JP2015176675A

JP2015176675A - 分散型電源システムおよびその運転方法

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Publication number: JP2015176675A
Application number: JP2014050543A
Authority: JP
Inventors: 真悟峯田; Shingo Mineta; 琴絵水木; Kotoe Mizuki; 敏杉田; Satoshi Sugita; 忠利馬場崎; Tadatoshi Babasaki
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2014-03-13
Filing date: 2014-03-13
Publication date: 2015-10-05

Abstract

【課題】高効率で安定した発電を可能とするための分散型電源システムを提供する。
【解決手段】分散型電源システムにおいて、燃料電池１０２からの熱を用いて水蒸気を発生する水蒸気発生装置１０８と、太陽光発電装置１０４や風力発電装置１０６からの電力を用いて、水蒸気発生装置により発発生された水蒸気から水素を発生する水蒸気電解装置１１０と、水蒸気電解装置により生成された水素を貯蔵する水素貯蔵装置１１２とを設け、燃料電池が発電する際に水素貯蔵装置に貯蔵された水素を供給するように構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、分散型電源システムおよびその運転方法に関する。

従来、地球環境問題に対する意識の高まりと、東日本大震災での経験を踏まえた電力供給方式の見直しによって、太陽光や風力に代表される再生可能エネルギーや、燃料電池などの小型で高効率な発電システムを、従来の大規模発電所に代わって市中に分散的に配置し電力供給を行うという試みが進められている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−３４５６４９公報（要約参照）特開２００７−２１１２６８号公報（第００１５段落参照）

太陽光発電や風力発電などは、化石燃料を必要としないため、ＣＯ_２削減など地球環境を考える上では理想的な発電機と言える。しかしながら、安定した発電が難しく、気象など様々な環境条件によって出力が大きく変動するという問題を有している。

そこで、太陽光発電や風力発電を利用する際には、系統電力と合わせるか、蓄電池を用いるなどして、電力を安定させる方法がとられる（例えば、特許文献１参照）。ただし、系統電力と合わせて安定化させる場合には、系統に与える影響が懸念され、太陽光や風力の出力規模が大きいほどその影響は大きくなる。また、蓄電池を用いる場合も、出力の大きさに合わせて十分な容量の蓄電池を設置する必要があるため、蓄電池のコスト分、電源システムが高コスト化するという問題があった。

一方、燃料電池は、燃料となる水素、都市ガスやＬＰＧなどの燃料ガスを供給し続ける限りにおいて、安定した電力供給が可能である。エンジンやタービン発電機よりも発電効率が高いために、従来の化石燃料を使用した発電機に比べてＣＯ_２削減効果は高い。しかしながら、純粋な水素を燃料として用いずに、都市ガスやＬＰＧの改質ガスで発電する場合はＣＯ_２発生を伴うため、ＣＯ_２発生量の低減はクリアするべき課題と言える。

また、燃料電池は発電に伴って熱も発生する（例えば、特許文献２参照）。そのため、熱需要のある場合には高い発電効率が得られる反面、熱需要のないところでは効率が上がりにくいため、得られるメリットが小さいという欠点を有している。

このように、太陽光発電や風力発電、燃料電池がそれぞれ有する問題のために、これらを用いた電源システムは、総合的な効率が低く、また安定した電力を低コストに得ることが難しいものになってしまうという課題があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、高効率で安定した発電を可能とするための分散型電源システムおよびその運転方法を提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明の第一の態様は、分散型電源システムである。分散型電源システムは、燃料電池と、自然エネルギーを利用する発電装置(104,106)と、燃料電池からの熱または水蒸気と発電装置からの電力とを用いて水素を発生する水素発生手段と、生成された前記水素を貯蔵する水素貯蔵装置(112)とを備え、燃料電池が、貯蔵された水素を燃料として用いて発電するように構成されている。

一実施形態では、水素生成手段は、燃料電池からの熱を用いて水蒸気を発生する水蒸気発生装置と、発電装置からの電力を用いて水蒸気発生手段からの水蒸気を電解して水素を発生する水蒸気電解装置とを備え、あるいは、水素生成手段は、発電装置からの電力を用いて燃料電池からの水蒸気を電解して水素を発生する水蒸気電解装置を備える。

一実施形態では、発電装置は、太陽光発電装置、風力発電装置、地熱発電装置および潮力発電装置のうちの少なくとも１つとすることができる。また、燃料電池は固体酸化物形の燃料電池を用いて構成し、水蒸気電解装置は固体電解質（固体酸化物形電解セル）を用いるもので構成することができる。

本発明の第二の態様は、上記分散型電源システムの運用方法である。該運用方法は、水素発生手段が燃料電池からの熱または水蒸気と自然エネルギーを利用する発電装置からの電力とを用いて水素を発生することと、水素貯蔵装置が水素を貯蔵することと、燃料電池が貯蔵された水素を用いて発電することを含む。水素を用いて発電することは、水素発生手段により水素が発生されるときに用いられる燃料電池からの熱または水蒸気を発生することを含む。

一実施形態では、運用方法は、水蒸気発生装置が、燃料電池からの熱を用いて水蒸気を発生することと、水蒸気電解装置が、発電装置からの電力を用いて水蒸気発生装置からの水蒸気を電解して前記水素を発生することとを備え、あるいは、水蒸気電解装置が、発電装置からの電力を用いて燃料電池からの水蒸気を電解して前記水素を発生することを備える。

以上説明したように、本発明によれば、自然エネルギー（太陽光、風力、地熱、潮力等）を利用する発電装置から発生する変動した電力は、水素に変換されて貯蔵されたのち、燃料電池によって発電され、安定な電力として負荷に供給されるため、系統と合わせて安定化させることや、蓄電池を用いて安定化させる、といった必要がなくなる。

また、水素として電力を貯蔵するため、蓄電池を用いて電力を貯蔵するシステムよりも安価に構成することが可能であり、太陽光や風力発電装置の出力が大きいほどコストメリットが大きくなる。

また、水蒸気電解装置で生成された水素を利用する際は、燃料電池の燃料と混合して発電に用いるため、燃料電池の出力や水素貯蔵装置内の水素量によるが、燃料の使用量を抑えることも可能であって、燃料として都市ガスやＬＰＧを用いる燃料電池の場合はＣＯ_２削減に繋がる。

また、水蒸気の発生に燃料電池の熱を利用するため、燃料電池の熱を有効に利用しているため、高い電解効率で水素を生成することが可能となる。

これらによって、本発明では高効率で安定した電力を提供できる。

本発明の一実施形態にかかる分散型電源システムを示す構成図である。本発明の一実施形態にかかる分散型電源システムを示す構成図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、図面において、同一の機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。

図１は、本発明の実施形態にかかる高効率で安定した発電を可能とするための分散型電源システム１００を示す構成図である。分散型電源システム１００は、少なくとも１つの燃料電池１０２と、太陽光発電装置１０４および風力発電装置１０６の少なくとも１つと、水蒸気発生装置１０８と、水蒸気電解装置１１０と、水素貯蔵装置１１２とを備える。

燃料電池１０２は、燃料として都市ガスやＬＰガスなどを改質して最終的に水素としたものや、水素そのものを用いる多様な種類の燃料電池を活用できる。燃料電池１０２は、上記燃料および水素貯蔵装置１１２に貯蔵された水素の少なくとも一方を用いて発電するように構成されている。なお、本発明は燃料電池の種類や仕様を特に制限するものではないが、燃料極と空気極との間の電解質層が固体酸化物から成る固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）は高温の廃熱を得やすいためより高いシステム効率を実現できる点で好ましいと言える。

太陽光発電装置１０４および／または風力発電装置１０６はそれぞれ、自然エネルギー（太陽光、風力）を利用する発電装置の一例であり、これらに限定されるものではない。太陽光発電装置１０４および風力発電装置１０６の代替として、地熱を利用する地熱発電装置や、潮力を利用する潮力発電装置を用いてもよい。

水蒸気発生装置１０８は、燃料電池１０２で発電の際に生じた熱を用いて、水蒸気を生成する。

水蒸気電解装置１１０は、太陽光発電装置１０４および／または風力発電装置１０６により発電された電力を使用して、水蒸気発生装置１０８により発生された蒸気を電解して水素へ変換する。水蒸気電解装置１１０は、高分子電解質膜を用いるものや、固体酸化物形電解セルを用いるものなど、種々の電解装置が利用できる。特に、固体酸化物形電解セルを用いるものでできるだけ高温で電解できるように構成すると高いシステム効率を実現できる。

従って、燃料電池１０２と水蒸気電解装置１１０は、固体酸化物形燃料電池と固体酸化物形電解セル質を用いる水蒸気電解装置とを組み合わせて、固体酸化物形燃料電池の高温の廃熱を利用して、固体酸化物形電解セルを用いる水蒸気電解装置で電解するように構成したシステムが最も効率的である。

水蒸気発生装置１０８と水蒸気電解装置１１０とは、燃料電池１０２からの発電の際に生じた熱と、自然エネルギーを利用する発電装置からの電力とを用いて、水素を発生する水素発生手段を構成する。

水素貯蔵装置１１２は、水蒸気電解装置１１０が水蒸気電解により生成した水素を、貯蔵する。水素貯蔵装置１１２に貯蔵された水素は、都市ガスやＬＰガスなどの燃料と同様に、燃料電池１０２へ供給される。

次に分散電源システム１００の運転方法について説明する。分散電源システム１００の運転方法は以下の工程を含むが、工程の順序は以下に説明する順序に限定されるものではない。

分散電源システム１００の運転方法は、水素発生手段（水蒸気発生手段１０８および水蒸気電解装置１１０）が、燃料電池（１０２）からの熱または水蒸気と発電装置（太陽光発電装置１０６や風力発電装置１０６などの自然エネルギーを利用する発電装置の少なくとも１つ）からの電力とを用いて水素を発生する工程を含む。水素を発生する工程は、水蒸気発生装置１０８が、燃料装置からの熱を用いて水蒸気を発生する工程と、水蒸気電解装置１１０が、発電装置からの電力を用いて水蒸気発生装置からの水蒸気を電解して水素を発生する工程とを含む。

また、分散電源システム１００の運転方法は、水素貯蔵装置１１２が、水素発生手段により発生された水素を貯蔵する工程と、燃料電池１０２が、貯蔵された前記水素を用いて発電する工程とを含む。燃料電池１０２が、発電する工程は、水蒸気発生装置１０８が水蒸気を発生するときに用いる熱を発生することを含む。

図２は、図１の分散型電源システム１００の変形例である、分散型電源システム２００の構成を示す図である。

燃料電池１０２の発電反応は、水素と酸素から水を生成する反応であるので、発電後の燃料電池の排ガスは多量の水蒸気を含んでいる。従って、図２に示すように、水蒸気発生装置１０８で燃料電池１０２の廃熱を用いて水蒸気を生成する代わりに、発電後の高濃度に水蒸気を含む燃料電池の排ガスを直接水蒸気電解装置１１０に導入してもよい。分散型電源システム２００の構成において、水蒸気電解装置１１０は、燃料電池１０２からの水蒸気と、自然エネルギーを利用する発電装置からの電力とを用いて、水素を発生する水素発生手段を構成する。

更に、より熱効率を高めるために、燃料電池１０２と水蒸気電解装置１１０を熱的に連結して一体化して構成することもできる。

ここで、分散電源システム２００の運転方法について説明する。分散電源システム２００の運転方法は、上述した分散電源システム１００の運用方法と略同様の工程を含むが、水素発生手段が水素を発生する工程は、水蒸気発生装置１０８により発生される水蒸気の変わりに、燃料電池１０２からの水蒸気を、水蒸気電解装置１１０が発電装置からの電力を用いて電解して水素を発生する工程を含む。

生成された水素を水素貯蔵装置１１２に貯蔵する工程は、上述した分散電源システム１００の運用方法と同様である。燃料電池１０２が発電する工程は、水蒸気電解装置１１０により水素を発生させるときに用いられる水蒸気を発生することを含む。

１００，２００分散型電源システム
１０２燃料電池
１０４太陽光発電装置
１０６風力発電装置
１０８水蒸気発生装置
１１０水蒸気電解装置
１１２水素貯蔵装置

Claims

分散型電源システムであって、
燃料電池と、
自然エネルギーを利用する発電装置と、
前記燃料電池からの熱または水蒸気と前記発電装置からの電力とを用いて水素を発生する水素発生手段と、
生成された前記水素を貯蔵する水素貯蔵装置と
を備え、
前記燃料電池は、貯蔵された前記水素を燃料として用いて発電することを特徴とする分散型電源システム。
前記水素生成手段は、
前記燃料電池からの熱を用いて水蒸気を発生する水蒸気発生装置と、
前記発電装置からの電力を用いて前記水蒸気発生手段からの水蒸気を電解して前記水素を発生する水蒸気電解装置と
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の分散型電源システム。
前記水素生成手段は、
前記発電装置からの電力を用いて前記燃料電池からの水蒸気を電解して前記水素を発生する水蒸気電解装置と
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の分散型電源システム。
前記発電装置は、太陽光発電装置、風力発電装置、地熱発電装置および潮力発電装置のうちの少なくとも１つであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の分散型電源システム。
前記燃料電池が固体酸化物形であり、前記水蒸気電解装置が固体酸化物形電解セルを用いるものであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の分散型電源システム。
燃料電池と、自然エネルギーを利用する発電装置と、水素発生手段と、水素貯蔵装置とを備え分散型電源システムの運用方法であって、
前記水素発生手段が、前記燃料電池からの熱または水蒸気と前記発電装置からの電力とを用いて水素を発生することと、
前記水素貯蔵装置が、前記水素を貯蔵することと、
前記燃料電池が、貯蔵された前記水素を用いて発電することであり、前記水素発生手段により前記水素が発生されるときに用いられる前記燃料電池からの熱または水蒸気を発生することを含む、ことと
を備えることを特徴とする運用方法。
前記水素生成手段は、水蒸気発生装置と、水蒸気電解装置とを備え、前記運用方法は、
前記水蒸気発生装置が、前記燃料電池からの熱を用いて水蒸気を発生することと、
前記水蒸気電解装置が、前記発電装置からの電力を用いて前記水蒸気発生装置からの水蒸気を電解して前記水素を発生することと
を備えることを特徴とする請求項６に記載の運用方法。
前記水素生成手段は、水蒸気電解装置を備え、前記運用方法は、
前記水蒸気電解装置が、前記発電装置からの電力を用いて前記燃料電池からの水蒸気を電解して前記水素を発生することと
を備えることを特徴とする請求項６に記載の運用方法。