太陽電池と固体高分子電解槽のマッチングに関する研究：後藤勝也、船越孝章、林健一、奈良学、原俊也、内田裕久、林誠明

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 HAYASHI

As 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

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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 X

1

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 η

A

=

X m / X

t

X

1

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 ・⑦

4.

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/.

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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

=

1

2R

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

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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)

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解 効 率 図

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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

-

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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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-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

，

K. Terao and Y.C.Yuang: Crrent Prob1ems in the Development a. nd App1icatio.nof Hydrogen Storage Materia1s

，

Z.Phys.Chem.N.F.

，

Voll 64

，

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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