JP7564030B2

JP7564030B2 - Hydrogen production system and hydrogen production method

Info

Publication number: JP7564030B2
Application number: JP2021043482A
Authority: JP
Inventors: 知寿若杉; 泰徳新山; 圭介小林; 英晃大川
Original assignee: Denso Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Denso Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2021-03-17
Filing date: 2021-03-17
Publication date: 2024-10-08
Anticipated expiration: 2041-03-17
Also published as: JP2022143131A

Description

本発明は、水素製造システムおよび水素製造方法に関する。 The present invention relates to a hydrogen production system and a hydrogen production method.

高温水蒸気を電気分解することにより水素を製造するＳＯＥＣ（Solid Oxide Electrolyser Cell：固体酸化物形電解セル）が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載された水素製造装置では、ＳＯＥＣで製造された水素の一部と、蒸発器で生成された水蒸気とが混合部で混合され、水蒸気を含む原料ガスが生成されている。原料ガスに含まれる水蒸気の生成および予熱には、ＳＯＥＣの燃料側出口の高温ガスと、外部熱源である原子炉とから供給される熱が利用されている。 SOECs (Solid Oxide Electrolyser Cells) are known that produce hydrogen by electrolyzing high-temperature steam (see, for example, Patent Document 1). In the hydrogen production device described in Patent Document 1, a portion of the hydrogen produced by the SOEC is mixed in a mixing section with the steam produced in the evaporator to produce a raw material gas containing steam. The high-temperature gas at the fuel-side outlet of the SOEC and heat supplied from a nuclear reactor, which is an external heat source, are used to generate and preheat the steam contained in the raw material gas.

特開２０１０－９０４２５号公報JP 2010-90425 A

ＳＯＥＣでは、水素を効率的に製造するために、ＳＯＥＣにおける水蒸気の利用率が高いことが好ましい。一方で、水蒸気の利用率が高すぎると、燃料側の電極が高い酸素分圧にさらされて、電極が劣化してしまうおそれがある。また、ＳＯＥＣでは、一定温度の下で水素が製造されることが好ましい。ＳＯＥＣの温度を一定に保つためには、水の電気分解による吸熱と、電力供給による抵抗での発熱とのバランスが取れた温度でＳＯＥＣが稼働することが好ましい。 In an SOEC, in order to efficiently produce hydrogen, it is preferable that the utilization rate of water vapor in the SOEC is high. On the other hand, if the utilization rate of water vapor is too high, the fuel side electrode may be exposed to a high oxygen partial pressure, which may cause the electrode to deteriorate. In addition, it is preferable that hydrogen is produced at a constant temperature in the SOEC. In order to keep the temperature of the SOEC constant, it is preferable that the SOEC operates at a temperature that balances the heat absorption due to the electrolysis of water and the heat generation in the resistance due to the power supply.

しかしながら、特許文献１に記載された水素製造装置のように、外部熱源を用いて水蒸気の生成および予熱が行われていると、外部熱源から供給される熱量の変化に応じて、生成される水蒸気の量が変化するため、ＳＯＥＣの温度が変化する。ＳＯＥＣの温度が変化すると、電極における水蒸気の利用率が変動するため、水蒸気の利用率を高く維持できなかったり、電極を劣化させてしまうおそれがある。 However, when water vapor is generated and preheated using an external heat source, as in the hydrogen production device described in Patent Document 1, the amount of water vapor generated changes in response to changes in the amount of heat supplied from the external heat source, causing the temperature of the SOEC to change. When the temperature of the SOEC changes, the utilization rate of water vapor in the electrodes fluctuates, and there is a risk that the utilization rate of water vapor cannot be maintained high or that the electrodes may be deteriorated.

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、ＳＯＥＣ（電解セル）の電極の劣化を抑制した上で、ＳＯＥＣにおける水蒸気の利用率を向上させることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and aims to improve the utilization rate of water vapor in an SOEC (electrochemical cell) while suppressing the deterioration of the electrodes of the SOEC.

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現できる。水素製造システムであって、電気分解により水蒸気を含む原料ガスから水素を製造する電解セルと、外部の熱源から提供される熱を利用して水を加熱して水蒸気を生成する蒸発器と、水素と、前記蒸発器により生成された水蒸気とを前記原料ガスとして混合する混合部と、前記混合部により混合された前記原料ガスを加熱する加熱器と、前記電解セルの温度を取得する温度取得部と、前記加熱器から前記電解セルへと供給される水蒸気の量を取得する水蒸気量取得部と、前記温度取得部により取得された温度を用いて、電気分解のために前記電解セルに入力される電力を変化させる制御部であって、変化後の電力と、前記水蒸気量取得部により取得された前記水蒸気の量とを用いて、前記混合部に対する水素の供給量を変化させる制御部と、を備え、前記制御部は、前記温度取得部により取得された温度が上昇した場合に、前記電解セルに入力される電力を減少させ、かつ、減少後の電力と、前記水蒸気量取得部により取得された前記水蒸気の量とを用いて、前記混合部に対する水素の供給量を減少させ、前記温度取得部により取得された温度が低下した場合に、前記電解セルに入力される電力を増加させ、かつ、増加後の電力と、前記水蒸気量取得部により取得された前記水蒸気の量とを用いて、前記混合部に対する水素の供給量を増加させる、水素製造システム。そのほか、本発明は、以下の形態としても実現可能である。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and can be realized in the following form: A hydrogen production system, comprising an electrolysis cell that produces hydrogen from a raw material gas containing water vapor by electrolysis, an evaporator that generates water vapor by heating water using heat provided from an external heat source, a mixer that mixes hydrogen and the water vapor generated by the evaporator as the raw material gas, a heater that heats the raw material gas mixed by the mixer, a temperature acquisition unit that acquires a temperature of the electrolysis cell, a water vapor amount acquisition unit that acquires an amount of water vapor supplied from the heater to the electrolysis cell, and a control unit that changes the power input to the electrolysis cell for electrolysis using the temperature acquired by the temperature acquisition unit , and a control unit that controls the power after the change and the water vapor amount acquisition unit. and a control unit that changes the amount of hydrogen supplied to the mixing unit using the amount of the water vapor acquired by the water vapor amount acquisition unit, wherein the control unit reduces the power input to the electrolysis cell when the temperature acquired by the temperature acquisition unit increases , and reduces the amount of hydrogen supplied to the mixing unit using the reduced power and the amount of the water vapor acquired by the water vapor amount acquisition unit, and increases the power input to the electrolysis cell when the temperature acquired by the temperature acquisition unit decreases, and increases the amount of hydrogen supplied to the mixing unit using the increased power and the amount of the water vapor acquired by the water vapor amount acquisition unit .

（１）本発明の一形態によれば、水素製造システムが提供される。この水素製造システムは、電気分解により水蒸気を含む原料ガスから水素を製造する電解セルと、外部の熱源から提供される熱を利用して水を加熱して水蒸気を生成する蒸発器と、水素と、前記蒸発器により生成された水蒸気とを前記原料ガスとして混合する混合部と、前記混合部により混合された前記原料ガスを加熱する加熱器と、前記電解セルの温度を取得する温度取得部と、前記加熱器から前記電解セルへと供給される水蒸気の量を取得する水蒸気量取得部と、前記水蒸気量取得部により取得された前記水蒸気の量および前記温度取得部により取得された温度を用いて、前記混合部に対する水素の供給量と、電気分解のために前記電解セルに入力される電力とを変化させる制御部と、を備える。 (1) According to one embodiment of the present invention, a hydrogen production system is provided. The hydrogen production system includes an electrolysis cell that produces hydrogen from a raw gas containing water vapor by electrolysis, an evaporator that generates water vapor by heating water using heat provided from an external heat source, a mixer that mixes hydrogen and the water vapor generated by the evaporator as the raw gas, a heater that heats the raw gas mixed by the mixer, a temperature acquisition unit that acquires the temperature of the electrolysis cell, a water vapor amount acquisition unit that acquires the amount of water vapor supplied from the heater to the electrolysis cell, and a control unit that changes the amount of hydrogen supplied to the mixer and the power input to the electrolysis cell for electrolysis using the amount of water vapor acquired by the water vapor amount acquisition unit and the temperature acquired by the temperature acquisition unit.

この構成によれば、電解セルの温度変化に応じて、電解セルに入力される電力と、電解セルに供給される原料ガス中の水素の供給量とが調整される。電解セルに入力される電力が調整されることにより、電解セル内における電解反応が調整されて、発熱項と吸熱項との温度バランスが調整され、電解セルの温度変化が抑制される。そのため、電解セルにおける高い水蒸気の利用率を維持し、水素が高効率に製造される。さらに、原料ガスに含まれる水素の割合が調整されることにより、電解セルにおける水蒸気濃度が所定値以上に上昇して、電極が高い酸素分圧にさらされることを抑制する。これらの結果、本構成の水素製造システムによれば、電解セルの電極の劣化を抑制した上で、電解セルにおける水蒸気の利用率を向上させることができる。 According to this configuration, the power input to the electrolytic cell and the supply amount of hydrogen in the raw gas supplied to the electrolytic cell are adjusted according to the temperature change of the electrolytic cell. By adjusting the power input to the electrolytic cell, the electrolytic reaction in the electrolytic cell is adjusted, the temperature balance between the heat generating term and the endothermic term is adjusted, and the temperature change of the electrolytic cell is suppressed. Therefore, a high utilization rate of water vapor in the electrolytic cell is maintained, and hydrogen is produced with high efficiency. Furthermore, by adjusting the proportion of hydrogen contained in the raw gas, the water vapor concentration in the electrolytic cell is prevented from increasing above a predetermined value, and the electrodes are prevented from being exposed to a high oxygen partial pressure. As a result, the hydrogen production system of this configuration can improve the utilization rate of water vapor in the electrolytic cell while suppressing the deterioration of the electrodes of the electrolytic cell.

（２）上記態様の水素製造システムにおいて、前記制御部は、前記水蒸気量取得部により取得された前記水蒸気の量を用いて、さらに、前記蒸発器への水の供給量を変化させてもよい。
この構成によれば、電解セルに入力される電力と、電解セルへの水素の供給量とに加えて、電解セルへの水蒸気の供給量も調整される。これにより、電解セルにおける水蒸気利用率の制御精度をより高くできるため、電解セルの電極の劣化をさらに抑制した上で、電解セルにおける水素の利用率をさらに向上させることができる。 (2) In the hydrogen production system according to the above aspect, the control unit may further change an amount of water supplied to the evaporator, using the amount of water vapor acquired by the water vapor amount acquisition unit.
According to this configuration, in addition to the power input to the electrolytic cell and the amount of hydrogen supplied to the electrolytic cell, the amount of water vapor supplied to the electrolytic cell is also adjusted, which allows for more accurate control of the water vapor utilization rate in the electrolytic cell, thereby further suppressing deterioration of the electrodes of the electrolytic cell and further improving the hydrogen utilization rate in the electrolytic cell.

（３）上記態様の水素製造システムにおいて、前記制御部は、一定電圧で電流密度を変化させることにより、前記電解セルに入力される電力を変化させてもよい。
この構成によれば、電圧を一定に維持したままで入力電力を簡単に変化させることができる。 (3) In the hydrogen production system according to the above aspect, the control unit may change the power input to the electrolysis cell by changing a current density at a constant voltage.
This configuration allows the input power to be easily varied while keeping the voltage constant.

（４）上記態様の水素製造システムにおいて、前記制御部は、前記混合部に供給される水素の一部を、前記蒸発器へと供給してもよい。
この構成によれば、蒸発器に供給された一部の水素は、気泡スラグとして蒸発器の流路内を流れる。流路内を流れる水素の気泡スラグは、流路内を流れる水の液スラグの輸送量を調整する。気泡スラグ周りの薄液膜は、小さい熱抵抗と広い蒸発界面積とを有するため、水蒸気の飽和温度と壁温度との差が小さく、気泡スラグの量が調整されることにより、蒸発器内の温度勾配の変化が抑制される。温度勾配の変化の抑制により、生成したい水蒸気の供給量に対して、実際に生成される水蒸気の供給量の追従性が高くなる。この結果、蒸発器の熱容量に依存した温度遅れを抑制し、電解セルの温度制御性を改善できる。 (4) In the hydrogen production system according to the above aspect, the control unit may supply a portion of the hydrogen supplied to the mixing unit to the evaporator.
According to this configuration, a portion of the hydrogen supplied to the evaporator flows in the flow path of the evaporator as a bubble slug. The hydrogen bubble slug flowing in the flow path adjusts the transport amount of the liquid slug of water flowing in the flow path. Since the thin liquid film around the bubble slug has a small thermal resistance and a large evaporation interface area, the difference between the saturation temperature of the water vapor and the wall temperature is small, and by adjusting the amount of the bubble slug, the change in the temperature gradient in the evaporator is suppressed. By suppressing the change in the temperature gradient, the supply amount of the water vapor actually generated can be made to follow the supply amount of the water vapor to be generated more easily. As a result, the temperature delay depending on the heat capacity of the evaporator can be suppressed, and the temperature controllability of the electrolysis cell can be improved.

（５）上記態様の水素製造システムにおいて、前記水蒸気量取得部は、前記加熱器から前記電解セルへと供給される前記原料ガス中の酸素分圧を検出する酸素分圧検出部を有し、前記酸素分圧検出部により検出された前記酸素分圧を用いて、前記水蒸気の量を算出してもよい。
この構成によれば、水蒸気量取得部は、酸素分圧検出部により検出された酸素分圧を用いて、蒸発器により生成された水蒸気の量を取得できる。 (5) In the hydrogen production system of the above aspect, the water vapor amount acquisition unit may have an oxygen partial pressure detection unit that detects the oxygen partial pressure in the raw material gas supplied from the heater to the electrolytic cell, and the amount of water vapor may be calculated using the oxygen partial pressure detected by the oxygen partial pressure detection unit.
According to this configuration, the water vapor amount obtaining unit can obtain the amount of water vapor generated by the evaporator, using the oxygen partial pressure detected by the oxygen partial pressure detecting unit.

（６）上記態様の水素製造システムにおいて、前記水蒸気量取得部は、前記加熱器内の前記原料ガス中の水素分圧を検出する水素分圧検出部を有し、前記水素分圧検出部により検出された前記水素分圧を用いて、前記水蒸気の量を算出してもよい。
この構成の水素分圧検出部は、電解セルに流入する原料ガスの温度よりも低い温度である熱交換器内の原料ガス中の水素分圧を取得できる。これにより、水蒸気量取得部は、本構成の水素製造システムにおいてより上流側の原料ガスに含まれる水蒸気の量を取得できる。この結果、水蒸気の量の取得から、水素の供給量および入力電圧の設定までの時間が短くなる。すなわち、本構成によれば、水蒸気量の取得から水素の供給量および入力電力の制御までのタイムラグを短くできるため、制御部の制御精度が向上する。 (6) In the hydrogen production system of the above aspect, the water vapor amount acquisition unit may have a hydrogen partial pressure detection unit that detects the hydrogen partial pressure in the raw material gas in the heater, and the amount of water vapor may be calculated using the hydrogen partial pressure detected by the hydrogen partial pressure detection unit.
The hydrogen partial pressure detector of this configuration can obtain the hydrogen partial pressure in the raw material gas in the heat exchanger, which is at a lower temperature than the temperature of the raw material gas flowing into the electrolysis cell. This allows the water vapor amount obtaining unit to obtain the amount of water vapor contained in the raw material gas at a more upstream side in the hydrogen production system of this configuration. As a result, the time from obtaining the amount of water vapor to setting the hydrogen supply amount and input voltage is shortened. In other words, with this configuration, the time lag from obtaining the amount of water vapor to controlling the hydrogen supply amount and input power can be shortened, improving the control accuracy of the control unit.

（７）上記態様の水素製造システムにおいて、前記水蒸気量取得部は、前記蒸発器から前記混合部へと供給される前記原料ガスの流量を検出する流量検出部を有し、前記流量検出部により検出された前記原料ガスの流量を用いて、前記水蒸気の量を算出してもよい。
この構成の流量検出部は、流量検出部を通過する原料ガスの合計の流量を取得する。水蒸気量取得部は、流量検出部により検出された原料ガスの総流量から、制御により既知の水素の供給量を差し引くことで、蒸発器により生成される水蒸気の量を算出できる。流量検出部は、本構成のシステム内において配置されるための温度条件がない、すなわち加熱される前の原料ガスの流量を検出できる。そのため、流量検出部がよりシステム内のより上流側に配置されることにより、水蒸気の量の算出から、水素の供給量および入力電圧の設定までの時間が短くなる。すなわち、本構成によれば、水蒸気量の取得から水素の供給量および入力電圧の制御までのタイムラグを短くできるため、制御部の制御精度が向上する。 (7) In the hydrogen production system of the above aspect, the water vapor amount acquisition unit may have a flow rate detection unit that detects the flow rate of the raw material gas supplied from the evaporator to the mixing unit, and the amount of water vapor may be calculated using the flow rate of the raw material gas detected by the flow rate detection unit.
The flow rate detector of this configuration obtains the total flow rate of the raw material gas passing through the flow rate detector. The water vapor amount acquisition unit can calculate the amount of water vapor generated by the evaporator by subtracting the known hydrogen supply amount by control from the total flow rate of the raw material gas detected by the flow rate detector. The flow rate detector does not have a temperature condition for being placed in the system of this configuration, that is, it can detect the flow rate of the raw material gas before it is heated. Therefore, by placing the flow rate detector further upstream in the system, the time from calculating the amount of water vapor to setting the hydrogen supply amount and input voltage is shortened. In other words, according to this configuration, the time lag from obtaining the amount of water vapor to controlling the hydrogen supply amount and input voltage can be shortened, thereby improving the control accuracy of the control unit.

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、水素製造システム、ＳＯＥＣ、水素製造システムの制御装置、水素製造システムの制御方法、水素制御方法、およびこれらの装置を備えるシステム、これら装置を実行するためのコンピュータプログラム、このコンピュータプログラムを配布するためのサーバ装置、コンピュータプログラムを記憶した一時的でない記憶媒体等の形態で実現することができる。 The present invention can be realized in various forms, for example, in the form of a hydrogen production system, an SOEC, a control device for a hydrogen production system, a control method for a hydrogen production system, a hydrogen control method, a system including these devices, a computer program for executing these devices, a server device for distributing this computer program, a non-transitory storage medium on which the computer program is stored, etc.

本発明の一実施形態としての水素製造システムのブロック図である。1 is a block diagram of a hydrogen production system according to an embodiment of the present invention. 熱中立点と電流密度と関係についての説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram of the relationship between the thermal neutral point and current density. 制御部の制御による効果の説明図である。11A and 11B are diagrams illustrating the effect of the control by the control unit. 水素製造システムが水素を製造する際の処理についてのフローチャートである。4 is a flowchart showing a process when the hydrogen production system produces hydrogen. 第２実施形態の水素製造システムのブロック図である。FIG. 11 is a block diagram of a hydrogen production system according to a second embodiment. 蒸発器内の気泡スラグと液スラグとの説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram of a bubble slug and a liquid slug in an evaporator. 蒸発器内の気泡スラグと液スラグとの説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram of a bubble slug and a liquid slug in an evaporator. 蒸発器における隔壁温度分布と蒸気温度分布との関係の説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram of the relationship between the partition wall temperature distribution and the steam temperature distribution in the evaporator. 蒸発器に供給された水素の効果についての説明図である。FIG. 13 is an explanatory diagram of the effect of hydrogen supplied to an evaporator. 第２実施形態の水素製造システムが水素を製造する際の処理についてのフローチャートである。10 is a flowchart of a process performed when the hydrogen production system of the second embodiment produces hydrogen. 変形例２における水素製造システムのブロック図である。FIG. 11 is a block diagram of a hydrogen production system according to a second modified example. 変形例３における水素製造システムのブロック図である。FIG. 11 is a block diagram of a hydrogen production system according to a third modified example. 変形例における水素製造方法のフローチャートである。10 is a flowchart of a hydrogen production method according to a modified example.

＜第１実施形態＞
１．水素製造システムの構成：
図１は、本発明の一実施形態としての水素製造システム２００のブロック図である。水素製造システム２００は、ＳＯＥＣ（Solid Xxide Electrolyser Cell：固体酸化物形水電解セル）１０を用いて、電気分解により水蒸気を含む原料ガスから水素を製造するシステムである。本実施形態の水素製造システム２００は、水素を製造しているＳＯＥＣ１０の電気分解のための入力電力と、ＳＯＥＣ１０において水素を製造する燃料側の原料ガス中の水素の割合とを調整することにより、ＳＯＥＣ１０の電極の劣化を抑制した上で、水素の製造効率を高く維持する。本実施形態のＳＯＥＣ１０は、複数のセルが積層されたセルスタック構造を有している。 First Embodiment
1. Hydrogen production system configuration:
FIG. 1 is a block diagram of a hydrogen production system 200 according to an embodiment of the present invention. The hydrogen production system 200 is a system that produces hydrogen from a raw material gas containing water vapor by electrolysis using an SOEC (Solid Oxide Electrolyser Cell) 10. The hydrogen production system 200 of this embodiment adjusts the input power for electrolysis of the SOEC 10 that produces hydrogen and the ratio of hydrogen in the raw material gas on the fuel side that produces hydrogen in the SOEC 10, thereby suppressing deterioration of the electrodes of the SOEC 10 and maintaining high hydrogen production efficiency. The SOEC 10 of this embodiment has a cell stack structure in which a plurality of cells are stacked.

図１に示されるように、水素製造システム２００は、高温の水蒸気を電気分解して水素を製造するＳＯＥＣ１０と、原料ガスとしての水蒸気の元となる水を貯蔵する水貯蔵タンク７０と、水素製造システム２００に含まれない外部熱源３００から提供される熱を利用して水を加熱して水蒸気を生成する蒸発器６０と、ＳＯＥＣ１０に供給される原料ガスに含まれる水素を貯蔵する水素貯蔵タンク８０と、水素と水蒸気とを原料ガスとして混合する混合部５０と、ＳＯＥＣ１０の燃料側１２から排出される燃料側オフガスの熱を利用して混合部５０から供給される原料ガスを加熱する熱交換器（加熱器）３０と、熱交換器３０からＳＯＥＣ１０へと供給される原料ガス中の酸素分圧を検出する酸素センサ（酸素分圧検出部）９０と、ＳＯＥＣ１０の温度を取得する温度センサ（温度取得部）１１０と、各種制御を行う制御部（水蒸気量取得部）４０と、ＳＯＥＣ１０が水蒸気を電気分解するため電力を供給する電力供給部２０と、を備えている。 As shown in FIG. 1, the hydrogen production system 200 includes an SOEC 10 that produces hydrogen by electrolyzing high-temperature steam, a water storage tank 70 that stores water that is the source of steam as a raw gas, an evaporator 60 that generates steam by heating water using heat provided from an external heat source 300 that is not included in the hydrogen production system 200, a hydrogen storage tank 80 that stores hydrogen contained in the raw gas supplied to the SOEC 10, a mixing section 50 that mixes hydrogen and steam as raw gas, a heat exchanger (heater) 30 that heats the raw gas supplied from the mixing section 50 using the heat of the fuel-side off-gas discharged from the fuel side 12 of the SOEC 10, an oxygen sensor (oxygen partial pressure detection section) 90 that detects the oxygen partial pressure in the raw gas supplied from the heat exchanger 30 to the SOEC 10, a temperature sensor (temperature acquisition section) 110 that acquires the temperature of the SOEC 10, a control section (steam amount acquisition section) 40 that performs various controls, and a power supply section 20 that supplies power for the SOEC 10 to electrolyze steam.

水貯蔵タンク７０は、タンク内の水を蒸発器６０へと供給するためのポンプ（図１では不図示）を有している。水素貯蔵タンク８０は、タンク内の水素を混合部５０へと供給するためのマスフローコントローラー（図１では不図示）を有している。水貯蔵タンク７０が有するポンプと、水素貯蔵タンク８０が有するマスフローコントローラーとは、制御部４０により制御される。 The water storage tank 70 has a pump (not shown in FIG. 1) for supplying water in the tank to the evaporator 60. The hydrogen storage tank 80 has a mass flow controller (not shown in FIG. 1) for supplying hydrogen in the tank to the mixing section 50. The pump in the water storage tank 70 and the mass flow controller in the hydrogen storage tank 80 are controlled by the control section 40.

蒸発器６０は、水貯蔵タンク７０から供給される水を、外部熱源３００から提供される熱を利用して、およそ摂氏１５０度（℃）の水蒸気まで加熱する。そのため、水貯蔵タンク７０から供給された水は、蒸発器６０の入口から出口に向かって、水だけの液相域、水と水蒸気とが混在する２相域、水蒸気のみが存在する気相域へと変化している。本実施形態の外部熱源３００の媒体としては、工場等から排出される排出ガスが挙げられる。 The evaporator 60 uses heat provided by the external heat source 300 to heat the water supplied from the water storage tank 70 to steam at approximately 150 degrees Celsius (°C). Therefore, the water supplied from the water storage tank 70 changes from the inlet to the outlet of the evaporator 60 into a liquid phase region containing only water, a two-phase region containing a mixture of water and steam, and a gas phase region containing only steam. In this embodiment, the medium for the external heat source 300 can be exhaust gas discharged from a factory, etc.

混合部５０は、水素貯蔵タンク８０から供給された水素と、蒸発器６０により生成された水蒸気とを原料ガスとして混合する。原料ガスは、制御部４０により、１０～２０ｖｏｌ％の水素を含むように調整され、熱交換器３０の燃料側３１に流入する。燃料側３１に流入した原料ガスは、排気側３２に供給される燃料側オフガスからの熱により、およそ６５０℃～７００℃まで加熱される。加熱された原料ガスは、ＳＯＥＣ１０の燃料側１２へと供給される。 The mixing unit 50 mixes hydrogen supplied from the hydrogen storage tank 80 with water vapor generated by the evaporator 60 to produce a raw material gas. The raw material gas is adjusted by the control unit 40 to contain 10-20 vol% hydrogen, and flows into the fuel side 31 of the heat exchanger 30. The raw material gas that flows into the fuel side 31 is heated to approximately 650°C to 700°C by heat from the fuel-side off-gas supplied to the exhaust side 32. The heated raw material gas is supplied to the fuel side 12 of the SOEC 10.

熱交換器３０により加熱された原料ガスが供給されるＳＯＥＣ１０の燃料側１２では、電力供給部２０から供給される電力により、原料ガスに含まれる高温水蒸気の電気分解が行われる。なお、本実施形態のＳＯＥＣ１０の電極は、Ｎｉ（ニッケル）で形成されたＮｉ電極である。燃料側１２から排出される排出ガスは、熱交換器３０の排気側３２に供給される。ＳＯＥＣ１０の空気側１１から排出される排出ガスは、図１に図示されていない熱交換器により熱が回収される。本実施形態の酸素センサ９０は、ジルコニア固体電解質を用いた挿入プローブ式の酸素分圧検出手段である。制御部４０は、酸素センサ９０により検出された酸素分圧と、酸素センサ９０が有する温度測定手段により測定された原料ガスの温度とを用いることにより、原料ガス中の水蒸気分圧を測定できる。制御部４０は、測定された水蒸気分圧を用いて、ＳＯＥＣ１０へと供給される水蒸気の量を算出する。 In the fuel side 12 of the SOEC 10 to which the raw material gas heated by the heat exchanger 30 is supplied, high-temperature water vapor contained in the raw material gas is electrolyzed by the power supplied from the power supply unit 20. The electrodes of the SOEC 10 in this embodiment are Ni electrodes made of Ni (nickel). The exhaust gas discharged from the fuel side 12 is supplied to the exhaust side 32 of the heat exchanger 30. The exhaust gas discharged from the air side 11 of the SOEC 10 has heat recovered by a heat exchanger not shown in FIG. 1. The oxygen sensor 90 in this embodiment is an insertion probe type oxygen partial pressure detection means using a zirconia solid electrolyte. The control unit 40 can measure the water vapor partial pressure in the raw material gas by using the oxygen partial pressure detected by the oxygen sensor 90 and the temperature of the raw material gas measured by the temperature measurement means of the oxygen sensor 90. The control unit 40 calculates the amount of water vapor supplied to the SOEC 10 using the measured water vapor partial pressure.

制御部４０は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）で構成されている。制御部４０は、図１中の破線で示された制御信号の受信および送信を行う。具体的には、本実施形態の制御部４０は、酸素センサ９０の検出値（酸素分圧および温度）と、温度センサ１１０により取得されたＳＯＥＣ１０のセルスタック温度Ｔｓｃとを取得する。制御部４０は、酸素センサ９０の検出値とセルスタック温度Ｔｓｃとを用いて、電力供給部２０からＳＯＥＣ１０への入力電力と、水貯蔵タンク７０から蒸発器６０への水の供給量Ｆ_H2Oと、水素貯蔵タンク８０から混合部５０への水素の供給量Ｆ_H2とを制御する。本実施形態の制御部４０は、ＳＯＥＣ１０への入力電力として、一定電圧で電流密度を変化させた電力を供給する。制御部４０が行う具体的な処理については後述する。 The control unit 40 is composed of an ECU (Electronic Control Unit). The control unit 40 receives and transmits control signals indicated by dashed lines in FIG. 1. Specifically, the control unit 40 of this embodiment acquires the detection value (oxygen partial pressure and temperature) of the oxygen sensor 90 and the cell stack temperature Tsc of the SOEC 10 acquired by the temperature sensor 110. Using the detection value of the oxygen sensor 90 and the cell stack temperature Tsc, the control unit 40 controls the input power from the power supply unit 20 to the SOEC 10, the supply amount F _H2O of water from the water storage tank 70 to the evaporator 60, and the supply amount F _H2 of hydrogen from the hydrogen storage tank 80 to the mixer 50. The control unit 40 of this embodiment supplies power with a constant voltage and a changed current density as the input power to the SOEC 10. Specific processing performed by the control unit 40 will be described later.

２．ＳＯＥＣのセルスタック温度と水蒸気量との関係：
ＳＯＥＣ１０のセルスタックにおける電解反応は、セルスタック温度Ｔｓｃが一定の下で行われることが好ましい。電解反応では、エントロピー変化による不可逆熱ＴΔＳと、ＳＯＥＣ１０のセルスタック外部への放熱Ｑ_lossと、出入口ガスエンタルピー差ΔＨとを合わせた吸熱項および抵抗発熱Ｑｒである発熱項が存在する。ＳＯＥＣ１０に供給される水蒸気の量が変動すると、出入口ガスエンタルピー差ΔＨが変化する。そのため、水蒸気の量が変化したにも関わらず、ＳＯＥＣ１０への入力電力が一定のままだと、ＳＯＥＣ１０内での吸熱と発熱とのバランスが変化し、セルスタック温度Ｔｓｃを一定に維持できなくなる。 2. Relationship between SOEC cell stack temperature and water vapor amount:
The electrolytic reaction in the cell stack of the SOEC 10 is preferably carried out under a constant cell stack temperature Tsc. In the electrolytic reaction, there are an endothermic term that combines irreversible heat TΔS due to entropy change, heat dissipation Q _loss to the outside of the cell stack of the SOEC 10, and an inlet/outlet gas enthalpy difference ΔH, and a heat generating term that is resistance heat Qr. When the amount of water vapor supplied to the SOEC 10 fluctuates, the inlet/outlet gas enthalpy difference ΔH changes. Therefore, if the input power to the SOEC 10 remains constant despite a change in the amount of water vapor, the balance between heat absorption and heat generation in the SOEC 10 changes, and the cell stack temperature Tsc cannot be maintained constant.

水素製造システム２００を高効率で作動させるために、ＳＯＥＣ１０の水蒸気利用率Ｕｓが最大化されることが好ましい。本実施形態では、高い水蒸気濃度によるＮｉ電極の酸化を抑制するために、原料ガスに水素が加えられて、水蒸気利用率Ｕｓが０．８５～０．９０になるように制御される。高い水蒸気利用率Ｕｓで作動していると、特にＳＯＥＣ１０の燃料側１２の出口付近では、水蒸気の量が低下した場合に局所的に水蒸気利用率Ｕｓが０．９０よりも高くなり、Ｎｉ電極上の水蒸気が枯渇する場合がある。すなわち、水素製造システム２００における高い水蒸気利用率Ｕｓの運転と、Ｎｉ電極の劣化の抑制とを両立するために、ＳＯＥＣ１０に供給される水蒸気の量が制御されることが好ましい。 In order to operate the hydrogen production system 200 with high efficiency, it is preferable to maximize the water vapor utilization rate Us of the SOEC 10. In this embodiment, in order to suppress oxidation of the Ni electrode due to a high water vapor concentration, hydrogen is added to the raw gas and the water vapor utilization rate Us is controlled to be 0.85 to 0.90. When operating at a high water vapor utilization rate Us, particularly near the outlet of the fuel side 12 of the SOEC 10, if the amount of water vapor decreases, the water vapor utilization rate Us may locally become higher than 0.90, and the water vapor on the Ni electrode may be depleted. In other words, in order to achieve both operation at a high water vapor utilization rate Us in the hydrogen production system 200 and suppression of deterioration of the Ni electrode, it is preferable to control the amount of water vapor supplied to the SOEC 10.

水から水蒸気を生成している蒸発器６０は、外部熱源３００から提供される熱を利用している。外部熱源３００から提供される熱量は一定ではなく変化するため、蒸発器６０が生成する水蒸気の温度が変化する。生成された水蒸気の温度は、熱交換器３０によりＳＯＥＣ１０の排ガス温度まで上昇する。一方で、ＳＯＥＣ１０に供給される水蒸気を含む原料ガスの温度に応じて、燃料側１２の入口の温度が変化し、さらに、熱交換器３０の排気側３２に流入する排出ガスの温度も変化する。すなわち、外部熱源３００から提供される熱量の変化に応じて、ＳＯＥＣ１０の燃料側１２の吸熱項であるガスエンタルピー変化量が変化する。そのため、ＳＯＥＣ１０の温度を一定に維持するためには、発熱項である抵抗発熱Ｑｒを増加／減少させる必要がある。 The evaporator 60, which generates steam from water, uses heat provided by an external heat source 300. Since the amount of heat provided by the external heat source 300 is not constant but changes, the temperature of the steam generated by the evaporator 60 changes. The temperature of the generated steam is raised to the exhaust gas temperature of the SOEC 10 by the heat exchanger 30. Meanwhile, the inlet temperature of the fuel side 12 changes according to the temperature of the raw gas containing steam supplied to the SOEC 10, and further, the temperature of the exhaust gas flowing into the exhaust side 32 of the heat exchanger 30 also changes. That is, the amount of gas enthalpy change, which is the endothermic term of the fuel side 12 of the SOEC 10, changes according to the change in the amount of heat provided by the external heat source 300. Therefore, in order to maintain the temperature of the SOEC 10 constant, it is necessary to increase/decrease the resistance heat Qr, which is the heat generating term.

３．制御部の制御内容：
制御部４０は、水素製造システム２００における高い水蒸気利用率Ｕｓの運転と、Ｎｉ電極の劣化の抑制とを両立するために、原料ガス中の酸素分圧およびセルスタック温度Ｔｓｃを用いて、水の供給量Ｆ_H2Oと、水素の供給量Ｆ_H2と、入力電力とを変化させる。制御部４０は、セルスタック温度Ｔｓｃが上がった場合には、ＳＯＥＣ１０で製造される水素を減らす。この場合に、制御部４０は、ＳＯＥＣ１０への入力電力の電流密度ｉを減少させ、かつ、水の供給量Ｆ_H2Oおよび水素の供給量Ｆ_H2を減少させる。一方で、制御部４０は、セルスタック温度Ｔｓｃが下がった場合には、ＳＯＥＣ１０で製造される水素を増やす。この場合には、制御部４０は、電流密度ｉを増加させ、かつ、水の供給量Ｆ_H2Oおよび水素の供給量Ｆ_H2を増加させる。 3. Control contents of the control unit:
In order to achieve both operation at a high water vapor utilization rate Us in the hydrogen production system 200 and suppression of deterioration of the Ni electrode, the control unit 40 changes the water supply amount F _H2O , the hydrogen supply amount F _H2 , and the input power using the oxygen partial pressure in the raw material gas and the cell stack temperature Tsc. When the cell stack temperature Tsc increases, the control unit 40 reduces the hydrogen produced by the SOEC 10. In this case, the control unit 40 reduces the current density i of the input power to the SOEC 10 and reduces the water supply amount F _H2O and the hydrogen supply amount F _H2 . On the other hand, when the cell stack temperature Tsc decreases, the control unit 40 increases the hydrogen produced by the SOEC 10. In this case, the control unit 40 increases the current density i and increases the water supply amount F _H2O and the hydrogen supply amount F _H2 .

本実施形態の制御部４０は、水素製造システム２００による水素の製造が開始されると、入力電力の電流密度ｉとして熱中立点の電流密度を設定する。図２は、熱中立点と電流密度と関係についての説明図である。図２には、抵抗発熱Ｑｒと不可逆熱ＴΔＳとが等しい値を表す直線Ｌ１（一点鎖線）と、抵抗発熱Ｑｒと不可逆熱ＴΔＳとが等しい場合の電流密度ｉである熱中立線を表す直線Ｌ２（一点鎖線）とが示されている。直線Ｌ２で表される熱中立線は、抵抗発熱Ｑｒと不可逆熱ＴΔＳとが等しい直線Ｌ１の場合に、電力供給部２０からＳＯＥＣ１０へと供給される電流密度である。図２に実線で示される熱量差Ｈ１と電流密度ｉ１とについては、後述する。 When hydrogen production by the hydrogen production system 200 starts, the control unit 40 of this embodiment sets the current density of the thermal neutral point as the current density i of the input power. FIG. 2 is an explanatory diagram of the relationship between the thermal neutral point and the current density. FIG. 2 shows a straight line L1 (dotted line) that represents the value at which the resistive heat Qr and the irreversible heat TΔS are equal, and a straight line L2 (dotted line) that represents the thermal neutral line, which is the current density i when the resistive heat Qr and the irreversible heat TΔS are equal. The thermal neutral line represented by the straight line L2 is the current density supplied from the power supply unit 20 to the SOEC 10 when the resistive heat Qr and the irreversible heat TΔS are equal on the straight line L1. The heat difference H1 and current density i1 shown by the solid lines in FIG. 2 will be described later.

制御部４０は、水素製造の開始時に電流密度ｉの設定に加え、水貯蔵タンク７０から蒸発器６０への水の供給と、水素貯蔵タンク８０から混合部５０への水素の供給とを開始する。本実施形態の制御部４０は、水素製造の開始時では、水蒸気利用率Ｕｓを０．８５に設定し、原料ガス中の水素の割合を１０ｖｏｌ％になるように設定する。制御部４０は、当該設定に応じた水の供給量Ｆ_H2Oと水素の供給量Ｆ_H2とを設定する。なお、水素製造の開始時における制御部４０の制御内容は、予め水素製造システム２００を用いた測定が行われることにより決定されている。 At the start of hydrogen production, the control unit 40 not only sets the current density i, but also starts the supply of water from the water storage tank 70 to the evaporator 60 and the supply of hydrogen from the hydrogen storage tank 80 to the mixer 50. At the start of hydrogen production, the control unit 40 of this embodiment sets the water vapor utilization rate Us to 0.85 and sets the proportion of hydrogen in the raw material gas to 10 vol%. The control unit 40 sets the water supply amount F _H2O and the hydrogen supply amount F _H2 according to these settings. The control contents of the control unit 40 at the start of hydrogen production are determined in advance by measurements performed using the hydrogen production system 200.

制御部４０は、セルスタック温度Ｔｓｃと、セルスタックの目標温度である制御温度Ｔｓｃ，ｔとの差の絶対値が予め設定された閾値ε_TSCを超えた場合に、電流密度ｉと、水の供給量Ｆ_H2Oと、水素の供給量Ｆ_H2とを変化させる。制御部４０は、下記式（１）～（４）の関係を用いて、電流密度ｉと、水の供給量Ｆ_H2Oと、水素の供給量Ｆ_H2とを算出する。 The control unit 40 changes the current density i, the water supply amount F H2O, and the hydrogen supply amount F _H2 when the absolute value of the difference between the cell stack temperature Tsc and the control temperature Tsc,t, which is the target temperature of the cell stack, exceeds a preset threshold value ε _TSC . The control unit 40 calculates the current density i, the water supply amount F _H2O , and the hydrogen supply amount F _H2 using the relationships in the following equations (1) to ( ₄ ).

セルスタック内の熱バランスの釣り合いから下記式（１）が導かれる。

ＡＳＲ（Ω・ｃｍ²）：ＳＯＥＣ１０のセルスタックの面積抵抗
Ａｅ（ｃｍ²）：セルスタックの電解有効面積
Ｃｃｓ（Ｊ／Ｋ）：セルスタックの相当熱容量
Δｔ（ｓ）：温度測定サンプリング時間
ΔＳ（Ｊ／（Ｋ・ｃｍ²））：単位有効電解面積当たりのエントロピー変化量
セルスタックの相当熱容量Ｃｃｓは、予め水素製造システム２００を用いた測定が行われることにより決定されている。 The following formula (1) is derived from the heat balance within the cell stack.

ASR (Ω· ^cm2 ): area resistance Ae ( ^cm2 ) of cell stack of SOEC 10; effective electrolytic area of cell stack Ccs (J/K); equivalent heat capacity of cell stack Δt (s): temperature measurement sampling time ΔS (J/(K· ^cm2 )): entropy change per unit effective electrolytic area The equivalent heat capacity Ccs of the cell stack is determined in advance by measurements using the hydrogen production system 200.

上記式（１）を電流密度ｉについて解くと、下記式（２）が導かれる。

When the above equation (1) is solved for the current density i, the following equation (2) is derived.

予め目標として設定された水蒸気利用率Ｕｓとクーロン効率ηｃとを用いて、水の供給量Ｆ_H2Oおよび水素の供給量Ｆ_H2は、下記式（３），（４）のように表される。 Using the water vapor utilization rate Us and the Coulomb efficiency ηc that are set in advance as targets, the water supply amount F _H2O and the hydrogen supply amount F _H2 are expressed by the following formulas (3) and (4).

Ｆ：ファラデー定数
Ｃ_H2：水素濃度

F: Faraday constant C _H2 : Hydrogen concentration

図２の時刻ｔ１においてセルスタック温度Ｔｓｃが上がり、セルスタック温度Ｔｓｃと制御温度Ｔｓｃ，ｔとの差の絶対値が閾値ε_TSCを超えると、制御部４０は、熱量差Ｈ１に応じて、ＳＯＥＣ１０へと入力する電流密度ｉをステップ関数状に変化する電流密度ｉ１のように変化させる。具体的には、制御部４０は、時刻ｔ１において、電流密度ｉを熱中立点から減少させる。一方で、時刻ｔ２において、セルスタック温度Ｔｓｃが下がり、セルスタック温度Ｔｓｃと制御温度Ｔｓｃ，ｔとの差の絶対値が閾値ε_TSCを超えると、制御部４０は、ＳＯＥＣ１０へと入力する電流密度ｉを、電流密度ｉ１のように増加させる。 2, when the cell stack temperature Tsc rises and the absolute value of the difference between the cell stack temperature Tsc and the control temperature Tsc,t exceeds the threshold value ε _TSC , the control unit 40 changes the current density i input to the SOEC 10 to a current density i1 that changes like a step function in accordance with the heat quantity difference H1. Specifically, the control unit 40 reduces the current density i from the thermal neutral point at time t1. On the other hand, when the cell stack temperature Tsc falls and the absolute value of the difference between the cell stack temperature Tsc and the control temperature Tsc,t exceeds the threshold value ε _TSC at time t2, the control unit 40 increases the current density i input to the SOEC 10 to a current density i1.

図３は、制御部４０の制御による効果の説明図である。図３には、電流密度ｉと、水の供給量Ｆ_H2Oと、水素の供給量Ｆ_H2とが制御部４０により制御された実施例の場合の、水蒸気利用率Ｕｓａと、燃料側１２の入口の水素濃度ｂａとが実線で示されている。さらに図３には、比較例の水蒸気利用率Ｕｓｚおよび水素濃度ｂｚが破線で示されている。比較例では、実施例と異なり、ＳＯＥＣ１０の温度に関わらず、ＳＯＥＣ１０へと入力される電流密度ｉと、水の供給量Ｆ_H2Oと、水素の供給量Ｆ_H2と、一定のまま制御されている。図３に示されるように、実施例の水蒸気利用率Ｕｓａおよび水素濃度ｂａは、セルスタック温度Ｔｓｃが変化した時刻ｔ１，ｔ２，ｔ３において一定である。一方で、比較例の水蒸気利用率Ｕｓｚおよび水素濃度ｂｚは、応答遅れが発生して変化している。すなわち、実施例は、比較例と比べると、高い水蒸気利用率Ｕｓの運転と、Ｎｉ電極の劣化の抑制とを実現している。 FIG. 3 is an explanatory diagram of the effect of the control by the control unit 40. In FIG. 3, the water vapor utilization rate Usa and the hydrogen concentration ba at the inlet of the fuel side 12 are shown by solid lines in the case of the embodiment in which the current density i, the water supply amount F _H2O , and the hydrogen supply amount F _H2 are controlled by the control unit 40. Furthermore, FIG. 3 shows the water vapor utilization rate Usz and the hydrogen concentration bz of the comparative example by dashed lines. In the comparative example, unlike the embodiment, the current density i input to the SOEC 10, the water supply amount F _H2O , and the hydrogen supply amount F _H2 are controlled to be constant regardless of the temperature of the SOEC 10. As shown in FIG. 3, the water vapor utilization rate Usa and the hydrogen concentration ba of the embodiment are constant at times t1, t2, and t3 when the cell stack temperature Tsc changes. On the other hand, the water vapor utilization rate Usz and the hydrogen concentration bz of the comparative example change due to a response delay. That is, compared to the comparative example, the embodiment achieves operation at a high water vapor utilization rate Us and suppression of deterioration of the Ni electrode.

４．水素製造システムの水素製造フロー：
図４は、水素製造システム２００が水素を製造する際の処理についてのフローチャートである。水素製造フローでは、初めに、制御部４０は、ＳＯＥＣ１０の燃料側１２において水蒸気の電気分解を行うための入力電力を供給する（ステップＳ１）。制御部４０は、ＳＯＥＣ１０へと初めに入力する電力として、熱中立点となる電流密度の電力を供給する。 4. Hydrogen production flow of the hydrogen production system:
4 is a flowchart of the process when hydrogen is produced by the hydrogen production system 200. In the hydrogen production flow, first, the control unit 40 supplies input power for electrolyzing water vapor on the fuel side 12 of the SOEC 10 (step S1). The control unit 40 supplies power with a current density that provides a thermal neutral point as the power that is initially input to the SOEC 10.

制御部４０は、水貯蔵タンク７０から蒸発器６０への水の供給と、水素貯蔵タンク８０から混合部５０への水素の供給とを開始する（ステップＳ２）。本実施形態の制御部４０は、水素製造の開始時において、水蒸気利用率Ｕｓを０．８５に設定し、原料ガス中の水素の割合を１０ｖｏｌ％に設定する。 The control unit 40 starts the supply of water from the water storage tank 70 to the evaporator 60 and the supply of hydrogen from the hydrogen storage tank 80 to the mixer 50 (step S2). In this embodiment, the control unit 40 sets the water vapor utilization rate Us to 0.85 and the proportion of hydrogen in the raw gas to 10 vol% at the start of hydrogen production.

温度センサ１１０は、ＳＯＥＣ１０のセルスタック温度Ｔｓｃを取得する（ステップＳ３）。制御部４０は、ＳＯＥＣ１０の制御温度Ｔｓｃ，ｔから、温度センサ１１０により取得されたＳＯＥＣ１０のセルスタック温度Ｔｓｃを引いた差を算出する（ステップＳ４）。制御部４０は、ステップＳ３で算出された差の絶対値が閾値ε_TSCよりも小さいか否かを判定する（ステップＳ５）。絶対値が閾値ε_TSCよりも小さいと判定された場合には（ステップＳ５：ＹＥＳ）、制御部４０は、ステップＳ３以降の処理を繰り返す。 The temperature sensor 110 acquires the cell stack temperature Tsc of the SOEC 10 (step S3). The control unit 40 calculates the difference by subtracting the cell stack temperature Tsc of the SOEC 10 acquired by the temperature sensor 110 from the control temperature Tsc,t of the SOEC 10 (step S4). The control unit 40 determines whether the absolute value of the difference calculated in step S3 is smaller than the threshold value ε _TSC (step S5). If it is determined that the absolute value is smaller than the threshold value ε _TSC (step S5: YES), the control unit 40 repeats the processes from step S3 onwards.

絶対値が閾値ε_TSCよりも大きいと判定された場合には（ステップＳ５：ＮＯ）、制御部４０は、酸素センサ９０により検出された原料ガス中の酸素分圧を検出する（ステップＳ６）。制御部４０は、検出された酸素分圧と、酸素センサ９０により検出された原料ガスの温度とを用いることにより、原料ガスに含まれる水蒸気の量を算出する（ステップＳ７）。 When it is determined that the absolute value is greater than the threshold value ε _TSC (step S5: NO), the control unit 40 detects the oxygen partial pressure in the source gas detected by the oxygen sensor 90 (step S6). The control unit 40 calculates the amount of water vapor contained in the source gas by using the detected oxygen partial pressure and the temperature of the source gas detected by the oxygen sensor 90 (step S7).

制御部４０は、上記式（１）～（４）を用いて、算出された水蒸気の量に応じて、水貯蔵タンク７０から蒸発器６０への水の供給量Ｆ_H2Oを設定する（ステップＳ８）。制御部４０は、セルスタック温度Ｔｓｃが制御温度Ｔｓｃ，ｔよりも低い場合には、水の供給量Ｆ_H2Oを増加させる。一方で、制御部４０は、セルスタック温度Ｔｓｃが制御温度Ｔｓｃ，ｔよりも高い場合には、水の供給量Ｆ_H2Oを減少させる。 The control unit 40 sets the amount of water supply F _H2O from the water storage tank 70 to the evaporator 60 according to the amount of water vapor calculated using the above formulas (1) to (4) (step S8). When the cell stack temperature Tsc is lower than the control temperature Tsc,t, the control unit 40 increases the amount of water supply F _H2O . On the other hand, when the cell stack temperature Tsc is higher than the control temperature Tsc,t, the control unit 40 decreases the amount of water supply F _H2O .

制御部４０は、水素貯蔵タンク８０からの水素の供給量Ｆ_H2の算出および設定を行う（ステップＳ９）。制御部４０は、ＳＯＥＣ１０への入力電圧における電流密度の算出および設定を行う（ステップＳ１０）。その後、制御部４０は、水素製造フローを終了するか否かを判定する（ステップＳ１１）。水素製造フローを終了しないと判定された場合には（ステップＳ１１：ＮＯ）、ステップＳ３以降の処理が繰り返される。水素製造フローを終了すると判定された場合には（ステップＳ１１：ＹＥＳ）、水素製造システム２００の制御フローが終了する。 The control unit 40 calculates and sets the amount of hydrogen supplied from the hydrogen storage tank 80, F _H2 (step S9). The control unit 40 calculates and sets the current density at the input voltage to the SOEC 10 (step S10). Thereafter, the control unit 40 determines whether or not to end the hydrogen production flow (step S11). If it is determined that the hydrogen production flow should not be ended (step S11: NO), the processing from step S3 onwards is repeated. If it is determined that the hydrogen production flow should be ended (step S11: YES), the control flow of the hydrogen production system 200 ends.

以上説明したように、本実施形態の水素製造システム２００では、温度センサ１１０がＳＯＥＣ１０のセルスタック温度Ｔｓｃを取得する。制御部４０は、酸素センサ９０の検出値を用いて、蒸発器６０により生成された水蒸気の量を算出する。制御部４０は、算出された水蒸気の量を用いて、混合部５０への水素の供給量Ｆ_H2と、高温水蒸気の電解反応のためにＳＯＥＣ１０に入力される電力とを変化させる。本実施形態の水素製造システム２００では、セルスタック温度Ｔｓｃの変化に応じて、ＳＯＥＣ１０への入力電力と、ＳＯＥＣ１０への水素の供給量Ｆ_H2とが調整される。これにより、ＳＯＥＣ１０内における電解反応が調整されて、ＳＯＥＣ１０内における発熱項と吸熱項との温度バランスが調整され、セルスタック温度Ｔｓｃの温度変化が抑制される。この結果、ＳＯＥＣ１０における高い水蒸気の利用率を維持し、水素が高効率に製造される。さらに、原料ガスに含まれる水素の割合を調整されることにより、ＳＯＥＣ１０における水蒸気濃度が所定値以上に上昇して、Ｎｉ電極が高い酸素分圧にさらされることを抑制する。そのため、本実施形態の水素製造システム２００では、ＳＯＥＣ１０の電極の劣化を抑制した上で、ＳＯＥＣ１０における水蒸気の利用率を向上させることができる。 As described above, in the hydrogen production system 200 of this embodiment, the temperature sensor 110 acquires the cell stack temperature Tsc of the SOEC 10. The control unit 40 calculates the amount of water vapor generated by the evaporator 60 using the detection value of the oxygen sensor 90. The control unit 40 changes the amount of hydrogen supplied to the mixer 50 F _H2 and the power input to the SOEC 10 for the electrolytic reaction of high-temperature water vapor using the calculated amount of water vapor. In the hydrogen production system 200 of this embodiment, the input power to the SOEC 10 and the amount of hydrogen supplied to the SOEC 10 F _H2 are adjusted according to the change in the cell stack temperature Tsc. This adjusts the electrolytic reaction in the SOEC 10, adjusts the temperature balance between the heat generation term and the heat absorption term in the SOEC 10, and suppresses the temperature change in the cell stack temperature Tsc. As a result, a high utilization rate of water vapor in the SOEC 10 is maintained, and hydrogen is produced with high efficiency. Furthermore, by adjusting the ratio of hydrogen contained in the raw material gas, the water vapor concentration in the SOEC 10 is prevented from increasing to a predetermined value or more, and the Ni electrode is prevented from being exposed to a high oxygen partial pressure. Therefore, in the hydrogen production system 200 of the present embodiment, the deterioration of the electrodes of the SOEC 10 is prevented, and the utilization rate of water vapor in the SOEC 10 can be improved.

また、本実施形態の制御部４０は、原料ガスに含まれる水蒸気の量およびセルスタック温度Ｔｓｃを用いて、さらに、水の供給量Ｆ_H2Oを変化させる。そのため、本実施形態の水素製造システム２００では、ＳＯＥＣ１０の入力電力と、ＳＯＥＣ１０への水素の供給量_FH2とに加えて、ＳＯＥＣ１０への水蒸気の供給量Ｆ_H2Oも調整される。これにより、ＳＯＥＣ１０における水蒸気利用率Ｕｓの制御精度をより高くできるため、ＳＯＥＣ１０の電極の劣化をさらに抑制した上で、ＳＯＥＣ１０における水素の利用率をさらに向上させることができる。 Furthermore, the control unit 40 of this embodiment further changes the water supply amount _FH2O using the amount of water vapor contained in the raw material gas and the cell stack temperature Tsc. Therefore, in the hydrogen production system 200 of this embodiment, in addition to the input power to the SOEC 10 and the hydrogen supply amount _FH2 to the SOEC 10, the water vapor supply amount _FH2O to the SOEC 10 is also adjusted. This allows the control accuracy of the water vapor utilization rate Us in the SOEC 10 to be improved, and the hydrogen utilization rate in the SOEC 10 can be further improved while further suppressing deterioration of the electrodes of the SOEC 10.

また、本実施形態の制御部４０は、ＳＯＥＣ１０への入力電力として、一定電圧で電流密度ｉを変化させた電力を電力供給部２０から供給する。そのため、本実施形態の水素製造システム２００では、ＳＯＥＣ１０に印加する電圧を一定に維持したままで入力電力を簡単に変化させることができる。 In addition, the control unit 40 of this embodiment supplies power with a constant voltage and a changed current density i from the power supply unit 20 as input power to the SOEC 10. Therefore, in the hydrogen production system 200 of this embodiment, the input power can be easily changed while maintaining the voltage applied to the SOEC 10 constant.

また、本実施形態の制御部４０は、酸素センサ９０により検出された酸素分圧と、酸素センサ９０が有する温度測定手段により測定された原料ガスの温度とを用いることにより、原料ガス中の水蒸気分圧を測定する。そのため、本実施形態の水素製造システム２００では、制御部４０は、酸素センサ９０により検出された酸素分圧を用いて、蒸発器６０により生成された水蒸気の量を算出できる。 The control unit 40 of this embodiment also measures the water vapor partial pressure in the raw material gas by using the oxygen partial pressure detected by the oxygen sensor 90 and the temperature of the raw material gas measured by the temperature measuring means of the oxygen sensor 90. Therefore, in the hydrogen production system 200 of this embodiment, the control unit 40 can calculate the amount of water vapor generated by the evaporator 60 using the oxygen partial pressure detected by the oxygen sensor 90.

＜第２実施形態＞
図５は、第２実施形態の水素製造システム２００ａのブロック図である。第２実施形態の水素製造システム２００ａでは、第１実施形態の水素製造システム２００と比較して、水素貯蔵タンク８０からの水素の供給量Ｆ_H2が、蒸発器６０と混合部５０とに分けられて供給されている点が異なり、他の構成および制御等については第１実施形態の水素製造システム２００と同じである。そのため、第２実施形態では、第１実施形態の水素製造システム２００と異なる点について説明し、同じ構成および制御等についての説明を省略する。第２実施形態の水素製造システム２００ａでは、蒸発器６０に供給された水素が気泡スラグとして機能して、蒸発器６０の温度変化を抑制することにより、入力電圧の電流密度ｉの変化に対する水蒸気生成の応答性を向上させている。 Second Embodiment
5 is a block diagram of a hydrogen production system 200a of the second embodiment. The hydrogen production system 200a of the second embodiment is different from the hydrogen production system 200 of the first embodiment in that the supply amount F _H2 of hydrogen from the hydrogen storage tank 80 is divided and supplied to the evaporator 60 and the mixer 50, and other configurations and controls are the same as those of the hydrogen production system 200 of the first embodiment. Therefore, in the second embodiment, the differences from the hydrogen production system 200 of the first embodiment will be described, and the same configurations and controls will not be described. In the hydrogen production system 200a of the second embodiment, the hydrogen supplied to the evaporator 60 functions as a bubble slug to suppress the temperature change of the evaporator 60, thereby improving the responsiveness of steam generation to the change in the current density i of the input voltage.

第２実施形態の制御部４０ａは、第１実施形態で混合部５０へと供給されていた水素の一部を蒸発器６０へと供給する。蒸発器６０では、ステンレス等の金属により形成された伝熱隔壁により、水および水素が通る流路と、外部熱源３００からの熱媒とは隔離されている。蒸発器６０を通る水および水素は、伝熱隔壁とフィンとを介して熱伝導により熱媒から熱が供給される。蒸発器６０への水素の供給量に応じて、流路内で水素が形成する気泡スラグの長さが調整され、流路内における水の液スラグの輸送量が変化する。 The control unit 40a of the second embodiment supplies a portion of the hydrogen that was supplied to the mixing unit 50 in the first embodiment to the evaporator 60. In the evaporator 60, a heat transfer partition made of a metal such as stainless steel separates the flow path through which the water and hydrogen pass from the heat medium from the external heat source 300. The water and hydrogen passing through the evaporator 60 are supplied with heat from the heat medium by thermal conduction through the heat transfer partition and fins. Depending on the amount of hydrogen supplied to the evaporator 60, the length of the bubble slug formed by the hydrogen in the flow path is adjusted, and the amount of liquid slug of water transported in the flow path changes.

図６および図７は、蒸発器６０内の気泡スラグと液スラグとの説明図である。図６および図７には、流路６１の一部の断面において、ハッチングで示された液体中を流れ方向に沿って流れる気泡スラグが示されている。図６と図７では、図６に示される状態の方が、図７に示される状態よりも多くの水素が供給されている。図６に示される液スラグの長さである液スラグ長Ｌ_A1は、図７に示される液スラグ長Ｌ_A2よりも大きい。その結果、図６に示される流路６１内を輸送される水の量である液スラグ量Ｖ_L1は、図７に示される液スラグ量Ｖ_L2よりも少ない。気泡スラグ周りの薄液膜は、小さい熱抵抗と広い蒸発界面積とを有するため、外部熱源３００から供給される熱媒温度が低くても高い蒸発性能を有する。 6 and 7 are explanatory diagrams of the bubble slug and the liquid slug in the evaporator 60. In FIG. 6 and FIG. 7, the bubble slug is shown flowing in the liquid indicated by hatching in the cross section of a part of the flow path 61 along the flow direction. In FIG. 6 and FIG. 7, more hydrogen is supplied in the state shown in FIG. 6 than in the state shown in FIG. 7. The liquid slug length L _A1 , which is the length of the liquid slug shown in FIG. 6, is greater than the liquid slug length L _A2 shown in FIG. 7. As a result, the liquid slug volume V _L1 , which is the amount of water transported in the flow path 61 shown in FIG. 6, is less than the liquid slug volume V _L2 shown in FIG. 7. The thin liquid film around the bubble slug has a small thermal resistance and a large evaporation interface area, so that it has high evaporation performance even if the temperature of the heat medium supplied from the external heat source 300 is low.

図８は、蒸発器６０における隔壁温度分布と蒸気温度分布との関係の説明図である。図８には、水および水素の流れ方向において変化する、伝熱隔壁の隔壁温度Ｔｗ１，Ｔｗ２と、蒸気温度Ｔ_{H2O_1}，Ｔ_{H2O_2}とが示されている。実線で示されている隔壁温度Ｔｗ１および蒸気温度Ｔ_{H2O_1}は、図６に示される水の供給量Ｆ_H2Oが少ない場合の温度である。破線で示されている隔壁温度Ｔｗ２および蒸気温度Ｔ_{H2O_2}は、図７に示される水の供給量Ｆ_H2Oが多い場合の温度である。第２実施形態の制御部４０ａは、水と水蒸気とが混在する２相域と、水が存在せずに水蒸気のみが存在する気相域とにおいて、隔壁温度Ｔｗ１と隔壁温度Ｔｗ２との温度勾配の変化、および、蒸気温度Ｔ_{H2O_1}と蒸気温度Ｔ_{H2O_2}との温度勾配の変化を抑制するように制御する。 FIG. 8 is an explanatory diagram of the relationship between the partition wall temperature distribution and the steam temperature distribution in the evaporator 60. FIG. 8 shows the partition wall temperatures Tw1 and Tw2 of the heat transfer partition wall and the steam temperatures T _{H2O_1} and T _{H2O_2} , which change in the flow direction of water and hydrogen. The partition wall temperature Tw1 and the steam temperature T _{H2O_1} shown by the solid line are temperatures when the water supply amount F _H2O shown in FIG. 6 is small. The partition wall temperature Tw2 and the steam temperature T _{H2O_2} shown by the dashed line are temperatures when the water supply amount F _H2O shown in FIG. 7 is large. The control unit 40a of the second embodiment controls to suppress the change in the temperature gradient between the partition wall temperature Tw1 and the partition wall temperature Tw2, and the change in the temperature gradient between the steam temperature T _{H2O_1} and the steam temperature T _{H2O_2} in the two-phase region where water and steam are mixed and the gas phase region where water is not present and only steam is present.

第２実施形態の制御部４０ａは、上記温度勾配の変化を抑制するために、水の供給量Ｆ_H2Oを用いて、下記式（５）のように蒸発器６０への水素の供給量Ｆ_H2,in60を算出する。式（５）に示されるように、蒸発器６０への水素の供給量Ｆ_H2,in60は、水の供給量Ｆ_H2Oにより決まる関数である。水の供給量Ｆ_H2Oと、蒸発器６０への水素の供給量Ｆ_H2との関係は、予め水素製造システム２００を用いた測定が行われることにより決定されている。

In order to suppress the change in the temperature gradient, the control unit 40a of the second embodiment calculates the amount of hydrogen supplied to the evaporator 60, F _H2,in60 , using the amount of water supplied, F _H2O , as shown in the following formula (5). As shown in formula (5), the amount of hydrogen supplied to the evaporator 60, F _H2,in60 , is a function determined by the amount of water supplied, F _H2O . The relationship between the amount of water supplied, F _H2O , and the amount of hydrogen supplied to the evaporator 60, F _H2 , is determined in advance by measurements using the hydrogen production system 200.

制御部４０ａは、下記式（６）を用いて水素貯蔵タンク８０から混合部５０への水素の供給量Ｆ_H2,in50を算出する。なお、合計の水素の供給量Ｆ_{H2_total}は、第１実施形態において、水素貯蔵タンク８０から混合部への水素の供給量Ｆ_H2と同じである。

The control unit 40a calculates the amount of hydrogen supplied from the hydrogen storage tank 80 to the mixing unit 50, F _H2,in50 , using the following formula (6). Note that the total amount of hydrogen supplied, F _{H2_total} , is the same as the amount of hydrogen supplied from the hydrogen storage tank 80 to the mixing unit, F _H2, in the first embodiment.

図９は、蒸発器６０に供給された水素の効果についての説明図である。図９には、第１実施形態の図２に示すような制御が行われた場合の、合計の水素の供給量Ｆ_H2,totalの時間変化と、水の供給量の時間変化を表す供給量Ｆ_{H2O_con}（破線），Ｆ_{H2O_A}（実線），Ｆ_{H2O_Z}（一点鎖線）の時間変化とが示されている。供給量Ｆ_{H2O_con}は、蒸発器６０で生成したい水蒸気の目標供給量である。供給量Ｆ_{H2O_A}は、第２実施形態の制御部４０ａの制御により蒸発器６０で実際に生成された水蒸気の供給量の時間変化である。供給量Ｆ_{H2O_Z}は、水素が蒸発器６０に供給されていない比較例の蒸発器６０で実際に生成された水蒸気の時間変化である。図９に示されるように、供給量Ｆ_{H2O_con}と供給量Ｆ_{H2O_A}とは、ほとんどの領域で重複している。すなわち、蒸発器６０に水素が供給されている第２実施形態では、目標供給量に対して実際に生成される水蒸気の量の追従性が高い。一方で、比較例の供給量Ｆ_{H2O_Z}では、時刻ｔ１，ｔ２を経過した後に、供給量Ｆ_{H2O_con}に対する応答遅れが発生している。 FIG. 9 is an explanatory diagram of the effect of hydrogen supplied to the evaporator 60. FIG. 9 shows the time change of the total hydrogen supply amount F _H2,total and the time change of the supply amounts F _{H2O_con} (dashed line), F _{H2O_A} (solid line), and F _{H2O_Z} (dash-dotted line) representing the time change of the water supply amount when the control shown in FIG. 2 of the first embodiment is performed. The supply amount F _{H2O_con} is the target supply amount of water vapor to be generated by the evaporator 60. The supply amount F _{H2O_A} is the time change of the supply amount of water vapor actually generated by the evaporator 60 under the control of the control unit 40a of the second embodiment. The supply amount F _{H2O_Z} is the time change of the water vapor actually generated by the evaporator 60 of the comparative example in which hydrogen is not supplied to the evaporator 60. As shown in FIG. 9, the supply amount F _{H2O_con} and the supply amount F _{H2O_A} overlap in most regions. That is, in the second embodiment in which hydrogen is supplied to the evaporator 60, the amount of water vapor actually generated has high tracking ability with respect to the target supply amount. On the other hand, in the supply amount F _{H2O_Z} of the comparative example, a response delay occurs with respect to the supply amount F _{H2O_con} after the times t1 and t2 have passed.

図１０は、第２実施形態の水素製造システム２００ａが水素を製造する際の処理についてのフローチャートである。図１０に示される第２実施形態の水素製造フローにおいて、ステップＳ２１～Ｓ２８までの処理は、第１実施形態の水素製造フロー（図４）におけるステップＳ１～Ｓ８までの処理と同じである。そのため、第２実施形態では、ステップＳ２８以降の処理について説明する。 Figure 10 is a flowchart of the process when the hydrogen production system 200a of the second embodiment produces hydrogen. In the hydrogen production flow of the second embodiment shown in Figure 10, the process from steps S21 to S28 is the same as the process from steps S1 to S8 in the hydrogen production flow of the first embodiment (Figure 4). Therefore, in the second embodiment, the process from step S28 onwards will be described.

図１０に示されるステップＳ２８の処理が行われると、制御部４０ａは、算出された水の供給量Ｆ_H2Oを上記式（５）に代入することにより、水素貯蔵タンク８０から蒸発器６０への水素の供給量Ｆ_H2,in60を算出する（ステップＳ２９）。制御部４０ａは、算出された水素の供給量Ｆ_H2,in60を用いて混合部５０への水素の供給量Ｆ_H2,in50を算出し、蒸発器６０および混合部５０へと算出した量の水素を供給する（ステップＳ３０）。制御部４０ａは、算出された蒸発器６０への水素の供給量Ｆ_H2,in60と上記式（１）～（４），（６）とを用いて、水素貯蔵タンク８０から混合部５０への水素の供給量Ｆ_H2,in50を算出する。制御部４０ａは、算出された供給量Ｆ_H2,in60の水素を蒸発器６０へと供給し、算出された供給量Ｆ_H2,in50の水素を混合部５０へと供給する。 10 is performed, the control unit 40a calculates the amount of hydrogen supplied from the hydrogen storage tank 80 to the evaporator 60, F _H2,in60 , by substituting the calculated amount of water supplied, F _{H2O, into the above formula (5) (step S29). The control unit 40a calculates the amount of hydrogen supplied to the mixing unit 50, F H2} _,in50 , using the calculated amount of hydrogen supplied, F _H2,in60 , and supplies the calculated amount of hydrogen to the evaporator 60 and the mixing unit 50 (step S30). The control unit 40a calculates the amount of hydrogen supplied from the hydrogen storage tank 80 to the mixing unit 50, F H2 _,in50 , using the calculated amount of hydrogen supplied to the evaporator 60, F _H2,in60 , and the above formulas (1) to (4) and (6). The control unit 40 a supplies hydrogen at the calculated supply amount F _H2,in60 to the evaporator 60 , and supplies hydrogen at the calculated supply amount F _H2,in50 to the mixer 50 .

制御部４０ａは、第１実施形態と同じように、ＳＯＥＣ１０への入力電圧における電流密度ｉの算出および設定を行う（ステップＳ３１）。その後、制御部４０は、水素製造フローを終了するか否かを判定する（ステップＳ３２）。水素製造フローを終了しないと判定された場合には（ステップＳ３２：ＮＯ）、ステップＳ２３以降の処理が繰り返される。水素製造フローを終了すると判定された場合には（ステップＳ３２：ＹＥＳ）、水素製造システム２００ａの制御フローが終了する。 The control unit 40a calculates and sets the current density i at the input voltage to the SOEC 10 in the same manner as in the first embodiment (step S31). The control unit 40 then determines whether or not to end the hydrogen production flow (step S32). If it is determined that the hydrogen production flow is not to be ended (step S32: NO), the processing from step S23 onwards is repeated. If it is determined that the hydrogen production flow is to be ended (step S32: YES), the control flow of the hydrogen production system 200a ends.

以上説明したように、第２実施形態の水素製造システム２００ａでは、制御部４０ａは、混合部５０に供給される水素の一部を蒸発器６０へと供給する。蒸発器６０に供給された水素は、気泡スラグとして流路６１内を流れる。流路６１内を流れる水素の気泡スラグの量は、流路６１内を流れる水の液スラグの輸送量を調整する。気泡スラグ周りの薄液膜は小さい熱抵抗と広い蒸発界面積とを有するため、水蒸気の飽和温度と壁温度との差が小さいため、蒸発器６０内の温度勾配の変化が抑制される。温度勾配の変化の抑制により、図９に示されるように、目標供給量である供給量Ｆ_{H2O_con}に対して、実際に生成される水蒸気の供給量Ｆ_{H2O_A}の追従性が高くなる。この結果、蒸発器６０の熱容量に依存した温度遅れを抑制し、ＳＯＥＣ１０の温度制御性を改善できる。 As described above, in the hydrogen production system 200a of the second embodiment, the control unit 40a supplies a part of the hydrogen supplied to the mixer 50 to the evaporator 60. The hydrogen supplied to the evaporator 60 flows in the flow path 61 as a bubble slug. The amount of the hydrogen bubble slug flowing in the flow path 61 adjusts the transport amount of the water liquid slug flowing in the flow path 61. Since the thin liquid film around the bubble slug has a small thermal resistance and a large evaporation interface area, the difference between the saturation temperature of the water vapor and the wall temperature is small, so that the change in the temperature gradient in the evaporator 60 is suppressed. By suppressing the change in the temperature gradient, the trackability of the supply amount F H2O_A of the water vapor actually generated with respect to the supply amount F _{H2O_con} , which is the target supply amount, is improved as shown in FIG. _9. As a result, the temperature delay depending on the heat capacity of the evaporator 60 is suppressed, and the temperature controllability of the SOEC 10 can be improved.

＜上記実施形態の変形例＞
本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。 <Modifications of the above embodiment>
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be embodied in various forms without departing from the spirit and scope of the invention. For example, the following modifications are also possible.

＜変形例１＞
上記第１実施形態および第２実施形態では、水素製造システム２００，２００ａの一例について説明したが、水素製造システム２００，２００ａは、算出された蒸発器６０により生成された水蒸気量を用いて水素の供給量Ｆ_H2および入力電力を変化させる範囲で変形可能である。制御部４０は、入力電力の電流密度ｉ以外の要素を制御することにより、ＳＯＥＣ１０への入力電力を変化させてもよい。例えば、ＳＯＥＣ１０への入力電力は、一定電流の下、電圧が制御されることにより変化してもよい。制御部４０は、入力電力と水素の供給量Ｆ_H2とを変化させて、水貯蔵タンク７０からの水の供給量Ｆ_H2Oを変化させなくてもよい。外部熱源３００は、工場等から排出される排出ガス以外であってもよく、周知の高熱源を採用できる。 <Modification 1>
In the above first and second embodiments, an example of the hydrogen production system 200, 200a has been described, but the hydrogen production system 200, 200a can be modified within a range in which the hydrogen supply amount F _H2 and the input power are changed using the calculated amount of water vapor generated by the evaporator 60. The control unit 40 may change the input power to the SOEC 10 by controlling an element other than the current density i of the input power. For example, the input power to the SOEC 10 may be changed by controlling the voltage under a constant current. The control unit 40 may change the input power and the hydrogen supply amount F _H2 without changing the water supply amount F _H2O from the water storage tank 70. The external heat source 300 may be other than exhaust gas discharged from a factory or the like, and a well-known high-temperature heat source may be adopted.

上記第１実施形態では、図４のステップＳ３，Ｓ４の処理に示されるように、制御部４０は、セルスタック温度Ｔｓｃと制御温度Ｔｓｃ，ｔとの差に応じて入力電力の電流密度ｉ等を制御したが、セルスタック温度Ｔｓｃに応じて制御してもよい。例えば、サンプリング期間Δｔを用いた温度変化に応じて、ＳＯＥＣ１０への入力電力および水素の供給量Ｆ_H2が制御されてもよい。上記第１実施形態では、水蒸気利用率Ｕｓとして一例の数値範囲を挙げたが、水蒸気利用率Ｕｓについては任意に設定可能である。 In the first embodiment, as shown in the processing of steps S3 and S4 in Fig. 4, the control unit 40 controlled the current density i of the input power etc. in accordance with the difference between the cell stack temperature Tsc and the control temperature Tsc,t, but it may also be controlled in accordance with the cell stack temperature Tsc. For example, the input power to the SOEC 10 and the amount of hydrogen supply F _H2 may be controlled in accordance with a temperature change using a sampling period Δt. In the first embodiment, an example numerical range was given as the water vapor utilization rate Us, but the water vapor utilization rate Us can be set arbitrarily.

＜変形例２＞
上記第１実施形態および第２実施形態では、制御部４０，４０ａは、酸素センサ９０により取得された酸素分圧を用いて蒸発器６０で生成する水蒸気の量を算出していたが、その他の検出値を用いて水蒸気の量を算出してもよい。図１１は、変形例２における水素製造システム２００ｂのブロック図である。水素製造システム２００ｂでは、第１実施形態の水素製造システム２００と比較して、制御部４０ｂが、水素センサ（水素分圧検出部）９０ｂにより検出された原料ガス中の水素分圧を用いて水蒸気の量が算出される点が異なる。水素製造システム２００ｂは、イットリア添加バリウムジルコネート材（ＢａＺｒ_0.8Ｙ_0.2Ｏ_3-δ）が用いられた水素センサ９０ｂを備えている。水素センサ９０ｂは、プロトン伝導体を用いた起電力測定により、ＳＯＥＣ１０に流入する原料ガスの温度（６５０℃～７００℃）よりも低い温度（４００℃）の熱交換器３０内の原料ガス中の水素分圧を検出できる。この変形例では、制御部４０ｂは、水素センサにより検出された熱交換器３０内の原料ガス中の水素分圧を用いて水蒸気の量を算出する。制御部４０ｂは、この変形例の水素センサ９０ｂの検出値を用いることにより、水素製造システム２００ｂにおいてより上流側の温度が低い原料ガスに含まれる水蒸気の量を算出できる。この結果、水蒸気の量の算出から、水素の供給量Ｆ_H2および入力電力の設定までの時間が短くなる。すなわち、この変形例では、水蒸気量の検出から水素の供給量Ｆ_H2および入力電力の制御までのタイムラグを短くできるため、制御部４０ｂの制御精度が向上する。 <Modification 2>
In the first and second embodiments, the control unit 40, 40a calculates the amount of water vapor generated in the evaporator 60 using the oxygen partial pressure acquired by the oxygen sensor 90, but the amount of water vapor may be calculated using other detection values. Fig. 11 is a block diagram of a hydrogen production system 200b in Modification 2. The hydrogen production system 200b is different from the hydrogen production system 200 of the first embodiment in that the control unit 40b calculates the amount of water vapor using the hydrogen partial pressure in the raw material gas detected by a hydrogen sensor (hydrogen partial pressure detection unit) 90b. The hydrogen production system 200b is equipped with a hydrogen sensor 90b using an yttria-added barium zirconate material ( _{BaZr0.8Y0.2O3} _- _δ ). The hydrogen sensor 90b can detect the hydrogen partial pressure in the source gas in the heat exchanger 30 at a temperature (400° C.) lower than the temperature (650° C. to 700° C.) of the source gas flowing into the SOEC 10 by measuring the electromotive force using a proton conductor. In this modification, the control unit 40b calculates the amount of water vapor using the hydrogen partial pressure in the source gas in the heat exchanger 30 detected by the hydrogen sensor. The control unit 40b can calculate the amount of water vapor contained in the source gas whose temperature is lower upstream in the hydrogen production system 200b by using the detection value of the hydrogen sensor 90b in this modification. As a result, the time from the calculation of the amount of water vapor to the setting of the hydrogen supply amount F _H2 and the input power is shortened. That is, in this modification, the time lag from the detection of the amount of water vapor to the control of the hydrogen supply amount F _H2 and the input power can be shortened, thereby improving the control accuracy of the control unit 40b.

＜変形例３＞
図１２は、変形例３における水素製造システム２００ｃのブロック図である。水素製造システム２００ｃでは、第１実施形態の水素製造システム２００と比較して、制御部４０ｂが、流量センサ（流量検出部）９０ｃにより検出された原料ガスの流量を用いて水蒸気の量が算出される点が異なる。制御部４０ｃは、混合部５０から熱交換器３０へと流入する原料ガスの流量を用いて、蒸発器６０で生成された水蒸気の量を算出する。この変形例の水素製造システム２００ｃは、混合部５０と熱交換器との間に配置されたオリフィスを用いて、オリフィス入口とオリフィス出口との圧力差を用いて水蒸気の量が算出されている。流量センサ９０ｃとしてのオリフィスを用いる場合、水素製造システム２００ｃを用いた圧力差の測定が予め行われることにより、制御部４０ｃは、オリフィスを通過する原料ガスの総流量を算出できる。この変形例では、制御部４０ｃは、流量センサ９０ｃにより検出された原料ガスの総流量から、制御により既知の水素の供給量Ｆ_H2を差し引くことで、蒸発器６０により生成された水蒸気の供給量Ｆ_H2Oを算出できる。流量センサ９０ｃは、水素製造システム２００において配置されるための温度条件がない、すなわち加熱される前の原料ガスの流量を取得できる。そのため、流量センサ９０ｃがより水素製造システム２００ｃのより上流側である混合部５０と熱交換器３０との間に配置されることにより、水蒸気の量の算出から、水素の供給量Ｆ_H2および入力電力の設定までの時間が短くなる。すなわち、この変形例では、水蒸気量の算出から水素の供給量Ｆ_H2および入力電力の制御までのタイムラグを短くできるため、制御部４０ｃの制御精度が向上する。 <Modification 3>
FIG. 12 is a block diagram of a hydrogen production system 200c in the third modified example. The hydrogen production system 200c is different from the hydrogen production system 200 of the first embodiment in that the control unit 40b calculates the amount of water vapor using the flow rate of the raw material gas detected by the flow rate sensor (flow rate detection unit) 90c. The control unit 40c calculates the amount of water vapor generated in the evaporator 60 using the flow rate of the raw material gas flowing from the mixing unit 50 to the heat exchanger 30. In the hydrogen production system 200c of this modified example, the amount of water vapor is calculated using the pressure difference between the orifice inlet and the orifice outlet using an orifice arranged between the mixing unit 50 and the heat exchanger. When an orifice is used as the flow rate sensor 90c, the pressure difference is measured in advance using the hydrogen production system 200c, so that the control unit 40c can calculate the total flow rate of the raw material gas passing through the orifice. In this modification, the control unit 40c can calculate the supply amount F _{H2O of water vapor generated by the evaporator 60 by subtracting the supply amount F H2} _of hydrogen, which is known by control, from the total flow rate of the raw material gas detected by the flow sensor 90c. The flow sensor 90c does not have a temperature condition for being placed in the hydrogen production system 200, that is, it can obtain the flow rate of the raw material gas before it is heated. Therefore, by placing the flow sensor 90c between the mixer 50 and the heat exchanger 30, which is more upstream of the hydrogen production system 200c, the time from the calculation of the amount of water vapor to the setting of the supply amount F _H2 of hydrogen and the input power is shortened. In other words, in this modification, the time lag from the calculation of the amount of water vapor to the control of the supply amount F _H2 of hydrogen and the input power can be shortened, so that the control accuracy of the control unit 40c is improved.

＜変形例４＞
図１３は、変形例における水素製造方法のフローチャートである。第１実施形態の図４に示される水素製造フローは、図１３に示される水素製造フローのように換言できる。この変形例の水素製造フローでは、外部熱源３００から抵抗される熱を利用して蒸発器６０により水蒸気を生成する蒸発工程が行われる（ステップＳ４１）。水素貯蔵タンク８０から供給された水素と、蒸発器６０により生成された水蒸気とを、原料ガスとして混合部５０で混合する混合工程が行われる（ステップＳ４２）。混合された原料ガスを熱交換器３０により加熱する加熱工程が行われる（ステップＳ４３）。加熱された原料ガス中の高温水蒸気からＳＯＥＣ１０の電解反応により水素を製造する水素製造工程が行われる（ステップＳ４３）。温度センサ１１０によりＳＯＥＣ１０のセルスタック温度Ｔｓｃを取得する温度取得工程が行われる（ステップＳ４４）。ＳＯＥＣ１０の制御温度Ｔｓｃ，ｔから、温度センサ１１０により取得されたセルスタック温度Ｔｓｃを引いた差の絶対値が閾値ε_TSCよりも小さいか否かが判定される（ステップＳ４５）。絶対値が閾値ε_TSCよりも小さいと判定された場合には（ステップＳ４５：ＹＥＳ）、ステップＳ４３以降の処理が繰り返される。 <Modification 4>
FIG. 13 is a flow chart of a hydrogen production method in a modified example. The hydrogen production flow shown in FIG. 4 of the first embodiment can be rephrased as the hydrogen production flow shown in FIG. 13. In the hydrogen production flow of this modified example, an evaporation process is performed in which water vapor is generated by the evaporator 60 using heat resisted from the external heat source 300 (step S41). A mixing process is performed in which hydrogen supplied from the hydrogen storage tank 80 and water vapor generated by the evaporator 60 are mixed as a raw material gas in the mixing section 50 (step S42). A heating process is performed in which the mixed raw material gas is heated by the heat exchanger 30 (step S43). A hydrogen production process is performed in which hydrogen is produced from high-temperature water vapor in the heated raw material gas by an electrolytic reaction of the SOEC 10 (step S43). A temperature acquisition process is performed in which the cell stack temperature Tsc of the SOEC 10 is acquired by the temperature sensor 110 (step S44). It is determined whether the absolute value of the difference between the control temperature Tsc,t of the SOEC 10 and the cell stack temperature Tsc acquired by the temperature sensor 110 is smaller than the threshold value ε _TSC (step S45). If it is determined that the absolute value is smaller than the threshold value ε _TSC (step S45: YES), the processing from step S43 onwards is repeated.

絶対値が閾値ε_TSCよりも大きいと判定された場合には（ステップＳ４５：ＮＯ）、セルスタック温度Ｔｓｃとを用いることにより、蒸発器６０により生成された水蒸気の量を算出する水蒸気量取得工程が行われる（ステップＳ４７）。上記第１実施形態、変形例２、および変形例３に示されるように、水蒸気の量を算出する方法としては、酸素分圧や水素分圧が用いられてもよい。取得された水蒸気の量に応じて、水貯蔵タンク７０から蒸発器６０への水の供給量Ｆ_H2Oと、ＳＯＥＣ１０への入力電力との算出および設定を行う制御工程が行われる（ステップＳ４８）。その後、水素製造フローを終了するか否かが判定される（ステップＳ４９）。 If it is determined that the absolute value is greater than the threshold value ε _TSC (step S45: NO), a water vapor amount acquisition step is performed in which the amount of water vapor generated by the evaporator 60 is calculated using the cell stack temperature Tsc (step S47). As shown in the first embodiment, modified example 2, and modified example 3, the method for calculating the amount of water vapor may use oxygen partial pressure or hydrogen partial pressure. Depending on the amount of water vapor acquired, a control step is performed in which the amount of water supplied from the water storage tank 70 to the evaporator 60 F _H2O and the input power to the SOEC 10 are calculated and set (step S48). Then, it is determined whether or not to end the hydrogen production flow (step S49).

以上、実施形態、変形例に基づき本態様について説明してきたが、上記した態様の実施の形態は、本態様の理解を容易にするためのものであり、本態様を限定するものではない。本態様は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本態様にはその等価物が含まれる。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することができる。 Although this aspect has been described above based on the embodiment and modified examples, the embodiment of the above-mentioned aspect is intended to facilitate understanding of this aspect and does not limit this aspect. This aspect may be modified or improved without departing from the spirit and scope of the claims, and equivalents are included in this aspect. Furthermore, if a technical feature is not described as essential in this specification, it may be deleted as appropriate.

１０…ＳＯＥＣ（電解セル）
１１…ＳＯＥＣの空気側
１２…ＳＯＥＣの燃料側
２０…電力供給部
３０…熱交換器（加熱器）
３１…熱交換器の燃料側
３２…熱交換器の排気側
４０，４０ａ，４０ｂ，４０ｃ…制御部（水蒸気量算出部）
５０…混合部
６０…蒸発器
６１…流路
７０…水貯蔵タンク
８０…水素貯蔵タンク
９０…酸素センサ（酸素分圧検出部）
９０ｂ…水素センサ（水素分圧検出部）
９０ｃ…流量センサ（流量検出部）
１１０…温度センサ（温度取得部）
２００，２００ａ，２００ｂ，２００ｃ…水素製造システム
３００…外部熱源
Ｆ_H2…水素の供給量
Ｆ_H2O…水の供給量
Ｆ_{H2O_A}…第２実施形態の水蒸気の供給量
Ｆ_{H2O_con}…水蒸気の目標供給量
Ｆ_{H2O_Z}…比較例の水蒸気の供給量
Ｆ_H2,in50…混合部への水素の供給量
Ｆ_H2,in60…蒸発器への水素の供給量
Ｆ_H2,total…合計の水素の供給量
Ｈ１…熱量差
Ｌ１…直線
Ｌ２…直線
Ｌ_A1，Ｌ_A2…液スラグ長
Ｑｒ…抵抗発熱
ＴΔＳ…不可逆熱
Ｔ_{H2O_1}，Ｔ_{H2O_2}…蒸気温度
ε_TSC…閾値
Ｔｓｃ，ｔ…制御温度
Ｔｓｃ…セルスタック温度
Ｔｗ１，Ｔｗ２…隔壁温度
Ｕｓ…電流密度利用率
Ｕｓ，Ｕｓａ，Ｕｓｚ…水蒸気利用率
Ｖ_L1，Ｖ_L2…液スラグ量
ｂａ，ｂｚ…水素濃度
ｉ，ｉ１…電流密度
ｔ１～ｔ３…時刻 10...SOEC (electrolysis cell)
11: Air side of SOEC 12: Fuel side of SOEC 20: Power supply 30: Heat exchanger (heater)
31: Fuel side of heat exchanger 32: Exhaust side of heat exchanger 40, 40a, 40b, 40c: Control unit (water vapor amount calculation unit)
50: Mixing section 60: Evaporator 61: Flow path 70: Water storage tank 80: Hydrogen storage tank 90: Oxygen sensor (oxygen partial pressure detection section)
90b...Hydrogen sensor (hydrogen partial pressure detection unit)
90c...flow rate sensor (flow rate detection unit)
110...Temperature sensor (temperature acquisition unit)
200, 200a, 200b, 200c...Hydrogen production system 300...External heat source F _H2 ...Hydrogen supply amount F _H2O ...Water supply amount F _{H2O_A} ...Water vapor supply amount in the second embodiment F _{H2O_con} ...Target water vapor supply amount F _{H2O_Z} ...Water vapor supply amount in the comparative example F _H2,in50 ...Hydrogen supply amount to the mixing section F _H2,in60 ...Hydrogen supply amount to the evaporator F _H2,total ...Total hydrogen supply amount H1...Heat difference L1...Straight line L2...Straight line L _A1 , L _A2 ...Liquid slug length Qr...Resistive heat TΔS...Irreversible heat T _{H2O_1} , T _{H2O_2} ...Steam temperature ε _TSC ...Threshold value Tsc,t...Control temperature Tsc...Cell stack temperature Tw1, Tw2...Partition wall temperature Us...Current density utilization rate Us, Usa, Usz... Steam utilization rate V _L1 , V _L2 ... Liquid slug amount ba, bz... Hydrogen concentration i, i1... Current density t1 to t3... Time

Claims

1. A hydrogen production system, comprising:
an electrolysis cell for producing hydrogen from a raw gas containing water vapor by electrolysis;
an evaporator that uses heat provided from an external heat source to heat water and generate steam;
a mixing section that mixes hydrogen and the water vapor generated by the evaporator as the raw material gas;
a heater that heats the raw material gas mixed by the mixing unit; and
a temperature acquisition unit for acquiring a temperature of the electrolysis cell;
a water vapor amount acquiring unit that acquires an amount of water vapor supplied from the heater to the electrolysis cell;
a control unit that changes the power input to the electrolysis cell for electrolysis using the temperature acquired by the temperature acquisition unit , and that changes the amount of hydrogen supplied to the mixing unit using the changed power and the amount of water vapor acquired by the water vapor amount acquisition unit ;
Equipped with
The control unit is
reducing the power input to the electrolysis cell when the temperature acquired by the temperature acquisition unit increases , and reducing the amount of hydrogen supplied to the mixing unit using the reduced power and the amount of water vapor acquired by the water vapor amount acquisition unit;
A hydrogen production system that, when the temperature acquired by the temperature acquisition unit drops , increases the power input to the electrolysis cell , and increases the amount of hydrogen supplied to the mixing unit using the increased power and the amount of water vapor acquired by the water vapor amount acquisition unit .

2. The hydrogen production system according to claim 1,
The control unit is
When the temperature acquired by the temperature acquisition unit increases, the amount of water supplied to the evaporator is further decreased by using the reduced power input to the electrolysis cell;
a hydrogen production system further increasing an amount of water supplied to the evaporator using the increased electric power input to the electrolysis cell when the temperature acquired by the temperature acquisition unit decreases .

The hydrogen production system according to claim 1 or 2,
The control unit changes the power input to the electrolysis cell by changing the current density at a constant voltage.

The hydrogen production system according to any one of claims 1 to 3,
The control unit supplies a portion of the hydrogen supplied to the mixing unit to the evaporator.

The hydrogen production system according to any one of claims 1 to 4,
The water vapor amount acquisition unit is
an oxygen partial pressure detection unit for detecting an oxygen partial pressure in the raw material gas supplied from the heater to the electrolysis cell;
A hydrogen production system that calculates an amount of the water vapor using the oxygen partial pressure detected by the oxygen partial pressure detection unit.

The hydrogen production system according to any one of claims 1 to 4,
The water vapor amount acquisition unit is
a hydrogen partial pressure detection unit for detecting a hydrogen partial pressure in the raw material gas in the heater,
a hydrogen production system that calculates an amount of the water vapor using the hydrogen partial pressure detected by the hydrogen partial pressure detection unit.

The hydrogen production system according to any one of claims 1 to 4,
The water vapor amount acquisition unit is
a flow rate detection unit that detects a flow rate of the raw material gas supplied from the evaporator to the mixing unit,
a flow rate of the raw material gas detected by the flow rate detection unit, and a quantity of the water vapor calculated using the flow rate of the raw material gas detected by the flow rate detection unit.

1. A method for producing hydrogen, comprising:
an evaporation process in which water is heated using heat provided from an external heat source to generate water vapor;
a mixing step of mixing hydrogen and the water vapor generated in the evaporation step as a raw material gas;
a heating step of heating the mixed raw material gas;
a hydrogen production step of producing hydrogen from the heated raw material gas by electrolysis in an electrolytic cell;
a temperature acquisition step of acquiring a temperature of the electrolysis cell;
a water vapor amount acquiring step of acquiring an amount of water vapor supplied to the electrolysis cell;
a control step of changing the power input to the electrolysis cell for electrolysis using the temperature acquired in the temperature acquisition step, and changing the supply amount of hydrogen mixed in the mixing step using the changed power and the amount of water vapor acquired in the water vapor amount acquisition step ;
Equipped with
In the control step,
reducing the power input to the electrolysis cell when the temperature acquired in the temperature acquisition step increases , and reducing the supply amount of hydrogen mixed in the mixing step using the reduced power and the amount of water vapor acquired in the water vapor amount acquisition step;
A hydrogen production method comprising: when the temperature acquired in the temperature acquisition step decreases , increasing the power input to the electrolysis cell; and using the increased power and the amount of water vapor acquired in the water vapor amount acquisition step, increasing the amount of hydrogen supplied to be mixed in the mixing step .