JP6727067B2

JP6727067B2 - 水素回生システムおよび水素回生運転方法

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Publication number: JP6727067B2
Application number: JP2016155186A
Authority: JP
Inventors: 矢敷　達朗; 達朗矢敷; 徹川村
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2016-08-08
Filing date: 2016-08-08
Publication date: 2020-07-22
Anticipated expiration: 2036-08-08
Also published as: JP2018026886A

Description

本発明は、水素回生システムおよび水素回生運転方法に関し、特に、有機ハイドライドから水素を回生し、回生した水素を燃料として需要者に電力を供給するのに好適な水素回生システムおよび水素回生運転方法に関する

地球温暖化の防止、および化石燃料枯渇の防止のため、温室効果ガスである二酸化炭素を排出しないエネルギーとして水素が注目されている。水素エネルギーの利用に関して、水素の備蓄・輸送方法が重要であり、例えば、水素を可逆的に放出する貯蔵として、適切な触媒反応を介する有機化合物として、有機ハイドライドを用いた水素備蓄・輸送方法が検討されている。有機ハイドライドとは芳香族化合物に水素を添加して得られる水素芳香族化合物の総称であり、触媒を用いた可逆反応である水素添加反応と脱水素反応により、芳香族化合物との間で水素貯蔵・回収が可能である。有機ハイドライドを用いた水素備蓄・輸送方法では、水素備蓄システムにて、芳香族化合物を水素添加反応させて有機ハイドライドに転換し、これを水素備蓄媒体として常温・常圧の液体状態で備蓄する。さらに、備蓄した有機ハイドライドを使用場所まで輸送し、水素回生システムにて、有機ハイドライドから脱水素反応によって水素を回生する。

水素備蓄・輸送システムにより、エネルギーを水素に変換して、容易に再利用できるため、風力・太陽光発電などの出力変動が大きい再生可能エネルギーの安定供給に貢献できる。特に、エネルギー供給が不安定な離島、極地等において、水素備蓄・輸送システムを活用して、再生可能エネルギーの余剰電力から水素を生成、備蓄し、電力不足時に水素を回生して電力を供給することにより、エネルギーを安定的に供給できる。

有機ハイドライドを用いた例の水素備蓄・輸送システムとして、水素回生システムに関して、例えば特開２００６−２３２６０７号公報（特許文献1）には、有機ハイドライドから脱水素反応によって水素を生成し、水素分離膜を用いて高純度の水素を得ることが可能な水素の製造方法が開示されている。特許文献1に開示されている水素回生システムでは、タンク等の貯蔵設備に蓄えられた有機ハイドライドが脱水素反応器に流入し、脱水素反応により水素と芳香族化合物に分解する。脱水素反応は吸熱反応であるため、反応を進行させるために、外部から脱水素反応器内の有機ハイドライドに熱を供給する。分解した水素と芳香族化合物が水素分離膜に流入して水素を精製し、高純度の水素を得る。

特開２００６−２３２６０７号公報

水素回生システムを用いて電力を供給する場合は、一般的に、水素回生システムにて回生した水素を軽油・天然ガス等の燃料と混合した後、エンジン、ガスタービン等の熱機関で燃焼させて発電機を駆動する。電力の供給対象が離島、極地等の場合、主要な電力供給源である再生可能エネルギーの出力変動が大きく、また系統規模が小さいため、水素回生システム側で需要者側の要求負荷の変動に応じて、発電機の出力を調整する必要がある。需要者側の要求負荷に追従して発電機の出力を調整する方法として、タービンと発電機を一つのユニットとして複数のユニットを並列に接続し、要求負荷に応じて、各ユニットが停止、発電機出力変化を切り替えて運転することで、要求負荷に追従して発電することが考えられる。

しかしながら、この場合、熱機関に供給される軽油・天然ガスを例として水素の流量応答時間の違いにより、発電機出力変化時に、熱機関に流入する水素濃度が変化する。ここで、軽油・天然ガスと水素で流量応答が異なるのは以下の理由による。すなわち、軽油・天然ガスは、タンク等の貯蔵設備より直接熱機関に供給されるため、流量応答時間は短い。一方、水素については、外部から有機ハイドライドを例として熱を供給することにより脱水素反応が進行し、その結果、有機ハイドライドから水素が回生され、熱機関に供給される。ここで、脱水素反応器の熱容量の影響により、外部から有機ハイドライドに熱を供給する際に遅れが生じるため、水素流量の応答時間は軽油・天然ガス流量と比較して長くなる。

発電機出力が上昇する場合は、軽油・天然ガス流量の増加に対して、水素流量は遅れて増加するため、水素濃度は下降する。一方、発電機出力が下降する場合は、軽油・天然ガス流量の減少に対して、水素流量は遅れて減少するため、水素濃度は上昇する。水素濃度が上昇すると、熱機関内の燃焼状態が不安定となり、熱機関が停止、破損する可能性がある。これを避けるために、発電機出力の下降速度には制限があり、需要者側の要求負荷の変動に応じて、発電機の出力を調整することが困難であった。

また、各ユニットは停止、発電機出力変化を切り替えて運転する。上で述べた同じ理由により、発電機出力が下降する場合は、熱機関に流入する水素濃度が上昇するため、熱機関の停止、破損を避けるために、発電機出力の下降速度には制限があり、需要者側の要求負荷の変動に応じて、発電機の出力を調整することが困難であった。

本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、発電機出力の下降速度の制限を小さくし、需要者側の要求負荷の変動に応じて、発電機の出力を調整することが可能な水素回生システム及び水素回生運転方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、水素を貯蔵する貯蔵化合物から水素を回生して水素と異なる燃料と前記回生水素を混合して燃焼させて発電機を駆動することにより電力を供給する複数の水素回生ユニットと、前記複数の水素回生ユニットの供給電力を入力して所定の電力となるように調整して負荷に供給する調整機を有するものであって、前記複数の水素回生ユニットは、定格出力水素回生ユニットと出力調整水素回生ユニットから構成され、前記定格出力水素回生ユニットは、停止状態と定格出力を切り替えて運転して電力を供給するものであり、前記出力調整水素回生ユニットは、水素と燃料の比率である水素混合比を前記定格出力水素回生ユニットの水素混合比より低い範囲で可変にして電力を供給するものであり、要求負荷を入力として、前記定格出力水素回生ユニットの要求値と前記出力調整水素回生ユニットの要求値を計算するユニット発電出力演算部を有し、前記定格出力水素回生ユニットは、前記定格出力水素回生ユニットの要求値に基づいて動作し、前記出力調整水素回生ユニットは、前記出力調整水素回生ユニットの要求値に基づいて動作するように構成した。

あるいは、少なくとも水素と異なる燃料を含む燃料を燃焼させて発電機を駆動することにより電力を供給する複数の電力供給ユニットと、前記電力供給ユニットの供給電力を入力し所定の電力となるように調整して負荷に供給する調整機を有し、前記複数の電力供給ユニットは、水素を貯蔵する化合物から水素を回生して燃料と前記回生水素を混合して燃焼させて発電機を駆動することにより電力を供給する水素回生ユニットを含み、前記水素回生ユニットとして、少なくとも運転開始から所定後にほぼ定格出力状態で運転した後に前記ほぼ定格出力状態から停止状態に遷移する定格出力水素回生ユニットを含み、前記定格出力水素回生ユニット以外の少なくとも一部の電力供給ユニットは、要求負荷に対する電力供給が連続的な可変に構成されるように構成した。

より具体的には、有機ハイドライドから水素を回生し、水素を燃料として需要者側の要求負荷に応じて電力を供給する水素回生システムであって、有機ハイドライドから水素を回生し、水素と軽油または天然ガスを混合、燃焼させて発電機を駆動することにより電力を供給する、複数の水素回生ユニットと、複数の水素回生ユニットのうち、一台以上のユニットは、水素流量と軽油または天然ガス流量の比率である水素混合比を、上記ユニット以外の残りのユニットの水素混合比より低くし、停止状態と発電機出力変化を切り替えて運転して電力を供給する出力調整水素回生ユニットであり、複数の水素回生ユニットのうち、出力調整水素回生ユニット以外のユニットは、停止状態と定格出力を切り替えて運転して電力を供給する定格出力水素回生ユニットであり、要求負荷を入力として、定格出力水素回生ユニットの要求電力と出力調整水素回生ユニットの要求電力を計算するユニット発電出力演算部と、定格出力水素回生ユニットの供給電力と出力調整水素回生ユニットの供給電力を入力し、電圧、周波数を調整して負荷に電力を供給する同期機とを備えたことを特徴とする水素回生システムを提供する。

本発明によれば、発電機出力の下降速度の制限を小さくし、需要者側の要求負荷の変動に応じて、発電機の出力を調整することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る水素回生システムの概略構成図である。本発明の第１の実施の形態に係る要求負荷に対する要求発電出力の関係を示す図である。本発明の第１の実施の形態に係る要求発電出力、供給電力計測値に対する、定格出力水素回生ユニットの運転状態、流量調節弁の弁開度指令値の関係を示す図である。本発明の第1の実施の形態に係る水素回生システムの動作の例を示す図である。本発明の第２の実施の形態に係る水素回生システムの概略構成図である。本発明の第３の実施の形態に係る水素回生システムの概略構成図である。本発明の第３の実施の形態に係る要求負荷に対する要求発電出力の関係を示す図である

以下に図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。

図１は本発明の第１の実施の形態に係る水素回生システムの概略構成図である。

図１に示した水素回生システム１は、ユニット発電出力演算部２、複数の定格出力水素回生ユニット３、出力調整水素回生ユニット４、同期機５を備えている。同期機５（あるいは調整機と称する）は、複数の定格出力水素回生ユニット３の供給電力と、出力調整水素回生ユニット４の供給電力を例えば所望の電圧で50Hz(60Hz)に変換するものであれば良い。また、複数の定格出力水素回生ユニット３の供給電力と、出力調整水素回生ユニット４を総称して電力供給ユニットとも称する。ユニット発電出力演算部２は、水素回生システムの電力供給対象である負荷６の要求負荷を入力として、定格出力水素回生ユニット３に対する要求発電出力７、および出力調整水素回生ユニット４に対する要求発電出力８を演算、出力する。要求発電出力７（ＷＲ_ｉ）、要求発電出力８（ＷＬ）は、負荷６の要求負荷（ＷＤ）を用いて、以下の式より計算される。

式１において、ＷＲ_０は定格出力水素回生ユニット３の定格出力値である。また、式２において、Ｎは定格出力水素回生ユニット３のユニット数である。

図２は、水素回生システム１が３台の定格出力水素回生ユニット３から構成される場合に、負荷６の要求負荷（ＷＤ）に対する、要求発電出力７（ＷＲ_ｉ）、要求発電出力８（ＷＬ）の関係を示す図である。１台目の定格出力水素回生ユニット３の要求発電出力７（ＷＲ_１）は、ＷＤ＜ＷＲ_０ではゼロとなり、ＷＤ≧ＷＲ_０ではＷＲ_０となる。２台目の定格出力水素回生ユニット３の要求発電出力７（ＷＲ_２）は、ＷＤ＜２×ＷＲ_０ではゼロとなり、ＷＤ≧２×ＷＲ_０ではＷＲ_０となる。３台目の定格出力水素回生ユニット３の要求発電出力７（ＷＲ_３）は、ＷＤ＜３×ＷＲ_０ではゼロとなり、ＷＤ≧３×ＷＲ_０ではＷＲ_０となる。出力調整水素回生ユニット４の要求発電出力８（ＷＬ）は、式３の範囲でゼロからＷＲ_０まで変化する。

［式３］ｉ×ＷＲ_０≦ＷＤ≦（ｉ＋１）×ＷＲ_０、ｉ＝０〜３

定格出力水素回生ユニット３は、要求発電出力７を入力として、同期機５に電力を供給する。定格出力水素回生ユニット３は、水素を貯蔵する貯蔵化合物から水素を回生して水素と異なる燃料と前記回生水素を混合して燃焼させて発電機を駆動することにより電力を供給する複数の水素回生ユニットと、前記複数の水素回生ユニットの供給電力を入力して所定の電力となるように調整して負荷に供給する調整機を有するものであって、
貯蔵設備１００、脱水素反応器１０１、気液分離器１０２、芳香族化合物貯蔵設備１０３、燃料貯蔵設備１０４、熱機関１０５、発電機１０６、停止・定格出力判定部１０７、有機ハイドライド流量調節弁１０８、水素流量調節弁１０９、燃料流量調節弁１１０から構成される。以下では、定格出力水素回生ユニット３の概略構成について説明する。なお、有機ハイドライド以外に水素を可逆的に貯蔵する化合物に応用できる。有機ハイドライド貯蔵設備１００は、有機ハイドライドを貯蔵する。

脱水素反応器１０１は、配管を介して有機ハイドライド貯蔵設備１００、気液分離器１０２と接続している。有機ハイドライド貯蔵設備１００に蓄えられている有機ハイドライドが脱水素反応器１０１に流入し、脱水素反応によって水素と芳香族化合物に分解する。脱水素反応は吸熱反応であるため、反応を進行させるために、外部から脱水素反応器内の有機ハイドライドに熱を供給する。熱源としては、例えば熱機関１０５から排出される燃焼ガスを利用しても良いし、図１には表示していないバーナーを設置し、バーナーから供給される燃焼ガスを利用しても良い。

気液分離器１０２は、配管を介して脱水素反応器１０１、芳香族化合物貯蔵設備１０３、熱機関１０５と接続している。気液分離器１０２は、脱水素反応器１０１から流入する水素と芳香族化合物を分離した後、水素を熱機関１０５に送出し、芳香族化合物を芳香族化合物貯蔵設備１０３に送出する。

芳香族化合物貯蔵設備１０３は、芳香族化合物を貯蔵する。

燃料貯蔵設備１０４は、軽油・天然ガス等の燃料を貯蔵する。

熱機関１０５は、配管を介して気液分離器１０２、燃料貯蔵設備１０４と接続している。熱機関１０５は、水素と軽油・天然ガス等の燃料を混合後、空気と燃焼させ、燃焼による熱エネルギーを駆動力に変換する。熱機関１０５の具体例は、エンジン、タービンである。

発電機１０６は、回転軸を介して熱機関１０５と結合しており、熱機関１０５が出力する駆動力を電気エネルギーに変換し、同期機５に電力を供給する。

停止・定格出力判定部１０７は、要求発電出力７、発電機１０６の供給電力計測値を入力として、定格出力水素回生ユニット３の運転状態を決定して、有機ハイドライド流量調節弁１０８、水素流量調節弁１０９、燃料流量調節弁１１０を制御し、有機ハイドライド流量調節弁１０８、水素流量調節弁１０９、燃料流量調節弁１１０の弁開度指令値を計算、出力する。

以下では、図３を用いて、要求発電出力７、発電機１０６の供給電力計測値に対する、定格出力水素回生ユニット３の運転状態、有機ハイドライド流量調節弁１０８、水素流量調節弁１０９、燃料流量調節弁１１０の弁開度指令値の関係を説明する。

要求発電出力７、発電機１０６の供給電力計測値がともにゼロである場合は、定格出力水素回生ユニット３を停止状態とし、各弁の弁開度指令値を全閉状態とする。

要求発電出力７が定格出力水素回生ユニット３の定格出力値（ＷＲ₀）で、発電機１０６の供給電力計測値がゼロである場合は、定格出力水素回生ユニット３を停止状態から定格出力状態に変更し、各弁の弁開度指令値を全閉状態から規定開度に変更する。ここで、各弁の規定開度は、定格出力水素回生ユニット３の電力出力値が定格出力値に一致し、熱機関１０５に流入する水素濃度（ＣＲ）が、熱機関１０５内の燃焼状態が安定となる水素濃度許容値に一致するようにあらかじめ設定される。

要求発電出力７、発電機１０６の供給電力計測値がともに定格出力水素回生ユニット３の定格出力値（ＷＲ₀）である場合は、定格出力水素回生ユニット３を定格出力状態とし、各弁の弁開度指令値を規定開度とする。

要求発電出力７がゼロで、発電機１０６の供給電力計測値が定格出力水素回生ユニット３の定格出力値（ＷＲ₀）である場合は、定格出力水素回生ユニット３を定格出力状態から停止状態に変更し、各弁の弁開度指令値を規定開度から全閉状態に変更する。このように、定格出力水素回生ユニット３では、負荷６の要求負荷（ＷＤ）が減少したときは、定格出力状態から停止状態に変更し、これに伴い、各弁の弁開度指令値を規定開度から全閉状態にするので、熱機関１０５への気液分離器１０２からの水素の供給が遮断され、熱機関１０５における水素と軽油あるいは天然ガスの比率が高くなることはない。

以上が要求発電出力７、発電機１０６の供給電力計測値に対する、定格出力水素回生ユニット３の運転状態、有機ハイドライド流量調節弁１０８、水素流量調節弁１０９、燃料流量調節弁１１０の弁開度指令値の関係である。

有機ハイドライド流量調節弁１０８は、有機ハイドライド貯蔵設備１００と脱水素反応器１０１を接続する配管に設置され、停止・定格出力判定部１０７が出力する弁開度指令値に一致するように有機ハイドライド流量調節弁１０８の弁開度を操作し、脱水素反応器１０１に流入する有機ハイドライド流量を調節する。

水素流量調節弁１０９は、気液分離器１０２と熱機関１０５を接続する配管に設置され、停止・定格出力判定部１０７が出力する弁開度指令値に一致するように水素流量調節弁１０９の弁開度を操作し、熱機関１０５に流入する水素流量を調節する。

燃料流量調節弁１１０は、燃料貯蔵設備１０４と熱機関１０５を接続する配管に設置され、停止・定格出力判定部１０７が出力する弁開度指令値に一致するように燃料流量調節弁１１０の弁開度を操作し、熱機関１０５に流入する軽油・天然ガス等の燃料流量を調節する。

以上が定格出力水素回生ユニット３の概略構成である。

出力調整水素回生ユニット４は、要求発電出力８を入力として、同期機５に電力を供給する。出力調整水素回生ユニット４は、有機ハイドライド貯蔵設備１００、脱水素反応器１０１、気液分離器１０２、芳香族化合物貯蔵設備１０３、燃料貯蔵設備１０４、熱機関１０５、発電機１０６、有機ハイドライド流量調節弁１０８、水素流量調節弁１０９、燃料流量調節弁１１０、水素流量計２００、燃料流量計２０１、流量演算部２０２から構成される。以下では、出力調整水素回生ユニット４の概略構成について説明する。なお、構成要素のうち、定格出力水素回生ユニット３の構成要素と同様の部分については同符号を付して説明を省略する。

水素流量計２００は、気液分離器１０２と熱機関１０５を接続する配管に設置され、熱機関１０５に流入する水素流量を検出する。

燃料流量計２０１は、燃料貯蔵設備１０４と熱機関１０５を接続する配管に設置され、熱機関１０５に流入する軽油・天然ガス等の燃料流量を検出する。

流量演算部２０２は、要求発電出力８、発電機１０６の供給電力計測値を入力として、同期機５に供給する電力が要求発電出力８に一致するように、有機ハイドライド流量調節弁１１０、燃料流量調節弁１１２を制御し、有機ハイドライド流量調節弁１１０、燃料流量調節弁１１２の弁開度指令値を計算、出力する。また、流量演算部２０２は、水素流量計２００の水素流量計測値、燃料流量計２０１の燃料流量計測値を入力として、熱機関１０５に流入する水素濃度があらかじめ設定されている水素濃度設定値と一致するように、水素流量調節弁１０９を制御し、水素流量調節弁１０９の弁開度指令値を計算、出力する。ここで、水素濃度設定値（ＣＬ_０）には、定格出力水素回生ユニット３の熱機関１０５に流入する水素濃度（ＣＲ）よりも低い値を設定する。

以上が出力調整水素回生ユニット４の概略構成である。

同期機５は、定格出力水素回生ユニット３、および出力調整水素回生ユニット４からの電力を入力として、周波数、電圧を調整して、負荷６に電力を供給する。

以上が水素回生システム１の概略構成である。

次に、図１に示した水素回生システム１の動作の例を図４にて説明する。図４は、負荷６の要求負荷（ＷＤ）の変動に対する、定格出力水素回生ユニット３の供給電力（ＬＲ₁、ＬＲ₂、ＬＲ₃）、出力調整水素回生ユニット４の供給電力（ＬＬ）、出力調整水素回生ユニット４の熱機関１０５に流入する水素濃度（ＣＬ）の特性を示す図である。図４に示す例では、水素回生システム１が３台の定格出力水素回生ユニット３を含む場合を仮定している。

以下に図４の４（ａ）〜（ｉ）を図４（ａ）〜（ｉ）と略して記す。

図４（ａ）は、負荷６の要求負荷（ＷＤ）の変動を表す図である。

図４（ｂ）は、１台目の定格出力水素回生ユニット３の供給電力（ＬＲ₁）の特性を示す図である。負荷６の要求負荷（ＷＤ）が定格出力水素回生ユニット３の定格出力値（ＷＲ₀）よりも大きくなる時間帯であるｔ_１〜ｔ_３、ｔ_５〜において、１台目の定格出力水素回生ユニット３は定格出力状態で運転し、それ以外の時間帯では停止している。

図４（ｃ）は、１台目の定格出力水素回生ユニット３の熱機関１０５に流入する水素濃度（ＣＲ_１）の特性を示す図である。負荷６の要求負荷（ＷＤ）が定格出力水素回生ユニット３の定格出力値（ＷＲ₀）よりも大きくなる時間帯であるｔ_１〜ｔ_３、ｔ_５〜において、１台目の定格出力水素回生ユニット３の熱機関１０５に流入する水素濃度はＣＲとなるように水素と軽油あるいは天然ガスの比率が定められる。ここで、水素濃度はＣＲは、実質的に水素が過度となり熱機関１０５の動作が困難となる水素と軽油あるいは天然ガスの比率（ＣＲｍａｘ）よりもやや低い濃度に定められる。

図４（ｄ）は、２台目の定格出力水素回生ユニット３の供給電力（ＬＲ_２）の特性を示す図である。負荷６の要求負荷（ＷＤ）が２×ＷＲ₀より大きくなる時間帯であるｔ₆〜ｔ₁₃において、２台目の定格出力水素回生ユニット３は定格出力状態で運転し、それ以外の時間帯では停止し
図４（ｅ）は、２台目の定格出力水素回生ユニット３の熱機関１０５に流入する水素濃度（ＣＲ_２）の特性を示す図である。負荷６の要求負荷（ＷＤ）が定格出力水素回生ユニット３の定格出力値（ＷＲ₀）よりも大きくなる時間帯であるｔ_６〜ｔ_１３において、２台目の定格出力水素回生ユニット３の熱機関１０５に流入する水素濃度はＣＲとなるように水素と軽油あるいは天然ガスの比率が定められる。ここで、水素濃度はＣＲは、実質的に水素が過度となり熱機関１０５の動作が困難となる水素と軽油あるいは天然ガスの比率（ＣＲｍａｘ）よりもやや低い濃度に定められる。

図４（ｆ）は、３台目の定格出力水素回生ユニット３の供給電力（ＬＲ_３）の特性を示す図である。負荷６の要求負荷（ＷＤ）が３×ＷＲ₀より大きくなる時間帯であるｔ₉〜ｔ₁₂において、３台目の定格出力水素回生ユニット３は定格出力状態で運転し、それ以外の時間帯では停止している。

図４（ｇ）は、３台目の定格出力水素回生ユニット３の熱機関１０５に流入する水素濃度（ＣＲ_２）の特性を示す図である。負荷６の要求負荷（ＷＤ）が定格出力水素回生ユニット３の定格出力値（ＷＲ₀）よりも大きくなる時間帯であるｔ_９〜ｔ_１２において、３台目の定格出力水素回生ユニット３の熱機関１０５に流入する水素濃度はＣＲとなるように水素と軽油あるいは天然ガスの比率が定められる。ここで、水素濃度はＣＲは、実質的に水素が過度となり熱機関１０５の動作が困難となる水素と軽油あるいは天然ガスの比率（ＣＲｍａｘ）よりもやや低い濃度に定められる。

図４（ｈ）は、出力調整水素回生ユニット４の供給電力（ＬＬ）の特性を示す図である。負荷６の要求負荷（ＷＤ）が変化している時間帯である０〜ｔ₇、ｔ_８〜ｔ_１０、ｔ_１１〜ｔ_１４において、負荷６の要求負荷（ＷＤ）の変動に追従するように、出力調整水素回生ユニット４は発電機１０６の出力を変化させて運転する。

次に、負荷６の要求負荷（ＷＤ）が一定値をとる時間帯であるｔ_７〜ｔ_８、ｔ_１０〜ｔ_１１、ｔ_１４〜において、出力調整水素回生ユニット４は発電機１０６の出力が一定となるように運転する。

また、定格出力水素回生ユニット３が運転状態を停止から定格出力状態に切り替える時間ｔ_１、ｔ_５、ｔ_６、ｔ_９において、出力調整水素回生ユニット４は運転状態を定格出力状態から停止に切り替える。

さらに、定格出力水素回生ユニット３が運転状態を定格出力状態から停止に切り替える時間ｔ_３、ｔ_１２、ｔ_１３において、出力調整水素回生ユニット４は運転状態を停止から定格出力状態に切り替える。

図４（ｉ）は、出力調整水素回生ユニット４の熱機関１０５に流入する水素濃度（ＣＬ）の特性を示す図である。出力調整水素回生ユニット４の発電機１０６の出力が一定となる時間帯であるｔ_７〜ｔ_８、ｔ_１０〜ｔ_１１、ｔ_１４〜において、ＣＬは目標値である水素濃度設定値ＣＬ_０となる。ＣＬ_０には、定格出力水素回生ユニット３の熱機関１０５に流入する水素濃度（ＣＲ）よりも低い値が設定されているため、ＣＬはＣＲよりも小さい値となる。

次に、出力調整水素回生ユニット４の発電機１０６の出力が上昇する時間帯である０〜ｔ_２、ｔ_４〜ｔ_７、ｔ_８〜ｔ_１０において、ＣＬは水素濃度設定値ＣＬ_０よりも小さい値ＣＬ_ｕとなる。これは、脱水素反応器の熱容量の影響により、発電機１０６の出力が上昇する場合は、熱機関１０５に流入する軽油・天然ガス流量の増加に対して、水素流量は遅れて増加するため、水素濃度が下降するためである。

次に、出力調整水素回生ユニット４の発電機１０６の出力が下降する時間帯であるｔ_２〜ｔ_４、ｔ_１１〜ｔ_１４において、ＣＬは水素濃度設定値ＣＬ_０よりも大きい値ＣＬ_ｄとなる。これは、脱水素反応器の熱容量の影響により、発電機１０６の出力が下降する場合は、熱機関１０５に流入する軽油・天然ガス流量の減少に対して、水素流量は遅れて減少するため、水素濃度が上昇するためである。

水素と軽油あるいは天然ガスの比率（水素濃度ＣＬ＝（水素量）/（水素量＋軽油あるいは天然ガス）は、単位時間当たりの水素濃度の減少量（ｄＣＬ/ｄｔ）に応じて決まる。ここで、出力調整水素回生ユニット４において、予め水素濃度を小さくしておき、所定の単位時間当たりの水素濃度の減少量のときでも、水素濃度上限値（ＣＬ_Ｍａｘ）を超えないように設定している。すなわち、まず、水素濃度設定値ＣＬ_０を設定した後に、水素濃度上限値（ＣＬ_Ｍａｘ）を超えないような単位時間当たりの水素濃度の減少量（ｄＣＬ/ｄｔ）で出力調整水素回生ユニット４の発電機１０６の出力ＷＤを減少させているのである。

以上が、図１に示した水素回生システム１の動作の例である。

本実施形態では、定格出力水素回生ユニット３は、負荷６の要求負荷の変動に対して、停止と定格出力状態を切り替えて運転する。ユニット稼働中は発電機１０６の出力は変化しないので、熱機関１０５に流入する水素濃度が上昇することはない。次に、出力調整水素回生ユニット４は、負荷６の要求負荷の変動に対して、発電機１０６の出力は変化するので、発電機１０６の出力が下降する時間帯では、熱機関１０５に流入する水素濃度が上昇する。しかし、水素濃度設定値（ＣＬ_０）には、熱機関１０５に流入する水素濃度（ＣＲ）よりも低い値が設定されているため、水素濃度の上昇幅に対して裕度がある。ここで、図４（ｆ）において、裕度はＣＲ−ＣＬ_０で表される。ＣＬ_０値をより低く設定することにより、裕度が大きくなり、発電機１０６の出力の下降速度を大きくすることができる。

上述の通り、本実施形態では、発電機出力の下降速度の制限を小さくし、需要者側の要求負荷の変動に応じて、発電機の出力を調整できる。

図５は本発明の第２の実施の形態に係る水素回生システムの概略構成図である。第１の実施の形態と同様の部分については同図において既出図面と同符号を付して説明を省略する。

本実施の形態が第１の実施の形態と相違する点は、需要者側の要求負荷の変動に応じて発電機出力を調節するユニットにおいて、熱機関が軽油・天然ガス等の燃料のみにて駆動し、水素を用いない点である。具体的には、本実施の形態における水素回生システムは、出力調整水素回生ユニット４の代わりに、出力調整ユニット３０４を備える。また、この出力調整ユニットを含んで電力供給ユニットとも称する。出力調整ユニット３０４は、要求発電出力８を入力として、同期機５に電力を供給する。出力調整ユニット３０４は、燃料貯蔵設備１０４、熱機関３０５、発電機１０６、燃料流量調節弁１１０、流量演算部３０２から構成される。以下では、出力調整ユニット３０４の概略構成を説明する。なお、構成要素のうち、第１の実施の形態と同様の部分については同図において既出図面と同符号を付して説明を省略する。

熱機関３０５は、配管を介して燃料貯蔵設備１０４と接続している。熱機関１０５は、軽油・天然ガス等の燃料を空気と燃焼させ、燃焼による熱エネルギーを駆動力に変換する。

流量演算部３０２は、要求発電出力８、発電機１０６の供給電力計測値を入力として、同期機５に供給する電力が要求発電出力８に一致するように、燃料流量調節弁１１２を制御し、燃料流量調節弁１１２の弁開度指令値を計算、出力する。

以上が、本実施の形態が第１の実施の形態と相違する点であり、その他の点は第１の実施の形態と同様である。

本実施形態では、出力調整ユニット３０４は、熱機関は軽油・天然ガス等の燃料のみにて駆動し、水素を用いないので、発電機１０６の出力が下降する場合に、水素濃度が上昇することはない。すなわち、発電機器出力の下降速度は、水素濃度上昇に対する制限がなくなり、値を大きくすることができる。

上述の通り、本実施形態では第１実施形態で得られる各効果に加えて、要者側の要求負荷の変動に応じて発電機出力を調節するユニットにおいて、熱機関が軽油・天然ガス等の燃料のみにて駆動することで、水素濃度上昇に対する発電機出力下降速度の制限をなくし、需要者側の要求負荷の変動に応じて、発電機の出力を調整できる。

図６は本発明の第３の実施の形態に係る水素回生システムの概略構成図である。第２の実施の形態と同様の部分については同図において既出図面と同符号を付して説明を省略する。

本実施の形態が第２の実施の形態と相違する点は、需要者側の要求負荷の変動に応じて発電機出力を調節するユニットは、最低出力値と定格出力値の範囲で発電機出力を変化させる点である。具体的には、本実施の形態における水素回生システムは、ユニット発電出力演算部２の代わりに、ユニット発電出力演算部４０２を備え、複数の定格出力水素回生ユニット３の代わりに、複数の定格出力水素回生ユニット４０３を備える。

ユニット発電出力演算部４０２は、水素回生システムの電力供給対象である負荷６の要求負荷を入力として、定格出力水素回生ユニット４０３に対する要求発電出力７、および出力調整ユニット３０４に対する要求発電出力８を演算、出力する。要求発電出力７（ＷＲ_ｉ）、要求発電出力８（ＷＬ）は、負荷６の要求負荷（ＷＤ）を用いて、以下の式より計算される。

式４において、ＷＲ_０は定格出力水素回生ユニット４０３の定格出力値、ＷＬ_ｍｉｎは出力調整ユニット３０４の最低出力値である。また、式５において、Ｎは定格出力水素回生ユニット４０３のユニット数である。

図７は、水素回生システム１が３台の定格出力水素回生ユニット４０３から構成される場合に、負荷６の要求負荷（ＷＤ）に対する、要求発電出力７（ＷＲ_ｉ）、要求発電出力８（ＷＬ）の関係を示す図である。１台目の定格出力水素回生ユニット４０３の要求発電出力７（ＷＲ_１）は、ＷＤ＜ＷＲ_０ではゼロとなり、ＷＲ_０≦ＷＤ＜ＷＲ_０＋ＷＬ_ｍｉｎではＷＲ_０−ＷＬ_ｍｉｎからＷＲ_０まで変化し、ＷＤ≧ＷＲ_０＋ＷＬ_ｍｉｎではＷＲ_０となる。２台目の定格出力水素回生ユニット４０３の要求発電出力７（ＷＲ_２）は、ＷＤ＜２×ＷＲ_０ではゼロとなり、２×ＷＲ_０≦ＷＤ＜２×ＷＲ_０＋ＷＬ_ｍｉｎではＷＲ_０−ＷＬ_ｍｉｎからＷＲ_０まで変化し、ＷＤ≧２×ＷＲ_０＋ＷＬ_ｍｉｎではＷＲ_０となる。３台目の定格出力水素回生ユニット４０３の要求発電出力７（ＷＲ_３）は、ＷＤ＜３×ＷＲ_０ではゼロとなり、３×ＷＲ_０≦ＷＤ＜３×ＷＲ_０＋ＷＬ_ｍｉｎではＷＲ_０−ＷＬ_ｍｉｎからＷＲ_０まで変化し、ＷＤ≧３×ＷＲ_０＋ＷＬ_ｍｉｎではＷＲ_０となる。出力調整ユニット４０３の要求発電出力８（ＷＬ）は、０≦ＷＤ＜ＷＲ_０ではゼロからＷＲ_０まで変化し、式６の範囲ではＷＬ_ｍｉｎとなり、式７の範囲ではＷＬ_ｍｉｎからＷＲ_０まで変化する。

［式６］ｉ×ＷＲ_０≦ＷＤ≦ｉ×ＷＲ_０＋ＷＬ_ｍｉｎ、ｉ＝１〜３

［式７］ｉ×ＷＲ_０＋ＷＬ_ｍｉｎ≦ＷＤ≦（ｉ＋１）×ＷＲ_０、ｉ＝１〜３

定格出力水素回生ユニット４０３は、要求発電出力７を入力として、同期機５に電力を供給する。定格出力水素回生ユニット４０３は、有機ハイドライド貯蔵設備１００、脱水素反応器１０１、気液分離器１０２、芳香族化合物貯蔵設備１０３、燃料貯蔵設備１０４、熱機関１０５、発電機１０６、流量演算部４０７、有機ハイドライド流量調節弁１０８、水素流量調節弁１０９、燃料流量調節弁１１０から構成される。以下では、定格出力水素回生ユニット４０３の概略構成について説明する。なお、構成要素のうち、第２の実施の形態と同様の部分については同図において既出図面と同符号を付して説明を省略する。

流量演算部４０７は、要求発電出力７、発電機１０６の供給電力計測値を入力として、同期機５に供給する電力が要求発電出力７に一致するように、有機ハイドライド流量調節弁１０８、水素流量調節弁１０９、燃料流量調節弁１１０を制御し、有機ハイドライド流量調節弁１０８、水素流量調節弁１０９、燃料流量調節弁１１０の弁開度指令値を計算、出力する。

以上が、本実施の形態が第２の実施の形態と相違する点であり、その他の点は第２の実施の形態と同様である。

本実施形態では、出力調整ユニット３０４は、最低出力値（ＷＬ_ｍｉｎ）と定格出力値（ＷＲ₀）の範囲で発電機出力を変化させる。熱機関３０５は、停止から最低出力状態の運転範囲では、燃焼の熱エネルギーを駆動エネルギーに変換する効率が悪く、この範囲で運転する時間が増えると燃料消費量が増大する。本実施形態では、出力調整ユニット３０４は最低出力状態から定格負荷状態で運転し、効率が低下しないため、燃料流量は増大しない。なお、本実施形態では、定格出力水素回生ユニット４０３が発電機１０６の出力を変化させて運転する場合があるが、出力の変化幅は小さいので、定格出力水素回生ユニット４０３の熱機関３０５に流入する水素濃度の上昇幅は小さく、熱機関内の燃焼状態が不安定となることはない。

上述の通り、本実施形態では第２実施形態で得られる各効果に加えて、需要者側の要求負荷の変動に応じて発電機出力を調節するユニットにおいて、最低出力値と定格出力値の範囲で発電機出力を変化させることで、燃料消費量を増大させることなく、需要者側の要求負荷の変動に応じて、発電機の出力を調整できる。

本発明における上記実施の形態では、需要者側の要求負荷の変動に応じて発電機出力を調節するユニットが１台である形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、発電機出力調節用のユニットが複数台となる形態としてよい。

１水素回生システム
２、４０２ユニット発電出力演算部
３、４０３定格出力水素回生ユニット
４出力調整水素回生ユニット
５同期機
６負荷
７、８要求発電出力
１００有機ハイドライド貯蔵設備
１０１脱水素反応器
１０２気液分離器
１０３芳香族化合物貯蔵設備
１０４燃料貯蔵設備
１０５、３０５熱機関
１０６発電機
１０７停止・定格出力判定部
１０８有機ハイドライド流量調節弁
１０９水素流量調節弁
１１０燃料流量調節弁
２００水素流量計
２０１燃料流量計
２０２、３０２、４０７流量演算部
３０４出力調整ユニット

Claims

水素を貯蔵する貯蔵化合物から水素を回生して水素と異なる燃料と前記回生水素を混合して燃焼させて発電機を駆動することにより電力を供給する複数の水素回生ユニットと、
前記複数の水素回生ユニットの供給電力を入力して所定の電力となるように調整して負荷に供給する調整機を有するものであって、
前記複数の水素回生ユニットは、定格出力水素回生ユニットと出力調整水素回生ユニットから構成され、
前記定格出力水素回生ユニットは、停止状態と定格出力を切り替えて運転して電力を供給するものであり、前記出力調整水素回生ユニットは、水素と燃料の比率である水素混合比を前記定格出力水素回生ユニットの水素混合比より低い範囲で可変にして電力を供給するものであり、
要求負荷を入力として、前記定格出力水素回生ユニットの要求値と前記出力調整水素回生ユニットの要求値を計算するユニット発電出力演算部を有し、
前記定格出力水素回生ユニットは、前記定格出力水素回生ユニットの要求値に基づいて動作し、前記出力調整水素回生ユニットは、前記出力調整水素回生ユニットの要求値に基づいて動作することを特徴とする水素回生システム。
請求項１において、
前記定格出力水素回生ユニットは、
前記貯蔵化合物としての有機ハイドライドを貯蔵する有機ハイドライド貯蔵設備と、
前記有機ハイドライドから脱水素反応により前記水素と芳香族化合物を得る脱水素反応機と、
前記水素と前記芳香族化合物を分離する気液分離器と、前記芳香族化合物を貯蔵する芳香族化合物貯蔵設備と、
前記燃料としての軽油あるいは天然ガスを貯蔵する燃料貯蔵設備と、
前記水素と、前記軽油あるいは天然ガスを混合後、空気と燃焼させ、燃焼による熱エネルギーを駆動力に変換する熱機関と、
前記熱機関が出力する駆動力を電気エネルギーに変換し、前記調整機としての同期機に電力を供給する発電機と、
前記有機ハイドライド貯蔵設備と前記脱水素反応機を接続する配管に設置され、弁開度指令値を入力として弁開度を操作し、前記脱水素反応機に流入する前記有機ハイドライド流量を調節する有機ハイドライド流量調節弁と、
前記気液分離器と前記熱機関を接続する配管に設置され、弁開度指令値を入力として弁開度を操作し、前記熱機関に流入する前記水素流量を調節する水素流量調節弁と、
前記燃料貯蔵設備と前記熱機関を接続する配管に設置され、弁開度指令値を入力として弁開度を操作し、前記熱機関に流入する前記軽油あるいは天然ガス流量を調節する燃料流量調節弁と、
要求発電出力、前記発電機の供給電力計測値を入力として、前記定格出力水素回生ユニットの運転状態を決定して、前記有機ハイドライド流量調節弁、前記水素流量調節弁、前記燃料流量調節弁を制御し、前記有機ハイドライド流量調節弁、前記水素流量調節弁、前記燃料流量調節弁の弁開度指令値を計算、出力する停止・定格出力判定部とを備えたことを特徴とする水素回生システム。
請求項１において、
前記出力調整水素回生ユニットは、
前記貯蔵化合物としての有機ハイドライドを貯蔵する有機ハイドライド貯蔵設備と、
前記貯蔵化合物としての有機ハイドライドから脱水素反応により前記水素と芳香族化合物を得る脱水素反応機と、
前記水素と前記芳香族化合物を分離する気液分離器と、
前記芳香族化合物を貯蔵する芳香族化合物貯蔵設備と、
前記燃料としての軽油あるいは天然ガスを貯蔵する燃料貯蔵設備と、
前記水素と、前記軽油あるいは天然ガスを混合後、空気と燃焼させ、燃焼による熱エネルギーを駆動力に変換する熱機関と、
前記熱機関が出力する駆動力を電気エネルギーに変換し、前記調整機としての同期機に電力を供給する発電機と、
前記有機ハイドライド貯蔵設備と前記脱水素反応機を接続する配管に設置され、弁開度指令値を入力として弁開度を操作し、前記脱水素反応機に流入する前記有機ハイドライド流量を調節する有機ハイドライド流量調節弁と、
前記気液分離器と前記熱機関を接続する配管に設置され、弁開度指令値を入力として弁開度を操作し、前記熱機関に流入する前記水素流量を調節する水素流量調節弁と、
前記燃料貯蔵設備と前記熱機関を接続する配管に設置され、弁開度指令値を入力として弁開度を操作し、前記熱機関に流入する前記軽油あるいは天然ガス流量を調節する燃料流量調節弁と、
前記気液分離器と前記熱機関を接続する配管に設置され、前記熱機関に流入する前記水素流量を検出する水素流量計と、
前記燃料貯蔵設備と前記熱機関を接続する配管に設置され、前記熱機関に流入する前記軽油あるいは天然ガス流量を検出する燃料流量計と、
要求発電出力、前記発電機の供給電力計測値を入力として、前記同期機に供給する電力が前記要求発電出力に一致するように、前記有機ハイドライド流量調節弁、前記燃料流量調節弁を制御し、前記有機ハイドライド流量調節弁、前記燃料流量調節弁の弁開度指令値を計算、出力するとともに、前記水素流量計の水素流量計測値、前記燃料流量計の燃料流量計測値を入力として、前記熱機関に流入する水素濃度が設定値と一致するように、
前記水素流量調節弁を制御し、前記水素流量調節弁の弁開度指令値を計算、出力する流量演算部とを備えたことを特徴とする水素回生システム。
少なくとも水素と異なる燃料を含む燃料を燃焼させて発電機を駆動することにより電力を供給する複数の電力供給ユニットと、前記電力供給ユニットの供給電力を入力し所定の電力となるように調整して負荷に供給する調整機を有し、前記複数の電力供給ユニットは、水素を貯蔵する貯蔵化合物から水素を回生して燃料と前記回生水素を混合して燃焼させて発電機を駆動することにより電力を供給する水素回生ユニットを含み、前記水素回生ユニットとして、少なくとも運転開始から所定後にほぼ定格出力状態で運転した後に前記ほぼ定格出力状態から停止状態に遷移する定格出力水素回生ユニットを含み、前記定格出力水素回生ユニット以外の少なくとも一部の電力供給ユニットは、要求負荷に対する電力供給が連続的な可変に構成されることを特徴とする水素回生システム。
請求項４において、
前記定格出力水素回生ユニットは、
前記貯蔵化合物としての有機ハイドライドを貯蔵する有機ハイドライド貯蔵設備と、
前記有機ハイドライドから脱水素反応により前記水素と芳香族化合物を得る脱水素反応機と、
前記水素と前記芳香族化合物を分離する気液分離器と、前記芳香族化合物を貯蔵する芳香族化合物貯蔵設備と、
前記燃料としての軽油あるいは天然ガスを貯蔵する燃料貯蔵設備と、
前記水素と、前記軽油あるいは天然ガスを混合後、空気と燃焼させ、燃焼による熱エネルギーを駆動力に変換する熱機関と、
前記熱機関が出力する駆動力を電気エネルギーに変換し、前記調整機としての同期機に電力を供給する発電機と、
前記有機ハイドライド貯蔵設備と前記脱水素反応機を接続する配管に設置され、弁開度指令値を入力として弁開度を操作し、前記脱水素反応機に流入する前記有機ハイドライド流量を調節する有機ハイドライド流量調節弁と、
前記気液分離器と前記熱機関を接続する配管に設置され、弁開度指令値を入力として弁開度を操作し、前記熱機関に流入する前記水素流量を調節する水素流量調節弁と、
前記燃料貯蔵設備と前記熱機関を接続する配管に設置され、弁開度指令値を入力として弁開度を操作し、前記熱機関に流入する前記軽油あるいは天然ガス流量を調節する燃料流量調節弁と、
要求発電出力、前記発電機の供給電力計測値を入力として、前記定格出力水素回生ユニットの運転状態を決定して、前記有機ハイドライド流量調節弁、前記水素流量調節弁、前記燃料流量調節弁を制御し、前記有機ハイドライド流量調節弁、前記水素流量調節弁、前記燃料流量調節弁の弁開度指令値を計算、出力する停止・定格出力判定部とを有することを特徴とする水素回生システム。
請求項４において、
前記要求負荷に対する電力供給が連続的な可変に構成される電力供給ユニットは、出力調整ユニットとして、
前記燃料としての軽油あるいは天然ガスを貯蔵する燃料貯蔵設備と、
前記軽油あるいは天然ガスを混合後、空気と燃焼させ、燃焼による熱エネルギーを駆動力に変換する熱機関と、
前記熱機関が出力する駆動力を電気エネルギーに変換し、前記調整機としての同期機に電力を供給する発電機と、
前記燃料貯蔵設備と前記熱機関を接続する配管に設置され、弁開度指令値を入力として弁開度を操作し、前記熱機関に流入する前記軽油あるいは天然ガス流量を調節する燃料流量調節弁と、
要求発電出力、前記発電機の供給電力計測値を入力として、前記同期機に供給する電力が前記要求発電出力に一致するように、前記燃料流量調節弁を制御し、前記燃料流量調節弁の弁開度指令値を計算、出力する流量演算部とを備えたことを特徴とする水素回生システム。
請求項４において、
前記定格出力水素回生ユニット以外の少なくとも一部の電力供給ユニットは、燃料としての軽油または天然ガスを前記回生水素と混合、燃焼させて発電機を駆動し、最低出力値と定格出力値の範囲で発電機出力を変化させて運転して電力を供給する、複数の出力調整ユニットであることを特徴とする水素回生システム。
水素を貯蔵する貯蔵化合物から水素を回生して水素と異なる燃料と前記回生水素を混合して燃焼させて発電機を駆動することにより電力を供給する複数の水素回生ユニットと、
要求負荷を入力として、定格出力水素回生ユニット要求値と出力調整水素回生ユニットの要求値を計算するユニット発電出力演算部と、前記複数の水素回生ユニットの供給電力を入力し所定の電力となるように調整して負荷に電力を供給する調整機を有する水素回生システムの水素回生運転方法であって、
前記水素回生ユニットのうちの定格出力水素回生ユニットは、前記定格出力水素回生ユニット要求値に基づいて、停止状態と定格出力を切り替えて運転して電力を供給し、
前記水素回生ユニットのうちの出力調整水素回生ユニットは、前記出力調整水素回生ユニットの要求値に基づいて、水素流量と燃料の比率である水素混合比を前記定格出力水素回生ユニットの水素混合比より低い範囲で可変にして電力を供給する水素回生運転方法。
少なくとも水素と異なる燃料を含む燃料を燃焼させて発電機を駆動することにより電力を供給する複数の電力供給ユニットと、前記電力供給ユニットの供給電力を入力し所定の電力となるように調整して負荷に電力を供給する調整機を有する水素回生システムの水素回生運転方法であって、
前記複数の電力供給ユニットのうちの、水素を貯蔵する有機化合物から水素を回生して前記水素と燃料を混合して燃焼させて発電機を駆動することにより電力を供給する水素回生ユニットは、少なくとも運転開始から所定後はほぼ定格出力状態で運転し前記ほぼ定格出力状態からは停止状態に移行して運転し、
前記複数の電力供給ユニットのうちの、前記水素回生ユニット以外の少なくとも一部の電力供給ユニットは、要求負荷に対する電力供給が連続的な可変に運転する水素回生運転方法。