水素エネlレギーシステム Vo1.18, No.1, 1993 研究論文 コ主こ民島聖書主主也と匡盟主本声高ヨケモ子軍軍粛軍宇宙 CT:> て7 ツ ヲ 二 三 / とf むこ問題マまーと〉石汗多忠 ※ 後 藤 勝 也 ( 院 ) 船 越 孝 章 ( 学 〉 林 健 一 ( 学 ) 奈 良 学 〈 現 松 下 電 池 工 業 ( 株 ) ) 原 俊 也 ( 現 ア イ シ ン 精 機 ( 株 ) ) 内 田 裕 久 〈 ヱ ) 林 誠 明 〈 工 〉 1)東 海 大 学 工 学 部 干259-12 神 奈 川 県 平 塚 市 北 金 目1117
Studies on the Match between the PV Array and S.P.E. Electrolyser Katsuya GOTO
,
Takaaki FONAKOSHI,
Kenichi HAYASHI,
Manabu NARA,
Toshiya HARA
,
Hirohisa UCHIDA,
Tomoaki HAYASHIAs the problem of the low and intermittent energy density of solar energy
i
s
solved with changed solar onergy into hydrogen energy,
it is important for advancing of energy conversion efficiency in a system that the matching of the highest working condition of the energy conversion equipment. In this paper,
it required that the characteristic of solar generator and the condition searched for improvement of energy conversion efficiency from solar energy to hydrogen energy when the system operated. al1 day long.l 緒 言 自然エネルギ}の99.9%を 占 め る 太 陽 エ ネ ル ギ ー は 、 将 来 の エ ネ ル ギ ー 源 と し て 実 用 化 が 強 く 望 ま れ て い る も の の 、 エ ネ ル ギ ー 密 度 の 希 薄 性 お よ び 変 動 性 と い う 問 題 を 持 ち 、 他 の エ ネ ル ギ ー 形 態 へ の 変 換 に よ る 利 用 が 考 え ら れ て い る け 。 と の 問 題 解 決 の ー っ と し て 、 現 在 世 界 的 に 太 揚 エ ネ ル ギ } を 水 素 エ ネ ル ギ ー へ 変 換 し 貯 蔵 利 用 す る 様 々 な シ ス テ ム の 設 計 が な さ れ2. 11ヘ 一 部 試 験 さ れ て い る 川 。 乙 の な か で 太 陽 電 池 と 水 電 解 装 置 の 最 適 作 働 状 態 を 合 わ せ る 技 術 は 、 シ ス テ ム 効 率 の 向 上 に お い て 不 可 欠 で あ る た め 重 要 視 さ れ て お り Eヘ 現 在 試 験 中 の シ ス テ ム に お い て も こ の 点 に 注 目 し て い る4) 。 し か し 、 そ の マ ッ チ ン グ 技 術 は 太 陽 電 池 ー ア ル カ リ 水 電 解 の 組 み 合 わ せ が ほ と ん ど で あ り 、 7](電 解 装 置 に 国 体 高 分 子 電 解 槽 を用いた報告は少ない。 我 々 は1977年 よ り 太 陽 エ ネ ル ギ ー を 国 体 高 分 子 電 解 質 を 用 い た 水 電 解 装 置 に よ り 水 素 に 変 換 し 、 水 素 吸 蔵 合 金 を 用 い て エ ネ ル ギ ー を 貯 蔵 す る シ ス テ ム の 測 定 を 行 っ て き た ト8) 今 回 は 本 シ ス テ ム の 太 陽 電 池 と 固 体 高 分 子 電 解 槽 の マ ッ チ ン グ に関して検討したので報告する。 ハU
太 J 子 ) 別 れ 分 F M J , 糊 一 山 一 阿 川 ⋮ 一 げ 単 自 国 力 の
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気 。 水 で は 水 で 多 ド 、 ル 除 ク リ 学 定h
電 る 純 ま 系 た 系 は 、 に ゲ を ン 一 川 大 国d
の せ 脂 四 水 つ 環 索 で 的 カ 分 タ ん 海 ' 日 水 さ 樹 Q 純 か 循 水 の 理 リ 水 金 い ト 東 き お 、 成 換 M u e な る た る 物 シ に 合 川 ( 向 ( し 生 交 は る し 戻 し い で ・ 的 蔵 る し 池 南 槽 給 を ン わ い 与 へ 生 で 一 ブ 学 貯 れ 図 電 。 解 供 索 オ F L 用 関 ク 発 ん タ 一 化 紫 ら 阻 問 問 山 電 に 水 イ 皮 を に ン 合 ル シ で 水 え 3 . エ ネ ル ギ 一 変 換 効 率3. 1
太 陽 電 池 の 変 換 効 率 太 陽 電 池 の 変 換 効 率 は 、 太 陽 電 池 に 入 射 す る エ ネ ル ギ ー Pinと負荷抵抗で消 費 さ れ る エ ネ ル ギ ー Poutから次式のように表される。 η solar=
P in / P out X1
0
0
(%) ・・・ ① 3. 2 国 体 高 分 子 電 解 槽(S.P.E.)の変換効率 国 体 高 分 子 電 解 槽 の 変 換 効 率 、 つ ま り 電 解 効 率 は 電 圧 効 率 と 電 流 効 率 と で 決 ま る。 電 圧 効 率 は 測 定 電 圧Vm
と理論電解電圧Vt
から マV
=
Vt'/ V
r
n
X 1
0
0
(
%
)
・・・ ② と 表 さ れ る 。 乙 乙 で 理 論 電 解 電 圧Vt
は等温、定圧のもとで、L
1
G=
zF'Vt
・・・ ③ より求められる。ただし、 zは物質のイオンの価数、 Fはフアラヂ一定数である。 電流効率はフロート式流量計により測定した水素発生量‘Xrnとファラデーの法 則 か ら 求 め ら れ る 理 論 水 素 発 生 量Xt
より ηA
=
X m / Xt
X1
0
0
(
%
)
・・・ ④ と な る 。 乙 こ で 理 論 水 素 発 生 量Xt
は流れた電気量 Q、 生 成 さ れ た イ オ ン の モ ル 数 mと す る と 、 フ ァ ラ デ ー の 治 則 Q = z F mから τ, . 4水素エネルギーシステム Vol.18, No.l, 1993 研究論文 X
t
= Q / z. F X 22.4 X 3 ・・・ ⑤ より求められる。 これより電解効率は次式で求められる。 ヮE
= ヮV X
r;A
③ 3 - 3 水 素 八 の 変 換 効 率 以 上 よ り 、 太 閤 エ ネ ル ギ ー か ら 水 素 エ ネ ル ギ ー ヘ の 変 換 効 率 は 、 式 ① と @ を 用 いて次式で求められる。 ヮl
h
= ヮ solar X ヮE ・⑦4.
実 験 方 法4-1
太 陽 電 池 のV-I
特 性 測 定 は 晴 天 時 に 可 変 抵 抗 器 (0'"'-'∞
Q)を 太 掲 電 池 に 接 続 し 行 い 、 測 定 時 の 日 射 量変化が土5
.OX 1
0
-
3
(
k
w
/
m
2)の範囲内であった時の鑑を結果とした。4-2
国 体 高 分 子 電 解 槽(
S
.P
.
E
.
)の特性S
.
P
.
E
.
の み を 評 価 す る た め に 憶 源 を 太 陽 電 泊 の 代 わ り に 底 流 定 電 流 装 置 を 用 い た 。 実 験 は 毎 回 測 定 開 始 時 に タ ン ク 内 の 純 水 が 同 じ 量 に な る よ う に し 定 電 流 をS
.
P
.
E
.
にかけ電圧が一定となった時点の電流、電圧、S
.P
.
E
.
表 面 温 度 、 循 環 純 水 温 度、水素苑生量を測定した。4-3
太陽電池とS
.P
.
E
.
の シ ス テ ム 特 性 実 験 は 太 陽 電 池 か ら の 電 力 を す べ てS.P. E.に 供 給 す る 方 法 で 、 日 射 量 の 瞬 時 の 変 化 が 比 較 的 少 な い 快 晴 時 に 行 っ た 。 方 法 は8
:
5
0
に太陽電池とS
.P
.
E
.
を接続し5
分、 または1
0
分おきに9
:
0
0
-
-
-
-
1
7
:
0
0
までS
.P
.
E
.
のみの特性測定時閥横、電流、電圧、S
.
P
.
E
.
表 面 温 度 、 循 環 純 水 温 度 、 水 蒸 発 生 量 を 測 定 し たe 5 . 実 験 結 果 お よ び 考 察5
-1
太 陽 電 池 のV-I
特 性 図.2 ~;t太陽電池 30 枚 60 をすべて並列に接続し たときのV-I
特 性 で ある. これより太陽電池を 中 心 に 本 シ ス テ ム を 一 日中稼働させるとき、 出力電圧を 12.0"-' 13.日 程 度 に 保 つ こ と が 太 陽 電 池 の 変 換 効 率 を 向 上 さ せ る た め に 必 要 で あ ることがわかった。 50~1. (lIX IO"'(U/川 1.21SX 10"士t.303 X 10" (kY/. ') 1,IHxIO"士l.tHXIO"(U/.・
3 F l n u ' Q ( ︽ )a
;
30 1-コ u 203.H1XI0" 士 1~I 1\ xlO"(U/.・3 1.31IX I
・
"(U/.勺 10。
。
5 10 15 20 Voltage (V) 国.2
太 陽 電 池V-I
特 性-12-5-2
国 体 高 分 子 電 解 摺C
S
.
P
.
E
.
)
図.3
に 電 流 一 電 圧 特 性 のグラフを、図.4に電解 効 率 の グ ラ フ を そ れ ぞ れ 示 し た 。 こ れ か ら 、 電 流 の 上 昇 に よ り 過 電 圧 が 大 き く な り、m
解 効 率 を 低 下 さ せ て いることカTわかる。 図.5
に 電 流 -8
.
P
.
E
.
抵 抗 特 性 、 一 水 温 特 性 の グ ラ フ を 示 す 。 水 温 を 上 昇 さ せ るのはE=
12R
よ り 供 給 電 流 の 上 昇 に と も な い 太 陽 エ ネ ル ギ ー の 一 部 が 、 熱 エ ネ ル ギ } に 変 換 さ れ る 割 合 が 増 す た め で あ る こ と が わ かる。また、 8.P. E.は間体 高 分 子 践 を 使 用 し て い る た め 温 度 依 存 性 を 示 す 引 。 水 温 の 上 昇 に と も な い 抵 抗 値 が 下 が っ て い る こ と を 表 し たものが図.6
の水温-8.
P
.
E
.
抵抗特性である。 O O -低 l北を ~m に伐脱した均 olll 院を倹焼しない t~' 斗 20 currenl (A)s
.
P. E:電 流 一 電 圧 特 性 2. I 2・12 '.' 0 0 t. . 2 ":' 1.( 円 ・ o. 0 10. d'^ コ:.v o・
v 15 の特性 よ 5 O 10 ( ﹀ ) ω m o z o ﹀}}印 U 図.3 町 山 { ・ と h u c 山 一 U 一 ﹄ 苫 • I底抗t-並FIJ に 1.Il鋭した,~ 01医院を~tÆしない時 o o 10. ! o 0,
0 0・
o 7・
‘
・
.
・
.
3・
12 了I 2 O O 100 150 200 wall (W) 50f
t
t
解 効 率 図.4
曲 目 1 供 向 L n M眠い 抽 出 な に -b 4 a 高 山 山 側 広 ‘ 政 官 院 抗 侃 際 ・ 自 o 10. ・-• 0 o,
'
.由1 3.0 1.5 1.01 70 -担抗 UI Tlに腕枕し ~I , 。抱 I^ を~視しない叫 30 q fJ ~ io ・1
U 0;.10 VI 4.・
s • 0'・.• e 11 1.1 。畠 ~O waler temperak.re-('C) 水 温-
S
.
P
.
E
.
抵 抗 特 性 o 2S 05ト 0 20 20 curren~ (A) . 電 流 一s
.
P. E.抵抗、 司 円 u n v 国.s
以 上 よ り 百 供 給 電 流 の 上 昇 に と も な い 電 解 効 率 は 過 電 圧 の 増 大 に よ っ て 鑑 下 す る も の の 可 水 温 が 上 昇 す る こ と でs
.
P
.
E
.
の 掻 抗 が 下 が る こ と が わ か っ た @ こ れ か ら....s
.
P. E.の 作 動 温 度 を 高 く す る こ と でs
.
P. E.抵 抗 を 下 げ る と と が で き 可 過 電 圧 の 減 少 が 図 れ る と 思 わ れ 、 そ の 結 果 、 電 解 効 率 は 上 昇 す る と 考 え ら れ る @ -13-一 水 温 特 性 図.5
水素エネルギーシステム Vol.18. No.1, 1993 研究論文
5-3
太陽電池とs
.
P
.
E
.
のシステム特性 国.7に一日のシステム稼働状態を効率に費目したグラフ.を、図.8に電流-
s
P
.
E
.
抵抗特性をそれぞれ示した。 10 -¥..-.¥Solll.r r ll. ~l e. tion M、
"
-
-
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向、、、 、 、1¥
~ ...~ ¥/¥J1: ¥ ~/''''山川 、 KlactrolY~Br effici何川凶引en附1 t 聞…、.
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.
P
.
E
.
抵 抗 ロ 目。
o o o• •
図.8
.
.
、
ー•
•
•
ム 10 oo
-14-太 崎 電 池 と S.P. E.のマッチングを考える場合、 S.P. E.の 抵 抗 お よ び 水 温 を 制 御 す れ ば よ い ご と が 明 か と な っ たo 特に本システムでは、 S.P. E.抵 抗 を 午 前 中 は 低 く す る よ う に 熱 供 給 を 行 う こ と で 、 太 描 電 池 の 変 換 効 率 お よ び 電 解 効 率 を も 上 昇 さ せ る と 思 わ れ る 。 こ れ よ り 、 一 日 の 太 燭 エ ネ ル ギ ー か ら 水 素 エ ネ ル ギ ー へ の 変 換 効 率 が 時 刻 に 関 係 な く 一 定 の 値 を 示 し 、 シ ス テ ム の 変 換 効 率 が 上 昇 す る と 考 え られる。 今 後 、 さ ら に 従 来 か ら 行 っ て い る 発 生 水 素 の 貯 蔵 効 率 と の 関 連 性 を 追 求 す る 予 定 で あ る 。 ま た 、 水 素 貯 蔵 合 金 と S.P. E.発 生 水 素 と の 反 応 性 に つ い て も 検 討 を 行 う1O. 1 1 )。 謝 辞 本 研 究 に 用 い たS.P. E.に つ い て は 大 阪 工 業 試 験 所 竹 中 啓 恭 、 川 見 洋二両 氏 に 御 指 導 を い た だ き ま し た 。 と 乙 に 感 謝 い た し ま す 。 参 考 文 献 1) 太田 時男:水素エネルギー,講談社, (1974)
2) T.N.Veziroglu and F.Barbir: Initation of Hydrogen.Energy System in Developing Countries, Int.J.Hydrogen Energy, Vo117,p527-538(1992) 3) K.Ledjeff: Conparison of Storege Options for Photovoltaic Systems
,
Int.J.Hydrogen Energy Vo115,p629-633(1990)
4) A.Brinner
,
H.Bussmann,
W.Hug and W.Seeger: Test Results of the Hysolar 10kw PV-E1ectrolysis Faci1ity, Int.J.Hydrogen Energy,Vol17,p187-197(1992)
5) P.A.Lehman and C.E.Chamberlin: Design of a Photovoltaic-Hydrogen-Fue 1 ce11 Energy, Int.J.Hydrogen Energy, Vo116,p349-352(1991)
6) Y.C.Yuang,H.Goto,A.Sato,T.Hayashi and H.Uchida: Solar Energy Storage by Metal Hydride, Z.Phys.Chem.N.F.,Vo1164,p1391-1396(1989)
7) 内 田 裕 久 後 藤 弘 之 林 誠 明 黄 燕 清 : 第8回 エ ネ ル ギ ー ・ 資 源 研 究 発 表 会 鵡 演 論 文 集 p99(1989) 8) 後 藤 勝 也 奈 良 学 原 俊 也 内 田 裕 久 林 誠 明 黄 燕 清 : 第52田 応 用 物 理 学 会 講 演 予 稿 集No.1 p380(1991) 9) 竹 中 啓 恭 鳥 養 栄 一 川 見 洋 二 若 林 昇 境 哲 男 : 電 気 化 学 , Vo152, p351寸 57(1984)
10) H. Uchida
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p1275-1284(1989)11) H. Uchida, Y. Ohtani, M. Ozawa, T. Kawahata and T.Suzuki: Surface Processes of H2 in the Initia1 Activation, J.Less-Comrnon Met, Vol172-174,p983-996(1991)
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