(57)【要約】【課題】風力発電出力は、気象条件及び地域による風況変化に伴い常時変動するため、安定した電力を供給できないという欠点がある。その変動する出力において、水電解水素を製造し、燃料電池によって電力を供給することにより、エネルギーの貯蔵性と自然エネルギーの有効利用を推進するものである。【解決手段】風力発電出力は、風速によって出力変動するが、風速に適応したプロペラ回転数とするとき、その出力は最大となるも周波数変動を生ずるが、水電解水素製造は直流負荷で最適である。また、水電解水素製造に固体高分子型水電解装置を利用するとき、風速が定格出力以上においては定電流制御とし、定格出力未満においては負荷分割制御と定電圧制御の組合せとして、水素製造の電力原単位の向上を図る。【選択図】    図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
風力発電の発電出力を直流化して水電解による水素製造において、水電解装置は定格容量を３組以上のｎ個に分割し、風力発電の定格出力を発生する定格風速以上の領域においては、電解装置への供給電圧は電解電圧以上として定電流制御とし、また定格風速未満の領域においてはｎ個の電解装置を風力発電出力に適合するように負荷を分割制御し、その供給電圧は電解電圧以上において定電圧制御し、電解装置の電極における電流密度は定格電流密度を低減して電解効率の向上を図るよう構成したことを特徴とする風力発電水電解水素製造システム。
【請求項２】
請求項１記載の風力発電水電解水素製造システムにおいて、電解装置は、風力発電の出力変圧器は負荷時電圧調整器を有していて、分割された水電解負荷は、交流側において負荷開閉する制御方式として直流負荷における高調波発生を抑制するよう構成されていることを特徴とする風力発電水電解水素製造システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
気象条件による風況変化に伴い風力発電出力は変動するが、本発明は、その変動する出力において水電解水素を製造し、エネルギーの貯蔵性と自然エネルギーの有効利用を推進するものである。
風力発電は電力系統上の発電を目的とする場合、風力出力の変動より風力立地点の電力系統容量により風力発電の受入量が制約されることがある。風力発電による水素製造は全くその制約を受けることなく、燃料電池自動車の普及などと共に、水素需要に供給してゆくものとする。また、離島などの小規模電力系統においても、系統容量に関せず、大容量風力発電は立地可能になる場合もある。
【０００２】
【従来の技術】
従来、国内の水素製造は、苛性ソーダ製造における副産物として製造されていた。海外においては、電力料金の廉価な国では、水電解により水素製造されている。
我が国においては、風力発電は電力系統の発電を目的として開発されてきたが、電力系統の系統容量によって、風力発電の系統での受入量には制約されることがあり、新エネルギーとして風力発電は期待されているが、その開発の阻害要因となる場合もある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
風力発電出力は、気象条件及び地域による風況変化に伴い変動し、出力が常時変動するため、安定した電力を供給できないという欠点がある。しかし、その変動する出力において水電解水素を製造し、燃料電池によって電力を供給することにより、エネルギーの貯蔵性と自然エネルギーの有効利用を推進するものであり、燃料電池自動車の燃料としての水素需要拡大に対処し得るものとなる。
水電解は固体高分子型としており、固体高分子膜及び電極触媒の高性能化によって水電解効率を向上させ、風力の出力変動に対応して水電解水素製造量を最大にする風力発電水素製造の制御システムを必要とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は下記のようになるものである。
風力発電は風速に対応してプロペラ回転数を可変にすると風力発電電力量は、定速回転の風力発電より出力増加するが周波数変動を生ずる。
水電解負荷は直流負荷であり、周波数変動には無関係である。
風力発電の発電出力を直流化して水電解水素製造に利用する場合、水電解装置の定格容量をｎ個に分割し、ｎ≧３とした電解装置の各々の電解容量は、Ｐ１＞Ｐ２＞Ｐ３．．．．．．＞Ｐｎの関係を有して、風力発電の定格出力ＰはＰ１＋Ｐ２＋Ｐ３．．．．．．＋Ｐｎ＝Ｐであるとき、風力発電の定格出力Ｐを発生する定格風速以上の領域においては、電解装置は供給電圧を電解電圧以上として定電流制御とする。
また、定格風速未満の領域においてはｎ個の電解装置を、風力発電出力に適合するように負荷を分割制御し、その供給電圧は電解電圧以上において定電圧制御し、負荷分割制御における電流密度は定格電流密度を低減して電解効率の向上を図るものとする。
電流密度と水素１Ｎｍ３  製造に要す電力量（水素製造電力原単位ｋＷＨ／Ｎｍ３  −Ｈ２）との関係の一例を図１に示す。
図１において、水電解電極の電流密度（Ａ／ｃｍ２  ）±５０％の変化において水素１Ｎｍ３  製造に要する電力量は±７％の増減を示す。
以上、風速変動による風力発電出力の変化に対応して、負荷を分割制御し、定格風速以下においては発電出力が水電解負荷容量より下回る場合、水電解電流密度を定格電流密度より低減させて、水素製造電力原単位を節減させ、水電解効率の向上を図るものとする。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を実施例に基づき、図１、図２、図３を参照して説明する。
図２における（Ａ）は、風力発電における風速と発電出力特性を示したものであり、風力出力特性において、風速１２ｍ／ｓ  以上においては定格出力１００％を発電し、風速２５ｍ／ｓ  以上にて、プロペラ回転を停止して発電停止し、風速１２ｍ／ｓ  未満においては発電出力は低減し、風速３ｍ／ｓ  にて発電停止する特性を有する。
風力発電の定格出力を１００％とし、その水電解容量を１００％とするとき、水電解容量は、４５％、３０％、１５％、１０％の４組で構成し、その容量の総和は、４５＋３０＋１５＋１０＝１００％とする。
図２における（Ｂ）は、風速と電解負荷の分割制御の関係を示したものであり、風速１２〜２５ｍ／ｓ  においては、４組の水電解装置の全容量を使用し、風速１２ｍ／ｓ  未満においては発電出力５０％（風速８ｍ／ｓ  相当）に低減するまでは水電解装置の全容量を負荷とする。その場合、電流密度は１．０〜０．５Ａ／ｃｍ２  まで変化することになる。
発電出力５０〜３５％においては、水電解装置は３組に分割制御し、４５＋１５＋１０＝７０％容量として電極の電流密度は０．７１〜０．５Ａ／ｃｍ２  となる。発電出力３５〜３０％においては、水電解装置は２組に分割制御し、４５＋１５＝６０％容量として電流密度は０．５８〜０．５Ａ／ｃｍ２  となる。
以下発電出力の低減においては表１のように制御される。
【０００６】
【表１】
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【０００７】
以上、４組の水電解装置は負荷を分割制御し、供給電圧は電解電圧以上の電圧において定電圧制御するとき、電流密度は図２における（Ｃ）に示す風速と電流密度の関係は定格電流密度を１．０〜０．５Ａ／ｃｍ２  に低減することにより図１に示す電極電流密度と水素製造電力原単位の特性より、水素製造に要する電力原単位（電解電力量  ｋＷＨ／水素１Ｎｍ３  ）を節減し水電解効率の向上を図るものである。
図３に風力発電水電解水素製造装置の構成図を示す。
図３において、風力発電機１の出力は、負荷時電圧調整機能を有する水電解用変圧器２に供給され、電圧調整された出力は、負荷開閉器３及び整流器４を経て、固体高分子型水電解装置５に供給される。
負荷容量は、Ｐ１＝４５％、Ｐ２＝３０％、Ｐ３＝１５％、Ｐ４＝１０％に分割されて、風力発電の出力に応じて、負荷開閉器３により負荷が分割制御される。
固体高分子型水電解装置５には純水供給装置６より純水が供給され、また、発生した水素は水素供給部７及び水素圧縮機８を経て高圧水素貯溜部９に貯溜される。
以上において固体高分子型水電解装置５の水電解電圧を検出して、水電解用変圧器２に付属している負荷時電圧調整部を制御するものとし、風力発電出力の交流側において電圧調整するものとして、高調波を生じない方式としている。
【０００８】
【発明の効果】
本発明は、上述の通り構成されているので、次に記載する効果を奏する。
気象状態により出力変動する風力発電において、風況に対応した水素製造量を最大にする制御システムを確立し、変動する出力において、水電解水素を製造し、燃料電池によって電力を供給することにより、エネルギーの貯蔵性と自然エネルギーの有効利用を推進するものである。
また、無公害の燃料電池自動車の燃料として、水素需要に供給し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】水電解電流密度と水素製造電力原単位の特性を示すグラフである。
【図２】風力発電における風速と風力出力特性の関係と、風速と電解負荷の分割制御の関係と、風速と分割負荷による電極電流密度の関係を示すグラフである。
【図３】風力発電水電解水素製造装置の構成図である。
【符号の説明】
１  風力発電機
２  水電解用変圧器
３  負荷開閉器
４  整流器
５  固体高分子型水電解装置
６  純水供給装置
７  水素供給部
８  水素圧縮機
９  高圧水素貯溜部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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