JP5306621B2 - 電力供給システム - Google Patents

Description

本発明は、自然エネルギーから変換された電力を一旦貯蔵してから供給することで、負荷に対して供給される電力を平準化する電力供給システムに関する。

従来、燃料電池、およびＮａＳ電池や鉛蓄電池等の蓄電池を備える自家発電システムがある（特許文献１を参照）。また、太陽光発電装置を備え、売電および買電のバランスをとりながら貯湯式給湯装置を制御、稼動させる家庭内電力システムがある（特許文献２を参照）。

また、可逆型燃料電池の運転を水電解運転から発電運転へ切り替える際に、不活性ガスを流路に供給することで可逆型燃料電池の内部を乾燥させ、乾燥状況を測定して適切な乾燥状況となったら発電運転を開始する技術があり（特許文献５を参照）、更に、水素吸蔵合金ヒートポンプの運転制御技術として、再生過程と冷熱出力過程を繰り返すサイクルの切替時間を負荷に応じて制御する技術がある（特許文献６を参照）。
特開２００５−１６０２８６号公報 特開２００６−１５８０２７号公報 特開２００６−１９１７４８号公報 特開２００３−２７４５５４号公報 特開２００６−１２７８０７号公報 特開２００２−２７７０９５号公報

従来、需要家の近くに設置された電源装置（分散電源装置）からの交流電力（分散電力）と商用の電力系統からの交流電力（商用電力）とが引き込まれるネットワークを電力線で構築し、分散電力と商用電力の分岐点で電圧および周波数の変化を監視し、供給電力が需要家の要求電力に対して同時等量となるように、主に商用電力の供給量を制御する、所謂マイクログリッドの研究および利用が進められている。

ここで、自然エネルギーを利用した電源装置を用いる場合、同時等量が成立する安定した電力供給を行うために、脈動的外乱（風力発電において得に顕著）や、自然エネルギーが本来的に有する天候依存性に起因した変動等を平準化することが必要となる。従来、この平準化のために、鉛蓄電池、ＮａＳ電池（ナトリウム硫黄電池）、ニッケル水素電池、等が用いられている。しかし、これらの電池は、本来的に自然放電の問題を有する上、設置のために大きな空間を必要とする。このため、建物等の施設に自然エネルギーを利用した電力供給システムを設置する場合、供給電力の平準化のための設備が大きな機械室を必要とし、施設のレンタブル比を低下させる一因となっていた。

本発明は、上記した問題に鑑み、施設に自然エネルギーを利用した電力供給システムを設置する場合に、供給電力の平準化設備を設置するために必要な空間を節約することを課題とする。

本発明は、上記した課題を解決するために、自然エネルギーから変換された電力を用いて水素を生成し、この水素を、水素吸蔵合金を用いて貯蔵することで、供給電力の平準化設備を設置するために必要な空間を節約することを可能にした。

詳細には、本発明は、施設に設置され、自然エネルギーから変換された電力を一旦貯蔵してから供給することで、該施設に設けられた負荷に対して供給される電力を平準化する電力供給システムであって、前記施設において得られた自然エネルギーを電力に変換する変換手段と、前記変換手段によって変換された電力を用いて水電解を行い、水素を生成する水素生成手段と、前記水素生成手段によって生成された水素を、水素吸蔵合金に吸蔵させることで貯蔵する水素貯蔵手段と、前記水素貯蔵手段によって貯蔵された水素を、前記水素吸蔵合金に放出させることで水素を供給する水素供給手段と、前記水素供給手段によって供給された水素を酸素と反応させることで、前記負荷に対して供給される電力を発電する発電手段と、を備える電力供給システムである。

本発明に係る電力供給システムは、単一の施設において、自然エネルギーの取得、供給電力の平準化が行われ、且つ電力供給システムによって供給される負荷についても、同一の施設に設置されている種類の電力供給システムである。このようなシステムでは、エネルギーの取得、平準化（貯蔵）および消費を同一施設内で行うために、施設における電力供給システムの設置空間が問題となる。本発明に係る電力供給システムは、取得した自然エネルギーを原則として一旦水素に変換し、水素吸蔵合金を用いて貯蔵し、貯蔵された水素を用いて供給電力を発電することで、供給電力の平準化を行いつつ、従来に比べて平準化（貯蔵）に必要な空間を節約することを可能とした。

一般に、水素吸蔵合金は、鉛蓄電池やＮａＳ電池、ニッケル水素電池等の従来用いられている貯蔵設備に比べて貯蔵密度が高く、平準化設備を設置するための機械室即ち空間を節約することが可能である。これによって、施設のレンタブル比が向上し、施設内の限られた空間のうち、住居やオフィス等の施設本来の用途に供することが出来る空間または面積を広くすることが可能となる。更に、本発明に拠れば、水素の状態で貯蔵を行うために、従来の電池にあった自然放電の問題が発生せず、長期貯蔵を行うことが可能である。

なお、本発明において、自然エネルギーとは、水力、風力、太陽光等、専ら発電の目的で人為的に発生させたエネルギーを除くエネルギーをいうものとする。

また、前記施設には、一または複数の可逆型燃料電池が設けられ、前記水素生成手段は、前記一または複数の可逆型燃料電池のうちの全部または一部において、前記変換手段によって変換された電力を用いて水電解を行うことで、水素を生成し、前記発電手段は、前記一または複数の可逆型燃料電池のうちの全部または一部において、前記水素供給手段によって供給された水素を酸素と反応させることで、発電してもよい。

また、複数の可逆型燃料電池のうち、一部が水電解を行い、一部が発電を行うことで、電力供給システムとして水素貯蔵と電力供給を同時に行うことが可能である。更に、複数の可逆型燃料電池のうち、水電解を行っている可逆型燃料電池、および発電を行っている可逆型燃料電池、の夫々の台数を制御することで、電力供給システムとして水素貯蔵および発電の能力を制御することが可能となる。

また、本発明に係る電力供給システムは、前記変換手段によって変換された電力に関するパラメータ、および前記施設における電力需要に関するパラメータを計測する計測手段と、前記計測手段による計測結果に基づいて、前記複数の可逆型燃料電池のうち、前記水電解が行われる可逆型燃料電池の台数、および前記発電が行われる可逆型燃料電池の台数を決定し、前記可逆型燃料電池を制御することで、前記水素生成手段による水素の生成能力および前記発電手段による発電能力を制御する制御手段と、を更に備えてもよい。

計測手段によって計測されたパラメータに基づいて、水電解を行っている可逆型燃料電
池、および発電を行っている可逆型燃料電池、の夫々の台数を制御することで、自然エネルギーからの変換量に応じた水素貯蔵と、負荷の大きさ（需要）に応じた電力供給が可能となる。

また、本発明に係る電力供給システムは、前記水素生成手段によって水素が生成される際に発生する熱、前記水素貯蔵手段によって水素が貯蔵される際に発生する熱、前記水素供給手段によって水素が供給される際に発生する熱、および前記発電手段によって発電が行われる際に発生する熱のうち、少なくとも一つ以上を用いて、前記施設において用いられる水を温度制御する温度制御手段を更に備えてもよい。

このような温度制御手段を備えることで、廃熱の有効利用が可能となる。なお、発生する熱には、温熱および冷熱の双方が含まれるものとする。特に、前記水素供給手段によって水素が供給される際には、水素吸蔵合金から水素が放出されるため、冷熱が発生し、施設内で使用される冷水の冷却に用いることが可能である。また、例えばＮａＳ電池本体は、発電のために摂氏４００度程度の加熱を必要とするが、これは電池本体の加熱であるために、廃熱の回収は困難である。これに対して、本発明では、水素吸蔵合金を用いることで廃熱の回収を可能とし、発電時に発生する温熱の有効利用を可能にしている。

発生した熱を用いて温度制御を行うための具体的な方法としては、可逆型燃料電池や水素吸蔵合金に熱交換器を設置し、温度制御対象の水を引き込んで熱交換器を介して温度制御を行う方法等を採用することが出来る。また、水の用途によっては、可逆型燃料電池等で生成される温水をそのまま利用することとしてもよい。

また、前記温度制御手段は、前記施設に設けられたヒートポンプにおいて用いられる温水、前記施設において給湯用水の温度制御に用いられる高温水、および前記施設に設けられた空調機において用いられる冷水のうち、少なくとも一つ以上を温度制御してもよい。

これによって、ヒートポンプ、給湯設備および空調機の負荷を低減させ、ヒートポンプ、給湯設備および空調機の運転効率を向上させることが可能となる。

また、前記施設には、前記ヒートポンプが複数設けられ、前記計測手段は、前記温度制御手段によって温度制御される水に関するパラメータを更に計測し、前記制御手段は、前記計測手段による計測結果に基づいて、前記水電解が行われる可逆型燃料電池の台数、前記発電が行われる可逆型燃料電池の台数、および前記ヒートポンプの運転台数を更に決定し、前記可逆型燃料電池および前記ヒートポンプを制御してもよい。

温度制御手段によって温度制御される水に関するパラメータを計測し、これに基づいて、水電解が行われる可逆型燃料電池の台数、発電が行われる可逆型燃料電池の台数、およびヒートポンプの運転台数を決定し制御することで、施設内で使用されている水の温度や温水の需要に応じて廃熱量を制御することが可能である。例えば、温水需要に応えるために必要な熱を可能な限り可逆型燃料電池および水素吸蔵合金からの廃熱で賄い、ヒートポンプの運転を可能な限り抑制することで、廃熱の有効利用、商用電力の使用量の低減を行うことが可能となる。

また、前記施設には、一または複数の水素吸蔵合金タンクが設けられ、前記水素貯蔵手段は、前記一または複数の前記水素吸蔵合金タンクのうちの全部または一部において、前記水素生成手段によって生成された水素を水素吸蔵合金に吸蔵させることで、水素を貯蔵し、前記水素供給手段は、前記一または複数の前記水素吸蔵合金タンクのうちの全部または一部において、前記水素貯蔵手段によって貯蔵された水素を前記水素吸蔵合金に放出させることで、水素を供給してもよい。

また、複数の水素吸蔵合金タンクのうち、一部が水素吸蔵を行い、一部が水素放出を行うことで、電力供給システムとして水素貯蔵と電力供給を同時に行うことが可能である。更に、複数の水素吸蔵合金タンクのうち、水素吸蔵を行っている水素吸蔵合金タンク、および水素放出を行っている水素吸蔵合金タンク、の夫々の台数を制御することで、電力供給システムとしての水素貯蔵および発電の能力を制御することが可能となる。

本発明によって、施設に自然エネルギーを利用した電力供給システムを設置する場合に、供給電力の平準化設備を設置するために必要な空間を節約することが可能となる。

本発明に係る電力供給システムの実施の形態について、図面に基づいて説明する。

図１は、本実施形態に係る電力供給システム１の概略構成を示す図である。建物２に設置される電力供給システム１は、自然エネルギーに基づいた発電を行う電源装置群１０と、電源装置群１０によって発電された直流電力が流れる直流電力ループ３０と、直流電力ループ３０を流れる電力に基づいて水素を生成・貯蔵し、貯蔵された水素を用いて発電を行うことで供給電力の平準化を行う平準化設備５０と、平準化設備５０において発生した熱（冷熱・温熱を含む）を用いて建物２において使用される温水、冷水等の熱媒を温度制御する温度制御設備と、を備える。ここで、温度制御設備は、熱媒を加熱または冷却することで熱媒の温度を上下させる（制御する）設備である。また、温度制御設備には、加熱または冷却の能力を調節する機能が含まれてもよい。

電源装置群１０は、水力、太陽光、風力等の自然エネルギーを電力に変換することで発電を行う装置であり、本実施形態では、小型水力発電装置１１、建物２屋上や外壁周りに設置される太陽光発電装置１３、風力発電装置１２、が設けられる。なお、本実施形態において、電源装置群１０は複数の発電装置を有するが、電源装置群１０は、一種類の自然エネルギーを用いた単一の発電装置のみを有していてもよい。電源装置群１０によって発電された直流電力は直流電力ループ３０へ送られ、大部分は平準化設備５０へ送られて平準化されるが、一部は、直交流変換器（インバータ）３１によって交流電力へ変換され、建物２に設置された負荷に対して供給される。

ここで、自然エネルギーを利用した電源装置群１０は直流電源装置である。従来、負荷の近傍に電源装置を設けることは、電力の長距離伝送による損失分の節約を目的としている。このため、従来の、負荷の近傍に設けられた電源装置は個々に直交流変換器を備え、直交流変換器を用いて交流電力へ変換を行うことで、負荷側に交流電力を供給する。これに対して、本実施形態では、電源装置群１０からの直流電力を直接水素に変換することで、直交流変換に基づく変換損失を最小にしている。

なお、本実施形態に係る電力供給システムは、電力会社の電力系統から商用電力の供給を受ける。ここで、本実施形態に係る電力供給システムは、非家庭用として設置されたものであるため、効率的な設備投資の観点から、意図的に電力需要量を発電量よりも大きくし、所謂売電は行わない。即ち、本実施形態では、施設全体の負荷の運転に必要な電力のうち、電源装置群１０で取得された自然エネルギーに基づく電力で賄えない分については、商用電力を買電する。本実施形態に係る電力供給システムは、この点において、主に電力会社への売電を目的として設けられた家庭用の分散電源装置と異なる。

また、本実施形態に係る電力供給システムは、各種センサ類（図示は省略する）によって計測されたパラメータに基づいて発電装置群１０、平準化設備５０、温度制御設備、直
交流変換器３１、およびその他施設に設けられた負荷を制御するシステム管理装置９０を備える。システム管理装置９０による制御の内容については、後述する。

図２は、本実施形態に係る電力供給システム１の詳細な構成を示す図である。以下、図２を参照して、電力供給システム１の構成と共に、電力供給システム１の運転について説明する。

電力供給システム１は、建物２に設置された空調機２３において負荷側空気の冷却に用いられる冷水が循環する冷水ループ２０を備える。冷水ループ２０を循環する冷水は、空調負荷に応じて、冷却塔２２から冷却水の供給を受ける冷凍機２１によって温度制御される。なお、電力供給システム１は、冷凍機２１および空調機２３によって熱源として用いられる蓄熱槽を更に備えていてもよい（図示は省略する）。

小型水力発電装置１１は、建物２内の空調機２３から冷水ループ２０へ戻る冷水の流れ（図２を参照）、または建物２内の衛生設備から排水槽へ戻る水の流れ（図示は省略する）を利用して発電を行う。従来、山岳地方の河川・小川において小型水力発電が利用されているが、河川・小川を利用する場合、流下する夾雑物に起因する問題や、落差が少ないために長期間安定した発電が望めないという問題があった。これに対して、本実施形態では、空調・衛生設備用の水を用いるために、夾雑物の問題が発生しない。また、本実施形態では、建物２各階の需要位置までポンプ等で搬送（揚水）された水が落下する際に、水の位置エネルギーを運動エネルギーに変換し、直流発電機を回転させる。このため、落下する水量は空調の負荷等に応じて変動するものの、落差は固定され、長期間に亘って比較的安定した電力を得ることが出来る。

また、電力供給システム１は、上記した電源装置群１０によって発電された直流電力が流れる直流電力ループ３０、および複数の可逆型燃料電池５１を備える。可逆型燃料電池５１は、システム管理装置９０によって制御され、水を供給し電力を印可することで水電解を行う水電解モードで運転されることで水素および酸素を生成し、水素および酸素を供給することで電気化学反応を起こす発電モードで運転されることで発電する。

電源装置群１０によって発電された電力の一部は、水電解モードに設定された可逆型燃料電池５１に印可され、水素および酸素の生成に使用される。生成された水素は、水素ループ５３を介して、水素吸蔵モードで動作する水素吸蔵合金タンク５２へ送られる。直流電力ループ３０内の電力のうち、可逆型燃料電池５１による水素生成に用いられなかった電力は、直交流変換器３１によって交流電力へ変換され、後述する給湯用ヒートポンプ４１や、冷凍機２１の補機（例えば、ポンプ等）、センサ等の作動電力として利用される。また、可逆型燃料電池５１で生成された酸素は、汚水処理のためのオゾンを製造するための原料、酸素富化空調空気の成分、または医療用ガスとして利用することが出来る。

また、電力供給システム１は、複数の水素吸蔵合金タンク５２を備える。水素吸蔵合金タンク５２は、システム管理装置９０によって制御され、水素吸蔵モードで運転されることで水素を吸蔵し、水素放出モードで運転されることで吸蔵した水素を放出する。可逆型燃料電池５１で生成された水素は、圧力差を推進力として水素吸蔵モードで動作する水素吸蔵合金タンク５２へ送られ、水素吸蔵合金に吸蔵される。

水素吸蔵モードで動作することで水素を吸蔵した水素吸蔵合金タンク５２は、次に、水素放出モードで動作することで、水素吸蔵モードで吸蔵した水素を放出し、水素ループ５３を介して発電モードで動作する可逆型燃料電池５１に水素を供給する。発電モードで動作する可逆型燃料電池５１は、同時に酸素の供給も受けて、所謂燃料電池として発電を行う。そして、発電された電力は、直流電力ループ３０を介し、直交流変換器３１によって
交流電力へ変換され、負荷へ送られる。

また、電力供給システムには、水温に関連するパラメータ、例えば、空調機２３の室内温度等に基づく冷熱・温熱の需要、冷水ループ２０、温水ループ４０および高温水ループ６０の行き帰り温度と温度差を計測するための水温関連パラメータ測定用センサ（図示は省略する）が設けられる。更に、電力に関連するパラメータ、例えば、水素吸蔵合金タンク５２の圧力、可逆型燃料電池５１に通電する直流電力・電流、電源装置によって発電された直流電力の電圧・電流、交流電力の電圧・電流・周波数、電力量を計測するための電力関連パラメータ測定用センサ（図示は省略する）が設けられる。なお、ここで「ループ」とは、熱媒等を循環させる循環路を指す。熱媒を循環させるループに設けられた熱媒の出入口は、切替弁を介して平準化設備５０に接続されている。

可逆型燃料電池５１の運転モード、および水素吸蔵合金タンク５２の運転モードはシステム管理装置９０によって決定され、制御される。可逆型燃料電池５１は、建物２に複数設けられており、複数の可逆型燃料電池５１のうち一部が水電解モード、水電解モードで動作していない可逆型燃料電池５１のうちの一部が発電モードで動作することで、システム全体として、水電解および発電を同時に行うことが可能である。システム管理装置９０は、電力関連パラメータ計測用センサによる計測結果に応じて、水電解モードで動作する可逆型燃料電池５１の台数、発電モードで動作する可逆型燃料電池５１の台数を決定し、制御することで、水電解および発電の能力を制御する。

同様に、水素吸蔵合金タンク５２は建物２に複数設けられており、複数の水素吸蔵合金タンク５２のうち一部が水素吸蔵モード、水素吸蔵モードで動作していない水素吸蔵合金タンク５２のうちの一部が水素放出モードで動作することで、システム全体として、水素吸蔵および水素放出を同時に行うことが可能である。システム管理装置９０は、電力関連パラメータ計測用センサによる計測結果に応じて、水素吸蔵モードで動作する水素吸蔵合金タンク５２の台数、水素放出モードで動作する水素吸蔵合金タンク５２の台数を決定し、制御することで、水素吸蔵および水素放出の能力を制御する。なお、可逆型燃料電池５１および水素吸蔵合金タンク５２の台数制御は、ある運転モードでの運転の開始／停止の他に、運転モードを切り替えることによって行われてもよい。また、水電解モードで動作する可逆型燃料電池５１と水素吸蔵モードで動作する水素吸蔵合金タンク５２とは、対応付けられて能力制御され、水素放出モードで動作する水素吸蔵合金タンク５２と発電モードで動作する可逆型燃料電池５１とは、対応付けられて能力制御される。

なお、システム管理装置９０は、水温関連パラメータ測定用センサによる計測結果に応じて、上記可逆型燃料電池５１および水素吸蔵合金タンク５２の台数制御を行うことで、可逆型燃料電池５１および水素吸蔵合金タンク５２において発生する冷熱および温熱の制御も行う。可逆型燃料電池５１および水素吸蔵合金タンク５２において発生する冷熱および温熱の制御については、後述する。

本実施形態に係る水素吸蔵合金タンク５２には、エネルギー貯蔵密度が３，０００ｋＷｈ／立方メートルという、従来の鉛蓄電池の２０〜３０倍、ＮａＳ電池（ナトリウム硫黄電池）の１０〜１５倍のエネルギー貯蔵密度を有する水素吸蔵合金が用いられる（表１を参照）。

このため、本実施形態に係る電力供給システム１に拠れば、蓄電装置の設置に必要となる所要設置面積を小さくし、レンタブル比を向上させることが可能である。また、水素貯蔵であれば自然放電を生じないため、他の蓄電方法に比べて、地震や大停電等が原因となって電力供給が長期間遮断された場合に建物２機能を維持する目的において有利である。なお、水素吸蔵合金としては、例えば、ＬｍＮｉ_4.8Ｍｎ_0.2の組成を有する直径１ｍｍ以下の粒子の集合や、ＭｍＮｉ_4.28Ｃｏ_0.3Ｍｎ_0.17Ａｌ_0.3Ｆｅ_0.15の組成を有する直径１ｍｍ以下の粒子の集合が用いられる。

本実施形態に係る電力供給システム１は、水電解モードで動作する可逆型燃料電池５１に水素を生成させ、水素吸蔵モードで動作する水素吸蔵合金タンク５２に水素を吸蔵させることで、自然エネルギーを用いて発電された直流電力の大部分を水素へ変換して貯蔵する。そして、水素放出モードで動作する水素吸蔵合金タンク５２から水素を放出し、発電モードで動作する可逆型燃料電池５１で発電を行う。即ち、本実施形態では、取得した自然エネルギーを一旦水素として貯蔵し、需要に応じて貯蔵した水素を放出して発電することで、供給エネルギーの平準化を行い、脈動的外乱や、天候に起因した変動等の影響を受けない安定した電力供給を可能としている。

次に、可逆型燃料電池５１および水素吸蔵合金タンク５２において発生する熱（冷熱・温熱を含む）を用いた温水、冷水等の温度制御について説明する。ここで、温度制御とは、温水または冷水を加熱または冷却することで、温水または冷水の温度を調節することを指す。電力供給システム１は、給湯用ヒートポンプ４１と、給湯タンク６１と、給湯用ヒートポンプ４１の蒸発器の冷媒に与熱するための温水が循環する温水ループ４０と、給湯タンク６１内の給湯用水の温度制御を行うための高温水が循環する高温水ループ６０と、を備える。給湯用ヒートポンプ４１は、膨張弁、蒸発器、凝縮器および圧縮機を備えるヒートポンプであり、凝縮器から圧縮機に至る炭酸ガス冷媒が温水ループ４０を循環する温水によって与熱される。ここで、給湯用ヒートポンプ４１には、温水ループ４０から引き込まれた温水を凝縮器に給水する配管（図示は省略する）が設けられ、更に、給湯用ヒー
トポンプ４１によって加熱された給湯用の水を給湯タンク６１へ供給する配管が設けられる。本実施形態における給湯用ヒートポンプ４１は、給湯用水を摂氏７０度程度まで温度制御して、給湯タンク６１へ送る。給湯タンク６１からは、摂氏６０度程度の水がユーザ等の需要側に対して供給される。

システム管理装置９０は、センサ類を用いて建物２および電力供給システム１に関連する各種パラメータを計測することで、建物２における電力の需給バランスおよび熱の需給バランスを監視し、所望の制御目標値となるように、給湯用ヒートポンプ４１の運転台数、可逆型燃料電池５１の運転モードと運転台数、吸蔵合金タンクの運転モードと運転台数を決定し、制御する。ここで、熱の需給バランスを監視するために計測されるパラメータは、空調機２３の室内温度等に基づく冷熱・温熱の需要、冷水ループ２０、温水ループ４０および高温水ループ６０の行き帰り温度と温度差であり、電力の需給バランスを監視するために計測されるパラメータは、水素吸蔵合金タンク５２の圧力、可逆型燃料電池５１に通電する直流電力・電流、電源装置によって発電された直流電力の電圧・電流、交流電力の電圧・電流・周波数、電力量である。

図３は、本実施形態における、水素の貯蔵処理において発生する廃熱を用いて水の温度制御を行う方法を示す図である。水電解モードで動作する可逆型燃料電池５１において発生する廃熱、および水素吸蔵モードで動作する水素吸蔵合金タンク５２において発生する廃熱は、温水ループ４０を循環する温水の温度制御に用いられる。温水ループ４０を循環する温水は、給湯用ヒートポンプ４１の冷凍サイクルにおいてヒートポンプの炭酸ガス冷媒に与熱する目的で用いられ、与熱に用いられた温水は摂氏３０度程度まで温度が低下する。

そこで、本実施形態では、温水ループ４０において摂氏３０度程度まで温度低下した温水を水電解モードで動作する可逆型燃料電池５１および／または水素吸蔵モードで動作する水素吸蔵合金タンク５２に引き込み、熱交換によって廃熱を与えることで摂氏３５度程度まで温度制御する。摂氏３５度程度まで温度制御された温水は、温水ループ４０に戻り、再び給湯用ヒートポンプ４１の与熱に用いられる。即ち、本実施形態に拠れば、廃熱が有効利用され、ヒートポンプの運転効率を高めることが出来る。なお、本実施形態において、可逆型燃料電池５１の単位発電量（１ｋＷ）に対する、水電解モードの可逆型燃料電池５１から温水に与えられる熱量は約０．２ｋＷ、水素吸蔵モードの水素吸蔵合金タンク５２から温水に与えられる熱量は約０．５ｋＷである。

図４は、本実施形態における、燃料電池における発電処理において発生する廃熱を用いて水の温度制御を行う方法を示す図である。水素放出モードで動作する水素吸蔵合金タンク５２において発生する冷熱は、冷水ループ２０を循環する冷水の温度制御に用いられる。上述の通り、冷水ループ２０を循環する冷水は、空調機２３において負荷側空気の冷却に用いられ、冷却に用いられた冷水は摂氏１２度程度まで温度が上昇する。

そこで、本実施形態では、冷水ループ２０において摂氏１２度程度まで温度上昇した冷水を、水素放出モードで動作する水素吸蔵合金タンク５２に引き込み、熱交換によって水素放出で発生する冷熱を与えることで摂氏７度程度まで温度制御する。このようにして、水素吸蔵合金から水素が放出される際の冷熱が冷水の冷却に有効利用されることで、冷凍機２１の負荷を抑え、冷凍機２１の運転効率を高めることが出来る。なお、本実施形態において、可逆型燃料電池５１の単位発電量（１ｋＷ）に対する、水素放出モードの水素吸蔵合金タンク５２から冷水に与えられる熱量は約０．３〜０．４ｋＷである。なお、摂氏７度程度まで温度制御された冷水は、冷水ループ２０に戻り、再び空調機２３において負荷側空気の冷却に用いられる。即ち、本実施形態における空調機２３は、冷水と負荷側空気との間で直接熱交換することで空調を行う空調機である。

また、建物２に設けられた冷水供給システムが、冷凍機２１で冷水を製造し、蓄熱槽に貯蔵するシステムであった場合、水素吸蔵合金タンク５２から冷熱を得た水を直接蓄熱槽に投入することで、採用される冷凍機の容量を抑えることが可能となり、また、冷凍機２１の運転時間の短縮を図ることが出来る。また、冷水供給システムが冷凍機２１で冷水を製造し蓄熱槽に貯蔵するシステムであった場合、蓄熱槽内から水素吸蔵合金タンク５２へ直接冷水を循環させる往復の管路を設けることによっても、冷凍機の負荷を抑え、運転効率を高めることが出来る。蓄熱槽は、例えば、建物地下の地中梁を用いて構成することが出来る。また、この場合、水素吸蔵合金タンク５２は、地下階の機械室に設置することが出来る。なお、往復の管路には、水素放出モードで運転される水素吸蔵合金タンク５２の運転に伴って稼動するポンプ、および必要に応じて開閉するバルブが設けられる。

発電モードで動作する可逆型燃料電池５１において発生する廃熱は、高温水ループ６０を循環する高温水の温度制御に用いられる。高温水ループ６０を循環する高温水は、給湯タンク６１に設けられた熱交換器に送られ、給湯タンク６１内の給湯用水との間で熱交換されることで、給湯タンク６１内の給湯用水の温度制御に用いられる。高温水ループ６０を循環する高温水は、給湯タンク６１内の給湯用水と熱交換されることで摂氏６５度程度まで温度が低下する。

そこで、本実施形態では、高温水ループ６０において摂氏６５度程度まで温度低下した高温水を発電モードで動作する可逆型燃料電池５１に引き込み、熱交換によって廃熱を与えることで摂氏７５度程度まで温度制御する。摂氏７５度程度まで温度制御された高温水は、高温水ループ６０に戻り、再び給湯タンク６１内の給湯用水との間での熱交換に用いられる。即ち、発電モードで動作する可逆型燃料電池５１において発生する廃熱が有効利用され、給湯用ヒートポンプ４１の運転効率を高めることが出来る。なお、本実施形態において、可逆型燃料電池５１の単位発電量（１ｋＷ）に対する、燃料電池モードの可逆型燃料電池５１から高温水に与えられる熱量は約１．２ｋＷである。

システム管理装置９０は、センサ類による計測結果に基づいて、冷温水および電力の需要を算出し、廃熱量、水素貯蔵量および発電量を調整すべく、可逆型燃料電池５１、水素吸蔵合金タンク５２、給湯用ヒートポンプ４１等を制御する。この際、必要な熱を可能な限り廃熱で賄うように制御することで、給湯用ヒートポンプ４１等の稼動を減らし、商用電力の消費を抑制することが可能となる。また、平準化設備５０は、複数の可逆型燃料電池５１および水素吸蔵合金タンク５２を備え、これらは個別に異なる運転モードで動作することが可能である。このため、本実施形態に係る電力供給システム１に拠れば、平準化設備５０の廃熱によって、システム内の冷熱需要および温熱需要に同時に応えることが可能である。

実施形態に係る電力供給システム１の概略構成を示す図である。 実施形態に係る電力供給システム１の詳細な構成を示す図である。 実施形態における、水素の貯蔵処理において発生する廃熱を用いて水の温度制御を行う方法を示す図である。 実施形態における、燃料電池における発電処理において発生する廃熱を用いて水の温度制御を行う方法を示す図である。

符号の説明

１ 電力供給システム
２ 施設
１０ 電源装置群
１１ 小型水力発電装置
１２ 風力発電装置
１３ 太陽光発電装置
２０ 冷水ループ
２１ 冷凍機
２２ 冷却塔
２３ 空調機
３０ 直流電力ループ
３１ 直交流変換器（インバータ）
４０ 温水ループ
４１ 給湯用ヒートポンプ
５０ 平準化設備
５１ 可逆型燃料電池
５２ 水素吸蔵合金タンク
５３ 水素ループ
６０ 高温水ループ
６１ 給湯タンク
９０ システム管理装置

Claims (5)

1. 施設に設置され、自然エネルギーから変換された電力を一旦貯蔵してから供給することで、該施設に設けられた負荷に対して供給される電力を平準化する電力供給システムであって、
   前記施設には、一または複数の可逆型燃料電池、および複数のヒートポンプが設けられ、
   前記施設において得られた自然エネルギーを電力に変換する変換手段と、
   前記一または複数の可逆型燃料電池のうちの全部または一部において、前記変換手段によって変換された電力を用いて水電解を行い、水素を生成する水素生成手段と、
   前記水素生成手段によって生成された水素を、水素吸蔵合金に吸蔵させることで貯蔵する水素貯蔵手段と、
   前記水素貯蔵手段によって貯蔵された水素を、前記水素吸蔵合金から放出させることで水素を供給する水素供給手段と、
   前記一または複数の可逆型燃料電池のうちの全部または一部において、前記水素供給手段によって供給された水素を酸素と反応させることで、前記負荷に対して供給される電力を発電する発電手段と、
   前記変換手段によって変換された電力に関するパラメータ、前記施設における電力需要に関するパラメータ、および前記温度制御手段によって温度制御される水に関するパラメータを計測する計測手段と、
   前記計測手段による計測結果に基づいて、前記複数の可逆型燃料電池のうち、前記水電解が行われる可逆型燃料電池の台数、前記発電が行われる可逆型燃料電池の台数、および前記ヒートポンプの運転台数を決定し、前記可逆型燃料電池および前記ヒートポンプを制御することで、前記水素生成手段による水素の生成能力および前記発電手段による発電能力を制御する制御手段と、
   前記水素生成手段によって水素が生成される際に発生する熱、前記水素貯蔵手段によって水素が貯蔵される際に発生する熱、前記水素供給手段によって水素が供給される際に発生する熱、および前記発電手段によって発電が行われる際に発生する熱のうち、少なくとも何れかを用いて、前記施設において用いられる水を温度制御する温度制御手段と、
   を備える電力供給システム。
2. 前記温度制御手段は、前記施設に設けられたヒートポンプにおいて用いられる温水、お
   よび前記施設に設けられた空調機において用いられる冷水のうち、少なくとも何れかを温度制御する、
   請求項１に記載の電力供給システム。
3. 前記施設には、一または複数の水素吸蔵合金タンクが設けられ、
   前記水素貯蔵手段は、前記一または複数の前記水素吸蔵合金タンクのうちの全部または一部において、前記水素生成手段によって生成された水素を水素吸蔵合金に吸蔵させることで、水素を貯蔵し、
   前記水素供給手段は、前記一または複数の前記水素吸蔵合金タンクのうちの全部または一部において、前記水素貯蔵手段によって貯蔵された水素を前記水素吸蔵合金に放出させることで、水素を供給する、
   請求項１又は２に記載の電力供給システム。
4. 前記施設には、蓄熱槽、および該蓄熱槽と前記水素供給手段とを接続する配管が設けられ、
   前記水素供給手段によって水素が供給された際に発生した熱を用いて前記温度手段によって温度制御される冷水が前記配管を循環することで、前記蓄熱槽に冷熱が蓄熱される、
   請求項１から３の何れか一項に記載の電力供給システム。
5. 前記変換手段によって自然エネルギーから変換された電力のうち前記水素生成手段における水電解に用いられない電力と、前記発電手段によって発電された電力とを、前記施設内で消費させることで、商用の電力系統への逆潮流を行わない、
   請求項１から４の何れか一項に記載の電力供給システム。

Images