特開 2024-168801 水電解水素製造システム

(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】P2024168801

(43)【公開日】2024-12-05

(54)【発明の名称】水電解水素製造システム

(51)【国際特許分類】

   C25B 9/00 20210101AFI20241128BHJP

   C25B 1/04 20210101ALI20241128BHJP

   C25B 15/02 20210101ALI20241128BHJP

【ＦＩ】

C25B9/00 A

C25B1/04

C25B15/02

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023085753

(22)【出願日】2023-05-24

(71)【出願人】

【識別番号】000173809

【氏名又は名称】一般財団法人電力中央研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100141139

【弁理士】

【氏名又は名称】及川 周

(74)【代理人】

【識別番号】100167553

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 久典

(74)【代理人】

【識別番号】100206081

【弁理士】

【氏名又は名称】片岡 央

(72)【発明者】

【氏名】西 美奈

(72)【発明者】

【氏名】シリロ レアンドロ ギリャルメ

(72)【発明者】

【氏名】小林 駿

(72)【発明者】

【氏名】野田 琢

(72)【発明者】

【氏名】森田 寛

【テーマコード（参考）】

4K021

【Ｆターム（参考）】

4K021AA01

4K021BA02

4K021CA15

4K021DC03

(57)【要約】

【課題】低コスト且つ高効率である多数台並列配置型の水電解ユニットによる水電解水素製造システムを提供する。
【解決手段】水電解水素製造システム１は、並列接続された多数台の水電解ユニット１０を備えるモジュラー型水電解水素製造システムであって、水電解ユニット１０は、交流電力ACを直流電力DCに変換するキロワット級のAC／DC変換器１１と、AC／DC変換器１１で変換された直流電力を用いて水を電気分解する水電解槽１２とを備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

並列接続された多数台の水電解ユニットを備えるモジュラー型水電解水素製造システムであって、
前記水電解ユニットは、交流電力を直流電力に変換するキロワット級の電力変換器と、
前記電力変換器で変換された直流電力を用いて水を電気分解する水電解槽と、
を備える水電解水素製造システム。

【請求項2】

前記水電解ユニットの台数は、十～数百である、請求項１記載の水電解水素製造システム。

【請求項3】

前記水電解ユニットは、個別に運転及び停止が可能である、請求項１又は請求項２記載の水電解水素製造システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、水電解水素製造システムに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、地球温暖化防止等の観点から、太陽光、風力、地熱等の再生可能エネルギー（再エネ）を用いた発電装置の普及が進んでいる。このような発電装置は、気象条件によって発電量が変動するものが多いことから、発電量が多い場合には余剰電力を貯蔵し、発電量が少ない場合には電力の不足分を貯蔵した電力で補う運用が想定されている。従来、余剰電力の貯蔵には蓄電池等が利用されることが多かったが、近年では、余剰電力を気体燃料である水素に変換して貯蔵する「パワー・トゥ・ガス」も注目されている。このような「パワー・トゥ・ガス」は、蓄電池に比べて遙かに多くのエネルギーを貯蔵することができ、容易に運搬することができるという利点がある。

【0003】

ここで、水素は燃焼時に二酸化炭素を排出しないことから、カーボンニュートラル実現のための重要物質として注目されている。これまで、水素は天然ガスの水蒸気改質等によって製造されてきたが、二酸化炭素の隔離、貯蔵を行っても一部の二酸化炭素は排出されてしまう。このため、二酸化炭素の排出を無くすには、上述した「パワー・トゥ・ガス」によって、余剰電力による水の電気分解にて水素を製造するのが望ましいと考えられる。以下の特許文献１には、このような方法で水素を製造する水電解水素製造システムの一例が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２０－０１２１９５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、メガワット（MW）級の水電解水素製造システムを開発する場合には、直流電力を交流系統から供給するため、通常、メガワット級の交直変換器（電力変換器）を必要とする。しかしながら、メガワット級の交直変換器は、通常、機器ごとに設計を行う場合が多く、既設計のものを用いる場合でもその目的に応じてある程度の設計を必要とし、使用する部品も高価になるため、開発コストが高くなるという問題がある。一方、キロワット（kW）級の交直変換器であれば、大量生産に適した民生用の汎用ACアダプタ等に用いられている技術を流用することができ、コストを極めて低く抑えることができる。また、水電解による水素製造システムは、電極／電解質界面の二次元的な場における電気化学プロセスによるため、規模を小さくした水電解槽を多数台用いても原理的には効率が落ちることはない。

【0006】

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、低コスト且つ高効率である多数台並列配置型の水電解ユニットによる水電解水素製造システム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】

【0007】

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様による水電解水素製造システムは、並列接続された多数台の水電解ユニット（１０、１０－１～１０－ｎ）を備える水電解水素製造システム（１）であって、前記水電解ユニットが、交流電力（AC）を直流電力（DC）に変換するキロワット級の電力変換器（１１、１１－１～１１－ｎ）と、前記電力変換器で変換された直流電力を用いて水を電気分解する水電解槽（１２、１２－１～１２－ｎ）と、を備える。

【0008】

また、本発明の第２の態様による水電解水素製造システムは、本発明の第１の態様による水電解水素製造システムにおいて、前記水電解ユニットの台数が、十～数百である。

【0009】

また、本発明の第３の態様による水電解水素製造システムは、本発明の第１又は第２の態様による水電解水素製造システムにおいて、前記水電解ユニットは、個別に運転及び停止が可能である。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、低コスト且つ高効率である多数台並列配置型の水電解ユニットによる水電解水素製造システムを提供することができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の一実施形態による水電解水素製造システムの要部構成を示すブロック図である。

【図2】本発明の一実施形態による水電解水素製造システムで用いられるAC／DC変換器の一例を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態による水電解水素製造システムについて、詳細に説明する。尚、以下では、まず、本発明の背景について説明し、その後に、本発明の実施形態について説明する。

【0013】

〔背景〕
本発明は、水電解による水素製造システムのコスト低減策についての発明である。水電解水素製造システムは、概ね、パワーエレクトロニクス機器である交直変換器（電力変換器）が、全体コストの約２５％を占めるといわれている。

【0014】

ここで、パワーエレクトロニクス（パワエレ）機器である電力変換器は、容量が大きい順に、電力用、産業用、民生用の３つに大別される部門で設計・製作される。電力変換器のコストについては、量産される汎用品としての民生用が圧倒的に安く、産業用（製品の型式をベースに設計、製作）、電力用（完全な一点物として設計、製作）となるにつれて、そのコストは上昇する。水素の製造規模が毎時数百Nm³である場合には、通常、メガワット級の水電解設備及びメガワット級の産業用電力変換器が導入される。しかしながら、メガワット級の産業用電力変換器はコストが高いため、これにより水電解水素製造システム全体のコスト上昇を招いてしまう。

【0015】

本発明では、水電解槽と同程度の容量の民生用電力変換器を一つのユニット（水電解ユニット）として、多数台並列（例えば、十～数百ユニット）配置する方法で電力変換器のコスト低減を実現している。また、小規模のユニットを多数台導入することにより、劣化又は故障箇所（水電解槽、電力変換器）を特定しやすくなり、劣化又は故障箇所だけを交換するといったことも可能になる。このように、本発明では、初期の設備コストを抑えるだけではなく、システム全体のメンテナンスコスト削減や寿命延伸を図ることもできる（フォールトトレランス性の向上）。

【0016】

また、本発明において、水電解ユニットは、個別に運転及び停止が可能であることから、水電解ユニットの運転台数自体を制御することにより、ユニット運用の最適条件（効率の最も高い運用点であり、通常は定格運転）から外れることなく、再エネ変動電源に対応する負荷変動が可能である。よって、本発明では、水素製造のコスト低減と、制御性向上による水電解ユニットの効率維持を同時に達成することもできる（これは、火力発電分野において「ユニットコミットメントによる最適化」と呼ばれているものと同じ考え方である）。

【0017】

〔実施形態〕
図１は、本発明の一実施形態による水電解水素製造システムの要部構成を示すブロック図である。図１に示す通り、本実施形態の水電解水素製造システム１は、並列接続された多数の水電解ユニット１０を備えており、交流電力ACが入力されて水電解により水素及び酸素を製造する多数台並列ユニットを組み合わせたモジュラー型水電解水素製造システムである。尚、交流電力ACは、例えば、太陽光、風力、地熱等の再エネ由来の電力あるいは系統からの電力であってよい。

【0018】

尚、本実施形態では、水電解水素製造システム１は、ｎ台（ｎは２以上の整数）の水電解ユニット１０－１～１０－ｎを備えるものとする。ｎは、水電解水素製造システム１に入力される交流電力ACの大きさ及び水電解ユニット１０－１～１０－ｎの容量等を考慮して設定され、例えば、ｎは、十～数百程度に設定される。

【0019】

水電解ユニット１０は、AC／DC変換器１１と水電解槽１２とを備える。例えば、水電解ユニット１０－１は、AC／DC変換器１１－１と水電解槽１２－１とを備え、水電解ユニット１０－２は、AC／DC変換器１１－２と水電解槽１２－２とを備え、水電解ユニット１０－ｎは、AC／DC変換器１１－ｎと水電解槽１２－ｎとを備える。

【0020】

AC／DC変換器１１は、交流電力ACを直流電力DCに変換する電力変換器である。本実施形態では、AC／DC変換器１１としてキロワット級のものを用いている。ここで、AC／DC変換器１１として、キロワット級のものを用いるのは、水電解水素製造システム１のコスト低減を図るためである。

【0021】

本実施形態の水電解水素製造システム１を、メガワット級のシステムとする場合、メガワット級のAC／DC変換器とメガワット級の水電解槽とを備える構成とすることも可能である。しかしながら、メガワット級のAC／DC変換器は、コストが高いため、これにより水電解水素製造システム１の全体のコスト上昇を招いてしまう。そこで、本実施形態では、量産される民生用の安価なキロワット級のAC／DC変換器を多数用いることで、水電解水素製造システム１のコスト低減を図っている。

【0022】

一般にAC／DC変換器の高速スイッチングは、高調波等のノイズ発生原因となり、交流系統に過熱、振動、誤動作等の悪影響をおよぼす懸念がある。しかし本実施形態のようにAC／DC変換器を多数台用いることにより、例えば、インターリーブの考えに基づき、約半数のAC／DC変換器のスイッチングによる高調波を打ち消すように残りのAC／DC変換器のスイッチングのタイミングをずらしたり、交流系統側の高調波を監視してそれを打ち消すようにスイッチングのタイミングを工夫することにより、各AC／DC変換器からの高調波同士の干渉を最適化できれば、交流系統への悪影響を最小限に抑えることが可能となる。

【0023】

水電解槽１２は、AC／DC変換器１１で変換された直流電力DCを用いて水を電気分解する。水電解槽１２の容量は、例えば、数キロワット程度である。水電解槽１２で行われる電気分解は、電極／電解質界面の二次元的な場における電気化学プロセスによるため、原理的には水電解槽１２の容量に拘わらず効率は変化しない。このため、容量が小さな水電解槽１２を多数用いたとしても、効率が落ちることはない。尚、水電解槽１２には、水が供給されており、電気分解によって生成された水素（H₂）及び酸素（O₂）は別々に回収される。

【0024】

水電解槽１２は、直流電力DCによって水を分解し、少なくとも水素を製造できるものであれば任意のものを用いることができる。例えば、水酸化カリウム（KOH）等のアルカリ溶液を使用するアルカリ形水電解槽、及び純水を使用する固体高分子（PEM：Polymer Electrolyte Membrane，高分子電解質膜）形水電解装置の何れであっても、水電解槽１２として用いることができる。

【0025】

図２は、本発明の一実施形態による水電解水素製造システムで用いられるAC／DC変換器の一例を示すブロック図である。図２に示す通り、AC／DC変換器１１は、ダイオードブリッジ２１、スイッチ２２、ダイオード２３、出力フィルタ２４、変流器２５、及び制御部２６を備えており、入力端Ｔ１１，Ｔ１２に入力される交流電力ACを直流電力DCに変換して出力端Ｔ２１，Ｔ２２から出力する。このAC／DC変換器１１は、PFC（Power Factor Correction）方式のものである。尚、入力端Ｔ１１，Ｔ１２には交流電力ACが入力され、出力端Ｔ２１，Ｔ２２は、水電解槽１２に接続され、直流電力DCを出力する。

【0026】

ダイオードブリッジ２１は、ダイオード２１ａ～２１ｄを備えており、入力端Ｔ１１，Ｔ１２に入力される交流電力ACの全波整流を行う。尚、図２においては、単相のダイオードブリッジ２１を図示しているが、AC／DC変換器１１に設けられるダイオードブリッジ２１は三相のものであってもよい。

【0027】

スイッチ２２は、制御部２６の制御によって、オン状態又はオフ状態となるスイッチである。このスイッチ２２としては、例えば、FET（Field Effect Transistor：電界効果トランジスタ）等のスイッチング素子を用いることができる。スイッチ２２は、ダイオードブリッジ２１の一方の出力端（ダイオード２１ａ，２１ｃのカソードが接続される出力端）と、出力フィルタ２４の一方の入力端（コイル２４ａが接続される入力端）及びダイオード２３のカソードとの間に接続されている。

【0028】

ダイオード２３は、出力フィルタ２４の一対の入力端の間に接続される。具体的に、ダイオード２３は、アノードが出力フィルタ２４の他方の入力端（コンデンサ２４ｂが接続される入力端）に接続され、カソードが出力フィルタ２４の一方の入力端（コイル２４ａが接続される入力端）に接続される。出力フィルタ２４は、コイル２４ａ及びコンデンサ２４ｂを備えており、スイッチ２２のスイッチングによって生ずるリップル成分を抑制するために設けられる。

【0029】

変流器２５は、出力端Ｔ２１から出力される直流電流を検出する。制御部２６は、変流器２５で検出される電流が予め規定された電流となるように、スイッチ２２を制御する。このように、AC／DC変換器１１では、出力端Ｔ２１から出力される直流電流が予め規定された所定の電流となるように、スイッチ２２がフィードバック制御される。

【0030】

ここで、水電解ユニット１０に設けられたAC／DC変換器１１のスイッチ２２をスイッチングさせれば、AC／DC変換器１１から水電解槽１２に直流電力DCが供給されるため、水電解ユニット１０を運転させることができる。これに対し、例えば、水電解ユニット１０に設けられたAC／DC変換器１１のスイッチ２２をオフ状態にすれば、AC／DC変換器１１から水電解槽１２に直流電力DCが供給されないため、水電解ユニット１０を停止させることができる。このように、水電解ユニット１０（１０－１～１０－ｎ）は、個別に運転及び停止が可能である。

【0031】

以上説明した水電解水素製造システム１に交流電力ACが入力されると、交流電力ACは、水電解水素製造システム１に設けられた水電解ユニット１０－１～１０－ｎに分配される。水電解ユニット１０－１～１０－ｎに分配された交流電力ACは、水電解ユニット１０－１～１０－ｎの各々に設けられたAC／DC変換器１１－１～１１－ｎによって直流電力DCにそれぞれ変換される。水電解ユニット１０－１～１０－ｎの各々で変換された直流電力DCは、水電解ユニット１０－１～１０－ｎの各々に設けられた水電解槽１２－１～１２－ｎに供給される。これにより、水電解ユニット１０－１～１０－ｎの各々において水が電気分解され、これにより水素及び酸素が生成される。生成された水素及び酸素は別々に回収される。このようにして、水素及び酸素が製造される。

【0032】

以上の通り、本実施形態による水電解水素製造システム１は、並列接続された多数の水電解ユニット１０（１０－１～１０－ｎ）を備えている。多数の水電解ユニット１０（１０－１～１０－ｎ）は、交流電力ACを直流電力DCに変換するキロワット級のAC／DC変換器１１（１１－１～１１－ｎ）と、AC／DC変換器１１（１１－１～１１－ｎ）で変換された直流電力DCを用いて水を電気分解する水電解槽１２（１２－１～１２－ｎ）を備える。

【0033】

このように、本実施形態では、キロワット級のAC／DC変換器１１と、キロワット級のAC／DC変換器１１によって変換された直流電力DCを用いる水電解槽１２とを備える水電解ユニット１０を並列に多数設けることで、キロワット級～メガワット級の交流電力ACに対応している。キロワット級のAC／DC変換器１１は、多数台用いてもメガワット級のAC／DC変換器に対して飛躍的にコストが低いことから、メガワット級の水電解水素製造システムを低コストで提供することができる。

【0034】

ここで、水電解槽１２で行われる電気分解は、電極／電解質界面の二次元的な場における電気化学プロセスによるため、水電解槽１２の容量に拘わらず効率はさほど変わらない。このため、容量が小さな水電解槽１２を多数用いたとしても、効率が落ちることはない。従って、本実施形態では、低コスト且つ高効率であるメガワット級の水電解水素製造システムを提供することができる。

【0035】

また、本実施形態では、並列接続された水電解ユニット１０を多数備える構成であるため、その劣化又は故障箇所を特定しやすくなり、劣化又は故障箇所だけを交換するといったことも可能になる。このように、本発明では、初期の設備コストを抑えるだけではなく、システム全体のメンテナンスコスト削減や寿命延伸を図ることもできる。

【0036】

また、本実施形態において、水電解ユニット１０は、個別に運転及び停止が可能であるため、運転する水電解ユニット１０の数自体を自在に変えることが可能である。このため、ユニット運用の最適条件（通常は定格運転）から外れることなく、負荷変動対応が可能である。よって、本実施形態では、水素製造のコスト低減と、制御性向上による水電解の効率維持とを同時に達成することもできる。

【0037】

以上、本発明の実施形態による水電解水素製造システムについて説明したが、本発明は上述した実施形態に制限されることなく、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上記実施形態では、水電解水素製造システム１が備える多数のAC／DC変換器１１が、PFC方式のものである場合を例に挙げて説明したが、AC／DC変換器１１は、PFC方式以外のものであってもよい。PFC方式以外のものとしては、例えば、ブリッジ変換回路が挙げられる。

【0038】

PFC方式のAC／DC変換器は、交直のみの変換が可能であるが、半導体素子数が少なく安価であるという特徴を有する。これ対し、ブリッジ変換回路は、交直及び直交の双方向の変換が可能であるが、半導体素子を多く使用するため高価であるという特徴を有する。水電解水素製造システム１が備える多数のAC／DC変換器１１としては、これらの特徴を勘案して適切なものを用いればよい。

【符号の説明】

【0039】

１ 水電解水素製造システム
１０，１０－１～１０－ｎ 水電解ユニット
１１，１１－１～１１－ｎ 電力変換器
１２，１２－１～１２－ｎ 水電解槽
AC 交流電力
DC 直流電力

【図1】

【図2】