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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】P2024169165
(43)【公開日】2024-12-05
(54)【発明の名称】電解システム
(51)【国際特許分類】
C25B 15/02 20210101AFI20241128BHJP
H01M 8/12 20160101ALI20241128BHJP
H01M 8/04 20160101ALI20241128BHJP
H01M 8/04694 20160101ALI20241128BHJP
C25B 1/042 20210101ALI20241128BHJP
C25B 9/00 20210101ALI20241128BHJP
H01M 8/00 20160101ALI20241128BHJP
【ＦＩ】
C25B15/02
H01M8/12 101
H01M8/04 J
H01M8/04694
C25B1/042
C25B9/00 A
H01M8/00 Z
【審査請求】未請求
【請求項の数】4
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023086401
(22)【出願日】2023-05-25
(71)【出願人】
【識別番号】000000011
【氏名又は名称】株式会社アイシン
(74)【代理人】
【識別番号】110000017
【氏名又は名称】弁理士法人アイテック国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】岡本 光
【テーマコード（参考）】
4K021
5H126
5H127
【Ｆターム（参考）】
4K021AA01
4K021BA02
4K021BC09
4K021DC03
5H126BB06
5H127AA07
5H127AB14
5H127AB16
5H127BA02
5H127BA15
5H127BA22
5H127BB02
5H127BB10
5H127DA05
5H127DA11
5H127DC41
5H127EE13
5H127EE29
5H127EE30
(57)【要約】
【課題】簡易な構成により、待機時においてスタックを適切に保温する。
【解決手段】電解システムは、電解動作と発電動作とが可能な可逆作動固体酸化物形セルにより構成される複数のスタックと、断熱性を有し複数のスタックを収容するケースと、複数のスタックの各燃料極を直列に接続する燃料極用流路と、複数のスタックの各酸素極を直列に接続する酸素極用流路と、複数のスタックに対して個別に直流電力を授受可能な電力授受部と、通常運転時には複数のスタックのうちの全てで電解動作を実行するように電力授受部を制御し、待機時には複数のスタックのうちの一部のスタックで電解動作を実行すると共に残余のスタックで発電動作を実行するように電力授受部を制御する制御部と、を備える。
【選択図】図１
【解決手段】電解システムは、電解動作と発電動作とが可能な可逆作動固体酸化物形セルにより構成される複数のスタックと、断熱性を有し複数のスタックを収容するケースと、複数のスタックの各燃料極を直列に接続する燃料極用流路と、複数のスタックの各酸素極を直列に接続する酸素極用流路と、複数のスタックに対して個別に直流電力を授受可能な電力授受部と、通常運転時には複数のスタックのうちの全てで電解動作を実行するように電力授受部を制御し、待機時には複数のスタックのうちの一部のスタックで電解動作を実行すると共に残余のスタックで発電動作を実行するように電力授受部を制御する制御部と、を備える。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
水蒸気を電気分解して水素と酸素とを生成する電解動作と、水素と酸素との反応により発電する発電動作とが可能な可逆作動固体酸化物形セルにより構成される複数のスタックと、
断熱性を有し、前記複数のスタックを収容するケースと、
前記複数のスタックの各燃料極を直列に接続する燃料極用流路と、
前記複数のスタックの各酸素極を直列に接続する酸素極用流路と、
前記複数のスタックに対して個別に直流電力を授受可能な電力授受部と、
通常運転時には、前記複数のスタックのうちの全てで前記電解動作を実行するように前記電力授受部を制御し、待機時には、前記複数のスタックのうちの一部のスタックで前記電解動作を実行すると共に前記複数のスタックのうちの残余のスタックで前記発電動作を実行するように前記電力授受部を制御する制御部と、
を備える電解システム。
断熱性を有し、前記複数のスタックを収容するケースと、
前記複数のスタックの各燃料極を直列に接続する燃料極用流路と、
前記複数のスタックの各酸素極を直列に接続する酸素極用流路と、
前記複数のスタックに対して個別に直流電力を授受可能な電力授受部と、
通常運転時には、前記複数のスタックのうちの全てで前記電解動作を実行するように前記電力授受部を制御し、待機時には、前記複数のスタックのうちの一部のスタックで前記電解動作を実行すると共に前記複数のスタックのうちの残余のスタックで前記発電動作を実行するように前記電力授受部を制御する制御部と、
を備える電解システム。
【請求項2】
請求項１に記載の電解システムであって、
前記制御部は、前記待機時には、前記複数のスタックのうち前記電解動作が実行されるスタックの水素の生成量と前記発電動作が実行されるスタックの水素の消費量とが均衡するように前記電力授受部を制御する、
電解システム。
前記制御部は、前記待機時には、前記複数のスタックのうち前記電解動作が実行されるスタックの水素の生成量と前記発電動作が実行されるスタックの水素の消費量とが均衡するように前記電力授受部を制御する、
電解システム。
【請求項3】
請求項１に記載の電解システムであって、
前記制御部は、前記待機時には、前記複数のスタックで前記電解動作と前記発電動作とを順次入れ替えて実行するように前記電力授受部を制御する、
電解システム。
前記制御部は、前記待機時には、前記複数のスタックで前記電解動作と前記発電動作とを順次入れ替えて実行するように前記電力授受部を制御する、
電解システム。
【請求項4】
請求項１ないし３いずれか１項に記載の電解システムであって、
前記燃料極用流路において前記複数のスタックのうち最上流に設置されたスタックの燃料極入口側に設けられた第１バッファタンクと、
前記燃料極用流路において前記複数のスタックのうち最下流に設置されたスタックの燃料極出口側に設けられた第２バッファタンクと、
前記酸素極用流路において前記複数のスタックのうち最上流に設置されたスタックの酸素極入口側に設けられた第３バッファタンクと、
前記酸素極用流路において前記複数のスタックのうち最下流に設置されたスタックの酸素極出口側に設けられた第４バッファタンクと、
を備える電解システム。
前記燃料極用流路において前記複数のスタックのうち最上流に設置されたスタックの燃料極入口側に設けられた第１バッファタンクと、
前記燃料極用流路において前記複数のスタックのうち最下流に設置されたスタックの燃料極出口側に設けられた第２バッファタンクと、
前記酸素極用流路において前記複数のスタックのうち最上流に設置されたスタックの酸素極入口側に設けられた第３バッファタンクと、
前記酸素極用流路において前記複数のスタックのうち最下流に設置されたスタックの酸素極出口側に設けられた第４バッファタンクと、
を備える電解システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本明細書は、電解システムについて開示する。
【背景技術】
【0002】
従来、この種の電解システムとしては、固体酸化物形の電解スタックと、電解スタックを収容する内側ケースと、内側ケースを外側から囲む中間ケースと、中間ケースを外側から囲む外側ケースと、中間ケースと外側ケースとの間に形成された真空用空間の空気を外部に排出するための空気導出流路と、内側ケースと中間ケースとの間に形成された蓄熱用空間に加熱装置により加熱された加熱流体を供給する流体供給流路と、を備えるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。電解スタックは、蓄熱用空間および真空用空間に囲まれているため、適度な温度に保温することができるとしている。
【0003】
また、電解セルスタックを有するＮ個の反応器を含むユニットにおいて、Ｎ個の反応器のうちの一部であるＰ個の反応器に電力を供給し、水蒸気または水蒸気と二酸化炭素との混合物のいずれかに基づいてＰ個の反応器で水蒸気電解または高温共電解を行ない、電解によって得られるガスの少なくとも一部を回収して電力が供給されていないＸ（Ｎ－Ｐ）個の反応器に供給し、Ｘ個の反応器（メタン化反応触媒材料）でメタン化を行なうものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。このユニットでは、始動モードまたは待機モードにおいて、Ｘ個の反応器による内部メタン化反応により、ユニット全体を高温に保持することができるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２０２２－１５２４４５号公報
【特許文献2】特開２０１９－１１２７１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、特許文献１に記載の電解システムでは、真空状態を維持するための真空容器や真空ポンプを必要とし、システムが複雑化してしまう。また、特許文献２に記載の電解システムでは、メタネーション反応のために二酸化炭素を供給可能で、メタネーション反応で生成されるメタンを回収可能なシステムしか適用することができない。
【0006】
本開示の電解システムは、簡易な構成により、待機時においてスタックを適切に保温することが可能な電解システムを提供することを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本開示の電解システムは、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。
【0008】
本開示の電解システムは、
水蒸気を電気分解して水素と酸素とを生成する電解動作と、水素と酸素との反応により発電する発電動作とが可能な可逆作動固体酸化物形セルにより構成される複数のスタックと、
断熱性を有し、前記複数のスタックを収容するケースと、
前記複数のスタックの各燃料極を直列に接続する燃料極用流路と、
前記複数のスタックの各酸素極を直列に接続する酸素極用流路と、
前記複数のスタックに対して個別に直流電力を授受可能な電力授受部と、
通常運転時には、前記複数のスタックのうちの全てで前記電解動作を実行するように前記電力授受部を制御し、待機時には、前記複数のスタックのうちの一部のスタックで前記電解動作を実行すると共に前記複数のスタックのうちの残余のスタックで前記発電動作を実行するように前記電力授受部を制御する制御部と、
を備えることを要旨とする。
水蒸気を電気分解して水素と酸素とを生成する電解動作と、水素と酸素との反応により発電する発電動作とが可能な可逆作動固体酸化物形セルにより構成される複数のスタックと、
断熱性を有し、前記複数のスタックを収容するケースと、
前記複数のスタックの各燃料極を直列に接続する燃料極用流路と、
前記複数のスタックの各酸素極を直列に接続する酸素極用流路と、
前記複数のスタックに対して個別に直流電力を授受可能な電力授受部と、
通常運転時には、前記複数のスタックのうちの全てで前記電解動作を実行するように前記電力授受部を制御し、待機時には、前記複数のスタックのうちの一部のスタックで前記電解動作を実行すると共に前記複数のスタックのうちの残余のスタックで前記発電動作を実行するように前記電力授受部を制御する制御部と、
を備えることを要旨とする。
【0009】
この本開示の電解システムでは、複数のスタックの各燃料極は燃料極用流路により直列に接続され、複数のスタックの各酸素極は酸素極用流路により直列に接続されているから、電解動作により一部のスタックで生成された水素と酸素とを消費して残余のスタックで発電動作を実行することができる。一般に、電解動作の効率よりも発電動作の効率の方が低く、差分のエネルギは熱として与えられる。このため、待機時において、一部のスタックで電解動作を実行する一方、残余のスタックで発電動作を実行することで、スタック全体の熱収支を発熱とし、余剰の熱によりケース内を保温することができる。この結果、簡易な構成により、待機時においてスタックを適切に保温することが可能な電解システムとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】本実施形態の電解システムの概略構成図である。
【図2】電解システムの補機類と制御装置との電気的な接続関係を示す説明図である。
【図3】制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【図4】通常運転時における電解システムの動作の様子を示す説明図である。
【図5】ホットスタンバイ時における電解システムの動作の様子を示す説明図である。
【図6】他の実施形態に係る電解システムの概略構成図である。
【図7】通常運転時における電解システムの動作の様子を示す説明図である。
【図8】ホットスタンバイ時における電解システムの動作の様子を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
本開示を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。
【0012】
図１は、本実施形態の電解システム１０の概略構成図である。図示するように、本実施形態の電解システム１０は、水蒸気電解により水素を生成する２つの電解セルスタック（第１スタック２１，第２スタック２２）を含む電解モジュール２０と、第１スタック２１に対して水蒸気電解に必要な電力を供給する第１電源系５０と、第２スタック２２に対して水蒸気電解に必要な電力を供給する第２電源系５５と、第１スタック２１および第２スタック２２で生成された水素を回収する水素回収系６０と、システム全体を制御する制御装置１００と、を備える。
【0013】
第１スタック２１および第２スタック２２は、いずれも、水蒸気を電気分解して水素をと酸素とを生成する電解動作（ＥＣモード）と水素と酸素との電気化学反応により発電する発電動作（ＦＣモード）とを実行可能な可逆作動固体酸化物形の単セルを備える。各単セルは、電解質２１ａ，２２ａと、電解質２１ａ，２２ａの一方の面側に配置される燃料極２１ｂ，２２ｂと、電解質２１ａ，２２ａの他方の面側に配置される酸素極２１ｃ，２２ｃと、を有する。
【0014】
第１，第２スタック２１，２２は高温で作動するため、電解質２１ａ，２２ａや燃料極２１ｂ，２２ｂ、酸素極２１ｃ，２２ｃは、セラミックス材料により作製される。また、触媒により水蒸気を酸素イオンと水素とに分解するため、燃料極２１ｂ，２２ｂには、触媒作用をもつニッケル等の金属とセラミックスとのサーメットが用いられる。燃料極２１ｂ，２２ｂの触媒活性を良好に維持するためには、燃料極２１ｂ，２２ｂを還元雰囲気に保ち、金属の酸化を防止する必要がある。このため、本実施形態では、ＥＣモードにおいて燃料極２１ｂ，２２ｂに供給される水蒸気には、水素ガス（酸化防止用水素）が混合される。
【0015】
電解モジュール２０は、第１スタック２１および第２スタック２２の他に、燃料極用配管３１や酸素極用配管４１、蒸発器３２、ヒータ３３，４２、バッファタンク３４，３５，４４，４５を備える。これらは、断熱性を有するモジュールケース２９に収容されている。燃料極用配管３１の入口には、水供給管３６の一端が接続され、当該水供給管３６の他端には、水タンク６７が設置されている。また、水供給管３６には、開閉弁３７が設置されている。燃料極用配管３１の出口には、燃料極オフガス配管３８の一端が接続されている。また、燃料極オフガス配管３８には、開閉弁３９が設置されている。酸素極用配管４１の入口には、空気供給管４６の一端が接続され、当該空気供給管４６の他端には、図示しないエアブロワが接続されている。また、空気供給管４６には、開閉弁４７が設置されている。酸素極用配管４１の出口には、排気管４８が接続されている。また、排気管４８には、開閉弁４９が設置されている。
【0016】
燃料極用配管３１は、第１スタック２１の燃料極２１ｂと第２スタック２２の燃料極２２ｂとを直列に接続する配管であり、当該燃料極用配管３１には、蒸発器３２とバッファタンク３４，３５とが設置されている。バッファタンク３５は、燃料極用配管３１における上流側の第１スタック２１の燃料極２１ｂ入口近傍に設置され、バッファタンク３５は、燃料極用配管３１における下流側の第２スタック２２の燃料極２２ｂ出口近傍に設置されている。蒸発器３２は、燃料極用配管３１におけるバッファタンク３５の上流側に設置されている。蒸発器３２には、ヒータ３３（例えばシーズヒータ等）が設けられ、ヒータ３３からの熱により、水を蒸発させて水蒸気を生成すると共に生成した水蒸気を電解動作に必要な温度まで昇温させる。
【0017】
酸素極用配管４１は、第１スタック２１の酸素極２１ｃと第２スタック２２の酸素極２２ｃとを直列に接続する配管であり、当該酸素極用配管４１には、ヒータ４２やバッファタンク４４，４５が設置されている。バッファタンク４４は、酸素極用配管４１における上流側の第１スタック２１の酸素極２１ｃ入口近傍に設置され、バッファタンク４５は、酸素極用配管４１における下流側の第２スタック２２の酸素極２２ｃ出口近傍に設置されている。ヒータ４２は、例えばシーズヒータであり、酸素極用配管４１におけるバッファタンク４４の上流側に設置されている。ヒータ４２は、酸素極用配管４１から第１スタック２１の酸素極２１ｃに供給される空気の温度を電解動作に必要な温度まで昇温させる。
【0018】
第１電源系５０は、設定された電流値の直流電流を生成して第１スタック２１に出力する直流定電流電源５１と、例えばリチウムイオンバッテリ等により構成される蓄電池５２と、設定された電流値の直流電流を第１スタック２１から掃引して蓄電池５２に出力する定電流負荷装置５３と、第１スタック２１に対して直流定電流電源５１と定電流負荷装置５３とを選択的に接続する切替スイッチ５４と、を備える。
【0019】
第２電源系５５は、設定された電流値の直流電流を生成して第２スタック２２に出力する直流定電流電源５６と、例えばリチウムイオンバッテリ等により構成される蓄電池５７と、設定された電流値の直流電流を第２スタック２２から掃引して蓄電池５７に出力する定電流負荷装置５８と、第２スタック２２に対して直流定電流電源５６と定電流負荷装置５８とを選択的に接続する切替スイッチ５９と、を備える。
【0020】
水素回収系６０は、燃料極用配管３１の出口から排出される燃料極オフガスから水素を回収するものである。この水素回収系６０は、燃料極用配管３１の出口に連結された燃料極オフガス配管３８に接続され燃料極オフガスに含まれる水蒸気を凝縮させて気液分離する気液分離器６１と、水素を貯蔵する水素タンク６３と、を備える。気液分離器６１は、冷却水と熱交換可能な熱交換流路を有し、当該熱交換流路の入口には、燃料極オフガス配管３８が接続され、当該熱交換流路の出口には、水素回収配管６２の一端が接続されている。水素回収配管６２の他端には、水素タンク６３が接続されている。水素と水蒸気とを含む燃料極オフガスは、冷却水との熱交換により、燃料極オフガスに含まれる水蒸気が凝縮させられた後、図示しない昇圧ポンプの駆動により水素回収配管６２を通って水素タンク６３に回収される。また、水素タンク６３には、水素供給配管６４の一端が接続され、当該水素供給配管６４の他端は、バッファタンク３４に接続されている。また、水素供給配管６４には、開閉弁６５が設置されている。水素タンク６３に蓄えられた水素の一部は、酸化防止用水素として用いられる。
【0021】
気液分離器６１で燃料極オフガスが凝縮することにより得られた水蒸気は、水回収配管６６を通って水タンク６７に蓄えられる。水タンク６７は、水供給管３６を介して燃料極用配管３１に接続されており、水タンク６７に蓄えられた水は、電解用の水蒸気を生成するための原料水として用いられる。
【0022】
制御装置１００は、図２に示すように、ＣＰＵ１０１を中心としたマイクロプロセッサとして構成され、ＣＰＵ１０１の他にＲＯＭ１０２やＲＡＭ１０３、入出力ポート等を備える。制御装置１００は、ヒータ３３，４２への駆動信号や開閉弁３７，３９，４７，４９，６５の開閉信号、直流定電流電源５１，５６への制御信号、定電流負荷装置５３，５８への制御信号、切替スイッチ５４，５９への制御信号などを出力ポートを介して出力する。
【0023】
次に、こうして構成された本実施形態の電解システム１０の動作（電解動作、発電動作）について説明する。
【0024】
電解動作（ＥＣモード）では、第１スタック２１の燃料極２１ｂには、水タンク６７の水から生成される水蒸気と水素タンク６３からの若干量の酸化防止用水素とが燃料極用配管３１によりバッファタンク３４を通って導入され、第１スタック２１の酸素極２１ｃには、スイープガスとしての空気が酸素極用配管４１によりバッファタンク４４を通って導入される。そして、第１電源系５０の直流定電流電源５１により第１スタック２１に直流の定電流が印加されると、燃料極２１ｂに導入された水蒸気は、燃料極２１ｂにおいて電解作用により水素と酸素イオン（Ｏ2-）とに分解され、当該酸素イオンが電解質２１ａを透過することで酸素極２１ｃにおいて酸素が生成される。燃料極２１ｂには、水蒸気と共に若干量の酸化防止用水素も供給されるため、燃料極２１ｂが還元雰囲気に保たれ、当該燃料極２１ｂの触媒金属が酸化するのを防止することができる。
【0025】
第１スタック２１の燃料極２１ｂで生成された水素は、電解未反応の水蒸気と共に当該第１スタック２１の燃料極２１ｂと直列に接続された第２スタック２２の燃料極２２ｂに供給される。また、第１スタック２１の酸素極２１ｃで生成された酸素は、スイープガス（空気）と共に当該第１スタック２１の酸素極２１ｃと直列に接続された第２スタック２２の酸素極２２ｃに供給される。そして、第２電源系５５の直流定電流電源５６により第２スタック２２に直流の定電流が印加されると、燃料極２２ｂに導入された水蒸気は、同様に、燃料極２２ｂにおいて電解作用により水素と酸素イオン（Ｏ2-）とに分解され、当該酸素イオンが電解質２２ａを透過することで酸素極２２ｃにおいて酸素が生成される。燃料極２２ｂには、燃料極２１ｂで生成された水素の一部が酸化防止用水素として用いられる。
【0026】
第２スタック２２の燃料極２２ｂで生成された水素は、電解未反応の水蒸気と共に水素極オフガスとしてバッファタンク３５を通って燃料極オフガス配管３８に排出され、水素回収系６０へ供給される。そして、水素回収系６０に供給された水素極オフガスは、気液分離器６１で冷却水との熱交換により冷却させられて水蒸気が除去された後、水素回収配管６２を通って水素タンク６３に回収される。水素タンク６３に蓄えられた水素の一部は、酸化防止用水素として、水素供給配管６４を介して燃料極用配管３１（バッファタンク３４）に供給される。なお、酸化防止用水素の供給は、燃料極用配管３１の出口側から排出された水素極オフガスを燃料極用配管３１の入口側へ直接に還流させることで行なうようにしてもよい。
【0027】
第２スタック２２の酸素極２２ｃで生成された酸素は、スイープガス（空気）と共にバッファタンク４５を通って排気される。
【0028】
本実施形態の電解システム１０では、第１スタック２１および第２スタック２２は、可逆作動固体酸化物形セルにより構成され、第１電源系５０および第２電源系５５は、定電流負荷装置５３，５８と蓄電池５２，５７とを備えているから、第１，第２スタック２１，２２から直流電流を掃引することで、第１，第２スタック２１，２２は、発電動作（ＦＣモード）により動作する。すなわち、第１スタック２１の発電動作では、第１スタック２１の燃料極２１ｂに水素が導入され、第１スタック２１の酸素極２１ｃに空気が導入される。そして、酸素極２１ｃで酸化物イオン（Ｏ2-）が生成され、当該酸化物イオンが電解質２１ａを透過して燃料極２１ｂで水素と反応することにより発電すると共に水蒸気が生成される。第１スタック２１で発電した電力は、定電流負荷装置５３を介して蓄電池５２に蓄電される。第２スタック２２の発電動作についても同様である。
【0029】
次に、電解システム１０の通常運転モード時の制御とホットスタンバイモード時の動作について説明する。ここで、通常運転モードは、第１スタック２１および第２スタック２２での電解動作により水素を製造する運転モードである。一方、ホットスタンバイモードは、通常運転を終了した後、次の通常運転時の起動を素早く行なえるように、電解モジュール２０内を保温するための運転モードである。図２は、制御装置１００のＣＰＵ１０１により実行される制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【0030】
制御ルーチンが実行されると、制御装置１００のＣＰＵ１０１は、まず、上位システムから指示された運転モードが通常運転モードとホットスタンバイモードのいずれであるかを判定する（ステップＳ１００）。
【0031】
ＣＰＵ１０１は、指示された運転モードが通常運転モードであると判定すると、ホットスタイバイモード中であるか否かを判定する（ステップＳ１０２）。ＣＰＵ１０１は、ホットスタンバイ中であると判定すると、全ての開閉弁３７，３９，４７，４９，６５を開弁すると共に（ステップＳ１０４）、ヒータ３３，４２をオンとして（ステップＳ１０６）、ステップＳ１０８に進む。一方、ＣＰＵ１０１は、ホットスタンバイモード中ではなく通常運転モード中であると判定すると、ステップＳ１０４，Ｓ１０６をスキップしてステップＳ１０８に進む。次に、ＣＰＵ１０１は、図４に示すように、第１スタック２１に直流定電流電源５１が接続されるように切替スイッチ５４を制御すると共に第２スタック２２に直流定電流電源５６が接続されるように切替スイッチ５９を制御する（ステップＳ１０８）。そして、ＣＰＵ１０１は、直流定電流電源５１，５６の各電流値を設定して第１スタック２１および第２スタック２２で電解動作を実行して（ステップＳ１１０）、制御ルーチンを終了する。電解動作は、上述したように、第１，第２スタック２１，２２に直流定電流電源５１，５６から直流電流を印加し、燃料極用配管３１に水タンク６７から水を供給すると共に水素タンク６３から酸化防止用水素を供給し、酸素極用配管４１に空気を供給することにより行なわれる。上述したように、燃料極用配管３１に供給された水は、ヒータ３３からの熱により蒸発器３２で水蒸気に変換されると共に必要温度まで昇温させられてから、バッファタンク３４を通って燃料極２１ｂ，２２ｂに供給され、燃料極２１ｂ，２２ｂに供給された水蒸気は、直流定電流電源５１，５６からの直流電力により電気分解される。これにより、水蒸気が消費され、燃料極２１ｂ，２２ｂには水素が生成され、酸素極２１ｃ，２２ｃには酸素が生成される。
【0032】
本実施形態の電解システム１０では、複数の固体酸化物形セルスタック（第１スタック２１，第２スタック２２）を備えるから、各スタックの設置場所や配管のレイアウトの違い等によって、スタック間の温度に違いが発生したり、各スタックに導入されるガスの組成や濃度、流速に違いが発生したりし、スタック間の劣化の速度にバラツキが生じる場合がある。この場合、スタック間の温度のバラツキやガスの組成や濃度等のバラツキが緩和されるように直流定電流電源５１，５６の電流値を実験等により予め求めて個別に設定することで、スタック間の劣化の速度を揃えて電解システム１０の寿命の向上を図ることができる。
【0033】
ＣＰＵ１０１は、ステップＳ１００において、指示された運転モードがホットスタンバイモードであると判定すると、通常運転モード中であるか否かを判定する（ステップＳ１１２）。ＣＰＵ１０１は、通常運転モード中であると判定すると、全ての開閉弁３７，３９，４７，４９，６５を閉弁する（ステップＳ１１４）。これにより、燃料極用配管３１の入口と出口とが閉鎖され、酸素極用配管４１の入口と出口とが閉鎖される。すなわち、燃料極用配管３１と酸素極用配管４１とは閉空間が形成される。続いて、ＣＰＵ１０１は、ヒータ３３，４２をオフとして（ステップＳ１１６）、ステップＳ１１８に進む。一方、ＣＰＵ１０１は、通常運転モード中ではなくホットスタンバイモード中であると判定すると、ステップＳ１１４，Ｓ１１６をスキップしてステップＳ１１８に進む。
【0034】
次に、ＣＰＵ１０１は、図５に示すように、第１スタック２１に直流定電流電源５１が接続されるように切替スイッチ５４を制御すると共に（ステップＳ１１８）、第２スタック２２に定電流負荷装置５８（蓄電池５７）が接続されるように切替スイッチ５９を制御する（ステップＳ１２０）。そして、ＣＰＵ１０１は、直流定電流電源５１の電流値を設定して第１スタック２１で電解動作を実行すると共に（ステップＳ１２２）、第１スタック２１で流れる電流の向きとは反対側で且つ同じ電流量の電流が掃引されるように定電流負荷装置５８を設定して第２スタック２２で発電動作を実行する（ステップＳ１２４）。
【0035】
第１スタック２１で電解動作を実行し、第２スタック２２で発電動作を実行することにより、第１スタック２１の燃料極２１ｂで生成される水素は、第２スタック２２の燃料極２２ｂで消費され、第１スタック２１の酸素極２１ｃで生成される酸素は、第２スタック２２の酸素極２２ｃで消費される。また、第２スタック２２の燃料極２２ｂで生成される水蒸気は、第１スタック２１の燃料極２１ｂで消費される。第１スタック２１および第２スタック２２でそれぞれ流れる電流の電流量を合わせることで、第１スタック２１の燃料極２１ｂでの水素の生成量および水蒸気の消費量と第２スタック２２の燃料極２２ｂでの水素の消費量および水蒸気の生成量とが釣り合うと共に、第１スタック２１の酸素極２１ｃでの酸素の生成量と第２スタック２２の酸素極２２ｃでの酸素の消費量とが釣り合うため、電解モジュール２０からオフガス（燃料極オフガスおよび酸素極オフガス）が排出されることがなくなり、電解モジュール２０（モジュールケース２９）外に持ち出される熱量を低減することができる。ここで、ホットスタンバイモードにおいて、水素、水蒸気および酸素並びにスイープガス（空気）の組成や濃度は、全体でみると一定ではあるものの、局所的には濃度分布が発生するおそれがある。しかし、本実施形態の電解システム１０では、上流側の第１スタック２１の燃料極２１ｂ入口近傍および酸素極２１ｃ入口近傍と、下流側の第２スタック２２の燃料極２２ｂ出口近傍および酸素極２２ｃ出口近傍とには、それぞれバッファタンク３４，４４，３５，４５が設置されているから、バッファタンク３４，４４，３５，４５に含まれるガスにより局所的な濃度分布を緩和することができる。
【0036】
一般的に、電解動作（ＥＣモード）の効率（投入した電力に対する生成された水素の燃焼エネルギの割合）より発電動作（ＦＣモード）の効率（投入した水素の燃焼エネルギに対する発電した電力の割合）の方が低いため、第１スタック２１での水蒸気電解に必要な電力よりも第２スタック２２での発電電力の方が小さくなり、差分のエネルギは、電解モジュール２０内に熱として与えられる。このため、ホットスタンバイモードの実行により、スタック全体の熱収支を発熱とし、余剰の熱により電解モジュール２０内を保温することができる。ステップＳ１２２により直流定電流電源５１で設定される電流値は、ホットスタンバイモードから通常運転モードに移行するときに、電解モジュール２０が高温状態から起動（ホットスタート）するための必要最小限の温度で保温されるような電流値に設定されることが望ましい。こうした電流値は予め実験等により定めることができる。
【0037】
次に、ＣＰＵ１０１は、予め定められた所定時間（例えば、数秒～数時間程度）が経過するまで、第１スタック２１での電解動作の実行と第２スタック２２での発電動作の実行とを継続する（ステップＳ１２６）。ＣＰＵ１０１は、所定時間が経過すると、次に、第１スタック２１に定電流負荷装置５３（蓄電池５２）が接続されるように切替スイッチ５４を制御すると共に（ステップＳ１２８）、第２スタック２２に直流定電流電源５６が接続されるように切替スイッチ５９を制御する（ステップＳ１３０）。そして、ＣＰＵ１０１は、直流定電流電源５６の電流値を設定して第２スタック２２で電解動作を実行すると共に（ステップＳ１３２）、第２スタック２２で流れる電流の向きとは反対側で且つ同じ電流量の電流が掃引されるように定電流負荷装置５３を設定して第１スタック２１で発電動作を実行する（ステップＳ１３４）。
【0038】
ＣＰＵ１０１は、ステップＳ１２２と同じ時間が経過するまで、第２スタック２２での電解動作の実行と第１スタック２１での発電動作の実行とを継続して（ステップＳ１３２）、制御ルーチンを終了する。このように、第１スタック２１と第２スタック２２との間で、電解動作と発電動作とを交互に行なうことにより、電解モジュール２０内を保温できることに加えて、第１，第２スタック２１，２２の劣化の回復を促して、その耐久性の向上を図ることができる。これは、電解セルスタックに印加する電流を反転させ、一時的に発電動作を実行することで、電解セルスタックの耐久性が向上することが複数報告されていることに基づく（例えば、S. N. Sampathkumar et al.,” Degradation study of a reversible solid oxide cell(rSOC) short stack using distribution of relaxation times (DRT) analysis”, Int. J. Hydrogen Energy, 47(2022), 10175-10193）。本実施形態では、交互に実行される電解動作と発電動作の各実行時間を同じ時間としたから、第１スタック２１と第２スタック２２のそれぞれの劣化のレベルと劣化回復のレベルとを合わせることができる。
【0039】
上述した実施形態では、電解モジュール２０は、２つの電解セルスタック（第１スタック２１，第２スタック２２）を備えるものとしたが、３つ以上の電解セルスタックを備えてもよい。図６は、他の実施形態に係る電解システム１１０の概略構成図である。他の実施形態に係る電解システム１１０は、図６に示すように、第１スタック２１および第２スタック２２に加えて第３スタック１２１を有する電解モジュール１２０を備えると共に、第１電源系５０および第２電源系５５に加えて、第３スタック１２１に対して直流電力の授受が可能な第３電源系１５０を備える。
【0040】
第３スタック１２１は、第１，第２スタック２１，２２と同様に、電解動作と発電動作とが可能な可逆作動固体酸化物形の単セルを備える。各単セルは、電解質１２１ａと、電解質１２１ａの一方の面側に配置される燃料極１２１ｂ、電解質１２１ａの他方の面側に配置される酸素極１２１ｃと、を有する。第３スタック１２１は、第１スタック２１と第２スタック２２との間に配置される。第１～第３スタック２１，２２，１２１の燃料極２１ｂ，２２ｂ，１２１ｂは、燃料極用配管３１により直列に接続される。また、第１～第３スタック２１，２２，１２１の酸素極２１ｃ，２２ｃ，１２１ｃは、酸素極用配管４１により直列に接続される。
【0041】
第３電源系１５０は、第１，第２電源系５０，５５と同様の、直流定電流電源１５１、蓄電池１５２および定電流負荷装置１５３を備える。
【0042】
こうして構成された他の実施形態に係る電解システム１１０において、通常運転モードでは、３つの電解セルスタック（第１～第３スタック２１，２２，１２１）の全てで電解動作が実行される。具体的には、ＣＰＵ１０１は、図７に示すように、第１スタック２１に直流定電流電源５１が接続されるように切替スイッチ５４を制御し、第２スタック２２に直流定電流電源５６が接続されるように切替スイッチ５９を制御し、第３スタック１２１に直流定電流電源１５１が接続されるように切替スイッチ１５４を制御する。そして、ＣＰＵ１０１は、直流定電流電源５１の電流値と直流定電流電源５６の電流値と直流定電流電源１５１の電流値とを設定して第１スタック２１と第２スタック２２と第３スタック１２１とで電解動作を実行する。なお、上述したように、スタック間の温度のバラツキやガスの組成や濃度等のバラツキが緩和されるように直流定電流電源５１，５６，１５１の電流値を実験等により予め求めて個別に設定することで、スタック間の劣化の速度を揃えて電解システム１１０の寿命の向上を図ることができる。
【0043】
また、ホットスタンバイモードでは、３つの電解セルスタック（第１～第３スタック２１，２２，１２１）のうち２つのスタックで電解動作を実行し、１つのスタックで発電動作を実行する。なお、発電動作を実行するスタックは、第１～第３スタック２１，２２，１２１のいずれであってもよい。例えば、ＣＰＵ１０１は、図８に示すように、第１スタック２１に直流定電流電源５１が接続され、第２スタック２２に直流定電流電源５６が接続されるように切替スイッチ５４，５９を制御する一方、第３スタック１２１に定電流負荷装置１５３（蓄電池１５２）が接続されるように切替スイッチ１５４を制御する。そして、ＣＰＵ１０１は、直流定電流電源５１の電流値と直流定電流電源５６の電流値に同じ値を設定して第１スタック２１と第２スタック２２とで電解動作を実行すると共に、第１および第２スタック２１，２２で流れる電流の向きとは反対側で且つ２倍の電流量の電流が掃引されるように定電流負荷装置１５３を設定して第３スタック１２１で発電動作を実行する。これにより、第１スタック２１および第２スタック２２の燃料極２１ｂ，２２ｂでの水素の生成量の総和および水蒸気の消費量の総和と第３スタック１２１の燃料極１２１ｂでの水素の消費量および水蒸気の生成量とが釣り合うと共に、第１スタック２１および第２スタック２２の酸素極２１ｃ，２２ｃでの酸素の生成量の総和と第３スタック１２１の酸素極１２１ｃでの酸素の消費量とが釣り合い、電解モジュール１２０からオフガス（燃料極オフガスおよび酸素極オフガス）が排出されることがなくなり、電解モジュール１２０（モジュールケース２９）外に持ち出される熱量を低減することができる。また、この場合、発電動作が実行されるスタック（第３スタック１２１）の電流密度は、電解動作が実行されるスタック（第１スタック２１，第２スタック２２）の電流密度と比べて２倍となるため、発電動作の効率は更に低下する。したがって、３つの電解セルスタック全体の熱収支は発熱となり、余剰の熱は、電解モジュール１２０の保温に用いられる。更に、電解動作と発電動作とを順次入れ替えながら３つの電解セルスタックを運転することで、第１，第２および第３スタック２１，２２，１２１の劣化の回復を促して、その耐久性の向上を図ることができる。
【0044】
上述した実施形態では、電解モジュール２０は、燃料極用配管３１と酸素極用配管４１とにそれぞれバッファタンク３４，３５，４４，４５を備えるものとしたが、バッファタンクの一部または全部を省略してもよい。
【0045】
以上、本開示を実施するための形態について実施形態を用いて説明したが、本開示はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【0046】
本開示は、電解システムの製造産業などに利用可能である。
【符号の説明】
【0047】
１０，１１０ 電解システム、２１ 第１スタック（スタック）、２２ 第２スタック（スタック）、２９ モジュールケース（ケース）３１ 燃料極用配管（燃料極用流路）３４ バッファタンク（第１バッファタンク）、３５ バッファタンク（第２バッファタンク）、４１ 酸素極用配管（酸素極用流路）４４ バッファタンク（第３バッファタンク）、４５ バッファタンク（第４バッファタンク）、５０ 第１電源系（電力授受部）、５５ 第２電源系（電力授受部）、１００ 制御装置（制御部）、１２１ 第３スタック（スタック）、１５０ 第３電源系（電力授受部）。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】