(57)【要約】【課題】供給される電力が変動する場合であっても、電気分解によって効率的に目的の物質を製造する。【解決手段】電解システム１は、再生可能エネルギーを用いて発電する発電装置１０から供給される供給電力を用いて化合物の電気分解を行うと共に、定格電力が発電装置１０で発電可能な最大電力より低く設定された電解装置２０と、電解装置２０で消費しきれなかった余剰電力を蓄電する蓄電装置５０と、を備える。【選択図】図１
2019029050.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
再生可能エネルギーを用いて発電する発電装置から供給される供給電力を用いて化合物の電気分解を行う電解装置と、
前記供給電力のうち、前記電解装置で消費しきれなかった余剰電力を蓄電する蓄電装置と、を備え、
前記電解装置での電気分解に要する消費電力が、前記発電装置で発電される最大電力より低いことを特徴とする
電解システム。
【請求項２】
前記消費電力が前記発電装置の平均発電電力に設定された
請求項１記載の電解システム。
【請求項３】
前記蓄電装置は、前記供給電力が前記消費電力未満である場合、前記消費電力と前記供給電力との差分に相当する電力を前記電解装置に供給する
請求項１又は請求項２記載の電解システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、電極に電圧を印加して、電極の周囲に存在する化合物を複数種類の物質に分解することで、目的の物質を製造する電解装置を含んだ電解システムが知られている。電解システムでは物質の製造に電気エネルギーを用いるため、比較的多くの電力を消費することがある。したがって、化合物の電気分解に必要な電力を発電する際に排出される二酸化炭素ガスの量を削減するために、化合物の電気分解に再生可能エネルギーを用いて発電された電力が用いられることがある。
【０００３】
例えば、特許文献１及び特許文献２には、再生可能エネルギーを用いて発電された電力を用いて水を電気分解し、水素を製造する電解装置を含んだ電解システムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−１２２３９９号公報
【特許文献２】特開２０１６−３７６４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
太陽光、風力、及び地熱といった再生可能エネルギーは自然の力を利用したエネルギーであるため、その特性上変動する。したがって、特許文献１及び特許文献２に示した電解システムでは蓄電装置を備え、再生可能エネルギーを用いて発電する発電装置から供給される電力が、化合物の電気分解に必要な電力を上回る場合には、余剰分の電力を蓄電装置に蓄電し、発電装置から供給される電力が、化合物の電気分解に必要な電力に満たない場合には、不足分の電力を蓄電装置から供給して、発電装置から供給される電力の変動に備えている。
【０００６】
しかしながら、商用電力に比べて供給される電力の変動が大きい電解システムにおいて、どの程度の消費電力を有する電解装置を用いれば効率的に目的の物質を製造することができるかについては明らかにされていない。
【０００７】
したがって、本発明は、供給される電力が変動する場合であっても、電気分解によって効率的に目的の物質を製造することができる電解システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の電解システムは、再生可能エネルギーを用いて発電する発電装置から供給される発電電力を用いて化合物の電気分解を行う電解装置と、前記発電装置で発電された電力のうち、前記電解装置で消費しきれなかった余剰電力を蓄電する蓄電装置と、を備え、前記電解装置での電気分解に要する消費電力が、前記発電装置で発電される最大電力より低いことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の電解システムによれば、供給される電力が変動する場合であっても、電気分解によって効率的に目的の物質を製造することができる、という効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】電解システムの構成例を示す図である。
【図２】蓄電装置の電気系統の要部構成例を示すブロック図である。
【図３】蓄電制御処理の流れの一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、作用が同じ働きを担う部材及び処理には、全図面を通して同じ符合を付与し、重複する説明を省略する。
【００１２】
図１は、水を電気分解して水素を製造する電解システム１の構成例を示す図である。
【００１３】
図１に示すように、電解システム１は、発電装置１０、電解装置２０、酸素貯蔵装置３０、水素貯蔵装置４０及び蓄電装置５０を含む。
【００１４】
発電装置１０は、太陽光、風力及び地熱といった再生可能エネルギーを用いて発電した電力を電解装置２０に供給する。
【００１５】
電解装置２０は、正極電極及び負極電極を含み、発電装置１０からの供給電力を用いて正極電極及び負極電極に電圧を印加することで、化合物を電気分解する。この場合、正極電極では酸化反応が引き起こされ、負極電極では還元反応が引き起こされる。ここで、供給電力とは発電装置１０から供給される電力であり、供給電力は、発電装置１０で発電された発電電力の一例である。
【００１６】
化合物の一例である水を例にして、電気分解について説明する。電解装置２０に水（Ｈ２Ｏ）が供給され、正極電極及び負極電極に電圧が印加されることで、２Ｈ２Ｏ→２Ｈ２＋Ｏ２の化学反応が発生し、正極電極に酸素（Ｏ２）、負極電極に水素（Ｈ２）が生成される。
【００１７】
なお、電解装置２０に純水が供給される場合、純水は電気を通しにくいため、電気伝導性を高める目的で水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）等が加えられることがある。水酸化ナトリウムが加えられると純水は２Ｈ２Ｏ→２Ｈ＋＋２ＯＨ−で表されるように、水素イオンＨ＋と水酸化物イオンＯＨ−に分離しやすくなる。
【００１８】
この状態で正極電極及び負極電極に電圧が印加されると、負極電極では水素イオンに電子ｅ−が与えられる還元反応（２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２）が起こり、水素が生成される。また、正極電極では水酸化物イオンから電子が奪われる酸化反応（２ＯＨ−→Ｈ２Ｏ＋１／２Ｏ２＋２ｅ−）が起こり、酸素と水が生成される。
【００１９】
電解装置２０は、負極電極に発生した水素を収集し、収集した水素を例えばパイプラインを通じて水素貯蔵装置４０に送出する。また、電解装置２０は、正極電極に発生した酸素を収集し、収集した酸素を例えばパイプラインを通じて酸素貯蔵装置３０に送出する。
【００２０】
酸素貯蔵装置３０は、電解装置２０から送られてきた酸素を貯蔵する。また、水素貯蔵装置４０は、電解装置２０から送られてきた水素を貯蔵する。なお、酸素貯蔵装置３０における酸素の貯蔵形態、及び水素貯蔵装置４０における水素の貯蔵形態に制約はなく、気体、液体及び固体の何れの形態で貯蔵してもよい。
【００２１】
電解装置２０が一定量の水の電気分解を継続して安定的に行う際に消費する消費電力は、例えば電解装置２０の定格電力として表されるが、電解システム１では、定格電力が発電装置１０で発電可能な最大電力より低い電解装置２０が用いられる。
【００２２】
蓄電装置５０は、発電装置１０と電解装置２０とを接続する電気系統に接続され、発電装置１０から供給される供給電力の変動状況に応じて電力の蓄積及び供給を行い、電解装置２０に供給される電力が電解装置２０の定格電力に一致するようにする。
【００２３】
蓄電装置５０は、電力を蓄電できれば如何なる蓄電方法が用いられていてもよく、例えば、鉛蓄電池、リチウムイオン蓄電池及びニッケル水素蓄電池といった化学エネルギーを用いる蓄電方法の他、電力で水を汲み上げ、電力を位置エネルギーとして貯蔵する揚水発電装置を用いてもよい。この場合、電解装置２０に供給される水を用いることができるため、電力を蓄電する目的だけのために水の供給路を用意する必要がない。また、電力でホイールを回転させ、電力を運動エネルギーとして貯蔵するフライホイールバッテリを用いてもよい。以降では一例として、鉛蓄電池を用いて蓄電する蓄電装置５０を用いて説明を行う。
【００２４】
なお、電解システム１において、電気分解の対象となる化合物及び製造する物質にも制約はない。例えば電解装置２０で二酸化炭素ガスを電気分解して一酸化炭素ガスを製造する電解システム１であってもよい。
【００２５】
また、電解システム１に、必ずしも発電装置１０、酸素貯蔵装置３０及び水素貯蔵装置４０は必要なく、電解システム１に含まれない外部の発電装置１０、酸素貯蔵装置３０及び水素貯蔵装置４０を用いてもよい。
【００２６】
図２は、蓄電装置５０の電気系統の要部構成例を示すブロック図である。図２に示すように、蓄電装置５０の蓄電制御には、例えばコンピュータ６０が適用される。
【００２７】
コンピュータ６０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）６０Ａ、ＲＯＭ（Read Only Memory）６０Ｂ、ＲＡＭ（Random Access Memory）６０Ｃ、不揮発性メモリ６０Ｄ及びＩ／Ｏ６０Ｅを備える。そして、ＣＰＵ６０Ａ、ＲＯＭ６０Ｂ、ＲＡＭ６０Ｃ、不揮発性メモリ６０Ｄ及びＩ／Ｏ６０Ｅが、バス６０Ｆを介して互いに接続されている。ＣＰＵ６０Ａは、ＲＯＭ６０Ｂからプログラムを読み出し、ＲＡＭ６０Ｃをワークエリアとしてプログラムを実行する。なお、不揮発性メモリ６０Ｄは、蓄電装置５０の電源をオフにしてもデータ内容が保持されるメモリであり、プログラムで使用するパラメータ等が記憶される。
【００２８】
また、Ｉ／Ｏ６０Ｅには、鉛蓄電池５２、電力計５４及び入出力制御回路５６が接続され、それぞれＣＰＵ６０Ａによって制御される。
【００２９】
鉛蓄電池５２は、電極に鉛を用いた二次電池である。電力計５４は、発電装置１０から供給される供給電力の大きさを計測する。入出力制御回路５６は、ＣＰＵ６０Ａの指示に従って、発電装置１０から供給される供給電力の一部を鉛蓄電池５２に蓄電するか、蓄電装置５０に蓄電された電力を電解装置２０に供給するかの切り替えを行い、電力の入出力方向を制御する。
【００３０】
なお、Ｉ／Ｏ６０Ｅに接続される装置等はこれに限られない。例えば、Ｉ／Ｏ６０Ｅに、インターネット等の通信回線に接続された通信装置を接続してもよい。この場合、通信回線に接続されたコンピュータ等の外部装置との間で、蓄電装置５０に蓄電されている電力量の情報を送信する等のデータの送受信が可能となる。
【００３１】
次に、蓄電装置５０で実行される、蓄電制御処理の作用について説明する。
【００３２】
図３は、蓄電装置５０で実行される蓄電制御処理の流れの一例を示すフローチャートである。蓄電制御処理を規定する蓄電制御プログラムはＲＯＭ６０Ｂに予め記憶されており、例えば蓄電装置５０の電源がオンされた場合に、ＣＰＵ６０Ａが蓄電制御プログラムをＲＯＭ６０Ｂから読み出して実行する。
【００３３】
まず、ステップＳ１０において、ＣＰＵ６０Ａは、電力計５４を用いて発電装置１０から供給される供給電力を計測する。
【００３４】
ステップＳ２０において、ＣＰＵ６０Ａは、ステップＳ１０で計測した供給電力が電解装置２０の定格電力未満か否かを判定する。具体的には、例えば不揮発性メモリ６０Ｄに電解装置２０の定格電力を予め記憶しておき、ＣＰＵ６０Ａは、不揮発性メモリ６０Ｄに記憶された電解装置２０の定格電力と、ステップＳ１０で計測した供給電力とを比較すればよい。
【００３５】
ステップＳ２０の判定処理が肯定判定の場合には、ステップＳ３０に移行する。供給電力が電解装置２０の定格電力を下回る状況で電気分解を実行した場合、電解装置２０を定格電力で運転した場合に製造される水素の製造量より少ない量しか製造されない状態（非定格電力状態）で運転されることになる。
【００３６】
電解装置２０は、定格電力で運転された場合に最も効率よく水素を製造することができるように設定されている場合が多い。ここで、水素の製造に関して「最も効率がよい」とは、単位電力を用いて製造される水素の製造量が最大となることをいう。電解装置２０も定格電力で運転した場合に最も効率よく水素を製造することができる。
【００３７】
したがって、ステップＳ３０において、ＣＰＵ６０Ａは、電解装置２０の定格電力とステップＳ１０で計測した供給電力との差分に相当する電力（不足電力）を鉛蓄電池５２から電解装置２０に向けて供給するように、入出力制御回路５６を制御する。
【００３８】
蓄電装置５０から不足電力が供給されることで、発電装置１０から供給される供給電力とあわせて、電解装置２０の定格電力と一致する電力が電解装置２０に供給されることになる。したがって、電解装置２０が非定格電力状態で運転される状況が解消され、電解装置２０を非定格電力状態で運転する場合と比較して、水素の製造効率が低下することを抑制することができる。ステップＳ３０を実行した後は、後述するステップＳ６０が実行される。
【００３９】
一方、ステップＳ２０の判定処理が否定判定の場合、すなわち、ステップＳ１０で計測した供給電力が電解装置２０の定格電力以上である場合には、ステップＳ４０に移行する。
【００４０】
ステップＳ４０において、ＣＰＵ６０Ａは、ステップＳ１０で計測した供給電力が電解装置２０の定格電力と一致するか否かを判定する。ステップＳ１０で計測した供給電力が電解装置２０の定格電力と一致しない場合には、ステップＳ５０に移行する。
【００４１】
この場合、電解装置２０の定格電力を上回る電力（余剰電力）が発電装置１０から供給されていることになる。
【００４２】
したがって、ステップＳ５０において、ＣＰＵ６０Ａは、余剰電力を蓄電装置５０の鉛蓄電池５２に蓄電するように、入出力制御回路５６を制御する。これによって、電解装置２０に供給される供給電力が定格電力に抑えられるため、電解装置２０が定格電力を上回る供給電力を受けて運転する場合と比較して、水素の製造効率が低下することを抑制することができる。ステップＳ５０を実行した後は、後述するステップＳ６０が実行される。
【００４３】
一方、ステップＳ４０の判定処理で、ステップＳ１０で計測した供給電力が電解装置２０の定格電力と一致する場合には、ステップＳ６０に移行する。
【００４４】
ステップＳ６０において、ＣＰＵ６０Ａは、電気分解を終了することを通知する電解処理停止指示を電解装置２０から受け付けたか否かを判定する。
【００４５】
電解処理停止指示を受け付けていない場合、電解装置２０は引き続き電気分解を行うことから、ステップＳ１０に移行する。そして、上述したステップＳ１０からステップＳ６０の処理を繰り返し実行することで、電解装置２０が運転している間、電解装置２０に供給される電力を定格電力に維持する。
【００４６】
一方、ステップＳ６０の判定処理において、電解処理停止指示を受け付けた場合には、図３に示した蓄電制御処理を終了する。
【００４７】
なお、図３では、蓄電装置５０で発電装置１０から供給される供給電力を計測したが、電解装置２０に図２に示したようなコンピュータ６０に相当する制御手段が含まれる場合、電解装置２０に電力計５４を接続して、供給電力を計測するようにしてもよい。この場合、計測した供給電力と定格電力との差分に応じて、電解装置２０が蓄電装置５０の入出力制御回路５６を制御して、蓄電装置５０における電力の入出力方向を制御すればよい。
【００４８】
発電装置１０は、再生可能エネルギーを用いて発電することから、発電装置１０から供給される供給電力は、商用電力と比較して電力の変動が大きくなる。したがって、発電装置１０で発電可能な最大電力にあわせて、最大電力と同じ電力を定格電力とする電解装置２０を用いた場合、発電装置１０から最大電力が供給されない期間は非定格電力状態で運転することになる。この場合、蓄電装置５０から不足電力を電解装置２０に供給することになるが、余剰電力が発生しないため、発電装置１０とは異なる電源の電力で蓄電装置５０を蓄電する必要がある。
【００４９】
これに対して、実施の形態に係る電解システム１では、定格電力が発電装置１０で発電可能な最大電力より低い電解装置２０が用いられる。したがって、発電装置１０から供給される供給電力が変動する場合であっても、供給電力が電解装置２０の定格電力を上回る場合には、余剰電力で蓄電装置５０が蓄電できる。反対に、供給電力が電解装置２０の定格電力未満の場合には、不足電力を蓄電装置５０から電解装置２０に供給することができる。
【００５０】
なお、定格電力を予め定めた期間における発電装置１０の平均発電電力に合わせた電解装置２０を用いれば、発電装置１０の平均発電電力を考慮せずに、定格電力を発電装置１０で発電可能な最大電力より低く設定した電解装置２０を用いる場合と比較して、蓄電装置５０で蓄放電される電力の大きさが抑制されるため、蓄電装置５０の寿命が延びる場合がある。なお、予め定めた期間に特に制約はないが、例えば１年又は１ヶ月の期間に設定すればよい。予め定めた期間における発電装置１０の平均発電電力は、発電装置１０の実機による実験や発電装置１０の設計仕様に基づくコンピュータシミュレーション等により予め求められる。
【００５１】
このように、電解システム１では、発電装置１０から供給される供給電力が変動する場合であっても、電解装置２０を定格電力で運転することができるため、効率的に水素を製造することができる。
【００５２】
なお、単位電力を用いて製造される水素の製造量が最大となる電力（最大効率電力）が定格電力と異なる場合、上述した説明における「定格電力」を「最大効率電力」に読み替えればよい。定格電力及び最大効率電力は、電解装置２０での電気分解に要する消費電力の一例である。
【００５３】
以上、実施の形態を用いて本発明について説明したが、本発明は実施の形態に記載の範囲には限定されない。本発明の要旨を逸脱しない範囲で実施の形態に多様な変更又は改良を加えることができ、当該変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
【００５４】
例えば、図３に示した蓄電装置５０の蓄電制御処理をＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等のハードウエアで実現するようにしてもよい。この場合、ソフトウエアで実現する場合に比べて、処理の高速化が図られる。
【００５５】
また、実施の形態では、蓄電制御プログラムがＲＯＭ６０Ｂにインストールされている形態を説明したが、これに限定されるものではない。本発明に係る蓄電制御プログラムを、コンピュータ読取可能な記憶媒体に記録した形態で提供してもよい。例えば、本発明に係る蓄電制御プログラムを、ＣＤ(Compact Disc)−ＲＯＭ及びＤＶＤ(Digital Versatile Disc)−ＲＯＭ等の光ディスクに記録した形態、若しくはＵＳＢ(Universal Serial Bus)メモリ及びメモリカード等の半導体メモリに記録した形態で提供してもよい。また、Ｉ／Ｏ６０Ｅに通信装置が接続される場合、本発明に係る蓄電制御プログラムを、図示しない通信装置に接続された通信回線を介して外部装置から取得するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００５６】
１  電解システム
１０  発電装置
２０  電解装置
３０  酸素貯蔵装置
４０  水素貯蔵装置
５０  蓄電装置
５２  鉛蓄電池
５４  電力計
５６  入出力制御回路
６０  コンピュータ
６０Ａ  ＣＰＵ
【図１】
2019029050.tif 000003
【図２】
2019029050.tif 000004
【図３】
2019029050.tif 000005