JP2016208694A

JP2016208694A - エネルギー貯蔵システム、及びエネルギー貯蔵方法

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Publication number: JP2016208694A
Application number: JP2015088542A
Authority: JP
Inventors: 門田　行生; Yukio Kadota; 行生門田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2015-04-23
Filing date: 2015-04-23
Publication date: 2016-12-08
Anticipated expiration: 2035-04-23
Also published as: PH12017501922A1; JP6114777B2; WO2016170700A1; PH12017501922B1

Abstract

【課題】予め定めた期間に負荷が消費する電力量に応じた量の水素をより高い精度で蓄えることが可能なエネルギー貯蔵システムを提供することを目的とする。【解決手段】本実施形態に係るエネルギー貯蔵システムは、水電解部と、燃料電池と、制御部とを備える。水電解部は、再生可能エネルギーを用いた発電部から供給された電力を用いて、水の電気分解により水素を生成し、この生成した水素を水素貯蔵部に蓄える。燃料電池は、水素貯蔵部に蓄えられた水素を用いて発電する。制御部は、電部及び燃料電池から電力を供給される負荷が予め定められた期間に消費する電力量を算出し、この算出した電力量に応じた量の水素を水素貯蔵部に蓄えさせる制御を水電解部に対して行う。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、エネルギー貯蔵システム、及びエネルギー貯蔵方法に関する。

太陽光発電や風力発電等の自然エネルギーで発電する発電システムが注目されている。この発電システムは例えば、発電部と、補助電源部と、燃料電池部と、制御部とを備えて、構成されている。二次電池やコンデンサ等の補助電源部は、この発電部が発電する電力の時間単位あるいは日単位の短期の変動量を補いかつ安定化させる。一方、燃料電池部は、この発電部が発電した電力により水を電気分解して水素を生成し、この生成した水素を貯蔵しておく。そして、この貯蔵した水素を燃料として使用して電力に再変換することにより、この発電部が発電する電力の季節単位あるいは年間を通しての長期の変動量を補いかつ安定化させる。

制御部は、これらの発電部、補助電源部、および燃料電池部を統合的に制御するとともに、この発電システムによる発電量と電力需要とを常時監視し、この発電部が発電する電力量の短期の発電不足を補うように、補助電源部と燃料電池部とのいずれか一方または双方に対して制御を行う。さらにまた、この制御部は、燃料電池部が貯蔵する水素の貯蔵量を、季節単位あるいは年間を通して調節する制御を行う。

特開２００６−１６４６３７号公報

しかしながら、時間単位あるいは日単位の電力変動をこの補助電源部を用いて補い安定化させるので、この補助電源部の容量を大きくする必要がある。また、災害等の理由で発電部が停止した場合に、この負荷に電力を供給するために燃料電池で用いられる水素を、短時間で消費してしまう恐れがある。

そこで、本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、予め定めた期間に負荷が消費する電力量に応じた量の水素をより高い精度で蓄えることが可能なエネルギー貯蔵システムを提供することを目的とする。

本実施形態に係るエネルギー貯蔵システムは、
再生可能エネルギーを用いた発電部から供給された電力を用いて、水の電気分解により水素を生成し、この生成した水素を水素貯蔵部に蓄える水電解部と、
前記水素貯蔵部に蓄えられた水素を用いて発電する燃料電池と、
前記発電部及び前記燃料電池から電力を供給される負荷が予め定められた期間に消費する電力量を算出し、この算出した電力量に応じた量の水素を前記水素貯蔵部に蓄えさせる制御を前記水電解部に対して行う制御部と、
を備えることを特徴とする。

本実施形態に係るエネルギー貯蔵方法は、
再生可能エネルギーを用いた発電部から供給された電力を用いて、水の電気分解により水素を生成し、この生成した水素を水素貯蔵部に蓄える水電解部と、前記水素貯蔵部に蓄えられた水素を用いて発電する燃料電池とを備える燃料電池システムのエネルギー貯蔵方法であって、
前記発電部及び前記燃料電池から電力を供給される負荷が予め定められた期間に消費する電力量を算出する算出ステップと、
この算出した電力量に応じた量の水素を前記水素貯蔵部に蓄えさせる制御を前記水電解部に対して行う制御ステップと、
を備えることを特徴とする。

予め定めた期間に負荷が消費する電力に応じた量の水素をより高い精度で蓄えることが可能なエネルギー貯蔵システムを提供することができる。

図１は、第１実施形態に係るエネルギー貯蔵システムの構成を説明するブロック図である。図２は、第２実施形態に係るエネルギー貯蔵システムの構成を説明するブロック図である。図３は、第３実施形態に係るエネルギー貯蔵システムの構成を説明するブロック図である。図４は、第３実施形態の変形例であり、第２実施形態に第３実施形態を組み合わせて適用した場合のブロック図である。図５は、第４実施形態に係るエネルギー貯蔵システムの構成を説明するブロック図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。

（第１実施形態）
第１実施形態に係るエネルギー貯蔵システムは、発電部及び燃料電池から電力を供給される負荷が予め定められた期間に消費する電力量を算出し、この算出した電力量に応じた量の水素を水素タンクに蓄えさせることにより、この予め定めた期間にこの負荷が消費する電力量に応じた量の水素を、より高い精度で水素タンクに蓄えさせようとしたものである。より詳しくを、以下に説明する。

図１は、第１実施形態に係るエネルギー貯蔵システム１００の構成を説明するブロック図である。この図１に示すように、本実施形態に係るエネルギー貯蔵システム１００は、燃料電池部１２０と、制御部１４０と、補助電源部１６０とを備えて構成されている。

燃料電池部１２０は、水素と酸素を用いて発電を行うシステム部であり、水電解部１２２と、水素タンク１２４と、酸素タンク１２６と、燃料電池１２８とを備えて構成されている。

水電解部１２２は、電力系統２から供給された電力を用いて、水の電気分解により水素と酸素を生成する。具体的には、電気分解に用いられる水は、水配管４を介して水電解部１２２に供給されている。また、再生可能エネルギーを用いた発電部６からこの電力系統２に電力が供給されており、この電力系統２を介して供給された電力を用いて、水電解部１２２は、水の電気分解により水素と酸素を生成する。

水素タンク１２４には、水電解部１２２が生成した水素が、水素配管８を介して移送され、この水素タンク１２４で蓄えられる。この水素タンク１２４が、本実施形態における水素貯蔵部を構成している。また、酸素タンク１２６には、この水電解部１２２が生成した酸素が、酸素配管１０を介して移送され、この酸素タンク１２６で蓄えられる。

燃料電池１２８は、水素を供給する水素配管８及び酸素を供給する酸素配管１０に接続され、これら配管から供給される水素と酸素とを用いて電気を発電する。この発電された電気は、燃料電池１２８が接続された電力系統２へ送電される。

また、水素配管８は、水電解部１２２と燃料電池１２８とに直接的に接続される経路と、この水電解部１２２とこの燃料電池１２８との間に水素タンク１２４を介して接続される経路とを有する。同様に、酸素配管１０は、水電解部１２２と燃料電池１２８とに直接的に接続される経路と、この水電解部１２２とこの燃料電池１２８との間に酸素タンク１２６を介して接続される経路とを有する。すなわち、水電解部１２２が水の電気分解を行っていない場合、燃料電池１２８は、水素タンク１２４に蓄えられた水素と、酸素タンク１２６に蓄えられた酸素とを用いて発電する。一方、水電解部１２２が水の電気分解を行っている場合、燃料電池１２８は、水電解部１２２で生成された水素と酸素に加えて、水素タンク１２４に蓄えられた水素と、酸素タンク１２６に蓄えられた酸素を用いて発電する。なお、この燃料電池１２８は、空気から酸素を得ることも可能であり、この場合、酸素配管１０および酸素タンク１２６を省略してもよい。

制御部１４０は、燃料電池部１２０と補助電池部１６０とに対する制御を行うとともに、発電部６及び燃料電池１２８から電力を供給される負荷１２が予め定められた期間に消費する電力量を算出する。すなわち、負荷１２は家庭や工場などから構成されており、これらの負荷１２にはそれぞれ消費電力計測部１４が設けられている。そして、制御部１４０は、消費電力計測部１４が計測した、これらの負荷１２における消費電力量を示す計測データに基づいて、予め定められた期間に消費する電力量を算出し、この算出した電力量に応じた量の水素を、水素タンク１２４に蓄えさせる制御を水電解部１２２に対して行う。

補助電源部１６０は、発電部６及び燃料電池１２８から負荷１２に供給される電力の過不足分を充放電する。この充放電の制御応答の時間が、燃料電池部１２０の制御応答の時間と比較して短くなるように、この補助電源部１６０は構成されている。すなわち、この補助電源部１６０は、二次電池やコンデンサなどで構成されており、燃料電池部１２０の制御応答の遅れによる電力の過不足分を補うに足りる容量を有する。

ここで、発電部６は、太陽光を用いた太陽光発電装置、及び風力を用いた風力発電装置の中の、単機または複数の発電装置で構成されており、同種類の発電装置で構成されてもよく、異なる種類の発電装置が組合されて構成されてもよい。すなわち、この発電部６の全てを太陽光発電装置で構成してもよく、風力発電装置と太陽光発電装置などを組み合わせて構成してもよい。

一般に、送電距離が長い場合、送電電圧を上げて送電電流を小さくすることで、送電ロスを低減できる。このため、電力系統２は、変圧器を用いて簡単に電圧の昇降圧が可能な、交流系統で構成されている。なお、電力系統２を直流系統で構成してもよい。また、負荷１２は、単機または複数の装置で構成され、全てが同じ装置でもよいし、異なる種類の装置が組み合わされていてもよい。

以上が本実施形態に係るエネルギー貯蔵システム１００の全体構成の説明であるが、次に、図１を参照しつつ、燃料電池部１２０及び補助電源部１６０の動作について説明する。

発電部６の発電電力は、太陽光発電であれば太陽光パネルへの光量や太陽光パネルの温度で、風力発電であれば風車への風量で変化する。また、負荷１２における消費電力はこの負荷１２の利用状況等で変化する。このため、この発電部６とこの負荷１２との間で電力の過不足が生じる。この電力の過不足を、燃料電池部１２０及び補助電源部１６０が補う動作をする。すなわち、この燃料電池部１２０及びこの補助電源部１６０が、発電部６と負荷１２との間における電力バランスを取る動作をするのである。

まず、発電部６の発電電力が不足している場合には、ミリ秒単位の応答で、補助電源部１６０が電力の供給を開始する。続いて、燃料電池１２８が水素と酸素とから電気を生成し、不足する電力を供給する。続いて、この電力の供給に応じて、この補助電源部１６０は、電力の供給を停止する。すなわち、この燃料電池１２８における発電電力の制御応答の応答遅れが生じている間の期間、この補助電源部１６０が電力を負荷１２に供給する。燃料電池部１２０における発電電力の制御応答の応答遅れは、例えば分単位以上である。

次に、発電部６の発電電力が負荷１２の消費電力に対して余っている場合には、ミリ秒単位の応答で、補助電源部１６０が電力を蓄積する。続いて、水電解部１２２が電気分解で水から水素と酸素を生成し、余った電力を消費する。続いて、この電気分解の開始に応じて、この補助電源部１６０は、電力の蓄積を停止する。すなわち、この水電解部１２２における消費電力の制御応答の応答遅れが生じている間の期間、この補助電源部１６０が余った電力を消費する。燃料電池部１２０における消費電力の制御応答の応答遅れは、例えば分単位以上である。

このように、補助電源部１６０は、水電解部１２２における消費電力の制御応答、および燃料電池１２８における発電電力の制御応答、のいずれかが追従できない、ミリ秒単位から分単位の電力過不足を充放電する動作を行う。また、制御応答の応答遅れが秒単位の燃料電池部１２０をエネルギー貯蔵システム１００に用いてもよく、この場合、この補助電源部１６０は、ミリ秒単位から秒単位の電力過不足を充放電する動作を行う。

次に、補助電源部１６０の容量と、補助電源部１６０における出力時間との関係について説明する。一般に、補助電源部１６０の容量は、出力電力と出力時間とを乗算した値に応じて大きくなる。例えば、この乗算した値を、この出力時間を短くすることで半分にすれば、この補助電源部１６０を構成する二次電池またはコンデンサの設備容量は半分になり、コストダウンが期待できる。

この補助電源部１６０は、蓄電池部１２０の応答遅れが生じている期間と補助電源部１６０の出力値とを乗算した値に応じた容量で構成されている。この応答遅れが生じている期間は分単位であるので、従来のように時間単位や日単位の電力変動を補う場合と比較して、補助電源部１６０の容量をより低減することができる。すなわち、補助電源部１６０を構成する二次電池やコンデンサの設備容量をより低減することができる。

次に、図１を参照しつつ、本実施形態に係るこの制御部１４０の動作について説明する。ここでは、発電部６の発電が停止した場合に備えて、負荷１２で消費する電力に対応する水素を水電解部１２２に蓄えさせる制御動作の例を説明する。

まず、消費電力計測部１４は、負荷１２の消費電力を計測した計測データを制御部１４０に出力する。次に、この制御部１４０は、この計測データに基づいて、予め定められた期間にこの負荷１２が消費する電力量を算出する。すなわち、この制御部１４０は、計測データに基づいて、この予め定められた期間として例えば一日の間に、この負荷１２において消費する電力量を算出する。

また、制御部１４０が算出するのに用いる計測データの計測期間は、この予め定められた期間の数倍程度とする。この場合、この計測期間に計測された計測データの平均値に基づいて、この制御部１４０は電力量を算出する。また、この計測期間に計測された計測データの最大値などに基づいて、この電力量を制御部１４０が算出してもよい。

次に、制御部１４０は、例えば一日分以上の期間に、負荷１２が消費する電力量に対応する水素を、蓄積するように水電解部１２２を制御する。続いて、この水電解部１２２は、余剰の電力を用いて、水を電気分解することにより生成した水素を水素タンク１２４に蓄える。

このように、制御部１４０は、発電部６及び燃料電池１２８から電力を供給されるこの負荷１２が予め定められた期間に消費する電力量を算出し、この算出した電力量に応じた量の水素をこの水素タンク１２４に蓄えさせる制御をこの水電解部１２２に対して行うものである。

これにより、再生可能エネルギーを用いた発電部６が停止した場合でも、水素タンク１２４に蓄えられた水素をこの燃料電池１２８が用いて、予め定められた期間である例えば一日分以上の電力を、負荷１２に供給することが可能となる。

以上のように、本実施形態に係るエネルギー貯蔵システム１００によれば、負荷１２が予め定められた期間に消費する電力量を算出するとともに、この算出した電力量に応じた量の水素を、水素タンク１２４に蓄えさせる制御を水電解部１２２に対して制御部１４０が行うこととした。このため、この負荷１２が消費する電力に応じた量の水素をより高い精度で蓄えることができる。さらにまた、発電部６の発電が停止した場合でも、この水素タンク１２４に蓄えた水素を用いて燃料電池１２８が発電することにより、この予め定められた期間の間、この燃料電池１２８が負荷１２に電力を供給することができるようになる。

（第２実施形態）
第２実施形態に係るエネルギー貯蔵システムは、発電部の発電電力を計測した計測データと、燃料電池部の充放電電力を計測した計測データと、補助電源部の充放電電力を計測した計測データとを収集し、これら収集した計測データに基づいて、負荷が予め定められた期間に消費する電力量を算出することにより、負荷の消費電力を直接計測せずとも、その電力量を算出できるようにしたものである。以下、上述した第１実施形態と異なる部分を説明する。

図２は、第２実施形態に係るエネルギー貯蔵システム１００の構成を説明するブロック図である。この図２に示すように、発電電力計測部１６は発電部６に設けられており、この発電部６の発電電力を計測した計測データを制御部１４０へと出力する。第１充放電電力計測部１８は燃料電池部１２０に設けられており、この燃料電池部１２０の充放電電力を計測した計測データを制御部１４０へと出力する。同様に第２充放電電力計測部２０は補助電池部１６０に設けられており、この補助電源部１６０の充放電電力を計測した計測データを制御部１４０へと出力する。

そして、制御部１４０は、これら収集した計測データに基づいて、例えば一日にこの負荷１２で消費する電力量を算出し、この算出した電力量に応じた量の水素を水素タンク１２４に蓄えさせる制御を水電解部１２２に対して行う。これにより、発電部６が停止した場合でも、燃料電池１２８がこの水素タンク１２４に蓄えられた水素を用いて発電することで、一日分以上の電力を負荷１２に供給することが可能となる。

以上のように、本実施形態に係るエネルギー貯蔵システム１００によれば、制御部１４０が、発電部６の発電電力を計測した計測データと、燃料電池部１２０の充放電電力を計測した計測データと、補助電源部１６０の充放電電力を計測した計測データとを収集し、これら収集した計測データに基づいて、負荷１２が予め定められた期間に消費する電力量を算出することとした。このため、負荷１２の消費電力を直接計測せずとも、この負荷１２の消費する電力量を算出することができる。

（第３実施形態）
第３実施形態に係るエネルギー貯蔵システムは、上述した第１実施形態に係るエネルギー貯蔵システムに対して、水素と異なる燃料を用いて発電する発電機を更に加えることにより、負荷に供給する電力が不足することを回避しようとしたものである。以下、上述した第１実施形態と異なる部分を説明する。

図３は、第３実施形態に係るエネルギー貯蔵システム１００の構成を説明するブロック図である。この図３に示すように、エネルギー貯蔵システム１００は、上述した第１実施形態において、発電機１８０を更に備える。

発電機１８０は、発電部６と並列に電力系統２に接続されており、水素と異なる燃料を用いて発電し、負荷１２へ電力を供給する。例えば、この燃料は、軽油等の化石燃料である。すなわち、この発電機１８０は、この発電部６の発電電力が不足する場合に運転し、この負荷１２へ電力を供給する。これにより、負荷１２に供給する電力が不足することを回避することができる。

また、発電機１８０が発電する電力は、水電解部１２２における水の電気分解などにも使用してもよい。すなわち、この発電機１８０を、発電部６が停止した場合のバックアップ電源や、ベース電源として用いることができる。

さらにまた、図４に示すように、上述した第２実施形態に本実施形態を組み合わせて適用することも可能である。すなわち、発電機１８０に発電機計測部２２を設け、制御部１４０が、発電機１８０の発電電力を計測した計測データを、発電機計測部２２から更に取得するように構成してもよい。そして、制御部１４０は、発電部６の発電電力を計測した計測データと、燃料電池部１２０の充放電電力を計測した計測データと、補助電源部１６０の充放電電力を計測した計測データと、発電機１８０の発電電力を計測した計測データとを収集し、これら収集した計測データに基づいて、負荷１２が予め定められた期間に消費する電力量を算出する。

以上のように、本実施形態に係るエネルギー貯蔵システム１００によれば、水素と異なる燃料を用いて発電する発電機１８０を、発電部６の発電電力が不足する場合に運転することとした。これにより、発電機１８０をバックアップ電源やベース電源として利用することができ、負荷１２に供給する電力が不足することを回避することができる。

（第４実施形態）
第４実施形態に係るエネルギー貯蔵システムは、予め定められた期間に負荷が消費するエネルギーに対応する水素を、この負荷に電力を供給する家庭用燃料電池に供給することにより、電力系統が停止した場合でも、予め定められた期間の間にこの負荷が消費する電力が不足することを回避しようとしたものである。以下、上述した第１実施形態と異なる部分を説明する。

図５は、第４実施形態に係るエネルギー貯蔵システム１００の構成を説明するブロック図である。この図５に示すように、エネルギー貯蔵システム１００は、上述した第１実施形態において、水素配管８が家庭用燃料電池２４にも接続されている。これにより、燃料電池部１２０で生成した水素をこの家庭用燃料電池２４にも直接的に供給することが可能となっている。

家庭用燃料電池２４は、負荷１２である各家庭や各工場等に設置され、水素配管８と接続された水素タンク１２４の水素が供給される。この水素タンク１２４に蓄えられた水素の移動装置として、移動用水素ボンベや、燃料電池自動車を用いてもよい。これにより、電力系統２が故障し、送電を停止した場合でも、この水素タンク１２４に蓄積した予め定められた期間分の水素を、この家庭用燃料電池２４のエネルギー源として用いることができる。例えば、この予め定められた期間は一日以上であり、一日分以上の水素を、この家庭用燃料電池２４に供給する。これにより、この電力系統２の送電が停止した場合でも、一日以上の間、負荷１２が消費する電力を供給することが可能となる。

以上のように、本実施形態に係るエネルギー貯蔵システム１００によれば、予め定められた期間に負荷１２が消費する電力に対応する水素を、家庭用燃料電池２４に供給することとした。これにより、電力系統２が停止した場合でも、予め定められた期間の間にこの負荷１２が消費する電力を負荷１２に供給することが可能となる。

以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。本明細書で説明した新規なシステムおよび方法は、その他の様々な形態で実施することができる。また、本明細書で説明したシステムおよび方法の形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことができる。添付の特許請求の範囲およびこれに均等な範囲は、発明の範囲や要旨に含まれるこのような形態や変形例を含むように意図されている。

１００：エネルギー貯蔵システム、１２０：燃料電池部、１２２：水電解部、１２４：水素タンク、１２８：燃料電池、１４０：制御部、１６０：補助電源部、１８０：発電機

Claims

再生可能エネルギーを用いた発電部から供給された電力を用いて、水の電気分解により水素を生成し、この生成した水素を水素貯蔵部に蓄える水電解部と、
前記水素貯蔵部に蓄えられた水素を用いて発電する燃料電池と、
前記発電部及び前記燃料電池から電力を供給される負荷が予め定められた期間に消費する電力量を算出し、この算出した電力量に応じた量の水素を前記水素貯蔵部に蓄えさせる制御を前記水電解部に対して行う制御部と、
を備えることを特徴とするエネルギー貯蔵システム。
前記発電部及び前記燃料電池から前記負荷に供給される電力の過不足分を充放電する補助電源部であって、前記燃料電池の制御応答の遅れによる電力の過不足分を補うに足りる容量を有する補助電源部を更に備える請求項１に記載のエネルギー貯蔵システム。
前記水電解部における消費電力の制御応答、および前記燃料電池における発電電力の制御応答、のいずれかが追従できない、ミリ秒単位から秒単位の期間における過不足分の電力、またはミリ秒単位から分単位の期間における過不足分の電力を、前記補助電源部が充放電する請求項２に記載のエネルギー貯蔵システム。
前記予め定められた期間は、前記発電部からの電力供給が停止してから１日以上である請求項１乃至３のいずれか一項に記載のエネルギー貯蔵システム。
前記制御部は、前記負荷の消費電力を計測した計測データを消費電力計測部から収集し、この収集した計測データに基づいて、前記負荷が前記予め定められた期間に消費する電力量を算出する請求項１乃至４のいずれか一項に記載のエネルギー貯蔵システム。
前記制御部は、前記発電部の発電電力を計測した計測データと、前記燃料電池の充放電電力を計測した計測データと、前記補助電源部の充放電電力を計測した計測データとを収集し、これら収集した計測データに基づいて、前記負荷が前記予め定められた期間に消費する電力量を算出する請求項２乃至４のいずれか一項に記載のエネルギー貯蔵システム。
前記発電部と並列に、水素と異なる燃料を用いて発電する発電機を更に備える請求項１乃至６のいずれか一項に記載のエネルギー貯蔵システム。
前記負荷が消費するエネルギーの一日分以上の水素を、前記負荷に電力を供給する家庭用燃料電池に供給する請求項１乃至７のいずれか一項に記載のエネルギー貯蔵システム。
再生可能エネルギーを用いた発電部から供給された電力を用いて、水の電気分解により水素を生成し、この生成した水素を水素貯蔵部に蓄える水電解部と、前記水素貯蔵部に蓄えられた水素を用いて発電する燃料電池とを備える燃料電池システムのエネルギー貯蔵方法であって、
前記発電部及び前記燃料電池から電力を供給される負荷が予め定められた期間に消費する電力量を算出する算出ステップと、
この算出した電力量に応じた量の水素を前記水素貯蔵部に蓄えさせる制御を前記水電解部に対して行う制御ステップと、
を備えることを特徴とするエネルギー貯蔵方法。