CN112687914B - 能量管理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供能够使能量效率提高的能量管理系统。能量管理系统具备：燃料电池，其供给在设施中使用的能量；第1氢供给部，其通过使用了可再生能量的发电装置来进行水电解，并向燃料电池供给氢；第2氢供给部，其对经由管道供给的天然气进行改性，并向燃料电池供给氢；以及控制部，其决定对燃料电池供给的氢中的、从第1氢供给部供给的氢与从第2氢供给部供给的氢的比率。控制部根据在设施中使用的能量中的热能与热能以外的能量的比例来决定上述比率。

Description

能量管理系统
技术领域
本公开涉及能量管理系统。
背景技术
在机场等设施中，为了减少二氧化碳等温室效应气体，对使用燃料电池来供给能量的系统的导入进行过研究。在日本特开2009-224114号公报中，公开有将烃系燃料改性的改性器和使用改性气体来进行发电的SOFC(Solid Oxide Fuel Cell：固体氧化物燃料电池)系统的运转方法，即，公开有在通过SOFC进行的发电时，具有不经由改性器而将烃向SOFC供给的工序。
向燃料电池供给的氢通过水电解(水的电分解)或天然气所包含的甲烷的改性而制出。为了通过水电解来生成氢，则需要电能量，但研究有该电能量通过使用了太阳光发电等的可再生能量的发电装置来供给。使用了可再生能量的发电装置在发电时机上存在变动，因此不能控制通过水电解生成氢的时机。因此，在通过使用了可再生能量的发电装置进行水电解并向燃料电池供给氢的系统中，将生成的氢暂且存积于氢储藏罐，在需要时从氢储藏罐对燃料电池供给氢。
在将天然气所包含的甲烷改性来向燃料电池供给氢的系统中，在改性工序中产生大量的热。在改性工序中产生的热能够作为制热、热水供应等的热能使用。在设施中使用的能量被分为热能、以及电能量等热能以外的能量。假设在设施中仅设置有通过使用了可再生能量的发电装置进行水电解并向燃料电池供给氢的系统(第1事例)。在第1事例中，在设施中使用的热能必须全部通过转换为由燃料电池发电的电能量来供应。与此相对地，假设在设施中仅设置有将天然气所包含的甲烷改性来向燃料电池供给氢的系统(第2事例)。在第2事例中，能够将在改性工序中释放的热用于在设施中使用的热能。然而，当在设施中热能的需要较少时，在改性工序中释放的热不被利用而被排出。即，在第1事例、第2事例的任意一个中，对于设施中的能量效率都有改善的余地。
发明内容
本公开是鉴于以上的背景而完成的，其目的在于提供一种在具有使用了燃料电池的能量供给设备的设施中能够使能量效率提高的能量管理系统。
本公开的一个实施形态所涉及的能量管理系统具备：燃料电池，其供给在设施中使用的能量；第1氢供给部，其通过使用了可再生能量的发电装置来进行水电解，并向上述燃料电池供给氢；第2氢供给部，其对经由管道供给的天然气进行改性，并向上述燃料电池供给氢；以及控制部，其决定对上述燃料电池供给的氢中的、从上述第1氢供给部供给的氢与从上述第2氢供给部供给的氢的比率，上述控制部根据在上述设施中使用的能量中的热能与上述热能以外的能量的比例来决定上述比率。
在第2氢供给部中，在生成氢的过程中释放大量的热。与此相对地，在第1氢供给部中，相对于第2氢供给部，在生成氢的过程中释放的热较少。另一方面，若不考虑在生成氢的过程中释放的热，则相比从第2氢供给部向燃料电池供给氢来进行发电的情况，从第1氢供给部向燃料电池供给氢来进行发电的情况下的能量效率较好。因此，根据在设施中使用的能量中的热能与热能以外的能量的比例来决定上述比率。即，当在设施中使用的能量中的热能所占的比例相对较高的情况下，相对于热能所占的比例相对较低的情况，提高向燃料电池供给的氢中的、从第2氢供给部供给的氢所占的比例。由此，在具有使用了燃料电池的能量供给设备的设施中，能够使能量效率提高。
并且，在需要热能较多的情况下，上述控制部提高对上述燃料电池供给的氢中的、从上述第2氢供给部供给的氢的比率。由此，能够再次利用在第2氢供给部中对天然气进行改性时释放的大量的热。
并且，也可以构成为：还具备取得与气象及灾害有关的信息的取得部，上述控制部基于由上述取得部取得的与气象及灾害有关的信息，判断天然气的供给是否会停止，在判断为天然气的供给会停止的情况下，仅从上述第1氢供给部对上述燃料电池供给氢。由此，即使在因灾害等而天然气的供给停止了的情况下，也能够应对。
根据本公开，在具有使用了燃料电池的能量供给设备的设施中，能够使能量效率提高。
附图说明
根据以下的详细描述和附图，将更全面地理解本公开的上述目的和其他目的、特征以及优点，附图仅作为示例，因此不应被认为限制本公开。
图1是表示实施方式1所涉及的能量管理系统的结构的框图。
图2是表示实施方式1所涉及的能量管理系统的燃料电池的简要结构的示意图。
图3是表示实施方式1所涉及的能量管理系统的处理的流程的流程图。
图4是表示实施方式2所涉及的能量管理系统的结构的框图。
图5是表示实施方式2所涉及的能量管理系统的处理的流程的流程图。
图6是表示参考方式所涉及的能量管理系统的结构的框图。
具体实施方式
以下，通过本公开的实施方式对本公开进行说明，但并不将专利权利要求的范围所涉及的公开限定于以下的实施方式。另外，在实施方式中说明的结构未必都是作为用于解决课题的手段所必须的。为了说明的明确化，以下的记载和附图适当地进行了省略和简化。在各附图中，对相同的要素标注了相同的附图标记，并根据需要省略了重复说明。
[实施方式1]
首先，对实施方式1所涉及的能量管理系统的结构进行说明。图1是表示实施方式1所涉及的能量管理系统1的结构的框图。如图1所示，能量管理系统1具备第1氢供给单元2、第2氢供给单元3、燃料电池4以及控制部5。
燃料电池4供给在设施中使用的能量。燃料电池4例如是固体氧化物型燃料电池(SOFC：Solid Oxide Fuel Cell)。图2是表示燃料电池4的简要结构的示意图。如图2所示，燃料电池4例如通过层叠多个燃料电池单元40而构成，燃料电池单元40通过阳极电极(燃料极)和阴极电极(氧化剂极)从两侧夹住固体聚合物离子交换膜等电解质膜而形成。
在燃料电池4设置有燃料空气入口4a、燃料空气出口4b、冷却气体入口4c、冷却气体出口4d、燃料氢入口4e以及燃料氢出口4f。在燃料空气入口4a、燃料空气出口4b分别连接有燃料空气的供给配管、排气配管。在燃料氢入口4e、燃料氢出口4f分别连接有燃料氢的供给配管、排气配管。在冷却气体入口4c、冷却气体出口4d分别连接有冷却气体的供给配管、排气配管。用于对燃料电池4进行冷却的冷却气体例如使用空气。
燃料电池4若向阳极电极供给含有氢的阳极气体，并向阴极电极供给包含氧的空气，则通过催化剂反应在阳极电极产生的氢离子通过电解质膜而向阴极电极移动，在阴极电极氢离子与氧发生化学反应，由此进行发电。在燃料电池4中，经由第1氢供给单元2或者第2氢供给单元3引入氢，并从大气中引入氧。
再次参照图1，第1氢供给单元2通过使用了可再生能量的发电装置来进行水电解，并向燃料电池4供给氢。这里，可再生能量是指太阳光、风力、地热之类的地球资源的一部分等自然界始终存在的能量。使用了可再生能量的发电装置例如是太阳光发电装置、风力发电装置、地热发电装置、水力发电装置、生物能发电装置等。对于使用了可再生能量的发电装置而言，设置于设施内为前提，因此在设施是机场的情况下，可以考虑太阳光发电装置适合作为使用了可再生能量的发电装置。第1氢供给单元2包括进行水电解来生成氢的氢生成装置2a、和储藏由氢生成装置2a生成的氢的氢储藏罐2b。
第2氢供给单元3对从天然气供给公司10经由管道11供给的天然气(城市燃气)进行改性，并向燃料电池4供给氢。第2氢供给单元3包括通过天然气所包含的甲烷的水蒸气改性来制造氢的氢改性器3a。
控制部5决定对燃料电池4供给的氢中的、从第1氢供给单元2供给的氢与从第2氢供给单元3供给的氢的比率。控制部5根据在设施中使用的能量中的、热能与热能以外的能量的比例来决定上述比率。
如上述那样，在第2氢供给单元3的氢改性器3a中通过甲烷的水蒸气改性来制造氢。基于甲烷的水蒸气改性的氢制造方法是使天然气所包含的甲烷(CH4)在氢改性器3a中与水(H2O)进行化学反应来制造氢(H2)的方法，目前，作为工业用的氢制造方法最广泛地被使用。为了在该化学反应中使烃的转化率提高，需要在比较高温(例如800℃左右)的环境气体中进行该化学反应。因此，在第2氢供给单元3中，在生成氢的过程中释放大量的热。与此相对地，在第1氢供给单元2中，相对于第2氢供给单元3，在生成氢的过程中释放的热较少。
若不考虑在生成氢的过程中释放的热，则相比从第2氢供给单元3向燃料电池4供给氢来发电的情况，从第1氢供给单元2向燃料电池4供给氢来发电的情况下的能量效率较好。
在第2氢供给单元3中，在生成氢的过程中释放的热能够作为在制热、热水供应等设施中使用的热能而被有效地利用。因此，在需要热能较多的情况下，提高对燃料电池4供给的氢中的从第2氢供给单元3供给的氢的比率。即，当在设施中使用的能量中的、热能所占的比例相对较高的情况下，相对于热能所占的比例相对较低的情况，提高向燃料电池4供给的氢中的、从第2氢供给单元3供给的氢所占的比例。这样，控制部5根据在设施中使用的能量中的热能与热能以外的能量的比例来决定上述比率。由此，在具有使用了燃料电池4的能量供给设备的设施中，能够使能量效率提高。
接下来，以下对能量管理系统1的处理的流程进行说明。此外，在以下的说明中也适当地参照图1。
图3是表示能量管理系统1的处理的流程的流程图。如图3所示，首先，控制部5基于预先准备的设施中的电力使用计划，导出在设施中使用的能量中的热能与热能以外的能量的比例(步骤S101)。接着，控制部5根据上述比例，决定对燃料电池4供给的氢中的、从第1氢供给单元2供给的氢与从第2氢供给单元3供给的氢的比率(步骤S102)。
由此，在实施方式1所涉及的能量管理系统1中，在由燃料电池4供给的能量作为热能被使用的情况下，选择发热量较多的第2氢供给单元3，在作为电能量等热能以外的能量被使用的情况下，选择发热量较少的第1氢供给单元2。由此，在具有使用了燃料电池4的能量供给设备的设施中，能够使能量效率提高。
[实施方式2]
首先，对实施方式2所涉及的能量管理系统的结构进行说明。图4是表示实施方式2所涉及的能量管理系统101的结构的框图。如图4所示，能量管理系统101具备第1氢供给单元2、第2氢供给单元3、燃料电池4、控制部105以及取得部6。即，对于能量管理系统101的结构而言，还具备取得部6这一点、以及控制部5(参照图1)被替换为控制部105这一点与能量管理系统1的结构不同。这些以外的能量管理系统101的结构与参照图1说明的实施方式1所涉及的能量管理系统1的结构相同。
取得部6取得与气象及灾害有关的信息。控制部105基于由取得部6取得的与气象及灾害有关的信息，进行两个运转模式(平常时模式、灾害时模式)的切换。即，控制部105当在平常时模式下运转时，基于与气象及灾害有关的信息，判断来自天然气供给公司10的天然气的供给是否会停止，在判断为供给会停止的情况下，切换为灾害时模式。另一方面，控制部5当在灾害时模式下运转时，在基于与气象及灾害有关的信息判断为来自天然气供给公司10的天然气的供给未停止(重新开始供给)的情况下，切换为平常时模式。
在运转模式是平常时模式的情况下，控制部105与实施方式1所涉及的控制部5相同地决定对燃料电池4供给的氢中的、从第1氢供给单元2供给的氢与从第2氢供给单元3供给的氢的比率。即，控制部105根据在设施中使用的能量中的、热能与热能以外的能量的比例来决定上述比率。另一方面，在运转模式是灾害时模式的情况下，控制部105仅从第1氢供给单元2对燃料电池4供给氢。
接下来，以下对能量管理系统101的处理的流程进行说明。此外，在以下的说明中也适当地参照图4。
图5是表示能量管理系统101的处理的流程的流程图。如图5所示，首先，取得部6取得与气象及灾害有关的信息(步骤S201)。接着，控制部105判断来自天然气供给公司10的天然气的供给是否会停止(步骤S202)。
当在步骤S202中判断为天然气的供给未停止的情况下，控制部105基于设施中的电力使用计划，导出在设施中使用的能量中的热能与热能以外的能量的比例(步骤S203)。之后，接着步骤S203，控制部105根据上述比例，决定对燃料电池4供给的氢中的、从第1氢供给单元2供给的氢与从第2氢供给单元3供给的氢的比率(步骤S204)，并使处理返回至步骤S201。
当在步骤S202中判断为天然气的供给会停止的情况下，控制部105仅从第1氢供给单元2对燃料电池4供给氢(步骤S205)，并使处理返回至步骤S201。
通过以上那样，即使在因灾害等而天然气的供给了停止的情况下，也能够应对。
[参考方式]
在使用了可再生能量的发电装置是太阳光发电装置的情况下，也可以考虑以下说明的参考方式。
图6是表示参考方式所涉及的能量管理系统201的结构的框图。如图6所示，能量管理系统201具备第1氢供给单元2、第2氢供给单元3、燃料电池4、控制部205以及取得部106。即，对于能量管理系统201的结构而言，还具备取得部106这一点、以及控制部5(参照图1)被替换为控制部205这一点与实施方式1所涉及的能量管理系统1的结构不同。取得部106取得与太阳光发电装置的发电量有关的信息。控制部205在白天为晴天时等，在太阳光发电装置的发电量足够多的时间段选择第1氢供给单元2，在夜间、阴天时等发电量较少的时间段选择第2氢供给单元3。通过这样，能够考虑太阳光发电装置的发电状况来选择氢供给单元。
此外，本公开并不局限于上述实施方式，在不脱离主旨的范围内能够适当地变更。
例如，在上述的实施方式中，将本公开的能量管理系统作为硬件的结构进行了说明，但本公开并不限定于此。本公开通过CPU(Central Processing Unit)等处理器读取并执行在存储器储存的计算机程序，也能够实现能量管理系统的任意的处理。
在上述的例子中，程序能够使用各种类型的非暂时性的计算机可读介质(non-transitory computer readable medium)来储存并向计算机供给。非暂时性的计算机可读介质包括各种类型的有实体的记录介质(tangible storage medium)。非暂时性的计算机可读介质的例子包括磁记录介质(例如软盘、磁带、硬盘驱动器)、光磁记录介质(例如光磁盘)、CD-ROM(Compact Disc-Read Only Memory)、CD-R(CD-Recordable)、CD-R/W(CD-ReWritable)、半导体存储器(例如，掩模ROM、PROM(Programmable ROM)、EPROM(ErasablePROM)、闪速ROM、RAM(Random Access Memory))。另外，程序也可以通过各种类型的暂时性的计算机可读介质(transitory computer readable medium)向计算机供给。暂时性的计算机可读介质的例子包括电信号、光信号、以及电磁波。暂时性的计算机可读介质能够经由电线和光纤等有线通信路、或者无线通信路将程序向计算机供给。
根据上述公开内容，本公开的实施例显然能够以各种方式变化。不应将这些变化视为脱离本公开的主旨和范围，并且对于本领域技术人员而言，所有这些变更显然包括在技术方案的范围内。

Claims (3)

1.一种能量管理系统，其中，
所述能量管理系统具备：
燃料电池，其供给在设施中使用的能量；
第1氢供给部，其通过使用了可再生能量的发电装置来进行水电解，并向所述燃料电池供给氢；
第2氢供给部，其对经由管道供给的天然气进行改性，并向所述燃料电池供给氢；以及
控制部，其决定对所述燃料电池供给的氢中的、从所述第1氢供给部供给的氢与从所述第2氢供给部供给的氢的比率，
所述控制部根据在所述设施中使用的能量中的热能与所述热能以外的能量的比例来决定所述比率。
2.根据权利要求1所述的能量管理系统，其中，
在需要热能较多的情况下，所述控制部提高对所述燃料电池供给的氢中的、从所述第2氢供给部供给的氢的比率。
3.根据权利要求1或2所述的能量管理系统，其中，
还具备取得与气象及灾害有关的信息的取得部，
所述控制部基于由所述取得部取得的与气象及灾害有关的信息，判断天然气的供给是否会停止，在判断为天然气的供给会停止的情况下，仅从所述第1氢供给部对所述燃料电池供给氢。
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