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公開番号2025125652
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-08-28
出願番号2024021712
出願日2024-02-16
発明の名称水電解システム及び絶縁配管の保守方法
出願人株式会社日立製作所
代理人弁理士法人信友国際特許事務所
主分類C25B 15/023 20210101AFI20250821BHJP(電気分解または電気泳動方法;そのための装置)
要約【課題】水電解スタックと配管を電気的に絶縁する絶縁配管の健全性を評価するとともに、絶縁性の劣化度合いに応じた運転制御を実現する。
【解決手段】1台以上の水電解スタック10と、水電解スタック10と配管を電気的に絶縁する絶縁配管16と、水電解スタック10に直流電力を供給して水電解スタック10を駆動させる直流電源11と、絶縁配管16を流れる漏れ電流を計測する電流計測部20と、直流電源の出力を制御する制御装置22と、を具備した水電解システム1である。制御装置22は、電流計測部20で計測した絶縁配管16を流れる漏れ電流の計測値を表示部44に表示し、漏れ電流の計測値に基づいて水電解スタック10に供給する直流電力を制御する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
１台以上の水電解スタックと、
前記水電解スタックと配管を電気的に絶縁する絶縁配管と、
前記水電解スタックに直流電力を供給して前記水電解スタックを駆動させる直流電源と、
前記絶縁配管を流れる漏れ電流を計測する電流計測部と、
前記直流電源の出力を制御する制御装置と、
を具備した水電解システムであって、
前記制御装置は、前記電流計測部で計測した前記絶縁配管を流れる漏れ電流の計測値を表示部に表示し、前記漏れ電流の計測値に基づいて前記水電解スタックに供給する前記直流電力を制御する
水電解システム。
続きを表示（約 1,200 文字）【請求項２】
前記電流計測部で計測した前記絶縁配管を流れる漏れ電流の計測値と閾値とを比較して、前記絶縁配管の電気的な絶縁性が劣化したか否かを判定する劣化判定部、を備え、
前記制御装置は、前記劣化判定部による前記絶縁配管の電気的な絶縁性が劣化したか否かの判定結果を前記表示部に表示する
請求項１に記載の水電解システム。
【請求項３】
前記絶縁配管の一部に前記絶縁配管を流れる漏れ電流を計測するための導体からなる集電部、を備える
請求項１又は２に記載の水電解システム。
【請求項４】
前記水電解スタックにおける前記直流電源の正極側と負極側に接続され、開閉動作する回路切換部、を備え、
前記制御装置は、前記絶縁配管を流れる漏れ電流が閾値よりも大きいと判定された場合に、前記回路切換部を開放させ前記水電解スタックを前記直流電力が供給される回路から切り離す
請求項１又は２に記載の水電解システム。
【請求項５】
前記漏れ電流の計測値と比較される前記閾値として、前記絶縁配管の絶縁破壊が起こると予想される漏れ電流の値に対する裕度を考慮した第１の閾値が設定され、
前記漏れ電流の計測値が前記第１の閾値よりも大きい場合に、前記第１の閾値の裕度よりも小さい裕度に基づく第２の閾値が設定される
請求項４に記載の水電解システム。
【請求項６】
前記制御装置は、前記絶縁配管の電気的な絶縁性が劣化したと判定された場合に、前記絶縁配管が絶縁破壊する前の保守時期を計算し、前記保守時期を前記表示部に表示する
請求項５に記載の水電解システム。
【請求項７】
前記直流電源に対して前記水電解スタックに供給する直流電力の指令を入力するための入力部、を備える
請求項１に記載の水電解システム。
【請求項８】
前記水電解スタックの筐体と大地を絶縁するための絶縁物を有する
請求項１に記載の水電解システム。
【請求項９】
１台以上の水電解スタックと、前記水電解スタックと配管を電気的に絶縁する絶縁配管と、前記水電解スタックに直流電力を供給して前記水電解スタックを駆動させる直流電源と、電流計測部と、前記直流電源の出力を制御する制御装置と、劣化判定部と、出力部と、を具備した水電解システムにおける前記絶縁配管の保守方法であって、
前記電流計測部により前記絶縁配管を流れる漏れ電流を計測する処理と、
前記劣化判定部により前記漏れ電流の計測値を閾値と比較し、前記絶縁配管の電気的な絶縁性が劣化したか否かを判定する処理と、
前記絶縁配管の電気的な絶縁性が劣化したと判定された場合に、前記出力部により前記絶縁配管が絶縁破壊する前の保守時期を計算して前記保守時期を出力する処理と、を含む
絶縁配管の保守方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、水電解システム及び絶縁配管の保守方法に関する。
続きを表示（約 2,000 文字）【背景技術】
【０００２】
近年、二酸化炭素をはじめとする温室効果ガスの排出量増加に伴い、地球温暖化等の環境問題や石油資源の枯渇等のエネルギー問題等が注目を集めている。そして、このような観点から、クリーンな代替エネルギーとして水素エネルギーが注目されている。しかし、水素エネルギーで既存の化石燃料を代替するためには、大量の水素が必要となる。
【０００３】
水素の製造方法の１つとして、水電解装置がある。地球温暖化の抑制に向けて、大規模な水電解装置の実証プロジェクトが進んでいる。中でも、欧州では洋上風力の発電電力を活用した数十ＭＷの水素製造装置の実証プロジェクトが進行しており、今後も水電解装置の大型化は継続するものと考えられる。水電解装置によるＭＷ級の水素製造において、水電解スタック（水電解槽）は、数百Ｖ、数千Ａという低電圧及び大電流特性を有しているのが特徴である。
【０００４】
さらに、水素製造のコスト削減を目的として、水電解システムの大規模化が進められており、２０５０年までに、容量が５００ＧＷ程度の水電解システムの導入が見込まれている。これに伴い、水素製造に必要な水電解スタックの量産効率による設備費の削減が期待されている。しかし、前述のように、水電解スタックは大電流、低電圧で駆動させる必要があるが、これを実現する直流電源は特殊用途となり、コスト削減が進まないことが予想される。そのため、電源の低コスト化が必要となる。
【０００５】
大規模水電解システムにおいて、電源の高効率稼働のため、多数の水電解スタックを１台の電源で稼働する必要性が提唱されている。多数の水電解スタックを一括稼働する手法の一つとして、多数の水電解スタックを電気的に直列接続（以下、「多直列接続」と称する）する構成がある。水電解スタックを多直列接続で高電圧化することで、電力系統から電力を引き入れる場合に降圧用の変圧器や整流器などの数を削減できる可能性がある。これにより、低コストで大規模な水素製造を実現することができると考えられる。しかし、水電解スタックを多直列接続して高電圧化した場合、高電圧となる水電解スタックと大地や接地電位である配管との間の電気的な絶縁が課題となる。
【０００６】
特許文献１には、燃料電池スタックにおいて高電圧出力を得るための絶縁構成が記載されている。特許文献１に記載の技術では、燃料電池スタックの電気的な絶縁を確保するために、燃料電池スタックの下端板（筐体）と設置台（大地）間に絶縁板を設け、かつ、燃料電池スタックに供給する燃料ガスや空気の金属配管の一部に絶縁機構を設けている。この絶縁板により、下端板と支持フレーム間の電気的絶縁が確保されるようにしている。また、絶縁機構により、燃料電池スタックを複数直列に接続した燃料電池においては、金属配管を介して各燃料電池スタックの上下端板が電気的に接続されることを回避できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
特開２００９－８７８６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記特許文献１に記載の燃料電池スタックは、固体酸化物形燃料電池のように、６００℃以上の高温雰囲気で動作する燃料電池であり、水を含まない体系である。他方で、水電解スタックは水を電気分解して水素を生成するため、純水を流通させる必要がある。また、水電解されて生成される水素ガスの系統にも、生成された水素ガスに同伴されて純水がわずかに高分子膜を通り抜け排出される。純水の比抵抗は、ガスと比較して低く、超純水の場合で１７．５～１８．２ＭΩ・ｃｍである。
【０００９】
したがって、特許文献１に記載された技術内容と同様の構成で水電解スタックを高電圧駆動させた場合、印加電圧と純水の体積抵抗によって決まる電流が流れることになる。この電流は、金属配管部で電蝕を引き起こす。電蝕によって溶出した金属イオンは、水電解スタックを劣化させるほか、配管に設けた絶縁機構に析出し、絶縁機構の絶縁性を低下させる恐れがある。特に、配管に設けた絶縁機構の絶縁性が低下し、絶縁破壊した場合には、水電解システム全体を停止させる必要がある。大規模な水電解システムが電力系統から瞬時に解列された場合、電力系統に擾乱を及ぼす可能性がある。このため、絶縁破壊による水電解システム全体の停止を未然に防ぐ体系が必要となる。
【００１０】
本発明は、上記の状況に鑑みてなされたものであり、本発明は、水電解スタックと配管を電気的に絶縁する絶縁配管の健全性を評価するとともに、絶縁配管の絶縁性の劣化度合いに応じた水電解システムの運転制御を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
（【００１１】以降は省略されています）

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