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(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】P2023019061
(43)【公開日】2023-02-09
(54)【発明の名称】水素生成システム、および水素生成システムの運用方法
(51)【国際特許分類】
H01M 8/04 20160101AFI20230202BHJP
H01M 8/0656 20160101ALI20230202BHJP
H01M 8/04858 20160101ALI20230202BHJP
H01M 8/04828 20160101ALI20230202BHJP
H01M 8/04014 20160101ALI20230202BHJP
H01M 8/04694 20160101ALI20230202BHJP
C01B 3/56 20060101ALI20230202BHJP
C01B 3/00 20060101ALI20230202BHJP
B01D 53/26 20060101ALI20230202BHJP
H01M 8/12 20160101ALN20230202BHJP
【ＦＩ】
H01M8/04 N
H01M8/0656
H01M8/04 J
H01M8/04858
H01M8/04828
H01M8/04014
H01M8/04694
C01B3/56 Z
C01B3/00 Z
B01D53/26 231
H01M8/12 101
【審査請求】未請求
【請求項の数】10
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021123527
(22)【出願日】2021-07-28
(71)【出願人】
【識別番号】000005119
【氏名又は名称】日立造船株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000338
【氏名又は名称】弁理士法人 ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ
(72)【発明者】
【氏名】八巻 昌宏
【テーマコード（参考）】
4D052
4G140
5H126
5H127
【Ｆターム（参考）】
4D052AA02
4D052CD01
4D052DA02
4D052DB01
4G140AB01
4G140FA02
4G140FB02
4G140FC02
4G140FE01
5H126BB06
5H127AA07
5H127AB27
5H127AC15
5H127BA02
5H127BA14
5H127BA23
5H127BA52
5H127BA59
5H127BB04
5H127BB39
5H127DC01
5H127DC07
5H127DC21
5H127DC86
5H127DC90
(57)【要約】
【課題】水素ガスを発生させつつ、より効率的に除湿器の再生を実施する。
【解決手段】水素生成システム（２）は、水電解により少なくとも水素ガスを生成する電解装置（４）と、気体の除湿を行う除湿装置（１２）と、水素ガスを燃料として発電する燃料電池（２０）と、各部の動作を制御する制御部（７２）とを備える。制御部は、電解装置からの水素ガスの、除湿装置による除湿と、燃料電池の稼働に伴い生じる、燃料電池からの排熱を少なくとも利用した除湿装置の再生とを制御する。
【選択図】図１
【解決手段】水素生成システム（２）は、水電解により少なくとも水素ガスを生成する電解装置（４）と、気体の除湿を行う除湿装置（１２）と、水素ガスを燃料として発電する燃料電池（２０）と、各部の動作を制御する制御部（７２）とを備える。制御部は、電解装置からの水素ガスの、除湿装置による除湿と、燃料電池の稼働に伴い生じる、燃料電池からの排熱を少なくとも利用した除湿装置の再生とを制御する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
水電解により少なくとも水素ガスを生成する電解装置と、
気体の除湿を行う除湿装置と、
水素ガスを燃料として発電する燃料電池と、
前記電解装置からの水素ガスの少なくとも一部を前記除湿装置に供給する水素ガス除湿ラインと、
前記燃料電池の稼働に伴い生じる前記燃料電池からの排熱の少なくとも一部を前記除湿装置に供給する排熱供給ラインと、
前記電解装置、前記除湿装置、および前記燃料電池の動作を制御し、前記電解装置からの水素ガスの前記除湿装置による除湿と、前記排熱を少なくとも利用した前記除湿装置の再生とを制御する制御部とを備えた水素生成システム。
気体の除湿を行う除湿装置と、
水素ガスを燃料として発電する燃料電池と、
前記電解装置からの水素ガスの少なくとも一部を前記除湿装置に供給する水素ガス除湿ラインと、
前記燃料電池の稼働に伴い生じる前記燃料電池からの排熱の少なくとも一部を前記除湿装置に供給する排熱供給ラインと、
前記電解装置、前記除湿装置、および前記燃料電池の動作を制御し、前記電解装置からの水素ガスの前記除湿装置による除湿と、前記排熱を少なくとも利用した前記除湿装置の再生とを制御する制御部とを備えた水素生成システム。
【請求項2】
前記燃料電池からの電力の少なくとも一部を前記電解装置に供給する第１電源線をさらに備え、
前記制御部は、さらに、前記第１電源線を介した、前記燃料電池から前記電解装置への電力供給を制御する請求項１に記載の水素生成システム。
前記制御部は、さらに、前記第１電源線を介した、前記燃料電池から前記電解装置への電力供給を制御する請求項１に記載の水素生成システム。
【請求項3】
再生可能エネルギーを利用して発電を行う発電装置からの電力の少なくとも一部を前記電解装置に供給する第２電源線をさらに備え、
前記制御部は、さらに、前記第２電源線を介した、前記発電装置から前記電解装置への電力供給を制御する請求項１または２に記載の水素生成システム。
前記制御部は、さらに、前記第２電源線を介した、前記発電装置から前記電解装置への電力供給を制御する請求項１または２に記載の水素生成システム。
【請求項4】
前記除湿装置の再生は、少なくとも、前記電解装置にて生成された水素ガスの少なくとも一部を利用して実行され、
前記制御部は、さらに、前記除湿装置の、前記電解装置にて生成された水素ガスによる再生を制御する請求項１から３の何れか１項に記載の水素生成システム。
前記制御部は、さらに、前記除湿装置の、前記電解装置にて生成された水素ガスによる再生を制御する請求項１から３の何れか１項に記載の水素生成システム。
【請求項5】
前記除湿装置による除湿を経て乾燥した水素ガスの少なくとも一部と、前記燃料電池からの排熱を含む排気との、熱交換を行う熱交換器をさらに備え、
前記制御部は、さらに、少なくとも、前記熱交換器からの水素ガスの少なくとも一部を利用した、前記除湿装置の再生を制御する請求項１から４の何れか１項に記載の水素生成システム。
前記制御部は、さらに、少なくとも、前記熱交換器からの水素ガスの少なくとも一部を利用した、前記除湿装置の再生を制御する請求項１から４の何れか１項に記載の水素生成システム。
【請求項6】
前記除湿装置の再生により湿潤した水素ガスの少なくとも一部を、前記燃料電池に供給する湿潤水素ガス供給ラインをさらに備え、
前記制御部は、さらに、前記湿潤水素ガス供給ラインを介した、前記除湿装置から前記燃料電池への、湿潤した前記水素ガスの供給を制御する請求項１から５の何れか１項に記載の水素生成システム。
前記制御部は、さらに、前記湿潤水素ガス供給ラインを介した、前記除湿装置から前記燃料電池への、湿潤した前記水素ガスの供給を制御する請求項１から５の何れか１項に記載の水素生成システム。
【請求項7】
前記除湿装置による除湿を経て乾燥した水素ガスの少なくとも一部を、水素ガスを貯留する水素ガス貯留装置に供給する水素ガス貯留ラインと、
前記水素ガス貯留装置に貯留された水素ガスの少なくとも一部を、前記燃料電池に供給する貯留水素ガス供給ラインとをさらに備え、
前記制御部は、さらに、前記水素ガス貯留ラインを介した、前記除湿装置から前記水素ガス貯留装置への水素ガスの供給と、前記貯留水素ガス供給ラインを介した、前記水素ガス貯留装置から前記燃料電池への水素ガスの供給とを制御する請求項１から６の何れか１項に記載の水素生成システム。
前記水素ガス貯留装置に貯留された水素ガスの少なくとも一部を、前記燃料電池に供給する貯留水素ガス供給ラインとをさらに備え、
前記制御部は、さらに、前記水素ガス貯留ラインを介した、前記除湿装置から前記水素ガス貯留装置への水素ガスの供給と、前記貯留水素ガス供給ラインを介した、前記水素ガス貯留装置から前記燃料電池への水素ガスの供給とを制御する請求項１から６の何れか１項に記載の水素生成システム。
【請求項8】
前記電解装置は、水電解によりさらに酸素ガスを生成し、
前記燃料電池は、さらに酸素ガスを酸化剤として発電し、
前記電解装置からの酸素ガスの少なくとも一部を、前記燃料電池に供給する酸素ガス供給ラインをさらに備え、
前記制御部は、さらに、前記酸素ガス供給ラインを介した、前記電解装置から前記燃料電池への酸素ガスの供給を制御する請求項１から７の何れか１項に記載の水素生成システム。
前記燃料電池は、さらに酸素ガスを酸化剤として発電し、
前記電解装置からの酸素ガスの少なくとも一部を、前記燃料電池に供給する酸素ガス供給ラインをさらに備え、
前記制御部は、さらに、前記酸素ガス供給ラインを介した、前記電解装置から前記燃料電池への酸素ガスの供給を制御する請求項１から７の何れか１項に記載の水素生成システム。
【請求項9】
前記除湿装置は、少なくとも二つの除湿器を含み、
前記制御部は、少なくとも一つの前記除湿器による除湿を経て乾燥した水素ガスの少なくとも一部利用した、他の少なくとも一つの前記除湿器の再生を制御する請求項１から８の何れか１項に記載の水素生成システム。
前記制御部は、少なくとも一つの前記除湿器による除湿を経て乾燥した水素ガスの少なくとも一部利用した、他の少なくとも一つの前記除湿器の再生を制御する請求項１から８の何れか１項に記載の水素生成システム。
【請求項10】
水電解により少なくとも水素ガスを生成する電解装置と、前記水素ガスの少なくとも一部の除湿を行う除湿装置とを備えた水素生成システムの運用方法であって、
水素ガスを燃料として発電する燃料電池の稼働に伴い生じる、該燃料電池からの排熱の少なくとも一部を利用して、前記除湿装置の再生を実行する水素生成システムの運用方法。
水素ガスを燃料として発電する燃料電池の稼働に伴い生じる、該燃料電池からの排熱の少なくとも一部を利用して、前記除湿装置の再生を実行する水素生成システムの運用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、水素生成システム、および当該水素生成システムの運用方法に関する。
【背景技術】
【0002】
水の電解により水素ガスを得て、燃料電池の燃料等に利用する技術が従来から知られている。水の電解により得られる水素ガスは湿度が高いため、水素ガスの除湿を行ってから、水素ガスの貯留または使用を実施する場合があり、このような場合、除湿器等による水素ガスの除湿を実施する。特許文献１は、気体の除湿に用いられる除湿器を再生する手法について開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０２０－１８２８９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
従来の除湿器の再生には、ヒータ等の加熱装置を別途稼働させる必要があった。
【課題を解決するための手段】
【0005】
上記の課題を解決するために、本開示の一態様に係る水素生成システムは、水電解により少なくとも水素ガスを生成する電解装置と、気体の除湿を行う除湿装置と、水素ガスを燃料として発電する燃料電池と、前記電解装置からの水素ガスの少なくとも一部を前記除湿装置に供給する水素ガス除湿ラインと、前記燃料電池の稼働に伴い生じる前記燃料電池からの排熱の少なくとも一部を前記除湿装置に供給する排熱供給ラインと、前記電解装置、前記除湿装置、および前記燃料電池の動作を制御し、前記電解装置からの水素ガスの前記除湿装置による除湿と、前記排熱を少なくとも利用した前記除湿装置の再生とを制御する制御部とを備える。
【0006】
また、本開示の他の一態様に係る水素生成システムの運用方法は、水電解により少なくとも水素ガスを生成する電解装置と、前記水素ガスの少なくとも一部の除湿を行う除湿装置とを備えた水素生成システムの運用方法であって、水素ガスを燃料として発電する燃料電池の稼働に伴い生じる、該燃料電池からの排熱の少なくとも一部を利用して、前記除湿装置の再生を実行する。
【発明の効果】
【0007】
本開示の一態様によれば、水素ガスを発生させつつ、より効率的に除湿器の再生を実施できる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】実施形態１に係る水素生成システムの模式図である。
【図2】実施形態１に係る水素生成システムの第１運用モードを説明するための水素生成システムの模式図である。
【図3】実施形態１に係る水素生成システムの第２運用モードを説明するための水素生成システムの模式図である。
【図4】実施形態１に係る水素生成システムの第３運用モードを説明するための水素生成システムの模式図である。
【図5】実施形態１に係る水素生成システムの第４運用モードを説明するための水素生成システムの模式図である。
【図6】実施形態１に係る水素生成システムの第５運用モードを説明するための水素生成システムの模式図である。
【図7】実施形態１に係る水素生成システムの第６運用モードを説明するための水素生成システムの模式図である。
【図8】実施形態２に係る水素生成システムの模式図である。
【図9】実施形態２に係る水素生成システムの第７運用モードを説明するための水素生成システムの模式図である。
【図10】実施形態２に係る水素生成システムの第８運用モードを説明するための水素生成システムの模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
〔実施形態１〕
＜水素生成システム＞
図１は、本実施形態に係る水素生成システムの模式図である。図１においては、後に後述する、水素生成システムの稼働のために利用される施設、または、水素生成システムからの水素等が供給される施設等についても図示されている。
＜水素生成システム＞
図１は、本実施形態に係る水素生成システムの模式図である。図１においては、後に後述する、水素生成システムの稼働のために利用される施設、または、水素生成システムからの水素等が供給される施設等についても図示されている。
【0010】
図１に示す水素生成システム２は、電解装置４を備える。電解装置４は、水電解により少なくとも水素ガスを生成する装置であり、例えば、純水が充填された電解槽６と、当該電解槽６内の純水に浸漬した陰極８および陽極１０とを含む。電解装置４は、陰極８と陽極１０との間に電位差をかけることにより、電解槽６内の純水を電解して、少なくとも陰極８において水素ガスを生成する。電解装置４は、さらに、水電解によって陽極１０において酸素ガスを生成してもよい。電解装置４は、例えば、電解装置４の外部から純水の供給を受けてもよい。
【0011】
水素生成システム２は、除湿装置１２を備える。除湿装置１２は、外部から導入された気体の湿度を低減する、換言すれば、気体の除湿を行う装置であり、例えば、図１に示すように、第１除湿器１４と、第２除湿器１６とを備える。第１除湿器１４および第２除湿器１６は、例えば、水分を吸着可能な吸湿剤により、導入された気体の除湿を行う。なお、第１除湿器１４および第２除湿器１６は、従来公知の気体の除湿を行う除湿器を採用可能である。例えば、第１除湿器１４と第２除湿器１６とは、同一の構成を備えた除湿器であってもよい。
【0012】
本実施形態において、第１除湿器１４および第２除湿器１６は、高温かつ乾燥した気体を導入することにより、それぞれが備える吸湿剤を乾燥させることができる。これにより、本実施形態においては、除湿装置１２の再生が可能である。除湿装置１２の再生の具体的な方法については後に詳述する。
【0013】
本実施形態において、除湿装置１２はさらに熱交換器１８を備える。熱交換器１８は、外部から導入された２種の気体の熱交換を行う。例えば、熱交換器１８に第１の気体と、該第１の気体より低温の第２の気体とを導入した場合、熱交換器１８は、第１の気体の温度を低下させ、第２の気体の温度を上昇させた上で、第１の気体と第２の気体とのそれぞれを排出する。熱交換器１８には、気体の熱交換を行う従来公知の熱交換器を採用できる。
【0014】
水素生成システム２は、燃料電池２０を備える。燃料電池２０は、水素ガスを燃料として発電を行う装置であり、例えば、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。燃料電池２０は、例えば、図１に示す通り、水素極２２と空気極２４とを備える。燃料電池２０は、例えば、水素極２２に導入された水素ガスを燃料とし、空気極２４に導入された酸素ガスを含む空気を酸化剤とし、燃料と酸化剤との反応によって発電を行う。燃料電池２０の稼働に伴い、燃料電池２０からは電力の他に上述した反応に伴う排熱が生じる。燃料電池２０がＳＯＦＣである場合、例えば、燃料電池２０からは７００℃程度の排熱が得られる。
【0015】
＜気体輸送ラインおよび弁＞
水素生成システム２は、種々の気体が流動する複数の気体輸送ラインを備える。また、水素生成システム２は、上述した気体輸送ラインのそれぞれを流動する気体の流量を調節する複数の弁を備える。水素生成システム２が備える弁は、例えば、開放の程度により気体の流量を変更可能な電動弁であってもよい。なお、本明細書の各図の各気体輸送ラインに示された矢印は、各気体輸送ラインにおける気体の主な流動方向を示す。
水素生成システム２は、種々の気体が流動する複数の気体輸送ラインを備える。また、水素生成システム２は、上述した気体輸送ラインのそれぞれを流動する気体の流量を調節する複数の弁を備える。水素生成システム２が備える弁は、例えば、開放の程度により気体の流量を変更可能な電動弁であってもよい。なお、本明細書の各図の各気体輸送ラインに示された矢印は、各気体輸送ラインにおける気体の主な流動方向を示す。
【0016】
水素生成システム２は、電解装置４の陰極８において発生した水素ガスを除湿装置１２へ輸送する水素ガス除湿ライン２６を備える。水素ガス除湿ライン２６は、例えば、陰極８からの水素ガスを第１除湿器１４に供給する第１水素ガス除湿ライン２８と、陰極８からの水素ガスを第２除湿器１６に供給する第２水素ガス除湿ライン３０とに分岐する。第１水素ガス除湿ライン２８および第２水素ガス除湿ライン３０には、それぞれ、弁Ｂ１および弁Ｂ２が形成されている。
【0017】
水素生成システム２は、除湿装置１２の第１除湿器１４からの水素ガスを、除湿装置１２の外部に輸送する第１水素ガス供給ライン３２を備える。第１水素ガス供給ライン３２は、第１燃料供給ライン３４と第１水素ガス貯留ライン３６とに分岐する。第１燃料供給ライン３４は、第１除湿器１４からの水素ガスを燃料電池２０の水素極２２に供給する。第１水素ガス貯留ライン３６は、第１除湿器１４からの水素ガスを、水素生成システム２の外部に位置する水素ガス貯留装置Ｒに供給する。第１燃料供給ライン３４および第１水素ガス貯留ライン３６には、それぞれ、弁Ｂ３および弁Ｂ４が形成されている。
【0018】
ここで、水素ガス貯留装置Ｒは、例えば、水素吸蔵合金を含み、水素ガスを少なくとも一時的に貯留することができる装置である。本実施形態において、水素生成システム２は、水素ガス貯留装置Ｒが貯留する水素ガスを燃料電池２０の水素極２２に供給する貯留水素ガス供給ライン３８を備える。貯留水素ガス供給ライン３８には、弁Ｂ５が形成されている。
【0019】
水素生成システム２は、除湿装置１２の第２除湿器１６からの水素ガスを、除湿装置１２の外部に輸送する第２水素ガス供給ライン４０を備える。第２水素ガス供給ライン４０は、第２燃料供給ライン４２と第２水素ガス貯留ライン４４とに分岐する。第２燃料供給ライン４２は、第２除湿器１６からの水素ガスを燃料電池２０の水素極２２に供給する。第２水素ガス貯留ライン４４は、第２除湿器１６からの水素ガスを、前述の水素ガス貯留装置Ｒに供給する。第２燃料供給ライン４２および第２水素ガス貯留ライン４４には、それぞれ、弁Ｂ６および弁Ｂ７が形成されている。
【0020】
水素生成システム２は、燃料電池２０の稼働に伴い生じた排熱を含む排気を、除湿装置１２の熱交換器１８に輸送する第１排熱供給ライン４６を備える。また、水素生成システム２は、第１除湿器１４および第２除湿器１６からの水素ガスをそれぞれ熱交換器１８に輸送する第１熱交換ライン４８および第２熱交換ライン５０を備える。第１排熱供給ライン４６、第１熱交換ライン４８、および第２熱交換ライン５０には、それぞれ、弁Ｂ８、弁Ｂ９、および弁Ｂ１０が形成されている。
【0021】
本実施形態において、熱交換器１８は、第１排熱供給ライン４６を介して供給された燃料電池２０の排熱を含む排気と、第１熱交換ライン４８または第２熱交換ライン５０を介して供給された水素ガスとの間において、熱交換を行う。本実施形態においては、燃料電池２０の排熱を含む排気は、電解装置４が生成された水素ガスよりも高温である。このため、熱交換器１８は、上記熱交換により、温度の低下した排熱を含む排気と、温度の上昇した第１除湿器１４または第２除湿器１６からの水素ガスとを排出する。
【0022】
水素生成システム２は、熱交換器１８における熱交換の結果、温度が低下した排熱を含む排気を、水素生成システム２の外部に流出させる排気ライン５２を備える。また、水素生成システム２は、熱交換器１８における熱交換の結果、温度の上昇した第１除湿器１４および第２除湿器１６からの水素ガスを、それぞれ第２除湿器１６および第１除湿器１４に輸送する第１再生ライン５４および第２再生ライン５６を備える。排気ライン５２、第１再生ライン５４、および第２再生ライン５６には、それぞれ、弁Ｂ１１、弁Ｂ１２、および弁Ｂ１３が形成されている。
【0023】
なお、本実施形態において、熱交換器１８は、除湿装置１２の外部に位置してもよい。この場合、熱交換器１８を介して水素ガスまたは燃料電池２０の排熱を含む排気を輸送する各気体輸送ラインは、除湿装置１２の外部まで延伸していてもよい。
【0024】
水素生成システム２は、電解装置４の陽極１０において発生した酸素ガスを燃料電池２０に空気極２４へ輸送する酸素ガス供給ライン５８を備える。酸素ガス供給ライン５８には弁Ｂ１４が形成されている。燃料電池２０の空気極２４には、電解装置４からの酸素ガスに加えて、図示しない外気の取り込み口を介した空気が酸化剤として供給されてもよい。例えば、空気極２４には、外気と酸素ガスとが混合された混合ガスが供給されてもよい。この場合、燃料電池２０における、燃料である水素ガスと酸化剤である上記混合ガスとの反応をより促進させることができ、燃料電池２０をより高出力にて稼働させることができる。
【0025】
なお、一般に、燃料である水素ガスと酸化剤である酸素ガスを含む空気とを反応させて発電を行う燃料電池においては、当該反応の結果、電力および排熱の他に水蒸気が発生する。ここで、水素生成システム２は、燃料電池２０の稼働により生じた水蒸気を回収して液化し、電解装置４の電解槽６に供給してもよい。この場合、水素生成システム２は、燃料電池２０からの水蒸気から得られた水分中の不純物を取り除き純度を向上させるための精製装置を備えていてもよい。上記構成により、電解装置４の稼働による電解槽６中の純水の消費を低減することができる。
【0026】
＜電源線および制御部＞
水素生成システム２は、燃料電池２０の稼働により生成された電力の少なくとも一部を電解装置４に送電する第１電源線６０を備える。加えて、水素生成システム２は、当該水素生成システム２の外部に位置する発電装置Ｐの稼働により生成された電力の少なくとも一部を電解装置４に送電する第２電源線６２を備える。電解装置４は、第１電源線６０を介して送電された燃料電池２０からの電力と、第２電源線６２を介して送電された発電装置Ｐからの電力とにより稼働する。本実施形態において、発電装置Ｐは、例えば、太陽光発電、風力発電、地熱発電、波力発電、潮力発電等を含む、一般に再生可能エネルギーと称されるエネルギーを利用して発電を行う装置である。
水素生成システム２は、燃料電池２０の稼働により生成された電力の少なくとも一部を電解装置４に送電する第１電源線６０を備える。加えて、水素生成システム２は、当該水素生成システム２の外部に位置する発電装置Ｐの稼働により生成された電力の少なくとも一部を電解装置４に送電する第２電源線６２を備える。電解装置４は、第１電源線６０を介して送電された燃料電池２０からの電力と、第２電源線６２を介して送電された発電装置Ｐからの電力とにより稼働する。本実施形態において、発電装置Ｐは、例えば、太陽光発電、風力発電、地熱発電、波力発電、潮力発電等を含む、一般に再生可能エネルギーと称されるエネルギーを利用して発電を行う装置である。
【0027】
なお、水素生成システム２は、燃料電池２０の稼働により生成された電力の一部を、水素生成システム２の外部に位置する需要施設Ｃに送電する第３電源線６４を備えていてもよい。また、水素生成システム２は、燃料電池２０の稼働により生じた排熱の一部を、需要施設Ｃに輸送する第２排熱供給ライン６６を備えていてもよい。第２排熱供給ライン６６には弁Ｂ１５が形成されていてもよい。需要施設Ｃは、例えば、熱または電力を必要とする一般需要家またはその他の施設を含む。
【0028】
さらに、水素生成システム２は、燃料電池２０の稼働により生成された電力の一部を、除湿装置１２に送電する第４電源線６８を備えていてもよい。また、水素生成システム２は、発電装置Ｐの稼働により生成された電力の一部を、除湿装置１２に送電する第５電源線７０を備えていてもよい。燃料電池２０は、第４電源線６８を介して送電された燃料電池２０からの電力と、第５電源線７０を介して送電された発電装置Ｐからの電力とにより稼働してもよい。なお、燃料電池２０は、初期の稼働に必要な電力が外部から与えられたのち、自身が生成した電力によって稼働を継続してもよい。
【0029】
水素生成システム２は、各部の動作を制御する制御部７２を備える。制御部７２は、例えば、図示しない通信手段によって、電解装置４、除湿装置１２、および燃料電池２０の稼働を制御する。また、制御部７２は、各弁の開閉を制御することにより、各気体輸送ラインを介した各気体の流動量を制御する。さらに、制御部７２は、各電源線を介した電力の送電量を制御する。
【0030】
＜第１運用モード＞
本実施形態に係る水素生成システム２の運用方法について、図２から図５を参照してより詳細に説明する。図２から図５のそれぞれは、水素生成システムの各運用モードを説明するための水素生成システムの模式図である。以降、各図における弁のうちハッチング処理されたものは、当該弁が閉じられ、対応する気体輸送ラインにおける気体の流動が制限された状態であることを示す。また、各図における弁のうち白抜きのものは、当該弁が開放され、対応する気体輸送ラインにおける気体の流動が可能である状態であることを示す。
本実施形態に係る水素生成システム２の運用方法について、図２から図５を参照してより詳細に説明する。図２から図５のそれぞれは、水素生成システムの各運用モードを説明するための水素生成システムの模式図である。以降、各図における弁のうちハッチング処理されたものは、当該弁が閉じられ、対応する気体輸送ラインにおける気体の流動が制限された状態であることを示す。また、各図における弁のうち白抜きのものは、当該弁が開放され、対応する気体輸送ラインにおける気体の流動が可能である状態であることを示す。
【0031】
図２は、本実施形態における水素生成システム２の第１運用モードを示すための、水素生成システム２の模式図である。第１運用モードにおいては、弁Ｂ１、弁Ｂ３、弁Ｂ４、弁Ｂ１４、および弁Ｂ１５は開放されている。また、第１運用モードにおいては、弁Ｂ２、および弁Ｂ５～１３は閉塞されている。
【0032】
第１運用モードにおいて、電解装置４は、第２電源線６２を介して送電される発電装置Ｐからの電力により稼働する。電解装置４は、例えば、発電装置Ｐから１，０００ｋＷ程度の電力の供給を受ける。また、第１運用モードにおいて、電解装置４は、第１電源線６０を介して送電される燃料電池２０からの電力により稼働してもよい。電解装置４は、例えば、燃料電池２０から６２．５ｋＷ程度の電力の供給を受けてもよい。燃料電池２０の稼働方法については後述する。
【0033】
第１運用モードにおいて、上述した電力の供給を受けた電解装置４は、電解槽６における水電解により、陰極８において、例えば、２００Ｎｍ３－Ｈ２／ｈの水素ガスを生成する。なお、第１運用モードにおいて、電解装置４は、陽極１０において酸素ガスを生成し、酸素ガス供給ライン５８を介して、当該酸素ガスを燃料電池２０の空気極２４に輸送してもよい。
【0034】
陰極８において生成された水素ガスは、水素ガス除湿ライン２６および第１水素ガス除湿ライン２８を介して、除湿装置１２の第１除湿器１４に輸送される。なお、本実施形態において、第１運用モードは、例えば、第１除湿器１４の吸湿剤が乾燥した状態である等、第１除湿器１４による気体の除湿が可能である状態において実行される。このため、第１運用モードにおいて、第１除湿器１４に輸送された水素ガスは、第１除湿器１４により除湿される。なお、除湿装置１２の稼働は、第５電源線７０を介した発電装置Ｐからの電力供給により実施されてもよい。
【0035】
ここで、第１運用モードは、第２除湿器１６による気体の除湿を行うために、第２除湿器１６の再生を行う必要がある状態において実行される。例えば、第１運用モードにおいては、第２除湿器１６の吸湿剤が湿潤した状態である。このため、第１運用モードにおいては、陰極８からの水素ガスが第２除湿器１６に輸送されないように、第２水素ガス除湿ライン３０の弁Ｂ２が閉塞されている。
【0036】
一般に、水電解により生成された水素ガスは、生成される過程において水に接触するため、ある程度の湿度を有しており、例えば、露点が摂氏－２０度程度となる湿度を有している。このため、水電解により生成された水素ガスは、使用されるまたは貯留されるまでに除湿されてもよい。除湿装置１２の第１除湿器１４は、例えば、輸送された水素ガスの露点が摂氏－７０度程度となる湿度まで、水素ガスの除湿を行う。
【0037】
第１運用モードにおいて、第１除湿器１４における除湿を経た水素ガスの一部は、第１水素ガス供給ライン３２と第１燃料供給ライン３４とを介して、燃料電池２０の水素極２２に供給される。第１運用モードにおいて、燃料電池２０の水素極２２には、例えば、２５Ｎｍ３－Ｈ２／ｈの水素ガスが供給される。
【0038】
また、第１除湿器１４における除湿を経た水素ガスの他の一部は、第１水素ガス供給ライン３２と第１水素ガス貯留ライン３６とを介して、水素ガス貯留装置Ｒに貯留される。第１運用モードにおいて、水素ガス貯留装置Ｒには、例えば、１７５Ｎｍ３－Ｈ２／ｈの水素ガスが供給される。燃料電池２０の水素極２２に供給される水素ガスと、水素ガス貯留装置Ｒに貯留される水素ガスとの比の調整は、例えば、弁Ｂ３と弁Ｂ４との開放度合の差を調節することによって実施してもよい。
【0039】
第１運用モードにおいて、燃料電池２０は、水素極２２に供給された水素ガスを燃料として稼働する。これにより、燃料電池２０は、上述の通り、電解装置４に６２．５ｋＷ程度の電力を、第１電源線６０を介して供給してもよい。また、燃料電池２０は、電解装置４への電力供給後の余剰電力および稼働により生じた排熱を、それぞれ、第３電源線６４および第２排熱供給ライン６６を介して需要施設Ｃに供給してもよい。さらに、燃料電池２０は、第４電源線６８を介して、除湿装置１２への電力供給を行ってもよい。
【0040】
第１運用モードにおいて、燃料電池２０は、空気極２４に供給された酸素ガスを酸化剤として利用してもよい。これにより、燃料電池２０における燃料である水素ガスと酸化剤である酸素ガスとの反応がより促進し、燃料電池２０の出力がより向上する。したがって、上記構成により、水素生成システム２は、燃料電池２０において生成される排熱をより高温とでき、生成される電力をより増加させることができる。ゆえに、水素生成システム２は、より高温の排熱とより多くの電力とを、需要施設Ｃへ供給することができる。
【0041】
以上により、第１運用モードにて水素生成システム２を運用することにより、電解装置４から水素ガスを発生させ、当該水素ガスの一部を利用した燃料電池２０の稼働、および、当該水素ガスの他の一部の貯留が可能である。特に、第１運用モードにおいては、電解装置４からの水素ガスを除湿装置１２において除湿するため、燃料電池２０に供給する、または、水素ガス貯留装置Ｒに貯留する水素ガスを乾燥させることができる。したがって、第１運用モードにおいては、燃料電池２０がより効率よく稼働し、また、水素ガス貯留装置Ｒに貯留する水素ガスの品質が向上する。
【0042】
＜第２運用モード＞
図３は、本実施形態における水素生成システム２の第２運用モードを示すための、水素生成システム２の模式図である。第２運用モードにおいては、弁Ｂ１、弁Ｂ５、弁Ｂ６、弁Ｂ８、弁Ｂ９、弁Ｂ１１、弁Ｂ１２、および弁Ｂ１４は開放されている。また、第２運用モードにおいては、弁Ｂ２～４、弁Ｂ７、弁Ｂ１０、弁Ｂ１３、および弁Ｂ１５は閉塞されている。
図３は、本実施形態における水素生成システム２の第２運用モードを示すための、水素生成システム２の模式図である。第２運用モードにおいては、弁Ｂ１、弁Ｂ５、弁Ｂ６、弁Ｂ８、弁Ｂ９、弁Ｂ１１、弁Ｂ１２、および弁Ｂ１４は開放されている。また、第２運用モードにおいては、弁Ｂ２～４、弁Ｂ７、弁Ｂ１０、弁Ｂ１３、および弁Ｂ１５は閉塞されている。
【0043】
第２運用モードは、例えば、第１運用モードに引き続いて実行される。水素生成システム２の運用モードの、第１運用モードから第２運用モードへの移行は、例えば、制御部７２が、発電装置Ｐにおける発電量が第１の発電量以下であることを検知した場合に実行される。例えば、第１の発電量は、１００ｋＷ、または電解装置４の定格消費電力の１０％である。例えば、第１の発電量は、電解装置４が、後述する除湿装置１２の再生に必要な水素ガスを生成できる電力に設定してもよい。また、例えば、昼間から夜間等、発電装置Ｐにおける発電量はある時点から漸減する場合がある。このような場合、第１の発電量は、運用モードの移行から燃料電池２０の出力の上昇までに多少の遅れが生じても、電解装置４の運用が継続できる値に設定してもよい。
【0044】
一般に、再生可能エネルギーを利用した発電は、発電量が安定しない場合が多い。例えば発電装置Ｐが太陽光発電により発電を行う場合、夜間または天候不良時における発電は困難となる。このため、制御部７２は、第１運用モードから第２運用モードへの移行を即座に実行できるように、発電装置Ｐにおける発電量を監視してもよい。
【0045】
例えば、本実施形態において、第２運用モードにおける、発電装置Ｐから第２電源線６２を介した電力供給は行われない。このため、第２運用モードにおいて、電解装置４は、第１電源線６０を介して送電される燃料電池２０からの電力により稼働する。電解装置４は、例えば、燃料電池２０から１２５ｋＷ程度の電力の供給を受ける。燃料電池２０の稼働方法については後述する。
【0046】
第２運用モードにおいて、上述した電力の供給を受けた電解装置４は、電解槽６における水電解により、陰極８において水素ガスを生成する。ただし、第２運用モードにおいて電解装置４に供給される電力は、第１運用モードにおいて電解装置４に供給される電力よりも少ない。このため、第２運用モードにおける電解装置４の水素ガスの生成量は、第１運用モードにおける電解装置４の水素ガスの生成量よりも少ない。第２運用モードにおいて、電解装置４は、陰極８において、例えば、２０Ｎｍ３－Ｈ２／ｈの水素ガスを生成する。なお、第２運用モードにおいても、陽極１０において酸素ガスを生成してもよい。
【0047】
第２運用モードが第１運用モードに引き続いて実行される場合、電解装置４の稼働を停止せず、連続して稼働させてもよい。電解装置４の稼働を停止しない場合、電解装置４に停止に伴い陰極８と陽極１０との間に生じる残電圧により過酸化水素が生成されることを防止できる。したがって、電解装置４の稼働を停止しない場合、過酸化水素による、陰極８と陽極１０とを含む電解槽６の酸化分解を防止し、電解装置４の劣化を低減できる。
【0048】
陰極８において生成された水素ガスは、水素ガス除湿ライン２６および第１水素ガス除湿ライン２８を介して、除湿装置１２の第１除湿器１４に輸送される。これにより、第１除湿器１４に輸送された水素ガスは、例えば、露点が摂氏－７０度程度となる湿度まで除湿される。
【0049】
第２運用モードにおいて、第１除湿器１４における除湿を経た水素ガスは、第１熱交換ライン４８を介して、熱交換器１８に輸送される。ここで、第２運用モードにおいて、熱交換器１８には、後述する方法によって稼働する燃料電池２０からの排熱を含む排気が、第１排熱供給ライン４６を介して輸送される。このため、第２運用モードにおいては、熱交換器１８において、第１除湿器１４における除湿を経た水素ガスと、燃料電池２０からの排熱を含む排気との熱交換が実行される。
【0050】
第２運用モードにおいて、熱交換器１８における熱交換により温度が上昇した水素ガスは、熱交換器１８から第１再生ライン５４を介して第２除湿器１６に輸送される。これにより、第２除湿器１６には、高温かつ乾燥した水素ガスが供給される。なお、熱交換器１８における熱交換により温度が低下した、燃料電池２０の排熱を含む排気は、熱交換器１８から排気ライン５２を介して水素生成システム２の外部に排出されてもよい。
【0051】
第２運用モードにおいては、第２除湿器１６に高温かつ乾燥した水素ガスを供給することにより、第２除湿器１６の再生を実行する。第２除湿器１６の再生は、例えば、高温かつ乾燥した水素ガスにより第２除湿器１６の吸湿剤を加熱して乾燥させることにより実行してもよい。例えば、熱交換器１８において２００℃程度に加熱された、第１再生ラインからの水素ガスによって加熱されることにより、第２除湿器１６の吸湿剤は再生される。
【0052】
換言すれば、第２運用モードにおいて、水素生成システム２は、除湿装置１２の再生を、少なくとも、電解装置４にて生成された水素ガスの少なくとも一部を利用して実行する。このため、水素生成システム２は、除湿する対象である水素ガスを利用して、除湿装置１２の再生が可能である。このため、水素生成システム２は、除湿装置１２に外気を導入するための機構を不要とでき、構成および制御がより簡素となる。
【0053】
また、第２運用モードにおいて、水素生成システム２は、除湿装置１２の再生を、熱交換器１８により加熱した水素ガスを利用して実行する。このため、水素生成システム２は、除湿装置１２の吸着剤等の加熱と、当該加熱により発生した水蒸気の回収とを、加熱した水素ガスを利用して同時に実施することができる。
【0054】
このため、水素生成システム２は、除湿装置１２の吸着剤等を加熱するためのヒータ等の加熱装置と、発生した水蒸気を回収するためのファン等の送風装置とが不要である。したがって、上記構成により、水素生成システム２はより簡素に構成できる。また、例えば、燃料電池２０からの排熱を含む排気を利用して除湿装置１２の吸着剤等を加熱する構成と比較して、発生した水蒸気をより簡素な構成により回収できる。
【0055】
本実施形態において、第２除湿器１６の再生により、第２除湿器１６から除去された水分は、熱交換器１８から供給された水素ガスに溶解した状態にて、第２除湿器１６の外部に排出される。換言すれば、第２除湿器１６に供給され、第２除湿器１６の再生に利用された水素ガスは、湿潤した水素ガスとなる。
【0056】
第２除湿器１６の再生により生じる、湿潤した水素ガスは、第２水素ガス供給ライン４０および第２燃料供給ライン４２を介して、燃料電池２０の水素極２２に供給される。このため、第２運用モードにおいて、第２水素ガス供給ライン４０および第２燃料供給ライン４２は、湿潤した水素ガスを燃料電池２０に供給する湿潤水素ガス供給ラインとして機能する。
【0057】
一般に、ＳＯＦＣを含む、水素ガスを燃料として稼働する燃料電池における燃料と酸化剤との反応は、高温下にて実行される。このため、水素極２２に湿潤した水素ガスが供給された場合においても、燃料電池２０は発電および排熱の生成を行うことが可能である。したがって、第２運用モードにおいて、燃料電池２０は、水素極２２に供給された湿潤した水素ガスを燃料として稼働する。
【0058】
なお、第２運用モードにおいても、燃料電池２０は、陽極１０において生成され、酸素ガス供給ライン５８を介して空気極２４に供給された酸素ガスを酸化剤として利用してもよい。上記構成により、水素生成システム２は、燃料電池２０において生成される排熱をより高温とでき、熱の生成効率を含む燃料電池２０の総合効率をより高めることができる。換言すれば、水素生成システム２は、燃料電池２０において、除湿装置１２の再生に利用される排熱をより効率的に生成でき、また、電解装置４の稼働に必要な電力をより安定して生成できる。
【0059】
ここで、第２運用モードにおいて、燃料電池２０は、少なくとも、電解装置４に送電する電力と、熱交換器１８に輸送する排気が含む排熱とを生成する。ここで、第２運用モードにおいて、水素極２２に供給された湿潤した水素ガスを燃料とした燃料電池２０の稼働によって生成される電力または排熱が、電解装置４の稼働または熱交換器１８における熱交換を実行するためには不足している場合がある。特に、第２運用モードにおいて、電解装置４の稼働に発電装置Ｐからの電力を使用しないため、電解装置４の稼働に必要な電力を燃料電池２０から得られない場合がある。
【0060】
このため、第２運用モードにおいては、水素ガス貯留装置Ｒから貯留水素ガス供給ライン３８を介して、水素ガス貯留装置Ｒに貯留された水素ガスを、第２除湿器１６から供給された湿潤した水素ガスと併せて、水素極２２に供給してもよい。例えば、第２運用モードにおいては、水素ガス貯留装置Ｒから、３０Ｎｍ３－Ｈ２／ｈの水素ガスを水素極２２に供給してもよい。
【0061】
これにより、第２運用モードにおいては、燃料電池２０の稼働出力を向上させて、電解装置４の稼働または熱交換器１８における熱交換を実行するために必要な電力および排熱を生成してもよい。第２運用モードにおいて水素ガス貯留装置Ｒから水素極２２に供給される水素ガスは、第１運用モードにおいて水素ガス貯留装置Ｒに貯留された水素ガスであってもよい。
【0062】
第２運用モードにおいては、水素ガス貯留装置Ｒに貯留された水素ガスの一部を、燃料電池２０の燃料として使用する。これにより、水素生成システム２は、発電装置Ｐからの電力が得られず、電解装置４の出力が低下した場合においても、安定して燃料電池２０を稼働させることができる。さらに、第２運用モードにおいては、除湿装置１２の再生により生成された湿潤した水素ガスを、燃料電池２０の燃料として使用する。これにより、水素生成システム２は、水素ガス貯留装置Ｒから燃料電池２０に供給される水素ガスを削減しつつ、燃料電池２０の稼働に必要な水素ガスを確保することができる。
【0063】
以上により、第２運用モードにおいては、発電装置Ｐからの電力供給を受けることなく、電解装置４から水素ガスを発生させ、また、第２除湿器１６の再生を実行できる。特に、第２運用モードにおいては、第２除湿器１６の再生を燃料電池２０からの排熱を利用して実行する。
【0064】
なお、第２運用モードにおいては、第１運用モードと比較して、除湿装置１２の電力供給源を変更してもよい。例えば、水素生成システム２の運用モードを第１運用モードから第２運用モードに切り替える場合に、換言すれば、発電装置Ｐにおける発電量が第１の発電量以下となった場合に、除湿装置１２の電力供給源を、発電装置Ｐから燃料電池２０に切り換えてもよい。これにより、水素生成システム２は、第１運用モードから第２運用モードにかけて、継続して除湿装置１２を稼働させてもよい。
【0065】
＜第３運用モード＞
図４は、本実施形態における水素生成システム２の第３運用モードを示すための、水素生成システム２の模式図である。第３運用モードにおいては、弁Ｂ２、弁Ｂ６、弁Ｂ７、弁Ｂ１４、および弁Ｂ１５は開放されている。また、第３運用モードにおいては、弁Ｂ１、弁Ｂ３～５、および弁Ｂ８～１３は閉塞されている。
図４は、本実施形態における水素生成システム２の第３運用モードを示すための、水素生成システム２の模式図である。第３運用モードにおいては、弁Ｂ２、弁Ｂ６、弁Ｂ７、弁Ｂ１４、および弁Ｂ１５は開放されている。また、第３運用モードにおいては、弁Ｂ１、弁Ｂ３～５、および弁Ｂ８～１３は閉塞されている。
【0066】
ここで、本実施形態において、第３運用モードは、例えば、第１運用モードおよび第２運用モードの順に水素生成システム２が運用された後に、引き続いて実行される。第１運用モードおよび第２運用モードにおいては、第１除湿器１４を使用した水素ガスの除湿が実行される。このため、第１運用モードおよび第２運用モードを経た後に実行される第３運用モードは、第１除湿器１４の再生を行う必要がある状態において実行される。一方、第２運用モードにおいては第２除湿器１６の再生が実行されるため、第２運用モードを経た後に実行される第３運用モードは、第２除湿器１６による水素ガスの除湿が可能である状態において実行される。
【0067】
第２運用モードから第３運用モードへの移行は、例えば、制御部７２が、発電装置Ｐにおける発電可能な電力量が第２の発電量以上となったことを検知し、かつ、第２除湿器１６の再生の完了を検知した場合に実行される。例えば、第２の発電量は、５０ｋＷ、または電解装置４の定格消費電力の５％である。例えば、第２の発電量は、電解装置４の運用に必要な最低消費電力、または、燃料電池２０の最低発電量を考慮して設定してもよい。このため、制御部７２は、第２運用モードから第３運用モードへの移行を即座に実行できるように、発電装置Ｐにおける発電可能な電力量および第２除湿器１６の再生時間等を監視してもよい。
【0068】
第３運用モードにおいて、電解装置４は、第１運用モードにおける電解装置４の稼働と同一の条件において稼働する。換言すれば、電解装置４は、発電装置Ｐおよび燃料電池２０からの電力を使用して稼働する。電解装置４の稼働により陰極８において生成された水素ガスは、水素ガス除湿ライン２６および第２水素ガス除湿ライン３０を順に介して、第２除湿器１６に輸送される。
【0069】
本実施形態において、第３運用モードにおける第２除湿器１６は、第２運用モードにおける再生を経ているため、陰極８から輸送された水素ガスの除湿を実行できる。このため、第２除湿器１６は、例えば、輸送された水素ガスの露点が摂氏－７０度程度となる湿度まで、水素ガスの除湿を行う。
【0070】
第３運用モードにおいて、第２除湿器１６における除湿を経た水素ガスの一部は、第２水素ガス供給ライン４０と第２燃料供給ライン４２とを介して、燃料電池２０の水素極２２に供給される。第３運用モードにおいて、燃料電池２０の水素極２２には、例えば、２５Ｎｍ３－Ｈ２／ｈの水素ガスが供給される。
【0071】
また、第２除湿器１６における除湿を経た水素ガスの他の一部は、第２水素ガス供給ライン４０と第２水素ガス貯留ライン４４とを介して、水素ガス貯留装置Ｒに貯留される。第３運用モードにおいて、水素ガス貯留装置Ｒには、例えば、１７５Ｎｍ３－Ｈ２／ｈの水素ガスが供給される。燃料電池２０の水素極２２に供給される水素ガスと、水素ガス貯留装置Ｒに貯留される水素ガスとの比の調整は、例えば、弁Ｂ６と弁Ｂ７との開放度合の差を調節することによって実施してもよい。
【0072】
第３運用モードにおける燃料電池２０の稼働は、第１運用モードにおける燃料電池２０の稼働と比較して、第２除湿器１６から水素極２２に供給された水素ガスを燃料として稼働する点を除き、同一の条件にて稼働する。したがって、燃料電池２０は、電解装置４への電力供給後の余剰電力および稼働により生じた排熱を、それぞれ、第３電源線６４および第２排熱供給ライン６６を介して需要施設Ｃに供給してもよい。さらに、燃料電池２０は、第４電源線６８を介して、除湿装置１２への電力供給を行ってもよい。
【0073】
以上により、第３運用モードにおいては、発電装置Ｐおよび燃料電池２０からの電力供給により、電解装置４から水素ガスを発生させ、当該水素ガスの一部を利用した燃料電池２０の稼働、および、当該水素ガスの他の一部の貯留が可能である。特に、第３運用モードにおいては、第１運用モードと同一の理由から、燃料電池２０がより効率よく稼働し、また、水素ガス貯留装置Ｒに貯留する水素ガスの品質が向上する。
【0074】
＜第１遷移運用モード＞
なお、第２運用モードにおいて、発電装置Ｐが発電可能な発電量が、第２の発電量未満である一方、第２除湿器１６の再生が完了する場合が考えられる。この場合には、水素生成システム２は、第３運用モードに移行する前に、第１遷移運用モードにおいて運用されてもよい。第１遷移運用モードにおける弁の開閉状況は、例えば、図４に示す、第３運用モードにおける弁の開閉状況と比較して、弁Ｂ７が閉塞されている点のみが異なる。
なお、第２運用モードにおいて、発電装置Ｐが発電可能な発電量が、第２の発電量未満である一方、第２除湿器１６の再生が完了する場合が考えられる。この場合には、水素生成システム２は、第３運用モードに移行する前に、第１遷移運用モードにおいて運用されてもよい。第１遷移運用モードにおける弁の開閉状況は、例えば、図４に示す、第３運用モードにおける弁の開閉状況と比較して、弁Ｂ７が閉塞されている点のみが異なる。
【0075】
第１遷移運用モードにおいては、第３運用モードと比較して、電解装置４に発電装置Ｐからの電力が供給されず、燃料電池２０からの電力のみが供給される。このため、第１遷移運用モードにおいては、第３運用モードと比較して、電解装置４の稼働出力を低下させ、電解装置４が生成する水素ガスの量を低下させる。例えば、第１遷移運用モードにおいて、電解装置４は、燃料電池２０から１２５ｋＷ程度の電力の供給を受け、２０Ｎｍ３－Ｈ２／ｈの水素ガスを生成する。
【0076】
第１遷移運用モードにおいて、電解装置４が生成する水素ガスは、第３運用モードと同一の方法により、第２除湿器１６において除湿される。第１遷移運用モードにおいて、第２除湿器１６における除湿を経た水素ガスは燃料電池２０の水素極２２に供給される。
【0077】
なお、第１遷移運用モードにおいて、燃料電池２０の稼働出力が十分に確保できる水素ガスを電解装置４が生成している場合には、弁Ｂ７を開放し、第２除湿器１６における除湿を経た水素ガスの一部を水素ガス貯留装置Ｒに貯留してもよい。また、第１遷移運用モードにおいては、弁Ｂ５を開放して、水素ガス貯留装置Ｒに貯留された水素ガスの一部を水素極２２に供給してもよい。これにより、電解装置４が発電装置Ｐからの電力供給を受けられない場合においても、より安定して燃料電池２０を稼働させることができる。
【0078】
これにより、第１遷移運用モードにおいて、燃料電池２０は電解装置４に電力の供給を行う。したがって、第１遷移運用モードにおける水素生成システム２の運用により、水素生成システム２は、発電装置Ｐからの電力が得られない場合においても、運用を継続することが可能である。第１遷移運用モードにおいて、燃料電池２０からの排熱は、需要施設Ｃへ供給されてもよい。また、制御部７２は、第１遷移運用モードにおける水素生成システム２の運用中に、発電装置Ｐにおける発電可能な電力量が第２の発電量以上となったことを検知した場合に、水素生成システム２の運用モードを第３運用モードに変更してもよい。
【0079】
＜第４運用モード＞
図５は、本実施形態における水素生成システム２の第４運用モードを示すための、水素生成システム２の模式図である。第４運用モードにおいては、弁Ｂ２、弁Ｂ３、弁Ｂ５、弁Ｂ６、弁Ｂ８、弁Ｂ１０、弁Ｂ１１、弁Ｂ１３、および弁Ｂ１４は開放されている。また、第４運用モードにおいては、弁Ｂ１、弁Ｂ４、弁Ｂ７、弁Ｂ９、弁Ｂ１２、および弁Ｂ１５は閉塞されている。
図５は、本実施形態における水素生成システム２の第４運用モードを示すための、水素生成システム２の模式図である。第４運用モードにおいては、弁Ｂ２、弁Ｂ３、弁Ｂ５、弁Ｂ６、弁Ｂ８、弁Ｂ１０、弁Ｂ１１、弁Ｂ１３、および弁Ｂ１４は開放されている。また、第４運用モードにおいては、弁Ｂ１、弁Ｂ４、弁Ｂ７、弁Ｂ９、弁Ｂ１２、および弁Ｂ１５は閉塞されている。
【0080】
第４運用モードは、例えば、第３運用モードに引き続いて実行される。第３運用モードから第４運用モードへの移行は、例えば、制御部７２が、発電装置Ｐにおける発電量が第１の発電量以下であることを検知した場合に実行される。換言すれば、第３運用モードから第４運用モードへの移行の条件は、第１運用モードから第２運用モードへの移行の条件と同一であってもよい。
【0081】
第４運用モードにおいて、電解装置４は、第２運用モードにおける電解装置４の稼働と同一の条件において稼働する。換言すれば、電解装置４は、発電装置Ｐからの電力の供給を受けず、燃料電池２０からの電力を使用して稼働する。電解装置４の稼働により陰極８において生成された水素ガスは、水素ガス除湿ライン２６および第２水素ガス除湿ライン３０を順に介して、第２除湿器１６に輸送される。
【0082】
第４運用モードにおいて、第２除湿器１６における除湿を経た水素ガスは、第２熱交換ライン５０を介して、熱交換器１８に輸送される。ここで、第４運用モードにおいて、熱交換器１８には、後述する方法によって稼働する燃料電池２０からの排熱を含む排気が、第１排熱供給ライン４６を介して輸送される。このため、第４運用モードにおいては、熱交換器１８において、第２除湿器１６における除湿を経た水素ガスと、燃料電池２０からの排熱を含む排気との熱交換が実行される。
【0083】
第４運用モードにおいては、熱交換器１８における熱交換により温度が上昇した水素ガスは、熱交換器１８から第２再生ライン５６を介して第１除湿器１４に輸送される。これにより、第１除湿器１４には、高温かつ乾燥した水素ガスが供給される。これにより、第４運用モードにおいては、第２運用モードにおける第２除湿器１６の再生と同一の方法により、第１除湿器１４の再生を実行される。このため、第４運用モードにおいても、第１除湿器１４に供給され、第１除湿器１４の再生に利用された水素ガスは、湿潤した水素ガスとなる。
【0084】
第１除湿器１４の再生により生じる、湿潤した水素ガスは、第１水素ガス供給ライン３２および第１燃料供給ライン３４を介して、燃料電池２０の水素極２２に供給される。このため、第４運用モードにおいて、第１水素ガス供給ライン３２および第１燃料供給ライン３４は、湿潤した水素ガスを燃料電池２０に供給する湿潤水素ガス供給ラインとして機能する。
【0085】
第４運用モードにおける燃料電池２０の稼働は、第２運用モードにおける燃料電池２０の稼働と比較して、水素極２２に供給される湿潤した水素ガスが第１除湿器１４からの水素ガスである点を除き、同一の条件にて稼働する。換言すれば、第４運用モードにおいては、水素ガス貯留装置Ｒから貯留水素ガス供給ライン３８を介して、水素ガス貯留装置Ｒに貯留された水素ガスを、第１除湿器１４から供給された湿潤した水素ガスと併せて、水素極２２に供給してもよい。
【0086】
これにより、第４運用モードにおいては、燃料電池２０の稼働出力を向上させて、電解装置４の稼働または熱交換器１８における熱交換を実行するために必要な電力および排熱を生成してもよい。第４運用モードにおいて水素ガス貯留装置Ｒから水素極２２に供給される水素ガスは、第３運用モードにおいて水素ガス貯留装置Ｒに貯留された水素ガスであってもよい。
【0087】
以上により、第４運用モードにおいては、発電装置Ｐからの電力供給を受けることなく、電解装置４から水素ガスを発生させ、また、第１除湿器１４の再生を実行できる。特に、第４運用モードにおいては、第１除湿器１４の再生を燃料電池２０からの排熱を利用して実行する。
【0088】
本実施形態において、第４運用モードに引き続き、第１運用モードにて水素生成システム２が運用されてもよい。第３運用モードおよび第４運用モードにおいては、第２除湿器１６を使用した水素ガスの除湿が実行される。このため、第３運用モードおよび第４運用モードを経た後に実行される第１運用モードは、第２除湿器１６の再生を行う必要がある状態において実行される。一方、第４運用モードにおいては第１除湿器１４の再生が実行されるため、第４運用モードを経た後に実行される第１運用モードは、第１除湿器１４による水素ガスの除湿が可能である状態において実行される。
【0089】
第４運用モードから第１運用モードへの移行は、例えば、制御部７２が、発電装置Ｐにおける発電可能な電力量が第２の発電量以上となったことを検知し、かつ、第１除湿器１４の再生の完了を検知した場合に実行される。このため、制御部７２は、第４運用モードから第１運用モードへの移行を即座に実行できるように、発電装置Ｐにおける発電可能な電力量および第１除湿器１４の再生時間等を監視してもよい。
【0090】
＜第２遷移運用モード＞
なお、第４運用モードにおいて、発電装置Ｐが生成できる電力が第２の発電量未満である一方、第１除湿器１４の再生が完了した場合には、水素生成システム２は、第１運用モードに移行する前に、第２遷移運用モードにおいて運用されてもよい。第２遷移運用モードにおける弁の開閉状況は、例えば、図２に示す、第１運用モードにおける弁の開閉状況と比較して、弁Ｂ４が閉塞されている点のみが異なる。
なお、第４運用モードにおいて、発電装置Ｐが生成できる電力が第２の発電量未満である一方、第１除湿器１４の再生が完了した場合には、水素生成システム２は、第１運用モードに移行する前に、第２遷移運用モードにおいて運用されてもよい。第２遷移運用モードにおける弁の開閉状況は、例えば、図２に示す、第１運用モードにおける弁の開閉状況と比較して、弁Ｂ４が閉塞されている点のみが異なる。
【0091】
第２遷移運用モードにおいては、例えば、第１遷移運用モードと同一の条件にて、電解装置４が稼働する。電解装置４が生成する水素ガスは、第１運用モードと同一の方法により、第１除湿器１４において除湿され、燃料電池２０の水素極２２に供給される。第２遷移運用モードにおける、燃料電池２０の稼働条件は、第１遷移運用モードにおける、燃料電池２０の稼働条件と同一であってもよい。
【0092】
第２遷移運用モードにおける水素生成システム２の運用により、水素生成システム２は、発電装置Ｐからの電力が得られない場合においても、運用を継続することが可能である。制御部７２は、第２遷移運用モードにおける水素生成システム２の運用中に、発電装置Ｐにおける発電可能な電力量が第２の発電量以上となったことを検知した場合に、水素生成システム２の運用モードを第１運用モードに変更してもよい。
【0093】
なお、第２遷移運用モードにおいて、燃料電池２０の稼働出力が十分に確保できる水素ガスを電解装置４が生成している場合には、弁Ｂ４を開放し、第１除湿器１４における除湿を経た水素ガスの一部を水素ガス貯留装置Ｒに貯留してもよい。また、第２遷移運用モードにおいては、弁Ｂ５を開放して、水素ガス貯留装置Ｒに貯留された水素ガスの一部を水素極２２に供給してもよい。これにより、電解装置４が発電装置Ｐからの電力供給を受けられない場合においても、より安定して燃料電池２０を稼働させることができる。
【0094】
＜水素生成システムが奏する効果＞
本実施形態に係る水素生成システム２は、例えば、上述した第１運用モードから第４運用モードまでの何れか運用モードに基づいて運用される。水素生成システム２の運用モードの切り替えは、例えば、制御部７２による、電解装置４、除湿装置１２、および燃料電池２０の動作の制御と、各弁の開閉の制御とにより実行される。
本実施形態に係る水素生成システム２は、例えば、上述した第１運用モードから第４運用モードまでの何れか運用モードに基づいて運用される。水素生成システム２の運用モードの切り替えは、例えば、制御部７２による、電解装置４、除湿装置１２、および燃料電池２０の動作の制御と、各弁の開閉の制御とにより実行される。
【0095】
これにより、本実施形態に係る水素生成システム２は、運用モードを上述した第１運用モードから第４運用モードまでを切り替えつつ繰り返し運用することにより、継続して運用が可能である。特に、本実施形態に係る水素生成システム２は、水素ガスの生成、除湿、および貯留と、生成した水素ガスを利用した発電と、生成した水素ガスの除湿に利用した除湿装置の再生とを、継続して実行できる。
【0096】
特に、制御部７２は、電解装置４が生成した水素ガスを利用した発電により燃料電池２０から生じた排熱を利用した、除湿装置１２の再生の制御を行う。したがって、水素生成システム２は、除湿装置１２の再生に、別途ヒータ等を用いた吸湿剤の加熱等が不要である。このため、水素生成システム２は、より効率よく除湿装置１２の再生が可能である。
【0097】
また、本実施形態に係る水素生成システム２は、除湿装置１２の再生に利用する熱を生成するために、燃料電池２０を稼働させる。このため、当該燃料電池２０の稼働により副次的に生成された電力を、電解装置４の稼働に使用することができる。したがって、本実施形態に係る水素生成システム２は、外部からの電力供給がない、あるいは少ない場合においても、継続した運用が可能であり、かつ、より効率よく除湿装置１２の再生が可能である。
【0098】
また、本実施形態に係る水素生成システム２は、除湿装置１２の再生を行わない場合、電解装置４が生成した水素ガスの貯留、および、燃料電池２０が生成した電力または排熱の需要施設Ｃへの供給が可能である。特に、制御部７２は、電解装置４からの水素ガスの除湿装置１２による除湿を制御する。このため、本実施形態に係る水素生成システム２は、電解装置４からの水素ガスを除湿し、乾燥した水素ガスを生成できる。したがって、本実施形態に係る水素生成システム２は、より効率よく除湿装置１２の再生を行いつつ、電力または排熱の需要施設Ｃへの供給を、継続して実行できる。
【0099】
なお、水素生成システム２の各運用モードにおいて、電解装置４、除湿装置１２、および燃料電池２０の稼働に必要な電力は、発電装置Ｐまたは燃料電池２０から得られる電力を使用する。また、燃料電池２０を使用した発電は、発電装置Ｐからの電力により稼働する電解装置４が生成した水素ガスを燃料として実行される。
【0100】
したがって、発電装置Ｐが再生可能エネルギーを利用した発電を行う場合、水素生成システム２は、環境への負荷を低減しつつ、各装置の稼働、除湿装置１２の再生、および電力または排熱の需要施設Ｃへの供給を、継続して実行できる。ゆえに、水素生成システム２は、二酸化炭素の排出量の低減を含む、地球環境の改善に貢献し、持続可能な開発目標（ＳＤＧｓ）の目標７「エネルギーをみんなに、そしてクリーンに」および目標１３「気候変動に具体的な対策を」の達成に貢献できる。
【0101】
水素生成システム２は、除湿装置１２が第１除湿器１４と第２除湿器１６とを含む、少なくとも二つの除湿器を含む。これにより、水素生成システム２は、ある除湿器の再生の間に、他の除湿器を用いた水素ガスの除湿が可能である。より具体的に、水素生成システム２は、第２運用モードにおいて第２除湿器１６を再生しつつ第１除湿器１４による水素ガスの除湿を実行でき、第４運用モードにおいて第１除湿器１４を再生しつつ第２除湿器１６による水素ガスの除湿を実行できる。換言すれば、水素生成システム２は、運用モードを上述した第１運用モードから第４運用モードまでを切り替えつつ運用することにより、第１除湿器１４と第２除湿器１６とを連続して使用することができる。
【0102】
ここまで、第１運用モードを、第２除湿器１６の再生が必要な状態において実施し、また、第３運用モードを、第１除湿器１４の再生が必要な状態において実施する例について説明した。しかしながら、これに限られず、本実施形態においては、第１運用モードにおいて、第２除湿器１６の再生が完了した状態であってもよく、また、第３運用モードにおいて、第１除湿器１４の再生が完了した状態であってもよい。この場合、本実施形態に係る水素生成システム２は、運用モードを、第１運用モード、第４運用モード、第３運用モード、および第２運用モードの順に切り替えつつ繰り返し運用されてもよい。
【0103】
＜第５運用モード＞
次に、上述した水素生成システム２の運用モードの変形例について説明する。図６は、本実施形態における水素生成システム２の第５運用モードを示すための、水素生成システム２の模式図である。第５運用モードにおいては、弁Ｂ１、弁Ｂ３、弁Ｂ４、弁Ｂ６、弁Ｂ８、弁Ｂ９、弁Ｂ１１、弁Ｂ１２、および弁Ｂ１４は開放されている。また、第５運用モードにおいては、弁Ｂ２、弁Ｂ５、弁Ｂ７、弁Ｂ１０、弁Ｂ１３、および弁Ｂ１５は閉塞されている。
次に、上述した水素生成システム２の運用モードの変形例について説明する。図６は、本実施形態における水素生成システム２の第５運用モードを示すための、水素生成システム２の模式図である。第５運用モードにおいては、弁Ｂ１、弁Ｂ３、弁Ｂ４、弁Ｂ６、弁Ｂ８、弁Ｂ９、弁Ｂ１１、弁Ｂ１２、および弁Ｂ１４は開放されている。また、第５運用モードにおいては、弁Ｂ２、弁Ｂ５、弁Ｂ７、弁Ｂ１０、弁Ｂ１３、および弁Ｂ１５は閉塞されている。
【0104】
第５運用モードにおいて、電解装置４は、例えば、第１運用モードにおける稼働条件と同一の条件にて稼働する。このため、第５運用モードにおいて、電解装置４は陰極８において、例えば、２００Ｎｍ３－Ｈ２／ｈの水素ガスを生成し得る能力を有する。なお、第５運用モードにおいても、第１運用モードと同じく、電解装置４は、陽極１０において酸素ガスを生成し、酸素ガス供給ライン５８を介して、当該酸素ガスを燃料電池２０の空気極２４に輸送してもよい。
【0105】
陰極８において生成された水素ガスは、水素ガス除湿ライン２６および第１水素ガス除湿ライン２８を介して、除湿装置１２の第１除湿器１４に輸送される。なお、本実施形態において、第５運用モードは、例えば、第１除湿器１４の吸湿剤が乾燥した状態である等、第１除湿器１４による気体の除湿が可能である状態において実行される。このため、第５運用モードにおいて、第１除湿器１４に輸送された水素ガスは、第１除湿器１４により除湿される。除湿装置１２の第１除湿器１４は、例えば、輸送された水素ガスの露点が摂氏－７０度程度となる湿度まで、水素ガスの除湿を行う。
【0106】
ここで、第５運用モードは、第１運用モードと同じく、第２除湿器１６による気体の除湿を行うために、第２除湿器１６の再生を行う必要がある状態において実行される。ここで、第５運用モードにおいては、乾燥した水素ガスの燃料電池２０への供給および水素ガス貯留装置Ｒへの貯留に加え、第２除湿器１６の再生を実施する。
【0107】
第５運用モードにおいて、第１除湿器１４における除湿を経た水素ガスの一部は、第１水素ガス供給ライン３２に供給される。また、第５運用モードにおいて、第１除湿器１４における除湿を経た水素ガスの他の一部は、第１熱交換ライン４８を介して熱交換器１８に供給される。例えば、第５運用モードにおいて、第１水素ガス供給ライン３２には１００Ｎｍ３－Ｈ２／ｈの水素ガスが、第１熱交換ライン４８には２０Ｎｍ３－Ｈ２／ｈの水素ガスが、第１除湿器１４からそれぞれ供給される。
【0108】
第５運用モードにおいて、第１水素ガス供給ライン３２に供給された水素ガスの一部は、さらに第１燃料供給ライン３４を介して、燃料電池２０の水素極２２に供給される。また、第５運用モードにおいて、第１水素ガス供給ライン３２に供給された水素ガスの他の一部は、さらに第１水素ガス貯留ライン３６を介して、水素ガス貯留装置Ｒに貯留される。
【0109】
燃料電池２０の水素極２２に供給される水素ガスと、水素ガス貯留装置Ｒに貯留される水素ガスと、熱交換器１８に供給される水素ガスとの比の調整は、例えば、弁Ｂ３と弁Ｂ４と弁Ｂ９との開放度合の差を調節することによって実施してもよい。
【0110】
第５運用モードにおいて、熱交換器１８には、さらに、後述する方法によって稼働する燃料電池２０からの排熱を含む排気が、第１排熱供給ライン４６を介して輸送される。このため、第５運用モードにおいては、熱交換器１８において、第１除湿器１４における除湿を経た水素ガスの一部と、燃料電池２０からの排熱を含む排気との熱交換が実行される。
【0111】
第５運用モードにおいて、熱交換器１８における熱交換により温度が上昇した水素ガスは、熱交換器１８から第１再生ライン５４を介して第２除湿器１６に輸送される。これにより、第５運用モードにおいても、第２運用モードにおける第２除湿器１６の再生と同一の方法により、第２除湿器１６は再生される。これに伴い、第２除湿器１６に供給され、第２除湿器１６の再生に利用された水素ガスは、湿潤した水素ガスとなる。第２除湿器１６の再生により生じる、湿潤した水素ガスは、第２水素ガス供給ライン４０および第２燃料供給ライン４２を介して、燃料電池２０の水素極２２に供給される。
【0112】
以上より、第５運用モードにおいては、燃料電池２０の水素極２２に、第１除湿器１４における除湿により乾燥した水素ガスの一部と第２除湿器１６の再生により湿潤した水素ガスとが供給される。また、第５運用モードにおいては、水素ガス貯留装置Ｒに、第１除湿器１４における除湿により乾燥した水素ガスの他の一部が貯留される。第５運用モードにおいて、燃料電池２０の水素極２２には、例えば、３０Ｎｍ３－Ｈ２／ｈの水素ガスが供給される。第５運用モードにおいて、水素ガス貯留装置Ｒには、例えば、９０Ｎｍ３－Ｈ２／ｈの水素ガスが供給される。
【0113】
第５運用モードにおいて、燃料電池２０は、水素極２２に供給された水素ガスを燃料として稼働する。より具体的に、燃料電池２０の水素極２２には、第１燃料供給ライン３４からの乾燥した水素ガスと、第２燃料供給ライン４２からの湿潤した水素ガスとが供給される。これにより、燃料電池２０は、上述の通り、電解装置４に６２．５ｋＷ程度の電力を、第１電源線６０を介して供給してもよい。また、燃料電池２０は、電解装置４への電力供給後の余剰電力を、第３電源線６４を介して需要施設Ｃに供給してもよい。さらに、燃料電池２０は、熱交換器１８における熱交換に利用しない余剰の排熱を、第２排熱供給ライン６６を介して需要施設Ｃに供給してもよい。第５運用モードにおいても、燃料電池２０は、空気極２４に供給された酸素ガスを酸化剤として利用してもよい。
【0114】
以上により、第５運用モードにて水素生成システム２を運用することにより、電解装置４において水素ガスの一部による燃料電池２０の稼働および第２除湿器１６の再生を行いつつ、水素ガスの他の一部の貯留が可能である。
【0115】
第５運用モードは、例えば、上述した、第１運用モードから第４運用モードまでを繰り返す水素生成システム２の運用方法において、第１運用モードの代わりに採用してもよい。ここで、第５運用モードにおける水素生成システム２の運用中に第２除湿器１６の再生が完了した場合、制御部７２は、水素生成システム２の運用モードを、第５運用モードから第１運用モードに切り換えてもよい。
【0116】
この場合、第１運用モードは、第２除湿器１６の再生が完了した状態において実行される。このため、第１運用モードにおいて、発電装置Ｐからの電力が第１の発電量以下となった場合、制御部７２は、水素生成システム２の運用モードを、第１運用モードから第１遷移運用モードに切り替えてもよい。
【0117】
また、第５運用モードは、例えば、上述した、第１運用モードから第４運用モードまでを繰り返す水素生成システム２の運用方法において、第２運用モードに次いで実施してもよい。例えば、第２運用モードにおいて、発電装置Ｐの発電可能量が第２の発電量以上となったにも関わらず、第２除湿器１６の再生が未完了である場合、制御部７２は、水素生成システム２の運用モードを、第２運用モードから第５運用モードに切り替えてもよい。
【0118】
これにより、水素生成システム２は、発電装置Ｐからの電力供給を受け、電解装置４における水素ガスの生成、燃料電池２０の稼働、および水素ガス貯留装置Ｒへの水素ガスの貯留を行いつつ、第２除湿器１６の再生を継続することができる。ここで、第５運用モードにおける水素生成システム２の運用中に第２除湿器１６の再生が完了した場合、制御部７２は、水素生成システム２の運用モードを、第５運用モードから第３運用モードに切り換えてもよい。
【0119】
さらに、第１除湿器１４の再生が完了した状態において運用される第３運用モードにおいて、第２除湿器１６の再生が必要となった場合、制御部７２は、水素生成システム２の運用モードを、第３運用モードから第５運用モードに切り替えてもよい。
【0120】
なお、本実施形態に係る電解装置４の定格消費電力は、燃料電池２０の定格発電出力よりも大きい。例えば、電解装置４の定格消費電力は、１０００ｋＷであり、燃料電池２０の定格発電出力は１２５ｋＷである。特に、燃料電池２０の定格発電出力は、電解装置４の定格消費電力の２５％以下であってもよく、１５％以下であってもよい。
【0121】
上述の通り、第２運用モード等においては、燃料電池２０からの電力のみにより電解装置４の稼働を継続し、除湿装置１２の各除湿器の再生が可能となる量の水素ガスが電解装置４から生成されてもよい。このために、燃料電池２０は、電解装置４の定格消費電力の１０％程度と、水素生成システム２におけるエネルギーロス分とを発電できる定格発電出力を有していてもよい。一方、第１運用モード等における、燃料電池２０の低出力稼働の際の燃料電池２０における水素ガスの消費量を低減する観点から、燃料電池２０の定格発電出力は、電解装置４の定格消費電力に対して低くともよい。
【0122】
＜第６運用モード＞
図７は、本実施形態における水素生成システム２の第６運用モードを示すための、水素生成システム２の模式図である。第６運用モードにおいては、弁Ｂ２、弁Ｂ３、弁Ｂ６～８、弁Ｂ１０、弁Ｂ１１、弁Ｂ１３、および弁Ｂ１４は開放されている。また、第６運用モードにおいては、弁Ｂ１、弁Ｂ４、弁Ｂ５、弁Ｂ９、弁Ｂ１２、および弁Ｂ１５は閉塞されている。
図７は、本実施形態における水素生成システム２の第６運用モードを示すための、水素生成システム２の模式図である。第６運用モードにおいては、弁Ｂ２、弁Ｂ３、弁Ｂ６～８、弁Ｂ１０、弁Ｂ１１、弁Ｂ１３、および弁Ｂ１４は開放されている。また、第６運用モードにおいては、弁Ｂ１、弁Ｂ４、弁Ｂ５、弁Ｂ９、弁Ｂ１２、および弁Ｂ１５は閉塞されている。
【0123】
第６運用モードにおいて、電解装置４は、例えば、第３運用モードにおける稼働条件と同一の条件にて稼働する。このため、第６運用モードにおいて、電解装置４は陰極８において、例えば、２００Ｎｍ３－Ｈ２／ｈの水素ガスを生成し得る能力を有する。なお、第６運用モードにおいても、第３運用モードと同じく、電解装置４は、陽極１０において酸素ガスを生成し、酸素ガス供給ライン５８を介して、当該酸素ガスを燃料電池２０の空気極２４に輸送してもよい。
【0124】
陰極８において生成された水素ガスは、水素ガス除湿ライン２６および第２水素ガス除湿ライン３０を介して、除湿装置１２の第２除湿器１６に輸送される。なお、本実施形態において、第６運用モードは、例えば、第２除湿器１６の吸湿剤が乾燥した状態である等、第２除湿器１６による気体の除湿が可能である状態において実行される。このため、第６運用モードにおいて、第２除湿器１６に輸送された水素ガスは、第２除湿器１６により除湿される。除湿装置１２の第２除湿器１６は、例えば、輸送された水素ガスの露点が摂氏－７０度程度となる湿度まで、水素ガスの除湿を行う。
【0125】
ここで、第６運用モードは、第３運用モードと同じく、第１除湿器１４による気体の除湿を行うために、第１除湿器１４の再生を行う必要がある状態において実行される。ここで、第６運用モードにおいては、乾燥した水素ガスの燃料電池２０への供給および水素ガス貯留装置Ｒへの貯留に加え、第１除湿器１４の再生を実施する。
【0126】
第６運用モードにおいて、第２除湿器１６における除湿を経た水素ガスの一部は、第２水素ガス供給ライン４０に供給される。また、第６運用モードにおいて、第２除湿器１６における除湿を経た水素ガスの他の一部は、第２熱交換ライン５０を介して熱交換器１８に供給される。例えば、第６運用モードにおいて、第２水素ガス供給ライン４０には１５０Ｎｍ３－Ｈ２／ｈの水素ガスが、第２熱交換ライン５０には２０Ｎｍ３－Ｈ２／ｈの水素ガスが、第２除湿器１６からそれぞれ供給される。
【0127】
第６運用モードにおいて、第２水素ガス供給ライン４０に供給された水素ガスの一部は、さらに第２燃料供給ライン４２を介して、燃料電池２０の水素極２２に供給される。また、第６運用モードにおいて、第２水素ガス供給ライン４０に供給された水素ガスの他の一部は、さらに第２水素ガス貯留ライン４４を介して、水素ガス貯留装置Ｒに貯留される。
【0128】
燃料電池２０の水素極２２に供給される水素ガスと、水素ガス貯留装置Ｒに貯留される水素ガスと、熱交換器１８に供給される水素ガスとの比の調整は、例えば、弁Ｂ７と弁Ｂ６と弁Ｂ１０との開放度合の差を調節することによって実施してもよい。
【0129】
第６運用モードにおいて、熱交換器１８には、さらに、後述する方法によって稼働する燃料電池２０からの排熱を含む排気が、第１排熱供給ライン４６を介して輸送される。このため、第６運用モードにおいては、熱交換器１８において、第２除湿器１６における除湿を経た水素ガスの一部と、燃料電池２０からの排熱を含む排気との熱交換が実行される。
【0130】
第６運用モードにおいて、熱交換器１８における熱交換により温度が上昇した水素ガスは、熱交換器１８から第２再生ライン５６を介して第１除湿器１４に輸送される。これにより、第６運用モードにおいても、第４運用モードにおける第１除湿器１４の再生と同一の方法により、第１除湿器１４は再生される。これに伴い、第１除湿器１４に供給され、第１除湿器１４の再生に利用された水素ガスは、湿潤した水素ガスとなる。第１除湿器１４の再生により生じる、湿潤した水素ガスは、第１水素ガス供給ライン３２および第１燃料供給ライン３４を介して、燃料電池２０の水素極２２に供給される。
【0131】
以上より、第６運用モードにおいては、燃料電池２０の水素極２２に、第２除湿器１６における除湿により乾燥した水素ガスの一部と第１除湿器１４の再生により湿潤した水素ガスとが供給される。また、第６運用モードにおいては、水素ガス貯留装置Ｒに、第２除湿器１６における除湿により乾燥した水素ガスの他の一部が貯留される。第６運用モードにおいて、燃料電池２０の水素極２２には、例えば、４０Ｎｍ３－Ｈ２／ｈの水素ガスが供給される。第６運用モードにおいて、水素ガス貯留装置Ｒには、例えば、１３０Ｎｍ３－Ｈ２／ｈの水素ガスが供給される。
【0132】
第６運用モードにおいて、燃料電池２０は、水素極２２に供給された水素ガスを燃料として稼働する。より具体的に、燃料電池２０の水素極２２には、第２燃料供給ライン４２からの乾燥した水素ガスと、第１燃料供給ライン３４からの湿潤した水素ガスとが供給される。これにより、燃料電池２０は、上述の通り、電解装置４に６２．５ｋＷ程度の電力を、第１電源線６０を介して供給してもよい。また、燃料電池２０は、電解装置４への電力供給後の余剰電力を、第３電源線６４を介して需要施設Ｃに供給してもよい。さらに、燃料電池２０は、熱交換器１８における熱交換に利用しない余剰の排熱を、第２排熱供給ライン６６を介して需要施設Ｃに供給してもよい。第６運用モードにおいても、燃料電池２０は、空気極２４に供給された酸素ガスを酸化剤として利用してもよい。
【0133】
以上により、第６運用モードにて水素生成システム２を運用することにより、電解装置４において水素ガスの一部による燃料電池２０の稼働および第１除湿器１４の再生を行いつつ、水素ガスの他の一部の貯留が可能である。
【0134】
第６運用モードは、例えば、上述した、第１運用モードから第４運用モードまでを繰り返す水素生成システム２の運用方法において、第３運用モードの代わりに採用してもよい。ここで、第６運用モードにおける水素生成システム２の運用中に第１除湿器１４の再生が完了した場合、制御部７２は、水素生成システム２の運用モードを、第６運用モードから第３運用モードに切り換えてもよい。
【0135】
この場合、第３運用モードは、第１除湿器１４の再生が完了した状態において実行される。このため、第３運用モードにおいて、発電装置Ｐからの電力が第１の発電量以下となった場合、制御部７２は、水素生成システム２の運用モードを、第３運用モードから第２遷移運用モードに切り替えてもよい。
【0136】
また、第６運用モードは、例えば、上述した、第１運用モードから第４運用モードまでを繰り返す水素生成システム２の運用方法において、第４運用モードに次いで実施してもよい。例えば、第４運用モードにおいて、発電装置Ｐの発電可能量が第２の発電量以上となったにも関わらず、第１除湿器１４の再生が未完了である場合、制御部７２は、水素生成システム２の運用モードを、第４運用モードから第６運用モードに切り替えてもよい。
【0137】
これにより、水素生成システム２は、発電装置Ｐからの電力供給を受け、電解装置４における水素ガスの生成、燃料電池２０の稼働、および水素ガス貯留装置Ｒへの水素ガスの貯留を行いつつ、第１除湿器１４の再生を継続することができる。ここで、第６運用モードにおける水素生成システム２の運用中に第１除湿器１４の再生が完了した場合、制御部７２は、水素生成システム２の運用モードを、第６運用モードから第１運用モードに切り換えてもよい。
【0138】
さらに、第２除湿器１６の再生が完了した状態において運用される第１運用モードにおいて、第１除湿器１４の再生が必要となった場合、制御部７２は、水素生成システム２の運用モードを、第１運用モードから第６運用モードに切り替えてもよい。
【0139】
〔実施形態２〕
＜水素生成システムの別例＞
図８は、本実施形態に係る水素生成システムの模式図である。本実施形態に係る水素生成システム７４は、前実施形態に係る水素生成システム２と比較して、除湿装置１２に代えて、除湿装置７６を備える。除湿装置７６は、除湿装置１２と比較して、第２除湿器１６を含まない。換言すれば、本実施形態において、除湿装置７６は、単一の除湿器として第１除湿器１４を含む。さらに、除湿装置７６は熱交換器１８を含む。
＜水素生成システムの別例＞
図８は、本実施形態に係る水素生成システムの模式図である。本実施形態に係る水素生成システム７４は、前実施形態に係る水素生成システム２と比較して、除湿装置１２に代えて、除湿装置７６を備える。除湿装置７６は、除湿装置１２と比較して、第２除湿器１６を含まない。換言すれば、本実施形態において、除湿装置７６は、単一の除湿器として第１除湿器１４を含む。さらに、除湿装置７６は熱交換器１８を含む。
【0140】
これに伴い、本実施形態に係る水素生成システム７４は、前実施形態に係る水素生成システム２と比較して、第２除湿器と接続する気体輸送ライン、および当該気体輸送ラインに形成された弁を備えていない。加えて、本実施形態に係る水素生成システム７４は、前実施形態に係る水素生成システム２と比較して、第１熱交換ライン４８および弁Ｂ９を備えていない。
【0141】
本実施形態に係る水素生成システム７４は、前実施形態に係る水素生成システム２と比較して、さらに追加水素ガス供給ライン７８を備える。追加水素ガス供給ライン７８は、水素ガス除湿ライン２６から分岐し、燃料電池２０の水素極２２と接続する。追加水素ガス供給ライン７８には、弁Ｂ１６が形成されている。このため、弁Ｂ１が閉塞され、かつ、弁Ｂ１６が開放されている場合、陰極８において生成された水素ガスは、水素ガス除湿ライン２６と追加水素ガス供給ライン７８とを順に経由して、水素極２２に供給される。
【0142】
さらに、本実施形態に係る水素生成システム７４は、前実施形態に係る水素生成システム２と比較して、追加水素ガス熱交換ライン８０を備える。追加水素ガス熱交換ライン８０は、水素ガス貯留装置Ｒと熱交換器１８とを接続し、水素ガス貯留装置Ｒに貯留された乾燥した水素ガスを熱交換器１８に輸送する。追加水素ガス熱交換ライン８０には、弁Ｂ１７が形成されている。
【0143】
以上を除き、本実施形態に係る水素生成システム７４は、前実施形態に係る水素生成システム２と同一の構成を備えていてもよい。例えば、制御部７２は、除湿装置７６、弁Ｂ１６、および弁Ｂ１７をさらに制御してもよい。また、除湿装置７６は、第４電源線６８を介した燃料電池２０からの電力供給と、第５電源線７０を介した発電装置Ｐからの電力供給との少なくとも一方を受けて稼働してもよい。
【0144】
＜第７運用モード＞
次いで、本実施形態に係る水素生成システムの運用方法について、図９および図１０を参照して説明する。図９および図１０のそれぞれは、水素生成システムの各運用モードを説明するための水素生成システムの模式図である。
次いで、本実施形態に係る水素生成システムの運用方法について、図９および図１０を参照して説明する。図９および図１０のそれぞれは、水素生成システムの各運用モードを説明するための水素生成システムの模式図である。
【0145】
図９は、本実施形態における水素生成システム７４の第７運用モードを示すための、水素生成システム７４の模式図である。第７運用モードにおいては、弁Ｂ１、弁Ｂ３、弁Ｂ４、弁Ｂ１４、および弁Ｂ１５は開放されている。また、第１運用モードにおいては、弁Ｂ５、弁Ｂ８、弁Ｂ１１、弁Ｂ１３、弁Ｂ１６、および弁Ｂ１７は閉塞されている。
【0146】
第７運用モードにおける電解装置４の稼働は、第１運用モードにおける電解装置４の稼働と同一の方法により実行されてもよい。陰極８において生成された水素ガスは、水素ガス除湿ライン２６および第１水素ガス除湿ライン２８を介して、除湿装置１２の第１除湿器１４に輸送される。なお、本実施形態において、第７運用モードは、例えば、第１除湿器１４の吸湿剤が乾燥した状態である等、第１除湿器１４による気体の除湿が可能である状態において実行される。このため、第７運用モードにおいて、第１除湿器１４に輸送された水素ガスは、第１除湿器１４により除湿される。
【0147】
除湿装置７６の第１除湿器１４は、例えば、除湿装置１２の第１除湿器１４と同一の方法により水素ガスの除湿を行う。第７運用モードにおいて、第１除湿器１４における除湿を経た水素ガスは、第１運用モードと同一の方法により、燃料電池２０の水素極２２と水素ガス貯留装置Ｒとのそれぞれに輸送されてもよい。第７運用モードにおいて、除湿装置７６は、発電装置Ｐからの電力供給を受けて稼働してもよい。
【0148】
第７運用モードにおける燃料電池２０の稼働は、第１運用モードにおける燃料電池２０の稼働と同一の方法により実行されてもよい。また、燃料電池２０は、電解装置４への電力供給後の余剰電力および稼働により生じた排熱を、それぞれ、第３電源線６４および第２排熱供給ライン６６を介して需要施設Ｃに供給してもよい。さらに、燃料電池２０は、第４電源線６８を介して、除湿装置７６への電力供給を行ってもよい。
【0149】
以上により、第７運用モードにて水素生成システム７４を運用することにより、電解装置４から水素ガスを発生させ、当該水素ガスの一部を利用した燃料電池２０の稼働、および、当該水素ガスの他の一部の貯留が可能である。特に、第７運用モードにおいては、電解装置４からの水素ガスを除湿装置７６において除湿するため、燃料電池２０に供給する、または、水素ガス貯留装置Ｒに貯留する水素ガスを乾燥させることができる。したがって、第７運用モードにおいては、燃料電池２０がより効率よく稼働し、また、水素ガス貯留装置Ｒに貯留する水素ガスの品質が向上する。
【0150】
＜第８運用モード＞
図１０は、本実施形態における水素生成システム７４の第８運用モードを示すための、水素生成システム７４の模式図である。第８運用モードにおいては、弁Ｂ３、弁Ｂ５、弁Ｂ８、弁Ｂ１１、弁Ｂ１３、弁Ｂ１４、弁Ｂ１６、および弁Ｂ１７は開放されている。また、第８運用モードにおいては、弁Ｂ１、弁Ｂ４、および弁Ｂ１５は閉塞されている。
図１０は、本実施形態における水素生成システム７４の第８運用モードを示すための、水素生成システム７４の模式図である。第８運用モードにおいては、弁Ｂ３、弁Ｂ５、弁Ｂ８、弁Ｂ１１、弁Ｂ１３、弁Ｂ１４、弁Ｂ１６、および弁Ｂ１７は開放されている。また、第８運用モードにおいては、弁Ｂ１、弁Ｂ４、および弁Ｂ１５は閉塞されている。
【0151】
第８運用モードは、例えば、第７運用モードに引き続いて実行される。このため、例えば、第８運用モードは、第７運用モードにおける水素ガスの除湿により、第１除湿器１４の再生が必要となった状態において実行される。水素生成システム７４の運用モードの、第７運用モードから第８運用モードへの移行は、例えば、制御部７２が、発電装置Ｐにおける発電量が第１の発電量以下であることを検知した場合に実行される。
【0152】
第８運用モードにおける電解装置４の稼働は、第２運用モードにおける電解装置４の稼働と同一の方法により実行されてもよい。第８運用モードが第７運用モードに引き続いて実行される場合、電解装置４の稼働を停止せず、連続して稼働させてもよい。
【0153】
第８運用モードにおいて、陰極８において生成された水素ガスは、水素ガス除湿ライン２６および追加水素ガス供給ライン７８を介して、燃料電池２０の水素極２２に供給される。換言すれば、第８運用モードにおいて、陰極８において生成された湿潤した水素ガスは、燃料電池２０の水素極２２に直接供給される。ここで、上述した通り、水素極２２に湿潤した水素ガスが供給された場合においても、燃料電池２０は発電および排熱の生成を行うことが可能である。したがって、第８運用モードにおいても、燃料電池２０は、水素極２２に供給された湿潤した水素ガスを燃料として稼働する。
【0154】
第８運用モードにおいては、水素ガス貯留装置Ｒに貯留された乾燥した水素ガスの一部が、燃料電池２０の水素極２２と、除湿装置７６の熱交換器１８とのそれぞれに供給される。制御部７２は、弁５と弁１７との開放度合の差を調節することにより、水素ガス貯留装置Ｒから水素極２２に供給する水素ガスと熱交換器１８に供給する水素ガスとの割合を制御してもよい。
【0155】
第８運用モードにおいて、熱交換器１８には、後述する方法によって稼働する燃料電池２０からの排熱を含む排気が、第１排熱供給ライン４６を介して輸送される。このため、第８運用モードにおいては、熱交換器１８において、水素ガス貯留装置Ｒからの水素ガスと、燃料電池２０からの排熱を含む排気との熱交換が実行される。
【0156】
第８運用モードにおいて、熱交換器１８における熱交換により温度が上昇した水素ガスは、熱交換器１８から第２再生ライン５６を介して第１除湿器１４に輸送される。これにより、第１除湿器１４には、高温かつ乾燥した水素ガスが供給される。なお、熱交換器１８における熱交換により温度が低下した、燃料電池２０の排熱を含む排気は、熱交換器１８から排気ライン５２を介して水素生成システム２の外部に排出されてもよい。
【0157】
第８運用モードにおいては、第１除湿器１４に高温かつ乾燥した水素ガスを供給することにより、第１除湿器１４の再生を実行する。第１除湿器１４の再生は、例えば、第４運用モードにおける第１除湿器１４の再生と同一の方法により実行されてもよい。換言すれば、第８運用モードにおいて、水素生成システム７４は、除湿装置７６の再生を、少なくとも、電解装置４にて生成された水素ガスの少なくとも一部、および、熱交換器１８により加熱した水素ガスを利用して実行する。
【0158】
本実施形態において、第１除湿器１４の再生により、第１除湿器１４から除去された水分は、熱交換器１８から供給された水素ガスに溶解した状態にて、第１除湿器１４の外部に排出される。換言すれば、第１除湿器１４に供給され、第１除湿器１４の再生に利用された水素ガスは、湿潤した水素ガスとなる。
【0159】
第１除湿器１４の再生により生じる、湿潤した水素ガスは、第１水素ガス供給ライン３２および第１燃料供給ライン３４を介して、燃料電池２０の水素極２２に供給される。このため、第８運用モードにおいて、第１水素ガス供給ライン３２および第１燃料供給ライン３４は、湿潤した水素ガスを燃料電池２０に供給する湿潤水素ガス供給ラインとして機能する。
【0160】
第８運用モードにおいて、燃料電池２０は、電解装置４の陰極８、除湿装置７６の第１除湿器１４、および、水素ガス貯留装置Ｒのそれぞれから供給された水素ガスを燃料として発電する。ここで、第８運用モードにおいて、燃料電池２０は、少なくとも、電解装置４に送電する電力と、熱交換器１８に輸送する排気が含む排熱とを生成する。
【0161】
以上により、第８運用モードにおいては、発電装置Ｐからの電力供給を受けることなく、電解装置４から水素ガスを発生させ、また、第１除湿器１４の再生を実行できる。特に、第８運用モードにおいては、第１除湿器１４の再生を燃料電池２０からの排熱を利用して実行する。
【0162】
本実施形態において、第８運用モードに引き続き、再び第７運用モードにて水素生成システム２が運用されてもよい。第８運用モードにおいては、第１除湿器１４の再生が実行されるため、第８運用モードを経た後に実行される第７運用モードは、第１除湿器１４による水素ガスの除湿が可能である状態において実行される。
【0163】
第８運用モードから第７運用モードへの移行は、例えば、制御部７２が、発電装置Ｐにおける発電可能な電力量が第２の発電量以上となったことを検知し、かつ、第１除湿器１４の再生の完了を検知した場合に実行される。
【0164】
本実施形態に係る水素生成システム７４は、運用モードを上述した第７運用モードと第８運用モードとに交互に切り替えつつ繰り返し運用することにより、継続して運用が可能である。水素生成システム７４の運用モードの切り替えは、例えば、制御部７２による、電解装置４、除湿装置７６、および燃料電池２０の動作の制御と、各弁の開閉の制御とにより実行される。
【0165】
本実施形態に係る水素生成システム７４は、前実施形態に係る水素生成システム２と比較して、除湿装置７６が備える除湿器が第１除湿器１４のみである。このため、本実施形態に係る水素生成システム７４は、単一の除湿器のみにて、継続して運用することが可能であり、構造を簡素化できる。これに伴い、主に水素ガスを貯留する第７運用モード、および主に第１除湿器１４を再生する第８運用モードのみにより、本実施形態に係る水素生成システム７４の継続運用が可能となり、運用方法が簡素化する。
【0166】
本開示は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本開示の技術的範囲に含まれる。
【符号の説明】
【0167】
２ 水素生成システム
４ 電解装置
１２ 除湿装置
１４ 第１除湿器
１６ 第２除湿器
１８ 熱交換器
２０ 燃料電池
２６ 水素ガス除湿ライン
３２ 第１水素ガス供給ライン
３４ 第１燃料供給ライン
３６ 第１水素ガス貯留ライン
３８ 貯留水素ガス供給ライン
４０ 第２水素ガス供給ライン
４２ 第２燃料供給ライン
４４ 第２水素ガス貯留ライン
４６ 第１排熱供給ライン
５８ 酸素ガス供給ライン
６０ 第１電源線
６２ 第２電源線
７２ 制御部
Ｐ 発電装置
Ｒ 水素ガス貯留装置
４ 電解装置
１２ 除湿装置
１４ 第１除湿器
１６ 第２除湿器
１８ 熱交換器
２０ 燃料電池
２６ 水素ガス除湿ライン
３２ 第１水素ガス供給ライン
３４ 第１燃料供給ライン
３６ 第１水素ガス貯留ライン
３８ 貯留水素ガス供給ライン
４０ 第２水素ガス供給ライン
４２ 第２燃料供給ライン
４４ 第２水素ガス貯留ライン
４６ 第１排熱供給ライン
５８ 酸素ガス供給ライン
６０ 第１電源線
６２ 第２電源線
７２ 制御部
Ｐ 発電装置
Ｒ 水素ガス貯留装置
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】