JP7039504B2 - Control device and control method for hydrogen production plant - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、電解セルを用いた水蒸気電解により水素を製造する水素製造プラントの制御装置、及び水素製造プラントの制御方法に関する。 An embodiment of the present invention relates to a control device for a hydrogen production plant that produces hydrogen by steam electrolysis using an electrolytic cell, and a control method for the hydrogen production plant.
水素を主たるエネルギー媒体として用いる水素エネルギー社会の実現が注目されている。水素を効率よく製造する技術として、高温水蒸気電解法が広く知られている。この高温水蒸気電解法は、固体酸化物電解セル(SOEC)を用いて、500℃以上(通常は700℃程度)の高温にて水蒸気を電気分解(電解)することにより水素及び酸素を生成する。この方法の特徴は、高温環境下で水蒸気を電解することにより、常温下での水電解に比べて電気分解に必要な電力を低減できることにある。また、高温であるため電極の反応活性が高く電極過電圧が小さいこと、更に、環境の熱を利用して電解反応が進むため、電解時にSOECで発生する電解損失熱を電解反応に利用できる特徴がある。これらの特徴により、電解時にエネルギー損失なく水蒸気を電解することができる。 Attention is being paid to the realization of a hydrogen energy society that uses hydrogen as the main energy medium. The high temperature steam electrolysis method is widely known as a technique for efficiently producing hydrogen. In this high-temperature steam electrolysis method, hydrogen and oxygen are generated by electrolyzing (electrolyzing) steam at a high temperature of 500 ° C. or higher (usually about 700 ° C.) using a solid oxide electrolyzer cell (SOEC). A feature of this method is that by electrolyzing water vapor in a high temperature environment, the electric power required for electrolysis can be reduced as compared with water electrolysis at room temperature. In addition, because the temperature is high, the reaction activity of the electrodes is high and the electrode overvoltage is small, and since the electrolytic reaction proceeds using the heat of the environment, the heat loss of electrolysis generated by the SOIC during electrolysis can be used for the electrolytic reaction. be. Due to these characteristics, water vapor can be electrolyzed without energy loss during electrolysis.
水素製造プラントの基本運用を検討するうえでは、SOEC特性の初期劣化の影響を考慮する必要がある。SOECを一定の高温(700℃程度)に保ち、熱中立点電圧近傍で運転を行うと、高温運転の開始後におけるSOEC特性の初期劣化が大きく、例えば2500時間で抵抗値が20%程度増加すると報告されている。 When considering the basic operation of a hydrogen production plant, it is necessary to consider the effects of initial deterioration of SOIC characteristics. When the SOIC is kept at a constant high temperature (about 700 ° C) and operated near the thermal neutral point voltage, the initial deterioration of the SOIC characteristics after the start of the high temperature operation is large, for example, when the resistance value increases by about 20% in 2500 hours. It has been reported.
電圧一定運転を行うと、運転時間の経過と共に抵抗値が増加してゆくため電流が減少し、水素生成量が減少してゆく。逆に考えると、SOECの抵抗値が飽和する安定期において規定量の水素を製造しようとすると、運転開始直後は安定期よりも大きな蒸気流量、電源容量が必要になって初期の設備規模が大型化するという課題がある。 When a constant voltage operation is performed, the resistance value increases with the lapse of the operation time, so that the current decreases and the amount of hydrogen produced decreases. Conversely, if a specified amount of hydrogen is to be produced in the stable period when the resistance value of SOEC is saturated, a larger steam flow rate and power supply capacity will be required immediately after the start of operation, and the initial equipment scale will be large. There is a problem of becoming.
また、電流一定運転を行うと水素生成量が一定になり、従って、蒸気流量及び水素生成量も一定になる。しかし、運転時間の経過と共にSOECの抵抗値が増加してゆくため、SOECから構成されるセルスタックへの供給電圧が上昇し、SOECとしては過電圧状態になって、電源装置の設備規模が大型化する。電圧上昇を抑えるために電流を低下させると、水素製造量が減少するという課題がある。 Further, when the current constant operation is performed, the amount of hydrogen produced becomes constant, and therefore the steam flow rate and the amount of hydrogen produced also become constant. However, as the resistance value of the SOIC increases with the passage of operating time, the supply voltage to the cell stack composed of the SOIC rises, and the SOCC becomes overvoltage, resulting in an increase in the scale of the power supply equipment. do. If the current is reduced in order to suppress the voltage rise, there is a problem that the amount of hydrogen produced is reduced.
水素製造プラントとしては、運転初期から安定期まで、ボイラや熱交換器、配管等の系統に略一定流量の水蒸気、水素等が流れる設備として設計し製作したい。また、電源設備としても、略一定の電圧及び電流を供給して水素を製造したい。 As a hydrogen production plant, we would like to design and manufacture equipment that allows a substantially constant flow of steam, hydrogen, etc. to flow through systems such as boilers, heat exchangers, and pipes from the initial stage of operation to the stable period. Also, as a power supply facility, we want to supply hydrogen by supplying a substantially constant voltage and current.
本発明の実施形態は、上述の事情を考慮してなされたものであり、電解セルの特性に初期劣化として大きな変化があったとしても、プラントの設備規模を大型化させず、且つ水素を効率良く安定して製造できる水素製造プラントの制御装置及び制御方法を提供することを目的とする。 The embodiment of the present invention has been made in consideration of the above-mentioned circumstances, and even if there is a large change in the characteristics of the electrolytic cell as an initial deterioration, the scale of the plant equipment is not increased and hydrogen is used efficiently. It is an object of the present invention to provide a control device and a control method for a hydrogen production plant capable of producing well and stably.
本発明の実施形態における水素製造プラントの制御装置は、電解セルを用いた水蒸気電解により水素を製造する水素製造プラントの制御装置において、前記電解セルに供給される電解電流の電圧値を測定する電圧測定手段と、前記電解セルの温度を測定する温度測定手段と、前記電解電流の電流設定値を出力すると共に、温度設定値変更ロジックを備え、この温度設定値変更ロジックにより前記電解セルの温度設定値を変更して出力する第1制御手段と、前記第1制御手段からの前記電流設定値から求めた電流操作信号に基づいて前記電解電流の電流値を制御すると共に、前記温度測定手段により測定される温度測定値が前記温度設定値と一致するように温度制御演算を行って前記電解セルの温度を制御する第2制御手段とを有し、前記温度設定値変更ロジックは、運転初期には前記温度設定値を前記電解セルの運転最高温度よりも低い温度に設定し、前記電圧測定手段により測定された電圧測定値が前記電解セル単体の熱中立点電圧よりも規定値だけ増加したときに、前記温度設定値を所定値だけ順次増加して設定するよう構成されたことを特徴とするものである。 The control device of the hydrogen production plant according to the embodiment of the present invention is a control device of a hydrogen production plant that produces hydrogen by steam electrolysis using an electrolytic cell, and is a voltage for measuring a voltage value of an electrolytic current supplied to the electrolytic cell. A measuring means, a temperature measuring means for measuring the temperature of the electrolytic cell, a current setting value of the electrolytic current are output, and a temperature setting value changing logic is provided, and the temperature setting of the electrolytic cell is provided by this temperature setting value changing logic. The current value of the electrolytic current is controlled based on the first control means that changes the value and outputs, and the current operation signal obtained from the current set value from the first control means, and is measured by the temperature measuring means. It has a second control means for controlling the temperature of the electrolytic cell by performing a temperature control calculation so that the measured temperature value is matched with the temperature set value, and the temperature set value changing logic is provided at the initial stage of operation. When the temperature set value is set to a temperature lower than the maximum operating temperature of the electrolytic cell, and the voltage measured value measured by the voltage measuring means increases by a specified value from the thermal neutral point voltage of the electrolytic cell alone. It is characterized in that the temperature setting value is sequentially increased by a predetermined value and set.
本発明の実施形態における水素製造プラントの制御方法は、電解セルを用いた水蒸気電解により水素を製造する水素製造プラントの制御方法において、運転初期には、前記電解セルの温度設定値を前記電解セルの運転最高温度よりも低い温度に設定し、この温度設定値に基づいて前記電解セルの温度を制御し、前記電解セルに供給される電解電流の電圧値が前記電解セル単体の熱中立点電圧よりも規定値だけ増加したときに、前記温度設定値を所定値だけ順次増加して設定し、この増加させた温度設定値に基づいて前記電解セルの温度を制御することを特徴とするものである。 The method for controlling a hydrogen production plant according to the embodiment of the present invention is a method for controlling a hydrogen production plant that produces hydrogen by steam electrolysis using an electrolytic cell. At the initial stage of operation, the temperature set value of the electrolytic cell is set to the electrolytic cell. The temperature is set to a temperature lower than the maximum operating temperature of the electrolytic cell, the temperature of the electrolytic cell is controlled based on this temperature set value, and the voltage value of the electrolytic current supplied to the electrolytic cell is the thermal neutral point voltage of the electrolytic cell alone. When the temperature is increased by a specified value, the temperature setting value is sequentially increased by a predetermined value and set, and the temperature of the electrolytic cell is controlled based on the increased temperature setting value. be.
また、本発明の実施形態における水素製造プラントの制御方法は、電解セルを用いた水蒸気電解により水素を製造する水素製造プラントの制御方法において、温度測定値が電解セルの運転最高温度に到達したときには、温度設定値を前記運転最高温度に固定して設定し、電圧測定値が電圧設定値と一致するように電圧制御演算を行って電流操作信号を求め、電解電流の電流値を制御することを特徴とする制御方法である。 Further, the control method of the hydrogen production plant according to the embodiment of the present invention is the control method of the hydrogen production plant that produces hydrogen by steam electrolysis using an electrolytic cell, when the temperature measurement value reaches the maximum operating temperature of the electrolytic cell. , The temperature set value is fixed to the maximum operating temperature, and the voltage control calculation is performed so that the voltage measurement value matches the voltage set value to obtain the current operation signal, and the current value of the electrolytic current is controlled. This is a characteristic control method.
本発明の実施形態によれば、電解セルの特性に初期劣化として大きな変化があったとしても、プラントの設備規模を大型化させず、且つ水素を効率良く安定して製造できる。 According to the embodiment of the present invention, even if there is a large change in the characteristics of the electrolytic cell as an initial deterioration, hydrogen can be efficiently and stably produced without increasing the scale of the plant equipment.
以下、本発明を実施するための形態を、図面に基づき説明する。
[A]第1実施形態(図1~図10)
図1は、第1実施形態に係る水素製造プラントの制御装置が制御対象とする水素製造プラントを示す系統図である。この水素製造プラント10は、固体酸化物電解セル(SOEC:Solid Oxide Electrolysis Cell)から構成されて、水素を水蒸気の電解により製造するセルスタック1と、このセルスタック1を収納して例えば700℃程度の高温に保持する電気炉2と、セルスタック1に水蒸気を供給し且つ水素を回収する水蒸気-水素ライン3と、セルスタック1に空気を供給し且つ生成した酸素を排出する空気-酸素ライン4と、を有して構成される。
Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
[A] First Embodiment (FIGS. 1 to 10)
FIG. 1 is a system diagram showing a hydrogen production plant to be controlled by the control device of the hydrogen production plant according to the first embodiment. The
水蒸気-水素ライン3は、セルスタック1へ水蒸気を供給する水蒸気ライン3A、及びセルスタック1にて生成された水素を回収する水素ライン3Bを備える。また、空気-酸素ライン4は、セルスタック1へ空気を供給する空気ライン4A、及びセルスタック1にて生成された酸素を排出する酸素ライン4Bを備える。
The steam-
水蒸気-水素ライン3、空気-酸素ライン4には、熱回収のために熱交換器5、6がそれぞれ設置されている。熱交換器5は、電気炉2の雰囲気下で高温になったSOECからの水素ガスのエネルギーを用いて、SOECへ供給される水蒸気の温度を上昇させる。また、熱交換器6は、電気炉2の雰囲気下で高温になったSOECからの酸素ガスのエネルギーを用いて、SOECへ供給される空気の温度を上昇させる。
Heat exchangers 5 and 6 are installed in the steam-
水蒸気-水素ライン3の水蒸気ライン3Aには、電解に用いる水蒸気を生産するためのボイラ7が設置されている。電解に用いる電力は、セル電源装置8からセルスタック1に供給される。セル電源装置8には、水素製造プラント10の外部から電力が供給される。その電力は、水力や火力により発電した電力であってもよく、または太陽光や風力等の再生可能エネルギーより発電した電力であってもよい。
A boiler 7 for producing steam used for electrolysis is installed in the
次に、セルスタック1が収納された電気炉2の内部の構成を図2に示す。SOECは、小容量なので複数枚(例えば25枚)が積層されて、セルスタック1を構成する。図2は、このセルスタック1を電気炉2内に24個収納した一例を示す。この電気炉2の上下左右前後には電気ヒータ15が設置されて保温材16で覆われ、電気炉2の内部が500℃以上、例えば700℃程度の高温に保持される。
Next, FIG. 2 shows the internal configuration of the
電気炉2の水素極入口11Aは水蒸気ライン3Aに接続され、この水素極入口11Aに、水蒸気を主成分とするガスが供給される。また、電気炉2の水素極出口11Bは水素ライン3Bに接続され、この水素極出口11Bから、水蒸気が電気分解されて発生した水素を主成分とするガスが排出される。更に、電気炉2の酸素極入口12Aは空気ライン4Aに接続され、この酸素極入口12Aに空気が供給される。また、電気炉2の酸素極出口12Bは酸素ライン4Bに接続され、この酸素極出口12Bから、水蒸気が電気分解して発生した酸素を含む空気が排出される。
The
電気炉2内のセルスタック1のそれぞれは、水素極入口11Aに連通する水蒸気導入流路13A、及び水素極出口11Bに連通する水素回収流路13Bに対して並列に接続される。更に、セルスタック1のそれぞれは、酸素極入口12Aに連通する空気導入流量14A、及び酸素極出口12Bに連通する酸素排出流路14Bに対して並列に接続される。電気炉2内の各セルスタック1が上述のように水蒸気導入流路13A及び水素回収流路13B、並びに空気導入流路14A及び酸素排出流路14Bに対して並列に接続されることで、各セルスタック1に供給される水蒸気及び空気が均等に流量配分されると共に、セルスタック1の圧力損失に比べて水蒸気-水素ライン3及び空気-酸素ライン4の圧力損失が低減される。
Each of the cell stacks 1 in the
また、電気炉2内に設置された例えば24個のセルスタック1は、本第1実施形態では8個ずつが電気的に直列に接続されて、それぞれ系列A、系列B、系列Cを構成する。これらの3系列(系列A、系列B、系列C)のそれぞれは、独立してセル電源装置8に接続され、各系列A、B、Cにセル電源装置8から、水蒸気の電気分解を行うための電解電力が供給される。
Further, for example, 24 cell stacks 1 installed in the
なお、系列A、系列B、系列Cを電気的に並列接続すると、3つの系列(系列A、B、C)、2つの系列(例えば系列A、B)、1つ系列(例えば系列A)と接続を切り替えたときに、切り替えられた系列の数に応じて全体の合成抵抗が変化して、セルスタック1におけるSOECの熱中立点電圧を維持することが難しくなる。従って、系列A、系列B、系列Cには独立して電力を供給する構成としている。 When the series A, the series B, and the series C are electrically connected in parallel, three series (series A, B, C), two series (for example, series A, B), and one series (for example, series A) are obtained. When the connection is switched, the total combined resistance changes according to the number of switched series, making it difficult to maintain the SOEC thermal neutral point voltage in the cell stack 1. Therefore, the power is independently supplied to the series A, the series B, and the series C.
本第1実施形態に係るSOECを用いた水素製造プラントの制御装置20を図3に示す。この図3の右側にセルスタック1と、これを収納する電気炉2を図示する。セルスタック1には、セル電源装置8から電源ライン17を経て電解電流が供給される。電源ライン17に、電圧測定手段としての電圧測定器21が設置され、この電圧測定器21がセルスタック1に供給される電解電流の電圧値を測定する。また、電気炉2に設置された電気ヒータ15に、ヒータ制御装置22から電力が供給される。また、電気炉2には、温度測定手段としての温度測定器23が設置され、この温度測定器23が、セルスタック1が置かれている雰囲気の温度、つまりセルスタック1の温度を計測する。
FIG. 3 shows a
水素製造プラントの制御装置20は、上述のように、SOECから構成されるセルスタック1を用いて、500℃以上(例えば700℃)の高温の水蒸気による高温水蒸気電解によって水素を製造する水素製造プラント10の制御装置であり、電圧測定器21、温度測定器23、第2制御手段としてのPLC(Programmable Logic Controller)24、及びPLC24の上流制御系である第1制御手段としてのプラント制御装置25を有して構成される。
As described above, the
プラント制御装置25は、セルスタック1に供給される電解電流の電流設定値mと電圧設定値oとをPLC24へ出力する。電圧設定値oは、セルスタック1を構成するSOECの単体の熱中立点電圧約1.3V相当の電圧値である。また、電流設定値mは、例えば電流密度0.5A/cm2相当の電流値である。このプラント制御装置25は、セルスタック1の温度設定値sを変更して設定してPLC24へ出力する温度設定値変更ロジック30を備える。
The
つまり、温度設定値変更ロジック30は、水素製造プラント10の運転初期には温度設定値sをSOECの運転最高温度(例えば700℃)よりも低い温度(例えば600℃)に設定し、電圧測定器21により測定された電解電流の電圧測定値pがSOEC単体の熱中立点電圧(約1.3V)よりも規定値だけ増加するたびに、温度設定値sを所定値だけ順次増加して設定する。更に、温度設定値変更ロジック30は、温度測定器23が測定したセルスタック1(SOEC)の温度測定値tがSOECの運転最高温度に到達したときには、温度設定値sを所定値だけ順次増加して設定する上述の温度設定値変更を停止して、温度設定値sをSOECの運転最高温度(例えば700℃)に固定して設定する。
That is, the temperature set
PLC24は、プラント制御装置25からの電流設定値mから電流操作信号nを求め、この電流操作信号nを、切替器26のa接点を介してセル電源装置8へ出力することで、このセル電源装置8からセルスタック1に供給される電解電流の電流値を制御する。また、PLC24は、温度測定器23にて測定されるセルスタック1(SOEC)の温度測定値tが温度設定値sと一致するように、温度制御器29を用いて温度制御演算を行い温度操作信号uを求め、この温度操作信号uをヒータ制御装置22へ出力することで、このヒータ制御装置22から電気ヒータ15に供給される電流値が制御されて、セルスタック1(SOEC)の温度を制御する。
The
更に、PLC24は、温度測定器23が測定したセルスタック1(SOEC)の温度測定値tがSOECの運転最高温度に到達したときには、プラント制御装置25からの電流設定値mに基づいて電流操作信号nを求めるのではなく、セル電源装置8からセルスタック1に供給される電解電流の電圧測定値p(電圧測定器21により測定された電圧測定値p)が電圧設定値oと一致するように電圧制御器27を用いて電圧制御演算を行い、この演算値から比例ゲイン28により電流操作信号qを求め、この電流操作信号qを、切替器26のb接点を介してセル電源装置8へ出力することで、セル電源装置8からセルスタック1に供給される電解電流の電流値を制御する。
Further, when the temperature measurement value t of the cell stack 1 (SOEC) measured by the
上述のPLC24及びプラント制御装置25の制御動作を、より具体的に以下に述べる。
水蒸気電解の電流設定値mはプラント制御装置25からPLC24に出力され、切替器26のa接点を介して、電流操作信号nとしてセル電源装置8に出力される。ここで、切替器26のa接点は、PLC24により電流設定値mから求められた電流操作信号nをセル電源装置8に出力する。また、電圧設定値oも、プラント制御装置25からPLC24に出力される。PLC24は、電圧設定値oと、電圧測定器21にて測定された電圧測定値pとを比較し、電圧制御器27により電圧制御演算を行い、比例ゲイン28及び切替器26のb接点を介して、電流操作信号qをセル電源装置8に出力する。ここで、切替器26のb接点は、電圧制御器27側からの電流操作信号qをセル電源装置8に出力する。
The control operation of the
The current set value m for steam electrolysis is output from the
セルスタック1を構成するSOECの温度設定値sは、プラント制御装置25の温度設定値変更ロジック30(後述)からPLC24に出力される。PLC24は、温度設定値sと、温度測定器23にて測定された温度測定値tとを比較し、温度制御器29により温度制御演算を行って、ヒータ制御装置22に温度操作信号uを出力する。
The temperature set value s of the SOEC constituting the cell stack 1 is output to the
電圧測定値pはプラント制御装置25にも入力される。このプラント制御装置25は、電圧測定値pがSOEC単体の熱中立点電圧約1.3Vより規定値だけ増加したら、温度設定値sを所定値だけ増加させる温度設定値変更ロジック30を有する。この温度設定値変更ロジック30は、変更した温度設定値sをPLC24に出力する。また、温度設定値変更ロジック30は、温度測定器23にて測定された温度測定値tがSOECの運転最高温度(700℃程度)に到達したら、上述の温度設定値sを規定値だけ増加させる温度設定値変更を停止して、温度設定値sをSOECの運転最高温度に固定して設定する機能を備える。
The voltage measurement value p is also input to the
PLC24は、温度測定値tがSOECの運転最高温度に到達したら、電圧測定値pがSOEC単体の熱中立点電圧約1.3Vに保たれるように電圧制御器27により電圧制御演算を行い、比例ゲイン28及び切替器26のb接点を介して、電流操作信号qをセル電源装置8に出力する。なお、温度設定値変更ロジック30は、切替器26の接点を切り替えるための切替信号cを切替器26へ送信する機能も備える。
When the temperature measured value t reaches the maximum operating temperature of SOC, the
ここで、固体酸化物電解セル(SOEC)の特性について説明する。図4は、SOECの吸発熱特性を示すものである。水の電解は吸熱反応であるため、電流密度の増加に伴いSOECの温度(セル温度)が低下してゆくが、更に電流密度を増加させるとSOECのオーム損による発熱反応が吸熱を上回り、セル温度は上昇に転じる。丸印の部分が吸熱と発熱が等しくなる熱中立点であり、SOECは、水素の生成効率向上の観点から熱中立点近傍で運転が行われる。 Here, the characteristics of the solid oxide electrolyzer cell (SOEC) will be described. FIG. 4 shows the heat absorption and heat generation characteristics of SOEC. Since water electrolysis is an endothermic reaction, the SOEC temperature (cell temperature) decreases as the current density increases, but when the current density is further increased, the exothermic reaction due to the ohm loss of the SOIC exceeds the endothermic reaction, and the cell The temperature starts to rise. The part marked with a circle is a heat neutral point where endothermic heat and heat generation are equal, and SOEC is operated near the heat neutral point from the viewpoint of improving hydrogen generation efficiency.
SOECの電流電圧(I-V)特性を図5に示す。SOECの電圧(セル電圧)は、吸熱と発熱のバランスがとれる熱中立点では、SOEC単体で理論的には約1.3Vである。電流が流れ始める電圧を開回路電圧と呼ぶが、SOEC単体の開回路電圧は約0.9Vであり、電流密度の増加に伴いSOECのセル電圧は徐々に増加する。 The current-voltage (IV) characteristics of the SOEC are shown in FIG. The voltage (cell voltage) of the SOIC is theoretically about 1.3V for the SOEC alone at the heat neutral point where the endothermic and heat generation are balanced. The voltage at which the current starts to flow is called the open circuit voltage. The open circuit voltage of the SOIC alone is about 0.9V, and the cell voltage of the SOIC gradually increases as the current density increases.
運転開始後におけるSOECの初期劣化特性の一例を図6に示す。SOECの劣化は運転温度、電圧及び電流密度に依存する。即ち、運転温度が高く、電圧及び電流密度が大きいほど劣化率は大きくなり、SOECの抵抗値が増加する。SOECの劣化の原因としては、SOECの製造時における各構成層(水素極層、酸素極層等)間の元素拡散に起因した高抵抗相の形成、電解運転時における酸素極層でのCoの局在化、及び水素極層でのNi粒子の形態変化等が考えられている。 FIG. 6 shows an example of the initial deterioration characteristics of the SOEC after the start of operation. Deterioration of SOEC depends on operating temperature, voltage and current density. That is, the higher the operating temperature and the higher the voltage and current density, the higher the deterioration rate and the higher the resistance value of the SOIC. The causes of deterioration of SOEC are the formation of a high resistance phase due to the diffusion of elements between each constituent layer (hydrogen electrode layer, oxygen electrode layer, etc.) during the production of SOEC, and the formation of Co in the oxygen electrode layer during electrolytic operation. Localization and morphological changes of Ni particles in the hydrogen electrode layer are considered.
SOECの初期劣化特性は、SOECの構造、運転条件等で変化するが、図6は代表的な高温劣化特性の一例である。X軸は時間、Y軸は、SOECの電圧(セル電圧)をパ-セント表示したものである。2500時間ではSOECの抵抗値の増加によりセル電圧が120%まで増加している。2500時間以降の安定期においてもSOECの劣化は進行するが、その劣化率は小さくなる。 The initial deterioration characteristics of SOEC vary depending on the structure of SOEC, operating conditions, etc., but FIG. 6 is an example of typical high temperature deterioration characteristics. The X-axis is the time, and the Y-axis is the percent display of the SOEC voltage (cell voltage). At 2500 hours, the cell voltage increased to 120% due to the increase in the resistance value of SOEC. Even in the stable period after 2500 hours, the deterioration of SOEC progresses, but the deterioration rate becomes small.
水素製造プラントの制御装置20により制御されるSOECの温度、電圧、電流の特性を図7に示す。この制御装置20の動作を、図9、図10を用いて説明する。電圧一定運転を行う場合には運転初期の電流が非常に大きいという課題があったが、図7に示す通り、例えば600℃から運転を開始し、SOECの抵抗値の増加に応じてSOECの温度設定値sを徐々に増加させる。ここで、SOECは、図8に示すように、セル温度の上昇に伴ってセル抵抗が減少する負の抵抗温度特性を有する。このため、600℃から運転を開始し、SOECの抵抗値の増加に応じてSOECの温度設定値sを徐々に増加させることで、SOECは抵抗値の増加が抑制されて略一定の抵抗値(セル抵抗)となり、例えば、SOECを流れる電流密度が0.5A/cm2に維持される。この制御は、図9の太字ラインを生かすことにより実現される。
FIG. 7 shows the characteristics of the temperature, voltage, and current of the SOEC controlled by the
まず、切替器をa接点とする場合について説明する。温度設定値変更ロジック30により電流設定値mが0.5A/cm2相当の値とされ、PLC24により、電流設定値mに基づく電流操作信号nが切替器26のa接点を経てセル電源装置8に出力されて、セル電源装置8からセルスタック1へ一定電流値の電解電流が供給される。セルスタック1の高温運転(600℃)の継続によりSOECが劣化して、SOECの抵抗値が徐々に増加してゆくが、この抵抗値の増加は、電源ライン17の電圧測定器21により電圧の上昇として検知され測定される。
First, a case where the switch is used as the a contact will be described. The temperature set
プラント制御装置25の温度設定値変更ロジック30は、電圧測定器21からの電圧測定値pを入力して温度設定値sを増加させる。PLC24は、この温度設定値sと、温度測定器23にて測定された温度測定値tとを比較して温度制御器29により温度制御演算を行い、ヒータ制御装置22に温度操作信号uを出力して、セルスタック1の温度を上昇させる。セルスタック1のSOECは、負の抵抗温度特性により温度が上昇すると抵抗値が低下するため、電圧測定値pはSOEC単体の熱中立点電圧1.3V相当に戻る。
The temperature set
試算したところ、図2の各系列A、B、Cの電圧Vは、例えば、25枚のSOECを積層したセルスタック1を8個直列接続する場合に260V(=1.3V×25×8)となり、切替器26がa接点からb接点に切り替わる図7のa/b切替点(700℃)までの時間は300日程度となる。従って、温度設定値変更ロジック30により、3日に1℃程度の割合で温度設定値sを増加させればよい。SOECの初期劣化の抵抗値の増加を電圧測定器21により電圧値の上昇として測定する場合には、電圧計測の精度等を考慮して有意な変化として測定する必要がある。そこで、熱中立点相当の上述の電圧260Vから例えば3Vの電圧上昇を温度設定値変更ロジック30の判定基準とすると、各時点で温度設定値sを2℃増加させて、600℃から602℃とすればよい。
As a result of trial calculation, the voltage V of each series A, B, and C in FIG. 2 is 260V (= 1.3V × 25 × 8) when, for example, eight cell stacks 1 in which 25 SOECs are stacked are connected in series. Therefore, the time until the a / b switching point (700 ° C.) in FIG. 7 in which the
図6のSOECの初期劣化特性から概算すると、6日程度で電圧測定値pが3V上昇するため、温度設定値変更ロジック30は、6日に1回程度の頻度で温度設定値sを2℃ずつ増加させるという温度設定値変更を行うことになる。この温度設定値変更を50回繰り返すことにより、300日で温度設定値sが600℃から700℃まで増加することになる。なお、上述の試算は一例であり、使用するSOECやシステム構成を変更した場合には別な結果となる。
Approximately from the initial deterioration characteristics of SOEC in FIG. 6, the voltage measured value p rises by 3 V in about 6 days. Therefore, the temperature setting
次に、図10の切替器をb接点とする場合について説明する。図7のa/b切替点でSOECの温度(セル温度)が運転最高温度である700℃に到達するが、SOECの特性から、温度設定値sをこれ以上増加させることはできない。そこで、温度設定値変更ロジック30は、温度設定値sを運転最高温度700℃に固定して設定する。それと同時に、温度設定値変更ロジック30は切替信号cを出力して、切替器26をa接点からb接点に切り替える。PLC24は、温度設定値sと、温度測定器23にて測定された温度測定値tとを比較し、温度制御器29により温度制御演算を行って、ヒータ制御装置22に温度操作信号uを出力する。これにより、セルスタック1が運転最高温度700℃の一定温度に保持される。
Next, a case where the switch of FIG. 10 is used as the b contact will be described. The SOEC temperature (cell temperature) reaches 700 ° C., which is the maximum operating temperature, at the a / b switching point in FIG. 7, but the temperature set value s cannot be further increased due to the characteristics of the SOIC. Therefore, the temperature set
このときには、SOECの劣化が進行して抵抗値が増加してゆくが、この抵抗値の増加は、電源ライン17の電圧測定器21により電圧値の上昇として検知され測定される。そこで、PLC24は、電圧設定値oの260V(SOECの単体電圧1.3V相当)と電圧測定値pとを比較し、電圧制御器27により電圧制御演算を行って、比例ゲイン28及び切替器26のb接点を介してセル電源装置8に電流操作信号qを出力する。電圧制御としては、上昇した電圧を260V(SOECの単体電圧1.3V相当)に下げる制御動作になるため、結果として図7に示すとおり、電解電流の電流値(電流密度)はSOECの劣化による抵抗値の増加に応じて徐々に低下し、その分だけ水素の生成量が減少する。
At this time, the deterioration of the SOIC progresses and the resistance value increases, and this increase in the resistance value is detected and measured as an increase in the voltage value by the
ここで、水素製造プラント10の制御装置として、標準的な従来の電源装置を適用するのではなく、SOECに専用の制御装置20を用いる効果について説明する。
Here, the effect of using the
標準的な従来の電源装置は、定電流モードあるいは定電圧モードで運転を行う。定電流モードの場合、負荷であるセルスタック(SOEC)の抵抗値がある値に定まるため、SOECに印加される電圧を変化させて、SOECに流れる電流を一定に調整する。従って、SOECの劣化が進んでSOECの抵抗値が増加し、SOECの温度が運転最高温度に到達した場合には、以後のSOECの抵抗値の増加に応じて、SOECに印加される電圧を小さな値に再設定する。従って、SOECは、電圧が低くなって熱中立点電圧を維持することが難しくなる。 Standard conventional power supplies operate in constant current mode or constant voltage mode. In the constant current mode, the resistance value of the cell stack (SOEC), which is a load, is fixed to a certain value, so the voltage applied to the SOIC is changed to constantly adjust the current flowing through the SOIC. Therefore, when the deterioration of the SOIC progresses and the resistance value of the SOIC increases and the temperature of the SOIC reaches the maximum operating temperature, the voltage applied to the SOIC is reduced according to the subsequent increase in the resistance value of the SOIC. Reset to the value. Therefore, in SOEC, the voltage becomes low and it becomes difficult to maintain the thermal neutral point voltage.
これに対して、本第1実施形態の制御装置20は、図7及び図9に示すように、切替器26をa接点とした場合にはセルスタック1に供給される電流が0.5A/cm2相当の一定運転で、SOECに印加される電圧が1.3V相当となるように、SOECの温度制御を行ってSOECの温度を増加させる制御であり、SOECの温度が運転最高温度700℃に到達しても、SOECの単体電圧は熱中立点電圧1.3Vに保持される。
On the other hand, in the
次に、標準的な従来の電源装置の定電圧モードの場合、負荷であるセルスタックのSOECの抵抗値がある値に定まるため、SOECに流れる電流を変化させて、SOECに印加される電圧を一定に調整する。従って、SOECの劣化が進んでSOECの抵抗値が増加し、SOECが運転最高温度に到達した場合には、以後のSOECの抵抗値の増加に応じて、SOECに流れる電流を小さな値に再設定する。従って、SOECの単体電圧は熱中立点電圧に維持されるが、SOECを流れる電流が小さくなって水素の生成量が減少してしまう。 Next, in the case of the constant voltage mode of a standard conventional power supply, the resistance value of the SOIC of the cell stack, which is the load, is fixed to a certain value, so the current flowing through the SOIC is changed to change the voltage applied to the SOIC. Adjust to a constant level. Therefore, when the deterioration of the SOIC progresses and the resistance value of the SOIC increases and the SOIC reaches the maximum operating temperature, the current flowing through the SOIC is reset to a small value according to the subsequent increase in the resistance value of the SOIC. do. Therefore, the simple substance voltage of the SOIC is maintained at the thermal neutral point voltage, but the current flowing through the SOIC becomes small and the amount of hydrogen produced decreases.
また、標準的な従来の電源装置の場合、定電圧モードではあるが、運転初期であってSOECの劣化が進行しておらずその抵抗値が小さい状態では、起動時にSOECに大電流が流れて電源が過電流トリップする恐れがある。この場合には、SOECに供給される電流に対して水蒸気の供給が不足して、セルスタックが蒸気枯れ破損を発生する恐れもある。 Further, in the case of a standard conventional power supply device, although it is in the constant voltage mode, a large current flows through the SOIC at the time of startup when the deterioration of the SOIC has not progressed and the resistance value is small at the initial stage of operation. The power supply may trip overcurrent. In this case, the supply of steam is insufficient with respect to the current supplied to the SOIC, and the cell stack may be damaged by steam withering.
これに対し、本第1実施形態の制御装置20は、図7及び図10に示すように、切替器26をb接点とした場合に、SOECの温度が700℃の一定運転で、SOECの単体電圧が1.3V相当となるようにSOECに供給される電流を制御して、SOECに流れる電流をSOECの劣化による抵抗値の増加分だけ減少させる制御である。この制御では、SOECが運転最高温度700℃に到達しても、SOECの電圧は熱中立点電圧1.3Vに保持される。
On the other hand, in the
また、制御装置20においては、運転初期であってSOECの劣化が進行しておらずその抵抗値が小さい状態では、切替器26をa接点として、SOECに流れる電流を0.5A/cm2相当の一定電流で運転するため、大電流が流れるという心配がなく、また、大電流が流れることにより水蒸気の供給が不足して、セルスタックが蒸気枯れ破損を発生する恐れもない。
Further, in the
本第1実施形態の制御装置20は、上述のように、運転初期においては切替器26をa接点とし、セルスタック1に一定の電流を供給しながら電圧を一定とするために、SOECの温度を運転最高温度よりも低い温度から徐々に上昇させて、SOECの抵抗値を略一定とする温度制御を行う。また、SOECが運転最高温度700℃に到達した運転安定期においては切替器26をb接点とし、SOECの温度を運転最高温度に保持しながら、電圧を一定とするために、SOECの抵抗値の増加に応じてSOECに供給する電流を若干ではあるが徐々に減少させる電流制御を行う。これらによって、本第1実施形態の制御装置20は、信頼性及び安全性の高い、SOECに専用の制御装置になっている。
As described above, in the
以上のように構成されたことから、本第1実施形態によれば、次の効果(1)及び(2)を奏する。
(1) SOECを用いた高温水蒸気電解による水素製造プラント10において、標準的な従来の電圧一定制御を行うと、運転時間の経過によるSOECの劣化によってSOECの抵抗値が増加し、これにより、SOECへの電流が減少して水素製造量が減少してしまう。また、標準的な従来の電圧一定制御を行うと、運転初期のみSOECの抵抗値が小さいため、運転初期にSOECに供給される電流が非常に大きくなり、大容量の電源設備及び蒸気供給設備が必要になる。更に、標準的な従来の電流一定制御を行うと、SOECの劣化による抵抗値の増加によって電圧が急激に増加し、この電圧増加を抑えるために電流を低下させると、水素製造量が減少してしまう。
Since it is configured as described above, according to the first embodiment, the following effects (1) and (2) are obtained.
(1) In a
これに対し、本第1実施形態における水素製造プラントの制御装置20によれば、プラント制御装置25の温度設定値変更ロジック30によって、プラントの運転初期にはSOECを運転最高温度よりも低い温度から起動し、SOECの劣化による抵抗値の増加に応じてSOECの温度を順次増加させる。これにより、SOECは、自身の負の抵抗温度特性により抵抗値の増加が抑制されてほぼ一定の抵抗値となり、SOECに供給される電解電流の電圧値及び電流値がほぼ一定となって、電解により水素を製造することができる。この結果、SOECの特性に初期劣化として大きな変化があったとしても、水素製造プラント10の設備規模を大型化させず、且つ水素を効率良く安定して製造できる。
On the other hand, according to the
(2)プラント制御装置25の温度設定値変更ロジック30は、SOECが運転最高温度に到達したときには、温度設定値sを上記運転最高温度に固定して設定することで、SOECの温度制限を遵守してSOECの健全性を確保できる。
(2) When the SOIC reaches the maximum operating temperature, the temperature set
また、PLC24は、SOECが運転最高温度に到達したときには、セルスタック1(SOEC)に供給される電解電流の電圧値がSOEC単体の熱中立点電圧と一致するように、電圧制御器27が電圧制御演算を行って電解電流の電流値を制御している。このように、SOECの電圧が熱中立点電圧に保持されることで、SOECの温度を安定化でき、このSOECによる水素の製造効率を向上させることができる。
Further, in the
[B]第2実施形態(図11)
図11は、第2実施形態に係る水素製造プラントの制御装置を示すブロック図である。この第2実施形態において第1実施形態と同様な部分については、第1実施形態と同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。
[B] Second embodiment (FIG. 11)
FIG. 11 is a block diagram showing a control device of the hydrogen production plant according to the second embodiment. In this second embodiment, the same parts as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals as those in the first embodiment to simplify or omit the description.
本第2実施形態の水素製造プラントの制御装置40が第1実施形態と異なる点は、第2制御手段としてのPLC41が、電圧測定器21が測定した電圧測定値pと、温度測定器23が測定した温度測定値tとの少なくとも一つに遅れ要素を付加するよう構成された点、即ち、電圧測定値pに遅れ要素DVを付加する遅れ要素付加器42と、温度測定値tに遅れ要素DTを付加する遅れ要素付加器43との少なくとも一つをPLC41が有する点である。
The
第1実施形態における水素製造プラントの制御装置20においては、プラント制御装置25の温度設定値変更ロジック30が、電圧測定値pに基づき温度設定値sの変更を行う。また、PLC24の電圧制御器27が、電圧測定値pに基づき電圧制御演算を行って電流操作信号qをセル電源装置8に出力する。更に、PLC24の温度制御器29が、温度測定値tに基づいて温度制御演算を行って温度操作信号uをヒータ制御装置22に出力する。従って、電圧測定値pや温度測定値tに外来ノイズ等が重畳すると、誤信号に基づいて上述の温度設定値変更、電圧制御、温度制御が行れることになり、水素製造プラント10を安定して運転することができない。
In the
これに対し、本第2実施形態では、PLC41は、遅れ要素付加器42により電圧測定値pに遅れ要素DVを、遅れ要素付加器43により温度測定値tに遅れ要素DTをそれぞれ付加する。遅れ要素DV、DTとしては、一次遅れフィルタ等を設置して突発的な外乱を低減する。一次遅れフィルタは、抵抗及びコンデンサ等によるハードウエアとして構成することもできるし、デジタルフィルタ等によるソフトウェアとして構成することもできる。
On the other hand, in the second embodiment, the
以上のように構成されたことから、本第2実施形態によれば、第1実施実施形態の効果(1)及び(2)と同様な効果を奏するほか、次の効果(3)を奏する。 Since it is configured as described above, according to the second embodiment, in addition to the same effects as those of the first embodiment (1) and (2), the following effect (3) is obtained.
(3)電圧測定器21により測定された電圧測定値pに遅れ要素DVを付加する遅れ要素付加器42と、温度測定器23により測定された温度測定値tに遅れ要素DTを付加する遅れ要素付加器43との少なくとも一方をPLC41が備えることで、電圧測定値pと温度測定値tのいずれか一方または両方の突発的な外乱を低減できる。この結果、水素製造プラントの制御装置40によって、水素製造プラント10を安定して運転することができる。
(3) A
[C]第3実施形態(図12、図13)
図12は、第3実施形態に係る水素製造プラントの制御装置を一部省略して示すブロック図である。また、図13は、図12の省略した部分を示すブロック図である。これらの図12及び図13は、図12中の記号Xを図13中の記号Xに接続し、図13中の記号Yを図12中の記号Yに接続する構成である。また、これらの図12及び図13が示す第3実施形態において第1実施形態と同様な部分については、第1実施形態と同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。
[C] Third Embodiment (FIG. 12, FIG. 13)
FIG. 12 is a block diagram showing a part of the control device of the hydrogen production plant according to the third embodiment omitted. Further, FIG. 13 is a block diagram showing an omitted portion of FIG. 12 and 13 have a configuration in which the symbol X in FIG. 12 is connected to the symbol X in FIG. 13 and the symbol Y in FIG. 13 is connected to the symbol Y in FIG. Further, in the third embodiment shown in FIGS. 12 and 13, the same parts as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals as those in the first embodiment to simplify or omit the description.
本第3実施形態における水素製造プラントの制御装置50が第1実施形態と異なる点は、第2制御手段としてのPLC51が、SOECから構成されるセルスタック1へ電解電流を供給させるための電流操作信号n、qに基づいて比例ゲイン52により蒸気流量設定値dを求め、蒸気流量測定手段としての蒸気流量計57にて測定された水蒸気の蒸気流量測定値eを蒸気流量設定値dと一対させるように、蒸気流量制御器53により蒸気流量制御演算を行ってセルスタック1に供給される水蒸気の蒸気流量を制御すると共に、蒸気流量測定値eに基づいて比例ゲイン54により電解電流の電流設定値gを求め、電流測定手段としての電流測定器58にて測定された電解電流の電流測定値hを、蒸気流量測定値eに基づく電流設定値gと一対させるように、電流制御器55により電流制御演算を行って電解電流の電流値を制御するよう構成された点である。
The difference between the
まず、図13の下半分は、水蒸気―水素ライン3の水蒸気ライン3Aであり、この水蒸気ライン3Aに上流側からボイラ7、蒸気流量調節弁56、蒸気流量計57、熱交換器5が順次設置されている。つまり、ボイラ7は水の供給により水蒸気が発生する。水蒸気は、蒸気流量調節弁56にてセルスタック1への供給流量が調節され、この調節された水蒸気の流量が蒸気流量計57にて計測される。水蒸気は熱交換器5において、セルスタック1から排出された水素ガスにより加熱され、電気炉2内で高温に保持されたセルスタック1へ供給される。
First, the lower half of FIG. 13 is the
次に、PLC51の機能を説明する。電流操作信号n、qを比例ゲイン52により定数倍して蒸気流量設定値dを演算する。この蒸気流量設定値dと、蒸気流量計57にて計測された蒸気流量測定値eとが比較され、蒸気流量制御器53がPI制御演算を行って蒸気流量操作信号fを求め、この蒸気流量操作信号fで蒸気流量調節弁56を開閉して、セルスタック1に供給する蒸気流量を調整する。
Next, the function of the
また、蒸気流量計57により計測された蒸気流量測定値eを比例ゲイン54が定数倍して電流設定値gを演算する。この電流設定値gと、電流測定器58にて計測された電流測定値hとが比較され、電流制御器55がPI制御演算を行って電流操作信号iを求め、この電流操作信号iをセル電源装置8に出力する。セル電源装置8は、電気炉2内で高温に保持されたセルスタック1に電流操作信号iに基づく電解電流(直流電流)を供給することで、水蒸気の電気分解が行われる。
Further, the
ここで、ボイラ7は、圧力制御と水位制御の組み合わせで蒸気発生量を調節する(ボイラのローカル制御)。セルスタック1への水蒸気供給量を増加するために蒸気流量調節弁56が開弁されると、ボイラ7内の圧力が低下する。この圧力低下を図示しない圧力計が検知し、圧力制御により、ボイラ7用の電気ヒータをON作動させてボイラ7の蒸気発生量を増加させる。蒸気発生量が増加してボイラ7内の水位が低下すると、水位制御により、ボイラ7用の給水ポンプ(不図示)をON作動させてボイラ7に水が供給される。
Here, the boiler 7 adjusts the amount of steam generated by a combination of pressure control and water level control (local control of the boiler). When the steam flow
電流操作信号n、qに応じて比例ゲイン52が水蒸気の蒸気流量設定値dを設定し、蒸気流量制御器53が蒸気流量設定値dと蒸気流量測定値eとに基づき蒸気流量制御演算を行って蒸気流量操作信号fを出力し、蒸気流量調節弁56が蒸気流量操作信号fに基づき開度を調節することで、電流操作信号n、qに対応した、セルスタック1(SOEC)の電気分解に必要な量の水蒸気をボイラ7からセルスタック1に供給できる。また、蒸気流量が変更されたことを蒸気流量計57による蒸気流量測定値eで確認したうえで、この蒸気流量測定値eに対応した電流設定値gを比例ゲイン54が設定し、電流制御器55が、電流設定値gと電流測定器58により測定された電流測定値hとに基づきセル電源装置8に出力すべき電流操作信号iを定め、この電流操作信号iに基づきセル電源装置8が電解電流をセルスタック1に供給する。
The
ここで、図13に示す比例ゲイン52、蒸気流量制御器53、比例ゲイン54及び電流制御器55は、図12に示す電圧制御器27、比例ゲイン28及び温度制御器29と同様に、PLC51に収納されたソフトウェアである。
Here, the
以上のように構成されたことから、本第3実施形態によれば、第1実施実施形態の効果(1)及び(2)と同様な効果を奏するほか、次の効果(4)及び(5)を奏する。 Since it is configured as described above, according to the third embodiment, in addition to the same effects as the effects (1) and (2) of the first embodiment, the following effects (4) and (5) are obtained. ) Is played.
(4) 第1実施形態における水素製造プラントの制御装置20では、SOECの温度が運転最高温度に到達したら、温度設定値変更ロジック30が温度設定値sを固定して設定するため、SOECの劣化による抵抗値の増加に伴い電圧測定値pが上昇してゆく。そこで、PLC24の電圧制御器27は、電圧測定値pがSOEC単体の熱中立点電圧(約1.3V)に保たれるように電圧制御演算を行い、比例ゲイン28を介して電流操作信号qを減少させるので、若干ではあるが水素製造量が減少してしまう。しかしながら、水蒸気供給量が一定であるため、水蒸気利用率という観点からは余剰蒸気を供給していることになり効率が低い。
(4) In the
これに対し、本第3実施形態における水素製造プラントの制御装置50では、SOECの温度が運転最高温度に到達したときに、電圧制御器27の電圧制御及び比例ゲイン28による減少した電流操作信号qに応じて、比例ゲイン52及び蒸気流量制御器53が、セルスタック1に供給する蒸気流量を低下させる蒸気流量操作信号fを出力する。このため、余剰水蒸気の発生を防止でき、余剰水蒸気の発生に伴うボイラ動力及びポンプ動力の無駄をなくして、水素製造効率を向上させることができる。
On the other hand, in the
(5) 第1実施形態における水素製造プラントの制御装置20では、PLC24の電圧制御器27による電圧制御演算等によってセルスタック1への電解電流の電流値を減少する場合には、セルスタック1への水蒸気供給量が保持されているため、セルスタック1が水蒸気枯れを発生する問題は生じない。しかしながら、セルスタック1への電解電流の電流値が増加する場合には、セルスタック1への水蒸気供給量が不足して、水蒸気枯れによりセルスタック1が破損する恐れがある。
(5) In the
これに対し、本第3実施形態における水素製造プラントの制御装置50では、PLC51の比例ゲイン52及び蒸気流量制御器53が、電流操作信号n、qに応じて蒸気流量操作信号fを定めて、蒸気流量調節弁56によりセルスタック1に供給する水蒸気の流量を変更する。そして、この変更したセルスタック1への蒸気流量を蒸気流量計57が計測し、その蒸気流量測定値eに基づいて比例ゲイン54が電流設定値gを設定し、電流制御器55が電流操作信号iを定めてセル電源装置8に出力する。この結果、セルスタック1に供給される蒸気流量に応じてセルスタック1に供給される電解電流の電流値が定まるので、セルスタック1で水蒸気枯れを発生しない信頼性の高い制御装置を提供できる。
On the other hand, in the
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。これらの実施形態は、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、また、それらの置き換えや変更は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although some embodiments of the present invention have been described above, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments can be implemented in various other embodiments, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the gist of the invention, and their replacements and changes can be made. Is included in the scope and gist of the invention, as well as the invention described in the claims and the equivalent scope thereof.
1…セルスタック、10…水素製造プラント、20…水素製造プラントの制御装置、21…電圧測定器(電圧測定手段)、23…温度測定器(温度測定手段)、24…PLC(第2制御手段)、25…プラント制御装置(第1制御手段)、30…温度設定値変更ロジック、40…水素製造プラントの制御装置、41…PLC(第2制御手段)、50…水素製造プラントの制御装置、51…PLC(第2制御手段)、57…蒸気流量計(蒸気流量測定手段)、58…電流測定器(電流測定手段)、DV、DT…遅れ要素、m…電流設定値、n…電流操作信号、o…電圧設定値、p…電圧測定値、q…電流操作信号、s…温度設定値、t…温度測定値、u…温度操作信号、d…蒸気流量設定値、e…蒸気流量測定値、g…電流設定値、h…電流測定値、i…電流操作信号 1 ... cell stack, 10 ... hydrogen production plant, 20 ... hydrogen production plant control device, 21 ... voltage measuring instrument (voltage measuring means), 23 ... temperature measuring instrument (temperature measuring means), 24 ... PLC (second control means) ), 25 ... Plant control device (first control means), 30 ... Temperature set value change logic, 40 ... Hydrogen production plant control device, 41 ... PLC (second control means), 50 ... Hydrogen production plant control device, 51 ... PLC (second control means), 57 ... steam flow meter (steam flow rate measuring means), 58 ... current measuring instrument (current measuring means), DV , DT ... delay element, m ... current set value, n ... Current operation signal, o ... Voltage setting value, p ... Voltage measurement value, q ... Current operation signal, s ... Temperature setting value, t ... Temperature measurement value, u ... Temperature operation signal, d ... Steam flow rate setting value, e ... Steam Flow measurement value, g ... current set value, h ... current measurement value, i ... current operation signal
Claims (9)
前記電解セルに供給される電解電流の電圧値を測定する電圧測定手段と、
前記電解セルの温度を測定する温度測定手段と、
前記電解電流の電流設定値を出力すると共に、温度設定値変更ロジックを備え、この温度設定値変更ロジックにより前記電解セルの温度設定値を変更して出力する第1制御手段と、
前記第1制御手段からの前記電流設定値から求めた電流操作信号に基づいて前記電解電流の電流値を制御すると共に、前記温度測定手段により測定される温度測定値が前記温度設定値と一致するように温度制御演算を行って前記電解セルの温度を制御する第2制御手段とを有し、
前記温度設定値変更ロジックは、運転初期には前記温度設定値を前記電解セルの運転最高温度よりも低い温度に設定し、前記電圧測定手段により測定された電圧測定値が前記電解セル単体の熱中立点電圧よりも規定値だけ増加したときに、前記温度設定値を所定値だけ順次増加して設定するよう構成されたことを特徴とする水素製造プラントの制御装置。 In the control device of a hydrogen production plant that produces hydrogen by steam electrolysis using an electrolytic cell
A voltage measuring means for measuring the voltage value of the electrolytic current supplied to the electrolytic cell, and
A temperature measuring means for measuring the temperature of the electrolytic cell and
A first control means that outputs the current set value of the electrolytic current and is provided with a temperature set value changing logic, and changes and outputs the temperature set value of the electrolytic cell by the temperature set value changing logic.
The current value of the electrolytic current is controlled based on the current operation signal obtained from the current set value from the first control means, and the temperature measured value measured by the temperature measuring means matches the temperature set value. It has a second control means for controlling the temperature of the electrolytic cell by performing a temperature control calculation as described above.
The temperature set value changing logic sets the temperature set value to a temperature lower than the maximum operating temperature of the electrolytic cell at the initial stage of operation, and the voltage measured value measured by the voltage measuring means is the heat of the electrolytic cell alone. A control device for a hydrogen production plant, characterized in that the temperature set value is sequentially increased by a predetermined value when the temperature is increased by a specified value from the neutral point voltage.
前記第2制御手段は、温度測定値が前記電解セルの運転最高温度に到達したときには、前記第1制御手段からの電流設定値に基づいて電流操作信号を求めるのではなく、電圧測定値が前記電圧設定値と一致するように電圧制御演算を行って電流操作信号を求め、この電流操作信号に基づいて前記電解電流の電流値を制御するよう構成されたことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の水素製造プラントの制御装置。 The first control means outputs the thermal neutral point voltage of the electrolytic cell alone to the second control means as a voltage set value of the electrolytic current supplied to the electrolytic cell.
When the temperature measurement value reaches the maximum operating temperature of the electrolytic cell, the second control means does not obtain a current operation signal based on the current set value from the first control means, but the voltage measurement value is the voltage measurement value. Claims 1 to 3 are configured to perform a voltage control calculation so as to match a voltage set value to obtain a current operation signal, and to control the current value of the electrolytic current based on this current operation signal. The control device for the hydrogen production plant according to any one of the above items.
前記蒸気流量測定値に基づいて前記電解電流の電流設定値を求め、電流測定手段により測定された前記電解電流の電流測定値を前記蒸気流量測定値に基づく前記電流設定値と一致させるように電流制御演算を行って、前記電解セルに供給する電解電流の電流値を制御するよう構成されたことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の水素製造プラントの制御装置。 The second control means obtains a steam flow rate set value based on a current operation signal for supplying an electrolytic current to the electrolytic cell, and the steam flow rate measurement value of steam measured by the steam flow rate measuring means is the steam flow rate set value. The steam flow rate control calculation is performed so as to match with, and the steam flow rate of the steam supplied to the electrolytic cell is controlled, and at the same time.
The current set value of the electrolytic current is obtained based on the steam flow rate measurement value, and the current is adjusted so that the current measurement value of the electrolytic current measured by the current measuring means matches the current set value based on the steam flow rate measurement value. The control device for a hydrogen production plant according to any one of claims 1 to 5, wherein the control calculation is performed to control the current value of the electrolytic current supplied to the electrolytic cell.
運転初期には、前記電解セルの温度設定値を前記電解セルの運転最高温度よりも低い温度に設定し、この温度設定値に基づいて前記電解セルの温度を制御し、
前記電解セルに供給される電解電流の電圧値が前記電解セル単体の熱中立点電圧よりも規定値だけ増加したときに、前記温度設定値を所定値だけ順次増加して設定し、この増加させた温度設定値に基づいて前記電解セルの温度を制御することを特徴とする水素製造プラントの制御方法。 In the control method of a hydrogen production plant that produces hydrogen by steam electrolysis using an electrolytic cell,
At the initial stage of operation, the temperature set value of the electrolytic cell is set to a temperature lower than the maximum operating temperature of the electrolytic cell, and the temperature of the electrolytic cell is controlled based on this temperature set value.
When the voltage value of the electrolytic current supplied to the electrolytic cell increases by a specified value from the thermal neutral point voltage of the electrolytic cell alone, the temperature set value is sequentially increased by a predetermined value and increased. A method for controlling a hydrogen production plant, which comprises controlling the temperature of the electrolytic cell based on a set temperature value.
温度測定値が電解セルの運転最高温度に到達したときには、温度設定値を前記運転最高温度に固定して設定し、
電圧測定値が電圧設定値と一致するように電圧制御演算を行って電流操作信号を求め、電解電流の電流値を制御することを特徴とする水素製造プラントの制御方法。 In the control method of a hydrogen production plant that produces hydrogen by steam electrolysis using an electrolytic cell,
When the temperature measurement value reaches the maximum operating temperature of the electrolytic cell, the temperature set value is fixedly set to the maximum operating temperature.
A control method for a hydrogen production plant, which comprises performing a voltage control calculation so that a voltage measurement value matches a voltage set value, obtaining a current operation signal, and controlling the current value of an electrolytic current.
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