(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水電解セルが積層される水電解スタックと、少なくとも太陽電池を有して前記水電解スタックに電力を供給する電源装置とを備える水電解システムの運転方法であって、
前記太陽電池からの供給電力量を検出する工程と、
前記検出された供給電力量が、純水製造部、ポンプ及び制御回路を少なくとも含む水電解用補機の運転に必要な電力量を満たすか否かを判断する工程と、
前記供給電力量が前記水電解用補機の運転に必要な電力量を満たさないと判断された際、前記太陽電池からの供給電力を、前記水電解スタックを加温するためのヒータに供給する工程と、
前記検出された供給電力量が、前記水電解用補機の運転に必要な電力量を満たすと判断された際、前記水電解スタックの温度から電解効率を推定する工程と、
前記電解効率に基づいて、電解開始可能か否かを判断する工程とを有し、
電解開始可能でないと判断された場合には、前記水電解スタックを前記ヒータにより加温し、
電解開始可能であると判断された場合には、電解を開始する、
ことを特徴とする水電解システムの運転方法。
【請求項２】
請求項１記載の運転方法において、前記検出された供給電力量が、前記ヒータの稼働に必要な電力量を満たすか否かを判断する工程と、
前記ヒータの稼働に必要な電力量を満たさないと判断された際、前記太陽電池からの供給電力を、前記制御回路の駆動用電源として供給する工程と、
を有することを特徴とする水電解システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水電解セルが積層される水電解スタックと、少なくとも太陽電池を有して前記水電解スタックに電力を供給する電源装置とを備える水電解システムの運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、水素を燃料として電力又は動力を供給するシステム、例えば、燃料電池システムが提案されている。燃料である水素を製造する水電解装置は、水を分解して水素（及び酸素）を発生させるため、一般的に固体高分子電解膜を用いている。
【０００３】
固体高分子電解質膜の両面には、電極触媒層が設けられて電解質膜・電極構造体が構成されるとともに、前記電解質膜・電極構造体の両側には、給電体が配設されてユニット（水電解セル）が形成されている。すなわち、ユニットは、実質的には、上記の燃料電池と同様に構成されている。
【０００４】
そこで、複数のユニットが積層された状態で、積層方向両端に電圧が付与されるとともに、アノード側給電体に純水が供給される。このため、電解質膜・電極構造体のアノード側では、水が分解されて水素イオン（プロトン）が生成され、この水素イオンが固体高分子電解質膜を透過してカソード側に移動し、電子と結合して水素が製造される。一方、アノード側では、水素と共に生成された酸素が、余剰の水を伴ってユニットから排出される。
【０００５】
上記の水電解装置では、例えば、太陽電池や風力発電機等の電圧変動電源を電力源として用い、この電圧変動電源の出力を高効率で水電解システムの運転に利用する技術が提案されている。例えば、特許文献１に開示されている水電解蓄電池は、図６に示すように、太陽電池パネル１からなる太陽光発電装置を備え、この太陽電池パネル１で発生した電力は、電力線２を介して水電解層３に直接供給されている。
【０００６】
燃料電池４で生成された温水は、配管５を介して水電解層３を包むウォータジャケット６に供給されるとともに、貯留タンク７に貯留されている。水電解層３の電解により発生する水素は、水素貯蔵タンク８に送られる一方、酸素は、大気中に放出されている。
【０００７】
この特許文献１では、燃料電池４から得られる温水を介して水電解層３の温度を高く保持することができ、水電解を効率よく行うことが可能となる、としている。
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−５４１７３号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、上記の特許文献１では、太陽電池パネル１の発電量が日射量等によって変動している。そして、太陽電池パネル１の発電量が、水電解層３を運転するための補機運転用に必要な電力量に満たない場合、前記太陽電池パネル１からの発電電力は使用されることがなく、無駄に消費されている。これにより、効率的な水電解処理が有効に遂行されないという問題がある。
【００１０】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、太陽電池の発電電力を有効に活用することができ、効率的な水電解処理を確実に行うことが可能な水電解システムの運転方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、水電解セルが積層される水電解スタックと、少なくとも太陽電池を有して前記水電解スタックに電力を供給する電源装置とを備える水電解システムの運転方法である。
【００１２】
先ず、太陽電池からの供給電力量が検出され、この検出された供給電力量が、水電解用補機の運転に必要な電力量を満たすか否かが判断される。そこで、太陽電池からの供給電力量が、水電解用補機の運転に必要な電力量を満たさないと判断されると、前記太陽電池からの供給電力は、水電解スタックを加温するためのヒータに供給されている。
【００１３】
また、太陽電池からの供給電力量が、水電解用補機の運転に必要な電力量を満たすと判断された際、水電解スタックの温度から電解効率が推定される。そして、推定された電解効率に基づいて、水電解スタックをヒータにより加温する、又は電解を開始する、のいずれかが選択されることが好ましい。
【００１４】
さらに、検出された供給電力量が、ヒータの稼働に必要な電力量を満たさないと判断された際、太陽電池からの供給電力が、制御回路の駆動用電源として供給されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、太陽電池からの供給電力量が、水電解用補機の運転に必要な電力量を満たさない場合、すなわち、電解開始電力量を満たさない場合、前記太陽電池からの供給電力が、水電解スタックを加温するためのヒータに供給される。このため、水電解スタックの温度が上昇し、電解が開始される際には、水素製造効率が良好に向上する。しかし、太陽電池からの供給電力が無駄に消費されることがなく、経済的である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る運転方法が適用される水電解システム１０の概略構成説明図である。
【００１７】
水電解システム１０は、純水供給装置１２を介して水道水（市水）から取り出された純水が供給され、この純水を電気分解することによって水素を製造する水電解装置１４と、少なくとも太陽電池１６を有して前記水電解装置１４に電力を供給する電源装置１８とを備える。
【００１８】
純水供給装置１２は、水道水から純水を取り出す純水製造部２０を備え、この純水製造部２０の下流には、製造された純水と、水電解装置１４から水素ライン２１を介して導出される水素及び水蒸気との熱交換を行う熱交換器２２が配設される。この熱交換器２２には、前記熱交換器２２により熱交換を行った水素から液化した水分を分離する水素気液分離器２４が接続される。
【００１９】
熱交換器２２により温度が上昇した純水は、酸素気液分離器２６に送られるとともに、この酸素気液分離器２６には、水電解装置１４から酸素を含む純水が導出される純水ライン２８が接続される。酸素気液分離器２６には、水素気液分離器２４で水素から分離された水分を前記酸素気液分離器２６に戻すための純水戻しライン３０が接続される。
【００２０】
酸素気液分離器２６と水電解装置１４の純水供給口（図示せず）とには、純水供給ライン３２が接続される。この純水供給ライン３２には、酸素気液分離器２６に滞留する純水を水電解装置１４に供給するためのポンプ３４と、前記水電解装置１４に供給される純水の電気伝導度を下げるためのイオン交換器３６とが配設される。
【００２１】
水電解装置１４は、所定数の水電解セルが積層される水電解スタック３８を備える。水電解スタック３８には、この水電解スタック３８を加温するためのヒータ４０が装着される。ヒータ４０としては、水電解スタック３８全体を外部から加温するため、例えば、絶縁されたマット状ヒータやリボン状ヒータ等が使用される。
【００２２】
水電解スタック３８には、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２が電気的に接続されるとともに、ヒータ４０には、スイッチング機構、例えば、コンタクタ４３が電気的に接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ４２及びコンタクタ４３は、制御回路４４に接続される。
【００２３】
電源装置１８は、水電解装置１４に電力を供給するための１つの手段として太陽電池１６を備えるとともに、別の手段として商用電源４６を備える。商用電源４６は、ＡＣ／ＤＣコンバータ４８を介して電源切替器５０に接続される一方、太陽電池１６は、前記電源切替器５０に接続される。電源切替器５０は、水電解装置１４に電力を供給する電力源として、太陽電池１６と商用電源４６とを切り替え操作する。太陽電池１６からの発電電力量を推定するために日射量計５２が設けられ、この日射量計５２は、制御回路４４に接続される。なお、実際の発熱量は、太陽電池１６からの電力供給ラインに取り付けられた電圧及び電流センサ（図示せず）で測定し、制御回路４４に接続される。
【００２４】
電源装置１８には、水電解システム１０の補機５４に電力を供給するための補機電源部５６が設けられる。補機電源部５６は、電源切替器（ＤＣ／ＤＣコンバータ）５０に接続されるとともに、制御回路４４に接続される。なお、補機５４には、具体的には、純水製造部２０、ポンプ３４、制御回路４４、コンタクタ４３及び図示しない全てのセンサやアクチュエータが含まれる。
【００２５】
水電解スタック３８には、内部温度を検出するための温度センサ６０が取り付けられており、この温度センサ６０の検出信号が制御回路４４によって監視されるとともに、この制御回路４４は、水電解システム１０の運転動作を決定して制御を行う機能を有する。
【００２６】
このように構成される水電解システム１０の動作について、第１の実施形態に係る運転方法との関連で、図２に示すフローチャートに沿って以下に説明する。
【００２７】
水電解システム１０の運転が開始されると、制御回路４４は、先ず、日射量計５２から得られる日射量に基づいて、太陽電池１６の発電電力を推定する（ステップＳ１）。そして、ステップＳ２に進んで、この推定された発電電力が、ヒータ稼働電力Ｗ１（図３参照）以上の電力であるか否かが判断される。
【００２８】
その際、推定発電電力が、ヒータ稼働電力Ｗ１に満たないと判断されると、すなわち、図３中、領域Ａ内であると判断されると、ステップＳ１に戻るとともに、太陽電池１６の発電電力が制御回路４４の駆動用電源として供給される。一方、推定発電電力が、ヒータ稼働電力Ｗ１以上であると判断されると（ステップＳ２中、ＹＥＳ）、ステップＳ３に進んで、前記推定発電電力が補機運転電力（水電解可能電力）Ｗ２以上の電力であるか否かが判断される。
【００２９】
ここで、推定発電電力が補機運転電力Ｗ２に満たないと判断されると（ステップＳ３中、ＮＯ）、すなわち、図３中、領域Ｂ内であると判断されると、ステップＳ４に進んで、コンタクタ４３が閉じられてヒータ４０がオンされる。従って、太陽電池１６の発電電力は、ヒータ４０に供給されてこのヒータ４０が駆動（加熱）され、水電解スタック３８の加温が行われる。このため、水電解スタック３８の温度が上昇し、前記水電解スタック３８の水電解効率が上昇する。
【００３０】
次いで、太陽電池１６の発電電力が、補機運転電力Ｗ２以上であると判断されると（ステップＳ３中、ＹＥＳ）、ステップＳ５に進んで、電解条件の算出が行われる。具体的には、温度センサ６０により水電解スタック３８の温度が検出され、この検出温度から前記水電解スタック３８の水電解効率が算出される。また、その他の電解条件として、例えば、推測される水素発生量や特損等が算出され、これらの条件に基づいて、電解開始可能であるか否かが判断される（ステップＳ６）。
【００３１】
水電解スタック３８が所定の水電解効率Ｔ（図３参照）に至り、その他の条件も満たすことが判断されると、電解開始可能であるとして（ステップＳ６中、ＹＥＳ）、ステップＳ７に進む。ステップＳ７では、ヒータ４０がオフであるか否かが判断され、このヒータ４０がオンされていれば（ステップＳ７中、ＮＯ）、ステップＳ８に進んでコンタクタ４３が開放され、前記ヒータ４０がオフされる。
【００３２】
ヒータ４０がＯＦＦされた後、又はステップＳ７でヒータ４０がオフであると判断されると（ステップＳ７中、ＹＥＳ）、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２が駆動制御され、水電解スタック３８による水電解処理が開始される（ステップＳ９）。
【００３３】
一方、ステップＳ６において、太陽電池１６の発電電力が補機運転電力Ｗ２以上であるが、電解開始可能条件を満たしていないと判断されると、すなわち、図３中、領域Ｃ以内であると判断されると、ステップＳ４に戻ってヒータ４０がオンされる。このため、水電解スタック３８は、所望の水電解効率Ｔに至るまで温度上昇が行われた後、ヒータ４０がオフされて水電解スタック３８による水電解処理が開始される。
【００３４】
この場合、第１の実施形態では、太陽電池１６の発電電力が補機運転電力Ｗ２に満たないと判断されると、この発電電力は、ヒータ４０の駆動用電源として供給されて、このヒータ４０が装着されている水電解スタック３８の温度が上昇する。これにより、水電解スタック３８の水電解効率は、温度上昇に伴って向上し、水素製造効率が良好に向上するという利点が得られる。しかも、太陽電池１６からの供給電力が無駄に消費されることがなく、経済的であるという効果がある。
【００３５】
さらにまた、第１の実施形態では、水電解スタック３８に設けられた温度センサ６０により、この水電解スタック３８の温度が、常時、検出されている。従って、水電解スタック３８の温度が必要以上に上昇することを防止することができ、前記水電解スタック３８の異常加熱を阻止することが可能になる。
【００３６】
また、第１の実施形態では、太陽電池１６の発電電力が補機運転電力Ｗ２以上である際にも、水電解スタック３８の温度からヒータ４０による加熱を行う方が効率がよいと判断されると、水電解を開始することがなく、前記ヒータ４０による前記水電解スタック３８の加温処理が行われている。これにより、水電解スタック３８による電解処理が開始される際には、水素製造効率が有効に向上し、水素製造量を良好に増やすことができるという効果がある。
【００３７】
なお、第１の実施形態では、水電解スタック３８全体を外部から温めるヒータ４０を用いているが、これに限定されるものではない。例えば、純水ライン２８及び純水供給ライン３２を含む電解水循環ラインの配管に、ヒータ（図示せず）を巻き付けて構成したり、電解水が貯留される酸素気液分離器２６内にヒータ（図示せず）を浸漬したりしてもよい。
【００３８】
図４は、本発明の第２の実施形態に係る運転方法を実施するための水電解システム７０の要部説明図である。なお、第１の実施形態に係る水電解システム１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明を省略する。また、以下に説明する第３の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
【００３９】
水電解システム７０を構成する水電解装置７２は、水電解スタック３８にヒータ４０が装着されるとともに、このヒータ４０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ７４に電気的に接続される。
【００４０】
このため、第２の実施形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ７４は、太陽電池１６の発電電力に合わせてヒータ４０への供給電力を調整することができ、水電解スタック３８の昇温処理が一層良好に遂行されるという効果がある。しかも、ＤＣ／ＤＣコンバータ７４を介して太陽電池１６の最大出力を取り出すＰＰＴ（Ｐｅａｋ  Ｐｏｗｅｒ  Ｔｒａｃｋｉｎｇ）制御が行われる。ＰＰＴ制御が行われると、太陽電池１６の正確な発電量が分かるため、以降の運転切り替え判断は、日射量計５２の推定電力ではなく、電圧及び電流センサ（図示せず）による電力量を使用して高精度の制御が可能になる。
【００４１】
図５は、本発明の第３の実施形態に係る運転方法を実施するための水電解システム８０の要部構成説明図である。
【００４２】
水電解システム８０を構成する水電解装置８２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８４を備えており、このＤＣ／ＤＣコンバータ８４は、コンタクタ８６を介して水電解スタック３８とヒータ４０とに接続先が切り替え可能である。
【００４３】
従って、第３の実施形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ８４がヒータ４０への電力供給と、水電解スタック３８への電力供給とを制御する機能を兼用することができる。そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ８４は、太陽電池１６の発電量に応じた電力調整と、ＰＰＴ制御とを行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る水電解システムの概略構成説明図である。
【図２】前記水電解システムの運転方法を説明するフローチャートである。
【図３】太陽電池の発電電圧による制御の説明図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る水電解システムの要部説明図である。
【図５】本発明の第３の実施形態に係る水電解システムの要部説明図である。
【図６】特許文献１の水電解蓄電池の説明図である。
【符号の説明】
【００４５】
１０、７０、８０…水電解システム    １２…純水供給装置
１４、７２、８２…水電解装置        １６…太陽電池
１８…電源装置                      ２０…純水製造部
２２…熱交換器                      ２４…水素気液分離器
２６…酸素気液分離器                ３４…ポンプ
３６…イオン交換器                  ３８…水電解スタック
４０…ヒータ
４２、７４、８４…ＤＣ／ＤＣコンバータ
４３、８６…コンタクタ              ４４…制御回路
４６…商用電源                      ５０…電源切替器
５２…日射量計                      ５４…補機
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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