JP2008011614A - 水素生成システム - Google Patents

Abstract

【課題】太陽電池からの電力を有効に使用するとともに、水素生成作業を効率的に遂行することを可能にする。
【解決手段】水素生成システム１０は、純水を電気分解して高圧水素を発生させる水電解装置１２と、前記高圧水素を貯蔵する水素貯蔵タンク１４と、前記水電解装置１２に電力供給ライン１６を介して電力を供給する太陽電池１８と、前記太陽電池１８で発電された電力を商用電源２０に供給するためのＤＣ／ＡＣコンバータ２２と、前記商用電源２０からの電力を前記電力供給ライン１６に供給するためのＡＣ／ＤＣコンバータと、前記太陽電池１８で発電された電力を貯蔵するための蓄電装置２６とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池からの電力及び商用電力を利用して水を電気分解することにより、高圧水素を発生させる水素生成システムに関する。

近年、水素を燃料として電力又は動力を供給するシステムが提案されている。通常、燃料である水素を製造するために、水電解装置が採用されている。この水電解装置は、水を分解して水素（及び酸素）を発生させるとともに、製造された水素が、例えば、燃料電池に供給され、あるいは、水素貯蔵タンクに一旦貯留されている。

上記のシステムでは、水電解装置の電力源として、日中には太陽電池から発電される電力を使用するとともに、夜間には商用電源からの電力（商用電力）を使用する技術が提案されている。例えば、特許文献１に開示されている水素貯蔵発電システムは、図８に示すように、一次電源として太陽電池１及び商用電源２を備えている。日中に太陽電池１で発電した電力、あるいは、商用電源２の夜間余剰電力が、水電解装置３に給電されることにより、この水電解装置３を介して純水が電気分解され、水素と酸素とが生成されている。

水素は、膜式ガス乾燥装置４で除湿された後、水素貯蔵装置５の水素吸蔵合金６に吸蔵されている。そして、昼間の電力需要ピーク時等のように電力を必要とする際には、水素貯蔵装置５の水素吸蔵合金６に吸蔵されている水素が燃料電池７に放出されている。このため、燃料電池７で発電が行われることによって出力された電力は、電力系統に給電されている。

一方、特許文献２に開示されている家庭用電力供給システムでは、太陽電池と、該太陽電池から給電されて水素を生成する水電解装置と、該水電解装置で生成した水素を貯蔵する水素貯蔵装置と、該水素貯蔵装置から供給された水素を燃料として発電する発電装置とを備えている。

そして、昼間は、太陽電池で発電された電力の一部が余剰電力として水電解装置に供給され、残りの電力が家庭内の家電製品等に供給されている。この水電解装置では、給電電力により水の電気分解が行われ、水素ガス及び酸素ガスが生成されている。

一方、夜間は、発電装置である燃料電池による自家発電が行われている。その際、燃料となる水素ガスは、水電解装置により生成されて水素貯蔵装置に貯蔵されている水素が使用されている。

特開平８−６４２２０号公報（図１） 特開２００１−３３８６７２号公報（図１）

しかしながら、上記の特許文献１では、太陽電池１の発電電力は、水素ガスを生成するための水電解装置３にのみ使用されるため、家庭内で電力が必要な場合に、この太陽電池１からの電力を活用することができない。しかも、水素貯蔵装置５に十分な量の水素が貯蔵された際には、水電解装置３による電解処理が行われないため、太陽電池１の発電による電力が無駄に消費されるという問題がある。

さらに、電力需要ピーク時には、燃料電池７に水素ガスを供給して発電を行っている。従って、水素貯蔵装置５に貯蔵されている水素が減少し、水素を補充するために水電解装置３による水電解処理を行わなければならず、経済的ではないという問題がある。

一方、特許文献２では、太陽電池からの電力供給が受けられない夜間では、発電装置に水素ガス及び酸素ガスを供給してこの発電装置による自家発電を行っている。すなわち、太陽電池からの電力で水素を製造する一方、夜間の発電には、この製造された水素を使用するため、システムとしてのエネルギ効率が低下するという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、太陽電池からの電力を有効に使用するとともに、水素生成作業を効率的に遂行することが可能な水素生成システムを提供することを目的とする。

本発明の水素生成システムは、水を電気分解して高圧水素を発生させる水電解装置と、前記水電解装置で発生する水素を貯蔵する水素貯蔵タンクと、前記水電解装置に電力供給ラインを介して電力を供給する太陽電池と、前記太陽電池で発電された電力を貯蔵するための蓄電装置と、前記太陽電池で発電された電力、又は前記蓄電装置からの電力を商用電源に供給するためのＤＣ／ＡＣコンバータと、前記商用電源からの電力を前記電力供給ラインに供給するためのＡＣ／ＤＣコンバータとを備えている。

また、水素生成システムは、水電解装置で発生する水素を燃料電池車両に直接供給するための水素充填ラインを備えることが好ましい。

本発明によれば、太陽電池から発電される電力は、通常、ＤＣ／ＡＣコンバータを介して商用電源に供給される一方、余剰の電力は、水電解装置に供給されて水素生成作業が行われるとともに、蓄電装置に蓄電される。このため、太陽電池により得られる電力を良好に使用することができ、電力が無駄に消費されることを可及的に阻止する。しかも、水素生成効率の高い領域における運転が可能になる。

さらに、太陽電池からの電力が所定値以下である際には、蓄電装置からの電力及び／又は商用電源からの電力が、水電解装置に供給されて水素生成作業が行われる。従って、水素生成作業が経済的に遂行され、特に夜間における燃料電池車両への水素充填作業が効率的に行われる。

図１は、本発明の実施形態に係る水素生成システム１０の概略構成説明図であり、図２は、水素製造電力と効率との関係図である。なお、図２は、後述する水電解スタックのサイズに応じて変更されるものであるが、水素製造電力と効率との関係は、同様の曲線で表される。

水素生成システム１０は、水道水（市水）から製造された純水を電気分解して高圧水素（５Ｍｐａ〜７０Ｍｐａ）を発生させる水電解装置１２と、前記水電解装置１２で発生する水素を貯蔵する水素貯蔵タンク１４と、前記水電解装置１２に電力供給ライン１６を介して電力を供給する太陽電池１８と、前記太陽電池１８で発電された電力を商用電源２０に供給するためのＤＣ／ＡＣコンバータ２２と、前記商用電源２０からの電力を前記電力供給ライン１６に供給するためのＡＣ／ＤＣコンバータ２４と、前記太陽電池１８で発電された電力を貯蔵するための蓄電装置２６とを備える。

電力供給ライン１６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８を介して水電解装置１２内の、例えば、水電解スタック（図示せず）に接続されるとともに、前記電力供給ライン１６には、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０を介して各種補機３２が接続される。

水電解スタックでは、所定数の水電解セルが積層されており、純水が電気分解されて高圧水素と酸素とが得られる。補機３２には、水素生成システム１０の全ての補機が含まれており、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０から制御用電力が供給される。

水電解装置１２と水素貯蔵タンク１４との間には、前記水電解装置１２で発生する水素を燃料電池自動車（車両）３４の車載水素タンク（図示せず）に直接供給するための水素充填ライン３６が設けられる。水素貯蔵タンク１４には、水素供給ライン３８が設けられるとともに、前記水素供給ライン３８と水素充填ライン３６とは、切換器４０を介して燃料電池自動車３４に選択的に接続される。

蓄電装置２６は、電力供給ライン１６にＤＣ／ＤＣコンバータ４２を介して接続されるバッテリ４４を備える。バッテリ４４は、例えば、リチウム電池、充電式ニッケル水素電池（Ｎｉ−ＭＨ電池）又はキャパシタ等であり、電力供給ライン１６から電力が供給されて充電を行う一方、前記電力供給ライン１６に放電可能である。

このように構成される水素生成システム１０の動作について、図３に示すタイミングチャートに沿って以下に説明する。なお、図３では、電力の移動を容易に理解し得るように、後述する各部の電力を模式的に表している。

先ず、図３中、時刻Ａに示すように、燃料電池自動車３４に対して夜間における水素ガスの充填が開始される。その際、太陽電池１８からの発電電力がないため、蓄電装置２６を構成するバッテリ４４に蓄電されている電力が、電力供給ライン１６を介してＤＣ／ＤＣコンバータ２８から水電解装置１２に供給される。その際、電力供給は、例えば、図２に示される最高効率点ａの電力で行われる。このため、水電解装置１２では、純水が電気分解されて高圧の水素と酸素が得られ、この高圧の水素は、水素充填ライン３６を介して燃料電池自動車３４に直接充填される。従って、水素を昇圧するためのポンプが不要になる。

バッテリ４４から放電が行われることにより、このバッテリ４４の残量（貯蔵電力量）が減少する。そして、バッテリ４４の残量が商用電力併用閾値Ｓ１以下になると（図３中、時刻Ｂ）、商用電源２０から商用電力の供給が開始される。この電力は、ＡＣ／ＤＣコンバータ２４によって交流から直流に変換された後、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８を介して水電解装置１２に供給される。これにより、水電解装置１２では、純水が電気分解されて水素と酸素との製造作業が継続して行われる。従って、バッテリ４４との併用により、ＡＣ／ＤＣコンバータ２４の電力容量サイズを小さく抑えることができるという利点がある。

その後、燃料電池自動車３４への水素充填作業が終了すると（図３中、時刻Ｃ）、バッテリ４４からの電力の供給及び商用電源２０からの電力の供給が、それぞれ停止される。

なお、上記の時刻Ａ〜時刻Ｄ間及び後述する時刻Ｋ以降において、各部である家庭、水電解装置１２及び蓄電装置２６での電力状態が、図４に示されている。以下、図５には、時刻Ｄ〜時刻Ｅ間及び時刻Ｊ〜時刻Ｋ間における各部の電力状態が示され、図６には、時刻Ｅ〜時刻Ｇ間及び時刻Ｈ〜時刻Ｊ間における各部の電力状態が示され、さらに図７には、時刻Ｇ〜時刻Ｈ間におけるの各部の電力状態が示されている。

次いで、図３中、時刻Ｄから太陽電池１８による発電が開始されると、この太陽電池１８からの電力は、ＤＣ／ＡＣコンバータ２２を介して商用電源２０に送られ、家庭への電力供給が開始される。その際、バッテリ４４の残量が閾値Ｓ０以下であると、太陽電池１８からの電力は、商用電源２０に供給されずに前記バッテリ４４の充電に使用される（図５参照）。

さらに、図３中、時刻Ｅに示すように、太陽電池１８の発電量が家庭消費量よりも大きくなる際、バッテリ４４の残量が閾値Ｓ２以下であると、水電解処理は行わず、太陽電池１８から前記バッテリ４４に電力が供給されて充電が開始される。

図３中、時刻Ｆに示すように、バッテリ４４の残量が、閾値Ｓ３以上に至ると、このバッテリ４４への充電が停止される一方、太陽電池１８から電力供給ライン１６を介して水電解装置１２に電力が供給される（図６参照）。これにより、水電解装置１２から水素が生成され、この水素が水素貯蔵タンク１４に貯蔵される。

太陽電池１８からの発電量が増加して、水電解装置１２の電解電力量が設定値（図２中、ｂ）を超えると（図３中、時刻Ｇ）、その余剰電力は、バッテリ４４に貯蔵される（図７参照）。なお、バッテリ充電上限（図３中、Ｓ５）に達している場合には、バッテリ貯蔵を行わずに、電解上限電力（図２中、ｃ）まで電解を行う。そして、太陽電池１８の発電量が低下して、水電解装置１２の電解電力量が、再度、設定値（図２中、ｂ）以下となると（図３中、時刻Ｈ）、バッテリ４４への電力貯蔵が停止される。

さらに、電解電力量が低下する（図２中、ｄ）とともに、バッテリ４４の残量が閾値Ｓ４以下の場合に、水電解装置１２による電解作業が停止される一方、バッテリ４４に充電が開始される（図３中、時刻Ｉ）。これにより、バッテリ４４の貯蔵電力量（残量）が増加し、太陽電池１８の発電量が家庭消費量を下回る際（図３中、時刻Ｊ）、前記バッテリ４４への充填が停止される。

ここで、太陽電池１８からの発電電力は、商用電源２０のみに供給されて家庭での電力消費が行われる。次に、図３中、時刻Ｋに示すように、太陽電池１８の発電が終了する。

なお、水素貯蔵タンク１４から燃料電池自動車３４への水素供給ライン３８を介して行われる水素の充填は、前記水素貯蔵タンク１４に貯蔵された水素の差圧によってなされる。そして、水素貯蔵タンク１４から燃料電池自動車３４への水素供給が行われた後、水電解装置１２から水素充填ライン３６を介して前記燃料電池自動車３４への水素の直接供給が行われる。

この場合、本実施形態では、太陽電池１８から発電される電力は、基本的には、ＤＣ／ＡＣコンバータ２２を介して商用電源２０に送られ、家庭用電力として使用されている。そして、太陽電池１８の余剰の電力は、電力供給ライン１６を介して水電解装置１２に供給されて水素生成作業が行われるとともに、蓄電装置２６を構成するバッテリ４４に蓄電されている。このため、太陽電池１８から得られる電力を良好に使用することができ、無駄に消費される電力がなく、水素製造も最高効率点付近での運転が可能になり、経済的であるという利点がある。

さらに、太陽電池１８からの電力が所定値以下、例えば、発電電力がない時間帯では、蓄電装置２６に蓄電されている電力が水電解装置１２に供給されて水素生成作業が行われている。そして、バッテリ４４の残量が閾値Ｓ１以下になった際に、商用電源２０から水電解装置１２に電力が供給されている(図５参照)。

従って、水電解装置１２で水電解を行う際に必要な電解電力量は、バッテリ４４に蓄電された電力で補うことができ、水素生成作業が経済的に遂行される。特に、夜間における燃料電池自動車３４への水素充填作業は、バッテリ４４に蓄電されている電力と、商用電源２０の深夜電力とを併用することができ、前記水素充填作業が効率的且つ経済的に行われるという効果が得られる。

本実施形態では、上記のように、蓄電装置２６に蓄電される貯蔵電力量が比較的多い場合には、商用電力をＡＣ／ＤＣコンバータ２４で変換する処理が行われない。一方、蓄電装置２６に蓄電されている貯蔵電力量が比較的少ない際には、太陽電池１８の発電電力がない場合にのみ、商用電力をＡＣ／ＤＣコンバータ２４によって変換して水電解装置１２に供給している。これにより、不必要な電力の変換が可及的に阻止され、電力の変換損失を低減して効率的な運転が遂行されるという利点がある。

さらにまた、水素生成システム１０では、燃料電池自動車３４には、貯蔵水素のみを供給する一方、バッテリ４４に蓄えられた電力を夜間に家庭に供給することも可能であり、走行状況に応じた対応が可能である。

本発明の実施形態に係る水素生成システムの概略構成説明図である。 水素製造電力と効率との関係図である。 前記水素生成システムのタイミングチャートである。 図３中、時刻Ａ−時刻Ｄ間及び時刻Ｋ以降の電力状態の説明図である。 図３中、時刻Ｄ−時刻Ｅ間及び時刻Ｊ−時刻Ｋ間の電力状態の説明図である。 図３中、時刻Ｅ−時刻Ｇ間及び時刻Ｈ−時刻Ｊ間の電力状態の説明図である。 図３中、時刻Ｇ−時刻Ｈ間の電力状態の説明図である。 特許文献１の水素貯蔵発電システムの説明図である。

符号の説明

１０…水素生成システム １２…水電解装置
１４…水素貯蔵タンク １６…電力供給ライン
１８…太陽電池 ２０…商用電源
２２…ＤＣ／ＡＣコンバータ ２４…ＡＣ／ＤＣコンバータ
２６…蓄電装置 ２８、３０、４２…ＤＣ／ＤＣコンバータ
３４…燃料電池自動車 ３６…水素充填ライン
３８…水素供給ライン ４０…切換器
４４…バッテリ

Claims (2)

1. 水を電気分解して高圧水素を発生させる水電解装置と、
   前記水電解装置で発生する水素を貯蔵する水素貯蔵タンクと、
   前記水電解装置に電力供給ラインを介して電力を供給する太陽電池と、
   前記太陽電池で発電された電力を貯蔵するための蓄電装置と、
   前記太陽電池で発電された電力、又は前記蓄電装置からの電力を商用電源に供給するためのＤＣ／ＡＣコンバータと、
   前記商用電源からの電力を前記電力供給ラインに供給するためのＡＣ／ＤＣコンバータと、
   を備えることを特徴とする水素生成システム。
2. 請求項１記載の水素生成システムにおいて、前記水電解装置で発生する水素を燃料電池車両に直接供給するための水素充填ラインを備えることを特徴とする水素生成システム。

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