WO2012073383A1

WO2012073383A1 - 自然エネルギ貯蔵システム

Info

Publication number: WO2012073383A1
Application number: PCT/JP2010/071745
Authority: WO
Inventors: 寛人内藤; 杉政　昌俊; 石川　敬郎
Original assignee: 株式会社日立製作所
Priority date: 2010-12-03
Filing date: 2010-12-03
Publication date: 2012-06-07
Also published as: DK2648314T3; US20140079593A1; EP2648314A1; EP2648314A4; JP5653452B2; EP2648314B1; JPWO2012073383A1; US9028781B2

Abstract

【課題】自然エネルギ量の変動を考慮しつつ高効率で自然エネルギを貯蔵供給可能とした自然エネルギ貯蔵システムを提供する。【解決手段】自然エネルギを貯蔵する自然エネルギ貯蔵システムであって、自然エネルギ１を電力に変換する発電手段２と、電力を蓄電する蓄電手段３と、発電手段２によって得られた電力、及び／又は、蓄電手段３に蓄電された電力を用いて水素を製造する水素製造手段４と、水素製造手段４によって製造された水素を不飽和炭化水素に対して付加させる水添手段５と、水素が不飽和炭化水素に付加されて生成した飽和炭化水素を貯蔵する飽和炭化水素貯蔵手段７と、不飽和炭化水素を貯蔵する不飽和炭化水素貯蔵手段８と、不飽和炭化水素貯蔵手段８に貯蔵された不飽和炭化水素の水添手段５への供給量を制御する不飽和炭化水素供給量制御手段６と、を備えていることを特徴とする、自然エネルギ貯蔵システム。

Description

自然エネルギ貯蔵システム

　本発明は、自然エネルギ貯蔵システムに関する。

　化石燃料の大量消費が続き、例えば二酸化炭素等による地球温暖化、都市部の大気汚染等が深刻なものとなっている。このような中で、化石燃料に代わる次世代を担うエネルギ源として、水素が注目されている。水素は例えば太陽電池、風力等に代表される自然エネルギを用いて、電気分解による製造が可能であり、さらには、燃焼されることで水のみを生成する。従って、水素は、製造及び使用に伴う環境汚染物質の排出が少ない、クリーンなエネルギ源である。

　また、水素の製造方法として、化石燃料の水蒸気改質が工業的に広く利用されている。また、このほかにも、鉄又はソーダ製造に伴う副生水素、熱分解、光触媒、微生物、水の電気分解を用いた反応等、多数の製造方法が知られている。中でも、水の電気分解に必要な電力としては様々の供給源からの電力を利用することが可能である。従って、水の電気分解による水素の製造方法は、特定の地域に依存しないエネルギ源の製造方法として重要視されている。

　しかし、水素をエネルギ源（即ち燃料）として用いるためには、水素の輸送、貯蔵、供給システム等が大きな課題となりえる。具体的には、水素は常温常圧で気体であるため、液体及び固体に比べて、貯蔵及び輸送が困難であるという課題がある。さらに、水素は可燃性物質であり、空気と水素とが所定の混合比で混合されると、水素が爆発的に反応する可能性がある。

　これらの課題を解決する技術として、例えば特許文献１には、炭化水素燃料を脱硫装置で脱硫した後、水蒸気を加えて水蒸気改質器に供給し、ここで水素を発生させ、この水素を燃料電池に供給し、酸素と反応させて電気エネルギを取り出す燃料電池発電システムが記載されている。

　また、近年、安全性、運搬性及び貯蔵能力に優れた水素貯蔵方法として、例えばシクロヘキサン、デカリン等の炭化水素を用いた有機ハイドライドシステムが注目されている。これらの炭化水素は常温常圧で液体であるため、気体の場合と比べて容易に貯蔵及び運搬できる。例えば、ベンゼン及びシクロヘキサンは同じ炭素数を有する環状炭化水素であるが、ベンゼンは二重結合を有する不飽和炭化水素であるのに対し、シクロヘキサンは二重結合を有さない飽和炭化水素である。即ち、不飽和炭化水素であるベンゼンに対して水素が付加されることにより、飽和炭化水素であるシクロヘキサンが得られる。また、シクロヘキサンから水素が脱離されることにより、ベンゼンが得られる。このように、ベンゼン及びシクロヘキサンを用いた水素付加反応と水素脱離反応とを利用し、水素の貯蔵と供給とが可能になるシステムが、例えば特許文献２に記載されている。

　しかしながら、自然エネルギを利用した有機ハイドライドシステムを構築するためには、自然エネルギにより発生する電力量（即ち発電量）を考慮しなければならないことがある。つまり、自然エネルギによる発電量は、通常は気象条件によって変化する。例えば、自然エネルギとして風力を用いた風力発電の場合においては風の強弱、太陽光を用いた太陽光発電の場合には日照の強弱及び日照時間等により、発電量は変化することとなる。

　このような電力量の変化に対応するために、例えば特許文献３には、負荷に電力を供給する風力発電装置と前記風力発電装置から電力の供給を受ける電解水素製造装置とを有する風力発電水素製造装置であって、予め設定された負荷に供給する電力を目標値とし、前記風力発電装置が発電する発電出力と前記目標値との差分を前記電解水素製造装置に供給する風力発電水素製造装置が記載されている。

　また、例えば特許文献４には、商用電力の電力コスト、水素利用装置での水素消費量、及び水素貯蔵手段による水素貯蔵量に応じて水電解装置の運転を制御するコントローラを備える水素利用システムが記載されている。

特開平７－１９２７４６号公報国際公開第２００６／１２０８４１号パンフレット特開２００７－２４９３４１号公報特開２００２－１８０２８１号公報

　例えば風力発電、太陽光発電等によって得られた電力を蓄電池に直接貯蔵（即ち充電）する場合、長期間に亘って得られた電力を貯蔵しようとすると大量の電力を貯蔵しうる容量の蓄電池を用いなければならないことがある。そのため、蓄電池の大きさが極めて大型化したり、蓄電池の製造コストが増加したりすることがある。また、蓄電池に貯蔵された電力を輸送することを考えた場合、極めて大型の蓄電池を輸送しなければならないことがあるため、輸送が煩雑となることがある。

　また、従来の技術に拠っては、蓄電池の充放電を制御するに当たって専用の装置が必要になったり、設備コストが高くなったりすることがある。さらには、前記のように例えば太陽光発電であれば日照の強弱及び日照時間によって自然エネルギ量が変化するため、場合によっては自然エネルギの損失が生じ、自然エネルギを有効利用できないこともある。

　本発明は前記の課題を解決するべく為されたものであり、その目的は、自然エネルギ量の変動を考慮しつつ高効率で自然エネルギを貯蔵供給可能とした自然エネルギ貯蔵システムを提供することにある。

　本発明者らは前記課題を解決するために鋭意検討した結果、少なくとも、不飽和炭化水素に水素を付加する際に当該不飽和炭化水素の量を適切に制御することにより前記課題を解決できることを見出し、本発明を完成させた。

　本発明に拠れば、自然エネルギ量の変動を考慮しつつ高効率で自然エネルギを貯蔵供給可能とした自然エネルギ貯蔵システムを提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る自然エネルギ貯蔵システムの構成を模式的に表す図である。本発明の第２実施形態に係る自然エネルギ貯蔵システムの構成を模式的に表す図である。本発明の第３実施形態に係る自然エネルギ貯蔵システムの構成を模式的に表す図である。本発明の第４実施形態に係る自然エネルギ貯蔵システムの構成を模式的に表す図である。本発明の第５実施形態に係る自然エネルギ貯蔵システムの構成を模式的に表す図である。本発明の第６実施形態に係る自然エネルギ貯蔵システムの構成を模式的に表す図である。本発明の第１実施形態に係る自然エネルギ貯蔵システムにおける、不飽和炭化水素量の制御フローを表す図である。本発明の第２実施形態に係る自然エネルギ貯蔵システムにおける、不飽和炭化水素量の制御フローを表す図である。本発明の第３実施形態に係る自然エネルギ貯蔵システムにおける、不飽和炭化水素量の制御フローを表す図である。

　以下、図面を適宜参照しながら、本実施形態に係る自然エネルギ貯蔵システムを６つの具体例を挙げて説明する。

［１．第１実施形態］
＜構成＞
　図１は、本発明の第１実施形態に係る自然エネルギ貯蔵システムの構成を模式的に表す図である。図１において、長い破線矢印は自然エネルギ（例えば太陽光、風力等）の向きを、実線矢印は電気エネルギ（電力）の向きを、短い破線矢印は燃料エネルギ（例えば水素、メチルベンゼン等）の向きを、破線は各手段同士を接続する配線であって信号の授受を表している。

　図１に示すように、第１実施形態に係る自然エネルギ貯蔵システム１００は、自然エネルギ１を貯蔵するものである。そして、自然エネルギ貯蔵システム１００は、発電手段としての発電装置２と、蓄電手段としての蓄電池３と、水素製造手段としての水素製造装置４と、水添手段としての水添装置５と、飽和炭化水素貯蔵手段としての飽和炭化水素タンク７と、不飽和炭化水素貯蔵手段としての不飽和炭化水素タンク８と、不飽和炭化水素供給量制御手段（流量制御機構）としての制御装置６と、を少なくとも備えて構成されている。

　また、図１に示す第１実施形態に係る自然エネルギ貯蔵システム１００は、信号検出部１０と演算処理装置１１とを備えている。
　そして、このような構成を有する自然エネルギ貯蔵システム１００が、自然エネルギ１に対して適用されるようになっている。

　自然エネルギ１は、例えば太陽光、風力、地熱、水力等の再生可能エネルギを表す。また、自然エネルギ１は、発電装置２との電気的若しくは物理的な接続線、配管等は存在せず、地球気象条件に基づくものである。具体的には、自然エネルギ１が例えば太陽光である場合、後記する発電装置２は例えば太陽電池、太陽光発電システム等となる。

　発電装置２は、例えば太陽光、風力等の自然エネルギ１を電力に変換するものである。発電装置２は、蓄電池３及び水素製造装置４と電気的に接続され、発電装置２で発電した電力を蓄電池３及び水素製造装置４に供給できるようになっている。また、発電装置２は信号検出部１０と電気信号線によって接続されている。

　また、図１には図示していないが、発電装置２には、自身が発電した電力を出力する際の出力電力を制御する電力制御手段が設けられている。そして、この電力制御手段によって、蓄電池３及び水素製造装置４への電力供給量を調整するようになっている。

　蓄電池３は発電装置２によって発電した電力を蓄電するものである。蓄電池３は、発電装置２及び水素製造装置４と電気的に接続され、必要に応じて蓄電池３に蓄電された電力を水素製造装置４に供給することができるようになっている。また、蓄電池３は信号検出部１０と電気信号線によって接続されている。

　蓄電池３の具体的な構成は特に制限されず、公知の任意の蓄電池（二次電池）を用いることができる。ただし、蓄電池３としては、満充電状態から放電し、一定放電後に再度充電を実施する繰り返し用途専用に製造されるサイクル用蓄電池が望ましい。具体的には、蓄電池３としては、例えばナトリウム硫黄電池、鉛蓄電池等が挙げられ、中でも、電気的性能に優れ、コンパクトで安価な鉛蓄電池が好ましい。なお、蓄電池３は１個の蓄電池により構成されてもよく、２個以上の蓄電池を任意に接続して蓄電池群として構成してもよい。

　水素製造装置４は、発電装置２によって得られた電力、及び／又は、蓄電池３に蓄電された電力を用いて水素を製造するものである。具体的には、水素製造装置４においては、これらの電力を用いて水（若しくは水溶液）を電気分解することにより、少なくとも水素が発生するようになっている。従って、発電装置２、及び／又は、蓄電池３から水素製造装置４に供給される電力が多ければ多いほど、水素製造装置４において製造される（発生する）水素の量も多くなるようになっている。水素製造装置４は、発電装置２及び蓄電池３と電気的に接続され、水添装置５とガス配管により接続され、信号検出部１０と電気信号線により接続されている。

　水素製造装置４の具体的な構成は特に制限されないが、水素製造装置４は、例えば、水と、電解質と、当該電解質を挟むように設けられた反応促進用の電極触媒と、外部電力を供給する集電体等を保持した電気分解セルを有している。そして、この電極触媒により水が電気分解され、水素及び酸素が発生するようになっている。

　前記の電解質としては、電気分解することにより少なくとも水素が発生するものであれば特に制限は無いが、例えば水酸化カリウム等の、水に溶解させたときにアルカリ性を示す化合物が好ましい。このような化合物を用いることにより、安価かつ腐食しにくい水素製造装置４とすることができる。また、電解質としては、例えばナフィオン（登録商標）等の固体高分子型電解質を用いることもできる。

　前記のように構成した水素製造装置４は、いずれも１００℃以下の低温下での運転が可能であり、さらには、短時間で起動可能な利点を有する。

　水の電気分解条件は特に制限されず、少なくとも水素を発生させることができれば任意の設定にすることができる。ただし、水の蒸発を抑制する観点から、電気分解時（即ち水素製造時）の圧力を、ゲージ圧で１気圧以上５０気圧以下（即ち０．１ＭＰａ以上５ＭＰａ以下）とすることが好ましい。このようにすることで、発生した水素を貯蔵するときに高圧化するための装置が不要となり、低コストとなるという利点がある。また、反応効率を向上させることもできる。発生した水素の圧力を高める方法としては、例えば水素製造装置４内部に例えば窒素、ヘリウム等の不活性気体の注入、電気分解により発生した気体を一定の圧力まで封じこめる方法等が挙げられる。また、圧力を制御する方法としては、例えば圧力レギュレータを用いたり、公知のコンプレッサを用いたりしてもよい。

　また、過電圧を低減し、エネルギ効率を高める観点から、１００℃以上２００℃以下程度の温度で電気分解を行うことが好ましい。

　水素製造装置４において発生した水素は、水添装置５（後記する）に供給される前に、水分管理のために気液分離装置等を介して水分が除去される。気液分離装置の具体的な構成としては特に制限されないが、例えば冷却による気液分離、水素分離膜等を用いることができ、中でも水素分離膜を用いることが好ましい。なお、除去された水分は水素製造装置４内を循環し、当該水分が電気分解されるようになっている。

　そして、水分除去後の水素は、ガス配管によって接続された水添装置５に供給されるようになっている。なお、水分除去後の水素は直接水添装置５に供給されるようにしてもよいが、図１に示す第１実施形態においては、当該水素を例えば高圧タンク等の水素貯蔵手段（図１において図示していない）に一時的に貯蔵するようになっている。このように構成することで、不飽和炭化水素タンク８内の不飽和炭化水素が無くなった場合、若しくは飽和炭化水素タンク７に飽和炭化水素を収容しきれなくなった場合にも、自然エネルギ１を失うことなく保存できる。換言すると、自然エネルギ１を無駄なく貯蔵できる。

　水素貯蔵手段の具体的な構成は特に制限されるものではないが、例えば公知の水素ボンベ、高圧ガス用の圧力容器等を用いることができる。これらは１種を単独で設けてもよく、２種以上を任意に組み合わせて設けてもよい。水素貯蔵手段を構成する材料としては、例えば鋼板、カーボン繊維で強化されたプラスチック等が挙げられ、水素製造装置４にかかる圧力以上の耐圧容器を用いることが特に好ましい。

　また、水素貯蔵手段としては、水素吸蔵合金を用いることもできる。水素吸蔵合金としては、例えば希土類金属－ニッケル系等のＡＢ５型合金、チタン系、クロム系等の体心立方（ＢＣＣ）構造を有する合金等が挙げられる。これらの水素吸蔵合金を上記の容器等内に存在させることにより、水素貯蔵量を増加させることができる。また、同一体積の水素を貯蔵する場合には、水素貯蔵手段の圧力を低下させてもよい。

　水素製造装置４と水添装置５とはガス配管（パイプライン）によって接続されていることが好ましい。ただし、これらがガス配管によって接続されている必要は必ずしも無く、例えば高圧タンク等を用いて、製造した水素を水添装置５まで運搬（即ち水添装置５に供給）するようにしてもよい。

　水添装置５は、水素製造装置４によって製造された水素を不飽和炭化水素に対して付加させるものである。水添装置５は、前記のように水素製造装置４とガス配管によって接続されているほか、飽和炭化水素タンク７及び不飽和炭化水素タンク８（いずれも後記する）と液体配管によって接続されている。従って、不飽和炭化水素は不飽和炭化水素タンク８から水添装置５に供給される。なお、水添装置５と不飽和炭化水素タンク８との間には、後記する制御装置６が設けられている。

　水添装置５において用いられる不飽和炭化水素の具体的な種類は特に制限されないが、例えばメチルベンゼン等の室温で液体の芳香族化合物を好適に用いることができる。例えば不飽和炭化水素としてメチルベンゼンを用いる場合、得られる飽和炭化水素はメチルシクロヘキサンであり、メチルベンゼン１モルあたりに貯蔵可能な水素分子の物質量は２．５モルとなる。ただし、付加反応時の条件によっては、例えばアントラセン、フェナントレン等も液体になることもあるため、そのような条件で付加反応を行う場合には、これらの芳香族化合物を用いてもよい。これらの芳香族化合物を用いることにより、よりさらに多くの水素を貯蔵することができる。

　このような芳香族化合物は室温で液体であるため貯蔵が容易であり、また、水素付加反応を行わせるときの反応界面が大きくなる利点がある。また、芳香族化合物を用いることにより芳香族化合物１分子あたりに付加しうる水素の物質量を多くすることができ、より多くの水素を少ない不飽和炭化水素量で貯蔵することができる。なお、不飽和炭化水素は１種で用いてもよく、２種以上を任意の比率及び組み合わせで用いてもよい。

　水添装置５において、不飽和炭化水素に対して水素を付加する具体的な方法に特に制限は無い。ただし、低コスト及び反応時間が短いという観点から、通常は触媒を用いて不飽和炭化水素に水素を付加させる。このような触媒としては、例えばＮｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｅ、Ｒｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｏｓ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｆｅ等の金属、及びこれらの合金が挙げられる。触媒を構成する金属及びそれらの合金は、１種が単独であってもよく、２種以上が任意の比率及び組み合わせで用いられてもよい。

　また、これらの触媒は、触媒量の低減による更なる低コスト化と反応表面積の増大化の観点から、微粒子化されていることが好ましい。微粒子化された触媒を用いる場合、微粒子触媒の凝集による表面積の減少を防止する観点から、任意の担体に担持してもよい。担体に触媒を担持させる場合、担持させる方法に特に制限は無く、例えば、共沈法、熱分解法、無電解めっき法等を用いることができる。また、担体の種類も特に制限は無く、例えば活性炭、カーボンナノチューブ、黒鉛等の炭素材料のほか、シリカ、アルミナ、ゼオライト等のアルミナシリケート等を用いることもできる。担体は１種であってもよく、２種以上を任意の比率及び組み合わせで用いてもよい。

　水添装置５における、不飽和炭化水素への水素付加反応条件は特に制限されず、任意に設定すればよい。例えば反応温度は室温（約２５℃）でも水素を付加させることができるが、反応時間をより短くする観点から、２００℃以上４００℃以下程度の温度で付加させることが好ましい。

　また、付加反応時の反応圧力も特に制限されないものの、付加反応効率を上げ、反応時間をより短くすることができるという観点から、水素付加時の圧力を、ゲージ圧で１気圧以上５０気圧以下（即ち０．１ＭＰａ以上５ＭＰａ以下）とすることが好ましい。従って、水素付加時の圧力を高めるために、水素製造装置４と水添装置５との間には、図１には示していないが、例えば圧力レギュレータ等の水素圧力制御手段が設けられている。このような水素圧力制御手段を設けることにより、発生した水素圧力を適切に制御することができる。

　以上のようにして、不飽和炭化水素に水素を付加させることができ、飽和炭化水素が得られる。得られた飽和炭化水素（所謂有機ハイドライド）は、後記する飽和炭化水素タンク７に貯蔵される。

　制御装置６は、不飽和炭化水素タンク８に貯蔵された不飽和炭化水素の水添装置５への供給量を制御する流量制御機構である。前記のように、制御装置６は水添装置５と不飽和炭化水素タンク８との間に設けられ、水添装置５及び不飽和炭化水素タンク８と液体配管により接続されている。また、制御装置６は、電気信号を授受するために、後記する演算処理装置１１と電気信号線により接続されている。

　制御装置６には、演算処理装置１１からの制御信号に基づいて水添装置５に供給される不飽和炭化水素量を制御するインターフェイスと、中央演算処理装置と、バルブ制御部と、流量調整バルブとが備えられている。また、インターフェイスと中央演算処理装置とバルブ制御部とは、バスでそれぞれ接続されている。なお、これらは、図１においてはいずれも図示していない。

　そして、制御装置６においては、演算処理装置１１からの制御信号に基づき、不飽和炭化水素量信号に応じて中央演算処理装置内部のメモリに記憶されていたバルブ制御量を決定する。決定されたバルブ制御量に基づいてバルブ制御部が流量調整バルブを駆動し、バルブ開閉度合いにより不飽和炭化水素の供給量が制御されるようになっている。

　飽和炭化水素タンク７は、水添装置５において生成した飽和炭化水素を収容するものである。従って、飽和炭化水素タンク７は液体配管によって水添装置５と接続されている。また、飽和炭化水素タンク７と水添装置５との間に、飽和炭化水素の飽和炭化水素タンク７への供給量を制御するための例えば流量調整バルブ、流量計等を設けてもよい。

　不飽和炭化水素タンク８は、水添装置５に供給する不飽和炭化水素を貯蔵するものである。前記のように、制御装置６と液体配管によって接続されている。

　信号検出部１０は、発電装置２、蓄電池３、水素製造装置４及び後記する演算処理装置１１と電気信号線により接続されている。そして、信号検出部１０は、発電装置２の出力電圧値を検出する例えば電圧計等の出力電圧検出手段と、蓄電池３の充電電圧値を検出する例えば電圧計等の充電電圧検出手段と、水素製造装置４に供給される電流量を検出する例えば電流計等の電流検出手段と、を備えている。なお、これらはいずれも図１においては図示していない。

　また、信号検出部１０は、発電装置２の出力電流値を検出する例えば電流計等の出力電流検出手段と、蓄電池３の充電電流値を検出する例えば電流計等の充電電流検出手段と、水素製造装置４に印加される電圧値を検出する例えば電圧計等の電圧検出手段と、を、前記のものと併せて備えている。なお、これらはいずれも図１においては図示していない。

　そして、信号検出部１０は、前記出力電圧値、前記充電電圧値及び前記電流量を少なくとも検出するようになっている。さらに、後記する演算処理装置１１が、検出されたこれらの値に基づいて、水素製造装置４によって製造される水素量を推定（演算）するとともに、制御装置６が、推定された水素量に基づいて、水添装置５に供給される不飽和炭化水素の量を制御するようになっている。このように構成することにより、同期的に不飽和炭化水素の供給量を決定することができ、不飽和炭化水素への水素の付加効率を向上させることができる。

　演算処理装置１１は、上記のように、信号検出部１０から送信された各値を基に、水素製造装置４によって製造される水素量を推定するものである。演算処理装置１１は、信号検出部１０及び制御装置６と電気信号線によって接続されている。また、演算処理装置１１は、信号検出部１０から送信された信号を受信するインターフェイスと、中央演算処理装置と、制御装置６に送信するインターフェイスとを備える。なお、これらはいずれも図１においては図示していない。

　そして、演算処理装置１１は、信号検出部１０において検出した信号量に応じて、メモリに格納されている制御プログラムに基づいて、水素の供給量に応じた適切な付加効率を実現する水素付加反応を推定する。そして、演算処理装置１１が、制御装置６に、不飽和炭化水素の供給量を制御する制御信号を送信する。そして、送信された制御信号（即ち、推定された水素量）に基づいて、制御装置６が、水添装置５に供給される不飽和炭化水素の量を制御するようになっている。

＜動作＞
　以上説明したように、第１実施形態に係る自然エネルギ貯蔵システム１００は、前記のような構成を有している。次に、自然エネルギ貯蔵システム１００により自然エネルギ１を貯蔵する際の各手段の動作について、図１を参照しながら説明する。

　はじめに、例えば太陽光等の自然エネルギ１を利用し、発電装置２（例えば太陽電池等）が電力を発電する。発電された電力は、蓄電池３が満充電となるまで蓄電池３を充電するために用いられる。そして、蓄電池３が満充電となった時点で、前記電力は図示しない制御回路によって水素製造装置４に供給される。

　水素製造装置４に電力が供給されると、水の電気分解が開始され、水素が発生する。ただし、発電装置２からの電力のみでは電気分解を行えないことがある。そのような場合には、蓄電池３からの電力も併せて利用したり、発電装置２からの電力を利用せず、蓄電池３からの電力のみを利用したりしてもよい。例えば、晴れた昼間の時間帯には十分な日照を確保することができるため蓄電池３に十分量の電力を充電し、さらに余剰分の電力で水添装置５を駆動させる。一方で、夜間の時間帯は太陽光発電を行うことができないため、蓄電池３に昼間充電された電力を利用して水添装置５を動作させる。このようにすることで、自然エネルギ１を無駄なく利用することができる。

　水素製造装置４において製造された水素は、水添装置５に供給される。そして、制御装置６を介して接続された不飽和炭化水素タンク８から供給された不飽和炭化水素に対して、前記水素が付加される。なお、水添装置５に供給される不飽和炭化水素の量は、上記のように発電装置２の出力電圧値、蓄電池３の充電電圧値及び水素製造装置４に供給される電流量によって制御される。

　水素が付加されて生成した飽和炭化水素は、上記のように飽和炭化水素タンク７に収容される。そして、飽和炭化水素タンク７に収容された飽和炭化水素は、前記発生した水素が付加された液体状態のまま、出荷される。出荷後、飽和炭化水素から水素が脱離され、脱離された水素は、燃料等としての利用に供される。なお、水素が脱離されて生成した不飽和炭化水素は、不飽和炭化水素タンク８に再び貯蔵される。

　また、これら一連の動作が行われる環境は特に制限されず、前記課題を解決することができるのであれば任意の環境で行うことができる。また、全ての手段が同じ場所に設置される必要は必ずしも無く、例えば水素製造装置４は室内に、また、水添装置５は室外に等、任意に設置することができる。従って、これらの一連の運転（動作）が行われる運転温度としては、上記のように水添装置５における水素付加反応が高温で行われることが好ましいことを考慮し、－５０℃以上４００℃以下とすることが望ましい。

＜水添装置５に供給される不飽和炭化水素量の制御＞
　次に、図７を参照しながら水添装置５に供給される不飽和炭化水素量の制御について説明する。図７は、本発明の第１実施形態に係る自然エネルギ貯蔵システムにおける、不飽和炭化水素量の制御フローを表す図である。

　図７に示すように、はじめに、信号検出部１０が、発電装置２の出力電圧値、蓄電池３の充電電圧値及び水素製造装置４に供給される電流量の各信号を検出する（ステップＳ１０１）。そして、信号検出部１０は、検出された各信号を演算処理装置１１へ送信する（ステップＳ１０２）。

　演算処理装置１１は、信号検出部１０から送信された各信号を受信し（ステップＳ１０３）、受信した各信号に基づいて、水素製造装置４において製造される水素の量（水素製造量）を演算する（ステップＳ１０４）。ステップＳ１０４の演算方法の一例を以下に説明する。水素製造装置４に供給される電流量とは、単位時間あたりに水素製造装置４に供給される電荷量に相当する。ここで、水素製造装置４に供給される電荷と水素製造装置４内部の水素イオンとの結合により水素ガスが製造されるため、水素製造装置４の電流量から水素製造装置４で製造される水素量を演算することができる。一方、実際のシステムでは、複数個の水素製造装置４が接続され、水素製造装置４の入力電圧に基づいて水素製造装置の駆動数を変えて駆動される。この場合、各水素製造装置４の電流量を求めることで水素製造装置４で製造される水素量を演算できる。ここで、水素製造装置４の出力電圧値、蓄電池３の充電電圧値、各水素製造装置４の電流量が決まれば、各水素製造装置４の電流量を求めることができる。例えば、水素製造装置４が水電気分解装置の場合には理論的に算出される分解電圧値があり、これは水素製造装置４の内部構成条件により決定される。水素製造装置４の駆動数は、水素製造装置の入力電圧と分解電圧値から決まる。そのため、水素製造装置４の出力電圧値及び蓄電池３の充電電圧値を検出し、水素製造装置４に実際に掃引される入力電圧値を求めることで、水素製造装置４の駆動数が求められる。水素製造装置４の駆動数と水素製造装置４に供給される電流量から各水素製造装置の電流量が求められ、水素製造装置４で製造される水素量を演算できる。以上のように、水素製造装置４の出力電圧値、蓄電池３の充電電圧値、各水素製造装置４の電流量から、水素製造装置４で製造される水素量を演算することができる。なお、本実施形態では、水素製造装置４の出力電圧値及び蓄電池３の充電電圧値を検出することで、水素製造装置４の入力電圧を算出しているが、水素製造装置４の入力電圧値を直接検出して、水素製造装置４の入力電圧値と水素製造装置４に供給される電流量から水素製造装置４において製造される水素の量を演算することも可能である。
　次に、演算処理装置１１は、演算された水素製造量に基づき、水添装置５に供給され、製造された水素が付加される不飽和炭化水素の量、即ち制御装置６を通流する不飽和炭化水素流量を演算する（ステップＳ１０５）。

　その後、演算処理装置１１は、後記するステップＳ１１０において演算処理装置１１に送信された、流量制御前に制御装置６を通流している不飽和炭化水素流量と、ステップＳ１０５において演算された不飽和炭化水素流量との差分を計算し、不飽和炭化水素流量の制御量を演算する（ステップＳ１０６）。なお、制御開始時には未だステップＳ１１０は行われていないが、そのような場合には、演算処理装置１１が制御装置６を介して不飽和炭化水素流量を検出する。そして、ステップＳ１０６において演算された制御量は、制御装置６に送信される（ステップＳ１０７）。

　制御装置６は、演算処理装置１１から送信された制御量を受信する（ステップＳ１０８）。そして、制御装置６は、受信された制御量（受信信号）に基づいて制御装置６を通流する不飽和炭化水素の流量を制御することにより、水添装置５に供給される不飽和炭化水素量を制御する（ステップＳ１０９）。ステップＳ１０９の制御後には、所定の間隔にて、水添装置５に供給される不飽和炭化水素量（即ち、制御装置６を通流する不飽和炭化水素の流量）が、演算処理装置１１に送信される（ステップＳ１１０）。

　以上のようにして、ステップＳ１０１からステップＳ１１０を繰り返し実行することで、発電装置２の出力電圧値、蓄電池３の充電電圧値及び水素製造装置４に供給される電流量に基づいて、水添装置５に供給される不飽和炭化水素量が制御される。

＜まとめ＞
　以上のように、第１実施形態に係る自然エネルギ貯蔵システム１００に拠れば、自然エネルギ１の供給量の変動に対応するとともに、不飽和炭化水素への水素の付加効率を向上させることができるため、自然エネルギ１を無駄なく貯蔵することができる。そして、貯蔵された自然エネルギ１は水素に変換され、当該水素を含む化合物として安定的に貯蔵されているため、必要に応じていつでも自由に利用することができる。

［２．第２実施形態］
　次に、図２を参照しながら、第２実施形態に係る自然エネルギ貯蔵システム２００について説明する。なお、図２において図１と同じ符号を付すものは同じ手段を表すものとし、その詳細な説明を省略する。

　自然エネルギ貯蔵システム２００においては、図１に示した蓄電池３及び水素製造装置４が一つの手段として構成されている。即ち、自然エネルギ貯蔵システム１００における蓄電池３及び水素製造装置４の代わりに、水素製造装置４が蓄電池３としての機能も有する蓄電機能付水素製造手段としての蓄電機能付水素製造装置９が設けられている。

　蓄電機能付水素製造装置９は、前記のように水素製造装置４が蓄電池３としての機能も有するものである。具体的には、蓄電機能付水素製造装置９は、蓄電池に蓄電された電力量が所定量以上となった場合（例えば満充電になった場合）に、さらに発電装置２から電力が供給されると、電解液（水）の電気分解を起こすものである。このような蓄電機能付水素製造装置９としては、例えば鉛蓄電池等が挙げられる。従って、自然エネルギ１由来の電力を蓄電池に蓄電しつつ、蓄電容量が定格値となった後、更に余剰電力が入力された場合、その自然エネルギ１を無駄にせず水素を得ることができ、内蔵される水素ラインを経て水添装置５に供給される。また、蓄電池と水素製造装置とを別個に設ける必要が無いため、自然エネルギ貯蔵システムの省スペース化を図ることができる。

　なお、蓄電機能付水素製造装置９は、１個のみで構成されてもよく、２個以上が任意に接続されて構成されてもよい。また、蓄電機能付水素製造装置９と水素製造装置４とは併用されてもよい。中でも、２個以上の蓄電機能付水素製造装置が接続されて蓄電機能付水素製造装置９として構成されている場合、例えば、発電装置２からの電力供給量に応じて、電力が供給される蓄電機能付水素製造装置の個数を変化させるようにしてもよい。即ち、供給電力量が多い場合には多い個数の蓄電機能付水素製造装置に、また、供給電力量が少ない場合には少ない個数の蓄電機能付水素製造装置に電力が供給され、蓄電を行うとともに水素が製造される（発生する）ようにしてもよい。このように構成することで、自然エネルギ１をより無駄無く貯蔵することができる。

　さらに、蓄電機能付水素製造装置９は前記のように蓄電機能も有しているため、例えば雨の日、夜間等の日照を確保できないときに、蓄電機能付水素製造装置９に蓄電された電力を用いて水素を製造するようにしてもよい。また、蓄電機能付水素製造装置９と蓄電池３とを併用し、蓄電池３から蓄電機能付水素製造装置９に電力供給してもよい。

　また、水添装置５に供給される不飽和炭化水素量の制御も、前記した第１実施形態の場合と同様に行うことができる。具体的には、前記した第１実施形態においては、発電装置２の出力電圧値、蓄電池３の充電電圧値及び水素製造装置４に供給される電流量に基づいて、水添装置５に供給される不飽和炭化水素量を制御している。一方で、第２実施形態においても同様に、発電装置２の出力電圧値、並びに、蓄電機能付水素製造装置９の充電電圧値及び供給される電流値に基づいて、水添装置５に供給される不飽和炭化水素量を制御することができる。

　図８に、本発明の第２実施形態に係る自然エネルギ貯蔵システム２００における、不飽和炭化水素量の制御フローを示す。なお、ステップＳ２０１における「各信号」は、発電装置２の出力電圧値、並びに、蓄電機能付水素製造装置９の充電電圧値及び供給される電流値を表す。そして、ステップＳ２０１～ステップＳ２１０は、それぞれ前記したステップＳ１０１～Ｓ１１０と同じステップであるため、それらの説明を省略する。

　このようにして、第２実施形態に係る自然エネルギ貯蔵システム２００においても、水添装置５に供給される不飽和炭化水素量を制御することができる。

［３．第３実施形態］
　次に、図３を参照しながら、第３実施形態に係る自然エネルギ貯蔵システム３００について説明する。なお、図３において図２と同じ符号を付すものは同じ手段を表すものとし、その詳細な説明を省略する。

　図３に示す自然エネルギ貯蔵システム３００は、図２に示す自然エネルギ貯蔵システム２００に対して、蓄電機能付水素製造装置９において製造された水素量を検出する水素量検出手段としての流量検出部１２が設けられたものである。そして、この流量検出部１２により検出された水素量に基づいて、後記する演算処理装置１１が、水添装置５に供給される不飽和炭化水素の量を決定することができる。即ち、制御装置６が、流量検出部１２によって検出された水素量に基づいて、水添装置５に供給する不飽和炭化水素の量を制御するようになっている。このように構成しても、同期的に不飽和炭化水素の供給量を決定することができ、不飽和炭化水素への水素の付加効率を向上させることができる。

　なお、流量検出部１２は、必ずしも蓄電機能付水素製造装置９と水添装置５との間に設けられる必要は無く、例えば蓄電機能付水素製造装置９内部に設けられてもよい。

　また、水添装置５に供給される不飽和炭化水素量の制御も、前記した第１実施形態及び第２実施形態の場合と同様に行うことができる。第３実施形態に係る自然エネルギ貯蔵システム３００における、水添装置５に供給される不飽和炭化水素量の制御フローを、図９を参照しながら具体的に説明する。

　図９に示すように、はじめに、流量検出部１２が、蓄電機能付水素製造装置９において製造された水素量を検出する（ステップＳ３０１）。そして、流量検出部１２は、検出された水素量を検出信号として演算処理装置１１へ送信する（ステップＳ３０２）。

　そして、演算処理装置１１は、流量検出部１２から送信された検出信号を受信し（ステップＳ３０３）、受信した水素製造量に基づき、前記した第１実施形態と同様にして、水添装置５に供給される不飽和炭化水素量を制御することができる。従って、ステップＳ３０４～Ｓ３０９は、それぞれ前記したステップＳ１０５～Ｓ１１０と同じステップであるため、それらの説明を省略する。

　このようにして、第３実施形態に係る自然エネルギ貯蔵システム３００においても、水添装置５に供給される不飽和炭化水素量を制御することができる。

［４．第４実施形態］
　次に、図４を参照しながら、第４実施形態に係る自然エネルギ貯蔵システム４００について説明する。なお、図４において図１と同じ符号を付すものは同じ手段を表すものとし、その詳細な説明を省略する。

　図４に示す自然エネルギ貯蔵システム４００は、図１に示す自然エネルギ貯蔵システム１００から信号検出部１０及び演算処理装置１１等を省略したものである。自然エネルギ貯蔵システムをこのように構成しても、本発明の課題を解決することができる。また、信号検出部１０及び演算処理装置１１を省略しているため、設置コストを削減できたり、複雑な制御を行う必要が無かったりするという利点がある。

［５．第５実施形態］
　次に、図５を参照しながら、第５実施形態に係る自然エネルギ貯蔵システム５００について説明する。なお、図５において図２と同じ符号を付すものは同じ手段を表すものとし、その詳細な説明を省略する。

　図５に示す自然エネルギ貯蔵システム５００は、図２に示す自然エネルギ貯蔵システム２００から信号検出部１０及び演算処理装置１１等を省略したものである。自然エネルギ貯蔵システムをこのように構成しても、本発明の課題を解決することができる。また、信号検出部１０及び演算処理装置１１を省略しているため、設置コストを削減できたり、複雑な制御を行う必要が無かったりするという利点がある。さらには、蓄電池と水素製造装置とを別個に設ける必要が無いため、自然エネルギ貯蔵システムの省スペース化を図ることができるという利点もある。

［６．第６実施形態］
　次に、図６を参照しながら、第６実施形態に係る自然エネルギ貯蔵システム６００について説明する。なお、図５において図１と同じ符号を付すものは同じ手段を表すものとし、その詳細な説明を省略する。

　図６に示す自然エネルギ貯蔵システム６００は、図１に示す自然エネルギ貯蔵システム６００から信号検出部１０及び演算処理装置１１等を省略するとともに、発電装置２と蓄電池３及び水素製造装置４との間に電力調整装置１３を設けたものである。なお、自然エネルギ貯蔵システム６００においては蓄電池３及び水素製造装置４を用いているが、これらの代わりに前記した蓄電機能付水素製造装置９を用いてもよい。

　自然エネルギ１の種類によっては、得られる電力が直流であったり交流であったりする。例えば、太陽光発電では直流電力、風力発電では交流電力が得られる。また、太陽光発電では日射強度変化に伴う出力変動が見られ、直流電力でも経時変化に伴う変動電力となる。また風力発電では、プロペラが回転するとともに発電機本体が回転し交流電力を出力する。これらの発電手段により得られる電力信号が異なるため、太陽光発電ではＤＣ－ＤＣコンバータ変換器等を設ける場合があり、風力発電では交流電力を直流電力に変換するＡＣ－ＤＣ変換器等を設ける場合がある。

　そこで、自然エネルギ貯蔵システム６００においては、これらの機能を有する電力調整装置１３を設けている。なお、電力調整装置１３を介して、自然エネルギ貯蔵システム６００は系統電力と接続されていてもよい。自然エネルギ貯蔵システムをこのように構成しても、本発明の課題を解決することができる。また、信号検出部１０及び演算処理装置１１を省略しているため、設置コストを削減できたり、複雑な制御を行う必要が無かったりするという利点がある。さらには、電力調整装置１３を設けているため、電力を安定して供給することができ、蓄電池３及び水素製造装置４に過度の負担を与えずに安定的に自然エネルギ１を貯蔵することができる。

［７．その他］
　なお、流量検出部１２は自然エネルギ貯蔵システム３００において、また、電力調整装置１３は自然エネルギ貯蔵システム６００において説明したが、これらは他の実施形態においても同様に適用することができる。

１　　自然エネルギ
２　　発電装置
３　　蓄電池
４　　水素製造装置
５　　水添装置
６　　制御装置
７　　不飽和炭化水素タンク
８　　飽和炭化水素タンク
９　　蓄電機能付水素製造装置
１０　信号検出部
１１　演算処理装置
１２　流量検出部
１３　電力調整装置

Claims

　自然エネルギを貯蔵する自然エネルギ貯蔵システムであって、
　前記自然エネルギを電力に変換する発電手段と、
　前記電力を蓄電する蓄電手段と、
　前記発電手段によって得られた電力、及び／又は、前記蓄電手段に蓄電された電力を用いて水素を製造する水素製造手段と、
　該水素製造手段によって製造された前記水素を不飽和炭化水素に対して付加させる水添手段と、
　前記水素が前記不飽和炭化水素に付加されて生成した飽和炭化水素を貯蔵する飽和炭化水素貯蔵手段と、
　前記不飽和炭化水素を貯蔵する不飽和炭化水素貯蔵手段と、
　該不飽和炭化水素貯蔵手段に貯蔵された前記不飽和炭化水素の前記水添手段への供給量を制御する不飽和炭化水素供給量制御手段と、
を備えていることを特徴とする、自然エネルギ貯蔵システム。
　前記水素製造手段が前記蓄電手段としての機能も有する蓄電機能付水素製造手段であることを特徴とする、請求の範囲第１項に記載の自然エネルギ貯蔵システム。
　前記発電手段の出力電圧値を検出する出力電圧検出手段と、
　前記蓄電手段の充電電圧値を検出する充電電圧検出手段と、
　前記水素製造手段に供給される電流量を検出する電流検出手段と、
を備え、
　検出された前記出力電圧値、前記充電電圧値及び前記電流量に基づいて、前記水素製造手段及び／又は前記蓄電機能付水素製造手段によって製造される水素量を推定するとともに、
　前記供給量制御手段が、推定された該水素量に基づいて、前記水添手段に供給される前記不飽和炭化水素の量を制御することを特徴とする、請求の範囲第１項又は第２項に記載の自然エネルギ貯蔵システム。
　前記水素製造手段において製造される水素量を検出する水素量検出手段を備え、
　前記供給量制御手段が、検出された該水素量に基づいて、前記水添手段に供給される前記不飽和炭化水素の量を制御することを特徴とする、請求の範囲第１項又は第２項に記載の自然エネルギ貯蔵システム。
　前記発電手段によって得られる電力の出力を制御する電力制御手段を備え、
　該電力制御手段が、前記蓄電手段及び前記水素製造手段への電力供給量を調整することを特徴とする、請求の範囲第１項又は第２項に記載の自然エネルギ貯蔵システム。
　前記水素製造手段によって製造された水素を貯蔵する水素貯蔵手段を備えることを特徴とする、請求の範囲第１項又は第２項に記載の自然エネルギ貯蔵システム。
　運転温度が－５０℃以上４００℃以下であることを特徴とする、請求の範囲第１項又は第２項に記載の自然エネルギ貯蔵システム。
　前記水素製造手段によって製造された水素の圧力を制御する水素圧力制御手段を備えることを特徴とする、請求の範囲第１項又は第２項に記載の自然エネルギ貯蔵システム。
　前記水素製造手段において、水素製造時の圧力が１気圧以上５０気圧以下であることを特徴とする、請求の範囲第１項又は第２項に記載の自然エネルギ貯蔵システム。
　前記水添手段において、水素付加時の圧力が１気圧以上５０気圧以下であることを特徴とする、請求の範囲第１項又は第２項に記載の自然エネルギ貯蔵システム。