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JP-2026076775-A - 水素製造装置劣化検知システム

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Abstract

【課題】水素製造装置の劣化を簡便に検知可能な水素製造装置劣化検知システムを提供する 【解決手段】電源部は、第１電流値の電流を電解部に供給した状態から、第１の時点に第１電流値と異なる第２電流値の電流を電解部に供給した後に、第２の時点に第１電流値の電流を電解部へ供給する状態へ戻す。劣化検知部は、第１の時点よりも前に第１電流値の電流が電解部へ供給されたときに電解部電圧測定値として取得される第１の電解部電圧測定値と、第１の時点に第１電流値の電流から第２電流値の電流に切り替えたときに電解部電圧測定値として取得される第２の電解部電圧測定値との差分値を電解部電圧差分値として求め、電解部電圧差分値に応じて、電解部の劣化の検知を行う。 【選択図】図２

Inventors

  • 土屋 直実
  • 山田 和矢
  • 柴崎 理
  • 長田 憲和

Assignees

  • 東芝エネルギーシステムズ株式会社

Dates

Publication Date
20260512
Application Date
20241024

Claims (6)

  1. 電源部から電流供給ラインを介して電解部に電流が供給されることによって水の電解を実行するように構成された水素製造装置の劣化を検知するための水素製造装置劣化検知システムであって、 前記電源部から前記電解部へ電流が供給されたときに前記電解部の電圧を測定することによって取得した電解部電圧測定値に基づいて、前記電解部の劣化の検知を実行するように構成されている、劣化検知部 を備え、 前記電源部は、第１電流値の電流を前記電解部に供給した状態から、第１の時点に前記第１電流値と異なる第２電流値の電流を前記電解部に供給した後に、第２の時点に前記第１電流値の電流を前記電解部へ供給する状態へ戻すように、電力供給を実行し、 前記劣化検知部は、前記第１の時点よりも前に前記第１電流値の電流が前記電解部へ供給されたときに前記電解部電圧測定値として取得される第１の電解部電圧測定値と、前記第１の時点に前記第１電流値の電流から前記第２電流値の電流に切り替えたときに前記電解部電圧測定値として取得される第２の電解部電圧測定値との差分値を電解部電圧差分値として求め、前記電解部電圧差分値に応じて、前記電解部の劣化の検知を行う、 水素製造装置劣化検知システム。
  2. 前記第１電流値および前記第２電流値は、前記電解部において発熱が生ずる電流値である、 請求項１に記載の水素製造装置劣化検知システム。
  3. 前記電解部電圧差分値が予め定めた閾値を超えた場合に、前記電解部の交換を報知するように構成されている、報知部 を有する、 請求項１に記載の水素製造装置劣化検知システム。
  4. 前記劣化検知部は、 前記電源部から前記電解部へ電流が供給されたときに前記電解部の温度を測定することによって取得した電解部温度測定値に基づいて、前記電解部の劣化の検知を実行するように構成されており、 前記第１の時点よりも前に前記第１電流値の電流が前記電解部へ供給されたときに前記電解部温度測定値として取得した第１の電解部温度測定値と、前記第２の時点に前記第２電流値の電流から前記第１電流値の電流に切り替えられたときに前記電解部温度測定値として取得した第２の電解部温度測定値との差分値を電解部温度差分値として求め、前記第１の時点と前記第２の時点との間の時間ｔｓで前記電解部温度差分値を割った値を、電解部温度変化速度として求め、 前記電解部温度変化速度に応じて、前記電解部の劣化の検知を行う、 請求項１に記載の水素製造装置劣化検知システム。
  5. 前記電解部電圧差分値と前記電解部温度変化速度との少なくとも一方が予め定めた閾値を超えた場合に、前記電解部の交換を報知するように構成されている、報知部 を有する、 請求項４に記載の水素製造装置劣化検知システム。
  6. 前記劣化検知部は、前記電源部が前記電力供給を実行しているときに前記電源部の電圧を測定することによって取得した電源部電圧測定値と、前記電源部が前記電力供給を実行しているときに前記電解部の電圧を測定することによって取得した電解部電圧測定値とに基づいて、前記水素製造装置の劣化を検知するように構成されている、 請求項１に記載の水素製造装置劣化検知システム。

Description

本発明の実施形態は、水素製造装置劣化検知システムに関する。 近年、水素エネルギー社会の実現のために、水素製造装置が注目されている。水素製造装置は、例えば、高温の水蒸気を電解部で電気分解することによって、水素ガスを生成するように構成されている。電解部は、水素製造量の増加の要求に応えるために、例えば、複数の電解セルが積層された電解セルスタックを備える。 上記のような水素製造装置の性能を向上するために、さまざまな技術が提案されている。例えば、再生可能エネルギーによって発電された電力のように変動する電力を用いて水蒸気を発生させ、その水蒸気の流量に応じて、電解セルスタックに供給する電力についてパルス幅制御を行うことが提案されている。また、変動する電力に応じて、駆動させる電解セルの数を選択すること等が提案されている。 特開2018-171366号公報特開2005-126792号公報 図１は、第１実施形態に係る水素製造装置１の構成を模式的に示す図である。図２は、第１実施形態に係る水素製造装置劣化検知システム１００の構成を模式的に示す図である。図３Ａは、第１実施形態に係る水素製造装置劣化検知システム１００において、劣化検知部１２０に入力される電流測定値ＤＩと電解部電圧測定値ＤＶと電解部温度測定値ＤＴとについて示す図である。図３Ｂは、第１実施形態に係る水素製造装置劣化検知システム１００において、劣化検知部１２０で求められる、電解部電圧差分値ΔＶ、および、電解部温度変化速度ＨＴ（＝ΔＴ／ｔ）について示す図である。図４は、比較例において、劣化検知部１２０に入力される電流測定値ＤＩと電解部電圧測定値ＤＶと電解部温度測定値ＤＴとについて示す図である。図５は、変形例１－１において、劣化検知部１２０に入力される電流測定値ＤＩと電解部電圧測定値ＤＶと電解部温度測定値ＤＴとについて示す図である。図６は、変形例１－２について説明するための図である。図７は、第２実施形態に係る水素製造装置劣化検知システム１００の構成を模式的に示す図である。図８Ａは、第２実施形態に係る水素製造装置劣化検知システム１００において、劣化検知部１２０に入力される電流測定値ＤＩと電解部電圧測定値ＤＶと電源部電圧測定値ＶＭとについて示す図である。図８Ｂは、第２実施形態に係る水素製造装置劣化検知システム１００において、劣化検知部１２０で求められる、電源部電圧差分値ΔＶＭについて示す図である。 ＜第１実施形態＞ ［Ａ］水素製造装置１の構成 第１実施形態の水素製造装置劣化検知システムを説明する前に、水素製造装置劣化検知システムが劣化を検知する対象である水素製造装置１の一例に関して説明する。 図１は、第１実施形態に係る水素製造装置１の構成を模式的に示す図である。 図１に示すように、水素製造装置１は、電源部１０と電解部２０とを有し、電源部１０から電流供給ラインＬ１１を介して電解部２０に電流が供給されることによって、水素の製造を実行するように構成されている。水素製造装置１を構成する各部について順次説明する。 ［Ａ－１］電源部１０ 電源部１０は、電解部２０へ電力を供給するために設けられている。電源部１０は、例えば、発電設備を含み、発電設備で発電した電力が電解部２０へ供給されるように構成されている。電源部１０において、発電設備は、例えば、再生可能エネルギー（太陽光、風力など）を用いて発電を行うように構成されている。この他に、発電設備は、再生可能エネルギーでなく、化石燃料等を用いて発電を行うように構成されていてもよい。また、電源部１０は、蓄電池から出力された電力を蓄電する蓄電池を含み、蓄電池から電力を電解部２０へ供給するように構成されていてもよい。 ［Ａ－２］電解部２０ 電解部２０は、電流供給ラインＬ１１を介して、電源部１０と電気的に接続されており、電源部１０から電力が供給される。電解部２０は、電源部１０から供給される電力により、電流が流れて水の電気分解が実行されることで、水素を生成するように構成されている。 ここでは、電解部２０は、複数の電解セル２１が積層されて電気的に直列に接続された電解セルスタックを含む。電解セル２１は、たとえば、固体酸化物形電解セルであって、水素極（図示省略）と酸素極（図示省略）との間に固体酸化物の電解質膜（図示省略）が介在するように構成されている。 ここでは、電解部２０は、電解セルスタック容器２２に収容されている。電解セルスタック容器２２は、たとえば、電気式の加熱器（図示省略）による加熱によって、５００から８００℃程度の温度に内部が保持されるように構成されている。 電解部２０は、水素生成の原料として水蒸気が電解セル２１の水素極へ供給される。水蒸気は、水素と混合された状態で水素極へ供給される。また、電解部２０は、希釈ガスが電解セル２１の酸素極へ供給される。そして、電解部２０は、電源部１０から電力が供給される。これにより、電解セル２１において電気分解が実行されることで、水素極で水素が生成され、酸素極で酸素が生成される。 具体的には、水供給源４０から配管Ｌ４０を介して水蒸気発生部５０に供給された水が、水蒸気発生部５０で加熱されることによって水蒸気が生成される。そして、水蒸気発生部５０で生成された水蒸気は、水素供給源４１から配管Ｌ４１を介して水素と混合された後に、熱交換器６０が設けられた配管Ｌ５０（原料供給ライン）を介して、電解部２０を構成する電解セル２１の水素極へ流入する。そして、水蒸気の電気分解によって水素極において生成された水素は、電気分解がされなかった水蒸気と混合した混合媒体として、配管Ｌ２１ａ（生成物排出ライン）を介して、熱交換器６０へ流れる。熱交換器６０においては、配管Ｌ２１ａから流入した混合媒体は、配管Ｌ５０を流れる水蒸気と熱交換を行った後に、配管Ｌ６０を介して、分離部７０へ流入する。分離部７０においては、混合媒体は、水素と水蒸気とに分離される。分離部７０で分離された水素は、配管Ｌ７０ａを介して、分離部７０の外部へ排出され、たとえば、貯蔵される。これに対して、分離部７０で分離された水蒸気は、配管Ｌ４０に流入し、水供給源４０から配管Ｌ４０を流れる水に混入する。 なお、本実施形態では、電解部２０の水素極へ原料として流入する水蒸気に、水素極の酸化を防止するために、水素ガスが含有されている。たとえば、原料において水素ガスのモル濃度が０．５モル％以上であることが好ましい。特に、水素ガスのモル濃度が５モル％以上５０モル％以下であることが好ましく、１０モル％以上３０モル％以下であることがより好ましい。 電解セル２１の酸素極へ供給される希釈ガスは、酸素を含むガスであって、たとえば、空気である。希釈ガスは、希釈ガス源８０から配管Ｌ８０（希釈ガス供給ライン）を介して、たとえば、電解セル２１の酸素極へ供給される。希釈ガスは、電気分解によって酸素極で生成された酸素を希釈するために供給される。希釈ガスと、酸素極で生成された酸素との混合ガスは、配管Ｌ２１ｂ（生成酸素排出ライン）を介して、電解セル２１の外部へ排出される。 ［Ｂ］水素製造装置劣化検知システムの構成 図２は、第１実施形態に係る水素製造装置劣化検知システム１００の構成を模式的に示す図である。図２では、水素製造装置劣化検知システム１００と水素製造装置１（図１参照）の一部との関係を示している。 本実施形態の水素製造装置劣化検知システム１００は、図２に示すように、劣化検知部１２０と報知部１４０とを有し、水素製造装置１の劣化を検知する。図示を省略しているが、水素製造装置劣化検知システム１００は、例えば、演算器（図示省略）とメモリ装置（図示省略）とを含み、メモリ装置が記憶しているプログラムを用いて演算器が演算処理を行うことによって、各部として機能するように構成されている。水素製造装置劣化検知システム１００を構成する各部について順次説明する。 ［Ｂ－１］劣化検知部１２０ 劣化検知部１２０は、電流測定値ＤＩと電解部電圧測定値ＤＶと電解部温度測定値ＤＴとが入力データとして入力される。 電流測定値ＤＩは、水素製造装置１において電源部１０から電解部２０へ供給する電流を電流計１１が測定することによって取得される測定データである。 電解部電圧測定値ＤＶは、水素製造装置１において電源部１０から電解部２０へ電流が供給されたときに、電圧計１２が電解部２０の電圧を測定することによって取得される測定データである。 電解部温度測定値ＤＴは、水素製造装置１において電源部１０から電解部２０へ電流が供給されたときに、温度計１３が電解部２０の温度を測定することによって取得される測定データである。 詳細については後述するが、劣化検知部１２０は、電流測定値ＤＩと電解部電圧測定値ＤＶと電解部温度測定値ＤＴとに基づいて、電解部２０の劣化の検知を実行する。 ［Ｂ－１］報知部１４０ 報知部１４０は、劣化検知部１２０において検知された劣化の結果に基づいて、電解部２０の交換を報知するように構成されている。例えば、報知部１４０は、電解部２０の劣化が進行し、電解部２０の交換が必要であると判断したときには、電解部２０の交換に関する情報をユーザに報知する。電解部２０の交換に関する情報は、例えば、ディスプレイに表示される。 ［Ｃ］水素製造装置劣化検知システムの動作 本実施形態の水素製造装置劣化検知システム１００において、水素製造装置１の劣化を検知するときの動作について説明する。 ［Ｃ－１］電流測定値ＤＩと電解部電圧測定値ＤＶと電解部温度測定値ＤＴとの入力 水素製造装置１の劣化を検知するときには、まず、電流測定値ＤＩと電解部電圧測定値ＤＶと電解部温度測定値ＤＴとが入力データとして劣化検知部１２０に入力される。 図３Ａは、第１実施形態に係る水素製造装置劣化検知システム１００において、劣化検知部１２０に入力される電流測定値ＤＩと電解部電圧測定値ＤＶと電解部温度測定値ＤＴとについて示す図である。図３Ａにおいて、横軸は、時間ｔ（ｓ）を示し、各グラフの縦軸は、電流測定値ＤＩ（Ａ）と電解部電圧測定値ＤＶ（Ｖ）と電解部温度測定値ＤＴ（℃）とのそれぞれを示している。 本実施形態において水素製造装置１の劣化を検知するときには、図３Ａに示すように、電源部１０は、ステップ入力によって電解部２０へ電力供給を実行する。 具体的には、電源部１０は、最初に、第１電流値Ｉａの電流を電解部２０に供給した状態から、第１の時点ｔ１に第１電流値Ｉａと異なる第２電流値Ｉｂの電流を電解部２０に供給する。ここでは、第２電流値Ｉｂは、第１電流値Ｉａよりも高い場合を示している。第１電流値Ｉａと第２電流値Ｉｂとの差は、電流密度に換算して０．１Ａ／ｃｍ２程度であることが好ましい。その後、電源部１０は、第１の時点ｔ１から所定時間ｔｓが経過した第２の時点ｔ２に、第１電流値Ｉａの電流を電解部２０へ供給する状態へ戻す。つまり、電流測定値ＤＩ（Ａ）は、第１電流値Ｉａから第１の時点ｔ１に第２電流値Ｉｂへ上昇した後に、第２の時点ｔ２に第２電流値Ｉｂから第１電流値Ｉａへ下降する（Ｉａ＜Ｉｂ）。 電解部電圧測定値ＤＶは、第１の時点ｔ１よりも前に第１電流値Ｉａの電流が電解部２０へ供給されたときには、第１の電解部電圧測定値Ｖａである。そして、第１の時点ｔ１に第１電流値Ｉａの電流から第２電流値Ｉｂの電流に切り替えたときには、電解部電圧測定値ＤＶは、第１の電解部電圧測定値Ｖａから第２の電解部電圧測定値Ｖｂ（最大値）へ増加する。そして、第１の時点ｔ１と第２の時点ｔ２との間（ｔｓ）においては、電解部電圧測定値ＤＶは、第２の電解部電圧測定値Ｖｂから、時間ｔの経過に応じて、第３の電解部電圧測定値Ｖｃへ減少する。そして、第２の時点ｔ２に第２電流値Ｉｂの電流から第１電流値Ｉａの電流に切り替えたときには、電解部電圧測定値ＤＶは、第３の電解部電圧測定値Ｖｃから第４