JP6919506B2 - 電解システム、電解制御装置及び電解システムの制御方法 - Google Patents

電解システム、電解制御装置及び電解システムの制御方法 Download PDF

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Description

本発明は、電解システム、電解制御装置及び電解システムの制御方法に関する。
従来、太陽電池が発電した電気エネルギーにより、水を電気分解することによって水素を生成する技術が知られている（例えば、特許文献１，２参照）。
特開２００７−３１８１３号公報 特開２００１−３３５９８２号公報
図１は、水素製造システムの構成の一例を示す図である。図１に示される水素製造システム１００１は、直流電圧（例えば、ＤＣ（Direct Current）４００Ｖ）を交流電圧（例えば、ＡＣ（Alternating Current）２００Ｖ）に変換するパワーコンディショナ９２を備える。パワーコンディショナ９２を太陽電池９１に接続した場合、中間バス９３に流れる電流は交流となる。そのため、水素電解装置９５を接続するには、ＡＣ／ＤＣコンバータ９４によって交流を直流に再変換することが必要となるので、電力変換効率が低下する。また、水素電解装置９５に発生する電圧を上げるため、セルが直列につながっている数（スタック数）を増やす場合がある。この場合、直列に接続されたセルが一つでも劣化して内部抵抗が増加すると、発熱によりそのセルで加速度的に劣化が進行し、ついには水素電解装置９５全体が動作不能となるおそれがある。
そこで、本開示では、電力変換効率を向上させるとともに、継続動作が可能な電解システム、電解制御装置及び電解システムの制御方法が提供される。
本開示の一態様では、
発電した第１の直流電力を出力する発電装置と、
前記発電装置が出力する前記第１の直流電力を、入力される目標デューティ比に応じて、第２の直流電力にそれぞれ変換するとともに、前記第２の直流電力の電圧情報と前記第２の直流電力の電流情報とをそれぞれ出力する複数の変換装置と、
前記複数の変換装置の各々から出力される前記第２の直流電力がそれぞれ入力されて、気体をそれぞれ発生する複数の電解装置と、
前記第１の直流電力の電圧値と前記第１の直流電力の電流値とに基づき、前記発電装置が出力する前記第１の直流電力を最大電力に近づける制御情報を出力する制御装置と、
前記制御装置が出力する前記制御情報と、前記複数の変換装置の各々が出力する前記電圧情報及び前記電流情報とに基づき、前記目標デューティ比と前記複数の電解装置の各々を選択するか否かの選択信号とを、前記複数の変換装置の各々に対して出力する選択装置とを備える、電解システムが提供される。
本開示の一態様では、
発電した第１の直流電力を出力する発電装置が出力する前記第１の直流電力を、入力される目標デューティ比に応じて、第２の直流電力にそれぞれ変換するとともに、前記第２の直流電力の電圧情報と前記第２の直流電力の電流情報とをそれぞれ出力する複数の変換装置と、前記複数の変換装置の各々から出力される前記第２の直流電力がそれぞれ入力されて、気体をそれぞれ発生する複数の電解装置とを制御する電解制御装置であって、
前記第１の直流電力の電圧値と前記第１の直流電力の電流値とに基づき、前記発電装置が出力する前記第１の直流電力を最大電力に近づける制御情報を出力する制御装置と、
前記制御装置が出力する前記制御情報と、前記複数の変換装置の各々が出力する前記電圧情報及び前記電流情報とに基づき、前記目標デューティ比と前記複数の電解装置の各々を選択するか否かの選択信号とを、前記複数の変換装置の各々に対して出力する選択装置とを備える、電解制御装置が提供される。
本開示の一態様では、
発電した第１の直流電力を出力する発電装置を有する電解システムの制御方法であって、
前記電解システムが備える複数の変換装置は、前記発電装置が出力する前記第１の直流電力を、入力される目標デューティ比に応じて、第２の直流電力にそれぞれ変換するとともに、前記第２の直流電力の電圧情報と前記第２の直流電力の電流情報とをそれぞれ出力し、
前記電解システムが備える複数の電解装置は、前記複数の変換装置の各々から出力される前記第２の直流電力がそれぞれ入力されて、気体をそれぞれ発生し、
前記電解システムが備える制御装置は、前記第１の直流電力の電圧値と前記第１の直流電力の電流値とに基づき、前記発電装置が出力する前記第１の直流電力を最大電力に近づける制御情報を出力し、
前記電解システムが備える選択装置は、前記制御装置が出力する前記制御情報と、前記複数の変換装置の各々が出力する前記電圧情報及び前記電流情報とに基づき、前記目標デューティ比と前記複数の電解装置の各々を選択するか否かの選択信号とを、前記複数の変換装置の各々に対して出力する、電解システムの制御方法が提供される。
本開示によれば、電力変換効率を向上させるとともに、継続動作が可能な電解システム、電解制御装置及び電解システムの制御方法を提供することができる。
水素製造システムの構成の一例を示す図である。 本開示に係る電解システムの構成の一例を示す図である。 太陽電池の電流−電圧特性（ＩＶ特性）の一例を示す図である。 山登り法によるＭＰＰＴ制御器の構成の一例を示す図である。 制御目標値を出力電流制御に使用した場合の山登り法の動作の一例を示す図である。 水電解セルの一例を示す模式図である。 水電解セルの電気特性の一例を示す図である。 ＤＣ／ＤＣコンバータの構成の一例を示す図である。 ＤＣ／ＤＣコンバータの効率の一例を示す図である。 セル選択器の構成の一例を示す図である。 セル選択器の構成の一例を示す図である。 メモリ内にリストを個別に用意した場合の一例を示す図である。 メモリ内にリストを構造体として用意した場合の一例を示す図である。 選択装置がＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流の目標電流値を指定することによってＭＰＰＴ制御が行われる場合の一例を示す図である。 選択装置がＤＣ／ＤＣコンバータの目標デューティ比を指定することによってＭＰＰＴ制御が行われる場合の一例を示す図である。 目標電流値を指定する場合と目標デューティ比を指定する場合との比較を示す図である。 ＤＣ／ＤＣコンバータの目標デューティ比の指定によってＭＰＰＴ制御が行われる場合の一例を示すフローチャートである。 優先選択パラメータの計算方法の一例を示す表である。 ソーラーパネルとＤＣ／ＤＣコンバータの各出力電力の変化の一例を示すタイミングチャートである。 デューティ比と優先選択パラメータの変化の一例を示すタイミングチャートである。 本開示に係る電解システムの構成の他の一例を示す図である。
以下、本開示に係る電解システムの実施形態について説明する。
＜電解システム＞
図２は、本開示に係る電解システムの構成の一例を示す図である。図２に示される電解システム１０００は、ソーラーパネル１００が発電した電気エネルギーにより、水を電気分解することによって水素を生成する。電解システム１０００は、ソーラーパネル１００から最大電力が出力されるように、ソーラーパネル１００から引き出す電力を制御する。電解システム１０００は、ソーラーパネル１００、複数のＤＣ／ＤＣコンバータ５００、複数のセル２００及び電解制御装置７００を備える。電解制御装置７００は、複数のＤＣ／ＤＣコンバータ５００及び複数のセル２００を制御する。電解制御装置７００は、ＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking）制御器３００及びセル選択器４００を備える。複数のＤＣ／ＤＣコンバータ５００は、互いに同一の構成を有する。複数のセル２００も、互いに同一の構成を有する。以下、各構成及び機能等について説明する。
ソーラーパネル１００は、発電した第１の直流電力を出力する発電装置の一例であり、パネル面に配列された複数の太陽電池を有する。太陽電池は、光起電力効果を利用し、太陽光のような光エネルギーを直流電力に変換して出力する。
＜太陽電池の制御＞
図３は、太陽電池の電流−電圧特性（ＩＶ特性）の一例を示す図である。太陽電池は、内部抵抗の比較的大きな電池のような電流−電圧特性をもっており、電流を引き出すことで電圧降下が発生する。最大の電力を引き出せる電流と電圧で決まる最大電力点（Maximum Power Point）は、太陽電池を照らす照度と太陽電池の温度によって変化する。照度が高ければ、発電量があがるため、最大電力は増加する。一方で、太陽電池の温度が高くなると内部抵抗が増加し最大電力が低下する。
常に最大電力点を満たすように太陽電池から引き出す電力を制御する方法を最大電力点追従（ＭＰＰＴ：Maximum Power Point Tracking）制御とよび、山登り法と呼ばれる制御方法が使用されることが多い。太陽電池を高効率で使うためには、ＭＰＰＴ制御は有効な技術である。以下では、ソーラーパネル１００の最大電力点での出力電力を最大電力Psolar_maxと表記する。
＜山登り法によるＭＰＰＴ制御器＞
図４は、山登り法によるＭＰＰＴ制御器の構成の一例を示す図である。ＭＰＰＴ制御器３００は、ソーラーパネル１００の出力ライン１０１に設置された電流計１０２及び電圧計１０３により計算されたソーラーパネル１００の出力電力が最大になるように、制御目標値を制御する。制御目標値は、ソーラーパネル１００の出力電力を最大電力Psolar_maxに近づける制御情報の一例である。本実施形態では、ＭＰＰＴ制御器３００は、ソーラーパネル１００の負荷の一つである電解槽制御器（具体的には、ＤＣ／ＤＣコンバータ５００）の制御目標値を制御する。
図５は、制御目標値を出力電流制御に使用した場合の山登り法の動作の一例を示す図である。次に、図４及び図５を参照して、ＭＰＰＴ制御器３００の構成及び制御動作を詳述する。
ＭＰＰＴ制御器３００は、タイマー２、クロックジェネレータ３、アンプ２１，２２を有する。また、ＭＰＰＴ制御器３００は、乗算器４、サンプルアンドホールド回路５，６，７、比較器８、制御目標値生成部１０（以下、「生成部１０」とも称する）、インターフェイス回路１１、差分器１２、絶対値回路１５、比較器１３及び停止信号生成器１６を有する。
電流計１０２は、ソーラーパネル１００の出力電流（出力ライン１０１に流れる電流）を測定し、電圧計１０３は、ソーラーパネル１００の出力電圧（出力ライン１０１に印加される電圧）を測定する。測定された電圧値Ｖを表す電圧信号及び測定された電流値Ｉを表す電流信号は、必要に応じて振幅調整用のアンプ２１，２２を通じて、ＭＰＰＴ制御器３００に入力される。電圧値Ｖは、ソーラーパネル１００の直流の出力電力の電圧値を表す。電流値Ｉは、ソーラーパネル１００の直流の出力電力の電流値を表す。
タイマー２は、ＭＰＰＴ制御器３００の動作を開始させるインターバルタイマーを表す。
タイマー２は、一定時間（例えば１０秒周期）に一度、クロックジェネレータ３に１パルスのスタート信号（Start）を送信する。クロックジェネレータ３は、スタート信号を受信すると一定周期（例えば１００ミリ秒周期）の１パルスのクロック３ａを生成して出力し、クロック３ａに同期して動作する回路（細点線の内部の回路３ｂ）を起動させる。
クロック３ａが回路３ｂに供給されると、電圧信号及び電流信号は、乗算器４によって、電力値を表す電力信号に変換される。電力信号が表す電力値は、サンプルアンドホールド回路５に格納される。サンプルアンドホールド部は、カスケード接続された３段のサンプルアンドホールド回路５，６，７を有する。サンプルアンドホールド回路５，６，７は、それぞれ、今回のクロック３ａに対応する電力値Pnew、前回のクロック３ａに対応する電力値Pold、前々回のクロック３ａに対応する電力値Pooldを保持する。
比較器８は、今回のクロック３ａに対応する電力値Pnewと前回のクロック３ａに対応する電力値Poldとの大小を比較し、その比較結果を生成部１０に出力する。
ここで、少なくとも一つのＤＣ／ＤＣコンバータ５００が行う直流を直流に変換するスイッチング動作のデューティ比を、デューティ比xと表す。
今回の電力値Pnewが前回の電力値Poldよりも大きいとき、デューティ比xを変化させる制御目標値は、ソーラーパネル１００の出力電力を上昇させる方向に変化したと推定される。したがって、生成部１０は、今回の電力値Pnewが前回の電力値Poldよりも大きいと比較器８により検出されるとき、デューティ比xを前回変化させた方向と同じ方向に変化させる制御目標値を生成する。これにより、ソーラーパネル１００の出力電力を更に上昇させて最大電力Psolar_maxに更に近づけることができる。
例えば、生成部１０は、デューティ比ｘを増やす方向に制御目標値を前回変化させた場合において、今回の電力値Pnewが前回の電力値Poldよりも大きいと比較器８により検出されるとき、今回のデューティ比ｘも増やす方向に制御目標値を変化させる。これにより、例えば、ソーラーパネル１００の出力電流の増加に応じてソーラーパネル１００の出力電力が増加する区間から、ソーラーパネル１００の出力電力を更に上昇させて最大電力Psolar_maxに更に近づけることができる。これに対し、生成部１０は、デューティ比ｘを減らす方向に制御目標値を前回変化させた場合において、今回の電力値Pnewが前回の電力値Poldよりも大きいと比較器８により検出されるとき、今回のデューティ比ｘも減らす方向に制御目標値を変化させる。これにより、例えば、ソーラーパネル１００の出力電流の増加に応じてソーラーパネル１００の出力電力が減少する区間から、ソーラーパネル１００の出力電力を更に上昇させて最大電力Psolar_maxに更に近づけることができる。
一方、今回の電力値Pnewが前回の電力値Poldよりも小さいとき、デューティ比xを変化させる制御目標値は、ソーラーパネル１００の出力電力を低下させる方向に変化したと推定される。したがって、生成部１０は、今回の電力値Pnewが前回の電力値Pold以下と比較器８により検出されるとき、デューティ比ｘを前回変化させた方向と逆の方向に変化させる制御目標値を生成する。これにより、ソーラーパネル１００の出力電力を上昇させて最大電力Psolar_maxに近づけることができる。
例えば、生成部１０は、デューティ比ｘを増やす方向に制御目標値を前回変化させた場合において、今回の電力値Pnewが前回の電力値Pold以下と比較器８により検出されるとき、今回のデューティ比ｘを減らす方向に制御目標値を変化させる。これにより、例えば、ソーラーパネル１００の出力電流の増加に応じてソーラーパネル１００の出力電力が減少する区間から、ソーラーパネル１００の出力電力を上昇させて最大電力Psolar_maxに近づけることができる。これに対し、生成部１０は、デューティ比ｘを減らす方向に制御目標値を前回変化させた場合において、今回の電力値Pnewが前回の電力値Pold以下と比較器８により検出されるとき、今回のデューティ比ｘを増やす方向に制御目標値を変化させる。これにより、例えば、ソーラーパネル１００の出力電流の増加に応じてソーラーパネル１００の出力電力が増加する区間から、ソーラーパネル１００の出力電力を上昇させて最大電力Psolar_maxに近づけることができる。
インターフェイス回路１１は、例えば、デジタル通信の場合、制御目標値をデジタル通信信号に変換する通信ポートであり、アナログ電圧信号による伝送の場合、制御目標値をアナログ電圧に変換するデジタルアナログコンバータである。以下、通信ポートを「ＣＯＭ」（COMmunication）と称し、デジタルアナログコンバータを「ＤＡＣ」（Digital-to-Analog Converter）と称することがある。
差分器１２は、今回のクロック３ａに対応する電力値Pnew（サンプルアンドホールド回路５からの値）と前々回のクロック３ａに対応する電力値Poold（サンプルアンドホールド回路７からの値）との差分を出力する。絶対値回路１５は、その差分の絶対値をとって出力する。比較器１３は、絶対値回路１５によって得られたその差分の絶対値があらかじめ決められた閾値１４よりも小さくなった時、ソーラーパネル１００の出力電力が最大電力点に到達したとして、クロック停止信号（Stop）を停止信号生成器１６に生成させる。クロックジェネレータ３は、停止信号生成器１６により生成されたクロック停止信号を受信したとき、スタート信号を受信しているときかどうかにかかわらず、クロック３ａの出力を停止する。これにより、ＭＰＰＴ制御器３００のＭＰＰＴ制御は、停止する。
生成部１０は、ＭＰＰＴ制御器３００のＭＰＰＴ制御の停止期間では、ＭＰＰＴ制御器３００の停止直前の制御目標値を出力し続ける。
＜水電解セルの特性＞
図６は、水電解セルの構成の一例を示す図である。セル２００は、水電解セル又は電解槽とも称する。水に直流電圧が印加されることにより電気分解が起こり、気体（具体的には、酸素と水素）が発生する。発生した酸素は、酸素配管２０１（図２参照）を介して、大気に放出又は貯蔵される。発生した水素は、水素配管２０２（図２参照）を介して、貯蔵される。貯蔵された水素は、エネルギーとして利用される。
セル２００は、対応するＤＣ／ＤＣコンバータ５００から出力される直流電流が入力されて、水素等の気体を発生する電解装置の一例である。水電解セルには、アルカリ水型、高温水蒸気型、高分子ポリマー型などの様々な種類がある。
図７は、水電解セルの電気特性の一例を示す図である。水電解セルは、ダイオードのような電流‐電圧特性を持っており、１〜１．５Ｖ程度の閾値電圧から急激に電流が流れ出し、電気分解が始まる（図７実線参照）。水電解セルの使用を続けると、電極の劣化により水電解セルの抵抗が増大し、電流が流れにくくなる（図７点線参照）。
太陽光発電による水素製造では、水電解セルに入力される入力電力の変動が大きいため、低電力時でも電力効率の低下を抑制可能な常温稼働型の電解槽が使用されることが好ましい。水電解セルのセル電圧の変化に対し水電解セルのセル電流の変化が大きいため、水電解セルに印加する電圧を一定に制御する定電圧制御よりも、水電解セルに流す電流を一定に制御する定電流制御が行われることが好ましい。
数ｋＷクラスの以上の水電解セルを単セルにすると、セル電流が大きくなりすぎて（〜数千Ａ）、配線が困難になる。そのため、単セルを数十〜数百段スタックさせることで全体の動作電圧を上げ、セル電流を下げることができる。
＜ＤＣ／ＤＣコンバータ＞
図８は、ＤＣ／ＤＣコンバータの構成の一例を示す図である。図８は、図２に示す複数のＤＣ／ＤＣコンバータ５００のそれぞれの構成の一例を示す。ＤＣ／ＤＣコンバータ５００は、変換装置の一例であって、セル２００に供給する出力電流を制御する電流制御型ＤＣ／ＤＣコンバータの一例である。複数のＤＣ／ＤＣコンバータ５００は、ソーラーパネル１００が出力する第１の直流電力を、入力される目標デューティ比に応じて、第２の直流電力にそれぞれ変換するとともに、第２の直流電力の電圧情報と第２の直流電力の電流情報とをそれぞれ出力する。
図８が示すＤＣ／ＤＣコンバータ５００は、キャパシタ５０、スイッチ５１、トランス５２、ダイオード５３，５４、インダクタ５５、コンデンサ５６、電流検出抵抗５７、電流検出回路６１及び電圧検出回路６２を備える。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ５００は、アナログデジタルコンバータ（Analog-to-Digital Converter、ＡＤＣ）６３，６４、ＤＣＤＣ制御器５８、ゲートドライバ６９、マルチプレクサ６５、通信ポート（ＣＯＭ）５９及び汎用入出力ポート（General Purpose Input/Output、ＧＰＩＯ）６０を備える。
ＤＣ／ＤＣコンバータ５００は、ソーラーパネル１００内の複数の太陽電池で発電した電力を、スイッチ５１のオンとオフによって、トランス５２を介して伝送する。ＤＣ／ＤＣコンバータ５００は、トランス５２を介して伝送された電力を、ダイオード５３，５４により整流後、インダクタ５５とコンデンサ５６で平滑化し、セル２００に供給する。
ＤＣＤＣ制御器５８は、スイッチ５１のスイッチングのデューティ比が、セル選択器４００から通信ポート５９を介して供給される目標デューティ比と一致するように、スイッチ５１のオン時間をゲートドライバ６９によりＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御する。
ＤＣＤＣ制御器５８は、例えば、ローパスフィルタ６７及びＰＷＭ信号発生回路６８を有する。ＰＷＭ信号発生回路６８は、ローパスフィルタ６７によりフィルタ処理が施された目標デューティ比に、ＤＣ／ＤＣコンバータ５００のデューティ比xを調整するＰＷＭ信号を出力する。ＤＣ／ＤＣコンバータ５００のデューティ比xとは、図８の場合、スイッチ５１のスイッチングのデューティ比を表す。ゲートドライバ６９は、ＰＷＭ信号発生回路６８から出力されたＰＷＭ信号に従って、スイッチ５１をスイッチングさせる。
セル２００に供給する出力電流の電流値は、例えば、出力電流が流れる電流検出抵抗５７の両端に発生する電圧が電流検出回路６１のアンプにより増幅されることにより検出される。セル２００に印加する出力電圧の電圧値は、例えば、電圧検出回路６２のアンプにより増幅されることにより検出される。
ＤＣ／ＤＣコンバータ５００は、セル２００の状態管理のため、セル２００に印加する出力電圧の電圧値及びセル２００に流す出力電流の電流値を通信ポート５９経由で送信する機能を有する。例えば、ＡＤＣ６３は、電流検出回路６１のアンプにより検出されたアナログ電流値をデジタルの電流検出値に変換して出力し、ＡＤＣ６４は、電圧検出回路６２のアンプにより検出されたアナログ電圧値をデジタルの電圧検出値に変換して出力する。マルチプレクサ６５は、ＡＤＣ６３から出力された電流検出値とＡＤＣ６４から出力された電圧検出値とをＣＯＭ５９を介してセル選択器４００（図２参照）に送信する。
また、ＤＣ／ＤＣコンバータ５００は、セル選択器４００（図２参照）から汎用入出力ポート６０を介して受信したセル選択信号に基づいて、ＤＣ／ＤＣコンバータ５００の起動と停止とを切り替える機能を有する。
図９は、ＤＣ／ＤＣコンバータの効率の一例を示す図である。ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電力が比較的高い高出力側では、抵抗ロスの増大のため、ＤＣ／ＤＣコンバータの電力変換効率は低下する。一方、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電力が比較的低い低出力側では、制御回路の固定ロスとスイッチのオンオフに伴うスイッチングロスのため、ＤＣ／ＤＣコンバータの電力変換効率は低下する。
以下では、ＤＣ／ＤＣコンバータの電力変換効率が最大になるときの電力を最大効率電力Pmaxと表記する。最大効率電力Pmaxは、最小電力Pthlowと最大電力Pthhighとの間の電力である。最小電力Pthlowは、ＤＣ／ＤＣコンバータが所定の効率以上で動作する出力電力範囲の最小値を表し、最大電力Pthhighは、ＤＣ／ＤＣコンバータが所定の効率以上で動作する出力電力範囲の最大値を表す。
＜セル選択器＞
図１０は、ＭＰＰＴ制御器３００から出力される制御目標値がアナログ電圧である場合のセル選択器の構成の一例を示す図である。図１０が示すセル選択器４００Ａは、図２が示すセル選択器４００の一例である。セル選択器４００Ａは、ＡＤ変換器（Ａ／Ｄ）４１、ＣＰＵ（Central Processing Unit）４３、メモリ４４、タイマ４５、汎用入出力ポート（ＧＰＩＯ）４６及び通信ポート（ＣＯＭ）４７を有する。Ａ／Ｄ４１には、ＭＰＰＴ制御器３００（図２，４参照）から出力される制御目標値が入力される。
図１１は、ＭＰＰＴ制御器３００から出力される制御目標値がデジタルである場合のセル選択器の構成の一例を示す図である。図１１が示すセル選択器４００Ｂは、図２が示すセル選択器４００の一例である。セル選択器４００Ｂは、通信ポート（ＣＯＭ）４２、ＣＰＵ４３、メモリ４４、タイマ４５、汎用入出力ポート（ＧＰＩＯ）４６及び通信ポート（ＣＯＭ）４７を有する。ＣＯＭ４２には、ＭＰＰＴ制御器３００（図２，４参照）から出力される制御目標値が入力される。
セル選択器４００の各機能は、メモリ４４に記憶されたプログラムに従ってＣＰＵ４３が動作することにより実現される。
図１２は、メモリ内にリストを個別に用意した場合の一例を示す図である。セル選択器４００内のメモリ４４には、例えば図１２のように、動作時間リスト、セル抵抗リスト、使用優先順リスト及び優先選択パラメータリストが記憶されている。動作時間リストには、複数（Ｎ個）のＤＣ／ＤＣコンバータ５００の各々の動作時間（言い換えれば、複数のセル２００の各々の動作時間（通電時間））が格納される。セル抵抗リストには、複数（Ｎ個）のセル２００の各々のセル抵抗値が格納される。使用優先順リストには、複数のＤＣ／ＤＣコンバータ５００の各々の使用優先順位（言い換えれば、複数のセル２００の各々の使用優先順位）が格納されている。使用優先順位の高いＤＣ／ＤＣコンバータ５００（又は、セル２００）ほど、優先的に使用される。優先選択パラメータリストには、複数のＤＣ／ＤＣコンバータ５００の各々の優先選択パラメータが格納されている。優先選択パラメータの高いＤＣ／ＤＣコンバータ５００ほど、デューティ比xを変化させる対象として優先的に選択される。
図１３は、メモリ内にリストを構造体として用意した場合の一例を示す図である。セル選択器４００内のメモリ４４には、例えば図１３のように、動作時間、セル抵抗値、使用優先順位、優先選択パラメータ、使用可否、セル温度、セル電圧及びセル電流などが、複数のＤＣ／ＤＣコンバータ５００（言い換えれば、複数のセル２００）の各々に対して記憶されている。使用可の欄において、Ｔは、使用可を表し、Ｆは、使用不可を表す。
図２が示すセル選択器４００は、選択装置の一例である。セル選択器４００は、ＭＰＰＴ制御器３００が出力する制御目標値と、複数のＤＣ／ＤＣコンバータ５００の各々が出力する電圧情報及び電流情報とに基づき、目標デューティ比とセル選択信号とを、複数のＤＣ／ＤＣコンバータ５００の各々に対して出力する。セル選択信号は、複数のセル２００（複数のＤＣ／ＤＣコンバータ５００でもよい）の各々の使用を選択するか否かの選択信号の一例である。
ここで、ＭＰＰＴ制御は、セル選択器４００が各々のＤＣ／ＤＣコンバータ５００の出力電流の目標電流値を指定することにより行われるのではなく、セル選択器４００が各々のＤＣ／ＤＣコンバータ５００の目標デューティ比を指定することにより行われる。
図１４は、仮にセル選択器４００がＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流の目標電流値を指定することによりＭＰＰＴ制御が行われる場合の一例を示す図である。この場合、ＤＣＤＣ制御器５８（図８参照）は、セル２００に供給する出力電流の電流値が、セル選択器４００から通信ポート５９を介して供給される目標電流値と一致するように、スイッチ５１のスイッチングを制御する。
しかしながら、図１４に示されるように、ソーラーパネル１００の出力電流Iが漸増してソーラーパネル１００の出力電力Pが最大電力Psolar_maxに到達した後、出力電力Pは、出力電流Iの増加に対して急激に減少する。出力電流Iを増加させてソーラーパネル１００の出力電圧Vが零となるときの出力電流Iは、短絡電流と呼ばれる。したがって、例えば、出力電流Iを短絡電流よりも大きくするような目標電流値がセル選択器４００により指定されると、ＤＣ／ＤＣコンバータに入力される出力電流Iが急激に不足するので、ＤＣ／ＤＣコンバータがセル２００に供給する出力電流も不足する。ＤＣＤＣ制御器５８は、デューティ比xを増やしてセル２００に供給する出力電流を増やそうとするが、ＤＣ／ＤＣコンバータに入力される出力電流Iが足りないので、デューティ比xが１００％付近まで上昇しても、出力電力Pは略零となってしまう。その結果、出力電流Iを短絡電流よりも小さくするような目標電流値がセル選択器４００から供給されるまで、出力電力Pは略零の状態が継続することになる。
これに対し、図１５は、セル選択器４００がＤＣ／ＤＣコンバータの目標デューティ比を指定することによりＭＰＰＴ制御が行われる場合の一例を示す図である。この場合、ＤＣＤＣ制御器５８（図８参照）は、スイッチ５１のスイッチングのデューティ比xが、セル選択器４００から通信ポート５９を介して供給される目標デューティ比と一致するように、スイッチ５１のスイッチングを制御する。
目標デューティ比を指定することは、ＤＣ／ＤＣコンバータの入力電圧VinとＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧Voutとの比を指定することと等価である。つまり、ＤＣ／ＤＣコンバータのデューティ比が決まれば、ＤＣ／ＤＣコンバータの入出力の電圧比も決まる。例えば図８に示されるＤＣ／ＤＣコンバータの降圧スイッチング回路の場合、ソーラーパネル１００の出力電圧Vを入力電圧Vinとし、トランス５２の入出力の巻線比をα：１とすると、デューティ比xは、「α×（Vout／Vin）」に略等しい。
したがって、ソーラーパネル１００の出力電流Iを大きくしすぎる目標デューティ比がセル選択器４００から供給されると、出力電流Iが流れすぎてソーラーパネル１００の出力電圧Vが下がるが、ＤＣ／ＤＣコンバータの入力電圧Vinも下がる。しかしながら、ＤＣ／ＤＣコンバータの入出力の電圧比は目標デューティ比に応じた値に固定されるので、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧の低下は制限され、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流の低下も制限される。このようなネガティブフィードバックがかかるため、ソーラーパネル１００の出力電力Pが最大電力Psolar_maxに到達した後に出力電流Iの増加に対して急激に減少する特性であっても、出力電力Pは零までは下がりにくい。
このように、目標デューティ比に応じてＤＣ／ＤＣコンバータを制御する場合、目標電流値に応じてＤＣ／ＤＣコンバータを制御する場合と比較して、制御が安定する。例えば図１６に示されるように、目標デューティ比に応じてＤＣ／ＤＣコンバータを制御する場合、目標電流値に応じてＤＣ／ＤＣコンバータを制御する場合と比較して、出力電力Pの変動が小さく、最大電力点に到達する時間を短縮することができる。
図１７は、ＤＣ／ＤＣコンバータの目標デューティ比の指定によってＭＰＰＴ制御が行われる場合の一例を示すフローチャートである。以下、図２及び図４に示される構成を参照して、図１７について説明する。
図１７に示される一連の処理フローは、初期化後、例えば、クロック３ａの周期毎に繰り返される。
ステップＳ１０にて、ＭＰＰＴ制御器３００は、ソーラーパネル１００の出力電力を乗算器４によって取得する。ステップＳ２０にて、ＭＰＰ制御器３００は、今回のクロック３ａに対応する電力値Pnewと前回のクロック３ａに対応する電力値Poldとの大小を比較器８により比較する。
生成部１０は、複数のＤＣ／ＤＣコンバータ５００のうちの少なくとも一つのＤＣ／ＤＣコンバータのデューティ比xを変化させる制御目標値を生成する。生成部１０は、例えば、デューティ比xの変化量Δxの値に対応する制御目標値を生成する。
生成部１０は、今回の電力値Pnewが前回の電力値Poldよりも大きいと比較器８により検出されるとき、前回の変化量Δxと同じ符号の変化量Δxの値に対応する制御目標値をセル選択器４００に対して出力（指定）する。変化量Δxの符号とは、変化量Δxの値が正負のいずれかであるのかを表す記号である。一方、生成部１０は、今回の電力値Pnewが前回の電力値Pold以下と比較器８により検出されるとき、符号を前回の変化量Δxに対して反転させた変化量Δxの値に対応する制御目標値をセル選択器４００に対して出力（指定）する（ステップＳ３０）。
セル選択器４００は、デューティ比xを指定の変化量Δx変化させるＤＣ／ＤＣコンバータを、複数のＤＣ／ＤＣコンバータ５００の中から選択する。そのため、セル選択器４００は、変化量Δxの値に対応する制御目標値が指定される毎に、複数のＤＣ／ＤＣコンバータ５００の各々の優先選択パラメータを計算する（ステップＳ４０）。セル選択器４００は、各々の優先選択パラメータの計算結果を、メモリ４４内のセル属性リスト（図１２，１３参照）に読み出し可能に記録する。セル選択器４００は、例えば図１８に示される関係則に基づいて、優先選択パラメータを計算する。
図１８は、優先選択パラメータの計算方法の一例を示す表である。Poutは、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電力を表す。最小電力Pthlowは、ＤＣ／ＤＣコンバータが所定の効率以上で動作する出力電力範囲の最小値を表し、最大電力Pthhighは、ＤＣ／ＤＣコンバータが所定の効率以上で動作する出力電力範囲の最大値を表す（図９参照）。Pthlow及びPthhighは、メモリ４４に予め格納されている。
セル選択器４００は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５００の各々から送信された電流検出値及び電圧検出値に基づいて、ＣＰＵ４３により、ＤＣ／ＤＣコンバータ５００の各々の出力電力Poutを計算する。セル選択器４００は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５００の各々の出力電力Poutの計算結果に基づいて、図１８に示される関係則を用いて、優先選択パラメータを計算する。
図１８において、変化量Δxの値が正のとき（Δx＞0）、セル選択器４００がデューティ比xを増加させるとき（つまり、ソーラーパネル１００の出力電流を増加させてソーラーパネル１００の出力電力を最大電力Psolar_maxに近づけるとき）を表す。一方、変化量Δxの値が負のとき（Δx＜0）、セル選択器４００がデューティ比xを減少させるとき（つまり、ソーラーパネル１００の出力電流を減少させてソーラーパネル１００の出力電力を最大電力Psolar_maxに近づけるとき）を表す。
Δx＞0のとき、セル選択器４００は、複数のＤＣ／ＤＣコンバータ５００のうちPoutがPthlowよりも小さなコンバータについての優先選択パラメータを１．０増やす。これにより、所望の効率未満で動作するコンバータがデューティ比xを変化させる対象として優先的に選択される確率を高めることができる。また、Δx＞0のとき、セル選択器４００は、複数のＤＣ／ＤＣコンバータ５００のうちPoutがPthhighよりも大きいコンバータについての優先選択パラメータを２．０減らす。また、Δx＞0のとき、セル選択器４００は、複数のＤＣ／ＤＣコンバータ５００のうち優先選択パラメータが最も大きいコンバータについての優先選択パラメータを更に１．０増やす。これにより、本処理フローが繰り返されると、優先選択パラメータが最も大きいコンバータについては、PoutがPthhighよりも大きくなるので、優先選択パラメータは減少し、優先的に選択される確率が低くなる。
一方、Δx＜0のとき、セル選択器４００は、複数のＤＣ／ＤＣコンバータ５００のうちPoutがPthhighよりも大きいコンバータについての優先選択パラメータを５．０増やす。これにより、所望の効率未満で動作するコンバータがデューティ比xを変化させる対象として優先的に選択される確率を高めることができる。また、Δx＜0のとき、セル選択器４００は、複数のＤＣ／ＤＣコンバータ５００のうちPoutがPthlowよりも小さなコンバータについての優先選択パラメータを２．０増やす。これにより、所望の効率未満で動作するコンバータがデューティ比xを変化させる対象として優先的に選択される確率を高めることができる。また、Δx＜0のとき、セル選択器４００は、複数のＤＣ／ＤＣコンバータ５００のうち優先選択パラメータが最も小さいコンバータについての優先選択パラメータを１．０増やす。これにより、優先選択パラメータが最も小さいコンバータがデューティ比xを変化させる対象として優先的に選択される確率を高めることができる。
ステップＳ５０には、セル選択器４００は、複数のＤＣ／ＤＣコンバータ５００のうち優先選択パラメータが最大のコンバータを選択する。ステップＳ６０にて、セル選択器４００は、ＭＰＰＴ制御器３００の生成部１０によって指定された変化量Δxを用いて、ステップＳ５０で選択したコンバータの目標デューティ比を（x＋Δx）に変更する。つまり、セル選択器４００は、ステップＳ５０で選択したコンバータがデューティ比を変化させる対象として選択されたことを表すセル選択信号を出力するとともに、目標デューティ比（x＋Δx）を出力する。ここで、セル選択器４００は、使用優先順位（図１２，１３参照）の高いセル又はＤＣ／ＤＣコンバータほど優先的に使用されるように、セル選択信号を出力することが好ましい。
ステップＳ７０にて、ソーラーパネル１００の出力電力の変化が検出されるまで待機する。クロック３ａの次の周期が検出されると、ステップＳ１０以降の処理が再び行われる。
図１９は、ソーラーパネル１００と４つのＤＣ／ＤＣコンバータ５００（ＤＤ−１，ＤＤ−２，ＤＤ−３，ＤＤ−４）の各出力電力の変化の一例を示すタイミングチャートである。図２０は、４つのＤＣ／ＤＣコンバータ５００（ＤＤ−１，ＤＤ−２，ＤＤ−３，ＤＤ−４）のそれぞれについての、デューティ比xと優先選択パラメータの変化の一例を示すタイミングチャートである。図１９，２０は、図１７，１８に示された処理フローを実行したときの実施例を示す。図２０は、図１９の０秒から３０秒までの期間を拡大して示している。図１９，２０に示されるように、ソーラーパネル１００の出力電力が変動しても、各々のＤＣ／ＤＣコンバータを所望の効率以上となる出力電力範囲又はその近傍で動作させることができる。よって、複数のＤＣ／ＤＣコンバータ全体の電力変換効率も向上する。
ところで、セル選択器４００は、複数のＤＣ／ＤＣコンバータ５００又は複数のセル２００の各々の動作時間を平準化する機能を有してもよい。セル選択器４００のＣＰＵ４３は、正常動作しているセル２００に電力を供給するＤＣ／ＤＣコンバータ５００が動作している時間（各々のセル２００が通電している時間）をタイマ４５を用いてカウントした値（カウント時間）をメモリ４４に記録する。これにより、動作時間リストがメモリ４４内に作成される。セル選択器４００のＣＰＵ４３は、作成した動作時間リストを参照して、動作時間の短いセルほど余命の長い（劣化の進んでいない）セルと判断する。ＣＰＵ４３は、動作時間の最も短いセルが優先的に動作するように、当該セルの使用を選択するセル選択信号を出力する。これにより、複数のセル２００の各々の動作時間を平準化することができるので、一部のセル２００の劣化が過度に進行することを防ぐことができる。
セル選択器４００のＣＰＵ４３は、複数のＤＣ／ＤＣコンバータ５００の各々からＣＯＭ４７を経由して収集した電流値及び電圧値に基づいて、複数のセル２００の各々のセル抵抗値を計算し、メモリ４４に記録する。これにより、セル抵抗リストがメモリ４４内に作成される。セル選択器４００のＣＰＵ４３は、作成したセル抵抗リストを参照して、セル抵抗値の小さいセルほど余命の長い（劣化の進んでいない）セルと判断する。ＣＰＵ４３は、セル抵抗値の最も小さいセルが優先的に動作するように、当該セルの使用を選択するセル選択信号を出力する。これにより、複数のセル２００の各々のセル抵抗値を平準化することができるので、一部のセル２００の劣化が過度に進行することを防ぐことができる。
セル選択器４００のＣＰＵ４３は、セル抵抗値が予め決められた閾値を超えたセル２００は劣化したと判定する。セル選択器４００は、劣化したセル２００の使用を中止するため、例えば、その劣化したセル２００に供給する電流を制御するＤＣ／ＤＣコンバータ５００の動作を止めるセル選択信号をＧＰＩＯ４６（図１０，１１参照）を介して出力する。また、セル選択器４００のＣＰＵ４３は、複数のセル２００の中でセル抵抗値が閾値を超えたセル２００に対応するアラーム装置６００（図２参照）にアラームを発生させる。光や音などによるアラームが発生することによって、劣化したセルをユーザに識別させることができる。
セル選択器４００は、メモリ４４に記録されている複数のセル２００の各々の属性に応じて、複数のＤＣ／ＤＣコンバータ５００及び複数のセル２００のどれを動作させるのかを示すセル選択信号を出力する。セル２００の属性の具体例として、セル２００の使用時間、セル２００のセル抵抗値などが挙げられる。
例えば、セル選択器４００のＣＰＵ４３は、複数のセル２００の各々の属性を参照して、セル２００の使用優先順位を決定する。セル選択器４００のＣＰＵ４３は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５００のそれぞれに対して、使用優先順位の高いセルから順に使用されるようにセル選択信号を出力する。セル選択器４００のＣＰＵ４３は、タイマ４５をスタートさせ、セル２００又はＤＣ／ＤＣコンバータ５００の各々の動作時間（使用時間）を計測する。
図８において、ＧＰＩＯ６０よりセル選択信号を受けて起動したＤＣ／ＤＣコンバータ５００は、ＣＯＭ５９経由で伝送された目標デューティ比に基づいて、スイッチ５１のスイッチングのデューティ比xを制御する。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ５００は、電流検出回路６１により検出された電流の電流検出値をＡＤ変換した値と、電圧検出回路６２により検出された電圧の電圧検出値をＡＤ変換した値とを、ＣＯＭ５９経由でセル選択器４００に送信する。
セル選択器４００は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５００の各々から送信された電流検出値及び電圧検出値に基づいて、ＣＰＵ４３によりセル抵抗値を計算し、メモリ４４内のセル属性リストに記録する。セル選択器４００は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５００の各々から送信された電流検出値及び電圧検出値に基づいて、ＣＰＵ４３により、ＤＣ／ＤＣコンバータ５００の各々の出力電力Poutを計算する。
セル選択器４００は、タイマ４５からセル２００の各々の動作時間を読み出し、セル属性リスト（図１２，１３参照）に格納された動作時間を更新する。セル選択器４００は、動作時間の更新とともに、セル抵抗値も最新値に更新する。セル選択器４００は、動作時間又はセル抵抗値に基づいて、セル２００の使用優先順位を更新する。セル選択器４００は、動作時間が短いほど又はセル抵抗値が低いほど、使用優先順位を高くする。
例えば、セル選択器４００は、セル２００の電流値と電圧値とが取得されるたびに、セル抵抗値を演算して更新する。これにより、セル２００の使用優先順位を適切に決定することができる。例えば、セル選択器４００は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５００によって制御されているセル２００のセル抵抗値を演算して更新する。これにより、セル２００の使用優先順位を適切に決定することができる。
セル選択器４００は、ＭＰＰＴ制御器３００から提供される制御目標値が変化することによって動作するセル２００の数を増やす場合、停止中のセル２００の中で使用優先順位の最も高いセル２００を新たに動作させるセルとして選択する。一方、セル選択器４００は、ＭＰＰＴ制御器３００から提供される制御目標値が変化することによって動作するセル２００の数を減らす場合、動作中のセル２００の中で使用優先順位の最も低いセル２００を動作を停止させるセルとして選択する。これにより、負荷変動によるセルへの負担を均等化することができる。
図１２，１３が示すセル属性リストには、セル又はＤＣ／ＤＣコンバータの動作時間、セル電流、セル電圧、セル抵抗値が記録されるが、セルの温度やセルが使用中か否かを示すフラグ等も記憶されてもよい。これにより、セル選択器４００は、セル２００の各々の動作状況をより詳しく監視できる。
セル２００の余命は、セル抵抗値で判断することができる。セル選択器４００は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５００に供給するも目標デューティ比を、対応するセル２００のセル抵抗値で補正してもよい。これにより、セル２００が劣化してセル抵抗値が上昇しても、各々のＤＣ／ＤＣコンバータ５００を効率的に動作させることが可能となるので、電解システム全体の電力変換効率の低下を抑制することができる。
図２０は、本開示に係る電解システムの構成の他の一例を示す図である。図２０が示す電解システム２０００では、特定のセルが劣化し使用不能となった場合の動作例が示されている。
セル選択器４００は、複数のセル２００の中で抵抗値が所定の停止判定閾値を超えたセル２００を停止する。セル選択器４００は、例えば、ＭＰＰＴ制御器３００から提供される制御目標値が変化することによって動作するセル２００の数を減らす場合、抵抗値が停止判定閾値を超えたセルを停止すると共に、セル属性リストに使用不可フラグ（例えば図１３に示される使用可の欄の“Ｆ”）を書き込む。
また、セル選択器４００は、停止させるセルを電解システム２０００から切り離す。例えば、セル選択器４００は、セル選択信号を使って、当該セルを制御するＤＣ／ＤＣコンバータ５００の動作を停止する、及び／又は、当該セルを制御するＤＣ／ＤＣコンバータ５００をブレーカ１０４を用いて出力ライン１０１から切り離す。
また、セル選択器４００は、停止させるセルの劣化を表すアラームを発生させてもよい。また、セル選択器４００は、当該セルがメンテナンスされるまで当該セルの動作を継続させてもよい。
劣化したセルのメンテナンスが終了した時点で、セル属性リストにおいて、セル動作時間、セル抵抗値及び使用不可フラグが手動又は自動で初期化され、セルの動作を復帰させる。
したがって、個々のセルが劣化して使用不能になっても、電解システム２０００そのものは継続して動作可能であり、運用効率の向上を図ることが可能である。
このように、本実施形態によれば、図１に示されるようなＡＣ／ＤＣコンバータ９４によって交流を直流に再変換することが不要となるので、電力変換効率が向上する。また、セル選択信号によって、複数のＤＣ／ＤＣコンバータ５００及び複数のセル２００を選択的に使用することができるので、例えば、一つのセル２００の劣化が生じても、他のセル２００を用いて継続動作が可能となる。
以上、電解システム、電解制御装置及び電解システムの制御方法を実施形態により説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。他の実施形態の一部又は全部との組み合わせや置換などの種々の変形及び改良が、本発明の範囲内で可能である。
例えば、発電装置は、再生可能エネルギーの一つである太陽光を用いて電力を発電する装置に限られず、風力などの他の再生可能エネルギーを用いて電力を発電する装置でもよい。
以上の実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記１）
発電した第１の直流電力を出力する発電装置と、
前記発電装置が出力する前記第１の直流電力を、入力される目標デューティ比に応じて、第２の直流電力にそれぞれ変換するとともに、前記第２の直流電力の電圧情報と前記第２の直流電力の電流情報とをそれぞれ出力する複数の変換装置と、
前記複数の変換装置の各々から出力される前記第２の直流電力がそれぞれ入力されて、気体をそれぞれ発生する複数の電解装置と、
前記第１の直流電力の電圧値と前記第１の直流電力の電流値とに基づき、前記発電装置が出力する前記第１の直流電力を最大電力に近づける制御情報を出力する制御装置と、
前記制御装置が出力する前記制御情報と、前記複数の変換装置の各々が出力する前記電圧情報及び前記電流情報とに基づき、前記目標デューティ比と前記複数の電解装置の各々を選択するか否かの選択信号とを、前記複数の変換装置の各々に対して出力する選択装置とを備える、電解システム。
（付記２）
前記選択装置は、デューティ比を指定の変化量変化させる変換装置を前記複数の変換装置の中から選択する、付記１に記載の電解システム。
（付記３）
前記選択装置は、前記複数の変換装置の各々が出力する前記電圧情報及び前記電流情報とに基づき計算されるパラメータに応じて、前記複数の変換装置のうちデューティ比を変化させる対象を選択する、付記１又は２に記載の電解システム。
（付記４）
前記制御情報は、デューティ比xの変化量Δxの値に対応する制御目標値である、付記１から３のいずれか一項に記載の電解システム。
（付記５）
前記選択装置は、動作する電解装置の数を増やす場合、停止中の電解装置の中で使用優先順位の最も高い電解装置を選択し、動作する電解装置の数を減らす場合、動作中の電解装置の中で使用優先順位の最も低い電解装置を選択する、付記１から４のいずれか一項に記載の電解システム。
（付記６）
前記選択装置は、前記複数の電解装置の各々の属性に応じて、前記選択信号を出力する、付記１から５のいずれか一項に記載の電解システム。
（付記７）
前記属性は、抵抗値であり、
前記選択装置は、前記複数の電解装置のうち前記抵抗値の小さい電解装置ほど優先的に動作するように、前記選択信号を出力する、付記６に記載の電解システム。
（付記８）
前記属性は、動作時間であり、
前記選択装置は、前記複数の電解装置のうち前記動作時間の短い電解装置ほど優先的に動作するように、前記選択信号を出力する、付記６に記載の電解システム。
（付記９）
前記選択装置は、前記複数の電解装置の各々の抵抗値に応じて、前記目標デューティ比を補正する、付記１から８のいずれか一項に記載の電解システム。
（付記１０）
前記選択装置は、前記複数の電解装置の中で抵抗値が閾値を超えた電解装置に対応するアラームを発生させる、付記１から９のいずれか一項に記載の電解システム。
（付記１１）
前記選択装置は、前記複数の電解装置の中で抵抗値が閾値を超えた電解装置を停止する、付記１から１０のいずれか一項に記載の電解システム。
（付記１２）
発電した第１の直流電力を出力する発電装置が出力する前記第１の直流電力を、入力される目標デューティ比に応じて、第２の直流電力にそれぞれ変換するとともに、前記第２の直流電力の電圧情報と前記第２の直流電力の電流情報とをそれぞれ出力する複数の変換装置と、前記複数の変換装置の各々から出力される前記第２の直流電力がそれぞれ入力されて、気体をそれぞれ発生する複数の電解装置とを制御する電解制御装置であって、
前記第１の直流電力の電圧値と前記第１の直流電力の電流値とに基づき、前記発電装置が出力する前記第１の直流電力を最大電力に近づける制御情報を出力する制御装置と、
前記制御装置が出力する前記制御情報と、前記複数の変換装置の各々が出力する前記電圧情報及び前記電流情報とに基づき、前記目標デューティ比と前記複数の電解装置の各々を選択するか否かの選択信号とを、前記複数の変換装置の各々に対して出力する選択装置とを備える、電解制御装置。
（付記１３）
発電した第１の直流電力を出力する発電装置を有する電解システムの制御方法であって、
前記電解システムが備える複数の変換装置は、前記発電装置が出力する前記第１の直流電力を、入力される目標デューティ比に応じて、第２の直流電力にそれぞれ変換するとともに、前記第２の直流電力の電圧情報と前記第２の直流電力の電流情報とをそれぞれ出力し、
前記電解システムが備える複数の電解装置は、前記複数の変換装置の各々から出力される前記第２の直流電力がそれぞれ入力されて、気体をそれぞれ発生し、
前記電解システムが備える制御装置は、前記第１の直流電力の電圧値と前記第１の直流電力の電流値とに基づき、前記発電装置が出力する前記第１の直流電力を最大電力に近づける制御情報を出力し、
前記電解システムが備える選択装置は、前記制御装置が出力する前記制御情報と、前記複数の変換装置の各々が出力する前記電圧情報及び前記電流情報とに基づき、前記目標デューティ比と前記複数の電解装置の各々を選択するか否かの選択信号とを、前記複数の変換装置の各々に対して出力する、電解システムの制御方法。
１００ ソーラーパネル
２００ セル
３００ ＭＰＰＴ制御器
４００ セル選択器
５００ ＤＣ／ＤＣコンバータ
７００ 電解制御装置
１０００，２０００ 電解システム

Claims (10)

  1. 発電した第１の直流電力を出力する発電装置と、
    前記発電装置が出力する前記第１の直流電力を、入力される目標デューティ比に応じて、第２の直流電力にそれぞれ変換するとともに、前記第２の直流電力の電圧情報と前記第２の直流電力の電流情報とをそれぞれ出力する複数の変換装置と、
    前記複数の変換装置の各々から出力される前記第２の直流電力がそれぞれ入力されて、気体をそれぞれ発生する複数の電解装置と、
    前記第１の直流電力の電圧値と前記第１の直流電力の電流値とに基づき、前記発電装置が出力する前記第１の直流電力を最大電力に近づける制御情報を出力する制御装置と、
    前記制御装置が出力する前記制御情報と、前記複数の変換装置の各々が出力する前記電圧情報及び前記電流情報とに基づき、前記目標デューティ比と前記複数の電解装置の各々を選択するか否かの選択信号とを、前記複数の変換装置の各々に対して出力する選択装置とを備える、電解システム。
  2. 前記選択装置は、デューティ比を指定の変化量変化させる変換装置を前記複数の変換装置の中から選択する、請求項１に記載の電解システム。
  3. 前記選択装置は、前記複数の変換装置の各々が出力する前記電圧情報及び前記電流情報とに基づき計算されるパラメータに応じて、前記複数の変換装置のうちデューティ比を変化させる対象を選択する、請求項１又は２に記載の電解システム。
  4. 前記制御情報は、デューティ比xの変化量Δxの値に対応する制御目標値である、請求項１から３のいずれか一項に記載の電解システム。
  5. 前記選択装置は、動作する電解装置の数を増やす場合、停止中の電解装置の中で使用優先順位の最も高い電解装置を選択し、動作する電解装置の数を減らす場合、動作中の電解装置の中で使用優先順位の最も低い電解装置を選択する、請求項１から４のいずれか一項に記載の電解システム。
  6. 前記選択装置は、前記複数の電解装置の各々の属性に応じて、前記選択信号を出力する、請求項１から５のいずれか一項に記載の電解システム。
  7. 前記属性は、抵抗値であり、
    前記選択装置は、前記複数の電解装置のうち前記抵抗値の小さい電解装置ほど優先的に動作するように、前記選択信号を出力する、請求項６に記載の電解システム。
  8. 前記属性は、動作時間であり、
    前記選択装置は、前記複数の電解装置のうち前記動作時間の短い電解装置ほど優先的に動作するように、前記選択信号を出力する、請求項６に記載の電解システム。
  9. 発電した第１の直流電力を出力する発電装置が出力する前記第１の直流電力を、入力される目標デューティ比に応じて、第２の直流電力にそれぞれ変換するとともに、前記第２の直流電力の電圧情報と前記第２の直流電力の電流情報とをそれぞれ出力する複数の変換装置と、前記複数の変換装置の各々から出力される前記第２の直流電力がそれぞれ入力されて、気体をそれぞれ発生する複数の電解装置とを制御する電解制御装置であって、
    前記第１の直流電力の電圧値と前記第１の直流電力の電流値とに基づき、前記発電装置が出力する前記第１の直流電力を最大電力に近づける制御情報を出力する制御装置と、
    前記制御装置が出力する前記制御情報と、前記複数の変換装置の各々が出力する前記電圧情報及び前記電流情報とに基づき、前記目標デューティ比と前記複数の電解装置の各々を選択するか否かの選択信号とを、前記複数の変換装置の各々に対して出力する選択装置とを備える、電解制御装置。
  10. 発電した第１の直流電力を出力する発電装置を有する電解システムの制御方法であって、
    前記電解システムが備える複数の変換装置は、前記発電装置が出力する前記第１の直流電力を、入力される目標デューティ比に応じて、第２の直流電力にそれぞれ変換するとともに、前記第２の直流電力の電圧情報と前記第２の直流電力の電流情報とをそれぞれ出力し、
    前記電解システムが備える複数の電解装置は、前記複数の変換装置の各々から出力される前記第２の直流電力がそれぞれ入力されて、気体をそれぞれ発生し、
    前記電解システムが備える制御装置は、前記第１の直流電力の電圧値と前記第１の直流電力の電流値とに基づき、前記発電装置が出力する前記第１の直流電力を最大電力に近づける制御情報を出力し、
    前記電解システムが備える選択装置は、前記制御装置が出力する前記制御情報と、前記複数の変換装置の各々が出力する前記電圧情報及び前記電流情報とに基づき、前記目標デューティ比と前記複数の電解装置の各々を選択するか否かの選択信号とを、前記複数の変換装置の各々に対して出力する、電解システムの制御方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102518182B1 (ko) * 2018-02-14 2023-04-07 현대자동차주식회사 친환경 차량용 컨버터 제어장치 및 방법
CN109144162A (zh) * 2018-08-03 2019-01-04 东泰高科装备科技有限公司 光伏电池的最大功率点跟踪方法及装置、存储介质
CN112290579B (zh) * 2019-07-12 2023-04-07 阳光电源股份有限公司 一种直流耦合离网制氢系统及其控制方法
WO2021045017A1 (ja) * 2019-09-06 2021-03-11 国立大学法人神戸大学 光分解モジュール、光分解セル、分解システム、生活環境持続システム、及び供給量調整システム
JP7416088B2 (ja) * 2019-12-09 2024-01-17 富士通株式会社 水電気分解システム
WO2021117096A1 (ja) * 2019-12-09 2021-06-17 富士通株式会社 水電気分解装置及び水電気分解システム
JP7184028B2 (ja) * 2019-12-19 2022-12-06 トヨタ自動車株式会社 電力制御システム、電動車両および電力制御方法
WO2021229652A1 (ja) * 2020-05-11 2021-11-18 富士通株式会社 水電解システム及び電流制御装置
DE102020115711A1 (de) * 2020-06-15 2021-12-16 Thyssenkrupp Uhde Chlorine Engineers Gmbh Verfahren zur bedarfsabhängigen Regelung einer elektrochemischen Anlage
EP4027419B1 (en) * 2021-01-12 2024-03-27 DynElectro ApS Power converter systems for electrolysis stacks
WO2022161595A1 (de) * 2021-01-26 2022-08-04 Hoeller Electrolyzer Gmbh Verfahren zum betreiben eines elektrolysestacks
US11697882B2 (en) 2021-06-03 2023-07-11 Analog Devices, Inc. Electrolyzer system converter arrangement
JP2024024259A (ja) * 2022-08-09 2024-02-22 三菱重工業株式会社 水素製造設備用の制御装置、水素製造設備、水素製造設備の制御方法及び水素製造設備用の制御プログラム

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5840172A (en) * 1997-03-25 1998-11-24 Whatman Inc. Direct current hydrogen generator, system and method
JP4523116B2 (ja) * 2000-05-25 2010-08-11 本田技研工業株式会社 水電解システムの運転方法
JP2004244653A (ja) 2003-02-12 2004-09-02 Toyota Central Res & Dev Lab Inc 水電解システム
JP4406866B2 (ja) * 2003-10-27 2010-02-03 株式会社Ｉｈｉ 水素製造設備
DE112005001405T5 (de) * 2004-06-18 2007-08-09 General Motors Corp. (N.D.Ges.D. Staates Delaware), Detroit System und Systeme für die Erzeugung und Verwendung von Wasserstoff
JP4842577B2 (ja) * 2005-07-29 2011-12-21 本田技研工業株式会社 水電解システムの運転方法
US8007654B2 (en) * 2006-02-10 2011-08-30 Tennant Company Electrochemically activated anolyte and catholyte liquid
WO2010048706A1 (en) * 2008-10-30 2010-05-06 Next Hydrogen Corporation Power dispatch system for electrolytic production of hydrogen from wind power
DE102011107935A1 (de) * 2011-07-19 2013-01-24 Thyssenkrupp Uhde Gmbh Verfahren zur Bestimmung eines sicheren und wirtschaftlichen stromdichteabhängigen Spannungs- und/oder spezifischen Energieverbrauchsbetriebsbereichs
JP5837081B2 (ja) 2011-09-30 2015-12-24 株式会社日立製作所 水素製造システム
DE102013213982A1 (de) * 2013-07-17 2015-03-12 Bayer Materialscience Ag Verfahren und System zur Überwachung der Funktionsfähigkeit von Elektrolysezellen
JP5862639B2 (ja) * 2013-10-22 2016-02-16 トヨタ自動車株式会社 太陽電池制御装置
JP2015164028A (ja) * 2014-02-03 2015-09-10 株式会社三社電機製作所 太陽光発電を利用した電解システム
JP6346013B2 (ja) * 2014-07-11 2018-06-20 株式会社東芝 高温水蒸気電解を用いた水素製造装置及び方法
JP6605884B2 (ja) * 2014-09-02 2019-11-13 株式会社東芝 水素製造システム及び水素製造方法
JP6897250B2 (ja) * 2017-04-07 2021-06-30 富士通株式会社 電解システム、電解制御装置及び電解システムの制御方法

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