WO2025099844A1 - Electrolytic cell system and operation method therefor - Google Patents
Electrolytic cell system and operation method therefor Download PDFInfo
- Publication number
- WO2025099844A1 WO2025099844A1 PCT/JP2023/040178 JP2023040178W WO2025099844A1 WO 2025099844 A1 WO2025099844 A1 WO 2025099844A1 JP 2023040178 W JP2023040178 W JP 2023040178W WO 2025099844 A1 WO2025099844 A1 WO 2025099844A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- cell stacks
- cell
- steady
- power
- electrolysis
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
- C25B1/01—Products
- C25B1/02—Hydrogen or oxygen
- C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
- C25B1/042—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water by electrolysis of steam
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
- C25B1/01—Products
- C25B1/23—Carbon monoxide or syngas
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B15/00—Operating or servicing cells
- C25B15/02—Process control or regulation
- C25B15/021—Process control or regulation of heating or cooling
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
Definitions
- the present invention relates to an electrolysis cell system and its operating method.
- electrolysis devices have been known in which multiple cell stacks that electrolyze water to produce hydrogen are connected in series or parallel (see, for example, Patent Document 1). Each cell stack has multiple electrolysis cells.
- each electrolytic cell cannot be operated near the thermal neutral voltage, where heat absorption and heat generation are balanced, and the performance of each electrolytic cell cannot be fully demonstrated.
- the objective of the present invention is to provide an electrolysis cell system and an operating method thereof that allow the operation of some of the multiple cell stacks to be suspended.
- the electrolysis cell system comprises a plurality of cell stacks that generate a product gas containing hydrogen by electrolyzing a feed gas containing water, a control device that controls the operation of the plurality of cell stacks, and a power source that supplies power to the plurality of cell stacks.
- the plurality of cell stacks are electrically connected in parallel.
- the control device suspends the operation of one or more of the plurality of cell stacks for which the total steady-state power required for steady-state operation near the thermal neutral voltage is close to the reduction in the power supply from the power source.
- the electrolysis cell system according to the second aspect of the present invention relates to the above-mentioned first aspect, and the plurality of cell stacks include two or more cell stacks that require different steady-state power for steady-state operation near the thermal neutral voltage.
- the electrolysis cell system comprises a plurality of cell stacks that generate a product gas containing hydrogen by electrolyzing a feed gas containing water, a control device that controls the operation of the plurality of cell stacks, and a reactor that synthesizes a desired organic resource using the product gas generated in the plurality of cell stacks.
- the control device suspends the operation of one or more of the plurality of cell stacks, the sum of which is generated when the steady-state amount of product gas generated during steady-state operation near the thermal neutral voltage approximates the reduction in the amount of required product gas required in the reactor.
- the electrolysis cell system according to the fourth aspect of the present invention relates to the third aspect, and the plurality of cell stacks include two or more cell stacks that have different amounts of steady-state generated gas generated during steady-state operation near the thermal neutral voltage.
- the electrolysis cell system according to the fifth aspect of the present invention relates to any one of the first to fourth aspects, and each of the multiple cell stacks is composed of multiple solid oxide electrolysis cells.
- the electrolysis cell system according to the sixth aspect of the present invention relates to the fifth aspect described above, and each of the plurality of solid oxide electrolysis cells is a metal-supported electrolysis cell.
- the seventh aspect of the present invention relates to an electrolytic cell system according to the fifth or sixth aspect, in which each of the multiple solid oxide electrolytic cells is a co-electrolytic cell.
- the method of operating an electrolytic cell system according to the eighth aspect of the present invention is a method of operating an electrolytic cell system according to any one of the first to seventh aspects, and includes the steps of selecting one or more cell stacks from a plurality of solid oxide electrolytic cells, pausing the one or more cell stacks, and operating cell stacks other than the one or more cell stacks.
- the present invention provides an electrolysis cell system and an operating method thereof that allow the operation of some of the multiple cell stacks to be suspended.
- FIG. 1 is a block diagram illustrating an electrolysis cell system according to a first embodiment.
- FIG. 2 is a block diagram illustrating an electrolytic cell system according to a second embodiment.
- FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of an electrolysis cell system 1 according to a first embodiment.
- the electrolytic cell system 1 comprises an electrolytic device 10, a raw gas source 20, a power source 30, and a control device 40.
- the electrolysis device 10 includes a plurality of cell stacks 11 and a hot box 12 .
- Each cell stack 11 is composed of multiple electrolysis cells.
- each electrolysis cell is a solid oxide electrolysis cell (SOEC).
- a solid oxide electrolysis cell includes a hydrogen electrode, an oxygen electrode, and a solid electrolyte as essential components.
- the hydrogen electrode generates hydrogen and oxygen ions by electrolyzing water contained in the raw gas described below.
- the oxygen electrode generates oxygen from the oxygen ions generated at the hydrogen electrode.
- the solid electrolyte transfers the oxygen ions generated at the hydrogen electrode to the oxygen electrode.
- the hydrogen electrode can be composed of, for example, NiO-YSZ, NiO-GDC, etc.
- the oxygen electrode can be composed of, for example, LSCF, LSF, LNF, etc.
- the solid electrolyte can be composed of, for example, YSZ, GDC, ScSZ, SDC, etc.
- Solid oxide electrolysis cells are more susceptible to damage caused by differences in thermal expansion of the components than solid polymer electrolysis cells, but the temperature distribution in the cell stack can be eliminated by the pause control described below, and damage can be suppressed.
- Each electrolytic cell may be a free-standing electrolytic cell or a metal-supported electrolytic cell.
- a free-standing electrolytic cell either the hydrogen electrode, the solid electrolyte, or the oxygen electrode functions as the support.
- a metal-supported electrolytic cell a metal substrate bonded to the hydrogen electrode or the oxygen electrode functions as the support.
- each electrolytic cell is a metal-supported electrolytic cell.
- Metal-supported electrolytic cells are more resistant to temperature changes than free-standing electrolytic cells, so that even if operation is suspended by the suspension control described below and the temperature distribution changes, the electrolytic cells can be prevented from being damaged.
- each electrolytic cell is a co-electrolytic cell.
- hydrogen and carbon monoxide must be produced at a predetermined composition ratio at the hydrogen electrode.
- the pause control described below allows the co-electrolytic cell to continue steady-state operation near the thermal neutral voltage, so that the composition ratio of hydrogen and carbon monoxide produced at the hydrogen electrode can be maintained.
- the multiple cell stacks 11 are electrically connected in parallel.
- the multiple cell stacks 11 include first to fourth cell stacks 11a, 11b, 11c, and 11d (hereinafter abbreviated as "11a to 11d").
- Each of the first to fourth cell stacks 11a to 11d is set with its own steady-state power.
- the steady-state power is the power required for steady-state operation near the thermal neutral voltage. Near the thermal neutral voltage means a range of the thermal neutral voltage ⁇ 0.1 V.
- Steady-state operation means operation in a thermally independent state under conditions where the amount of supplied current is constant and the amount of supplied gas is constant.
- the multiple cell stacks 11 include two or more cell stacks with different steady-state powers.
- the steady-state power of the first cell stack 11a is 100 kW
- the steady-state power of the second cell stack 11b is 100 kW
- the steady-state power of the third cell stack 11c is 20 kW
- the steady-state power of the fourth cell stack 11d is 5 kW.
- the steady-state power of each cell stack 11 may vary depending on the operating conditions or the period of use.
- the number of cell stacks 11 can be set appropriately.
- First to fourth supply paths La, Lb, Lc, Ld (hereinafter abbreviated as "La to Ld") are connected to the first to fourth cell stacks 11a to 11d.
- the first to fourth supply paths La to Ld are flow paths for supplying raw material gas to the hydrogen electrodes of the first to fourth cell stacks 11a to 11d.
- First to fourth on-off valves 2a, 2b, 2c, 2d (hereinafter abbreviated as "2a to 2d”) are arranged in the first to fourth supply paths La to Ld.
- Each on-off valve 2a to 2d switches each supply path La to Ld between an open state or a closed state. The opening and closing of each on-off valve 2a to 2d is controlled by a control device 40.
- First to fourth exhaust channels Ma, Mb, Mc, Md are connected to the first to fourth cell stacks 11a to 11d.
- the first to fourth exhaust channels Ma to Md are flow paths for discharging the product gas generated at the hydrogen electrodes of the first to fourth cell stacks 11a to 11d.
- the first to fourth exhaust channels Ma to Md are connected to the exhaust channel M1.
- the first to fourth exhaust channels Ma to Md are provided with fifth to eighth opening/closing valves 2e, 2f, 2g, 2h (hereinafter abbreviated as “2e to 2h”).
- Each opening/closing valve 2e to 2h switches each exhaust channel Ma to Md between an open state or a closed state.
- the opening and closing of each opening/closing valve 2e to 2h is controlled by the control device 40.
- the hot box 12 is a housing having thermal insulation and heat storage properties.
- the hot box 12 houses multiple cell stacks 11. In this embodiment, all of the multiple cell stacks 11 are housed in one hot box 12, but a hot box 12 may be provided for each cell stack 11.
- the raw gas source 20 stores a raw gas.
- the raw gas contains at least water (water vapor).
- water is used as the raw gas.
- the electrolytic cells constituting each cell stack 11 are co-electrolytic cells, a mixed gas of water and carbon dioxide is used as the raw gas.
- the raw gas source 20 supplies raw gas to the supply path L1.
- the supply path L1 is connected to the first to fourth supply paths La to Ld.
- the raw gas supplied from the raw gas source 20 is supplied to each cell stack 11 sequentially via the supply path L1 and the first to fourth supply paths La to Ld.
- the power supply 30 supplies power to each cell stack 11.
- the power supplied from the power supply 30 to each cell stack 11 (hereinafter referred to as “supplied power”) is controlled by a control device 40.
- the power source 30 generates power using renewable energy (e.g., solar, wind, hydroelectric, geothermal, etc.).
- renewable energy e.g., solar, wind, hydroelectric, geothermal, etc.
- the rated output of the power source 30 is 225 kW or more.
- the actual power supply from the power source 30 varies depending on the conditions of use.
- Control device 40 executes the pause control, which includes a sorting step, a power control step, and a gas control step.
- the multiple cell stacks 11 are selected into cell stacks 11 to be operated (hereinafter referred to as "operation targets") and cell stacks 11 to be suspended (hereinafter referred to as “suspended targets”).
- operation targets cell stacks 11 to be operated
- sustained targets cell stacks 11 to be suspended
- the operation targets and suspended targets are selected according to the power supply from the power source 30.
- the power control process power is supplied to the operating objects, and the power supply to the suspended objects is cut off.
- the gas control process raw material gas is supplied to the operating objects, and the raw material gas supply to the suspended objects is cut off.
- the power control process and the gas control process can be performed simultaneously or with a time lag after the sorting process.
- the control device 40 has a memory unit 41, a sorting unit 42, a power control unit 43, and a gas control unit 44.
- the memory unit 41 prestores the steady-state power of each cell stack 11.
- the steady-state power of the first to fourth cell stacks 11a to 11d is 100 kW, 100 kW, 20 kW, and 5 kW, respectively.
- the selection unit 42 executes the selection process as follows.
- the selection unit 42 detects the power supply from the power source 30.
- the selection unit 42 selects the multiple cell stacks 11 into those to be operated and those to be suspended according to the detected power supply from the power source 30.
- the selection unit 42 selects the operating targets and the suspended targets at predetermined time intervals or whenever the power supply from the power source 30 fluctuates.
- steady-state power can be supplied to all of the first through fourth cell stacks 11a through 11d, so the selection unit 42 selects all of the first through fourth cell stacks 11a through 11d as targets for operation. In this case, the selection unit 42 does not select targets for suspension.
- the selection unit 42 selects one or more of the cell stacks 11 to be suspended among the operation targets according to the reduction in the supply power (25 kW), and selects the cell stacks 11 other than the one or more cell stacks 11 to be operated. Specifically, the selection unit 42 selects one or more cell stacks whose total steady-state power is close to the reduction in the supply power to be suspended, and selects the cell stacks other than the suspended ones to be operated.
- the selection unit 42 selects the first and second cell stacks 11a, 11b to be operated, and the third and fourth cell stacks 11c, 11d to be suspended.
- the selection unit 42 changes one or more of the cell stacks 11 to be suspended from being suspended to being operated in accordance with the increase in the supplied power (20 kW). Specifically, the selection unit 42 changes one or more cell stacks whose total steady-state power is close to the increase in the supplied power from being suspended to being operated.
- the selection unit 42 changes the third cell stack 11c from being suspended to being operated. As a result, the first to third cell stacks 11a to 11c are selected as being operated, and the fourth cell stack 11d is selected as being suspended.
- the selection unit 42 notifies the power control unit 43 and the gas control unit 44 of the units to be operated and those to be suspended.
- the power control unit 43 executes the power control process as follows.
- the power control unit 43 acquires operation targets and pause targets from the selection unit 42.
- the power control unit 43 distributes the power supplied from the power source 30 to the operation targets.
- the power control unit 43 supplies steady power to the operation targets.
- the power control unit 43 cuts off the supply of power to pause targets.
- the gas control unit 44 executes the gas control process as follows.
- the gas control unit 44 acquires the operation targets and the suspension targets from the selection unit 42.
- the gas control unit 44 opens the on-off valves among the first to fourth on-off valves 2a to 2d that correspond to the operation targets, and closes the on-off valves that correspond to the suspension targets.
- raw material gas is supplied to the operation targets, and the supply of raw material gas to the suspension targets is cut off.
- the gas control unit 44 also opens the valves among the fifth through eighth valves 2e through 2h that correspond to the operating target, and closes the valves that correspond to the suspended target. This makes it possible to prevent the generated gas discharged from the operating target from flowing back toward the suspended target.
- the control device 40 selects multiple cell stacks 11 into those to be operated and those to be suspended according to the power supplied from the power source 30, and then suspends the operation of one or more cell stacks 11 whose total steady-state power approximates the amount of reduction in the power supplied from the power source 30. Therefore, even if the power supplied from the power source 30, which generates electricity using renewable energy, is reduced, the operation targets can be operated with steady-state power, so that each electrolytic cell included in the operation targets can be operated near the thermal neutral voltage where heat absorption and heat generation are balanced. In this way, by setting the suspension targets according to the shortage of supplied power, the performance of each electrolytic cell included in the operation targets can be demonstrated.
- FIG. 2 is a schematic diagram showing the configuration of an electrolysis cell system 1a according to the second embodiment.
- the electrolytic cell system 1a includes a reactor 50, an electrolytic device 10, a raw gas source 20, a power source 30a, and a control device 40a.
- the configurations of the electrolytic device 10 and the raw gas source 20 are as described in the first embodiment above, so the configurations of the reactor 50, the power source 30a, and the control device 40a will be described below.
- the reactor 50 is connected to the exhaust path M1.
- the product gas generated at the hydrogen electrodes of the first to fourth cell stacks 11a to 11d is supplied to the reactor 50 via the first to fourth exhaust paths Ma to Md and the exhaust path M1.
- the reactor 50 uses the generated gas to synthesize the desired organic resources, such as hydrocarbons and methanol. By connecting the reactor 50 to the exhaust line M1, the organic resources can be synthesized on-site.
- the maximum amount of generated gas required in the reactor 50 is set to 1.3 m 3 /min.
- the amount of generated gas required varies depending on various factors.
- each of the multiple cell stacks 11 has its own steady-state generated gas amount set.
- the steady-state generated gas amount is the amount of generated gas generated during steady-state operation near the thermal neutral voltage.
- the multiple cell stacks 11 include two or more cell stacks with different steady-state generated gas amounts.
- the steady-state generated gas amount of the first cell stack 11a is 0.5 m3 /min
- the steady-state generated gas amount of the second cell stack 11b is 0.5 m3 /min
- the steady-state generated gas amount of the third cell stack 11c is 0.25 m3 /min
- the steady-state generated gas amount of the fourth cell stack 11d is 0.05 m3 /min.
- the steady-state generated gas amount of each cell stack 11 can be set appropriately.
- the power supply 30a supplies power to each cell stack 11.
- the power supply from the power supply 30a to each cell stack 11 is controlled by a control device 40a.
- the power source 30a is configured to generate electricity using fossil fuels.
- the rated output of the power source 30a is stable and is equal to or greater than the total steady-state power of each cell stack 11.
- Control device 40a executes the pause control, which includes a sorting step, a power control step, and a gas control step.
- the multiple cell stacks 11 are selected into cell stacks 11 to be operated (hereinafter referred to as "operation targets") and cell stacks 11 to be suspended (hereinafter referred to as “suspended targets”).
- operation targets cell stacks 11 to be operated
- sustained targets cell stacks 11 to be suspended
- the operation targets and suspended targets are selected according to the amount of gas required to be generated in the reactor 50.
- the power control process power is supplied to the operating objects, and the power supply to the suspended objects is cut off.
- the gas control process raw material gas is supplied to the operating objects, and the raw material gas supply to the suspended objects is cut off.
- the power control process and the gas control process can be performed simultaneously or with a time lag after the sorting process.
- the control device 40a has a memory unit 41a, a sorting unit 42a, a power control unit 43a, and a gas control unit 44a.
- the storage unit 41a pre-stores the steady-state generated gas amounts of each cell stack 11.
- the steady-state generated gas amounts of the first to fourth cell stacks 11a to 11d are 0.5 m 3 /min, 0.5 m 3 /min, 0.25 m 3 /min, and 0.05 m 3 /min, respectively.
- the selection unit 42a executes the selection process as follows.
- the selection unit 42a detects the amount of gas required to be produced in the reactor 50.
- the selection unit 42a selects the multiple cell stacks 11 into those to be operated and those to be suspended according to the detected amount of gas required to be produced.
- the selection unit 42a selects the cell stacks 11 to be operated and those to be suspended at any time, at a predetermined time interval or whenever the amount of gas required to be produced in the reactor 50 changes.
- the selection unit 42a selects all of the first to fourth cell stacks 11a to 11d as those to be operated. In this case, the selection unit 42a does not select those to be suspended.
- the selection unit 42a selects one or more of the cell stacks 11 to be suspended among the operation targets according to the decrease (0.3 m3 /min) in the required amount of generated gas, and selects the cell stacks 11 other than the one or more cell stacks 11 to be operated. Specifically, the selection unit 42a selects one or more cell stacks whose total steady-state generated gas amount is close to the decrease in the required amount of generated gas as the operation targets, and selects the cell stacks other than the suspension targets as the operation targets.
- the selection unit 42a selects the first and second cell stacks 11a, 11b as the operation targets, and selects the third and fourth cell stacks 11c, 11d as the suspension targets.
- the selection unit 42a changes one or more of the cell stacks 11 to be suspended from the suspended ones to the operating ones in accordance with the increase in the required amount of generated gas (0.25 m 3 /min). Specifically, the selection unit 42a changes one or more cell stacks whose total steady generated gas amount is close to the increase in the required amount of generated gas from the suspended ones to the operating ones. In this case, since the steady generated gas amount of the third cell stack 11c is 0.25 m 3 /min, the selection unit 42a changes the third cell stack 11c from the suspended one to the operating one. As a result, the first to third cell stacks 11a to 11c are selected as the operating ones, and the fourth cell stack 11d is selected as the suspended one.
- the selection unit 42a notifies the power control unit 43a and the gas control unit 44a of the units to be operated and those to be suspended.
- the power control unit 43a executes the power control process as follows: The power control unit 43a acquires operation targets and pause targets from the selection unit 42a. The power control unit 43a distributes the power supplied from the power source 30a to the operation targets. The power control unit 43a supplies steady power to the operation targets. On the other hand, the power control unit 43a cuts off the supply of power to pause targets.
- the gas control unit 44a executes the gas control process as follows.
- the gas control unit 44a acquires the operation targets and the suspension targets from the selection unit 42a.
- the gas control unit 44a opens the on-off valves among the first to fourth on-off valves 2a to 2d that correspond to the operation targets, and closes the on-off valves that correspond to the suspension targets.
- raw material gas is supplied to the operation targets, and the supply of raw material gas to the suspension targets is cut off.
- the gas control unit 44a also opens the valves among the fifth through eighth valves 2e through 2h that correspond to the operating target, and closes the valves that correspond to the suspended target. This makes it possible to prevent the generated gas discharged from the operating target from flowing back toward the suspended target.
- control device 40a selects the multiple cell stacks 11 into those to be operated and those to be suspended according to the amount of gas produced required in the reactor 50, and then suspends operation of one or more cell stacks 11 whose total steady-state amount of produced gas is close to the amount of decrease in the amount of gas produced required in the reactor 50. Therefore, when the amount of gas produced required in the reactor 50 decreases, the amount of produced gas can be reduced by the amount of the decrease, so there is no need to provide a facility for temporarily storing the produced gas.
- pause control is executed according to the power supplied from the power source 30, and in the second embodiment described above, pause control is executed according to the amount of gas required to be generated in the reactor 50, but pause control may also be executed taking into account both the power supplied from the power source 30 and the amount of gas required to be generated in the reactor 50.
- the electrolytic cell system 1 may include a reactor 50 connected to the exhaust line M1, similar to the electrolytic cell system 1a according to the second embodiment.
- a reactor 50 connected to the exhaust line M1, similar to the electrolytic cell system 1a according to the second embodiment.
- the composition of the generated gas in each cell stack 11 is likely to vary depending on the supplied power, but the above pause control can keep the composition of the generated gas in each cell stack 11 constant. This makes it possible to suppress a decrease in the efficiency of synthesis of organic resources in the reactor 50.
- the fifth to eighth on-off valves 2e to 2h are arranged in the first to fourth discharge passages Ma to Md, but check valves may be used instead of the on-off valves.
- a sweep gas may be supplied to the air electrode of each electrolytic cell included in each cell stack 11. Air may be used as the sweep gas. The air used as the sweep gas may be pressurized.
- the multiple cell stacks 11 include two or more cell stacks with different steady-state powers, but the steady-state power may be the same for all the cell stacks 11. However, it is preferable that the multiple cell stacks 11 include two or more cell stacks with different steady-state powers, because this makes it easier to deal with a reduction in the amount of power supply.
- the multiple cell stacks 11 include two or more cell stacks with different steady-state generated gas amounts, but the steady-state generated gas amounts may be the same for all of the cell stacks 11. However, it is preferable that the multiple cell stacks 11 include two or more cell stacks with different steady-state generated gas amounts, because this makes it easier to deal with the reduction in the required generated gas amount.
- Reference Signs List 1 1a Electrolytic cell system 10 Electrolytic device 11 Cell stack 20 Raw material gas source 30, 30a Power source 40, 40a Control device 41, 41a Memory unit 42, 42a Sorting unit 43, 43a Power control unit 44, 44a Gas control unit 50 Reactor
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
Abstract
Description
本発明は、電解セルシステム及びその運転方法に関する。 The present invention relates to an electrolysis cell system and its operating method.
従来、水を電気分解して水素を生成するセルスタックを直列又は並列に複数接続した電解装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。各セルスタックは、複数の電解セルを有する。 Conventionally, electrolysis devices have been known in which multiple cell stacks that electrolyze water to produce hydrogen are connected in series or parallel (see, for example, Patent Document 1). Each cell stack has multiple electrolysis cells.
ところで、発電装置からの供給電力が減少すると、吸熱と発熱がバランスする熱中立電圧近傍で各電解セルを運転できなくなるため、各電解セルの性能を十分に発揮できなくなってしまう。 However, if the power supply from the power generation device decreases, each electrolytic cell cannot be operated near the thermal neutral voltage, where heat absorption and heat generation are balanced, and the performance of each electrolytic cell cannot be fully demonstrated.
また、各セルスタックにおいて生成された生成ガスを用いて所望の有機資源を合成する反応器を電解装置に接続することによって、有機資源をオンサイトで合成することが考えられる。 It is also possible to synthesize organic resources on-site by connecting a reactor that synthesizes the desired organic resources using the product gas produced in each cell stack to the electrolysis device.
しかしながら、反応器で用いられる生成ガスが減少すると、各セルスタックにおいて生成された生成ガスの全部を反応器で消費できないため、生成ガスを一時的に貯留するための施設が必要となる。従って、複数のセルスタックのうち一部の運転を必要に応じて休止させたい場合がある。 However, when the amount of generated gas used in the reactor decreases, the reactor cannot consume all of the generated gas in each cell stack, and so facilities are required to temporarily store the generated gas. Therefore, there are cases where it is necessary to suspend operation of some of the multiple cell stacks as needed.
本発明の課題は、複数のセルスタックのうち一部の運転を休止可能な電解セルシステム及びその運転方法を提供することにある。 The objective of the present invention is to provide an electrolysis cell system and an operating method thereof that allow the operation of some of the multiple cell stacks to be suspended.
本発明の第1の側面に係る電解セルシステムは、水を含む原料ガスを電気分解することで水素を含む生成ガスを生成する複数のセルスタックと、前記複数のセルスタックの運転を制御する制御装置と、前記複数のセルスタックに電力を供給する電源とを備える。前記複数のセルスタックは、電気的に並列に接続されている。制御装置は、複数のセルスタックのうち、熱中立電圧近傍で定常運転するために必要とされる定常電力の合計が電源からの供給電力の減少量に近似する1以上のセルスタックの運転を休止させる。 The electrolysis cell system according to the first aspect of the present invention comprises a plurality of cell stacks that generate a product gas containing hydrogen by electrolyzing a feed gas containing water, a control device that controls the operation of the plurality of cell stacks, and a power source that supplies power to the plurality of cell stacks. The plurality of cell stacks are electrically connected in parallel. The control device suspends the operation of one or more of the plurality of cell stacks for which the total steady-state power required for steady-state operation near the thermal neutral voltage is close to the reduction in the power supply from the power source.
本発明の第2の側面に係る電解セルシステムは、上記第1の側面に係り、前記複数のセルスタックは、熱中立電圧近傍で定常運転するために必要とされる定常電力が互いに異なる2以上のセルスタックを含む。 The electrolysis cell system according to the second aspect of the present invention relates to the above-mentioned first aspect, and the plurality of cell stacks include two or more cell stacks that require different steady-state power for steady-state operation near the thermal neutral voltage.
本発明の第3の側面に係る電解セルシステムは、水を含む原料ガスを電気分解することで水素を含む生成ガスを生成する複数のセルスタックと、前記複数のセルスタックの運転を制御する制御装置と、前記複数のセルスタックにおいて生成された生成ガスを用いて所望の有機資源を合成する反応器とを備える。制御装置は、複数のセルスタックのうち、熱中立電圧近傍で定常運転したときに生成される定常生成ガス量の合計が反応器において必要とされる必要生成ガス量の減少量に近似する1以上のセルスタックの運転を休止させる。 The electrolysis cell system according to the third aspect of the present invention comprises a plurality of cell stacks that generate a product gas containing hydrogen by electrolyzing a feed gas containing water, a control device that controls the operation of the plurality of cell stacks, and a reactor that synthesizes a desired organic resource using the product gas generated in the plurality of cell stacks. The control device suspends the operation of one or more of the plurality of cell stacks, the sum of which is generated when the steady-state amount of product gas generated during steady-state operation near the thermal neutral voltage approximates the reduction in the amount of required product gas required in the reactor.
本発明の第4の側面に係る電解セルシステムは、上記第3の側面に係り、前記複数のセルスタックは、熱中立電圧近傍で定常運転したときに生成される定常生成ガス量が互いに異なる2以上のセルスタックを含む。 The electrolysis cell system according to the fourth aspect of the present invention relates to the third aspect, and the plurality of cell stacks include two or more cell stacks that have different amounts of steady-state generated gas generated during steady-state operation near the thermal neutral voltage.
本発明の第5の側面に係る電解セルシステムは、上記第1乃至4いずれかの側面に係り、前記複数のセルスタックそれぞれは、複数の固体酸化物型電解セルによって構成される。 The electrolysis cell system according to the fifth aspect of the present invention relates to any one of the first to fourth aspects, and each of the multiple cell stacks is composed of multiple solid oxide electrolysis cells.
本発明の第6の側面に係る電解セルシステムは、上記第5の側面に係り、複数の固体酸化物型電解セルそれぞれは、メタルサポート形電解セルである。 The electrolysis cell system according to the sixth aspect of the present invention relates to the fifth aspect described above, and each of the plurality of solid oxide electrolysis cells is a metal-supported electrolysis cell.
本発明の第7の側面に係る電解セルシステムは、上記第5又は第6の側面に係り、複数の固体酸化物型電解セルそれぞれは、共電解セルである。 The seventh aspect of the present invention relates to an electrolytic cell system according to the fifth or sixth aspect, in which each of the multiple solid oxide electrolytic cells is a co-electrolytic cell.
本発明の第8の側面に係る電解セルシステムの運転方法は、上記第1乃至第7いずれかの側面に係る電解セルシステムの運転方法であって、複数の固体酸化物型電解セルの中から1以上のセルスタックを選別する工程と、1以上のセルスタックを休止し、かつ、1以上のセルスタック以外のセルスタックを運転する工程とを備える。 The method of operating an electrolytic cell system according to the eighth aspect of the present invention is a method of operating an electrolytic cell system according to any one of the first to seventh aspects, and includes the steps of selecting one or more cell stacks from a plurality of solid oxide electrolytic cells, pausing the one or more cell stacks, and operating cell stacks other than the one or more cell stacks.
本発明によれば、複数のセルスタックのうち一部の運転を休止可能な電解セルシステム及びその運転方法を提供することができる。 The present invention provides an electrolysis cell system and an operating method thereof that allow the operation of some of the multiple cell stacks to be suspended.
1.第1実施形態 1. First embodiment
(電解セルシステム1)
図1は、第1実施形態に係る電解セルシステム1の構成を示す模式図である。
(Electrolytic cell system 1)
FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of an
電解セルシステム1は、電解装置10、原料ガス源20、電源30及び制御装置40を備える。
The
[電解装置10]
電解装置10は、複数のセルスタック11及びホットボックス12を有する。
[Electrolysis device 10]
The
各セルスタック11は、複数の電解セルによって構成される。本実施形態において、各電解セルは、固体酸化物型電解セル(SOEC)である。固体酸化物型電解セルは、水素極、酸素極及び固体電解質を必須構成として含んでいる。水素極は、後述する原料ガスに含まれる水を電気分解することによって、水素及び酸素イオンを生成する。酸素極は、水素極において生成された酸素イオンから酸素を生成する。固体電解質は、水素極において生成された酸素イオンを酸素極に伝達する。水素極は、例えばNiO-YSZ、NiO-GDCなどによって構成することができる。酸素極は、例えばLSCF、LSF、LNFなどによって構成することができる。固体電解質は、例えばYSZ、GDC、ScSZ、SDCなどによって構成することができる。固体酸化物型電解セルは、固体高分子型電解セルに比べて構成部材の熱膨張差に起因する破損が生じやすいが、後述する休止制御によってセルスタック内の温度分布を解消し、破損を抑制することができる。
Each
各電解セルは、自立形電解セルであってもよいし、メタルサポート形電解セルであってもよい。自立形電解セルでは、水素極、固体電解質及び酸素極のいずれかが支持体として機能する。メタルサポート形電解セルでは、水素極又は酸素極に接合された金属基板が支持体として機能する。 Each electrolytic cell may be a free-standing electrolytic cell or a metal-supported electrolytic cell. In a free-standing electrolytic cell, either the hydrogen electrode, the solid electrolyte, or the oxygen electrode functions as the support. In a metal-supported electrolytic cell, a metal substrate bonded to the hydrogen electrode or the oxygen electrode functions as the support.
各電解セルは、メタルサポート形電解セルであることが特に好ましい。メタルサポート形電解セルは、自立形電解セルに比べて温度変化に対して耐性を有しているため、後述する休止制御によって運転が休止されて温度分布が変化しても電解セルが破損してしまうことを抑制できる。 It is particularly preferable that each electrolytic cell is a metal-supported electrolytic cell. Metal-supported electrolytic cells are more resistant to temperature changes than free-standing electrolytic cells, so that even if operation is suspended by the suspension control described below and the temperature distribution changes, the electrolytic cells can be prevented from being damaged.
各電解セルは、水電解セルであってもよいし、共電解セルであってもよい。水電解セルでは、原料ガスとして水(水蒸気)のみが用いられ、水素極において水素及び酸素イオンが生成される。共電解セルでは、原料ガスとして水(水蒸気)と二酸化炭素の混合ガスが用いられ、水素極において水素、一酸化炭素及び酸素イオンが生成される。 Each electrolysis cell may be a water electrolysis cell or a co-electrolysis cell. In a water electrolysis cell, only water (steam) is used as the raw material gas, and hydrogen and oxygen ions are generated at the hydrogen electrode. In a co-electrolysis cell, a mixture of water (steam) and carbon dioxide is used as the raw material gas, and hydrogen, carbon monoxide, and oxygen ions are generated at the hydrogen electrode.
各電解セルは、共電解セルであることが特に好ましい。共電解セルでは、水素極において水素及び一酸化炭素を所定の組成比で生成する必要があるところ、後述する休止制御によって共電解セルを熱中立電圧近傍で定常運転させ続けることができるため、水素極において生成される水素及び一酸化炭素の組成比を維持することができる。 It is particularly preferable that each electrolytic cell is a co-electrolytic cell. In a co-electrolytic cell, hydrogen and carbon monoxide must be produced at a predetermined composition ratio at the hydrogen electrode. The pause control described below allows the co-electrolytic cell to continue steady-state operation near the thermal neutral voltage, so that the composition ratio of hydrogen and carbon monoxide produced at the hydrogen electrode can be maintained.
複数のセルスタック11は、電気的に並列に接続されている。本実施形態において、複数のセルスタック11には、第1乃至第4セルスタック11a,11b,11c,11d(以下、「11a~11d」と略称する。)が含まれる。第1乃至第4セルスタック11a~11dには、それぞれ固有の定常電力が設定されている。定常電力とは、熱中立電圧近傍にて定常運転するために必要とされる電力である。熱中立電圧近傍とは、熱中立電圧±0.1Vの範囲を意味する。定常運転とは、供給電流量が一定かつ供給ガス量が一定の条件下において熱的に自立した状態で運転していることを意味する。
The
複数のセルスタック11には、定常電力が互いに異なる2以上のセルスタックが含まれる。本実施形態において、第1セルスタック11aの定常電力は100kWであり、第2セルスタック11bの定常電力は100kWであり、第3セルスタック11cの定常電力は20kWであり、第4セルスタック11dの定常電力は5kWである。ただし、各セルスタック11の定常電力は、運転条件に応じて、或いは、使用期間に応じて変動しうる。また、セルスタック11の数は適宜設定可能である。
The
第1乃至第4セルスタック11a~11dには、第1乃至第4供給路La,Lb,Lc,Ld(以下、「La~Ld」と略称する。)が接続されている。第1乃至第4供給路La~Ldは、第1乃至第4セルスタック11a~11dの水素極に原料ガスを供給するための流路である。第1乃至第4供給路La~Ldには、第1乃至第4開閉弁2a,2b,2c,2d(以下、「2a~2d」と略称する。)が配置されている。各開閉弁2a~2dは、各供給路La~Ldを開状態又は閉状態に切り替える。各開閉弁2a~2dの開閉は、制御装置40によって制御される。
First to fourth supply paths La, Lb, Lc, Ld (hereinafter abbreviated as "La to Ld") are connected to the first to
第1乃至第4セルスタック11a~11dには、第1乃至第4排出路Ma,Mb,Mc,Md(以下、「Ma~Md」と略称する。)が接続されている。第1乃至第4排出路Ma~Mdは、第1乃至第4セルスタック11a~11dの水素極において生成された生成ガスを排出するための流路である。第1乃至第4排出路Ma~Mdは、排出路M1に接続されている。第1乃至第4排出路Ma~Mdには、第5乃至第8開閉弁2e,2f,2g,2h(以下、「2e~2h」と略称する。)が配置されている。各開閉弁2e~2hは、各排出路Ma~Mdを開状態又は閉状態に切り替える。各開閉弁2e~2hの開閉は、制御装置40によって制御される。
First to fourth exhaust channels Ma, Mb, Mc, Md (hereinafter abbreviated as "Ma to Md") are connected to the first to
ホットボックス12は、断熱性及び蓄熱性を有する筐体である。ホットボックス12は、複数のセルスタック11を収容する。本実施形態では、1つのホットボックス12に複数のセルスタック11の全てが収容されているが、セルスタック11ごとにホットボックス12が設けられていてもよい。
The
[原料ガス源20]
原料ガス源20は、原料ガスを貯留する。原料ガスは、少なくとも水(水蒸気)を含む。各セルスタック11を構成する電解セルが水電解セルである場合、水が原料ガスとして用いられる。各セルスタック11を構成する電解セルが共電解セルである場合、水と二酸化炭素の混合ガスが原料ガスとして用いられる。
[Raw gas source 20]
The
原料ガス源20は、原料ガスを供給路L1に供給する。供給路L1は、第1乃至第4供給路La~Ldに接続されている。原料ガス源20から供給される原料ガスは、供給路L1及び第1乃至第4供給路La~Ldを順次介して各セルスタック11に供給される。
The
[電源30]
電源30は、各セルスタック11に電力を供給する。電源30から各セルスタック11に供給される電力(以下、「供給電力」という。)は、制御装置40によって制御される。
[Power supply 30]
The
本実施形態において、電源30は、再生可能エネルギー(例えば、太陽光、風力、水力、地熱など)を利用して発電する。本実施形態において、電源30の定格出力は225kW以上であるものとする。ただし、電源30からの実際の供給電力は、その利用条件に応じて変動する。
In this embodiment, the
[制御装置40]
制御装置40は、休止制御を実行する。休止制御には、選別工程と、電力制御工程と、ガス制御工程とが含まれる。
[Control device 40]
The
選別工程では、複数のセルスタック11を、運転させるセルスタック11(以下、「運転対象」という。)と、休止させるセルスタック11(以下、「休止対象」という。)とに選別する。本実施形態では、電源30からの供給電力に応じて、運転対象と休止対象とを選別する。
In the selection process, the multiple cell stacks 11 are selected into
電力制御工程では、運転対象に対して電力が供給され、かつ、休止対象に対する電力の供給が遮断される。ガス制御工程では、運転対象に対して原料ガスが供給され、かつ、休止対象に対する原料ガスの供給が遮断される。電力制御工程及びガス制御工程は、選別工程の後、同時に又は時間差をもって実行されうる。 In the power control process, power is supplied to the operating objects, and the power supply to the suspended objects is cut off. In the gas control process, raw material gas is supplied to the operating objects, and the raw material gas supply to the suspended objects is cut off. The power control process and the gas control process can be performed simultaneously or with a time lag after the sorting process.
図1に示すように、制御装置40は、記憶部41、選別部42、電力制御部43及びガス制御部44を有する。
As shown in FIG. 1, the
記憶部41は、各セルスタック11の定常電力を予め記憶している。本実施形態において、第1乃至第4セルスタック11a~11dの定常電力は、それぞれ100kW、100kW、20kW、5kWである。
The
選別部42は、次のとおり選別工程を実行する。選別部42は、電源30からの供給電力を検出する。選別部42は、検出された電源30からの供給電力に応じて、複数のセルスタック11を運転対象と休止対象とに選別する。選別部42は、所定の時間間隔で、或いは、電源30からの供給電力が変動するたびに、運転対象及び休止対象を随時選別する。
The
例えば、電源30からの供給電力が225kWである場合、第1乃至第4セルスタック11a~11dの全てに定常電力を供給可能であるため、選別部42は、第1乃至第4セルスタック11a~11dの全てを運転対象に選別する。この場合、選別部42は、休止対象を選別しない。
For example, when the power supply from the
その後、電源30からの供給電力が200kWとなった場合、選別部42は、供給電力の減少量(25kW)に応じて、運転対象のうち1以上のセルスタック11を休止対象に選別し、当該1以上のセルスタック11以外のセルスタック11を運転対象に選別する。具体的には、選別部42は、定常電力の合計が供給電力の減少量に近似する1以上のセルスタックを休止対象に選別し、休止対象以外のセルスタックを運転対象に選別する。ここでは、第3及び第4セルスタック11c,11dの定常電力の合計が25kWであるため、選別部42は、第1及び第2セルスタック11a,11bを運転対象に選別するとともに、第3及び第4セルスタック11c,11dを休止対象に選別する。
After that, when the power supply from the
続いて、電源30からの供給電力が220kWとなった場合、選別部42は、供給電力の増加量(20kW)に応じて、休止対象のうち1以上のセルスタック11を休止対象から運転対象に変更する。具体的には、選別部42は、定常電力の合計が供給電力の増加量に近似する1以上のセルスタックを休止対象から運転対象に変更する。ここでは、第3セルスタック11cの定常電力が20kWであるため、選別部42は、第3セルスタック11cを休止対象から運転対象に変更する。その結果、第1乃至第3セルスタック11a~11cが運転対象に選別され、第4セルスタック11dが休止対象に選別される。
Next, when the power supply from the
選別部42は、運転対象及び休止対象を電力制御部43及びガス制御部44に通知する。
The
電力制御部43は、次のとおり電力制御工程を実行する。電力制御部43は、選別部42から運転対象及び休止対象を取得する。電力制御部43は、電源30からの供給電力を運転対象に分配する。電力制御部43は、運転対象に対して定常電力を供給する。一方、電力制御部43は、休止対象への電力の供給を遮断する。
The
ガス制御部44は、次のとおりガス制御工程を実行する。ガス制御部44は、選別部42から運転対象及び休止対象を取得する。ガス制御部44は、第1乃至第4開閉弁2a~2dのうち、運転対象に対応する開閉弁を開状態とし、かつ、休止対象に対応する開閉弁を閉状態とする。これによって、運転対象には原料ガスが供給され、休止対象への原料ガスの供給は遮断される。
The
また、ガス制御部44は、第5乃至第8開閉弁2e~2hのうち、運転対象に対応する開閉弁を開状態とし、かつ、休止対象に対応する開閉弁を閉状態とする。これによって、運転対象から排出される生成ガスが休止対象に向かって逆流することを抑制できる。
The
電力制御部43による電力制御及びガス制御部44によるガス制御によって、運転対象では生成ガスが生成され、休止対象では生成ガスが生成されない。
By power control by the
以上の通り、制御装置40は、電源30からの供給電力に応じて複数のセルスタック11を運転対象と休止対象とに選別した後、定常電力の合計が電源30からの供給電力の減少量に近似する1以上のセルスタック11の運転を休止させる。従って、再生可能エネルギーを利用して発電する電源30からの供給電力が減少したとしても、運転対象を定常電力で運転させることができるため、運転対象に含まれる各電解セルを吸熱と発熱がバランスする熱中立電圧近傍で運転することができる。このように、供給電力の不足分に応じて休止対象を設定することによって、運転対象に含まれる各電解セルの性能を発揮することができる。
As described above, the
2.第2実施形態 2. Second embodiment
(電解セルシステム1a)
図2は、第2実施形態に係る電解セルシステム1aの構成を示す模式図である。
(Electrolytic cell system 1a)
FIG. 2 is a schematic diagram showing the configuration of an electrolysis cell system 1a according to the second embodiment.
電解セルシステム1aは、反応器50、電解装置10、原料ガス源20、電源30a及び制御装置40aを備える。電解装置10及び原料ガス源20の構成は上記第1実施形態にて説明した通りであるため、反応器50、電源30a及び制御装置40aの構成について説明する。
The electrolytic cell system 1a includes a
[反応器50]
反応器50は、排出路M1に接続される。第1乃至第4セルスタック11a~11dの水素極において生成された生成ガスは、第1乃至第4排出路Ma~Md及び排出路M1を介して、反応器50に供給される。
[Reactor 50]
The
反応器50は、生成ガスを利用して、炭化水素やメタノールなどの所望の有機資源を合成する。反応器50が排出路M1に接続されていることによって、オンサイトで有機資源を合成することができる。
The
本実施形態において、反応器50において必要とされる必要生成ガス量の最大値は1.3m3/minであるものとする。ただし、必要生成ガス量は様々な要因によって変動する。
In this embodiment, the maximum amount of generated gas required in the
なお、複数のセルスタック11には、それぞれ固有の定常生成ガス量が設定されている。定常生成ガス量とは、熱中立電圧近傍にて定常運転したときに生成される生成ガスの量である。 In addition, each of the multiple cell stacks 11 has its own steady-state generated gas amount set. The steady-state generated gas amount is the amount of generated gas generated during steady-state operation near the thermal neutral voltage.
複数のセルスタック11には、定常生成ガス量が互いに異なる2以上のセルスタックが含まれる。本実施形態において、第1セルスタック11aの定常生成ガス量は0.5m3/minであり、第2セルスタック11bの定常生成ガス量は0.5m3/minであり、第3セルスタック11cの定常生成ガス量は0.25m3/minであり、第4セルスタック11dの定常生成ガス量は0.05m3/minである。ただし、各セルスタック11の定常生成ガス量は適宜設定可能である。
The
[電源30a]
電源30aは、各セルスタック11に電力を供給する。電源30aから各セルスタック11への供給電力は、制御装置40aによって制御される。
[
The
本実施形態において、電源30aは、化石燃料を用いて発電を行うように構成されている。電源30aの定格出力は、各セルスタック11の定常電力の合計値以上で安定しているものとする。
In this embodiment, the
[制御装置40a]
制御装置40aは、休止制御を実行する。休止制御には、選別工程と、電力制御工程と、ガス制御工程とが含まれる。
[
The
選別工程では、複数のセルスタック11を、運転させるセルスタック11(以下、「運転対象」という。)と、休止させるセルスタック11(以下、「休止対象」という。)とに選別する。本実施形態では、反応器50における必要生成ガス量に応じて、運転対象と休止対象とを選別する。
In the selection process, the multiple cell stacks 11 are selected into
電力制御工程では、運転対象に対して電力が供給され、かつ、休止対象に対する電力の供給が遮断される。ガス制御工程では、運転対象に対して原料ガスが供給され、かつ、休止対象に対する原料ガスの供給が遮断される。電力制御工程及びガス制御工程は、選別工程の後、同時に又は時間差をもって実行されうる。 In the power control process, power is supplied to the operating objects, and the power supply to the suspended objects is cut off. In the gas control process, raw material gas is supplied to the operating objects, and the raw material gas supply to the suspended objects is cut off. The power control process and the gas control process can be performed simultaneously or with a time lag after the sorting process.
図2に示すように、制御装置40aは、記憶部41a、選別部42a、電力制御部43a及びガス制御部44aを有する。
As shown in FIG. 2, the
記憶部41aは、各セルスタック11の定常生成ガス量を予め記憶している。本実施形態において、第1乃至第4セルスタック11a~11dの定常生成ガス量は、それぞれ0.5m3/min、0.5m3/min、0.25m3/min、0.05m3/minである。
The
選別部42aは、次のとおり選別工程を実行する。選別部42aは、反応器50における必要生成ガス量を検出する。選別部42aは、検出された必要生成ガス量に応じて、複数のセルスタック11を運転対象と休止対象とに選別する。選別部42aは、所定の時間間隔で、或いは、反応器50における必要生成ガス量が変動するたびに、運転対象及び休止対象を随時選別する。
The
例えば、反応器50における必要生成ガス量が1.3m3/minである場合、第1乃至第4セルスタック11a~11dの全てにおいて定常生成ガス量を生成する必要があるため、選別部42aは、第1乃至第4セルスタック11a~11dの全てを運転対象に選別する。この場合、選別部42aは、休止対象を選別しない。
For example, when the required amount of generated gas in the
その後、反応器50における必要生成ガス量が1.0m3/minとなった場合、選別部42aは、必要生成ガス量の減少量(0.3m3/min)に応じて、運転対象のうち1以上のセルスタック11を休止対象に選別し、当該1以上のセルスタック11以外のセルスタック11を運転対象に選別する。具体的には、選別部42aは、定常生成ガス量の合計が必要生成ガス量の減少量に近似する1以上のセルスタックの運転を休止対象に選別し、休止対象以外のセルスタックを運転対象に選別する。ここでは、第3及び第4セルスタック11c,11dの定常生成ガス量の合計が0.3m3/minであるため、選別部42aは、第1及び第2セルスタック11a,11bを運転対象に選別するとともに、第3及び第4セルスタック11c,11dを休止対象に選別する。
Thereafter, when the required amount of generated gas in the
続いて、反応器50における必要生成ガス量が1.25m3/minとなった場合、選別部42aは、必要生成ガス量の増加量(0.25m3/min)に応じて、休止対象のうち1以上のセルスタック11を休止対象から運転対象に変更する。具体的には、選別部42aは、定常生成ガス量の合計が必要生成ガス量の増加量に近似する1以上のセルスタックを休止対象から運転対象に変更する。ここでは、第3セルスタック11cの定常生成ガス量が0.25m3/minであるため、選別部42aは、第3セルスタック11cを休止対象から運転対象に変更する。その結果、第1乃至第3セルスタック11a~11cが運転対象に選別され、第4セルスタック11dが休止対象に選別される。
Next, when the required amount of generated gas in the
選別部42aは、運転対象及び休止対象を電力制御部43a及びガス制御部44aに通知する。
The
電力制御部43aは、次のとおり電力制御工程を実行する。電力制御部43aは、選別部42aから運転対象及び休止対象を取得する。電力制御部43aは、電源30aからの供給電力を運転対象に分配する。電力制御部43aは、運転対象に対して定常電力を供給する。一方、電力制御部43aは、休止対象への電力の供給を遮断する。
The
ガス制御部44aは、次のとおりガス制御工程を実行する。ガス制御部44aは、選別部42aから運転対象及び休止対象を取得する。ガス制御部44aは、第1乃至第4開閉弁2a~2dのうち、運転対象に対応する開閉弁を開状態とし、かつ、休止対象に対応する開閉弁を閉状態とする。これによって、運転対象には原料ガスが供給され、休止対象への原料ガスの供給は遮断される。
The
また、ガス制御部44aは、第5乃至第8開閉弁2e~2hのうち、運転対象に対応する開閉弁を開状態とし、かつ、休止対象に対応する開閉弁を閉状態とする。これによって、運転対象から排出される生成ガスが休止対象に向かって逆流することを抑制できる。
The
以上の通り、制御装置40aは、反応器50における必要生成ガス量に応じて複数のセルスタック11を運転対象と休止対象とに選別した後、定常生成ガス量の合計が反応器50における必要生成ガス量の減少量に近似する1以上のセルスタック11の運転を休止させる。従って、反応器50における必要生成ガス量が減少した場合には、その減少分だけ生成ガスを減産できるため、生成ガスを一時的に貯留するための施設を設ける必要がない。
As described above, the
(実施形態の変形例)
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
(Modification of the embodiment)
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these, and various modifications are possible without departing from the spirit of the present invention.
[変形例1]
上記第1実施形態では電源30からの供給電力に応じて休止制御を実行し、上記第2実施形態では反応器50における必要生成ガス量に応じて休止制御を実行することとしたが、電源30からの供給電力及び反応器50における必要生成ガス量の両方を考慮して休止制御を実行してもよい。
[Modification 1]
In the first embodiment described above, pause control is executed according to the power supplied from the
[変形例2] 上記第1実施形態に係る電解セルシステム1は、上記第2実施形態に係る電解セルシステム1aと同様、排出路M1に接続された反応器50を備えていてもよい。ここで、各セルスタック11を構成する複数の電解セルそれぞれが共電解セルである場合、各セルスタック11における生成ガスの組成は供給電力に応じて変動しやすいところ、上記休止制御によって各セルスタック11における生成ガスの組成を一定に保持することができる。そのため、反応器50における有機資源の合成効率が低下することを抑制できる。
[Variation 2] The
[変形例3]
上記第1及び第2実施形態では、第1乃至第4排出路Ma~Mdに第5乃至第8開閉弁2e~2hが配置されることとしたが、開閉弁の代わりに逆止弁を用いてもよい。
[Modification 3]
In the first and second embodiments, the fifth to eighth on-off
[変形例4]
各セルスタック11に含まれる各電解セルの空気極にはスイープガスを供給してもよい。スイープガスとしては、空気を用いることができる。スイープガスとして用いられる空気は加圧されていてもよい。
[Modification 4]
A sweep gas may be supplied to the air electrode of each electrolytic cell included in each
[変形例5]
上記第1実施形態では、複数のセルスタック11には定常電力が互いに異なる2以上のセルスタックが含まれることとしたが、全てのセルスタック11の定常電力が同じであってもよい。ただし、定常電力が互いに異なる2以上のセルスタックが複数のセルスタック11に含まれている場合の方が供給電力の減少量に対応しやすいため好ましい。
[Modification 5]
In the above first embodiment, the
[変形例6]
上記第2実施形態では、複数のセルスタック11には定常生成ガス量が互いに異なる2以上のセルスタックが含まれることとしたが、全てのセルスタック11の定常生成ガス量が同じであってもよい。ただし、定常生成ガス量が互いに異なる2以上のセルスタックが複数のセルスタック11に含まれている場合の方が必要生成ガス量の減少量に対応しやすいため好ましい。
[Modification 6]
In the second embodiment described above, the
1,1a 電解セルシステム
10 電解装置
11 セルスタック
20 原料ガス源
30,30a 電源
40,40a 制御装置
41,41a 記憶部
42,42a 選別部
43,43a 電力制御部
44,44a ガス制御部
50 反応器
Claims (8)
前記複数のセルスタックの運転を制御する制御装置と、
前記複数のセルスタックに電力を供給する電源と、
を備え、
前記複数のセルスタックは、電気的に並列に接続されており、
前記制御装置は、前記複数のセルスタックのうち、熱中立電圧近傍で定常運転するために必要とされる定常電力の合計が前記電源からの供給電力の減少量に近似する1以上のセルスタックの運転を休止させる、
電解セルシステム。
a plurality of cell stacks for generating a product gas containing hydrogen by electrolyzing a raw material gas containing water;
a control device for controlling the operation of the plurality of cell stacks;
a power source that supplies power to the plurality of cell stacks;
Equipped with
The plurality of cell stacks are electrically connected in parallel,
the control device suspends operation of one or more of the cell stacks, the total steady-state power required for steady-state operation near a thermal neutral voltage of which is close to an amount of reduction in the power supply from the power source.
Electrolysis cell system.
請求項1に記載の電解セルシステム。
the plurality of cell stacks include two or more cell stacks each having a different steady-state power required for steady-state operation near a thermal neutral voltage;
2. The electrolysis cell system of claim 1.
前記複数のセルスタックの運転を制御する制御装置と、
前記複数のセルスタックにおいて生成された生成ガスを用いて所望の有機資源を合成する反応器と、
を備え、
前記複数のセルスタックは、電気的に並列に接続されており、
前記制御装置は、前記複数のセルスタックのうち、熱中立電圧近傍で定常運転したときに生成される定常生成ガス量の合計が前記反応器において必要とされる必要生成ガス量の減少量に近似する1以上のセルスタックの運転を休止させる、
電解セルシステム。
a plurality of cell stacks for generating a product gas containing hydrogen by electrolyzing a raw material gas containing water;
a control device for controlling the operation of the plurality of cell stacks;
a reactor for synthesizing a desired organic resource using a product gas generated in the plurality of cell stacks;
Equipped with
The plurality of cell stacks are electrically connected in parallel,
the control device suspends operation of one or more cell stacks among the plurality of cell stacks, the sum of the steady-state generated gas amounts generated during steady-state operation near a thermal neutral voltage being approximate to a reduction in the required generated gas amount required in the reactor;
Electrolysis cell system.
請求項3に記載の電解セルシステム。
the plurality of cell stacks include two or more cell stacks having mutually different amounts of steady-state generated gas generated during steady-state operation near a thermal neutral voltage;
4. The electrolysis cell system of claim 3.
請求項1乃至4のいずれかに記載の電解セルシステム。
Each of the plurality of cell stacks is composed of a plurality of solid oxide electrolysis cells.
5. An electrolytic cell system according to any one of claims 1 to 4.
請求項5に記載の電解セルシステム。
Each of the plurality of solid oxide electrolysis cells is a metal-supported electrolysis cell.
6. The electrolysis cell system of claim 5.
請求項5に記載の電解セルシステム。
each of the plurality of solid oxide electrolysis cells is a co-electrolysis cell;
6. The electrolysis cell system of claim 5.
前記複数の固体酸化物型電解セルの中から前記1以上のセルスタックを選別する工程と、
前記1以上のセルスタックを休止し、かつ、前記1以上のセルスタック以外のセルスタックを運転する工程と、
を備える電解セルシステムの運転方法。 A method for operating an electrolytic cell system according to any one of claims 1 to 4, comprising the steps of:
selecting the one or more cell stacks from the plurality of solid oxide electrolysis cells;
shutting down the one or more cell stacks and operating cell stacks other than the one or more cell stacks;
A method for operating an electrolysis cell system comprising:
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PCT/JP2023/040178 WO2025099844A1 (en) | 2023-11-08 | 2023-11-08 | Electrolytic cell system and operation method therefor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PCT/JP2023/040178 WO2025099844A1 (en) | 2023-11-08 | 2023-11-08 | Electrolytic cell system and operation method therefor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2025099844A1 true WO2025099844A1 (en) | 2025-05-15 |
Family
ID=95695622
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/JP2023/040178 Pending WO2025099844A1 (en) | 2023-11-08 | 2023-11-08 | Electrolytic cell system and operation method therefor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| WO (1) | WO2025099844A1 (en) |
Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001335982A (en) * | 2000-05-25 | 2001-12-07 | Honda Motor Co Ltd | Operating method of water electrolysis system |
| JP2005126792A (en) * | 2003-10-27 | 2005-05-19 | Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd | Hydrogen production facility |
| JP2013049600A (en) * | 2011-08-31 | 2013-03-14 | Hitachi Ltd | Renewable energy storage system |
| JP2015151561A (en) * | 2014-02-12 | 2015-08-24 | 高砂熱学工業株式会社 | Hydrogen production device, and operation method of the same |
| JP2016518519A (en) * | 2013-03-19 | 2016-06-23 | シーメンス アクチエンゲゼルシヤフトSiemens Aktiengesellschaft | Electrolysis stack and electrolysis device |
| JP2017179557A (en) * | 2016-03-31 | 2017-10-05 | 株式会社東芝 | Hydrogen production system |
| JP2020041202A (en) * | 2018-09-13 | 2020-03-19 | 東芝エネルギーシステムズ株式会社 | Hydrogen production apparatus and hydrogen production method |
| JP2023536351A (en) * | 2020-08-04 | 2023-08-24 | ヴァーサ パワー システムズ リミテッド | Solid oxide electrolysis cell system and method of operating solid oxide electrolysis cell system |
| WO2023181692A1 (en) * | 2022-03-23 | 2023-09-28 | 株式会社デンソー | Hydrogen production system |
-
2023
- 2023-11-08 WO PCT/JP2023/040178 patent/WO2025099844A1/en active Pending
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001335982A (en) * | 2000-05-25 | 2001-12-07 | Honda Motor Co Ltd | Operating method of water electrolysis system |
| JP2005126792A (en) * | 2003-10-27 | 2005-05-19 | Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd | Hydrogen production facility |
| JP2013049600A (en) * | 2011-08-31 | 2013-03-14 | Hitachi Ltd | Renewable energy storage system |
| JP2016518519A (en) * | 2013-03-19 | 2016-06-23 | シーメンス アクチエンゲゼルシヤフトSiemens Aktiengesellschaft | Electrolysis stack and electrolysis device |
| JP2015151561A (en) * | 2014-02-12 | 2015-08-24 | 高砂熱学工業株式会社 | Hydrogen production device, and operation method of the same |
| JP2017179557A (en) * | 2016-03-31 | 2017-10-05 | 株式会社東芝 | Hydrogen production system |
| JP2020041202A (en) * | 2018-09-13 | 2020-03-19 | 東芝エネルギーシステムズ株式会社 | Hydrogen production apparatus and hydrogen production method |
| JP2023536351A (en) * | 2020-08-04 | 2023-08-24 | ヴァーサ パワー システムズ リミテッド | Solid oxide electrolysis cell system and method of operating solid oxide electrolysis cell system |
| WO2023181692A1 (en) * | 2022-03-23 | 2023-09-28 | 株式会社デンソー | Hydrogen production system |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Posdziech et al. | Efficient hydrogen production for industry and electricity storage via high-temperature electrolysis | |
| Schiller et al. | Solar heat integrated solid oxide steam electrolysis for highly efficient hydrogen production | |
| KR102496027B1 (en) | Methods and systems for providing hydrogen, electricity, and co-production | |
| Lanzini et al. | Experimental investigation of direct internal reforming of biogas in solid oxide fuel cells | |
| Ferrero et al. | A comparative assessment on hydrogen production from low-and high-temperature electrolysis | |
| KR102423015B1 (en) | Multi power generation system responsive to power demand and operation methd for the same | |
| CN109565065B (en) | Fuel cell duty cycle for supporting an electrical grid | |
| JP6881007B2 (en) | Power storage and supply system | |
| US10573907B2 (en) | Load-following fuel cell system with energy storage | |
| Harman et al. | 1MW-class solid oxide electrolyser system prototype for low-cost green hydrogen | |
| JP2013527555A (en) | How to operate a cogeneration facility | |
| Tomberg et al. | Operation of a solid oxide fuel cell reactor with multiple stacks in a pressured system with fuel gas recirculation | |
| Beck et al. | Conception of a new 4-quadrant hydrogen compressed air energy storage power plant with an integrated electrolyzer | |
| US11387472B2 (en) | Energy management system | |
| Milewski et al. | Pilot-scale SOE-MCFC hybrid system for Co2/H2 mixture production–First experiences in the “Tennessee” project | |
| WO2025099844A1 (en) | Electrolytic cell system and operation method therefor | |
| Krumdieck et al. | Solid oxide fuel cell architecture and system design for secure power on an unstable grid | |
| US20220389598A1 (en) | Hydrogen production apparatus and hydrogen production method | |
| Song et al. | The study on the role of reversible solid oxide cell (rSOC) in sector-coupling of energy systems | |
| Leeper | The hybrid cycle: integration of a fuel cell with a gas turbine | |
| KR20140032721A (en) | Fuel cell system and method for operating the same | |
| Ondrejička et al. | Fuel cells as backup power supply for production processes | |
| Natesan et al. | Optimization and Performance Evaluation of Open Cathode Multi-Stack PEM Fuel Cell Systems | |
| KR20200123884A (en) | Solid oxide fuel cell system using ballast water treatment system | |
| JP2006134767A (en) | Solid oxide fuel cell system |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 23958248 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |