JP6936179B2 - 水素製造システム - Google Patents

Description

本発明は、水素製造システムに関し、詳しくは、太陽光発電や風力発電等の再生可能エネルギ発電の余剰電力から効率的に水素を製造する水素製造システムに関する。

近年、太陽光発電や風力発電等の再生可能エネルギ発電設備の導入が進んでいる。しかし、再生可能エネルギ発電は、各地域の地理的条件や気象条件等によって変動しやすいこともあって、再生可能エネルギ発電の発電量から使用量を差し引いた余剰電力が多く発生している。この余剰電力を一時的に貯留する手段として、余剰電力によって水を電気分解して水素を製造し、水素の状態でエネルギ貯留する方法・装置が知られている。電力から水素を効率的に製造する方法・装置として、水電解セル方式や固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ：Solid Oxide Electrolysis Cell、以下「ＳＯＥＣ」という）方式が研究開発されている。

例えば、水電解セル方式の例として、特許文献１には、図９に示すように、複数の水電解セルが積層されてなるセルスタック（Ｃ１０１、Ｃ１０２、Ｃ１０３、Ｃ１０４）を複数有し該セルスタックがスイッチ（Ｓ１〜Ｓ１２）を介して互いに電気的に直列又は並列に接続されて構成された水電解装置１０１と、 該水電解装置１０１に電力を供給する電力供給手段１０２と、 前記水電解装置１０１に供給する電力の電圧を可変制御する電圧制御部１０３と、 前記水電解装置１０１に供給する電力に応じて、各セルスタックに作用する電圧及び電流が所定範囲内となるように前記水電解装置１０１におけるセルスタックの使用数を選定するスタック数制御部１０４とを備えたことを特徴とする水素製造設備１００が開示されている。

上記構成によれば、水電解装置１０１に供給する電力の増減に応じて、各セルスタック（Ｃ１０１、Ｃ１０２、Ｃ１０３、Ｃ１０４）に作用する電圧、電流が所定範囲内となるように水電解装置１０１におけるセルスタックの使用数を選定するので、各セルスタックに作用する電圧、電流を常用範囲内とすることができる。これにより、ジュール損失の増大を抑制してエネルギ変換効率の低下を防止することができる。

特開２００５−１２６７９２号公報

しかしながら、上記水電解装置１０１の場合、例えばアルカリ水電解では２０〜３０％程度の水酸化カリウム等の水溶液からなる電解液を使用するが、高温のアルカリ電解液は、多くのオーステナイト系ステンレス鋼に応力腐食割れを発生させる等の問題があった。そのため、通常のアルカリ水電解では、７０〜９０℃程度の電解槽を使用することになり、高温（通常、６００℃以上）の水蒸気を電気分解するＳＯＥＣと比較して、同じ電力で２０〜３０％程度少ない水素量しか製造できないという短所があった。

一方、ＳＯＥＣは、水電解セルより効率的に水素を製造できるという長所があるが、固体電解質にイットリウム等で修飾した酸化ジルコニウム等の薄膜が使用され、電解セルが薄いセラミックスで出来ている。そのため、起動停止や、急激な負荷変動（余剰電力の変動）に対して、電解セルの割れ等が生じやすいという短所があった。これに対して、水電解セルでは、耐久性に優れた隔膜や電極を使用することができ、起動停止や、急激な負荷変動（余剰電力の変動）に対して、強いという長所があった。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、水電解セルとＳＯＥＣにおけるそれぞれの長所を生かしつつ、変動しやすい再生可能エネルギ発電の余剰電力から効率的かつ安定して水素を製造することができる水素製造システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る水素製造システムは、次のような構成を有している。
（１）太陽光発電や風力発電等の再生可能エネルギ発電の発電量から使用量を差し引いた余剰電力によって水を電気分解して水素を製造する水電解セルと水蒸気を電気分解して水素を製造するＳＯＥＣとを備えた水素製造システムであって、
前記余剰電力の電力状況を事前に予測し、予測した電力状況に基づいて実際に供給される前記余剰電力を所定時間の間で電力量が略一定に維持される安定電力と所定時間の間で電力量が変動する不安定電力とに分離し、
前記水電解セルには、前記不安定電力を供給し、前記ＳＯＥＣには、前記安定電力を供給することを特徴とする。

本発明においては、余剰電力の電力状況を事前に予測し、予測した電力状況に基づいて実際に供給される余剰電力を所定時間の間で電力量が略一定に維持される安定電力と所定時間の間で電力量が変動する不安定電力とに分離し、水電解セルには、不安定電力を供給し、ＳＯＥＣには、安定電力を供給するので、安定電力が供給されるＳＯＥＣによって電力当たりの水素製造量を増加させつつ、ＳＯＥＣの起動停止や負荷変動を低減又は回避して電解セルの故障を抑制できる。一方、不安定電力が供給される水電解セルは、電力当たりの水素製造量が減少するものの、起動停止や負荷変動に強いので、故障することなく安定して水素を製造できる。その結果、水電解セルとＳＯＥＣにおけるそれぞれの長所を生かすことによって、再生可能エネルギ発電の余剰電力から効率的かつ安定して水素を製造することができる。なお、水電解セルは、アルカリ水電解セルでも固体高分子形電解セルでもよい。

よって、本発明によれば、水電解セルとＳＯＥＣにおけるそれぞれの長所を生かしつつ、変動しやすい再生可能エネルギ発電の余剰電力から効率的かつ安定して水素を製造することができる水素製造システムを提供することができる。

（２）（１）に記載された水素製造システムにおいて、
前記再生可能エネルギ発電を複数の地域において行い、各地域ごとの余剰電力を電力系統を介して集約することを特徴とする。

本発明においては、再生可能エネルギ発電を複数の地域において行い、各地域ごとの余剰電力を電力系統を介して集約するので、各地域における再生可能エネルギ発電の余剰電力は、各地域の気象条件等によって異なる場合が多いが、これらを集約した合成余剰電力は、ならし効果で、安定電力を増加させ、不安定電力を減少させることができる。そのため、安定電力が供給されるＳＯＥＣが製造する水素製造量を、より一層増加させることができる。

（３）（２）に記載された水素製造システムにおいて、
前記各地域の気象情報に基づいて前記余剰電力の電力状況を予測し、予測した前記電力状況から前記安定電力と前記不安定電力とを分離する基準線を前記所定時間ごとに予め決定することを特徴とする。

本発明においては、各地域の気象情報に基づいて余剰電力の電力状況を予測し、予測した電力状況から安定電力と不安定電力とを分離する基準線を所定時間ごとに予め決定するので、予測する余剰電力と実際に供給される余剰電力との乖離を低減して、ＳＯＥＣの起動停止又は負荷変動に対する運転許容範囲内で安定電力を最大化させることができる。すなわち、ＳＯＥＣへ供給する安定電力を、各地域の気象情報に基づいてＳＯＥＣの運転許容範囲内で設定した所定時間毎に区切って分割し、安定電力と不安定電力とを分離する基準線を最大限上昇させることができる。その結果、気象条件によって変動する余剰電力から、より一層効率的かつ安定して水素を製造することができる。

（４）（３）に記載された水素製造システムにおいて、
前記余剰電力から前記安定電力と前記不安定電力とを分離し、分離した前記安定電力を前記ＳＯＥＣへ供給し、分離した前記不安定電力を前記水電解セルへ供給する電力分離装置と、前記電力分離装置に接続された他の電力供給装置とを備え、
前記電力供給装置から出力する電力を前記電力分離装置に補充電力として補充して、前記安定電力における前記基準線を下回る電力の不足分を補うことを特徴とする。

本発明においては、余剰電力から安定電力と不安定電力とを分離し、分離した安定電力をＳＯＥＣへ供給し、分離した不安定電力を水電解セルへ供給する電力分離装置と、電力分離装置に接続された他の電力供給装置とを備え、電力供給装置から出力する電力を電力分離装置に補充電力として補充して、安定電力における基準線を下回る電力の不足分を補うので、ＳＯＥＣの電解セルなどに与える電力変動に伴うダメージをより一層低減してその故障を回避し、ＳＯＥＣが製造する水素製造量を、より一層安定して増加させることができる。

（５）（１）乃至（４）のいずれか１つに記載された水素製造システムにおいて、
各種排熱を蓄熱する蓄熱装置を備え、
前記蓄熱装置に蓄熱した熱によって前記ＳＯＥＣに供給する水蒸気を加熱することを特徴とする。

本発明においては、各種排熱を蓄熱する蓄熱装置を備え、蓄熱装置に蓄熱した熱によってＳＯＥＣに供給する水蒸気を加熱するので、各種排熱エネルギをＳＯＥＣに供給する水蒸気を加熱する熱エネルギの一部又は全部として有効利用できる。そのため、水素製造システムにおけるエネルギ効率を高めつつ、再生可能エネルギ発電の余剰電力から効率的かつ安定して水素を製造することができる。ここで、各種排熱には、本システムで製造された水素を用いて発電する固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）の排熱、又はコージェネ排熱、工場排熱などが該当し、本システム内または本システム近傍から取得できる排熱であれば、特に制限される必要はない。

本発明によれば、水電解セルとＳＯＥＣにおけるそれぞれの長所を生かしつつ、変動しやすい再生可能エネルギ発電の余剰電力から効率的かつ安定して水素を製造することができる水素製造システムを提供することができる。

本実施形態に係る水素製造システムのシステム構成概念図である。 図１に示す水素製造システムにおいて、予測した電力状況に基づいて実際に供給される余剰電力を安定電力と不安定電力とに分離した概念図である。 図１に示す制御装置の構成概念図である。 図１に示す水素製造システムにおいて、異なる地域の余剰電力を電力分離装置に集約し、その合成余剰電力を安定電力と不安定電力とに分離した概念図である。（Ａ）は、地域Ａにおける余剰電力量を示し、（Ｂ）は、地域Ｂにおける余剰電力量を示し、（Ｃ）は、地域Ａにおける余剰電力量と地域Ｂにおける余剰電力量とを合成した合成余剰電力量を示す。 図１に示す水素製造システムにおいて、気象情報に基づいて電力分離装置からＳＯＥＣへ供給する安定電力を、ＳＯＥＣの運転許容範囲内で時間毎に区切って分割した概念図である。 図１に示す水素製造システムにおいて、蓄電池に貯留した電力を電力分離装置に補充して、安定電力における基準線を下回る電力の不足分を補った概念図である。 図１に示す水素製造システムにおいて、各地域の気象情報に基づいて電力分離装置に集約する合成余剰電力を試算して、電力分離装置からＳＯＥＣへ供給する安定電力をＳＯＥＣの運転許容範囲内で調節するフローチャート図である。 図１に示す水素製造システムにおいて、固体酸化物形燃料電池と、固体酸化物形燃料電池の排熱を蓄熱する蓄熱装置とを追加したシステム構成概念図である。 特許文献１に記載された水素製造設備の概略構成図である。

次に、本発明に係る実施形態である水素製造システムについて、図面を参照して詳細に説明する。以下に、本水素製造システムの構成を詳細に説明し、その動作方法について説明する。

＜本水素製造システムの構成と動作方法＞
本実施形態に係る水素製造システムの構成と動作方法を、図１〜図７を用いて説明する。図１に、本実施形態に係る水素製造システムのシステム構成概念図を示す。図２に、図１に示す水素製造システムにおいて、予測した電力状況に基づいて実際に供給される余剰電力を安定電力と不安定電力とに分離した概念図を示す。図３に、図１に示す制御装置の構成概念図を示す。図４に、図１に示す水素製造システムにおいて、異なる地域の余剰電力を電力分離装置に集約し、その合成余剰電力を安定電力と不安定電力とに分離した概念図を示す。（Ａ）は、地域Ａにおける余剰電力量を示し、（Ｂ）は、地域Ｂにおける余剰電力量を示し、（Ｃ）は、地域Ａにおける余剰電力量と地域Ｂにおける余剰電力量とを合成した合成余剰電力量を示す。図５に、図１に示す水素製造システムにおいて、気象情報に基づいて電力分離装置からＳＯＥＣへ供給する安定電力を、ＳＯＥＣの運転許容範囲内で時間毎に区切って分割した概念図を示す。図６に、図１に示す水素製造システムにおいて、蓄電池に貯留した電力を電力分離装置に補充して、安定電力における基準線を下回る電力の不足分を補った概念図を示す。図７に、図１に示す水素製造システムにおいて、各地域の気象情報に基づいて電力分離装置に集約する合成余剰電力を試算して、電力分離装置からＳＯＥＣへ供給する安定電力をＳＯＥＣの運転許容範囲内で調節するフローチャート図を示す。

図１、図２、図３に示すように、本実施形態に係る水素製造システム１０は、太陽光発電や風力発電等の再生可能エネルギ発電（ＳＨ）から供給される余剰電力（Ｄ）によって水を電気分解して水素を製造する水電解セル２と水蒸気を電気分解して水素を製造するＳＯＥＣ３とを備えた水素製造システムであって、余剰電力（Ｄ）の電力状況を事前に予測し、予測した電力状況に基づいて実際に供給される余剰電力（Ｄ）を所定時間ｔ０の間で電力量が略一定に維持される安定電力（Ｄ１）と所定時間ｔ０の間で電力量が変動する不安定電力（Ｄ２）とに分離し、水電解セル２には、不安定電力（Ｄ２）を供給し、ＳＯＥＣ３には、安定電力（Ｄ１）を供給するように構成されている。

ここで、余剰電力（Ｄ）の電力状況を事前に予測する方法は、後述する気象情報に基づく方法の他、前日又は前年同時期の実績データ等に基づく方法もある。また、実際に供給される余剰電力（Ｄ）の電力状況と予測した電力状況との間には、ある程度の誤差が生じ得るので、安定電力（Ｄ１）と不安定電力（Ｄ２）とを分離する基準線ＫＬは、予測した電力状況の所定時間ｔ０の間における下限値に基づいて設定することが好ましい。ただし、安定電力（Ｄ１）に微小な電力変動成分（不安定部分）が含まれる場合や、不安定電力（Ｄ２）に電力安定成分（安定部分）が含まれる場合がある。

また、本水素製造システム１０には、再生可能エネルギ発電（ＳＨ）から供給される余剰電力（Ｄ）を安定電力（Ｄ１）と不安定電力（Ｄ２）とに分離して不安定電力（Ｄ２）を水電解セル２へ供給し安定電力（Ｄ１）をＳＯＥＣ３へ供給する電力分離装置１と、電力分離装置１と水電解セル２とＳＯＥＣ３とをそれぞれ制御する制御装置７とを備えている。

制御装置７は、余剰電力（Ｄ）の電力状況を事前に予測し、予測した電力状況に基づいて電力分離装置１から安定電力（Ｄ１）をＳＯＥＣ３へ供給するよう、例えば、以下の構成を備えている。すなわち、制御装置７には、図３に示すように、電力分離装置１から提供される現在又は過去の余剰電力情報における電圧と電流の波形を微小時間Δｔで分割しそれぞれデジタル変換して瞬時電圧と瞬時電流を求め、それらを乗算した瞬時電力を求めるＡ／Ｄ変換部７１と、Ａ／Ｄ変換部７１によって切り出された各瞬時電力の内、所定時間ｔ０の間で最小値となる瞬時電力ΔＤの振幅値ｄ１を基準線ＫＬとして記憶する記憶部７２と、記憶部７２に記憶された所定時間ｔ０と基準線ＫＬのデータに基づいて、電力系統４から実際に供給される余剰電力（Ｄ）を基準線ＫＬ未満の電力成分からなる安定電力（Ｄ１）と基準線ＫＬ以上の電力成分からなる不安定電力（Ｄ２）とに分離するように電力分離装置１に指示する運転指示部７３とを備えている。

そして、図１、図３に示すように、電力分離装置１は、運転指示部７３の運転指示に基づいて、不安定電力（Ｄ２）を水電解セル２に供給し、安定電力（Ｄ１）をＳＯＥＣ３に供給する。なお、制御装置７には、気象情報を分析する気象情報分析部７４を備えている。また、記憶部７２には、起動停止や負荷変動に対するＳＯＥＣ３の運転許容範囲のデータ（例えば、負荷切換に対する最低時間間隔や許容負荷変動率など）と、電力系統４から電力分離装置１に供給される各地域の余剰電力（Ｄ）の過去の実績データとが、気象情報と共に記憶されている。

また、水電解セル２は、常温から８０℃程度の水を電気分解する電解セルであって、アルカリ水電解セルでも固体高分子形電解セルでもよい。アルカリ水電解セルの場合には、例えば、電解液として２０〜３０％程度の水酸化カリウム水溶液を常温又は７０〜８０℃程度に加熱して使用し、また、多孔質材料等からなるセパレータとニッケル系材料等からなるアノード電極（陽極）とニッケル系又は鉄系材料等からなるカソード電極（陰極）とを使用することができる。なお、水電解セル２は、運転指示部７３の運転指示に基づいて運転する。

また、固体高分子形電解セルの場合には、例えば、純水を常温又は６０〜８０℃程度に加熱して使用し、パーフルオロカーボン樹脂系材料等からなる電解質膜と酸化イリジウム系材料等からなるアノード電極（陽極）と白金系材料等からなるカソード電極（陰極）とを使用することができる。なお、アノード電極（陽極）とカソード電極（陰極）との間に不安定電力（Ｄ２）を供給すると、陰極側で水が電子を受けて水素を生成する。その時生成された酸化物イオンが電解液中又は電解質膜の内部を陽極側へ移動し電子を放出して酸素を生成する。

また、ＳＯＥＣ３は、アルカリ水電解や固体高分子形電解と異なり、例えば、６００〜８００℃程度の高温に加熱された水蒸気を固体酸化物形電解質を用いて電気分解する電解セルである。また、ＳＯＥＣ３には、例えば、電解質膜として酸化物イオン電導体であるイットリウムで安定化した酸化ジルコニウム（ＹＳＺ）を使用し、ランタンストロンチウム酸化物等からなるアノード電極（陽極）とニッケルとＹＳＺの複合体であるニッケルサーメット等からなるカソード電極（陰極）とを使用することができる。なお、アノード電極（陽極）とカソード電極（陰極）との間に安定電力（Ｄ１）を供給すると、陰極側に供給された水蒸気は電子を受けて水素を生成する。その時生成された酸化物イオンが電解質膜の内部を陽極側へ移動して電子を放出して酸素を生成する。

なお、ＳＯＥＣ３の運転は、運転指示部７３の運転指示に基づいて行うが、高温の電気化学反応であるため、停止状態から起動して水素製造を行う定常状態に至るまでには数時間を要すること、電解セルの主材料であるセラミックスが熱サイクルの影響を受けやすいこと等の特殊性から、定期点検等で停止させる必要がある場合を除き、基本的に連続稼働させるのが好ましい。また、ＳＯＥＣ３を運転停止後に再起動させる際には、まず試運転として、商用系統からの電力をＳＯＥＣ３に供給し、運転が安定した段階で、本水素製造システム１０の本格稼働に移行させるのが好ましい。

また、本水素製造システム１０には、水電解セル２のカソード電極（陰極）で生成する水素とＳＯＥＣ３のカソード電極（陰極）で生成する水素とを貯留する水素貯留装置５を備えている。水素貯留装置５の水素貯留方法には、例えば、水素を高圧気体の状態でタンク内に貯留する方法や、水素吸蔵合金（例えば、チタンマグネシウム、ニッケルマグネシウム等）に吸蔵させて貯留する方法などがある。

また、図１に示すように、再生可能エネルギ発電（ＳＨ）を複数の地域（地域Ａ、地域Ｂ、地域Ｃ、地域Ｄなど）において行い、各地域ごとの余剰電力（Ｄ）を電力系統４を介して電力分離装置１に集約するのが好ましい。例えば、図４に示すように、各地域（地域Ａ、地域Ｂ）における再生可能エネルギ発電（ＳＨ）の余剰電力（ＤＡ、ＤＢ）は、各地域の地理的条件や気象条件等によって異なる場合が多いが、これらを電力分離装置１に集約した合成余剰電力（ＤＣ）は、ならし効果で、合成安定電力（Ｄ１Ｃ）を各地域の安定電力（Ｄ１Ａ、Ｄ１Ｂ）の和より増加させることができ、また、合成不安定電力（Ｄ２Ｃ）を各地域の不安定電力（Ｄ２Ａ、Ｄ２Ｂ）の和より減少させることができる。なお、電力系統４は、既設の送配電システムを利用できる。

また、図１、図３、図５、図７に示すように、各地域の気象情報に基づいて余剰電力（Ｄ）の電力状況を予測し、予測した電力状況から安定電力（Ｄ１１）と不安定電力（Ｄ２１）とを分離する基準線（ＫＬ１、ＫＬ２、ＫＬ３、ＫＬ４）を所定時間（ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４）ごとに予め決定するのが好ましい。例えば、図７に示すステップに従って、以下のように運転する。

すなわち、第１ステップＳ１として、各地域（地域Ａ、地域Ｂ、地域Ｃ、地域Ｄなど）の気象情報をインターネット等を介して制御装置７の気象情報分析部７４に入力する。ここで、気象情報は、再生可能エネルギ発電（ＳＨ）の種類によって異なるが、例えば、太陽光発電であれば、日照時間又は日照時間に関連する「晴れ、曇り、雨」などの情報が該当し、風力発電であれば、平均風速、風向などの情報が該当する。気象情報分析部７４は、これらの気象情報を、再生可能エネルギ発電（ＳＨ）の発電量及び消費量と相関する指数に変換する。なお、各地域の気象情報を検出するセンサを、各地域の再生可能エネルギ発電設備に装着しても良い。

次に、第２ステップＳ２として、気象情報分析部７４は、指数化した気象情報に基づいて各地域ごとの余剰電力（Ｄ）を過去の実績データから予測し、予測した各地域ごとの余剰電力を集約した合成余剰電力を試算する。また、第３ステップＳ３として、気象情報分析部７４は、試算した合成余剰電力に対して、ＳＯＥＣ３の起動停止又は負荷変動に対する運転許容範囲内で安定電力（Ｄ１１）を最大とするように、所定時間（ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４）と基準線（ＫＬ１、ＫＬ２、ＫＬ３、ＫＬ４）を決定し、運転指示部７３へ通知する。安定電力（Ｄ１１）を略一定に維持する所定時間（ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４）は、ＳＯＥＣ３の負荷に比例する基準線（ＫＬ１、ＫＬ２、ＫＬ３、ＫＬ４）ごとに設定することができる。

次に、第４ステップＳ４として、運転指示部７３は、安定電力（Ｄ１１）と不安定電力（Ｄ２１）とを区別する所定時間（ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４）と基準線（ＫＬ１、ＫＬ２、ＫＬ３、ＫＬ４）を、電力分離装置１に指示すると共に、ＳＯＥＣ３と水電解セル２の運転を指示する。また、第５ステップＳ５として、電力分離装置１は、指示された所定時間（ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４）と基準線（ＫＬ１、ＫＬ２、ＫＬ３、ＫＬ４）に基づいて、電力系統４から供給される余剰電力（Ｄ）を安定電力（Ｄ１１）と不安定電力（Ｄ２１）に分離し、安定電力（Ｄ１１）をＳＯＥＣ３へ供給し、不安定電力（Ｄ２１）を水電解セル２へ供給する。また、ＳＯＥＣ３は安定電力によって水素を製造し、水電解セル２は不安定電力によって水素を製造する。

なお、ＳＯＥＣ３の運転は、基本的に事前の予測に従って所定時間の電力水準を決めて、決めた電力水準に対して一定運転させ、急激な負荷変動の弊害を回避させることが好ましい。したがって、図５に示すように、実際の余剰電力（Ｄ）の安定部分が、予測した基準線（ＫＬ３、ＫＬ４）を上回っている場合でも、電力分離装置１からＳＯＥＣ３へ供給する安定電力（Ｄ１１）を変更させることはない。この場合、基準線（ＫＬ３、ＫＬ４）を上回る安定部分を含む不安定電力（Ｄ２１）は、原則として水電解セル２へ供給される。ただし、基準線（ＫＬ３、ＫＬ４）を上回る余剰電力（Ｄ）の一部又は全部は、後述する蓄電池６に供給しても良い。また、余剰電力（Ｄ）の安定部分を予測する所定時間（ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４）と基準線（ＫＬ１、ＫＬ２、ＫＬ３、ＫＬ４）の見直しは、毎日行っても良いし、月又は季節ごとに行っても良い。

また、図１、図６に示すように、電力分離装置１には、他の電力供給装置として、充放電可能に形成された蓄電池６が接続され、蓄電池６に貯留した電力を補充電力（Ｄ３）として電力分離装置１に補充して、安定電力（Ｄ１２）における基準線ＫＬ５を下回る電力の不足分を補うことが好ましい。蓄電池６に貯留した電力を電力分離装置１に補充させる指示は、制御装置７が行う。ここで、補充する電力の不足分は基準線ＫＬ５を下回る電力の不安定部分を意味するが、必ずしも、図６に示す余剰電力（Ｄ）の下限値近傍に限らない。例えば、図５に示す各基準線（ＫＬ１、ＫＬ２、ＫＬ３、ＫＬ４）に対しても、余剰電力（Ｄ）の不安定部分が各基準線を下回らないよう、蓄電池６に貯留した電力を補充電力（Ｄ３）として電力分離装置１に補充することが好ましい。なお、蓄電池６は、公知のリチウムイオン二次電池などを用いることができる。

なお、制御装置７のＡ／Ｄ変換部７１が、電力分離装置１から提供される余剰電力情報から実際の余剰電力（Ｄ）の変化を常時監視し、その余剰電力（Ｄ）の安定部分又は不安定部分が基準線ＫＬを上回っているか、下回っているかを判定する。また、図５に示すように、余剰電力（Ｄ）の安定部分が基準線ＫＬ３、ＫＬ４を上回っている場合であって、蓄電池６の充電状況が充電上限以下のときには、Ａ／Ｄ変換部７１の判定を受けた運転指示部７３が電力分離装置１に指示して、優先的に蓄電池６に対して電力供給させる。一方、蓄電池６に充電する必要がない場合には、制御装置７の運転指示部７３は、基準線ＫＬ３、ＫＬ４を上回っている余剰電力（Ｄ）の安定部分を含む不安定電力（Ｄ２１）を水電解セル２へ供給するように電力分離装置１に指示する。

次に、本実施形態に係る他の水素製造システム１０Ｂについて、図８を用いて説明する。図８に、図１に示す水素製造システムにおいて、固体酸化物形燃料電池と、固体酸化物形燃料電池の排熱を蓄熱する蓄熱装置とを追加したシステム構成概念図を示す。

図８に示すように、本他の水素製造システム１０Ｂは、各種排熱を蓄熱する蓄熱装置９を備え、蓄熱装置９に蓄熱した熱によってＳＯＥＣ３に供給する水蒸気を加熱することが好ましい。具体的には、前述した水素製造システム１０に加えて、水素貯留装置５に貯留された水素を用いて発電する固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）８と、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）８の排熱を蓄熱する蓄熱装置９とを備え、蓄熱装置９に蓄熱した熱によってＳＯＥＣ３に供給する水蒸気を加熱するように構成してもよい。なお、前述した水素製造システム１０と共通する構成については、同様の符号を付して、ここでは、その説明を割愛する。

すなわち、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）８は、水素貯留装置５に貯留された水素を用いて発電すると、反応熱を発生させる。この反応熱を排熱として回収して蓄熱装置９に蓄熱させる。蓄熱装置９に蓄熱した熱によってＳＯＥＣ３に供給する水蒸気を加熱することによって、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）８が発電するときに生じる熱エネルギをＳＯＥＣ３に供給する水蒸気を加熱する熱エネルギの一部又は全部として有効利用でき、水素製造システム全体のエネルギ効率を向上させることができる。

なお、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）８と蓄熱装置９は、公知のものを使用することができる。また、各種排熱には、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）８の排熱の他に、少なくとも水を１２０℃程度の水蒸気に変換できる熱量を有する排熱（例えば、コージェネ排熱、工場排熱など）が該当し、システム内またはシステム近傍から取得できる排熱であれば、特に制限される必要はない。

＜作用効果＞
以上、詳細に説明したように、本実施形態に係る水素製造システム１０、１０Ｂによれば、余剰電力（Ｄ）の電力状況を事前に予測し、予測した電力状況に基づいて実際に供給される余剰電力（Ｄ）を所定時間（ｔ０〜ｔ４）の間で電力量が略一定に維持される安定電力（Ｄ１、Ｄ１１、Ｄ１２）と所定時間（ｔ０〜ｔ４）の間で電力量が変動する不安定電力（Ｄ２、Ｄ２１、Ｄ２２）とに分離し、水電解セル２には、不安定電力（Ｄ２、Ｄ２１、Ｄ２２）を供給し、ＳＯＥＣ３には、安定電力（Ｄ１、Ｄ１１、Ｄ１２）を供給するので、安定電力（Ｄ１、Ｄ１１、Ｄ１２）が供給されるＳＯＥＣ３によって電力当たりの水素製造量を増加させつつ、ＳＯＥＣ３の起動停止や負荷変動を回避して電解セル（ＳＯＥＣ３）の故障を抑制できる。一方、不安定電力（Ｄ２、Ｄ２１、Ｄ２２）が供給される水電解セル２は、電力当たりの水素製造量が減少するものの、起動停止や負荷変動に強いので、故障することなく安定して水素を製造できる。その結果、水電解セル２とＳＯＥＣ３におけるそれぞれの長所を生かすことによって、再生可能エネルギ発電（ＳＨ）の余剰電力（Ｄ）から効率的かつ安定して水素を製造することができる。

よって、本実施形態によれば、水電解セル２とＳＯＥＣ３におけるそれぞれの長所を生かしつつ、変動しやすい再生可能エネルギ発電（ＳＨ）の余剰電力（Ｄ）から効率的かつ安定して水素を製造することができる水素製造システム１０、１０Ｂを提供することができる。

また、本実施形態によれば、再生可能エネルギ発電（ＳＨ）を複数の地域（地域Ａ、地域Ｂ、地域Ｃ、地域Ｄなど）において行い、各地域ごとの余剰電力（Ｄ）を電力系統４を介して集約するので、各地域における再生可能エネルギ発電（ＳＨ）の余剰電力（Ｄ）は、各地域の気象条件等によって異なる場合が多いが、これらを集約した合成余剰電力（ＤＣ）は、ならし効果で、安定電力（Ｄ１Ｃ）を増加させ、不安定電力（Ｄ２Ｃ）を減少させることができる。そのため、安定電力（Ｄ１Ｃ）が供給されるＳＯＥＣ３が製造する水素製造量を、より一層増加させることができる。

また、本実施形態によれば、各地域（地域Ａ、地域Ｂ、地域Ｃ、地域Ｄなど）の気象情報に基づいて余剰電力（Ｄ）の電力状況を予測し、予測した電力状況から安定電力（Ｄ１１）と不安定電力（Ｄ２１）とを分離する基準線（ＫＬ１、ＫＬ２、ＫＬ３、ＫＬ４）を所定時間（ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４）ごとに予め決定するので、予測する余剰電力（Ｄ）と実際に供給される余剰電力（Ｄ）との乖離を低減して、ＳＯＥＣ３の起動停止又は負荷変動に対する運転許容範囲内で安定電力（Ｄ１１）を最大化させることができる。すなわち、ＳＯＥＣ３へ供給する安定電力（Ｄ１１）を、各地域の気象情報に基づいてＳＯＥＣ３の運転許容範囲内で設定した所定時間（ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４）毎に区切って分割し、安定電力（Ｄ１１）と不安定電力（Ｄ２１）とを分離する基準線（ＫＬ１、ＫＬ２、ＫＬ３、ＫＬ４）を最大限上昇させることができる。その結果、気象条件によって変動する余剰電力（Ｄ）から、より一層効率的かつ安定して水素を製造することができる。

また、本実施形態によれば、余剰電力（Ｄ）から安定電力（Ｄ１２）と不安定電力（Ｄ２２）とを分離し、分離した安定電力（Ｄ１２）をＳＯＥＣ３へ供給し、分離した不安定電力（Ｄ２２）を水電解セル２へ供給する電力分離装置１と、電力分離装置１に接続された他の電力供給装置６とを備え、電力供給装置６から出力する電力を電力分離装置１に補充電力（Ｄ３）として補充して、安定電力（Ｄ１２）における基準線ＫＬ５を下回る電力の不足分を補うので、ＳＯＥＣ３の電解セルなどに与える電力変動に伴うダメージを低減してその故障を回避し、ＳＯＥＣ３が製造する水素製造量を、より一層安定して増加させることができる。

また、本実施形態によれば、各種排熱を蓄熱する蓄熱装置９を備え、蓄熱装置９に蓄熱した熱によってＳＯＥＣ３に供給する水蒸気を加熱するので、各種排熱エネルギをＳＯＥＣ３に供給する水蒸気を加熱する熱エネルギの一部又は全部として有効利用できる。そのため、水素製造システム１０Ｂにおけるエネルギ効率を高めつつ、再生可能エネルギ発電（ＳＨ）の余剰電力（Ｄ）から効率的かつ安定して水素を製造することができる。

＜変形例＞
上述した実施形態は、本発明の要旨を変更しない範囲で変更することができる。例えば、本実施形態によれば、電力分離装置１には、他の電力供給装置として、充放電可能に形成された蓄電池６が接続され、蓄電池６に貯留した電力を補充電力（Ｄ３）として電力分離装置１に補充して、安定電力（Ｄ１２）における基準線ＫＬ５を下回る電力の不足分を補うように構成されている。しかしながら、電力分離装置１に補充電力（Ｄ３）を補充する装置は、必ずしも蓄電池６に限ることはなく、例えば、電力分離装置１には、他の発電設備が接続され、その発電設備が発電した電力を電力分離装置１に補充電力（Ｄ３）として補充して、安定電力（Ｄ１２）における基準線ＫＬ５を下回る電力の不足分を補うように構成してもよい。

本発明は、例えば、太陽光発電や風力発電等の再生可能エネルギ発電の余剰電力から効率的に水素を製造する水素製造システムとして利用できる。

１ 電力分離装置
２ 水電解セル
３ ＳＯＥＣ
４ 電力系統
５ 水素貯留装置
６ 蓄電池（他の電力供給装置）
７ 制御装置
８ 固体酸化物形燃料電池
９ 蓄熱装置
１０、１０Ｂ 水素製造システム
Ｄ 余剰電力（余剰電力量）
ＤＣ 合成余剰電力（合成余剰電力量）
Ｄ１、Ｄ１１、Ｄ１２ 安定電力
Ｄ２、Ｄ２１、Ｄ２２ 不安定電力
Ｄ３ 補充電力
ＳＨ 再生可能エネルギ発電
ｔ０、ｔ１、ｔ２ 所定時間
ｔ３、ｔ４ 所定時間

Claims (5)

1. 太陽光発電や風力発電等の再生可能エネルギ発電の発電量から使用量を差し引いた余剰電力によって水を電気分解して水素を製造する水電解セルと水蒸気を電気分解して水素を製造するＳＯＥＣとを備えた水素製造システムであって、
   前記余剰電力の電力状況を事前に予測し、予測した電力状況に基づいて実際に供給される前記余剰電力を所定時間の間で電力量が略一定に維持される安定電力と所定時間の間で電力量が変動する不安定電力とに分離し、
   前記水電解セルには、前記不安定電力を供給し、前記ＳＯＥＣには、前記安定電力を供給することを特徴とする水素製造システム。
2. 請求項１に記載された水素製造システムにおいて、
   前記再生可能エネルギ発電を複数の地域において行い、各地域ごとの余剰電力を電力系統を介して集約することを特徴とする水素製造システム。
3. 請求項２に記載された水素製造システムにおいて、
   前記各地域の気象情報に基づいて前記余剰電力の電力状況を予測し、予測した前記電力状況から前記安定電力と前記不安定電力とを分離する基準線を前記所定時間ごとに予め決定することを特徴とする水素製造システム。
4. 請求項３に記載された水素製造システムにおいて、
   前記余剰電力から前記安定電力と前記不安定電力とを分離し、分離した前記安定電力を前記ＳＯＥＣへ供給し、分離した前記不安定電力を前記水電解セルへ供給する電力分離装置と、前記電力分離装置に接続された他の電力供給装置とを備え、
   前記電力供給装置から出力する電力を前記電力分離装置に補充電力として補充して、前記安定電力における前記基準線を下回る電力の不足分を補うことを特徴とする水素製造システム。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載された水素製造システムにおいて、
   各種排熱を蓄熱する蓄熱装置を備え、
   前記蓄熱装置に蓄熱した熱によって前記ＳＯＥＣに供給する水蒸気を加熱することを特徴とする水素製造システム。

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