JP2002075388A

JP2002075388A - 給電システムの稼動方法および給電システム

Info

Publication number: JP2002075388A
Application number: JP2000255930A
Authority: JP
Inventors: Hiroto Takeuchi; 裕人竹内
Original assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Current assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Priority date: 2000-08-25
Filing date: 2000-08-25
Publication date: 2002-03-15

Abstract

(57)【要約】【課題】太陽電池と燃料電池を備えた自立型の給電シ
ステムを提供する。【解決手段】給電システムは、太陽電池１と、電力変
換装置２と、水分解装置４と、水素貯蔵装置５と、燃料
電池６とを備えている。太陽電池１からの直流電力は、
電力変換装置２により交流に変換されて負荷１００に供
給される。水分解装置４では、太陽電池１からの余剰電
力により水を分解して水素を発生する。水素貯蔵装置
は、水素吸蔵合金を内蔵し、水分解装置４からの水素を
蓄える。燃料電池６は、負荷１００での消費電力が太陽
電池１からの電力を上回る時に、水素貯蔵装置５で蓄え
た水素を用いて発電を行い、不足電力を負荷に供給す
る。上記構成の給電システムにおいて、稼動前に予め上
記水素貯蔵装置５に水素を供給して、上記水素吸蔵合金
に水素を貯蔵させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、太陽電池と燃料電
池を備えた給電システムにおいて、特に自立型として最
適な給電システムおよび給電システムの稼動方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】クリーンで無公害な太陽光エネルギーを
用いた給電システムは周知である。この給電システム
は、太陽電池からの直流電力をインバータで交流電力に
変換して負荷に供給するが、インバータからの電力が負
荷が要求する電力に満たない場合には、商用電源からの
電力を補充している。

【０００３】ところで、灯台や僻地の住宅等では、上記
太陽電池を用いた給電システムを商用電源から切り離
し、自立して負荷に給電することが求められる場合があ
る。この場合、太陽電池だけでは、負荷への給電を確保
することができない。夜間に太陽電池での発電が実質的
に停止してしまうからである。

【０００４】そのため、自立型給電システムの場合、他
の電力供給手段を追加する必要がある。他の電力供給手
段として二次電池を用いた給電システムでは、昼に太陽
電池からの余剰電力を二次電池に蓄え、夜間に二次電池
から放電を行うことにより、夜間に必要とする電力を賄
うようにしている。

【０００５】また、特開平５−２５１１０５号公報に開
示されているように、太陽電池に、電気分解装置，水素
貯蔵合金，燃料電池を付加した給電システムも開発され
ている。この給電システムは、太陽電池からの電力で水
を電気分解し、これを水素吸蔵合金に蓄えておき、燃料
電池で水素を電気化学的に酸素と反応させることによ
り、夜間等に必要とする電力を賄っている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】最初に述べた従来の給
電システムを自立型として用いた場合、太陽電池の大型
化を免れない。その理由は下記の通りである。二次電池
は、自然放電があるため、電力を長期にわたって安定し
て蓄積することができず、太陽エネルギーの多い季節に
生じた余剰電力を、太陽エネルギーの少ない季節まで蓄
積しておくことができない。冬季のように太陽光エネル
ギーが少ない季節では、太陽電池の発電量が少なく、そ
の余剰電力による二次電池の蓄電量も少なくなるので、
夜間に必要な消費電力を賄えなくなってしまう。そのた
め、太陽電池を大きくして、少ない太陽光エネルギーで
も余剰電力を多くし、二次電池の蓄電量を確保しなけれ
ばならないのである。

【０００７】二番目に述べた従来の給電システムでは、
余剰電力を水素に換えて水素吸蔵合金に蓄えるが、この
水素貯蔵は安定しているので、太陽エネルギーの多い季
節に生じた余剰電力を水素として蓄え、太陽エネルギー
の少ない季節の夜間等にこの水素を用いて燃料電池で発
電させることができる。しかし、稼動開始直後には、そ
の時の太陽電池の余剰電力に対応した水素しか貯蔵して
いないので、夜間における給電が不安定である。余剰電
力を水素に変換した後、水素を電力に戻すため、エネル
ギー効率が悪いからである。また、太陽エネルギーの少
ない季節に稼動を開始すると、夜間に電力を供給するた
めに燃料電池で消費する水素量を確保できず、夜間発電
に十分な水素量を確保するためには、太陽電池を大型に
せざるを得ない。

【０００８】本発明は、太陽電池を大型化することな
く、夜間での給電を安定して行える給電システムの稼動
方法および給電システムを提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の態様は、
（イ）負荷へ電力を供給する太陽電池と、（ロ）上記太
陽電池からの余剰電力により水を分解して水素を発生す
る水分解装置と、（ハ）上記水分解装置からの水素を蓄
える水素吸蔵合金を含む水素貯蔵装置と、（ニ）負荷で
の消費電力が太陽電池からの電力を上回る時に、上記水
素貯蔵装置で蓄えた水素を用いて発電を行い、不足電力
を負荷に供給する燃料電池と、を備えた給電システムに
おいて、稼動前に予め上記水素貯蔵装置に水素を供給し
て、上記水素吸蔵合金に水素を貯蔵させることを特徴と
する。

【００１０】本発明の第２の態様は、第１態様の給電シ
ステムの稼動方法いおいて、上記稼動前の水素吸蔵合金
における水素貯蔵量は、この水素吸蔵合金の容量の約半
分〜同程度であることを特徴とする。

【００１１】本発明の第３の態様は、給電システムにお
いて、（イ）負荷へ電力を供給する太陽電池と、（ロ）
上記太陽電池からの余剰電力を蓄え、負荷での消費電力
が太陽電池からの電力を上回る時には、放電により不足
電力を負荷に供給する二次電池と、（ハ）上記太陽電池
からの余剰電力により水を分解して水素を発生する水分
解装置と、（ニ）上記水分解装置からの水素を蓄える水
素吸蔵合金を含む水素貯蔵装置と、（ホ）負荷での消費
電力が太陽電池からの電力を上回る時に、上記水素貯蔵
装置で蓄えた水素を用いて発電を行い、不足電力を負荷
に供給する燃料電池と、を備えたことを特徴とする。

【００１２】本発明の第４の態様は、第３態様の給電シ
ステムにおいて、さらに余剰電力選択制御手段と消費電
力選択手段を備え、上記余剰電力選択制御手段は、上記
太陽電池の余剰電力を優先して二次電池に供給し、この
二次電池の蓄電量が所定の上限値に達した時に、太陽電
池の余剰電力を水分解装置に供給し、上記消費電力選択
制御手段は、上記太陽電池で足りない電力を、優先的に
二次電池からの電力で補い、この二次電池の蓄電量が所
定の下限値に達した時に、燃料電池からの電力で補うこ
とを特徴とする。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係わる自立型給電
システムの稼動方法の実施形態について、図１〜図４を
参照しながら説明する。図１に示すように、給電システ
ムは、太陽電池１と電力変換装置（インバータ）２を備
えている。太陽光を受けた太陽電池１は直流電力を出力
し、この直流電力は、第１電力路１１を経て電力変換装
置２に送られ、ここで所定周波数の１００Ｖの交流電力
に変換されて、負荷１００に供給される。

【００１４】さらに、上記給電システムは、電圧調整装
置３，水電解装置４，水素貯蔵装置５，燃料電池６を備
えている。水素貯蔵装置５は、金属製の容器内に粉末の
水素吸蔵合金を収容することにより、構成されている。
例えば、水素吸蔵合金がＭｍＬｉ₅の場合、４００ｍ³の
水素を貯蔵するためには、２４００〜４０００Ｋｇ程度
が必要となる。燃料電池６は、例えば固体高分子型のも
のであり、水素と空気中の酸素との電気化学的反応から
直流電力を出力する。

【００１５】上記装置３〜６の一般的な作用について説
明する。上記負荷１００で必要とする電力に対して太陽
電池１の電力が余った時に、この余剰電力は第２電力路
１２を介して電圧調整装置３に送られ、ここで水電解に
最適な電圧に調整されて水電解装置４に供給される。水
電解装置４は、上記余剰電力で水を電解して水素を発生
する。発生した水素が上記水素貯蔵装置５の水素吸蔵合
金に吸収されて蓄えられる。

【００１６】燃料電池６は、負荷１００で必要とする電
力に対して、太陽電池１からの電力が足りない時、水素
貯蔵装置５の水素吸蔵合金に蓄えられた水素を消費しな
がら、直流電力を出力する。この直流電力は電力変換装
置２により交流電力に変換されて、負荷１００に供給さ
れる。夜間等のように太陽電池１からの電力が実質的に
ゼロの場合には、負荷１００での全消費電力が燃料電池
６での発電で賄われる。夕方のように太陽電池１からの
電力がゼロでない場合には、燃料電池６からの電力と太
陽電池１からの電力が、電力変換装置２で混合されて負
荷１００に供給される。

【００１７】図２を参照しながら、一日に生じる余剰電
力量と不足電力量について説明する。上述したように、
太陽電池１は、昼間において太陽光を受けている時に発
電するため、図２においてプラス側で示すように、余剰
電力が生じる。しかし、太陽電池１は、夜間には殆ど発
電しないので、図２においてマイナス側に示すように、
電力が不足する。この不足電力が上記燃料電池６での発
電で補われる。

【００１８】次に、図３を参照しながら、一日における
水素生成量と水素消費量について説明する。図３のプラ
ス側に示すように、上記太陽電池１での余剰電力を用い
て水電解装置４で水素が発生する。また、図３のマイナ
ス側に示すように、上記不足電力を補うために燃料電池
６では水素を消費する。図３と図２を比較すれば明らか
なように、水素消費量の水素発生量に対する比は、消費
電力の余剰電力に対する比より大きくなっている。これ
は、電気分解装置４により余剰電力で水素を発生させる
際、および燃料電池６で電力を発生させる際に、エネル
ギー損失が生じるためである。

【００１９】水素は主に昼間に生成され夜間に消費され
るが、長期的に見ると、図３から明らかなように、太陽
光エネルギーが弱く消費電力が多い季節には、一日の水
素消費量が水素生成量を上回る。また、太陽光エネルギ
ーが強くても、消費電力が余剰電力を上回る場合には、
一日の水素消費量が水素生成量を上回る。そのため、こ
のような季節に給電システムを稼動させた場合、夜間に
給電を行えなくなる恐れがある。これを解消するために
は、太陽電池１を大きくして、このような季節でも消費
生成量を水素消費量と等しいか大きくする必要ことを余
儀なくされる。

【００２０】そこで、本発明の稼動方法では、太陽電池
１を大きくする代わりに、給電システムの稼動前に図示
しない水素タンクを水素貯蔵装置５に接続して水素を供
給し、水素吸蔵合金に水素を予め貯蔵させておく。本実
施形態では、後述するように水素吸蔵合金の容量一杯
に、水素を貯蔵させる（水素吸蔵合金容量と同程度の水
素貯蔵）。

【００２１】図４を参照しながら、７月始めに稼動を開
始する場合を想定して、水素の消費と生成について説明
する。上述したように稼動前の水素供給により、水素吸
蔵合金には、容量４００ｍ³一杯の水素が貯蔵されてい
る。稼動開始時の７月初旬から９月下旬までは、太陽光
エネルギーが多いものの冷房等で消費電力も多いので、
水素消費量が生成量を上回り、それ故水素貯蔵量が減少
し続ける。１０月には水素生成量が消費量を上回るの
で、一旦水素貯蔵量が増大するが、容量に達せずにピー
クを迎える。そして１１月初旬から２月末においては、
太陽光エネルギーが減少するとともに暖房等で消費電力
が増大するので、水素消費量が水素生成量を上回り、長
期にわたって水素貯蔵量が減少して、２月下旬で底を打
つ。そして、３月初旬から６月下旬にかけては太陽光エ
ネルギーが比較的多いにも拘わらず，暖房，冷房負荷が
少ないので、水素生成量が消費量を上回り、水素貯蔵量
が増大してピークに達する。本実施形態では、このピー
クは、水素吸蔵合金の容量と同程度である。

【００２２】上記のように、水素を稼動前に予め貯蔵さ
せておくことにより、太陽電池１の昼間の発電に伴う余
剰電力に比較して夜間の消費電力が多い季節に稼動させ
ても長期にわたって安定して夜間時に給電を行うことが
できる。なお、季節に関係なく、予め水素を貯蔵させて
おけば、昼間の天候等に左右されずに稼動開始日から安
定して夜間給電を行えることができる。

【００２３】ここで太陽電池１の大きさについて考察す
る。本実施形態では、太陽電池１は、図４に示すよう
に、水素発生量の平均年間積算値と、水素消費量の平均
年間積算値とがほぼ一致し、水素貯蔵量が数年〜数十年
の長期にわたって同一波形を描いて変化するような大き
さとなっている。そのため、稼動前に１回だけ水素を供
給すれば、後で補充する必要がない。後での補充を確実
に回避するために、上記年間水素生成量が年間水素消費
量より若干多くなるように、太陽電池１の大きさを決定
してもよい。なお、太陽電池１を、上記年間水素生成量
が年間水素消費量より少ないような大きさにする場合に
は、後で水素を補充する必要がある。

【００２４】本実施形態では、水素吸蔵合金の容量を、
水素貯蔵量の年間変動幅すなわちピーク値と底値との幅
より若干大きくしており、これにより水素貯蔵装置５は
小型で効率良く水素を貯蔵することができる。

【００２５】本実施形態では、水素吸蔵合金の容量の１
００％の水素を稼動前に貯蔵させており、これにより給
電システムの稼動開始時期が、水素貯蔵量が減少を開始
する時期と一致しても、水素貯蔵量の底値がゼロになら
ないようにしたが、他の時期で容量の１００％の水素を
貯蔵させると、水素貯蔵量が容量に達した後も余剰電力
により水素を生成することなる。しかし、この余剰水素
は水素貯蔵装置５に設けた逃がし弁から逃がすので支障
はない。

【００２６】上記のように、余剰電力により生成した水
素無駄にしないためには、例えば季節に応じて給電シス
テム稼動開始時の水素貯蔵量を変えてもよい。例えば、
図４から明らかなように、３月頃に稼動を開始する場合
には、稼動開始時の水素貯蔵量は水素吸蔵合金容量の５
〜１０％であってもよい。

【００２７】上記のように季節に応じて稼動前の水素貯
蔵量を変更するのは、煩雑である。そこで、稼動開始時
の水素貯蔵量を一定にし、生成した水素を無駄にしない
方法も考えられる。すなわち、水素吸蔵合金の容量を、
上記水素貯蔵合金の変動幅の２倍より若干多い程度例え
ば８００ｍ³とし、稼動開始時の水素貯蔵量を変動幅程
度より若干多い程度例えば４００ｍ³（容量の約半分）
とする。このようにすれば、季節に拘わらずに稼動前の
水素量を一定にすることができ、また、生成した水素を
無駄にしないで済む。

【００２８】また、生成される水素の無駄を無くすこと
と、水素貯蔵合金の小型化の両者のバランスを勘案し
て、水素吸蔵合金の容量を４００〜８００ｍ³とし、シ
ステム稼動開始前の水素貯蔵量を４００ｍ³としてもよ
い。この場合、稼動開始前の所定の水素貯蔵量として、
水素吸蔵合金の容量の５０〜１００％（約半分〜同程
度）の範囲で選択することができる。

【００２９】次に、本発明の自立型給電システムの他の
実施形態について、図５を参照して説明する。図５にお
いて、図１の実施形態に対応する構成部には、同番号を
付してその詳細な説明を省略する。本給電システムは、
図１の給電システムに、選択制御装置７，８と二次電池
９を付加することにより構成されている。

【００３０】選択制御装置７（余剰電力選択制御手段）
は、太陽電池１の余剰電力を二次電池９と水分解装置４
のいずれに供給するかを選択制御する。二次電池９が容
量一杯の蓄電量（所定の上限値の蓄電量）か否かを、例
えば二次電池９の端子電圧から判断し、否定判断の場合
には余剰電力を二次電池９へ供給し、肯定判断の時には
水電解装置４に供給する。電圧調整装置３は、充電，水
電解に最適の電圧に調節するための調節部をそれぞれ有
している。なお、充電，水電解に最適の電圧が等しい場
合には、電圧調整装置３を選択制御装置７と太陽電池１
の間に配置すればよい。

【００３１】選択制御装置８は、負荷１００の消費電力
が太陽電池１から電力変換装置２を経て供給される電力
より大きい場合に、その足りない電力を二次電池９から
の電力と燃料電池６からの電力のいずれで補うかを選択
制御する。二次電池９の蓄電量がほぼゼロ（所定の下限
値の蓄電量）か否かを、例えば二次電池９の端子電圧か
ら判断し、否定判断の場合には二次電池９からの電力を
選択して電力変換装置２を介して負荷１００に供給し、
肯定判断の時には燃料電池６からの電力を供給する。

【００３２】二次電池９の蓄電，放電は、水電解による
水素発生，水素を用いた発電に比べてエネルギー効率が
遥かに良いので、余剰電力を優先的に二次電池９への蓄
電に回し、足りない電力を優先的に二次電池９からの放
電によって補うのである。二次電池９は、短期にわたる
電力の過不足を効率良く補うが、長期にわたって余剰電
力を蓄えることができない。長期にわたるエネルギーの
過不足は、最初の実施形態と同様に、水素生成、貯蔵，
水素消費による発電によって補うことになる。このよう
に、太陽電池１に、役割の異なる２つの電力供給手段を
付加したことにより、太陽電池１を大型にせずに、短期
的，長期的に安定して電力を供給することができる。二
次電池９を用いたことにより、水素吸蔵合金の容量を小
さくすることができる。

【００３３】なお、本発明は上記実施形態に制約され
ず、種々の態様が可能である。例えば、図５の実施形態
において、給電システムの稼動前に水素貯蔵装置に水素
供給を行ってもよい。これにより、太陽電池１をより一
層小型にすることができる。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の第１の態
様によれば、給電システム稼動前に予め水素を貯蔵する
ことにより、長期にわたって安定して給電を行うことが
でき、自立型に適した給電システムにすることができ
る。本発明の第２の態様によれば、水素吸蔵合金の水素
貯蔵量を容量の約半分〜同程度にしたので、水素吸蔵合
金の容量を水素貯蔵量の年間変動幅程度から２倍程度に
抑え、太陽電池の大きさを、年間水素貯蔵量と年間水素
消費量がほぼ同程度になる大きさに抑えた場合でも、季
節に拘わらずに決められた量の水素を供給することで、
確実に長期にわたって安定した給電を行うことができ
る。しかも、水素貯蔵量を水素貯蔵合金容量の２倍を限
度に多めに設定するほど、余剰電力により生成した水素
の無駄を無くすことができる。本発明の第３の態様によ
れば、役割の異なる２つの電力供給手段を付加したこと
により、太陽電池１を大型にせずに、短期的，長期的に
安定して電力を供給することができ、自立型に適した給
電システムにすることができる。本発明の第４の態様に
よれば、二次電池の蓄電，放電を優先する制御を行うこ
とにより、より一層安定した効率的な電力供給を行うこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態をなす給電システムの回
路ブロック図である。

【図２】同給電システムにおいて、一日の余剰電力量と
不足電力量の変化を示す図である。

【図３】同給電システムにおいて、一日の水素発生量と
水素消費量の変化を示す図である。

【図４】同給電システムにおいて、水素貯蔵量の変化を
示す図である。

【図５】本発明の第２実施形態をなす給電システムの回
路ブロック図である。

【符号の説明】

１太陽電池４水電解装置５水素貯蔵装置６燃料電池７選択制御装置（余剰電力選択制御手段）８選択制御装置（消費電力選択制御手段）９二次電池

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】（イ）負荷へ電力を供給する太陽電池と、
（ロ）上記太陽電池からの余剰電力により水を分解して
水素を発生する水分解装置と、（ハ）上記水分解装置か
らの水素を蓄える水素吸蔵合金を含む水素貯蔵装置と、
（ニ）負荷での消費電力が太陽電池からの電力を上回る
時に、上記水素貯蔵装置で蓄えた水素を用いて発電を行
い、不足電力を負荷に供給する燃料電池と、を備えた給電システムにおいて、稼動前に予め上記水素
貯蔵装置に水素を供給して、上記水素吸蔵合金に水素を
貯蔵させることを特徴とする給電システムの稼動方法。
【請求項２】上記稼動前の水素吸蔵合金における水素貯
蔵量は、この水素吸蔵合金の容量の約半分〜同程度であ
ることを特徴とする請求項１に記載の給電システムの稼
動方法。
【請求項３】（イ）負荷へ電力を供給する太陽電池と、
（ロ）上記太陽電池からの余剰電力を蓄え、負荷での消
費電力が太陽電池からの電力を上回る時には、放電によ
り不足電力を負荷に供給する二次電池と、（ハ）上記太
陽電池からの余剰電力により水を分解して水素を発生す
る水分解装置と、（ニ）上記水分解装置からの水素を蓄
える水素吸蔵合金を含む水素貯蔵装置と、（ホ）負荷で
の消費電力が太陽電池からの電力を上回る時に、上記水
素貯蔵装置で蓄えた水素を用いて発電を行い、不足電力
を負荷に供給する燃料電池と、を備えた給電システム。
【請求項４】さらに余剰電力選択制御手段と消費電力選
択手段を備え、上記余剰電力選択制御手段は、上記太陽
電池の余剰電力を優先して二次電池に供給し、この二次
電池の蓄電量が所定の上限値に達した時に、太陽電池の
余剰電力を水分解装置に供給し、上記消費電力選択制御
手段は、上記太陽電池で足りない電力を、優先的に二次
電池からの電力で補い、この二次電池の蓄電量が所定の
下限値に達した時に、燃料電池からの電力で補うことを
特徴とする請求項３に記載の給電システム。