特許 7736623 水素製造システム、水素製造方法

(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】2025-09-01

(45)【発行日】2025-09-09

(54)【発明の名称】水素製造システム、水素製造方法

(51)【国際特許分類】

   C25B 15/02 20210101AFI20250902BHJP

   H02J 3/00 20060101ALI20250902BHJP

   C25B 1/04 20210101ALI20250902BHJP

   C25B 9/00 20210101ALI20250902BHJP

【ＦＩ】

C25B15/02

H02J3/00

C25B1/04

C25B9/00 A

【請求項の数】 15

(21)【出願番号】P 2022067535

(22)【出願日】2022-04-15

(65)【公開番号】P2023157554

(43)【公開日】2023-10-26

【審査請求日】2024-11-18

(73)【特許権者】

【識別番号】000005108

【氏名又は名称】株式会社日立製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110002572

【氏名又は名称】弁理士法人平木国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】渡邉 敬司

(72)【発明者】

【氏名】古田 太

【審査官】石岡 隆

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２１－１８１６０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－０８４２５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１７８１７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１６－５１８５１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１９／１８９５０１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０２０／０７５７６７（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ２５Ｂ１／００－１／５５

Ｃ２５Ｂ９／００－９／７７

Ｃ２５Ｂ１５／００－１５／０８

Ｈ０２Ｊ３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の水電解スタックによって水素を製造する水素製造システムにおいて、
前記水電解スタックに対して供給する電力を制御する電力変換器、
前記電力変換器を制御することにより、前記水電解スタックに対して分配する電力を制御する電力分配制御部、
を有し、
前記電力分配制御部は、
前記水電解スタックの劣化のしやすさを示す劣化特性を保有する劣化率試算部、
前記水電解スタックの水素製造効率を予測する水素製造効率試算部、
を有し、
前記電力分配制御部は、前記劣化特性によって設定された、前記水電解スタックの劣化を抑制する電流上限値および前記水素製造効率試算部の予測結果に基づき、前記水電解スタックに対する電力分配を制御する
ことを特徴とする水素製造システム。

【請求項2】

前記水素製造システムは、１つ以上の前記水電解スタックが直列接続された直列部がさらに１つ以上並列接続されることにより、その並列接続数の前記直列部を備えており、
前記水素製造システムに供給される電力が、
（前記電流上限値）×（前記電流上限値における前記直列部の動作電圧）×（前記直列部の並列接続数）
以下である場合、
前記電力分配制御部は、前記水電解スタックのうち、
（前記水素製造システムに供給される電力）÷（（前記電流上限値）×（前記電流上限値における前記直列部の動作電圧））
に最も近い整数値に切り上げられた並列接続数の前記直列部に対して電力を供給する
ことを特徴とする請求項１記載の水素製造システム。

【請求項3】

前記水素製造システムは、１つ以上の前記水電解スタックが直列接続された直列部がさらに１つ以上並列接続されることにより、その並列接続数の前記直列部を備えており、
前記電力分配制御部は、前記水電解スタックの稼働ローテーション計画を策定する稼働計画策定部を備え、
前記電力分配制御部は、前記稼働ローテーション計画における前記水電解スタックの動作状態を割り当てるスタック動作割当部を備え、
前記水素製造システムに供給される電力が、
（前記電流上限値）×（前記電流上限値における前記直列部の動作電圧）×（前記直列部の並列接続数）
を上回る場合、
前記スタック動作割当部は、前記直列部の動作状態として、
所定期間にわたって他の前記直列部よりも多くの電力分配を受ける多配分直列部、
所定期間にわたって他の前記直列部よりも少ない電力分配を受ける少配分直列部、
のうちいずれかを割り当てる
ことを特徴とする請求項１記載の水素製造システム。

【請求項4】

前記スタック動作割当部は、前記稼働ローテーション計画において、複数の前記直列部のうち第１直列部の動作状態として、前記多配分直列部、および前記少配分直列部を第１順序で順次割り当て、
前記スタック動作割当部は、前記稼働ローテーション計画において、複数の前記直列部のうち前記第１直列部とは異なる第２直列部の動作状態として、前記多配分直列部、および前記少配分直列部を前記第１順序とは異なる第２順序で順次割り当てる
ことを特徴とする請求項３記載の水素製造システム。

【請求項5】

前記水電解スタックは、電力値が経時変動する変動電源から電力を受け取り、
前記電力分配制御部は、前記変動電源の発電量を予測した結果を受け取り、
前記電力分配制御部は、前記予測された発電量にしたがって、前記水電解スタックに対する電力分配を制御する
ことを特徴とする請求項１記載の水素製造システム。

【請求項6】

前記水素製造システムは、１つ以上の前記水電解スタックが直列接続された直列部がさらに１つ以上並列接続されることにより、その並列接続数の前記直列部を備えており、
前記水素製造システムは、１つ以上の前記直列部およびその直列部を動作させるために必要な補機類によって構成されたサブシステムを１つ以上備えており、
前記予測された発電量が、所定期間にわたって、あらかじめ定められた基準発電量以下である場合、
前記電力分配制御部は、前記水素製造システムの消費電力が前記予測された発電量以下となるように、前記サブシステムごとに電力供給を停止する
ことを特徴とする請求項５記載の水素製造システム。

【請求項7】

前記電力分配制御部は、前記水電解スタックの劣化状態を取得し、
前記電力分配制御部は、前記取得した劣化状態にしたがって、前記水電解スタックの動作状態を割り当てる
ことを特徴とする請求項１記載の水素製造システム。

【請求項8】

前記水素製造効率試算部は、前記取得した劣化状態が基準値未満である場合は、前記水電解スタックの水素製造効率と前記水電解スタックに対する入力電力との間の関係を記述したデータを再取得し、
前記水素製造効率試算部は、前記再取得したデータにしたがって、前記水電解スタックの水素製造効率を再予測する
ことを特徴とする請求項７記載の水素製造システム。

【請求項9】

前記電力分配制御部は、前記水電解スタックの補機類の消費電力の経時変化を取得し、
前記水素製造効率試算部は、前記取得した消費電力の経時変化にしたがって、前記水素製造効率の予測結果を修正する
ことを特徴とする請求項８記載の水素製造システム。

【請求項10】

前記水素製造システムはさらに、前記変動電源から供給される供給電力を前記水電解スタックへ供給するかまたは送配電系統へ出力するかを切り替える分配器を備え、
前記水素製造システムはさらに、前記分配器が前記水電解スタックと前記送配電系統との間で前記供給電力を分配する比率を電力需要にしたがって制御するマネジメントシステムを備える
ことを特徴とする請求項５記載の水素製造システム。

【請求項11】

前記電力分配制御部は、前記変動電源の発電量を予測した結果を受け取り、
前記マネジメントシステムは、前記予測した発電量が第１発電量であるときは、前記供給電力のうち第１比率の部分を前記送配電系統へ出力するように前記分配器を制御し、
前記マネジメントシステムは、前記予測した発電量が前記第１発電量よりも小さい第２発電量であるときは、前記供給電力のうち前記第１比率よりも小さい第２比率の部分を前記送配電系統へ出力するように前記分配器を制御する
ことを特徴とする請求項１０記載の水素製造システム。

【請求項12】

前記マネジメントシステムは、前記電力需要が第１電力量であるときは、前記供給電力のうち第１比率の部分を前記送配電系統へ出力するように前記分配器を制御し、
前記マネジメントシステムは、前記電力需要が前記第１電力量よりも小さい第２電力量であるときは、前記供給電力のうち前記第１比率よりも小さい第２比率の部分を前記送配電系統へ出力するように前記分配器を制御する
ことを特徴とする請求項１０記載の水素製造システム。

【請求項13】

前記マネジメントシステムは、熱需要、前記熱需要に対して供給される熱供給量、水素需要、および、前記水素製造システムが供給する水素供給量に従って、前記比率を制御する
ことを特徴とする請求項１０記載の水素製造システム。

【請求項14】

前記水素製造システムは、再生可能エネルギーから供給される電力を、前記水電解スタックに対して供給する
ことを特徴とする請求項１記載の水素製造システム。

【請求項15】

複数の水電解スタックによって水素を製造する水素製造方法であって、
前記水電解スタックに対して供給する電力を制御する電力変換器を制御することにより各前記水電解スタックに対して分配する電力を制御するステップを有し、
前記電力変換器を制御するステップにおいては、
前記水電解スタックの劣化のしやすさを示す劣化特性に基づいて算出された前記水電解スタックの劣化予測と、前記劣化特性によって設定された、前記水電解スタックの劣化を抑制する電流上限値と、前記水電解スタックの水素製造効率の予測と、に基づいて、前記各前記水電解スタックに対して分配する電力を制御する
ことを特徴とする水素製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、複数の水電解スタックによって水素を製造する水素製造システムに関する。

【背景技術】

【0002】

水素エネルギーの普及に向け、水素価格の低減が求められている。水素価格を低減するためには、水素の製造に要するコストの低減が必要である。水素の製造は、例えば水の電気分解（以下、水電解と表記）などの方法により行われる。水素製造コストは設備コスト（ＣＡＰＥＸ：ｃａｐｉｔａｌ ｅｘｐｅｎｓｅ）と運用コスト（ＯＰＥＸ：ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｅｘｐｅｎｓｅ）に大別される。ＯＰＥＸは、水電解に用いる電力の調達コストやシステム保守コストなどからなる。ＣＡＰＥＸを低減するには、以下の取り組みが必要となる。

【0003】

・設備価格の低減
・設備稼働率の向上（水素製造量の増加）
・設備の耐用年数の向上（設備償却費の低減）

【0004】

近年、再生可能エネルギーを活用した水素製造が注目されているが、再生可能エネルギーの発電量は、風力や天候の影響で変動するので、水素製造設備の稼働率向上が課題となる。対策として、蓄電池により電力を平準化した上で水素を製造することが考えられるが、蓄電池の導入により設備価格が増大し、ＣＡＰＥＸ低減は困難となる。したがって、蓄電池を用いることなく、ＣＡＰＥＸを低減できる技術が求められる。そこで上記取り組みのうち、設備の耐用年数を向上させることが重要となっている。

【0005】

水素製造システムの耐用年数を向上させるためには、構成部品である水電解セルの劣化抑制が必要となる。他方で水電解スタックの電解効率を向上することも重要である。

【0006】

下記特許文献１は、水電解システムの電解効率を向上する技術について記載している。同文献は、『電圧変動電源からの供給電力量に応じた最良の電解効率を得ることを可能にする。』ことを課題として、『水電解システム１０は、水電解装置１４と、太陽電池１６を含む電源装置１８とを備える。水電解装置１４は、複数の水電解スタック４０ａ～４０ｄと、各水電解スタック４０ａ～４０ｄに接続され、太陽電池１６から供給される電力を個別に調整することにより、前記水電解スタック４０ａ～４０ｄを最良効率で運転可能にする電力調整部４２ａ～４２ｄとを設ける。』という技術を記載している（要約参照）。

【0007】

下記非特許文献１は、水電解システムに対して投入される電力が増えるにしたがって、並列稼働させる水電解スタックの個数を次第に増やしていく、水電解システムの運用手法を記載している。

【0008】

特願２０２１－０２３６６３は、本願発明者による先行特許出願（以下、先願と呼ぶ）である。同願は、水電解スタック間で分配する電力を制御することにより、水電解スタックの劣化を抑制する手法について記載している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【文献】特開２００７－０３１８１３号公報

【非特許文献】

【0010】

【文献】B. Flamm et al., Applied Energy 281, 116031 (2021).

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

後述するように、特許文献１と非特許文献１が記載している技術は、それぞれ水素製造効率が高いものの、水電解スタックの劣化抑制については改善する余地があると考えられる。他方で先願は、水電解スタックの劣化を抑制することについては適しているものの、水素製造効率については改善する余地があると考えられる。

【0012】

本発明は、以上のような課題に鑑みてなされたものであり、複数の水電解スタックを用いて水素を製造する水素製造システムにおいて、水電解スタックの劣化抑制と水素製造効率を両立することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0013】

本発明に係る水素製造システムは、水電解スタックの劣化特性にしたがって、前記水電解スタックの劣化を抑制することができる電流上限値を設定し、その電流上限値と水素製造効率の予測結果に基づき、前記水電解スタックに対する電力分配を制御する。

【発明の効果】

【0014】

本発明に係る水素製造システムによれば、水電解スタックの劣化抑制と水素製造効率を両立することができる。本発明のその他の課題、構成、利点などについては、以下の実施形態の説明によって明らかとなる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】従来技術のケーススタディにおいて用いる水素製造システムの構成例である。

【図2】図１の水素製造システムに対して投入される電力の経時変動を示す。

【図3】図１の水素製造システムの水素製造効率を試算した結果を示す。

【図4】サブシステム１における第１スタックの動作状態の経時変化について試算した結果を示す。

【図5】図４の経時変化を度数分布によって表したものである。

【図6】各スタックの動作状態の経時変化について同様に試算した結果を示す。

【図7】サブシステム１における第１スタックの動作状態の経時変化について試算した結果を示す。

【図8】図７の経時変化を度数分布によって表したものである。

【図9】各スタックの動作状態の経時変化について同様に試算した結果を示す。

【図10】サブシステム１における第２スタック（スタック１－２）の動作状態の経時変化について試算した結果を示す。

【図11】図１０の経時変化を度数分布によって表したものである。

【図12】各スタックの動作状態の経時変化について同様に試算した結果を示す。

【図13】特許文献１、非特許文献１、および先願の劣化抑制効果と水素製造効率をそれぞれ試算した結果を示す。

【図14】実施形態１に係る水素製造システム１の構成図である。

【図15】サブシステム３の第１スタック（スタック３－１）の動作状態の経時変化について試算した結果を示す。

【図16】図１５の経時変化を度数分布によって表したものである。

【図17】稼働優先スタックと停止優先スタックを割り当てる場合における各スタックの動作状態の経時変化について同様に試算した結果を示す。

【図18】劣化抑制効果と水素製造効率をそれぞれ試算した結果を示す。

【図19】実施形態２に係る水素製造システム１の構成図である。

【図20】実施形態３に係る水素製造システム１の構成図である。

【図21】実施形態４に係る水素製造システム１の構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

＜従来技術の課題について＞
以下では本発明の実施形態について説明する前に、まず従来技術の課題について、ケーススタディの形式で説明する。その後に本発明の実施形態に係る水素製造システムの構成と動作手順について説明する。

【0017】

図１は、従来技術のケーススタディにおいて用いる水素製造システムの構成例である。２つの水電解スタックが並列接続されたサブシステムをさらに３つ並列接続することにより、６つの水電解スタックを有する水素製造システムが構成されている。各サブシステムは水電解スタックの他に、補機類１５を備える。

【0018】

図２は、図１の水素製造システムに対して投入される電力の経時変動を示す。このデータ例は、再生可能エネルギーにより発電した電力を上限９００ｋＷでフィルタリングしたものである。

【0019】

図３は、図１の水素製造システムの水素製造効率を試算した結果を示す。ここでは１つの水電解スタックの定格容量を１５０ｋＷとし、１５０×２＝３００ｋＷごとに１つのサブシステムを構成することとした。各サブシステム（スタック＋補機類）は図３に示す効率特性を有するものとする。一般的に、水電解スタックは低電力側ほど高効率であり、入力電力が下がるほど水素製造効率が単調増加する。他方で補機類は低電力側で効率が下がり、入力電力が一定以上に上がると効率曲線がほぼ平坦化する。サブシステムに対して入力される電力は水電解スタックと補機類それぞれに対して供給されるので、システム効率はこれらの効率を合成したものとなり、したがって図３のように極大値をもつ曲線となる。

【0020】

以下では、図１～図３に示す構成の下、３つのサブシステムの平均効率から、システム全体の水素製造効率を算出した。システムの運転制御手法としては、特許文献１記載のように、なるべくサブシステムの水素製造効率がピークとなる動作点を用い、原則としてスタック間の電力配分はほぼ等分配とした。図３に示すように、最大効率点は定格出力の約１５％の動作点であるので、なるべくこれを用いることとした。稼働させる水電解スタックの個数は、以下のように決定した。

【0021】

（１）システムに対して供給される電力≦６×（定格出力）×１５％の場合
稼働スタック数を（電力）／（定格出力×１５％）とする。各スタックを最大効率点で動作させる。

【0022】

（２）システムに対して供給される電力＞６×（定格出力）×１５％の場合
全スタックを稼働させ、電力を各スタックに対して等分配する。

【0023】

図４は、サブシステム１における第１スタックの動作状態の経時変化について試算した結果を示す。図５は、図４の経時変化を度数分布によって表したものである。図４～図５に示すように、最大効率点である中間出力と高出力との間で、動作状態が頻繁に往復している。これは先願において説明しているように、水電解スタックによって劣化進行が大きい動作パターンである。

【0024】

図６は、各スタックの動作状態の経時変化について同様に試算した結果を示す。スタックの劣化率を「高劣化」「中劣化」「低劣化」の３通りに区分し、各スタックがいずれに該当するかを併せて示した。この例における平均劣化率は１００μＶ／ｈと高く、劣化抑制の点で課題があることがわかる。他方で水素製造効率に関しては、各サブシステムの効率を電力値で加重平均してシステム全体の平均効率を算出したところ、６５．９％となった。最大効率点を高頻度に使用するので、高効率な運転方法であると言える。

【0025】

さらに、非特許文献１記載の運転手法を用いた場合における各スタックの動作を試算した。非特許文献１は、４つのスタックを運用する例を記載しているが、これを６つのスタックに拡張し、稼働させるスタックを以下のように指定することとした。

【0026】

（１）電力０～１５０ｋＷ：スタック１－１のみ稼働
（２）電力１５０～３００ｋＷ：スタック１－１，２－１稼働（等分配）
（３）電力３００～４５０ｋＷ：スタック１－１，２－１，３－１稼働（等分配）
（４）電力４５０～６００ｋＷ：スタック１－１，２－１，３－１，３－２稼働（等分配）
（５）電力６００～７５０ｋＷ：スタック１－１，２－１，２－２，３－１，３－２稼働（等分配）
（６）電力７５０ｋＷ以上：全スタック稼働（等分配）

【0027】

図７は、サブシステム１における第１スタックの動作状態の経時変化について試算した結果を示す。図８は、図７の経時変化を度数分布によって表したものである。図７～図８に示すように、一部スタックにおいて、高出力と中間出力との間の頻繁な往復がみられる。これは先願で述べたように、水電解スタックにとって劣化進行が大きい動作パターンである。平均劣化率は５７．７μＶ／ｈとなった。水素製造効率に関しては、平均効率が６５．４％となった。特許文献１と比較すると、劣化抑制についてはやや改善されたものの、効率が低下している。

【0028】

図９は、各スタックの動作状態の経時変化について同様に試算した結果を示す。図６と同様にスタックの劣化率を「高劣化」「中劣化」「低劣化」の３通りに区分し、各スタックがいずれに該当するかを併せて示した。

【0029】

さらに、先願記載の運転手法を用いた場合における各スタックの動作を試算した。先願においては、水電解スタックへの入力電力を制御し、水電解スタックが劣化しにくい低劣化率の動作パターンを優先的に割り当てることにより、劣化を抑制する。一例として、先願で述べた「稼働優先スタック」「停止優先スタック」を割り当てた結果について、以下説明する。

【0030】

図１０は、サブシステム１における第２スタック（スタック１－２）の動作状態の経時変化について試算した結果を示す。図１１は、図１０の経時変化を度数分布によって表したものである。図１０～図１１に示すように、中間出力の発生頻度は特許文献１および非特許文献１と比較して減少し、高出力とゼロ出力との間で頻繁な往復が見られる。これは低劣化率パターンの特徴であり、平均劣化率は３７．５μＶ／ｈと低い値となった。他方で図３に示すように、高出力とゼロ出力を頻繁に使用することにより、効率特性においては低効率の領域を高頻度に使用することとなり、平均効率は６３．５％となった。これは特許文献１および非特許文献１よりも低い。したがって、先願を適用する際の注意点として、劣化抑制の観点から高出力とゼロ出力を高頻度に使用すると、従来技術よりも水素製造効率が低下する場合が存在することがわかった。

【0031】

図１２は、各スタックの動作状態の経時変化について同様に試算した結果を示す。図６と同様にスタックの劣化率を「高劣化」「中劣化」「低劣化」の３通りに区分し、各スタックがいずれに該当するかを併せて示した。

【0032】

図１３は、特許文献１、非特許文献１、および先願の劣化抑制効果と水素製造効率をそれぞれ試算した結果を示す。横軸は電圧劣化率の逆数であり、縦軸は水素製造効率の平均値である。グラフから見て取れるように、これら従来技術は、劣化抑制と水素製造効率との間にトレードオフが存在することがわかる。そこで本発明は、水電解スタックの劣化抑制と水素製造効率を両立することを目的とする。特に、先願の劣化抑制制御のコンセプトを基本としつつ、その中でも、水素製造効率の低下を抑制することができる電力分配方法を見出すことを目的とする。

【0033】

＜実施の形態１＞
図１４は、本発明の実施形態１に係る水素製造システム１の構成図である。水素製造システム１は、再生可能エネルギーや送配電系統が供給するＡＣ（交流）電力を用いて水素を製造するシステムである。水素製造システム１は、供給される電力を用いて水電解スタック１１を稼働させることにより、水素を製造する。水素製造システム１は、水電解スタック１１、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２、ＡＣ／ＤＣ整流器１３、電力分配制御部１４を備える。

【0034】

水電解スタック１１は、水を電気分解することによって水素を製造する。図１４においては、２つの水電解スタック１１が直列接続され（これを直列部と呼ぶ）、さらにその２つの水電解スタック１１を１つのペアとして２つのペアが並列接続されることにより、１つのサブシステムを形成している。水電解スタック１１が製造した水素は、輸送設備や貯蔵設備へ出力される。

【0035】

ＡＣ／ＤＣ整流器１３は、水素製造システム１に対して供給される交流電力をＤＣ（直流）電力に変換し、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２へ出力する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１２は水電解スタック１１に対して電力を供給することにより、水電解スタック１１の動作状態を制御する。

【0036】

電力分配制御部１４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２に対して動作指令を出力することにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２を介して水電解スタック１１の動作状態を制御する。電力分配制御部１４は、稼働計画策定部１４１、スタック動作割当部１４２、電力分配指令部１４３、劣化特性データ管理部１４４、劣化率試算部１４５、水素製造効率データ管理部１４６、水素製造効率試算部１４７を備える。

【0037】

稼働計画策定部１４１は、水電解スタック１１の稼働ローテーション計画を策定する。ここでいう稼働ローテーションとは、各水電解スタック１１の動作状態として、後述する稼働優先スタック／停止優先スタックのうちいずれかを割り当てる順番のことである。スタック動作割当部１４２は、稼働計画策定部１４１が策定した稼働ローテーション計画にしたがって、各水電解スタック１１の動作状態を決定する。電力分配指令部１４３は、水電解スタック１１がその動作状態にしたがって動作するように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２に対して電流指令値を与える。

【0038】

劣化特性データ管理部１４４は、水電解スタック１１の劣化特性を記述した劣化特性データを保持している。稼働計画策定部１４１は、この劣化特性にしたがって稼働ローテーション計画を策定することができる。劣化率試算部１４５は、その計画にしたがって水電解スタック１１を稼働させたと仮定したときにおける各水電解スタック１１の劣化率を試算する。

【0039】

水素製造効率データ管理部１４６は、水電解スタック１１による水素製造効率を記述した水素製造効率データを保持している。水素製造効率データは、例えば図３に示すような、水電解スタック１１に対して入力される電力と水電解スタック１１による水素製造効率との間の関係を記述している。水素製造効率試算部１４７は、水素製造効率データに基づき、水電解スタック１１による水素製造効率を試算する。

【0040】

電力分配制御部１４は、水電解スタック１１の劣化率を試算した結果と水素製造効率を試算した結果をともに用いて、各水電解スタック１１に対する電力配分を決定する。本実施形態においては、水電解スタック１１の出力範囲のなかで、水素製造効率が高くかつ劣化率が低い出力領域が存在することに着目し、その出力領域を積極的に活用して電力配分を制御する。具体的な配分手順について以下説明する。先願において説明した動作原理については一部省略する場合がある。

【0041】

図３に示す効率特性は、水素製造効率は定格出力×１５％で最大となり、低出力領域～中出力領域において高い効率を示す。他方で先願において記載しているように、定格出力の１／２以下の出力範囲で動作する場合は、劣化が小さい。そうすると、定格出力の１／２以下の出力範囲は、水素製造効率が高くかつ劣化率が低いと考えられる。本実施形態においては、この出力領域を積極的に用いて、電力配分を制御する。具体的には、電力分配制御部１４は以下のように電力を配分することが考えられる。

【0042】

（１）稼働させるスタック数＝（水素製造システム１に対して入力される電力）／（直列部の定格出力）×２とする。端数が生じた場合は、例えば最も近い整数値に切り上げまたは切り下げすればよい。この稼働スタック数の出力範囲内で、各直列部に対して入力電力を等配分する。１つの直列部を構成する各水電解スタックは、原則として同じ動作をする（ただし後述する健全度の違いに応じたわずかな違いはある）。

【0043】

（２）入力電力が大きく、上記式にしたがって電力配分することが困難である場合は、先願と同様に「稼働優先スタック」「停止優先スタック」を割り当てる、劣化抑制を優先した電力分配を実施する。稼働優先スタックは、他の水電解スタック１１と比較して、電力を優先的に分配するスタックである。停止優先スタックは、他の水電解スタック１１と比較して、電力供給を停止することを優先するスタックである。直列部ごとに同様の動作モードを割り当ててもよい。この場合は各直列部に対して「稼働優先直列部（多配分直列部）」「停止優先直列部（少配分直列部）」のいずれかを割り当てることになる。

【0044】

各直列部は典型的にはＤＣバスに対して接続されており、ＤＣバス上の電圧は同じである。したがって各直列部に対しては同じＤＣバス電圧が供給されるので、直列部に対する入力電力は直列部に対する入力電流によって制御することになる。すなわち、直列部の定格出力の１／２以下の出力範囲で直列部を動作させるためには、直列部の定格出力の１／２をＤＣバス電圧によって除算した電流値を上限として、それ以下の入力電流を直列部に対して供給すればよい。

【0045】

以上に鑑みると、水素製造システム１に対して入力される電力が、（直列部に対する入力電流の上限値）×（そのときの直列部の動作電圧）×直列部の並列接続個数 以下であれば、稼働させるスタック数＝（水素製造システム１に対して入力される電力）／（直列部に対する入力電流の上限値×そのときの直列部の動作電圧）を整数値に切り上げまたは切り下げた値となる。入力電力がこれよりも大きければ、上記（２）の劣化抑制を優先した動作となる。

【0046】

稼働優先スタックと停止優先スタックを割り当てる順序は、直列部ごとに変えてもよい。例えばサブシステム１の第１直列部は、００：００～０６：００において稼働優先スタックとして運用し、０６：００～１２：００において停止優先スタックとして運用する。サブシステム１の第２直列部は、００：００～０６：００において停止優先スタックとして運用し、０６：００～１２：００において稼働優先スタックとして運用する。これにより水素製造効率などを直列部間においてバランスさせることができる。

【0047】

図１５は、本実施形態におけるサブシステム３の第１スタック（スタック３－１）の動作状態の経時変化について試算した結果を示す。図１６は、図１５の経時変化を度数分布によって表したものである。稼働スタック数を「（入力電力）／（スタック定格）×２」と設定した結果、先願と比較して、定格の１／２以下の範囲で動作する割合が増加した。また、高出力動作時には、稼働優先スタックと停止優先スタックを割り当てる分配制御により、先願と同様に「高出力とゼロ出力との間の往復」という低劣化率パターンで動作することになる。これらの結果、平均劣化率は４２μＶ／ｈと低い値となった。水素製造効率については、定格の１／２以下の範囲という高効率領域を用いる頻度が増加した結果、平均効率は６５．８％となった。これは特許文献１とほぼ同程度の高い値である。したがって、本実施形態に係る電力分配方法により、低劣化かつ高効率な運転が可能であることが示された。

【0048】

図１７は、本実施形態において稼働優先スタックと停止優先スタックを割り当てる場合における各スタックの動作状態の経時変化について同様に試算した結果を示す。図６と同様にスタックの劣化率を「高劣化」「中劣化」「低劣化」の３通りに区分し、各スタックがいずれに該当するかを併せて示した。

【0049】

図１８は、本実施形態における劣化抑制効果と水素製造効率をそれぞれ試算した結果を示す。特許文献１、非特許文献１、および先願においては、劣化抑制と水素製造効率を両立することが困難であった。図１８に示すように、本実施形態によれば、高耐久・高効率な運転が可能であることがわかる。

【0050】

＜実施の形態１：まとめ＞
本実施形態１に係る水素製造システム１は、水電解スタック１１の劣化を抑制することができる電流上限値を用いるとともに、水素製造効率試算部１４７が試算した製造効率がよい出力範囲を用いる。これにより、水電解スタックの劣化抑制と水素製造効率を両立させることができる。

【0051】

本実施形態１に係る水素製造システム１は、入力電力の大きさにしたがって、（１）劣化抑制と水素製造効率を両立させる動作モード、（２）劣化抑制を優先する動作モード、を切り替える。これにより、例えば再生可能エネルギーのように電力値が経時的に大きく変動する電源を用いる場合であっても、水電解スタックの劣化抑制と水素製造効率を両立させる効果を効率的に発揮させることができる。

【0052】

＜実施の形態２＞
図１９は、本発明の実施形態２に係る水素製造システム１の構成図である。本実施形態２においては、実施形態１で説明した構成に加えて、発電量予測部２１を備える。発電量予測部２１は、水素製造システム１の一部として構成してもよいし、水素製造システム１とは別の機能部として構成してもよい。

【0053】

発電量予測部２１は、公知の手法にしたがって、再生可能エネルギーの発電量を予測する。例えば、（ａ）気象データ２２（天候、風況、などの気象条件を記述したデータ）を用いて予測する、（ｂ）再生可能エネルギー発電設備から発電量に関するデータをリアルタイムで取得する、（ｃ）これらの組み合わせ、などが考えられる。

【0054】

電力分配制御部１４は、発電量予測部２１から予測発電量を受信し、これにしたがって各水電解スタック１１の動作状態を割り当てる。例えば、発電量が多い時には、稼働優先スタックの台数を増やす。台数を維持したまま発電量が増加すると、停止優先スタックに分配される電力が増加し、高出力と中間出力との間の遷移が増えて劣化が促進される懸念があるからである。発電量が少ないときには、補機類１５を含めてサブシステムをＯＦＦすることにより、消費電力を抑制する。少なくとも、水素製造システム１に対して入力される電力よりも、水素製造システム１の消費電力が小さくなるように、サブシステム単位でＯＦＦすることが望ましい。ただし、必ずしも瞬発的な入力電力の低下に対してサブシステムを都度ＯＦＦすることは現実的ではない。例えば入力電力が基準値を下回る期間が閾値以上であればサブシステムをＯＦＦする、などの運用をすることが適切である。

【0055】

＜実施の形態３＞
図２０は、本発明の実施形態３に係る水素製造システム１の構成図である。本実施形態３においては、実施形態１で説明した構成に加えて、劣化モニタリング部３を備える。劣化モニタリング部３は、水素製造システム１の一部として構成してもよいし、水素製造システム１とは別の機能部として構成してもよい。

【0056】

劣化モニタリング部３は、例えば水電解スタック１１の出力電流と出力電圧を電力分配制御部１４から受け取り、これを用いて、水電解スタック１１の健全度（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｈｅａｌｔｈ：ＳＯＨ）を計算する。電力分配制御部１４は、その健全度にしたがって各水電解スタック１１の動作状態を割り当てる。劣化モニタリング部３はその他、補機類１５の消費電力、水素製造システム１の水素製造量、などを監視する。

【0057】

電力分配制御部１４は例えば、ＳＯＨが低下した水電解スタック１１は、他の水電解スタック１１と比較して、劣化率の大きい運転を実施する回数（例えば高出力と中間出力との間の頻繁な往復）を少なくするように、動作状態を割り当てる。これにより、特定のスタックのみが早期に劣化して交換が必要になる事態を回避することができるので、交換に伴う保守コストを削減することが可能となる。

【0058】

水素製造効率試算部１４７は、劣化モニタリング部３による健全度の計算結果にしたがって、水素製造効率の試算結果を修正してもよい。例えば劣化が進行しているスタックについては予測結果を下方修正（生産効率を低めに見積もる）する。具体的には、健全度が基準値未満となったスタック（または直列部）について、図３の効率特性を再取得し、その再取得した効率特性にしたがって、水素製造効率を再試算すればよい。図３の効率特性は、例えば健全度の値ごとにあらかじめ準備しておいてもよいし、サブシステムをメンテナンスモードで動作させて効率特性を実測することにより再取得してもよい。

【0059】

水素製造効率試算部１４７はその他、補機類１５の消費電力の経時変化を取得し、これにしたがって水素製造効率の試算結果を修正してもよい。例えば補機類１５の消費電力が大きい時間帯は水電解スタック１１に対して供給される電力が低下するので、これにしたがって水素製造効率の試算結果を修正してもよい。具体的には、図３に示すサブシステムの効率特性のうち、補機類１５とその消費電力との間の関係に相当する成分が変化することになるので、これにともなって図３の効率特性を再取得し、その再取得した効率特性にしたがって水素製造効率を再試算すればよい。

【0060】

＜実施の形態４＞

【0061】

図２１は、本発明の実施形態４に係る水素製造システム１の構成図である。本実施形態４においては、実施形態１で説明した構成に加えて、マネジメントシステム４１と分配器４２を備える。マネジメントシステム４１と分配器４２は、水素製造システム１の一部として構成してもよいし、水素製造システム１とは別の機能部として構成してもよい。

【0062】

本実施形態において、分配器４２は、マネジメントシステム４１からの指示にしたがって、再生可能エネルギー発電設備４３が発電した電力を、水電解スタック１１に対して供給するかそれとも需要家４４へ売電する（すなわち受け取った電力を送配電系統へ出力する）かを切り替える。マネジメントシステム４１は、例えば両者間の分配比率を分配器４２に対して指示する。

【0063】

マネジメントシステム４１はさらに、需要家４４から各種エネルギー（電力、熱、水素など）の需要データを収集し、そのデータにしたがって、エネルギー流通を制御する。例えば、電力需要やそれを反映したエネルギーのスポット価格を予測し、電力需要が大きいときは売電比率を高め、電力需要が小さいときは水素を製造する、などの制御を実施することができる。これらエネルギーの供給量についても同様にデータを収集し、需要と供給のバランスにしたがって上記制御を実施してもよい。

【0064】

水素製造システム１に対して供給される電力量が多いときは、停止優先スタックを割り当てることができる個数が相対的に減少する。このようなときは、分配器４２が需要家４４へ売電する比率を上げてもよい（換言すると、発電量が下がればそれに応じて売電比率を下げる）。これにより、水電解スタック１１へ供給される電力が下がるので、停止優先スタックを割り当てることができる個数は増加する。その結果として、水電解スタック１１の劣化を抑制することができる。このとき電力分配制御部１４は、実施形態１で説明した電力分配を実施することにより、高効率かつ低劣化の出力範囲で各スタックを運用するように、稼働ローテーション計画を作成することが望ましい。

【0065】

＜本発明の変形例について＞
本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

【0066】

以上の実施形態において、電力分配制御部１４およびその各機能部は、これらの機能を実装した回路デバイスなどのハードウェアによって構成することもできるし、これらの機能を実装したソフトウェアをプロセッサなどの演算装置が実行することによって構成することもできる。発電量予測部２１、劣化モニタリング部３、マネジメントシステム４１、についても同様である。

【符号の説明】

【0067】

１：水素製造システム
１１：水電解スタック
１２：ＤＣ／ＤＣコンバータ
１３：ＡＣ／ＤＣ整流器
１４：電力分配制御部
２１：発電量予測部
３：劣化モニタリング部
４１：マネジメントシステム

【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】

【図20】

【図21】