JP6937096B2 - Hydrogen production system - Google Patents
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Description
実施形態は、水素製造システムに関する。 The embodiment relates to a hydrogen production system.
近年、再生可能エネルギーを利用した水素の製造が試みられている。再生可能エネルギーとは、風力及び太陽光等の自然界によって永続的に補充されるエネルギーをいう。再生可能エネルギーを利用した発電施設、例えば、山間部に設けられた風力発電機、及び砂漠に設けられた太陽電池パネル等の近傍に水素製造装置を設置し、これらの発電施設から供給される電力を用いて水を電気分解することにより水素を製造し、製造した水素を消費地まで運搬して、そこで燃料電池や燃料電池車に供給する。このようなシステムを確立することにより、既存の電力系統が到達していない僻地に発電施設を建設し、再生可能エネルギーを有効に収集することができる。また、電力を一旦水素に変換することにより、貯蔵が容易になり、発電時と消費時を一致させる必要がなくなる。 In recent years, attempts have been made to produce hydrogen using renewable energy. Renewable energy refers to energy that is permanently replenished by the natural world, such as wind power and solar power. Electricity supplied from power generation facilities that use renewable energy, such as wind power generators installed in mountainous areas and hydrogen production equipment installed near solar cell panels installed in the desert. Hydrogen is produced by electrolyzing water using electricity, and the produced hydrogen is transported to a consumption area where it is supplied to a fuel cell or a fuel cell vehicle. By establishing such a system, it is possible to construct a power generation facility in a remote area where the existing power system has not reached, and to effectively collect renewable energy. Further, once the electric power is converted into hydrogen, the storage becomes easy, and it is not necessary to match the time of power generation and the time of consumption.
しかしながら、再生可能エネルギーを利用した発電施設の多くは、出力電力が不安定である。例えば、風力発電機の出力電力は風に依存し、太陽電池パネルの出力電力は日照に依存する。出力電力が不安定であると、水素製造システムがうまく稼働せず、より純度が高い水素ガスを安定して製造することが困難になる場合がある。 However, the output power of many power generation facilities that use renewable energy is unstable. For example, the output power of a wind power generator depends on the wind, and the output power of a solar cell panel depends on the sunshine. If the output power is unstable, the hydrogen production system may not operate well, and it may be difficult to stably produce hydrogen gas having a higher purity.
実施形態の目的は、供給される電力が不安定であっても、より純度が高い水素ガスを安定して製造できる水素製造システムを提供することである。 An object of the embodiment is to provide a hydrogen production system capable of stably producing hydrogen gas having higher purity even if the supplied electric power is unstable.
実施形態に係る水素製造システムは、再生可能エネルギーを利用した発電施設によって生成された第1電力が供給され、直流の第2電力を出力する整流装置と、前記第2電力が供給されてアルカリ性水溶液を電気分解する複数のセルを有する電解槽と、前記複数のセルの陰極側に接続されたバッファタンクと、吸気口が前記バッファタンクに接続され、気体を圧縮するコンプレッサと、前記複数のセルのそれぞれに前記第2電力を供給するか否かを選択すると共に、前記コンプレッサの処理能力を制御する制御装置と、前記複数のセルの陰極側に接続され、前記気体と前記アルカリ性水溶液とを分離する陰極ガス気液分離室と、前記陰極ガス気液分離室と前記バッファタンクとの間に接続され、前記陰極ガス気液分離室から排出された前記気体からアルカリ成分を除去する洗浄塔と、を備える。前記バッファタンクの容量は、1つの前記セルが前記コンプレッサの処理能力の切替時間に生成する水素ガスの生成量以上である。前記制御装置が前記第2電力が供給される前記セルの数を増加させたときは、前記コンプレッサが前記バッファタンク内の水素ガスを消費し、前記制御装置が前記第2電力が供給される前記セルの数を減少させたときは、前記バッファタンクが水素ガスを蓄積することにより、前記コンプレッサの吸気口における水素ガスの圧力を一定範囲内に保つ。 In the hydrogen production system according to the embodiment, a rectifying device to which a first electric power generated by a power generation facility using renewable energy is supplied and a second electric power of DC is output, and an alkaline aqueous solution to which the second electric power is supplied are supplied. An electrolytic tank having a plurality of cells for electrolyzing a gas, a buffer tank connected to the cathode side of the plurality of cells, a compressor in which an intake port is connected to the buffer tank to compress a gas, and the plurality of cells. A control device for controlling the processing capacity of the compressor and a control device connected to the cathode side of the plurality of cells are connected to each of them to select whether or not to supply the second electric power, and separate the gas from the alkaline aqueous solution. A cleaning tower connected between the cathode gas gas-liquid separation chamber and the cathode gas gas-liquid separation chamber and the buffer tank to remove an alkaline component from the gas discharged from the cathode gas gas-liquid separation chamber. Be prepared. The capacity of the buffer tank is equal to or greater than the amount of hydrogen gas produced by one cell during the switching time of the processing capacity of the compressor. When the control device increases the number of the cells to which the second power is supplied, the compressor consumes the hydrogen gas in the buffer tank, and the control device is supplied with the second power. When the number of cells is reduced, the buffer tank accumulates hydrogen gas to keep the pressure of the hydrogen gas at the intake port of the compressor within a certain range .
(第1の実施形態)
先ず、第1の実施形態について説明する。
本実施形態に係る水素製造システムは、アルカリ電解方式により水を電気分解することにより、水素ガスを製造するシステムである。
(First Embodiment)
First, the first embodiment will be described.
The hydrogen production system according to the present embodiment is a system for producing hydrogen gas by electrolyzing water by an alkaline electrolysis method.
図1は、本実施形態に係る水素製造システムを示すブロック図である。
図2は、本実施形態の整流装置を示すブロック図である。
図3は、本実施形態のアルカリ水電解装置を示すブロック図である。
図4は、本実施形態のセルを示す断面図である。
図5は、本実施形態に係る水素製造システムを示す図である。
図6は、本実施形態に係る水素製造システムを示す斜視図である。
なお、図3においては、図示の便宜上、電流及び信号の流れは二点鎖線で示し、気体の流れは一点鎖線で示し、液体の流れは実線で示している。図5には、セルの選択動作に直接関係する構成要素のみを示している。図6には、比較的大型の構成要素のみを示しており、小型の構成要素及び配管は、図示を省略している。
FIG. 1 is a block diagram showing a hydrogen production system according to the present embodiment.
FIG. 2 is a block diagram showing a rectifier according to this embodiment.
FIG. 3 is a block diagram showing the alkaline water electrolyzer of the present embodiment.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a cell of the present embodiment.
FIG. 5 is a diagram showing a hydrogen production system according to the present embodiment.
FIG. 6 is a perspective view showing a hydrogen production system according to the present embodiment.
In FIG. 3, for convenience of illustration, the current and signal flows are indicated by a two-dot chain line, the gas flow is indicated by a one-dot chain line, and the liquid flow is indicated by a solid line. FIG. 5 shows only the components directly related to the cell selection operation. FIG. 6 shows only relatively large components, and small components and pipes are not shown.
図1に示すように、本実施形態に係る水素製造システム1は、発電施設100の近くに設置されている。発電施設100は再生可能エネルギーを利用した発電施設であり、例えば、風力発電施設又は太陽光発電施設である。発電施設100は僻地に設置されており、従って、水素製造システム1も僻地に設置されている。なお、本明細書において「僻地」とは、既存の電力系統に接続されていない土地をいう。僻地は、例えば、山間部及び離島等の都会から遠く離れた土地である。発電施設100は、交流電力P1を不安定に出力する。
As shown in FIG. 1, the
水素製造システム1においては、整流装置11、アルカリ水電解装置12、水素タンク13及び制御装置14が設けられている。
整流装置11は、発電施設100から交流電力P1が供給されて、直流電力P2及び交流電力P3を出力する。
In the
The
アルカリ水電解装置12は、整流装置11から直流電力P2及び交流電力P3が供給され、外部から水が供給されて、水素を製造する。水素と共に生成される酸素は外部に排気する。アルカリ水電解装置12に供給される水は、例えば、上水道が施設されている場合には上水道水、上水道が施設されていない場合には地下水又は外部から搬入された水である。以下、これらの上水道水、地下水、外部から搬入された水等を総称して「一般水」という。
In the
水素タンク13は、アルカリ水電解装置12により製造された水素を貯蔵する。
制御装置14は、整流装置11及びアルカリ水電解装置12との間で信号をやりとりし、整流装置11及びアルカリ水電解装置12を制御する。制御装置14は、発電施設100との間で信号をやりとりしてもよく、発電施設100を制御してもよい。
The
The
図2に示すように、整流装置11においては、受電盤21、整流器22、変圧器23及び分電盤24が設けられている。受電盤21は、発電施設100(図1参照)から交流電力P1が供給され、これを分電して整流器22及び変圧器23に出力する。整流器22は、供給された交流電力を直流電力P2に変換して出力する。また、整流器22内には蓄電池25が設けられており、直流電力P2を蓄積することができる。蓄電池25は、例えば、東芝製リチウムイオン蓄電システムIPCS−LIB−S250により構成することができる。変圧器23は、受電盤21から供給された交流電力の電圧を調整し、分電盤24に出力する。分電盤24は、変圧器23から供給された交流電力を所定の規格電圧を持つ交流電力P3に変換して出力する。交流電力P3の電圧は、例えば、200Vである。
As shown in FIG. 2, the
図3に示すように、アルカリ水電解装置12においては、電解槽32、陰極ガス気液分離室33、陽極ガス気液分離室34、及び、電解液循環タンク35が設けられている。電解槽32の内部は、複数のセル70に区画されている。陰極ガス気液分離室33はセル70と同数設けられている。なお、図示の便宜上、図3においては、陰極ガス気液分離室33は1つしか描かれていない。
As shown in FIG. 3, the
電解槽32は、電解液であるアルカリ性水溶液S、例えば、濃度が25質量%の水酸化カリウム水溶液(KOH)を保持している。そして、整流装置11の整流器22から直流電力P2が供給されると、アルカリ性水溶液Sを電気分解し、水素ガス(H2)及び酸素ガス(O2)を生成する。
The
図4に示すように、電解槽32の各セル70は、隔膜71によって、陰極側空間74と陽極側空間75に区画されている。隔膜71は、水は通過させるが気体はあまり通過させない膜であり、例えば、PET(PolyEthylene Terephthalate)からなる高分子フィルムの両面に高分子不織布が貼り合わされた膜である。陰極側空間74内には陰極電極72が設けられており、陽極側空間75内には陽極電極73が設けられている。陰極電極72と陽極電極73は、隔膜71を挟んで対向している。各セル70は密閉されており、陰極側空間74の天井部分には、水素管51の一端が接続されており、陽極側空間75の天井部分には、酸素管52の一端が接続されている。
As shown in FIG. 4, each
図3に示すように、陰極ガス気液分離室33には、水素管51の他端が接続されている。これにより、陰極ガス気液分離室33には、電解槽32の各セル70から水素管51を介して水素ガス及びアルカリ性水溶液Sが混合した状態で流入する。水素ガスとアルカリ性水溶液Sは、陰極ガス気液分離室33内で分離される。すなわち、アルカリ性水溶液Sは陰極ガス気液分離室33の下部に落ち、水素ガスは陰極ガス気液分離室33の上部に集まる。
As shown in FIG. 3, the other end of the
陽極ガス気液分離室34には、酸素管52の他端が接続されている。これにより、陽極ガス気液分離室34には、電解槽32の各セル70から酸素管52を介して酸素ガス及びアルカリ性水溶液Sが混合した状態で流入する。酸素ガスとアルカリ性水溶液Sは、陽極ガス気液分離室34内で分離される。すなわち、アルカリ性水溶液Sは陽極ガス気液分離室34の下部に落ち、酸素ガスは陽極ガス気液分離室34の上部に集まる。
The other end of the
陰極ガス気液分離室33の下部、例えば底面には、電解液管53の一端が接続されている。電解液管53の他端は、電解液循環タンク35に接続されている。一方、陽極ガス気液分離室34の下部、例えば底面には、電解液管54の一端が接続されている。電解液管54の他端は、電解液循環タンク35に接続されている。これにより、電解液循環タンク35には、陰極ガス気液分離室33及び陽極ガス気液分離室34からアルカリ性水溶液Sが流入する。
One end of the
電解液循環タンク35はアルカリ性水溶液Sを保持している。電解液循環タンク35には水位計(図示せず)が取り付けられている。電解液循環タンク35の下部と電解槽32の下部との間には、電解液管55が接続されている。電解液管55には、ポンプ36が介在している。そして、ポンプ36が作動することにより、電解液循環タンク35から電解液管55を介して電解槽32にアルカリ性水溶液Sが供給される。すなわち、ポンプ36が作動することにより、(電解槽32→陰極ガス気液分離室33又は陽極ガス気液分離室34→電解液循環タンク35→電解槽32)の経路で、アルカリ性水溶液Sが循環する。
The electrolytic
アルカリ水電解装置12には、エアポンプ37が設けられている。エアポンプ37の吸入口は大気に開放されており、エアポンプ37の排気口は空気管56を介して電解液循環タンク35に接続されている。また、電解液循環タンク35の上部、例えば天井部分には、空気管57の一端が接続されている。空気管57の他端は外部に配置されている。これにより、エアポンプ37が作動すると、電解液循環タンク35内の空気が排出され、新しい空気と入れ替わる。
The
アルカリ水電解装置12においては、外部から一般水が供給され、この一般水から純水Wを製造する純水製造装置38が設けられている。純水製造装置38と電解液循環タンク35との間には、純水管58が接続されている。これにより、純水製造装置38から純水管58を介して、電解液循環タンク35に純水Wが供給される。純水Wの電気伝導度は、例えば、10μS/cm(マイクロジーメンス毎センチメートル)以下である。
In the
アルカリ水電解装置12には、洗浄塔41、ポンプ42及び洗浄液タンク43が設けられている。洗浄塔41及びポンプ42は、それぞれ、電解槽32のセル70と同数設けられている。なお、図示の便宜上、図3においては、洗浄塔41及びポンプ42はそれぞれ1つしか描かれていない。
The
陰極ガス気液分離室33の上部、例えば天井部分と洗浄塔41との間には、水素管61が接続されている。洗浄塔41は、陰極ガス気液分離室33によって分離され、水素管61によって供給された水素ガスに対して、洗浄液Cをシャワーにより吹きかけて、アルカリ成分を除去する。洗浄液Cは、例えば純水である。
A
また、洗浄塔41の下部、例えば床面と、上部、例えば天井部分との間には、洗浄液管62が接続されている。洗浄液管62の途中には、ポンプ42が介在している。洗浄塔41及びポンプ42は、洗浄液管62によって閉じたループ経路を構成している。ポンプ42は、洗浄塔41の下部から洗浄液Cを汲み上げ、洗浄塔41の上部の気相部分に対して噴射する。これにより、ポンプ42は、洗浄塔41内に保持された洗浄液Cを循環させる。洗浄液タンク43は、洗浄液Cを保持し、必要に応じて洗浄液Cを洗浄塔41に供給する。洗浄塔41と洗浄液タンク43との間には、洗浄液管63が接続されている。
Further, a cleaning
アルカリ水電解装置12には、バッファタンク44が設けられている。バッファタンク44は、製造された水素ガスを一時的に貯蔵する容器であり、入口44i及び出口44oが設けられている。バッファタンク44における入口44iから出口44oに向かう方向に対して直交する断面の面積は、水素管64の流通方向に直交する断面の面積の合計よりも大きい。
The
バッファタンク44の容量は、1つのセル70が後述するコンプレッサ45の処理能力の切替時間(分)に生成する水素ガスの生成量(Nm3)以上であることが好ましい。バッファタンク44の容量を、切替時間中に1つのセル70が生成する水素ガスの生成量以上とすることにより、後述するように、スタック数Nを1だけ変化させて、1つのセル70の稼働を開始又は停止させたときに、この1つのセル70による水素ガスの供給量の変動分をバッファ44により吸収することができる。また、必要な数だけのセル70、又は、全てのセル70の稼動を同時に開始又は停止させる場合には、バッファタンク44の容量は、各々の場合において、それらに応じた分の容量とすればよい。
The capacity of the
バッファタンク44の入口44iは、複数の洗浄塔41の全てに接続されている。洗浄塔41の上部、例えば天井部分とバッファタンク44の入口44iとは、水素管64により接続されている。水素管64には、電磁バルブ65が介在している。電磁バルブ65の開閉は、制御装置14(図1参照)によって制御される。
The
図3及び図5に示すように、アルカリ水電解装置12には、コンプレッサ45、チラー46及びドライヤ47が設けられている。バッファタンク44の出口44oとコンプレッサ45の吸気口とは、水素管66により接続されている。コンプレッサ45は、洗浄塔41から排出され、バッファタンク44を介して供給された水素ガスを圧縮する。コンプレッサ45には、例えば、モータ45m及びインバータ回路45iが設けられており、制御装置14からの指令によって処理能力を変化させることができる。
As shown in FIGS. 3 and 5, the
チラー46はコンプレッサ45を冷却する。コンプレッサ45の排気口とドライヤ47の吸気口との間には、水素管67が接続されている。ドライヤ47は、コンプレッサ45により圧縮され水素管67を介して供給された水素ガスを精製する。ドライヤ47内には、水素ガス中の不純物、例えば、水分を化学吸着させて取り除くフィルタ(図示せず)が設けられている。ドライヤ47の排気口は、水素管68を介してアルカリ水電解装置12の外部に引き出され、水素タンク13(図1参照)に接続されている。
The
一方、陽極ガス気液分離室33の上部、例えば天井部分には、酸素管69の一端が接続されている。酸素管69の他端は、アルカリ水電解装置12の外部において開口しており、排気口となっている。
On the other hand, one end of the
図5に示すように、アルカリ水電解装置12には、整流装置11から供給された直流電力P2を電解槽32の各セル70に供給するスイッチ回路48が設けられている。スイッチ回路48においては、セル70と同数のスイッチ49と、スイッチ49の開閉を制御するスタック制御部50が設けられている。スタック制御部50は、制御装置14から入力される命令によって動作する。スイッチ回路48は、例えば、東芝製直流高速度真空遮断装置HS−1R50によって構成することができる。
As shown in FIG. 5, the
電解槽32の複数のセル70は、整流装置11の整流器22に対して、直列に接続され得る。すなわち、一列に配列された複数のセル70のうち、片方の端に配置されたセル70の陽極電極73は整流器22の正極に接続されており、それ以外のセル70の陽極電極73は、隣のセル70の陰極電極72に接続されている。隣り合うセル70間のノードは、スイッチ49の一端に接続されている。また、一列に配列された複数のセル70のうち、他方の端に配置されたセル70の陰極電極72も、スイッチ49の一端に接続されている。全てのスイッチ49の他端は、整流器22の負極に接続されている。
The plurality of
次に、本実施形態に係る水素製造システムの動作、すなわち、本実施形態に係る水素製造方法について説明する。
図7(a)〜(c)は、横軸に時間をとり、縦軸に電力をとって、各電力の時間変動を示すグラフ図である。
Next, the operation of the hydrogen production system according to the present embodiment, that is, the hydrogen production method according to the present embodiment will be described.
7 (a) to 7 (c) are graphs showing time fluctuations of each electric power, with time on the horizontal axis and electric power on the vertical axis.
図1及び図7(a)に示すように、発電施設100は交流電力P1を発電する。交流電力P1は、水素製造システム1の整流装置11に供給される。交流電力P1の出力は不安定であり、短周期の変動と長周期の変動を含んでいる。例えば、短周期の変動とは周期が1分間未満の変動であり、長周期の変動とは周期が1分間以上の変動である。発電施設100が風力発電施設である場合は、短周期の変動は刻々と変化する風向き及び風速による変動であり、長周期の変動は天候の変化、季節の変化等による変動である。また、発電施設100が太陽光発電施設である場合は、短周期の変動は雲の具合で変化する日照量による変動であり、長周期の変動は昼間と夜間の変化、天候の変化、季節の変化等による変動である。
As shown in FIGS. 1 and 7 (a), the
図3に示すように、アルカリ水電解装置12の初期状態においては、電解液循環タンク35内及び電解槽32内にアルカリ性水溶液Sが保持されている。アルカリ性水溶液Sは例えば濃度が25質量%の水酸化カリウム水溶液である。また、純水製造装置38には、水素製造システム1の外部から一般水、例えば、地下水が供給される。更に、洗浄塔41内及び洗浄液タンク43内には、洗浄液Cが保持されている。
As shown in FIG. 3, in the initial state of the
この状態で、図1及び図2に示すように、制御装置14が整流装置11を作動させる。これにより、整流装置11に供給された交流電力P1は、受電盤21によって整流器22と変圧器23に分配される。図7(a)に示すように、整流器22に供給された交流電力は、蓄電池25を介することにより、短周期の変動が吸収される。これにより、図7(b)に示すように、整流器22によって、短周期の変動が抑制された直流電力P2が生成される。直流電力P2は、交流電力P1に含まれていた長周期の変動は含んでいる。一方、変圧器23に入力された交流電力は、変圧器23によって電圧が調整され、分電盤24に向けて出力される。分電盤24に入力された交流電力は、所定の規格電圧を持つ交流電力P3に変換される。このようにして、整流装置11は、アルカリ水電解装置12に対して、直流電力P2及び交流電力P3を出力する。
In this state, as shown in FIGS. 1 and 2, the
図3に示すように、制御装置14(図1参照)は、交流電力P3により、アルカリ水電解装置12の補器類、すなわち、ポンプ36、ポンプ42、コンプレッサ45及びチラー46を作動させる。ポンプ36が作動することにより、電解液循環タンク35内に保持されているアルカリ性水溶液Sが電解液管55を介して電解槽32内に供給される。ポンプ42が作動することにより、洗浄液Cが洗浄塔41とポンプ42との間で循環し、洗浄塔41の上部内において、洗浄液Cが気相中に噴射される。コンプレッサ45が作動することにより、コンプレッサ45の吸気口に流入した気体を圧縮して排気口から排出する。チラー46が作動することにより、コンプレッサ45を冷却する。
As shown in FIG. 3, the control device 14 (see FIG. 1) operates the auxiliary equipment of the
図5に示すように、制御装置14は、スイッチ回路48のスタック制御部50に指令を出して、いずれか1つのスイッチ49を閉じ、他のスイッチ49を開く。これにより、電解槽32における1つ以上のセル70が整流器22に直列に接続される。この結果、これらのセル70には、直流電力P2が供給される。また、制御装置14は、複数の電磁バルブ65のうち、直流電力P2が供給されるセル70に接続された電磁バルブ65を開き、他の電磁バルブ65を閉じる。
As shown in FIG. 5, the
図4に示すように、電解槽32に直流電力P2が供給されることにより、電解槽32の陰極電極72と陽極電極73との間に電流が流れ、アルカリ性水溶液S中の水分が電気分解される。これにより、陰極電極72側に水素ガスが発生すると共に、陽極電極73側に酸素ガスが発生する。この結果、電解槽32内のアルカリ性水溶液S中の水分が消費され、セル70における陰極側空間74の上部に水素ガスが溜まり、陽極側空間75の上部に酸素ガスが溜まる。なお、このとき、陰極側空間74内で発生した水素ガスの一部は、隔壁71を介して陽極側空間75内に移動し、陽極側空間75内で発生した酸素ガスの一部は、隔壁71を介して陰極側空間74内に移動する。これらの移動量は主として隔壁71の性質によって決定される。
As shown in FIG. 4, when the DC power P2 is supplied to the
そして、図3に示すように、電解槽32の各セル70における陰極側空間74(図4参照)の上部から、水素ガス及びアルカリ性水溶液Sが押し出され、水素管51を介して陰極ガス気液分離室33内に流入し、水素ガスとアルカリ性水溶液Sとに分離される。また、電解槽32の各セル70における陽極側空間75(図4参照)の上部から、酸素ガス及びアルカリ性水溶液Sが押し出され、酸素管52を介して陽極ガス気液分離室34内に流入し、酸素ガスとアルカリ性水溶液Sとに分離される。
Then, as shown in FIG. 3, hydrogen gas and the alkaline aqueous solution S are extruded from the upper part of the cathode side space 74 (see FIG. 4) in each
陰極ガス気液分離室33内に蓄積したアルカリ性水溶液Sは、電解液管53を介して電解液循環タンク35に戻る。また、陽極ガス気液分離室34内に蓄積したアルカリ性水溶液Sは、電解液管54を介して電解液循環タンク35に戻る。このようにして、ポンプ36が作動することにより、(電解液循環タンク35→電解槽32→陰極ガス気液分離室33→電解液循環タンク35)及び(電解液循環タンク35→電解槽32→陽極ガス気液分離室34→電解液循環タンク35)の経路で、アルカリ性水溶液Sが循環する。
The alkaline aqueous solution S accumulated in the cathode gas gas-
このとき、電気分解に伴ってアルカリ性水溶液S中の水分が減少し、電解液循環タンク35の水位が低下する。このため、電解液循環タンク35に取り付けられた水位計の出力に基づいて、純水製造装置38が作動し、一般水から純水Wを製造し、純水管58を介して電解液循環タンク35に補充する。この結果、アルカリ性水溶液Sの濃度は、常に一定範囲内に維持される。
At this time, the water content in the alkaline aqueous solution S decreases with the electrolysis, and the water level in the electrolytic
陽極ガス気液分離室34により分離された酸素ガスは、酸素管69を介して水素製造システム1の外部に排気される。また、陰極ガス気液分離室33により分離された水素ガスは、水素管61を介して洗浄塔41内に導入される。洗浄塔41内に導入された水素ガスは、洗浄液Cのシャワーを浴び、残留していたアルカリ成分が洗浄液C中に溶け込んで除去される。この結果、水素ガスのアルカリ成分が除去される。
The oxygen gas separated by the anodic gas gas-
洗浄塔41内でアルカリ成分が除去された水素ガスは、水素管64及び電磁バルブ65を介してバッファタンク44内に蓄積される。そして、バッファタンク44から水素管66を介してコンプレッサ45に送られ、コンプレッサ45によって例えば0.8MPa(メガパスカル)まで圧縮されて、水素管67を介してドライヤ47に送られる。ドライヤ47においては、水素ガスがフィルタを通過することにより水分等の不純物が除去される。そして、水素管68を介して水素タンク13(図1参照)に送られ、水素タンク13内に貯蔵される。このようにして、水素発生システム1は、外部から電力及び一般水が供給されることにより、水素ガスを製造することができる。水素タンク13に貯蔵された水素ガスは、時々、例えば水素ローリー車等に充填されて、消費地まで輸送される。
The hydrogen gas from which the alkaline component has been removed in the
次に、交流電力P1の長周期の変動に対する動作について説明する。
図7(a)に示すように、交流電力P1が長周期的に増加すると、直流電力P2も増加する。このとき、図5に示すように、制御装置14(図1参照)は整流器22からの信号により直流電力P2の増加を検知し、スタック制御部50に対して指令を出すことにより、閉じるスイッチ49を変更して、整流器22に直列に接続されるセル70の数(以下、「スタック数」ともいう)を増やす。一方、交流電力P1が長周期的に減少すると、直流電力P2も減少する。このときは、制御装置14はスタック制御部50に指令を出し、スタック数を減らす。このようにして、図7(c)に示すように、制御装置14は直流電力P2の長周期の変動に対応させてスタック数を変化させる。
Next, the operation for long-period fluctuations of the AC power P1 will be described.
As shown in FIG. 7A, when the AC power P1 increases periodically, the DC power P2 also increases. At this time, as shown in FIG. 5, the control device 14 (see FIG. 1) detects an increase in the DC power P2 from the signal from the
また、図5に示すように、制御装置14は、直流電力P2が供給されるセル70に接続された電磁バルブ65を開き、直流電力P2が供給されないセル70に接続された電磁バルブ65を閉じる。更に、制御装置14は、コンプレッサ45のインバータ回路45iに対して指令を出す。これにより、モータ45mの回転数を制御して、コンプレッサ45の処理能力を、電解槽32によって生成される水素ガスの総量に応じた能力に調整する。
Further, as shown in FIG. 5, the
電解槽32において水の電解に必要な電力をWとし、整流器22に直列に接続されたセル70の数(スタック数)をNとし、1つのセル70において消費するセル電圧をVとし、セル70に流れるセル電流をAとするとき、下記数式1が成立する。従って、セル70に流れるセル電流Aは、下記数式2によって与えられる。
Let W be the electric power required to electrolyze water in the
セル電圧Vはセル70内の電極特性によって決まる電圧であるため、略一定である。このため、仮にスタック数Nを一定とすると、直流電力P2の電力Wの変動に伴ってセル電流Aが変動してしまう。
Since the cell voltage V is a voltage determined by the electrode characteristics in the
セル電流Aが減少すると、セル70において発生する水素ガス及び酸素ガスの量もセル電流Aに比例して減少する。しかしながら、図4に示すように、セル70内において隔壁71を通過する水素ガス及び酸素ガスの量は、隔壁71の性質によって決まるため、水素ガスの発生量が減少しても、それほど減少しない。この結果、セル電流Aが減少して、水素ガスの発生量が減少すると、セル70から陰極ガス気液分離室33に流出する水素ガス中における酸素含有量が増加してしまう。これにより、最終的に製造される水素ガスの純度が低下してしまう。
When the cell current A decreases, the amounts of hydrogen gas and oxygen gas generated in the
そこで、本実施形態においては、電力Wの変動に合わせてスタック数Nを切り替える。これにより、上記数式2及び図7(c)に示すように、電力Wが変動しても、セル電流Aを略一定に保つことができる。
また、スタック数Nの変更に連動させて、電磁バルブ65を開閉することにより、駆動しているセル70によって製造された水素ガスが、バッファタンク44を介して、駆動していない洗浄塔41、陰極ガス気液分離室33及びセル70に逆流することを防止できる。
更に、スタック数Nの変更に連動させて、コンプレッサ45の処理能力を切り替えることにより、製造された水素ガスを効率的に圧縮することができる。
Therefore, in the present embodiment, the number of stacks N is switched according to the fluctuation of the electric power W. As a result, as shown in the
Further, by opening and closing the
Further, by switching the processing capacity of the
しかしながら、制御装置14がスタック数Nを切り替えると共にコンプレッサ45の処理能力を切り替えるタイミングと、コンプレッサ45の吸気口において水素ガスの供給量が変動するタイミングとの間には、時間差がある。具体的には、スタック数Nを増加させて、それまで使用していなかったセル70の陰極電極72と陽極電極73との間に電圧を印加しても、このセル70において水の電解反応が進行して水素ガスが生成され、この水素ガスが陰極ガス気液分離室33、洗浄塔41及びバッファタンク44を通過してコンプレッサ45の吸気口に達するまでには時間がかかる。また、スタック数Nを減少させて、それまで使用していたセル70に対する電圧の供給を停止しても、このセル70の陰極側空間74に蓄積されていた水素ガスが、陰極ガス気液分離室33、洗浄塔41及びバッファタンク44を通過してコンプレッサ45の吸気口に達し、コンプレッサ45に吸気され尽くすまでには時間がかかる。この時間差を「切替時間」という。
However, there is a time lag between the timing at which the
そこで、本実施形態においては、コンプレッサ45の吸気口側にバッファタンク44を設けている。これにより、上述の切替時間に起因した水素量の変動を吸収することができる。すなわち、スタック数Nを増加させたときは、コンプレッサ45はバッファタンク44内の水素ガスを消費し、スタック数Nを減少させたときは、セル70、陰極ガス気液分離室33及び洗浄塔41に蓄積されていた水素ガスがバッファタンク44内に蓄積される。これにより、コンプレッサ45の吸気口における水素ガスの圧力を一定範囲内に保つことができる。
Therefore, in the present embodiment, the
なお、仮にバッファタンク44が設けられていないと、スタック数Nを増加させてコンプレッサ45の処理能力を増加させたときに、一時的にコンプレッサ45の吸気口において水素ガスが不足し、圧力が低下する。この結果、セル70の陰極側空間74の圧力が低下する。一方、陽極側空間75の圧力は変わらないため、通常運転時と比較して、陰極側空間74に対する陽極側空間75の圧力が高くなり、隔壁71を介して陽極側空間75から陰極側空間74内に進入する酸素ガス量が増加する。これにより、水素ガスの純度が低下してしまう。また、スタック数Nを減少させてコンプレッサ45の処理能力を低下させたときは、一時的にコンプレッサ45の吸気口において水素ガスが過剰となり、圧力が増加する。この結果、コンプレッサ45に過剰な負荷を与えてしまう。
If the
上述の如く、バッファタンク44の容量は、上記切替時間において1つのセル70が生成する水素ガスの生成量以上とすることが好ましい。1つのセル70が切替時間中に生成する水素ガスの生成量以上とすることにより、スタック数Nを1だけ変化させて、1つのセル70の稼働を開始又は停止させたときに、この1つのセル70による水素ガスの供給量の変動分をバッファ44により吸収することができる。また、必要な数だけのセル70、又は、全てのセル70の稼動を同時に開始又は停止させる場合には、バッファタンク44の容量は、各々の場合において、それらに応じた分の容量とすればよい。
As described above, the capacity of the
次に、本実施形態の効果について説明する。
本実施形態に係る水素製造システム1においては、蓄電池25により、発電施設100によって発電された交流電力P1の短周期の変動を吸収することができる。また、制御装置14がスタック制御部50を介してスイッチ49を切り替えると共に、コンプレッサ45の処理能力を調整することにより、交流電力P1の長周期の変動を吸収することができる。更に、バッファタンク44により、コンプレッサ45の吸気口における一時的な水素ガス供給量の変動を吸収することができる。これにより、交流電力P1が短周期及び長周期で変動しても、所定値以上のセル電流Aを維持することができると共に、コンプレッサ45の吸気口における水素ガスの圧力を一定範囲内に保つことができる。この結果、コンプレッサ45に過剰な負荷をかけることなく、より純度が高い水素ガスを安定して製造し続けることができる。
Next, the effect of this embodiment will be described.
In the
これにより、再生可能エネルギーを利用した発電施設100から出力される交流電力P1を有効に利用して、水素ガスを製造することができる。製造された水素ガスは、貯蔵及び運搬されて、任意の時期及び場所において、例えば燃料電池により電力に再変換することができる。このように、本実施形態に係る水素製造システム1によれば、再生可能エネルギーを有効に利用することができ、社会全体の電力需要に占める再生可能エネルギーの割合を増加させることが可能となる。
As a result, hydrogen gas can be produced by effectively utilizing the AC power P1 output from the
また、本実施形態においては、制御装置14が電磁バルブ65を制御し、稼働しているセル70に接続された電磁バルブ65を開き、稼働していないセル70に接続された電磁バルブ65を閉じている。これにより、稼働しているセル70によって製造された水素ガスが、バッファタンク44を介して、稼働していないセル70に逆流することを防止できる。この結果、水素ガスを効率よく製造することができる。
Further, in the present embodiment, the
なお、本実施形態のように、セル70のスタック数Nを切り替えて対応するのではなく、単に蓄電池25を大型化することにより、交流電力P1の長周期の変動を吸収することも考えられる。しかしながら、この場合は、蓄電池25のコストが増加してしまい、現実的ではない。例えば、水素ガスの生成量が100Nm3/h程度のアルカリ水電解装置に対しては、出力が600kW程度の蓄電池が必要となる。
It is also conceivable to absorb the long-period fluctuation of the AC power P1 by simply increasing the size of the
また、蓄電池25を設けず、スタック数N及びコンプレッサ45の処理能力を頻繁に変更することにより、短周期の変動に対応することも考えられる。しかしながら、この場合は、大電流が流れるスイッチ49を頻繁に開閉することになり、スイッチ49が短期間で消耗してしまう。また、コンプレッサ45は機械的に動作する機器であるため、処理能力を短周期で切り替えることは困難である。
It is also conceivable that the
更に、バッファタンク44を設けず、コンプレッサ45の処理能力を精密に制御することにより、コンプレッサ45の吸気口における水素ガスの圧力を平滑化することも考えられる。しかしながら、この場合も、上述の如くコンプレッサ45を短周期で制御することが困難である。
Further, it is also conceivable to smooth the pressure of hydrogen gas at the intake port of the
更にまた、アルカリ電解方式ではなく、固体電解質膜方式によって水素ガスを製造することも考えられる。この場合は、隔壁71の替わりに、固体電解質膜を使用するため、陽極側空間75から陰極側空間74への酸素ガスの混入が少ない。しかしながら、固体電解質膜は例えば白金の粉末を含むため、高価である。また、アルカリ電解方式の場合、純水に要求される電気伝導度は10μS/cm以下であるが、固体電解質膜方式の場合、純水に要求される電気伝導度は5μS/cm以下である。すなわち、固体電解質膜方式は、アルカリ電解方式と比較して、要求される純水の純度が高い。これらの理由により、固体電解質膜方式は、アルカリ電解方式と比較してコストが高い。
Furthermore, it is also conceivable to produce hydrogen gas by the solid electrolyte membrane method instead of the alkaline electrolysis method. In this case, since the solid electrolyte membrane is used instead of the
(第2の実施形態)
次に、第2の実施形態について説明する。
図8は、本実施形態に係る水素製造システムを示す図である。
(Second Embodiment)
Next, the second embodiment will be described.
FIG. 8 is a diagram showing a hydrogen production system according to the present embodiment.
図8に示すように、本実施形態に係る水素製造システム2においては、バッファタンク44が複数のサブタンク44sに分けられている。各サブタンク44sは各セル70の陰極側空間74(図4参照)に接続されている。サブタンク44sにおける入口44iから出口44oに向かう方向に対して直交する断面の面積は、水素管64の流通方向に直交する断面の面積よりも大きい。また、各サブタンク44sの容量は、コンプレッサ45の処理能力の切替時間に、1つのセル70が生成する水素ガスの生成量以上であることが好ましい。
As shown in FIG. 8, in the
また、サブタンク44sとコンプレッサ45との間には、サブタンク44s毎に電磁バルブ77が設けられている。そして、制御装置14が、あるセル70に直流電力P2を供給するときは、このセル70に接続された電磁バルブ65及び77を開き、制御装置14が、あるセル70に対する直流電力P2の供給を停止するときは、このセル70に接続された電磁バルブ65及び77を閉じる。
Further, an
本実施形態においては、バッファタンク44が各セル70に接続された複数のサブタンク44sに区画されており、サブタンク44sとコンプレッサ45との間に電磁バルブ77が設けられていることにより、あるセル70において水の電解を停止したときに、このセル70に接続されたサブタンク44s内に、その時点までに製造された水素ガスを封入することができる。この結果、水素製造システム2全体を停止したときに、サブタンク44s内に大気が混入することを防止でき、水素製造システム2の再稼働後、短時間で水素ガスの収集を開始することができる。本実施形態における上記以外の構成、動作及び効果は、前述の第1の実施形態と同様である。
In the present embodiment, the
以上説明した実施形態によれば、供給される電力が不安定であっても、より純度が高い水素ガスを安定して製造できる水素製造システムを実現することができる。 According to the embodiment described above, it is possible to realize a hydrogen production system capable of stably producing hydrogen gas having higher purity even if the supplied electric power is unstable.
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明及びその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。 Although some embodiments of the present invention have been described above, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other embodiments, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the scope of the invention and its equivalents described in the claims. Moreover, each of the above-described embodiments can be implemented in combination with each other.
1、2:水素製造システム、11:整流装置、12:アルカリ水電解装置、13:水素タンク、14:制御装置、21:受電盤、22:整流器、23:変圧器、24:分電盤、25:蓄電池、32:電解槽、33:陰極ガス気液分離室、34:陽極ガス気液分離室、35:電解液循環タンク、36:ポンプ、37:エアポンプ、38:純水製造装置、
41:洗浄塔、42:ポンプ、43:洗浄液タンク、44:バッファタンク、44i:入口、44o:出口、44s:サブタンク、45:コンプレッサ、45i:インバータ回路、45m:モータ、46:チラー、47:ドライヤ、48:スイッチ回路、49:スイッチ、50:スタック制御部、51:水素管、52:酸素管、53:電解液管、54:電解液管、55:電解液管、56:空気管、57:空気管、58:純水管、61:水素管、62:洗浄液管、63:洗浄液管、64:水素管、65:電磁バルブ、66:水素管、67:水素管、68:水素管、69:酸素管、70:セル、71:隔膜、72:陰極電極、73:陽極電極、74:陰極側空間、75:陽極側空間、77:電磁バルブ、100:発電施設、C:洗浄液、P1:交流電力、P2:直流電力、P3:交流電力、S:アルカリ性水溶液
1, 2: Hydrogen production system, 11: Rectifier, 12: Alkaline water electrolyzer, 13: Hydrogen tank, 14: Control device, 21: Power receiving board, 22: Rectifier, 23: Transformer, 24: Distribution board, 25: Storage battery, 32: Electrolyzer, 33: Cathode gas gas-liquid separation chamber, 34: Anode gas gas-liquid separation chamber, 35: Electrolyte circulation tank, 36: Pump, 37: Air pump, 38: Pure water production equipment,
41: Cleaning tower, 42: Pump, 43: Cleaning liquid tank, 44: Valve tank, 44i: Inlet, 44o: Outlet, 44s: Sub tank, 45: Compressor, 45i: Inverter circuit, 45m: Motor, 46: Chiller, 47: Dryer, 48: Switch circuit, 49: Switch, 50: Stack control unit, 51: Hydrogen pipe, 52: Oxygen pipe, 53: Solenoid pipe, 54: Solenoid pipe, 55: Solenoid pipe, 56: Air pipe, 57: Air pipe, 58: Pure water pipe, 61: Hydrogen pipe, 62: Cleaning liquid pipe, 63: Cleaning liquid pipe, 64: Hydrogen pipe, 65: Solenoid valve, 66: Hydrogen pipe, 67: Hydrogen pipe, 68: Hydrogen pipe, 69: Oxygen tube, 70: Cell, 71: Diaphragm, 72: Cathode electrode, 73: Anode electrode, 74: Cathode side space, 75: Anode side space, 77: Solenoid valve, 100: Power generation facility, C: Cleaning liquid, P1 : AC power, P2: DC power, P3: AC power, S: Alkaline aqueous solution
Claims (6)
前記第2電力が供給されてアルカリ性水溶液を電気分解する複数のセルを有する電解槽と、
前記複数のセルの陰極側に接続されたバッファタンクと、
吸気口が前記バッファタンクに接続され、気体を圧縮するコンプレッサと、
前記複数のセルのそれぞれに前記第2電力を供給するか否かを選択すると共に、前記コンプレッサの処理能力を制御する制御装置と、
前記複数のセルの陰極側に接続され、前記気体と前記アルカリ性水溶液とを分離する陰極ガス気液分離室と、
前記陰極ガス気液分離室と前記バッファタンクとの間に接続され、前記陰極ガス気液分離室から排出された前記気体からアルカリ成分を除去する洗浄塔と、
を備え、
前記バッファタンクの容量は、1つの前記セルが前記コンプレッサの処理能力の切替時間に生成する水素ガスの生成量以上であり、
前記制御装置が前記第2電力が供給される前記セルの数を増加させたときは、前記コンプレッサが前記バッファタンク内の水素ガスを消費し、前記制御装置が前記第2電力が供給される前記セルの数を減少させたときは、前記バッファタンクが水素ガスを蓄積することにより、前記コンプレッサの吸気口における水素ガスの圧力を一定範囲内に保つ水素製造システム。 A rectifier that is supplied with the first power generated by a power generation facility that uses renewable energy and outputs a second DC power.
An electrolytic cell having a plurality of cells to which the second electric power is supplied to electrolyze an alkaline aqueous solution, and
A buffer tank connected to the cathode side of the plurality of cells and
A compressor whose intake port is connected to the buffer tank and compresses gas,
A control device that selects whether or not to supply the second electric power to each of the plurality of cells and controls the processing capacity of the compressor.
A cathode gas gas-liquid separation chamber which is connected to the cathode side of the plurality of cells and separates the gas and the alkaline aqueous solution.
A scrubber that is connected between the cathode gas gas-liquid separation chamber and the buffer tank and removes an alkaline component from the gas discharged from the cathode gas gas-liquid separation chamber.
With
The capacity of the buffer tank is equal to or greater than the amount of hydrogen gas produced by one cell during the switching time of the processing capacity of the compressor.
When the control device increases the number of the cells to which the second power is supplied, the compressor consumes the hydrogen gas in the buffer tank, and the control device is supplied with the second power. A hydrogen production system that keeps the pressure of hydrogen gas at the intake port of the compressor within a certain range by accumulating hydrogen gas in the buffer tank when the number of cells is reduced.
前記制御装置は、前記第2電力を供給する前記セルに接続された前記バルブを開き、前記第2電力を供給しない前記セルに接続された前記バルブを閉じる請求項1〜4のいずれか1つに記載の水素製造システム。 Further provided with a valve connected between each said cell and said buffer tank.
The control device is any one of claims 1 to 4 that opens the valve connected to the cell that supplies the second power and closes the valve connected to the cell that does not supply the second power. The hydrogen production system described in.
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