(57)【要約】【課題】電解用の電力供給源として再生可能エネルギーに由来する電源を用いた場合に、当該電源の出力源となるエネルギーが低下した場合であっても、格別専用の定電圧電源を装備することなく、全てのセルに対して電力を供給し、しかもエネルギーの変動に応じて、そのときの最大の電力を電解運転に利用できるようにする。【解決手段】水素製造装置１の水電解用の電源Ａ、Ｂの出力源のエネルギーが所定値以上の場合には、リレーａ６、ｂ１をＯＮさせ、電源Ａ、Ｂの電源Ａ、Ｂの出力源のエネルギーが所定より少ない場合には、リレーａ６、ｂ１をＯＦＦにして、リレーａ５、ｂ２をＯＮにして、セルスタックＳｔ１〜Ｓｔ５に対しては電源Ａから電力を供給し、セルスタックＳｔ２〜Ｓｔ６に対しては電源Ｂから電力を供給する。【選択図】図１
2015151561.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子形の水電解セル、または固体高分子形の水電解装置と燃料電池とを一体化した可逆セルを用いた水素製造装置であって、
同一枚数の前記セルを直列に接続してなるセルスタックと、
前記セルスタックを直列に複数接続してなるセルスタックブロックと、
前記セルスタックブロックに対して、各々並列に電力を供給可能な第１の直流電源と第２の直流電源と、を有し、
前記第１の直流電源と第２の直流電源は、その陰極側が、前記セルスタックブロックの一端部に位置する陰極側端子部と接続され、その陽極側が前記セルスタックブロックの他端部に位置する陽極側端子部と接続され、
前記第１の直流電源は、その陽極側が、前記セルスタックブロックの陽極側端子部、及び前記各セルスタック相互間に位置する電極部と、各々リレーを介して並列に接続され、
前記第２の直流電源は、その陰極側が、前記セルスタックブロックの陰極側端子部、及び前記各セルスタック相互間に位置する電極部と、各々リレーを介して並列に接続されていることを特徴とする、水素製造装置。
【請求項２】
前記第１の直流電源と第２の直流電源は、同一電源であることを特徴とする、請求項１に記載の水素製造装置。
【請求項３】
前記セルスタックブロックに対して、並列に電力を供給可能な第３の直流電源を有し、
前記第３の直流電源は、その陰極側が、少なくとも前記セルスタックブロックの中央部に位置するセルスタックの陰極側端子部寄りの電極部にリレーを介して並列に接続され、その陽極側が少なくとも前記セルスタックブロックの中央部のセルスタックの陽極側端子部寄りの電極部にリレーを介して並列に接続されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の水素製造装置。
【請求項４】
前記第３の直流電源は、その陰極側が、前記セルスタックブロックの一端部に位置する陰極側端子部とリレーを介して並列に接続され、その陽極側が前記セルスタックブロックの他端部に位置する陽極側端子部とリレーを介して並列に接続されていることを特徴とする、請求項３に記載の水素製造装置。
【請求項５】
前記第３の直流電源は、少なくとも第１の直流電源または第２の直流電源と、同一電源であることを特徴とする、請求項３に記載の水素製造装置。
【請求項６】
請求項１または２に記載の水素製造装置の運転方法であって、
第１の直流電源および第２の直流電源は再生可能エネルギー由来の電源であり、
前記電源の出力源となるエネルギーの大きさが所定以上のときには、
前記第１の直流電源は、前記セルスタックブロックの陽極側端子部のリレーをＯＮさせ、前記第２の直流電源は、前記セルスタックブロックの陰極側端子部のリレーをＯＮさせ、
前記電源の出力源となるエネルギーの大きさが所定よりも低下した場合には、
前記第１の直流電源は、前記セルスタックブロックの陽極側端子部のリレーをＯＦＦにして、前記セルスタックブロックの前記各セルスタック相互間に位置する電極部のリレーをＯＮにし、前記第２の直流電源は、前記セルスタックブロックの陰極側端子部のリレーをＯＦＦにして、前記セルスタックブロックの前記各セルスタック相互間に位置する電極部のリレーをＯＮにして、
前記第１の直流電源と第２の直流電源から電力を供給するセルスタックを、同数ずつ各端子部側から減じることを特徴とする、水素製造装置の運転方法。
【請求項７】
請求項３〜５のいずれか一項に記載の水素製造装置の運転方法であって、
第１の直流電源および第２の直流電源は再生可能エネルギー由来の電源であり、
前記電源の出力源となるエネルギーの大きさが所定以上のときには、
前記第１の直流電源は、前記セルスタックブロックの陽極側端子部のリレーをＯＮさせ、前記第２の直流電源は、前記セルスタックブロックの陰極側端子部のリレーをＯＮさせ、
前記電源の出力源となるエネルギーの大きさが所定よりも低下した場合には、
前記第１の直流電源は、前記セルスタックブロックの陽極側端子部のリレーをＯＦＦにして、前記セルスタックブロックの前記各セルスタック相互間に位置する電極部のリレーをＯＮにし、前記第２の直流電源は、前記セルスタックブロックの陰極側端子部のリレーをＯＦＦにして、前記セルスタックブロックの前記各セルスタック相互間に位置する電極部のリレーをＯＮにして、
前記第１の直流電源と第２の直流電源から電力を供給するセルスタックを、同数ずつ各端子部側から減じ、
前記セルスタックブロックの中央部のセルスタックに対して、前記第１の直流電源と第２の直流電源から電力が供給されなくなったときには、前記第３の電源から、当該中央部のセルスタックに対して電力を供給することを特徴とする、水素製造装置の運転方法。
【請求項８】
請求項４または５に記載の水素製造装置の運転方法であって、第１の直流電源および第２の直流電源および第３の直流電源は再生可能エネルギー由来の電源であり、
前記電源の出力源となるエネルギーの大きさが所定以上のときには、
前記第１の直流電源は、前記セルスタックブロックの陽極側端子部のリレーをＯＮさせ、前記第２の直流電源は、前記セルスタックブロックの陰極側端子部のリレーをＯＮさせ、前記第３の直流電源は、前記セルスタックブロックの陽極側端子部および陰極側端子部のリレーをＯＮさせ、
前記電源の出力源となるエネルギーの大きさが所定よりも低下した場合には、
前記第１の直流電源は、前記セルスタックブロックの陽極側端子部のリレーをＯＦＦにして、前記セルスタックブロックの前記各セルスタック相互間に位置する電極部のリレーをＯＮにし、
前記第２の直流電源は、前記セルスタックブロックの陰極側端子部のリレーをＯＦＦにして、前記セルスタックブロックの前記各セルスタック相互間に位置する電極部のリレーをＯＮにし、
前記第３の直流電源は、前記セルスタックブロックの陽極側端子部あるいは陰極側端子部の何れか一方のリレーをＯＦＦにして、前記セルスタックブロックの前記各セルスタック相互間であって前記リレーをＯＦＦにした極側端子部寄りに位置する電極部のリレーをＯＮにし、
前記第１の直流電源と第２の直流電源から電力を供給するセルスタックについては各端子部側から、
前記第３の直流電源から電力を供給するセルスタックについては両端子部側から、各々同数ずつ、電力を供給するセルスタックを減じることを特徴とする、水素製造装置の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子形の水電解セルや、同形の固体高分子形の水電解装置と燃料電池を一体型した可逆セルを用いて高圧の水素を製造する際の水素製造装置及びその運転方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形の水電解セルや、同形の水電解装置と燃料電池を一体化した可逆セル（以下、単に「可逆セル」と称する）の水電解運転時は、セルから発生するガスの圧力を調整することで、昇圧機器を使用せずに数１０ＭＰａまでの水素、酸素ガスを製造できる。しかしながら、水素側と酸素側を隔離している高分子膜にはガス透過があるため、電解運転用の電力量が少ない場合には、水素側の圧力が高いため、ガス透過によって酸素側の水素濃度が上昇し続け、最終的にはセルの破損につながるという問題があった。
【０００３】
すなわち、セル内部では、極間のガス分圧差に応じて高分子膜を介したガス透過があるため、透過量に対して電解によるガス発生量が少ないと、酸素側の水素濃度、あるいは酸素側をポンプ等で高圧に設定していた場合に、水素側の酸素濃度が上昇する。もし酸素側の水素濃度が爆発下限濃度の４％にまで達した場合には、セル自体に何ら異常がなくても触媒上で燃焼反応が起きてセルが破損する可能性がある。
【０００４】
これを防止するために既に提案されている技術として、「水素製造方法及び水素製造システム」がある（特許文献１）。この技術では、極間差圧耐性を有する電解セルを使用することで装置の水素、酸素保有量を少なくし、装置を起動する際に水素が定格圧力まで到達するまでの時間の短縮や投入電力の低減、ならびに装置停止時の水素排気の低減がはかれ、結果的にエネルギーの無駄を低減しているものであった。そして極間差圧耐性を有する電解セルを使用しているので、上記したセルの破損は抑えられていた。
【０００５】
しかしながら、かかる先行技術を用いても、運転負荷（＝電流密度）がある閾値よりも低い場合（特許文献１では電流密度が０．１５Ａ／ｃｍ２未満の場合との記述されている）には、酸素側の水素濃度が上昇するため、一度運転を停止して、装置系内の昇圧に要した高圧水素ガスを系外に排出する必要があった。特に電解用の電力供給源として、太陽光発電や風力発電に由来する電源を用いた場合には、天候によって当該電力供給源の電圧が変動してしまうので、このような事態が予想される。
この点に関し、たとえば、日射量の変動に応じてその日射量における最大出力を水電解運転に利用できるように、使用するセル数を必要に応じて減じることが提案されている（特許文献２）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−１１１９８１号公報
【特許文献２】特開２００１−３３５９８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献２の技術では、太陽光発電の出力源（エネルギー源）である太陽光の日射量が低下した場合、電力が全く供給されずに電解運転が行われないセルが発生する。この場合、電解運転しないセルでは、電解によるガス発生（酸素側においては酸素の発生）がないため、上述したようなガス透過により当該セル近傍における酸素側の水素濃度が上昇するという問題があった。これを防止するためには、たとえば電解運転しないセルに定電圧を印加することにより、透過した水素を水素側に戻す方法があるが、この方法においても別途専用の定電圧電源を用意しなければならないという問題があった。
【０００８】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、電解用の電力供給源として、太陽光発電や風力発電など、再生可能エネルギーに由来する電源を用いた場合に、当該電源の出力源（エネルギー源）となるエネルギー、たとえば太陽光の日射量や風速が低下した場合であっても、格別専用の定電圧電源を装備することなく、全てのセルに対して電力を供給して前記した問題を解消し、しかも前記のエネルギーの変動に応じて、そのときの最大の電力を電解運転に利用できるようにすることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的を達成するため、本発明は、固体高分子形の水電解セル、または固体高分子形の水電解装置と燃料電池とを一体化した可逆セルを用いた水素製造装置であって、
同一枚数の前記セルを直列に接続してなるセルスタックと、前記セルスタックを直列に複数接続してなるセルスタックブロックと、前記セルスタックブロックに対して、各々並列に電力を供給可能な第１の直流電源と第２の直流電源と、を有し、
前記第１の直流電源と第２の直流電源は、その陰極側が、前記セルスタックブロックの一端部に位置する陰極側端子部と接続され、その陽極側が前記セルスタックブロックの他端部に位置する陽極側端子部と接続され、前記第１の直流電源は、その陽極側が、前記セルスタックブロックの陽極側端子部、及び前記各セルスタック相互間に位置する電極部と、各々リレーを介して並列に接続され、前記第２の直流電源は、その陰極側が、前記セルスタックブロックの陰極側端子部、及び前記各セルスタック相互間に位置する電極部と、各々リレーを介して並列に接続されていることを特徴としている。
【００１０】
本発明によれば、前記第１の直流電源と第２の直流電源の出力源（エネルギー源）となるエネルギーの大きさが所定以上の大きさのときには、前記第１の直流電源は、前記セルスタックブロックの陽極側端子部のリレーをＯＮさせ、前記第２の直流電源は、前記セルスタックブロックの陰極側端子部のリレーをＯＮさせればよい。そして前記第１の直流電源と第２の直流電源の出力源（エネルギー源）となるエネルギーの大きさが所定よりも低下した場合には、前記第１の直流電源は、前記セルスタックブロックの陽極側端子部のリレーをＯＦＦにして、前記セルスタックブロックの前記各セルスタック相互間に位置する電極部のリレーをＯＮにし、前記第２の直流電源は、前記セルスタックブロックの陰極側端子部のリレーをＯＦＦにして、前記セルスタックブロックの前記各セルスタック相互間に位置する電極部のリレーをＯＮにして、前記第１の直流電源と第２の直流電源から電力を供給するセルスタックを、同数ずつ各端子部側から減じるようにすれば、両極の端部側に位置するセルスタックについては、第１の直流電源または第２の直流電源からの電流が流れ、中央部のセルスタックについては、それらを足しあわせた電流を流すことができる。したがって、たとえば第１の直流電源と第２の直流電源が太陽光発電に由来する場合、日射量が低下しても、全セルスタックについて電流を流すとともに、そのときの最大の電力を電解運転に利用することができる。なお、これら各電源のエネルギー源となるエネルギーの大きさは、たとえば電源に太陽光発電を利用する場合には日射量で示すことができ、風力発電を利用する場合は風速が例示できる。また、その場合の所定の日射量および風速とは、水電解セルや可逆セルの仕様によって異なるが、たとえば全セルスタックに電力を供給した場合、そのときの日射量、風速における最大の電力が水電解運転に利用できる値（全セルスタックを使用すると太陽光発電の最大電力が利用できる値）が例示できる。この場合、太陽光発電の場合、想定される最高の日射量（たとえば１０００ｗ/ｍ２）と設定してもよく、また当該最高の日射量の８０％〜９０％の値としてもよい。同様に、風速の場合は使用する風力発電装置における設計最大風速としてもよく、あるいは定格風速としてもよい。さらには、設計最大風速、定格風速の８０％〜９０％の値としてもよい。
【００１１】
本発明においては、前記第１の直流電源と第２の直流電源は、同一電源として、系統を並列化させることで、最も実用的効果が高くなる。すなわち、１台の電源によっても、上記した作用効果が得られる。
【００１２】
前記セルスタックブロックに対して、並列に電力を供給可能な第３の直流電源を有し、前記第３の直流電源は、その陰極側が、少なくとも前記セルスタックブロックの中央部に位置するセルスタックの陰極側端子部寄り、すなわち陰極側端子部側に位置する電極部にリレーを介して並列に接続され、その陽極側が少なくとも前記セルスタックブロックの中央部のセルスタックの陽極側端子部寄り、すなわち陰極側端子部側に位置する電極部にリレーを介して並列に接続されているようにしてもよい。これによって、前記第１の直流電源と第２の直流電源から電力を供給するセルスタックを、同数ずつ各端子部側から減じていった場合、中央部のセルスタックについては、第１の直流電源と第２の直流電源からの電流を足しあわせた電流を流すことができる。もちろん中央部のセルスタックに電力が供給されないことはない。
なおここで中央部のセルスタックとは、セルスタックブロックを構成するセルスタックのうち、中央部に位置するセルスタックを言い、セルスタックブロックを構成するセルスタック数Ｎが、奇数の場合には、中心に位置する１のセルスタックとなり、セルスタックブロックを構成するセルスタック数Ｎが、偶数の場合には、中央に位置する２つのセルスタックとなる。
【００１３】
かかる場合も、前記第３の直流電源は、少なくとも第１の直流電源または第２の直流電源と、同一電源、例えば第１〜第３の電源を全て同一の１台の電源とすることで、上記した作用効果が得られる。
【００１４】
またさらに、前記第３の直流電源は、その陰極側が、前記セルスタックブロックの一端部に位置する陰極側端子部とリレーを介して並列に接続され、その陽極側が前記セルスタックブロックの他端部に位置する陽極側端子部とリレーを介して並列に接続されていてもよい。
【００１５】
また本発明の運転方法としては、第１の直流電源および第２の直流電源は再生可能エネルギー由来の電源であり、前記電源の出力源（エネルギー源）となるエネルギーの大きさが所定以上のときには、前記第１の直流電源は、前記セルスタックブロックの陽極側端子部のリレーをＯＮさせ、前記第２の直流電源は、前記セルスタックブロックの陰極側端子部のリレーをＯＮさせ、
前記電源の出力源（エネルギー源）となるエネルギーの大きさが所定よりも低下した場合には、
前記第１の直流電源は、前記セルスタックブロックの陽極側端子部のリレーをＯＦＦにして、前記セルスタックブロックの前記各セルスタック相互間に位置する電極部のリレーをＯＮにし、前記第２の直流電源は、前記セルスタックブロックの陰極側端子部のリレーをＯＦＦにして、前記セルスタックブロックの前記各セルスタック相互間に位置する電極部のリレーをＯＮにして、
前記第１の直流電源と第２の直流電源から電力を供給するセルスタックを、同数ずつ各端子部側から減じることを特徴とする、運転方法が提供できる。
ここで再生可能エネルギーとは、既述した太陽光、風力の他に、波力、潮力、流水、潮汐、地熱、バイオマス等から得られるエネルギーをいう。
【００１６】
また第３の直流電源を有する場合には、第１の直流電源および第２の直流電源は再生可能エネルギー由来の電源であり、前記電源の出力源となるエネルギーの大きさが所定以上のときには、
前記第１の直流電源は、前記セルスタックブロックの陽極側端子部のリレーをＯＮさせ、前記第２の直流電源は、前記セルスタックブロックの陰極側端子部のリレーをＯＮさせ、
前記電源の出力源となるエネルギーの大きさが所定よりも低下した場合には、
前記第１の直流電源は、前記セルスタックブロックの陽極側端子部のリレーをＯＦＦにして、前記セルスタックブロックの前記各セルスタック相互間に位置する電極部のリレーをＯＮにし、前記第２の直流電源は、前記セルスタックブロックの陰極側端子部のリレーをＯＦＦにして、前記セルスタックブロックの前記各セルスタック相互間に位置する電極部のリレーをＯＮにして、前記第１の直流電源と第２の直流電源から電力を供給するセルスタックを、同数ずつ各端子部側から減じ、
前記セルスタックブロックの中央部のセルスタックに対して、前記第１の直流電源と第２の直流電源から電力が供給されなくなったときには、前記第３の電源から、当該中央部のセルスタックに対して電力を供給することを特徴とする、水素製造装置の運転方法が提案できる。
【００１７】
さらにまた第１の直流電源および第２の直流電源および第３の直流電源は再生可能エネルギー由来の電源であり、
前記電源の出力源となるエネルギーの大きさが所定以上のときには、前記第１の直流電源は、前記セルスタックブロックの陽極側端子部のリレーをＯＮさせ、前記第２の直流電源は、前記セルスタックブロックの陰極側端子部のリレーをＯＮさせ、前記第３の直流電源は、前記セルスタックブロックの陽極側端子部および陰極側端子部のリレーをＯＮさせ、
前記電源の出力源となるエネルギーの大きさが所定よりも低下した場合には、
前記第１の直流電源は、前記セルスタックブロックの陽極側端子部のリレーをＯＦＦにして、前記セルスタックブロックの前記各セルスタック相互間に位置する電極部のリレーをＯＮにし、
前記第２の直流電源は、前記セルスタックブロックの陰極側端子部のリレーをＯＦＦにして、前記セルスタックブロックの前記各セルスタック相互間に位置する電極部のリレーをＯＮにし、
前記第３の直流電源は、前記セルスタックブロックの陽極側端子部あるいは陰極側端子部の何れか一方のリレーをＯＦＦにして、前記セルスタックブロックの前記各セルスタック相互間であって前記リレーをＯＦＦにした極側端子部寄りに位置する電極部のリレーをＯＮにし、
前記第１の直流電源と第２の直流電源から電力を供給するセルスタックについては各端子部側から、前記第３の直流電源から電力を供給するセルスタックについては両端子部側から、各々同数ずつ、電力を供給するセルスタックを減じることを特徴とする、水素製造装置の運転方法も提案できる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、日射量や風速等、電源の出力源（エネルギー源）のエネルギーの大きさが低下した場合であっても、格別専用の定電圧電源を装備することなく、全てのセルに対して電力を供給して、前記のエネルギーの変動に応じてそのときの最大の電力を電解運転に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施の形態にかかる水素製造装置の構成の概要を示した説明図である。
【図２】他の実施の形態におけるセルスタックブロックの概要を示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の実施の形態について説明すると、図１は実施の形態にかかる水素製造装置１の構成の概略を示しており、この水素製造装置１においては、公知の高分子形の水電解セルを複数枚直列に接続、積層して構成されているセルスタックＳｔを複数、たとえば６つのセルスタックＳｔ１〜Ｓｔ６を直列に接続、積層したセルスタックブロック１０を有している。この水素製造装置１は、水素側のみを昇圧するタイプの装置として構成されている。
【００２１】
図１に示したように、水素製造装置１のセルスタックブロック１０の原料水入口Ｘに対しては、酸素側の気液分離機能を有するタンク３１から原料水（純水）が供給されて、水電解運転がなされる。より詳述すると、タンク３１からの水は、タンク内の底部に接続された配管３２、セルスタックブロック１０に通ずる配管３３を介して、配管３２に設けられたポンプ３４によって、セルスタックブロック１０の酸素側の原料水入口Ｘに対して供給されるようになっている。配管３３内の圧力は、圧力計Ｐ１によって計測される。
【００２２】
配管３２には、配管３２内を流れる水の一部をタンク３１に戻すための戻し管３５が接続されており、この戻し管３５には、流量調整弁Ｖ１、熱交換器３６、イオン交換樹脂塔３７、フィルタ３８が設けられており、これらの装置を通じて戻し水が処理されることで、タンク３１内の水の水質が維持される。タンク３１内には、タンク内の水の水位を検出する液面センサ３１ａが設けられている。
【００２３】
配管３２を通じて原料水入口Ｘからセルスタックブロック１０に供給された原料水は、セルスタックブロック１０において電気分解され、酸素、並びに酸素に随伴する水が、酸素出口Ｙから配管４１を通じて、タンク３１に戻され、タンク３１内にて気液分離される。
【００２４】
タンク３１において気液分離された後の酸素、並びに随伴する水（主として水蒸気）は、配管４２を通じて熱交換器４３へと送られ、当該熱交換器４３において、別途設置する冷却用チラー（図示せず）の冷媒と熱交換される。この熱交換によって、酸素、水蒸気の混合気体は冷却除湿され、そこで凝縮した水は配管４４、４５を通じてタンク３１に返水される。一方、熱交換後の酸素は配管４４、放出管４６を通じて系外に排出される。またタンク３１には、原料水供給タンク４７から原料水が補給される。補給量は、前記した液面センサ３１ａからの検出結果に基づいて制御される。
【００２５】
セルスタックブロック１０の水素出口Ｚには、配管５１が接続され、この配管５１は、水素側の気液分離機能を有するタンク５２に通じている。配管５１には、圧力計Ｐ２が設けられている。タンク５２とタンク３１の気層部（タンク内において貯留する水の液面より上の部分であり、貯留する液面が上昇しても、液面が達することのない部分）との間には、配管５３が接続されている。配管５３には、電磁弁Ｖ２が設けられている。タンク５２内には、タンク内の水の水位を検出する液面センサ５２ａが設けられている。
【００２６】
水電解によって発生した水素は、随伴水と共に、配管５１を通じてタンク５２に送られ、タンク５２内において気液分離される。タンク５２において気液分離された後の水素、並びに随伴する水（主として水蒸気）は、配管５４を通じて熱交換器５５へと送られ、当該熱交換器５５において、別途設置する冷却用チラー（図示せず）の冷媒と熱交換される。この熱交換によって、水素、水蒸気の混合気体は冷却除湿され、そこで凝縮した水は配管５６、５７を通じてタンク５２に返水される。
【００２７】
一方、熱交換後の水素は配管５６、６１を通じて、たとえば需要側や水素貯蔵タンク（高圧容器、図示せず）へ送られる。なお配管６１には、背圧弁Ｖ３、逆止弁Ｖ４が設けられている。また配管６１における背圧弁Ｖ３の上流側には、放出管６２が接続され、放出管６２には、電磁弁Ｖ５が設けられている。
【００２８】
次にセルスタックブロック１０の電源供給構成について説明する。本実施の形態では、既述したように、セルスタックブロック１０は、水電解セルを複数枚、直列に接続、積層して構成されているセルスタックＳｔ１〜Ｓｔ６を有している。各セルスタックＳｔ１〜Ｓｔ６は、各々同一枚数の水電解セルを有している。そしてセルスタックＳｔ１〜Ｓｔ６に対しては、２つの電源Ａ、ＢからこれらセルスタックＳｔ１〜Ｓｔ６に対して、分割して電力が供給可能となっている。この２つの電源Ａ、Ｂは、同一のソース、例えば太陽光発電や風力発電に由来する直流電源である。
【００２９】
すなわち、電源Ａは、その陰極側が、セルスタックブロック１０の一端部に位置する陰極側端子部１１と固定接続され、その陽極側はセルスタックブロック１０の各セルスタックＳｔ１〜Ｓｔ６相互間に位置する電極部１２〜１６、及び他端部に位置する陽極側端子部１７と、リレーａ１〜ａ６を介して並列に接続されている。
【００３０】
一方電源Ｂは、その陽極側が、セルスタックブロック１０の他端部に位置する陽極側端子部１７と固定接続され、その陰極側はセルスタックブロック１０の各セルスタックＳｔ１〜Ｓｔ６相互間に位置する電極部１２〜１６、及び一端部に位置する陰極側端子部１１と、リレーｂ１〜ｂ６を介して並列に接続されている。
【００３１】
かかる構成により、セルスタックＳｔ１〜Ｓｔ６に対しては、電源Ａおよび電源Ｂの両方から電力供給が可能であり、かつリレーａ１〜ａ６、リレーｂ１〜ｂ６の切り替え操作により、電力を供給するセルスタックＳｔ１〜Ｓｔ６を、電源Ａについては、陽極側端子１７に近い側から順次１つずつ、また電源Ｂについては、陰極極側端子１１に近い側から順次１つずつ、各々減ずることができる。
【００３２】
実施の形態にかかる水素製造装置１は、以上の構成を有しており、次にその運転について説明する。まず、電力供給源である電源Ａ、Ｂから全セルスタックに電力供給するとそのときの最大電力が水電解運転に利用できるとき、たとえば電源Ａ、Ｂが太陽光発電を利用する場合は日射量が所定以上に大きいとき、風力発電を利用する場合は風速が所定以上に大きいときは、リレーａ６、リレーｂ１ともＯＮにされ、電源Ａ、Ｂの２つの系統とも全てのセルスタックＳｔ１〜Ｓｔ６に対して、電力が供給される。これによって、セルスタックブロック１０に供給される原料水は、その日射量において供給できる最大の電力での電気分解がなされる。なお、上述の日射量および風速の所定とは、全セルスタックＳｔ１〜Ｓｔ６に電力供給するとそのときの日射量、風速における最大の電力が水電解運転に利用できる値（全セルスタックを使用すると太陽光発電の最大電力が利用できる値）が例示できる。この場合、太陽光発電の場合、想定される最高の日射量（たとえば１０００ｗ/ｍ２）と設定してもよく、また当該最高の日射量の８０％〜９０％の値としてもよい。同様に、風速の場合は使用する風力発電装置における設計最大風速としてもよく、あるいは定格風速としてもよい。さらには、設計最大風速、定格風速の８０％〜９０％の値としてもよい。日射量に応じて各リレーを制御する構成については、太陽光発電装置の近傍に設置した日射計によって日射量を検知し、当該日射量の情報を受信した制御装置によって各リレーを制御するものとすればよい。また、太陽光発電装置の太陽光パネル表面温度が出力に影響を与えるので、太陽光パネル表面に温度センサを設置し、当該温度センサによって検知した温度情報も加味して上記各リレーを制御するようにしてもよい。
【００３３】
すなわち、タンク３１に貯蔵された水は、配管３２に設けられたポンプ３４によってセルスタックブロック１０に供給され、その一部は電解水の水質維持のために配管３５にバイパスされる。そして、リレーａ６、リレーｂ１ともＯＮにすることによって（他のリレーａ１〜ａ５、リレーｂ２〜ｂ６はＯＦＦ）、電源Ａ、Ｂの２つの系統から、電源Ａ、Ｂの出力に応じて、原料水である純水が水素イオン、酸素イオンに電気分解される。そのうち酸素イオンは触媒上で酸素分子となり、循環水と共に酸素出口Ｙから配管４１を通じてセル外に排出される。一方水素イオンは、随伴水を伴って水素側に移動し、水素側触媒上で水素分子となって水素出口Ｚから配管５１を通じて、セル外に排出される。排出された酸素、水素は、それぞれ対応するタンク３１、５２に送られ気液分離が行われる。
【００３４】
そして気液分離された純水は配管３２を通じて、再びセルスタックブロック１０に送られ、一方気液分離されたガスは配管４２から熱交換器４３を通って、配管４４、放出管４６を通じて系外に排出される。一方、水素側については、系内圧力が定格圧力以下であればそのガスはセルスタックブロック１０内のガス流路を含む系内に滞留し圧力の上昇に寄与する。そして系内圧力が所定の値になったら、背圧弁Ｖ４から水素ガスが放出され、需要側や水素貯蔵部（図示せず）に供給される。なお電気分解によりタンク３１の水位は減少するため、原料水供給源４７から純水が補給される。またプロトンの移動に伴う配位水は、タンク５２内の圧力を利用して配管５３を通じてタンク３１に返送される。
【００３５】
そして日射量が低下するに従い、電源Ａ、Ｂの両系統とも電力供給するセルスタック数を、端部から同一数減らしていく。たとえば、電源Ａの系統については、リレーａ５がＯＮされて、セルスタックＳｔ１〜Ｓｔ５に対してのみ電力が供給され、電源Ｂの系統については、リレーｂ２がＯＮされて、セルスタックＳｔ２〜Ｓｔ６にのみ電力が供給される。
【００３６】
かかる制御手法を利用して、たとえば日射量に応じて以下のようにリレー制御することができる。
日射量：電源Ａ系統のリレー、電源Ｂ系統のリレー
１０００Ｗ／ｍ２：リレーａ６  ＯＮ、リレーｂ１  ＯＮ
９００Ｗ／ｍ２：リレーａ５  ＯＮ、リレーｂ２  ＯＮ
８００Ｗ／ｍ２：リレーａ４  ＯＮ、リレーｂ３  ＯＮ
７００Ｗ／ｍ２：リレーａ３  ＯＮ、リレーｂ４  ＯＮ
（何れも他のリレーはＯＦＦ）
【００３７】
このように、本実施の形態では、例えば電源Ａ、Ｂのソースである太陽光発電の出力源（エネルギー源）である日射量が低下した場合でも全てのセル（セルスタックＳｔ）が、少なくともいずれかの電源Ａ、Ｂから電力が供給されているので、電解電流自体は、セルスタックによって異なるものの（例えば、ａ５：ＯＮ、ｂ２：ＯＮ  とした場合には、セルスタックＳｔ１とセルスタックＳｔ６には、他のセルスタックＳｔ２〜Ｓｔ５よりも低電流が流れる）、全てのセル（セルスタックＳｔ）で水電解運転を継続できる。したがって電解運転が行われないセルの発生による酸素側の水素濃度上昇を防止することができる。また格別専用の定電圧電源も不要である。
【００３８】
また４つのセルスタックに電力供給すると、そのときにおける最大の電力を水電解運転に利用できる日射量のとき、電源ＡからはセルスタックＳｔ１〜Ｓｔ４に電力を供給し、電源ＢからはセルスタックＳｔ３〜Ｓｔ６に電力供給すれば、全てのセルスタックＳｔ１〜Ｓｔ６に電力が供給される。この場合、セルスタックＳｔ１、Ｓｔ２、Ｓｔ５、Ｓｔ６にはセルスタックＳｔ３、４に流れる電流の半分の電流が流れることになる。
【００３９】
このように、図１に示した水素製造装置１のように、電源系統分割方式を応用すれば、太陽光発電の電力で直接電気分解をする場合、電流−電圧特性の全く異なる太陽電池を同一のスタックの電力供給源として利用することもできる。その場合も定電圧電源は不要である。
【００４０】
前記した実施の形態では、電源系統を２系統に分けた例であるが、この系統分けは、セルスタックの数に応じて系統分けすることも可能である。
【００４１】
すなわち、前記実施の形態では、いわば、電源ＡをセルスタックＳｔ１の外部回路に、電源ＢをセルスタックＳｔ６の外部回路に設けたものであり、この場合、たとえば、日射量がさらに低下し電力供給するセルスタック数を減じようとして、電源Ａの系統ではセルスタックＳｔ１とセルスタックＳｔ２だけで運転し、電源Ｂの系統ではセルスタックＳｔ５とセルスタックＳｔ６だけで運転すると、セルスタックＳｔ３およびＳｔ４が停止してしまう。これを避けるためは、図２に示したようにセルスタックＳｔ３の外部回路にも電源を設け、専用の電源Ｃを追加すればよい。
【００４２】
すなわち、前記セルスタックブロック１０に対して、独立して並列に電力を供給可能な第３の直流電源である電源Ｃを用意し、その陰極側を、セルスタックブロック１０の中央部に位置するセルスタックＳｔ３の陰極側端子部１１及び陰極側端子部１１寄りの各電極部１２、１３にリレーｃ１〜ｃ３を介して並列に接続し、その陽極側は、セルスタックブロック１０の中央部のセルスタックＳｔ３の陽極側端子部１７、及び陽極側端子部１７寄りの電極部１４、１５、１６にリレーｃ４〜ｃ７を介して並列に接続されている。これにより、たとえば、リレーｃ３、ｃ５をＯＮすることにより、電源Ｃ系統によってセルスタックＳｔ３とセルスタックＳｔ４に電力を供給して運転できる。従って、図１に示した２系統に分けた時のように、停止するセルスタックを無くすことができる。
【００４３】
また、図２に示す構成において、以下のように制御することもできる。すなわち、日射量が所定以上に大きいときは、リレーａ６、リレーｂ１、リレーｃ１、ｃ７がＯＮにされ、電源Ａ、Ｂ、Ｃの何れの系統とも全てのセルスタックＳｔ１〜Ｓｔ６に対して、電力が供給される。そして日射量が低下するに従い、電源Ａ、Ｂ、Ｃの何れの系統とも電力供給するセルスタック数を、同一数減らしていき、たとえば日射量に応じて以下のようにリレー制御することができる。
日射量：電源Ａ、Ｂ、Ｃ各系統のリレー
１０００Ｗ／ｍ２：リレーａ６、ｂ１、ｃ１、ｃ７  ＯＮ
９００Ｗ／ｍ２：リレーａ５、ｂ２、ｃ１、ｃ６（またはｃ２、ｃ７）  ＯＮ
８００Ｗ／ｍ２：リレーａ４、ｂ３、ｃ２、ｃ６  ＯＮ
７００Ｗ／ｍ２：リレーａ３、ｂ４、ｃ２、ｃ５（またはｃ３、ｃ６）  ＯＮ
６００Ｗ／ｍ２：リレーａ２、ｂ５、ｃ３、ｃ５  ＯＮ
（何れも他のリレーはＯＦＦ）
これにより、図１に示した２系統に分けた時と比較して、電力供給源の電力がより低下した場合にも、停止させるセルスタックを発生させずに、そのときの日射量において供給できる最大の電力での電気分解を行うことができる。
【００４４】
なお前記した例では、電源Ａ、Ｂ、Ｃを同一ソース（たとえば太陽光発電、風力発電）に由来する別電源として説明したが、電源Ａ、Ｂ、Ｃを同一ソースに由来する単一の電源として構成してもよい。
【００４５】
前記した実施の形態では、水電解セルを用いた例であったが、同形の固体高分子形の水電解装置と燃料電池を一体型した可逆セルを用いて高圧の水素を製造する際にも適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明は、水電解セルや可逆セルを用いて高圧水素を製造する際に有用である。
【符号の説明】
【００４７】
１  水素製造装置
１０  セルスタックブロック
１１  陰極側端子部
１２〜１６  電極部
１７  陽極側端子部
Ｓｔ１〜Ｓｔ６  セルスタック
Ａ、Ｂ、Ｃ  電源
ａ１〜ａ６、ｂ１〜ｂ６、ｃ１〜ｃ７  リレー
【図１】
2015151561.tif 000003
【図２】
2015151561.tif 000004