JP7828209B2 - 水電解システム - Google Patents

Description

本発明は、水電解システムに関する。

従来から、電解質膜を用いた水の電気分解（電解）により水素を生成する水電解システムが知られている。一般に、水の電解反応は高温になるほど効率が良くなることから、反応に用いられる水も高温であるのが好ましい。特許文献１には、太陽熱蓄熱器に蓄えられて太陽光により加熱された水を、水電解セルに供給する水素・酸素ガス製造装置が開示されている。

特開平９－１９５０７６号公報

しかし、曇りや雨などの悪天候時には太陽光の量は減少することから、特許文献１に記載の装置では、天候によっては、太陽熱蓄熱器に到達する太陽光の量の減少に伴い、加熱した水を水電解セルに供給することができず、水の電解反応の反応効率が低下する場合がある。このため、水の電解反応の反応効率を高く維持することについては、改善の余地があった。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、加熱した水を水電解部に安定して供給することができる水電解システムを提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部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することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、水電解システムが提供される。この水電解システムは、電解質膜を用いた水の電気分解により酸素及び水素を生成する水電解部と、前記水電解部に水を供給する水供給流路を形成する水供給配管と、前記水電解部で生成された酸素と水との混合物を前記水電解部から送り出す混合物送出流路を形成する混合物送出配管と、前記水供給配管における第１位置から分岐するとともに、前記第１位置より下流側の第２位置において前記水供給配管と合流する第１バイパス配管と、前記混合物送出配管における第３位置から分岐するとともに、前記第３位置より下流側の第４位置において前記混合物送出配管と合流する第２バイパス配管と、前記第１バイパス配管及び前記第２バイパス配管の一部を収容し、前記第１バイパス配管内を流通する水及び前記第２バイパス配管内を流通する前記混合物との熱交換により蓄熱と放熱が可能な蓄熱材を収容する蓄熱器と、前記第１位置から前記第２位置までの水の経路である第１経路を、前記水供給配管と前記第１バイパス配管との間で切り替える第１経路切替部と、前記第３位置から前記第４位置までの前記混合物の経路である第２経路を、前記混合物送出配管と前記第２バイパス配管との間で切り替える第２経路切替部と、前記水電解システムを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記蓄熱器に蓄熱させる蓄熱モードを実行する場合、前記第２経路を前記第２バイパス配管とし、前記蓄熱器に放熱させる放熱モードを実行する場合、前記第１経路を前記第１バイパス配管とする。

水の電気分解（電解）を実行させるために水電解部に供給される電力のうち一部は、ジュール熱となる。水電解部で生成された酸素と水との混合物は、このジュール熱によって加熱された状態で混合物送出配管内を流通する。この構成によれば、蓄熱モードを実行する場合、第２経路を第２バイパス配管とする。このため、加熱された状態の混合物は、第２バイパス配管内を流通して熱交換により蓄熱材に蓄熱することができる。したがって、水電解部で発生したジュール熱を蓄熱材に蓄熱することから、水電解部を冷却する冷却負荷を低減することができる。一方、この構成によれば、放熱モードを実行する場合、第１経路を第１バイパス配管とする。一般に、水の電解反応は高温になるほど効率が良くなる。放熱モード時において、水電解部に供給される水は、第１バイパス配管内を流通して熱交換により蓄熱材から放熱される熱を受け取ったのちに水電解部による電解反応に用いられることから、電解反応の反応効率を高めることができる。したがって、この構成によれば、水電解部を冷却する冷却負荷の低減と、水電解部による電解反応の反応効率の向上と、を両立することができる。また、水電解部に供給される水を加熱する熱源は、水電解部による電解反応で常時発生するジュール熱であることから、加熱した水を水電解部に安定して供給することができる。したがって、水の電解反応の反応効率を高く維持することもできる。

（２）上記形態の水電解システムにおいて、前記制御部は、前記蓄熱モード時に、前記蓄熱材の温度が蓄熱目標温度以上になった場合、もしくは、前記第２バイパス配管内を流通する前記混合物の温度が蓄熱規定温度未満になった場合、前記第２経路を前記第２バイパス配管から前記混合物送出配管に切り替えてもよい。
蓄熱材が蓄熱目標温度以上になった以降も蓄熱モードを持続させると、蓄熱材が劣化する可能性が高くなる。また、水電解部で発生するジュール熱が減少して第２バイパス配管内を流通する酸素と水との混合物の温度が蓄熱規定温度未満になった場合、そのような混合物は蓄熱材に蓄熱するより蓄熱材から熱を放熱させる可能性が高い。したがって、この構成によれば、蓄熱材が劣化する可能性と、蓄熱モード時にも関わらず蓄熱材から熱が放熱される可能性と、を低減することができる。また、第２経路において、混合物送出配管を経由するより第２バイパス配管を経由する方が圧力損失が大きい場合には、そのような圧力損失を低減できることから、水を流通させるために消費されるエネルギー量を低減することができる。

（３）上記形態の水電解システムにおいて、前記制御部は、前記放熱モード時に、前記蓄熱材の温度が放熱規定温度未満になった場合、もしくは、前記第１バイパス配管内を流通する水の温度が放熱目標温度以上になった場合、前記第１経路を前記第１バイパス配管から前記水供給配管に切り替えてもよい。
放熱規定温度未満になると第１バイパス配管内を流通する水から蓄熱材が熱を奪う可能性が高くなる。また、第１バイパス配管内を流通する水の温度が放熱目標温度以上になった以降も放熱モードを持続させると、蓄熱材が放熱規定温度未満になった場合と同様に、第１バイパス配管内を流通する水から蓄熱材が熱を奪う可能性が上がっていく。したがって、この構成によれば、放熱モード時に蓄熱材が第１バイパス配管内を流通する水から熱を奪う可能性を低減することができる。また、第１経路において、水供給配管を経由するより第１バイパス配管を経由する方が圧力損失が大きい場合には、そのような圧力損失を低減できることから、水を流通させるために消費されるエネルギー量を低減することができる。

（４）上記形態の水電解システムにおいて、前記蓄熱材は、潜熱蓄熱材もしくは化学蓄熱材であってもよい。
この構成によれば、潜熱蓄熱材もしくは化学蓄熱材の状態変化により、第２バイパス配管内を流通する酸素と水との混合物からの蓄熱及び第１バイパス配管内を流通する水への放熱を実行することができる。

（５）上記形態の水電解システムにおいて、前記蓄熱材は、物質の吸着及び脱離により放熱及び蓄熱が可能な吸着材であってもよい。
この構成によれば、吸着材による物質の吸着及び脱離により、第２バイパス配管内を流通する酸素と水との混合物からの蓄熱及び第１バイパス配管内を流通する水への放熱を実行することができる。

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、水電解システムの制御方法、水電解システムにおける水の電気分解を制御するコンピュータプログラム、そ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、その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などの形態で実現することができる。

第１実施形態の水電解システムの構成を例示した説明図である。 蓄熱器の内部の拡大図である。 蓄熱モード時の流通経路を示した説明図である。 放熱モード時の流通経路を示した説明図である。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の一実施形態としての水電解システム１の構成を例示した説明図である。水電解システム１は、水の電気分解により酸素及び水素を生成するシステムである。水電解システム１は、セルスタック１０と、ＤＣ電源１２と、コンバータ１４と、水素気液分離器２０と、凝縮器２２と、酸素気液分離器３０と、凝縮器３２と、熱交換器３４と、蓄熱器４０と、制御部５０と、を備える。また、水電解システム１は、第１混合物送出配管Ｐ１と、第２混合物送出配管Ｐ２と、酸素送出配管Ｐ３と、水供給配管Ｐ４と、第１バイパス配管Ｂ１と、第２バイパス配管Ｂ２と、を備える。

セルスタック１０は、複数の水電解セルが積層されて構成される。各々の水電解セルは、電解質膜を用いた水の電気分解（電解）により酸素及び水素を生成する水電解部である。ＤＣ電源１２は、セルスタック１０の電源である。コンバータ１４は、ＤＣ電源１２から供給される電力を変換して、セルスタック１０に供給する。

セルスタック１０にて生成された水素と水との混合物は、当該混合物をセルスタック１０から送り出す混合物送出流路を形成する第１混合物送出配管Ｐ１に送られる。第１混合物送出配管Ｐ１には、水素気液分離器２０及び凝縮器２２が設けられている。水素気液分離器２０は、セルスタック１０にて生成された水素と水との混合物を水素と水とに分離する。凝縮器２２は、内部に冷却水が供給されており、水素と水との混合物が内部を通過する際に当該混合物に含まれる水蒸気を凝縮させる。水素気液分離器２０及び凝縮器２２を経て分離された水素は、第１混合物送出配管Ｐ１を通って水電解システム１の外部に送られる。

セルスタック１０にて生成された酸素と水との混合物は、当該混合物をセルスタック１０から送り出す混合物送出流路を形成する第２混合物送出配管Ｐ２に送られる。第２混合物送出配管Ｐ２は、セルスタック１０と酸素気液分離器３０とを接続している。酸素気液分離器３０は、セルスタック１０にて生成された酸素と水との混合物を酸素と水とに分離する。なお、酸素気液分離器３０には、酸素と水との混合物の他に、図示しないタンクから純水が適宜供給される。また、酸素気液分離器３０は、酸素送出配管Ｐ３に接続されている。酸素送出配管Ｐ３には、凝縮器３２が設けられている。凝縮器３２は、凝縮器２２と同様に、内部に冷却水が供給されており、酸素と水との混合物が内部を通過する際に当該混合物に含まれる水蒸気を凝縮させる。酸素気液分離器３０及び凝縮器３２を経て分離された酸素は、酸素送出配管Ｐ３を通って水電解システム１の外部に送られる。

水供給配管Ｐ４は、セルスタック１０に水を供給する水供給流路を形成する配管である。水供給配管Ｐ４は、酸素気液分離器３０とセルスタック１０とを接続している。水供給配管Ｐ４内を流通する水は、酸素気液分離器３０において分離された水である。水供給配管Ｐ４には、循環ポンプＰＭと、熱交換器３４と、が設けられている。循環ポンプＰＭは、酸素気液分離器３０からセルスタック１０へ水を送出する。熱交換器３４は、内部に水が循環されており、水供給配管Ｐ４内を流通する水が比較的高温となっている場合には、その循環水が熱を回収する。

第１バイパス配管Ｂ１は、水供給配管Ｐ４における第１位置Ｌ１から分岐するとともに、第１位置Ｌ１より下流側の第２位置Ｌ２において水供給配管Ｐ４と合流する配管である。第１バイパス配管Ｂ１には、バルブＶ１が設けられている。バルブＶ１は、第１位置Ｌ１から第１バイパス配管Ｂ１を介した第２位置Ｌ２への水の流通を遮断可能な遮断弁である。一方、水供給配管Ｐ４のうち第１位置Ｌ１と第２位置Ｌ２との間には、バルブＶ２が設けられている。バルブＶ２は、第１位置Ｌ１から水供給配管Ｐ４を介した第２位置Ｌ２への水の流通を遮断可能な遮断弁である。本実施形態において、バルブＶ１及びバルブＶ２は、第１位置Ｌ１から第２位置Ｌ２までの水の経路である第１経路を、水供給配管Ｐ４と第１バイパス配管Ｂ１との間で切り替える第１経路切替部に相当する。

第２バイパス配管Ｂ２は、第２混合物送出配管Ｐ２における第３位置Ｌ３から分岐するとともに、第３位置Ｌ３より下流側の第４位置Ｌ４において第２混合物送出配管Ｐ２と合流する配管である。第２バイパス配管Ｂ２には、バルブＶ３が設けられている。バルブＶ３は、第３位置Ｌ３から第２バイパス配管Ｂ２を介した第４位置Ｌ４への混合物の流通を遮断可能な遮断弁である。一方、第２混合物送出配管Ｐ２のうち第３位置Ｌ３と第４位置Ｌ４との間には、バルブＶ４が設けられている。バルブＶ４は、第３位置Ｌ３から第２混合物送出配管Ｐ２を介した第４位置Ｌ４への混合物の流通を遮断可能な遮断弁である。本実施形態において、バルブＶ３及びバルブＶ４は、第３位置Ｌ３から第４位置Ｌ４までの酸素と水との混合物の経路である第２経路を、第２混合物送出配管Ｐ２と第２バイパス配管Ｂ２との間で切り替える第２経路切替部に相当する。

図２は、蓄熱器４０の内部の拡大図である。蓄熱器４０は、第１バイパス配管Ｂ１及び第２バイパス配管Ｂ２の一部を収容し、第１バイパス配管Ｂ１内を流通する水及び第２バイパス配管Ｂ２内を流通する混合物との熱交換により蓄熱と放熱が可能な蓄熱材４４を収容している。図２には、蓄熱器４０に収容された第１バイパス配管Ｂ１及び第２バイパス配管Ｂ２の一部が示されている。本実施形態では、蓄熱器４０は、断熱材により構成された筐体４２内に蓄熱材４４としての流体である水を収容している。すなわち、第１バイパス配管Ｂ１内に水が流通した際、もしくは、第２バイパス配管Ｂ２内に酸素と水との混合物が流通した際には、その水、もしくは、その混合物と蓄熱器４０に収容された蓄熱材４４である水との間において、熱交換が行われる。

図１の説明に戻り、制御部５０は、水電解システム１が備える各種センサから得た情報に基づいて、水電解システム１を制御する。制御部５０による具体的な制御としては、例えば、バルブＶ１～Ｖ４の開閉制御や、ＤＣ電源１２からセルスタック１０への電力供給の制御が挙げられる。制御部５０は、ＤＣ電源１２からセルスタック１０へ電力供給を開始することにより、セルスタック１０による電解反応を開始させる。電解反応の開始時、制御部５０は、バルブＶ１を閉弁してバルブＶ２を開弁するとともに、バルブＶ３を閉弁してバルブＶ４を開弁する。また、制御部５０は、セルスタック１０による電解反応が実行されている間に、水電解システム１が備える図示しない温度センサから得た情報に基づいて、蓄熱器４０に蓄熱させる蓄熱モードと、蓄熱器４０に放熱させる放熱モードと、のうちいずれかを実行する。温度センサから得られる情報には、第２混合物送出配管Ｐ２内や水供給配管Ｐ４内の温度、蓄熱器４０内の温度、セルスタック１０内の温度が含まれる。

図３は、蓄熱モード時の流通経路を示した説明図である。制御部５０は、セルスタック１０による電解反応が実行されている際、第２混合物送出配管Ｐ２内の温度とセルスタック１０内の温度とのうち少なくとも一方が、各々の温度について予め設定された蓄熱設定温度以上となっている（すなわち、蓄熱実行条件を満たしている）場合、蓄熱モードを実行する。蓄熱設定温度は、蓄熱モードを実行できる程度に第２混合物送出配管Ｐ２内の温度またはセルスタック１０内の温度が高温であるとみなすことができる目安の温度である。このとき、制御部５０は、図３に示すように、第１経路（第１位置Ｌ１から第２位置Ｌ２までの水の経路）を水供給配管Ｐ４とするとともに、第２経路（第３位置Ｌ３から第４位置Ｌ４までの混合物の経路）を第２バイパス配管Ｂ２とする。具体的には、制御部５０は、バルブＶ１を閉弁してバルブＶ２を開弁するとともに、バルブＶ３を開弁してバルブＶ４を閉弁する。

このような状態において、酸素気液分離器３０からセルスタック１０に向けて送られる水は、図３に示すように、第１バイパス配管Ｂ１を経由することなく水供給配管Ｐ４全体を通って、セルスタック１０に到達する。一方、セルスタック１０から酸素気液分離器３０に向けて送られる酸素と水との混合物は、図３に示すように、第３位置Ｌ３までは第２混合物送出配管Ｐ２を通り、第３位置Ｌ３から第４位置Ｌ４までの間は第２バイパス配管Ｂ２を経由したのち、第４位置Ｌ４からは再び第２混合物送出配管Ｐ２を通って、酸素気液分離器３０に到達する。水の電解反応を実行させるためにセルスタック１０に供給される電力のうち一部はジュール熱となり、セルスタック１０で生成された酸素と水との混合物は、このジュール熱によって加熱された状態でセルスタック１０から酸素気液分離器３０に向けて送られる。そして、上述したように、第２混合物送出配管Ｐ２内の温度とセルスタック１０内の温度とのうち少なくとも一方が、各々の温度について予め設定された蓄熱設定温度以上となっていることを要件として蓄熱モードは実行されることから、このとき第２バイパス配管Ｂ２内を流通する酸素と水との混合物は、ある程度高温である。したがって、第２バイパス配管Ｂ２内を流通する酸素と水との混合物から蓄熱材４４に熱が供給されることにより、蓄熱材４４による蓄熱が実行される。

また、制御部５０は、蓄熱モード時に、蓄熱材４４の温度が蓄熱目標温度以上になった場合、もしくは、第２バイパス配管Ｂ２内を流通する酸素と水との混合物の温度が蓄熱規定温度未満になった場合、第２経路を第２バイパス配管Ｂ２から第２混合物送出配管Ｐ２に切り替えて、蓄熱モードを終了させる。蓄熱目標温度は、蓄熱材４４が目標とする温度であって、蓄熱材４４への蓄熱が十分であるとみなすことができる目安の温度である。蓄熱規定温度は、第２バイパス配管Ｂ２内を流通する酸素と水との混合物が蓄熱材４４に蓄熱するより蓄熱材４４から熱を放熱させる可能性が高くなる目安の温度である。なお、第２バイパス配管Ｂ２内を流通する酸素と水との混合物の温度は、第２混合物送出配管Ｐ２内の温度から推定されてもよいし、第３位置Ｌ３における温度を測定する温度センサを設けてその温度センサから取得されてもよい。

図４は、放熱モード時の流通経路を示した説明図である。制御部５０は、セルスタック１０による電解反応が実行されている際、水供給配管Ｐ４内を流通する水の温度が予め設定された水下限温度未満となっていて、且つ、蓄熱器４０内の温度が予め設定された放熱設定温度以上となっている（すなわち、放熱実行条件を満たしている）場合、放熱モードを実行する。なお、上述した蓄熱実行条件と放熱実行条件とのいずれも満たしている場合には、蓄熱モードは実行せず放熱モードのみを実行する。水下限温度は、水電解システム１が置かれている状況が寒冷であるとみなすことができる目安の温度である。放熱設定温度は、放熱モードを実行できる程度に蓄熱材４４が蓄熱されているとみなすことができる目安の温度である。このとき、制御部５０は、図４に示すように、第１経路を第１バイパス配管Ｂ１とするとともに、第２経路（第３位置Ｌ３から第４位置Ｌ４までの混合物の経路）を第２混合物送出配管Ｐ２とする。具体的には、制御部５０は、バルブＶ１を開弁してバルブＶ２を閉弁するとともに、バルブＶ３を閉弁してバルブＶ４を開弁する。

このような状態において、酸素気液分離器３０からセルスタック１０に向けて送られる水は、図４に示すように、第１位置Ｌ１までは水供給配管Ｐ４を通り、第１位置Ｌ１から第２位置Ｌ２までの間は第１バイパス配管Ｂ１を経由したのち、第２位置Ｌ２からは再び水供給配管Ｐ４を通って、セルスタック１０に到達する。一方、セルスタック１０から酸素気液分離器３０に向けて送られる酸素と水との混合物は、図４に示すように、第２バイパス配管Ｂ２を経由することなく第２混合物送出配管Ｐ２全体を通って、酸素気液分離器３０に到達する。上述したように、水供給配管Ｐ４内を流通する水の温度が水下限温度未満となっていることを要件の１つとして放熱モードは実行されることから、このとき第１バイパス配管Ｂ１内を流通する水は、ある程度低温である。したがって、第１バイパス配管Ｂ１内を流通する水は、蓄熱材４４から放熱される熱を受け取ることにより加熱される。

また、制御部５０は、放熱モード時に、蓄熱材４４の温度が放熱規定温度未満になった場合、もしくは、第１バイパス配管Ｂ１内を流通する水の温度が放熱目標温度以上になった場合、第１経路を第１バイパス配管Ｂ１から水供給配管Ｐ４に切り替えて、放熱モードを終了させる。放熱規定温度とは、第１バイパス配管Ｂ１内を流通する水に対して蓄熱材４４が放熱するより当該水から蓄熱材４４が熱を奪う可能性が高くなる目安の温度である。放熱目標温度は、セルスタック１０に供給される水が目標とする温度であって、セルスタック１０での電解反応における反応効率を高めるための昇温が十分であるとみなすことができる目安の温度である。なお、第１バイパス配管Ｂ１内を流通する水の温度は、水供給配管Ｐ４内の温度から推定されてもよいし、第１位置Ｌ１における温度を測定する温度センサを設けてその温度センサから取得されてもよい。

以上説明したように、第１実施形態の水電解システム１によれば、蓄熱モードを実行する場合、第２経路を第２バイパス配管Ｂ２とする。このため、加熱された状態の酸素と水との混合物は、第２バイパス配管Ｂ２内を流通して熱交換により蓄熱材４４に蓄熱することができる。したがって、セルスタック１０で発生したジュール熱を蓄熱材４４に蓄熱することから、セルスタック１０を冷却する冷却負荷を低減することができる。一方、第１実施形態の水電解システム１によれば、放熱モードを実行する場合、第１経路を第１バイパス配管Ｂ１とする。一般に、水の電解反応は高温になるほど効率が良くなる。放熱モード時において、セルスタック１０に供給される水は、第１バイパス配管Ｂ１内を流通して熱交換により蓄熱材４４から放熱される熱を受け取ったのちにセルスタック１０による電解反応に用いられることから、電解反応の反応効率を高めることができる。したがって、第１実施形態の水電解システム１によれば、セルスタック１０を冷却する冷却負荷の低減と、セルスタック１０による電解反応の反応効率の向上と、を両立することができる。また、セルスタック１０に供給される水を加熱する熱源は、セルスタック１０による電解反応で常時発生するジュール熱であることから、加熱した水をセルスタック１０に安定して供給することができる。したがって、水の電解反応の反応効率を高く維持することもできる。

また、第１実施形態の水電解システム１では、蓄熱モード時に、蓄熱材４４の温度が蓄熱目標温度以上になった場合、もしくは、第２バイパス配管Ｂ２内を流通する酸素と水との混合物の温度が蓄熱規定温度未満になった場合、第２経路を第２バイパス配管Ｂ２から第２混合物送出配管Ｐ２に切り替える。蓄熱材４４が蓄熱目標温度以上になった以降も蓄熱モードを持続させると、蓄熱材４４が劣化する可能性が高くなる。また、セルスタック１０で発生するジュール熱が減少して第２バイパス配管Ｂ２内を流通する酸素と水との混合物の温度が蓄熱規定温度未満になった場合、そのような混合物は蓄熱材４４に蓄熱するより蓄熱材４４から熱を放熱させる可能性が高い。したがって、第１実施形態の水電解システム１によれば、蓄熱材４４が劣化する可能性と、蓄熱モード時にも関わらず蓄熱材４４から熱が放熱される可能性と、を低減することができる。また、第２経路において、第２混合物送出配管Ｐ２を経由するより第２バイパス配管Ｂ２を経由する方が圧力損失が大きい場合には、そのような圧力損失を低減できることから、水を流通させるために消費されるエネルギー量を低減することができる。ここでいうエネルギー量とは、具体的には、循環ポンプＰＭによる消費電力量である。

また、第１実施形態の水電解システム１では、放熱モード時に、蓄熱材４４の温度が放熱規定温度未満になった場合、もしくは、水供給配管Ｐ４内を流通する水の温度が放熱目標温度以上になった場合、第１経路を第１バイパス配管Ｂ１から水供給配管Ｐ４に切り替える。放熱規定温度未満になると第１バイパス配管Ｂ１内を流通する水から蓄熱材４４が熱を奪う可能性が高くなる。また、第１バイパス配管Ｂ１内を流通する水の温度が放熱目標温度以上になった以降も放熱モードを持続させると、蓄熱材４４が放熱規定温度未満になった場合と同様に、第１バイパス配管Ｂ１内を流通する水から蓄熱材４４が熱を奪う可能性が上がっていく。したがって、第１実施形態の水電解システム１によれば、放熱モード時に蓄熱材４４が第１バイパス配管Ｂ１内を流通する水から熱を奪う可能性を低減することができる。また、第１経路において、水供給配管Ｐ４を経由するより第１バイパス配管Ｂ１を経由する方が圧力損失が大きい場合には、そのような圧力損失を低減できることから、水の流通に伴うエネルギー消費量を低減することができる。ここでいうエネルギー量とは、上述したように、循環ポンプＰＭによる消費電力量である。

＜第２実施形態＞
第２実施形態の水電解システムは、第１実施形態の水電解システム１と比べて、蓄熱器４０が筐体４２内に収容している蓄熱材４４が水ではなく潜熱蓄熱材である点を除いて、第１実施形態の水電解システム１と同じである。潜熱蓄熱材としては、例えば、硝酸ナトリウム、亜硝酸ナトリウム、硝酸カリウムの混合物から成る溶融塩、パラフィン類（飽和炭化水素化合物）、脂肪酸類（脂肪酸エステルを含む）等の有機系化合物が挙げられる。

以上のような第２実施形態の水電解システムによっても、第１実施形態と同様に、セルスタック１０を冷却する冷却負荷の低減と、セルスタック１０による電解反応の反応効率の向上と、を両立することができる。さらに、第２実施形態の水電解システムによれば、潜熱蓄熱材の状態変化により、第２バイパス配管Ｂ２内を流通する酸素と水との混合物からの蓄熱及び第１バイパス配管Ｂ１内を流通する水への放熱を実行することができる。

＜本実施形態の変形例＞
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。

［変形例１］
上記実施形態では、バルブＶ１及びバルブＶ２は、第１経路を水供給配管Ｐ４と第１バイパス配管Ｂ１との間で切り替える第１経路切替部に相当していたが、これに限られない。例えば、バルブＶ１及びバルブＶ２の代わりに、第１位置Ｌ１に設けられた三方弁が第１経路切替部に相当していてもよい。また、同様に、バルブＶ３及びバルブＶ４の代わりに、第３位置Ｌ３に設けられた三方弁が第２経路切替部に相当していてもよい。

［変形例２］
上記実施形態では、蓄熱モード時に蓄熱目標温度もしくは蓄熱規定温度を基準として、第２経路を第２バイパス配管から第２混合物送出配管Ｐ２に切り換えていたが、これに限られない。例えば、蓄熱モードが実行されてから一定時間経過したのち、第２経路を第２バイパス配管Ｂ２から第２混合物送出配管Ｐ２に切り換えてもよい。また、同様に、放熱モードが実行されてから一定時間経過したのち、第１経路を第１バイパス配管Ｂ１から水供給配管Ｐ４に切り換えてもよい。

［変形例３］
上記実施形態では、放熱モードを実行する要件は、水供給配管Ｐ４内を流通する水の温度が予め設定された水下限温度未満となっていて、且つ、蓄熱器４０内の温度が予め設定された放熱設定温度以上となっている場合であったが、これに限られない。例えば、放熱モードを実行する要件は、水電解システム１を構成する構成部品の少なくとも１つの温度が予め設定された部品下限温度未満となっていて、且つ、蓄熱器４０内の温度が予め設定された放熱設定温度以上となっている場合であってもよい。また、この要件に対してさらに、水供給配管Ｐ４内を流通する水の温度が予め設定された水下限温度未満となっていることが追加されてもよい。

［変形例４］
上記実施形態では、蓄熱実行条件と放熱実行条件とのいずれも満たしている場合には、蓄熱モードは実行せず放熱モードのみを実行していたが、これに限られない。例えば、蓄熱実行条件と放熱実行条件とのいずれも満たしている場合には、蓄熱モード及び放熱モードのいずれも実行してもよい。このとき、制御部５０は、第１経路を第１バイパス配管Ｂ１とするとともに、第２経路を第２バイパス配管Ｂ２とする。具体的には、制御部５０は、バルブＶ１を開弁してバルブＶ２を開弁するとともに、バルブＶ３を開弁してバルブＶ４を閉弁する。

［変形例５］
上記実施形態では、蓄熱材４４は水や潜熱蓄熱材であったが、これに限られない。例えば、蓄熱材４４は、化学蓄熱材であってもよい。このような形態でも、化学蓄熱材の状態変化により、第２バイパス配管Ｂ２内を流通する酸素と水との混合物からの蓄熱及び第１バイパス配管Ｂ１内を流通する水への放熱を実行することができる。化学蓄熱材としては、例えば、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム、塩化カルシウム、硫酸カルシウムが挙げられる。

［変形例６］
また、蓄熱材４４は、物質の吸着及び脱離により放熱及び蓄熱が可能な吸着材であってもよい。このような形態でも、吸着材による物質の吸着及び脱離により、第２バイパス配管Ｂ２内を流通する酸素と水との混合物からの蓄熱及び第１バイパス配管Ｂ１内を流通する水への放熱を実行することができる。吸着剤としては、例えば、活性炭が挙げられる。なお、このような形態では、第２バイパス配管Ｂ２内を流通する酸素と水との混合物や第１バイパス配管Ｂ１内を流通する水が、蓄熱材４４である吸着剤を通過することによって、蓄熱材４４との間で熱交換を行う。

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。

１…水電解システム
１０…セルスタック
１２…ＤＣ電源
１４…コンバータ
２０…水素気液分離器
２２…凝縮器
３０…酸素気液分離器
３２…凝縮器
３４…熱交換器
４０…蓄熱器
４２…筐体
４４…蓄熱材
５０…制御部
Ｂ１…第１バイパス配管
Ｂ２…第２バイパス配管
Ｌ１…第１位置
Ｌ２…第２位置
Ｌ３…第３位置
Ｌ４…第４位置
Ｐ１…第１混合物送出配管
Ｐ２…第２混合物送出配管
Ｐ３…酸素送出配管
Ｐ４…水供給配管
ＰＭ…循環ポンプ
Ｖ１～Ｖ４…バルブ

Claims (5)

1. 水電解システムであって、
   電解質膜を用いた水の電気分解により酸素及び水素を生成する水電解セルである水電解部と、
   前記水電解部に水を供給する水供給流路を形成する水供給配管と、
   前記水電解部で生成された酸素と水との混合物を前記水電解部から送り出す混合物送出流路を形成する混合物送出配管と、
   前記水供給配管における第１位置から分岐するとともに、前記第１位置より下流側の第２位置において前記水供給配管と合流する第１バイパス配管と、
   前記混合物送出配管における第３位置から分岐するとともに、前記第３位置より下流側の第４位置において前記混合物送出配管と合流する第２バイパス配管と、
   前記第１バイパス配管及び前記第２バイパス配管の一部を収容し、前記第１バイパス配管内を流通する水及び前記第２バイパス配管内を流通する前記混合物との熱交換により蓄熱と放熱が可能な蓄熱材を収容する蓄熱器と、
   前記第１位置から前記第２位置までの水の経路である第１経路を、前記水供給配管と前記第１バイパス配管との間で切り替える第１経路切替部と、
   前記第３位置から前記第４位置までの前記混合物の経路である第２経路を、前記混合物送出配管と前記第２バイパス配管との間で切り替える第２経路切替部と、
   前記水電解システムを制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記蓄熱器に蓄熱させる蓄熱モードを実行する場合、前記第２経路を前記第２バイパス配管とし、
   前記蓄熱器に放熱させる放熱モードを実行する場合、前記第１経路を前記第１バイパス配管とする、水電解システム。
2. 請求項１に記載の水電解システムであって、
   前記制御部は、前記蓄熱モード時に、前記蓄熱材の温度が蓄熱目標温度以上になった場合、もしくは、前記第２バイパス配管内を流通する前記混合物の温度が蓄熱規定温度未満になった場合、前記第２経路を前記第２バイパス配管から前記混合物送出配管に切り替える、水電解システム。
3. 請求項１または請求項２に記載の水電解システムであって、
   前記制御部は、前記放熱モード時に、前記蓄熱材の温度が放熱規定温度未満になった場合、もしくは、前記第１バイパス配管内を流通する水の温度が放熱目標温度以上になった場合、前記第１経路を前記第１バイパス配管から前記水供給配管に切り替える、水電解システム。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の水電解システムであって、
   前記蓄熱材は、潜熱蓄熱材もしくは化学蓄熱材である、水電解システム。
5. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の水電解システムであって、
   前記蓄熱材は、物質の吸着及び脱離により放熱及び蓄熱が可能な吸着材である、水電解システム。