特許 7364182 水素利用電力供給システム及び水素利用電力供給方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-10-10

(45)【発行日】2023-10-18

(54)【発明の名称】水素利用電力供給システム及び水素利用電力供給方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/0656 20160101AFI20231011BHJP

   H02J 15/00 20060101ALI20231011BHJP

   H01M 8/0432 20160101ALI20231011BHJP

   H01M 8/0438 20160101ALI20231011BHJP

   H01M 8/04701 20160101ALI20231011BHJP

   H01M 8/00 20160101ALI20231011BHJP

   H01M 8/04858 20160101ALI20231011BHJP

   H01M 8/04537 20160101ALI20231011BHJP

   H01M 8/10 20160101ALI20231011BHJP

【ＦＩ】

H01M8/0656

H02J15/00 G

H01M8/0432

H01M8/0438

H01M8/04701

H01M8/00 A

H01M8/04858

H01M8/04537

H01M8/10 101

H01M8/00 Z

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2019075095

(22)【出願日】2019-04-10

(65)【公開番号】P2020173972

(43)【公開日】2020-10-22

【審査請求日】2022-02-08

(73)【特許権者】

【識別番号】000002299

【氏名又は名称】清水建設株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】301021533

【氏名又は名称】国立研究開発法人産業技術総合研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100149548

【弁理士】

【氏名又は名称】松沼 泰史

(74)【代理人】

【識別番号】100161506

【弁理士】

【氏名又は名称】川渕 健一

(74)【代理人】

【識別番号】100161207

【弁理士】

【氏名又は名称】西澤 和純

(72)【発明者】

【氏名】野津 剛

(72)【発明者】

【氏名】下田 英介

(72)【発明者】

【氏名】沼田 茂生

(72)【発明者】

【氏名】前田 哲彦

(72)【発明者】

【氏名】遠藤 成輝

(72)【発明者】

【氏名】五舛目 清剛

【審査官】橋本 敏行

(56)【参考文献】

【文献】特開２０００－０５４１７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－２３６７４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－２６９６３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－３４５２７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０６－１７８４０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－２２３９３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－０８６２１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－２７７９６３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ８／００－８／２４９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

負荷に対して供給する少なくとも一部の電力として水素を利用して発電された電力を供給する水素利用電力供給システムであって、
再生可能エネルギーによって得られる電源または商用電源からの電力により電解槽に蓄積された水を電気分解して水素を製造する水素製造装置と、
前記製造された水素を水素吸蔵合金が封入された合金タンクに貯蔵する水素貯蔵装置と、
前記水素貯蔵装置に貯蔵された水素を用いて発電する燃料電池と、
冷却装置と、
加熱装置と、
前記水素製造装置の電解槽の排熱を回収する熱媒路と、
前記電解槽、前記合金タンク、前記燃料電池のいずれかの温度または圧力が基準温度または基準圧力を越えたか否かを判定し、基準温度または基準圧力を越えた場合に、前記基準温度または基準圧力を越えた前記電解槽、前記合金タンク、前記燃料電池のいずれかを対象として前記冷却装置によって冷却させる制御装置を有し、
前記制御装置は、前記水素製造装置が起動したことに応じて電解槽から生じる排熱を前記熱媒路によって回収し、前記合金タンクから水素を放出する場合に、前記加熱装置を用いて前記熱媒路を巡回させることで前記合金タンクを加温する、
を有する水素利用電力供給システム。

【請求項2】

前記制御装置は、前記合金タンクから水素を放出する場合に、前記燃料電池の排熱によって前記合金タンクを加熱する
請求項１記載の水素利用電力供給システム。

【請求項3】

前記水素利用電力供給システムは、
建物設備との熱交換が可能な熱負荷装置を有し、
前記制御装置は、前記熱負荷装置との熱交換によって、前記電解槽、前記合金タンク、前記燃料電池のいずれかを対象として加熱または冷却する、
請求項１または請求項２記載の水素利用電力供給システム。

【請求項4】

前記水素利用電力供給システムは、電力を充放電する蓄電池を有し、
前記制御装置は、建物の電力需要に応じて、再生可能エネルギー電源から前記建物内の負荷設備への電力供給または再生可能エネルギー電源から供給される電力の充電の制御をする
請求項１から請求項３記載のうちいずれか１項に記載の水素利用電力供給システム。

【請求項5】

前記水素利用電力供給システムは、前記水素製造装置に複数ラインの除湿器を有し、電解槽から生成される水素ガスの水分を除湿するとともに、前記除湿器の加熱再生時には再生する除湿器とは異なる除湿器であって再生済みの除湿器に切り替えて水素を除湿する、
請求項１から請求項４記載のうちいずれか１項に記載の水素利用電力供給システム。

【請求項6】

負荷に対して供給する少なくとも一部の電力として水素を利用して発電された電力を供給する水素利用電力供給方法であって、
再生可能エネルギーによって得られる電源または商用電源からの電力により電解槽に蓄積された水を電気分解して水素を水素製造装置によって製造する工程と、
前記製造された水素を水素吸蔵合金が封入された合金タンクに貯蔵する工程と、
前記貯蔵された水素を用いて燃料電池で発電する工程と、
前記電解槽、前記合金タンク、前記燃料電池のいずれかの温度または圧力が基準温度または基準圧力を越えたか否かを判定し、基準温度または基準圧力を越えた場合に、前記基準温度または基準圧力を越えた前記電解槽、前記合金タンク、前記燃料電池のいずれかを対象として冷却装置によって冷却させる工程と、
前記水素製造装置が起動したことに応じて電解槽から生じる排熱を熱媒路によって回収し、前記合金タンクから水素を放出する場合に、加熱装置を用いて前記熱媒路を巡回させることで前記合金タンクを加温する工程と、
を有する水素利用電力供給方法。

【請求項7】

前記合金タンクの圧力が基準圧力を下回ったか否かを判定し、基準圧力を下回った場合に、前記合金タンクを加熱装置または燃料電池の排熱によって加熱させる工程と
を有する請求項６に記載の水素利用電力供給方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、水素利用電力供給システム及び水素利用電力供給方法に関する。

【背景技術】

【0002】

２０１４年４月に閣議決定されたエネルギー基本計画において、水素を日常の生活や産業活動で利活用する「水素社会」の実現に向け取り組みを加速することが定められ、国や東京都では２０２０年東京五輪での水素の積極活用、その後の水素社会普及に向けた動きが活発化している。２０１２年７月の再生可能エネルギーの固定価格買取制度（ＦＩＴ）の導入は、非住宅用の太陽光発電市場（公共・産業分野）を大きく変えることとなった。ＪＰＥＡ ＰＶ ＯＵＴＬＯＯＫ ２０３０によると、国内総出荷に占める非住宅用の割合は、２０１２年度で（国内総出荷量３．８ＧＷに対し）５０％、２０１３年度で（同８．４ＧＷに対し）７３％、２０１４年度上半期で（上期国内総出荷量４．３ＧＷに対し）７７％と大幅に伸張している。

【0003】

太陽光発電の大量の設備認定量に伴い、それらが全て稼動した場合、電力需要の小さい軽負荷期に太陽光発電の供給電力量が需要電力量を上回る懸念が出てきたため、指定電気事業者において「無制限・無補償の出力抑制」を条件として系統接続を行うこととなった。今後、更なる太陽光発電の系統接続量の増加に伴い、電力需給調整を目的とした出力抑制実施は現実のものとなる。

【0004】

出力抑制が実施されると、その分の再生可能エネルギーは捨てられてしまうため、エネルギーの効率的な利用という観点から見ると、蓄電池等を用いて捨てる分のエネルギー（以下、余剰電力と呼ぶ）は貯蔵しておくことが望ましい。余剰電力の貯蔵手段として、近年注目されているのが水素である。蓄電池による貯蔵に比べると、電気から水素への変換、また水素から電気への変換に伴う効率低下が大きいというデメリットはあるが、大容量、長期的なエネルギー貯蔵に適している。なお、電力を使用して水素を製造・貯蔵・利用（発電）するシステムとしては、例えば特許文献１及び特許文献２に記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】国際公開第２０１７／０１３７５１号

【文献】特開２００３－０６１２５１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

余剰水素をコンパクトかつ安全に貯蔵するために、水素吸蔵合金を利用することも挙げられている。しかしながら、一般的な水素吸蔵合金は着火すると燃えるため、消防法上の危険物に該当する。そこで、消防法上の危険物に該当しない水素吸蔵合金として、チタン・鉄系の水素吸蔵合金を用いることが考えられる。ところが、チタン・鉄系の水素吸蔵合金では、ＰＣＴ（Pressure Composition Temperature）線図上で圧力がプラトーになる領域が少なく、また吸放出時の圧力ヒステリシスも大きい。このため、省エネルギーで水素の吸放出を行うためには、広い温度帯の管理と熱の有効利用が必要となる。

【0007】

上述の課題を鑑み、本発明は、システムの各部を有効に温度管理できる水素利用電力供給システム及び水素利用電力供給方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の一態様に係る水素利用電力供給システムは、負荷に対して供給する少なくとも一部の電力として水素を利用して発電された電力を供給する水素利用電力供給システムであって、再生可能エネルギーによって得られる電源または商用電源からの電力により電解槽に蓄積された水を電気分解して水素を製造する水素製造装置と、前記製造された水素を水素吸蔵合金が封入された合金タンクに貯蔵する水素貯蔵装置と、前記水素貯蔵装置に貯蔵された水素を用いて発電する燃料電池と、冷却装置と、加熱装置と、前記水素製造装置の電解槽の排熱を回収する熱媒路と、前記電解槽、前記合金タンク、前記燃料電池のいずれかの温度または圧力が基準温度または基準圧力を越えたか否かを判定し、基準温度または基準圧力を越えた場合に、前記基準温度または基準圧力を越えた前記電解槽、前記合金タンク、前記燃料電池のいずれかを対象として前記冷却装置によって冷却させる制御装置を有し、前記制御装置は、前記水素製造装置が起動したことに応じて電解槽から生じる排熱を前記熱媒路によって回収し、前記合金タンクから水素を放出する場合に、前記加熱装置を用いて前記熱媒路を巡回させることで前記合金タンクを加温する。

【0009】

本発明の一態様に係る水素利用電力供給方法は、負荷に対して供給する少なくとも一部の電力として水素を利用して発電された電力を供給する水素利用電力供給方法であって、再生可能エネルギーによって得られる電源または商用電源からの電力により電解槽に蓄積された水を電気分解して水素を水素製造装置によって製造する工程と、前記製造された水素を水素吸蔵合金が封入された合金タンクに貯蔵する工程と、前記貯蔵された水素を用いて燃料電池で発電する工程と、前記電解槽、前記合金タンク、前記燃料電池のいずれかの温度または圧力が基準温度または基準圧力を越えたか否かを判定し、基準温度または基準圧力を越えた場合に、前記基準温度または基準圧力を越えた前記電解槽、前記合金タンク、前記燃料電池のいずれかを対象として冷却装置によって冷却させる工程と、前記水素製造装置が起動したことに応じて電解槽から生じる排熱を熱媒路によって回収し、前記合金タンクから水素を放出する場合に、加熱装置を用いて前記熱媒路を巡回させることで前記合金タンクを加温する工程と、を有する。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、電解槽、水素吸蔵合金、燃料電池等、各部の温度を冷却装置によって放熱して冷却できる。これにより、システムの各部を有効に温度管理できる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の実施形態に係る水素利用システムの構成の概要を示すブロック図である。

【図2】チタン・鉄系の水素吸蔵合金の一例のＰＣＴ線図である。

【図3A】本発明の実施形態に係る水素利用システムにおける冷却装置の運転の説明図である。

【図3B】本発明の実施形態に係る水素利用システムにおける加熱装置の運転の説明図である。

【図4】本発明の実施形態に係る水素利用システムにおける運転計画立案処理を示すフローチャートである。

【図5】本発明の実施形態に係る水素利用システムの全体における運転制御の概要を示すフローチャートである。

【図6A】本発明の実施形態に係る水素利用システムにおける水素製造処理および水素貯蔵処理を説明するフローチャートである。

【図6B】水素製造停止処理を説明するフローチャートである。

【図7A】本発明の実施形態に係る水素利用システムにおける水素放出処理及び水素発電処理を説明するフローチャートである。

【図7B】水素発電停止処理を説明するフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施形態に係る水素利用システム１の構成の概要を示すブロック図である。

【0013】

図１に示すように、本発明の実施形態に係る水素利用システム１は、再生可能エネルギー電源１１と、蓄電池１２と、電力負荷１３と、水素製造装置１４と、水素貯蔵装置１５と、燃料電池１６と、加熱装置１７と、冷却装置１８と、熱負荷１９と、制御装置２０とから構成される。

【0014】

再生可能エネルギー電源１１は、太陽光発電や風力発電等の再生可能エネルギーを用いて発電を行う。蓄電池１２は、電力の充放電を行い、再生可能エネルギー電源１１の不安定な発電量の変動成分を補う。電力負荷１３は、照明機器、空調機器、各種電気・電子機器等、電力を消費して利用する建物内の負荷設備である。

【0015】

水素製造装置１４は、再生可能エネルギー電源１１や商用電源３１から水素を製造する。水素製造装置１４としては、例えば固体高分子（ＰＥＭ）形水電解により水素を製造するものが用いられる。固体高分子形水電解は、高温で電解しやすく、電解効率が高く、起動停止が容易であるという特徴がある。水素製造装置１４は、電解槽２１と再生型除湿器２２を備えている。電解槽２１には純水が蓄積されている。電解槽２１では、固体高分子電解質膜を水素イオンが移動して水が電気分解され、水素が生成される。本実施形態では、高圧ガス適用除外となる０．９ＭＰａＧ以下の圧力で電解を行い、電解電流は再生可能エネルギーの発電量に合わせてコントロール可能としている。生成した水素ガスに含まれる水分は、再生型除湿器２２により除去される。また、再生型除湿器２２は、除湿剤の加熱再生時に発生する高湿な水素ガスを再利用することで、定常運転時の水素排出を極力削減するようにしている。また、電解槽２１の排熱は、熱媒路５０に回収され、巡回されて、熱源として利用される。

【0016】

水素貯蔵装置１５は、水素吸蔵合金を用いて水素を貯蔵する。水素貯蔵装置１５は、水素吸蔵合金が封入された合金タンク２３を備えている。水素吸蔵合金としては、例えばチタン・鉄系合金等、消防法上の危険物に該当しない合金であればよく、チタン・鉄系合金以外の合金を用いるようにしてもよい。また、合金タンク２３は、高圧ガス保安法の適用外となる圧力０．９ＭＰａＧ以下での運用が可能とされている。水素吸蔵合金の特性は、ＰＣＴ線図で示される。図２は、チタン・鉄系の水素吸蔵合金の一例のＰＣＴ線図である。図２において、横軸は水素組成（水素原子Ｈと金属原子Ｍの比）を示し、縦軸は平衡水素圧を示す。図２に示すように、チタン・鉄系の水素吸蔵合金では、ＰＣＴ線図上で圧力がプラトーになる領域が少なく、また吸放出時の圧力ヒステリシスも大きい。合金タンク２３の冷却や加温は、熱媒路５０からの熱媒を使って行われる。この例では、合金タンク２３は、吸蔵時には摂氏２０度程度まで冷却し、放出時には摂氏６０度程度まで加温し、その温度帯域が２０～６０℃となるように、合金組成の調整を行う。

【0017】

燃料電池１６は、水素を利用して発電を行う。燃料電池１６としては、例えば固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）が用いられる。固体高分子形燃料電池は、起動停止が容易で、変動する建物の電力需要に対応しやすいという特徴がある。燃料電池１６は、スタック２４と熱交換器２５とを有する。スタック２４では、水素貯蔵装置１５から送られてきた水素により電力が生成される。また、燃料電池１６の発電時に得られる熱は、熱交換器２５により熱媒路５０に回収され、建物内の熱負荷１９に供給されるとともに、その一部は水素貯蔵装置１５に供給され、合金タンク２３が加温される。これにより、水素が放出され、合金タンク２３から発電に必要な水素を安定かつ継続的に取得できる。

【0018】

加熱装置１７は、装置の各部の加熱を行う熱源である。また、水素貯蔵装置１５の合金タンク２３での水素の放出では、加熱装置１７を用いて熱媒路５０を巡回して合金タンク２３に送られる熱媒の加温が行われる。冷却装置１８は、システム内の各部を冷却する。熱負荷１９は、給湯器や空調器等、熱を負荷として消費する建物内の設備である。

【0019】

商用電源３１からの電力線３０には、再生可能エネルギー電源１１、蓄電池１２、電力負荷１３、水素製造装置１４、及び燃料電池１６が接続されている。商用電源３１の入り口には、計測器Ｍ１が設けられる。水素製造装置１４の入り口には、計測器Ｍ２が設けられる。再生可能エネルギー電源１１の入り口には、計測器Ｍ３が設けられる。蓄電池１２の入り口には、計測器Ｍ４が設けられる。電力負荷１３の入り口には、計測器Ｍ５が設けられる。燃料電池１６の出口には、計測器Ｍ６が設けられる。これらの計測器Ｍ１～Ｍ６は、電流、電圧、電力、積算電力等を監視する計測器である。これらの計測器Ｍ１～Ｍ６の計測値は、制御装置２０に送られる。

【0020】

水素製造装置１４と水素貯蔵装置１５との間の水素の供給パイプには、水素放出弁４１が設けられる。また、水素貯蔵装置１５と燃料電池１６との間の水素の供給パイプには、水素放出弁４２が設けられる。水素放出弁４１及び４２の開閉は、制御装置２０により制御できる。また、水素製造装置１４には、再生型除湿器２２に水素ガスを戻すポンプ４３が設けられる。ポンプ４３は、制御装置２０により制御できる。また、水素製造装置１４の水素の入り口側には、計測器Ｍ１１が設けられる。また、水素貯蔵装置１５の水素の出口側には、計測器Ｍ１２が設けられる。計測器Ｍ１１及びＭ１２は、水素量や水素圧を監視する計測器である。これらの計測器Ｍ１１及びＭ１２の計測値は、制御装置２０に送られる。

【0021】

水素製造装置１４、水素貯蔵装置１５、及び燃料電池１６等、水素利用システム１の各部の温度を調整するために、熱媒路５０が設けられる。熱媒路５０には、熱媒として温水や冷水が循環される。水素製造装置１４の電解槽２１の熱媒の温度は、計測器Ｍ２１で計測される。水素貯蔵装置１５の合金タンク２３の熱媒の温度は、計測器Ｍ２２で計測される。燃料電池１６の熱交換器２５の熱媒の温度は、計測器Ｍ２３で計測される。加熱装置１７の熱媒の温度は、計測器Ｍ２４で計測される。冷却装置１８の熱媒の温度は、計測器Ｍ２５で計測される。熱負荷１９の熱媒の温度は、計測器Ｍ２６で計測される。これらの計測器Ｍ２１～Ｍ２６の計測値は、制御装置２０に送られる。また、冷却装置１８の動作による冷却の設定、水素製造装置１４での電解電流の設定、加熱装置１７の設定による水素貯蔵装置１５での水素の吸蔵や放出、及び燃料電池１６の発電量の設定は、制御装置２０により、前日に立案された運転計に基づいて、あるいはリアルタイムに制御できる。

【0022】

制御装置２０は、各状態において、計測器の計測値に応じて、以下のような制御を行う。

【0023】

水素製造装置１４の起動処理を行う際には、制御装置２０は、起動時間の短縮および除湿性能を高めるために、水素圧力１ＭＰａ以下で、できるだけ圧力が高くなるように、電解槽２１に電解電流を設定する。そして、制御装置２０は、水素放出弁４１が開状態になる前に、ブライン運転を稼働し、熱交換を開始し、合金タンク２３を冷却し、水素を吸着できるようにしておく。そして、制御装置２０は、水素放出弁４１が開状態になったら、電解電流を出力計画値に設定して、電解槽２１から水素を生成させる。

【0024】

水素製造装置１４の除湿器の再生運転を行う際には、制御装置２０は、再生型除湿器２２の累積運転時間を計測する。そして、制御装置２０は、再生型除湿器２２の累積運転時間が所定の時間を越えたら、もう一方の再生済み除湿器のラインに切り替えて、生成した水素ガスの除湿を行う。そして、制御装置２０は、ポンプ４３を稼働させて、ヒータにより再生する除湿剤を加熱して再生する。そして、制御装置２０は、再生が完了したら、ポンプ４３を停止させる。また、制御装置２０は、複数ある除湿器のうち、ある除湿器について加熱再生をしている場合において水素ガスの除湿をする場合には、再生中の除湿器とは異なる除湿器のうち、再生済みの除湿器に切り替えることで、水素ガスの除湿をする。

【0025】

燃料電池１６の起動処理を行う際には、制御装置２０は、水素貯蔵装置１５のブライン運転を稼働して、合金タンク２３を加温して、水素を放出させる。そして、制御装置２０は、水素放出弁４２を開状態にして、燃料電池１６を起動させる。そして、制御装置２０は、有効電力出力指令を出力計画値に設定して、燃料電池１６から計画値の電源を出力させる。

【0026】

冷却装置１８の起動・停止を行う際には、制御装置２０は、計測器Ｍ２３により、燃料電池１６の入り口の熱媒の温度を監視し、あるいは、計測器Ｍ２１により、電解槽２１の熱媒の温度を監視し、熱媒の温度が所定の温度を越えたら、冷却装置１８を起動して、冷却を行う。また、燃料電池１６の熱媒の温度、あるいは、電解槽２１の熱媒の温度が所定の温度を下回った時には、冷却装置１８を停止する。

【0027】

図３Ａは、本発明の実施形態に係る水素利用システムにおける冷却装置１８の運転の説明図である。図３Ａにおいて、横軸は燃料電池１６の入り口の熱媒の温度あるいは電解槽２１の熱媒の温度あるいは合金タンク２３のタンク圧力を示し、縦軸は、冷却装置１８の設定状態（ＯＮまたはＯＦＦ）を示す。図３Ａに示すように、冷却装置１８の起動開始時の温度または圧力は冷却装置１８の停止時の温度または圧力より高く設定されており、冷却装置１８の起動開始時の温度または圧力と冷却装置１８の停止時の温度または圧力とで、ヒステリシス特性を持つようにしている。
図３Ｂは、本発明の実施形態に係る水素利用システムにおける加熱装置１７の運転の説明図である。図３Ｂにおいて、横軸は合金タンク２３のタンク圧力を示し、縦軸は、加熱装置１７の設定状態（ＯＮまたはＯＦＦ）を示す。図３Ｂに示すように、加熱装置１７の起動開始時の合金タンク２３のタンク圧力は加熱装置１７の停止時のタンク圧力より低く設定されており、加熱装置１７の起動開始時の圧力と加熱装置１７の停止時の圧力とで、ヒステリシス特性を持つようにしている。

【0028】

合金タンク２３の吸蔵時には、制御装置２０は、合金タンク２３の入り口温度を計測器Ｍ２２で監視し、所定の温度を越えたら、冷却装置１８を起動して、冷却を行う。また、合金タンク２３の熱媒の温度が所定の温度を下回った時には、制御装置２０は冷却装置１８を停止する。

【0029】

また、合金タンク２３の放出時には、制御装置２０は、合金タンク２３の入り口温度を計測器Ｍ２２で監視し、所定の温度を下回ったら、加熱装置１７を起動して、加温を行う。また、合金タンク２３の熱媒の温度が所定の温度を上回った時には、制御装置２０は、加熱装置１７を停止し、さらに、冷却装置１８を起動して冷却する。
また、制御装置２０は、建物の電力需要に応じて、再生可能エネルギー電源から建物内の負荷設備への電力供給または再生可能エネルギー電源から供給される電力の充電の制御をする。例えば、制御装置２０は、再生可能エネルギー電源１１の発電量が、建物内の負荷設備の電力需要に対して変動が生じたとしても、蓄電池１２から放電または充電することで、再生可能エネルギー電源１１の発電量の変動成分を補うことができる。

【0030】

次に、本発明の実施形態に係る水素利用システム１でのエネルギー管理について説明する。本発明の実施形態に係る水素利用システム１では、翌日についての再生可能エネルギーに基づく電力発電量と需要予測とを、前日に行って運転計画を立案する。運転計画は、前日行っているので、実際に当日になったときには、天候が予想通りにはならなかった場合には、太陽光・風力等の発電が計画通りにならなかったり、あるいは電力需要予測をしたが、電力需要が予想通りにはならない場合がある。予想との誤差に対処するために、リアルタイム制御が行われる。なお、本実施形態では、建物のエネルギー管理システムであるスマートＢＥＭＳ（Building Energy Management System）を用いて、他の建築設備同様に統合的に、監視や制御が行われる。

【0031】

図４は、本発明の実施形態に係る水素利用システムにおける運転計画立案処理を示すフローチャートである。
（ステップＳ１）まず、オペレータは、建物の最大デマンド電力の目標値を制御装置２０に設定して、処理をステップＳ２に進める。
（ステップＳ２）次に、オペレータは、最適化条件を制御装置２０に設定して、処理をステップＳ３に進める。最適化条件は「エネルギーコスト最小」、「一次エネルギー最小」、「ＣＯ２排出量最小」が選択可能とする。
（ステップＳ３）制御装置２０は、天気予報データ、過去の建物の電力／熱需要の実績データを取得して、処理をステップＳ４に進める。
（ステップＳ４）制御装置２０は、任意の時間帯に対して、天気予報データ、過去の建物の電力／熱需要の実績データを用いて、再生可能エネルギー電源１１の発電予測、電力負荷１３の需要予測、及び熱負荷１９の需要予測を行い、処理をステップＳ５に進める。任意の時間帯としては例えば、前日夜、当日朝、当日昼の日３回、３０分単位４８時間分の計９６時間帯が想定される。
（ステップＳ５）制御装置２０は、発電予測及び需要予測結果を基に、設定した最適化条件を用いて、各時間帯における各設備の運転出力計画を立案する。
（ステップＳ６）制御装置２０は、各設備の運転出力計画が最適化されているかを検証し、最適化されていなければ（ステップＳ６：Ｎｏ）、ステップＳ４に処理を戻し、各時間帯における各設備の運転出力計画を立て直す。
（ステップＳ７）ステップＳ４からステップＳ６の処理を繰り返すことで、最適化された運転計画が作成されたら（ステップＳ６：Ｙｅｓ）、後日、制御装置２０は、この運転計画に従って各部の制御を行う。

【0032】

図５は、本発明の実施形態に係る水素利用システムの全体における運転制御の概要を示すフローチャートである。
（ステップＳ１０１）制御装置２０は、電力が余剰あるいは余剰になることが予想され、水素を製造するか否かを判定する。水素製造処理を行う場合には（ステップＳ１０１：Ｙｅｓ）、処理をステップＳ１０２に進め、水素製造処理を行わない場合には（ステップＳ１０１：Ｎｏ）、水素製造停止処理を行って（ステップＳ１０５）、処理をステップＳ１０３に進める。
（ステップＳ１０２）制御装置２０は、水素製造処理および水素貯蔵処理を行って、処理をステップＳ１０３に進める。
（ステップＳ１０３）制御装置２０は、電力が不足あるいは不足することが予想され、水素発電を行うか否かを判定する。水素発電を行う場合には（ステップＳ１０３：Ｙｅｓ）、処理をステップＳ１０４に進め、水素発電を行わない場合には（ステップＳ１０３：Ｎｏ）、水素発電停止処理を行って（ステップＳ１０６）、処理をステップＳ１０１にリターンする。
（ステップＳ１０４）制御装置２０は、水素放出処理および水素発電処理を行って、処理をステップＳ１０１にリターンする。

【0033】

リアルタイム制御では、運転計画より、電力が余剰になる場合や、電力が不足する場合が生じる。水素製造処理および水素貯蔵処理（ステップＳ１０２）では、電力が余剰あるいは余剰になることが予想される場合に、水素製造装置１４で水素を製造し、製造された水素を、水素貯蔵装置１５の合金タンク２３に貯蔵する。また、水素放出処理および水素発電処理（ステップＳ１０４）では、電力が不足あるいは不足することが予想される場合に、合金タンク２３から水素を放出し、この水素を用いて燃料電池１６を駆動して、発電を行う。

【0034】

図６は、本発明の実施形態に係る水素利用システムにおいて、ステップＳ１０２における水素製造処理および水素貯蔵処理を示すフローチャートである。図６Ａは、水素製造処理および水素貯蔵処理を説明するフローチャートである。図６Ｂは、水素製造停止処理を説明するフローチャートである。
なお、所定の温度Ｔ１及びＴ２は、水素製造装置１４で水素製造を行うのに適当な電解槽２１の温度に対応する温度範囲である。所定の圧力Ｐ１及びＰ２は、水素を吸蔵させるのに適当な合金タンク２３の圧力の対応する圧力範囲である。温度Ｔ１及びＴ２、圧力Ｐ１及びＰ２は、実験やシミュレーション等を行うことで、予め最適に設定される。

【0035】

まず、図６Ａのフローチャートを参照して説明する。
（ステップＳ２０１）制御装置２０は、水素貯蔵装置１５の合金タンク２３の圧力が所定の圧力Ｐ１を越えているか否かを判定する。合金タンク２３の圧力が所定の圧力Ｐ１を越えている場合には（ステップＳ２０１：Ｙｅｓ）、処理をステップＳ２０２に進め、合金タンク２３の圧力が所定の圧力Ｐ１を越えていない場合には（ステップＳ２０１：Ｎｏ）、処理をステップＳ２０３に進める。
（ステップＳ２０２）制御装置２０は、冷却装置１８を起動して合金タンク内を冷却し、処理をステップＳ２１３に進める。
（ステップＳ２０３）制御装置２０は、水素貯蔵装置１５の合金タンク２３の圧力が所定の圧力Ｐ２を下回ったか否かを判定する。水素貯蔵装置１５の合金タンク２３の圧力が所定の圧力Ｐ２を下回った場合には（ステップＳ２０３：Ｙｅｓ）、処理をステップＳ２０４に進め、水素貯蔵装置１５の合金タンク２３の圧力が所定の圧力Ｐ２を下回っていない場合には（ステップＳ２０３：Ｎｏ）、処理をステップＳ２０５に進める。
（ステップＳ２１４）制御装置２０は、冷却装置１８を停止し、処理をステップＳ２０５に進める。

【0036】

（ステップＳ２０５）制御装置２０は、水素製造装置１４が起動中か否かを判断する。水素製造装置１４が起動中でなければ（ステップＳ２０５：Ｎｏ）、処理をステップＳ２０６に進め、水素製造装置１４が起動中なら（ステップＳ２０２：Ｙｅｓ）、処理をステップＳ２０７に進める。
（ステップＳ２０６）制御装置２０は、水素製造装置１４の起動を実施して、処理をステップＳ２０７に進める。
（ステップＳ２０７）制御装置２０は、水素製造装置１４の電解槽２１の電解電流を設定して、水電解運転を行い、処理をステップＳ２０８に進める。
（ステップＳ２０８）制御装置２０は、水素製造装置１４の再生型除湿器２２の累積の運転時間が所定の閾値ｔ０を越えているかを判定する。なお、閾値ｔ０は、最適な運転を行える累積の運転時間の値として予め設定されている。累積の運転時間が所定の閾値ｔ０を越えていたら（ステップＳ２０８：Ｙｅｓ）、処理をステップＳ２０９に進め、所定の閾値を越えていなければ（ステップＳ２０８：Ｎｏ）、処理をステップＳ２１０に進める。
（ステップＳ２０９）制御装置２０は、別ラインの除湿器に切り替えるとともに除湿器の再生運転を実施して、処理をステップＳ２０７に進める。
（ステップＳ２１０）制御装置２０は、電解槽２１の温度が所定の温度Ｔ１を越えているか否かを判定する。電解槽２１の温度が所定の温度Ｔ１を越えている場合には（ステップＳ２１０：Ｙｅｓ）、処理をステップＳ２１１に進め、所定の温度Ｔ１を越えていない場合には（ステップＳ２１０：Ｎｏ）、処理をステップＳ２１２に進める。
（ステップＳ２１１）制御装置２０は、冷却装置１８を起動してシステム内を冷却し、処理をステップＳ２１２に進める。
（ステップＳ２１２）制御装置２０は、電解槽２１の温度が所定の温度Ｔ２を下回ったか否かを判定する。電解槽２１の温度が所定の温度Ｔ２を下回っている場合には（ステップＳ２１２：Ｙｅｓ）、処理をステップＳ２１３に進め、電解槽２１の温度が所定の温度Ｔ２を下回っていない場合には（ステップＳ２１２：Ｎｏ）、水素製造処理および水素貯蔵処理を抜けて、メイン処理に復帰する。
（ステップＳ２１３）制御装置２０は、冷却装置１８を停止し、水素製造処理および水素貯蔵処理を抜けて、メイン処理に復帰する。

【0037】

次に、図６Ｂのフローチャートを参照して水素製造停止処理について説明する。
（ステップＳ２１５）制御装置２０は、水素製造装置１４で水電解運転が起動中か否かを判定する。水素製造装置１４で水電解運転が起動中の場合には（ステップＳ２１５：Ｙｅｓ）、処理をステップＳ２１６に進める。水電解運転が起動中でない場合には（ステップＳ２１５：Ｎｏ）、水素製造停止処理を抜けて、メイン処理に復帰する。
（ステップＳ２１６）制御装置２０は、水電解運転が起動中なら、水電解運転を停止する。そして、水素製造停止処理を抜けて、メイン処理に復帰する。

【0038】

図７は、本発明の実施形態に係る水素利用システムにおいて、ステップＳ１０４における水素放出処理および水素発電処理を示すフローチャートである。
図７Ａは、水素放出処理及び水素発電処理を説明するフローチャートである。図７Ｂは、水素発電停止処理を説明するフローチャートである。
なお、所定の温度Ｔ５及びＴ６は、燃料電池１６で発電の運転が効率的に行える燃料電池の温度に対応する温度範囲である。所定の圧力Ｐ３及びＰ４は、水素を放出させるのに適当な合金タンク２３の圧力の対応する圧力範囲である。温度Ｔ５及びＴ６、圧力Ｐ３及びＰ４は、実験やシミュレーション等を行うことで、予め最適に設定される。

【0039】

まず、図７Ａのフローチャートを参照して説明する。
（ステップＳ３０１）制御装置２０は、合金タンク２３の圧力が所定の圧力Ｐ３を下回ったか否かを判定する。合金タンク２３の圧力が所定の圧力Ｐ３を下回った場合には（ステップＳ３０１：Ｙｅｓ）、処理をステップＳ３０２に進め、合金タンク２３の圧力が所定の圧力Ｐ３を下回っていない場合には（ステップＳ３０１：Ｎｏ）、処理をステップＳ３０３に進める。
（ステップＳ３０２）制御装置２０は、加熱装置１７を動作（起動）させ、熱媒を加温して、処理をステップＳ３０３に進める。
（ステップＳ３０３）制御装置２０は、合金タンク２３の圧力が所定の圧力Ｐ４を越えたか否かを判定する。合金タンク２３の圧力が所定の圧力Ｐ４を越えた場合には、処理をステップＳ３０４に進める。合金タンク２３の圧力が所定の圧力Ｐ４を越えていない場合には（ステップＳ３０３：Ｎｏ）、処理をステップＳ３０５に進める。
（ステップＳ３０４）制御装置２０は、加熱装置１７による加温を停止し、処理をステップＳ３０５に進める。

【0040】

（ステップＳ３０５）制御装置２０は、燃料電池１６が起動中かどうかを判断する。燃料電池１６が起動中でなければ（ステップＳ３０５：Ｎｏ）、処理をステップＳ３０６に進め、燃料電池１６が起動中なら（ステップＳ３０５：Ｙｅｓ）、処理をステップＳ３０７に進める。
（ステップＳ３０６）制御装置２０は、燃料電池１６の起動を実施して、処理をステップＳ３０７に進める。
（ステップＳ３０７）制御装置２０は、燃料電池１６の電力出力を設定して、燃料電池１６の運転して発電を行い、処理をステップＳ３０８に進める。
（ステップＳ３０８）制御装置２０は、燃料電池１６の熱媒温度が所定の温度Ｔ５を越えたか否かを判定する。燃料電池１６の熱媒温度が所定の温度Ｔ５を越えた場合には（ステップＳ３０９：Ｙｅｓ）、処理をステップＳ３０６に進め、燃料電池１６の熱媒温度が所定の温度Ｔ５を越えていない場合には（ステップＳ３０８：Ｎｏ）、処理をステップＳ３１０に進める。

【0041】

（ステップＳ３０９）制御装置２０は、冷却装置１８を起動して冷却する。
（ステップＳ３１０）制御装置２０は、燃料電池１６の熱媒温度が所定の温度Ｔ６を下回ったか否かを判定する。燃料電池１６の熱媒温度が所定の温度Ｔ６を下回った場合には（ステップＳ３１０：Ｙｅｓ）、処理をステップＳ３１１に進め、燃料電池１６の熱媒温度が所定の温度Ｔ６を下回っていない場合には（ステップＳ３１０：Ｎｏ）、水素放出処理及び水素発電処理を抜けて、メイン処理に復帰する。
（ステップＳ３１１）制御装置２０は、冷却装置１８を停止する。そして水素放出処理および水素発電処理を抜けて、メイン処理に復帰する。
次に、図７Ｂのフローチャートを参照して水素発電停止処理について説明する。
（ステップＳ３１５）制御装置２０は、燃料電池１６が起動中か否かを判定する。燃料電池１６が起動中の場合には（ステップＳ３１５：Ｙｅｓ）、処理をステップＳ３１６に進める。燃料電池１６が起動中でない場合には（ステップＳ３１５：Ｎｏ）、水素発電停止処理を抜けて、メイン処理に復帰する。
（ステップＳ３１６）燃料電池１６が起動中なら、燃料電池１６の運転を停止する。そして、水素発電停止処理を抜けて、メイン処理に復帰する。

【0042】

以上説明したように、本発明の実施形態に係る水素利用システム１では、消防法上の危険物に該当しないチタン・鉄系の水素吸蔵合金を用いて水素を貯蔵することができ、建物内や敷地内で、安全・かつコンパクトに水素を製造・貯蔵・利用することができる。また、システム全体を最適制御にて運用することが可能となり、再生可能エネルギーの余剰電力を高効率で運用できる。また、冷却装置１８を設けることで、エネルギーを使わずに、有効に温度帯の管理を行うことができる。

【0043】

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

【符号の説明】

【0044】

１１…再生可能エネルギー電源、１２…蓄電池、１３…電力負荷、１４…水素製造装置、１５…水素貯蔵装置、１６…燃料電池、１７…加熱装置、１８…冷却装置、１９…熱負荷、２０…制御装置

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図4】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図7A】

【図7B】