(57)【要約】【課題】供給される電力が変動する場合であっても、化合物の電解に伴う電力の利用効率を向上させる。【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の発電電力を含む電力を、電解装置２０の入力電圧に合わせた負荷電力に変換するＤＣ−ＤＣコンバータ６０と、ＤＣ−ＤＣコンバータ６０の負荷電力を用いて化合物の電気分解を行う電解装置２０と、負荷電力が、ＤＣ−ＤＣコンバータ６０での電力の変換効率が最も高くなる電力に近づくように、電力の蓄電及び放電を行う蓄電装置５０を備える。【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を用いて発電する発電装置の発電電力を含む電力を、予め定めた電圧を有する負荷電力に変換する電力変換装置と、
前記電力変換装置から供給される前記負荷電力を用いて化合物の電気分解を行う電解装置と、
前記負荷電力の大きさが、前記電力変換装置での電力の変換効率が最も高くなる予め定めた電力に近づくように、前記発電電力の蓄電及び前記電力変換装置への放電を行う蓄電装置と、
を備えた電解システム。
【請求項２】
前記電解装置は、前記負荷電力の大きさが前記予め定めた電力未満の場合、前記予め定めた電力から前記負荷電力を差し引いた電力を前記電力変換装置に供給するように前記蓄電装置を制御する
請求項１記載の電解システム。
【請求項３】
前記電解装置は、前記負荷電力の大きさが前記予め定めた電力より大きい場合、前記発電電力のうち、前記負荷電力から前記予め定めた電力を差し引いた電力を蓄電するように前記蓄電装置を制御する
請求項１又は請求項２記載の電解システム。
【請求項４】
再生可能エネルギーを用いて発電する発電装置の発電電力を含む電力を、予め定めた電圧を有する負荷電力に変換し、
前記負荷電力を化合物の電気分解を行う電解装置に供給する際に、前記負荷電力の大きさが電力の変換効率が最も高くなる予め定めた電力に近づくように、前記負荷電力の大きさを制御する
電解システムの電力制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解システム、及び電解システムの電力制御方法に関する。
【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には、太陽電池を用いて水を電気分解する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】特開平７−２３３４９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
発電装置として、例えば電解装置が連続して化合物を分解することができる電力（定格電力）を安定して発電することが好ましいが、太陽光等の再生可能エネルギーは変動することから、発電装置で発電される電力も変動する。したがって、例えば発電装置で発電することができる最大電力（最大発電電力）が電解装置の定格電力よりも大きい発電装置を用いて、発電装置の電力が最大発電電力より低下した場合であっても、できるだけ電解装置の定格電力以上の電力を電解装置に供給するようにしている。
【０００６】
最大発電電力が大きくなるに従って、発電装置から出力される出力電圧も大きくなる傾向があるため、発電装置の出力電圧は電解装置の入力電圧より大きくなることが多い。この場合、発電装置で発電した電力の出力端を電解装置の電力の入力端に直接接続することができない。したがって、発電装置における電力の出力端と電解装置の電力の入力端との間に、発電装置で発電された電力の電圧を低減するＤＣ−ＤＣコンバータが接続される。特許文献１においても、太陽電池と水電解装置との間にＤＣ−ＤＣコンバータが接続されている。
【０００７】
このように、再生可能エネルギーを用いて発電する発電装置から電力の供給を受けて化合物を分解する電解システムでは、電圧調整にＤＣ−ＤＣコンバータが用いられる場合があるにもかかわらず、これまでＤＣ−ＤＣコンバータにおける電力の変換効率を考慮してＤＣ−ＤＣコンバータに供給する電力を制御する電解システムは知られていない。例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータにおける電力の変換効率が低下すれば、電解システム全体における電力の利用効率が低下することになる。
【０００８】
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、化合物の電気分解に伴う電力の利用効率を向上させ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】
【０００９】
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の発電電力を、予め定めた電圧を有する負荷電力に変換する電力変換装置と、前記電力変換装置から供給される前記負荷電力を用いて化合物の電気分解を行う電解装置と、前記負荷電力の大きさが、前記電力変換装置での電力の変換効率が最も高くなる予め定めた電力に近づくように、前記発電電力の蓄電及び前記電力変換装置への放電を行う蓄電装置と、を備える。
【００１０】
また、本発明の電力制御方法は、再生可能エネルギーを用いて発電する発電装置の発電電力を含む電力を、予め定めた電圧を有する負荷電力に変換し、前記負荷電力を化合物の電気分解を行う電解装置に供給する際に、前記負荷電力の大きさが電力の変換効率が最も高くなる予め定めた電力に近づくように、前記負荷電力の大きさを制御する。
【発明の効果】
【００１１】
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、化合物の電気分解に伴う電力の利用効率を向上させることができる、という効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】電解システムの構成例を示す図である。
【図２】電解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】負荷電力制御処理の流れの一例を示すフローチャートである。
【図４】負荷電力に対する変換効率の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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、機能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。
【００１４】
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。
【００１５】
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、蓄電装置５０及びＤＣ−ＤＣコンバータ６０を含む。
【００１６】
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する。発電装置１０が発電した発電電力は、状況に応じて蓄電装置５０に蓄電された電力と統合され、ＤＣ−ＤＣコンバータ６０に供給される。
【００１７】
ＤＣ−ＤＣコンバータ６０（以降、「コンバータ６０」という）は、供給された電力の電圧を予め定められた電解装置２０の入力電圧まで降圧し、電解装置２０に供給する。なお、コンバータ６０は電力変換装置の一例である。
【００１８】
電解装置２０は、正極電極及び負極電極を含み、コンバータ６０から供給された電力（負荷電力）を入力電力として用いて、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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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、発電装置１０で発電可能な最大電力、すなわち最大発電電力より低い定格電力を有する電解装置２０が用いられる。
【００２５】
蓄電装置５０は、接点Ｑで示されるコンバータ６０の１次側に接続され、電解装置２０に供給される入力電力の変動状況に応じて、電解装置２０の指示によって電力の蓄積及び供給が行われ、電解装置２０に供給される入力電力の大きさが電解装置２０の定格電力に近づくように制御される。図１において、電解装置２０と蓄電装置５０を接続する点線が、電解装置２０から電力の蓄積及び供給の指示を受け付けるための制御線である。
【００２６】
蓄電装置５０は、電力が蓄電されればどのような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蓄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別途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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
図２は、電解装置２０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、電解装置２０の制御には、例えばコンピュータ７０が適用される。
【００３０】
コンピュータ７０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）７０Ａ、ＲＯＭ（Read Only Memory）７０Ｂ、ＲＡＭ（Random Access Memory）７０Ｃ、不揮発性メモリ７０Ｄ及びＩ／Ｏ７０Ｅを備える。そして、ＣＰＵ７０Ａ、ＲＯＭ７０Ｂ、ＲＡＭ７０Ｃ、不揮発性メモリ７０Ｄ及びＩ／Ｏ７０Ｅが、バス７０Ｆを介して互いに接続されている。ＣＰＵ７０Ａは、ＲＯＭ７０Ｂからプログラムを読み出し、ＲＡＭ７０Ｃ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７０Ｄは、電解装置２０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。
【００３１】
また、Ｉ／Ｏ７０Ｅには、電解スイッチ５２、負荷電力コントローラ５４、電圧計５６及び電流計５８が接続され、それぞれＣＰＵ７０Ａによって制御される。
【００３２】
電解スイッチ５２は、ＣＰＵ７０Ａの指示に従って、入力電力を正極電極及び負極電極へ供給する経路を開閉するスイッチであり、電解スイッチ５２をオンにすることで正極電極及び負極電極へ通電が行われ、水の電気分解が開始される。反対に、電解スイッチ５２をオフにすることで正極電極及び負極電極への通電が停止し、水の電気分解が終了する。
【００３３】
負荷電力コントローラ５４は、ＣＰＵ７０Ａの指示に従って、蓄電装置５０における蓄電及び放電を制御して、電解装置２０に供給される入力電力の大きさ、すなわちコンバータ６０の負荷電力の大きさを調整するコントローラである。なお、以降では、入力電力の大きさ及び負荷電力の大きさを、それぞれ単に「入力電力」及び「負荷電力」ということにする。電解装置２０に供給される電力をコンバータ６０から見た場合の呼称が「負荷電力」であり、電解装置２０から見た場合の呼称が「入力電力」である。
【００３４】
電圧計５６及び電流計５８は、ＣＰＵ７０Ａの指示に従って、電解装置２０の電力の入力端における電圧値及び電流値をそれぞれ計測する。
【００３５】
なお、Ｉ／Ｏ７０Ｅに接続される装置等はこれらに限られない。例えば、Ｉ／Ｏ７０Ｅ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データの送受信が可能となる。また、電圧計５６及び電流計５８の代わりに電力計を接続してもよい。
【００３６】
また、一般にコンバータ６０の出力電圧は比較的変動が少ないことから、コンバータ６０から予め定めた電圧が継続して供給されているとみなすことで、電圧計５６を省くことができる。
【００３７】
次に、電解装置２０で実行される負荷電力制御処理の作用について説明する。
【００３８】
図３は、電解装置２０で実行される負荷電力制御処理の流れの一例を示すフローチャートである。負荷電力制御処理を規定する負荷電力制御プログラムはＲＯＭ７０Ｂに予め記憶されており、例えば電解装置２０の電源がオンされた場合に、ＣＰＵ７０Ａが負荷電力制御プログラムをＲＯＭ７０Ｂから読み出して実行する。
【００３９】
まず、ステップＳ１０において、ＣＰＵ７０Ａは、電解装置２０の電力の入力端における電圧を電圧計５６で計測すると共に、電解装置２０の電力の入力端における電流を電流計５８で計測し、取得した電圧値及び電流値から電解装置２０の入力電力を算出する。
【００４０】
コンバータ６０から見れば、電解装置２０はコンバータ６０の２次側に接続された負荷であることから、電解装置２０の入力電力は、コンバータ６０の負荷電力でもある。
【００４１】
図４は、負荷電力に対するコンバータ６０の変換効率の一例を示す図である。図４の横軸はコンバータ６０の負荷電力を表し、縦軸はコンバータ６０の変換効率を表す。コンバータ６０の変換効率とは、コンバータ６０の１次側に入力された電力に対して、コンバータ６０の２次側から出力される電力の割合をいう。
【００４２】
図４のグラフ２１で表されるように、コンバータ６０の変換効率は、例えば上に凸の放物線で表される。したがって、変換効率が極大値となる負荷電力Ｐ0が電解装置２０の定格電力と一致するようなコンバータ６０を用いることで、電解システム１における電力の利用効率を向上させることができる。
【００４３】
しかしながら、電解システム１に再生可能エネルギーを用いて発電する発電装置１０を用いた場合、発電装置１０から供給される発電電力が変動する場合がある。したがって、コンバータ６０の負荷電力、すなわち、電解装置２０の入力電力は電解装置２０の定格電力と必ずしも一致するとは限らない。
【００４４】
そこで、ステップＳ２０において、ＣＰＵ７０Ａは、ステップＳ１０で算出した入力電力が電解装置２０の定格電力未満か否かを判定する。なお、電解装置２０の定格電力は、例えば不揮発性メモリ７０Ｄに予め記憶しておいた値を用いればよい。
【００４５】
ステップＳ２０の判定処理が肯定判定の場合、ステップＳ３０に移行する。
【００４６】
ステップＳ３０において、ＣＰＵ７０Ａは、電解装置２０の定格電力からステップＳ１０で算出した入力電力を差し引いて、定格電力に対する不足電力を算出する。そして、ＣＰＵ７０Ａは、負荷電力コントローラ５４を制御して、算出した不足電力に相当する電力を放電するように蓄電装置５０へ指示を行う。
【００４７】
放電の指示を受け付けた蓄電装置５０が、不足電力と同じ大きさの電力をコンバータ６０に供給することで、コンバータ６０の負荷電力が電解装置２０の定格電力に近づくため、コンバータ６０の変換効率が上昇し、電解システム１における電力の利用効率が向上する。
【００４８】
一方、ステップＳ２０の判定処理が否定判定の場合には、ステップＳ４０に移行する。
【００４９】
ステップＳ４０において、ＣＰＵ７０Ａは、ステップＳ１０で算出した入力電力が電解装置２０の定格電力と同じであるか否かを判定する。なお、入力電力が定格電力と同じとは、入力電力と定格電力の差分の絶対値が、入力電力と定格電力が同じであるとみなすことができる予め定めた範囲に含まれる場合を含む。ステップＳ４０の判定処理が否定判定の場合、ステップＳ５０に移行する。
【００５０】
この場合、電解装置２０には定格電力より大きい入力電力が供給されていることになる。したがって、ステップＳ５０において、ＣＰＵ７０Ａは、ステップＳ１０で算出した入力電力から電解装置２０の定格電力を差し引いて、定格電力に対する余剰電力を算出する。そして、ＣＰＵ７０Ａは、負荷電力コントローラ５４を制御して、算出した余剰電力に相当する電力を蓄電するように蓄電装置５０へ指示を行う。
【００５１】
蓄電の指示を受け付けた蓄電装置５０が、発電装置１０から供給される発電電力の中から余剰電力と同じ大きさの電力を蓄電することで、コンバータ６０の負荷電力が電解装置２０の定格電力に近づく。したがって、コンバータ６０の変換効率が上昇し、電解システム１における電力の利用効率が向上する。
【００５２】
一方、ステップＳ４０の判定処理が肯定判定の場合、すなわち、ステップＳ１０で算出した入力電力が電解装置２０の定格電力と同じである場合には、現状の状態でコンバータ６０における変換効率が最も高い状態となっている。したがって、電解装置２０の入力電力を変化させる制御は行わずに、ステップＳ６０に移行する。
【００５３】
ステップＳ６０において、ＣＰＵ７０Ａ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受け付けたか否かを判定する。
【００５４】
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を運転している間、電解装置２０の入力電力が定格電力に近づくように、コンバータ６０の１次側に供給される電力を制御する。
【００５５】
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に示した負荷電力制御処理を終了する。
【００５６】
なお、図３では、電解装置２０で電解装置２０の入力電力を計測し、計測した入力電力に応じて、電解装置２０が蓄電装置５０の蓄放電を制御したが、図３に示した負荷電力制御処理を蓄電装置５０又はコンバータ６０で実行するようにしてもよい。
【００５７】
蓄電装置５０で負荷電力制御処理を実行する場合には、蓄電装置５０に図２に示したコンピュータ７０に相当する制御手段を設ければよい。また、コンバータ６０で負荷電力制御処理を実行する場合には、コンバータ６０に図２に示したコンピュータ７０に相当する制御手段を設ければよい。ただし、電解装置２０が主体となって水の電気分解を行うことから、蓄電装置５０又はコンバータ６０で負荷電力制御処理を実行する場合、図２に示した電解スイッチ５２は不要となる。
【００５８】
更に、電解システム１に、図３に示した負荷電力制御装置を実行する制御装置を別途設け、蓄電装置５０における蓄放電を制御するようにしてもよい。
【００５９】
また、負荷電力コントローラ５４を電解装置２０から取り除き、負荷電力コントローラ５４の機能と同じ機能を有する切り換え装置を、コンバータ６０の１次側にある接点Ｑに接続してもよい。この場合、切り替え装置で図３に示した負荷電力制御装置を実行してもよい。
【００６０】
このように電解システム１では、電解装置２０の入力電力となるコンバータ６０の負荷電力を監視し、負荷電力が、コンバータ６０の変換効率が最も高くなる負荷電力に近づくように、蓄電装置５０の蓄放電を制御する。したがって、発電装置１０から供給される発電電力が変動する場合であっても、コンバータ６０における電力の変換効率が最高効率近辺に維持されることから、電解システム１における電力の利用効率を向上させることができる。
【００６１】
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が定格電力と一致する電解装置２０を用いた場合、コンバータ６０の変換効率の制御と相まって、電解システム１における電力の利用効率を更に向上させることができる。
【００６２】
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。
【００６３】
例えば、図３に示した負荷電力制御処理を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。
【００６４】
また、実施の形態では、負荷電力制御プログラムがＲＯＭ７０Ｂ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。本発明に係る負荷電力制御プログラムを、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、本発明に係る負荷電力制御プログラムを、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／Ｏ７０Ｅに図示しない通信装置が接続される場合、本発明に係る負荷電力制御プログラムを、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】
【００６５】
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
６０  ＤＣ−ＤＣコンバータ
５２  電解スイッチ
５４  負荷電力コントローラ
５６  電圧計
５８  電流計
７０  コンピュータ
７０Ａ  ＣＰＵ
【図１】
2019026857.tif 000003
【図２】
2019026857.tif 000004
【図３】
2019026857.tif 000005
【図４】
2019026857.tif 000006