JP6937096B2 - 水素製造システム - Google Patents

Description

実施形態は、水素製造システムに関する。

近年、再生可能エネルギーを利用した水素の製造が試みられている。再生可能エネルギーとは、風力及び太陽光等の自然界によって永続的に補充されるエネルギーをいう。再生可能エネルギーを利用した発電施設、例えば、山間部に設けられた風力発電機、及び砂漠に設けられた太陽電池パネル等の近傍に水素製造装置を設置し、これらの発電施設から供給される電力を用いて水を電気分解することにより水素を製造し、製造した水素を消費地まで運搬して、そこで燃料電池や燃料電池車に供給する。このようなシステムを確立することにより、既存の電力系統が到達していない僻地に発電施設を建設し、再生可能エネルギーを有効に収集することができる。また、電力を一旦水素に変換することにより、貯蔵が容易になり、発電時と消費時を一致させる必要がなくなる。

しかしながら、再生可能エネルギーを利用した発電施設の多くは、出力電力が不安定である。例えば、風力発電機の出力電力は風に依存し、太陽電池パネルの出力電力は日照に依存する。出力電力が不安定であると、水素製造システムがうまく稼働せず、より純度が高い水素ガスを安定して製造することが困難になる場合がある。

特許第４５２３１１６号公報 特許第４４０６８６６号公報

「水電解法による水素製造とそのコスト」阿部勲夫、水素エネルギーシステム ｖｏｌ．３３、Ｎｏ．１（２００８）ｐ．１９−２６ 「再生可能エネルギーを活用する水素貯蔵システム」渡邉久夫 他、東芝レビューＶｏｌ．６８ Ｎｏ７（２０１３）ｐ．３５−３８ 株式会社神鋼環境ソリューション ホームページ、http://www.kobelco-eco.co.jp/product/suisohassei/hhog_qa.html#Q1 「エレクトロケミストリー」馬場宣良 他、米田出版（１９９９）ｐ．９

実施形態の目的は、供給される電力が不安定であっても、より純度が高い水素ガスを安定して製造できる水素製造システムを提供することである。

実施形態に係る水素製造システムは、再生可能エネルギーを利用した発電施設によって生成された第１電力が供給され、直流の第２電力を出力する整流装置と、前記第２電力が供給されてアルカリ性水溶液を電気分解する複数のセルを有する電解槽と、前記複数のセルの陰極側に接続されたバッファタンクと、吸気口が前記バッファタンクに接続され、気体を圧縮するコンプレッサと、前記複数のセルのそれぞれに前記第２電力を供給するか否かを選択すると共に、前記コンプレッサの処理能力を制御する制御装置と、前記複数のセルの陰極側に接続され、前記気体と前記アルカリ性水溶液とを分離する陰極ガス気液分離室と、前記陰極ガス気液分離室と前記バッファタンクとの間に接続され、前記陰極ガス気液分離室から排出された前記気体からアルカリ成分を除去する洗浄塔と、を備える。前記バッファタンクの容量は、１つの前記セルが前記コンプレッサの処理能力の切替時間に生成する水素ガスの生成量以上である。前記制御装置が前記第２電力が供給される前記セルの数を増加させたときは、前記コンプレッサが前記バッファタンク内の水素ガスを消費し、前記制御装置が前記第２電力が供給される前記セルの数を減少させたときは、前記バッファタンクが水素ガスを蓄積することにより、前記コンプレッサの吸気口における水素ガスの圧力を一定範囲内に保つ。

第１の実施形態に係る水素製造システムを示すブロック図である。 第１の実施形態の整流装置を示すブロック図である。 第１の実施形態のアルカリ水電解装置を示すブロック図である。 第１の実施形態のセルを示す断面図である。 第１の実施形態に係る水素製造システムを示す図である。 第１の実施形態に係る水素製造システムを示す斜視図である。 （ａ）〜（ｃ）は、横軸に時間をとり、縦軸に電力をとって、各電力の時間変動を示すグラフ図である。 第２の実施形態に係る水素製造システムを示す図である。

（第１の実施形態）
先ず、第１の実施形態について説明する。
本実施形態に係る水素製造システムは、アルカリ電解方式により水を電気分解することにより、水素ガスを製造するシステムである。

図１は、本実施形態に係る水素製造システムを示すブロック図である。
図２は、本実施形態の整流装置を示すブロック図である。
図３は、本実施形態のアルカリ水電解装置を示すブロック図である。
図４は、本実施形態のセルを示す断面図である。
図５は、本実施形態に係る水素製造システムを示す図である。
図６は、本実施形態に係る水素製造システムを示す斜視図である。
なお、図３においては、図示の便宜上、電流及び信号の流れは二点鎖線で示し、気体の流れは一点鎖線で示し、液体の流れは実線で示している。図５には、セルの選択動作に直接関係する構成要素のみを示している。図６には、比較的大型の構成要素のみを示しており、小型の構成要素及び配管は、図示を省略している。

図１に示すように、本実施形態に係る水素製造システム１は、発電施設１００の近くに設置されている。発電施設１００は再生可能エネルギーを利用した発電施設であり、例えば、風力発電施設又は太陽光発電施設である。発電施設１００は僻地に設置されており、従って、水素製造システム１も僻地に設置されている。なお、本明細書において「僻地」とは、既存の電力系統に接続されていない土地をいう。僻地は、例えば、山間部及び離島等の都会から遠く離れた土地である。発電施設１００は、交流電力Ｐ１を不安定に出力する。

水素製造システム１においては、整流装置１１、アルカリ水電解装置１２、水素タンク１３及び制御装置１４が設けられている。
整流装置１１は、発電施設１００から交流電力Ｐ１が供給されて、直流電力Ｐ２及び交流電力Ｐ３を出力する。

アルカリ水電解装置１２は、整流装置１１から直流電力Ｐ２及び交流電力Ｐ３が供給され、外部から水が供給されて、水素を製造する。水素と共に生成される酸素は外部に排気する。アルカリ水電解装置１２に供給される水は、例えば、上水道が施設されている場合には上水道水、上水道が施設されていない場合には地下水又は外部から搬入された水である。以下、これらの上水道水、地下水、外部から搬入された水等を総称して「一般水」という。

水素タンク１３は、アルカリ水電解装置１２により製造された水素を貯蔵する。
制御装置１４は、整流装置１１及びアルカリ水電解装置１２との間で信号をやりとりし、整流装置１１及びアルカリ水電解装置１２を制御する。制御装置１４は、発電施設１００との間で信号をやりとりしてもよく、発電施設１００を制御してもよい。

図２に示すように、整流装置１１においては、受電盤２１、整流器２２、変圧器２３及び分電盤２４が設けられている。受電盤２１は、発電施設１００（図１参照）から交流電力Ｐ１が供給され、これを分電して整流器２２及び変圧器２３に出力する。整流器２２は、供給された交流電力を直流電力Ｐ２に変換して出力する。また、整流器２２内には蓄電池２５が設けられており、直流電力Ｐ２を蓄積することができる。蓄電池２５は、例えば、東芝製リチウムイオン蓄電システムＩＰＣＳ−ＬＩＢ−Ｓ２５０により構成することができる。変圧器２３は、受電盤２１から供給された交流電力の電圧を調整し、分電盤２４に出力する。分電盤２４は、変圧器２３から供給された交流電力を所定の規格電圧を持つ交流電力Ｐ３に変換して出力する。交流電力Ｐ３の電圧は、例えば、２００Ｖである。

図３に示すように、アルカリ水電解装置１２においては、電解槽３２、陰極ガス気液分離室３３、陽極ガス気液分離室３４、及び、電解液循環タンク３５が設けられている。電解槽３２の内部は、複数のセル７０に区画されている。陰極ガス気液分離室３３はセル７０と同数設けられている。なお、図示の便宜上、図３においては、陰極ガス気液分離室３３は１つしか描かれていない。

電解槽３２は、電解液であるアルカリ性水溶液Ｓ、例えば、濃度が２５質量％の水酸化カリウム水溶液（ＫＯＨ）を保持している。そして、整流装置１１の整流器２２から直流電力Ｐ２が供給されると、アルカリ性水溶液Ｓを電気分解し、水素ガス（Ｈ_２）及び酸素ガス（Ｏ_２）を生成する。

図４に示すように、電解槽３２の各セル７０は、隔膜７１によって、陰極側空間７４と陽極側空間７５に区画されている。隔膜７１は、水は通過させるが気体はあまり通過させない膜であり、例えば、ＰＥＴ（PolyEthylene Terephthalate）からなる高分子フィルムの両面に高分子不織布が貼り合わされた膜である。陰極側空間７４内には陰極電極７２が設けられており、陽極側空間７５内には陽極電極７３が設けられている。陰極電極７２と陽極電極７３は、隔膜７１を挟んで対向している。各セル７０は密閉されており、陰極側空間７４の天井部分には、水素管５１の一端が接続されており、陽極側空間７５の天井部分には、酸素管５２の一端が接続されている。

図３に示すように、陰極ガス気液分離室３３には、水素管５１の他端が接続されている。これにより、陰極ガス気液分離室３３には、電解槽３２の各セル７０から水素管５１を介して水素ガス及びアルカリ性水溶液Ｓが混合した状態で流入する。水素ガスとアルカリ性水溶液Ｓは、陰極ガス気液分離室３３内で分離される。すなわち、アルカリ性水溶液Ｓは陰極ガス気液分離室３３の下部に落ち、水素ガスは陰極ガス気液分離室３３の上部に集まる。

陽極ガス気液分離室３４には、酸素管５２の他端が接続されている。これにより、陽極ガス気液分離室３４には、電解槽３２の各セル７０から酸素管５２を介して酸素ガス及びアルカリ性水溶液Ｓが混合した状態で流入する。酸素ガスとアルカリ性水溶液Ｓは、陽極ガス気液分離室３４内で分離される。すなわち、アルカリ性水溶液Ｓは陽極ガス気液分離室３４の下部に落ち、酸素ガスは陽極ガス気液分離室３４の上部に集まる。

陰極ガス気液分離室３３の下部、例えば底面には、電解液管５３の一端が接続されている。電解液管５３の他端は、電解液循環タンク３５に接続されている。一方、陽極ガス気液分離室３４の下部、例えば底面には、電解液管５４の一端が接続されている。電解液管５４の他端は、電解液循環タンク３５に接続されている。これにより、電解液循環タンク３５には、陰極ガス気液分離室３３及び陽極ガス気液分離室３４からアルカリ性水溶液Ｓが流入する。

電解液循環タンク３５はアルカリ性水溶液Ｓを保持している。電解液循環タンク３５には水位計（図示せず）が取り付けられている。電解液循環タンク３５の下部と電解槽３２の下部との間には、電解液管５５が接続されている。電解液管５５には、ポンプ３６が介在している。そして、ポンプ３６が作動することにより、電解液循環タンク３５から電解液管５５を介して電解槽３２にアルカリ性水溶液Ｓが供給される。すなわち、ポンプ３６が作動することにより、（電解槽３２→陰極ガス気液分離室３３又は陽極ガス気液分離室３４→電解液循環タンク３５→電解槽３２）の経路で、アルカリ性水溶液Ｓが循環する。

アルカリ水電解装置１２には、エアポンプ３７が設けられている。エアポンプ３７の吸入口は大気に開放されており、エアポンプ３７の排気口は空気管５６を介して電解液循環タンク３５に接続されている。また、電解液循環タンク３５の上部、例えば天井部分には、空気管５７の一端が接続されている。空気管５７の他端は外部に配置されている。これにより、エアポンプ３７が作動すると、電解液循環タンク３５内の空気が排出され、新しい空気と入れ替わる。

アルカリ水電解装置１２においては、外部から一般水が供給され、この一般水から純水Ｗを製造する純水製造装置３８が設けられている。純水製造装置３８と電解液循環タンク３５との間には、純水管５８が接続されている。これにより、純水製造装置３８から純水管５８を介して、電解液循環タンク３５に純水Ｗが供給される。純水Ｗの電気伝導度は、例えば、１０μＳ／ｃｍ（マイクロジーメンス毎センチメートル）以下である。

アルカリ水電解装置１２には、洗浄塔４１、ポンプ４２及び洗浄液タンク４３が設けられている。洗浄塔４１及びポンプ４２は、それぞれ、電解槽３２のセル７０と同数設けられている。なお、図示の便宜上、図３においては、洗浄塔４１及びポンプ４２はそれぞれ１つしか描かれていない。

陰極ガス気液分離室３３の上部、例えば天井部分と洗浄塔４１との間には、水素管６１が接続されている。洗浄塔４１は、陰極ガス気液分離室３３によって分離され、水素管６１によって供給された水素ガスに対して、洗浄液Ｃをシャワーにより吹きかけて、アルカリ成分を除去する。洗浄液Ｃは、例えば純水である。

また、洗浄塔４１の下部、例えば床面と、上部、例えば天井部分との間には、洗浄液管６２が接続されている。洗浄液管６２の途中には、ポンプ４２が介在している。洗浄塔４１及びポンプ４２は、洗浄液管６２によって閉じたループ経路を構成している。ポンプ４２は、洗浄塔４１の下部から洗浄液Ｃを汲み上げ、洗浄塔４１の上部の気相部分に対して噴射する。これにより、ポンプ４２は、洗浄塔４１内に保持された洗浄液Ｃを循環させる。洗浄液タンク４３は、洗浄液Ｃを保持し、必要に応じて洗浄液Ｃを洗浄塔４１に供給する。洗浄塔４１と洗浄液タンク４３との間には、洗浄液管６３が接続されている。

アルカリ水電解装置１２には、バッファタンク４４が設けられている。バッファタンク４４は、製造された水素ガスを一時的に貯蔵する容器であり、入口４４ｉ及び出口４４ｏが設けられている。バッファタンク４４における入口４４ｉから出口４４ｏに向かう方向に対して直交する断面の面積は、水素管６４の流通方向に直交する断面の面積の合計よりも大きい。

バッファタンク４４の容量は、１つのセル７０が後述するコンプレッサ４５の処理能力の切替時間（分）に生成する水素ガスの生成量（Ｎｍ^３）以上であることが好ましい。バッファタンク４４の容量を、切替時間中に１つのセル７０が生成する水素ガスの生成量以上とすることにより、後述するように、スタック数Ｎを１だけ変化させて、１つのセル７０の稼働を開始又は停止させたときに、この１つのセル７０による水素ガスの供給量の変動分をバッファ４４により吸収することができる。また、必要な数だけのセル７０、又は、全てのセル７０の稼動を同時に開始又は停止させる場合には、バッファタンク４４の容量は、各々の場合において、それらに応じた分の容量とすればよい。

バッファタンク４４の入口４４ｉは、複数の洗浄塔４１の全てに接続されている。洗浄塔４１の上部、例えば天井部分とバッファタンク４４の入口４４ｉとは、水素管６４により接続されている。水素管６４には、電磁バルブ６５が介在している。電磁バルブ６５の開閉は、制御装置１４（図１参照）によって制御される。

図３及び図５に示すように、アルカリ水電解装置１２には、コンプレッサ４５、チラー４６及びドライヤ４７が設けられている。バッファタンク４４の出口４４ｏとコンプレッサ４５の吸気口とは、水素管６６により接続されている。コンプレッサ４５は、洗浄塔４１から排出され、バッファタンク４４を介して供給された水素ガスを圧縮する。コンプレッサ４５には、例えば、モータ４５ｍ及びインバータ回路４５ｉが設けられており、制御装置１４からの指令によって処理能力を変化させることができる。

チラー４６はコンプレッサ４５を冷却する。コンプレッサ４５の排気口とドライヤ４７の吸気口との間には、水素管６７が接続されている。ドライヤ４７は、コンプレッサ４５により圧縮され水素管６７を介して供給された水素ガスを精製する。ドライヤ４７内には、水素ガス中の不純物、例えば、水分を化学吸着させて取り除くフィルタ（図示せず）が設けられている。ドライヤ４７の排気口は、水素管６８を介してアルカリ水電解装置１２の外部に引き出され、水素タンク１３（図１参照）に接続されている。

一方、陽極ガス気液分離室３３の上部、例えば天井部分には、酸素管６９の一端が接続されている。酸素管６９の他端は、アルカリ水電解装置１２の外部において開口しており、排気口となっている。

図５に示すように、アルカリ水電解装置１２には、整流装置１１から供給された直流電力Ｐ２を電解槽３２の各セル７０に供給するスイッチ回路４８が設けられている。スイッチ回路４８においては、セル７０と同数のスイッチ４９と、スイッチ４９の開閉を制御するスタック制御部５０が設けられている。スタック制御部５０は、制御装置１４から入力される命令によって動作する。スイッチ回路４８は、例えば、東芝製直流高速度真空遮断装置ＨＳ−１Ｒ５０によって構成することができる。

電解槽３２の複数のセル７０は、整流装置１１の整流器２２に対して、直列に接続され得る。すなわち、一列に配列された複数のセル７０のうち、片方の端に配置されたセル７０の陽極電極７３は整流器２２の正極に接続されており、それ以外のセル７０の陽極電極７３は、隣のセル７０の陰極電極７２に接続されている。隣り合うセル７０間のノードは、スイッチ４９の一端に接続されている。また、一列に配列された複数のセル７０のうち、他方の端に配置されたセル７０の陰極電極７２も、スイッチ４９の一端に接続されている。全てのスイッチ４９の他端は、整流器２２の負極に接続されている。

次に、本実施形態に係る水素製造システムの動作、すなわち、本実施形態に係る水素製造方法について説明する。
図７（ａ）〜（ｃ）は、横軸に時間をとり、縦軸に電力をとって、各電力の時間変動を示すグラフ図である。

図１及び図７（ａ）に示すように、発電施設１００は交流電力Ｐ１を発電する。交流電力Ｐ１は、水素製造システム１の整流装置１１に供給される。交流電力Ｐ１の出力は不安定であり、短周期の変動と長周期の変動を含んでいる。例えば、短周期の変動とは周期が１分間未満の変動であり、長周期の変動とは周期が１分間以上の変動である。発電施設１００が風力発電施設である場合は、短周期の変動は刻々と変化する風向き及び風速による変動であり、長周期の変動は天候の変化、季節の変化等による変動である。また、発電施設１００が太陽光発電施設である場合は、短周期の変動は雲の具合で変化する日照量による変動であり、長周期の変動は昼間と夜間の変化、天候の変化、季節の変化等による変動である。

図３に示すように、アルカリ水電解装置１２の初期状態においては、電解液循環タンク３５内及び電解槽３２内にアルカリ性水溶液Ｓが保持されている。アルカリ性水溶液Ｓは例えば濃度が２５質量％の水酸化カリウム水溶液である。また、純水製造装置３８には、水素製造システム１の外部から一般水、例えば、地下水が供給される。更に、洗浄塔４１内及び洗浄液タンク４３内には、洗浄液Ｃが保持されている。

この状態で、図１及び図２に示すように、制御装置１４が整流装置１１を作動させる。これにより、整流装置１１に供給された交流電力Ｐ１は、受電盤２１によって整流器２２と変圧器２３に分配される。図７（ａ）に示すように、整流器２２に供給された交流電力は、蓄電池２５を介することにより、短周期の変動が吸収される。これにより、図７（ｂ）に示すように、整流器２２によって、短周期の変動が抑制された直流電力Ｐ２が生成される。直流電力Ｐ２は、交流電力Ｐ１に含まれていた長周期の変動は含んでいる。一方、変圧器２３に入力された交流電力は、変圧器２３によって電圧が調整され、分電盤２４に向けて出力される。分電盤２４に入力された交流電力は、所定の規格電圧を持つ交流電力Ｐ３に変換される。このようにして、整流装置１１は、アルカリ水電解装置１２に対して、直流電力Ｐ２及び交流電力Ｐ３を出力する。

図３に示すように、制御装置１４（図１参照）は、交流電力Ｐ３により、アルカリ水電解装置１２の補器類、すなわち、ポンプ３６、ポンプ４２、コンプレッサ４５及びチラー４６を作動させる。ポンプ３６が作動することにより、電解液循環タンク３５内に保持されているアルカリ性水溶液Ｓが電解液管５５を介して電解槽３２内に供給される。ポンプ４２が作動することにより、洗浄液Ｃが洗浄塔４１とポンプ４２との間で循環し、洗浄塔４１の上部内において、洗浄液Ｃが気相中に噴射される。コンプレッサ４５が作動することにより、コンプレッサ４５の吸気口に流入した気体を圧縮して排気口から排出する。チラー４６が作動することにより、コンプレッサ４５を冷却する。

図５に示すように、制御装置１４は、スイッチ回路４８のスタック制御部５０に指令を出して、いずれか１つのスイッチ４９を閉じ、他のスイッチ４９を開く。これにより、電解槽３２における１つ以上のセル７０が整流器２２に直列に接続される。この結果、これらのセル７０には、直流電力Ｐ２が供給される。また、制御装置１４は、複数の電磁バルブ６５のうち、直流電力Ｐ２が供給されるセル７０に接続された電磁バルブ６５を開き、他の電磁バルブ６５を閉じる。

図４に示すように、電解槽３２に直流電力Ｐ２が供給されることにより、電解槽３２の陰極電極７２と陽極電極７３との間に電流が流れ、アルカリ性水溶液Ｓ中の水分が電気分解される。これにより、陰極電極７２側に水素ガスが発生すると共に、陽極電極７３側に酸素ガスが発生する。この結果、電解槽３２内のアルカリ性水溶液Ｓ中の水分が消費され、セル７０における陰極側空間７４の上部に水素ガスが溜まり、陽極側空間７５の上部に酸素ガスが溜まる。なお、このとき、陰極側空間７４内で発生した水素ガスの一部は、隔壁７１を介して陽極側空間７５内に移動し、陽極側空間７５内で発生した酸素ガスの一部は、隔壁７１を介して陰極側空間７４内に移動する。これらの移動量は主として隔壁７１の性質によって決定される。

そして、図３に示すように、電解槽３２の各セル７０における陰極側空間７４（図４参照）の上部から、水素ガス及びアルカリ性水溶液Ｓが押し出され、水素管５１を介して陰極ガス気液分離室３３内に流入し、水素ガスとアルカリ性水溶液Ｓとに分離される。また、電解槽３２の各セル７０における陽極側空間７５（図４参照）の上部から、酸素ガス及びアルカリ性水溶液Ｓが押し出され、酸素管５２を介して陽極ガス気液分離室３４内に流入し、酸素ガスとアルカリ性水溶液Ｓとに分離される。

陰極ガス気液分離室３３内に蓄積したアルカリ性水溶液Ｓは、電解液管５３を介して電解液循環タンク３５に戻る。また、陽極ガス気液分離室３４内に蓄積したアルカリ性水溶液Ｓは、電解液管５４を介して電解液循環タンク３５に戻る。このようにして、ポンプ３６が作動することにより、（電解液循環タンク３５→電解槽３２→陰極ガス気液分離室３３→電解液循環タンク３５）及び（電解液循環タンク３５→電解槽３２→陽極ガス気液分離室３４→電解液循環タンク３５）の経路で、アルカリ性水溶液Ｓが循環する。

このとき、電気分解に伴ってアルカリ性水溶液Ｓ中の水分が減少し、電解液循環タンク３５の水位が低下する。このため、電解液循環タンク３５に取り付けられた水位計の出力に基づいて、純水製造装置３８が作動し、一般水から純水Ｗを製造し、純水管５８を介して電解液循環タンク３５に補充する。この結果、アルカリ性水溶液Ｓの濃度は、常に一定範囲内に維持される。

陽極ガス気液分離室３４により分離された酸素ガスは、酸素管６９を介して水素製造システム１の外部に排気される。また、陰極ガス気液分離室３３により分離された水素ガスは、水素管６１を介して洗浄塔４１内に導入される。洗浄塔４１内に導入された水素ガスは、洗浄液Ｃのシャワーを浴び、残留していたアルカリ成分が洗浄液Ｃ中に溶け込んで除去される。この結果、水素ガスのアルカリ成分が除去される。

洗浄塔４１内でアルカリ成分が除去された水素ガスは、水素管６４及び電磁バルブ６５を介してバッファタンク４４内に蓄積される。そして、バッファタンク４４から水素管６６を介してコンプレッサ４５に送られ、コンプレッサ４５によって例えば０．８ＭＰａ（メガパスカル）まで圧縮されて、水素管６７を介してドライヤ４７に送られる。ドライヤ４７においては、水素ガスがフィルタを通過することにより水分等の不純物が除去される。そして、水素管６８を介して水素タンク１３（図１参照）に送られ、水素タンク１３内に貯蔵される。このようにして、水素発生システム１は、外部から電力及び一般水が供給されることにより、水素ガスを製造することができる。水素タンク１３に貯蔵された水素ガスは、時々、例えば水素ローリー車等に充填されて、消費地まで輸送される。

次に、交流電力Ｐ１の長周期の変動に対する動作について説明する。
図７（ａ）に示すように、交流電力Ｐ１が長周期的に増加すると、直流電力Ｐ２も増加する。このとき、図５に示すように、制御装置１４（図１参照）は整流器２２からの信号により直流電力Ｐ２の増加を検知し、スタック制御部５０に対して指令を出すことにより、閉じるスイッチ４９を変更して、整流器２２に直列に接続されるセル７０の数（以下、「スタック数」ともいう）を増やす。一方、交流電力Ｐ１が長周期的に減少すると、直流電力Ｐ２も減少する。このときは、制御装置１４はスタック制御部５０に指令を出し、スタック数を減らす。このようにして、図７（ｃ）に示すように、制御装置１４は直流電力Ｐ２の長周期の変動に対応させてスタック数を変化させる。

また、図５に示すように、制御装置１４は、直流電力Ｐ２が供給されるセル７０に接続された電磁バルブ６５を開き、直流電力Ｐ２が供給されないセル７０に接続された電磁バルブ６５を閉じる。更に、制御装置１４は、コンプレッサ４５のインバータ回路４５ｉに対して指令を出す。これにより、モータ４５ｍの回転数を制御して、コンプレッサ４５の処理能力を、電解槽３２によって生成される水素ガスの総量に応じた能力に調整する。

電解槽３２において水の電解に必要な電力をＷとし、整流器２２に直列に接続されたセル７０の数（スタック数）をＮとし、１つのセル７０において消費するセル電圧をＶとし、セル７０に流れるセル電流をＡとするとき、下記数式１が成立する。従って、セル７０に流れるセル電流Ａは、下記数式２によって与えられる。

セル電圧Ｖはセル７０内の電極特性によって決まる電圧であるため、略一定である。このため、仮にスタック数Ｎを一定とすると、直流電力Ｐ２の電力Ｗの変動に伴ってセル電流Ａが変動してしまう。

セル電流Ａが減少すると、セル７０において発生する水素ガス及び酸素ガスの量もセル電流Ａに比例して減少する。しかしながら、図４に示すように、セル７０内において隔壁７１を通過する水素ガス及び酸素ガスの量は、隔壁７１の性質によって決まるため、水素ガスの発生量が減少しても、それほど減少しない。この結果、セル電流Ａが減少して、水素ガスの発生量が減少すると、セル７０から陰極ガス気液分離室３３に流出する水素ガス中における酸素含有量が増加してしまう。これにより、最終的に製造される水素ガスの純度が低下してしまう。

そこで、本実施形態においては、電力Ｗの変動に合わせてスタック数Ｎを切り替える。これにより、上記数式２及び図７（ｃ）に示すように、電力Ｗが変動しても、セル電流Ａを略一定に保つことができる。
また、スタック数Ｎの変更に連動させて、電磁バルブ６５を開閉することにより、駆動しているセル７０によって製造された水素ガスが、バッファタンク４４を介して、駆動していない洗浄塔４１、陰極ガス気液分離室３３及びセル７０に逆流することを防止できる。
更に、スタック数Ｎの変更に連動させて、コンプレッサ４５の処理能力を切り替えることにより、製造された水素ガスを効率的に圧縮することができる。

しかしながら、制御装置１４がスタック数Ｎを切り替えると共にコンプレッサ４５の処理能力を切り替えるタイミングと、コンプレッサ４５の吸気口において水素ガスの供給量が変動するタイミングとの間には、時間差がある。具体的には、スタック数Ｎを増加させて、それまで使用していなかったセル７０の陰極電極７２と陽極電極７３との間に電圧を印加しても、このセル７０において水の電解反応が進行して水素ガスが生成され、この水素ガスが陰極ガス気液分離室３３、洗浄塔４１及びバッファタンク４４を通過してコンプレッサ４５の吸気口に達するまでには時間がかかる。また、スタック数Ｎを減少させて、それまで使用していたセル７０に対する電圧の供給を停止しても、このセル７０の陰極側空間７４に蓄積されていた水素ガスが、陰極ガス気液分離室３３、洗浄塔４１及びバッファタンク４４を通過してコンプレッサ４５の吸気口に達し、コンプレッサ４５に吸気され尽くすまでには時間がかかる。この時間差を「切替時間」という。

そこで、本実施形態においては、コンプレッサ４５の吸気口側にバッファタンク４４を設けている。これにより、上述の切替時間に起因した水素量の変動を吸収することができる。すなわち、スタック数Ｎを増加させたときは、コンプレッサ４５はバッファタンク４４内の水素ガスを消費し、スタック数Ｎを減少させたときは、セル７０、陰極ガス気液分離室３３及び洗浄塔４１に蓄積されていた水素ガスがバッファタンク４４内に蓄積される。これにより、コンプレッサ４５の吸気口における水素ガスの圧力を一定範囲内に保つことができる。

なお、仮にバッファタンク４４が設けられていないと、スタック数Ｎを増加させてコンプレッサ４５の処理能力を増加させたときに、一時的にコンプレッサ４５の吸気口において水素ガスが不足し、圧力が低下する。この結果、セル７０の陰極側空間７４の圧力が低下する。一方、陽極側空間７５の圧力は変わらないため、通常運転時と比較して、陰極側空間７４に対する陽極側空間７５の圧力が高くなり、隔壁７１を介して陽極側空間７５から陰極側空間７４内に進入する酸素ガス量が増加する。これにより、水素ガスの純度が低下してしまう。また、スタック数Ｎを減少させてコンプレッサ４５の処理能力を低下させたときは、一時的にコンプレッサ４５の吸気口において水素ガスが過剰となり、圧力が増加する。この結果、コンプレッサ４５に過剰な負荷を与えてしまう。

上述の如く、バッファタンク４４の容量は、上記切替時間において１つのセル７０が生成する水素ガスの生成量以上とすることが好ましい。１つのセル７０が切替時間中に生成する水素ガスの生成量以上とすることにより、スタック数Ｎを１だけ変化させて、１つのセル７０の稼働を開始又は停止させたときに、この１つのセル７０による水素ガスの供給量の変動分をバッファ４４により吸収することができる。また、必要な数だけのセル７０、又は、全てのセル７０の稼動を同時に開始又は停止させる場合には、バッファタンク４４の容量は、各々の場合において、それらに応じた分の容量とすればよい。

次に、本実施形態の効果について説明する。
本実施形態に係る水素製造システム１においては、蓄電池２５により、発電施設１００によって発電された交流電力Ｐ１の短周期の変動を吸収することができる。また、制御装置１４がスタック制御部５０を介してスイッチ４９を切り替えると共に、コンプレッサ４５の処理能力を調整することにより、交流電力Ｐ１の長周期の変動を吸収することができる。更に、バッファタンク４４により、コンプレッサ４５の吸気口における一時的な水素ガス供給量の変動を吸収することができる。これにより、交流電力Ｐ１が短周期及び長周期で変動しても、所定値以上のセル電流Ａを維持することができると共に、コンプレッサ４５の吸気口における水素ガスの圧力を一定範囲内に保つことができる。この結果、コンプレッサ４５に過剰な負荷をかけることなく、より純度が高い水素ガスを安定して製造し続けることができる。

これにより、再生可能エネルギーを利用した発電施設１００から出力される交流電力Ｐ１を有効に利用して、水素ガスを製造することができる。製造された水素ガスは、貯蔵及び運搬されて、任意の時期及び場所において、例えば燃料電池により電力に再変換することができる。このように、本実施形態に係る水素製造システム１によれば、再生可能エネルギーを有効に利用することができ、社会全体の電力需要に占める再生可能エネルギーの割合を増加させることが可能となる。

また、本実施形態においては、制御装置１４が電磁バルブ６５を制御し、稼働しているセル７０に接続された電磁バルブ６５を開き、稼働していないセル７０に接続された電磁バルブ６５を閉じている。これにより、稼働しているセル７０によって製造された水素ガスが、バッファタンク４４を介して、稼働していないセル７０に逆流することを防止できる。この結果、水素ガスを効率よく製造することができる。

なお、本実施形態のように、セル７０のスタック数Ｎを切り替えて対応するのではなく、単に蓄電池２５を大型化することにより、交流電力Ｐ１の長周期の変動を吸収することも考えられる。しかしながら、この場合は、蓄電池２５のコストが増加してしまい、現実的ではない。例えば、水素ガスの生成量が１００Ｎｍ^３／ｈ程度のアルカリ水電解装置に対しては、出力が６００ｋＷ程度の蓄電池が必要となる。

また、蓄電池２５を設けず、スタック数Ｎ及びコンプレッサ４５の処理能力を頻繁に変更することにより、短周期の変動に対応することも考えられる。しかしながら、この場合は、大電流が流れるスイッチ４９を頻繁に開閉することになり、スイッチ４９が短期間で消耗してしまう。また、コンプレッサ４５は機械的に動作する機器であるため、処理能力を短周期で切り替えることは困難である。

更に、バッファタンク４４を設けず、コンプレッサ４５の処理能力を精密に制御することにより、コンプレッサ４５の吸気口における水素ガスの圧力を平滑化することも考えられる。しかしながら、この場合も、上述の如くコンプレッサ４５を短周期で制御することが困難である。

更にまた、アルカリ電解方式ではなく、固体電解質膜方式によって水素ガスを製造することも考えられる。この場合は、隔壁７１の替わりに、固体電解質膜を使用するため、陽極側空間７５から陰極側空間７４への酸素ガスの混入が少ない。しかしながら、固体電解質膜は例えば白金の粉末を含むため、高価である。また、アルカリ電解方式の場合、純水に要求される電気伝導度は１０μＳ／ｃｍ以下であるが、固体電解質膜方式の場合、純水に要求される電気伝導度は５μＳ／ｃｍ以下である。すなわち、固体電解質膜方式は、アルカリ電解方式と比較して、要求される純水の純度が高い。これらの理由により、固体電解質膜方式は、アルカリ電解方式と比較してコストが高い。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。
図８は、本実施形態に係る水素製造システムを示す図である。

図８に示すように、本実施形態に係る水素製造システム２においては、バッファタンク４４が複数のサブタンク４４ｓに分けられている。各サブタンク４４ｓは各セル７０の陰極側空間７４（図４参照）に接続されている。サブタンク４４ｓにおける入口４４ｉから出口４４ｏに向かう方向に対して直交する断面の面積は、水素管６４の流通方向に直交する断面の面積よりも大きい。また、各サブタンク４４ｓの容量は、コンプレッサ４５の処理能力の切替時間に、１つのセル７０が生成する水素ガスの生成量以上であることが好ましい。

また、サブタンク４４ｓとコンプレッサ４５との間には、サブタンク４４ｓ毎に電磁バルブ７７が設けられている。そして、制御装置１４が、あるセル７０に直流電力Ｐ２を供給するときは、このセル７０に接続された電磁バルブ６５及び７７を開き、制御装置１４が、あるセル７０に対する直流電力Ｐ２の供給を停止するときは、このセル７０に接続された電磁バルブ６５及び７７を閉じる。

本実施形態においては、バッファタンク４４が各セル７０に接続された複数のサブタンク４４ｓに区画されており、サブタンク４４ｓとコンプレッサ４５との間に電磁バルブ７７が設けられていることにより、あるセル７０において水の電解を停止したときに、このセル７０に接続されたサブタンク４４ｓ内に、その時点までに製造された水素ガスを封入することができる。この結果、水素製造システム２全体を停止したときに、サブタンク４４ｓ内に大気が混入することを防止でき、水素製造システム２の再稼働後、短時間で水素ガスの収集を開始することができる。本実施形態における上記以外の構成、動作及び効果は、前述の第１の実施形態と同様である。

以上説明した実施形態によれば、供給される電力が不安定であっても、より純度が高い水素ガスを安定して製造できる水素製造システムを実現することができる。

以上、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及びその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

１、２：水素製造システム、１１：整流装置、１２：アルカリ水電解装置、１３：水素タンク、１４：制御装置、２１：受電盤、２２：整流器、２３：変圧器、２４：分電盤、２５：蓄電池、３２：電解槽、３３：陰極ガス気液分離室、３４：陽極ガス気液分離室、３５：電解液循環タンク、３６：ポンプ、３７：エアポンプ、３８：純水製造装置、
４１：洗浄塔、４２：ポンプ、４３：洗浄液タンク、４４：バッファタンク、４４ｉ：入口、４４ｏ：出口、４４ｓ：サブタンク、４５：コンプレッサ、４５ｉ：インバータ回路、４５ｍ：モータ、４６：チラー、４７：ドライヤ、４８：スイッチ回路、４９：スイッチ、５０：スタック制御部、５１：水素管、５２：酸素管、５３：電解液管、５４：電解液管、５５：電解液管、５６：空気管、５７：空気管、５８：純水管、６１：水素管、６２：洗浄液管、６３：洗浄液管、６４：水素管、６５：電磁バルブ、６６：水素管、６７：水素管、６８：水素管、６９：酸素管、７０：セル、７１：隔膜、７２：陰極電極、７３：陽極電極、７４：陰極側空間、７５：陽極側空間、７７：電磁バルブ、１００：発電施設、Ｃ：洗浄液、Ｐ１：交流電力、Ｐ２：直流電力、Ｐ３：交流電力、Ｓ：アルカリ性水溶液

Claims (6)

1. 再生可能エネルギーを利用した発電施設によって生成された第１電力が供給され、直流の第２電力を出力する整流装置と、
   前記第２電力が供給されてアルカリ性水溶液を電気分解する複数のセルを有する電解槽と、
   前記複数のセルの陰極側に接続されたバッファタンクと、
   吸気口が前記バッファタンクに接続され、気体を圧縮するコンプレッサと、
   前記複数のセルのそれぞれに前記第２電力を供給するか否かを選択すると共に、前記コンプレッサの処理能力を制御する制御装置と、
   前記複数のセルの陰極側に接続され、前記気体と前記アルカリ性水溶液とを分離する陰極ガス気液分離室と、
   前記陰極ガス気液分離室と前記バッファタンクとの間に接続され、前記陰極ガス気液分離室から排出された前記気体からアルカリ成分を除去する洗浄塔と、
   を備え、
   前記バッファタンクの容量は、１つの前記セルが前記コンプレッサの処理能力の切替時間に生成する水素ガスの生成量以上であり、
   前記制御装置が前記第２電力が供給される前記セルの数を増加させたときは、前記コンプレッサが前記バッファタンク内の水素ガスを消費し、前記制御装置が前記第２電力が供給される前記セルの数を減少させたときは、前記バッファタンクが水素ガスを蓄積することにより、前記コンプレッサの吸気口における水素ガスの圧力を一定範囲内に保つ水素製造システム。
2. 前記整流装置は、前記第２電力を蓄積可能な蓄電池を有する請求項１記載の水素製造システム。
3. 前記制御装置はスイッチング機能を有し、前記スイッチング機能によって、前記制御装置は前記複数のセルのそれぞれに前記第２電力を供給するか否かを選択する請求項１または２に記載の水素製造システム。
4. 前記第１電力は交流電力である請求項１〜３のいずれか１つに記載の水素製造システム。
5. 各前記セルと前記バッファタンクとの間に接続されたバルブをさらに備え、
   前記制御装置は、前記第２電力を供給する前記セルに接続された前記バルブを開き、前記第２電力を供給しない前記セルに接続された前記バルブを閉じる請求項１〜４のいずれか１つに記載の水素製造システム。
6. 前記バッファタンクは、前記複数のセルのそれぞれに接続された複数のサブタンクを有する請求項１〜５のいずれか１つに記載の水素製造システム。

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