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JP7364182B2 - Hydrogen-based power supply system and hydrogen-based power supply method - Google Patents
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Hydrogen-based power supply system and hydrogen-based power supply method Download PDF

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Description

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。 The present invention relates to a hydrogen-based power supply system and a hydrogen-based power supply method.

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。 The Basic Energy Plan approved by the Cabinet in April 2014 stipulates that efforts will be accelerated to realize a "hydrogen society" in which hydrogen is used in daily life and industrial activities, and the national and Tokyo metropolitan governments have announced plans for 2020. There is a growing movement toward the active use of hydrogen at the Tokyo Olympics and the subsequent spread of a hydrogen society. The introduction of the Feed-in Tariff (FIT) system for renewable energy in July 2012 significantly changed the non-residential solar power generation market (public and industrial sectors). According to JPEA PV OUTLOOK 2030, the proportion of non-residential use in total domestic shipments was 50% in fiscal 2012 (compared to 3.8GW of total domestic shipments), 73% in fiscal 2013 (compared to 8.4GW), In the first half of FY2014, it has significantly increased by 77% (compared to the total domestic shipment of 4.3GW in the first half).

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。 Due to the large amount of certified solar power generation facilities, there is a concern that if all of them are in operation, the amount of power supplied by solar power generation will exceed the amount of demand during light load periods when power demand is low, so designated electric utilities It was decided that grid connection would be made on the condition of ``unlimited and uncompensated output curtailment.'' In the future, as the amount of solar power generation connected to the grid increases, output curtailment aimed at adjusting power supply and demand will become a reality.

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。 When output curtailment is implemented, that amount of renewable energy is discarded, so from the perspective of efficient energy use, energy that is discarded using storage batteries etc. (hereinafter referred to as surplus electricity) It is advisable to store it. Hydrogen has been attracting attention in recent years as a means of storing surplus electricity. Compared to storage using storage batteries, it has the disadvantage that there is a large drop in efficiency when converting electricity to hydrogen and from hydrogen to electricity, but it is suitable for large-capacity, long-term energy storage. Note that systems for producing, storing, and utilizing (power generation) hydrogen using electric power are described in, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2.

国際公開第2017/013751号International Publication No. 2017/013751 特開2003-061251号公報JP2003-061251A

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。 The use of hydrogen storage alloys has also been proposed to store surplus hydrogen compactly and safely. However, since common hydrogen storage alloys burn when ignited, they fall under the category of hazardous materials under the Fire Service Act. Therefore, it is conceivable to use a titanium/iron-based hydrogen storage alloy as a hydrogen storage alloy that does not fall under the category of hazardous materials under the Fire Service Act. However, in titanium-iron hydrogen storage alloys, there are few regions where the pressure plateaus on the PCT (Pressure Composition Temperature) diagram, and the pressure hysteresis during absorption and release is large. Therefore, in order to absorb and release hydrogen while saving energy, it is necessary to manage a wide temperature range and use heat effectively.

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。 In view of the above-mentioned problems, an object of the present invention is to provide a hydrogen-based power supply system and a hydrogen-based power supply method that can effectively control the temperature of each part of the system.

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。 A hydrogen-based power supply system according to one aspect of the present invention is a hydrogen-based power supply system that supplies power generated using hydrogen as at least part of the power supplied to a load, and is a hydrogen-based power supply system that uses renewable energy. A hydrogen production device that produces hydrogen by electrolyzing water accumulated in an electrolytic cell using power obtained from a power source obtained from a power source or a commercial power source, and storing the hydrogen produced in an alloy tank filled with a hydrogen storage alloy. a hydrogen storage device, a fuel cell that generates electricity using the hydrogen stored in the hydrogen storage device, a cooling device, a heating device, a heat medium path that recovers exhaust heat from the electrolytic cell of the hydrogen production device; Determine whether the temperature or pressure of any of the electrolytic cell, the alloy tank, or the fuel cell exceeds a reference temperature or pressure, and if the temperature or pressure exceeds the reference temperature or pressure, adjust the reference temperature or pressure. the electrolytic cell, the alloy tank, and the fuel cell, the cooling device is configured to cool the electrolytic cell, the alloy tank, and the fuel cell, and the control device is configured to cool the electrolytic cell, the alloy tank, and the fuel cell by the cooling device; When the generated waste heat is recovered by the heat medium path and hydrogen is released from the alloy tank, the alloy tank is heated by circulating the heat medium path using the heating device.

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。 A hydrogen-based power supply method according to one aspect of the present invention is a hydrogen-based power supply method that supplies power generated using hydrogen as at least a portion of the power supplied to a load, and which uses renewable energy. A step of electrolyzing water accumulated in an electrolytic cell using power obtained from a power source obtained by a power source or a power source from a commercial power source to produce hydrogen using a hydrogen production device , and transferring the produced hydrogen to an alloy tank in which a hydrogen storage alloy is sealed. a step of storing hydrogen; a step of generating electricity with a fuel cell using the stored hydrogen; and whether the temperature or pressure of any of the electrolyzer, the alloy tank, and the fuel cell exceeds a reference temperature or pressure. a step of cooling any one of the electrolytic cell, the alloy tank, and the fuel cell that exceeds the reference temperature or pressure with a cooling device if the temperature or pressure exceeds the reference temperature or pressure; When the exhaust heat generated from the electrolyzer is recovered by the heat medium path in response to the activation of the hydrogen production device and hydrogen is released from the alloy tank , by circulating the heat medium path using a heating device. and heating the alloy tank.

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。 According to the present invention, the temperature of each part, such as the electrolytic cell, hydrogen storage alloy, and fuel cell, can be cooled by radiating heat using the cooling device. This allows effective temperature control of each part of the system.

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。1 is a block diagram showing an overview of the configuration of a hydrogen utilization system according to an embodiment of the present invention. チタン・鉄系の水素吸蔵合金の一例のPCT線図である。FIG. 2 is a PCT diagram of an example of a titanium/iron-based hydrogen storage alloy. 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。FIG. 3 is an explanatory diagram of the operation of the cooling device in the hydrogen utilization system according to the embodiment of the present invention. 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。It is an explanatory view of operation of a heating device in a hydrogen utilization system concerning an embodiment of the present invention. 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。It is a flowchart which shows operation plan planning processing in a hydrogen utilization system concerning an embodiment of the present invention. 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。1 is a flowchart showing an overview of operation control in the entire hydrogen utilization system according to an embodiment of the present invention. 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。It is a flow chart explaining hydrogen production processing and hydrogen storage processing in a hydrogen utilization system concerning an embodiment of the present invention. 水素製造停止処理を説明するフローチャートである。It is a flow chart explaining hydrogen production stop processing. 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。It is a flow chart explaining hydrogen release processing and hydrogen power generation processing in a hydrogen utilization system concerning an embodiment of the present invention. 水素発電停止処理を説明するフローチャートである。It is a flow chart explaining hydrogen power generation stop processing.

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。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing an overview of the configuration of a hydrogen utilization system 1 according to an embodiment of the present invention.

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。 As shown in FIG. 1, the hydrogen utilization system 1 according to the embodiment of the present invention includes a renewable energy power source 11, a storage battery 12, a power load 13, a hydrogen production device 14, a hydrogen storage device 15, and a fuel cell. 16, a heating device 17, a cooling device 18, a heat load 19, and a control device 20.

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。 The renewable energy power source 11 generates power using renewable energy such as solar power generation and wind power generation. The storage battery 12 charges and discharges power to compensate for the unstable fluctuation component of the amount of power generated by the renewable energy power source 11. The power load 13 is load equipment in a building that consumes and utilizes power, such as lighting equipment, air conditioning equipment, and various electric/electronic equipment.

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。 The hydrogen production device 14 produces hydrogen from the renewable energy power source 11 and the commercial power source 31. As the hydrogen production device 14, one that produces hydrogen by, for example, solid polymer (PEM) type water electrolysis is used. Solid polymer type water electrolysis is characterized by being easy to electrolyze at high temperatures, having high electrolysis efficiency, and being easy to start and stop. The hydrogen production device 14 includes an electrolytic cell 21 and a regenerative dehumidifier 22. Pure water is accumulated in the electrolytic cell 21. In the electrolytic cell 21, hydrogen ions move through the solid polymer electrolyte membrane, water is electrolyzed, and hydrogen is generated. In this embodiment, electrolysis is performed at a pressure of 0.9 MPaG or less, which is exempt from high-pressure gas application, and the electrolytic current can be controlled according to the amount of renewable energy generated. Moisture contained in the generated hydrogen gas is removed by the regenerative dehumidifier 22. Furthermore, the regenerative dehumidifier 22 is designed to reduce hydrogen emissions during steady operation as much as possible by reusing the highly humid hydrogen gas generated during heating and regeneration of the dehumidifier. Moreover, the exhaust heat of the electrolytic cell 21 is collected in the heat medium path 50, circulated, and used as a heat source.

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。 The hydrogen storage device 15 stores hydrogen using a hydrogen storage alloy. The hydrogen storage device 15 includes an alloy tank 23 filled with a hydrogen storage alloy. The hydrogen storage alloy may be any alloy that does not fall under the category of hazardous material under the Fire Service Act, such as a titanium/iron alloy, and alloys other than titanium/iron alloys may be used. Further, the alloy tank 23 is allowed to operate at a pressure of 0.9 MPaG or less, which is outside the scope of the High Pressure Gas Safety Act. The characteristics of hydrogen storage alloys are shown in PCT diagrams. FIG. 2 is a PCT diagram of an example of a titanium-iron hydrogen storage alloy. In FIG. 2, the horizontal axis shows the hydrogen composition (ratio of hydrogen atoms H to metal atoms M), and the vertical axis shows the equilibrium hydrogen pressure. As shown in FIG. 2, in titanium-iron hydrogen storage alloys, there are few areas where the pressure plateaus on the PCT diagram, and the pressure hysteresis during absorption and release is large. Cooling and heating of the alloy tank 23 is performed using a heat medium from a heat medium path 50. In this example, the alloy tank 23 is cooled to about 20 degrees Celsius during storage, heated to about 60 degrees Celsius during discharge, and the alloy composition is adjusted so that the temperature range is 20 to 60 degrees Celsius.

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。 The fuel cell 16 generates electricity using hydrogen. As the fuel cell 16, for example, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is used. Polymer electrolyte fuel cells are characterized by being easy to start and stop, making it easy to respond to fluctuating building power demands. Fuel cell 16 includes a stack 24 and a heat exchanger 25. In the stack 24, electric power is generated from the hydrogen sent from the hydrogen storage device 15. In addition, the heat obtained during power generation by the fuel cell 16 is recovered by the heat exchanger 25 into the heat medium path 50 and supplied to the heat load 19 in the building, and a part of it is supplied to the hydrogen storage device 15. The alloy tank 23 is heated. Thereby, hydrogen is released, and hydrogen necessary for power generation can be stably and continuously obtained from the alloy tank 23.

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。 The heating device 17 is a heat source that heats each part of the device. Furthermore, when releasing hydrogen from the alloy tank 23 of the hydrogen storage device 15, the heating device 17 is used to heat the heating medium that circulates through the heating medium path 50 and is sent to the alloy tank 23. The cooling device 18 cools each part within the system. The heat load 19 is equipment in the building that consumes heat as a load, such as a water heater or an air conditioner.

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。 A renewable energy power source 11 , a storage battery 12 , a power load 13 , a hydrogen production device 14 , and a fuel cell 16 are connected to a power line 30 from a commercial power source 31 . A measuring instrument M1 is provided at the entrance of the commercial power source 31. A measuring device M2 is provided at the entrance of the hydrogen production device 14. A measuring device M3 is provided at the entrance of the renewable energy power source 11. A measuring device M4 is provided at the entrance of the storage battery 12. A measuring device M5 is provided at the entrance of the power load 13. A measuring device M6 is provided at the outlet of the fuel cell 16. These measuring devices M1 to M6 are measuring devices that monitor current, voltage, power, integrated power, and the like. The measured values of these measuring instruments M1 to M6 are sent to the control device 20.

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。 A hydrogen release valve 41 is provided in the hydrogen supply pipe between the hydrogen production device 14 and the hydrogen storage device 15. Further, a hydrogen release valve 42 is provided in the hydrogen supply pipe between the hydrogen storage device 15 and the fuel cell 16. The opening and closing of the hydrogen release valves 41 and 42 can be controlled by the control device 20. Further, the hydrogen production device 14 is provided with a pump 43 that returns hydrogen gas to the regenerative dehumidifier 22. Pump 43 can be controlled by control device 20 . Furthermore, a measuring device M11 is provided on the hydrogen inlet side of the hydrogen production device 14. Furthermore, a measuring device M12 is provided on the hydrogen outlet side of the hydrogen storage device 15. Measuring devices M11 and M12 are measuring devices that monitor the amount of hydrogen and hydrogen pressure. The measured values of these measuring instruments M11 and M12 are sent to the control device 20.

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。 A heat medium path 50 is provided to adjust the temperature of each part of the hydrogen utilization system 1, such as the hydrogen production device 14, the hydrogen storage device 15, and the fuel cell 16. Hot water or cold water is circulated in the heat medium path 50 as a heat medium. The temperature of the heat medium in the electrolytic cell 21 of the hydrogen production device 14 is measured by a measuring device M21. The temperature of the heat medium in the alloy tank 23 of the hydrogen storage device 15 is measured by a measuring device M22. The temperature of the heat medium in the heat exchanger 25 of the fuel cell 16 is measured by a measuring device M23. The temperature of the heat medium of the heating device 17 is measured by a measuring device M24. The temperature of the heat medium of the cooling device 18 is measured by a measuring device M25. The temperature of the heat medium of the heat load 19 is measured by a measuring device M26. The measured values of these measuring instruments M21 to M26 are sent to the control device 20. In addition, settings for cooling by operating the cooling device 18, settings for electrolytic current in the hydrogen production device 14, storage and release of hydrogen in the hydrogen storage device 15 by settings for the heating device 17, and settings for the power generation amount of the fuel cell 16. can be controlled by the control device 20 based on the operating schedule prepared on the previous day or in real time.

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。 The control device 20 performs the following control in each state according to the measured value of the measuring device.

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。 When starting up the hydrogen production device 14, the control device 20 applies an electrolytic current to the electrolytic cell 21 so that the hydrogen pressure is 1 MPa or less and the pressure is as high as possible in order to shorten the startup time and improve dehumidification performance. Set. Then, before the hydrogen release valve 41 becomes open, the control device 20 starts brine operation, starts heat exchange, cools the alloy tank 23, and makes it possible to adsorb hydrogen. Then, when the hydrogen release valve 41 is in the open state, the control device 20 sets the electrolytic current to the planned output value and causes the electrolytic cell 21 to generate hydrogen.

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。 When performing regenerative operation of the dehumidifier of the hydrogen production device 14, the control device 20 measures the cumulative operating time of the regenerative dehumidifier 22. Then, when the cumulative operating time of the regenerative dehumidifier 22 exceeds a predetermined time, the control device 20 switches to the line of the other regenerated dehumidifier and dehumidifies the generated hydrogen gas. Then, the control device 20 operates the pump 43 to heat and regenerate the dehumidifier to be regenerated using the heater. Then, the control device 20 stops the pump 43 when the regeneration is completed. In addition, when dehumidifying hydrogen gas when heating and regenerating a certain dehumidifier out of a plurality of dehumidifiers, the control device 20 selects a dehumidifier that is different from the dehumidifier that is being regenerated. Dehumidify hydrogen gas by switching to a dehumidifier that has already been used.

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。 When starting up the fuel cell 16, the control device 20 activates the brine operation of the hydrogen storage device 15, heats the alloy tank 23, and releases hydrogen. Then, the control device 20 opens the hydrogen release valve 42 and starts the fuel cell 16. Then, the control device 20 sets the active power output command to the planned output value, and causes the fuel cell 16 to output the power of the planned value.

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。 When starting and stopping the cooling device 18, the control device 20 monitors the temperature of the heat medium at the entrance of the fuel cell 16 using a measuring device M23, or monitors the temperature of the heating medium at the entrance of the electrolytic cell 21 using a measuring device M21. The temperature of the heat medium is monitored, and when the temperature of the heat medium exceeds a predetermined temperature, the cooling device 18 is activated to perform cooling. Furthermore, when the temperature of the heat medium in the fuel cell 16 or the temperature of the heat medium in the electrolytic cell 21 falls below a predetermined temperature, the cooling device 18 is stopped.

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。
FIG. 3A is an explanatory diagram of the operation of the cooling device 18 in the hydrogen utilization system according to the embodiment of the present invention. In FIG. 3A, the horizontal axis shows the temperature of the heating medium at the entrance of the fuel cell 16, the temperature of the heating medium in the electrolyzer 21, or the tank pressure of the alloy tank 23, and the vertical axis shows the setting state of the cooling device 18 (ON or OFF). ) is shown. As shown in FIG. 3A, the temperature or pressure at the start of the cooling device 18 is set higher than the temperature or pressure at the time the cooling device 18 is stopped, and the temperature or pressure at the start of the cooling device 18 and the cooling device It is designed to have a hysteresis characteristic depending on the temperature or pressure at the time of stopping No. 18.
FIG. 3B is an explanatory diagram of the operation of the heating device 17 in the hydrogen utilization system according to the embodiment of the present invention. In FIG. 3B, the horizontal axis shows the tank pressure of the alloy tank 23, and the vertical axis shows the setting state (ON or OFF) of the heating device 17. As shown in FIG. 3B, the tank pressure of the alloy tank 23 at the time of starting the heating device 17 is set lower than the tank pressure at the time of stopping the heating device 17, and the pressure at the time of starting the heating device 17 and the heating device It is designed to have a hysteresis characteristic with the pressure at the time of stop of 17.

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。 When storing the alloy tank 23, the control device 20 monitors the entrance temperature of the alloy tank 23 with the measuring device M22, and when the temperature exceeds a predetermined temperature, starts the cooling device 18 to perform cooling. Further, when the temperature of the heat medium in the alloy tank 23 falls below a predetermined temperature, the control device 20 stops the cooling device 18.

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。
Furthermore, when the alloy tank 23 is discharged, the control device 20 monitors the entrance temperature of the alloy tank 23 with the measuring device M22, and when the temperature falls below a predetermined temperature, starts the heating device 17 to perform heating. Further, when the temperature of the heat medium in the alloy tank 23 exceeds a predetermined temperature, the control device 20 stops the heating device 17 and further starts the cooling device 18 for cooling.
Further, the control device 20 controls the supply of power from the renewable energy power source to the load equipment in the building or the charging of the power supplied from the renewable energy power source, depending on the power demand of the building. For example, even if the amount of power generated by the renewable energy power source 11 fluctuates with respect to the power demand of the load equipment in the building, the control device 20 controls the renewable energy power source 11 by discharging or charging the storage battery 12. It is possible to compensate for fluctuations in the amount of power generated.

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。 Next, energy management in the hydrogen utilization system 1 according to the embodiment of the present invention will be explained. In the hydrogen utilization system 1 according to the embodiment of the present invention, the amount of electricity generated and the demand for the next day based on renewable energy are predicted on the previous day and an operation plan is drawn up. Operation planning is done the day before, so when the actual day arrives, if the weather does not go as expected, power generation from solar, wind, etc. may not go as planned, or power demand forecasts may fail. However, electricity demand may not be as expected. Real-time control is performed to deal with deviations from predictions. In addition, in this embodiment, monitoring and control are performed in an integrated manner like other building equipment using a smart BEMS (Building Energy Management System), which is an energy management system for buildings.

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。
FIG. 4 is a flowchart showing the operation planning process in the hydrogen utilization system according to the embodiment of the present invention.
(Step S1) First, the operator sets a target value of the maximum demand power of the building in the control device 20, and advances the process to step S2.
(Step S2) Next, the operator sets optimization conditions in the control device 20, and advances the process to step S3. The optimization conditions can be selected from "minimum energy cost,""minimum primary energy," and "minimum CO2 emissions."
(Step S3) The control device 20 acquires weather forecast data and past building power/heat demand performance data, and advances the process to step S4.
(Step S4) The control device 20 predicts the power generation of the renewable energy power source 11 and the demand of the power load 13 using weather forecast data and past performance data of power/heat demand of the building for any time period. The prediction and the demand prediction of the heat load 19 are performed, and the process proceeds to step S5. As the arbitrary time period, for example, a total of 96 time periods are assumed, including three times a day: the night before, the morning of the day, and the afternoon of the day, for 48 hours in 30-minute units.
(Step S5) The control device 20 uses the set optimization conditions to formulate an operation output plan for each facility in each time period based on the power generation prediction and demand prediction results.
(Step S6) The control device 20 verifies whether the operating output plan of each facility is optimized, and if it is not optimized (step S6: No), returns the process to step S4, and Reset the equipment's operating output plan.
(Step S7) If an optimized operation plan is created by repeating the processes from step S4 to step S6 (step S6: Yes), the control device 20 will control each part according to this operation plan at a later date.

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。
FIG. 5 is a flowchart showing an overview of operation control of the entire hydrogen utilization system according to the embodiment of the present invention.
(Step S101) The control device 20 determines whether or not the electric power is surplus or surplus, and hydrogen is to be produced. If hydrogen production processing is to be performed (step S101: Yes), the process proceeds to step S102; if hydrogen production processing is not to be performed (step S101: No), hydrogen production stop processing is performed (step S105), The process advances to step S103.
(Step S102) The control device 20 performs a hydrogen production process and a hydrogen storage process, and advances the process to step S103.
(Step S103) The control device 20 determines whether or not to perform hydrogen power generation, as it is expected that there will be a shortage or shortage of electric power. If hydrogen power generation is to be performed (step S103: Yes), the process proceeds to step S104, and if hydrogen power generation is not to be performed (step S103: No), a hydrogen power generation stop process is performed (step S106), and the process is continued. Return to step S101.
(Step S104) The control device 20 performs a hydrogen release process and a hydrogen power generation process, and returns the process to step S101.

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。 In real-time control, there may be a surplus of power or a shortage of power depending on the operation plan. In the hydrogen production process and the hydrogen storage process (step S102), when electricity is surplus or expected to become surplus, hydrogen is produced in the hydrogen production device 14, and the produced hydrogen is transferred to the alloy in the hydrogen storage device 15. It is stored in the tank 23. In addition, in the hydrogen release process and the hydrogen power generation process (step S104), when the electric power is insufficient or expected to be insufficient, hydrogen is released from the alloy tank 23, and this hydrogen is used to drive the fuel cell 16. , generate electricity.

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。
FIG. 6 is a flowchart showing the hydrogen production process and hydrogen storage process in step S102 in the hydrogen utilization system according to the embodiment of the present invention. FIG. 6A is a flowchart illustrating hydrogen production processing and hydrogen storage processing. FIG. 6B is a flowchart illustrating hydrogen production stop processing.
Note that the predetermined temperatures T1 and T2 are temperature ranges corresponding to the temperature of the electrolytic cell 21 suitable for producing hydrogen in the hydrogen production device 14. The predetermined pressures P1 and P2 are corresponding pressure ranges of the pressure of the alloy tank 23 suitable for storing hydrogen. The temperatures T1 and T2 and the pressures P1 and P2 are optimally set in advance by conducting experiments, simulations, and the like.

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。
First, explanation will be given with reference to the flowchart of FIG. 6A.
(Step S201) The control device 20 determines whether the pressure in the alloy tank 23 of the hydrogen storage device 15 exceeds a predetermined pressure P1. If the pressure in the alloy tank 23 exceeds the predetermined pressure P1 (step S201: Yes), the process proceeds to step S202, and if the pressure in the alloy tank 23 does not exceed the predetermined pressure P1 (step S201: Yes), the process proceeds to step S202. S201: No), the process advances to step S203.
(Step S202) The control device 20 starts the cooling device 18 to cool the inside of the alloy tank, and advances the process to step S213.
(Step S203) The control device 20 determines whether the pressure in the alloy tank 23 of the hydrogen storage device 15 has fallen below a predetermined pressure P2. When the pressure of the alloy tank 23 of the hydrogen storage device 15 is lower than the predetermined pressure P2 (step S203: Yes), the process advances to step S204, and the pressure of the alloy tank 23 of the hydrogen storage device 15 is lower than the predetermined pressure P2. If it is not below (step S203: No), the process advances to step S205.
(Step S214) The control device 20 stops the cooling device 18 and advances the process to step S205.

(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。
(Step S205) The control device 20 determines whether the hydrogen production device 14 is activated. If the hydrogen production device 14 is not activated (step S205: No), the process proceeds to step S206, and if the hydrogen production device 14 is activated (step S202: Yes), the process proceeds to step S207.
(Step S206) The control device 20 starts up the hydrogen production device 14, and advances the process to step S207.
(Step S207) The control device 20 sets the electrolytic current of the electrolytic cell 21 of the hydrogen production device 14, performs water electrolysis operation, and advances the process to step S208.
(Step S208) The control device 20 determines whether the cumulative operating time of the regenerative dehumidifier 22 of the hydrogen production device 14 exceeds a predetermined threshold t0. Note that the threshold value t0 is preset as a value of cumulative driving time that allows optimal driving. If the cumulative driving time exceeds the predetermined threshold t0 (step S208: Yes), the process proceeds to step S209, and if it does not exceed the predetermined threshold (step S208: No), the process proceeds to step S210.
(Step S209) The control device 20 switches to a dehumidifier on another line, performs regeneration operation of the dehumidifier, and advances the process to step S207.
(Step S210) The control device 20 determines whether the temperature of the electrolytic cell 21 exceeds a predetermined temperature T1. If the temperature of the electrolytic cell 21 exceeds the predetermined temperature T1 (step S210: Yes), the process proceeds to step S211, and if the temperature does not exceed the predetermined temperature T1 (step S210: No), the process continues. The process proceeds to step S212.
(Step S211) The control device 20 starts the cooling device 18 to cool the inside of the system, and advances the process to step S212.
(Step S212) The control device 20 determines whether the temperature of the electrolytic cell 21 has fallen below a predetermined temperature T2. If the temperature of the electrolytic cell 21 is below the predetermined temperature T2 (step S212: Yes), the process proceeds to step S213, and if the temperature of the electrolytic cell 21 is not below the predetermined temperature T2 (step S212: Yes), the process proceeds to step S213. S212: No), the process exits the hydrogen production process and hydrogen storage process and returns to the main process.
(Step S213) The control device 20 stops the cooling device 18, exits the hydrogen production process and hydrogen storage process, and returns to the main process.

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。
Next, the hydrogen production stop processing will be described with reference to the flowchart in FIG. 6B.
(Step S215) The control device 20 determines whether or not the water electrolysis operation is being started in the hydrogen production device 14. If the water electrolysis operation is being started in the hydrogen production device 14 (step S215: Yes), the process advances to step S216. If the water electrolysis operation is not activated (step S215: No), the process exits from the hydrogen production stop process and returns to the main process.
(Step S216) If the water electrolysis operation is in progress, the control device 20 stops the water electrolysis operation. Then, the process exits from the hydrogen production stop process and returns to the main process.

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。
FIG. 7 is a flowchart showing the hydrogen release process and hydrogen power generation process in step S104 in the hydrogen utilization system according to the embodiment of the present invention.
FIG. 7A is a flowchart illustrating the hydrogen release process and the hydrogen power generation process. FIG. 7B is a flowchart illustrating hydrogen power generation stop processing.
Note that the predetermined temperatures T5 and T6 are temperature ranges corresponding to the temperature of the fuel cell at which the fuel cell 16 can efficiently perform power generation operation. The predetermined pressures P3 and P4 are corresponding pressure ranges of the alloy tank 23 pressure suitable for releasing hydrogen. The temperatures T5 and T6 and the pressures P3 and P4 are optimally set in advance by conducting experiments, simulations, and the like.

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。
First, explanation will be given with reference to the flowchart of FIG. 7A.
(Step S301) The control device 20 determines whether the pressure in the alloy tank 23 has fallen below a predetermined pressure P3. If the pressure in the alloy tank 23 is below the predetermined pressure P3 (step S301: Yes), the process proceeds to step S302, and if the pressure in the alloy tank 23 is not below the predetermined pressure P3 (step S301), the process proceeds to step S302. :No), the process advances to step S303.
(Step S302) The control device 20 operates (starts up) the heating device 17 to heat the heat medium, and advances the process to step S303.
(Step S303) The control device 20 determines whether the pressure in the alloy tank 23 exceeds a predetermined pressure P4. If the pressure in the alloy tank 23 exceeds the predetermined pressure P4, the process advances to step S304. If the pressure in the alloy tank 23 does not exceed the predetermined pressure P4 (step S303: No), the process advances to step S305.
(Step S304) The control device 20 stops the heating by the heating device 17, and advances the process to step S305.

(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。
(Step S305) The control device 20 determines whether the fuel cell 16 is being activated. If the fuel cell 16 is not activated (step S305: No), the process proceeds to step S306, and if the fuel cell 16 is activated (step S305: Yes), the process proceeds to step S307.
(Step S306) The control device 20 starts up the fuel cell 16, and advances the process to step S307.
(Step S307) The control device 20 sets the power output of the fuel cell 16, operates the fuel cell 16 to generate electricity, and advances the process to step S308.
(Step S308) The control device 20 determines whether the heat medium temperature of the fuel cell 16 exceeds a predetermined temperature T5. If the heat medium temperature of the fuel cell 16 exceeds the predetermined temperature T5 (step S309: Yes), the process advances to step S306, and if the heat medium temperature of the fuel cell 16 does not exceed the predetermined temperature T5, the process proceeds to step S306. (Step S308: No), the process advances to Step S310.

(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。
(Step S309) The control device 20 starts the cooling device 18 to cool it down.
(Step S310) The control device 20 determines whether the heat medium temperature of the fuel cell 16 has fallen below a predetermined temperature T6. If the heating medium temperature of the fuel cell 16 is below the predetermined temperature T6 (step S310: Yes), the process proceeds to step S311, and if the heating medium temperature of the fuel cell 16 is not below the predetermined temperature T6, the process proceeds to step S311. (Step S310: No), the process exits the hydrogen release process and the hydrogen power generation process and returns to the main process.
(Step S311) The control device 20 stops the cooling device 18. Then, the process exits the hydrogen release process and the hydrogen power generation process and returns to the main process.
Next, the hydrogen power generation stop process will be described with reference to the flowchart in FIG. 7B.
(Step S315) The control device 20 determines whether the fuel cell 16 is being activated. If the fuel cell 16 is being activated (step S315: Yes), the process advances to step S316. If the fuel cell 16 is not activated (step S315: No), the process exits from the hydrogen power generation stop process and returns to the main process.
(Step S316) If the fuel cell 16 is being activated, the operation of the fuel cell 16 is stopped. Then, the process exits from the hydrogen power generation stop process and returns to the main process.

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。 As explained above, in the hydrogen utilization system 1 according to the embodiment of the present invention, hydrogen can be stored using a titanium/iron-based hydrogen storage alloy that does not fall under the category of dangerous substances under the Fire Service Act, and hydrogen can be stored inside buildings or Hydrogen can be produced, stored, and used safely and compactly on-site. Additionally, the entire system can be operated under optimal control, allowing surplus power from renewable energy to be used with high efficiency. Further, by providing the cooling device 18, temperature ranges can be effectively managed without using energy.

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。 Although the embodiments of the present invention have been described above in detail with reference to the drawings, the specific configuration is not limited to these embodiments, and includes designs within the scope of the gist of the present invention.

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 11... Renewable energy power source, 12... Storage battery, 13... Power load, 14... Hydrogen production device, 15... Hydrogen storage device, 16... Fuel cell, 17... Heating device, 18... Cooling device, 19... Heat load, 20... Control device

Claims (7)

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。
A hydrogen-utilizing power supply system that supplies electric power generated using hydrogen as at least part of the electric power supplied to a load,
A hydrogen production device that produces hydrogen by electrolyzing water accumulated in an electrolyzer using power obtained from renewable energy or power from a commercial power source;
a hydrogen storage device that stores the produced hydrogen in an alloy tank sealed with a hydrogen storage alloy;
a fuel cell that generates electricity using hydrogen stored in the hydrogen storage device;
a cooling device;
a heating device;
a heat medium path for recovering exhaust heat from the electrolyzer of the hydrogen production device;
Determine whether the temperature or pressure of any one of the electrolytic cell, the alloy tank, and the fuel cell exceeds a reference temperature or reference pressure, and if the temperature or pressure exceeds the reference temperature or reference pressure, the reference temperature or pressure is determined. a control device that causes the cooling device to cool any one of the electrolytic cell, the alloy tank, and the fuel cell beyond the
The control device is configured to recover waste heat generated from the electrolytic cell through the heat medium path in response to activation of the hydrogen production device, and to recover the heat using the heating device when hydrogen is released from the alloy tank. heating the alloy tank by circulating the medium path;
A hydrogen-based power supply system with
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。
The hydrogen-utilizing power supply system according to claim 1, wherein the control device heats the alloy tank using exhaust heat of the fuel cell when releasing hydrogen from the alloy tank.
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。
The hydrogen-based power supply system includes:
Equipped with a heat load device that can exchange heat with building equipment,
The control device heats or cools any one of the electrolytic cell, the alloy tank, and the fuel cell by heat exchange with the heat load device.
The hydrogen-utilizing power supply system according to claim 1 or 2.
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。
The hydrogen-based power supply system has a storage battery that charges and discharges power,
The control device controls the supply of power from the renewable energy power source to the load equipment in the building or the charging of the power supplied from the renewable energy power source in accordance with the power demand of the building. 3. The hydrogen-utilizing power supply system according to any one of 3.
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。
The hydrogen-utilizing power supply system includes a plurality of lines of dehumidifiers in the hydrogen production device, which dehumidifies moisture in the hydrogen gas generated from the electrolytic cell, and which regenerates when the dehumidifier is heated and regenerated. Dehumidify hydrogen by switching to a different dehumidifier that has been regenerated,
The hydrogen-utilizing power supply system according to any one of claims 1 to 4.
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。
A hydrogen-based power supply method that supplies power generated using hydrogen as at least part of the power supplied to a load, the method comprising:
A step of electrolyzing water accumulated in an electrolyzer using power obtained from renewable energy or power from a commercial power source to produce hydrogen using a hydrogen production device ;
storing the produced hydrogen in an alloy tank containing a hydrogen storage alloy;
generating electricity with a fuel cell using the stored hydrogen;
Determine whether the temperature or pressure of any one of the electrolytic cell, the alloy tank, and the fuel cell exceeds a reference temperature or reference pressure, and if the temperature or pressure exceeds the reference temperature or reference pressure, the reference temperature or pressure is determined. a step of cooling any one of the electrolytic cell, the alloy tank, and the fuel cell beyond the above with a cooling device;
When the exhaust heat generated from the electrolyzer is recovered by the heat medium path in response to activation of the hydrogen production device and hydrogen is released from the alloy tank , the heating device is used to circulate the heat medium path. heating the alloy tank at
A method of supplying electricity using hydrogen.
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。
7. The method according to claim 6, further comprising the step of determining whether the pressure of the alloy tank is lower than a reference pressure, and heating the alloy tank by exhaust heat of a heating device or a fuel cell if the pressure is lower than the reference pressure. How to supply electricity using hydrogen.
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