JP2002180281A - 水素利用システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、水素供給システムについて、利用
者に応じた水素使用量を常に最小コストで供給すること
を課題とし、また、小規模でありながら、利用者が天候
等の自然条件を懸念することなく安心して使用すること
のできる、即ち利便性および信頼性の高い水素利用シス
テムを提供すること課題とする。 【解決手段】 本発明の手段は、水素を燃料として使用
する水素利用装置と、該水素利用装置へ水素を供給する
ための水素を貯蔵する水素貯蔵手段と、該水素貯蔵手段
に貯蔵するための水素を発生させる水電解装置と、該水
電解装置に電力を供給するために商用電力からの電力を
供給する電力供給手段と、前記商用電力の電力コスト、
前記水素利用装置での水素消費量、及び前記水素貯蔵手
段による水素貯蔵量に応じて前記水電解装置の運転を制
御するコントローラを備えることを特徴とする水素利用
システムにある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、各種水素用途の水
素使用量に応じて水素を発生、貯蔵および利用する水素
利用システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、太陽光発電装置に水電解装置を組
み合わせた水素供給システムが提案されており、日中の
太陽光を活用して発生させた電力によって水電解装置を
稼動させ、発生させた水素を貯蔵し、これを利用すると
いう方法が検討されている。

【０００３】しかしながら、斯かる従来の水素利用シス
テムであれば、天候によって日射量が日々変動し、その
発電量が変動することによって水素発生量も変動するた
め、毎日一定した量の水素を利用することができない。

【０００４】そこで、斯かる太陽光発電を電源として水
電解装置を稼動させて水素を貯蔵する際には、このよう
な日々の変動を考慮し、悪条件が続いた場合でも水素を
不足させることなく供給できる装置を備える必要があ
る。従って、太陽光発電用のパネルや、水電解装置、さ
らには水素貯蔵装置を大型化させる必要がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このような従来の装置
によれば、通常利用者が１日に使用する水素量を大幅に
上回るような仕様の装置を設置する必要があり、初期投
資および維持管理費が高価となるため利用者の経済的負
担が大きくなるという問題がある。

【０００６】また、このような水素利用手段と、既存の
電力やガスとを併用することによって前記水素利用供給
システムを補完しようとすると、各種用途機器ごとに水
素用と電気あるいはガス用の機器を用意する必要があ
り、現実的ではない。

【０００７】そこで、本発明の目的は、このような水素
供給システムについて、利用者に応じた水素使用量を常
に最小コストで供給することにあり、さらに本発明の他
の目的は、小規模でありながら、利用者が天候等の自然
条件を懸念することなく安心して使用することのでき
る、即ち利便性および信頼性の高い水素利用システムを
提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記の課
題に鑑みて鋭意研究を重ねた結果、以下の発明を完成さ
せるに至った。

【０００９】即ち、本発明の手段は、水素を燃料として
使用する水素利用装置と、該水素利用装置へ水素を供給
するための水素を貯蔵する水素貯蔵手段と、該水素貯蔵
手段に貯蔵するための水素を発生させる水電解装置と、
該水電解装置に電力を供給するために商用電力からの電
力を供給する電力供給手段と、前記商用電力の電力コス
ト、前記水素利用装置での水素消費量、及び前記水素貯
蔵手段による水素貯蔵量に応じて前記水電解装置の運転
を制御するコントローラを備えることを特徴とする水素
利用システムにある。

【００１０】斯かる水素利用システムによると、利用者
の水素消費量および残存する水素貯蔵量に応じ、且つ供
給される電力のコストに応じ、コントローラが所定量の
水素を確保すべく、水電解装置を運転させることができ
る。従って、常に最小限のコストで水素燃料を安定的に
使用することができる。

【００１１】さらに、本発明の手段は、水素を燃料とし
て使用する水素利用装置と、該水素利用装置へ水素を供
給するための水素を貯蔵する水素貯蔵手段と、該水素貯
蔵手段に貯蔵するための水素を発生させる水電解装置
と、自然エネルギーを利用して発電する自然エネルギー
発電装置と、前記水電解装置に電力を供給するために商
用電力からの電力および前記自然エネルギー発電装置か
らの電力を供給する電力供給手段と、前記商用電力の電
力コスト、前記水素利用装置での水素消費量、及び前記
水素貯蔵手段による水素貯蔵量に応じて前記水電解装置
の運転を制御するコントローラを備えることを特徴とす
る水素利用システムにある。

【００１２】斯かる水素利用システムによると、自然エ
ネルギーを水素ガス燃料に変換して有効に利用すること
ができる上、自然条件によって影響されることなく、常
に最小限のコストで安定的に水素を利用することができ
る。従って、自然条件を考慮した過剰な設備を要するこ
ともない。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態につい
て、図面を参照しつつ詳細に説明する。

【００１４】図１は、本発明に係る水素利用システムを
一般家庭用として適用した場合の一実施形態を示した概
念図である。該水素利用システムは、２つの水素貯蔵装
置Ｔ１、Ｔ２と、該水素貯蔵装置Ｔ１、Ｔ２から供給さ
れる水素を燃料として利用する水素調理器Ｋと、前記水
素貯蔵装置Ｔ１、Ｔ２に水素を供給する水電解装置Ｅ
と、太陽光発電装置ＰＶと、該太陽光発電装置ＰＶある
いは商用電源Ｇからの電力を選択的に前記水電解装置Ｅ
に接続する電源切り替えスイッチＳと、太陽の日射強度
を測定する日射強度計ＳＭと、これらの装置を制御する
コントローラＣを備えて構成されている。また、電力供
給側には、必要に応じて整流器やバッテリーが適宜備え
られ、水素配管等には必要に応じて他のバルブやポンプ
等が備えられるが、ここでは説明の簡略化のために省略
するものとする。

【００１５】水素貯蔵装置Ｔ１およびＴ２は、１日の平
均的な水素使用量を基に余裕率を見込んだ水素貯蔵量を
備えたものであり、水素吸蔵合金方式やカーボンナノチ
ューブ方式、あるいは高圧タンク方式等の公知の水素貯
蔵手段を使用することができる。中でも、水電解装置に
よる水素の発生圧力を利用して水素を貯蔵できるという
点、気体水素や液体水素よりも高い密度で水素を貯蔵す
ることができ貯蔵スペースをコンパクトにできる点、お
よび安全性の点から、水素吸蔵合金方式を使用すること
が好ましい。水素吸蔵合金としては、例えば、ＬａＮｉ
₅、ＭｍＮｉ₅（Ｍｍ：ミッシュメタルと呼ばれる希土類
金属混合物）、ＴｉＦｅなどが挙げられる。本実施形態
では、水素吸蔵合金方式を用いた場合について説明す
る。

【００１６】水素を燃料として使用する水素調理器Ｋと
しては、安全性の観点から、逆火の虞がない触媒燃焼装
置を使用することが好ましい。触媒燃焼装置とは、特定
の金属酸化物等が水素の燃焼に対して触媒としての活性
を有することを利用し、該触媒を設けることによって水
素を非常に低温で燃焼させることを可能としたものであ
る。触媒燃焼装置とすることで、室温から５００℃付近
までの温度が出力調整で任意に得られ、ＮＯｘの発生も
ない。また、炎燃焼限界以下の希薄水素でも燃焼させる
ことができる。更には、水素炎は透明で熱放射が少ない
のに対して、触媒燃焼では触媒が熱放射体となり放射熱
が得やすいとの利点もあり好ましい。

【００１７】水電解装置としては、固体高分子型、ある
いはアルカリ型などの公知のものを使用することができ
る。

【００１８】また、コントローラＣは、信号線１を介し
て前記日射強度計ＳＭからの信号を入力し、太陽光発電
装置ＰＶによる発電の状況を把握する機能と、商用電力
Ｇの利用時間別の電気料金データを記憶する機能と、信
号線２によって電源切り替えスイッチＳを切り替える機
能と、信号線３によって水電解装置Ｅを運転あるいは停
止させる機能と、信号線４によって流量計Ｆ１の測定し
た発生水素ガス流量を入力する機能と、信号線５〜８を
介してバルブＶ１〜Ｖ４をそれぞれ開閉させる機能と、
信号線９によって流量計Ｆ２の測定した使用水素ガス流
量を入力する機能と、信号線１０を介して水素調理器Ｋ
の動作を検知する機能とを備える。

【００１９】斯かるコントローラＣを備えた該水素利用
システムの運転について説明すると、まず、日中に、太
陽光が照射されることによって太陽光発電装置ＰＶが発
電を開始すると、コントローラＣは電源切り替えスイッ
チＳが該太陽光発電装置ＰＶを選択するよう信号を送
り、発生した電力は該電源切り替えスイッチＳを介して
水電解装置Ｅに供給され、該水電解装置Ｅを起動させる
ことによって水を電気分解して水素ガスを生成させる。
生成された水素ガスは、いずれか一方の水素貯蔵装置
（例えば、Ｔ１とする）に貯蔵するために、流量計Ｆ
１、バルブＶ１を介して送られる。水素吸蔵合金方式の
水素貯蔵装置は、水電解装置によって発生させた水素の
圧力（例えば、ゲージ圧力１ＭＰａ）によって水素を吸
蔵させることができる。

【００２０】他方の水素貯蔵装置Ｔ２には、前日に生成
された所定量の水素が貯蔵されており、利用者は任意の
時間に該水素を取り出して水素調理器Ｋを利用すること
ができる。即ち、利用者が水素調理器Ｋを操作した場合
には、コントローラＣがこれを検知し、バルブＶ４を開
いて水素ガスを供給する。水素吸蔵合金方式の水素貯蔵
装置Ｔ２については、例えば装置の外側に温水を供給し
て加熱することにより、水素の放出を促進させることが
できる。

【００２１】水素貯蔵装置Ｔ２に貯蔵された水素が全て
消費されると、コントローラＣはバルブＶ１を閉じてバ
ルブＶ３を開き、もう一方の水素貯蔵装置Ｔ１から水素
を供給させる。尚、この場合に、水電解装置Ｅが起動さ
れ、水素貯蔵装置Ｔ１に水素を供給している途中である
場合には、バルブＶ１を閉じてバルブＶ２を開くことに
よって、該水素の供給を水素貯蔵装置Ｔ２へ切り替える
ものとする。

【００２２】このように、本実施例の水素利用システム
は、水素を貯蔵する側の水素貯蔵装置（例えばＴ１）
と、貯蔵された水素を利用する側の水素貯蔵装置（例え
ばＴ２）とを交互に切り替えることによって、水素貯蔵
と水素供給とを同時に行うことができるよう運転される
ものである。かかる水素貯蔵装置の切り替えは、上述し
たように水素量の減少によって行う以外にも、例えば２
４時間毎に行うことも可能である。

【００２３】しかしながら、太陽光による発電量はその
日の日射量によって増減するため、日照時間や天候の変
化に大きく影響され、常に一定ではない。そこで、前記
コントローラＣは、流量計Ｆ１によって日中に発生した
水素量を測定した結果、予定された水素貯蔵量を満たさ
ないと判断した場合には、その不足量を認識した上で、
予め入力された電力料金データに基づき最も電力料金が
安価になる時間帯を選択して、前記不足量を補うだけの
水素を発生させるよう前記水電解装置Ｅを起動させる。
商用電力Ｇが、時間帯によって例えば昼、夜、深夜の３
段階の料金設定となっている場合には、最も安価な時間
帯を優先的に選択して水素の貯蔵を行う。

【００２４】例えば、天候が曇りであり、日没までに測
定された水素発生量が所定量の２０％である場合には、
残りの８０％を商用電力によって補う必要がある。そこ
で、コントローラＣは、電力料金の安価な夜間に、電源
切り替えスイッチＳを商用電力Ｇに切り替え、その電力
を利用して水電解装置Ｅを運転させて水素を発生させ
る。

【００２５】また、本実施例では日射強度計ＳＭを備え
ているため、その時間の日照量を観測することでその日
の発電量、即ち水素発生量を予測することが可能である
ため、随時商用電力Ｇに切り替えることもできる。従っ
て、料金が最も安価な深夜電力のみでは、所定の水素量
を確保することができないと判断した場合には、該深夜
電力に限らずに次に安価な夜間電力を利用するように運
転を制御することができる。

【００２６】さらに、２４時間毎に水素貯蔵装置を切り
替えて使用する場合には、流量計Ｆ２によって、前日に
使用された水素量を計測することによって、水素貯蔵装
置に残存した水素量を推定することにより、翌日に水電
解装置を運転させるべき最小時間を求めることができ
る。例えば、前日に使用した水素量が、水素貯蔵量の６
０％であれば、約４０％の水素が水素貯蔵装置に残って
いると推定されるため、翌日にはその不足分である６０
％の貯蔵量を満たすだけの水素が必要となる。従って、
予め水電解装置の必要運転時間を認識した上で、最も低
コストとなる時間を選択して運転を行うことが可能とな
る。

【００２７】また、ここで説明した以外にも、水素利用
装置の形態や、利用者の利用態様、あるいは水素貯蔵装
置の容量、水電解装置の仕様等によって、種々の制御方
式が可能であり、さらに、該コントローラＣに学習機能
をもたせることによって、より最適な制御を行うことも
可能である。

【００２８】以上のような水素利用システムによれば、
暦や天候によって日々変化する日照時間の影響を受ける
ことなく、予め定めておいた一定量の水素を毎日供給す
ることが可能となり、利用者が安心して使用することが
できるものとなる。

【００２９】前記実施形態以外にも、水素利用装置の使
用頻度が少ない場合に好ましい他の実施形態として、水
素貯蔵装置を１つ（例えばＴ１のみ）だけ備えた水素利
用システムを例示することができる。

【００３０】一般家庭を想定すると、１日を通して常に
水素調理器Ｋが使用されることはなく、通常は朝と夕方
を中心に使用されると考えられる。このような場合に
は、水素を利用する時間帯と、水素を発生させて貯蔵す
る時間帯とが比較的区別し易いため、バルブ（Ｖ１およ
びＶ３）の切り替えによって対応することが可能とな
る。具体的には、日中の晴天時の太陽光発電装置ＰＶ、
あるいは電気料金の安価な深夜の商用電力Ｇを用いて水
素を貯蔵し、朝夕の時間帯には該貯蔵された水素を利用
するというものである。

【００３１】斯かる実施形態によれば、水素貯蔵装置を
複数設ける必要はなく、より簡略なシステムとなる。

【００３２】そして、仮に水電解装置Ｅの運転中に利用
者が水素調理器Ｋを起動させたとしても、コントローラ
Ｃが該信号を検知することで、水電解装置Ｅの運転を停
止させると同時にバルブＶ１を閉じてバルブＶ３を開
き、水素貯蔵装置Ｔ１から水素調理器Ｋに水素を送るこ
とが可能である。その後、水素調理器Ｋを停止させる
と、コントローラＣはその信号を検知し、逆に水電解装
置Ｅを運転させると同時にバルブＶ３を閉じてバルブＶ
１を開き、水素貯蔵装置Ｔ１への水素の貯蔵を再開させ
ることが可能である。このような運転制御を行うことに
より、水素貯蔵装置を一つだけ備えた場合でも、常時、
本水素利用システムを有効に活用することができる。

【００３３】尚、上述した２つの実施形態においては、
水素利用装置として水素調理器を用いた場合について説
明したが、本発明はこれに限定されず、水素を利用した
他の機器、例えば、給湯器具や暖房器具などを適用する
ことができる。さらに、自然エネルギー発電装置として
は、太陽光発電装置に代えて、あるいは太陽光発電装置
と併用させて、風力発電装置等の他の自然エネルギー発
電装置を使用することも可能である。

【００３４】また、本発明は、斯かる自然エネルギー発
電装置を使用せず商用電力のみを用いた場合にも有効で
あり、コントローラに入力された電力料金データ及び使
用者の水素使用量データに基づき、個々の利用者の利用
態様に応じて最少のコストで水素を供給することが可能
となる。

【００３５】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、商用電
力のみを用いた場合には、個々の利用者の利用態様に応
じて最少のコストで水素を供給することが可能となる。

【００３６】また、自然エネルギー発電装置を使用した
場合には、天候等の自然条件に影響されることなく常に
所定量の水素燃料を使用することができ、利便性および
信頼性の高い水素利用システムを提供することが可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

【図1】本発明の水素利用システムの一実施形態を示し
た概略図。

【符号の説明】

ＳＭ…日射強度計、Ｃ…コントローラ、ＰＶ…太陽光発
電装置、Ｇ…商用電力、Ｓ…電源切り替えスイッチ、Ｅ
…水電解装置、Ｔ１、Ｔ２…水素貯蔵装置、Ｋ…水素調
理器

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水素を燃料として使用する水素利用装置
   と、該水素利用装置へ水素を供給するための水素を貯蔵
   する水素貯蔵手段と、該水素貯蔵手段に貯蔵するための
   水素を発生させる水電解装置と、該水電解装置に電力を
   供給するために商用電力からの電力を供給する電力供給
   手段と、前記商用電力の電力コスト、前記水素利用装置
   での水素消費量、及び前記水素貯蔵手段による水素貯蔵
   量に応じて前記水電解装置の運転を制御するコントロー
   ラを備えることを特徴とする水素利用システム。
2. 【請求項２】 水素を燃料として使用する水素利用装置
   と、該水素利用装置へ水素を供給するための水素を貯蔵
   する水素貯蔵手段と、該水素貯蔵手段に貯蔵するための
   水素を発生させる水電解装置と、自然エネルギーを利用
   して発電する自然エネルギー発電装置と、前記水電解装
   置に電力を供給するために商用電力からの電力および前
   記自然エネルギー発電装置からの電力を供給する電力供
   給手段と、前記商用電力の電力コスト、前記水素利用装
   置での水素消費量、及び前記水素貯蔵手段による水素貯
   蔵量に応じて前記水電解装置の運転を制御するコントロ
   ーラを備えることを特徴とする水素利用システム。