JP7384281B2 - 水電解システム及び電流制御装置 - Google Patents

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Description

本願開示は、水電解システム及び電流制御装置に関する。
水電解システムを用いることにより、太陽光発電により得られた電力を水電解セルに供給し、水を電気分解して水素を発生することができる。このようにして太陽光エネルギーから生成した水素を蓄積し、燃料として活用することにより、様々な分野において二酸化炭素の排出量を低減することが可能となる。
水電解システムにおいて、太陽光からの電力を複数のＤＣ／ＤＣ変換器を介してそれぞれ対応する複数の水電解セルに供給し、複数の水電解セルを並列に駆動する構成が知られている。このような水電解システムにおいては、太陽光の照射量に応じて駆動する水電解セルの個数を変化させることにより、システム全体の電力水素変換効率を向上させることができる（例えば特許文献１）。
一方、太陽光の照射量が変動する時に発生する急激な発電電力の変化により、水電解セルを流れる電流量が急激に変化し、水電解セルが劣化してしまうという問題がある。
特開２０１９－８５６０２号公報 特開２０１９－９９９０５号公報
以上を鑑みると、複数の水電解セルを並列駆動するシステムにおいて水電解セルの劣化を低減することが望まれる。
水電解システムは、太陽光発電装置が生成する第１の電力を複数の第２の電力にそれぞれ変換する複数の変換回路と、前記複数の変換回路のうちの駆動する変換回路の数を少なくとも制御する制御回路と、前記複数の変換回路から前記複数の第２の電力をそれぞれ受け取る複数の水電解セルとを含み、前記制御回路は前記第１の電力における所定時間あたり所定量を超える増加または減少の発生を検出する検出器を含み、前記検出器が前記増加または減少の発生を検出すると、前記制御回路は前記駆動する変換回路の数を増加させる。
少なくとも１つの実施例によれば、複数の水電解セルを並列駆動するシステムにおいて水電解セルの劣化を低減することができる。
水電解セルの構成の一例を示す図である。 水電解セルの等価回路の一例を示す図である。 水電解セルに印可される電圧と流れる電流とを示す図である。 水電解システムの構成の一例を示す図である。 ＭＰＰＴ制御器の構成の一例を示す図である。 太陽光照射量の急激な変動に応答して各水電解セルに流れる電流量が変化する様子を模式的に示す図である。 駆動対象であるＤＣ／ＤＣコンバータ個数を増加することにより各水電解セルに流れる電流量が削減する構成を説明する図である。 太陽光照射量の急激な変動に応答して一部のＤＣ／ＤＣコンバータのみを駆動する構成を説明するための図である。 従来技術のシステム構成における太陽光照射量の急激な変動に対する応答を示す図である。 本願開示の水電解システムにおける太陽光照射量の急激な変動に対する応答を示す図である。
以下に、本発明の実施例を添付の図面を用いて詳細に説明する。
図１は、水電解セルの構成の一例を示す図である。水電解セルは、アノード電極１、カソード電極２、及び隔膜３を含む。アルカリ水電解の場合には、水素と酸素とを分離するために隔膜３が必要であり、アノード電極１、カソード電極２、及び隔膜３が、２０％～３０％程度のＫＯＨ水溶液を満たした電解槽の中に設けられる。アルカリ水電解の場合の隔膜３としては、例えば石綿膜又は多孔性ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）膜等が用いられる。固体高分子型水電解の場合には、パーフルオロエチレンスルホン酸系カチオン交換膜等の隔膜３が電解質を兼ねる。直流電圧をアノード電極１とカソード電極２との間に印可することにより、水を電気分解して水素を生成することができる。
図２は、水電解セルの等価回路の一例を示す図である。水電解セルの等価回路は、抵抗Ｒ１乃至Ｒ３、ダイオードＤ１、及び容量Ｃ１を含む。水電解セルに流れる電流Ｉｃｅｌｌは、ダイオードＤ１部分に流れる電流Ｉｄと容量Ｃ１部分に流れる電流Ｉｃａｐとの和となる。容量Ｃ１はアノード電極１とカソード電極２との間の容量成分であり、数Ｆ（ファラッド）の大きな値を有する。従って、アノード電極１とカソード電極２との間に印可される電圧が変動すると、大きな容量値を有する容量Ｃ１が充放電され、その結果、突入電流が瞬間的に大量に流れることになる。
図３は、水電解セルに印可される電圧と流れる電流とを示す図である。水電解セルに印可される電圧が等価回路中のダイオードＤ１の閾値電圧Ｖｔｈよりも低い状態においては、図２に示すセル電流Ｉｃｅｌｌは容量Ｃ１部分に流れる電流Ｉｃａｐと等しくなる。即ち時間Ｔ１より前及び時間Ｔ２より後においては、水電解セルに流れる全ての電流が容量成分に流れる電流となる。従って、電圧が上昇する際には、図３に電流Ｉｃａｐとして示されるように、大きな突入電流（充電電流）が流れることになる。また電圧が下降する際にも、逆方向に大きな放電電流が瞬間的に流れることになる。
以上説明したような大きな電流が瞬間的に水電解セルに流れると、水電解セルが劣化してしまう。本願開示の技術では、複数の水電解セルを並列駆動するシステムにおいて水電解セルの劣化を低減する仕組みを提供する。
図４は、水電解システムの構成の一例を示す図である。図４に示す水電解システムは、制御回路１０、太陽光パネル１１、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２－１乃至１２－４、水電解セル１３－１乃至１３－４、及び水素格納装置１４を含む。
太陽光パネル１１は、パネル面に配列された複数の太陽電池を有する。太陽光パネル１１は、光起電力効果を利用し、太陽光の光エネルギーを直流電力に変換して出力する発電装置である。ＤＣ／ＤＣコンバータ１２－１乃至１２－４は、発電装置が生成する第１の電力（直流電力）を複数の第２の電力（直流電力）にそれぞれ変換する複数の変換回路である。水電解セル１３－１乃至１３－４は、複数のＤＣ／ＤＣコンバータ１２－１乃至１２－４から上記複数の第２の電力をそれぞれ受け取る。水電解セル１３－１乃至１３－４は、太陽光パネル１１から受け取る第２の電力により水を電気分解して水素を生成する。水電解セル１３－１乃至１３－４が生成した水素は、水素格納装置１４（例えば水素タンク）に格納される。
図４に示す例に示されるＤＣ／ＤＣコンバータ１２－１乃至１２－４及び水電解セル１３－１乃至１３－４の個数は一例にすぎない。後述するように、水電解セルの個数（＝ＤＣ／ＤＣコンバータの個数）は、個々の水電解セルへの突入電流を許容範囲内に抑えることができる任意の個数であってよく、好ましくは、許容範囲内に抑えることができる必要最小限の個数であってよい。
制御回路１０は、複数のＤＣ／ＤＣコンバータ１２－１乃至１２－４のうちの駆動するＤＣ／ＤＣコンバータの数を少なくとも制御する。より具体的には、制御回路１０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２－１乃至１２－４のうちで選択したＤＣ／ＤＣコンバータを指定したデューティー比で駆動する。例えば２個のＤＣ／ＤＣコンバータ１２－１及び１２－２のみをデューティー比０．５で駆動する場合、制御回路１０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２－１及び１２－２にデューティー比０．５を供給し、残りのＤＣ／ＤＣコンバータ１２－３及び１２－４にデューティー比０を供給してよい。或いは制御回路１０は、４個のデューティー比を示す信号に加え４個の選択信号を出力し、駆動対象のＤＣ／ＤＣコンバータ１２－１及び１２－２に対する選択信号を１に設定し、残りのＤＣ／ＤＣコンバータに対する選択信号を０に設定してもよい。
制御回路１０の基本的な機能の1つは、太陽光パネル１１が最大電力で発電することができる電圧値及び電流値にて、太陽光パネル１１から電力を引き出すことである。言葉を換えて言えば、制御回路１０の基本的な機能の1つは、太陽光パネル１１が生成する第1の電力において直流電圧値と直流電流値とを調整することで、太陽光パネル１１が生成する電力が最大となるような状態に設定することである。
太陽電池は、出力電流値が大きくなれば出力電圧値が減少する特性を有し、出力電流値と出力電圧値との積で求まる出力電圧が最大となるような、出力電流値と出力電圧値との最適な組み合わせが存在する。その最適な組み合わせの出力電流値よりも、出力電流値が増加すると、出力電圧値が減少し、両者の積で求まる出力電力が減少してしまう。またその最適な組み合わせの出力電流値よりも、出力電流値が減少すると、出力電圧値が増加するが、両者の積で求まる出力電力は減少してしまう。従って、最適な組み合わせの出力電流値と出力電圧値とに維持できるように、太陽電池の出力電流値と出力電圧値とを制御することが必要となる。
上記の制御の概要を説明するために、太陽光パネル１１からの電力が1つの水電解セルに供給される構成を考える。このような構成の場合、太陽光パネル１１と水電解セルとの間には1つのＤＣ／ＤＣコンバータを設ければよい。ＤＣ／ＤＣコンバータは、デューティー比に応じたＰＷＭ動作によりコンバータからの出力電圧を制御する。デューティー比が大きくなればコンバータ出力電圧が増大すると共にコンバータ出力電流が減少し、デューティー比が小さくなればコンバータ出力電圧が減少すると共にコンバータ出力電流が増大する。このＤＣ／ＤＣコンバータが理想的な特性を有する場合、太陽光パネル１１の出力電力（ＤＣ／ＤＣコンバータの入力電力）と水電解セルの入力電力（ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電力）とは等しくなる。ＤＣ／ＤＣコンバータのデューティー比を調整することにより、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧及び出力電流ひいてはＤＣ／ＤＣコンバータの入力電力を調整して、太陽電池の出力電力が最大となるように制御することができる。
太陽電池の出力電力が最大とするような制御としてＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking：最大電力点追従）制御が一般に行われる。このＭＰＰＴ制御では、例えば初期状態のデューティー比Ｄ１からΔＤ増加させて新たなデューティー比をＤ２＝Ｄ１＋ΔＤとする。この変化により太陽光パネル１１の出力電力Ｐが増加したとき、即ちＰ（Ｄ２）＞Ｐ（Ｄ１）であるときには、デューティー比を更にΔＤ増加させる。逆にこの変化により太陽光パネル１１の出力電力が減少したとき、即ちＰ（Ｄ２）＜Ｐ（Ｄ１）であるときには、デューティー比を逆にΔＤ減少させ、更に続けてΔＤ減少させる。このような制御を行うことにより、山登り法により、出力電力が最大となる点に到達することができる。
制御回路１０は上記のようなＭＰＰＴ制御を基本とし、更に、図４に示すように複数個のＤＣ／ＤＣコンバータ１２－１乃至１２－４を制御対象とする構成においては、各ＤＣ／ＤＣコンバータを変換効率が高い条件にて駆動するような制御動作も行ってよい。この制御動作では、太陽光の照射量が少ないときには少数のＤＣ／ＤＣコンバータを駆動して少数の水電解セルにより水素を生成し、太陽光の照射量が多いときには多数のＤＣ／ＤＣコンバータを駆動して多数の水電解セルにより水素を生成する。これにより、水電解システム全体として、効率が高い太陽光水素変換を実現することができる。そのような技術の詳細は、例えば前述の特許文献１に開示されている。
本願開示の技術では、制御回路１０は更に、太陽光パネル１１の出力電力が急激に変化した場合、駆動するＤＣ／ＤＣコンバータ１２－１乃至１２－４の個数を増加するような制御を実行する。より具体的には、制御回路１０は、第１の電力における所定時間あたり所定量を超える変化の発生を検出する検出器２３を含み、検出器２３がそのような変化の発生を検出すると、制御回路１０は駆動するＤＣ／ＤＣコンバータ１２－１乃至１２－４の数を増加させる。これにより、駆動される水電解セル１３－１乃至１３－４の個数が増加するので、水電解セル1つあたりに流れる突入電流の電流量が減少し、水電解セルの劣化を防ぐことが可能となる。
制御回路１０は、ＭＰＰＴ制御器２０、セル選択器２１、ＳＷ制御部２２、検出器（ＨＰＦ）２３、ゲイン調整器２４、スイッチ回路ＳＷ１乃至ＳＷ４、及び加算器２５－１乃至２５－４を含む。図４において、各ボックスで示される各回路又は機能ブロックと他の回路又は機能ブロックとの境界は、基本的には機能的な境界を示すものであり、物理的な位置の分離、電気的な信号の分離、制御論理的な分離等に対応するとは限らない。各回路又は機能ブロックは、他のブロックと物理的にある程度分離された１つのハードウェアモジュールであってもよいし、或いは他のブロックと物理的に一体となったハードウェアモジュール中の１つの機能を示したものであってもよい。
ＭＰＰＴ制御器２０は、上述のＭＰＰＴ制御を行い、太陽光パネル１１の出力電圧が最大となるような制御信号を出力する。即ちＭＰＰＴ制御器２０は、太陽光パネル１１が生成する第１の電力を最大化するようＤＣ／ＤＣコンバータ１２－１乃至１２－４を制御するために用いられる制御信号（各ＤＣ／ＤＣコンバータを制御する信号を生成するための制御信号）を生成する。この制御信号は、デューティー比に相当する０から１の範囲の値を示すアナログ信号であってよい。或いはこの制御信号は、デューティー比に相当する０から１の範囲の値を示す複数ビットからなるデジタル信号であってよい。
図５は、ＭＰＰＴ制御器２０の構成の一例を示す図である。ＭＰＰＴ制御器２０は、タイマー２０２、クロックジェネレータ２０３、アンプ２２１及び２２２、乗算器２０４、サンプルアンドホールド回路２０５乃至２０７、及び比較器２０８を含む。ＭＰＰＴ制御器２０は更に、制御目標値生成部２１０（以下、「生成部２１０」とも称する）、インターフェイス回路２１１、差分器２１２、絶対値回路２１５、比較器２１３、及び停止信号生成器２１６を含む。
電流計１０２は、太陽光パネル１１の出力電流（出力ライン１０１に流れる電流）を測定し、電圧計１０３は、太陽光パネル１１の出力電圧（出力ライン１０１に印加される電圧）を測定する。測定された電圧値Ｖを表す電圧信号及び測定された電流値Ｉを表す電流信号は、振幅調整用のアンプ２２１及び２２２を通じて、ＭＰＰＴ制御器２０に入力される。電圧値Ｖは、太陽光パネル１１の直流の出力電力の電圧値を表す。電流値Ｉは、太陽光パネル１１の直流の出力電力の電流値を表す。
タイマー２０２は、ＭＰＰＴ制御器２０の動作を開始させるインターバルタイマーである。タイマー２０２は、一定時間（例えば１０秒周期）に一度、クロックジェネレータ２０３に１パルスのスタート信号（Start）を送信する。クロックジェネレータ２０３は、スタート信号を受信すると一定周期（例えば１００ミリ秒周期）の１パルスのクロック２０３ａを生成して出力し、クロック２０３ａに同期して動作する回路（細点線の内部の回路２０３ｂ）を起動させる。
クロック２０３ａが回路２０３ｂに供給されると、電圧信号及び電流信号は、乗算器２０４によって、電力値を表す電力信号に変換される。電力信号が表す電力値は、サンプルアンドホールド回路２０５に格納される。サンプルアンドホールド部は、カスケード接続された３段のサンプルアンドホールド回路２０５乃至２０７を有する。サンプルアンドホールド回路２０５乃至２０７は、それぞれ、今回のクロック２０３ａに対応する電力値Pnew、前回のクロック２０３ａに対応する電力値Pold、前々回のクロック２０３ａに対応する電力値Pooldを保持する。
比較器２０８は、今回のクロック２０３ａに対応する電力値Pnewと前回のクロック２０３ａに対応する電力値Poldとの大小を比較し、その比較結果を生成部２１０に出力する。
今回の電力値Pnewが前回の電力値Poldよりも大きいとき、ＭＰＰＴ制御器２０の出力である制御信号（デューティー比）は、前回の電力値Poldの計測から今回の電力値Pnewの計測迄の間に、太陽光パネル１１の出力電力を上昇させる方向に変化したと推定される。したがって、生成部２１０は、今回の電力値Pnewが前回の電力値Poldよりも大きいと比較器２０８により検出されるとき、デューティー比を前回変化させた方向と同じ方向に変化させる。これにより、太陽光パネル１１の出力電力を更に上昇させて最大電力Psolar_maxに更に近づけることができる。
一方、今回の電力値Pnewが前回の電力値Poldよりも小さいとき、ＭＰＰＴ制御器２０の出力である制御信号（デューティー比）は、電力値Poldの計測から電力値Pnewの計測迄の間に、太陽光パネル１１の出力電力を下降させる方向に変化したと推定される。したがって、生成部２１０は、今回の電力値Pnewが前回の電力値Pold以下であると比較器２０８により検出されるとき、デューティー比を前回変化させた方向と逆の方向に変化させる。これにより、太陽光パネル１１の出力電力を上昇させて最大電力Psolar_maxに近づけることができる。
インターフェイス回路２１１は、例えば、デジタル通信の場合、デューティー比をデジタル通信信号に変換する通信ポートであり、アナログ電圧信号による伝送の場合、デューティー比をアナログ電圧に変換するデジタルアナログコンバータである。
差分器２１２は、今回のクロック２０３ａに対応する電力値Pnewと前々回のクロック２０３ａに対応する電力値Poold（サンプルアンドホールド回路２０７からの値）との差分を出力する。絶対値回路２１５は、その差分の絶対値をとって出力する。比較器２１３は、絶対値回路２１５によって得られた差分の絶対値があらかじめ決められた閾値２１４よりも小さくなった時、クロック停止信号（Stop）を停止信号生成器２１６に生成させる。クロックジェネレータ２０３は、停止信号生成器２１６により生成されたクロック停止信号を受信したとき、スタート信号を受信しているときかどうかにかかわらず、クロック２０３ａの出力を停止する。生成部２１０は、ＭＰＰＴ制御が停止している期間において、ＭＰＰＴ制御器２０の停止直前のデューティー比を出力し続けてよい。これにより、太陽光パネル１１の出力電力が最大電力点に到達した時点で、ＭＰＰＴ制御器２０のＭＰＰＴ制御を停止し、出力電力最大の状態を維持することができる。なおこのようにＭＰＰＴ制御を停止するのではなく、常時ＭＰＰＴ制御を実行する状態にしておいてもよい。
図４に戻り、セル選択器２１は、ＭＰＰＴ制御器２０が出力する制御信号（デューティー比）に基づいて、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２－１乃至１２－４にそれぞれ供給する複数のデューティー比を生成する。セル選択器２１は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）とメモリとを有し、メモリに格納された制御プログラムをＣＰＵが実行することにより、複数のデューティー比を計算してよい。より具体的には、セル選択器２１は、ＭＰＰＴ制御器２０が出力する1つのデューティー比に基づいて、1つ以上駆動されるＤＣ／ＤＣコンバータによる各電力変換動作が最も効率が高い状態で実行されるように、複数のデューティー比を制御してよい。
検出器２３は、ＭＰＰＴ制御器２０が出力する制御信号（デューティー比）を入力とするハイパスフィルタであってよい。ハイパスフィルタは、アナログ信号であるデューティー比を入力とするアナログフィルタであってよく、或いはデジタル信号であるデューティー比を入力とするアナログフィルタであってよい。ハイパスフィルタは、デューティー比における所定時間あたり所定量を超える変化の発生を検出することにより、太陽光パネル１１が出力する第１の電力における所定時間あたり所定量を超える変化の発生を検出してよい。このようにハイパスフィルタを検出器２３として用いることで、単純な回路構成により、所定時間あたり所定量を超える変化の発生を適切なタイミングで検出することができる。
スイッチ回路ＳＷ１乃至ＳＷ４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２－１乃至１２－４に一対一に対応して設けられ、導通状態又は非導通状態のいずれかに設定可能である。スイッチ回路ＳＷ１乃至ＳＷ４は、導通状態となったときに、検出器２３の出力に応じた信号（検出器２３をゲイン調整器２４により調整した信号）を、加算器２５－１乃至２５－４にそれぞれ供給する。加算器２５－１乃至２５－４は、検出器２３の出力に応じた信号をスイッチ回路ＳＷ１乃至ＳＷ４を介してそれぞれ受け取り、セル選択器２１から受け取る複数のデューティー比のそれぞれに加算する。
ＳＷ制御部２２は、セル選択器２１が生成する複数のデューティー比に基づいて（或いは駆動対象のＤＣ／ＤＣコンバータを選択する選択信号に基づいて）、スイッチ回路ＳＷ１乃至ＳＷ４の導通又は非導通を設定するスイッチ回路制御信号を生成する。具体的には、ＳＷ制御部２２は、セル選択器２１が駆動していないＤＣ／ＤＣコンバータに対応するスイッチ回路ＳＷ１乃至ＳＷ４のみが導通状態となるように、スイッチ回路制御信号を生成する。例えば導通状態となるスイッチ回路に供給されるスイッチ回路制御信号は値が１（ハイ）となり、非導通状態となるスイッチ回路に供給されるスイッチ回路制御信号は値が０（ロー）となってよい。
このようにして、制御回路１０は、セル選択器２１の駆動対象でないＤＣ／ＤＣコンバータに対して、検出器２３であるハイパスフィルタの出力に応じた信号が示すデューティー比を供給することができる。これにより、第1の電力の変化量に応じたデューティー比で、それらのＤＣ／ＤＣコンバータを駆動することができる。突入電流の量は、第1の電力の変化量が急峻であるほど大きくなり、且つ第1の電力の変化量が大きいほど大きくなる。一方、検出器２３であるハイパスフィルタの出力も、第1の電力の変化量が急峻であるほど大きくなり、且つ第1の電力の変化量が大きいほど大きくなる。従って、ハイパスフィルタの出力に応じた信号が示すデューティー比をＤＣ／ＤＣコンバータに供給することで、突入電流の大きさに応じたデューティー比の大きさで、ＤＣ／ＤＣコンバータを駆動することができる。これにより、突入電流の大きさに応じた変換比でＤＣ／ＤＣコンバータから電流を出力することで、水電解セルに流れる電流量を適切に削減し、水電解セルの劣化を確実に防ぐことが可能となる。
ここでスイッチ回路ＳＷ１乃至ＳＷ４と加算器２５－１乃至２５－４とは、セル選択器２１が駆動していないＤＣ／ＤＣコンバータに対して、検出器２３であるハイパスフィルタの出力に応じた信号が示すデューティー比を供給する信号供給回路として機能する。このようにスイッチ回路と加算器とを用いることで、単純な回路構成により、突入電流の大きさに応じた変換比でＤＣ／ＤＣコンバータから電流を出力して、水電解セルの劣化を防ぐことが可能となる。
前述のようにＭＰＰＴ制御器２０は、ＭＰＰＴ制御により最大電力点を追跡するためにＭＰＰＴ制御器２０が出力する制御信号（デューティー比）を連続的に変動させている。検出器２３がＭＰＰＴ制御による制御信号の変動を検出してしまったのでは、太陽光照射量の変動に関係のない変動を誤って検出してしまうことになる。従って、検出器２３は、ＭＰＰＴ制御による変動の周波数ｆＭＰＰＴよりも高い周波数のみを検出する構成であることが好ましい。具体的には、検出器２３を実現するハイパスフィルタのカットオフ周波数ｆＣ（ハイパスフィルタの通過帯域の下限に相当する周波数）は、周波数ｆＭＰＰＴよりも高いことが好ましい。このようにハイパスフィルタのカットオフ周波数を設定することにより、ＭＰＰＴ制御のための意図的な信号変動に影響されることなく、所定時間あたり所定量を超える変化の発生を適切に検出することができる。
上記のような構成により、検出器２３が、太陽光パネル１１の出力する第１の電力における所定時間あたり所定量を超える変化の発生を検出すると、制御回路１０は、駆動するＤＣ／ＤＣコンバータ１２－１乃至１２－４の個数を増加させることになる。これにより、駆動される水電解セル１３－１乃至１３－４の個数が増加するので、水電解セル1つあたりに流れる突入電流の電流量が減少し、水電解セルの劣化を防ぐことが可能となる。
図４に示す水電解システムにおいて、設置されているＤＣ／ＤＣコンバータ１２－１乃至１２－４及び水電解セル１３－１乃至１３－４の個数Ｎはそれぞれ４個である。この水電解セル１３－１乃至１３－４の個数Ｎは、突入電流により水電解セルが劣化しない個数に設定されることが好ましい。この個数は、以下のようにして計算することができる。
ＤＣ／ＤＣコンバータ１２－１乃至１２－４による入力電圧Ｖｉｎと出力電圧Ｖｏｕｔとの変換比をＤ（＝Ｖｏｕｔ／Ｖｉｎ）とすると、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２－１乃至１２－４による出力電流は、入力電流の１／Ｄ倍となる。太陽光パネル１１から出力される突入電流の最大値をＩＳＣとしたときに、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２－１乃至１２－４から出力される総電流量の最大値はＩＳＣ／Ｄとなる。この総電流量がＮ個の水電解セル１３－１乃至１３－４により均等に分割されるとすると、各水電解セルに流れる電流の最大値はＩＳＣ／（Ｎ・Ｄ）となる。各水電解セルの劣化を防ぐためには、この電流値が各水電解セルの定格値Ｉｍａｘよりも小さいことが好ましい。従って、ＩＳＣ／（Ｎ・Ｄ）＞Ｉｍａｘの条件を満たすことが好ましく、結果として個数Ｎは、
Ｎ＞ＩＳＣ／（Ｉｍａｘ・Ｄ）
にて規定される条件を満たすことが好ましいことになる。
また検出器２３がハイパスフィルタである場合、ハイパスフィルタの出力値は、アナログフィルタであれば各受動素子のインピーダンス値等に応じた大きさとなり、デジタルフィルタであればフィルタ係数値等に応じた大きさとなる。従って、ハイパスフィルタの出力値の大きさは、ＤＣ／ＤＣコンバータデューティー比として適切な値（０から１の範囲の値）に正規化される必要がある。また複数Ｋ個のＤＣ／ＤＣコンバータを駆動する場合には、１個のＤＣ／ＤＣコンバータを駆動する場合に用いるデューティー比に対して１／Ｋ倍のデューティー比を、各ＤＣ／ＤＣコンバータに供給すればよい。ゲイン調整器２４はそのようなゲイン調整を適宜実行すればよい。
なおハイパスフィルタの入力が急激に減少する場合には、ハイパスフィルタの出力値は負の値を有することになる。このような場合でも、水電解セルには大きな放電電流が流れることになるので、本願開示の水電解システムにおいては、駆動するＤＣ／ＤＣコンバータ及び水電解セルの個数を増加することが好ましい。従って、検出器２３であるバイパスフィルタの出力値は、入力に対してハイパスフィルタリングを施して得られる値に対する絶対値であることが好ましい。或いは、ハイパスフィルタの出力値は負の値のままとしておき、ゲイン調整器２４により、ハイパスフィルタの出力値をその絶対値に変換するようにしてもよい。
なおセル選択器２１が全てのＤＣ／ＤＣコンバータ１２－１乃至１２－４を駆動するような状態である場合、ＳＷ制御部２２は、全てのスイッチ回路ＳＷ１乃至ＳＷ４を非導通のままとしてよい。即ち、全てのＤＣ／ＤＣコンバータ１２－１乃至１２－４が駆動対象であるので、これ以上駆動対象のＤＣ／ＤＣコンバータの個数を増やすことはできず、突入電流対策として制御回路１０は特に何もしない構成であってよい。或いは代替的に、ＳＷ制御部２２は、全てのスイッチ回路ＳＷ１乃至ＳＷ４を導通状態として、ハイパスフィルタ出力に応じた信号が示すデューティー比を、全てのＤＣ／ＤＣコンバータに供給するデューティー比に加算する構成とすることも考えられる。この際、加算器出力は最大値が１となるような最大値制限機能を設けておけばよい。このような構成とすることにより、突入電流が存在する場合に、各水電解セルに流れる電流量を削減することが可能となる。
図６は、太陽光照射量の急激な変動に応答して各水電解セルに流れる電流量が変化する様子を模式的に示す図である。図６においては、便宜上、ＤＣ／ＤＣコンバータ及び水電解セルの設置個数がそれぞれ２個である場合を例にとって、太陽光照射量の急激な変動に対する応答を示している。
図６に示すように太陽光日射量が増加すると、太陽光パネルが出力するＰＶ出力電圧が増加する。このＰＶ出力電圧の増加に応答して、ＭＰＰＴ制御器が出力するデューティー比Ｄｕｔｙも増加する。図６に示す例では、増加後の太陽光照射量に対して、２個のＤＣ／ＤＣコンバータのうちで1個のＤＣ／ＤＣコンバータのみを駆動することが最適な効率である場合を示している。従って、セル選択器の出力値のうちで、第１のＤＣ／ＤＣコンバータに対する出力値ＤＣ／ＤＣ１が図示されるように増加し、第２のＤＣ／ＤＣコンバータに対する出力値ＤＣ／ＤＣ２はゼロのままに維持されている。
検出器であるハイパスフィルタが出力するＨＰＦ出力値は、入力であるデューティー比Ｄｕｔｙの急峻な変化部分においてのみ値を有するので、図示のように、一瞬だけ値が増加して直ぐにゼロに戻る波形となる。
ＳＷ制御部の出力により制御されるスイッチ回路ＳＷ１及びＳＷ２の導通及び非導通状態が、図６においてＳＷ１及びＳＷ２（スイッチ回路制御信号）の信号値により示される。この信号がハイ（Ｈ）状態であるときに当該スイッチ回路は導通状態であり、この信号がロー（Ｌ）状態であるときに当該スイッチ回路は非導通状態である。
加算器を介して第1のＤＣ／ＤＣコンバータに供給されるデューティー比Ｄｕｔｙ１は、図６においてＤＣ／ＤＣ１として示される信号である。加算器を介して第２のＤＣ／ＤＣコンバータに供給されるデューティー比Ｄｕｔｙ２は、導通状態となるスイッチ回路を介して供給されるＨＰＦ出力値に対応するデューティー比である。第1の水電解セルＥＣ１に流れる電流ＩＥＣ１は、デューティー比Ｄｕｔｙ１に応じて駆動される第1のＤＣ／ＤＣコンバータから出力される電流である。第２の水電解セルＥＣ２に流れる電流ＩＥＣ２は、デューティー比Ｄｕｔｙ２に応じて駆動される第２のＤＣ／ＤＣコンバータから出力される電流である。
従来の水電解システムであれば、第２の水電解セルＥＣ２に流れる電流ＩＥＣ２はゼロであり、第1の水電解セルＥＣ１に流れる電流ＩＥＣ１にはＩＳとして示す突入電流が重畳されることになる。本願開示の水電解システムにおいては、ＨＰＦ出力値に応じた電流量が第２の水電解セルＥＣ２に流れるため、第1の水電解セルＥＣ１に流れる電流ＩＥＣ１が少なくなる。従って、水電解セルの劣化を避けることが可能となる。
図７は、駆動対象であるＤＣ／ＤＣコンバータ個数を増加することにより各水電解セルに流れる電流量が削減する構成を説明する図である。図７において、回路３０は、太陽光パネル及びＤＣ／ＤＣコンバータの等価回路である。この等価回路３０から供給される電流Ｉが水電解セル１３－１乃至１３－４にそれぞれ電流ＩＥＣ１、電流ＩＥＣ２、電流ＩＥＣ３、電流ＩＥＣ４として分配される。これにより、電流Ｉが例えば1つの水電解セルに供給された場合と比較して、各水電解セルに流れる電流量を削減し、水電解セルの劣化を防ぐことが可能になる。
上記説明した実施例においては、セル選択器２１が駆動対象としていない全てのＤＣ／ＤＣコンバータに対して、検出器２３からのデューティー比を供給することにより、設置されている全てのＤＣ／ＤＣコンバータを駆動している。突入電流を複数の水電解セルに分配することにより各水電解セルに流れる電流量を削減して劣化を防ぐという観点からすると、全てのＤＣ／ＤＣコンバータを駆動することが好ましい。しかしながら、突入電流量がそれほど大きくないような場合には、必ずしも設置されている全てのＤＣ／ＤＣコンバータを駆動する必要はない。
図８は、太陽光照射量の急激な変動に応答して一部のＤＣ／ＤＣコンバータのみを駆動する動作を説明するための図である。図８においては、ＤＣ／ＤＣコンバータ及び水電解セルの設置個数がそれぞれ４個である場合を例にとって、太陽光照射量の急激な変動に対する応答を示している。
図８に示すように太陽光日射量が増加すると、太陽光パネルが出力するＰＶ出力電圧が増加する。このＰＶ出力電圧の増加に応答して、ＭＰＰＴ制御器が出力するデューティー比Ｄｕｔｙも増加する。図８に示す例では、増加後の太陽光照射量に対して、４個のＤＣ／ＤＣコンバータのうちで1個のＤＣ／ＤＣコンバータのみを駆動することが最適な効率である場合を示している。従って、セル選択器の出力値のうちで、第１のＤＣ／ＤＣコンバータに対する出力値ＤＣ／ＤＣ１が図示されるように増加し、第２乃至第４のＤＣ／ＤＣコンバータに対する出力値ＤＣ／ＤＣ２乃至ＤＣ／ＤＣ４はゼロのままに維持されている。
検出器であるハイパスフィルタが出力するＨＰＦ出力値は、入力であるデューティー比Ｄｕｔｙの急峻な変化部分においてのみ値を有するので、図示のように、一瞬だけ値が増加して直ぐにゼロに戻る波形となる。
ＳＷ制御部の出力により制御されるスイッチ回路ＳＷ１乃至ＳＷ４の導通及び非導通状態が、図８においてＳＷ１乃至ＳＷ４（スイッチ回路制御信号）の信号値により示される。この信号がハイ（Ｈ）状態であるときに当該スイッチ回路は導通状態であり、この信号がロー（Ｌ）状態であるときに当該スイッチ回路は非導通状態である。図８においてＡ１に示されるように、ＳＷ制御部は、第４のＤＣ／ＤＣコンバータについては、スイッチ回路制御信号ＳＷ４をロー（Ｌ）に設定している。
加算器を介して第1のＤＣ／ＤＣコンバータに供給されるデューティー比Ｄｕｔｙ１は、図８においてＤＣ／ＤＣ１として示される信号である。加算器を介して第２のＤＣ／ＤＣコンバータに供給されるデューティー比Ｄｕｔｙ２は、導通状態となるスイッチ回路を介して供給されるＨＰＦ出力値に対応するデューティー比である。同様に、加算器を介して第３のＤＣ／ＤＣコンバータに供給されるデューティー比Ｄｕｔｙ３は、導通状態となるスイッチ回路を介して供給されるＨＰＦ出力値に対応するデューティー比である。第４のＤＣ／ＤＣコンバータに供給されるデューティー比Ｄｕｔｙ４は、図８に示されるようにゼロとなっている。
第1の水電解セルＥＣ１に流れる電流ＩＥＣ１は、デューティー比Ｄｕｔｙ１に応じて駆動される第1のＤＣ／ＤＣコンバータから出力される電流である。第２の水電解セルＥＣ２に流れる電流ＩＥＣ２は、デューティー比Ｄｕｔｙ２に応じて駆動される第２のＤＣ／ＤＣコンバータから出力される電流である。第３の水電解セルＥＣ３に流れる電流ＩＥＣ３は、デューティー比Ｄｕｔｙ３に応じて駆動される第３のＤＣ／ＤＣコンバータから出力される電流である。第４の水電解セルＥＣ４に流れる電流ＩＥＣ４は、デューティー比Ｄｕｔｙ４がゼロであることに対応して、図８においてＡ２に示されるようにゼロとなっている。
上記動作例に示されるように、本願開示の水電解システムは、全てのＤＣ／ＤＣコンバータを駆動させる構成に限定されるものではない。各水電解セルに流れる電流量を定格電流以下にできるのであれば、設置されているＤＣ／ＤＣコンバータのうちの全てではない一部のＤＣ／ＤＣコンバータのみを駆動して、設置されている水電解セルのうちの全てではない一部のみに電流を流してよい。
以上説明したように、本願開示の水電解システムにおいては、太陽光パネル１１が生成する第１の電力における所定時間あたり所定量を超える変化の発生を検出すると、駆動するＤＣ／ＤＣコンバータ１２－１乃至１２－４の数を増加させる。これにより、駆動される水電解セル１３－１乃至１３－４の個数が増加するので、水電解セル1つあたりに流れる突入電流の電流量が減少し、水電解セルの劣化を防ぐことが可能となる。以下に、本願開示の水電解システムにより、水電解セルに流れる電流が削減されることを、計算機シミュレーションにより実証した結果を示す。
図９は、従来技術のシステム構成における太陽光照射量の急激な変動に対する応答を示す図である。図１０は、本願開示の水電解システムにおける太陽光照射量の急激な変動に対する応答を示す図である。これらの応答を計算するにあたり、セル閾値（図２に示すダイオードＤ１の閾値）を４．５Ｖ、セルスタック数を３、セル寄生容量を１Ｆ、各セルの定格電流を２０Ａとした。また従来技術の水電解システムは、図４に示す構成において、ＳＷ制御部２２、検出器２３、ゲイン調整器２４、加算器２５－１乃至２５－４、及びスイッチ回路ＳＷ１乃至ＳＷ４が設けられていない構成である。
図９に示されるように、従来の水電解システムにおいては、太陽光の照射量が増大すると、セル選択器が出力する複数のデューティー比Ｄｕｔｙ１乃至Ｄｕｔｙ４のうち、デューティー比Ｄｕｔｙ１のみがゼロから立ち上がり増加している。これに応じて、４個の水電解セルのうち第１の水電解セルにのみ電流Ｌｏｕｔ１が流れ、その電流量は一時的に定格電流２０Ａを超える量となっている。
一方、図１０に示されるように、本願開示の水電解システムにおいては、太陽光の照射量が増大すると、セル選択器２１が出力する複数のデューティー比Ｄｕｔｙ１乃至Ｄｕｔｙ４の全てにおいてゼロより大きい値が現れている。具体的には、デューティー比Ｄｕｔｙ１がゼロから立ち上がり増加していくと共に、デューティー比Ｄｕｔｙ２乃至Ｄｕｔｙ４についてもゼロから立ち上がる一時的な値の増加が現れている。これに応じて、全ての水電解セル１３－１乃至１３－４に電流Ｌｏｕｔ１乃至Ｌｏｕｔ４が流れ、その電流量が定格電流２０Ａを超えることはない。
以上、本発明を実施例に基づいて説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内で様々な変形が可能である。
本願開示の電流制御装置（制御回路１０及びＤＣ／ＤＣコンバータ１２－１乃至１２－４）は、太陽光発電以外の発電機構（例えば風力発電）に対して使用可能であるし、また水電解セル以外の電解セルに対しても使用可能である。
１ アノード電極
２ カソード電極
３ 隔膜
１０ 制御回路
１１ 太陽光パネル
１２－１～１２－４ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１３－１～１３－４ 水電解セル
１４ 水素格納装置
２０ ＭＰＰＴ制御器
２１ セル選択器
２２ ＳＷ制御部
２３ 検出器
２４ ゲイン調整器
２５－１～２５－４ 加算器
ＳＷ１～ＳＷ４ スイッチ回路

Claims (7)

  1. 太陽光発電装置が生成する第１の電力を複数の第２の電力にそれぞれ変換する複数の変換回路と、
    前記複数の変換回路のうちの駆動する変換回路の数を少なくとも制御する制御回路と、
    前記複数の変換回路から前記複数の第２の電力をそれぞれ受け取る複数の水電解セルと、
    を含み、前記制御回路は前記第１の電力における所定時間あたり所定量を超える増加または減少の発生を検出する検出器を含み、前記検出器が前記増加または減少の発生を検出すると、前記制御回路は前記駆動する変換回路の数を増加させる、水電解システム。
  2. 前記制御回路は、前記太陽光発電装置が生成する前記第１の電力を最大化するよう前記複数の変換回路の動作を制御するために用いられる制御信号を生成する最大電力点追従制御回路を含み、前記検出器は前記制御信号を入力とするハイパスフィルタである、請求項１記載の水電解システム。
  3. 前記変換回路は、供給されるデューティー比に応じたＰＷＭ動作により出力電圧及び出力電流を制御するＤＣ／ＤＣコンバータであり、
    前記制御回路は、
    前記制御信号に基づいて前記複数の変換回路にそれぞれ供給する複数のデューティー比を生成するセル選択器と、
    前記複数の変換回路のうちで前記セル選択器が駆動していない変換回路に対して、前記ハイパスフィルタの出力に応じた信号が示すデューティー比を供給する信号供給回路と
    を含む、請求項２記載の水電解システム。
  4. 前記信号供給回路は、
    前記複数の変換回路に一対一に対応して設けられ、導通状態又は非導通状態のいずれかに設定可能な複数のスイッチ回路と、
    前記ハイパスフィルタの出力に応じた信号を前記複数のスイッチ回路を介してそれぞれ受け取り、前記セル選択器から受け取る前記複数のデューティー比のそれぞれに加算する複数の加算器と、
    を含み、前記複数のスイッチ回路のうち、前記セル選択器が駆動していない変換回路に対応するスイッチ回路のみが導通状態とされる、請求項３記載の水電解システム。
  5. 前記信号供給回路は、前記複数の変換回路のうちで前記セル選択器が駆動していない変換回路のうちの一部の変換回路に対してのみ、前記ハイパスフィルタの出力に応じた信号が示すデューティー比を供給する、請求項３又は４記載の水電解システム。
  6. 前記ハイパスフィルタのカットオフ周波数は最大電力点追従制御による変動の周波数よりも高い、請求項２乃至５いずれか一項記載の水電解システム。
  7. 発電装置が生成する第１の電力を複数の第２の電力にそれぞれ変換し、前記複数の第２の電力を複数の電解セルにそれぞれ供給する複数の変換回路と、
    前記複数の変換回路のうちの駆動する変換回路の数を少なくとも制御する制御回路と、
    を含み、前記制御回路は前記第１の電力における所定時間あたり所定量を超える増加または減少の発生を検出する検出器を含み、前記検出器が前記増加または減少の発生を検出すると、前記制御回路は前記駆動する変換回路の数を増加させることにより前記複数の電解セルの各々に供給する電流量を制御する、電流制御装置。
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