JP2009221045A - 発電及び水素製造システム - Google Patents

Abstract

【課題】効率良く運転できる発電−水素製造システムを提供すること。
【解決手段】発電−水素製造システム１は、改質ガスを原料として水素ガスを製造したり発電したりする発電−水素ポンプ結合体４０と、水素タンクに製造した水素ガスを逐次供給する水素ガス供給装置２４と、発電−水素ポンプ結合体４０の発電に伴う廃熱を利用して給湯する給湯装置２９と、発電−水素ポンプ結合体４０により発電された電力を変換し、商用電源９側に売電すること及び住居７の電気負荷に出力することが可能なインバータ２３と、を備える。運転制御ＥＣＵ３は、燃料電池車両８の水素タンクを水素ガス供給装置２４に接続した際に、この水素タンクで要求される水素ガス供給量及び供給完了時間を予測し、この予測した水素ガスの供給量、及び供給完了時間に基づいて、発電−水素ポンプ結合体４０により水素ガスの製造を行うか、又は、発電を行うかを判断する。
【選択図】図１

Description

本発明は、発電及び水素製造システムに関する。詳しくは、発電と水素ガスの製造とを選択的に行うとともに、さらに発電に伴う廃熱で給湯するコジェネレーション機能を備える家庭用の発電及び水素製造システムに関する。

天然ガスや液化石油ガス等の炭化水素燃料を改質して水素を含む改質ガスを製造し、この改質ガスを利用して燃料電池により発電するとともに、この発電に伴う廃熱を利用して給湯するコジェネレーションシステムの開発が、従来より行われている。
特に近年では、このような発電と給湯のコジェネレーション機能に加えて、改質ガスから水素を精製し、水素ガスを製造する機能を備える発電及び水素製造システムの開発も行われている。このシステムは、家庭用として住居に設置されることを主に想定しており、製造した水素ガスは、例えば燃料電池車両の燃料として用いられる。

例えば特許文献１には、燃料電池の熱回収と使用者による給湯需要とを予測し、貯湯が満杯にならないように使用者による給湯需要に合わせて熱回収するコジェネレーションシステムが提案されている。このようにして運転スケジュールを決定することにより、システムを効率良く運転することができる。
特開２００７−２７０７１３号公報

しかしながら、特許文献１に示された運転方法は、発電と、この発電に伴う廃熱を利用した給湯のみが可能なコジェネレーションシステムにおける運転方法であり、上述のような発電及び給湯に加えて、水素ガスの製造が可能な発電及び水素製造システムにおける運転方法と比較して、発電の自由度が高く、効率良く運転するための運転スケジュールを決定するのは比較的容易である。

一方、発電及び水素製造システムでは、発電と水素ガスの製造を一の燃料電池で行う場合、これら発電及び水素ガスの製造を同時に行うことができない。また、発電と水素ガスの製造とを切り替えるには、燃料電池の内部を掃気する等の時間がかかる切替処理を行わなければならないため、発電と水素ガスの製造とを切り替える処理は頻繁には行われないように運転スケジュールを決定する必要がある。また、このシステムを家庭用に用いる場合、システムを出来るだけ小型なものにするために、別置きの水素タンクを設けることなく、製造した水素ガスを逐次燃料電池車両に供給できるようにすることが好ましい。
以上のように、水素ガスの製造も可能な発電及び水素製造システムは、特許文献１のコジェネレーションシステムと比較して運転の自由度が低く、効率良く運転するための運転スケジュールを決定するのは困難である。

本発明は上述した点を考慮してなされたものであり、効率良く運転できる発電及び水素製造システムを提供することを目的とする。

本発明の発電及び水素製造システム（例えば、後述の発電−水素製造システム１）は、含水素原料（例えば、後述の炭化水素燃料）を改質して水素リッチな改質ガスを製造する改質器（例えば、後述の改質器２１）と、前記改質器により製造された改質ガスから水素を精製し水素ガスを製造する水素製造装置（例えば、後述の発電−水素ポンプ結合体４０のスタック４１）と、前記改質器により製造された改質ガスにより発電する燃料電池型発電装置（例えば、後述の発電−水素ポンプ結合体４０のスタック４１）と、前記水素製造装置による水素ガスの製造と前記燃料電池型発電装置による発電とを選択的に切り替える切替手段（例えば、後述のスタック制御装置４２、遮断弁４３３、三方弁４４３、及び運転制御ＥＣＵ３）と、前記改質器、前記水素製造装置、前記燃料電池型発電装置、及び前記切替手段を制御する制御手段（例えば、後述の運転制御ＥＣＵ３）と、を備える発電及び水素製造システムであって、燃料電池車両の水素タンクに接続され、当該水素タンクに前記水素製造装置により製造された水素ガスを逐次供給する水素ガス供給装置（例えば、後述の水素ガス供給装置２４）と、前記燃料電池型発電装置の発電に伴う廃熱を利用して給湯する給湯装置（例えば、後述の給湯装置２９）と、前記燃料電池型発電装置により発電された直流電力を交流電力に変換し、当該交流電力を商用電源側へ売電すること及び電気負荷に出力することが可能な電力変換装置（例えば、後述のインバータ２３）と、を備え、前記制御手段は、前記水素製造装置により水素ガスの製造を行う時間と、前記燃料電池型発電装置により発電を行う時間と、を含んで構成される運転スケジュールを設定する運転スケジュール設定手段（例えば、後述の運転制御ＥＣＵ３）と、前記燃料電池車両の水素タンクを前記水素ガス供給装置に接続した際に、当該水素タンクで要求される水素ガス供給量（例えば、後述の次回の水素ガス使用量）及び供給完了時間（例えば、後述の切断時間）を予測する水素需要予測手段（例えば、後述の運転制御ＥＣＵ３、及び図６のステップＳ２２の実行にかかる手段）と、前記燃料電池車両の水素タンクが前記水素ガス供給装置に接続された場合、前記水素需要予測手段により予測された水素ガスの供給量及び供給完了時間に基づいて、前記水素製造装置により水素ガスの製造を行うか、又は、前記燃料電池型発電装置により発電を行うかを判断する判断手段（例えば、後述の運転制御ＥＣＵ３、及び図６のフローチャートに示す処理の実行にかかる手段）と、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、水素製造装置により水素ガスを製造することで、製造した水素ガスを水素ガス供給装置により燃料電池車両の水素タンクに供給できる。また、燃料電池型発電装置により発電することで、発電した電力を電力変換装置により交流電力に変換して、商用電源側に出力して売電したり、電気負荷に給電したりできる。また、この際、給湯装置により、燃料電池型発電装置の発電に伴う廃熱を利用して給湯することもできる。

また、この発明によれば、燃料電池車両の水素タンクを水素ガス供給装置に接続すると、水素タンクに要求される水素ガス供給量及び供給完了時間を予測する。ここで、水素タンクに要求される水素ガス供給量とは、例えば、水素タンクを満杯にするために供給する必要がある水素ガスの量であり、供給完了時間とは、例えば、水素タンクを水素ガス供給装置から切断し、燃料電池車両の使用を開始する時間である。

さらに、これら予測に基づいて、供給完了時間までに必要な水素ガス供給量を水素タンクに供給できるように、判断手段により、水素ガスの製造を行うか又は発電を行うかを判断する。これにより、例えば、以下のようなシステムの運転が可能となる。
現在では、燃料電池車両に水素ガスを供給する水素供給ステーションの普及が十分ではないため、基本的には、水素ガスの供給を優先する。ただし、燃料電池車両の水素タンクを水素ガス供給装置に接続した際に水素ガス製造の緊急度が低い場合、すなわち、予測した水素ガス供給量が少ない場合（既に十分な量の水素ガスが充填されている場合）や、供給完了時間までに十分な時間がある場合（燃料電池車両の使用を開始するまでに十分な時間がある場合）には、水素ガスの製造よりも、発電及び給湯を優先して行う。このような運転を行うことにより、使用者の快適性を損なうことなくシステムの運転効率を向上することができる。

より具体的には、以下のような状況が想定される。
燃料電池車両の水素タンクが水素ガス供給装置に接続されたことにより、翌日の午前７時に水素タンクと水素ガス供給装置との接続を解除することを予測する。また同時に、燃料電池車両の１日当たりの走行距離が１００ｋｍであることにより、水素タンクを満杯にするためには約５時間にわたって水素ガスを製造する必要があることを予測する。このような状況の下、水素ガスの製造を優先して行いつつ、水素ガスの製造量に余裕があるときに給湯の需要が生じた場合には、発電及び給湯を行う。また、給湯の需要が無くなった場合であっても、水素タンクの接続を解除するまでの時間に余裕があれば、発電を行い、発電した電力を売電するとともに、給湯貯蔵タンクに給湯し、熱湯を溜めておくことができる。

ところで、上述のように、水素製造装置と燃料電池型発電装置とが一体となった燃料電池を用いた場合、水素ガスの製造と発電とを切り替える際には、この燃料電池に供給する気体の種類を変えたり、燃料電池の内部を掃気したりする切替処理を行う必要がある。このような切替処理を行うと、余分な時間やエネルギーが必要となり、また、燃料電池の劣化も進行するおそれがある。この発明によれば、上述のように水素タンクに必要な水素ガス供給量及び供給完了時間を予測し、この予測に基づいて水素ガスの製造と発電とを判断することにより、切替回数を最小限にとどめることができる。これにより、余分な時間及びエネルギーの消費や、燃料電池の劣化の進行を抑制することができる。

製造した水素ガスは、水素ガス供給装置により燃料電池車両の水素タンクに逐次供給する。すなわち、余分な定置タンクを設ける必要がないため、発電及び水素製造システムを小型なものにできる。
また、燃料電池車両は、昼間は水素ガス供給装置から切断され、夜間は水素ガス供給装置に接続される場合が多いことが想定される。すなわち、水素ガスの製造及び水素タンクへの供給は、夜間に行われる場合が多く、この時間帯では、発電と水素ガスの製造とが競合することが想定される。この発明では、水素ガス供給量及び供給完了時間の予測に基づいて水素ガスの製造を行うか、又は、発電を行うかを判断するため、次回に燃料電池車両において必要とされる水素ガスを確保しつつ、発電を行うことが可能となる。これにより、発電及び水素製造システムを効率的に運転することができる。

この場合、水素ガスを製造する際に消費した消費電力量を算出する水素製造消費電力量算出手段（例えば、後述の運転制御ＥＣＵ３）と、当該水素製造消費電力量算出手段により算出された消費電力量を表示する表示装置（例えば、後述の表示装置３５）と、をさらに備えることが好ましい。

この発明によれば、水素ガスを製造すると、この水素ガスの製造にかかる消費電力量を表示装置に表示する。これにより、使用者は、水素ガスの製造にかかった消費電力量を認識できる。
ところで、米国や欧州においては、電力会社から買電した電力に相当する電力量を自家発電し、この自家発電した電力を電力会社に売電することで、かかる電気料金を相殺する所謂Ｎｅｔ Ｅｎｅｒｇｙ Ｍｅｔｅｒｉｎｇ制度が運営されている。また、このような制度の下では、買電した電力量を超える電力量を売電しても返金は無いため、買電した電力量は正確に認識することが好ましい。水素ガスの製造にかかった消費電力量は使用者にとって認識しにくいものであるが、この発明によれば、表示装置に消費電力量を表示することにより、かかる消費電力量を容易に認識できる。また、この表示された消費電力量及び家庭内で消費された電力を相殺できるように、燃料電池型発電装置による発電のスケジュールを設定したり変更したりすることが容易になる。

この場合、使用者により指定された前記水素製造装置で製造する水素ガスの製造量と、使用者により指定された前記給湯装置の使用時間と、前記燃料電池車両で使用された水素ガスの使用量と、前記燃料電池車両の水素タンクを前記水素ガス供給装置に接続する接続時間と、前記燃料電池車両の水素タンクを前記水素ガス供給装置から切り離す切断時間と、季節や時間を含む太陽暦、気象条件に応じた使用者による給湯の使用時間の指定と、日々の家庭用電力使用量と、日々の水素製造消費電力量と、からなる複数の運転履歴情報のうち少なくとも１つを記憶する記憶手段（例えば、後述の記憶装置３２）をさらに備え、前記運転スケジュール設定手段は、前記記憶手段に記憶された運転履歴情報に基づいて運転スケジュールを設定することが好ましい。

製造した水素を溜めて置く定置タンクを持たない構成の場合、上述のようにシステムを小型なものにできるものの、水素ガスの製造は燃料電池車両の水素タンクが水素ガス供給装置に接続された期間に限られるため、水素ガスの製造を行う自由度は低い。
また、給湯装置を風呂に利用する場合、できるだけ高温の温水を利用するためには、給湯の需要が発生する時間に合わせて発電を行うことが好ましい。すなわち、給湯の需要が発生しない時間に発電を行い、この発電に伴う廃熱を利用して給湯した場合、給湯の需要が発生するまでの間に温水が低下してしまう。したがって、システムの運転効率が低下してしまう。
この発明によれば、各種運転履歴情報を記憶し、この運転履歴情報に基づいて運転スケジュールを設定することで、より使用者の使用状況に合わせた運転スケジュールを設定することができる。これにより、システムの運転効率の低下を防止できる。

この発明によれば、水素タンクに要求される水素ガス供給量及び供給完了時間を予測し、これら予測に基づいて、供給完了時間までに必要な水素ガス供給量を水素タンクに供給できるように、判断手段により、水素ガスの製造を行うか又は発電を行うかを判断する。このような運転を行うことにより、使用者の快適性を損なうことなくシステムの運転効率を向上することができる。また、この予測に基づいて水素ガスの製造と発電とを判断することにより、切替回数を最小限にとどめることができる。これにより、余分な時間及びエネルギーの消費や、燃料電池の劣化の進行を抑制することができる。また、余分な定置タンクを設ける必要がないため、発電及び水素製造システムを小型なものにできる。また、次回に燃料電池車両において必要とされる水素ガスを確保しつつ、発電を行うことが可能となる。これにより、発電及び水素製造システムを効率的に運転することができる。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態に係る発電−水素製造システム１の構成を示す概略構成図である。
発電−水素製造システム１は、炭化水素燃料を原料として、電力の発電と燃料電池車両８の動力源である水素ガスを製造とを行う発電−水素ガス製造装置２と、この発電−水素ガス製造装置２を制御する制御手段としての運転制御ＥＣＵ３と、を含んで構成される。また、以下の説明では、この発電−水素製造システム１を、発電−水素ガス製造装置２により発電した電力を商用電源９側に売電可能な地域における住居７に設置した例を示す。

発電−水素ガス製造装置２は、炭化水素燃料を改質して水素リッチな改質ガスを製造する改質器２１と、発電と水素ガスの製造とを選択的に実行する発電−水素ポンプ結合体４０と、この発電−水素ポンプ結合体４０により発電された直流電力を交流電力に変換する電力変換装置としてのインバータ２３と、発電−水素ポンプ結合体４０により製造された水素ガスを燃料電池車両８に供給する水素ガス供給装置２４と、改質器２１及び発電−水素ポンプ結合体４０の廃熱を利用して給湯する給湯装置２９とを備える。

改質器２１は、改質反応により炭化水素燃料を改質して水素リッチな改質ガスを製造する燃料改質部や、改質反応に必要な熱を発生する燃焼器を含んで構成される。燃料改質部は、例えば、水蒸気改質反応や部分酸化反応等の改質反応により、炭化水素燃料を改質して、水素を多く含む改質ガスを製造し、この改質ガスを発電−水素ポンプ結合体４０に供給する。燃焼部は、例えば、水蒸気改質反応に必要な水蒸気を発生させるための熱や、部分酸化反応に必要な熱を発生し、この熱で燃料改質部を加熱する。改質器２１は、運転制御ＥＣＵ３により制御される。ここで、炭化水素燃料としては、例えば、天然ガス、液化石油ガス、ガソリン、灯油、バイオ燃料、及び純水等の含水素原料が用いられる。

図２は、発電−水素ポンプ結合体４０の構成を示すブロック図である。
発電−水素ポンプ結合体４０は、電気化学セルを積層して構成されたスタック４１と、このスタック４１を制御するスタック制御装置４２とを含んで構成され、スタック４１を燃料電池として動作させて発電したり、スタック４１を水素ポンプとして動作させて水素ガスを製造したりする。

スタック４１は、例えば固体高分子電解質膜型の燃料電池により構成されている。固体高分子電解質膜型燃料電池は、膜電極構造体（ＭＥＡ）を一対のセパレータで挟持してなるセルを複数積層して構成される。膜電極構造体は、アノード電極（陽極）及びカソード電極（陰極）の２つの電極と、これら電極に挟持された固体高分子電解質膜とで構成される。通常、両電極は、固体高分子電解質膜に接して酸化・還元反応を行う触媒層と、この触媒層に接するガス拡散層とから形成される。

このスタック４１のうち、アノード電極側に形成されたアノード流路４１１の流入口には、アノード側供給通路４３１が接続され、カソード電極側に形成されたカソード流路４１２の流入口には、カソード側供給通路４３２が接続される。スタック４１には、これらアノード側供給通路４３１及びカソード側供給通路４３２を介して、改質器２１により製造された改質ガス及び酸素を含む空気が供給される。また、カソード側供給通路４３２には、このカソード側供給通路４３２を開閉する遮断弁４３３が設けられている。

スタック４１のうち、アノード流路４１１の流出口には、アノード側排出通路４４１が接続され、カソード流路４１２の流出口には、カソード側排出通路４４２が接続される。また、カソード側排出通路４４２には、三方弁４４３が設けられており、カソード流路４１２から排出されたガスの流路を、第１排出通路４４５と第２排出通路４４６とに切り替えることが可能となっている。

スタック制御装置４２は、スタック４１のアノード電極及びカソード電極に接続されるとともに、スタック４１を燃料電池として動作させる場合に、発電電力が出力される出力端子４２１と、スタック４１を水素ポンプとして動作させる場合に、スタック４１に電力を供給する入力端子４２２と、を備える。
また、これらスタック制御装置４２、遮断弁４３３、及び三方弁４４３は、それぞれ、運転制御ＥＣＵ３に接続されており、この運転制御ＥＣＵ３により制御される。

発電−水素ポンプ結合体４０により発電を行う場合には、遮断弁４３３を制御してカソード側供給通路４３２を開き、三方弁４４３を制御して第２排出通路４４６側を閉じる。さらに、スタック４１に、カソード側供給通路４３２を介して空気を供給しつつ、アノード側供給通路４３１を介して改質器２１により製造された改質ガスを供給する。
すると、アノード電極側において、改質ガスに含まれる水素がイオン化して、電解質膜を通過し、カソード電極側で酸素及び電子と結合して水が生成される。また、アノード電極側において水素がイオン化する際に分離した電子は、電流としてスタック４１から出力される。
これにより、アノード側排出通路４４１から反応後の改質ガスが排出され、第１排出通路４４５から空気及び水が排出され、出力端子４２１から発電電力が出力される。ここで発電された電力は、インバータ２３（図１参照）に供給される。

発電−水素ポンプ結合体４０により水素ガスの製造を行う場合には、遮断弁４３３を制御してカソード側供給通路４３２を閉じ、三方弁４４３を制御して第１排出通路４４５側を閉じる。さらに、スタック４１に、アノード側供給通路４３１を介して改質器２１により製造された改質ガスを供給しつつ、入力端子４２２を介してスタック４１に電力を供給する。
すると、アノード電極側において、改質ガスに含まれる水素がイオン化して、電解質膜を通過し、カソード電極側で電子と結合することで水素が生成される。すなわち、改質ガスから水素が精製される。
これにより、アノード側排出通路４４１から反応後の改質ガスが排出され、第２排出通路４４６から水素ガスが排出される。ここで、製造された水素ガスは、水素ガス供給装置２４に供給される。

以上のようにして、スタック４１は、発電する発電モードと、水素ガスを製造する水素ガス製造モードと、を選択的に切り替えることが可能となっている。すなわち本実施形態において、上述のスタック制御装置４２、遮断弁４３３、三方弁４４３、及び運転制御ＥＣＵ３は、発電モードと水素ガス製造モードとを切り替える切替手段を構成する。

図１に戻って、インバータ２３は、発電−水素ポンプ結合体４０により発電された直流電力を交流電力に変換し、この交流電力を商用電源９側に送電することで売電したり、住居７内の電気負荷６（後述の図３参照）に給電したりする。

給湯装置２９は、発電−水素ポンプ結合体４０で発電する際に生じた廃熱や、また改質器２１で改質ガスを製造する際に生じた廃熱を熱回収し、この廃熱を利用して給湯する。より具体的には、この給湯装置２９は、廃熱を熱回収しこの熱で水を加熱する熱回収部２９２と、この熱回収部２９２により加熱された水を貯蔵する給湯貯蔵タンク２９１と、この給湯貯蔵タンク２９１内の湯を住居７内の風呂５に給湯する給湯部２９３と、を含んで構成される（後述の図３参照）。

水素ガス供給装置２４は、除湿部２６と、圧縮部２７と、充填部２８と、を備える。除湿部２６は、発電−水素ポンプ結合体４０により製造された水素ガスを除湿する。圧縮部２７は、除湿部２６により除湿された水素ガスを圧縮する。充填部２８は、燃料電池車両８の図示しない水素タンクに接続され、圧縮部２７により圧縮された水素ガスをこの水素タンクに逐次供給する。

以上のように構成された発電−水素製造システム１におけるエネルギーの流れについて、図３を参照して詳述する。
図３は、発電−水素製造システム１の住居７における設置例を示す図である。

発電−水素製造システム１では、主に、製造した水素ガスの燃料電池車両８への供給、商用電源９側への売電、商用電源９側からの買電、住居内の電気負荷６、及び風呂５への給湯が可能となっている。

より具体的には、発電−水素ガス製造装置２により水素ガスを製造し、この水素ガスを燃料電池車両８に供給している間は、発電を行うことができないので、商用電源９側への売電、住居内の電気負荷６への給電、給湯貯蔵タンク２９１及び風呂５への給湯は、基本的には行うことができない。この際、水素ガスの製造にかかる電力は、商用電源９側から買電した電力で賄われる。また、水素ガスの製造を行う間は、住居内の電気負荷６への給電、及び給湯貯蔵タンク２９１及び風呂５への給湯は、必要に応じて商用電源９側から買電した電力で賄うことも可能となっている。

また、発電−水素ガス製造装置２により発電している間は、水素ガスの製造を行うことができないが、発電した電力を商用電源９側へ売電したり、住居内の電気負荷６へ給電したり、発電に伴う廃熱を利用して風呂５や給湯貯蔵タンク２９１に給湯したりできる。

図１に戻って、運転制御ＥＣＵ３は、各種演算を実行する演算処理装置３１と、各種データやプログラムが記憶された記憶装置３２と、使用者が操作可能な入力装置３３と、使用者が各種操作可能な入力装置３３と、発電−水素ガス製造装置２や表示装置３５に制御信号を出力する出力装置３４とを含んで構成される。

入力装置３３からは、例えば、使用者により指定された給湯装置の使用時間すなわち給湯の時間帯、使用者により指定された給湯量、使用者により指定された水素ガスの製造量、及び使用者により指定された水素ガスの製造時間帯等の、使用者の需要に関する情報が入力される。

記憶装置３２には、入力装置３３から入力された上述の情報の他、例えば、燃料電池車両８で使用された水素ガスの使用量、燃料電池車両８の水素タンクを水素ガス供給装置２４に接続する接続時間、燃料電池車両８の水素タンクを水素ガス供給装置２４から切り離す切断時間、季節や時間を含む太陽暦、気象条件に応じた使用者による給湯の使用時間の指定、日々の家庭用電力使用量、及び日々の水素製造消費電力量等が複数の運転履歴情報として記憶される。

運転制御ＥＣＵ３は、入力装置３３により使用者から入力された情報や、記憶装置３２に記憶された複数の運転履歴情報等に基づいて、発電を実行する時間や、水素ガスを製造する時間等で構成される運転スケジュールを設定し、この運転スケジュールに従って制御信号を出力し、発電−水素ガス製造装置２を制御する。

また、この運転制御ＥＣＵ３は、水素ガスを製造する際にかかった電力、すなわち、水素ガスを製造する際に発電−水素ポンプ結合体及び改質器等で消費した消費電力量を算出し、この消費電力量を表示装置３５に表示する。使用者は、この水素ガスの製造にかかった消費電力量を知ることにより、この消費電力量、すなわち買電した電力を相殺するために必要な発電時間を知ることができる。

図４は、運転制御ＥＣＵ３により設定された発電−水素ガス製造装置の運転スケジュールの一例を示すタイムチャートである。図４において、上段は家庭におけるエネルギー需要、すなわち、燃料電池車両が使用される時間帯、給湯が要求される時間帯（給湯需要）、及び電力が要求される時間帯（電力需要）の一例を示し、下段は運転スケジュール、すなわち発電を実行する時間帯、及び水素ガスを製造する時間帯を示す。

図４に示す運転スケジュールによれば、発電を実行する時間帯は、８時００分から１６時００分に設定される。これは、８時００分から９時００分と、１２時００分から１３時００分と、１８時００分から２０時００分との時間帯における給湯の需要や、前日に買電した電力量や、その他の運転履歴情報に基づいて、使用者の使用状況に応じて設定される。
つまり、給湯の需要がある時間帯に合わせて発電を実行することにより、８時００分から９時００分と、１２時００分から１３時００分の給湯を、発電に伴う廃熱で賄うことができる。また、この発電に伴う余剰電力は売電することを想定して、この売電する余剰電力量が、前日に買電した電力量を相殺するように、発電を実行する時間の長さが設定される。これにより、電力の消費により課金されないように、かつ、廃熱が無駄にならないように発電−水素製造システムを効率的に運転することができる。

一方、水素ガスを製造する時間帯は、１８時００分から翌日の６時００分に設定される。これは、７時００分から１７時００分の時間帯において燃料電池車両が使用されることや、燃料電池車両の水素タンクが水素ガス供給装置に接続される時間及び切断される時間や、その他の運転履歴情報に基づいて、使用者の使用状況に応じて設定される。

図５から図８を参照して、運転制御ＥＣＵによる発電−水素ガス製造装置の制御の手順について説明する。
図５は、運転制御ＥＣＵによる発電−水素ガス製造装置の制御の手順を示すフローチャートであり、所定の運転スケジュールに沿った発電−水素ガス製造装置の制御の手順を示す。より具体的には、発電−水素ガス製造装置において水素ガスの製造を行った後に発電を行う処理の手順を示す。

ステップＳ１では、発電−水素製造システムの機能チェックを実行し、ステップＳ２に移る。ステップＳ２では、機能チェックの結果、システムは正常であるか否かを判別する。この判別がＹＥＳである場合にはステップＳ３に移り、ＮＯである場合にはステップＳ１３に移る。ステップＳ３では、発電−水素製造システムの暖機を実行し、ステップＳ４に移る。より具体的には、このステップＳ３では、改質器やスタック等を暖機する。

ステップＳ４では、改質器、発電−水素ポンプ結合体、及び水素ガス供給装置を制御して水素ガスの製造を開始し、ステップＳ５に移る。ステップＳ５では、製造した水素ガスを燃料電池車両の水素タンクに逐次供給する。ここで、この水素タンクへの水素ガスの供給は、所定の供給時間が経過すると自動的に停止する。ステップＳ６では、水素ガスの製造にかかった消費電力を算出し、ステップＳ７では、この算出した消費電力を表示装置に表示する。

ステップＳ８では、所定の発電開始時間を表示装置に表示し、ステップＳ９に移る。ステップＳ９では、発電−水素製造システムの機能チェックを実行し、ステップＳ１０に移る。ステップＳ１０では、機能チェックの結果、システムは正常であるか否かを判別する。この判別がＹＥＳである場合にはステップＳ１１に移り、ＮＯである場合にはステップＳ１３に移る。ステップＳ１１では、発電−水素製造システムの暖機を実行し、ステップＳ１２に移る。より具体的には、このステップＳ１１では、改質器やスタック等を暖機する。

ステップＳ１２では、改質器、発電−水素ポンプ結合体、インバータ、及び給湯装置を制御して、発電、給湯、及び売電を開始し、ステップＳ１４に移る。ここで、この発電は、所定の発電終了時間が経過すると自動的に停止する。ステップＳ１３では、システムに異常があることを表示装置に表示し、ステップＳ１４では、発電−水素製造システムの運転を停止する。

図６は、運転制御ＥＣＵによる発電−水素ガス製造装置の制御の手順を示すフローチャートである。より具体的には、図６に示すフローチャートは、燃料電池車両の水素タンクが水素ガス供給装置に接続されたことに応じて、水素ガスの製造を優先して行うか、又は、発電を優先して行うかを決定する手順を示す。

水素タンクが水素ガス供給装置に接続されたことに応じて、ステップＳ２１では、接続された水素タンク内の残水素ガス量が所定の必要量以上であるか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合には、この処理を終了し、所定の運転スケジュールで発電−水素製造システムを運転する。また、この判別がＮＯの場合には、ステップＳ２２に移る。

ステップＳ２２では、次回（翌日）の水素ガス使用量と切断時間とを予測し、ステップＳ２３に移る。ここで、水素ガス使用量は、次回に燃料電池車両で使用される水素ガスの量、すなわち、水素タンクに要求される水素ガス供給量を示し、記憶装置に記憶された運転履歴情報に基づいて予測される。また、切断時間は、水素タンクが水素ガス供給装置から切断される時間、すなわち水素ガスの供給を完了する必要がある時間である供給完了時間を示し、記憶装置に記憶された運転履歴情報に基づいて予測される。
ステップＳ２３では、発電及びこの発電に伴う給湯を行っているか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合ステップＳ２４に移り、ＮＯの場合にはステップＳ２６に移る。

ステップＳ２４では、上述のステップＳ２２において予測された次回の水素ガス使用量や切断時間に基づいて、水素ガスの水素タンクへの供給を優先するか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合にはステップＳ２６に移り、ＮＯの場合にはステップＳ２５に移る。
このステップＳ２４では、より具体的には、予測された水素ガス供給量を製造するために必要となる時間を算出し、この水素ガスを製造するために必要な時間と切断時間とを比較し、水素ガスを製造する時間に余裕があるか否かを判定する。そこで、水素ガスを製造する時間に余裕が無い場合には、ステップＳ２６に移り水素ガスの製造を優先し、水素ガスを製造する時間に余裕がある場合には、ステップＳ２５に移り発電及び給湯を優先する。

ステップＳ２５では、後に図７を参照して詳述する発電給湯優先処理を実行した後に、この処理を終了し所定の運転スケジュールに基づいて発電−水素製造システムを運転する。ステップＳ２６では、後に図８を参照して詳述する水素ガス製造優先処理を実行した後に、この処理を終了し所定の運転スケジュールに基づいて発電−水素製造システムを運転する。

図７は、運転制御ＥＣＵによる発電給湯優先処理の手順を示すフローチャートである。
ステップＳ３１では、発電中であるか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合にはステップＳ３４に移り、ＮＯの場合にはステップＳ３２に移る。ステップＳ３２では、水素ガスの製造を停止した後にスタックを掃気し、ステップＳ３３に移る。ステップＳ３３では、水素ガスの製造から発電に切り替えるための所定の切替処理を実行し、ステップＳ３４に移る。

ステップＳ３４では、発電及び給湯を開始し、ステップＳ３５に移る。ステップＳ３５では、給湯の需要は継続中であるか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合にはステップＳ３４に移り、ＮＯの場合にはステップＳ３６に移る。ここで、給湯の需要が継続中であるか否かとの判断は、例えば、使用者による風呂の使用が継続中であるか否かに相当する。

ステップＳ３６では、給湯貯蔵タンクが満杯であるか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合にはこの処理を終了し、ＮＯの場合にはステップＳ３７に移る。ステップＳ３７では、水素タンクが接続中であるか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合にはステップＳ３８に移り、ＮＯの場合にはステップＳ４２に移る。ステップＳ３８では、次回（翌日）の水素ガス使用量と切断時間とを予測し、ステップＳ３９に移る。

ステップＳ３９では、上述のステップＳ３８において予測された次回の水素ガス使用量や切断時間に基づいて、水素ガスの水素タンクへの供給を優先するか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合にはステップＳ４１に移り、ＮＯの場合にはステップＳ４０に移る。
このステップＳ３９では、より具体的には、予測された水素ガス供給量を製造するために必要となる時間を算出し、この水素ガスを製造するために必要な時間と切断時間とを比較し、水素ガスを製造する時間に余裕があるか否かを判定する。そこで、水素ガスを製造する時間に余裕が無い場合には、ステップＳ４１に移り水素ガスの製造を優先し、水素ガスを製造する時間に余裕がある場合には、ステップＳ４０に移り、給湯貯蔵タンクが満杯になるまで発電及び給湯を継続した後に、ステップＳ４１に移る。
ステップＳ４１では、後述の図８に示す水素ガス製造優先処理を実行した後に、この処理を終了する。ステップＳ４２では、給湯貯蔵タンクが満杯になるまで発電及び給湯を継続した後に、この処理を終了する。

図８は、運転制御ＥＣＵによる水素ガス製造優先処理の手順を示すフローチャートである。
ステップＳ５１では、水素ガス製造中であるか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合にはステップＳ５４に移り、ＮＯの場合にはステップＳ５２に移る。ステップＳ５２では、発電を停止した後にスタックを掃気し、ステップＳ５３に移る。ステップＳ５３では、発電から水素ガスの製造に切り替えるための所定の切替処理を実行し、ステップＳ５４に移る。

ステップＳ５４では、水素ガスの製造を開始し、この水素ガスを逐次水素タンクに供給し、ステップＳ５５に移る。ステップＳ５５では、使用者による給湯の需要があるか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合にはステップＳ５６に移り、ＮＯの場合にはステップＳ６１に移る。ステップＳ５６では、給湯貯蔵タンクが所定の需要貯蔵量を満たすか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合にはステップＳ６２に移り、ＮＯの場合にはステップＳ５７に移る。ステップＳ５７では、次回（翌日）の水素ガス使用量と切断時間とを予測し、ステップＳ５８に移る。

ステップＳ５８では、上述のステップＳ５７において予測された次回の水素ガス使用量や切断時間に基づいて、水素ガスの水素タンクへの供給を優先するか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合にはステップＳ６０に移り、ＮＯの場合にはステップＳ５９に移る。
このステップＳ５８では、より具体的には、予測された水素ガス供給量を製造するために必要となる時間を算出し、この水素ガスを製造するために必要な時間と切断時間とを比較し、水素ガスを製造する時間に余裕があるか否かを判定する。そこで、水素ガスを製造する時間に余裕が無い場合には、ステップＳ６０に移り、需要貯蔵量が満たされるまで、追い焚きし、ステップＳ６１に移る。ここで、給湯貯蔵タンク内の水の追い焚きは、例えば、ガスヒータや電気ヒータ等により行われる。一方、水素ガスを製造する時間に余裕がある場合には、ステップＳ５９に移り、需要貯蔵量を満たすまで発電を実行し、ステップＳ６２に移る。

ステップＳ６１では、燃料電池車両の水素タンクが満杯であるか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合にはこの処理を終了し、ＮＯの場合にはステップＳ６２に移る。
ステップＳ６２では、水素タンクが満杯になるまで水素ガスの製造を継続した後に、この処理を終了する。

本実施形態の発電−水素製造システム１によれば、以下の効果を奏することができる。
（１）発電−水素ポンプ結合体４０により水素ガスを製造することで、製造した水素ガスを水素ガス供給装置２４により燃料電池車両８の水素タンクに供給できる。また、発電−水素ポンプ結合体４０により発電することで、発電した電力をインバータ２３により交流電力に変換して、商用電源９側に出力して売電したり、電気負荷６に給電したりできる。また、この際、給湯装置２９により、発電−水素ポンプ結合体４０の発電に伴う廃熱を利用して給湯することもできる。

また、燃料電池車両８の水素タンクを水素ガス供給装置２４に接続すると、水素タンクに要求される水素ガス供給量及び供給完了時間を予測する。
さらに、これら予測に基づいて、供給完了時間までに必要な水素ガス供給量を水素タンクに供給できるように、水素ガスの製造を行うか又は発電を行うかを判断する。これにより、例えば、以下のようなシステム運転が可能となる。
現在では、燃料電池車両８に水素ガスを供給する水素供給ステーションの普及が十分ではないため、基本的には、水素ガスの供給を優先する。ただし、燃料電池車両８の水素タンクを水素ガス供給装置２４に接続した際に水素ガス製造の緊急度が低い場合、すなわち、予測した水素ガス供給量が少ない場合（既に十分な量の水素ガスが充填されている場合）や、供給完了時間までに十分な時間がある場合（燃料電池車両８の使用を開始するまでに十分な時間がある場合）には、水素ガスの製造よりも、発電及び給湯を優先して行う。このような運転を行うことにより、使用者の快適性を損なうことなくシステムの運転効率を向上することができる。

本実施形態の発電−水素製造システム１によれば、上述のように水素タンクに必要な水素ガス供給量及び供給完了時間を予測し、この予測に基づいて水素ガスの製造と発電とを判断することにより、発電−水素ポンプ結合体４０による発電と水素の製造との切替回数を最小限にとどめることができる。これにより、余分な時間及びエネルギーの消費や、スタック４１の劣化の進行を抑制することができる。

製造した水素ガスは、水素ガス供給装置２４により燃料電池車両８の水素タンクに逐次供給する。すなわち、余分な定置タンクを設ける必要がないため、発電−水素製造システム１を小型なものにできる。
また、燃料電池車両８は、昼間は水素ガス供給装置から切断され、夜間は水素ガス供給装置２４に接続される場合が多いことが想定される。すなわち、水素ガスの製造及び水素タンクへの供給は、夜間に行われる場合が多く、この時間帯では、発電と水素ガスの製造とが競合することが想定される。本実施形態では、水素ガス供給量及び供給完了時間の予測に基づいて水素ガスの製造を行うか、又は、発電を行うかを判断するため、次回に燃料電池車両８において必要とされる水素ガスを確保しつつ、発電を行うことが可能となる。これにより、発電−水素製造システム１を効率的に運転することができる。

（２）水素ガスの製造にかかった消費電力量は使用者にとって認識しにくいものであるが、本実施形態の発電−水素製造システム１によれば、表示装置３５に消費電力量を表示することにより、かかる消費電力量を容易に認識できる。また、この表示された消費電力量及び家庭内で消費された電力を相殺できるように、燃料電池型発電装置による発電のスケジュールを設定したり変更したりすることが容易になる。

（３）本実施形態の発電−水素製造システム１によれば、各種運転履歴情報を記憶し、この運転履歴情報に基づいて運転スケジュールを設定することで、より使用者の使用状況に合わせた運転スケジュールを設定することができる。これにより、システムの運転効率の低下を防止できる。

なお、本発明は上記実施形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。

本発明の実施形態に係る発電−水素製造システムの構成を示す概略構成図である。 上記実施形態に係る発電−水素ポンプ結合体の構成を示すブロック図である。 上記実施形態に係る発電−水素製造システムの住居における設置例を示す図である。 上記実施形態に係る運転制御ＥＣＵにより設定された発電−水素ガス製造装置の運転スケジュールの一例を示すタイムチャートである。 上記実施形態に係る運転制御ＥＣＵによる発電−水素ガス製造装置の制御の手順を示すフローチャートである。 上記実施形態に係る運転制御ＥＣＵによる発電−水素ガス製造装置の制御の手順を示すフローチャートである。 上記実施形態に係る発電給湯優先処理の手順を示すフローチャートである。 上記実施形態に係る水素ガス製造優先処理の手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１…発電−水素製造システム
２…発電−水素ガス製造装置
２１…改質器
２３…インバータ（電力変換装置）
２４…水素ガス供給装置
２９…給湯装置
３…運転制御ＥＣＵ（制御手段、水素需要予測手段、判断手段、水素製造消費電力量算出手段、切替手段）
３２…記憶装置（記憶手段）
３５…表示装置
４０…発電−水素ポンプ結合体
４１…スタック（水素製造装置、燃料電池型発電装置）
４２…スタック制御装置（切替手段）
４３３…遮断弁（切替手段）
４４３…三方弁（切替手段）
８…燃料電池車両
９…商用電源

Claims (3)

1. 含水素原料を改質して水素リッチな改質ガスを製造する改質器と、
   前記改質器により製造された改質ガスから水素を精製し水素ガスを製造する水素製造装置と、
   前記改質器により製造された改質ガスにより発電する燃料電池型発電装置と、
   前記水素製造装置による水素ガスの製造と前記燃料電池型発電装置による発電とを選択的に切り替える切替手段と、
   前記改質器、前記水素製造装置、前記燃料電池型発電装置、及び前記切替手段を制御する制御手段と、を備える発電及び水素製造システムであって、
   燃料電池車両の水素タンクに接続され、当該水素タンクに前記水素製造装置により製造された水素ガスを逐次供給する水素ガス供給装置と、
   前記燃料電池型発電装置の発電に伴う廃熱を利用して給湯する給湯装置と、
   前記燃料電池型発電装置により発電された直流電力を交流電力に変換し、当該交流電力を商用電源側へ売電すること及び電気負荷に出力することが可能な電力変換装置と、を備え、
   前記制御手段は、
   前記水素製造装置により水素ガスの製造を行う時間と、前記燃料電池型発電装置により発電を行う時間と、を含んで構成される運転スケジュールを設定する運転スケジュール設定手段と、
   前記燃料電池車両の水素タンクを前記水素ガス供給装置に接続した際に、当該水素タンクで要求される水素ガス供給量及び供給完了時間を予測する水素需要予測手段と、
   前記燃料電池車両の水素タンクが前記水素ガス供給装置に接続された場合、前記水素需要予測手段により予測された水素ガスの供給量及び供給完了時間に基づいて、前記水素製造装置により水素ガスの製造を行うか、又は、前記燃料電池型発電装置により発電を行うかを判断する判断手段と、を備えることを特徴とする発電及び水素製造システム。
2. 水素ガスを製造する際に消費した消費電力量を算出する水素製造消費電力量算出手段と、
   当該水素製造消費電力量算出手段により算出された消費電力量を表示する表示装置と、をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の発電及び水素製造システム。
3. 使用者により指定された前記水素製造装置で製造する水素ガスの製造量と、
   使用者により指定された前記給湯装置の使用時間と、
   前記燃料電池車両で使用された水素ガスの使用量と、
   前記燃料電池車両の水素タンクを前記水素ガス供給装置に接続する接続時間と、
   前記燃料電池車両の水素タンクを前記水素ガス供給装置から切り離す切断時間と、
   季節や時間を含む太陽暦、気象条件に応じた使用者による給湯の使用時間の指定と、
   日々の家庭用電力使用量と、
   日々の水素製造消費電力量と、からなる複数の運転履歴情報のうち少なくとも１つを記憶する記憶手段をさらに備え、
   前記運転スケジュール設定手段は、前記記憶手段に記憶された運転履歴情報に基づいて運転スケジュールを設定することを特徴とする請求項１又は２に記載の発電及び水素製造システム。

Images