JP6363425B2 - 水素製造システム及び水素製造方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、高温水蒸気電解を用いて水素を生成する水素製造技術に関する。

水素をエネルギー媒体とした水素エネルギー社会の実現が注目されている。水素を製造する技術の一つとして、高温水蒸気電解法が広く知られている。この高温水蒸気電解法は、高温（通常、５００℃以上）の水蒸気を電気分解することにより水素及び酸素を生成する方法である。

この方法は、高温環境下で水蒸気の電気分解を行うことにより、水の電気分解に比べて電気分解に必要な電気量を低減することができるというメリットを有している。この性質により、室温での水の電気分解よりも３０％程度少ない電力で同じ水素製造量が得られるため、高いエネルギー効率で水素製造を行うことができる。
さらに、原料が水であるため、二酸化炭素を生じない再生可能エネルギーによる電力と二酸化炭素を生じない熱源を用いれば、全く二酸化炭素を排出せずに水素製造が可能となる。

この高温水蒸気電解では、固体酸化物電解質の両側に水素極と酸素極とを設けて電解セルを構成する。そして高温水蒸気を水素側に導入して、両極に電解電圧を印加することにより、水蒸気から水素及び酸素が分解・生成される。

従来から、高温水蒸気電解を健全かつ効率的に水素製造を行う様々な水素製造装置が検討されており、高温水蒸気電解に必要なエネルギーを低減しつつ、効率的に水素を生成する技術が開示されている。

特開２００２−３４８６９４号公報 特開２００５−２８１７１６号公報 特開２０１３−４９６００号公報

ところで、前述の高温水蒸気電解において、水蒸気から電解反応により水素・酸素が生成される過程での吸熱反応と電解セル自体の電気抵抗による発熱とがほぼ等しくなる熱中立点で電解反応を行うことで、外部からのエネルギー投入を最小限にすることができ、高効率の水素製造を可能となる。

しかし、電解反応のための電力源として再生可能エネルギーを利用する場合、再生可能エネルギーによる電力が時間変動するものであるため、電解セルへの印加電圧を熱中立点近傍に維持することが困難であるという課題があった。

また、時間変動する電力源を用いた場合、電解反応に使用される水蒸気量の変動により、電解セルにおいて水蒸気が不足した状態（水蒸気枯れ）あるいは水蒸気が過多状態になることがあり、水蒸気量に応じた効率的な水素製造運転が困難であるという課題があった。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、時間変動する電力源を用いた場合であっても、高効率な水素製造運転を実現する水素製造技術を提供することを目的とする。

本発明の実施形態に係る水素製造システムにおいて、再生可能電源からの電力エネルギーを入力して蓄電するキャパシタと、前記キャパシタで蓄電された電力を用いて、設定された振幅及び繰り返し周期となるパルス電圧を生成するパルス電圧発生部と、生成された前記パルス電圧を印加して、流入させた水蒸気を用いて高温水蒸気電解により水素を生成する電解セルと、前記キャパシタの電圧値を計測する電圧計測部と、計測された前記電圧値の変動に応じて前記パルス電圧の前記繰り返し周期を変更するパルス周期調整部と、を備えて、パルス周期調整部は、前記パルス電圧の振幅を一定に維持して、計測された前記電圧値が増加した場合には、前記パルス電圧の前記繰り返し周期を短い周期に設定する一方、計測された電圧値が減少した場合には、前記パルス電圧の前記繰り返し周期を長い周期に設定変更することを特徴とする。

本発明の実施形態に係る水素製造方法において、再生可能電源からの電力エネルギーを入力してキャパシタにより蓄電するステップと、蓄電された電力を用いて、設定された振幅及び繰り返し周期となるパルス電圧を生成するステップと、生成された前記パルス電圧を印加して、流入させた水蒸気を用いて高温水蒸気電解により水素を生成するステップと、前記キャパシタの電圧値を計測するステップと、計測された前記電圧値の変動に応じて前記パルス電圧の前記繰り返し周期を変更するステップと、前記パルス電圧の振幅を一定に維持して、計測された前記電圧値が増加した場合には、前記パルス電圧の前記繰り返し周期を短い周期に設定する一方、計測された電圧値が減少した場合には、前記パルス電圧の前記繰り返し周期を長い周期に設定変更するステップと、を含むことを特徴とする。

本発明の実施形態により、時間変動する電力源を用いた場合であっても、高効率な水素製造運転を実現する水素製造技術が提供される。

第１実施形態に係る水素製造システムの構成図。 （Ａ）再生可能電源から供給される電力が適正の場合に印加されるパルス電圧を示すグラフ、（Ｂ）供給される電力が増加した場合に印加されるパルス電圧を示すグラフ、（Ｃ）供給される電力が減少した場合に印加されるパルス電圧を示すグラフ。 第１実施形態に係る水素製造システムの制御動作を示すフローチャート。 第２実施形態に係る水素製造システムの構成図。 （Ａ）水蒸気量が適量の場合に印加されるパルス電圧を示すグラフ、（Ｂ）水蒸気量が過多の場合に印加されるパルス電圧を示すグラフ、（Ｃ）水蒸気枯れの場合に印加されるパルス電圧を示すグラフ。 第２実施形態に係る水素製造システムの制御動作を示すフローチャート。 第３実施形態に係る水素製造システムの構成図。 第３実施形態に係る水素製造システムの制御動作を示すフローチャート。

（第１実施形態）
以下、本実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に示すように、第１実施形態に係る水素製造システム１０は、再生可能電源１１からの電力エネルギーを入力して蓄電するキャパシタ１２と、キャパシタ１２で蓄電された電力を用いて、設定された振幅及び繰り返し周期となるパルス電圧を生成するパルス電圧発生部１３と、生成されたパルス電圧を印加して、流入させた水蒸気を用いて高温水蒸気電解により水素を生成する電解セル１４と、を備える。

さらに、水素製造システム１０は、キャパシタ１２の電圧値を計測する電圧計測部１５と、計測された電圧値の変動に応じてパルス電圧の繰り返し周期を変更するパルス周期調整部１６と、を備える。

再生可能電源１１は、風力、水力、太陽光等の再生可能エネルギーを利用した電力源を示す。再生可能電源１１から出力される電力エネルギーは、時間の経過とともに変動する性質を有する。

キャパシタ１２は、再生可能電源１１から出力される電力エネルギーを入力して蓄電するものである。電力エネルギーの蓄電にキャパシタ１２を用いることで、鉛蓄電池等の化学電池を使用して蓄電する場合と比較して、繰り返し使用（充放電）に対する劣化が少なく、負荷追従が早いというメリットを有する。また、電圧計測部１５にて瞬時に電圧値を計測することが可能となる。

パルス電圧発生部１３は、キャパシタ１２で蓄電された電力を入力して、設定された振幅、繰り返し周期及びパルス幅となるパルス電圧を生成する。なお、パルス電圧発生部１３では、電解反応時に熱中立点を維持することが可能となる電圧を振幅として予め設定している。そして、この振幅と電解セル１４を適正に運転するために必要な電力との関係から、繰り返し周期及びパルス幅が設定されている。

電解セル１４は、固体酸化物電解質（図示省略）を中心に配置して、その両側に水素極と酸素極とが形成されたものである。
電解セル１４は、パルス電圧発生部１３で生成されたパルス電圧を印加して、流入させた水蒸気を用いて高温水蒸気電解により水素と酸素を生成する。

電圧計測部１５は、電解セル１４での電解反応時に、キャパシタ１２に蓄電された電圧を計測する。これにより、再生可能電源１１から供給される電力の変動が監視される。

パルス周期調整部１６は、計測された電圧値の変動に応じてパルス電圧の繰り返し周期を変更する。

具体的には、計測された電圧値が増加した場合、すなわち再生可能電源１１から供給される電力が増加した場合、パルス電圧の振幅を一定に維持して、パルス電圧発生部１３で設定されているパルス電圧の繰り返し周期を短い周期に設定変更する。これにより、電解セル１４で消費される平均電力を増加させつつ、電解セル１４における電解反応が熱中立点に維持される。

一方、計測された電圧値が減少した場合、すなわち再生可能電源１１から供給される電力が減少した場合、パルス電圧の振幅を一定に維持して、パルス電圧発生部１３で設定されているパルス電圧の繰り返し周期を長い周期に設定変更する。これにより、平均電力を減少させつつ、電解セル１４における電解反応が熱中立点に維持される。

図２（Ａ）〜（Ｃ）は、再生可能電源１１から供給される電力の変動に応じたパルス電圧の変化を説明するグラフである。図中実線は電解セル１４に印可されるパルス電圧を示しており、破線は電解セル１４で消費される平均電力を示している。

図２（Ａ）は、再生可能電源１１から供給される電力が適正の場合におけるパルス電圧を示すグラフである。パルス電圧の振幅として、電解反応時に熱中立点を維持することが可能となる電圧Ｖ_ｓが設定されている。この電圧Ｖ_ｓと電解セル１４を適正に運転するために必要な電力との関係から、繰り返し周期Ｔ_ｓ及びパルス幅Ｔ_ｗが設定されている。

図２（Ｂ）は、再生可能電源１１から供給される電力が増加した場合におけるパルス電圧を示すグラフである。パルス電圧の振幅を電圧Ｖ_ｓで一定に維持して、パルス電圧の繰り返し周期をＴ_ｓ１に設定変更する。これに伴い、電解セル１４で消費される平均電力は増加する。

図２（Ｃ）は、再生可能電源１１から供給される電力が減少した場合におけるパルス電圧を示すグラフである。パルス電圧の振幅を電圧Ｖ_ｓで一定に維持して、パルス電圧の繰り返し周期をＴ_ｓ２に設定変更する。これに伴い、電解セル１４で消費される平均電力は減少する。

図３は、第１実施形態に係る水素製造システム１０の制御動作を示すフローチャートを示している（適宜、図１参照）。

パルス電圧発生部１３は、設定された振幅、繰り返し周期及びパルス幅となるパルス電圧を生成する（Ｓ１０）。
電解セル１４は、生成されたパルス電圧を電解セル１４に印可して、流入させた水蒸気を用いて高温水蒸気電解により水素を生成する（Ｓ１１、Ｓ１２）。

電圧計測部１５は、電解セル１４での電解反応時に、キャパシタ１２の電圧値を計測する（Ｓ１３）。
パルス周期調整部１６は、計測された電圧値に応じてパルス電圧の繰り返し周期を変更する（Ｓ１４）。

設定されている電解時間が経過するまで、パルス電圧の繰り返し周期を調整して電解反応を実施する（Ｓ１５：ＮＯ、Ｓ１０〜Ｓ１４）。そして、電解時間が経過した場合に、パルス電圧の生成を停止して電解反応を終了する（Ｓ１５：ＹＥＳ）。

このように、パルス電圧を電解セル１４に印加して電解反応を行い、再生可能電源１１から供給される電力の変動に応じてパルス電圧の繰り返し周期を変更する。これにより、供給される電力が時間変動する場合であっても、電解セル１４において熱中立点を維持するために必要な印加電圧を保持することができるため、高効率な水素製造運転を実施することができる。

（第２実施形態）
図４は、第２実施形態に係る水素製造システム１０を示している。なお、第１実施形態と対応する構成については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

電流計測部１７は、電解セル１４に接続されて、電解セル１４を流れる電流値を計測するものである。
パルス振幅調整部１８は、計測された電流値の変動に応じて、電解セル１４における水蒸気の流量に対応した印加電圧になるように、パルス電圧の振幅を変更する。

具体的には、計測された電流値が電解セル１４を適正に運転するために必要な電流値より高い場合、電解セル１４における水蒸気の流量が過多状態であるとして、パルス電圧の振幅を高い電圧値に設定変更する。これにより、水蒸気量の過多状態に対応して電解反応を促進させる。

一方、計測された電流値が適正値より低い場合、電解セル１４における水蒸気の流量が水蒸気枯れ状態であるとして、パルス電圧の振幅を低い電圧値に設定変更する。これにより、水蒸気枯れ状態に対応して電解反応を抑制される。

図５（Ａ）〜（Ｃ）は、電解セル１４に流れる電流の変動に応じたパルス電圧の変化を説明するグラフである。図中実線は電解セル１４に印可されるパルス電圧を示しており、破線は電解セル１４における電流を示している。

図５（Ａ）は、電流値が適正の場合、すなわち電解セル１４における水蒸気量が適量の場合におけるパルス電圧を示すグラフである。パルス電圧の振幅として、電解反応時に熱中立点を維持することが可能となる電圧Ｖ_ｓが設定されている。この印加電圧に対応する電流ｉが電解セル１４で計測されている。

図５（Ｂ）は、電流値がｉ＋Δｉに増加した場合、すなわち電解セル１４における水蒸気の流量が過多状態におけるパルス電圧を示すグラフである。この場合、パルス電圧の振幅をＶ_ｓ＋ΔＶに増加させて、電解反応を促進させる。

図５（Ｃ）は、電流値がｉ−Δｉに減少した場合、すなわち電解セル１４における水蒸気の流量が水蒸気枯れ状態におけるパルス電圧を示すグラフである。この場合、パルス電圧の振幅をＶ_ｓ−ΔＶに減少させて、電解反応を抑制させる。

図６は、第２実施形態に係る水素製造システム１０の制御動作を示すフローチャートを示している。

パルス電圧発生部１３は、設定された振幅、繰り返し周期及びパルス幅となるパルス電圧を生成する（Ｓ２０）。
電解セル１４は、生成されたパルス電圧を電解セル１４に印可して、流入させた水蒸気を用いて高温水蒸気電解により水素を生成する（Ｓ２１、Ｓ２２）。

そして、電流計測部１７は、電解セル１４での電解反応時に、電解セル１４の電流値を計測する（Ｓ２３）。
パルス振幅調整部１８は、計測された電流値に応じてパルス電圧の振幅を変更する（Ｓ２４）。

設定されている電解時間が経過するまで、パルス電圧の振幅を調整して電解反応を実施する（Ｓ２５：ＮＯ、Ｓ２０〜Ｓ２４）。そして、電解時間が経過した場合に、パルス電圧の生成を停止して電解反応を終了する（Ｓ２５：ＹＥＳ）。

このように、パルス電圧を電解セル１４に印加して電解反応を行い、電解セル１４での電流の変動に応じてパルス電圧の振幅を変更する。これにより、供給される電力の変動により電解反応に使用される水蒸気量の変動した場合であっても、水蒸気量に応じた効率的な水素製造運転が可能となる。また、水蒸気枯れ状態での電解セル１４の駆動が抑制されるため、電解セル１４の保守性を向上させることができる。

（第３実施形態）
図７は、第３実施形態に係る水素製造システム１０を示している。なお、第１実施形態に係る構成（図１）及び第２実施形態に係る構成（図４）と対応する構成については同一の符号を付して、重複する動作については説明を省略する。

第３実施形態では、電解セル１４での電解反応時に、パルス周期調整部１６及びパルス振幅調整部１８を用いて、パルス電圧の繰り返し周期及び振幅を調整して水素製造運転を実施する。なお、パルス振幅調整部１８での振幅調整は、熱中立点が維持される範囲での調整を行うものとする。

図８は、第３実施形態に係る水素製造システム１０の制御動作を示すフローチャートである。

パルス電圧発生部１３は、設定された振幅、繰り返し周期及びパルス幅となるパルス電圧を生成する（Ｓ３０）。
電解セル１４は、生成されたパルス電圧を電解セル１４に印可して、流入させた水蒸気を用いて高温水蒸気電解により水素を生成する（Ｓ３１、Ｓ３２）。

電圧計測部１５は、電解セル１４での電解反応時に、キャパシタ１２の電圧値を計測する（Ｓ３３）。
パルス周期調整部１６は、計測された電圧値に応じてパルス電圧の繰り返し周期を変更する（Ｓ３４）。

そして、電流計測部１７は、電解セル１４の電流値を計測する（Ｓ３５）。
パルス振幅調整部１８は、計測された電流値に応じてパルス電圧の振幅を変更する（Ｓ３６）。

設定されている電解時間が経過するまで、パルス電圧の繰り返し周期及び振幅を調整して電解反応を実施する（Ｓ３７：ＮＯ、Ｓ３０〜Ｓ３６）。そして、電解時間が経過した場合に、パルス電圧の生成を停止して電解反応を終了する（Ｓ３７：ＹＥＳ）。

このように、パルス電圧を電解セル１４に印加して電解反応を行い、パルス電圧の繰り返し周期及びパルス電圧の振幅を調整することにより、電解セル１４において熱中立点が維持されるとともに、水蒸気量に応じたより効率的な水素製造運転が可能となる。

以上述べた各実施形態の水素製造システムによれば、高温水蒸気電解を行う電解セルにパルス電圧を印加して、パルス電圧の繰り返し周期及び振幅の少なくとも一方を調整することにより、時間変動する電力源を用いた場合であっても、高効率な水素製造運転を実現することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０ 水素製造システム
１１ 再生可能電源
１２ キャパシタ
１３ パルス電圧発生部
１４ 電解セル
１５ 電圧計測部
１６ パルス周期調整部
１７ 電流計測部
１８ パルス振幅調整部

Claims (6)

1. 再生可能電源からの電力エネルギーを入力して蓄電するキャパシタと、
   前記キャパシタで蓄電された電力を用いて、設定された振幅及び繰り返し周期となるパルス電圧を生成するパルス電圧発生部と、
   生成された前記パルス電圧を印加して、流入させた水蒸気を用いて高温水蒸気電解により水素を生成する電解セルと、
   前記キャパシタの電圧値を計測する電圧計測部と、
   計測された前記電圧値の変動に応じて前記パルス電圧の前記繰り返し周期を変更するパルス周期調整部と、を備えて、
   前記パルス周期調整部は、前記パルス電圧の振幅を一定に維持して、計測された前記電圧値が増加した場合には、前記パルス電圧の前記繰り返し周期を短い周期に設定する一方、計測された電圧値が減少した場合には、前記パルス電圧の前記繰り返し周期を長い周期に設定変更することを特徴とする水素製造システム。
2. 前記電解セルを流れる電流値を計測する電流計測部と、
   計測された前記電流値の変動に応じて前記パルス電圧の振幅を変更するパルス振幅調整部と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の水素製造システム。
3. 再生可能電源からの電力エネルギーを入力して蓄電するキャパシタと、
   前記キャパシタで蓄電された電力を用いて、設定された振幅及び繰り返し周期となるパルス電圧を生成するパルス電圧発生部と、
   生成された前記パルス電圧を印加して、流入させた水蒸気を用いて高温水蒸気電解により水素を生成する電解セルと、
   前記電解セルを流れる電流値を計測する電流計測部と、
   計測された前記電流値の変動に応じて前記パルス電圧の振幅を変更するパルス振幅調整部と、を備えて、
   前記パルス振幅調整部は、計測された前記電流値が前記電解セルを適正に運転するために必要な電流値より高い場合、パルス電圧の振幅を高い電圧値に設定変更する一方、計測された電流値が前記電解セルを適正に運転するために必要な電流値より低い場合、パルス電圧の振幅を低い電圧値に設定変更することを特徴とする水素製造システム。
4. 再生可能電源からの電力エネルギーを入力してキャパシタにより蓄電するステップと、
   蓄電された電力を用いて、設定された振幅及び繰り返し周期となるパルス電圧を生成するステップと、
   生成された前記パルス電圧を電解セルに印加して、流入させた水蒸気を用いて高温水蒸気電解により水素を生成するステップと、
   前記キャパシタの電圧値を計測するステップと、
   計測された前記電圧値の変動に応じて前記パルス電圧の前記繰り返し周期を変更するステップと、
   前記パルス電圧の振幅を一定に維持して、計測された前記電圧値が増加した場合には、前記パルス電圧の前記繰り返し周期を短い周期に設定する一方、計測された電圧値が減少した場合には、前記パルス電圧の前記繰り返し周期を長い周期に設定変更するステップと、を含むことを特徴とする水素製造方法。
5. 前記キャパシタの電圧値を計測するステップと、
   計測された前記電圧値の変動に応じて前記パルス電圧の前記繰り返し周期を変更するステップと、をさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の水素製造方法。
6. 再生可能電源からの電力エネルギーを入力してキャパシタにより蓄電するステップと、
   蓄電された電力を用いて、設定された振幅及び繰り返し周期となるパルス電圧を生成するステップと、
   生成された前記パルス電圧を電解セルに印加して、流入させた水蒸気を用いて高温水蒸気電解により水素を生成するステップと、
   前記電解セルを流れる電流値を計測するステップと、
   計測された前記電流値の変動に応じて前記パルス電圧の振幅を変更するステップと、
   計測された前記電流値が前記電解セルを適正に運転するために必要な電流値より高い場合、パルス電圧の振幅を高い電圧値に設定変更する一方、計測された電流値が前記電解セルを適正に運転するために必要な電流値より低い場合、パルス電圧の振幅を低い電圧値に設定変更するステップと、を含むことを特徴とする水素製造方法。

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