１００は、直流電源に直列に接続される複数の水電解スタック１０１と、水電解スタックで生成したガスを貯蔵するガス圧力が異なる複数のガス貯蔵タンク（例えば、水素ガスタンク１０２，低圧水素ガスタンク１０２ａ）と、複数の水電解スタックで生成したガスの圧力を調整する第１ガス圧力調整機構（例えば、水素ガスタンク圧力調整バルブ１１３）と、個々の水電解スタックで生成したガスの圧力を調整する複数の第２ガス圧力調整機構（例えば、水電解スタック水素ガス圧力調整バルブ１１５，水電解スタック低圧水素ガス圧力調整バルブ１１５ａ）と、第１ガス圧力調整機構と第２ガス圧力調整機構を制御する制御装置１５０と、を備える。
（２）（１）の水電解システム１００において、複数のガス貯蔵タンクは、第１ガス貯蔵タンク（例えば、水素ガスタンク１０２）と第１ガス貯蔵タンクよりも低圧のガスを貯蔵する第２ガス貯蔵タンク（例えば、低圧水素ガスタンク１０２ａ）であり、複数の第２ガス圧力調整機構は、第１ガス貯蔵タンク（例えば、水素ガスタンク１０２）に接続する第１ガス貯蔵タンク用ガス圧力調整機構（例えば、水電解スタック水素ガス圧力調整バルブ１１５）と、第２ガス貯蔵タンク（例えば、低圧水素ガスタンク１０２ａ）に接続する第２ガス貯蔵タンク用ガス圧力調整機構（例えば、水電解スタック低圧水素ガス圧力調整バルブ１１５ａ）であり、第１ガス貯蔵タンクと第２ガス貯蔵タンクとは、昇圧ポンプ１２１を介して接続されている。
（３）（２）の水電解システム１００において、個々の水電解スタック１０１は、電圧計測器（不図示）を備え、制御装置１５０は、運用電圧範囲及び警戒電圧範囲の情報を有し、電圧計測器が計測した水電解スタックの電圧が、警戒電圧範囲に達した場合に、運用電圧範囲まで電圧を下げるために減少させるガス圧力を算出する。
（４）（２）の水電解システム１００において、個々の水電解スタック１０１は、電圧計測器（不図示）を備え、制御装置１５０は、運用電圧範囲と警戒電圧範囲の情報を有し、電圧計測器が計測した水電解スタックの電圧が、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第１ガス貯蔵タンク用ガス圧力調整機構（例えば、水電解スタック水素ガス圧力調整バルブ１１５）を停止するとともに、第２ガス貯蔵タンク用ガス圧力調整機構（例えば、水電解スタック低圧水素ガス圧力調整バルブ１１５ａ）を調整し、該水電解スタックのガスの圧力を下げる。
（５）（２）の水電解システム１００であって、個々の水電解スタックは、該水電解スタックのガス圧力を測定する圧力計測器（不図示）を備え、制御装置１５０は、運用圧力範囲と警戒圧力範囲の情報を有し、圧力計測器が計測したガス圧力が、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第１ガス貯蔵タンク用ガス圧力調整機構（例えば、水電解スタック水素ガス圧力調整バルブ１１５）を停止するとともに、第２ガス貯蔵タンク用ガス圧力調整機構（例えば、水電解スタック低圧水素ガス圧力調整バルブ１１５ａ）を調整し、該水電解スタックのガスの圧力を下げる。
（６）（１）の水電解システム１００において、ガスは水素であり、水素系統を有する。水素製造が主目的である場合は、酸素系統は必ずしも必要でなく、生成された酸素は、大気中に放出してもよい。これにより、水電解システム１００の機器設備の設置費用及び維持費を軽減することができる。
（７）（１）の水電解システム１００において、ガスは水素と酸素であり、第１ガス圧力調整機構と複数の第２ガス圧力調整機構は、それぞれ水素系統と酸素系統にそれぞれ有する。
（８）（１）乃至（７）のいずれかの水電解システム１００において、個々の水電解スタックの温度又は個々の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（不図示）と、個々の水電解スタックに供給する水の温度を調整する水温度調整機構（例えば、送水ポンプ１０９等)と、を有し、制御装置１５０は、個々の水電解スタックのいずれかの温度が変化した場合に、水温度調整機構を制御して水を冷却する。
（９）（８）の水電解システム１００において、水温度調整機構は、複数の水電解スタック全体に水を供給する送液装置（送水ポンプ１０９）と、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（大型冷却器１１０）と、送液装置)又は第１冷却器と、水電解スタック１０１と、の間の水の供給配管（水配管１０６）に設けられたバルブ（水流量調整バルブ１１１）及び第２冷却器（小型冷却器１１２）と、を備え、制御装置１５０は、個々の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。
（１０）（１）の水電解システム１００において、直流電源に直列に接続される複数の水電解スタック１０１の少なくとも一部は、複数の水電解スタックを並列接続して構成される。
（１１）（２）の水電解システム１００の制御方法において、個々の水電解スタックの電解特性から、運用電圧範囲と警戒電圧範囲とをあらかじめ設定し、個々の水電解スタックの電圧を計測し、計測された電圧が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第１ガス貯蔵タンク用ガス圧力調整機構を停止するとともに、第２ガス貯蔵タンク用ガス圧力調整機構を調整し、該水電解スタックのガスの圧力を下げる。
（１２）（１１）の水電解システム１００の制御方法において、計測された電圧が警戒電圧範囲に達した場合に、運用電圧範囲まで電圧を下げるために減少させるガス圧力を算出する。
（１３）（１１）の水電解システム１００の制御方法であって、個々の水電解スタックの電圧が、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第２ガス圧力調整機構を調整しても、運用電圧範囲まで電圧が下がらない場合、水電解システム全体の電流値を下げる。
（１４）（２）の水電解システム１００の制御方法であって、個々の水電解スタックの電解特性から、運用圧力範囲と警戒圧力範囲とをあらかじめ設定し、個々の水電解スタックのガス圧力を計測し、計測された圧力が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第２ガス圧力調整機構を調整し、該水電解スタックのガスの圧力を下げる。
（１５）（１１）乃至（１４）のいずれかの水電解システム１００の制御方法において、第２ガス圧力調整機構の調整量を計測し、個々の水電解スタックのガス圧力を計測し、個々の水電解スタックに、生成したガスの逆流が生じないように、計測された第２ガス圧力調整機構の調整量と水電解スタックのガス圧力に応じて、第１ガス圧力調整機構を制御する。
（１６）（１１）乃至（１４）いずれかの水電解システム１００の制御方法において、個々の水電解スタックの温度を計測し、水電解スタックのガス圧力が変更されて、個々の水電解スタックの温度が変化した場合に、個々の水電解スタックに供給する水量又は個々の水電解スタックに供給される水の温度を調整する。
１００ 水電解システム
１０１ 水電解スタック
１０２ 水素ガスタンク（ガス貯蔵タンク、第１ガス貯蔵タンク）
１０２ａ 低圧水素ガスタンク（ガス貯蔵タンク、第２ガス貯蔵タンク）
１０３ 酸素ガスタンク（ガス貯蔵タンク、第１ガス貯蔵タンク）
１０３ａ 低圧酸素ガスタンク（ガス貯蔵タンク、第２ガス貯蔵タンク）
１０４ 水素ガス
１０５ 酸素ガス
１０６ 水配管（水の供給配管）
１０７ 水素ガス配管
１０７ａ 低圧水素ガス配管
１０８ 酸素ガス配管
１０８ａ 低圧酸素ガス配管
１０９ 送水ポンプ（送液装置）
１１０ 大型冷却器（第１冷却器）
１１１ 水流量調整バルブ（バルブ）
１１２ 小型冷却器（第２冷却器）
１１３ 水素ガスタンク圧力調整バルブ（第１ガス圧力調整機構）
１１４ 酸素ガスタンク圧力調整バルブ（第１ガス圧力調整機構）
１１５ 水電解スタック水素ガス圧力調整バルブ
（第２ガス圧力調整機構、第１ガス貯蔵タンク用ガス圧力調整機構）
１１５ａ 水電解スタック低圧水素ガス圧力調整バルブ
（第２ガス圧力調整機構、第２ガス貯蔵タンク用ガス圧力調整機構）
１１６ 水電解スタック酸素ガス圧力調整バルブ
（第２ガス圧力調整機構、第１ガス貯蔵タンク用ガス圧力調整機構）
１１６ａ 水電解スタック低圧酸素ガス圧力調整バルブ
（第２ガス圧力調整機構、第２ガス貯蔵タンク用ガス圧力調整機構）
１１７ 酸素ガス／水分離タンク
１１８ 水電解スタック水排出バルブ
１１９ 水タンク
１２０ 水素ガス／水分離タンク
１２１ 昇圧ポンプ
１５０ 制御装置
１０１ 水電解スタック
１０２ 水素ガスタンク（ガス貯蔵タンク、第１ガス貯蔵タンク）
１０２ａ 低圧水素ガスタンク（ガス貯蔵タンク、第２ガス貯蔵タンク）
１０３ 酸素ガスタンク（ガス貯蔵タンク、第１ガス貯蔵タンク）
１０３ａ 低圧酸素ガスタンク（ガス貯蔵タンク、第２ガス貯蔵タンク）
１０４ 水素ガス
１０５ 酸素ガス
１０６ 水配管（水の供給配管）
１０７ 水素ガス配管
１０７ａ 低圧水素ガス配管
１０８ 酸素ガス配管
１０８ａ 低圧酸素ガス配管
１０９ 送水ポンプ（送液装置）
１１０ 大型冷却器（第１冷却器）
１１１ 水流量調整バルブ（バルブ）
１１２ 小型冷却器（第２冷却器）
１１３ 水素ガスタンク圧力調整バルブ（第１ガス圧力調整機構）
１１４ 酸素ガスタンク圧力調整バルブ（第１ガス圧力調整機構）
１１５ 水電解スタック水素ガス圧力調整バルブ
（第２ガス圧力調整機構、第１ガス貯蔵タンク用ガス圧力調整機構）
１１５ａ 水電解スタック低圧水素ガス圧力調整バルブ
（第２ガス圧力調整機構、第２ガス貯蔵タンク用ガス圧力調整機構）
１１６ 水電解スタック酸素ガス圧力調整バルブ
（第２ガス圧力調整機構、第１ガス貯蔵タンク用ガス圧力調整機構）
１１６ａ 水電解スタック低圧酸素ガス圧力調整バルブ
（第２ガス圧力調整機構、第２ガス貯蔵タンク用ガス圧力調整機構）
１１７ 酸素ガス／水分離タンク
１１８ 水電解スタック水排出バルブ
１１９ 水タンク
１２０ 水素ガス／水分離タンク
１２１ 昇圧ポンプ
１５０ 制御装置
Claims (16)
- 直流電源に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ガスを貯蔵するガス圧力が異なる複数のガス貯蔵タンクと、
前記複数の水電解スタックで生成したガスの圧力を調整する第１ガス圧力調整機構と、
個々の前記水電解スタックで生成したガスの圧力を調整する複数の第２ガス圧力調整機構と、
前記第１ガス圧力調整機構と前記第２ガス圧力調整機構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に記載の水電解システムにおいて、
複数の前記ガス貯蔵タンクは、第１ガス貯蔵タンクと前記第１ガス貯蔵タンクよりも低圧のガスを貯蔵する第２ガス貯蔵タンクであり、
複数の前記第２ガス圧力調整機構は、前記第１ガス貯蔵タンクに接続する第１ガス貯蔵タンク用ガス圧力調整機構と、前記第２ガス貯蔵タンクに接続する第２ガス貯蔵タンク用ガス圧力調整機構であり、
前記第１ガス貯蔵タンクと前記第２ガス貯蔵タンクとは、昇圧ポンプを介して接続されている
ことを特徴とする水電解システム。 - 請求項２に記載の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、運用電圧範囲及び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、前記運用電圧範囲まで電圧を下げるために減少させる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２に記載の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、運用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１ガス貯蔵タンク用ガス圧力調整機構を停止するとともに、前記第２ガス貯蔵タンク用ガス圧力調整機構を調整し、該水電解スタックのガスの圧力を下げる
ことを特徴とする水電解システム。 - 請求項２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、運用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１ガス貯蔵タンク用ガス圧力調整機構を停止するとともに、前記第２ガス貯蔵タンク用ガス圧力調整機構を調整し、該水電解スタックのガスの圧力を下げる
ことを特徴とする水電解システム。 - 請求項１に記載の水電解システムにおいて、
前記ガスは水素であり、水素系統を有する
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において、
前記ガスは水素と酸素であり、
第１ガス圧力調整機構と複数の第２ガス圧力調整機構は、それぞれ水素系統と酸素系統にそれぞれ有する
ことを特徴とする水電解システム。 - 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の水電解システムにおいて、
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、
個々の前記水電解スタックに供給する水の温度を調整する水温度調整機構と、を有し、
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、前記水温度調整機構を制御して水を冷却する
ことを特徴とする水電解システム。 - 請求項８に記載の水電解システムにおいて、
前記水温度調整機構は、
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、を備え、
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において、
前記直流電源に直列に接続される複数の水電解スタックの少なくとも一部は、複数の水電解スタックを並列接続して構成される
ことを特徴とする水電解システム。 - 直流電源に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ガスを貯蔵するガス圧力が異なる複数のガス貯蔵タンクと、
前記複数の水電解スタックで生成したガスの圧力を調整する第１ガス圧力調整機構と、
個々の前記水電解スタックで生成したガスの圧力を調整する複数の第２ガス圧力調整機構と、
前記第１ガス圧力調整機構と前記第２ガス圧力調整機構を制御する制御装置と、を備え、
複数の前記ガス貯蔵タンクは、第１ガス貯蔵タンクと前記第１ガス貯蔵タンクよりも低圧のガスを貯蔵する第２ガス貯蔵タンクであり、
複数の前記第２ガス圧力調整機構は、前記第１ガス貯蔵タンクに接続する第１ガス貯蔵タンク用ガス圧力調整機構と、前記第２ガス貯蔵タンクに接続する第２ガス貯蔵タンク用ガス圧力調整機構であり、
前記第１ガス貯蔵タンクと前記第２ガス貯蔵タンクとは、昇圧ポンプを介して接続されている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、運用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１ガス貯蔵タンク用ガス圧力調整機構を停止するとともに、前記第２ガス貯蔵タンク用ガス圧力調整機構を調整し、該水電解スタックのガスの圧力を下げる
ことを特徴とする水電解システムの制御方法。 - 請求項１１に記載の水電解システムの制御方法において、
計測された電圧が前記警戒電圧範囲に達した場合に、前記運用電圧範囲まで電圧を下げるために減少させる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１１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ガス圧力調整機構を調整しても、前記運用電圧範囲まで電圧が下がらない場合、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。 - 直流電源に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ガスを貯蔵するガス圧力が異なる複数のガス貯蔵タンクと、
前記複数の水電解スタックで生成したガスの圧力を調整する第１ガス圧力調整機構と、
個々の前記水電解スタックで生成したガスの圧力を調整する複数の第２ガス圧力調整機構と、
前記第１ガス圧力調整機構と前記第２ガス圧力調整機構を制御する制御装置と、を備え、
複数の前記ガス貯蔵タンクは、第１ガス貯蔵タンクと前記第１ガス貯蔵タンクよりも低圧のガスを貯蔵する第２ガス貯蔵タンクであり、
複数の前記第２ガス圧力調整機構は、前記第１ガス貯蔵タンクに接続する第１ガス貯蔵タンク用ガス圧力調整機構と、前記第２ガス貯蔵タンクに接続する第２ガス貯蔵タンク用ガス圧力調整機構であり、
前記第１ガス貯蔵タンクと前記第２ガス貯蔵タンクとは、昇圧ポンプを介して接続されている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、運用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ガス圧力調整機構を調整し、該水電解スタックのガスの圧力を下げる
ことを特徴とする水電解システムの制御方法。 - 請求項１１乃至１４のいずれか１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ガス圧力調整機構の調整量を計測し、
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、生成したガスの逆流が生じないように、計測された前記第２ガス圧力調整機構の調整量と水電解スタックのガス圧力に応じて、前記第１ガス圧力調整機構を制御する
ことを特徴とする水電解システムの制御方法。 - 請求項１１乃至１４のいずれか１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又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。
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