特開 2022-142852 制御装置、水電解システム、水電解装置の運転方法、およびプログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022142852

(43)【公開日】2022-10-03

(54)【発明の名称】制御装置、水電解システム、水電解装置の運転方法、およびプログラム

(51)【国際特許分類】

   C25B 15/02 20210101AFI20220926BHJP

   C25B 1/02 20060101ALI20220926BHJP

   C25B 9/00 20210101ALI20220926BHJP

   C25B 9/77 20210101ALI20220926BHJP

   C25B 9/65 20210101ALI20220926BHJP

   H01M 8/0656 20160101ALI20220926BHJP

【ＦＩ】

C25B15/02

C25B1/02

C25B9/00 A

C25B9/77

C25B9/65

H01M8/0656

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021043081

(22)【出願日】2021-03-17

(71)【出願人】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(71)【出願人】

【識別番号】000003218

【氏名又は名称】株式会社豊田自動織機

(74)【代理人】

【識別番号】100160691

【弁理士】

【氏名又は名称】田邊 淳也

(74)【代理人】

【識別番号】100144510

【弁理士】

【氏名又は名称】本多 真由

(72)【発明者】

【氏名】香山 智之

(72)【発明者】

【氏名】豊田 節治

【テーマコード（参考）】

4K021

5H127

【Ｆターム（参考）】

4K021AA01

4K021BA02

4K021BB05

4K021BC01

4K021BC09

4K021CA05

4K021CA06

4K021CA15

4K021DB04

4K021DB31

4K021DB43

4K021DB53

4K021DC01

4K021DC03

4K021EA05

4K021EA06

5H127AB04

5H127BA02

5H127BA14

(57)【要約】

【課題】 水電解装置の効率を向上させる他の技術を提供する。
【解決手段】 制御装置は、水電解装置において製造された水素を、水電解装置に接続された水素貯留部に貯留可能に構成されており、制御装置は、入力される水素要求量から、水電解装置の予定運転時間を算出し、予定運転時間が所定の運転時間閾値より小さく、かつ水電解装置がコールドスタートの状態であり、かつ水素貯留部内の水素貯留量から水素要求量を減じた量が所定の貯留閾値より大きいという運転停止条件を満たす場合は、水電解装置を運転させず、運転停止条件を満たさない場合に、水電解装置を、少なくとも予定運転時間の間、運転させ、運転時間閾値は、水電解装置のコールドスタートからの運転時間と水素製造原単位との関係において、水素製造原単位が略一定になる最小の時間の近傍の値である。
【選択図】 図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

水の電気分解により水素を製造する水電解装置を制御する制御装置であって、
前記水電解装置は、前記水電解装置において製造された水素を、前記水電解装置に接続された水素貯留部に貯留可能に構成されており、
前記制御装置は、
入力される水素要求量から、前記水電解装置の予定運転時間を算出し、
前記予定運転時間が所定の運転時間閾値より小さく、かつ前記水電解装置がコールドスタートの状態であり、かつ前記水素貯留部内の水素貯留量から前記水素要求量を減じた量が所定の貯留閾値より大きいという運転停止条件を満たす場合は、前記水電解装置を運転させず、前記運転停止条件を満たさない場合に、前記水電解装置を、少なくとも前記予定運転時間の間、運転させ、
前記運転時間閾値は、
前記水電解装置のコールドスタートからの運転時間と水素製造原単位との関係において、前記水素製造原単位が略一定になる最小の時間の近傍の値である、
制御装置。

【請求項2】

請求項１に記載の制御装置であって、
前記水電解装置の運転停止継続時間が所定の運転停止継続時間閾値より大きい場合に、前記水電解装置がコールドスタートの状態であると判断する、
制御装置。

【請求項3】

水の電気分解により水素を製造する水電解装置と、前記水電解装置を制御する制御装置と、を備える水電解システムであって、
前記水電解装置は、前記水電解装置において製造された水素を、前記水電解装置に接続された水素貯留部に貯留可能に構成されており、
前記制御装置は、
請求項１または請求項２に記載の制御装置である、
水電解システム。

【請求項4】

請求項３に記載の水電解システムであって、
前記水電解装置は、
ｎ（ｎ≧１の整数）個の固体高分子形の水電解スタックと、
前記ｎ個の前記水電解スタックのそれぞれに対して、電源から入力される入力電力を、個別に分配可能な電力供給部を、備え、
前記制御装置は、
前記水電解装置を運転させる際、
前記ｎ個の水電解スタックのうち、ｍ（１≦ｍ≦ｎの整数）個の前記水電解スタックを選択し、前記電力供給部を制御して、前記ｍ個の水電解スタックのそれぞれへ、下限電流値以上の電流の電力を供給させ、
前記下限電流値は、
前記水電解スタックの電流効率が９８％以上となり、かつ、前記電源の電源効率と、前記水電解スタックの電力効率と、の積である総合電力効率が最大となる電流値であり、
前記ｍは、
前記入力電力に応じて決定され、前記ｍ個の水電解スタックのそれぞれに、前記下限電流値で電力を供給可能な最大数である、
水電解システム。

【請求項5】

水の電気分解により製造した水素を、自身に接続された水素貯留部に貯留可能に構成された水電解装置の運転方法であって、
入力される水素要求量から、前記水電解装置の予定運転時間を算出し、
前記予定運転時間が所定の運転時間閾値より小さく、かつ前記水電解装置がコールドスタートの状態であり、かつ前記水素貯留部内の水素貯留量から前記水素要求量を減じた量が所定の貯留閾値より大きいという運転停止条件を満たす場合は、前記水電解装置を運転させず、前記運転停止条件を満たさない場合に、前記水電解装置を、少なくとも前記予定運転時間の間、運転させ、
前記運転時間閾値は、
前記水電解装置のコールドスタートからの運転時間と水素製造原単位との関係において、前記水素製造原単位が略一定になる最小の時間の近傍の値である、
水電解装置の運転方法。

【請求項6】

水の電気分解により製造した水素を、自身に接続された水素貯留部に貯留可能に構成された水電解装置を制御するためのプログラムであって、コンピュータに、
入力される水素要求量から、前記水電解装置の予定運転時間を算出する機能と、
前記予定運転時間が所定の運転時間閾値より小さく、かつ前記水電解装置がコールドスタートの状態であり、かつ前記水素貯留部内の水素貯留量から前記水素要求量を減じた量が所定の貯留閾値より大きいという運転停止条件を満たす場合は、前記水電解装置を運転させず、前記運転停止条件を満たさない場合に、前記水電解装置を、少なくとも前記予定運転時間の間、運転させる機能と、を実現させるためのプログラムであって、
前記運転時間閾値は、
前記水電解装置のコールドスタートからの運転時間と水素製造原単位との関係において、前記水素製造原単位が略一定になる最小の時間の近傍の値である、
プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、水電解装置に関する。

【背景技術】

【0002】

水の電気分解によって水素と酸素を生成する水電解装置において、従来、水電解装置の効率を向上させる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１には、高圧水電解装置に供給される循環水の温度を検出し、循環水の温度が上昇する運転起動時は、定格運転時の電流密度よりも低い低電流密度で運転し、循環水の温度が一定の温度範囲内に維持される際は定格運転に移行し、定格運転時に、循環水の温度に基づいて予め設定された電流密度で運転する技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１２－１５３９６５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載の技術の場合、循環水の温度を検出する温度センサを設ける必要があり、かつ検出された循環水温度に応じて、複雑な制御を行う必要がある。そのため、より簡易な制御により、水電解装置の効率を向上させる技術が望まれている。

【0005】

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、水電解装置の効率を向上させる他の技術を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

【0007】

（１）本発明の一形態によれば、水の電気分解により水素を製造する水電解装置を制御する制御装置が提供される。この制御装置は、前記水電解装置において製造された水素を、前記水電解装置に接続された水素貯留部に貯留可能に構成されており、前記制御装置は、入力される水素要求量から、前記水電解装置の予定運転時間を算出し、前記予定運転時間が所定の運転時間閾値より小さく、かつ前記水電解装置がコールドスタートの状態であり、かつ前記水素貯留部内の水素貯留量から前記水素要求量を減じた量が所定の貯留閾値より大きいという運転停止条件を満たす場合は、前記水電解装置を運転させず、前記運転停止条件を満たさない場合に、前記水電解装置を、少なくとも前記予定運転時間の間、運転させ、前記運転時間閾値は、前記水電解装置のコールドスタートからの運転時間と水素製造原単位との関係において、前記水素製造原単位が略一定になる最小の時間の近傍の値である。

【0008】

ここで、コールドスタートの状態とは、例えば、水電解装置の運転を停止してから時間が経過した場合等、水電解装置の効率が良くない状態である。
この構成によれば、水素要求を受け付けた際に、必ず、水電解装置を運転させるわけではなく、水素要求量から算出される水電解装置の予定運転時間が水電解装置の効率が良くない範囲であって、貯留水素量が要求水素量より十分に多い場合には、水電解装置を運転させない。そして、水電解装置がコールドスタートの状態でない場合や、予定運転時間が水電解装置の効率が良くなる範囲である場合に、水電解装置を運転させることができる。そのため、水素要求を受け付けた際に、水電解装置の状態に関わらず、常に、水電解装置を運転させる場合と比較して、水電解装置の効率を、向上させることができる。また、この構成によれば、水電解装置の効率が低くなる場合には、水電解装置を運転させないことにより、水電解装置の効率を向上させるため、制御を簡易化することができる。

【0009】

（２）上記形態の制御装置であって、前記水電解装置の運転停止継続時間が所定の運転停止継続時間閾値より大きい場合に、前記水電解装置がコールドスタートの状態であると判断してもよい。このようにすると、コールドスタートの状態であることを判断するためのセンサ等を要さないため、コスト低減に資することができる。

【0010】

（３）本発明の他の形態によれば、水の電気分解により水素を製造する水電解装置と、前記水電解装置を制御する制御装置と、を備える水電解システムが提供される。この水電解システムにおいて、前記水電解装置は、前記水電解装置において製造された水素を、前記水電解装置に接続された水素貯留部に貯留可能に構成されており、前記制御装置は、上記形態の制御装置である。

【0011】

この構成によれば、水素要求を受け付けた際に、必ず、水電解装置を運転させるわけではなく、水素要求量から算出される水電解装置の予定運転時間が水電解装置の効率が良くない範囲であって、貯留水素量が要求水素量より十分に多い場合には、水電解装置を運転させない。そして、水電解装置がコールドスタートの状態でない場合や、予定運転時間が水電解装置の効率が良くなる範囲である場合に、水電解装置を運転させることができる。そのため、水素要求を受け付けた際に、水電解装置の状態に関わらず、常に、水電解装置を運転させる場合と比較して、水電解装置の効率を、向上させることができる。また、この構成によれば、水電解装置の効率が低くなる場合には、水電解装置を運転させないことにより、水電解装置の効率を向上させるため、制御を簡易化することができる。

【0012】

（４）上記形態の水電解システムであって、前記水電解装置は、ｎ（ｎ≧１の整数）個の固体高分子形の水電解スタックと、前記ｎ個の前記水電解スタックのそれぞれに対して、電源から入力される入力電力を、個別に分配可能な電力供給部を、備え、前記制御装置は、前記水電解装置を運転させる際、前記ｎ個の水電解スタックのうち、ｍ（１≦ｍ≦ｎの整数）個の前記水電解スタックを選択し、前記電力供給部を制御して、前記ｍ個の水電解スタックのそれぞれへ、下限電流値以上の電流の電力を供給させ、前記下限電流値は、前記水電解スタックの電流効率が９８％以上となり、かつ、前記電源の電源効率と、前記水電解スタックの電力効率と、の積である総合電力効率が最大となる電流値であり、前記ｍは、前記入力電力に応じて決定され、前記ｍ個の水電解スタックのそれぞれに、前記下限電流値で電力を供給可能な最大数であってもよい。

【0013】

この構成によれば、入力電力に応じて作動させる水電解スタックの数を決定することができる。そして、作動させる水電解スタックのそれぞれに、下限電流値以上の電流の電力を供給することができる。下限電流値を、いわゆるクロスリークの量を低減可能な電流範囲の内、総合電力効率が最大となるよう設定しているため、水電解スタックの耐久性を向上させると共に、水電解スタックの効率を適切にすることができる。そのため、さらに、水電解装置の効率を向上させることができる。

【0014】

（５）本発明の他の形態によれば、水の電気分解により製造した水素を、自身に接続された水素貯留部に貯留可能に構成された水電解装置の運転方法が提供される。この水電解装置の運転方法は、入力される水素要求量から、前記水電解装置の予定運転時間を算出し、前記予定運転時間が所定の運転時間閾値より小さく、かつ前記水電解装置がコールドスタートの状態であり、かつ前記水素貯留部内の水素貯留量から前記水素要求量を減じた量が所定の貯留閾値より大きいという運転停止条件を満たす場合は、前記水電解装置を運転させず、前記運転停止条件を満たさない場合に、前記水電解装置を、少なくとも前記予定運転時間の間、運転させ、前記運転時間閾値は、前記水電解装置のコールドスタートからの運転時間と水素製造原単位との関係において、前記水素製造原単位が略一定になる最小の時間の近傍の値である。

【0015】

この水電解装置の運転方法によれば、水素要求を受け付けた際に、必ず、水電解装置を運転させるわけではなく、水素要求量から算出される水電解装置の予定運転時間が水電解装置の効率が良くない範囲であって、貯留水素量が要求水素量より十分に多い場合には、水電解装置を運転させない。そして、水電解装置がコールドスタートの状態でない場合や、予定運転時間が水電解装置の効率が良くなる範囲である場合に、水電解装置を運転させることができる。そのため、水素要求を受け付けた際に、水電解装置の状態に関わらず、常に、水電解装置を運転させる場合と比較して、水電解装置の効率を、向上させることができる。

【0016】

（６）本発明の他の形態によれば、電気分解により製造した水素を、自身に接続された水素貯留部に貯留可能に構成された水電解装置を制御するためのプログラムが提供される。このプログラムは、コンピュータに、入力される水素要求量から、前記水電解装置の予定運転時間を算出する機能と、前記予定運転時間が所定の運転時間閾値より小さく、かつ前記水電解装置がコールドスタートの状態であり、かつ前記水素貯留部内の水素貯留量から前記水素要求量を減じた量が所定の貯留閾値より大きいという運転停止条件を満たす場合は、前記水電解装置を運転させず、前記運転停止条件を満たさない場合に、前記水電解装置を、少なくとも前記予定運転時間の間、運転させる機能と、を実現させるためのプログラムであって、前記運転時間閾値は、前記水電解装置のコールドスタートからの運転時間と水素製造原単位との関係において、前記水素製造原単位が略一定になる最小の時間の近傍の値である。

【0017】

このプログラムに従って、水電解装置を制御するコンピュータが機能すれば、水素要求を受け付けた際に、必ず、水電解装置を運転させるわけではなく、水素要求量から算出される水電解装置の予定運転時間が水電解装置の効率が良くない範囲であって、貯留水素量が要求水素量より十分に多い場合には、水電解装置を運転させない。そして、水電解装置がコールドスタートの状態でない場合や、予定運転時間が水電解装置の効率が良くなる範囲である場合に、水電解装置を運転させることができる。そのため、水素要求を受け付けた際に、水電解装置の状態に関わらず、常に、水電解装置を運転させる場合と比較して、水電解装置の効率を、向上させることができる。また、水電解装置の効率を向上させるためのプログラムを簡易化することができる。

【0018】

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、水電解システムを備えるメタン製造システム、水電解システムを備える二酸化炭素回収システム、水電解システムを備える水素ステーション、コンピュータプログラムを配布するためのサーバ装置、コンピュータプログラムを記憶した一時的でない記憶媒体等などの形態で実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】実施形態の水電解システムの構成を概念的に示す模式図である。

【図2】水電解セルの概略構成を概念的に示す説明図である。

【図3】制御装置における運転有無決定処理を示すフローチャートである。

【図4】運転時間と水素製造原単位との関係を概念的示す図である。

【図5】制御装置における供給電力制御の説明図である。

【図6】本実施形態の下限電流値の説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

＜実施形態＞
図１は、本発明の一実施形態の水電解システム１００の構成を概念的に示す模式図である。本実施形態の水電解システム１００には、水素貯留部３００が接続されており、水電解システム１００において製造された水素が、水素貯留部３００を介して水素消費装置４００に供給される。残余の水素は、水素貯留部３００に貯留される。本実施形態の水電解システム１００は、例えば、工場に設置され、水素消費装置４００としての燃料電池フォークリフトに水素を供給する。

【0021】

本実施形態の水電解システム１００は、水電解装置５０と、制御装置３０と、を備える。水電解装置５０は、４個の水電解スタック１０と、４個の水電解スタック１０に電力を分配する電力供給部２０と、４個の水電解スタック１０に対して水を供給可能な水供給部４０と、を備える。水電解システム１００は、各水電解スタック１０において水を電気分解することで酸素と水素を生成する。

【0022】

４個の水電解スタック１０を区別する場合には、それぞれ、第１水電解スタック１１、第２水電解スタック１２、第３水電解スタック１３、および第４水電解スタック１４と、呼ぶ。なお、水電解スタック１０の個数は、本実施形態に限定されず、目的に応じて、任意に設定することができる。

【0023】

水電解スタック１０は、高分子電解質膜を隔膜に用いた水電解セルが複数個積層されて形成される。
図２は、水電解セル１０Ｃの概略構成を概念的に示す説明図である。水電解セル１０Ｃは、ＰＥＭ（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ：固体高分子電解質膜）形水電解セルであって、膜電極接合体（以下、「ＭＥＡ」という）１を有する。ＭＥＡ１は、プロトン（Ｈ⁺）と水を通すことが可能な電解質膜１ａの両面に、水を分解し酸素とプロトン（水素イオン）を生成する酸素極１ｂと、水素イオンから水素を生成する水素極１ｃと、が接合されたものである。酸素極１ｂの表面には、金属メッシュ等から成る給電体５が配置され、ＭＥＡ１の酸素極１ｂ側には、ガスケット２を介してセパレータ４が配置されている。同様に、水素極１ｃの表面には、金属メッシュ等から成る給電体６が配置され、ＭＥＡ１の水素極１ｃ側には、ガスケット３を介してセパレータ４が配置されている。セパレータ４は、いわゆる、複極板である。

【0024】

水電解セル１０Ｃの構造は、水電解が可能である限りにおいて、特に限定されない。例えば、水電解セル１０Ｃは、
（ａ）酸素極側及び水素極側の双方において、水を循環させる両極循環方式、
（ｂ）酸素極側のみ水を循環させる片側循環方式
のいずれであっても良い。

【0025】

水電解セル１０Ｃでは、水供給部４０から酸素極側に水が供給されている状態において、電力が供給されると、酸素極１ｂにおいて水が電気分解され、酸素と水素イオンが生成される。生成された酸素は、電気分解されなかった水の一部とともに排出される。酸素極１ｂで生成された水素イオンは、水（随伴水）とともに、水素極側に移動し、水素極１ｃにおいて電子と結合することで水素になる。水素極１ｃにおいて生成された水素は、電解質膜を透過した透過水、および随伴水とともに排出される。

【0026】

図２に示すように、水素極１ｃで生成された水素が、水素極側と酸素極側との圧力差（水素極側の圧力が高い）および水素濃度差により、電解質膜１ａを透過して酸素極側に移動する場合がある。また、同様に、酸素極１ｂで生成された酸素が、水素極側と酸素極側との酸素濃度差により、水素極側に移動する場合がある。これを、「クロスリーク」とも言う。クロスリークは、低電流域で生じやすい。

【0027】

電力供給部２０（図１）は、電源２００と接続されると共に、４個の水電解スタック１０のそれぞれと接続されている。電力供給部２０は、いわゆる、電力調整器を備え、電源２００から入力される入力電力を、４個の水電解スタック１０のそれぞれに対して、個別に分配する。

【0028】

制御装置３０は、水電解システム１００全体の作動を制御する。詳しくは、制御装置３０は、水電解システム１００に対して、水素供給の要求が入力された場合に、水電解装置５０の運転の有無を決定する運転有無決定処理を行う。また、制御装置３０は、電力供給部２０を制御して、水電解スタック１０へ電力を供給させる、電力供給制御を行う。電力供給制御では、電源２００からの電力を供給して作動させる水電解スタック１０の個数を決定し、決定した個数の水電解スタック１０に、電源２００から入力される入力電力を、分配する。さらに、水素貯留部３００から水素消費装置４００への水素の供給を制御する。制御装置３０における各制御については、後に詳述する。

【0029】

上述の運転有無決定処理、電力供給制御等を実現するプログラムは、制御装置３０に、予め記憶されていてもよい。また、プログラムはプログラム提供者側から通信ネットワークを介して、提供されてもよい。また、プログラムは、市販され、流通している可搬型記憶媒体に格納されていてもよい。この場合、この可搬型記憶媒体は外付け又は内蔵の読取装置にセットされて、制御装置３０によってそのプログラムが読み出されて、実行されてもよい。可搬型記憶媒体としてはＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ、フレキシブルディスク、光ディスク、光磁気ディスク、ＩＣカード、ＵＳＢメモリ装置など様々な形式の記憶媒体を使用することができる。このような記憶媒体に格納されたプログラムが読取装置によって読み取られる。

【0030】

水供給部４０は、水電解スタック１０の酸素極１ｂに水を供給可能に構成されている。酸素極１ｂに供給される水は、電解の原料となる。水供給部４０の構造は、作動する水電解スタック１０（以下、「作動水電解スタック」）とも呼ぶ）に必要量の水を供給可能なものである限りにおいて、特に限定されない。水電解スタック１０の酸素極１ｂに水を供給しても、電力が供給されない限り電解は行われない。そのため、水供給装置は、すべての水電解スタック１０に同時に水を供給するものでも良く、あるいは、作動する水電解スタック１０に選択的に水を供給するものでも良い。

【0031】

なお、水電解システム１００は、水電解スタック１０の水素極１ｃに水を供給するための第２水供給部をさらに備えていても良い。電解中に水素極１ｃに水を供給すると、水素極１ｃの表面に吸着した水素ガスの脱離を促進させることができる。

【0032】

電源２００は、水電解スタック１０に電力を供給する。本実施形態において、電源２００は、再生可能エネルギー源である。すなわち、電力供給部２０に入力される入力電力は、比較的大きく変動する。電源２００の種類は、特に限定されず、商用電源であっても良い。

【0033】

水素貯留部３００は、水電解システム１００と接続されると共に、水素消費装置４００に接続される。詳しくは、水素貯留部３００は水素タンク（不図示）を備え、水電解システム１００の水電解スタック１０において生成された水素が流れる流路の下流に接続され、水素タンクの内部に水素を貯留可能である。また、制御装置３０からの指示に従い、所定の流量で、水素タンク内の水素を、水素消費装置４００に供給する。また、水素貯留部３００には、水素タンク内の水素量を検出する水素残量センサ３０２が設けられており、水素残量センサ３０２による検出結果は、制御装置３０に入力される。

【0034】

水素消費装置４００は、水素をエネルギー源とする装置であり、例えば、燃料電池フォークリフト、燃料電池自動車、水素飛行機、燃料電池プラント等、種々の水素をエネルギー源とする装置を適用可能である。水素消費装置４００は、水素貯留部３００を介して水電解システム１００に接続されており、水電解システム１００において生成された水素が供給される。水素消費装置４００は、必要な水素量（水素要求量）を、制御装置３０に対して出力する。

【0035】

図３は、制御装置３０における運転有無決定処理を示すフローチャートである。
制御装置３０は、水素消費装置４００から水素要求量ａ［Ｎｍ３］を受け付けると（ステップＳ１０２）、予定運転時間ｔ１を算出する（ステップＳ１０４）。予定運転時間ｔ１は、水電解装置５０において水素要求量ａ［Ｎｍ３］の水素を生成するのに要する時間である。制御装置３０は、予め記憶されている水電解装置５０の運転時間と水素生成量との関係を示すマップ、算出式等を用いて、予定運転時間ｔ１を算出する。なお、本実施形態では、水素要求量ａは、水素消費装置４００から入力されているが、他の実施形態では、水素消費装置４００と異なる入力装置により入力されてもよい。例えば、水電解システム１００に設けられた操作パネルや、水電解システム１００に接続されたキーボード等を利用して、人が入力してもよい。

【0036】

ステップＳ１０６では、制御装置３０は、予定運転時間ｔ１が運転時間閾値Ｔ１より小さいか否か判断する。運転時間閾値Ｔ１は、水電解装置５０のコールドスタートからの運転時間と水素製造原単位との関係において、水素製造原単位が略一定になる最小の時間に設定されている。水素製造原単位とは、水電解装置５０において単位水素量を製造するために必要な電力量である。本実施形態において、コールドスタートとは、水電解装置５０の運転が停止されてから所定の時間以上経過した後、運転を開始することとしている。所定の時間は、任意に設定可能であるが、水電解装置５０が十分に冷却される程度の時間を設定するのか好ましい。本実施形態では、当該所定の時間を、例えば、７時から２１時の運転を想定し、夜間の１０時間に設定している。この所定の時間を、以降、「運転停止継続時間閾値Ｔ２」と呼ぶ。

【0037】

図４は、運転時間と水素製造原単位との関係を概念的示す図である。図４の横軸は、水電解装置５０のコールドスタートからの運転時間である。図示するように、水素製造原単位は、コールドスタートからの運転時間が運転時間閾値Ｔ１までは、運転時間の長さに伴い低下し、運転時間閾値Ｔ１以降は、略一定となっている。発明者らは、コールドスタートからの運転時間と、水素製造原単位との関係を、水電解スタック１０に供給される水（以下、被電解水とも呼ぶ）の温度が異なる複数の月について調べた。水素製造原単位には、水温が大きく影響すると考えられるためである。その結果、コールドスタートからの運転時間と、水素製造原単位との関係は、複数の月の間で、略一致し、図４に示すような関係が得られた。その理由は、以下の通りと考えられる。被電解水の水温が高い程、電気分解に対して必要な電気エネルギーが減少する。そのため、被電解水の温度が低いときは、水温が上昇するまで電気分解における電力消費量が大きく、水電解スタック１０の温度制御をするためのチラー電力は小さい。一方、被電解水の温度が高いときは、水温がすぐに上昇するので、電気分解における電力消費量が少なく、チラー電力が大きい。このバランスにより、水温が異なる複数の月において、同様の傾向が得られたと考えられる。ここで、水素製造原単位の算出に用いる電力量は、水電解システム１００全体で消費される電力量である。また、図４は、上記調査により得られた離散的データを、値が収束するような近似曲線で示したものである。近似曲線としては、累乗近似を使用した。

【0038】

図４に示すように、運転時間が運転時間閾値Ｔ１以上では、運転時間閾値Ｔ１より短い場合より水素製造原単位が低く、略一定である。そのため、運転時間閾値Ｔ１以上の時間、水電解装置５０を運転させることにより、水電解装置５０の効率を良好にすることができる。

【0039】

図３に示すように、予定運転時間ｔ１が運転時間閾値Ｔ１以上の場合(ステップＳ１０６においてＮＯ）、制御装置３０は、水電解装置５０を運転させることを決定し（ステップＳ１１２）、運転有無決定処理を終了し、水電解装置５０の運転を開始する。水電解装置５０の運転方法については、後述する。上述の通り、運転時間が運転時間閾値Ｔ１より長いと、水電解装置５０の効率を良好にすることができる。

【0040】

一方、予定運転時間ｔ１が運転時間閾値Ｔ１より小さい場合(ステップＳ１０６においてＹＥＳ）、制御装置３０は、ステップＳ１０８へ進む。

【0041】

ステップＳ１０８では、制御装置３０は、運転停止継続時間ｔ２が運転停止継続時間閾値Ｔ２より大きいか否か判断する。本実施形態において、運転停止継続時間ｔ２は、水電解装置５０の運転を停止してから、水素要求量ａの入力を受け付けるまでの時間である。水電解装置５０の運転停止は、全ての水電解スタック１０に対する電力供給または水の供給が停止されたときとしている。ステップＳ１０８では、制御装置３０は、受付けた水素要求量ａの水素を、水電解装置５０において製造する場合に、水電解装置５０がコールドスタートの状態であるか否かを、判断している。

【0042】

運転停止継続時間ｔ２が運転停止継続時間閾値Ｔ２以下の場合（ステップＳ１０８においてＮＯ）、制御装置３０は、水電解装置５０を運転させることを決定し（ステップＳ１１２）、運転有無決定処理を終了し、水電解装置５０の運転を開始する。このとき、水電解装置５０はコールドスタートの状態ではなく、水電解装置５０の効率を良好にすることができる。

【0043】

一方、運転停止継続時間ｔ２が運転停止継続時間閾値Ｔ２より大きい場合(ステップＳ１０６においてＹＥＳ）、制御装置３０は、ステップＳ１１０へ進む。

【0044】

ステップＳ１１０では、制御装置３０は、水素貯留部３００内の水素貯留量ｂ［Ｎｍ３］から水素要求量ａ［Ｎｍ３］を減じた量が所定の貯留閾値ｃ［Ｎｍ３］より大きいか否か判断する。貯留閾値ｃは、余裕量としての値であり、任意に設定可能である。本実施形態では、例えば、一日の平均使用量に設定している。水素貯留量として、水素貯留部３００に設けられた水素残量センサ３０２から入力される測定結果を用いる。

【0045】

ステップＳ１１０の算出結果において、水素貯留部３００内の水素貯留量ｂから水素要求量ａを減じた量が所定の貯留閾値ｃ以下の場合（ステップＳ１１０において、ＮＯ）、制御装置３０は、水電解装置５０を運転させることを決定し（ステップＳ１１２）、運転有無決定処理を終了し、水電解装置５０の運転を開始する。すなわち、水素貯留部３００に貯留された水素から水素要求量ａの水素を、水素消費装置４００に対して供給すると、水素貯留部３００内に残る水素の量が貯留閾値ｃ以下になってしまう場合には、水電解装置５０を運転させる。このようにすると、貯留閾値ｃより多い量の水素を水素貯留部３００に貯留しておくことができる。

【0046】

一方、水素貯留部３００内の水素貯留量ｂから水素要求量ａを減じた量が所定の貯留閾値ｃより大きい場合（ステップＳ１１０において、ＹＥＳ）、制御装置３０は、水電解装置５０を運転しないことを決定し（ステップＳ１１４）、運転有無決定処理を終了する。そして、制御装置３０は、水素貯留部３００を制御して、水素貯留部３００に貯留されている水素から水素要求量ａの水素を、水素消費装置４００に供給させる。すなわち、制御装置３０は、水電解装置５０を運転させず、水素貯留部３００内に貯留されている水素を、水素消費装置４００に供給させる。

【0047】

制御装置３０が、ステップＳ１０６、ステップＳ１０８、およびステップＳ１１０において、満たすか否か判断する３つの条件を全て満たすという条件を、「運転停止条件」とも呼ぶ。

【0048】

上述の通り、制御装置３０は、運転有無決定処理において水電解装置５０を運転することを決定する（ステップＳ１１２）と、水電解装置５０の運転を開始する。制御装置３０は水電解装置５０の運転を開始すると、水供給部４０（図１）を制御して、全ての水電解スタック１０に水を供給させ、以下に説明する供給電力制御を行う。

【0049】

図５は、制御装置３０における供給電力制御の説明図である。図５の左側には、電力供給部２０に入力される入力電力の経時変化を示す。図５の右側には、入力電力の変動に対応する電力分配を示す。図に示す「Ｉ_LOW」は、下限電流値（後述する）である。

【0050】

上述の通り、電源２００は再生可能エネルギー源であり、発電量が変動するため、電力供給部２０に入力される入力電力は、図示するように変動する。本実施形態の制御装置３０は、１個の水電解スタック１０に供給する電流が下限電流値Ｉ_LOW以上になるように、作動水電解スタックの数を決定する。具体的には、入力電力から、下限電流値Ｉ_LOWで電力を供給可能な水電解スタック１０の最大数を、作動させる水電解スタック１０の個数として決定し、決定した個数の水電解スタック１０に、入力電力を均等に分配する。すなわち、本実施形態の水電解システム１００において、水電解システム１００は、常に、下限電流値Ｉ_LOW以上の電力で運転される。

【0051】

図５に示す例では、時間＜１＞のとき、１個の水電解スタック１０に下限電流値Ｉ_LOWで電力を供給すると、入力電力の残りが下限電流値Ｉ_LOWより小さいため、制御装置３０は、電力を供給する水電解スタック１０（作動水電解スタック）の個数を１個と決定し、入力電力の全てを第１水電解スタック１１（図１）のみに供給する。

【0052】

時間＜２＞のとき、２個の水電解スタック１０に下限電流値Ｉ_LOWで電力を供給すると、入力電力の残りが０のため、制御装置３０は、作動水電解スタックの個数を２個と決定し、入力電力を、第１水電解スタック１１と第２水電解スタック１２に、下限電流値Ｉ_LOWで均等に分配する。

【0053】

時間＜３＞のとき、２個の水電解スタック１０に下限電流値Ｉ_LOWで電力を供給すると、入力電力の残りが下限電流値Ｉ_LOWより小さいため、制御装置３０は、作動水電解スタックの個数を２個と決定する。そして、入力電力の残りを第１水電解スタック１１と第２水電解スタック１２に均等に分配し、下限電流値Ｉ_LOWと合わせて下限電流値Ｉ_LOWより大きい電流密度で、第１水電解スタック１１と第２水電解スタック１２に均等に分配する。

【0054】

時間＜４＞のとき、４個の水電解スタック１０に下限電流値Ｉ_LOWで電力を供給しても、入力電力が余るため、制御装置３０は、作動水電解スタックの個数を４個（すべて）と決定する。そして、入力電力の残りを４個の水電解スタック１０に均等に分配し、下限電流値Ｉ_LOWと合わせて下限電流値Ｉ_LOWより大きい電流密度で、４個の水電解スタック１０の全てに均等に分配する。

【0055】

このように、本実施形態の水電解システム１００では、作動水電解スタックの個数に応じて水電解スタック１０を選択する際、第１水電解スタック１１から昇順に（数の小さいものから大きいものへ）選択する。

【0056】

図６は、本実施形態の下限電流値Ｉ_LOWの説明図である。図６では、水電解スタック１０における電流密度と総合電力効率との関係を、電解質膜１ａの膜厚みが互いに異なる４種類（１０μｍ、２５μｍ、５０μｍ、１７５μｍ）の水電解セルについて図示している。ここで、総合電流効率は、水電解スタック１０の電力効率と電源２００の電源効率の積である（後述する）。本実施形態において、下限電流値Ｉ_LOWより低い電流は、水電解スタック１０に供給されないため、図６では、各膜厚みについて、下限電流値Ｉ_LOWより低い電流密度を、点線で図示している。図示するように、下限電流値は、電解質膜１ａの膜厚みによって異なる。膜厚みが２５μｍの電解質膜１ａを用いた場合について示すように、本実施形態の下限電流値Ｉ_LOWは、総合電力効率が最大になる電流値Ｉ_Mより高い。膜厚みが１０μｍの場合も同様に、下限電流値Ｉ_LOWは、総合電力効率が最大になる電流値より高い。膜厚みが５０μｍの電解質膜１ａを用いた場合は、下限電流値Ｉ_LOWは、総合電力効率が最大になる電流値Ｉと、ほぼ一致している。膜厚みが１７５μｍの電解質膜１ａを用いた場合は、下限電流値Ｉ_LOWは、ほぼ０であり、全電流域を利用することができる。本実施形態において、各膜厚について、作動水電解スタックの１個当たりの電流効率が９８％以上となり、かつ、電源２００の電源効率と、作動水電解スタックの１個当たりの電力効率と、の積である総合電力効率が最大となる電流を、下限電流値Ｉ_LOWとしている。下限電流値Ｉ_LOWは、例えば、特願２０２０－８８１５３に記載された方法により決定することができる。

【0057】

制御装置３０がこのように水電解装置５０を運転させると、電源２００から入力される入力電力に応じて作動させる水電解スタック１０の数を決定することができる。そして、作動させる水電解スタック１０のそれぞれに、下限電流値Ｉ_LOW以上の電流の電力を供給することができる。そのため、水電解スタック１０に対する供給電力の低電流化を抑制することができ、低電流による電解質膜の劣化を抑制することができる。また、作動水電解スタックの１個当たりの電流効率が９８％以上となり、かつ、電源２００の電源効率と、作動水電解スタックの１個当たりの電力効率と、の積である総合電力効率が最大となる電流を、下限電流値Ｉ_LOWとしているため、水電解スタック１０の電力効率を適切にすることができる。

【0058】

以上説明したように、本実施形態の水電解システム１００によれば、制御装置３０が水素要求量ａを受け付けたときに、常に、水電解装置５０を運転させるのではなく、運転停止条件を満たすか否か判断し、運転停止条件を満たす場合には、水電解装置５０を運転させず、運転停止条件を満たさない場合に、水電解装置５０を運転させる。運転停止条件を、水電解装置５０の効率が悪くなる条件に設定しており、運転停止条件を満たす場合に、水電解装置５０を運転させないため、効率が悪い条件で水電解装置５０が運転されることが低減される。その結果、水電解装置５０の効率を向上させることができる。

【0059】

運転停止条件は、３つの条件から構成されており、１つの条件でも満たさなければ、運転停止条件は満たされないため、水電解装置５０の運転が行われる。そのため、予定運転時間ｔ１が運転時間閾値Ｔ１以上であれば、水電解装置５０の運転が行われる。上述の通り、運転時間が運転時間閾値Ｔ１以上であれば、コールドスタートであっても、効率が良いため、水電解装置５０の効率を向上させることができる。また、予定運転時間ｔ１が運転時間閾値Ｔ１より短くても、コールドスタートでなければ、水電解装置５０の運転が行われる。コールドスタートでなければ、水電解装置５０の効率が良いため、水電解装置５０の効率を向上させることができる。

【0060】

また、予定運転時間ｔ１が運転時間閾値Ｔ１より短く、かつコールドスタートであって、水素貯留部３００内の水素によって水素要求量ａを供給することができても、水素要求量ａを供給した残りの貯留量が貯留閾値ｃ以下の場合には、水電解装置５０を運転する。そのため、水素貯留部３００内の水素貯留量を貯留閾値ｃ以上に維持することができる。

【0061】

また、本実施形態の制御装置３０によれば、水電解装置５０の効率が低くなる場合には、水電解装置５０を運転させないことにより、水電解装置の効率を向上させるため、制御を簡易化することができる。そのため、演算資源を小さくすることができる。また、特許文献１に記載の技術と比較すると、温度センサを要さないため、水電解システムの部品点数の増加を抑制することができる。そのため、システムの複雑化の抑制、小型化、コスト低減に資することができる。

【0062】

また、本実施形態の水電解システム１００によれば、電源２００から入力される入力電力に応じて作動させる水電解スタック１０の数を決定することができる。そして、作動させる水電解スタックのそれぞれに、下限電流値Ｉ_LOW以上の電流の電力を供給することができる。入力電力が変動して、入力電力が小さい場合に、４個の水電解スタックの全てに均等に電力を分配する場合と比較して、供給電力の低電流化を抑制することができる。低電流条件では、水素および酸素が電解質膜を透過する現象（一般に、「クロスリーク」とも言われる）により、触媒上で酸素と水とが反応して過酸化水素が発生し、電解質膜を分解することで、水電解スタックの劣化が生じる可能性がある。本実施形態の水電解システム１００によれば、供給電力の低電流化を抑制することができるため、電解質膜の劣化を抑制することができる。

【0063】

＜本実施形態の変形例＞
本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

【0064】

・上記実施形態における運転有無決定処理を、特願２０２０－８８１５３、特開２０２０－８４２５９号公報に記載された水電解システムに適用してもよい。当該水電解システムに適用する場合、本実施形態と同様に、水電解システムにおいて生成された水素が流れる流路の下流に、水素貯留部３００を接続すると共に、水素貯留部３００に水素消費装置４００を接続し、水電解システムにおいて生成された水素が、水素貯留部３００を介して水素消費装置４００に供給される構成にするのが好ましい。

【0065】

・水電解装置５０は、上記実施形態に限定されず、任意の水電解装置に適用することができる。例えば、１つの水電解スタック１０を備える構成にしてもよい。また、ＰＥＭ（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ：固体高分子電解質膜）形の水電解装置に限らず、アルカリ形、ＳＯＥＣ（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ Ｃｅｌｌ：固体酸化物型水電解）等、種々の水電解装置を用いることができる。

【0066】

・また、運転有無決定処理において、運転させることを決定した後の水電解装置の運転方法は、上記実施形態に限定されず、任意の運転方法を採用することができる。例えば、電源２００から供給される電力を、４つの水電解スタック１０に均等に分配してもよい。

【0067】

・上記実施形態において、水電解装置５０がコールドスタートの状態であることを、運転停止継続時間ｔ２が運転停止継続時間閾値Ｔ２以上であることにより判断する例を示したが、水電解装置５０がコールドスタートの状態であることは、別の条件により判断してもよい。例えば、制御装置３０が水素要求量ａを受付けたときの水電解スタック１０の温度に基づいて判断してもよい。水電解スタック１０の温度としては、例えば、水電解スタック１０への水の供給口内の温度、水電解スタック１０の温度調節をするための熱媒体の温度等を用いることができる。これらの温度が低温（効率が悪い任意の値を設定）の場合にコールドスタートと判断することができる。

【0068】

・上記実施形態において、水電解システム１００において生成された水素が水素貯留部３００を介して水素消費装置４００に供給される例を示したが、これに限定されない。例えば、水電解システム１００から、水素貯留部３００を介さず水素消費装置４００に水素を供給する流路をさらに備える構成にしてもよい。

【0069】

・上記実施形態において、運転時間閾値Ｔ１を、水電解装置５０のコールドスタートからの運転時間と水素製造原単位との関係において、水素製造原単位が略一定になる最小の時間に設定しているが、これに限定されず、最小の時間の近傍に設定することができる。ここで、近傍の範囲を、水素製造原単位が略一定になる最小の時間の±αとしたとき、αを、以下のように定義することができる。運転時間が（水素製造原単位が略一定になる最小の時間－α）のときの水素製造原単位と、運転時間が水素製造原単位が略一定になる最小の時間のときの水素製造原単位との差が、図４に示す運転時間と水素製造原単位との関係における水素製造原単位の最大値と、一定の値に収束した値（収束値）との差の１０％になる。このようにしても、水電解装置５０の効率を向上させることができる。

【0070】

以上、実施形態、変形例に基づき本発明について説明してきたが、上記した態様の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれる。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することができる。

【符号の説明】

【0071】

１…ＭＥＡ
１ａ…電解質膜
１ｂ…酸素極
１ｃ…水素極
２、３…ガスケット
４…セパレータ
５、６…給電体
１０…水電解システム
１０、１１、１２、１３、１４…水電解スタック
１０Ｃ…水電解セル
２０…電力供給部
３０…制御部
４０…水供給部
５０…水電解装置
１００…水電解システム
２００…電源
３００…水素貯留部
３０２…水素残量センサ
４００…水素消費装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】