JP2006345649A

JP2006345649A - 風力発電を利用した水電解水素発生装置およびその運転方法

Info

Publication number: JP2006345649A
Application number: JP2005169460A
Authority: JP
Inventors: Katsuya Sasaki; 加津也佐々木; Kenji Sugino; 賢治杉野; Hiroshi Tatsumi; 浩史辰己
Original assignee: Hitachi Zosen Corp
Current assignee: Hitachi Zosen Corp
Priority date: 2005-06-09
Filing date: 2005-06-09
Publication date: 2006-12-21

Abstract

【解決手段】水電解水素発生装置は、風力発電装置1 と、その電力量を計測する計測器2 と、風力発電装置1 のＡＣ／ＤＣ変換装置とＤＣ／ＡＣ変換装置を結ぶライン9 の上流側に接続される開閉器3 と、開閉器の下流に接続されかつＡＣ／ＤＣ変換装置からの直流電力を電解用電源として水分解する水電解槽4 と、水電解槽で生じる水素を貯蔵する水素タンク5 と、水素タンクからの水素を用いて発電する燃料電池6 と、水素タンクと燃料電池6 を結ぶライン7 上に設置する第１水素供給量制御弁8 と、燃料電池で得られた電力をライン9 の下流側へ出力する電力出力ライン10と、計測器の計測結果に基づき風力発電で発電された発電出力のうちの不足電力分に相当する水素分を燃料電池に供給するように第１水素供給量制御弁を制御する制御装置11とを備えてなる。
【効果】不足電力が発生した場合、不足電力分に相当する水素分を燃料電池に供給し燃料電池で得られた電力分を風力発電装置に供給し系統電力への安定電力供給が可能となる。

【選択図】図１

Description

本発明は、風力発電を利用した水電解水素発生装置に関し、より詳しくは風力発電装置における発電出力の安定化を図った水電解水素発生装置に関する。本発明はまた同装置の運転方法にも関する。

本発明者らは、先に、風力発電機を用いて得られた電力のうち、安定した電力を電力系統に供給するとともに、残りの変動分を水電解槽へ送って電解用電源として有効利用し、余剰電力を水素化して蓄えるという、風力発電を利用した水電解水素発生装置が提案した（特許文献１参照）。本発明はその延長上にある。
特願２００４−３５６６３０号明細書

風力は自然エネルギーであるため常に変化し、したがって風力発電で得られる電力量も変動する。場合によっては、電力系統へ送るために必要な安定した電力以下の風力発電出力しか得られないこともある。

また、ＤＣリンク方式においてＤＣ／ＡＣ変換後の交流電力が整流器を介して水電解槽に供給するが、この場合５〜１０％の電力ロスが生じるという問題がある。

本発明は上記のような問題を解決すべく工夫されたものである。

請求項１記載の発明は、
風力発電で発電された発電出力である交流電力をＡＣ／ＤＣ変換装置により直流電力に変換し、さらにＤＣ／ＡＣ変換装置により交流電力に変換した後、電力系統保護装置を介して電力系統に供給する風力発電装置と、
風力発電で得られた電力量をリアルタイムで計測する計測器と、
計測器からの発電出力を電力信号として受信する制御装置と、
ＡＣ／ＤＣ変換装置とＤＣ／ＡＣ変換装置の間を結ぶ電力ラインの上流側に接続される開閉器と、
開閉器の下流に接続され、かつＡＣ／ＤＣ変換装置からの直流電力を電解用電源として水素と酸素を発生させる水電解槽と、
から構成されていることを特徴とする、風力発電を利用した水電解水素発生装置である。

請求項２記載の発明は、
水電解槽から発生する水素を貯蔵する水素タンクと、
水素タンクからの水素を用いて発電する燃料電池と、
水素タンクと燃料電池の間を結ぶ水素供給ライン上に設置する第１水素供給量制御弁と、
燃料電池で得られた電力をＡＣ／ＤＣ変換装置とＤＣ／ＡＣ変換装置の間を結ぶ電力ラインの下流側へ出力する電力出力ラインとを備え、
前記計測器の計測結果と前記水素タンクの検知結果に基づき、前記制御装置が第１水素供給量制御弁に開閉指令を出力している
ことを特徴とする請求項１記載の風力発電を利用した水電解水素発生装置である。

請求項３記載の発明は、
水素供給ラインに都市ガスまたは水素ボンベから水素を補給する水素補給ラインが接続され、
水素補給ライン上に第２水素供給量制御弁を備えており、
前記計測器の計測結果と前記水素タンクの検知結果に基づき、前記制御装備が第２水素供給量制御弁に開閉指令を出力している
ことを特徴とする請求項１または２記載の風力発電を利用した水電解槽水素発生装置である。

請求項４記載の発明は、
運転時間と電力の関係において、電力系統に送るに必要な安定電力分に相当した目標値を中心に所定幅（２α）を持たせて設定する不感帯域と、不感帯域の上限値以上にある余剰電力帯域と、不感帯域の下限値以下にある不足電力帯域の３帯域を形成するように、電力軸方向を分割する分割手段と、
計測器の計測結果による計測値が３つの帯域のいずれかに該当するかを判定して開閉器と燃料電池にＯＮ／ＯＦＦを指令する切換信号と、目標値と計測値との差を算出した差分値を指令する差分信号を指令手段に送る比較手段と、
計測値が不足電力帯域にあると判定した信号に従って、水素タンク内の水素の有無を検知して、第１水素供給量制御弁と第２水素供給量制御弁のうちのいずれかに弁の開放を指令する弁制御信号を指令手段に送る水素容量検知手段と、
比較手段と水素容量検知手段から送られてきた切換信号、差分信号および弁制御信号を開閉器、燃料電池、第１水素供給量制御弁および第２水素供給量制御弁に出力する指令手段と備え、
計測値が不感帯域にあると判定した時は制御を行わないことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の風力発電を利用した水電解水素発生装置である。

請求項５記載の発明は、
風力発電で発電された発電出力のうち余剰電力が生じた場合、制御装置が開閉器をＯＮに、燃料電池をＯＦＦにするとともに、第１水素供給量制御弁および第２水素供給量制御弁を閉じるように指令することで、ＡＣ／ＤＣ変換装置から水電解槽に余剰電力を供給し、続いて水電解槽で発生した水素を水素タンクに送り、電力系統に残りの安定電力を送るようにすることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の風力発電を利用した水電解水素発生装置の運転方法である。

請求項６記載の発明は、
風力発電で発電された発電出力のうち不足電力が発生した場合、制御装置が開閉器をＯＦＦに、燃料電池をＯＮにするとともに、第１水素供給量制御弁と第２水素供給量制御弁の少なくとも一方を開放させるように指令することで、不足電力分に相当する水素分を燃料電池に供給し、続いて燃料電池で変換された電力分を風力発電装置に送って風力発電で発電された発電出力に加え、これにより安定した電力を電力系統に送ることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の風力発電を利用した水電解水素発生装置の運転方法である。

請求項１記載の発明によれば、風力発電装置から水電解槽に整流器無しで直接に電力を供給することで、電カコストを低減することができる。

請求項２記載の発明によれば、風力発電出力のうち不足電力が発生した場合、不足電力分に相当する水素分を燃料電池に供給し、続いて燃料電池で得られた電力分を風力発電装置に供給することができ、系統電力への安定した電力供給が可能となる。

請求項３記載の発明によれば、水電解槽で発生した水素が水素タンク内に十分に蓄えられていない場合には、第２水素供給量制御弁を開いて水素供給ラインに都市ガスまたは水素ボンベから水素を補給することができる。

請求項４記載の発明によれば、余剰電力帯と不足電力帯の間にある目標値ライン上に電力の変動が短時間発生した場合、開閉器と燃料電池のＯＮ／ＯＦＦ切り換えが頻繁に出るが、目標値ラインを中心に所定幅を持たせるという不感帯域を設けることで、計測値が不感帯域にあれば開閉器と燃料電池に切り換え指令信号を送信しないようにすることができ、これによって頻繁な切り替えが無くなり、制御が安定化する。

請求項５、６記載の方法により、発電出力の変動の多い風力発電装置において、系統電力への電力供給の変動を緩和することができる。

図１に示す、風力発電を利用した水電解水素発生装置の構成を説明する。

風力発電を利用した水電解水素発生装置は、
風力発電で発電された発電出力である交流電力をＡＣ／ＤＣ変換装置により直流電力に変換し、さらにＤＣ／ＡＣ変換装置により交流電力に変換した後、電力系統保護装置を介して電力系統に供給する風力発電装置(1) と、
風力発電で得られた電力量をリアルタイムで計測する計測器(2) と、
ＡＣ／ＤＣ変換装置とＤＣ／ＡＣ変換装置の間を結ぶ電力ライン(9) の上流側に接続される開閉器(3) と、
開閉器(3) の下流に接続され、かつＡＣ／ＤＣ変換装置からの直流電力を電解用電源として水素と酸素を発生させる水電解槽(4) と、
水電解槽(4) から発生する水素を貯蔵する複数の水素タンク(5) と、
複数の水素タンク(5) からの水素を用いて発電する燃料電池(6) と、
複数の水素タンク(5) と燃料電池(6) の間を結ぶ水素供給ライン(7) 上に設置する第１水素供給量制御弁(8) と、
燃料電池(6) で得られた電力をＡＣ／ＤＣ変換装置とＤＣ／ＡＣ変換装置の間を結ぶ電力ライン(9) の下流側へ出力する電力出力ライン(10)と、
計測器(2) の計測結果に基づき、風力発電で発電された発電出力のうちの不足電力分に相当する水素分を燃料電池(6) に供給するように第１水素供給量制御弁(8) を制御する制御装置(11)とを備えてなる。

燃料電池(6) で上記水素分から変換された電力分は電力出力ライン(10)を経て風力発電装置(1) に供給される。

水素供給ライン(7) には、都市ガスまたは水素ボンベから水素を補給する水素補給ライン(12)が接続され、同補給ライン(12)上に第２水素供給量制御弁(13)を設置している。

計測器(2) は風力発電で発電された発電出力を計測し、得られた発電出力を入力信号として制御装置(11)に送る。

つぎに、不感帯域について説明をする。

図２は風力発電装置の運転時間と電力との関係を示すグラフである。風力は自然エネルギーのため安定しておらず、風力発電で発電された電力は運転時間に対して変動している。

図２において、下記の３つの帯域(a) (b) (c) を形成するように、電力軸方向が３分割されている。

(a) 電力系統に送るに必要な安定電力分に相当する目標値を中心に所定幅（２α）を持たせて設定する不感帯域
(b) 不感帯域の上限値以上にある余剰電力帯域、
(c) 不感帯域の下限値以下にある不足電力帯域

余剰電力と不足電力の間にある目標値ライン上に電力の変動が短時間発生することがあり、図２中の不感帯域発生時間帯では、開閉器、燃料電池等の切り換えが頻繁に生じる。

図３（または図４）に示す不感帯域発生時間帯において、下記２点の流れに要する時間がｔ１秒より長ければ、電解槽から水素が発生しないかまたは燃料電池からの電力が得られないという問題が生じる。

１）余剰電力の場合
開閉器をＯＮ→余剰電力を水電解槽に供給→水電解槽で水素発生→水素タンクヘ水素供給

２）不足電力の場合
水素供給量制御弁の開放→水素を燃料電池に供給→燃料電池で発電→風力発電装置ヘ電力供給

これらを解消するには、不感帯域発生時間帯において開閉器、燃料電池等の頻繁な切り替えをしないようにする。

不感帯域は実際の風力の状況に合わせて、目標値ラインを中心に所定の幅（２α）を持たせている。

つぎに、制御装置について説明をする。

図５において、制御装置は、
計測器の計測結果による計測値（風力発電による発電出力）が上記３帯域のいずれかに該当するかを判定して開閉器と燃料電池にＯＮ／ＯＦＦを指令する切換信号と、目標値
（電力系統に送るに必要な安定電力）と計測値との差を算出した差分値を指令する差分信号を指令手段に送る比較手段と、
計測値が不足電力帯域にあると判定した信号に従って、水素タンク内の水素の有無を検知して、第１水素供給量制御弁と第２水素供給量制御弁のうちのいずれかに弁の開放を指令する弁制御信号を指令手段に送る水素容量検知手段と、
比較手段と水素容量検知手段から送られてきた切換信号、差分信号、弁制御信号を開閉器、燃料電池、第１水素供給量制御弁および第２水素供給量制御弁に出力する指令手段とを備えてなる。

制御装置は、計測値が不感帯械にあると判定された時は、制御を行わない。

上記のように構成された、風力発電を利用した水電解水素発生装置の運転方法を、下記(A)(B)(C) の場合について説明する（図５参照）。

(A) 風力発電で発電された発電出力が電力系統に送るために必要な安定電力分を超えており、かつ不感帯域の上限値以上である場合
計測器から発電出力を入力信号として制御装置の比較手段に送り、比較手段で判定を行う。

入力信号として送られてきた計測値は、制御装置の比較手段で、不感帯域値と比較して、３つの帯域（不感帯域、余剰電力帯域、不足電力帯域）のいずれかに該当するかを判定する。ここでは、計測値は余剰電力帯域にあることを判定する。

つぎに判定された信号に従って下記のような処理を行い、これらの信号を指令手段へ送る。

(1) 開閉器をＯＮにするとともに燃料電池の作動をＯＦＦにした切換信号
(2) 第１水素供給量制御弁と第２水素供給量制御弁を閉じるようにした（水素を燃料電池に供給しない）弁制御信号
(3) 目標値（電力系統へ供給する安定電力）と計測値（風力発電で発電された電力）との差を算出した差分値信号

指令手段は比較手段で判定した信号に従って処理した上記３点の指令信号を出力する。

上記のような制御装置の処理が終わった後、風力発電を利用した水電解水素発生装置を、つぎのように運転する。

目標値（電力系統へ供給する安定電力）と計測値（風力発電で発電された電力）との差を算出した余剰電力分を、ＡＣ／ＤＣ変換装置から開閉器を介して水電解槽に供給する。

続いて、水電解槽で発生した水素を水素タンクへ送り、貯蔵する。

(B) 風力発電で発電された発電出力が電力系統に送るために必要な安定電力に達せず、かつ不感密域の下限値以下である場合
計測器から発電出力を入力信号として制御装置の比較手段に送り、比較手段で判定を行う。

入力信号として送られてきた計測値は、制御装置の比較手段で、不感帯城値と比較して、３つの帯域（不感帯域、余剰電力帯域、不足電力帯域）のいずれかに該当するかを判定する。ここでは、計測値は不足電力帯城にあることを判定する。

つぎに判定された信号に従って、下記のような処理を行い、これらの信号は水素容量検知手段を介して指令手段へ送る。

(1) 開閉器をＯＦＦにするとともに燃料電池の作動をＯＮにした切換信号
(2) 目標値（電力系統へ供給する安定電力）と計測値（風力発電で発電された電力）との差を算出し、その差分値に相当する水素分を求めた差分信号

つぎに水素容量検知手段での判定を行う。

複数の水素タンクから水素容量を入力信号として制御装置の水素容量検知手段に送り、同手段で判定を行う。

入力信号として送られてきた水素容量は、制御装置の水素容量検知手段で、水素容量の有無を判定する。

ここで、水素がある場合は第１水素供給量制御弁を開放するという弁制御信号を、水素がない場合は第２水素供給量制御弁を開放するという弁制御信号を指令手段へ送る。

指令手段は比較手段に従って判定した上記２点の指令信号と水素容量検知手段で判定した弁制御信号を出力する。

上記のような制御装置の処理が終わった後、水電解水素発生装置において、つぎのように運転をする。

水素タンクに水素がある場合は、第１水素供給量制御弁を開放して（第２水素供給量制御弁は閉じている）、計測値（風力発電で発電された電力）計測値のうちの不足電力分に相当する水素分を燃料電池へ送る。続いて燃料電池で得られた電力を風力発電装置ヘ送る。

水素タンクに水素が無い場合は、第２水素供給量制御弁を開放して（第１水素供給量制御弁は閉じている）、計測値（風力発電で発電された電力）計測値のうちの不足電力分に相当する水素分を燃料電池へ送る。統いて燃料電池で得られた電力を風力発電装置ヘ送る。

(C) 風力発電で発電された発電出力が不感帯域にある場合
計測器から発電出力を入力信号として制御装置の比較手段に送り、比較手段で判定を行う。

入力信号として送られてきた計測値は、制御装置の比較手段で、不感帯減債と比較して、３つの帯域（不感帯域、余剰電力帯域、不足電力帯減）のいずれかに該当するかを判定する。ここでは、計測値は不感帯域にあることを判定する。つぎに判定された信号に従
って、制御をしないようにしておく。

風力発電を利用した水電解水素発生装置の構成を示す概略図である。風力発電装置の運転時間と電力との関係を示すグラフである。不感帯域発生時間帯における風力発電装置の運転時間と電力との関係を示すグラフである。不感帯域発生時間帯における風力発電装置の運転時間と電力との関係を示すグラフである。制御装置の作動を示すフローシートである。

符号の説明

(1) ：風力発電装置
(2) ：計測器
(3) ：開閉器
(4) ：水電解槽
(5) ：水素タンク
(6) ：燃料電池
(7) ：水素供給ライン
(8) ：第１水素供給量制御弁
(9) ：電力ライン
(10)：電力出力ライン
(11)：制御装置
(12)：水素補給ライン
(13)：第２水素供給量制御弁

Claims

風力発電で発電された発電出力である交流電力をＡＣ／ＤＣ変換装置により直流電力に変換し、さらにＤＣ／ＡＣ変換装置により交流電力に変換した後、電力系統保護装置を介して電力系統に供給する風力発電装置と、
風力発電で得られた電力量をリアルタイムで計測する計測器と、
計測器からの発電出力を電力信号として受信する制御装置と、
ＡＣ／ＤＣ変換装置とＤＣ／ＡＣ変換装置の間を結ぶ電力ラインの上流側に接続される開閉器と、
開閉器の下流に接続され、かつＡＣ／ＤＣ変換装置からの直流電力を電解用電源として水素と酸素を発生させる水電解槽と、
から構成されていることを特徴とする、風力発電を利用した水電解水素発生装置。
水電解槽から発生する水素を貯蔵する水素タンクと、
水素タンクからの水素を用いて発電する燃料電池と、
水素タンクと燃料電池の間を結ぶ水素供給ライン上に設置する第１水素供給量制御弁と、
燃料電池で得られた電力をＡＣ／ＤＣ変換装置とＤＣ／ＡＣ変換装置の間を結ぶ電力ラインの下流側へ出力する電力出力ラインとを備え、
前記計測器の計測結果と前記水素タンクの検知結果に基づき、前記制御装置が第１水素供給量制御弁に開閉指令を出力している
ことを特徴とする請求項１記載の風力発電を利用した水電解水素発生装置。
水素供給ラインに都市ガスまたは水素ボンベから水素を補給する水素補給ラインが接続され、
水素補給ライン上に第２水素供給量制御弁を備えており、
前記計測器の計測結果と前記水素タンクの検知結果に基づき、前記制御装備が第２水素供給量制御弁に開閉指令を出力している
ことを特徴とする請求項１または２記載の風力発電を利用した水電解槽水素発生装置。
運転時間と電力の関係において、電力系統に送るに必要な安定電力分に相当した目標値を中心に所定幅（２α）を持たせて設定する不感帯域と、不感帯域の上限値以上にある余剰電力帯域と、不感帯域の下限値以下にある不足電力帯域の３帯域を形成するように、電力軸方向を分割する分割手段と、
計測器の計測結果による計測値が３つの帯域のいずれかに該当するかを判定して開閉器と燃料電池にＯＮ／ＯＦＦを指令する切換信号と、目標値と計測値との差を算出した差分値を指令する差分信号を指令手段に送る比較手段と、
計測値が不足電力帯域にあると判定した信号に従って、水素タンク内の水素の有無を検知して、第１水素供給量制御弁と第２水素供給量制御弁のうちのいずれかに弁の開放を指令する弁制御信号を指令手段に送る水素容量検知手段と、
比較手段と水素容量検知手段から送られてきた切換信号、差分信号および弁制御信号を開閉器、燃料電池、第１水素供給量制御弁および第２水素供給量制御弁に出力する指令手段と備え、
計測値が不感帯域にあると判定した時は制御を行わないことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の風力発電を利用した水電解水素発生装置。
風力発電で発電された発電出力のうち余剰電力が生じた場合、制御装置が開閉器をＯＮに、燃料電池をＯＦＦにするとともに、第１水素供給量制御弁および第２水素供給量制御弁を閉じるように指令することで、ＡＣ／ＤＣ変換装置から水電解槽に余剰電力を供給し、続いて水電解槽で発生した水素を水素タンクに送り、電力系統に残りの安定電力を送るようにすることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の風力発電を利用した水電解水素発生装置の運転方法。
風力発電で発電された発電出力のうち不足電力が発生した場合、制御装置が開閉器をＯＦＦに、燃料電池をＯＮにするとともに、第１水素供給量制御弁と第２水素供給量制御弁の少なくとも一方を開放させるように指令することで、不足電力分に相当する水素分を燃料電池に供給し、続いて燃料電池で変換された電力分を風力発電装置に送って風力発電で発電された発電出力に加え、これにより安定した電力を電力系統に送ることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の風力発電を利用した水電解水素発生装置の運転方法。