WO2024034317A1 - 水素製造装置用の制御装置、水素製造設備、水素製造装置の制御方法及び水素製造装置用の制御プログラム - Google Patents

水素製造装置用の制御装置、水素製造設備、水素製造装置の制御方法及び水素製造装置用の制御プログラム Download PDF

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WO2024034317A1
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hydrogen production
voltage
rectifier
electrolytic cell
current
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PCT/JP2023/025811
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啓城 原
俊純 吉本
光留 一ノ瀬
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三菱重工業株式会社
三菱パワー株式会社
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    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
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    • C25B15/02—Process control or regulation
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    • C25B9/60—Constructional parts of cells
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Definitions

  • the present disclosure relates to a control device for a hydrogen production device, hydrogen production equipment, a method of controlling the hydrogen production device, and a control program for the hydrogen production device.
  • a water electrolysis device is known as a device for producing hydrogen.
  • Patent Document 1 discloses a system for producing hydrogen by electrolyzing water with a water electrolysis device having an electrolytic cell including a solid electrolyte membrane.
  • the temperature of the water (electrolyte solution, etc.) in the electrolytic tank must be adjusted to a temperature suitable for hydrogen production. It is necessary to raise the temperature to a certain temperature. A certain amount of time is required to raise the temperature of the water in the electrolytic cell, and the temperature raising process is a rate-limiting factor in the operation preparation time (i.e., startup time) of the hydrogen production device.
  • startup time i.e., startup time
  • At least one embodiment of the present invention provides a control device for a hydrogen production device, hydrogen production equipment, a method for controlling a hydrogen production device, and a method for controlling a hydrogen production device that can shorten the start-up time of the hydrogen production device.
  • the purpose is to provide a control program.
  • a control device for a hydrogen production device includes: A control device for a hydrogen production device including an electrolytic cell for electrolyzing water and a rectifier for supplying DC power to the electrolytic cell, the control device comprising: a voltage control unit configured to adjust the output voltage of the rectifier so that the output voltage output from the rectifier to the electrolytic cell matches a set voltage; a voltage setting unit configured to set the set voltage to a first voltage higher than the rated voltage of the electrolytic cell during at least a part of the period during startup of the hydrogen production device; Equipped with.
  • the hydrogen production equipment includes: A hydrogen production device including an electrolytic cell for electrolyzing water and a rectifier for supplying DC power to the electrolytic cell;
  • the above-mentioned control device configured to control the hydrogen production device; Equipped with.
  • a method for controlling a hydrogen production device includes: A method for controlling a hydrogen production device including an electrolytic cell for electrolyzing water and a rectifier for supplying DC power to the electrolytic cell, the method comprising: adjusting the output voltage of the rectifier so that the output voltage output from the rectifier to the electrolytic cell approaches a set voltage; Setting the set voltage to a first voltage higher than the rated voltage of the electrolytic cell during at least a part of the period during startup of the hydrogen production device; Equipped with.
  • a control program for a hydrogen production device includes: A control program for a hydrogen production device including an electrolytic cell for electrolyzing water and a rectifier for supplying DC power to the electrolytic cell, the control program comprising: to the computer, A step of adjusting the output voltage of the rectifier so that the output voltage output from the rectifier to the electrolytic cell approaches a set voltage; a step of setting the set voltage to a first voltage higher than the rated voltage of the electrolytic cell during at least a part of the period during startup of the hydrogen production device; is configured to execute.
  • a control device for a hydrogen production device, hydrogen production equipment, a method for controlling a hydrogen production device, and a control program for a hydrogen production device are provided, which can shorten the startup time of the hydrogen production device.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a hydrogen production facility to which a control device according to an embodiment is applied.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a control device according to an embodiment. It is a flowchart of the control method of the hydrogen production device concerning one embodiment.
  • 1 is a graph showing an example of temporal changes in output voltage, current, electric power, and temperature of water in an electrolytic cell at the time of startup of a hydrogen production apparatus according to an embodiment. It is a flowchart of the control method of the hydrogen production device concerning one embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a hydrogen production facility to which a control device according to an embodiment is applied.
  • the hydrogen production facility 100 includes a hydrogen production device 10 and a control device 20 for controlling the operation of the hydrogen production device 10.
  • the hydrogen production facility 100 may include a storage section 4 for storing hydrogen produced by the hydrogen production device 10.
  • the hydrogen production device 10 is a water electrolysis device configured to generate hydrogen by electrolyzing water, and includes an electrolytic cell 2 for electrolyzing water and a rectifier for supplying DC power to the electrolytic cell 2. 8 and includes.
  • the type of water electrolysis device is not limited.
  • the water electrolysis device is, for example, an alkaline type water electrolysis device, a solid polymer membrane (Polymer Electrolyte Membrane: PEM) type water electrolysis device, an anion exchange membrane (Anion Exchange Membrane: AEM) type water electrolysis device, or a solid oxide type water electrolysis device. It may be a SOEC (Solid Oxide Electrolysis Cell) water electrolysis device.
  • the rectifier 8 is configured to supply DC power to the electrolytic cell 2.
  • Electric power typically AC power
  • the power source 90 may be an electric power system, or may be another power source (for example, a power generation device or a power storage device such as a battery).
  • the rectifier 8 converts the power from the power source 90 from AC power to DC power as necessary, and outputs the converted DC voltage to the electrolytic cell 2.
  • the DC voltage output from the rectifier 8 to the electrolytic cell 2 (voltage applied to the electrolytic cell 2) will also be referred to as output voltage.
  • Water is supplied to the electrolytic cell 2. As described above, DC power is supplied to the electrolytic cell 2 via the rectifier 8. By applying a DC voltage between a pair of electrodes provided in the electrolytic cell 2 via the rectifier 8, water in the electrolytic cell 2 is electrolyzed, hydrogen is generated on the cathode side, and oxygen is generated on the anode side.
  • Water in which an electrolyte is dissolved (electrolyte solution) is supplied into the electrolytic cell 2, and the water (water constituting the electrolyte solution) may be electrolyzed.
  • the electrolyte may be an alkaline substance such as potassium hydroxide (KOH).
  • the hydrogen gas generated on the cathode side of the electrolytic cell 2 is led to a gas-liquid separator and/or a dehumidifier to remove moisture, and then led to the storage section 4.
  • the oxygen gas generated on the anode side of the electrolytic cell 2 may be led to a gas-liquid separator and/or a dehumidifier to remove moisture, and then be supplied to oxygen consumption equipment, or It may also be designed to be released to the outside.
  • Gaseous hydrogen is stored in the storage section 4.
  • the hydrogen stored in the storage section 4 may be supplied to the hydrogen consumption equipment 6.
  • the storage section 4 may have characteristics suitable for supplying hydrogen to the hydrogen consumption equipment 6.
  • the storage section 4 may include, for example, a storage header (header tank).
  • the hydrogen consumption equipment 6 is, for example, hydrogen combustion equipment configured to burn hydrogen (e.g., gas turbine equipment or iron manufacturing equipment), hydrogen liquefaction equipment configured to liquefy hydrogen, or chemical reaction equipment configured to liquefy hydrogen. (e.g., power generation equipment including fuel cells such as SOFC (Solid Oxide Fuel Cell)), equipment that produces fuel using hydrogen as a raw material (e.g., fuel synthesis equipment, etc.), or equipment that supplies hydrogen to equipment. It may also include a hydrogen gas station configured as such.
  • hydrogen combustion equipment configured to burn hydrogen
  • hydrogen e.g., gas turbine equipment or iron manufacturing equipment
  • hydrogen liquefaction equipment configured to liquefy hydrogen
  • chemical reaction equipment configured to liquefy hydrogen.
  • equipment that produces fuel using hydrogen as a raw material e.g., fuel synthesis equipment, etc.
  • equipment that supplies hydrogen to equipment may also include a hydrogen gas station configured as such.
  • the hydrogen production facility 100 may include a temperature sensor 12 for measuring the temperature of water (electrolyte solution, etc.) in the electrolytic cell 2.
  • the temperature sensor 12 may be configured to measure the temperature of the water in the electrolytic cell 2 or in a line for conducting hydrogen or oxygen gas from the electrolytic cell 2 to the gas-liquid separator. Alternatively, it may be configured to measure the temperature of water in a line for returning water separated from hydrogen gas or oxygen gas in a gas-liquid separator to the electrolytic cell 2. Good too.
  • the hydrogen production facility 100 may include a current sensor 14 for measuring the direct current flowing through the circuit including the electrolytic cell 2 when water is electrolyzed in the electrolytic cell 2.
  • the circuit includes electric wires respectively connecting a pair of DC voltage output terminals of the rectifier 8 and a pair of electrodes of the electrolytic cell 2.
  • the current sensor 14 may be configured to measure the current flowing between either of the above-mentioned pair of output terminals of the rectifier 8 and either of the pair of electrodes of the electrolytic cell 2.
  • the hydrogen production equipment 100 may include a flow rate sensor 16 for measuring the hydrogen consumption flow rate in the hydrogen consumption equipment 6.
  • the flow rate sensor 16 may be provided in a line for guiding hydrogen from the storage section 4 to the hydrogen consumption equipment 6, as shown in FIG.
  • the temperature sensor 12, the current sensor 14, and/or the flow rate sensor 16 are electrically connected to the control device 20, and a signal indicating the measurement result by the temperature sensor 12, the current sensor 14, and/or the flow rate sensor 16 is sent to the control device 20. It may be as follows.
  • FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a control device according to an embodiment.
  • the control device 20 is configured to control the operation of the hydrogen production device 10 based on measurement results from the temperature sensor 12, the current sensor 14, and/or the flow rate sensor 16, and the like.
  • the control device 20 includes a voltage control section 24 and a voltage setting section 25. Further, the control device 20 may include a control mode selection section 22, a current control section 26, a current target value acquisition section 28, and a storage section 30.
  • the control mode selection section 22 is configured to select the control mode of the rectifier 8 from a voltage control mode in which the rectifier 8 is controlled by the voltage control section 24 and a current control mode in which the rectifier 8 is controlled by the current control section 26. Ru.
  • the voltage control unit 24 is configured to adjust the output voltage of the rectifier 8 so that the output voltage output from the rectifier 8 to the electrolytic cell 2 matches the set voltage.
  • the set voltage may be set by a voltage setting unit 25, which will be described later, or may be set manually by an operator.
  • the voltage setting unit 25 is configured to set the above-mentioned set voltage to the first voltage VA that is higher than the rated voltage of the electrolytic cell 2 during at least a part of the period when the hydrogen production apparatus 10 is activated.
  • the first voltage VA may be stored in advance in the storage section 30, which will be described later.
  • the period during which the hydrogen production device 10 is activated refers to a preparation period until the hydrogen production device 10 is shifted from a stopped state to a hydrogen production/supply operation state.
  • a DC voltage is applied from the rectifier 8 to the electrolytic cell 2 to start electrolysis of water in the electrolytic cell 2, and this causes current to flow through the circuit including the electrolytic cell 2, thereby causing electrolysis.
  • the temperature of the water in tank 2 is increased. Completion of startup of the hydrogen production device 10 can be determined, for example, by the fact that the temperature of the water in the electrolytic cell 2 has risen to a specified temperature.
  • the rated voltage of the electrolytic cell 2 is the voltage applied to the electrolytic cell 2 during rated load operation (operation at 100% load (hydrogen production amount is 100%)).
  • the rated voltage of the electrolytic cell 2 is determined as a specification according to the type of the electrolytic cell 2.
  • the current control unit 26 is configured to adjust the output current of the rectifier 8 based on the current flowing through the above-mentioned circuit including the electrolytic cell 2.
  • the current target value acquisition unit 28 acquires a current target value indicating the current of the circuit according to the target production amount of hydrogen in the electrolytic cell 2 (that is, in the hydrogen production device 10) mainly after the startup of the hydrogen production device 10 is completed. configured to do so.
  • the current target value acquisition unit 28 may acquire the hydrogen consumption flow rate in the hydrogen consumption equipment 6 to which hydrogen is supplied from the storage unit 4, and calculate the current target value based on the consumption flow rate. good.
  • the consumption flow rate of hydrogen in the hydrogen consumption equipment 6 the flow rate of hydrogen supplied from the storage unit 4 to the hydrogen consumption equipment 6 may be acquired.
  • the measured value of the hydrogen flow rate by the flow rate sensor 16 may be obtained as the consumed flow rate.
  • the hydrogen consumption flow rate may be calculated based on a fuel command value that is a command value of the fuel flow rate supplied to the hydrogen consumption equipment 6.
  • the current target value acquisition unit 28 may be configured to convert the fuel command value into the hydrogen flow rate using a function that indicates the correlation between the fuel command value and the hydrogen flow rate.
  • the storage unit 30 is configured to store preset numerical values and the like.
  • the numerical values stored in advance in the storage unit 30 are the above-mentioned first voltage V A , the power limit value in the circuit including the electrolytic cell 2, and/or the electrolytic cell 2 for determining the completion of startup of the hydrogen production device 10. It may also include the temperature of the water inside (specified temperature).
  • the control device 20 includes a computer equipped with a processor (CPU, etc.), a main storage device (memory device; RAM, etc.), an auxiliary storage device, an interface, and the like.
  • Control device 20 is adapted to receive signals from temperature sensor 12, current sensor 14 and/or flow sensor 16 via an interface.
  • the processor is configured to process the signals received in this manner.
  • the processor is also configured to process programs deployed in the main memory. Thereby, the functions of the control mode selection section 22, voltage control section 24, voltage setting section 25, current control section 26, and current target value acquisition section 28 described above are realized.
  • the storage unit 30 described above may include a main storage device or an auxiliary storage device of a computer that constitutes the control device 20.
  • the processing content of the control device 20 is implemented as a program executed by a processor.
  • the program may be stored in, for example, an auxiliary storage device. When programs are executed, these programs are expanded to the main memory.
  • a processor reads a program from a main memory and executes instructions included in the program.
  • FIG. 3 is a flowchart of a method for controlling the hydrogen production device 10 when starting up the hydrogen production device according to an embodiment.
  • the voltage control mode is selected as the control mode for the rectifier 8 by the control device 20 (S2 in FIG. 3), and at the time t1 (in FIG. In step 4), the set voltage of the rectifier 8 is set to a first voltage VA that is higher than the rated voltage V_rated of the electrolytic cell 2 (S4 in FIG. 3).
  • the output voltage V of the rectifier 8 is adjusted to match the first voltage VA .
  • the first voltage VA described above may be the maximum working voltage of the electrolytic cell 2.
  • the output voltage V output from the rectifier 8 to the electrolytic cell 2 (that is, the voltage applied to the electrolytic cell 2) is Since the first voltage V A is set to be higher than the rated voltage V_rated of the electrolytic cell 2, the output voltage V is set to a voltage equal to or lower than the rated voltage V_rated of the electrolytic cell 2. Due to the electrolysis of water in the electrolytic cell 2, the current flowing through the circuit including the electrolytic cell 2 increases. Therefore, the Joule heat generated in the water in the electrolytic cell 2 increases, and the rate of temperature rise of the water in the electrolytic cell 2 increases.
  • the temperature of the water in the electrolytic cell 2 rises, it becomes easier for current to flow through the water in the electrolytic cell 2 (that is, the electrical resistance of the water becomes smaller), so the temperature of the water in the electrolytic cell 2 increases. At the same time, the current flowing through the circuit including the electrolytic cell 2 increases, and the temperature of the water in the electrolytic cell 2 also becomes more likely to rise. In this way, the time required to raise the temperature of the water in the electrolytic cell 2 can be shortened. Thereby, the startup time of the hydrogen production device 10 can be shortened.
  • step S6 After setting the set voltage of the rectifier 8 to the first voltage V A in step S4 as described above, it is determined whether the temperature T of the water in the electrolytic cell 2 has reached the specified temperature T C (Fig. 3 In step S6), if the temperature T has not reached the specified temperature TC (No in S6), it is checked whether the power P is less than the limit value PB (S10 in FIG. 3).
  • the limit value PB may be a value determined according to the specifications of the electrolytic cell 2.
  • the control device 20 controls the hydrogen It is determined that the startup of the production apparatus 10 has been completed (S8 in FIG. 3), and the supply of hydrogen by the hydrogen production apparatus 10 is started.
  • the control mode of the rectifier 8 by the control device 20 is switched to the current control mode (S12 in FIG. 3), and the electric power P is kept below the limit value PB until the temperature T of the water in the electrolytic cell 2 reaches the specified temperature TC .
  • the output voltage V of the rectifier 8 is adjusted so that the current I increases within a range that does not exceed the current I (S14 to S18 in FIG. 3, and times t2 to t3 in FIG. 4).
  • the control device 20 determines that the startup of the hydrogen production device 10 is completed (S8 in FIG. 3), and the hydrogen production device 10 starts supplying hydrogen.
  • step S18 the process moves to step S18.
  • the process since the temperature of the water in the electrolytic cell 2 tends to rise, the electrical resistance of the water in the electrolytic cell 2 decreases, the voltage V decreases by that amount, and the electric power P also decreases. Therefore, the current is increased within a range in which the power P does not exceed the limit value P B (Yes in S18 and S20). If the power P exceeds the limit value P B (No in S20), the process returns to step S14 and the current I is held.
  • steps S14 to S18 are repeatedly performed from time t2 when the electric power P reaches the limit value P B to time t3 when the temperature T of the water in the electrolytic cell 2 reaches the specified temperature T C. It is being said.
  • the electric power P is kept at the limit value P B until the temperature T of the water in the electrolyzer 2 reaches the specified temperature T B
  • the output voltage V is adjusted so that it is maintained at .
  • the control mode of the rectifier 8 switches to the current control mode (time t2 in FIG. 4)
  • the temperature of the water in the electrolytic cell 2 tends to rise, so the current I also tends to rise. Therefore, by adjusting the output voltage V so that the power P is maintained at the limit value PB from this point (time t2), it is possible to increase the current I within a range where the power P does not exceed the limit value PB . can.
  • the output voltage V of the rectifier 8 is made larger than the rated voltage V_rated of the electrolytic cell 2 during startup of the hydrogen production apparatus 10, thereby reducing the current flowing through the circuit including the electrolytic cell 2.
  • the control of the rectifier 8 is switched to current control mode, and the current I is increased within the range where the power P in the circuit does not exceed the limit value PB . increase.
  • FIG. 5 is a flowchart of a method for controlling the hydrogen production device 10 after startup of the hydrogen production device 10 according to an embodiment is completed.
  • the control device 20 controls the activation of the hydrogen production device 10. It is determined that the process has been completed (S8 described above). In one embodiment, when startup of the hydrogen production device 10 is completed (time t3 in FIG. 4), the current control mode is selected as the control mode of the rectifier 8 by the control device 20, and the current I flowing through the circuit including the electrolytic cell 2 is The output voltage V of the rectifier 8 is adjusted so as to approach the current target value (S22 in FIG. 5).
  • the current target value is a current target value according to the target production amount of hydrogen in the hydrogen production apparatus 10, and is acquired, for example, by the above-mentioned current target value acquisition unit 28. Thereby, the hydrogen production apparatus 10 can produce and supply hydrogen in the target production amount.
  • step S22 the output voltage V of the rectifier 8 may be adjusted by feedback control based on the deviation between the above-mentioned current target value and the actual value of the current I (measured value by the current sensor 14).
  • the rectifier 8 is controlled based on the current target value in this way.
  • the operation is at the rated load (100% hydrogen generation amount), and after this time t4, the output voltage V, current I, and temperature T of the water in the electrolyzer 2 are almost constant. It becomes.
  • the voltage applied to the electrolytic cell 2 during rated load operation that is, the output voltage of the rectifier 8) is the rated voltage V_rated, and the electric power P during the rated load operation is P_rated.
  • the current I is reduced within a range in which the electric power P in the circuit including the electrolyzer 2 does not exceed the limit value PB .
  • the output voltage V of the rectifier 8 may be adjusted so that the current value approaches the current target value (S23 to S24 in FIG. 5).
  • step S22 when the hydrogen production apparatus 10 is operated by control based on the current target value (step S22 described above), it is checked whether the electric power P is less than the limit value P B ( S23). As long as the electric power P has not reached the limit value PB (Yes in step S23), the control in step S22 is continued. On the other hand, when the power P reaches the limit value PB (No in step S23), the current I is maintained until the power P becomes less than the limit value PB (S24). This prevents the power P from exceeding the limit value PB .
  • the current I flowing through the circuit including the electrolytic cell 2 is controlled within a range where the electric power P in the circuit does not exceed the limit value P. While protecting the electrolytic cell 2 by preventing overpower or overcurrent, a target production amount of hydrogen can be produced and supplied.
  • a control device (20) for a hydrogen production device (10) includes: A control device for a hydrogen production device including an electrolytic cell (2) for electrolyzing water, and a rectifier (8) for supplying DC power to the electrolytic cell, the control device comprising: a voltage control unit (24) configured to adjust the output voltage of the rectifier so that the output voltage (V) output from the rectifier to the electrolyzer matches a set voltage; a voltage setting unit (25) configured to set the set voltage to a first voltage (V A ) higher than the rated voltage of the electrolytic cell during at least a part of the period during startup of the hydrogen production apparatus; , Equipped with.
  • the output voltage output from the rectifier to the electrolytic cell (i.e., the voltage applied to the electrolytic cell) is lower than the rated voltage of the electrolytic cell during at least a part of the period during startup of the hydrogen production device. Since the first voltage is set to a large value, the current flowing through the circuit including the electrolytic cell can be increased by electrolysis of the water in the electrolytic cell, and the rate of temperature rise of the water in the electrolytic cell can be increased. Therefore, according to the configuration (1) above, it is possible to shorten the time required to raise the temperature of the water in the electrolytic cell during startup of the hydrogen production device, thereby shortening the startup time of the hydrogen production device. Can be done.
  • the first voltage is the maximum working voltage of the electrolytic cell.
  • the output voltage of the rectifier is set to the maximum working voltage of the electrolyzer during at least a part of the period during startup of the hydrogen production equipment, so that the electrolysis of the water in the electrolyzer causes
  • the rate of temperature rise of water in the electrolytic cell can be increased by increasing the current flowing through the circuit including the electrolytic cell. Therefore, according to the configuration (2) above, it is possible to further shorten the time required to raise the temperature of the water in the electrolytic cell during startup of the hydrogen production device, thereby further shortening the startup time of the hydrogen production device. can do.
  • a current control unit (26) configured to adjust the output voltage of the rectifier based on the current (I) flowing in a circuit including the electrolytic cell;
  • a control mode selection unit (22) configured to select a control mode of the rectifier from a voltage control mode in which the voltage control unit controls the rectifier, and a current control mode in which the current control unit controls the rectifier.
  • the control mode selection unit controls the rectifier when power (P) in the circuit reaches a limit value (P B ) during startup of the hydrogen production apparatus and control of the rectifier in the voltage control mode.
  • the current control unit is configured to adjust the output voltage of the rectifier so that the current increases within a range in which the electric power does not exceed the limit value during startup of the hydrogen production apparatus.
  • the configuration (3) above during startup of the hydrogen production device, by making the output voltage of the rectifier larger than the rated voltage of the electrolytic cell as in (1) above, the current flowing through the circuit including the electrolytic cell is increased. increases and the power in the circuit reaches a limit value, the control of the rectifier is switched to current control mode and the current is increased within a range where the power in the circuit does not exceed the limit value.
  • a current control unit (26) configured to adjust the output voltage of the rectifier based on the current flowing in a circuit including the electrolytic cell;
  • a control mode selection unit (22) configured to select a control mode of the rectifier from a voltage control mode in which the voltage control unit controls the rectifier, and a current control mode in which the current control unit controls the rectifier.
  • a current target value acquisition unit (28) configured to acquire a current target value indicating a current in the circuit according to a target production amount of hydrogen in the electrolytic cell; Equipped with The control mode selection unit selects the current control mode as a control mode of the rectifier when startup of the hydrogen production device is completed; The current control unit is configured to adjust the output voltage of the rectifier so that the current flowing through the circuit approaches the current target value after completion of startup of the hydrogen production device.
  • the control mode of the rectifier is set to the current control mode, so that the current in the circuit including the electrolyzer approaches the current target value according to the target production amount of hydrogen. Adjust the output voltage of the rectifier to . This makes it possible to start producing and supplying the target production amount of hydrogen in a short time after starting up the hydrogen production device.
  • the control mode selection unit is configured to determine that startup of the hydrogen production device is completed when the temperature of water in the electrolytic cell reaches a specified temperature (T C ) during startup of the hydrogen production device. Ru.
  • the current control unit is configured to adjust the output voltage of the rectifier so that the current approaches the current target value within a range where the electric power in the circuit does not exceed a limit value after completion of startup of the hydrogen production apparatus. configured.
  • the current flowing through the circuit including the electrolytic cell is controlled within the range where the electric power in the circuit does not exceed the limit value.
  • the target production amount of hydrogen can be produced and supplied while protecting the electrolyzer by preventing overpower or overcurrent in the circuit.
  • the hydrogen production equipment (100) includes: A hydrogen production device (10) including an electrolytic cell (2) for electrolyzing water, and a rectifier (8) for supplying DC power to the electrolytic cell;
  • the control device (20) according to any one of (1) to (6) above, configured to control the hydrogen production device; Equipped with.
  • the output voltage output from the rectifier to the electrolytic cell (i.e., the voltage applied to the electrolytic cell) is lower than the rated voltage of the electrolytic cell during at least a part of the period during startup of the hydrogen production device. Since the first voltage is set to a large value, the current flowing through the circuit including the electrolytic cell can be increased by electrolysis of the water in the electrolytic cell, and the rate of temperature rise of the water in the electrolytic cell can be increased. Therefore, according to the configuration (7) above, it is possible to shorten the time required to raise the temperature of the water in the electrolytic cell during startup of the hydrogen production device, thereby shortening the startup time of the hydrogen production device. Can be done.
  • a method for controlling a hydrogen production device includes: A method for controlling a hydrogen production device (10) including an electrolytic cell (2) for electrolyzing water, and a rectifier (8) for supplying DC power to the electrolytic cell, the method comprising: adjusting the output voltage of the rectifier so that the output voltage output from the rectifier to the electrolytic cell approaches a set voltage (S2, S4); a step (S4) of setting the set voltage to a first voltage higher than the rated voltage of the electrolytic cell during at least a part of the period during startup of the hydrogen production apparatus; Equipped with.
  • the output voltage output from the rectifier to the electrolytic cell (i.e., the voltage applied to the electrolytic cell) is lower than the rated voltage of the electrolytic cell during at least a part of the period during startup of the hydrogen production device. Since the first voltage is set to a large value, the current flowing through the circuit including the electrolytic cell can be increased by electrolysis of the water in the electrolytic cell, and the rate of temperature rise of the water in the electrolytic cell can be increased. Therefore, according to the method (8) above, it is possible to shorten the time required to raise the temperature of the water in the electrolytic cell during startup of the hydrogen production device, thereby shortening the startup time of the hydrogen production device. Can be done.
  • a control program for a hydrogen production device includes: A control program for a hydrogen production device (10) including an electrolytic cell (2) for electrolyzing water, and a rectifier (8) for supplying DC power to the electrolytic cell, to the computer, A step of adjusting the output voltage of the rectifier so that the output voltage output from the rectifier to the electrolytic cell approaches a set voltage; a step of setting the set voltage to a first voltage higher than the rated voltage of the electrolytic cell during at least a part of the period during startup of the hydrogen production device; is configured to execute.
  • the output voltage output from the rectifier to the electrolytic cell is the rated voltage of the electrolytic cell. Since the first voltage is set to be higher than the first voltage, it is possible to increase the current flowing through the circuit including the electrolytic cell due to electrolysis of the water in the electrolytic cell, thereby increasing the rate of temperature rise of the water in the electrolytic cell. Therefore, according to the program (9) above, it is possible to shorten the time required to raise the temperature of the water in the electrolytic cell during startup of the hydrogen production device, thereby shortening the startup time of the hydrogen production device. Can be done.
  • expressions expressing shapes such as a square shape or a cylindrical shape do not only mean shapes such as a square shape or a cylindrical shape in a strict geometric sense, but also within the range where the same effect can be obtained. , shall also represent shapes including uneven parts, chamfered parts, etc.
  • the expressions "comprising,””including,” or “having" one component are not exclusive expressions that exclude the presence of other components.
  • Electrolytic cell 4 Storage section 6 Hydrogen consumption equipment 8 Rectifier 10 Hydrogen production device 12 Temperature sensor 14 Current sensor 16 Flow rate sensor 20 Control device 22 Control mode selection section 24 Voltage control section 25 Voltage setting section 26 Current control section 28 Current target value acquisition Section 30 Storage section 90 Power supply 92 Power transmission line 100 Hydrogen production equipment

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Abstract

水素製造装置用の制御装置は、水を電気分解するための電解槽と、前記電解槽に直流電力を供給するための整流器と、を含む水素製造装置のための制御装置であって、前記整流器から前記電解槽に出力される出力電圧が設定電圧に一致するように、前記整流器の前記出力電圧を調節するように構成された電圧制御部と、前記水素製造装置の起動中の少なくとも一部の期間において、前記設定電圧を前記電解槽の定格電圧よりも大きい第１電圧に設定するように構成された電圧設定部と、を備える。

Description

水素製造装置用の制御装置、水素製造設備、水素製造装置の制御方法及び水素製造装置用の制御プログラム
　本開示は、水素製造装置用の制御装置、水素製造設備、水素製造装置の制御方法及び水素製造装置用の制御プログラムに関する。
　本願は、２０２２年８月９日に日本国特許庁に出願された特願２０２２－１２６９２６号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　水素を製造するための装置として、水電解装置が知られている。
　特許文献１には、固体電解質膜を含む電解セルを有する水電解装置で水を電気分解することで水素を製造するシステムが開示されている。
特開２００２－１２９３７２号公報
　ところで、水素製造装置の起動時（即ち、水素製造装置を停止状態から水素製造／供給運転状態に移行するとき）には、電解槽内の水（電解質溶液等）の温度を、水素製造に適した温度に上げる必要がある。電解槽内の水を昇温させるためにはある程度の時間が必要であり、当該昇温過程が水素製造装置の運転準備時間（即ち起動時間）の律速要因となっている。昨今、設備消費電力を再生可能エネルギーの余剰電力で賄うニーズが高まっており、余剰電力で効率良く運転する等のためにプラント起動時間の短縮が求められる。
　上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、水素製造装置の起動時間を短縮可能な水素製造装置用の制御装置、水素製造設備、水素製造装置の制御方法及び水素製造装置用の制御プログラムを提供することを目的とする。
　本発明の少なくとも一実施形態に係る水素製造装置用の制御装置は、
　水を電気分解するための電解槽と、前記電解槽に直流電力を供給するための整流器と、を含む水素製造装置のための制御装置であって、
　前記整流器から前記電解槽に出力される出力電圧が設定電圧に一致するように、前記整流器の前記出力電圧を調節するように構成された電圧制御部と、
　前記水素製造装置の起動中の少なくとも一部の期間において、前記設定電圧を前記電解槽の定格電圧よりも大きい第１電圧に設定するように構成された電圧設定部と、
を備える。
　また、本発明の少なくとも一実施形態に係る水素製造設備は、
　水を電気分解するための電解槽と、前記電解槽に直流電力を供給するための整流器と、を含む水素製造装置と、
　前記水素製造装置を制御するように構成された上述の制御装置と、
を備える。
　また、本発明の少なくとも一実施形態に係る水素製造装置の制御方法は、
　水を電気分解するための電解槽と、前記電解槽に直流電力を供給するための整流器と、を含む水素製造装置の制御方法であって、
　前記整流器から前記電解槽に出力される出力電圧が設定電圧に近づくように、前記整流器の前記出力電圧を調節するステップと、
　前記水素製造装置の起動中の少なくとも一部の期間において、前記設定電圧を前記電解槽の定格電圧よりも大きい第１電圧に設定するステップと、
を備える。
　また、本発明の少なくとも一実施形態に係る水素製造装置用の制御プログラムは、
　水を電気分解するための電解槽と、前記電解槽に直流電力を供給するための整流器と、を含む水素製造装置のための制御プログラムであって、
　コンピュータに、
　　前記整流器から前記電解槽に出力される出力電圧が設定電圧に近づくように、前記整流器の前記出力電圧を調節する手順と、
　　前記水素製造装置の起動中の少なくとも一部の期間において、前記設定電圧を前記電解槽の定格電圧よりも大きい第１電圧に設定する手順と、
を実行させるように構成される。
　本発明の少なくとも一実施形態によれば、水素製造装置の起動時間を短縮可能な水素製造装置用の制御装置、水素製造設備、水素製造装置の制御方法及び水素製造装置用の制御プログラムが提供される。
一実施形態に係る制御装置が適用される水素製造設備の概略図である。 一実施形態に係る制御装置の概略構成図である。 一実施形態に係る水素製造装置の制御方法のフローチャートである。 一実施形態に係る水素製造装置の起動時における出力電圧、電流、電力及び電解槽内の水の温度の時間変化の一例を示すグラフである。 一実施形態に係る水素製造装置の制御方法のフローチャートである。
　以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
（水素製造設備の構成）
　図１は、一実施形態に係る制御装置が適用される水素製造設備の概略図である。図１に示すように、水素製造設備１００は、水素製造装置１０と、水素製造装置１０の運転を制御するための制御装置２０と、を備える。水素製造設備１００は、水素製造装置１０で生成された水素を貯留するための貯留部４を備えていてもよい。
　水素製造装置１０は、水の電気分解により水素を生成するように構成された水電解装置であり、水を電気分解するための電解槽２と、電解槽２に直流電力を供給するための整流器８と、を含む。水電解装置のタイプは限定されない。水電解装置は、例えば、アルカリ型水電解装置、固体高分子膜（Ｐｏｌｙｍｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ　Ｍｅｍｂｒａｎｅ：ＰＥＭ）型水電解装置、アニオン交換膜（Ａｎｉｏｎ　Ｅｘｃｈａｎｇｅ　Ｍｅｍｂｒａｎｅ：ＡＥＭ）型水電解装置、又は、固体酸化物形電解セル（Ｓｏｌｉｄ　Ｏｘｉｄｅ　Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ　Ｃｅｌｌ：ＳＯＥＣ）水電解装置であってもよい。
　整流器８は、電解槽２に直流電力を供給するように構成される。整流器８には、送電線９２を介して電源９０から電力（典型的には交流電力）が供給されるようになっている。電源９０は電力系統であってもよいし、他の電源（例えば発電装置や電池等の電力貯蔵装置）であってもよい。整流器８は、電源９０からの電力を、必要に応じて交流電力から直流電力に変換し、直流電圧として電解槽２に出力する。以下、整流器８から電解槽２に出力される直流電圧（電解槽２への印加電圧）を出力電圧ともいう。
　電解槽２は水が供給されるようになっている。上述したように、電解槽２には、整流器８を介して直流電力が供給される。整流器８を介して電解槽２に設けられた一対の電極間に直流電圧をかけることで電解槽２内の水が電気分解され、陰極側で水素が発生し、陽極側で酸素が発生する。電解槽２内には、電解質が溶解した水（電解質溶液）が供給されており、該水（電解質溶液を構成する水）が電気分解されるようになっていてもよい。電解質は、水酸化カリウム（ＫＯＨ）等のアルカリ性物質であってもよい。
　電解槽２の陰極側で発生した水素ガスは、気液分離器及び／又は除湿器に導かれて水分が除去された後、貯留部４に導かれる。電解槽２の陽極側で発生した酸素ガスは、気液分離器及び／又は除湿器に導かれて水分が除去された後、酸素消費設備に供給されるようになっていてもよく、あるいは、外部に放出されるようになっていてもよい。
　貯留部４には、ガス状の水素が貯留されるようになっている。貯留部４に貯留された水素は、水素消費設備６に供給されるようになっていてもよい。貯留部４は、水素消費設備６への水素の供給に適した特性を有していてもよい。貯留部４は、例えば貯蔵ヘッダ（ヘッダタンク）を含んでもよい。
　水素消費設備６は、例えば、水素を燃焼するように構成された水素燃焼設備（例えばガスタービン設備又は製鉄設備等）、水素を液化するように構成された水素液化設備、水素を燃料として化学反応により電気を生成する設備（例えばＳＯＦＣ（Ｓｏｌｉｄ　Ｏｘｉｄｅ　Ｆｕｅｌ　Ｃｅｌｌ）等の燃料電池を含む発電設備等）、水素を原料として燃料を製造する設備（例えば燃料合成設備等）又は、水素を機器に供給するように構成された水素ガスステーションを含んでもよい。
　水素製造設備１００は、電解槽２の水（電解質溶液等）の温度を計測するための温度センサ１２を備えていてもよい。温度センサ１２は、電解槽２内の水の温度を計測するように構成されてもよく、あるいは、電解槽２からの水素ガス又は酸素ガスを気液分離器に導くためのラインにおける水の温度を計測するように構成されてもよく、あるいは、気液分離器にて水素ガス又は酸素ガスから分離された水を電解槽２に戻すためのラインにおける水の温度を計測するように構成されてもよい。
　水素製造設備１００は、電解槽２において水が電気分解されるときに電解槽２を含む回路を流れる直流電流を計測するための電流センサ１４を備えていてもよい。該回路は、整流器８の直流電圧の一対の出力端子と電解槽２の一対の電極間をそれぞれ接続する電線を含む。電流センサ１４は、整流器８上述の一対の出力端子の何れかと、電解槽２の一対の電極の何れかとの間に流れる電流を計測するように構成されてもよい。
　水素製造設備１００は、水素消費設備６における水素の消費流量を計測するための流量センサ１６を備えていてもよい。流量センサ１６は、図１に示すように、貯留部４からの水素を水素消費設備６に導くためのラインに設けられていてもよい。
　温度センサ１２、電流センサ１４及び／又は流量センサ１６は制御装置２０に電気的に接続され、温度センサ１２、電流センサ１４及び／又は流量センサ１６による計測結果を示す信号が制御装置２０に送られるようになっていてもよい。
　図２は、一実施形態に係る制御装置の概略構成図である。制御装置２０は、温度センサ１２、電流センサ１４及び／又は流量センサ１６による計測結果等に基づいて、水素製造装置１０の運転を制御するように構成される。
　図２に示すように、制御装置２０は、電圧制御部２４と、電圧設定部２５と、を備えている。また、制御装置２０は、制御モード選択部２２と、電流制御部２６と、電流目標値取得部２８と、記憶部３０と、を備えていてもよい。
　制御モード選択部２２は、整流器８の制御モードを、電圧制御部２４により整流器８を制御する電圧制御モード、及び、電流制御部２６により整流器８を制御する電流制御モードから選択するように構成される。
　電圧制御部２４は、整流器８から電解槽２に出力される出力電圧が設定電圧に一致するように、整流器８の出力電圧を調節するように構成される。設定電圧は、後述する電圧設定部２５により設定されたものであってもよく、あるいは、オペレータが手動で設定したものであってもよい。
　電圧設定部２５は、水素製造装置１０の起動中の少なくとも一部の期間において、上述の設定電圧を、電解槽２の定格電圧よりも大きい第１電圧ＶＡに設定するように構成される。第１電圧ＶＡは、後述する記憶部３０に予め記憶されていてもよい。
　水素製造装置１０の起動中とは、水素製造装置１０を停止状態から水素製造／供給運転状態に移行するまでの準備期間のことをいう。水素製造装置１０の起動中において、整流器８から電解槽２に直流電圧を印加して電解槽２での水の電気分解を開始し、これにより電解槽２を含む回路に電流を流すことで電解槽２内の水の温度を上昇させる。水素製造装置１０の起動の完了は、例えば、電解槽２内の水が昇温して規定温度に達したことにより判定することができる。
　また、電解槽２の定格電圧とは、該電解槽２における定格負荷運転（１００％負荷（水素生成量が１００％）での運転）時における電解槽２への印加電圧である。電解槽２の定格電圧は、電解槽２の型式に応じて仕様として定められているものである。
　電流制御部２６は、電解槽２を含む上述の回路に流れる電流に基づき整流器８の出力電流を調節するように構成される。
　電流目標値取得部２８は、主として水素製造装置１０の起動完了後に、電解槽２での（即ち水素製造装置１０での）水素の目標生成量に応じた回路の電流を示す電流目標値を取得するように構成される。
　電流目標値取得部２８は、例えば、貯留部４から水素が供給される水素消費設備６での水素の消費流量を取得し、該消費流量に基づいて、電流目標値を算出するようにしてもよい。水素消費設備６での水素の消費流量として、貯留部４から水素消費設備６に供給される水素の流量を取得してもよい。この場合、流量センサ１６（図１参照）による水素流量の計測値を消費流量として取得してもよい。あるいは、水素消費設備６での水素の消費流量として、水素消費設備６に供給される燃料流量の指令値である燃料指令値に基づいて、水素の消費流量を算出してもよい。この場合、電流目標値取得部２８は、燃料指令値と水素の流量との相関関係を示す関数を用いて、燃料指令値を水素の流量に変換するように構成されてもよい。
　記憶部３０は、予め設定された数値等を記憶するように構成される。記憶部３０に予め記憶される数値は、上述の第１電圧ＶＡ、電解槽２を含む回路における電力の制限値、及び／又は、水素製造装置１０の起動完了を判定するための電解槽２内の水の温度（規定温度）を含んでもよい。
　制御装置２０は、プロセッサ（ＣＰＵ等）、主記憶装置（メモリデバイス；ＲＡＭ等）、補助記憶装置及びインターフェース等を備えた計算機を含む。制御装置２０は、インターフェースを介して、温度センサ１２、電流センサ１４及び／又は流量センサ１６からの信号を受け取るようになっている。プロセッサは、このようにして受け取った信号を処理するように構成される。また、プロセッサは、主記憶装置に展開されるプログラムを処理するように構成される。これにより、上述の制御モード選択部２２、電圧制御部２４、電圧設定部２５、電流制御部２６及び電流目標値取得部２８の機能が実現される。なお、上述の記憶部３０は、制御装置２０を構成する計算機の主記憶装置又は補助記憶装置を含んでもよい。
　制御装置２０での処理内容は、プロセッサにより実行されるプログラムとして実装される。プログラムは、例えば補助記憶装置に記憶されていてもよい。プログラム実行時には、これらのプログラムは主記憶装置に展開される。プロセッサは、主記憶装置からプログラムを読み出し、プログラムに含まれる命令を実行するようになっている。
（水素製造装置の制御フロー）
　次に、幾つかの実施形態に係る水素製造装置の制御方法について説明する。なお、以下において、上述の制御装置２０を用いて上述の水素製造装置１０を制御する場合について説明するが、幾つかの実施形態では、他の装置を用いて水素製造装置の制御方法を実行するようにしてもよく、あるいは、以下に説明する手順の一部又は全部を手動で行ってもよい。
　図３は、一実施形態に係る水素製造装置１０の起動時における水素製造装置の制御方法のフローチャートである。図４は、一実施形態に係る水素製造装置１０の起動時における整流器８の出力電圧Ｖ、電解槽２を含む回路を流れる電流Ｉ、該回路における電力Ｐ及び電解槽２内の水（電解質溶液等）の温度Ｔの時間変化の一例を示すグラフである。なお、電力Ｐは、出力電圧Ｖと電流Ｉとの積（Ｐ＝Ｖ×Ｉ）である。
　一実施形態では、水素製造装置１０の起動を開始した時刻（図４のｔ０）以後、制御装置２０による整流器８の制御モードとして電圧制御モードを選択し（図３のＳ２）、時刻ｔ１（図４）にて、整流器８の設定電圧が電解槽２の定格電圧Ｖ＿ｒａｔｅｄよりも大きい第１電圧ＶＡに設定される（図３のＳ４）。これにより、時刻ｔ１以後、整流器８の出力電圧Ｖが第１電圧ＶＡに一致するように調節される。
　上述の第１電圧ＶＡは、電解槽２の最大使用電圧であってもよい。
　このように、水素製造装置１０の起動中の少なくとも一部の期間（時刻ｔ１以後の期間）において、整流器８から電解槽２に出力される出力電圧Ｖ（即ち電解槽２への印加電圧）が、電解槽２の定格電圧Ｖ＿ｒａｔｅｄよりも大きい第１電圧ＶＡに設定されるので、該出力電圧Ｖが電解槽２の定格電圧Ｖ＿ｒａｔｅｄと同等以下の電圧に設定される場合に比べて、電解槽２内の水の電気分解により電解槽２を含む回路を流れる電流が大きくなる。したがって、電解槽２内の水において生じるジュール熱が大きくなり、電解槽２内の水の昇温速度が大きくなる。なお、電解槽２内の水が昇温するのに従い、電解槽２内の水に電流が流れやすくなるため（即ち水の電気抵抗が小さくなるため）、電解槽２内の水の温度の上昇とともに、電解槽２を含む回路を流れる電流が増加し、電解槽２内の水の温度もより一層上昇しやすくなる。このようにして、電解槽２内の水の昇温に要する時間を短縮することができる。これにより、水素製造装置１０の起動時間を短縮することができる。
　上述のようにステップＳ４で整流器８の設定電圧を第１電圧ＶＡに設定した後、電解槽２内の水の温度Ｔが規定温度ＴＣに達しているか否かを判定するとともに（図３のＳ６）、温度Ｔが規定温度ＴＣに達していない場合には（Ｓ６でＮｏ）、電力Ｐが制限値ＰＢ未満であるか否かを確認する（図３のＳ１０）。なお、制限値ＰＢは、電解槽２の仕様によって決定される値であってもよい。
　電力Ｐが制限値ＰＢに到達する前に（Ｓ１０でＹｅｓ）、電解槽２内の水の温度Ｔが規定温度ＴＣに達したら（図３のＳ６でＹｅｓ）、制御装置２０は、水素製造装置１０の起動が完了したと判定し（図３のＳ８）、水素製造装置１０による水素の供給を開始する。
　一方、電解槽２内の水の温度Ｔが規定温度ＴＣに達していない状態で電力Ｐが制限値ＰＢに到達した場合（図３のＳ６でＮｏかつＳ１０でＮｏ、図４の時刻ｔ２）、制御装置２０による整流器８の制御モードが電流制御モードに切り替わり（図３のＳ１２）、電解槽２内の水の温度Ｔが規定温度ＴＣに達するまで、電力Ｐが制限値ＰＢを超えない範囲で電流Ｉが増加するように、整流器８の出力電圧Ｖが調節される（図３のＳ１４～Ｓ１８、図４の時刻ｔ２～ｔ３）。
　図３に示す例示的な実施形態では、ステップＳ１２で整流器８の制御モードが電流制御モードに切り替わった後、電流Ｉを保持する（Ｓ１４）。そして、電解槽２内の水の温度Ｔが規定温度ＴＣに達しているか否かを判定する（Ｓ１６）。
　電解槽２内の水の温度Ｔが規定温度ＴＣに達したら（Ｓ１６でＹｅｓ）、制御装置２０は、水素製造装置１０の起動が完了したと判定し（図３のＳ８）、水素製造装置１０による水素の供給を開始する。
　一方、電解槽２内の水の温度Ｔが規定温度ＴＣに達していない間（Ｓ１６でＮｏ）、ステップＳ１８に移行する。このとき電解槽２内の水の温度が上昇傾向であるため、電解槽２内の水の電気抵抗が小さくなり、その分だけ電圧Ｖが低下し、電力Ｐも低下する。そこで、電力Ｐが制限値ＰＢを超えない範囲で電流を増加させる（Ｓ１８、Ｓ２０のＹｅｓ）。電力Ｐが制限値ＰＢを超えた場合（Ｓ２０のＮｏ）、ステップＳ１４に戻り、電流Ｉを保持する。このように、電解槽２内の水の温度Ｔが規定温度ＴＣに達するまで、ステップＳ１４～Ｓ１８を繰り替えし行うことにより、電力Ｐが制限値ＰＢを超えない範囲で電流Ｉを増加させながら、電解槽２内の水の温度Ｔを規定温度ＴＣに到達させることができる。なお、図４に示す例では、電力Ｐが制限値ＰＢに到達した時刻ｔ２から、電解槽２内の水の温度Ｔが規定温度ＴＣに達する時刻ｔ３まで、ステップＳ１４～Ｓ１８が繰り返し行われている。
　あるいは、一実施形態では、上述のステップＳ１２で整流器８の制御モードが電流制御モードに切り替わったら、電解槽２内の水の温度Ｔが規定温度ＴＣに達するまで、電力Ｐが制限値ＰＢで維持されるように出力電圧Ｖが調節される。整流器８の制御モードが電流制御モードに切り替わる時点（図４の時刻ｔ２）において、電解槽２内の水の温度は上昇傾向であるので、電流Ｉも上昇傾向である。したがって、この時点（時刻ｔ２）から電力Ｐが制限値ＰＢに維持されるように出力電圧Ｖを調節することで、電力Ｐが制限値ＰＢを超えない範囲で電流Ｉを増加させることができる。
　このように、幾つかの実施形態では、水素製造装置１０の起動中に、整流器８の出力電圧Ｖを電解槽２の定格電圧Ｖ＿ｒａｔｅｄよりも大きくすることで、電解槽２を含む回路を流れる電流Ｉが増大し、当該回路における電力Ｐが制限値ＰＢに到達した場合に、整流器８の制御を電流制御モードに切り替え、当該回路における電力Ｐが制限値ＰＢを超えない範囲で電流Ｉを増加させる。これにより、当該回路における過電力又は過電流を予防して電解槽２を保護しながら、電解槽２内の水の昇温を促進して水素製造装置１０の起動時間を短縮することができる。
　図５は、一実施形態に係る水素製造装置１０の起動完了後における水素製造装置の制御方法のフローチャートである。
　上述したように、電解槽２内の水の温度Ｔが規定温度ＴＣまで上昇したら（上述のＳ６又はＳ１６でＹｅｓ、図４の時刻ｔ３）、制御装置２０は、水素製造装置１０の起動が完了したと判定する（上述のＳ８）。一実施形態では、水素製造装置１０の起動が完了したら（図４の時刻ｔ３）、制御装置２０による整流器８の制御モードとして電流制御モードを選択し、電解槽２を含む回路に流れる電流Ｉが電流目標値に近づくように、整流器８の出力電圧Ｖが調節される（図５のＳ２２）。電流目標値は、水素製造装置１０での水素の目標生成量に応じた電流の目標値であり、例えば上述した電流目標値取得部２８によって取得される。これにより、水素製造装置１０にて目標生成量の水素を製造及び供給することができる。
　ステップＳ２２では、上述の電流目標値と、電流Ｉの実測値（電流センサ１４による計測値）との偏差に基づくフィードバック制御により、整流器８の出力電圧Ｖを調節してもよい。
　図４に示す例において、時刻ｔ３以降は、このように、電流目標値に基づいて整流器８の制御が行われている。また、時刻ｔ４において定格負荷（１００％の水素生成量）での運転となっており、この時刻ｔ４以降、出力電圧Ｖ、電流Ｉ、及び電解槽２内の水の温度Ｔがほぼ一定の状態となっている。なお、図４において、定格負荷運転時における電解槽２の印加電圧（即ち整流器８の出力電圧）が定格電圧Ｖ＿ｒａｔｅｄであり、定格負荷運転時における電力ＰがＰ＿ｒａｔｅｄである。
　幾つかの実施形態では、水素製造装置１０の起動完了後の運転中（即ち、ステップＳ２２での運転中）、電解槽２を含む回路における電力Ｐが制限値ＰＢを超えない範囲で電流Ｉが電流目標値に近づくように、整流器８の出力電圧Ｖを調節するようにしてもよい（図５のＳ２３～Ｓ２４）。
　図５に示す実施形態では、電流目標値に基づく制御により水素製造装置１０を運転しているときに（上述のステップＳ２２）、電力Ｐが制限値ＰＢ未満であるか否かを確認する（Ｓ２３）。電力Ｐが制限値ＰＢに到達していない間は（ステップＳ２３でＹｅｓ）、ステップＳ２２での制御を続行する。一方、電力Ｐが制限値ＰＢに到達したら（ステップＳ２３でＮｏ）、電力Ｐが制限値ＰＢ未満になるまで電流Ｉが保持されるようにする（Ｓ２４）。これにより、電力Ｐが制限値ＰＢを超過するのが抑制される。
　このように、水素製造装置１０の起動完了後の運転中、電解槽２を含む回路における電力Ｐが制限値ＰＢを超えない範囲で該回路を流れる電流Ｉを制御することにより、当該回路における過電力又は過電流を予防して電解槽２を保護しながら、目標生成量の水素を製造及び供給することができる。
　上記各実施形態に記載の内容は、例えば以下のように把握される。
（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る水素製造装置（１０）用の制御装置（２０）は、
　水を電気分解するための電解槽（２）と、前記電解槽に直流電力を供給するための整流器（８）と、を含む水素製造装置のための制御装置であって、
　前記整流器から前記電解槽に出力される出力電圧（Ｖ）が設定電圧に一致するように、前記整流器の前記出力電圧を調節するように構成された電圧制御部（２４）と、
　前記水素製造装置の起動中の少なくとも一部の期間において、前記設定電圧を前記電解槽の定格電圧よりも大きい第１電圧（ＶＡ）に設定するように構成された電圧設定部（２５）と、
を備える。
　上記（１）の構成では、水素製造装置の起動中の少なくとも一部の期間において、整流器から電解槽に出力される出力電圧（即ち電解槽への印加電圧）が、電解槽の定格電圧よりも大きい第１電圧に設定されるので、電解槽内の水の電気分解により電解槽を含む回路を流れる電流を大きくして電解槽内の水の昇温速度を大きくすることができる。よって、上記（１）の構成によれば、水素製造装置の起動中において電解槽内の水の昇温に要する時間を短縮することができ、これにより、水素製造装置の起動時間を短縮することができる。
（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、
　前記第１電圧は、前記電解槽の最大使用電圧である。
　上記（２）の構成では、水素製造装置の起動中の少なくとも一部の期間において、整流器の出力電圧が電解槽の最大使用電圧に設定されるので、電解槽内の水の電気分解により電解槽を含む回路を流れる電流をより大きくして電解槽内の水の昇温速度をより大きくすることができる。よって、上記（２）の構成によれば、水素製造装置の起動中において電解槽内の水の昇温に要する時間をより短縮することができ、これにより、水素製造装置の起動時間をより短縮することができる。
（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）の構成において、
　前記電解槽を含む回路に流れる電流（Ｉ）に基づき前記整流器の前記出力電圧を調節するように構成された電流制御部（２６）と、
　前記整流器の制御モードを、前記電圧制御部により前記整流器を制御する電圧制御モード、及び、前記電流制御部により前記整流器を制御する電流制御モードから選択するように構成された制御モード選択部（２２）と、
を備え、
　前記制御モード選択部は、前記水素製造装置の起動中、前記電圧制御モードでの前記整流器の制御中に前記回路における電力（Ｐ）が制限値（ＰＢ）に到達したら、前記整流器の制御を前記電圧制御モードから前記電流制御モードに切り替えるように構成され、
　前記電流制御部は、前記水素製造装置の起動中、前記電力が前記制限値を超えない範囲で前記電流が増加するように、前記整流器の前記出力電圧を調節するように構成される。
　上記（３）の構成によれば、水素製造装置の起動中に、上記（１）のように整流器の出力電圧を電解槽の定格電圧よりも大きくすることで、電解槽を含む回路を流れる電流が増大し、当該回路における電力が制限値に到達した場合に、整流器の制御を電流制御モードに切り替え、当該回路における電力が制限値を超えない範囲で電流を増加させる。これにより、当該回路における過電力又は過電流を予防して電解槽を保護しながら、電解槽内の水の昇温を促進して水素製造装置の起動時間を短縮することができる。
（４）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（３）の何れかの構成において、
　前記電解槽を含む回路に流れる電流に基づき前記整流器の前記出力電圧を調節するように構成された電流制御部（２６）と、
　前記整流器の制御モードを、前記電圧制御部により前記整流器を制御する電圧制御モード、及び、前記電流制御部により前記整流器を制御する電流制御モードから選択するように構成された制御モード選択部（２２）と、
　前記電解槽での水素の目標生成量に応じた前記回路の電流を示す電流目標値を取得するように構成された電流目標値取得部（２８）と、
を備え、
　前記制御モード選択部は、前記水素製造装置の起動が完了したら、前記整流器の制御モードとして前記電流制御モードを選択し、
　前記電流制御部は、前記水素製造装置の起動完了後、前記回路に流れる前記電流が前記電流目標値に近づくように、前記整流器の前記出力電圧を調節するように構成される。
　上記（４）の構成によれば、水素製造装置の起動完了後、整流器の制御モードを電流制御モードとし、電解槽を含む回路の電流が水素の目標生成量に応じた電流目標値に近づくように整流器の出力電圧を調節する。これにより、水素製造装置の起動開始から短時間で、目標生成量の水素の製造及び供給を開始することができる。
（５）幾つかの実施形態では、上記（４）の構成において、
　前記制御モード選択部は、前記水素製造装置の起動中において前記電解槽内の水の温度が規定温度（ＴＣ）に達したら、前記水素製造装置の起動が完了したと判定するように構成される。
　上記（５）の構成によれば、電解槽内の水の温度が規定温度に達したことをもって、水素製造装置の起動が完了したことを適切に判定し、目標生成量の水素の製造及び供給を速やかに開始することができる。
（６）幾つかの実施形態では、上記（４）又は（５）の構成において、
　前記電流制御部は、前記水素製造装置の起動完了後、前記回路における電力が制限値を超えない範囲で前記電流が前記電流目標値に近づくように、前記整流器の前記出力電圧を調節するように構成される。
　上記（６）の構成によれば、水素製造装置の起動完了後の運転中、電解槽を含む回路における電力が制限値を超えない範囲で該回路を流れる電流を制御するようにしたので、当該回路における過電力又は過電流を予防して電解槽を保護しながら、目標生成量の水素を製造及び供給することができる。
（７）本発明の少なくとも一実施形態にかかる水素製造設備（１００）は、
　水を電気分解するための電解槽（２）と、前記電解槽に直流電力を供給するための整流器（８）と、を含む水素製造装置（１０）と、
　前記水素製造装置を制御するように構成された上記（１）乃至（６）の何れか一項に記載の制御装置（２０）と、
を備える。
　上記（７）の構成では、水素製造装置の起動中の少なくとも一部の期間において、整流器から電解槽に出力される出力電圧（即ち電解槽への印加電圧）が、電解槽の定格電圧よりも大きい第１電圧に設定されるので、電解槽内の水の電気分解により電解槽を含む回路を流れる電流を大きくして電解槽内の水の昇温速度を大きくすることができる。よって、上記（７）の構成によれば、水素製造装置の起動中において電解槽内の水の昇温に要する時間を短縮することができ、これにより、水素製造装置の起動時間を短縮することができる。
（８）本発明の少なくとも一実施形態に係る水素製造装置の制御方法は、
　水を電気分解するための電解槽（２）と、前記電解槽に直流電力を供給するための整流器（８）と、を含む水素製造装置（１０）の制御方法であって、
　前記整流器から前記電解槽に出力される出力電圧が設定電圧に近づくように、前記整流器の前記出力電圧を調節するステップ（Ｓ２，Ｓ４）と、
　前記水素製造装置の起動中の少なくとも一部の期間において、前記設定電圧を前記電解槽の定格電圧よりも大きい第１電圧に設定するステップ（Ｓ４）と、
を備える。
　上記（８）の方法では、水素製造装置の起動中の少なくとも一部の期間において、整流器から電解槽に出力される出力電圧（即ち電解槽への印加電圧）が、電解槽の定格電圧よりも大きい第１電圧に設定されるので、電解槽内の水の電気分解により電解槽を含む回路を流れる電流を大きくして電解槽内の水の昇温速度を大きくすることができる。よって、上記（８）の方法によれば、水素製造装置の起動中において電解槽内の水の昇温に要する時間を短縮することができ、これにより、水素製造装置の起動時間を短縮することができる。
（９）本発明の少なくとも一実施形態に係る水素製造装置用の制御プログラムは、
　水を電気分解するための電解槽（２）と、前記電解槽に直流電力を供給するための整流器（８）と、を含む水素製造装置（１０）のための制御プログラムであって、
　コンピュータに、
　　前記整流器から前記電解槽に出力される出力電圧が設定電圧に近づくように、前記整流器の前記出力電圧を調節する手順と、
　　前記水素製造装置の起動中の少なくとも一部の期間において、前記設定電圧を前記電解槽の定格電圧よりも大きい第１電圧に設定する手順と、
を実行させるように構成される。
　上記（９）のプログラムによれば、水素製造装置の起動中の少なくとも一部の期間において、整流器から電解槽に出力される出力電圧（即ち電解槽への印加電圧）が、電解槽の定格電圧よりも大きい第１電圧に設定されるので、電解槽内の水の電気分解により電解槽を含む回路を流れる電流を大きくして電解槽内の水の昇温速度を大きくすることができる。よって、上記（９）のプログラムによれば、水素製造装置の起動中において電解槽内の水の昇温に要する時間を短縮することができ、これにより、水素製造装置の起動時間を短縮することができる。
　以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
　本明細書において、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
　例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
　また、本明細書において、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
　また、本明細書において、一の構成要素を「備える」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
２　　　電解槽
４　　　貯留部
６　　　水素消費設備
８　　　整流器
１０　　水素製造装置
１２　　温度センサ
１４　　電流センサ
１６　　流量センサ
２０　　制御装置
２２　　制御モード選択部
２４　　電圧制御部
２５　　電圧設定部
２６　　電流制御部
２８　　電流目標値取得部
３０　　記憶部
９０　　電源
９２　　送電線
１００　水素製造設備

Claims (9)

  1. 　水を電気分解するための電解槽と、前記電解槽に直流電力を供給するための整流器と、を含む水素製造装置のための制御装置であって、
    　前記整流器から前記電解槽に出力される出力電圧が設定電圧に一致するように、前記整流器の前記出力電圧を調節するように構成された電圧制御部と、
    　前記水素製造装置の起動中の少なくとも一部の期間において、前記設定電圧を前記電解槽の定格電圧よりも大きい第１電圧に設定するように構成された電圧設定部と、
    を備える
    水素製造装置用の制御装置。
  2. 　前記第１電圧は、前記電解槽の最大使用電圧である
    請求項１に記載の水素製造装置用の制御装置。
  3. 　前記電解槽を含む回路に流れる電流に基づき前記整流器の前記出力電圧を調節するように構成された電流制御部と、
    　前記整流器の制御モードを、前記電圧制御部により前記整流器を制御する電圧制御モード、及び、前記電流制御部により前記整流器を制御する電流制御モードから選択するように構成された制御モード選択部と、
    を備え、
    　前記制御モード選択部は、前記水素製造装置の起動中、前記電圧制御モードでの前記整流器の制御中に前記回路における電力が制限値に到達したら、前記整流器の制御を前記電圧制御モードから前記電流制御モードに切り替えるように構成され、
    　前記電流制御部は、前記水素製造装置の起動中、前記電力が前記制限値を超えない範囲で前記電流が増加するように、前記整流器の前記出力電圧を調節するように構成された
    請求項１又は２に記載の水素製造装置用の制御装置。
  4. 　前記電解槽を含む回路に流れる電流に基づき前記整流器の前記出力電圧を調節するように構成された電流制御部と、
    　前記整流器の制御モードを、前記電圧制御部により前記整流器を制御する電圧制御モード、及び、前記電流制御部により前記整流器を制御する電流制御モードから選択するように構成された制御モード選択部と、
    　前記電解槽での水素の目標生成量に応じた前記回路の電流を示す電流目標値を取得するように構成された電流目標値取得部と、
    を備え、
    　前記制御モード選択部は、前記水素製造装置の起動が完了したら、前記整流器の制御モードとして前記電流制御モードを選択し、
    　前記電流制御部は、前記水素製造装置の起動完了後、前記回路に流れる前記電流が前記電流目標値に近づくように、前記整流器の前記出力電圧を調節するように構成された
    請求項１又は２に記載の水素製造装置用の制御装置。
  5. 　前記制御モード選択部は、前記水素製造装置の起動中において前記電解槽内の水の温度が規定温度に達したら、前記水素製造装置の起動が完了したと判定するように構成された
    請求項４に記載の水素製造装置用の制御装置。
  6. 　前記電流制御部は、前記水素製造装置の起動完了後、前記回路における電力が制限値を超えない範囲で前記電流が前記電流目標値に近づくように、前記整流器の前記出力電圧を調節するように構成された
    請求項４に記載の水素製造装置用の制御装置。
  7. 　水を電気分解するための電解槽と、前記電解槽に直流電力を供給するための整流器と、を含む水素製造装置と、
    　前記水素製造装置を制御するように構成された請求項１又は２に記載の制御装置と、
    を備える水素製造設備。
  8. 　水を電気分解するための電解槽と、前記電解槽に直流電力を供給するための整流器と、を含む水素製造装置の制御方法であって、
    　前記整流器から前記電解槽に出力される出力電圧が設定電圧に近づくように、前記整流器の前記出力電圧を調節するステップと、
    　前記水素製造装置の起動中の少なくとも一部の期間において、前記設定電圧を前記電解槽の定格電圧よりも大きい第１電圧に設定するステップと、
    を備える
    水素製造装置の制御方法。
  9. 　水を電気分解するための電解槽と、前記電解槽に直流電力を供給するための整流器と、を含む水素製造装置のための制御プログラムであって、
    　コンピュータに、
    　　前記整流器から前記電解槽に出力される出力電圧が設定電圧に近づくように、前記整流器の前記出力電圧を調節する手順と、
    　　前記水素製造装置の起動中の少なくとも一部の期間において、前記設定電圧を前記電解槽の定格電圧よりも大きい第１電圧に設定する手順と、
    を実行させるための
    水素製造装置用の制御プログラム。
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