JP2021063280A - Water electrolysis system - Google Patents

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Abstract

To provide a water electrolysis system that can enhance the utilization efficiency of means of electric power generation for a solar cell etc.SOLUTION: A water electrolysis system 100 comprises: a group of water electrolysis cell modules, which are composed of multiple water electrolysis cell modules 102 connected in series through terminals, and each module of which includes a water electrolysis cell 10, a terminal for supplying an electric power to the water electrolysis cell 10, a switch element 16 that is connected to the terminal and connected in parallel to the water electrolysis cell 10, a capacitor 14 connected in parallel to the water electrolysis cell 10, and a diode 18 that is connected in series to the water electrolysis cell 10 between the water electrolysis cell 10 and the switch element 16 in such a direction that the diode is energized when the electric power is supplied to the water electrolysis cell 10 from an input terminal; and a control circuit 104 that outputs, on a regular basis, a gate signal for on-off switching of the switch element 16 of the water electrolysis cell module 102 to each water electrolysis cell module 102 of the group of water electrolysis cell modules.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、水電解システムに関する。 The present invention relates to a water electrolysis system.

太陽電池と水電解セルとを接続して、太陽電池による発電における余剰電力を水電解に利用することによって電力の有効利用を図る水電解システムが開示されている。 A water electrolysis system is disclosed in which a solar cell and a water electrolysis cell are connected and the surplus electric power generated by the solar cell is used for water electrolysis to effectively utilize the electric power.

例えば、複数の水電解セルからなるセル群を有する水電解装置と、セル群の電源である太陽電池とを接続した水電解システムにおいて、太陽電池の最大出力を利用し得るように水電解セルの使用数を選定する技術が開示されている(特許文献1)。 For example, in a water electrolysis system in which a water electrolysis device having a cell group consisting of a plurality of water electrolysis cells and a solar cell as a power source of the cell group are connected, the maximum output of the solar cell can be used. A technique for selecting the number of uses is disclosed (Patent Document 1).

また、例えば、複数の水電解セルからなるセルスタックを複数有し、セルスタックが互いに電気的に直列又は並列に接続されて構成された水電解装置と、水電解装置に電力を供給する電力供給手段とを接続した水電解システムにおいて、水電解装置に供給する電力の電圧を可変制御する電圧制御部と、水電解装置に供給する電力に応じてセルスタックに作用する電圧及び電流が所定範囲内となるように水電解装置におけるセルスタックの使用数を選定するスタック数制御部とを備えた構成が開示されている(特許文献2)。 Further, for example, a water electrolyzer having a plurality of cell stacks composed of a plurality of water electrolyzers and having the cell stacks electrically connected in series or parallel to each other, and a power supply for supplying power to the water electrolyzer. In the water electrolysis system connected to the means, the voltage control unit that variably controls the voltage of the power supplied to the water electrolysis device, and the voltage and current acting on the cell stack according to the power supplied to the water electrolysis device are within a predetermined range. A configuration including a stack number control unit for selecting the number of cell stacks to be used in the water electrolysis apparatus is disclosed (Patent Document 2).

一方、複数の電池を含む電源システムとして、所望の出力電圧を必要に応じて出力することができる構成が開示されている。すなわち、電池と、電池に並列接続された第1のスイッチ素子と、電池と第1のスイッチ素子との間において電池に直列接続された第2のスイッチング素子とを備えた電池回路モジュールを直列接続した電池回路モジュール群を含み、第1のスイッチ素子及び第2のスイッチ素子をオンオフ駆動するゲート信号を電池回路モジュールに対して一定時間毎にそれぞれ出力する電源システムが開示されている(特許文献3)。 On the other hand, as a power supply system including a plurality of batteries, a configuration capable of outputting a desired output voltage as required is disclosed. That is, a battery circuit module including a battery, a first switch element connected in parallel to the battery, and a second switching element connected in series to the battery between the battery and the first switch element is connected in series. A power supply system is disclosed that includes a group of battery circuit modules and outputs a gate signal for on / off driving a first switch element and a second switch element to the battery circuit module at regular intervals (Patent Document 3). ).

特開2001−335982号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2001-335982 特開2005−126792号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2005-126792 特開2018−74709号公報JP-A-2018-74709

ところで、太陽電池の最大出力を使用するように水電解ユニットの直列数を選択する構成において単に直列数を選択するだけでは水電解ユニットに印加される電圧が離散的になる。したがって、太陽電池の出力の最大値を取るための電圧を必ずしも印加できるとは限らず、太陽電池の出力を有効に利用できない状態が生ずるという課題がある。 By the way, in the configuration in which the number of series of the water electrolysis unit is selected so as to use the maximum output of the solar cell, the voltage applied to the water electrolysis unit becomes discrete simply by selecting the number of series. Therefore, it is not always possible to apply a voltage for taking the maximum value of the output of the solar cell, and there is a problem that the output of the solar cell cannot be effectively used.

また、直列数を選択する構成の場合、切り離された水電解ユニットは水電解を行わない状態となる。太陽電池の最大出力に追従するために動作/停止を繰り返すことになり、水電解スタックが劣化するおそれがある。 Further, in the case of the configuration in which the number of series is selected, the separated water electrolysis unit is in a state where water electrolysis is not performed. The operation / stop is repeated in order to follow the maximum output of the solar cell, which may deteriorate the water electrolysis stack.

また、水電解装置に供給する電力に応じて各セルスタックに作用する電圧及び電流が所定範囲内となるように水電解装置におけるセルスタックの使用数を選定する構成では、セルスタックが互いに電気的に直列又は並列に接続する手段と、水電解装置に供給する電力の電圧を可変制御する電圧制御部が別々で設けられており、部品点数が増加しコストが上昇するという課題がある。 Further, in a configuration in which the number of cell stacks used in the water electrolyzer is selected so that the voltage and current acting on each cell stack are within a predetermined range according to the power supplied to the water electrolyzer, the cell stacks are electrically connected to each other. A means for connecting in series or in parallel with the water electrolyzer and a voltage control unit for variably controlling the voltage of the electric power supplied to the water electrolyzer are separately provided, and there is a problem that the number of parts increases and the cost increases.

本発明の1つの態様は、水電解セルと、前記水電解セルに電力を供給する端子と、前記端子に接続されるとともに前記水電解セルに並列接続されたスイッチ素子と、前記水電解セルに並列接続されたコンデンサと、前記水電解セルと前記スイッチ素子との間において前記水電解セルに直列接続され、前記水電解セルに対して前記端子から電力を供給した場合に通電する向きに接続されたダイオードと、を含む水電解セルモジュール、を前記端子を介して複数直列接続した水電解セルモジュール群と、前記水電解セルモジュールの前記スイッチ素子をオンオフ駆動するゲート信号を、前記水電解セルモジュール群の各水電解セルモジュールの各々に対して一定時間毎に出力する制御回路と、を備えたことを特徴とする水電解システムである。 One embodiment of the present invention includes a water electrolysis cell, a terminal for supplying power to the water electrolysis cell, a switch element connected to the terminal and connected in parallel to the water electrolysis cell, and the water electrolysis cell. The capacitor connected in parallel is connected in series to the water electrolysis cell between the water electrolysis cell and the switch element, and is connected in a direction to energize the water electrolysis cell when power is supplied from the terminal. A group of water electrolysis cell modules in which a plurality of water electrolysis cell modules including the above-mentioned diode are connected in series via the terminals, and a gate signal for driving the switch element of the water electrolysis cell module on and off are transmitted to the water electrolysis cell module. It is a water electrolysis system characterized in that it is provided with a control circuit that outputs to each of each of the group of water electrolysis cell modules at regular time intervals.

ここで、前記制御回路は、前記水電解セルモジュールに対応してそれぞれ設けられ、前記水電解セルモジュール群において隣接する水電解セルモジュール間で、前記ゲート信号を一定時間遅延させて伝達する遅延回路を備え、前記ゲート信号の周期は前記水電解セルモジュールの各々の前記遅延回路における遅延時間の合計値であり、前記スイッチ素子をオフ状態にすることで直列接続された状態にある前記水電解セルモジュールに入力電力が供給されることが好適である。 Here, the control circuit is provided corresponding to the water electrolysis cell module, and is a delay circuit that transmits the gate signal with a delay of a certain period of time between adjacent water electrolysis cell modules in the water electrolysis cell module group. The period of the gate signal is the total value of the delay times in the delay circuits of each of the water electrolysis cell modules, and the water electrolysis cells are connected in series by turning off the switch element. It is preferred that the module be supplied with input power.

また、前記水電解セルモジュール群の入力端子は、太陽電池に接続されていることが好適である。 Further, it is preferable that the input terminal of the water electrolysis cell module group is connected to a solar cell.

また、前記太陽電池の出力が最大となる目標電流又は目標電圧を求める太陽電池最大出力制御目標値設定手段を備え、前記制御回路は、前記入力端子を流れる電流が前記目標電流に追従するように、又は、前記入力端子に印加される電圧が前記目標電圧に追従するように前記スイッチ素子のオンオフ駆動を制御することが好適である。 Further, the solar cell maximum output control target value setting means for obtaining the target current or target voltage at which the output of the solar cell is maximized is provided, and the control circuit is provided so that the current flowing through the input terminal follows the target current. Alternatively, it is preferable to control the on / off drive of the switch element so that the voltage applied to the input terminal follows the target voltage.

また、前記水電解セルの故障状態を検知する水電解セル故障検知手段を備え、前記水電解セル故障検知手段において故障が検知された前記水電解セルを含む前記水電解セルモジュールの前記スイッチ素子をオン状態に維持することが好適である。 Further, the switch element of the water electrolysis cell module including the water electrolysis cell for which a failure is detected by the water electrolysis cell failure detection means is provided with the water electrolysis cell failure detection means for detecting the failure state of the water electrolysis cell. It is preferable to keep it on.

本発明によれば、太陽電池等の発電手段を用いた水電解システムにおいて発電手段を効率的に利用することができる。 According to the present invention, the power generation means can be efficiently used in a water electrolysis system using a power generation means such as a solar cell.

本発明の実施の形態における水電解システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the water electrolysis system in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における水電解セルモジュールの別例を示す図である。It is a figure which shows another example of the water electrolysis cell module in embodiment of this invention. 太陽電池の動作特性の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the operating characteristic of a solar cell. 太陽電池の動作特性の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the operating characteristic of a solar cell. 水電解セルの動作特性の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the operation characteristic of a water electrolysis cell. 水電解セルの動作特性の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the operation characteristic of a water electrolysis cell. 本発明の実施の形態における水電解セルモジュールの制御を説明する図である。It is a figure explaining the control of the water electrolysis cell module in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における水電解セルモジュールの作用を示す図である。It is a figure which shows the operation of the water electrolysis cell module in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における水電解システムの制御を説明するタイムチャートである。It is a time chart explaining the control of the water electrolysis system in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における強制切断制御のフローチャートである。It is a flowchart of forced disconnection control in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における水電解セルモジュールの別例を示す図である。It is a figure which shows another example of the water electrolysis cell module in embodiment of this invention.

本実施の形態における水電解システム100は、図1に示すように、水電解セルモジュール102及び制御部104を含んで構成される。水電解システム100は、複数の水電解セルモジュール102(102a,102b,・・・102n)を含んで構成される。複数の水電解セルモジュール102は、制御部104による制御によって互いに直列に接続可能である。水電解システム100に含まれる複数の水電解セルモジュール102は、端子T1及びT2に接続される電源106から電力の供給を受けて、当該電力を利用して水を電気分解することができる。 As shown in FIG. 1, the water electrolysis system 100 in the present embodiment includes a water electrolysis cell module 102 and a control unit 104. The water electrolysis system 100 includes a plurality of water electrolysis cell modules 102 (102a, 102b, ... 102n). The plurality of water electrolysis cell modules 102 can be connected in series to each other under the control of the control unit 104. The plurality of water electrolysis cell modules 102 included in the water electrolysis system 100 can receive electric power from the power sources 106 connected to the terminals T1 and T2 and use the electric power to electrolyze water.

太陽光発電等の出力変動の大きな再生可能エネルギーに対して水電解による水素生成技術は大容量のエネルギー貯蔵技術として利用される。水素は長期貯蔵に適しており、燃料電池やガスタービンなどによる発電で電気に変換することが可能であるため、特に季節変化のような長期での発電量の変動を吸収するエネルギーバッファとして利用可能である。 Hydrogen generation technology by water electrolysis is used as a large-capacity energy storage technology for renewable energy with large output fluctuations such as photovoltaic power generation. Hydrogen is suitable for long-term storage and can be converted to electricity by power generation from fuel cells and gas turbines, so it can be used as an energy buffer that absorbs long-term fluctuations in power generation such as seasonal changes. Is.

太陽電池において最大電力を引き出せる動作点(電流、電圧)は、太陽電池を照らす照度と太陽電池の温度によって変化する。そのため、太陽電池の出力を最大電力に追従させる最大電力点追従制御(MPPT:Maximum Power Point Tracking)が行われている。水電解システム100は、太陽電池に対するMPPT制御と組み合わせて、発電電力を適切に利用するために用いることができる。 The operating point (current, voltage) at which the maximum power can be extracted in a solar cell changes depending on the illuminance illuminating the solar cell and the temperature of the solar cell. Therefore, maximum power point tracking (MPPT) is performed to make the output of the solar cell follow the maximum power. The water electrolysis system 100 can be used in combination with MPPT control for the solar cell to appropriately utilize the generated power.

水電解セルモジュール102は、水電解セル10、チョークコイル12、コンデンサ14、スイッチ素子16、ダイオード18、遅延回路20、AND素子22、OR素子24及びNOT素子26を含んで構成される。本実施の形態において、各水電解セルモジュール102は同一の構成を備える。 The water electrolysis cell module 102 includes a water electrolysis cell 10, a choke coil 12, a capacitor 14, a switch element 16, a diode 18, a delay circuit 20, an AND element 22, an OR element 24, and a NOT element 26. In this embodiment, each water electrolysis cell module 102 has the same configuration.

水電解セル10は、水を電気分解するためのセルである。すなわち、水電解セル10は、陽極と陰極を有する容器内に水を供給しつつ陽極と陰極との間に電圧を印加することで水を電気分解し、陽極側から酸素を発生させ、陰極側から水素を発生させる。水電解セル10は、単一のセルとしてもよいし、複数のセルを直列又は並列に接続した構成としてもよい。 The water electrolysis cell 10 is a cell for electrolyzing water. That is, the water electrolysis cell 10 electrolyzes water by applying a voltage between the anode and the cathode while supplying water into the container having the anode and the cathode, generates oxygen from the anode side, and generates oxygen from the anode side. Generates hydrogen from. The water electrolysis cell 10 may be a single cell, or a plurality of cells may be connected in series or in parallel.

チョークコイル12及びコンデンサ14は、水電解セル10へ供給される電力を平滑化するための平滑回路(ローパスフィルタ回路)を構成する。水電解セル10は、電力が供給された状態と供給されない状態とを頻繁に切り換えることによって劣化し易くなる。そこで、水電解セル10、チョークコイル12及びコンデンサ14によってRLCフィルタを形成して水電解セル10を流れる電流の平準化させることで水電解セル10の劣化を抑制することができる。 The choke coil 12 and the capacitor 14 form a smoothing circuit (low-pass filter circuit) for smoothing the electric power supplied to the water electrolysis cell 10. The water electrolysis cell 10 is liable to deteriorate by frequently switching between a state in which electric power is supplied and a state in which electric power is not supplied. Therefore, deterioration of the water electrolysis cell 10 can be suppressed by forming an RLC filter with the water electrolysis cell 10, the choke coil 12, and the capacitor 14 to level the current flowing through the water electrolysis cell 10.

なお、チョークコイル12及びコンデンサ14は、必須の構成ではなく、これらを設けなくてもよい。例えば、水電解セル自体又は配線のインダクタンスでチョークコイル12のインダクタンスをまかなうことができる場合がある。また、水電解セルモジュール102においてチョークコイル12と水電解セル10との配置位置(接続位置)を入れ替えてもよい。 The choke coil 12 and the capacitor 14 are not indispensable configurations, and it is not necessary to provide them. For example, the inductance of the choke coil 12 may be covered by the inductance of the water electrolysis cell itself or the wiring. Further, in the water electrolysis cell module 102, the arrangement positions (connection positions) of the choke coil 12 and the water electrolysis cell 10 may be exchanged.

スイッチ素子16は、水電解セル10の出力端を短絡するためのスイッチ素子を含む。本実施の形態では、スイッチ素子16は、スイッチ素子である電界効果トランジスタに対して並列に環流ダイオードを接続した構成としている。スイッチ素子16は、制御部104からのゲート信号によってスイッチング制御される。なお、本実施の形態では、スイッチ素子16は、電界効果トランジスタとしたが、これ以外のスイッチ素子を適用してもよい。あるいは、環流ダイオードを用いずに内蔵ダイオードを用いるようにしてもよい。 The switch element 16 includes a switch element for short-circuiting the output end of the water electrolysis cell 10. In the present embodiment, the switch element 16 has a configuration in which a recirculation diode is connected in parallel with a field effect transistor which is a switch element. The switch element 16 is switched and controlled by a gate signal from the control unit 104. In the present embodiment, the switch element 16 is a field effect transistor, but other switch elements may be applied. Alternatively, the built-in diode may be used instead of the recirculation diode.

ダイオード18は、電源106から水電解セル10へ供給される電流の方向を規定するために設けられる。ダイオード18は、水電解セル10とスイッチ素子16との間において水電解セル10に直列接続される。ただし、ダイオード18は、図2に示すように、スイッチ素子16に対して出力端子の反対側に配置してもよい。すなわち、水電解セル10に対して電源106から電圧を印加した場合に通電する向きに接続されていればよい。あるいは、図11に示すように、ダイオード18の代わりにFET18aを用いて同期整流するようにしてもよい。それにより、スイッチ素子16における損失を低減することができる。 The diode 18 is provided to define the direction of the current supplied from the power source 106 to the water electrolysis cell 10. The diode 18 is connected in series with the water electrolysis cell 10 between the water electrolysis cell 10 and the switch element 16. However, as shown in FIG. 2, the diode 18 may be arranged on the opposite side of the output terminal with respect to the switch element 16. That is, it suffices that the water electrolysis cell 10 is connected in the direction of energization when a voltage is applied from the power source 106. Alternatively, as shown in FIG. 11, the FET 18a may be used instead of the diode 18 for synchronous rectification. Thereby, the loss in the switch element 16 can be reduced.

遅延回路20は、制御部104から水電解セルモジュール102に入力されるゲート信号を所定の時間だけ遅延させる回路である。水電解システム100では、各水電解セルモジュール102(102a,102b,・・・102n)にそれぞれ遅延回路20が設けられており、それらが直列接続されている。したがって、制御部104から入力されたゲート信号は所定の時間ずつ遅延させられながら各水電解セルモジュール102(102a,102b,・・・102n)に順次入力されることになる。 The delay circuit 20 is a circuit that delays the gate signal input from the control unit 104 to the water electrolysis cell module 102 by a predetermined time. In the water electrolysis system 100, delay circuits 20 are provided in each of the water electrolysis cell modules 102 (102a, 102b, ... 102n), and they are connected in series. Therefore, the gate signal input from the control unit 104 is sequentially input to each water electrolysis cell module 102 (102a, 102b, ... 102n) while being delayed by a predetermined time.

AND素子22は、制御部104からの強制切断信号に応じて水電解セルモジュール102aを直列接続状態から強制的に切り離す切断手段を構成する。また、OR素子24は、制御部104からの強制接続信号に応じて水電解セルモジュール102aを直列接続状態に強制的に接続する接続手段を構成する。 The AND element 22 constitutes a cutting means for forcibly disconnecting the water electrolysis cell module 102a from the series connection state in response to the forced disconnection signal from the control unit 104. Further, the OR element 24 constitutes a connection means for forcibly connecting the water electrolysis cell module 102a to the series connection state in response to the forced connection signal from the control unit 104.

なお、本実施の形態では、遅延回路20をAND素子22及びOR素子24の前段に配置したが、AND素子22及びOR素子24の後段に配置してもよい。すなわち、各水電解セルモジュール102の遅延回路20に対してゲート信号が所定時間だけ遅延されて順に伝送される構成であればよい。 In the present embodiment, the delay circuit 20 is arranged in the front stage of the AND element 22 and the OR element 24, but may be arranged in the rear stage of the AND element 22 and the OR element 24. That is, the gate signal may be delayed by a predetermined time and transmitted in order to the delay circuit 20 of each water electrolysis cell module 102.

電源106は、水電解セルモジュール102に対して電力を供給する電力供給手段である。本実施の形態では、電源106は、光照射によって電力を発生させる光電変換素子を含む太陽電池とする。ただし、電源106は、これに限定されるものではなく、火力発電、水力発電、地熱発電、風力発電、燃料電池等の他の発電手段を備えるものとしてもよい。 The power supply 106 is a power supply means for supplying power to the water electrolysis cell module 102. In the present embodiment, the power source 106 is a solar cell including a photoelectric conversion element that generates electric power by light irradiation. However, the power source 106 is not limited to this, and may include other power generation means such as thermal power generation, hydroelectric power generation, geothermal power generation, wind power generation, and fuel cell.

[システム構成]
図3は、太陽電池の太陽光放射強度特性の例を示す。また、図4は、太陽電池の温度特性の例を示す。上記のように、太陽電池において最大電力を引き出せる動作点(電流、電圧)は、太陽電池を照らす照度と太陽電池の温度によって変化する。
[System configuration]
FIG. 3 shows an example of the solar radiation intensity characteristics of a solar cell. Further, FIG. 4 shows an example of the temperature characteristics of the solar cell. As described above, the operating point (current, voltage) at which the maximum power can be drawn out in the solar cell changes depending on the illuminance illuminating the solar cell and the temperature of the solar cell.

一方、図5は、水電解セル10の電圧−電流特性の例を示す。水電解セル10の電圧は、単セルで1.5V〜2.0V程度と低い。したがって、一般的には、セルを多直列に接続した水電解セル10として用いられる。例えば、図6に示すように、Ir−ND触媒を用いた面積15cmのセルを2つ直列に接続した水電解セル10では出力電圧が3.2V〜4V程度となる。 On the other hand, FIG. 5 shows an example of the voltage-current characteristics of the water electrolysis cell 10. The voltage of the water electrolysis cell 10 is as low as about 1.5V to 2.0V for a single cell. Therefore, it is generally used as a water electrolysis cell 10 in which cells are connected in multiple series. For example, as shown in FIG. 6, in the water electrolysis cell 10 in which two cells having an area of 15 cm 2 using an Ir-ND catalyst are connected in series, the output voltage is about 3.2 V to 4 V.

このような水電解セル10を含む水電解セルモジュール102を複数含み、電源106として最大出力280W時において最大出力電圧35.2Vの太陽電池を接続した場合の水電解システム100の構成について検討する。具体的には、表1に示す特性。

Figure 2021063280
A configuration of a water electrolysis system 100 including a plurality of water electrolysis cell modules 102 including such a water electrolysis cell 10 and connecting a solar cell having a maximum output voltage of 35.2 V at a maximum output of 280 W as a power source 106 will be examined. Specifically, the characteristics shown in Table 1.
Figure 2021063280

まず、水電解システム100に組み込む水電解セルモジュール102の必要数を求める。水電解セルモジュール102を接続する数により電源106である太陽電池の電圧に対応する必要がある。したがって、水電解セルモジュール102の最低電圧3.2[V]で太陽電池の最大出力電圧35.2Vの出力電圧に対応するためには(太陽電池の最大出力電圧)/(水電解セルモジュール102の最低電圧)=35.2/3.2≒11個の水電解セルモジュール102が最低限必要である。 First, the required number of water electrolysis cell modules 102 to be incorporated in the water electrolysis system 100 is obtained. It is necessary to correspond to the voltage of the solar cell which is the power source 106 depending on the number of connected water electrolysis cell modules 102. Therefore, in order to correspond to the output voltage of the maximum output voltage of the solar cell of 35.2 V at the minimum voltage of 3.2 [V] of the water electrolysis cell module 102 (maximum output voltage of the solar cell) / (water electrolysis cell module 102). Minimum voltage) = 35.2 / 3.2 ≈ 11 water electrolysis cell modules 102 are required at a minimum.

次に、水電解セルモジュール102が故障しても水電解システム100の運用を維持するには水電解セルモジュール102に余裕が必要である。例えば、水電解セルモジュール102が2個まで故障してもシステムを維持するためには、水電解セルモジュール102に2個分の余裕が必要となるため、13個の水電解セルモジュール102が必要となる。 Next, even if the water electrolysis cell module 102 fails, the water electrolysis cell module 102 needs to have a margin in order to maintain the operation of the water electrolysis system 100. For example, in order to maintain the system even if up to two water electrolysis cell modules 102 fail, the water electrolysis cell module 102 needs a margin of two, so thirteen water electrolysis cell modules 102 are required. It becomes.

さらに、制御デューティ(水電解システム100において同時に直列接続される水電解セルモジュール102の比率)について制御余裕をみて0.9以下とするためには、13/0.9≒15個の水電解セルモジュール102が必要となる。 Further, in order to reduce the control duty (the ratio of the water electrolysis cell modules 102 connected in series in the water electrolysis system 100) to 0.9 or less in view of the control margin, 13 / 0.9 ≈ 15 water electrolysis cells Module 102 is required.

次に、電源106である太陽電池の並列接続の個数を求める。15個の水電解セルモジュール102のうち余裕分の2個をパススルーして13個の水電解セルモジュール102を使用する場合に水の電気分解に必要な電力は129W×13=1677Wである。この必要電力を図6の太陽電池モジュールから供給するには1677W/280W=5.99となり6個の太陽電池モジュールが必要となる。 Next, the number of solar cells connected in parallel, which is the power source 106, is obtained. When 13 water electrolysis cell modules 102 are used by passing through 2 of the 15 water electrolysis cell modules 102, the electric power required for electrolysis of water is 129 W × 13 = 1677 W. In order to supply this required power from the solar cell module of FIG. 6, 1677W / 280W = 5.99, and six solar cell modules are required.

[通常制御]
以下、水電解システム100の制御について図7を参照して説明する。通常制御時において、各水電解セルモジュール102(102a,102b,・・・102n)のAND素子22に対して制御部104からハイ(H)レベルの強制切断信号が入力される。また、各水電解セルモジュール102(102a,102b,・・・102n)のOR素子24に対して制御部104からロー(L)レベルの強制接続信号が入力される。したがって、スイッチ素子16のゲート端子には遅延回路20からの出力信号がNOT素子26を介して反転信号として入力される。
[Normal control]
Hereinafter, the control of the water electrolysis system 100 will be described with reference to FIG. 7. During normal control, a high (H) level forced disconnection signal is input from the control unit 104 to the AND element 22 of each water electrolysis cell module 102 (102a, 102b, ... 102n). Further, a low (L) level forced connection signal is input from the control unit 104 to the OR element 24 of each water electrolysis cell module 102 (102a, 102b, ... 102n). Therefore, the output signal from the delay circuit 20 is input to the gate terminal of the switch element 16 as an inverting signal via the NOT element 26.

図7は、水電解セルモジュール102aの動作に関するタイムチャートを示す。また、図7では、水電解セルモジュール102aを駆動するゲート信号D1のパルス波形、スイッチ素子16のスイッチング状態を示す矩形波D2、及び、水電解セルモジュール102aに印加される電圧Vmodの波形D3を示している。 FIG. 7 shows a time chart relating to the operation of the water electrolysis cell module 102a. Further, in FIG. 7, the pulse waveform of the gate signal D1 for driving the water electrolysis cell module 102a, the square wave D2 indicating the switching state of the switch element 16, and the waveform D3 of the voltage V mod applied to the water electrolysis cell module 102a. Is shown.

水電解セルモジュール102aの初期状態、すなわち、ゲート信号が出力されていない状態では、スイッチ素子16はオン状態である。そして、制御部104からゲート信号が水電解セルモジュール102aに入力されると、水電解セルモジュール102aはPWM制御によってスイッチング制御される。このスイッチング制御では、スイッチ素子16がオン状態/オフ状態にスイッチングされる。 In the initial state of the water electrolysis cell module 102a, that is, in the state where the gate signal is not output, the switch element 16 is in the ON state. Then, when the gate signal is input to the water electrolysis cell module 102a from the control unit 104, the water electrolysis cell module 102a is switched and controlled by PWM control. In this switching control, the switch element 16 is switched to the on state / off state.

図7に示すように、制御部104からゲート信号D1が出力されると、このゲート信号D1に応じて、水電解セルモジュール102aのスイッチ素子16が駆動される。スイッチ素子16は、ゲート信号D1の立ち上がりに応じたNOT素子26からの信号の立ち下がりによって、オン状態からオフ状態に切り替わる。 As shown in FIG. 7, when the gate signal D1 is output from the control unit 104, the switch element 16 of the water electrolysis cell module 102a is driven in response to the gate signal D1. The switch element 16 switches from the on state to the off state by the falling edge of the signal from the NOT element 26 in response to the rising edge of the gate signal D1.

水電解セルモジュール102aでは、ゲート信号D1がオフ時(すなわち、スイッチ素子16がオン)では、水電解セルモジュール102aの両端子は短絡され、電源106から電圧が印加されない。この状態では、図8(a)に示すように、水電解セルモジュール102aの水電解セル10(コンデンサ14)がバイパスされたスルー状態となっている。 In the water electrolysis cell module 102a, when the gate signal D1 is off (that is, the switch element 16 is on), both terminals of the water electrolysis cell module 102a are short-circuited, and no voltage is applied from the power supply 106. In this state, as shown in FIG. 8A, the water electrolysis cell 10 (capacitor 14) of the water electrolysis cell module 102a is bypassed and is in a through state.

また、ゲート信号D1がオン時(すなわち、スイッチ素子16がオフ)では、水電解セルモジュール102aの両端子は開放される。したがって、水電解セルモジュール102aには電源106から電圧が印加される。この状態では、図8(b)に示すように、水電解セルモジュール102aにおけるコンデンサ14を介して電圧Vmodが印加される。 Further, when the gate signal D1 is on (that is, the switch element 16 is off), both terminals of the water electrolysis cell module 102a are opened. Therefore, a voltage is applied to the water electrolysis cell module 102a from the power supply 106. In this state, as shown in FIG. 8B, the voltage V mod is applied via the capacitor 14 in the water electrolysis cell module 102a.

次に、制御部104による水電解システム100の制御について説明する。制御部104は、水電解セルモジュール102の全体を制御する。すなわち、複数の水電解セルモジュール102a,102b,・・・102nを制御して、電源106から各水電解セルモジュール102への電力供給を制御する。 Next, the control of the water electrolysis system 100 by the control unit 104 will be described. The control unit 104 controls the entire water electrolysis cell module 102. That is, the plurality of water electrolysis cell modules 102a, 102b, ... 102n are controlled to control the power supply from the power source 106 to each water electrolysis cell module 102.

制御部104は、各水電解セルモジュール102に対して矩形波のゲート信号を出力するゲート回路を備える。ゲート信号は、水電解セルモジュール102aに含まれる遅延回路20、水電解セルモジュール102bに含まれる遅延回路20・・・と順次後段の水電解セルモジュール102へと伝達される。すなわち、水電解システム100において直列に接続されている水電解セルモジュール102の最上流側から順に所定の遅延時間ずつゲート信号が遅延されて下流側へと伝達される。 The control unit 104 includes a gate circuit that outputs a rectangular wave gate signal to each water electrolysis cell module 102. The gate signal is sequentially transmitted to the delay circuit 20 included in the water electrolysis cell module 102a, the delay circuit 20 included in the water electrolysis cell module 102b, and so on to the subsequent water electrolysis cell module 102. That is, the gate signal is delayed by a predetermined delay time in order from the most upstream side of the water electrolysis cell modules 102 connected in series in the water electrolysis system 100, and is transmitted to the downstream side.

通常制御時においては、AND素子22に対して制御部104からハイ(H)レベルの強制切断信号が入力され、OR素子24に対して制御部104からロー(L)レベルの強制接続信号が入力されているので、各水電解セルモジュール102の遅延回路20から出力されたゲート信号を反転した信号がスイッチ素子16のゲート端子に入力される。したがって、ゲート信号がハイ(H)レベルのときにスイッチ素子16がオフ状態となり、ゲート信号がロー(L)レベルのときにスイッチ素子16がオン状態となる。 During normal control, a high (H) level forced disconnection signal is input from the control unit 104 to the AND element 22, and a low (L) level forced connection signal is input from the control unit 104 to the OR element 24. Therefore, a signal obtained by inverting the gate signal output from the delay circuit 20 of each water electrolysis cell module 102 is input to the gate terminal of the switch element 16. Therefore, the switch element 16 is turned off when the gate signal is at the high (H) level, and the switch element 16 is turned on when the gate signal is at the low (L) level.

すなわち、ゲート信号がハイ(H)レベルのときに水電解セルモジュール102は他の水電解セルモジュール102と直列に接続された状態となり、ゲート信号がロー(L)レベルのときに水電解セルモジュール102は他の水電解セルモジュール102と切り離されたスルー状態となる。 That is, when the gate signal is at the high (H) level, the water electrolysis cell module 102 is connected in series with another water electrolysis cell module 102, and when the gate signal is at the low (L) level, the water electrolysis cell module is connected. 102 is in a through state separated from the other water electrolysis cell modules 102.

図9は、水電解セルモジュール102a,102b,・・・102nのうち所定の個数を順次直列に接続して電力を出力する制御シーケンスを示す。図9に示すように、ゲート信号に応じて、水電解セルモジュール102a,102b,・・・102nが、一定の遅延時間を持って上流側から下流側に次々と駆動される。図9において、期間E1は、水電解セルモジュール102a,102b,・・・102nのスイッチ素子16がオフして、水電解セルモジュール102a,102b,・・・102nが電源106からの電力の供給を受けている状態(接続状態)を示している。また、期間E2は、水電解セルモジュール102a,102b,・・・102nのスイッチ素子16がオンして、水電解セルモジュール102a,102b,・・・102nへ電源106から電力が供給されていない状態(スルー状態)を示す。このように、水電解セルモジュール102a,102b,・・・102nは、一定の遅延時間を持って順次駆動される。 FIG. 9 shows a control sequence in which a predetermined number of the water electrolysis cell modules 102a, 102b, ... 102n are sequentially connected in series to output electric power. As shown in FIG. 9, the water electrolysis cell modules 102a, 102b, ... 102n are driven one after another from the upstream side to the downstream side with a constant delay time in response to the gate signal. In FIG. 9, during the period E1, the switch elements 16 of the water electrolysis cell modules 102a, 102b, ... 102n are turned off, and the water electrolysis cell modules 102a, 102b, ... 102n supply power from the power supply 106. Indicates the receiving state (connection state). Further, during the period E2, the switch element 16 of the water electrolysis cell modules 102a, 102b, ... 102n is turned on, and power is not supplied from the power supply 106 to the water electrolysis cell modules 102a, 102b, ... 102n. (Through state) is shown. In this way, the water electrolysis cell modules 102a, 102b, ... 102n are sequentially driven with a constant delay time.

図9を参照して、ゲート信号やゲート信号の遅延時間の設定について説明する。ゲート信号の周期Fは、水電解セルモジュール102a,102b,・・・102nの遅延時間を合計することによって設定される。このため、遅延時間を長くするほどゲート信号の周波数を低周波にする。逆に、遅延時間を短くするほどゲート信号の周波数を高周波にする。また、ゲート信号を遅延する遅延時間は、水電解システム100に求められる仕様に応じて適宜設定される。 The setting of the gate signal and the delay time of the gate signal will be described with reference to FIG. The period F of the gate signal is set by summing the delay times of the water electrolysis cell modules 102a, 102b, ... 102n. Therefore, the longer the delay time, the lower the frequency of the gate signal. Conversely, the shorter the delay time, the higher the frequency of the gate signal. Further, the delay time for delaying the gate signal is appropriately set according to the specifications required for the water electrolysis system 100.

ゲート信号の周期Fにおけるオン時比率G1(デューティ比D)、すなわち、周期Fのうちのゲート信号がハイ(H)レベルにある時間の比率は、水電解システム100の端子電圧/水電解セルモジュール102a,102b,・・・102nに対して電源106から印加される電圧(各水電解セルモジュール102の端子電圧×水電解セルモジュール数)により算出される。すなわち、オン時比率G1=(水電解システム100の端子電圧)/(水電解セルモジュール102の端子電圧×水電解セルモジュール102の数)となる。 The on-time ratio G1 (duty ratio D) in the period F of the gate signal, that is, the ratio of the time during which the gate signal is at the high (H) level in the period F is the terminal voltage / water electrolysis cell module of the water electrolysis system 100. It is calculated by the voltage applied from the power supply 106 to 102a, 102b, ... 102n (terminal voltage of each water electrolysis cell module 102 x number of water electrolysis cell modules). That is, the on-time ratio G1 = (terminal voltage of the water electrolysis system 100) / (terminal voltage of the water electrolysis cell module 102 × number of water electrolysis cell modules 102).

水電解セルモジュール102a,102b,・・・102nの合計端子電圧は、上述したように、各水電解セルモジュール102の端子電圧に互いに直列接続の状態にある水電解セルモジュール102の数を乗算した値によって表される。電源106の出力電圧が、1つの水電解セルモジュール102の端子電圧で割り切れる値であれば、水電解セルモジュール102がスルー状態から接続状態に切り替わる瞬間に、他の水電解セルモジュール102が接続状態からスルー状態に切り替わるので、水電解セルモジュール102の全体の出力電圧に変動はない。 As described above, the total terminal voltage of the water electrolysis cell modules 102a, 102b, ... 102n is obtained by multiplying the terminal voltage of each water electrolysis cell module 102 by the number of water electrolysis cell modules 102 connected in series with each other. Represented by a value. If the output voltage of the power supply 106 is a value divisible by the terminal voltage of one water electrolysis cell module 102, the other water electrolysis cell module 102 is in the connected state at the moment when the water electrolysis cell module 102 switches from the through state to the connected state. Since it switches to the through state, there is no change in the overall output voltage of the water electrolysis cell module 102.

しかしながら、電源106の出力電圧が各水電解セルモジュール102の端子電圧で割り切れない値であれば、電源106の出力電圧と水電解セルモジュール102a,102b,・・・102nの合計端子電圧とは整合しない。このとき、水電解システム100全体の合計電圧が変動する。ただし、このときの変動振幅は1つの水電解セルモジュール分の電圧であり、また、この変動周期は、ゲート信号の周期F/水電解セルモジュール102の数となる。多数の水電解セルモジュール102を直列接続すれば、水電解システム100全体の寄生インダクタンスは大きな値となっており、この電圧変動はフィルタされて結果的には安定した水電解システム100の出力電圧を得ることができる。 However, if the output voltage of the power supply 106 is a value that is not divisible by the terminal voltage of each water electrolysis cell module 102, the output voltage of the power supply 106 and the total terminal voltage of the water electrolysis cell modules 102a, 102b, ... 102n are matched. do not. At this time, the total voltage of the entire water electrolysis system 100 fluctuates. However, the fluctuation amplitude at this time is the voltage for one water electrolysis cell module, and this fluctuation cycle is the period F of the gate signal / the number of water electrolysis cell modules 102. If a large number of water electrolysis cell modules 102 are connected in series, the parasitic inductance of the entire water electrolysis system 100 becomes a large value, and this voltage fluctuation is filtered, resulting in a stable output voltage of the water electrolysis system 100. Obtainable.

次に、具体例について説明する。図8において、例えば、電源106の所望の出力電圧が35.2V、各水電解セルモジュール102の端子電圧が3.2V、水電解セルモジュール102a,102b,・・・102n数が15個、遅延時間が200nsであるとする。なお、この場合は、電源106の出力電圧(35.2V)が、水電解セルモジュール102の端子電圧(3.5V)で割り切れない場合に相当する。 Next, a specific example will be described. In FIG. 8, for example, the desired output voltage of the power supply 106 is 35.2 V, the terminal voltage of each water electrolysis cell module 102 is 3.2 V, the number of water electrolysis cell modules 102a, 102b, ... 102n is 15, delay. Suppose the time is 200 ns. In this case, the output voltage (35.2V) of the power supply 106 is not divisible by the terminal voltage (3.5V) of the water electrolysis cell module 102.

これらの数値に基づくと、ゲート信号の周期Fは、遅延時間×水電解セルモジュール数により算出されるので200ns×15個=3μsとなる。したがって、ゲート信号は約333kHz相当の周波数の矩形波とされる。また、ゲート信号のオン時比率G1は、水電解システム100の電圧(=電源106の出力電圧)/(水電解セルモジュール102の端子電圧×水電解セルモジュール102の数)により算出されるので、オン時比率G1は、35.2V/(3.5V×15個)≒0.67となる。 Based on these numerical values, the period F of the gate signal is calculated by multiplying the delay time by the number of water electrolysis cell modules, so that 200 ns x 15 = 3 μs. Therefore, the gate signal is a square wave having a frequency corresponding to about 333 kHz. Further, since the on-time ratio G1 of the gate signal is calculated by the voltage of the water electrolysis system 100 (= output voltage of the power supply 106) / (terminal voltage of the water electrolysis cell module 102 x number of water electrolysis cell modules 102), The on-time ratio G1 is 35.2 V / (3.5 V × 15 pieces) ≈0.67.

これらの数値に基づいて、水電解セルモジュール102a,102b,・・・102nを順次駆動すると、水電解システム100として、図9中、矩形波状の端子電圧H1となる。この端子電圧H1は、35.0Vと38.5Vとの間で変動する。すなわち、端子電圧H1は、ゲート信号の周期F/水電解セルモジュール数により算出される周期、すなわち3μs/15個=200nsで変動する。この変動は、水電解セルモジュール102a,102b,・・・102nの配線による寄生インダクタンスでフィルタリングされ、水電解システム100全体としては約35.2Vの端子電圧H2として出力される。 When the water electrolysis cell modules 102a, 102b, ... 102n are sequentially driven based on these numerical values, the water electrolysis system 100 has a rectangular wavy terminal voltage H1 in FIG. This terminal voltage H1 fluctuates between 35.0V and 38.5V. That is, the terminal voltage H1 fluctuates in the period calculated by the period F of the gate signal / the number of water electrolysis cell modules, that is, 3 μs / 15 = 200 ns. This fluctuation is filtered by the parasitic inductance due to the wiring of the water electrolysis cell modules 102a, 102b, ... 102n, and is output as a terminal voltage H2 of about 35.2 V for the entire water electrolysis system 100.

なお、各水電解セルモジュール102のコンデンサ14には、接続状態の場合に電流が流れ、図9に示すように、コンデンサ電流波形J1は矩形波になる。また、水電解セル10とコンデンサ14はRLCフィルタを形成しているので、水電解システム100にはフィルタリングされて平準化された電流J2が流れる。このように、全ての水電解セルモジュール102a,102b,・・・102nにおいて電流波形は一様であり、また、全ての水電解セルモジュール102a,102b,・・・102nには均等に電流が流れる。このように、出力電圧を制御しながらも水電解システム100の電流は平準化されているため、従来技術において単純に切り離すことで電圧を制御する構成のように電流が間欠的にならないので水電解システム100の劣化を抑制することができる。 A current flows through the capacitor 14 of each water electrolysis cell module 102 in the connected state, and as shown in FIG. 9, the capacitor current waveform J1 becomes a square wave. Further, since the water electrolysis cell 10 and the capacitor 14 form an RLC filter, a filtered and leveled current J2 flows through the water electrolysis system 100. As described above, the current waveforms are uniform in all the water electrolysis cell modules 102a, 102b, ... 102n, and the current flows evenly in all the water electrolysis cell modules 102a, 102b, ... 102n. .. In this way, since the current of the water electrolysis system 100 is leveled while controlling the output voltage, the current is not intermittent as in the configuration in which the voltage is controlled by simply disconnecting the water electrolysis system 100 in the prior art. Deterioration of the system 100 can be suppressed.

以上説明したように、水電解システム100を制御する際、最上流側の水電解セルモジュール102aに出力したゲート信号を、下流側の水電解セルモジュール102bに一定時間遅延して出力して、さらに、このゲート信号を一定時間遅延して下流側の水電解セルモジュール102に順次伝達するので、水電解セルモジュール102a,102b,・・・102nには、一定時間遅延しながら電源106から順次電圧が印加される。そして、水電解システム100に含まれる水電解セルモジュール102の各々において電源106の出力電圧に応じた水の電気分解を行うことができる。 As described above, when controlling the water electrolysis system 100, the gate signal output to the water electrolysis cell module 102a on the most upstream side is output to the water electrolysis cell module 102b on the downstream side with a delay of a certain period of time, and further. Since this gate signal is delayed for a certain period of time and sequentially transmitted to the water electrolysis cell module 102 on the downstream side, a voltage is sequentially transmitted from the power source 106 to the water electrolysis cell modules 102a, 102b, ... 102n while being delayed for a certain period of time. It is applied. Then, in each of the water electrolysis cell modules 102 included in the water electrolysis system 100, water can be electrolyzed according to the output voltage of the power supply 106.

なお、電源106から出力される電圧は、電源106の状況に応じて電源106の効率が高くなるように設定すればよい。例えば、電源106が太陽電池である場合、太陽電池に対する日照状態や温度に応じた最大電力動作点における最大出力電圧となるように設定すればよい。具体的には、水電解システム100の端子間に設けられた電圧センサ34によって電源106の出力電圧を測定し、電源106の出力電圧に応じて制御部104はオン時比率G1を設定すればよい。これによって、太陽電池のMPPT制御による最大電力動作点に精度良く追従させて水電解システム100を運用することができる。 The voltage output from the power supply 106 may be set so that the efficiency of the power supply 106 becomes high depending on the situation of the power supply 106. For example, when the power source 106 is a solar cell, it may be set to be the maximum output voltage at the maximum power operating point according to the sunshine state and temperature of the solar cell. Specifically, the output voltage of the power supply 106 may be measured by the voltage sensor 34 provided between the terminals of the water electrolysis system 100, and the control unit 104 may set the on-time ratio G1 according to the output voltage of the power supply 106. .. As a result, the water electrolysis system 100 can be operated by accurately following the maximum power operating point controlled by MPPT of the solar cell.

水電解システム100によれば、降圧回路が不要になり、回路構成を簡素化することができ、小型化、低コスト化することができる。また、電力損失を生ずるバランス回路等も不要であり、水電解システム100の効率を向上させることができる。さらに、複数の水電解セルモジュール102a,102b,・・・102nに対して略均等に電圧を印加しているので、特定の水電解セルモジュール102に負荷が集中することもなく、水電解システム100の劣化を抑制することができる。 According to the water electrolysis system 100, a step-down circuit is not required, the circuit configuration can be simplified, and the size and cost can be reduced. Further, a balance circuit or the like that causes a power loss is unnecessary, and the efficiency of the water electrolysis system 100 can be improved. Further, since the voltage is applied substantially evenly to the plurality of water electrolysis cell modules 102a, 102b, ... 102n, the load is not concentrated on the specific water electrolysis cell module 102, and the water electrolysis system 100 Deterioration can be suppressed.

また、オン時比率G1を調整することによって、所望の電圧に容易に対応することができ、水電解システム100としての汎用性を向上することができる。特に、水電解セルモジュール102a,102b,・・・102nに故障が発生して、使用困難な水電解セルモジュール102が発生した場合でも、その故障した水電解セルモジュール102を除外して、正常な水電解セルモジュール102を使用して、ゲート信号の周期F、オン時比率G1、遅延時間を再設定することによって所望の電圧に対応することができる。すなわち、水電解セルモジュール102a,102b,・・・102nに故障が発生しても電源106の出力電圧に応じた制御を実現することができる。 Further, by adjusting the on-time ratio G1, it is possible to easily correspond to a desired voltage, and it is possible to improve the versatility of the water electrolysis system 100. In particular, even if a failure occurs in the water electrolysis cell modules 102a, 102b, ... 102n and the water electrolysis cell module 102 that is difficult to use occurs, the failed water electrolysis cell module 102 is excluded and normal. The water electrolysis cell module 102 can be used to accommodate the desired voltage by resetting the gate signal period F, on-time ratio G1, and delay time. That is, even if a failure occurs in the water electrolysis cell modules 102a, 102b, ... 102n, control according to the output voltage of the power supply 106 can be realized.

さらに、ゲート信号を遅延する遅延時間を長く設定することによって、ゲート信号の周波数が低周波になるので、スイッチ素子16及びダイオード18のスイッチング周波数も低くなり、スイッチング損失を低減することができる。逆に、ゲート信号を遅延する遅延時間を短くすることによって、ゲート信号の周波数が高周波になるので、電圧変動の周波数が高くなり、フィルタリングが容易になって安定した水電解処理を行うことができる。また、電流変動をRLCフィルタによって平準化することも容易になる。このように、ゲート信号を遅延する遅延時間を調整することによって、求められる仕様、性能に応じた水電解システム100を提供することができる。 Further, by setting a long delay time for delaying the gate signal, the frequency of the gate signal becomes low, so that the switching frequencies of the switch element 16 and the diode 18 also become low, and the switching loss can be reduced. On the contrary, by shortening the delay time for delaying the gate signal, the frequency of the gate signal becomes high frequency, so that the frequency of voltage fluctuation becomes high, filtering becomes easy, and stable water electrolysis processing can be performed. .. It also facilitates leveling current fluctuations with an RLC filter. By adjusting the delay time for delaying the gate signal in this way, it is possible to provide the water electrolysis system 100 according to the required specifications and performance.

なお、本実施の形態では、各水電解セルモジュール102に遅延回路20を設けてゲート信号を遅延させつつ伝送させる構成としたが、これに限定されるものではない。例えば、各水電解セルモジュール102に遅延回路20を設けない構成としてもよい。この場合、制御部104から各水電解セルモジュール102のAND素子22及びOR素子24に対してゲート信号を個別に出力すればよい。すなわち、制御部104から水電解セルモジュール102a,102b,・・・102nに対してゲート信号を一定時間毎にそれぞれ出力する。このとき、水電解セルモジュール102a,102b,・・・102nに対して、水電解セルモジュール102a,102b,・・・102nの配置位置にとらわれず、任意の順序で水電解セルモジュール102a,102b,・・・102nを一定時間毎にゲート信号を出力して接続状態とする水電解セルモジュール102の数を制御する。例えば、最初に、水電解セルモジュール102bにゲート信号を出力して水電解セルモジュール102bを駆動させ、その一定時間後に、水電解セルモジュール102aにゲート信号を出力して水電解セルモジュール102aを駆動させるように制御を行えばよい。 In the present embodiment, the delay circuit 20 is provided in each water electrolysis cell module 102 so that the gate signal is transmitted while being delayed, but the present invention is not limited to this. For example, the delay circuit 20 may not be provided in each water electrolysis cell module 102. In this case, the gate signal may be output individually from the control unit 104 to the AND element 22 and the OR element 24 of each water electrolysis cell module 102. That is, the control unit 104 outputs a gate signal to the water electrolysis cell modules 102a, 102b, ... 102n at regular intervals. At this time, with respect to the water electrolysis cell modules 102a, 102b, ... 102n, the water electrolysis cell modules 102a, 102b, ... ... Controls the number of water electrolysis cell modules 102 that output a gate signal to 102n at regular time intervals to connect them. For example, first, a gate signal is output to the water electrolysis cell module 102b to drive the water electrolysis cell module 102b, and after a certain period of time, a gate signal is output to the water electrolysis cell module 102a to drive the water electrolysis cell module 102a. It suffices to control so as to make it.

当該構成とすることによって、遅延回路20が不要となり、水電解システム100の構成をさらに簡素化することができ、製造コストや消費電力を抑制することができる。 With this configuration, the delay circuit 20 becomes unnecessary, the configuration of the water electrolysis system 100 can be further simplified, and the manufacturing cost and power consumption can be suppressed.

[強制切り離し制御]
次に、複数の水電解セルモジュール102(102a,102b,・・・102n)のうち選択されたものを強制的に切り離す制御について説明する。制御部104は、強制的に切り離す対象とする水電解セルモジュール102のAND素子22に対してロー(L)レベルの強制切断信号を出力する。また、制御部104は、当該水電解セルモジュール102のOR素子24に対してはロー(L)レベルの強制接続信号を出力する。
[Forced disconnection control]
Next, a control for forcibly disconnecting a selected one of the plurality of water electrolysis cell modules 102 (102a, 102b, ... 102n) will be described. The control unit 104 outputs a low (L) level forced disconnection signal to the AND element 22 of the water electrolysis cell module 102 to be forcibly disconnected. Further, the control unit 104 outputs a low (L) level forced connection signal to the OR element 24 of the water electrolysis cell module 102.

これによって、AND素子22からはロー(L)レベルが出力され、OR素子24を介して、スイッチ素子16のゲート端子にはNOT素子26によってハイ(H)レベルが入力される。したがって、スイッチ素子16は常時オン状態とされ、水電解セルモジュール102はゲート信号の状態によらず強制的に切り離された状態(スルー状態)となる。 As a result, the low (L) level is output from the AND element 22, and the high (H) level is input to the gate terminal of the switch element 16 via the OR element 24 by the NOT element 26. Therefore, the switch element 16 is always on, and the water electrolysis cell module 102 is forcibly disconnected (through state) regardless of the state of the gate signal.

このような強制切り離し制御は、水電解システム100における水電解セルモジュール102の故障に対応するために利用することができる。図10は、水電解セルモジュール102の故障に対する制御のフローチャートを示す。以下、図10を参照しつつ、水電解セルモジュール102のいずれかが故障した際の制御について説明する。 Such forced disconnection control can be used to deal with a failure of the water electrolysis cell module 102 in the water electrolysis system 100. FIG. 10 shows a flowchart of control for failure of the water electrolysis cell module 102. Hereinafter, control when any one of the water electrolysis cell modules 102 fails will be described with reference to FIG.

ステップS10では、水電解システム100に含まれるすべての水電解セルモジュール102の状態を判定する。制御部104は、電源106から電圧を印加したときの水電解セルモジュール102に含まれる水電解セル10の端子電圧を電圧センサ30によって検出する。そして、電圧センサ30の検出結果に応じて水電解セル10の故障を検出する。例えば、電源106から電圧を印加したときの電圧センサ30の測定電圧が所定の基準値以下である場合に水電解セル10が故障していると判定する。 In step S10, the states of all the water electrolysis cell modules 102 included in the water electrolysis system 100 are determined. The control unit 104 detects the terminal voltage of the water electrolysis cell 10 included in the water electrolysis cell module 102 when a voltage is applied from the power supply 106 by the voltage sensor 30. Then, the failure of the water electrolysis cell 10 is detected according to the detection result of the voltage sensor 30. For example, when the measured voltage of the voltage sensor 30 when a voltage is applied from the power supply 106 is equal to or less than a predetermined reference value, it is determined that the water electrolysis cell 10 is out of order.

ステップS12では、水電解システム100において故障した水電解セル10を含む水電解セルモジュール102が有るか否かが判定される。制御部104は、ステップS10における判定結果に基づいて、故障した水電解セル10を含む水電解セルモジュール102が有ればステップS14に処理を移行させ、そうでなければ強制切り離し制御を終了する。 In step S12, it is determined in the water electrolysis system 100 whether or not there is a water electrolysis cell module 102 including the failed water electrolysis cell 10. Based on the determination result in step S10, the control unit 104 shifts the process to step S14 if there is a water electrolysis cell module 102 including the failed water electrolysis cell 10, and ends the forced disconnection control otherwise.

ステップS14では、水電解セルモジュール102の強制的な切り離し処理が行われる。制御部104は、ステップS10にて故障判定された水電解セルモジュール102のAND素子22に対してロー(L)レベルの強制切断信号を出力する。これにより、選択された水電解セルモジュール102は直列接続から強制的に切り離され、水電解システム100における水の電気分解に寄与しなくなる。 In step S14, the water electrolysis cell module 102 is forcibly separated. The control unit 104 outputs a low (L) level forced disconnection signal to the AND element 22 of the water electrolysis cell module 102 whose failure is determined in step S10. As a result, the selected water electrolysis cell module 102 is forcibly disconnected from the series connection and does not contribute to the electrolysis of water in the water electrolysis system 100.

以上の制御によって、水電解システム100に含まれる水電解セルモジュール102の中から故障した水電解セル10を含む水電解セルモジュール102を強制的に切り離すことができる。その結果、一部の水電解セルモジュール102の故障に伴って水電解システム100全体をシステム停止させることを防止することができる。したがって、水電解システム100を安定的に運用することができる。 By the above control, the water electrolysis cell module 102 including the failed water electrolysis cell 10 can be forcibly separated from the water electrolysis cell module 102 included in the water electrolysis system 100. As a result, it is possible to prevent the entire water electrolysis system 100 from being stopped due to the failure of some of the water electrolysis cell modules 102. Therefore, the water electrolysis system 100 can be operated stably.

[強制接続制御]
なお、複数の水電解セルモジュール102(102a,102b,・・・102n)のうち選択されたものを強制的に接続する制御を行うこともできる。制御部104は、強制的に接続する対象とする水電解セルモジュール102のOR素子24にハイ(H)レベルの強制接続信号を出力する。これによって、OR素子24からはハイ(H)レベルが出力され、スイッチ素子16のゲート端子にはNOT素子26によってロー(L)レベルが入力される。したがって、スイッチ素子16は常時オフ状態となり、水電解セルモジュール102はゲート信号の状態によらず強制的に直列接続に繋がれた状態となる。
[Forced connection control]
It is also possible to perform control for forcibly connecting a selected one of a plurality of water electrolysis cell modules 102 (102a, 102b, ... 102n). The control unit 104 outputs a high (H) level forced connection signal to the OR element 24 of the water electrolysis cell module 102 to be forcibly connected. As a result, the high (H) level is output from the OR element 24, and the low (L) level is input to the gate terminal of the switch element 16 by the NOT element 26. Therefore, the switch element 16 is always off, and the water electrolysis cell module 102 is forcibly connected in series regardless of the state of the gate signal.

このような強制接続制御は、水電解システム100において特定の水電解セルモジュール102に含まれる水電解セル10によって強制的に水の電気分解を行わせることができる。例えば、いずれかの水電解セルモジュール102に含まれる水電解セル10から水素や酸素を発生させる必要がある場合、当該水電解セルモジュール102を強制接続させるようにすればよい。 In such forced connection control, water can be forcibly electrolyzed by the water electrolysis cell 10 included in the specific water electrolysis cell module 102 in the water electrolysis system 100. For example, when it is necessary to generate hydrogen or oxygen from the water electrolysis cell 10 included in any of the water electrolysis cell modules 102, the water electrolysis cell module 102 may be forcibly connected.

10 水電解セル、12 チョークコイル、14 コンデンサ、16 スイッチ素子、18 ダイオード、18a FET、20 遅延回路、22 AND素子、24 OR素子、26 NOT素子、30 電圧センサ、32 電流センサ、34 電圧センサ、100 水電解システム、102(102a,102b,・・・102n) 水電解セルモジュール。
10 water electrolysis cell, 12 choke coil, 14 capacitor, 16 switch element, 18 diode, 18a FET, 20 delay circuit, 22 AND element, 24 OR element, 26 NOT element, 30 voltage sensor, 32 current sensor, 34 voltage sensor, 100 water electrolysis system, 102 (102a, 102b, ... 102n) water electrolysis cell module.

Claims (5)

水電解セルと、前記水電解セルに電力を供給する端子と、前記端子に接続されるとともに前記水電解セルに並列接続されたスイッチ素子と、前記水電解セルに並列接続されたコンデンサと、前記水電解セルと前記スイッチ素子との間において前記水電解セルに直列接続され、前記水電解セルに対して前記端子から電力を供給した場合に通電する向きに接続されたダイオードと、を含む水電解セルモジュール、を前記端子を介して複数直列接続した水電解セルモジュール群と、
前記水電解セルモジュールの前記スイッチ素子をオンオフ駆動するゲート信号を、前記水電解セルモジュール群の各水電解セルモジュールの各々に対して一定時間毎に出力する制御回路と、
を備えたことを特徴とする水電解システム。
The water electrolysis cell, the terminal for supplying power to the water electrolysis cell, the switch element connected to the terminal and connected in parallel to the water electrolysis cell, the capacitor connected in parallel to the water electrolysis cell, and the above. Water electrolysis including a diode connected in series to the water electrolysis cell between the water electrolysis cell and the switch element and connected in a direction to energize the water electrolysis cell when power is supplied from the terminal to the water electrolysis cell. A group of water electrolysis cell modules in which a plurality of cell modules are connected in series via the terminals, and
A control circuit that outputs a gate signal that drives the switch element of the water electrolysis cell module on and off to each of the water electrolysis cell modules of the water electrolysis cell module group at regular time intervals.
A water electrolysis system characterized by being equipped with.
請求項1に記載の水電解システムであって、
前記制御回路は、前記水電解セルモジュールに対応してそれぞれ設けられ、前記水電解セルモジュール群において隣接する水電解セルモジュール間で、前記ゲート信号を一定時間遅延させて伝達する遅延回路を備え、
前記ゲート信号の周期は前記水電解セルモジュールの各々の前記遅延回路における遅延時間の合計値であり、前記スイッチ素子をオフ状態にすることで直列接続された状態にある前記水電解セルモジュールに入力電力が供給されることを特徴とする水電解システム。
The water electrolysis system according to claim 1.
The control circuit is provided corresponding to the water electrolysis cell module, and includes a delay circuit for transmitting the gate signal with a delay of a certain period of time between adjacent water electrolysis cell modules in the water electrolysis cell module group.
The period of the gate signal is the total value of the delay times in each of the delay circuits of the water electrolysis cell module, and is input to the water electrolysis cell module in a state of being connected in series by turning off the switch element. A water electrolysis system characterized by being supplied with electric power.
請求項1または2に記載の水電解システムであって、
前記水電解セルモジュール群の入力端子は、太陽電池に接続されていることを特徴とする水電解システム。
The water electrolysis system according to claim 1 or 2.
A water electrolysis system characterized in that the input terminal of the water electrolysis cell module group is connected to a solar cell.
請求項3に記載の水電解システムであって、
前記太陽電池の出力が最大となる目標電流又は目標電圧を求める太陽電池最大出力制御目標値設定手段を備え、
前記制御回路は、前記入力端子を流れる電流が前記目標電流に追従するように、又は、前記入力端子に印加される電圧が前記目標電圧に追従するように前記スイッチ素子のオンオフ駆動を制御することを特徴とする水電解システム。
The water electrolysis system according to claim 3.
The solar cell maximum output control target value setting means for obtaining the target current or target voltage at which the output of the solar cell is maximized is provided.
The control circuit controls the on / off drive of the switch element so that the current flowing through the input terminal follows the target current, or the voltage applied to the input terminal follows the target voltage. A water electrolysis system characterized by.
請求項1〜4のいずれか1項に記載の水電解システムであって、
前記水電解セルの故障状態を検知する水電解セル故障検知手段を備え、
前記水電解セル故障検知手段において故障が検知された前記水電解セルを含む前記水電解セルモジュールの前記スイッチ素子をオン状態に維持することを特徴とする水電解システム。
The water electrolysis system according to any one of claims 1 to 4.
A water electrolysis cell failure detection means for detecting the failure state of the water electrolysis cell is provided.
A water electrolysis system characterized in that the switch element of the water electrolysis cell module including the water electrolysis cell in which a failure is detected by the water electrolysis cell failure detection means is maintained in an ON state.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2024097157A (en) * 2023-01-05 2024-07-18 トヨタ自動車株式会社 Water Electrolysis System

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07331474A (en) * 1994-06-13 1995-12-19 Fuji Electric Co Ltd Operation control system of water electrolysis device using solar battery as power source.
JP2001335982A (en) * 2000-05-25 2001-12-07 Honda Motor Co Ltd Method for operating water electrolytic system
US20110155583A1 (en) * 2010-03-13 2011-06-30 Haiming Li High efficient hydrogen generation with green engergy powers
JP2013049600A (en) * 2011-08-31 2013-03-14 Hitachi Ltd Regenerable energy storage system
WO2013046958A1 (en) * 2011-09-30 2013-04-04 株式会社日立製作所 Hydrogen production system
JP2014023361A (en) * 2012-07-20 2014-02-03 Toyota Motor Corp Power storage system, and control method
US20140285007A1 (en) * 2012-03-20 2014-09-25 Ajay Krishnan Power Management System for a Microbial Fuel Cell and Microbial Electrolysis Cell Coupled System
JP2018074709A (en) * 2016-10-27 2018-05-10 株式会社豊田中央研究所 Power unit and metho for controlling power unit
KR101926008B1 (en) * 2018-02-28 2018-12-06 이화전기공업 주식회사 A control and operating method of power converter for power supply of hydrogen electrolytic device using solar energy
CN110106512A (en) * 2019-04-17 2019-08-09 河北工业大学 Device for preparing hydrogen

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07331474A (en) * 1994-06-13 1995-12-19 Fuji Electric Co Ltd Operation control system of water electrolysis device using solar battery as power source.
JP2001335982A (en) * 2000-05-25 2001-12-07 Honda Motor Co Ltd Method for operating water electrolytic system
US20110155583A1 (en) * 2010-03-13 2011-06-30 Haiming Li High efficient hydrogen generation with green engergy powers
JP2013049600A (en) * 2011-08-31 2013-03-14 Hitachi Ltd Regenerable energy storage system
WO2013046958A1 (en) * 2011-09-30 2013-04-04 株式会社日立製作所 Hydrogen production system
US20140285007A1 (en) * 2012-03-20 2014-09-25 Ajay Krishnan Power Management System for a Microbial Fuel Cell and Microbial Electrolysis Cell Coupled System
JP2014023361A (en) * 2012-07-20 2014-02-03 Toyota Motor Corp Power storage system, and control method
JP2018074709A (en) * 2016-10-27 2018-05-10 株式会社豊田中央研究所 Power unit and metho for controlling power unit
KR101926008B1 (en) * 2018-02-28 2018-12-06 이화전기공업 주식회사 A control and operating method of power converter for power supply of hydrogen electrolytic device using solar energy
CN110106512A (en) * 2019-04-17 2019-08-09 河北工业大学 Device for preparing hydrogen

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