(57)【要約】      （修正有）【課題】本願は、電源から水電解装置へ供給される電力が変動した場合であっても、迷走電流による水電解装置から発生する酸素中の水素濃度の上昇を簡易に抑制し、水電解装置の運用に影響を及ぼすことを抑制する技術を提供することを課題とする。【解決手段】本発明は、第一の電解液に浸される第一の電解電極３Ａ，３Ｂを有し、第一の電解電極間に電圧を印加することによって水素と酸素を発生させる第一の水電解装置１と、第一の電解液よりも導電性の低い第二の電解液に浸される第二の電解電極４Ａ，４Ｂを有し、第二の電解電極間に電圧を印加することによって水素を発生させる第二の水電解装置２と、第一の水電解装置から発生する酸素中の水素濃度の上昇を抑制するように、系外の電源から供給される電力に応じて、第一の水電解装置及び第二の水電解装置への供給電力を制御する制御手段６Ａ，６Ｂと、を備える、水電解システム１００である。【選択図】図１
2020012195.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の電解液に浸される第一の電解電極を有し、前記第一の電解電極間に電圧を印加することによって水素と酸素を発生させる第一の水電解装置と、
前記第一の電解液よりも導電性の低い第二の電解液に浸される第二の電解電極を有し、前記第二の電解電極間に電圧を印加することによって水素を発生させる第二の水電解装置と、
前記第一の水電解装置から発生する酸素中の水素濃度の上昇を抑制するように、系外の電源から供給される電力に応じて、前記第一の水電解装置及び前記第二の水電解装置への供給電力を制御する制御手段と、を備える、
水電解システム。
【請求項２】
前記第一の水電解装置は、前記第一の電解液がアルカリ水溶液を含むアルカリ型水電解装置であって、
前記制御手段は、前記電源から供給される電力が、所定の閾値以下である場合に、前記電力を前記第一の水電解装置へ供給することを停止する、
請求項１に記載の水電解システム。
【請求項３】
前記所定の閾値は、前記第一の水電解装置から発生する酸素中の水素濃度を急激に上昇させる電力である、
請求項２に記載の水電解システム。
【請求項４】
前記所定の閾値は、前記第一の水電解装置の運転を回避する濃度の水素を含む酸素を発生させる電力である、
請求項２または３に記載の水電解システム。
【請求項５】
前記所定の閾値は、前記第一の水電解装置の定格電流の４０％の電流を前記第一の水電解装置へ流すことのできる値である、
請求項２に記載の水電解システム。
【請求項６】
前記第二の水電解装置は、
高分子を含む電解質を含み、
前記第一の電解液よりも導電性の低い第二の電解液に浸される第二の電解電極が、前記電解質を挟んで設けられ、
前記第二の電解電極間に電圧を印加することによって水素を発生させる、高分子型水電解装置である、
請求項１から５のうち何れか１項に記載の水電解システム。
【請求項７】
前記制御手段は、前記第一の水電解装置および前記第二の水電解装置に供給する電力を、前記第一の水電解装置から発生する酸素に含まれる水素の濃度に応じて制御する、
請求項１から６のうち何れか１項に記載の水電解システム。
【請求項８】
前記制御手段は、前記電源と接続する水電解装置を前記第一の水電解装置と前記第二の水電解装置との間で切り替える切り替え手段を備える、
請求項１から７のうち何れか１項に記載の水電解システム。
【請求項９】
前記制御手段は、
前記第一の水電解装置への前記電力の供給が停止した状態において、
前記第一の水電解装置から発生する酸素に含まれる水素の濃度が第一の濃度以下である場合に、
前記電源から供給される電力が第一の運転開始閾値よりも大きくなると、前記第一の水電解装置に対して前記電力の供給を再開し、
前記第一の水電解装置から発生する酸素に含まれる水素の濃度が第一の濃度より大きい場合には、
前記電源から供給される電力が前記第一の運転開始閾値よりも大きくなっても、前記第一の水電解装置に対して前記電力の供給を再開せず、
前記電源から供給される電力が前記第一の運転開始閾値よりも大きな第二の運転開始閾値よりも大きくなると、前記第一の水電解装置に対して前記電力の供給を再開する、
請求項２から８のうち何れか１項に記載の水電解システム。
【請求項１０】
前記制御手段は、前記第一の水電解装置から発生する酸素に含まれる水素の濃度に応じて前記所定の閾値を変更する、
請求項２から５のうち何れか１項に記載の水電解システム。
【請求項１１】
前記制御手段は、前記電源における発電電力又は発電量を予測し、前記予測される発電電力又は発電量に基づき、前記第一の水電解装置又は前記第二の水電解装置への供給電力を制御する、
請求項１から１０のうち何れか１項に記載の水電解システム。
【請求項１２】
第一の電解液に浸される第一の電解電極を有し、前記第一の電解電極間に電圧を印加することによって水素と酸素を発生させる第一の水電解装置と、前記第一の電解液よりも導電性の低い第二の電解液に浸される第二の電解電極を有し、前記第二の電解電極間に電圧を印加することによって水素を発生させる第二の水電解装置と、への系外の電源から供給される電力の配分を、系外の電源から供給される電力に応じて、前記第一の水電解装置から発生する酸素中の水素濃度の上昇を抑制するように制御する制御ステップを備える、
水電解方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水電解システム及び水電解方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
水電解装置は、水を電気分解することによって水素を製造することができる（例えば特許文献１−２）。製造された水素は、例えば燃料電池等に使用される。従来の水電解装置として、例えば特許文献１−３に開示されている、アルカリ水を含む電解液を電気分解することによって水素を発生させる水電解装置（以下、アルカリ型水電解装置という）が挙げられる。また、陽極近傍で水を電気分解してプロトンを発生させ、得られたプロトンを、高分子を含む電解質を介して陰極近傍へ移動させ、陰極近傍においてプロトンが電子を受け取ることによって水素を発生させる水電解装置（以下、高分子型水電解装置という）も挙げられる。また、非特許文献１では、風力発電設備と高分子型水電解装置とを組み合わせたシステムの一例が開示されている。また、風力エネルギーや太陽エネルギーなどの自然エネルギーを利用して発電を行う場合に、風速変化や発電量などを予測することに関する技術が開示されている（例えば特許文献４−６）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１８−１６５３９２号公報
【特許文献２】国際公開第２０１７／１４９６０６号
【特許文献３】特開２０１７−１７９５５７号公報
【特許文献４】特許第４８０８７５４号公報
【特許文献５】特開２００７−１０４７８６号公報
【特許文献６】特開２０１３−２１９９４１号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】佐々木加津也ら、“風力発電出力変動分の水電解による水素エネルギー化技術”、平成１７年１１月２５日、第２７回風力エネルギー利用シンポジウム
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
アルカリ型水電解装置は、高分子型水電解装置と比較して、装置の構造が単純であることから大型化しやすく、単位水素製造量当たりの初期コストを低減することができる利点を有する。アルカリ型水電解装置は、その電解液が電気分解される場合、電解電極の陽極近傍において酸素が発生し、陰極近傍において水素が発生する。
【０００６】
しかしながら、アルカリ型水電解装置においては、電解液が導電性を持つため電解槽内の電解液および金属部材を通じて陽極の一部分が陰極となり、本来酸素が生じるべき場所で水素が発生することで酸素と水素の混合ガスが生じる。また、陰極でも同様に部分的に酸素が生じる。これは、迷走電流として知られ、アルカリ型水電解装置特有の現象である。特に、陽極側において発生した水素が酸素中の水素濃度４％を超える場合には、水素と酸素の反応は連鎖反応となる虞がある。
【０００７】
ここで、水電解装置に供給される電力には、例えば太陽光や風力といった自然エネルギーを利用して発電された電力が使用されることが考えられる。しかしながら、これら自然エネルギーを利用した発電は、その発電量が概して一定でなく自然現象の影響を受けて変動することとなる。そして、アルカリ型水電解装置は、電気分解に使用される電力が小さ
い場合、迷走電流が相対的に増加することによって陽極において発生する酸素に含まれる水素の濃度は高くなる。よって、生成される酸素と水素との反応性が高まり、水電解装置の運用に影響が及ぶ虞が考えられる。つまり、水電解装置を運用するためには、発生する酸素に含まれる水素の濃度の上昇を抑制する技術を開発することが望まれる。
【０００８】
特許文献１に開示の技術では、アルカリ型水電解装置において生成される水素ガスの純度を維持するために、系外から供給される電気を整流する整流器、電解セル、そして整流器と電解セルとの間にスイッチ回路が設けられている。そして、供給電力に合わせてスイッチ回路を制御することにより、整流器と接続する電解セルの数を調整する技術が開示されている。また、整流器には、電解セルへ印加される電流を蓄える蓄電池が設けられている。当該技術によれば、電源から供給される電力が変動した場合であっても、アルカリ型水電解装置へ供給する電力を一定に保つことができ、水電解装置から生成される水素ガスの純度を保つことができる。このような特許文献１に開示の技術を転用すれば、陽極において発生する酸素中の水素濃度の上昇を抑制することが可能と考えられる。しかしながら、特許文献１に開示の技術では、水電解装置の構造が複雑となる。また、スイッチ回路が短期間に消耗する虞も考えられる。
【０００９】
そこで、本願は、電源から水電解装置へ供給される電力が変動した場合であっても、水電解装置から発生する酸素中の水素濃度の上昇を簡易に抑制し、水電解装置の運用に影響を及ぼすことを抑制する技術を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明は、第一の水電解装置と、第二の水電解装置とを備え、電源から供給される電力を第一の水電解装置と第二の水電解装置へ配分する水電解システムとすることとした。
【００１１】
詳細には、本発明は、第一の電解液に浸される第一の電解電極を有し、第一の電解電極間に電圧を印加することによって水素と酸素を発生させる第一の水電解装置と、第一の電解液よりも導電性の低い第二の電解液に浸される第二の電解電極を有し、第二の電解電極間に電圧を印加することによって水素を発生させる第二の水電解装置と、第一の水電解装置から発生する酸素中の水素濃度の上昇を抑制するように、系外の電源から供給される電力に応じて、第一の水電解装置及び第二の水電解装置への供給電力を制御する制御手段と、を備える、水電解システムである。
【００１２】
ここで、系外の電源とは、水電解システムの外部に存在する電源のことをいう。また、系外の電源から供給される電力は、実際に供給される電力、及び供給が予測される電力を含む。
【００１３】
第一の水電解装置では、第一の電解電極の陽極近傍で酸素が発生し、陰極近傍で水素が発生する。また、第一の電解液は、第二の電解液よりも導電性が高いため、第一の水電解装置は、迷走電流を生じさせやすい。そして、第一の水電解装置へ配分される電力が小さい場合には、迷走電流が相対的に増加することによって陽極近傍で水素が、陰極近傍で酸素が発生する虞がある。すなわち、陽極近傍で発生する酸素に含まれる水素濃度は、上昇する虞がある。
【００１４】
しかしながら、このような水電解システムであれば、第一の水電解装置から発生する酸素中の水素濃度の上昇を抑制するように、系外の電源から供給される電力に応じて、第一の水電解装置への供給電力は好適に制御可能である。よって、水電解システムの運用に影響が及ぶことは抑制される。また、第一の水電解装置の陰極近傍で発生する水素に含まれる酸素濃度の上昇も抑制することができる。
【００１５】
また、このような水電解システムは、第一の水電解装置あるいは第二の水電解装置の何れか一方の水電解装置への電力の供給を停止した場合であっても、他方の水電解装置から水素の発生を継続することができる。よって、可用性の高いシステムである。
【００１６】
また、第一の水電解装置は、第一の電解液がアルカリ水溶液を含むアルカリ型水電解装置であって、制御手段は、電源から供給される電力が、所定の閾値以下である場合に、電力を第一の水電解装置へ供給することを停止してもよい。
【００１７】
また、所定の閾値は、第一の水電解装置から発生する酸素中の水素濃度を急激に上昇させる電力であってもよい。
【００１８】
また、所定の閾値は、第一の水電解装置の運転を回避する濃度の水素を含む酸素を発生させる電力であってもよい。
【００１９】
また、所定の閾値は、第一の水電解装置の定格電流の４０％の電流を第一の水電解装置へ流すことのできる値であってもよい。
【００２０】
また、第二の水電解装置は、高分子を含む電解質を含み、第一の電解液よりも導電性の低い第二の電解液に浸される第二の電解電極が、電解質を挟んで設けられ、第二の電解電極間に電圧を印加することによって水素を発生させる、高分子型水電解装置であってもよい。
【００２１】
また、制御手段は、第一の水電解装置および第二の水電解装置に供給する電力を、第一の水電解装置から発生する酸素に含まれる水素の濃度に応じて制御してもよい。
【００２２】
また、制御手段は、電源と接続する水電解装置を第一の水電解装置と第二の水電解装置との間で切り替える切り替え手段を備えてもよい。
【００２３】
また、制御手段は、第一の水電解装置への電力の供給が停止した状態において、第一の水電解装置から発生する酸素に含まれる水素の濃度が第一の濃度以下である場合に、電源から供給される電力が第一の運転開始閾値よりも大きくなると、第一の水電解装置に対して電力の供給を再開し、第一の水電解装置から発生する酸素に含まれる水素の濃度が第一の濃度より大きい場合には、電源から供給される電力が第一の運転開始閾値よりも大きくなっても、第一の水電解装置に対して電力の供給を再開せず、電源から供給される電力が第一の運転開始閾値よりも大きな第二の運転開始閾値よりも大きくなると、第一の水電解装置に対して電力の供給を再開してもよい。
【００２４】
また、制御手段は、第一の水電解装置から発生する酸素に含まれる水素の濃度に応じて所定の閾値を変更してもよい。
【００２５】
また、制御手段は、電源における発電電力又は発電量を予測し、予測される発電電力又は発電量に基づき、第一の水電解装置又は第二の水電解装置への供給電力を制御してもよい。
【００２６】
また、本発明は、方法の側面から捉えることもできる。すなわち、例えば、第一の電解液に浸される第一の電解電極を有し、第一の電解電極間に電圧を印加することによって水素と酸素を発生させる第一の水電解装置と、第一の電解液よりも導電性の低い第二の電解液に浸される第二の電解電極を有し、第二の電解電極間に電圧を印加することによって水素を発生させる第二の水電解装置と、への系外の電源から供給される電力の配分を、系外
の電源から供給される電力に応じて、第一の水電解装置から発生する酸素中の水素濃度の上昇を抑制するように制御する制御ステップを備える、水電解方法であってもよい。
【発明の効果】
【００２７】
上記の水電解システムは、電源から水電解装置へ供給される電力が変動した場合であっても、水電解装置から発生する酸素中の水素濃度の上昇を簡易に抑制し、水電解装置の運用に影響を及ぼすことを抑制する技術を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】図１は、本発明の実施形態にかかる水電解システムの概要の一例を示している。
【図２】図２は、再生可能エネルギーによる発電電力を売電する発電所において、出力制限などにより売電できない分の電力が水電解システムへ供給される概要の一例を示している。
【図３】図３は、発電設備において発電された電力が系統を介して水電解システムへ供給される一例を示している。
【図４】図４は、水電解システムの動作の概要を示すフローチャートの一例を示している。
【図５】図５は、風力発電設備において発電された電力の経時変化の一例を示している。
【図６】図６は、アルカリ型水電解装置の電解電極に印加される電流と酸素中の水素濃度との関係の一例を示している。
【図７】図７は、水電解システムのアルカリ型水電解装置から発生する酸素中の水素濃度と、アルカリ型水電解装置のみを稼働させた場合に発生する酸素中の水素濃度との比較の一例を示している。
【図８】図８は、水電解システムのアルカリ型水電解装置から発生する酸素中の水素濃度の計測値の経時変化を示している。
【図９】図９は、水電解システムの別の動作の概要を示すフローチャートである。
【図１０】図１０は、水電解システムの別の動作の概要を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明の実施形態について説明する。以下に示す実施形態は、本発明の実施形態の一例であり、本発明の技術的範囲を以下の態様に限定するものではない。
【００３０】
＜装置構成＞
図１は、本発明の実施形態にかかる水電解システム１００の概要の一例を示している。図１に示されるように水電解システム１００は、アルカリ型水電解装置１と高分子型水電解装置２とを備える。そして、水電解システム１００は、アルカリ型水電解装置１および高分子型水電解装置２を同時に運用するシステムである。アルカリ型水電解装置１は、例えば、濃度が約３０重量％程度の水酸化カリウム水溶液又は水酸化ナトリウム水溶液の電解液を有する水電解装置である。ここで、水酸化カリウム水溶液又は水酸化ナトリウム水溶液は、本発明の「第一の電解液」の一例である。一方で、高分子型水電解装置２は、高分子を含む電解質５を有する水電解装置である。ここで、アルカリ型水電解装置１は、本発明の「第一の水電解装置」の一例である。また、高分子型水電解装置２は、本発明の「第二の水電解装置」の一例である。
【００３１】
また、水電解システム１００は、図示しないが、アルカリ型水電解装置１から発生する水素中の酸素の濃度を計測する酸素濃度計、及び酸素中の水素の濃度を計測する水素濃度計を備える。また、水電解システム１００は、図示しないが、高分子型水電解装置２から
発生する水素中の酸素の濃度を計測する酸素濃度計、及び酸素中の水素の濃度を計測する水素濃度計も備える。
【００３２】
また、水電解システム１００は、太陽光発電設備や風力発電設備等の電源から供給される電流が交流電流である場合に、交流電流を直流電流へ変換するＡＣ／ＤＣコンバータ６Ａ、６Ｂを備える。ＡＣ／ＤＣコンバータ６Ａ、６Ｂは、交流電流を直流電流へ整流する機能と直流電流を指令された値に制御する機能を備える。また、アルカリ型水電解装置１は、陽極３Ａ、陰極３Ｂを含む電解電極を備える。ここで、陽極３Ａ及び陰極３Ｂは、本発明の「第一の電解電極」の一例である。そして、ＡＣ／ＤＣコンバータ６Ａによって変換された直流電流は、アルカリ型水電解装置１の陽極３Ａ及び陰極３Ｂへ供給される。一方、高分子型水電解装置２は、電解質５を挟んで設けられる陽極４Ａ、陰極４Ｂを含む電解電極を備える。ここで、陽極４Ａ及び陰極４Ｂは、本発明の「第二の電解電極」の一例である。陽極４Ａ及び陰極４Ｂの表面は、純水に浸される。ここで、純水は、本発明の「第二の電解液」の一例であって、アルカリ型水電解装置１の第一の電解液よりも導電性は低い。そして、ＡＣ／ＤＣコンバータ６Ｂによって変換された直流電流は、高分子型水電解装置２の陽極４Ａ及び陰極４Ｂへ供給される。
【００３３】
また、水電解システム１００は、電源から水電解システム１００へ供給される電力に応じてＡＣ／ＤＣコンバータ６Ａ、６Ｂを制御し、電源から各水電解装置へ供給する電力の配分を調整するＰＬＣ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｌｏｇｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）７を備える。ＰＬＣ７がＡＣ／ＤＣコンバータ６Ａ、６Ｂを制御することにより、電源と接続する水電解装置をアルカリ型水電解装置１と高分子型水電解装置２との間で切り替えることが可能となる。ここでＡＣ／ＤＣコンバータ６Ａ、６Ｂ及びＰＬＣ７は、本発明の「制御手段」及び「切り替え手段」の一例である。また、ＰＬＣ７は、酸素濃度計又は水素濃度計の計測値に応じてＡＣ／ＤＣコンバータ６Ａ、６Ｂを制御し、電源から供給される電力の各水電解装置への配分を調整することもできる。
【００３４】
また、水電解システム１００は、アルカリ型水電解装置１や高分子型水電解装置２において発生した水素を貯蔵する水素タンク８を備える。水素タンク８に貯蔵された水素は、例えば燃料電池などに利用される。また、水電解システム１００は、アルカリ型水電解装置１又は高分子型水電解装置２から発生した酸素を大気中に放出させるが、貯蔵して利用してもよいことは言うまでもない。
【００３５】
アルカリ型水電解装置１においては、陽極３Ａと陰極３Ｂとの間に電圧が印加されることにより、陰極３Ｂの近傍では、電解液から水素分子と水酸化物イオンが生成される。一方、陽極３Ａの近傍では、電解液中に含まれる水酸化物イオンから水分子と酸素分子が生成される。
【００３６】
しかしながら、アルカリ型水電解装置１においては、電解液が高い導電性を持つため電解槽内の電解液および金属部材を通じて陽極３Ａの一部分が陰極となり、本来酸素が生じるべき場所で水素が発生することで酸素に水素が混合する。また、陰極３Ｂでも同様に部分的に酸素が生じ、発生する水素に酸素が混合する。これは、迷走電流として知られ、アルカリ型水電解装置特有の現象である。
【００３７】
ところで、アルカリ型水電解装置１から発生する水素と酸素は、下記の式（１）から式（３）のように化学反応する場合がある。
Ｈ＋Ｏ２→ＯＨ＋Ｏ・・・（１）
Ｏ＋Ｈ２→ＯＨ＋Ｈ・・・（２）
ＯＨ＋Ｈ２→Ｈ２Ｏ＋Ｈ・・・（３）
【００３８】
そして、例えば酸素に含まれる水素濃度が所定値よりも高い場合、式（１）から式（３）に示されるように、Ｈラジカル、Ｏラジカル、そしてＯＨラジカルといった活性種が多く生成されることとなる。よって、式（１）から式（３）の化学反応は連鎖反応となり、水素と酸素の反応が急激に進行することとなる。
【００３９】
ここで、アルカリ型水電解装置１へ供給される電力が小さい場合には、迷走電流が相対的に増加することによって、陽極３Ａにおいて発生する酸素に含まれる水素の濃度が上昇する。特に、陽極３Ａ側で発生した水素が酸素中の水素濃度４％を超える場合には、上述のように水素と酸素の反応は連鎖反応となる虞がある。このため、アルカリ型水電解装置１を使用して水素を生成する場合、上記の水素と酸素の化学反応が連鎖反応とならないように、アルカリ型水電解装置１へ供給する電力を調整する必要がある。なお、通常このような水素と酸素の化学反応が連鎖反応となる虞がある水素濃度の領域ではシステムや装置の運転が禁止されており、本実施形態においても、運転禁止領域として扱う。
【００４０】
また、酸素中の水素濃度が４％よりも低い場合であっても、システムや装置を運転する際には禁止領域に対して余裕をもって運転することが一般的である。本実施例では、酸素中の水素濃度が２％〜４％の場合は、このような運転を回避した方がよい領域に相当するものとし、これを運転回避領域として扱う。
【００４１】
さらに、酸素中の水素濃度が２％よりも低い場合であって、酸素中の水素濃度が急激に上昇するような領域を運転注意領域として扱う。運転注意領域で運転すると、陽極３Ａ側で生成される酸素中の水素濃度が上昇するのと同様に、陰極３Ｂ側で生成される水素中の酸素濃度が後述の定常状態よりも上昇し、生成される水素の純度が低下する。このため、水電解システム１００の運用に影響が及ぶ虞がある。
【００４２】
なお、このような運転禁止領域、運転回避領域、運転注意領域を除いた運転領域が定常状態として用いられる運転領域となる。このような領域での運転時には、アルカリ型水電解装置１には十分な電力が供給されていることになる。また、このような領域で運転すると、酸素中の水素濃度が低い状態の酸素が発生するため、陽極における水素濃度を低下させることができる。このため、このような定常状態を濃度回復領域とみなすこともできる。
【００４３】
一方、高分子型水電解装置２では、陽極４Ａと陰極４Ｂとの間に、高分子を含む電解質５が設けられている。高分子型水電解装置２では、陽極４Ａと陰極４Ｂとの間に電圧が印加され、陽極４Ａの近傍に純水が流入させられることにより、陽極４Ａの近傍においてプロトン及び酸素分子が生成される。そして生成されたプロトンは、電解質５を介して陰極４Ｂへ移動する。陰極４Ｂの近傍では、プロトンが電子を受け取り、水素分子が生成される。しかしながら、高分子型水電解装置２では、アルカリ型水電解装置１とは異なり、高分子型水電解装置２へ供給される電流が変動した場合であっても、発生する酸素に含まれる水素の濃度は、数百から数千ｐｐｍの範囲に収まり、急激に上昇することはない。これは、高分子型水電解装置が純水を用いており、問題となるような迷走電流の発生が抑制されているためである。
【００４４】
次に水電解システム１００へ供給される電力について説明を行う。図２は、太陽光や風力といった再生可能エネルギーによる発電電力を売電する発電所において、出力制限などにより売電できない分の電力が水電解システム１００へ供給される概要の一例を示している。図２に示されるように、発電所は、太陽光や風力といった再生可能エネルギーを利用して発電を行う発電設備５０を備える。そして、発電設備５０は、水電解システム１００と同敷地内にある。そして、図２の例では、発電設備５０において発電された電力のうち、電力系統へ売電できない余った電力が水電解システム１００へ供給される。
【００４５】
また、上記の発電所は、電力系統に接続せず、発電設備５０と同敷地内に工場などの負荷設備を有してもよい。そして、電力系統に接続しない閉じられた環境下において負荷設備で消費しきれず余った電力が水電解システム１００へ供給されてもよい。
【００４６】
また、図２に示される例とは異なり、水電解システム１００は、敷地外の外部電源から電力系統を介して電力を得てもよい。図３は、発電設備５０が、水電解システム１００と同敷地内になく、発電設備５０において発電された電力が系統を介して水電解システム１００へ供給される一例を示している。なお、図２及び図３に示される例では、水電解システム１００に供給する電力の値である電力指令情報は、どこから得てもよい。
【００４７】
＜動作例１＞
次に、水電解システム１００の動作の一例を説明する。図４は、水電解システム１００の動作の概要を示すフローチャートの一例を示している。
【００４８】
（ステップＳ１０１）
ステップＳ１０１では、水電解システム１００において電解のための電力供給が開始される。まず、太陽光発電設備や風力発電設備といった電源において発電された電力が水電解システム１００へ供給される。図５は、風力発電設備において発電された電力の経時変化の一例を示している。図５に示されるように、風力による発電は、発電電力が一定ではなく変動している。つまり、太陽光発電設備や風力発電設備といった自然エネルギーを利用した発電では、電力は変動し、そのような変動した電力が水電解システム１００へ供給されることとなる。このとき、ＰＬＣ７は、電源から水電解システム１００に供給される電力の値を取得する。
【００４９】
（ステップＳ１０２）
ステップＳ１０２では、ＰＬＣ７は、電源からの供給電力が所定値よりも大きいか否かの判定を行う。ここで、図６は、アルカリ型水電解装置１の電解電極に流入する電流と、当該電解電極の陽極３Ａにおいて発生する酸素に含まれる水素の濃度との関係の一例を示している。なお、アルカリ型水電解装置１の定格電流は０．６Ａｃｍ−２である。また、供給される電流が大きな領域の水素濃度は図示されていないが、図示される部分の右端部とほぼ同じ濃度で一定となっている。
【００５０】
図６に示されるように、電解電極に流入する電流の電流密度が０．１８Ａｃｍ−２よりも小さい場合、酸素に含まれる水素の濃度が電流の減少に伴い上昇することが認められる。これは先に説明した運転注意領域に相当する。また、この電流密度０．１８Ａｃｍ−２は、本動作例１のアルカリ型水電解装置１の定格電流の３０％の電流に相当する電力である。
【００５１】
逆の見方をすれば、この定格電流の３０％の電流以上の電流をアルカリ型水電解装置１に供給すると酸素中の水素濃度が低い酸素が生成されることとなる。これにより、陽極４Ａ側の水素濃度が高い状態になっていた場合には、酸素で希釈することとなり、相対的に陽極４Ａ側の水素濃度を低下させることができる。すなわちこれは先に説明した濃度回復領域に相当する。そこで、本動作例では、所定値をアルカリ型水電解装置１の定格電流の３０％の電流に相当する電力に設定する。このように濃度回復領域に所定値を設定することで、十分な電力が水電解システム１００に供給される際にアルカリ型水電解装置１を積極的に動作させ、陽極４Ａ側の酸素中の水素濃度を低下させることができる。すなわち、この所定値は、陽極の水素濃度を回復させるための運転開始閾値の役割を果たす。なお、本実施形態において、陽極４Ａ側の酸素中の水素濃度を低下させることを回復と表現することがある。
【００５２】
（ステップＳ１０３）
ステップＳ１０３では、ステップＳ１０２において電源からの供給電力が所定値よりも大きいと判定された場合、ＰＬＣ７は、アルカリ型水電解装置１への電力供給を決定する。アルカリ型水電解装置１に電力の供給が決定すると、アルカリ型水電解装置１の内部状態（主に電圧）から、アルカリ型水電解装置１への供給電流が決定する。
【００５３】
（ステップＳ１０４）
ステップＳ１０４では、ステップＳ１０２において電源からの供給電力が所定値以下であると判定された場合、ＰＬＣ７は、アルカリ型水電解装置１において発生した酸素中の水素濃度が所定濃度値よりも高いか否かの判定を行う。所定濃度値は、適宜定めてよいが、少なくとも発生した酸素と、酸素に含まれる水素との化学反応が連鎖反応とならないような濃度に設定する。例えば、水素と酸素の化学反応が連鎖反応となる濃度である４００００ｐｐｍの半分となる２００００ｐｐｍに設定してもよく、さらに小さい１１０００ｐｐｍに設定してもよい。なお、２００００ｐｐｍ以上４００００ｐｐｍ未満は運転回避領域の水素濃度に対応し、１１０００ｐｐｍ以上２００００ｐｐｍ未満は運転注意領域の水素濃度に対応する。
【００５４】
（ステップＳ１０５）
ステップＳ１０５では、ステップＳ１０４において、酸素中の水素濃度が所定濃度値よりも高いと判定された場合、ＰＬＣ７は、アルカリ型水電解装置１へ電流を供給しないことを決定する。
【００５５】
（ステップＳ１０６）
ステップＳ１０６では、ステップＳ１０４において、酸素中の水素濃度が所定濃度値以下であると判定された場合、ＰＬＣ７は、当該水素濃度が所定濃度値より高いと判定された時間から一定期間経過しているか否かの判定を行う。
【００５６】
そして、ステップＳ１０６において、水素濃度が所定濃度値よりも高いと判定された時間から一定期間経過していないと判定された場合、ステップＳ１０５の処理が実行され、ＰＬＣ７は、アルカリ型水電解装置１へ電流を供給しないことを決定する。
【００５７】
（ステップＳ１０７）
ステップＳ１０７では、ステップＳ１０６において、水素濃度が所定濃度値よりも高いと判定された時間から一定期間経過していると判定された場合、ＰＬＣ７は、アルカリ型水電解装置１が運転されているか否かの判定を行う。
【００５８】
（ステップＳ１０８）
ステップＳ１０８では、ステップＳ１０７においてアルカリ型水電解装置１が運転されていると判定された場合、ＰＬＣ７は、電源からの供給電力が、アルカリ型水電解装置１の運転継続閾値よりも大きいか否かの判定を行う。ここで、運転継続閾値は、供給される電力がこの値以下となるとアルカリ型水電解装置１から発生する酸素に含まれる水素の濃度が急激に上昇するような値に設定される。すなわち、先に説明した運転注意領域に設定される値である。そのため、運転継続閾値はステップＳ１０２の所定値よりも低い値となる。アルカリ型水電解装置１から発生する酸素に含まれる水素の濃度が急激に上昇する電力の閾値として、例えば図６において、アルカリ型水電解装置１に流れる電流の低下に伴い発生する酸素中の水素濃度が上昇するような電流値である（電流密度０．１８Ａｃｍ−２）を採用してもよい。また、これよりも低い電流値を採用してもよい。運転注意領域内でより低い電流値を採用することにより、より長くアルカリ型水電解装置１を使用することができる。本動作例１では、このような運転継続閾値として、０．０６Ａｃｍ−２に対
応する電力値を設定する。これは、アルカリ型水電解装置１の定格電流の１０％に相当する電力である。
【００５９】
そして、ステップＳ１０８において電源からの供給電力が運転継続閾値よりも大きいと判定された場合、ステップＳ１０３の処理が実行され、ＡＣ／ＤＣコンバータ６Ａからアルカリ型水電解装置１への供給電流を決定する。
【００６０】
また、ステップＳ１０８において電源からの供給電力が運転継続閾値以下であると判定された場合、ステップＳ１０５の処理が実行され、ＰＬＣ７は、アルカリ型水電解装置１へ電流を供給しないことを決定する。
【００６１】
（ステップＳ１０９）
ステップＳ１０９では、ステップＳ１０７においてアルカリ型水電解装置１が運転されていないと判定された場合、電源から供給される電力が、アルカリ型水電解装置１の運転開始閾値よりも大きいか否かの判定を行う。ここで、運転開始閾値は、運転継続閾値のみでアルカリ型水電解装置１の運転をＯＮ／ＯＦＦ制御した場合に生じる可能性がある頻繁なＯＮ／ＯＦＦの切り替わりを防止する目的で設けられる値である。このため、運転継続閾値よりもやや高い値に設定されるものであるが、運転継続閾値と近い値に設定される。
【００６２】
そして、電源から供給される電力が、アルカリ型水電解装置１の運転開始閾値よりも大きいと判定された場合、ステップＳ１０３の処理が実行され、ＡＣ／ＤＣコンバータ６Ａからアルカリ型水電解装置１への供給電流を決定する。
【００６３】
一方、電源から供給される電力が、アルカリ型水電解装置１の運転開始閾値以下であると判定された場合、ステップＳ１０５の処理が実行され、ＰＬＣ７は、アルカリ型水電解装置１へ電流を供給しないことを決定する。
【００６４】
（ステップＳ１１０）
ステップＳ１１０では、ステップＳ１０５の処理が実行され、ＰＬＣ７がアルカリ型水電解装置１へ電流を供給しないことを決定した後、ＰＬＣ７は高分子型水電解装置２が運転中であるか否かの判定を行う。
【００６５】
（ステップＳ１１１）
ステップＳ１１１では、ステップＳ１１０において高分子型水電解装置２が運転中であると判定された場合に、ＰＬＣ７は、電源からの供給電力が高分子型水電解装置２の運転継続閾値よりも大きいか否かの判定を行う。なお、本動作例１の高分子型水電解装置２では、電解液として純水を用いているため、この高分子型水電解装置２の運転継続閾値はほぼゼロに設定される。
【００６６】
（ステップＳ１１２）
ステップＳ１１２では、ステップＳ１１１において、電源からの供給電力が高分子型水電解装置２の運転継続閾値よりも大きいと判定された場合、ＰＬＣ７は、高分子型水電解装置２へ電流を供給することを決定する。また、ＰＬＣ７は、高分子型水電解装置２への供給電流を決定する。
【００６７】
（ステップＳ１１３）
ステップＳ１１３では、ステップＳ１１１において、電源からの供給電力が高分子型水電解装置２の運転継続閾値以下であると判定された場合、ＰＬＣ７は、高分子型水電解装置２へ電流を供給しないことを決定する。
【００６８】
また、上記のステップＳ１１３の処理は、ステップＳ１０３において、アルカリ型水電解装置１への電流の供給が決定された後にも実行される。
【００６９】
（ステップＳ１１４）
ステップＳ１１４では、ステップＳ１１０において高分子型水電解装置２が運転中ではないと判定された場合に、ＰＬＣ７は、電源からの供給電力が高分子型水電解装置２の運転開始閾値よりも大きいか否かの判定を行う。
【００７０】
ステップＳ１１４において、電源からの供給電力が高分子型水電解装置２の運転開始閾値よりも大きいと判定された場合、ステップＳ１１２の処理が実行され、ＡＣ／ＤＣコンバータ６Ｂから、高分子型水電解装置２への供給電流が決定される。
【００７１】
また、ステップＳ１１４において、電源からの供給電力が高分子型水電解装置２の運転開始閾値以下であると判定された場合、ステップＳ１１３の処理が実行され、ＰＬＣ７は、高分子型水電解装置２へ電流を供給しないことを決定する。なお、本動作例１の高分子型水電解装置２の運転開始閾値は、高分子型水電解装置２の運転継続閾値よりもやや高く設定される。
【００７２】
（ステップＳ１１５）
ステップＳ１１５では、ＰＬＣ７で作成した各電流指令値がＡＣ／ＤＣコンバータ６Ａ、６Ｂへそれぞれ送信される。ＡＣ／ＤＣコンバータ６Ａ、６Ｂは、受信した電流指令値に基づいて、電源から供給される電力を所定の直流電流に変換する。そして、当該電流は、アルカリ型水電解装置１、及び高分子型水電解装置２へそれぞれ出力される。
【００７３】
＜作用・効果＞
上記のような水電解システム１００では、図５に示されるように、電源からの供給電力が変動すると、システムに供給される電流が変動する。この際、アルカリ型水電解装置１に対する制御を行わないシステムでは、供給電力が低下すると、陽極３Ａにおいて酸素生成量が減少し、迷走電流が相対的に増加する。その結果陽極３Ａから発生する酸素中に水素が多く含まれることとなる。よって、水電解システム１００の運用に影響が及ぶ虞がある。
【００７４】
そこで、上記の動作例１では、ステップＳ１０８，Ｓ１０９の処理が実行されることにより、電源から供給される電力が、アルカリ型水電解装置１の定格電流の１０％の電流値に相当する電力値よりも大きいか否かが判定される。そして、電源から供給される電力が、アルカリ型水電解装置１の定格電流の１０％の電流値に相当する電力値以下である場合、ステップＳ１０５の処理が実行されることによってアルカリ型水電解装置１へ電流の供給が停止される。そして、ステップＳ１１２の処理が実行されることによって高分子型水電解装置２へ電流が供給される。
【００７５】
加えて、ステップＳ１０２の処理が実行されることにより、陽極４Ａ側の水素濃度が高い状態となったとしても、陽極４Ａ側の水素濃度を低下させることができる。このように水素濃度の回復機能を備えるため、アルカリ型水電解装置１の運転を制御するための閾値を、発生する酸素中の水素濃度が比較的高い濃度に対応する電力値に設定することが可能となる。
【００７６】
一方、高分子型水電解装置２は、高分子を含む電解質５を含み、純水に浸される陽極４Ａ及び陰極４Ｂが電解質５を挟んで設けられている。そして、陽極４Ａ及び陰極４Ｂに、電流が流入することにより、陽極４Ａ近傍で純水からプロトン及び酸素を発生させ、プロトンを陰極４Ｂ近傍へ電解質５を介して移動させ、陰極４Ｂ近傍から水素を発生させてい
る。このような高分子型水電解装置２では、低負荷で運転した場合であっても迷走電流の発生は抑制される。よって、高分子型水電解装置２から発生する酸素に含まれる水素の濃度が上昇することは抑制される。また、高分子型水電解装置２へ配分される電流が変動した場合であっても、高分子型水電解装置２から発生する酸素に含まれる水素の濃度が上昇することは抑制される。
【００７７】
ここで、水電解システム１００を動作例１のように動作させた場合、発生する酸素中の水素濃度の急激な上昇が実際に抑制されるか確認を行った。図７は、水電解システム１００を動作例１のように実際に動作させた場合における、アルカリ型水電解装置１の陽極３Ａから発生する酸素に含まれる水素の濃度と、アルカリ型水電解装置のみを稼働させた場合に陽極から発生する酸素に含まれる水素の濃度との比較の一例を示している。図７に示されるように、風力発電設備から水電解装置へ供給される電力は変動している。しかしながら、水電解システム１００のアルカリ型水電解装置１から発生する酸素中の水素濃度は、９０００ｐｐｍから１００００ｐｐｍであり、アルカリ型水電解装置のみを稼働させた場合に発生する酸素中の水素濃度（１１０００ｐｐｍから１２０００ｐｐｍ）よりも定常的に低い。すなわち、図７より、電源からの供給電力が変動した場合であっても、水電解システム１００は、アルカリ型水電解装置１から発生する酸素中の水素濃度の上昇を抑制できることが認められる。よって、水電解システム１００を動作例１のように動作させた場合、水電解システム１００の運用に影響が及ぶことは抑制される。なお、運転期間の初期に水素濃度が著しく上昇している点があるが、これは電流をゼロから上昇させるために生じた部分であるため、効果を検証する際には除外している。
【００７８】
また、上記の動作例では、ステップＳ１０８におけるアルカリ型水電解装置１の運転継続閾値、ステップＳ１０９におけるアルカリ型水電解装置１の運転開始閾値を、アルカリ型水電解装置１の定格電流の約１０％の電流をアルカリ型水電解装置１へ流してもよいこととした。しかし、これに限らず、先の述べた運転注意領域に相当する、アルカリ型水電解装置１の定格電流の１０％〜３０％の範囲で適宜設定してもよい。より低い値を採用することで、アルカリ型水電解装置１が運用できる供給電力の範囲を広げることが可能となる。一方、より高い値を採用することで、陽極４Ａ側の水素濃度が高くなることをより防ぐことができる。
【００７９】
さらに、運転注意領域に限らず、運転回避領域に相当するアルカリ型水電解装置１の定格電流を採用してもよい。このような運用を行えば、アルカリ型水電解装置１の運用範囲を広げることが可能となる。
【００８０】
また、運転注意領域に限らず、濃度回復領域に相当する電力の値をステップＳ１０８におけるアルカリ型水電解装置１の運転継続閾値やステップＳ１０９の運転開始閾値に設定してもよい。このように設定すれば、アルカリ型水電解装置１を運用する供給電力の範囲は狭くなるもの、陽極４Ａ側で発生する酸素中の水素濃度を低い状態でし続けることが可能となる。
【００８１】
加えて、上記の動作例では、ステップＳ１０２において判定に使用される所定値を、アルカリ型水電解装置１の定格電流の３０％の電流をアルカリ型水電解装置１へ流すことのできる値とした。しかし、これに限らず、４０％の電流をアルカリ型水電解装置１へ流すことのできる電力値としてもよい。濃度回復領域の運転開始の所定値を高くすることにより、より高い供給電力から水素濃度の回復運転を開始することが可能となる。なお、濃度回復領域の開始の所定値を高くすると、発生する酸素の量が増加することとなる。このため、酸素中の水素濃度を確実に低下することができ、また酸素中の水素濃度を低下させる速度を早くすることができる。
【００８２】
なお、図６に例示される電流密度と水素濃度との関係は、電解液の濃度、電解装置の容量、電解槽のセル数等の条件により変化するものである。このため、上述で説明した水素濃度に対応した運転の領域を区別した電流密度の値は、説明した数値に限定されるものではない。また、電流に対応する酸素中水素濃度は定常状態において計測された実測値をプロットしたものである。このため、電流が変化した場合には、酸素中の水素濃度は図６に示される電流密度に対応する水素濃度に常に一致するわけではなく、追従にタイムラグが生じることがある。
【００８３】
また、本発明の実施形態における制御手段の一例であるＡＣ／ＤＣコンバータ６Ａ、６Ｂ及びＰＬＣ７は、電源と接続する水電解装置を第一の水電解装置の一例であるアルカリ型水電解装置１と、第二の水電解装置の一例である高分子型水電解装置２との間で切り替えることができる。
【００８４】
上記のような水電解システム１００であれば、電源とアルカリ型水電解装置１とが接続している場合であって、電源から供給される電力が低下した場合、電源と接続する電解装置を高分子型水電解装置２へ素早く切り替えることができる。よって、アルカリ型水電解装置１において迷走電流が相対的に増加することは素早く抑制され、その結果、アルカリ型水電解装置１の陽極３Ａから発生する酸素に水素が混合されることは素早く抑制される。また、陰極３Ｂにおいても同様に、発生する水素に酸素が混合されることは素早く抑制される。また、ＡＣ／ＤＣコンバータ６Ａ、６ＢやＰＬＣ７から形成される水電解システム１００は、複雑な構造ではない。すなわち、陽極３Ａにおいて発生する酸素に含まれる水素の濃度の上昇、及び陰極３Ｂにおいて発生する水素に含まれる酸素の濃度の上昇は、簡易に抑制される。
【００８５】
また、上記のような水電解システム１００は、ステップＳ１０４の判定処理の実行により、アルカリ型水電解装置１において発生する酸素に含まれる水素の濃度が所定濃度値以上であるか否かの判定が行われ、所定濃度値以上である場合にステップＳ１０５の処理が実行されることにより、アルカリ型水電解装置１への電流の供給が停止される判断が行われる。すなわち、上記のような水電解システム１００は、ＡＣ／ＤＣコンバータ６Ａ、６ＢやＰＬＣ７が、電源から供給される電力をアルカリ型水電解装置１及び高分子型水電解装置２への配分を、電源から供給される電力に加えて第一の水電解装置から発生する酸素に含まれる水素の濃度に応じても制御している。このような水電解システム１００は、酸素に含まれる水素の濃度を判定することによっても、アルカリ型水電解装置１へ配分される電力を調整し、アルカリ型水電解装置１の陽極３Ａから水素を多く含む酸素の発生を抑制することができる。
【００８６】
＜動作例２＞
上記の動作例１では、陽極４Ａ側の水素濃度が高い状態になっていた場合に、陽極４Ａ側の酸素中の水素濃度を低下させることを目的として、ステップＳ１０２において所定値を設定して制御を行っていた。本動作例２では、図４に示されるフロー図において、ステップＳ１０２を設ける代わりに、陽極４Ａ側の水素濃度に応じて、ステップＳ１０８の運転継続閾値、ステップＳ１０９の運転開始閾値を変更する構成となっている。換言すると、図４に示すフロー図において、ステップＳ１０２が省略され、代わりにステップＳ１０８の運転継続閾値とステップＳ１０９の運転開始閾値が、水素濃度に応じて変更するフローが追加される。他の構成は動作例１と共通する点が多いため、共通する構成の説明は省略する。
【００８７】
通常、ステップＳ１０８の運転継続閾値、及びステップＳ１０９の運転開始閾値は、アルカリ型水電解装置１の定格電流の１０％に相当する電力値に設定される。そして、ステップＳ１０４の処理の実行の際に使用される酸素中の水素の濃度所定値は１１０００ｐｐ
ｍなどに設定される。
【００８８】
ここで、ステップＳ１０４の処理を実行した結果、アルカリ型水電解装置１から発生する酸素中の水素濃度が１１０００ｐｐｍより高い濃度であることが判明した場合、ステップＳ１０８の運転継続閾値、及びステップＳ１０９の運転開始閾値は、酸素を十分に発生させることができ、運転を継続することによって陽極３Ａ側の水素濃度を低下させることができるような電力となるような値に一定期間変更される。一例として、本動作例ではアルカリ型水電解装置１の定格電流の３０％に相当する電力に設定される。（以下、濃度異常モードという）。なお、この期間は、陽極４Ａ側の水素濃度により定めてもよく、あらかじめ定めた時間としてもよい。このため、濃度異常モード中は、アルカリ型水電解装置１は酸素中に存在している高濃度の水素を希釈することができる電力が供給される場合のみ運転されることとなる。そして、一定期間経過後、濃度異常モードは終了する。
【００８９】
図８は、水電解システム１００が上記のように動作した場合のアルカリ型水電解装置１から発生する酸素中の水素濃度の計測値の経時変化を示している。また、電源から水電解システム１００へ供給される電流値の経時変化も重ねて示している。ただし、電流値は、アルカリ型水電解装置１の定格電流に対する割合で表されている。図８に示されるように、電源から供給される電流は変動していることが認められる。
【００９０】
水電解システム１００は、運転開始当初、運転継続閾値や運転開始閾値が定格電流の１０％に相当する電力値に設定されている。このため、電源から供給される電力が変動している場合に、アルカリ型水電解装置１が低負荷の運転注意領域であっても運転されることを許容する。このとき、酸素に含まれる水素の濃度は急激に上昇せず、低負荷での運転がしばらく継続されていることが図８より認められる。
【００９１】
その後、アルカリ型水電解装置１から発生する水素濃度は、運転開始から１０分程度経過すると１１０００ｐｐｍとなる。そして、水素濃度が１１０００ｐｐｍとなったため、水素濃度が所定値に達したと判断し、水電解システム１００の運転は、一旦停止される。その後、運転モードは、濃度異常モードへと変更されている。
【００９２】
濃度異常モードでは、閾値がアルカリ型水電解装置１の定格電流の３０％に相当する電力値に引き上げられるため、アルカリ型水電解装置１は陽極４Ａ側の水素濃度を低下させることができる電力が供給される場合に動作することになる。そして、水電解システム１００は、所定期間経過後、濃度異常モードは終了する。なお言うまでもないが、濃度異常モードでは、陽極４Ａ側の水素濃度を低下させることができる電力が供給されない場合、アルカリ型水電解装置１は動作を停止した状態となる。
【００９３】
上記のような水電解システム１００であれば、電源から供給される電力が低下した場合であっても、動作例１と同様の効果が得られる。
【００９４】
＜動作例３＞
上記の動作例１および動作例２では、陽極３Ａ側の水素濃度が高い状態になっていた場合に、陽極３Ａ側の酸素中の水素濃度を低下させるための制御を行っていた。本動作例３は、陽極３Ａ側の酸素中の水素濃度を低下させるための制御を有しない最も簡単な構成の動作例である。すなわち、図４に示されるフロー図において、ステップＳ１０２を行わない構成となっている。他の構成は動作例１と共通する点が多いため、共通する構成や動作の説明は省略する。
【００９５】
本実施例では酸素中の水素濃度を低下させるための制御を有しないため、運転継続閾値および運転開始閾値を上記の動作例１よりも高い値に設定することが好ましい。例えば、
濃度回復領域の水素濃度に対応する、アルカリ型水電解装置１の定格電流の４０％の電流値に相当する電力値に設定する。このように設定すれば、ステップＳ１０８，Ｓ１０９の処理が実行されることにより、電源から供給される電力が、アルカリ型水電解装置１の定格電流の４０％の電流値に相当する電力値よりも大きいか否かが判定される。そして、電源から供給される電力が、アルカリ型水電解装置１の定格電流の４０％の電流値に相当する電力値以下である場合、ステップＳ１０５の処理が実行されることによってアルカリ型水電解装置１へ電流の供給が停止される。そして、ステップＳ１１２の処理が実行されることによって高分子型水電解装置２へ電流が供給される。このように、アルカリ型水電解装置１を濃度回復領域の水素濃度に対応する電力で動作させるため、陽極３Ａ側の酸素中の水素濃度が高い状態になることを回避することができる。
【００９６】
なお、本動作例３において、運転継続閾値および運転開始閾値は運転注意領域の酸素中の水素濃度の対応する電力に設定してもよい。例えば、定格電流の２０％に相当する電力の値に設定する。ただし、本動作例では回復運転を行わないため、運転回避領域の酸素中の水素濃度に対応する電力は運転継続閾値および運転開始閾値に設定することを避けることが好ましい。
【００９７】
以上のような３つの動作例のように、水電解システム１００は動作可能である。また、上記の実施形態では、本発明の「第一の水電解装置」の一例して、重量濃度が約３０％程度の水酸化カリウム水溶液又は水酸化ナトリウム水溶液の電解液を有するアルカリ型水電解装置１を例示した。そして、本発明の「第二の水電解装置」の一例として、高分子を含む電解質５を含み、アルカリ型水電解装置１の電解液よりも導電性の低い純水に浸される陽極４Ａ及び陰極４Ｂが、電解質５を挟んで設けられる高分子型水電解装置２を例示した。しかし、第一の水電解装置と第二の水電解装置の組み合わせは、上記の実施形態の例に限られないのは勿論のことである。例えば、第一の水電解装置、及び第二の水電解装置ともに、アルカリ水溶液を含む電解液を有する水電解装置としてもよい。ただし、第二の水電解装置のアルカリ水溶液は、第一の水電解装置のアルカリ水溶液よりも導電性の低い水溶液とするべく、アルカリ化合物の重量濃度を希薄にする。第二の水電解装置のアルカリ水溶液中において発生する迷走電流は、水溶液のアルカリ濃度が希薄であるため、第一の水電解装置のアルカリ水溶液中において発生する迷走電流よりも少ないこととなる。よって、このような水電解システムであっても、電源から供給される電力を、第一の水電解装置と第二の水電解装置とへ、上記の実施形態と同様に配分する場合、発生する酸素に含まれる水素の濃度の上昇は抑制される同様の効果を奏する。また、上記の実施形態では、第二の水電解装置の第二の電解液の一例として純水を例示したが、第二の電解液は、第一の水電解装置の第一の電解液よりも導電性が低い電解液であれば何でもよいことは勿論のことである。
【００９８】
また、以上のような３つの動作例では、アルカリ型水電解装置１を動作させる場合には、高分子型水電解装置２の動作を停止するとした。しかし、アルカリ型水電解装置１を動作させる場合に高分子型水電解装置２を動作させてもよい。
【００９９】
＜動作例４＞
上記の水電解システム１００において、太陽光発電設備や風力発電設備といった電源での発電電力が予測され、当該予測に基づいてアルカリ型水電解装置１への電力の配分量が決定されてもよい。図９及び図１０は、発電電力の予測によりアルカリ型水電解装置１への電力の配分量を決定する水電解システム１００の動作の概要を示すフローチャートの一例を示している。アルカリ型水電解装置１が運転中であり（ステップＳ１０７でＹｅｓ）、供給される電力がアルカリ型水電解装置１の運転継続閾値以下であると判定された場合(ステップＳ１０８でＮｏ)であっても、ステップＳ１０８−１において、ＰＬＣ７が電源での将来の発電電力を線形予測し、予測される発電電力が運転継続閾値を超えるか否かを
判定する。ただし、予測される発電電力の算出手法は当該手法に限定されず、他の既知の予測手法が用いられてもよい。そして、ステップＳ１０８−１において予測発電電力が運転継続閾値を超えると判定された場合、ＰＬＣ７は、アルカリ型水電解装置１への電流の供給を決定する（ステップＳ１０３）。一方、ステップＳ１０８−１において予測発電電力が運転継続閾値以下と判定された場合、ＰＬＣ７は、アルカリ型水電解装置１への電流の供給停止を決定する（ステップＳ１０５）。又は、ステップＳ１０８−１において、ＰＬＣ７が例えば過去から現在までの発電電力の標準偏差を算出し、算出された標準偏差が規定閾値よりも大きい場合、発電電力の波形が大きく変化していると推定してもよい。そして、ＰＬＣ７は、ステップＳ１０８において発電電力が運転継続閾値以下であると判定されたことは一時的であると判断し、アルカリ型水電解装置１への電流の供給が決定されてもよい（ステップＳ１０３）。
【０１００】
また、アルカリ型水電解装置１の運転が停止中の場合であり（ステップＳ１０７でＮｏ）、供給される電力がアルカリ型水電解装置１の運転継続閾値を超えると判定された場合（ステップＳ１０９でＹｅｓ）であっても、ステップＳ１０９−１において、ＰＬＣ７が電源での将来の発電電力を予測し、予測される発電電力が運転開始閾値を超えるか否かを判定する。そして、ステップＳ１０９−１において予測発電電力が運転開始閾値以下と判定された場合、ＰＬＣ７は、アルカリ型水電解装置１への電流の供給の停止を決定する（ステップＳ１０５）。一方、ステップＳ１０９−１において予測発電電力が運転開始閾値を超えると判定された場合、ＰＬＣ７は、アルカリ型水電解装置１への電流の供給を決定する（ステップＳ１０３）。
【０１０１】
ここで、太陽光発電設備や風力発電設備といった自然エネルギーを利用した発電では、発電電力は変動することが想定される。しかしながら、上記の動作例４のように動作する水電解システム１００によれば、電源における将来の発電電力の予測を考慮することにより、アルカリ型水電解装置１の運転の発停が頻繁に切り替わることは抑制される。よって、発電電力が変動することで運転の発停を繰り返し、アルカリ型水電解装置１が劣化する、といったことは抑制可能となる。
【０１０２】
また、上記の動作例４では、電源における過去から現在までの発電電力のデータに基づき、将来の発電電力を予測しているが、予測に使用されるデータは、電源における過去から現在までの発電電力のデータに限られない。例えば、電源が太陽光発電設備である場合に、インターネットを介して気象庁が提供するサイトから電源付近における過去の日射量のデータが取得され、当該取得されたデータが統計解析されることにより発電電力が予測されてもよい。また、将来の日射量の予測は、例えば衛星から送られる雲が映る画像データがインターネットを介して取得・解析され、電源への雲の接近時間が算出されることによりなされてもよい。
【０１０３】
また、例えば、電源が風力発電設備である場合、日射量に限らず風速、風向、低気圧の予想進路などの気象情報が気象庁から取得されてもよい。そして、当該取得された風に関する情報に基づき、風力発電設備における発電電力が予測されてもよい。また、インターネットを介して外部のサーバからデータが取得されずに、風力発電設備における実風速の変化率が測定されることにより将来の風速の変化率が算出され、算出された風速の変化率から発電電力の予測が行われてもよい。そして、図９及び図１０に示されるように予測される発電電力に基づいて、ＰＬＣ７がアルカリ型水電解装置１への電流の供給の可否を決定してもよい。
【０１０４】
また、発電電力の予測によるアルカリ型水電解装置１への電流の供給の可否のフローチャートは、図９及び図１０に示されるフローチャートに限定されない。また、発電電力の予測に使用されるデータは、気象庁から取得されることに限らず、インターネットを介し
て気象庁以外のサーバから取得されてもよい。また、発電電力の予測は、統計解析によりなされることに限らず理論的に算出されてもよいし、ノウハウによりなされてもよい。また、上記の変形例では発電電力の予測を用いた場合の説明が記載されているが、発電電力の代わりに発電電力と発電時間とを乗じた物理量である発電量が予測され、当該予測される発電量に基づいてアルカリ型水電解装置１への電流の供給の可否の決定がなされてもよい。以上で開示した実施形態や変形例はそれぞれ組み合わせる事ができる。
【符号の説明】
【０１０５】
１・・アルカリ型水電解装置；２・・高分子型水電解装置；３Ａ・・陽極；３Ｂ・・陰極；４Ａ・・陽極；４Ｂ・・陰極；５・・電解質；６Ａ、６Ｂ・・ＡＣ／ＤＣコンバータ；７・・ＰＬＣ；８・・水素タンク；５０・・発電設備；１００；水電解システム
【図１】
2020012195.tif 000003
【図２】
2020012195.tif 000004
【図３】
2020012195.tif 000005
【図４】
2020012195.tif 000006
【図５】
2020012195.tif 000007
【図６】
2020012195.tif 000008
【図７】
2020012195.tif 000009
【図８】
2020012195.tif 000010
【図９】
2020012195.tif 000011
【図１０】
2020012195.tif 000012