JP2004244653A - 水電解システム - Google Patents

Abstract

【課題】水電解セルに対する入力源の最適動作点、すなわち最大出力を得、システム全体の効率を最適に維持できる水電解システムを提供する。
【解決手段】高電圧、低電流特性をもつ太陽電池と低電圧、高電流特性をもつ電解セルの間に、大電力変換が可能なＤＣ−ＤＣコンバータを備えている。システム全体は制御回路で結ばれており、前記制御回路は太陽電池の最適動作点、すなわち最大電力Ｐｍを検出する手段と、前記コンバータの入力電力Ｐｉｎを検出する手段と、コンバータの出力電力、すなわち電解セルに加わる電力Ｐｏｕｔを検出する手段と、システム全体の効率ηが最大となるようにＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧Ｖｏｕｔを出力できる手段を有している。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽電池等の高電圧入力源を用いた水の電気分解技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
太陽電池と水電解セルの電流−電圧特性をマッチング（整合）させる方法として、従来からいくつか提案されている。一般的な方法として、太陽電池のセルまたはモジュールを直列、並列に組み合わせて整合をとるが、電解セルの数を変更することで整合をとる方法もある（非特許文献１）
【０００３】
しかし、これらの方法では、太陽電池の最適動作点に合わせて、逐一システムの構成を変更しなければならず、同一の構成では太陽電池や電解セルの特性の変化に追随できない。
【０００４】
太陽電池と電解セルとの間に大電力用のＤＣ−ＤＣコンバータを挿入し、両者を電力変換する方法も提案されている（非特許文献２）。しかし、大電力用のコンバータを用いた場合は、太陽電池と負荷（電解セル）の整合性が悪いため、コンバータ自体の変換効率が４０〜５０％と悪く、システム全体の効率も極端に低くなる。また、ＤＣ−ＤＣコンバータを用いて、蓄電池の出力電圧に応じて太陽電池と電解セルへの入力電流を段階的に切り換える方法がある（特許文献１）。
【０００５】
しかし、この方法は太陽電池とコンバータ間に蓄電池を必要とし、太陽電池の最適動作点を電解セルの電流−電圧特性に合致させるものではないため、システム全体の効率を最適に維持するのは困難である。さらに、低出力型のＤＣ−ＤＣコンバータを用いて太陽電池の最適動作点を得る方法もあるが（特許文献２）、ＤＣ−ＤＣコンバータは動作点の微調整に用いており、電力変換を行うものではない。また、微調整に直流電源を用いているため余分な電力を必要とし、太陽電池と電解セルの整合がとれたとしてもシステム全体の効率は悪くなる。
【０００６】
【非特許文献１】
横山 敬志、ｉｂｉｄ、２６、Ｎｏ．４、１９（２０００）
【非特許文献２】
川島 陽介ら、太陽／風力エネルギー講演論文集、ｐ．５４１（２０００）
【特許文献１】
特開平７−２３３４９３号公報
【特許文献２】
特開２００２−８８４９３号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来、太陽電池により水電解を行う際は、太陽電池の最適動作点に合わせて、逐一システムの構成を変更しなければならず、同一の構成では太陽電池や電解セルの特性の変化に追随できなかった。大電力用のコンバータを用いた場合は、太陽電池と負荷（電解セル）の整合性が悪かった。ＤＣ−ＤＣコンバータを用いて、蓄電池の出力電圧に応じて太陽電池と電解セルへの入力電流を段階的に切り換える方法においても、システム全体の効率を最適に維持するのは困難であった。さらに、低出力型のＤＣ−ＤＣコンバータを用いて太陽電池の最適動作点を得る方法もあるが、ＤＣ−ＤＣコンバータは動作点の微調整用であり、電力変換を行うものではないので、太陽電池と電解セルの整合がとれたとしてもシステム全体の効率が悪くなっていた。
【０００８】
そこで、本発明は、従来技術の上記問題点を解決するためになされたものであり、太陽電池等の高電圧、かつ低電流の入力源をＤＣ−ＤＣコンバータを用いて、低電圧、かつ高電流に変換し、さらにコンバータの出力電圧制御を行うことにより、低抵抗（すなわち低電圧、かつ高電流）特性を有する電解セルを負荷に用いた場合においても、太陽電池等の入力源の最適動作点、すなわち最大出力を得ることが可能となり、システム全体の効率を最適に維持できる水電解システムを提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１構成の水電解システムは、高電圧かつ低電流の電源を、低電圧かつ高電流で動作する電解セルの入力源とする水電解システムにおいて、前記電源からの出力を低電圧かつ高電流に変換するとともに、前記低電圧を一定値に制御するＤＣ−ＤＣコンバータを有している。
【００１０】
高電圧、低電流の電源に対し、負荷である電解セルは低電圧、高電流が必要となる。ＤＣ−ＤＣコンバータを用いることにより、両者の電力変換を行うことができる。
【００１１】
本発明の第２構成の水電解システムは、前記第１構成の電源の最大電力と、前記ＤＣ−ＤＣコンバータへの入力電力と、前記コンバータの出力電力を同時に検出し、システム効率が最大となるように前記コンバータの出力電圧を調整する制御回路をさらに有している。
【００１２】
コンバータの出力電圧が一定では、入力源の電源と電解セルとの整合（マッチング）が難しく、電解セルが電源の出力変動に追随できない。そこで、電源の最大電圧とＤＣ−ＤＣコンバータの入出力電力を検出し、システム効率が最大となるようにコンバータの出力電圧を制御することにより、電源や電解セルの特性が変動してもシステム効率を最適に維持することが可能となる。
【００１３】
本発明の第３の構成は、前記第１、第２構成のコンバータが、入力電圧に対する出力電圧が１／５以下かつ、入力電流に対する出力電流が５倍以上の特性を有していることである。
【００１４】
コンバータの出力電圧が入力電圧に対し１／５より大きいと、ＤＣ−ＤＣコンバータの使用電圧範囲外となり、安定に制御できなくなり、効率も低下するという不具合が生ずる。コンバータの出力電圧は入力電圧に対し、１／２０以上、１／５以下であることが望ましい。
【００１５】
また、コンバータの出力電流が、入力電流の５倍より小さいと、ＤＣ−ＤＣコンバータの使用電圧範囲外となり、安定に制御できなくなり、効率も低下するという不具合が生ずる。コンバータの出力電流は、入力電流の５倍以上、２０倍以下が望ましい。
【００１６】
本発明の第４の構成は、前記第１〜第３の構成の電源として、太陽電池、風力発電、水力発電、およびバイオマスおよび／または化石燃料による発電から選択された少なくとも１つを有する水電解システムである。電解水素生成用として本システムを用いる場合は、電源として太陽電池を使うことが好適である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について更に詳細に説明する。
【００１８】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態は、太陽電池等の高電圧、低電流の電源と、ＤＣ−ＤＣコンバータとからなる水電解システムである。太陽電池からの高電圧、低電流の入力を低電圧、高電流に変換し、電解セルに入力する。その際、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を制御することにより、負荷として低抵抗の電解セルを用いた場合においても、太陽電池の最適動作点、すなわち最大出力を得ることが可能となり、高いシステム効率を持つ水電解システムを実現できる。
【００１９】
（第２の実施の形態）
図１は本発明による水電解システムの第２の実施の形態を示している。高電圧、低電流特性をもつ太陽電池と低電圧、高電流特性をもつ電解セルの間に、大電力変換が可能なＤＣ−ＤＣコンバータを備えている。システム全体は制御回路で結ばれており、前記制御回路は太陽電池の最適動作点、すなわち最大電力Ｐｍを検出する手段と、前記コンバータの入力電力Ｐｉｎを検出する手段と、コンバータの出力電力、すなわち電解セルに加わる電力Ｐｏｕｔを検出する手段と、システム全体の効率ηが最大となるようにＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧Ｖｏｕｔを出力できる手段を有している。
【００２０】
前記最大出力ＰｍはＩ−Ｖトレーサで計測され、太陽電池と前記コンバータ間に備えられた切替器により自動的に検出される。最大出力Ｐｍの計測にはＩ−Ｖトレーサを用いたが、Ｉ−Ｖトレーサのかわりに日射強度を測定することにより最大出力Ｐｍを求めてもよい。前記入出力電力Ｐｉｎ、Ｐｏｕｔは電力計又はクランプ型電流電圧計を用いて計測され、連続的に検出される。前記電力Ｐｍ、Ｐｉｎ、Ｐｏｕｔから太陽電池の負荷の影響による効率η１＝Ｐｉｎ／Ｐｍ及びＤＣ−ＤＣコンバータの効率η２＝Ｐｏｕｔ／Ｐｉｎを演算し、システム全体の効率η＝η１×η２を求めることにより、ηが最大となるように前記コンバータの出力電圧Ｖｏｕｔを制御する。これらの一連の制御により、太陽電池の最適動作点とＤＣ−ＤＣコンバータの最大効率が維持され、システム全体の効率を常時最適に保つことができる。
【００２１】
（第３の実施の形態）
図２は本発明の第３の実施の形態を示している。太陽電池とＤＣ−ＤＣコンバータの間にチャージコントローラ及び蓄電池を介する以外は、第２の実施の形態と同じである。チャージコントローラは蓄電池からの逆流防止及び蓄電池の過電流保護のために用いる。蓄電池を介する場合は、太陽電池のパネル電力Ｐｐｖと前記コンバータの入力電力Ｐｉｎは異なるので、それぞれ別々に測定し、太陽電池の負荷の影響による効率η１＝Ｐｐｖ／Ｐｍ、ＤＣ−ＤＣコンバータの効率η２＝Ｐｏｕｔ／Ｐｉｎを求め、システム全体の効率η＝η１×η２が最大となるように前記コンバータの出力電圧Ｖｏｕｔを制御する。これら一連の制御により、太陽電池の最適動作点とＤＣ−ＤＣコンバータの最大効率が維持され、システム全体の効率を常時最適に保ち、かつ水素生成量を一定で供給することが可能となる。
【００２２】
（その他の実施の形態）
上記実施の形態では、入力源に太陽電池を用いたが、その他の実施の形態の入力源として風力、水力、バイオマスなどの自然エネルギーや天然ガス、石油などの化石燃料等による発電システムを利用する場合にも適用できる。
【００２３】
【実施例】
次に、上記実施の形態の具体例を実施例として説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではない。
【００２４】
（実施例１）
実施例１は第２の実施の形態に基づいて行い、太陽電池の高電圧、低電流出力（最大３６Ｖ、３Ａ）を電解セルの低電圧、高電流出力（最大２．５Ｖ、３２Ａ）に変換するため、出力電圧を制御できる大電力用（最大１１０Ｗ）ＤＣ−ＤＣコンバータを用いた。図３、４に示すように、太陽電池の負荷の影響による効率η１＝Ｐｉｎ／Ｐｍ及びＤＣ−ＤＣコンバータの効率η２はコンバータの出力電圧Ｖｏｕｔの値によって大きく異なり、全体の効率ηが最大となる出力電圧Ｖｏｕｔが存在する。この最大効率が得られる出力電圧Ｖｏｕｔの値は、気象状況（例えば、季節、天候、日射量など）や太陽電池の種類及び設置条件、電解セルの容量及び温度などによって異なる。
【００２５】
しかしながら、上記の第２の実施の形態で述べたように、前記した電力Ｐｍ、Ｐｉｎ、Ｐｏｕｔをそれぞれ連続的に検出しＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧Ｖｏｕｔを制御することにより、太陽電池の負荷の影響による効率η１を９０％以上に、ＤＣ−ＤＣコンバータの効率η２を８０％以上に維持することができ、最終的に全体の効率ηを常時７０％以上に保つことができ、気象状況や太陽電池及び電解セルの特性の変化に追随して最適な水素量を生成させることが可能となった。
【００２６】
（実施例２）
実施例２は前記した第３の実施の形態に基づいて行い、太陽電池とＤＣ−ＤＣコンバータの間にチャージコントローラ及び蓄電池を介する以外は実施例１と同じである。図５，６に示すように、太陽電池の負荷の影響による効率η１及びＤＣ−ＤＣコンバータの効率η２はコンバータの出力電圧Ｖｏｕｔの値によって大きく異なり、全体の効率ηが最大となる出力電圧Ｖｏｕｔが存在する。ここで、η１は蓄電池の設定電圧に影響されるが、蓄電池の電圧の大小によらず、システム全体の効率ηが最大となる出力電圧Ｖｏｕｔが存在し、出力電圧Ｖｏｕｔを制御することにより、太陽電池の負荷の影響による効率η１を９０％以上に、ＤＣ−ＤＣコンバータの効率η２を８０％以上に維持することができ、全体の効率ηを常に７０％以上に保つことができる。
【００２７】
図７は実施例１を用いて、一日の水素生成量とシステム全体の効率の変化を示す。ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を制御することにより、水素生成量を一定に保ち、システム全体の効率を７０〜８０％の範囲で運転することが可能であった。なお、制御回路には、蓄電池の電圧が一定電圧以上で放電するように、負荷の自動再接続機能が備わっている。
【００２８】
以上のように、本発明の水電解システムを用いることにより、太陽電池の最適動作点が変動しても常に最大出力が得られ、負荷の影響に左右されずにＤＣ−ＤＣコンバータの効率を最大に保持し、最適なシステム効率を維持しながら安定した水素生成を行うことを可能にした。
【００２９】
（比較例）
図８は太陽電池と電解セルの組み合わせを変えて直接に接続した例、図９は太陽電池と電解セルの間に蓄電池とＤＣ−ＤＣコンバータを配置した比較例である。
いずれの場合にも、全体のシステム効率ηは、常に７０％以上を保つことができる本実施例より、劣っていた。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、出力電圧制御を具備したＤＣ−ＤＣコンバータを用いることにより、太陽電池等の入力源の構成（直列と並列の組み合わせ）を変えずに、入力源と負荷（電解セル）の整合を容易に行うことができる。さらに、入力源の最適動作点及び電解セルの特性が変動しても最大のシステム効率を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第２の実施の形態の水電解システムを示す概念図。
【図２】本発明の第３の実施の形態の水電解システムを示す概念図。
【図３】本発明の実施例１の太陽電池の効率η１、ＤＣ−ＤＣコンバータの効率η２を示す線図。
【図４】本発明の実施例１のシステム効率と水素生成量を示す線図。
【図５】本発明の実施例２の太陽電池の効率η１、ＤＣ−ＤＣコンバータの効率η２を示す線図。
【図６】本発明の実施例２のシステム効率と水素生成量を示す線図。
【図７】本発明の実施例２のシステム効率と水素生成量の時刻変化を示す線図。
【図８】比較例とする太陽電池と電解セルの直結型を示す概念図。
【図９】比較例とするＤＣ−ＤＣコンバータを用いた例を示す概念図。

Claims (4)

1. 高電圧かつ低電流の電源を、低電圧かつ高電流で動作する電解セルの入力源とする水電解システムにおいて、前記電源からの出力を低電圧かつ高電流に変換するとともに、前記低電圧を一定値に制御するＤＣ−ＤＣコンバータを有することを特徴とする水電解システム。
2. 前記電源の最大電力と、前記ＤＣ−ＤＣコンバータへの入力電力と、前記コンバータの出力電力を同時に検出し、システム効率が最大となるように前記コンバータの出力電圧を調整する制御回路をさらに有することを特徴とする請求項１記載の水電解システム。
3. 前記コンバータが、入力電圧に対する出力電圧が１／５以下かつ、入力電流に対する出力電流が５倍以上の特性を有することを特徴とする請求項１または２記載の水電解システム。
4. 前記電源が太陽電池、風力発電、水力発電、およびバイオマスおよび／または化石燃料による発電から選択された少なくとも１つであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載された水電解システム。

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