特許 7231062 水電気分解装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-02-20

(45)【発行日】2023-03-01

(54)【発明の名称】水電気分解装置

(51)【国際特許分類】

   C25B 15/023 20210101AFI20230221BHJP

   C25B 1/04 20210101ALI20230221BHJP

   C25B 9/00 20210101ALI20230221BHJP

   C25B 9/65 20210101ALI20230221BHJP

   C25B 15/00 20060101ALI20230221BHJP

   C25B 9/70 20210101ALI20230221BHJP

   H02J 3/38 20060101ALI20230221BHJP

   H02J 15/00 20060101ALI20230221BHJP

【ＦＩ】

C25B15/023

C25B1/04

C25B9/00 A

C25B9/65

C25B15/00 302Z

C25B9/70

H02J3/38 130

H02J15/00 G

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2021563461

(86)(22)【出願日】2019-12-09

(86)【国際出願番号】 JP2019048116

(87)【国際公開番号】W WO2021117096

(87)【国際公開日】2021-06-17

【審査請求日】2022-05-31

(73)【特許権者】

【識別番号】000005223

【氏名又は名称】富士通株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】米澤 遊

(72)【発明者】

【氏名】高内 英規

(72)【発明者】

【氏名】中島 善康

【審査官】田中 則充

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－８５６０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１７８１７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－５２３７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－２９０５５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５７－１２３９８９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ２５Ｂ １５／０２３

Ｃ２５Ｂ １５／００

Ｃ２５Ｂ １／０４

Ｃ２５Ｂ ９／００

Ｃ２５Ｂ ９／６５

Ｃ２５Ｂ ９／７０

Ｈ０２Ｊ ３／３８

Ｈ０２Ｊ １５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

直列に接続される複数の水電気分解セルと、
前記複数の水電気分解セルの各々に対して設けられ、対応する水電気分解セルに並列に接続される迂回路に流れる電流を検出する複数の検出回路と、
前記複数の検出回路のうち少なくとも一つの検出回路により検出される前記電流の電流値が閾値を超えると、信号を出力する信号出力回路とを備える、水電気分解装置。

【請求項2】

前記複数の検出回路は、それぞれ、前記迂回路に流れる電流を制限する制限回路を有し、
前記制限回路は、前記対応する水電気分解セルのセル電圧の上昇によって、前記迂回路に流れる電流の制限を緩和する、請求項１に記載の水電気分解装置。

【請求項3】

前記制限回路は、前記対応する水電気分解セルのセル電圧が所定値よりも低い場合、高い場合に比べて、前記迂回路に流れる電流を制限する、請求項２に記載の水電気分解装置。

【請求項4】

前記制限回路は、前記迂回路に直列に挿入される少なくとも一つのダイオードを有し、
前記ダイオードは、前記迂回路に流れる電流の向きを順方向とする、請求項２又は３に記載の水電気分解装置。

【請求項5】

前記制限回路は、前記迂回路に直列に挿入されるスイッチを有し、
前記スイッチは、前記対応する水電気分解セルのセル電圧の上昇によってオンする、請求項２又は３に記載の水電気分解装置。

【請求項6】

前記制限回路は、前記対応する水電気分解セルのセル電圧を分圧する分圧回路を有し、
前記スイッチは、前記分圧回路の出力に基づいてオンする、請求項５に記載の水電気分解装置。

【請求項7】

前記制限回路は、前記対応する水電気分解セルのセル電圧が低下しても、前記スイッチのオンを保持するラッチ回路を有する、請求項５又は６に記載の水電気分解装置。

【請求項8】

前記複数の検出回路は、それぞれ、
前記迂回路に流れる電流を検出するセンサと、
前記センサの出力を増幅するアンプと、
前記アンプの出力を検出閾値と比較するコンパレータとを有する、請求項１から７のいずれか一項に記載の水電気分解装置。

【請求項9】

前記複数の水電気分解セルの両端に電圧を印加する電力変換器を備える、請求項１から８のいずれか一項に記載の水電気分解装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、水電気分解装置及び水電気分解システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、直列に接続される複数の電気分解ユニットのそれぞれに一つずつツェナーダイオードが並列に接続された水素ガス生成装置が知られている。劣化によって一つの電気分解ユニットに電流が流れなくなっても、それに並列接続されているツェナーダイオードを介して電流が流れ、他の電気分解ユニットで水素ガスが生成される。そのため、複数の電気分解ユニットのうちの一つに不具合が生じても、水素ガスの生成を継続できる（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１８－１６５３９６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、電気分解ユニットが劣化しても、水素の生成が継続されるため、電気分解ユニットの劣化を認識することが難しい。

【0005】

本開示は、一つの水電気分解セルが劣化しても、他の水電気分解セルでの水電気分解を停止させることなく、警告のための信号を発することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示は、
直列に接続される複数の水電気分解セルと、
前記複数の水電気分解セルの各々に対して設けられ、対応する水電気分解セルに並列に接続される迂回路に流れる電流を検出する複数の検出回路と、
前記複数の検出回路のうち少なくとも一つに検出回路により検出される前記電流の電流値が閾値を超えると、信号を出力する信号出力回路とを備える、水電気分解装置を提供する。

【0007】

また、本開示は、
発電装置と
直列に接続される複数の水電気分解セルと、
前記発電装置からの入力電圧を出力電圧に変換し、前記出力電圧を前記複数の水電気分解セルの両端に印加する電力変換器と、
前記複数の水電気分解セルの各々に対して設けられ、対応する水電気分解セルに並列に接続される迂回路に流れる電流を検出する複数の検出回路と、
前記複数の検出回路のうち少なくとも一つに検出回路により検出される前記電流の電流値が閾値を超えると、信号を出力する信号出力回路とを備える、水電気分解システムを提供する。

【発明の効果】

【0008】

本開示の技術によれば、一つの水電気分解セルが劣化しても、他の水電気分解セルでの水電気分解を停止させることなく、警告のための信号を発することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】一比較形態における水電気分解システムの構成例を示す図である。

【図2】水電気分解セルの構造例を示す図である。

【図3】水電気分解セルの電気特性の一例を示す図である。

【図4】水電気分解セルの単体の電気特性の一例を示す図である。

【図5】一つの水電気分解セルが劣化した状態を示す図である。

【図6】一実施形態における水電気分解システムの構成例を示す図である。

【図7】一比較形態における劣化時の電流経路を示す図である。

【図8】一実施形態における劣化時の電流経路を示す図である。

【図9】一比較形態における等価回路を示す図である。

【図10】一実施形態における等価回路を示す図である。

【図11】図１０の等価回路を単純化した等価回路を示す図である。

【図12】計算結果の一例を示す図である。

【図13】セル電圧とセル抵抗の関係を例示する図である。

【図14】検出回路の第１の構成例を示す図である。

【図15】検出回路の第１の構成例を動作を例示する図である。

【図16】検出回路の第２の構成例を示す図である。

【図17】検出回路の第２の構成例の動作を例示する図である。

【図18】検出回路の第３の構成例を示す図である。

【図19】検出回路の第３の構成例の動作を例示する図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本開示の実施形態について説明する。最初に、本開示の実施形態と比較するため、一比較形態について説明する。

【0011】

図１は、一比較形態における水電気分解システムの構成の一例を示す図である。図１に示す水電気分解システム１０００は、ソーラーパネル１０が発電した電気エネルギーにより、水を電気分解することによって水素を生成する。水電気分解システム１０００は、ソーラーパネル１０から最大電力が出力されるように、ソーラーパネル１０から引き出す電力を制御する。水電気分解システム１０００は、ソーラーパネル１０、電力変換器２０、複数のセル３０_１～３０_Ｎ、ＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking）制御器７０及び水素タンク６０を備える。Ｎは、２以上の整数であり、直列に接続されるセルの個数を表す。複数のセル３０_１～３０_Ｎは、互いに同一の構成を有する水電気分解セルである。以下、各構成及び機能等について説明する。

【0012】

ソーラーパネル１０は、発電した第１の直流電力を出力する発電装置の一例であり、パネル面に配列された複数の太陽電池を有する。太陽電池は、光起電力効果を利用し、太陽光のような光エネルギーを直流電力に変換して出力する。

【0013】

太陽電池は、内部抵抗の比較的大きな電池のような電流－電圧特性をもっており、電流を引き出すことで電圧降下が発生する。最大の電力を引き出せる電流と電圧で決まる最大電力点（Maximum Power Point）は、太陽電池を照らす照度（日射量）と太陽電池の温度によって変化する。照度が高ければ、発電量が上がるため、最大電力は増加する。一方で、太陽電池の温度が高くなると内部抵抗が増加し最大電力が低下する。

【0014】

常に最大電力点を満たすように太陽電池から引き出す電力を制御する方法を最大電力点追従（ＭＰＰＴ：Maximum Power Point Tracking）制御と称し、山登り法と呼ばれる制御方法が使用されることが多い。太陽電池を高効率で使うためには、ＭＰＰＴ制御は有効な技術である。以下では、ソーラーパネル１０の最大電力点での出力電力を最大電力Psolar_maxと表記する。

【0015】

ＭＰＰＴ制御器７０は、ソーラーパネル１０の出力ライン７１に設置された電流計７２及び電圧計７３により計算されたソーラーパネル１０の出力電力を、最大電力Psolar_maxに近づける制御指令値を生成する。図１に示すＭＰＰＴ制御器７０は、ソーラーパネル１０の負荷の一つである電力変換器２０の制御指令値を生成する。制御指令値は、電力変換器２０の出力電圧を指令する電圧指令値（電力変換器２０の出力電圧の目標値）でもよいし、電力変換器２０の出力電圧を制御するデューティ比を指令するデューティ比指令値（デューティ比の目標値）でもよい。

【0016】

電力変換器２０は、ソーラーパネル１０が出力する第１の直流電力を、ＭＰＰＴ制御器７０から供給される制御指令値に応じて、第２の直流電力に変換して出力するＤＣ－ＤＣコンバータである（ＤＣ：Direct Current）。電力変換器２０は、ＭＰＰＴ制御器７０から供給される制御指令値に応じて、ソーラーパネル１０からの入力電圧を出力電圧Ｖ_ｏｕｔに変換し、直列に接続される複数のセル３０_１～３０_Ｎの両端に出力電圧Ｖ_ｏｕｔを印加する。これにより、複数のセル３０_１～３０_Ｎの各々の両端（陽極と陰極との間）に、出力電圧Ｖ_ｏｕｔを分圧した電圧が印加される。

【0017】

図２は、水電気分解セルの構造例を示す図である。セル３０は、セル３０_１～３０_Ｎのうちの一つのセルを表す。セル３０は、電解槽とも称する。セル３０は、陽極３１と、陰極３２と、隔膜３３とを有する。隔膜３３は、陽極３１と陰極３２との間に挟まれている。陽極３１に供給される水（Ｈ_２Ｏ）は、陽極３１と陰極３２との間に印加される電圧により電気分解される。この電気分解によって、陽極３１において酸素（Ｏ_２）が発生し、水素イオン（Ｈ^＋）が陽極３１側から隔膜３３を通って陰極３２側に移動して、陰極３２において水素（Ｈ_２）が発生する。陽極３１において発生した酸素は、酸素配管を介して、大気に放出又は貯蔵される。陰極３２において発生した水素は、水素配管６１（図１参照）を介して、水素タンク６０に貯蔵される。水素タンク６０に貯蔵された水素は、エネルギーとして利用される。

【0018】

図３は、水電気分解セルの電気特性の一例を示す図である。水電気分解セルは、ダイオードのような電流‐電圧特性を持っており、１～１．５Ｖ程度の閾値電圧Ｖ_ｃｅｌｌから急激に電流が流れ出し、電気分解が始まる。Ｎ個のセルが直列に接続される場合、直列に接続されるＮ個のセル全体の閾値電圧は、Ｖ_ｃｅｌｌのＮ倍となる（Ｖ_ｃｅｌｌ×Ｎ）。セルに流れる電流が大きくなるほど、水素の発生量も多くなる。

【0019】

ところが、水電気分解セルを使用し続けると、電極の劣化により水電気分解セルの抵抗が増大し、電流が流れにくくなることがある。

【0020】

図４は、水電気分解セルの単体の電気特性の一例を示す図である。図５は、一つの水電気分解セルが劣化した状態を示す図である。図４，５に示すように、多数直列の水電気分解セルでは、直列に接続される複数のセルのうちいずれかのセルが劣化しただけでも、全体の電流量がＩ_ａからＩ_ｂに低下する。直列に接続される複数のセルに流れる全体の電流量が低下すると、水素の発生量も低下してしまう。水電気分解システムの常時稼働を保証するためには、各セルの製品保証期間に余裕をもって、システムメンテナンスを行い、各セルの交換をすることが好ましい。また、いずれかのセルが劣化しても、水素の生成が継続されるため、その劣化を認識することが難しい。

【0021】

図６は、本開示に係る一実施形態における水電気分解システムの構成例を示す図である。図１に示す構成と同様の構成についての説明は、上述の説明を援用することで、省略する。図６は、直列に接続されるセルの個数Ｎが６の場合を例示するが、Ｎは、２以上の整数であればよい。図６に示す水電気分解システム１００１は、ソーラーパネル１０及び水電気分解装置１０１を備える。水電気分解装置１０１は、電力変換器２０、複数のセル３０_１～３０_６、ＭＰＰＴ制御器７０、複数の検出回路４０_１～４０_６及び信号出力回路５０を備える。

【0022】

複数の検出回路４０_１～４０_６は、複数のセル３０_１～３０_６の各々に対して設けられ、対応するセルに並列に接続される。検出回路４０_１は、セル３０_１に対して設けられ、対応するセル３０_１に並列に接続され、検出回路４０_２は、セル３０_２に対して設けられ、対応するセル３０_２に並列に接続される。他の検出回路４０_３～４０_６も同様である。複数の検出回路４０_１～４０_６は、それぞれ、対応するセルに並列に接続される迂回路に流れる電流を検出する。

【0023】

信号出力回路５０は、複数の検出回路４０_１～４０_６のうち少なくとも一つの検出回路により検出される電流の電流値が閾値（以下、閾値Ｉ_ｔｈともいう）を超えると、信号Ａを出力する。信号Ａは、警告のための信号の一例である。

【0024】

セルの劣化が進行すると、当該セルの抵抗が増大するので、劣化したセルに比べて、劣化したセルに並列に接続される検出回路の方に、電流が流れやすくなる。水電気分解システム１００１は、複数のセル３０_１～３０_６の個々に並列接続される複数の検出回路４０_１～４０_６と、複数の検出回路４０_１～４０_６のうち少なくとも一つに流れる電流の電流値が閾値Ｉ_ｔｈを超えると信号Ａを出力する信号出力回路５０とを備える。水電気分解システム１００１は、このような構成を備えるので、一つのセルが劣化しても、他のセルでの水電気分解を停止させることなく、信号Ａに基づく警告を発することができる。信号Ａ自体又は信号Ａに基づく信号を検知することによって、いずれかのセルの劣化を外部から認識することが容易になる。

【0025】

信号出力回路５０は、論理回路により形成されてもよいし、プロセッサを備えるマイクロコンピュータを含む回路により形成されてもよい。信号出力回路５０が論理回路により形成される場合、信号出力回路５０の機能は、論理回路の組み合わせにより実現される。
信号出力回路５０がマイクロコンピュータを含む回路により形成される場合、信号出力回路５０の機能は、マイクロコンピュータにインストールされた一以上のプログラムがプロセッサに実行させる処理により実現される。

【0026】

図７は、一比較形態（図１）における劣化時の電流経路を示す図である。Ｍは、２以上Ｎ以下の整数である。一部のセル３０_Ｍが劣化すると、セル３０_Ｍの抵抗値が高くなるので、図７に示す構成では、直列に接続されるセル３０_Ｍ，３０_Ｍ－１全体に流れる電流Ｉ_１は、制限される。セル３０_Ｍが劣化すると、セル３０_Ｍに流れる電流だけでなく、セル３０_Ｍに直列に接続される正常なセル３０_Ｍ－１に流れる電流も減少するので、システム全体での水素の発生量が低下してしまう。

【0027】

これに対し、図８は、一実施形態（図６）における劣化時の電流経路を示す図である。一部のセル３０_Ｍが劣化すると、セル３０_Ｍの抵抗値が高くなるので、セル３０_Ｍに流れる電流Ｉ_３は減少する。一方、電流は、劣化したセル３０_Ｍよりも、セル３０_Ｍに並列に接続される検出回路４０_Ｍに流れやすくなるので、検出回路４０_Ｍに流れる電流は増加する。このように、高抵抗のセル３０_Ｍは検出回路４０_Ｍによってバイパスされるため、正常なセル３０_Ｍ－１に流れる電流Ｉ_２の減少は抑制され、システム全体での水素の発生量の低下を抑制できる。

【0028】

検出回路４０_Ｍは、対応するセル３０_Ｍに並列に接続される迂回路４６_Ｍと、迂回路４６_Ｍに流れる電流を制限する制限回路４２_Ｍとを有する。迂回路４６_Ｍは、対応するセル３０_Ｍの陽極３１に電気的に接続される一端と、対応するセル３０_Ｍの陰極３２に電気的に接続される他端とを有する。制限回路４２_Ｍは、対応する迂回路４６_Ｍに直列に挿入されている。制限回路４２_Ｍは、対応するセル３０_Ｍのセル電圧（セル３０_Ｍの両端の電位差）の上昇によって、迂回路４６_Ｍに流れる電流の制限を緩和する。この構成によれば、セル３０_Ｍの劣化前に、迂回路４６_Ｍに電流が流れることを制限できる。また、この構成によれば、セル３０_Ｍがその後に劣化すると、抵抗値の増大したセル３０_Ｍに電流が流れることによりセル３０_Ｍのセル電圧が上昇するので、セル３０_Ｍよりも迂回路４６_Ｍに電流を流しやすくすることができる。

【0029】

図８に示す形態では、制限回路４２_Ｍは、迂回路４６_Ｍに直列に挿入される少なくとも一つのダイオード４１を有し、ダイオード４１は、迂回路４６_Ｍに流れる電流の向きを順方向とする。この構成により、制限回路４２_Ｍは、対応するセル３０_Ｍのセル電圧が所定値Ｖ_Ｒよりも低い場合、高い場合に比べて、迂回路４６_Ｍに流れる電流を制限できる。所定値Ｖ_Ｒは、セル３０_Ｍの閾値電圧Ｖ_ｃｅｌｌよりも高い電圧値に設定され、少なくとも一つのダイオード４１の順方向電圧の総和によって決定される。対応するセル３０_Ｍのセル電圧が所定値Ｖ_Ｒよりも上昇すると、ダイオード４１による電流制限が緩和されるので、電流を迂回路４６_Ｍに流し始めることができる。

【0030】

同様に、検出回路４０_Ｍ－１は、対応するセル３０_Ｍ－１に並列に接続される迂回路４６_Ｍ－１と、迂回路４６_Ｍ－１に流れる電流を制限する制限回路４２_Ｍ－１とを有する。制限回路４２_Ｍ－１の構成は、制限回路４２_Ｍと同一なので、その説明は、上述の説明を援用することで省略する。

【0031】

図９は、一比較形態（図１）における等価回路を示す図である。過渡的に流れる電流ではなく定常的に流れる電流について示すため、図９に示す等価回路１１は、単純化されている。詳細には、図９では、セルに並列に接続されるキャパシタ成分は省略されている。等価回路１１を用いて、一個の水電気分解セルが劣化した場合における、全体の電流量と水素発生量との関係について説明する。直列に接続される複数のセル３０_１～３０_Ｎのうち任意の一個のセル３０_Ｎの抵抗値が増大したときのセル全体に流れる電流Ｉ_ｃｅｌｌの電流値は、

【0032】

【数1】

【0033】

と表すことができる。Ｅは、直列に接続される複数のセル３０_１～３０_Ｎの両端に印加される電圧、Ｖ_ｃｅｌｌは、セル一個当たりの閾値電圧、Ｎは、直列に接続されるセルの個数（正常なセルと劣化したセルの合計）を表す。Ｒ_ｃは、正常なセルの抵抗値、Ｒ_ｃｄは、劣化したセルの抵抗値を表す。

【0034】

図１０は、一実施形態（図６）における等価回路を示す図である。図９と同様、図１０に示す等価回路１２では、セルに並列に接続されるキャパシタ成分は省略されている。図１１は、図１０の等価回路を単純化した等価回路を示す図である。図１１に示す等価回路１３は、理想ダイオード３４，３５，３６を使い、セルの回路をまとめることで、単純化されている。図１０，１１において、直列に接続される複数のセル３０_１～３０_Ｎのうち任意の一個のセル３０_Ｎの抵抗値が増大したときのセル全体に流れる電流Ｉ_ｃｅｌｌの電流値は、以下の３つの状態に分けて、定義されることができる。

【0035】

状態１は、電圧Ｅの分圧によるセル３０_１～３０_Ｎの各々の両端電圧が、セル３０_１～３０_Ｎの各々の閾値電圧Ｖ_ｃｅｌｌよりも低く、セル３０_１～３０_Ｎ及び迂回路４６_１～４６_Ｎに電流が流れない状態を示す。

【0036】

【数2】

【0037】

状態２は、電圧Ｅの分圧によるセル３０_１～３０_Ｎの各々の両端電圧が、セル３０_１～３０_Ｎの各々の閾値電圧Ｖ_ｃｅｌｌよりも高く、セル３０_１～３０_Ｎに電流が流れるが、迂回路４６_１～４６_Ｎに電流が流れない状態を示す。

【0038】

【数3】

【0039】

状態３は、電圧Ｅの分圧によるセル３０_１～３０_Ｎの各々の両端電圧が、セル３０_１～３０_Ｎの各々の閾値電圧Ｖ_ｃｅｌｌよりも高く、セル３０_１～３０_Ｎ及び迂回路４６_Ｎに電流が流れる状態を示す。状態３では、セル３０_Ｎの両端に印加される電圧は、電流制限を緩和する閾値である上述の所定値Ｖ_Ｒよりも高いので、迂回路４６_Ｎには電流が流れる。しかし、状態３では、セル３０_１～３０_Ｎ－１の各々の両端に印加される電圧は、所定値Ｖ_Ｒよりも低いので、迂回路４６_１～４６_Ｎ－１には電流が流れない。

【0040】

【数4】

【0041】

また、図９及び図１０，１１において、セル３０_１～３０_Ｎ全体での単位時間当たりの水素発生量Ｖ_Ｈ２は、

【0042】

【数5】

で表される。ｎはモル数、Ｖ_ｍはモル体積、Ｆはファラデー定数、Ｒは気体定数、Ｔは温度、Ｐは圧力を表す。

【0043】

図１２は、計算結果の一例を示す図である。電流Ｉ_ｃｅｌｌは、式１の計算結果（等価回路１１）と式６の計算結果（等価回路１３）を示す。電流Ｉ_ｃｄは、式３の計算結果（等価回路１３）を示す。電流Ｉ_ｄは、式４の計算結果（等価回路１３）を示す。水素発生量Ｖ_Ｈ２は、式７の計算結果（等価回路１１及び等価回路１３）を示す。図１２に示すように、等価回路１３は、等価回路１１に比べて、劣化したセル３０_Ｎの抵抗値Ｒ_ｃｄが増加しても、電流Ｉ_ｃｅｌｌの減少を抑制できるので、水素発生量Ｖ_Ｈ２の低下を抑制できる。例えば、抵抗値Ｒ_ｃｄが正常値１０［ｍΩ］の場合、水素発生量Ｖ_Ｈ２は、等価回路１１の場合も等価回路１３の場合もいずれも、１．０３６［Ｎｍ^３／ｈ］となる。抵抗値Ｒ_ｃｄが１００［ｍΩ］に増大した場合、水素発生量Ｖ_Ｈ２は、等価回路１１の場合、０．５４５［Ｎｍ^３／ｈ］まで低下するのに対し、等価回路１３の場合、１．００２［Ｎｍ^３／ｈ］までの低下に抑制される。

【0044】

なお、図１２の計算結果における計算条件を、
セルの個数Ｎ：１０［個］
セル一個あたりの閾値電圧Ｖ_ｃｅｌｌ：１．２２９［Ｖ］
ダイオードの抵抗値Ｒ_ｄ：１［ｍΩ］
ダイオードの個数Ｎ_ｄ：３［個］
正常なセルの抵抗値Ｒ_ｃ：１０［ｍΩ］
劣化したセルの抵抗値Ｒ_ｃｄ：１００［ｍΩ］
セル全体に印加する電圧Ｅ：３５［Ｖ］
ダイオードの順方向電圧Ｖ_ｆ：１．２［Ｖ］
とする。

【0045】

図１３は、セル電圧とセル抵抗の関係を例示する図である。一のセルに並列に接続される一又は複数のダイオード４１の順方向電圧の総和は、対応するセルのセル電圧の最小値と最大値との間にあることが好ましい。図１３において、セル電圧の正常値は、セル電圧の最小値の一例であり、セル電圧の劣化判定値は、セル電圧の最大値の一例を示す。セル電圧の正常値は、セルが劣化する前の初期状態でセルの両端に発生する電圧値を表す。セル電圧の劣化判定値は、劣化したセルの抵抗上限値とセルに流す最大電流との積を表す。劣化したセルの抵抗上限値は、セルの製造メーカにより規定される。

【0046】

ダイオード４１の順方向電圧の総和が、対応するセルのセル電圧の最小値と最大値との間にあることで、劣化前の正常時には、ダイオード４１に流れる電流を阻止できる一方、セルの抵抗値が上限値に到達する前に、ダイオード４１に電流を流すことを許容できる。

【0047】

一のセルに並列に接続されるダイオード４１の個数Ｎ_ｄは、（セル電圧の正常値／一のダイオードの順方向電圧Ｖ_ｆ）よりも大きく、且つ、（セル電圧の劣化判定値／一のダイオードの順方向電圧Ｖ_ｆ）よりも小さい整数に設定されるとよい。例えば、初期抵抗１００［ｍΩ］のセルが、上限の２００［ｍΩ］まで増大したとする。この場合、最大電流を２０［Ａ］としたとき、セル電圧は４［Ｖ］に上昇する。ダイオードの順方向電圧Ｖ_ｆを１．２［Ｖ］とすると、個数Ｎ_ｄは、３に設定される。

【0048】

図１４は、検出回路の第１の構成例を示す図である。セル３０は、セル３０_１～３０_Ｎのうちの一つのセルを表す。図１４に示す検出回路４０Ａは、自身に対応する一のセル３０に並列に接続される。検出回路４０Ａは、迂回路４６に流れる電流Ｉ_ｄの電流値が所定の閾値Ｉ_ｔｈを超えると、セル３０の劣化を検出したことを表す検出出力Ｂを発生させる。図１４に示していないモジュールは、検出出力Ｂを受けると、警告メッセージを発する。図１４に示す構成では、閾値Ｉ_ｔｈは、検出閾値Ｄにより設定される。検出回路４０Ａは、セル３０に並列に接続される迂回路４６と、迂回路４６に流れる電流を検出するセンサ５３と、センサ５３の出力電圧を増幅するアンプ５４と、アンプ５４の出力電圧を検出閾値Ｄと比較するコンパレータ５５とを有する。

【0049】

図１５は、検出回路の第１の構成例（図１４）の動作を例示する図であり、電流Ｉ_ｃｄと電流Ｉ_ｄと検出出力Ｂとの関係を例示する。セル３０の両端への印加電圧（セル電圧Ｖ_ｃｄ）が閾値電圧Ｖ_ｃｅｌｌを超えると、セル３０に電流Ｉ_ｃｄが流れ始める。セル電圧Ｖ_ｃｄが所定値Ｖ_Ｒ（＝Ｖ_ｆ×Ｎ_ｄ）を超えると、セル３０に並列に接続される迂回路４６に電流Ｉ_ｄが流れ始める。閾値Ｉ_ｔｈは、検出閾値Ｄにより設定される。コンパレータ５５は、電流Ｉ_ｄの電流値が閾値Ｉ_ｔｈよりも低い状態（すなわち、アンプ５４の出力電圧が検出閾値Ｄよりも低い状態）では、セル３０の劣化を検出していないことを表すローレベルの検出出力Ｂを発生させる。一方、コンパレータ５５は、電流Ｉ_ｄの電流値が閾値Ｉ_ｔｈよりも高い状態（すなわち、アンプ５４の出力電圧が検出閾値Ｄよりも高い状態）では、セル３０の劣化を検出したことを表すハイレベルの検出出力Ｂを発生させる。検出出力Ｂは、信号出力回路５０（図６参照）に入力される。信号出力回路５０は、ハイレベルの検出出力Ｂがいずれかの検出回路から入力されると、信号Ａを出力する。

【0050】

水電気分解セルの抵抗値の増加による水素発生量の低下を許容する基準、ハイレベルの検出出力Ｂを発生させる基準及び信号Ａを出力する基準は、システムによって異なる。コンパレータ５５の検出閾値Ｄを変更することによって、それらの基準を容易に設定変更できる。

【0051】

図１６は、検出回路の第２の構成例を示す図である。セル３０は、セル３０_１～３０_Ｎのうちの一つのセルを表す。図１６に示す検出回路４０Ｂは、自身に対応する一のセル３０に並列に接続される。検出回路４０Ｂは、迂回路４６に流れる電流Ｉ_ｄを制限する制限回路４２Ｂを有する。制限回路４２Ｂは、迂回路４６に直列に挿入されるスイッチ４３を有する。スイッチ４３は、対応するセル３０のセル電圧Ｖ_ｃｄの上昇によってオンするスイッチング素子であり、より具体的には、Ｎチャネル型のＦＥＴ（Field Effect Transistor）である。制限回路４２Ｂは、対応するセル３０のセル電圧Ｖ_ｃｄを分圧する分圧回路４７を有する。スイッチ４３は、分圧回路４７の出力に基づいてオンする。

【0052】

図１７は、検出回路の第２の構成例（図１６）の動作を例示する図である。セル３０の抵抗値の増大により、セル電圧Ｖ_ｃｄは上昇する。セル電圧Ｖ_ｃｄの上昇に伴って、セル電圧Ｖ_ｃｄを分圧回路４７の抵抗４４，４５により分圧することにより得られるゲート電圧Ｖ_ｇも上昇する。ゲート電圧Ｖ_ｇがスイッチ４３の閾値電圧Ｖ_ｔｈを超えると、スイッチ４３に電流Ｉ_ｄが流れ始める。抵抗４４，４５の抵抗値を変更することで、電流を迂回路４６に流すか否かの切り替え閾値を容易に設定変更できる。

【0053】

図１８は、検出回路の第３の構成例を示す図である。セル３０は、セル３０_１～３０_Ｎのうちの一つのセルを表す。図１８に示す検出回路４０Ｃは、自身に対応する一のセル３０に並列に接続される。検出回路４０Ｃは、迂回路４６に流れる電流Ｉ_ｄを制限する制限回路４２Ｂを有する。制限回路４２Ｂは、対応するセル３０のセル電圧Ｖ_ｃｄが低下しても、コンパレータ５５の検出出力Ｂに基づいて、スイッチ４３のオンを保持するラッチ回路５６を有する。ラッチ回路５６は、コンパレータ５５の検出出力Ｂがローレベルからハイレベルに切り替わると、スイッチ４３のオンを保持するハイレベルのオン信号Ｒを出力する。ラッチ回路５６は、その後、コンパレータ５５の検出出力Ｂが再びローレベルに切り替わっても、ハイレベルのオン信号Ｒの出力を継続する。スイッチ４３のオンによりセル３０の両端は短絡するので、劣化したセル３０に電流を流さずに、迂回路４６に電流を流すようにすることができる。

【0054】

図１９は、検出回路の第３の構成例（図１８）の動作を例示する図である。セル３０の抵抗値の増大により、セル電圧Ｖ_ｃｄは上昇する。セル電圧Ｖ_ｃｄの上昇に伴って、セル電圧Ｖ_ｃｄを分圧回路４７の抵抗４４，４５により分圧することにより得られるゲート電圧Ｖ_ｇも上昇する。ゲート電圧Ｖ_ｇがスイッチ４３の閾値電圧Ｖ_ｔｈを超えると、スイッチ４３に電流Ｉ_ｄが流れ始める。電流Ｉ_ｄの電流値が、検出閾値Ｄによって決まる閾値Ｉ_ｔｈを超えると、検出出力Ｂがハイレベルに切り替わり、ハイレベルのオン信号Ｒが出力される。ハイレベルのオン信号Ｒが出力されると、スイッチ４３はオンするので、セル電圧Ｖ_ｃｄの電圧値は略零に低下する。セル電圧Ｖ_ｃｄの電圧値が略零に低下し、検出出力Ｂが再びローレベルに切り替わっても、ラッチ回路５６は、オン信号Ｒをハイレベルに保持する。このように、劣化したセル３０の両端が短絡された状態が保持されるので、劣化したセル３０に電流が流れ続けないようにすることができる。

【0055】

以上、実施形態について説明したが、本開示の技術は上記の実施形態に限定されるものではない。他の実施形態の一部又は全部との組み合わせや置換などの種々の変形及び改良が可能である。

【0056】

例えば、発電装置は、再生可能エネルギーの一つである太陽光を用いて電力を発電する装置に限られず、風力などの他の再生可能エネルギーを用いて電力を発電する装置でもよい。

【符号の説明】

【0057】

１０ ソーラーパネル
１１，１２，１３ 等価回路
２０ 電力変換器
３０，３０_１～３０_Ｎ 水電気分解セル
３１ 陽極
３２ 陰極
３３ 隔膜
４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ，４０_１～４０_Ｎ 検出回路
４１ ダイオード
４２，４２_１～４２_Ｎ，４２Ｂ 制限回路
４３ スイッチ
４６，４６_１～４６_Ｎ 迂回路
４７ 分圧回路
５０ 信号出力回路
５３ センサ
５４ アンプ
５５ コンパレータ
５６ ラッチ回路
６０ 水素タンク
７０ ＭＰＰＴ制御器
１０１ 水電気分解装置
１０００，１００１ 水電気分解システム

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】