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WO2024070106A1 - 水電解装置 - Google Patents

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WO2024070106A1
WO2024070106A1 PCT/JP2023/024416 JP2023024416W WO2024070106A1 WO 2024070106 A1 WO2024070106 A1 WO 2024070106A1 JP 2023024416 W JP2023024416 W JP 2023024416W WO 2024070106 A1 WO2024070106 A1 WO 2024070106A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
flow rate
water
circulating water
power consumption
electrolytic cell
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.)
Ceased
Application number
PCT/JP2023/024416
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
祥太 小川
昌宏 八巻
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kanadevia Corp
Original Assignee
Hitachi Zosen Corp
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from JP2022155409A external-priority patent/JP7808011B2/ja
Application filed by Hitachi Zosen Corp filed Critical Hitachi Zosen Corp
Priority to AU2023352489A priority Critical patent/AU2023352489A1/en
Publication of WO2024070106A1 publication Critical patent/WO2024070106A1/ja
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Ceased legal-status Critical Current

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    • 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
    • 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
    • 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
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • 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 a water electrolysis device that electrolyzes water to generate hydrogen and oxygen.
  • One aspect of the present invention was made in consideration of the above-mentioned problems with the conventional technology, and aims to reduce the power consumption of the water electrolysis device by adjusting the rotation speed of the circulation pump to change the flow rate of the circulating water.
  • a water electrolysis device includes an electrolytic cell that electrolyzes water, a gas-liquid separator that separates the gas generated in the electrolytic cell from the water, a circulation pump installed in a water circulation line that circulates the water by supplying water from the gas-liquid separator to the electrolytic cell, an inverter connected to the circulation pump and supplying power to the circulation pump, and a control unit that controls the inverter to change the flow rate of circulating water in the water circulation line.
  • the power consumption of the water electrolysis device can be reduced by adjusting the rotation speed of the circulation pump to change the circulating water flow rate.
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a water electrolysis device according to an embodiment of the present invention.
  • 4 is a flowchart showing an example of circulating water flow rate change control executed by the water electrolysis apparatus.
  • 3 is a graph showing an example of the total power consumption calculated in step S5 shown in FIG. 2 .
  • 3 is a graph showing an example of control in step S9 shown in FIG. 2 .
  • 3 is a graph showing an example of control in step S10 shown in FIG. 2 .
  • 3 is a graph showing an example of control in step S12 shown in FIG. 2 .
  • 3 is a graph showing an example of control in step S13 shown in FIG. 2 .
  • Fig. 1 is a configuration diagram showing a schematic configuration of the water electrolysis apparatus 100 according to this embodiment.
  • the water electrolysis apparatus 100 according to this embodiment electrolyzes pure water in an electrolytic cell 20 to generate hydrogen ( H2 ) and oxygen ( O2 ).
  • the water electrolysis device 100 includes an electrolytic cell 20, a hydrogen gas-liquid separator 21, an oxygen gas-liquid separator (gas-liquid separator) 22, a water circulation line 23, a first ion exchanger 24, a pure water tank 25, a branch line 41, and a second ion exchanger 43.
  • the water electrolysis device 100 also includes a circulation pump 27 installed in the water circulation line 23, an inverter 50 connected to the circulation pump 27, and a control unit 60 that controls the operation of the entire water electrolysis device 100 including the inverter 50.
  • the control unit 60 changes the flow rate of circulating water circulating through the water circulation line 23 by controlling the inverter 50 to adjust the rotation speed of the circulation pump 27. In this way, the control unit 60 optimizes the flow rate of circulating water to reduce the power consumption of the water electrolysis device 100.
  • the water circulation line 23 is a line that circulates water from the oxygen gas-liquid separator 22 to the electrolytic cell 20.
  • the water circulation line 23 is provided with a circulation pump 27 for circulating water and a circulation water cooler (heat exchanger) 28 for cooling the circulation water before supplying it to the electrolytic cell 20.
  • a circulation water cooler 28 for cooling the circulation water before supplying it to the electrolytic cell 20.
  • the circulation water cooler 28 downstream of the circulation pump 27 the circulation water can easily pass through the circulation water cooler 28 by using the discharge pressure of the circulation pump 27.
  • the circulation water cooler 28 is installed upstream of the circulation pump 27, the pressure upstream of the circulation pump 27 may become low, and cavitation may occur. In order to suppress the occurrence of this cavitation, it is preferable to install the circulation water cooler 28 downstream of the circulation pump 27. However, it is also possible to install the circulation water cooler 28 upstream of the circulation pump 27.
  • the branch line 41 is a line that takes out a part of the circulating water of the water circulation line 23, treats it, and sends the treated water to the pure water tank 25.
  • the branch line 41 is provided with a blow water cooler 42 that cools the circulating water taken from the water circulation line 23, and a second ion exchanger 43 that performs ion exchange treatment on the cooled water.
  • a blow water thermometer TT3 that detects the temperature of the blow water flowing through the branch line 41 is also provided between the blow water cooler 42 and the second ion exchanger 43.
  • the downstream end of the branch line 41 is connected to the pure water tank 25.
  • the upstream end of the branch line 41 is connected between the electrolytic cell 20 and the circulating water cooler 28 of the water circulation line 23.
  • a blow valve 29 is provided upstream of the branch line 41.
  • the opening and closing of the blow valve 29 is automatically controlled by the electrical conductivity of the circulating water obtained from an electrical conductivity controller 30 that is provided between the electrolytic cell 20 and the circulating water cooler 28 of the water circulation line 23.
  • the electrolytic cell 20 electrolyzes water to generate oxygen (O 2 ) at the anode and hydrogen (H 2 ) at the cathode.
  • the electrolytic cell 20 is supplied with the power necessary for water electrolysis.
  • the power supplied to the electrolytic cell 20 can be power from a commercial power source, or it can be renewable energy such as solar power generation or wind power generation, or surplus power thereof.
  • the oxygen generated at the anode of the electrolytic cell 20 is sent to an oxygen gas-liquid separator 22.
  • the hydrogen generated at the cathode of the electrolytic cell 20 is sent to a hydrogen gas-liquid separator 21.
  • An inlet thermometer TT1 is installed on the inlet side of the circulating water in the electrolytic cell 20 to detect the temperature of the circulating water supplied to the electrolytic cell 20.
  • An outlet thermometer TT2 is installed on the outlet side of the circulating water in the electrolytic cell 20 to detect the temperature of the circulating water discharged from the electrolytic cell 20.
  • a circulating water flow meter FT is installed upstream of the inlet thermometer TT1 to detect the flow rate of the circulating water circulating through the water circulation line 23.
  • the water electrolysis device 100 may be, for example, a solid polymer type water electrolysis device that electrolyzes pure water by applying a voltage to a solid polymer electrolyte membrane and passing a current through it to generate hydrogen and oxygen.
  • the water electrolysis device 100 is not limited to a solid polymer type water electrolysis device, and may be, for example, an alkaline water electrolysis device, an anion exchange membrane type water electrolysis device, etc.
  • Oxygen generated at the anode of the electrolytic cell 20 is sent to the oxygen-gas-liquid separator 22.
  • Hydrogen generated at the cathode of the electrolytic cell 20 is sent to the hydrogen-gas-liquid separator 21.
  • the hydrogen-gas-liquid separator 21 separates the hydrogen generated at the cathode of the electrolytic cell 20 from the water.
  • the oxygen-gas-liquid separator 22 separates the oxygen generated at the anode of the electrolytic cell 20 from the water. Most of the water discharged from the electrolytic cell 20 is sent to the oxygen-gas-liquid separator 22.
  • the liquid levels of the hydrogen gas-liquid separator 21 and the oxygen gas-liquid separator 22 are controlled individually.
  • a hydrogen cooler 31 is installed in the hydrogen outlet path of the hydrogen gas-liquid separator 21, and an oxygen cooler 32 is installed in the oxygen outlet path of the oxygen gas-liquid separator 22.
  • the water discharged from the oxygen gas-liquid separator 22 is resupplied to the electrolytic cell 20 via the water circulation line 23, and a portion of it is sent to the pure water tank 25 via the branch line 41.
  • the hydrogen gas-liquid separator 21 and the pure water tank 25 may be connected by a pipe, and the water discharged from the hydrogen gas-liquid separator 21 may be sent to the pure water tank 25 via this pipe.
  • the pure water tank 25 stores the water to be electrolyzed in the electrolytic cell 20.
  • the pure water tank 25 stores water obtained by treating the supply water (city water, etc.) newly supplied to the electrolytic cell 20 with the first ion exchanger 24.
  • the pure water tank 25 also stores water obtained by treating the circulating water extracted from the water circulation line 23 to the branch line 41 with the second ion exchanger 43.
  • a supply pump 26 is installed in the piping connecting the pure water tank 25 and the oxygen-gas-liquid separator 22 to send water from the pure water tank 25 to the oxygen-gas-liquid separator 22.
  • the water temporarily stored in the pure water tank 25 is sent to the oxygen-gas-liquid separator 22 by the supply pump 26 according to the preset level setting of the oxygen-gas-liquid separator 22.
  • the circulating water flowing through the water circulation line 23 is adjusted to a predetermined temperature (e.g., 65 to 70°C) by the circulating water cooler 28 and sent to the electrolytic cell 20 by the circulation pump 27.
  • the set value of the circulating water for flowing through the branch line 41 is, for example, 1 ⁇ S/cm or less. If the set value is exceeded, the blow valve 29 opens, and if the set value is less than the set value, the blow valve 29 closes.
  • the circulating water taken out to the branch line 41 is cooled to room temperature by the blow water cooler 42.
  • the cooled circulating water is supplied to the second ion exchanger 43, where it is treated to have an electrical conductivity of, for example, 0.5 ⁇ S/cm or less, and is then supplied to the pure water tank 25.
  • the impurity content in the circulating water can be reduced.
  • the circulation pump 27 circulates water by supplying circulating water in the water circulation line 23 to the electrolytic cell 20.
  • the circulation pump 27 also cools the electrolytic cell 20 by supplying circulating water cooled by a circulating water cooler 28 to the electrolytic cell 20.
  • an inverter 50 is connected to the circulation pump 27.
  • the inverter 50 supplies frequency-converted power to the circulation pump 27, making it possible to adjust the rotation speed of the circulation pump 27.
  • the circulation pump 27 is driven at a rotation speed that corresponds to the frequency of the power supplied from the inverter 50, and the flow rate of circulating water in the water circulation line 23 increases or decreases depending on this rotation speed.
  • the inverter 50 is an electric circuit that supplies frequency-converted power to the circulation pump 27.
  • a control signal is input to the inverter 50 from the control unit 60.
  • the inverter 50 outputs power of a frequency corresponding to the frequency designation signal (current value signal or voltage value signal) input by the control unit 60 to the circulation pump 27, and adjusts the rotation speed of the circulation pump 27.
  • the control unit 60 comprehensively controls the operation of the water electrolysis device 100.
  • the control unit 60 is composed of, for example, a processor such as a CPU (Central Processing Unit), a logic circuit formed in an integrated circuit (IC chip), etc.
  • a processor such as a CPU (Central Processing Unit), a logic circuit formed in an integrated circuit (IC chip), etc.
  • the control unit 60 controls the operation of the electrolytic cell 20, for example, by controlling the power supply to the electrolytic cell 20.
  • the control unit 60 also changes the circulating water flow rate in the water circulation line 23, for example, by controlling the inverter 50 to adjust the rotation speed of the circulation pump 27.
  • the control unit 60 also stores various values such as the circulating water flow rate, the temperature of the electrolytic cell 20, and the power consumption of the circulation pump 27 in a memory (not shown) as past history information.
  • FIG. 1 an example configuration is shown in which an oxygen gas-liquid separator 22 is installed in the water circulation line 23 as the gas-liquid separator.
  • a hydrogen gas-liquid separator 21 may be installed in the water circulation line 23, or both the hydrogen gas-liquid separator 21 and the oxygen gas-liquid separator 22 may be installed in the water circulation line 23.
  • Figure 2 is a flow chart showing an example of circulating water flow rate change control executed by the water electrolysis device 100.
  • the control unit 60 After the electrolysis operation of the electrolytic cell 20 starts, the control unit 60 repeatedly executes the control flow shown in Figure 2 at intervals of, for example, a few tenths of a second to a few seconds. Note that the following description uses as an example the circulating water flow rate change control executed the kth time (k is a natural number equal to or greater than 2) since the electrolysis operation of the electrolytic cell 20 starts.
  • the control unit 60 calculates the heat generation amount P E (k) of the electrolytic cell 20 (step S1). For example, the control unit 60 may calculate the heat generation amount P E (k) of the electrolytic cell 20 based on the current and voltage values of the electrolytic cell 20 (power consumption of the electrolytic cell 20) and the amount of hydrogen generated at the cathode of the electrolytic cell 20 (generated energy).
  • the control unit 60 determines whether the outlet temperature of the circulating water from the electrolytic bath 20 is higher than a threshold temperature T m (e.g., 80° C.) (step S2). Generally, an upper limit is set for the temperature of the electrolytic bath 20, and the outlet temperature of the circulating water from the electrolytic bath 20 is adjusted to be equal to or lower than the threshold temperature T m (less than the threshold temperature T m). The control unit 60 determines whether the outlet temperature from the electrolytic bath 20 is higher than the threshold temperature T m , and changes the circulating water flow rate based on the determination result. This makes it possible to execute optimal circulating water flow rate control according to the outlet temperature.
  • T m e.g. 80° C.
  • control unit 60 calculates (step S3) the circulating water flow rate based on the specific heat of water and the heat generation amount of electrolytic bath 20. Given the specific heat of water C H2O , the heat generation amount of electrolytic bath 20 P E , the upper limit of the temperature difference between the inlet and outlet temperatures of the circulating water in electrolytic bath 20 (set value of the inlet/outlet temperature difference) ⁇ T m , and the set value of the circulating water flow rate N S , control unit 60 may calculate the set value of the circulating water flow rate N S using the following formula:
  • the upper limit ⁇ T m of the temperature difference of the electrolytic cell 20 is a set value of the inlet/outlet temperature difference obtained by subtracting the inlet temperature from the outlet temperature of the electrolytic cell 20, and is set, for example, in the range of 10° C.
  • the control unit 60 calculates a set value N S at which the circulating water flow rate is reduced to the set upper limit ⁇ T m of the temperature difference. This makes it possible to suppress the rotation speed of the circulating pump 27 and reduce power consumption. Specifically, the control unit 60 controls the inverter 50 to adjust the rotation speed of the circulating pump 27 so that the circulating water flow rate becomes the calculated set value N S. In this way, the control unit 60 controls the inverter 50 to change the circulating water flow rate to the set value N S , and ends the circulating water flow rate change control.
  • the control unit 60 measures the power consumption P P (k) of the circulation pump 27 (step S4).
  • the control unit 60 may measure the power consumption P P (k) of the circulation pump 27, for example, using a power meter (not shown) connected to the circulation pump 27.
  • the control unit 60 may also calculate the power consumption P P (k) of the circulation pump 27, for example, based on the output current and output voltage of the inverter 50 connected to the circulation pump 27.
  • control unit 60 calculates the total power consumption P SUM (k) based on the power consumption P P (k) of the circulating pump 27 determined in step S4 and the heat generation amount P E (k) of the electrolytic cell 20 determined in step S1 (step S5).
  • FIG. 3 is a graph showing an example of the total power consumption P SUM (k) calculated in step S5.
  • the power consumption of the circulation pump 27 is proportional to the cube of the circulating water flow rate (rotation speed).
  • the circulating water flow rate increases, the increase in the outlet temperature of the electrolytic cell 20 is suppressed, and the inlet/outlet temperature difference of the electrolytic cell 20 becomes smaller.
  • the control unit 60 calculates the total power consumption PSUM(k) by adding the power consumption P P (k) of the circulating pump 27 and the heat generation amount P E (k) of the electrolytic cell 20.
  • the total power consumption PSUM (k) is plotted as a downwardly convex curve, the apex of which is the minimum power consumption P that indicates the minimum value of the total power consumption PSUM (k).
  • the control unit 60 records the calculated total power consumption PSUM (k) in memory.
  • the control unit 60 reads from the memory the total power consumption P SUM (k-1) calculated in the previous (past) (k-1) circulating water flow rate change control, and determines whether the total power consumption P SUM (k) calculated in step S5 and the previous total power consumption P SUM (k-1) are the same value (step S6). Note that if the operating cycle of the circulating water flow rate change control is relatively short (for example, if the operating cycle is 0.5 seconds), it is also possible to use the previous previous total power consumption P SUM (k-2) or the like as the value of the past total power consumption P SUM instead of the previous total power consumption P SUM (k-1).
  • control unit 60 may take the time lag and the like into consideration and terminate the circulating water flow rate change control without changing the circulating water flow rate, and may control the circulating water flow rate to be changed in the next or subsequent circulating water flow rate change control.
  • the control unit 60 determines whether the total power consumption P SUM (k) has increased from the previous total power consumption P SUM (k-1) (step S7).
  • step S7 if the total power consumption P SUM (k) is less than or equal to the previous total power consumption P SUM (k-1) (No in step S7), the control unit 60 reads from the memory the circulating water flow rate N(k-1) at the time of the previous (k-1) circulating water flow rate change control, and determines whether the circulating water flow rate N(k) has increased from the previous circulating water flow rate N(k-1) (step S8).
  • control unit 60 controls the inverter 50 to increase the circulating water flow rate N(k) (step S9).
  • FIG. 4 is a graph showing an example of the control in step S9.
  • the control unit 60 controls the inverter 50 to increase the circulating water flow rate N(k).
  • control unit 60 controls the inverter 50 to increase the circulating water flow rate N(k) so as to approach 380 [L/min], which is the circulating water flow rate for the minimum power consumption P. This allows the total power consumption P SUM (k) to approach the minimum power consumption P, and therefore the power consumption of the water electrolysis device 100 can be reduced.
  • control unit 60 controls the inverter 50 to reduce the circulating water flow rate N(k) (step S10).
  • step S10 is a graph showing an example of the control in step S10.
  • the control unit 60 controls the inverter 50 to decrease the circulating water flow rate N(k). This makes it possible to bring the total power consumption P SUM (k) closer to the minimum power consumption P, thereby reducing the power consumption of the water electrolysis device 100.
  • step S7 if the total power consumption P SUM (k) has increased compared to the previous total power consumption P SUM (k-1) (Yes in step S7), the control unit 60 reads from the memory the circulating water flow rate N(k-1) at the time of the previous (k-1) circulating water flow rate change control, and determines whether the circulating water flow rate N(k) has increased compared to the previous circulating water flow rate N(k-1) (step S11).
  • control unit 60 controls the inverter 50 to decrease the circulating water flow rate N(k) (step S12).
  • step S12 is a graph showing an example of the control in step S12.
  • the control unit 60 controls the inverter 50 to reduce the circulating water flow rate N(k). This makes it possible to bring the total power consumption P SUM (k) closer to the minimum power consumption P, thereby reducing the power consumption of the water electrolysis device 100.
  • control unit 60 controls the inverter 50 to increase the circulating water flow rate N(k) (step S13).
  • step S13 is a graph showing an example of the control in step S13.
  • the control unit 60 controls the inverter 50 to increase the circulating water flow rate N(k). This allows the total power consumption P SUM (k) to approach the minimum power consumption P, and therefore the power consumption of the water electrolysis device 100 can be reduced.
  • the water electrolysis apparatus 100 comprises the electrolytic cell 20 that electrolyzes water, the oxygen gas-liquid separator 22 that separates water from oxygen generated in the electrolytic cell 20, the circulation pump 27 installed in the water circulation line 23 that circulates the water by supplying water from the oxygen gas-liquid separator 22 to the electrolytic cell 20, the inverter 50 connected to the circulation pump 27 and supplying power to the circulation pump 27, and the control unit 60 that controls the inverter 50 to change the flow rate of circulating water in the water circulation line 23.
  • the power consumption of the water electrolysis device 100 can be reduced by optimizing the circulating water flow rate by adjusting the rotation speed of the circulating pump 27.
  • the power consumption of the water electrolysis device 100 can be reduced, which contributes to the achievement of, for example, Goal 7 of the Sustainable Development Goals (SDGs) advocated by the United Nations, "Ensure access to affordable, reliable, sustainable and modern energy for all (renewable energy, etc.)."
  • SDGs Sustainable Development Goals
  • control unit 60 changes the circulating water flow rate in the processing from step S5 onwards so that the total power consumption P SUM (k) approaches the minimum power consumption P.
  • the control unit 60 can also change the circulating water flow rate by the following control.
  • the control unit 60 may change the circulating water flow rate based on past history information.
  • the control unit 60 may change the circulating water flow rate based on history information such as the past circulating water flow rate, the past heat generation amount of the electrolytic cell 20, and the past power consumption of the circulating pump 27.
  • Table 1 shows an example of the history information stored in the memory.
  • the historical information includes the past power consumption of circulating pump 27, the past heat generation amount of electrolytic bath 20, the past total power consumption, the past circulating water flow rate, etc.
  • control unit 60 may extract from the historical information a combination of the power consumption of circulating pump 27 and the heat generation amount of electrolytic bath 20 that minimizes the total power consumption (No.
  • the control unit 60 may also change the circulating water flow rate based on the differential value of the function that represents the calculated total power consumption in terms of the circulating water flow rate.
  • the control unit 60 controls the inverter 50 so that the circulating water flow rate increases.
  • the absolute value of this differential value P' is large, the slope of the curve increases. Therefore, the amount of change in the circulating water flow rate increases, and the total power consumption can be brought closer to the minimum power consumption P earlier.
  • the control unit 60 may calculate the circulating water flow rate by performing a calculation using the differential value of a function that expresses the total power consumption in terms of the circulating water flow rate, and optimize the circulating water flow rate.
  • a water electrolysis apparatus includes an electrolytic cell that electrolyzes water, a gas-liquid separator that separates water from a gas generated in the electrolytic cell, a circulation pump installed in a water circulation line that circulates water by supplying water from the gas-liquid separator to the electrolytic cell, an inverter connected to the circulation pump and supplying power to the circulation pump, and a controller that controls the inverter to change a flow rate of circulating water in the water circulation line.
  • control unit may change the circulating water flow rate based on the power consumption of the circulating pump and the amount of heat generated by the electrolytic cell.
  • control unit may change the circulating water flow rate based on the amount of heat generated by the electrolytic cell and a set value of the temperature difference between the inlet and outlet of the circulating water in the electrolytic cell.
  • control unit may calculate the total power consumption of the circulation pump and the electrolytic cell, and change the circulating water flow rate so as to reduce the total power consumption.
  • control unit may compare the calculated total power consumption with the past total power consumption, and if the calculated total power consumption differs from the past total power consumption, change the circulating water flow rate.
  • control unit may determine whether the outlet temperature of the circulating water in the electrolytic cell is higher than a threshold temperature, and change the circulating water flow rate based on the determination result.
  • control unit may change the circulating water flow rate based on historical information of the past circulating water flow rate, the past heat generation amount of the electrolytic cell, and the past power consumption of the circulating pump.
  • control unit may change the circulating water flow rate based on a derivative value of a function that expresses the calculated total power consumption in terms of the circulating water flow rate.
  • Electrolytic cell 22 Oxygen gas-liquid separator (gas-liquid separator) 23: Water circulation line 27: Circulation pump 50: Inverter 60: Control unit 100: Water electrolysis device

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Abstract

水電解装置（１００）は、水を電解する電解槽（２０）と、酸素気液分離器（２２）から電解槽（２０）へ水を供給する水循環ライン（２３）に設置される循環ポンプ（２７）と、循環ポンプ（２７）へ給電するインバータ（５０）と、インバータ（５０）を制御して水循環ライン（２３）の循環水流量を変更する制御部（６０）とを備える。

Description

水電解装置
　本発明は、水を電解して水素と酸素とを発生させる水電解装置に関する。
　従来、自然エネルギーを利用して水素を製造する水電解装置が開発されている。この種の水電解装置では、特許文献１に開示されているように、酸素気液分離器から電解槽へ水を供給することにより水を循環させるための循環ポンプが設置される。
日本国特開２００２－１７３７８８号公報
　ここで、電力変動が大きい不安定な自然エネルギーを利用する場合、電解槽の電解電流が変化するため、電解電流の変化等に合わせて循環水流量を変更することが望ましい。しかしながら、従来では循環ポンプは回転速度が一定に制御されていたため、低負荷運転時には循環水流量が過大となり、総合的なエネルギー効率が低下する可能性があった。
　本発明の一態様は、前記従来の課題に鑑みてなされたものであって、循環ポンプの回転速度を調整して循環水流量を変更することにより、水電解装置の消費電力を低減することを目的とする。
　上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る水電解装置は、水を電解する電解槽と、前記電解槽で発生した気体と水とを分離する気液分離器と、前記気液分離器から前記電解槽へ水を供給することにより水を循環させる水循環ラインに設置される循環ポンプと、前記循環ポンプに接続され、該循環ポンプへ給電するインバータと、前記インバータを制御して、前記水循環ラインの循環水流量を変更する制御部と、を備える。
　本発明の一態様によれば、循環ポンプの回転速度を調整して循環水流量を変更することにより、水電解装置の消費電力を低減することができる。
本発明の一実施形態に係る水電解装置の概略構成を示す構成図である。 前記水電解装置が実行する循環水流量変更制御の一例を示すフローチャートである。 図２に示されるステップＳ５で算出される合計消費電力の一例を示すグラフである。 図２に示されるステップＳ９における制御の一例を示すグラフである。 図２に示されるステップＳ１０における制御の一例を示すグラフである。 図２に示されるステップＳ１２における制御の一例を示すグラフである。 図２に示されるステップＳ１３における制御の一例を示すグラフである。
　〔水電解装置１００の構成〕
　以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。ただし、以下の説明は本発明に係る水電解装置の一例であり、本発明の技術的範囲は図示例に限定されるものではない。
　（水電解装置の構成）
　先ず、本発明の一実施形態に係る水電解装置１００の構成例について、図１に基づいて説明する。図１は、本実施形態に係る水電解装置１００の概略構成を示す構成図である。本実施形態に係る水電解装置１００は、電解槽２０において純水を電気分解し、水素（Ｈ２）と酸素（Ｏ２）とを発生させる。
　図１に示すように、水電解装置１００は、電解槽２０と、水素気液分離器２１と、酸素気液分離器（気液分離器）２２と、水循環ライン２３と、第１イオン交換器２４と、純水タンク２５と、分岐ライン４１と、第２イオン交換器４３とを含む。また、水電解装置１００は、水循環ライン２３に設置される循環ポンプ２７と、循環ポンプ２７に接続されるインバータ５０と、インバータ５０を含む水電解装置１００全体の動作を制御する制御部６０とを含む。制御部６０は、インバータ５０を制御して循環ポンプ２７の回転速度を調整することにより、水循環ライン２３を循環する循環水流量を変更する。これにより、制御部６０は、循環水流量を最適化して、水電解装置１００の消費電力を低減する。
　水循環ライン２３は、酸素気液分離器２２から電解槽２０へ水を循環させるラインである。水循環ライン２３には、水を循環させるための循環ポンプ２７と、電解槽２０へ供給する前に循環水を冷却する循環水冷却器（熱交換器）２８とが設置される。図示の例では、循環ポンプ２７に対して下流側に循環水冷却器２８を設置した場合の構成例、つまり、電解槽２０と循環ポンプ２７との間に循環水冷却器２８を設置した場合の構成例を示す。循環ポンプ２７に対して下流側に循環水冷却器２８を設置することにより、循環ポンプ２７の吐出圧を利用して、循環水が循環水冷却器２８を通過し易くなる。また、仮に循環ポンプ２７に対して上流側に循環水冷却器２８を設置した場合、循環ポンプ２７の上流側が低圧になりキャビテーションが発生する可能性がある。このキャビテーションの発生を抑えるために、循環ポンプ２７に対して下流側に循環水冷却器２８を設置することが好ましい。ただし、循環ポンプ２７に対して上流側に循環水冷却器２８を設置することも可能である。
　分岐ライン４１は、水循環ライン２３の循環水の一部を取り出して処理し、処理後の水を純水タンク２５へ送るラインである。分岐ライン４１には、水循環ライン２３から取り出した循環水を冷却するブロー水冷却器４２と、冷却後の水をイオン交換処理する第２イオン交換器４３とが設置される。また、ブロー水冷却器４２と第２イオン交換器４３との間に、分岐ライン４１を流れるブロー水の温度を検出するブロー水温度計ＴＴ３が設置される。分岐ライン４１は、その下流側端部が純水タンク２５に接続される。また、分岐ライン４１は、水循環ライン２３の電解槽２０と循環水冷却器２８との間に、その上流側端部が接続される。分岐ライン４１の上流側には、ブロー弁２９が設置される。ブロー弁２９の開閉は、水循環ライン２３の電解槽２０と循環水冷却器２８との間に設置される電気伝導度コントローラ３０から得られる循環水の電気伝導度によって自動制御される。
　電解槽２０は、水を電解し、陽極に酸素（Ｏ２）、陰極に水素（Ｈ２）を発生させる。この電解槽２０には、水の電解に必要な電力が供給される。電解槽２０へ供給する電力としては、商用電源からの電力のほか、例えば太陽光発電、風力発電等の再生可能エネルギー又はその余剰電力等を使用することができる。電解槽２０の陽極で発生した酸素は、酸素気液分離器２２へ送られる。また、電解槽２０の陰極で発生した水素は水素気液分離器２１へ送られる。
　電解槽２０における循環水の入口側には、電解槽２０へ供給される循環水の温度を検出する入口温度計ＴＴ１が設置される。また、電解槽２０における循環水の出口側には、電解槽２０から排出される循環水の温度を検出する出口温度計ＴＴ２が設置される。さらに、入口温度計ＴＴ１に対して上流側には、水循環ライン２３を循環する循環水流量を検出する循環水流量計ＦＴが設置される。
　水電解装置１００は、例えば固体高分子電解質膜に電圧を印加して電流を流すことにより純水を電気分解し、水素と酸素とを発生させる固体高分子型水電解装置であってよい。ただし、水電解装置１００は、固体高分子型水電解装置に限られず、例えばアルカリ水電解装置、アニオン交換膜型水電解装置等であってもよい。
　電解槽２０の陽極で発生した酸素は、酸素気液分離器２２へ送られる。また、電解槽２０の陰極で発生した水素は水素気液分離器２１へ送られる。水素気液分離器２１は、電解槽２０の陰極で発生した水素と水とを分離する。また、酸素気液分離器２２は、電解槽２０の陽極で発生した酸素と水とを分離する。電解槽２０から排出される水の大部分が酸素気液分離器２２へ送られる。
　水素気液分離器２１と酸素気液分離器２２とは、各々の液面レベルが個別に制御されるようになっている。水素気液分離器２１の水素の出口経路には、水素冷却器３１が設置され、酸素気液分離器２２の酸素の出口経路には、酸素冷却器３２が設置される。また、酸素気液分離器２２から排出された水は、水循環ライン２３を経て電解槽２０へ再供給されると共に、その一部は分岐ライン４１を経て純水タンク２５へ送られる。なお、水素気液分離器２１と純水タンク２５とが配管で繋がれており、この配管を介して水素気液分離器２１から排出された水が純水タンク２５へ送られるようになっていてもよい。
　純水タンク２５は、電解槽２０で電解される水を貯える。純水タンク２５には、電解槽２０へ新規に供給される供給水（市水等）を第１イオン交換器２４によって処理した水が貯えられる。また、純水タンク２５には、水循環ライン２３から分岐ライン４１に取り出した循環水を第２イオン交換器４３によって処理された水が貯えられる。純水タンク２５と酸素気液分離器２２とを繋ぐ配管には、純水タンク２５の水を酸素気液分離器２２へ送るための供給ポンプ２６が設置される。純水タンク２５に一旦貯えられた水は、予め設定しておいた酸素気液分離器２２のレベルの設定値に合わせて、供給ポンプ２６によって酸素気液分離器２２へ送られる。
　水循環ライン２３を流れる循環水は、循環水冷却器２８で所定温度（例えば６５以上７０℃以下）に調整されて、循環ポンプ２７によって電解槽２０へ送られる。分岐ライン４１側に循環水を流すための循環水の設定値は例えば１μＳ／ｃｍ以下とされ、設定値以上の場合にはブロー弁２９が開き、設定値未満の場合にはブロー弁２９が閉じるようになっている。分岐ライン４１に取り出された循環水は、ブロー水冷却器４２で常温まで冷却される。冷却後の循環水は、第２イオン交換器４３へ供給されて電気伝導度が例えば０．５μＳ／ｃｍ以下に処理され、純水タンク２５へ供給される。このように、水循環ライン２３の循環水の一部を分岐ライン４１に取り出して処理することにより、循環水中の不純物含有量を抑えることができる。
　循環ポンプ２７は、水循環ライン２３の循環水を電解槽２０へ供給することにより水を循環させる。また、循環ポンプ２７は、循環水冷却器２８で冷却した循環水を電解槽２０へ供給することにより電解槽２０を冷却する。水電解装置１００では、循環ポンプ２７にインバータ５０が接続される。インバータ５０から周波数が変換された電力が循環ポンプ２７へ供給されることにより、循環ポンプ２７の回転速度が調整可能になっている。循環ポンプ２７はインバータ５０から供給された電力の周波数に応じた回転速度で駆動し、この回転速度に応じて水循環ライン２３の循環水流量が増減する。
　インバータ５０は、循環ポンプ２７に、周波数を変換した電力を供給する電気回路である。インバータ５０には、制御部６０から制御信号が入力される。インバータ５０は、制御部６０により入力された周波数指定信号（電流値信号又は電圧値信号）に対応する周波数の電力を循環ポンプ２７に出力し、循環ポンプ２７の回転速度を調整する。
　制御部６０は、水電解装置１００の動作を統括的に制御する。制御部６０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサ、集積回路（ＩＣチップ）等に形成された論理回路によって構成される。
　制御部６０は、例えば電解槽２０への給電を制御することにより、電解槽２０の運転を制御する。また、制御部６０は、例えばインバータ５０を制御して循環ポンプ２７の回転速度を調整することにより、水循環ライン２３の循環水流量を変更する。また、制御部６０は、電解槽２０の電解運転中において、循環水流量、電解槽２０の温度及び循環ポンプ２７の消費電力等の各種値を過去の履歴情報としてメモリ（図示省略）に記憶する。
　なお、図１では、気液分離器として酸素気液分離器２２が水循環ライン２３に設置される構成例を示した。ただし、酸素気液分離器２２に代えて水素気液分離器２１が水循環ライン２３に設置されてもよく、水素気液分離器２１および酸素気液分離器２２の双方が水循環ライン２３に設置されてもよい。
　（水電解装置１００の制御）
　次に、水電解装置１００の制御について、図２～図７に基づいて説明する。以下では、水電解装置１００の制御方法の一例として、水循環ライン２３の循環水流量を変更する循環水流量変更制御について説明する。
　図２は、水電解装置１００が実行する循環水流量変更制御の一例を示すフローチャートである。制御部６０は、電解槽２０の電解運転開始後、図２に示す制御フローを例えばコンマ数秒～数秒周期で繰り返し実行する。なお、以下では、電解槽２０の電解運転開始からｋ回目（ｋは２以上の自然数）に実行される循環水流量変更制御を例に挙げて説明する。
　循環水流量変更制御において、制御部６０は、電解槽２０の発熱量ＰＥ（ｋ）を算出する（ステップＳ１）。例えば、制御部６０は、電解槽２０の電流及び電圧の値（電解槽２０の消費電力）と電解槽２０の陰極で発生する発生水素量（発生エネルギー）とに基づいて、電解槽２０の発熱量ＰＥ（ｋ）を算出してもよい。
　次に、制御部６０は、電解槽２０の循環水の出口温度が閾値温度Ｔｍ（例えば８０℃）より高いか否かを判定する（ステップＳ２）。一般的に電解槽２０の温度には上限が設定されており、電解槽２０における循環水の出口温度が閾値温度Ｔｍ以下（未満）になるように調整される。制御部６０は、電解槽２０における出口温度が閾値温度Ｔｍより高いか否かを判定し、その判定結果に基づいて循環水流量を変更するようになっている。これにより、出口温度に応じた最適な循環水流量制御を実行することが可能となる。
　電解槽２０の出口温度が閾値温度Ｔｍ以下である場合（ステップＳ２でＮｏ）、制御部６０は、水の比熱及び電解槽２０の発熱量に基づいて、循環水流量を算出する（ステップＳ３）。水の比熱ＣＨ２Ｏ、電解槽２０の発熱量ＰＥ、電解槽２０における循環水の入口温度と出口温度との温度差上限（出入口温度差の設定値）ΔＴｍ、循環水流量の設定値ＮＳとした場合、制御部６０は、下記式を用いて循環水流量の設定値ＮＳを算出してもよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 　電解槽２０の温度差上限ΔＴｍは、電解槽２０の出口温度から入口温度を差し引いた出入口温度差の設定値であり、電解槽２０の設計仕様、使用条件等に応じて例えば１０℃以上１５℃以下の範囲で設定される。制御部６０は、設定された温度差上限ΔＴｍまで循環水流量が減少する設定値ＮＳを算出する。これにより、循環ポンプ２７の回転速度を抑え、消費電力を低減することができる。具体的には、制御部６０は、循環水流量が算出した設定値ＮＳになるように、インバータ５０を制御して循環ポンプ２７の回転速度を調整する。このように、制御部６０は、インバータ５０を制御して循環水流量を設定値ＮＳへ変更し、循環水流量変更制御を終了する。
　一方、電解槽２０の出口温度が閾値温度Ｔｍより高い場合（ステップＳ２でＹｅｓ）、制御部６０は、循環ポンプ２７の消費電力ＰＰ（ｋ）を計測する（ステップＳ４）。制御部６０は、例えば循環ポンプ２７に接続された電力計（図示書略）により循環ポンプ２７の消費電力ＰＰ（ｋ）を計測してもよい。また、制御部６０は、例えば循環ポンプ２７に接続されたインバータ５０の出力電流及び出力電圧に基づき、循環ポンプ２７の消費電力ＰＰ（ｋ）を算出してもよい。
　次に、制御部６０は、ステップＳ４で求めた循環ポンプ２７の消費電力ＰＰ（ｋ）とステップＳ１で求めた電解槽２０の発熱量ＰＥ（ｋ）とに基づいて、合計消費電力ＰＳＵＭ（ｋ）を算出する（ステップＳ５）。
　図３は、ステップＳ５で算出される合計消費電力ＰＳＵＭ（ｋ）の一例を示すグラフである。図３に示すように、循環ポンプ２７の消費電力ＰＰ（ｋ）が増加すると回転速度が高くなり、これに伴って循環水流量が増加する。通常、循環ポンプ２７の消費電力は、循環水流量（回転速度）の３乗に比例する。また、循環水流量が増加すると電解槽２０の出口温度の上昇が抑制され、電解槽２０の出入口温度差が小さくなる。電解運転中の電解槽２０の温度には上限（電解槽温度上限）があり、この電解槽温度上限を考慮すると、前記出入口温度差が小さいほど入口温度を高くすることができるため、電解槽２０の消費電力は減少する（つまり、変換効率が上がる）。このため、循環水流量の増加に伴って、電解槽２０の発熱量ＰＥ（ｋ）は減少する。
　制御部６０は、循環ポンプ２７の消費電力ＰＰ（ｋ）と電解槽２０の発熱量ＰＥ（ｋ）とを加算することにより、合計消費電力ＰＳＵＭ（ｋ）を算出する。合計消費電力ＰＳＵＭ（ｋ）は、下側へ凸となる曲線を描き、その頂点が合計消費電力ＰＳＵＭ（ｋ）の最小値を示す最小消費電力Ｐになる。制御部６０は、算出した合計消費電力ＰＳＵＭ（ｋ）をメモリへ記録する。
　次に、制御部６０は、前回（過去）のｋ－１回目の循環水流量変更制御で求めた合計消費電力ＰＳＵＭ（ｋ－１）をメモリから読み出し、ステップＳ５で求めた合計消費電力ＰＳＵＭ（ｋ）と前回の合計消費電力ＰＳＵＭ（ｋ－１）とが同じ値であるか否かを判定する（ステップＳ６）。なお、循環水流量変更制御の動作周期が比較的短い場合（例えば動作周期が０.５秒の場合）、過去の合計消費電力ＰＳＵＭの値として、前回の合計消費電力ＰＳＵＭ（ｋ－１）に代えて、前前回の合計消費電力ＰＳＵＭ（ｋ－２）等を用いることも可能である。
　制御部６０がインバータ５０を制御して循環ポンプ２７の回転速度を調整してから循環水流量の変化が実際に確認されるまでには多少のタイムラグが生じ得る。このため、合計消費電力ＰＳＵＭ（ｋ）と前回の合計消費電力ＰＳＵＭ（ｋ－１）とが同じ値である場合（ステップＳ６でＹｅｓ）、つまり前回の循環水流量変更制御から合計消費電力ＰＳＵＭが未だ変化していない場合、制御部６０は、前記タイムラグ等を考慮し、循環水流量を変更せずに循環水流量変更制御を終了し、次回以降の循環水流量変更制御で循環水流量を変更するように制御してもよい。
　一方、合計消費電力ＰＳＵＭ（ｋ）と前回（過去）の合計消費電力ＰＳＵＭ（ｋ－１）とが同じ値でない場合（ステップＳ６でＮｏ）、制御部６０は、合計消費電力ＰＳＵＭ（ｋ）が前回の合計消費電力ＰＳＵＭ（ｋ－１）よりも増加したか否かを判定する（ステップＳ７）。
　ステップＳ７にて、合計消費電力ＰＳＵＭ（ｋ）が前回の合計消費電力ＰＳＵＭ（ｋ－１）以下である場合（ステップＳ７でＮｏ）、制御部６０は、前回のｋ－１回目の循環水流量変更制御時点における循環水流量Ｎ（ｋ－１）をメモリから読み出し、循環水流量Ｎ（ｋ）が前回の循環水流量Ｎ（ｋ－１）よりも増加したか否かを判定する（ステップＳ８）。
　循環水流量Ｎ（ｋ）が前回の循環水流量Ｎ（ｋ－１）よりも増加している場合（ステップＳ８でＹｅｓ）、制御部６０は、循環水流量Ｎ（ｋ）が増加するようにインバータ５０を制御する（ステップＳ９）。
　図４は、ステップＳ９における制御の一例を示すグラフである。図４に示すように、合計消費電力ＰＳＵＭ（ｋ）が前回の合計消費電力ＰＳＵＭ（ｋ－１）より減少（図中矢印Ａ）しており、かつ循環水流量が増加（図中矢印Ｂ）している場合、循環水流量Ｎ（ｋ）をさらに増加（図中矢印Ｃ）させることで、合計消費電力ＰＳＵＭ（ｋ）がより減少（図中矢印Ｄ）すると推測される。そこで、制御部６０は、ステップＳ９にて、インバータ５０を制御して、循環水流量Ｎ（ｋ）を増加させる。図示の例では、制御部６０は、インバータ５０を制御して、最小消費電力Ｐの循環水流量である３８０［Ｌ/ｍｉｎ］に近づくように循環水流量Ｎ（ｋ）を増加させる。これにより、合計消費電力ＰＳＵＭ（ｋ）を最小消費電力Ｐに近づけることができるため、水電解装置１００の消費電力が低減され得る。
　一方、循環水流量Ｎ（ｋ）が前回の循環水流量Ｎ（ｋ－１）以下である場合（ステップＳ８でＮｏ）、制御部６０は、循環水流量Ｎ（ｋ）が減少するようにインバータ５０を制御する（ステップＳ１０）。
　図５は、ステップＳ１０における制御の一例を示すグラフである。図５に示すように、合計消費電力ＰＳＵＭ（ｋ）が前回の合計消費電力ＰＳＵＭ（ｋ－１）より減少（図中矢印Ａ）しており、かつ循環水流量が減少（図中矢印Ｂ）している場合、循環水流量をさらに減少（図中矢印Ｃ）させることで、合計消費電力ＰＳＵＭ（ｋ）がより減少（図中矢印Ｄ）すると推測される。そこで、制御部６０は、ステップＳ１０にて、インバータ５０を制御して循環水流量Ｎ（ｋ）を減少させる。これにより、合計消費電力ＰＳＵＭ（ｋ）を最小消費電力Ｐに近づけることができるため、水電解装置１００の消費電力が低減され得る。
　また、前記ステップＳ７にて、合計消費電力ＰＳＵＭ（ｋ）が前回の合計消費電力ＰＳＵＭ（ｋ－１）よりも増加している場合（ステップＳ７でＹｅｓ）、制御部６０は、前回のｋ－１回目の循環水流量変更制御時点における循環水流量Ｎ（ｋ－１）をメモリから読み出し、循環水流量Ｎ（ｋ）が前回の循環水流量Ｎ（ｋ－１）よりも増加したか否かを判定する（ステップＳ１１）。
　循環水流量Ｎ（ｋ）が前回の循環水流量Ｎ（ｋ－１）よりも増加している場合（ステップＳ１１でＹｅｓ）、制御部６０は、循環水流量Ｎ（ｋ）が減少するようにインバータ５０を制御する（ステップＳ１２）。
　図６は、ステップＳ１２における制御の一例を示すグラフである。図６に示すように、合計消費電力ＰＳＵＭ（ｋ）が前回の合計消費電力ＰＳＵＭ（ｋ－１）より増加（図中矢印Ａ）しており、かつ循環水流量が増加（図中矢印Ｂ）している場合、循環水流量を減少（図中矢印Ｃ）させることで、合計消費電力ＰＳＵＭ（ｋ）が減少（図中矢印Ｄ）すると推測される。そこで、制御部６０は、ステップＳ１２にて、インバータ５０を制御して循環水流量Ｎ（ｋ）を減少させる。これにより、合計消費電力ＰＳＵＭ（ｋ）を最小消費電力Ｐに近づけることができるため、水電解装置１００の消費電力が低減され得る。
　一方、循環水流量Ｎ（ｋ）が前回の循環水流量Ｎ（ｋ－１）以下である場合（ステップＳ１１でＮｏ）、制御部６０は、循環水流量Ｎ（ｋ）が増加するようにインバータ５０を制御する（ステップＳ１３）。
　図７は、ステップＳ１３における制御の一例を示すグラフである。図７に示すように、合計消費電力ＰＳＵＭ（ｋ）が前回の合計消費電力ＰＳＵＭ（ｋ－１）より増加（図中矢印Ａ）しており、かつ循環水流量が減少（図中矢印Ｂ）している場合、循環水流量を増加（図中矢印Ｃ）させることで、合計消費電力ＰＳＵＭ（ｋ）が減少（図中矢印Ｄ）すると推測される。そこで、制御部６０は、ステップＳ１３にて、インバータ５０を制御して循環水流量Ｎ（ｋ）を増加させる。これにより、合計消費電力ＰＳＵＭ（ｋ）を最小消費電力Ｐに近づけることができるため、水電解装置１００の消費電力が低減され得る。
　〔水電解装置１００の効果〕
　以上のように、本実施形態に係る水電解装置１００は、水を電解する電解槽２０と、電解槽２０で発生した酸素と水とを分離する酸素気液分離器２２と、酸素気液分離器２２から電解槽２０へ水を供給することにより水を循環させる水循環ライン２３に設置される循環ポンプ２７と、循環ポンプ２７に接続され該循環ポンプ２７へ給電するインバータ５０と、インバータ５０を制御して水循環ライン２３の循環水流量を変更する制御部６０と、を備える。
　本実施形態によれば、循環ポンプ２７の回転速度を調整して循環水流量を最適化することにより、水電解装置１００の消費電力を低減することができる。また、本実施形態によれば、水電解装置１００の消費電力を低減することができるため、例えば、国連が提唱する持続可能な開発目標（ＳＤＧｓ）の目標７「すべての人々の、安価かつ信頼できる持続可能な近代的エネルギーへのアクセスを確保する（再生可能エネルギー等）」等の達成にも貢献するものである。
　〔変形例〕
　上述の説明では、制御部６０は、ステップＳ５以降の処理において、合計消費電力ＰＳＵＭ（ｋ）が最小消費電力Ｐに近づくように循環水流量を変更する制御例について説明した。この制御に代えて、制御部６０は、以下の制御により、循環水流量を変更することも可能である。
　（変形例１）
　制御部６０は、過去の履歴情報に基づいて循環水流量を変更してもよい。例えば、制御部６０は、過去の循環水流量、過去の電解槽２０の発熱量及び過去の循環ポンプ２７の消費電力等の履歴情報に基づいて、循環水流量を変更してもよい。表１は、メモリに記憶される履歴情報の一例を示す表である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
 　表１に示すように、履歴情報には、過去の循環ポンプ２７の消費電力、過去の電解槽２０の発熱量、過去の合計消費電力、及び過去の循環水流量等が含まれる。制御部６０は、循環水流量を変更する際、履歴情報の中から合計消費電力が最小となる循環ポンプ２７の消費電力と電解槽２０の発熱量との組合せ（表中Ｎｏ１）を抽出し、抽出した組合せにおける循環水流量に近づくように循環水流量を変更してもよい。このように、過去の履歴情報に基づいて循環水流量を最適化することにより、循環水流量変更制御における制御部６０の処理量を低減することができる。
　（変形例２）
　また、制御部６０は、算出した合計消費電力を循環水流量で表す関数の微分値に基づいて、循環水流量を変更してもよい。合計消費電力を循環水流量の関数Ｐ＝Ｆ（Ｎ）で表した場合、Ｎでの微分値Ｐ’＝ｆ’（Ｎ）は、図３に示す合計消費電力ＰＳＵＭ（ｋ）の曲線の傾きを表す。従って、微分値Ｐ’が正（＋）である場合、循環水流量を増加させると合計消費電力が増加する。このため、制御部６０は、微分値Ｐ’が正である場合、循環水流量が減少するようにインバータ５０を制御する。一方、微分値Ｐ’が負（－）である場合、循環水流量を増加させると合計消費電力が減少する。このため、制御部６０は、微分値Ｐ’が負である場合、循環水流量が増加するようにインバータ５０を制御する。この微分値Ｐ’の絶対値が大きい場合、曲線の傾きが大きくなる。このため、循環水流量の変更量が大きくなり、合計消費電力を早期に最小消費電力Ｐに近づけることができる。
　例えば、負の定数Ｃ、現在の循環水流量Ｎ（ｋ）とした場合、下記式を用いることで合計消費電力を最小化する循環水流量Ｎ（ｋ＋１）を決定することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 　このように、制御部６０は、合計消費電力を循環水流量で表す関数の微分値を用いた演算により循環水流量を算出し、循環水流量を最適化してもよい。
　〔まとめ〕
　本発明の態様１に係る水電解装置は、水を電解する電解槽と、前記電解槽で発生した気体と水とを分離する気液分離器と、前記気液分離器から前記電解槽へ水を供給することにより水を循環させる水循環ラインに設置される循環ポンプと、前記循環ポンプに接続され、該循環ポンプへ給電するインバータと、前記インバータを制御して、前記水循環ラインの循環水流量を変更する制御部と、を備える。
　また、本発明の態様２に係る水電解装置では、前記態様１において、前記制御部は、前記循環ポンプの消費電力と前記電解槽の発熱量とに基づいて、前記循環水流量を変更してもよい。
　また、本発明の態様３に係る水電解装置では、前記態様１において、前記制御部は、前記電解槽の発熱量と前記電解槽における循環水の入口と出口との温度差の設定値とに基づいて、前記循環水流量を変更してもよい。
　また、本発明の態様４に係る水電解装置では、前記態様２において、前記制御部は、前記循環ポンプと前記電解槽との合計消費電力を算出し、該合計消費電力が小さくなるように前記循環水流量を変更してもよい。
　また、本発明の態様５に係る水電解装置では、前記態様４において、前記制御部は、算出した前記合計消費電力と過去の前記合計消費電力とを比較し、算出した前記合計消費電力と過去の前記合計消費電力とが異なる場合、前記循環水流量を変更してもよい。
　また、本発明の態様６に係る水電解装置では、前記態様１から５のいずれかにおいて、前記制御部は、前記電解槽における循環水の出口温度が閾値温度より高いか否かを判定し、判定結果に基づいて前記循環水流量を変更してもよい。
　また、本発明の態様７に係る水電解装置では、前記態様４において、前記制御部は、過去の前記循環水流量、過去の前記電解槽の発熱量及び過去の前記循環ポンプの消費電力の履歴情報に基づいて、前記循環水流量を変更してもよい。
　また、本発明の態様８に係る水電解装置では、前記態様４において、前記制御部は、算出した前記合計消費電力を前記循環水流量で表す関数の微分値に基づいて、前記循環水流量を変更してもよい。
　本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、実施形態に開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
２０：電解槽
２２：酸素気液分離器（気液分離器）
２３：水循環ライン
２７：循環ポンプ
５０：インバータ
６０：制御部
１００：水電解装置

Claims (8)

  1. 　水を電解する電解槽と、
    　前記電解槽で発生した気体と水とを分離する気液分離器と、
    　前記気液分離器から前記電解槽へ水を供給することにより水を循環させる水循環ラインに設置される循環ポンプと、
    　前記循環ポンプに接続され、該循環ポンプへ給電するインバータと、
    　前記インバータを制御して、前記水循環ラインの循環水流量を変更する制御部と、
    を備える水電解装置。
  2. 　前記制御部は、前記循環ポンプの消費電力と前記電解槽の発熱量とに基づいて、前記循環水流量を変更する請求項１に記載の水電解装置。
  3. 　前記制御部は、前記電解槽の発熱量と前記電解槽における循環水の入口と出口との温度差の設定値とに基づいて、前記循環水流量を変更する請求項１に記載の水電解装置。
  4. 　前記制御部は、前記循環ポンプと前記電解槽との合計消費電力を算出し、該合計消費電力が小さくなるように前記循環水流量を変更する請求項２に記載の水電解装置。
  5. 　前記制御部は、算出した前記合計消費電力と過去の前記合計消費電力とを比較し、算出した前記合計消費電力と過去の前記合計消費電力とが異なる場合、前記循環水流量を変更する請求項４に記載の水電解装置。
  6. 　前記制御部は、前記電解槽における循環水の出口温度が閾値温度より高いか否かを判定し、判定結果に基づいて前記循環水流量を変更する請求項１から５のいずれか１項に記載の水電解装置。
  7. 　前記制御部は、過去の前記循環水流量、過去の前記電解槽の発熱量及び過去の前記循環ポンプの消費電力の履歴情報に基づいて、前記循環水流量を変更する請求項４に記載の水電解装置。
  8. 　前記制御部は、算出した前記合計消費電力を前記循環水流量で表す関数の微分値に基づいて、前記循環水流量を変更する請求項４に記載の水電解装置。
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