WO2018159486A1

WO2018159486A1 - 電力供給システム

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Publication number: WO2018159486A1
Application number: PCT/JP2018/006682
Authority: WO
Inventors: 深津　佳昭
Original assignee: Brother Industries Ltd
Current assignee: Brother Industries Ltd
Priority date: 2017-03-01
Filing date: 2018-02-23
Publication date: 2018-09-07
Anticipated expiration: 2019-09-01
Also published as: JP2018147603A; JP6699599B2

Abstract

系統電源からの電力の潮流方向を判定し、容易に水素発生部又は燃料電池の作動を制御することができる電力供給システムを提供する。電力供給システム（１）は、再生可能エネルギーを受けて発電するＰＶが発電した電力により水素を発生する水素発生器と、水素発生器により発生した水素を貯蔵する水素タンクと、水素タンクに貯蔵された水素を用いて発電するＦＣと、系統電源とＰＶとを接続し、系統電源とＰＶとの間に設けた接続点（１９）を介し負荷を接続し、負荷と接続点（１９）との間にＦＣを接続してある電力線（１８）と、系統電源と接続点（１９）との間に設けられ、系統電源からの電力の潮流方向を検出する電流検出部及び電圧検出部と、電流検出部及び電圧検出部が検出した潮流方向に基づいて、水素発生器又はＦＣの作動を制御するＥＭＳとを備える。

Description

電力供給システム

　本開示は、水素発生部、水素貯蔵部、及び水素貯蔵部で貯蔵された水素を用いて発電を行う燃料電池を備える電力供給システムに関する。

　太陽光発電（Photovoltaic Power Generation）装置等の再生可能エネルギーを利用した発電装置は、天候の影響を受けるため、発電出力の変動が大きい。電力供給の安定化のために、再生可能エネルギー発電装置で発電された電力を用いて水素を生成し、生成された水素を用いて燃料電池で発電を行う電力供給システムが提案されている。

　例えば特許文献１の電力供給システムは、水素発生装置と水素貯蔵装置と燃料電池と制御装置と有し、電力を負荷に供給する。水素発生装置は、再生可能エネルギーを利用して発電された電力を用いて水素を生成する。水素貯蔵装置は、水素発生装置によって生成された水素を貯蔵する。燃料電池は、水素貯蔵装置に貯蔵された水素を用いて発電を行い、その発電によって発生した電力を負荷に出力する。制御装置は、操作指令に基づいて、電力供給システムの動作を制御する。

　例えば特許文献１の電力供給システムの運転モードとして、内部負荷モード、売電モード、自立運転モード、水素外部供給モード、及び水素貯蔵モードが設定されている。
　特許文献１の制御装置には、負荷において使用された温水に関する温水使用量、再生可能エネルギー発電装置の発電量、燃料電池の発電量、水素貯蔵装置が貯蔵している水素の貯蔵量、及び燃料電池で加熱されて貯蔵された温水の貯蔵量等のデータＤ１が入力される。そして、電力系統の電力供給量（データＤ２）が入力される。さらに、負荷の電力使用量（データＤ３，電力需要量）が入力される。制御装置は、選択された一の運転モードを電力供給システムが実行するように、入力されたデータＤ１，Ｄ２，Ｄ３に基づいて各部の動作を制御する。
　運転モードにおいて燃料電池から負荷へ電力を供給するか否かは、上述のデータＤ１，Ｄ２，Ｄ３に基づき、複雑な条件を満たすか否かにより判定される。

特開２０１６－１４０１６１号公報

　上述したように、特許文献１の電力供給システムにおいては、燃料電池から負荷へ電力を供給するか否かの判定を行うために、多くのデータを要し、判定が複雑であるという問題があった。同様に、再生可能エネルギー発電装置により生じた電力を用いて水素を生成するか否かの判定を行うために、多くのデータを要し、判定が複雑であった。

　本開示は、系統電源からの電力の潮流方向を判定し、容易に水素発生部又は燃料電池の作動を制御することができる電力供給システムを提供することを目的とする。

　本開示に係る電力供給システムは、再生可能エネルギーを受けて発電する再生可能エネルギー発電部が発電した電力により水素を発生する水素発生部と、該水素発生部により発生した水素を貯蔵する水素貯蔵部と、該水素貯蔵部に貯蔵された水素を用いて発電する燃料電池と、系統電源と前記再生可能エネルギー発電部とを接続可能にし、前記系統電源と前記再生可能エネルギー発電部との間に設けた接続点を介し負荷を接続可能にし、該負荷と前記接続点との間に前記燃料電池を接続してある電力線と、前記系統電源と前記接続点との間に設けられ、該系統電源からの電力の潮流方向を検出する検出部と、該検出部が検出した潮流方向に基づいて、前記水素発生部又は前記燃料電池の作動を制御する制御部とを備えることを特徴とする。

　本開示によれば、系統電源から出力される電力の潮流方向を検出するのみで電力が不足しているか剰余しているかを判定し、燃料電池又は水素発生部を作動させるか否かを判定することができる。判定のために取得するデータの数及び量は少なく、判定を簡単に行うことができる。

実施形態１に係る電力供給システムの各構成の接続関係を示す概念図である。ＥＭＳによる電力供給のアルゴリズムを説明するための説明図である。実施形態２に係る電力供給システムを示す概念図である。

（実施形態１）
　図１は、実施形態１に係る電力供給システム１の各構成の接続関係の一例を示す概念図である。
　電力供給システム１は、水素発生ブロック、水素貯蔵ブロック、発電ブロック、ＥＭＳ（Energy Management System）１０、電流検出部１１、電圧検出部１２、電力線１８、及び接続点１９を備える。電流検出部１１としては、例えばＣＴ（Current Transformer：変流器）等が挙げられる。電力線１８には、系統電源１３及び負荷１４が接続可能である。

　水素発生ブロックは、再生可能エネルギー発電部としての太陽光発電装置２（以下、ＰＶという）、ＰＣＳ（Power Conditioning System）３、二次電池４、ＢＭＳ（Battery Management System）５、及び水素発生器６を含む。
　ＰＶ２は太陽光を太陽電池で受光し、光電変換を行うことにより発電を行う。
　ＰＣＳ３は、ＰＶ２が出力した直流電力が所定の電圧幅になるように調整し、調整された直流電力を交流電力に変換する。また、ＰＣＳ３は、ＰＶ２が出力する電力を常に最大値に維持するＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking：最大電力点追従）方式の制御を行う。

　二次電池４は例えばリチウムイオン電池、ニッケル水素電池、又は鉛電池等からなり、ＰＶ２のバックアップ電池として設けられている。ＢＭＳ５は二次電池４の充放電動作の制御を行う。

　水素発生器６は、純水製造装置６１及び水電解セル６２を備える。純水製造装置６１には、水道１６から排水管２２を介して水道水が導入され、純水製造装置６１は不純物を除去して純水を製造する。
　水電解セル６２は、ＰＶ２により生じた電力を用いて純水に電圧を印加し、水を水素と酸素とに電気分解する。

　水素発生器６において生成された水素は、水素貯蔵ブロックの水素タンク７へ水素通流管２１を介して送られ、水素タンク７に貯蔵される。酸素は、大気中に放出される。水素タンク７は、一例として、高圧ボンベ又はＭＨ（Metal Hydride）ボンベ等が挙げられる。ＭＨボンベは水素吸蔵合金を充填してなる。水素発生器６、水素タンク７、及び燃料電池８（以下、ＦＣという）の間に水素通流管２１が配されており、水素通流管２１に設けられている三方弁２０により、水素の流れる方向及び水素流量が調整される。

　発電ブロックは、ＦＣ８及びＰＣＳ９を備える。水素タンク７は、三方弁２０を介しＦＣ８へ水素を供給する。
　ＦＣ８は、例えば固体高分子形燃料電池（Polymer electrolyte fuel cell）である。
　ＦＣ８は、水素及び酸素を反応させて発電する燃料電池スタック８１を備える。燃料電池スタック８１は、例えば固体高分子電解質膜を負極と陽極とで両側から挟んで膜電極接合体を形成し、この膜電極接合体の両側に一対のセパレータを配置して平板部状の単位セルを構成し、この単位セルを複数積層してパッケージ化したものである。ＦＣ８は水素タンク７から導入された水素を用いて発電を行い、生じた電力をＰＣＳ９へ出力する。

　ＰＣＳ９は、ＦＣ８が出力した直流電力が所定の電圧幅になるように調整し、調整された直流電力を交流電力に変換する。
　ＦＣ８の燃料電池スタック８１での発電は発熱反応であるので、水道１６から排水管２２を介して水を導入し、燃料電池スタック８１内を通流させて冷却する。燃料電池スタック８１から熱を伝導された水は貯湯タンク１５へ送られ、貯湯される。水素タンク７がＭＨボンベである場合、貯湯タンク１５内の温水はＭＨボンベを加熱して水素を放出するために用いられる。

　ＥＭＳ１０は、ＣＰＵ、メモリ、及びインタフェースを保持するコンピュータとして構成され、電力供給システム１の各部の動作を制御する。図１において、ＥＭＳ１０と各構成部との接続関係は一部省略している。
　電力線１８は、ＰＶ２と系統電源１３とを接続可能にし、系統電源１３とＰＶ２との間に設けた接続点１９を介し負荷１４が接続可能である。また、電力線１８は、負荷１４と接続点１９との間にＦＣ８を接続するように設けられている。電力線１８を流れる電流は交流電流であり、電力線１８は２本の線からなる。接続関係については、図１に示す限りではなく、例えば、発電ブロックが、水素発生ブロックと接続点１９との間に接続されていてもよい。

　電流検出部１１及び電圧検出部１２は、系統電源１３と接続点１９との間に設けられている。電流検出部１１は系統電源１３と接続点１９との間を流れる電流を検出し、電圧検出部１２は電圧を検出する。
　ＥＭＳ１０は、電流検出部１１から電流値を取得し、電圧検出部１２から電圧値を取得して、系統電源１３からの電力（以下、系統電力という）の潮流方向を検出する。ＥＭＳ１０は、検出した系統電力の潮流方向に基づいて、水素発生器６、三方弁２０、及びＦＣ８等の動作を制御する。

　以下、ＥＭＳ１０による電力供給システム１の各部の動作の制御について説明する。
　図２はＥＭＳ１０による電力供給のアルゴリズムを説明するための説明図、表１は該アルゴリズムを説明するための表である。

　図２及び表１に示すようにＰＶ２は常に前記ＭＰＰＴ方式で発電する。
　ＥＭＳ１０は、所定の間隔で、電流検出部１１及び電圧検出部１２から電流値及び電圧値を取得する。ＥＭＳ１０は、取得した電流値及び電圧値に基づいて、系統電力の潮流方向を検出する。
　ＥＭＳ１０は、系統電力の潮流方向の正負を有効電力の正負により判定する。一例として、ＥＭＳ１０は、電圧を基準にして電流との位相差が±９０度以内であれば、有効電力は正であり、即ち系統電力の潮流方向は正（図１）であると判定する。位相差が±９０度以内でない場合、有効電力は負であり、系統電力の潮流方向は負（図１）であると判定する。なお、潮流方向の判定方法は、この場合に限定されない。
　ＥＭＳ１０は、電流検出部１１から取得した電流値Ｉ、及び電圧検出部１２から取得した電圧値Ｖを乗算して有効電力の値を表す電力Ｗを求める。電力Ｗは正又は負の数値として表される。即ち電力Ｗが正の数である場合、系統電力の潮流方向は正（図１）であり、電力Ｗが負の数である場合、系統電力の潮流方向は負（図１）である。

　本実施形態においては、ＦＣ８を作動させるための電力の閾値Ｘを設けている。閾値Ｘは正の値である。例えば、単に系統電力の潮流方向が正（図１）である場合、ＦＣ８を作動させ、系統電力の潮流方向が負である場合、水素発生器６を作動させることにすると、電力Ｗが０である場合にはＦＣ８及び水素発生器６が同時に作動する虞があり、ＦＣ８で発電した電力で水素を発生するという無駄な動作をしてしまうことになる。つまり、無駄にエネルギーを消費することになる。本実施形態においては、これを回避することができる。電力Ｗが０と閾値Ｘとの間にある場合、電力の需給のバランスが良好である。系統電力の供給量が出来る限り少なくなるように、閾値Ｘを予め実験等により求めておく。

　ＥＭＳ１０は電力Ｗが閾値Ｘ以上であるか否かを判定し、電力Ｗが閾値Ｘ以上であると判定した場合、即ち電力不足であると判定した場合、水素発生器６の動作を停止し、ＰＶ２からの電力により水素発生器６から水素が発生することを停止する。

　ＥＭＳ１０は、三方弁２０を介し水素タンク７から水素をＦＣ８へ放出し、ＦＣ８の燃料電池スタック８１で発電を行う。
　ＦＣ８で生じた直流電流はＰＣＳ９により交流電流に変換され、ＦＣ８で生じた電力は負荷１４へ供給される。これにより、電力の不足分がＦＣ８により補われることになる。
　ＥＭＳ１０は、電力Ｗが０と閾値Ｘとの間になるように、水素タンク７からの水素の放出量を三方弁２０の開閉量により調整し、ＦＣ８の発電量を制御する。

　ＥＭＳ１０が、電力Ｗは０以上閾値Ｘ未満であると判定した場合、主にＰＶ２の電力のみで運転を行う。不足分は系統電力で補う。
　ＥＭＳ１０は、水素発生器６の動作を停止し、水素タンク７からＦＣ８への水素の放出を三方弁２０により閉止し、ＦＣ８の作動を停止する。

　ＥＭＳ１０は、電力Ｗが０未満であると判定した場合、即ち系統電力の潮流方向が負（図１）であると判定した場合、電力供給システム１の状態は余剰電力があると判定する。
　ＥＭＳ１０は、水電解セル電流値指令（図１）を水素発生器６へ送り、水素発生器６において水素を発生させる。具体的には、ＥＭＳ１０は、現時点の電力Ｗに基づいて水素発生器６の水電解セル６２へ流す電流の電流値を指令し、水電解セル６２で発生する水素量を、取得する電力Ｗが０以上閾値Ｘ未満の範囲内に収まるように調整する。
　水素発生器６により生じた水素は、三方弁２０を介して水素タンク７に貯蔵される。
　ＥＭＳ１０はＦＣ８の作動を停止する。

　以上のように構成されているので、本実施形態においては、系統電力の潮流方向を電流検出部１１及び電圧検出部１２から取得した電流値及び電圧値に基づいて判定し、電力の不足又は剰余を判定し、水素発生部６又はＦＣ８を作動させるか否かを判定することができる。判定のために取得するデータ数及び量は少なく、判定を容易に行うことができる。

　系統電力の潮流方向が正（図１）である場合、電力供給システム１の状態は電力が不足している状態なのでＦＣ８を発電させる。系統電力の潮流方向が負（図２）である場合、電力供給システム１の状態は電力が余っている状態なのでＰＶ２の電力により水素発生器６において水素を発生させ、水素タンク７に貯蔵する。これにより間接的に電力を蓄えることになる。リチウムイオン二次電池等の二次電池にＰＶ２の電力を蓄える場合、自然放電によりロスが生じるが、水素タンク７に貯蔵される水素はロスがない。従って、電力供給システム１の発電効率は良好である。

　本実施形態においては、取得する電力Ｗが０と閾値Ｘとの範囲内に収まるように水素発生器６又はＦＣ８を制御するので、電力の需給のバランスが良好であり、系統電力の消費量が少なくて済む。電力不足の場合、現時点の電力Ｗに基づき、ＦＣ８へ放出する水素量を調整して発電量を調整し、電力剰余の場合、水素発生器６における水素発生量を増減することで、容易に電力Ｗが０と閾値Ｘとの間に収まるように制御することができる。

　本実施形態においては、ＥＭＳ１０が、系統電力の潮流方向が正（図１）である場合に水素発生器６を停止させるので、系統電力を使用して水素発生器６を作動させることがなく、系統電源１３のエネルギー消費を抑えることができる。

（実施形態２）
　図３は、実施形態２に係る電力供給システム５０を示す概念図である。図３において、ＥＭＳ１０と各構成部との接続関係は一部省略している。
　電力供給システム５０は、電流検出部１１及び電圧検出部１２の代わりに電力検出部１７を備えること以外は、実施形態１に係る電力供給システム１と同様の構成を有する。

　本実施形態においては、系統電力の潮流方向及び電力の大きさを電力検出部１７により同時に取得することができる。即ち電力Ｗの正負を判定することで系統電力の潮流方向の判定を容易に行うことができ、同時に電力Ｗの絶対値に基づき、水素発生量又はＦＣ８へ送る水素量を調整し、電力Ｗが０と閾値Ｘとの範囲内に収まるように制御することができる。判定のために取得するデータの数は一つである。
　電力検出部１７は、電流検出部１１及び電圧検出部１２と比較して高価であるので、電力供給システムのコストダウンを図る場合、上述の実施形態１に示すように電流検出部１１及び電圧検出部１２を使用することにしてもよい。

　以上のように、本開示に係る電力供給システムは、再生可能エネルギーを受けて発電する再生可能エネルギー発電部が発電した電力により水素を発生する水素発生部と、該水素発生部により発生した水素を貯蔵する水素貯蔵部と、該水素貯蔵部に貯蔵された水素を用いて発電する燃料電池と、系統電源と前記再生可能エネルギー発電部とを接続し、前記系統電源と前記再生可能エネルギー発電部との間に設けた接続点を介し負荷を接続し、該負荷と前記接続点との間に前記燃料電池を接続してある電力線と、前記系統電源と前記接続点との間に設けられ、該系統電源からの電力の潮流方向を検出する検出部と、該検出部が検出した潮流方向に基づいて、前記水素発生部又は前記燃料電池の作動を制御する制御部とを備えることを特徴とする。

　本開示においては、系統電源から出力される電力の潮流方向が正であるか負であるかを検出するのみで電力が不足しているか剰余しているかを判定し、燃料電池又は水素発生部を作動させるか否かを判定することができる。判定のために取得するデータが少なく、判定を容易に行うことができる。

　本開示に係る電力供給システムは、上述の電力供給システムにおいて、前記制御部は、前記潮流方向が正（図１、図３）である場合に前記燃料電池を発電させ、前記潮流方向が負（図１、図３）である場合に前記水素発生部を作動させることを特徴とする。

　本開示においては、電力の潮流方向が正（図１、図３）である場合、電力が不足しているので燃料電池を発電させる。潮流方向が負（図１、図３）である場合、電力が余っているので水素発生部により水素を発生させる。
　本開示においては、電力の潮流方向に基づき、燃料電池及び水素発生部のいずれを作動させるかを容易に判定することができ、燃料電池及び水素発生部の作動を容易に制御することができる。

　本開示に係る電力供給システムは、上述の電力供給システムにおいて、前記検出部は電流計及び電圧計を含み、又は電力計を含み、前記制御部は、前記検出部から前記電力を取得することを特徴とする。

　検出部が電流計及び電圧計を含む場合、取得した電流値及び電圧値に基づいて有効電力の正負を判定し、系統電源からの電力の潮流方向を判定することができる。電圧を基準にしたときの電圧と電流との位相差が±９０度以内であれば、前記電力は正であり、即ち電力の潮流方向は正（図１）であると判定できる。
　検出部が電力計を含む場合、電力が正負のいずれの値であるかを判定することにより、潮流方向を判定することができる。（図３）
　制御部は電力の大きさに基づいて、電力供給システムの各部の動作を制御することができる。

　本開示に係る電力供給システムは、上述の電力供給システムにおいて、前記制御部は、前記電力が所定範囲内に収まるように、前記水素発生部又は前記燃料電池の作動を制御することを特徴とする。

　本開示においては、検出部が検出した値に基づいて水素発生部又は燃料電池の出力を制御し、前記電力が所定範囲内に収まるようにすることができる。例えば電力が０に近い場合、電力の需給のバランスが良好である。

　本開示に係る電力供給システムは、上述の電力供給システムにおいて、前記制御部は、前記電力に基づいて、前記水素発生部の水素発生量を制御することを特徴とする。

　本開示においては、前記電力に応じて、水素発生量を増減し、電力の需給のバランスを良好にすることができる。

　本開示に係る電力供給システムは、上述の電力供給システムにおいて、前記制御部は、前記電力が正側に所定の閾値を越えた場合に、前記燃料電池の発電を開始することを特徴とする。

　電力が正の場合、燃料電池を作動させ、負の場合、水素発生部を作動させることにすると、電力が０の場合には燃料電池及び水素発生部が同時に作動することになり、燃料電池で発電した電力で水素を発生するという無駄な動作をしてしまう虞があり、無駄にエネルギーを消費することになる。本開示においては、これを回避することができる。

　本開示に係る電力供給システムは、上述の電力供給システムにおいて、前記制御部は、前記潮流方向が正（図１、図３）である場合に前記水素発生部を停止させることを特徴とする。

　電力が正（図１、図３）のときに水素発生部を停止させることで、系統電源からの電力を使用して水素発生部を作動させることがなく、系統電源のエネルギー消費を抑えることができる。

　本開示は上述した実施形態の内容に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。即ち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態も本開示の技術的範囲に含まれる。
　例えば実施形態においては、再生可能エネルギー発電部としてＰＶ２を挙げているが、これに限定されず、風力等の再生可能エネルギーを用いて発電する装置であってもよい。
　また、再生可能エネルギー発電部は電力供給システムに備えられるものであってもよく、外部装置であってもよい。

　１、５０　電力供給システム
　２　ＰＶ
　３、９　ＰＣＳ
　６　水素発生器（水素発生部）
　６１　純水製造装置
　６２　水電解セル
　７　水素タンク（水素貯蔵部）
　８　ＦＣ（燃料電池）
　８１　燃料電池スタック
　１０　ＥＭＳ（制御部）
　１１　電流検出部（検出部）
　１２　電圧検出部（検出部）
　１３　系統電源
　１４　負荷
　１７　電力検出部（検出部）
　１８　電力線
　１９　接続点

Claims

　再生可能エネルギーを受けて発電する再生可能エネルギー発電部が発電した電力により水素を発生する水素発生部と、
　該水素発生部により発生した水素を貯蔵する水素貯蔵部と、
　該水素貯蔵部に貯蔵された水素を用いて発電する燃料電池と、
　前記再生可能エネルギー発電部と前記燃料電池とを接続している電力線であって、
　前記電力線は、接続点を介して、前記再生可能エネルギー発電部と前記燃料電池とに系統電源を接続可能であり、
　前記電力線は、前記接続点を介して、前記系統電源に負荷を接続可能であり、
　前記系統電源が接続された状態における、前記系統電源と前記接続点との間の前記電力線に接続され、前記系統電源からの電力の潮流方向を検出するための検出部と、
　該検出部が検出した潮流方向に基づいて、前記水素発生部又は前記燃料電池の作動を制御する制御部と
　を備えることを特徴とする電力供給システム。
前記電力線は、
　前記系統電源と前記再生可能エネルギー発電部との間の前記接続点を介して負荷を接続可能にし、前記負荷が接続された状態における負荷と前記接続点との間に前記燃料電池を接続してあることを特徴とする請求項１に記載の電力供給システム。
　前記制御部は、前記潮流方向が前記系統電源から前記接続点に向かう第１の方向である場合に前記燃料電池を発電させ、前記潮流方向が前記接続点から前記系統電源に向かう第２の方向である場合に前記水素発生部を作動させることを特徴とする請求項１、または２に記載の電力供給システム。
　前記検出部は電流計及び電圧計を含み、又は電力計を含み、
　前記制御部は、前記検出部から前記電力を取得することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電力供給システム。
　前記制御部は、前記電力が所定範囲内に収まるように、前記水素発生部又は前記燃料電池の作動を制御することを特徴とする請求項４に記載の電力供給システム。
　前記制御部は、前記電力に基づいて、前記水素発生部の水素発生量を制御することを特徴とする請求項４又は５に記載の電力供給システム。
　前記制御部は、前記電力が正側に所定の閾値を越えた場合に、前記燃料電池の発電を開始することを特徴とする請求項４から６までのいずれか１項に記載の電力供給システム。
　前記制御部は、前記潮流方向が前記系統電源から前記接続点に向かう第１の方向である場合に前記水素発生部を停止させることを特徴とする請求項３から７までのいずれか１項に記載の電力供給システム。