(57)【要約】【課題】再生可能エネルギーを主なエネルギー源として、急速充電に適した充電システムを提供する。【解決手段】太陽電池１０からの電力により充電可能な二次電池１４と、水を電気分解することで水素を発生させる水電解装置１８と、水電解装置１８で生成された水素を貯蔵する水素貯蔵装置２０と、水素貯蔵手段２０に貯蔵された水素を使用して発電を行う燃料電池２２と、を備え、二次電池１４及び燃料電池２２から供給される電力を外部への充電電力として供給可能な充電システム１００とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
再生可能エネルギーによる発電源からの電力により充電可能な二次電池と、
水を電気分解することで水素を発生させる水素発生手段と、
前記水素発生手段で生成された水素を貯蔵する水素貯蔵手段と、
前記水素貯蔵手段に貯蔵された水素を使用して発電を行う燃料電池と、
を備え、
前記二次電池及び前記燃料電池から供給される電力を外部への充電電力として供給可能な充電システム。
【請求項２】
請求項１に記載の充電システムであって、
前記水素発生手段は、前記二次電池に充電された電力により水素を発生させることを特徴とする充電システム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の充電システムであって、
前記水素発生手段は、前記発電源からの電力により水素を発生させることを特徴とする充電システム。
【請求項４】
請求項３に記載の充電システムであって、
前記発電源からの電力は、前記二次電池に優先的に充電されるように制御され、
前記二次電池の充電率（ＳＯＣ）が予め定められた第１基準値に達したら前記発電源からの電力を用いて前記水素発生手段により水素を発生させることを特徴とする充電システム。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の充電システムであって、
前記水素発生手段は、外部からの系統電力により水素を発生させることを特徴とする充電システム。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の充電システムであって、
外部への充電電力の供給時において、前記二次電池の充電率（ＳＯＣ）が予め定められた第２基準値未満となったら前記燃料電池も併用して外部への電力を供給することを特徴とする充電システム。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の充電システムであって、
都市ガスの改質により水素を発生させる改質型水素生成手段をさらに備えることを特徴とする充電システム。
【請求項８】
請求項７に記載の充電システムであって、
前記発電源による発電電力量の予測値と外部への充電電力量の予測値と差分である不足電力量を賄う量の水素を予め前記水素発生手段又は前記改質型水素生成手段により発生させて前記水素貯蔵手段に貯蔵させておくことを特徴とする充電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、充電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
１台の電気自動車用急速充電器と、その電気自動車用急速充電器からの電力をｎ個の各充電アダプタに分配するようにした急速充電ディストリビューターとを備えた電気自動車用急速充電装置を用いて電気自動車を充電する技術が開示されている（特許文献１）。この技術では、各充電アダプタに流れる電流値の合計が電気自動車用急速充電器の最大出力電流値以下の範囲で最大となるようにしながら、同時に複数台の電気自動車の充電を行う構成とされている。
【０００３】
また、燃料電池の直流出力をインバータにより交流変換して出力する燃料電池パッケージと、燃料電池の直流出力を電圧調整して電気自動車のバッテリに適合した電圧を出力する充電器とから成る電気自動車のバッテリ充電システムが開示されている（特許文献２）。この技術では、燃料電池の負荷電流を検出する電流センサと、燃料電池の負荷電流 が燃料電池の定格電流以上になったときはインバータの位相を制御して交流有効電流を減少し、燃料電池の負荷電流が定格電流以下になったときはインバータの位相を制御して交流有効電流を増加する自動電流調整器及びゲートドライブ回路とが設けられている。
【０００４】
また、電力系統１から給電された電力を貯蔵する電池本体及び電池管理装置を有する蓄電池と、電力系統２から蓄電池への給電及び蓄電池に貯蔵された電力により動作する負荷としての急速充電器への給電を制御する制御手段としての管理装置、切換スイッチ及びパワーコンディショナとを備えた給電装置が開示されている（特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１３０５９３号公報
【特許文献２】特開平６−２２５４０６号公報
【特許文献３】特開２０１３−１３５４７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載の技術では、多数台の電動車両を同時に充電する場合等において、系統電力の容量の範囲内で行うことが必要である。したがって、充電初期では車両は急速充電器に接続され、充電が進行したら次の車両に急速充電器を切り替えて充電を行うといった対策を行っている。しかしながら、充電率が低い車両が複数台同時に存在する場合はいずれかの車両は充電待ちの状態となるおそれがある。
【０００７】
また、特許文献３に記載の技術では、系統電力の契約電力量を低下させるために二次電池を併用する態様が提案されている。しかしながら、連続又は同時に急速充電が行われる場合の電池充電量の枯渇については考慮されていない。二次電池の充電率が低下した場合、二次電池を一旦充電して充電率を高くしなければ次の急速充電が行えないので、連続で急速充電を行うことは困難である。
【０００８】
また、特許文献２に記載の技術では、燃料電池を充電器として使用したシステムが述べられている。しかしながら、燃料電池単体で急速充電器として用いる場合、水素発生の効率と燃料電池の発電効率の積が全体の効率となるため、必ずしも効率の良い充電器とはいえない。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の１つの態様は、再生可能エネルギーによる発電源からの電力により充電可能な二次電池と、水を電気分解することで水素を発生させる水素発生手段と、前記水素発生手段で生成された水素を貯蔵する水素貯蔵手段と、前記水素貯蔵手段に貯蔵された水素を使用して発電を行う燃料電池と、を備え、前記二次電池及び前記燃料電池から供給される電力を外部への充電電力として供給可能な充電システムである。
【００１０】
また、前記水素発生手段は、前記二次電池に充電された電力により水素を発生させることが好適である。
【００１１】
また、前記水素発生手段は、前記発電源からの電力により水素を発生させることが好適である。
【００１２】
また、前記発電源からの電力は、前記二次電池に優先的に充電されるように制御され、前記二次電池の充電率（ＳＯＣ）が予め定められた第１基準値に達したら前記発電源からの電力を用いて前記水素発生手段により水素を発生させることが好適である。
【００１３】
また、前記水素発生手段は、外部からの系統電力により水素を発生させることが好適である。
【００１４】
また、外部への充電電力の供給時において、前記二次電池の充電率（ＳＯＣ）が予め定められた第２基準値未満となったら前記燃料電池も併用して外部への電力を供給することが好適である。
【００１５】
また、都市ガスの改質により水素を発生させる改質型水素生成手段をさらに備えることが好適である。
【００１６】
また、前記発電源による発電電力量の予測値と外部への充電電力量の予測値と差分である不足電力量を賄う量の水素を予め前記水素発生手段又は前記改質型水素生成手段により発生させて前記水素貯蔵手段に貯蔵させておくことが好適である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、再生可能エネルギーを主なエネルギー源として、急速充電に適した充電システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態における充電システムの構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態における充電システムの構成の別例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の実施の形態における充電システム１００は、図１に示すように、太陽電池１０、直流／直流変換器（ＤＣ／ＤＣ）１２、二次電池１４、直流／直流変換器（ＤＣ／ＤＣ）１６、水電解装置１８、水素貯蔵装置２０、燃料電池２２（２２ａ，２２ｂ）、直流／直流変換器（ＤＣ／ＤＣ）２４（２４ａ，２４ｂ）、急速充電器２６（２６ａ，２６ｂ）及び制御装置２８を含んで構成される。
【００２０】
充電システム１００は、車両２００（２００ａ，２００ｂ）に対して電力を供給する。車両２００は、電気自動車やハイブリッド自動車のバッテリを搭載した車両とすることができる。具体的には、急速充電器２６（２６ａ，２６ｂ）を介して車両２００へ電力が供給される。
【００２１】
太陽電池１０は、太陽エネルギーを受けて光電変換を行うことによって発電を行う。太陽電池１０は、その発電電力を必要に応じて二次電池１４に供給することができる。例えば、太陽電池１０は、ＤＣ／ＤＣ１２を介して出力電圧を変換して二次電池１４に電力を供給する。
【００２２】
なお、本実施の形態では太陽電池１０としたが、再生可能エネルギーを利用した発電手段を備えるものであればよい。再生可能エネルギーとは、太陽・地球物理学的・生物学的な源に由来し、自然界によって利用する以上の速度で補充されるエネルギー全般を指す。例えば、太陽光、風力、波力・潮力、流水・潮汐、地熱、バイオマス等、自然の力で定常的（もしくは反復的）に補充されるエネルギー資源より発電する手段であればよい。
【００２３】
二次電池１４は、充電を行うことにより電力を蓄えられ、繰り返し使用できる電池である。二次電池１４は、例えば、リチウムイオン電池、ニッケル・水素電池、鉛電池等とすることができる。二次電池１４は、太陽電池１０，燃料電池２２（２２ａ，２２ｂ）から電力を受けて充電される。また、二次電池１４は、その発電電力を必要に応じて水電解装置１８及び車両２００（２００ａ，２００ｂ）に供給することができる。例えば、二次電池１４は、ＤＣ／ＤＣ１６を介して電圧を変換して水電解装置１８へ電力を供給する。また、例えば、二次電池１４は、急速充電器２６（２６ａ，２６ｂ）を介して電圧を変換して車両２００（２００ａ，２００ｂ）へ電力を供給する。
【００２４】
水電解装置１８は、電気エネルギーにより水を分解して水素を製造する装置（水素発生手段）である。水電解装置１８によって生成された水素は水素貯蔵装置２０へ出力される。水素貯蔵装置２０は、水電解装置１８によって生成された水素を貯蔵するための装置（水素貯蔵手段）である。水素貯蔵装置２０は、水素を高圧ガスとして貯蔵するタイプ、水素を液化して貯蔵するタイプ、水素を有機物に化合させて貯蔵するタイプ、水素を水素吸蔵合金に吸蔵させて貯蔵するタイプ等が挙げられる。水素貯蔵装置２０に貯蔵された水素は、制御装置２８からの水素制御信号に応じて燃料電池２２（２２ａ，２２ｂ）へ供給される。
【００２５】
燃料電池２２（２２ａ，２２ｂ）は、電気化学反応によって燃料の化学エネルギーを電気エネルギーに変換して出力する電池（発電源）である。本実施の形態では、燃料電池２２は、燃料である水素を空気中の酸素と反応させることにより水を生成すると共に電力を取り出すことができる構成とされる。燃料電池２２は、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）、直接型燃料電池（ＤＦＣ）等が挙げられるが、特に限定されるものではない。燃料電池２２は、ＤＣ／ＤＣ２４（２４ａ，２４ｂ）を介して電圧を変換して二次電池１４へ電力を供給する。
【００２６】
急速充電器２６（２６ａ，２６ｂ）は、車両２００（２００ａ，２００ｂ）のバッテリ等に対して電力を供給して充電するための充電器である。急速充電器２６は、車両２００のバッテリの状況を常に監視しつ、充電状態の変化に伴って時々刻々と変化するバッテリの状態に応じて適切な充電電流を算出し、その算出値に応じた直流電流を出力する。
【００２７】
制御装置２８は、二次電池１４に設けられたセンサＳ１から二次電池１４の現在の状態の測定値、急速充電器２６（２６ａ，２６ｂ）に設けられたセンサＳ２，Ｓ３から充電状態の測定値を受けて充電システム１００を制御する。制御装置２８は、急速充電器２６を介した二次電池１４から車両２００への電力の供給、水電解装置１８における水素の生成、水素貯蔵装置２０から燃料電池２２への水素の供給、各ＤＣ／ＤＣ１２，１６，２４における電圧変換処理等を制御する。
【００２８】
充電システム１００では、太陽電池１０で発電された電力は二次電池１４に優先的に充電され、二次電池１４に蓄えられた電力は急速充電器２６を介した車両２００への急速充電に用いられる。
【００２９】
また、充電システム１００では、二次電池１４の充電率（ＳＯＣ）が第１基準値以上の高い状態において、水電解装置１８に電力を供給して水を電気分解することで水素を生成させる。具体的には、制御装置２８は、二次電池１４に設けられた電圧センサ及び電流センサからの出力信号を受けて、充電率（ＳＯＣ）を算出し、当該充電率（ＳＯＣ）が第１基準値以上であればＤＣ／ＤＣ１６を制御して二次電池１４から水電解装置１８へ電力を供給する。これによって、水電解装置１８において水の電気分解が行われて水素が生成される。水電解装置１８で生成された水素は水素貯蔵装置２０に貯蔵される。
【００３０】
二次電池１４が満充電に近い状態においてのみ水素の形でエネルギー貯蔵を行う。
【００３１】
また、二次電池１４の充電率（ＳＯＣ）が第２基準値以下の低い状態において車両２００の急速充電を行う場合、燃料電池２２により発電を行い、車両２００への急速充電を行う。すなわち、燃料電池２２を用いた急速充電は、二次電池１４の充電率（ＳＯＣ）が低い場合や二次電池１４単体での出力能力を超えた場合に行われる。具体的には、制御装置２８は、二次電池１４に設けられた電圧センサ及び電流センサからの出力信号を受けて、充電率（ＳＯＣ）を算出し、当該充電率（ＳＯＣ）が第２基準値以下であれば水素貯蔵装置２０から燃料電池２２へ水素を供給させる。
【００３２】
二次電池１４が急速充電に不十分な状態においてのみ燃料電池２２による発電において水素を使用する。
【００３３】
例えば、太陽電池１０による発電の効率を１５％とすると、二次電池１４への充電効率（直流／直流電圧変換の効率も含む）を９０％、二次電池１４の放電効率を９０％、急速充電器２６の効率を９０％とすると、全体の効率は１０．９％（１５％×９０％×９０％×９０％）となる。
【００３４】
これに対して、水素貯蔵装置２０において水電解により水素に変換し、水素を用いる燃料電池２２において発電して車両２００を充電を行う場合、水電解の効率（直流／直流電圧変換の効率も含む）を７０％、燃料電池２２の発電効率（直流／直流電圧変換の効率も含む）を７０％とすると、全体の効率は６．６％（１５％×７０％×７０％×９０％）となる。
【００３５】
したがって、水素の形でエネルギー貯蔵を行うのは、二次電池１４が第１基準値以上であり、十分な充電率である場合に限定することが好適である。
【００３６】
また、二次電池１４の充電率が低いとき、複数の車両２００に対して同時に充電を行う場合に備えて燃料電池２２を複数設けることが好適である。燃料電池２２による発電システムでは、エネルギーを貯蔵する水素貯蔵装置２０と発電部である燃料電池２２とを分離した設計が可能であり、急速充電を行う頻度（時間間隔）と同時に出力する最大充電電力量に応じて蓄えるべき水素量（＝水素貯蔵装置２０の大きさ）や燃料電池２２の数を調整し易い。また、二次電池１４を大型化する場合に比べて、水素の方が圧縮等を行うことでエネルギー密度を高くすることが可能であるため、小型化がし易いというメリットがある。
【００３７】
また、太陽電池１０等の再生可能エネルギーにより急速充電を賄う場合、天候不順等で発電量が減少し、急速充電に必要なエネルギー量が賄えない可能性がある。そうした場合に備えて、図２に示すように、都市ガス（天然ガス）を改質して水素を発生させ、水素貯蔵装置２０に蓄えるガス改質装置（改質型水素生成手段）３０を追加してもよい。
【００３８】
また、系統電力（外部電力）によって二次電池１４を充電する構成を設けることも好適である。また、系統電力により水電解を行い、水素貯蔵装置２０に貯蔵させる構成を設けることも好適である。
【００３９】
このような構成とすることで、再生可能エネルギーによる二次電池１４への充電及び水素の生成ができない状態においても急速充電を行うことが可能である。
【００４０】
また、所定期間先の天気予報の情報から再生可能エネルギーによる発電量（発電電力量）を予測し、急速充電の需要予測（例えば、過去の実際の急速充電利用実績データ等を使用）から計算した急速充電に必要なエネルギー量と予測発電量との差分（＝不足電力量）をガス改質装置３０によって生成した水素や系統電力による水電解によって生成した水素で賄うようにしてもよい。これにより、天候等の不確定要素によらず、急速充電の需要を満たすことができる。
【符号の説明】
【００４１】
１０  太陽電池、１２，１６，２４  直流／直流変換器（ＤＣ／ＤＣ）、１４  二次電池、１８  水電解装置、２０  水素貯蔵装置、２２  燃料電池、２６  急速充電器、２８  制御装置、３０  ガス改質装置、１００  充電システム、２００  車両。
【図１】
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【図２】
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