JP7416088B2

JP7416088B2 - 水電気分解システム

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Publication number: JP7416088B2
Application number: JP2021563462A
Authority: JP
Inventors: 遊米澤; 善康中島
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2019-12-09
Filing date: 2019-12-09
Publication date: 2024-01-17
Anticipated expiration: 2039-12-09
Also published as: WO2021117097A1; JPWO2021117097A1; EP4074865A4; EP4074865A1

Description

本開示は、水電気分解システム及び水電気分解装置に関する。

従来、水を電気分解する電解装置と、太陽電池の出力電圧Ｖ１を電圧Ｖ２に降圧して電解装置へ出力するスイッチングレギュレータ部とを備える電解システムが知られている。スイッチングレギュレータ部は、電圧Ｖ２に基づくフィードバック制御により、電圧Ｖ２の変動を抑えた定電圧電源として用いられる（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１５－１６４０２８号公報

水を電気分解する電解装置（以下、"水電気分解セル"ともいう）に印加する電圧の変動が定電圧電源により抑えられていても、太陽電池等の発電装置から供給される電力の挙動によっては、水電気分解セルに印加する電圧が変動する場合がある。例えば、発電装置から供給される電力が急減すると、フィードバックがかかっていても、水電気分解セルに印加する電圧が一時的に急減する場合がある。水電気分解セルに印加する電圧の変動は、水電気分解セルに過剰な突入電流を流し、水電気分解セルを劣化させる要因となりうる。

本開示は、水電気分解セルに流れる突入電流を抑制可能な技術を提供する。

本開示は、
発電装置と、
水電気分解セルと、
前記発電装置から供給される電力を変換して、前記水電気分解セルに印加する出力電圧を生成する電力変換器とを備え、
前記電力変換器は、前記出力電圧が前記水電気分解セルの閾値電圧未満にならないように、前記出力電圧の変動を前記閾値電圧以上の範囲に制限する、水電気分解システムを提供する。

また、本開示は、
水電気分解セルと、
入力される電力を変換して、前記水電気分解セルに印加する出力電圧を生成する電力変換器とを備え、
前記電力変換器は、前記出力電圧が前記水電気分解セルの閾値電圧未満にならないように、前記出力電圧の変動を前記閾値電圧以上の範囲に制限する、水電気分解装置を提供する。

本開示の技術によれば、水電気分解セルに流れる突入電流を抑制できる。

一実施形態における水電気分解システムの構成例を示す図である。水電気分解セルの構造例を示す図である。水電気分解セルの電気特性の一例を示す図である。水電気分解セルに流れる突入電流を例示する図である。水電気分解セルの等価回路の一例を示す図である。水電気分解セルに印加する電圧が変動する場合を例示する図である。一比較形態における水電気分解システムの構成例を示す図である。一比較形態における水電気分解システムの動作波形を例示する図である。水電気分解セルにおける電圧と電流との静特性の一例を示す図である。水電気分解セルにおける電圧と電流との動特性の一例を示す図である。電力変換器の第１の構成例を示す図である。電力変換器の第２の構成例を示す図である。電力変換器の第３の構成例を示す図である。電力変換器の動作波形を例示する図である。出力電圧の変動を水電気分解セルの閾値電圧以上の範囲に制限しない場合の動作波形の一例を示す図である。出力電圧の変動を水電気分解セルの閾値電圧以上の範囲に制限する場合の動作波形の一例を示す図である。制御部のハードウェア構成例を示す図である。

以下、本開示の実施形態について説明する。

図１は、一実施形態における水電気分解システムの構成の一例を示す図である。図１に示す水電気分解システム１００１は、ソーラーパネル１０が発電した電気エネルギーにより、水を電気分解することによって水素を生成する。水電気分解システム１００１は、ソーラーパネル１０から最大電力が出力されるように、ソーラーパネル１０から引き出す電力を制御する。水電気分解システム１００１は、ソーラーパネル１０及び水電気分解装置１０１を備える。水電気分解装置１０１は、ＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking）制御器７０、電力変換器２０、セル３０、電流計７２及び電圧計７３を備える。

ソーラーパネル１０は、発電した第１の直流電力Ｐ_ｏを出力する発電装置の一例であり、パネル面に配列された複数の太陽電池を有する。太陽電池は、光起電力効果を利用し、太陽光のような光エネルギーを直流電力に変換して出力する。

太陽電池は、内部抵抗の比較的大きな電池のような電流－電圧特性をもっており、電流を引き出すことで電圧降下が発生する。最大の電力を引き出せる電流と電圧で決まる最大電力点（Maximum Power Point）は、太陽電池を照らす照度（日射量Ｓ）と太陽電池の温度によって変化する。照度が高ければ、発電量が上がるため、最大電力は増加する。一方で、太陽電池の温度が高くなると内部抵抗が増加し最大電力が低下する。

常に最大電力点を満たすように太陽電池から引き出す電力を制御する方法を最大電力点追従（ＭＰＰＴ：Maximum Power Point Tracking）制御と称し、山登り法と呼ばれる制御方法が使用されることが多い。太陽電池を高効率で使うためには、ＭＰＰＴ制御は有効な技術である。以下では、ソーラーパネル１０の最大電力点での出力電力を最大電力Psolar_maxと表記する。

ＭＰＰＴ制御器７０は、ソーラーパネル１０の出力ライン７１に設置された電流計７２及び電圧計７３により計算されたソーラーパネル１０の出力電力（第１の直流電力Ｐ_ｏ）を、最大電力Psolar_maxに近づける制御指令値を生成する。図１に示すＭＰＰＴ制御器７０は、ソーラーパネル１０から供給される電力（第１の直流電力Ｐ_ｏ）に基づいて、ＭＰＰＴ制御を行うことにより、ソーラーパネル１０の負荷の一つである電力変換器２０の制御指令値ｒを生成する。制御指令値ｒにより指示される内容は、電力変換器２０の出力電圧Ｖ_ｏｕｔの目標値を表す指示電圧値でもよいし、電力変換器２０の出力電圧Ｖ_ｏｕｔを制御するデューティ比の目標値を表す指示デューティ比でもよい。

電力変換器２０は、ソーラーパネル１０が出力する第１の直流電力Ｐ_ｏを、ＭＰＰＴ制御器７０から供給される制御指令値ｒに応じて、第２の直流電力Ｐ_ｏｕｔに変換して出力するＤＣ－ＤＣコンバータである（ＤＣ：Direct Current）。電力変換器２０は、ＭＰＰＴ制御器７０から供給される制御指令値ｒに応じて、ソーラーパネル１０からの入力電圧Ｖ_ｉｎを出力電圧Ｖ_ｏｕｔに変換し、出力経路２１に接続されるセル３０の両端に出力電圧Ｖ_ｏｕｔを印加する。

セル３０は、水電気分解セルの一例である。セル３０は、単体のセルでもよいし、複数のセルが直列に接続されるセルスタックでもよい。セル３０がセルスタックの場合、出力電圧Ｖ_ｏｕｔがセル３０の両端に印加されることにより、直列に接続される複数のセルの各々の両端（陽極と陰極との間）に、出力電圧Ｖ_ｏｕｔを分圧した電圧が印加される。

図２は、水電気分解セルの構造例を示す図である。図２に示すセル３０は、単体のセルを表すが、セルスタックの場合、直列に接続される複数のセルのうちの一つのセルを表す。セル３０は、電解槽とも称する。セル３０は、陽極３１と、陰極３２と、隔膜３３とを有する。隔膜３３は、陽極３１と陰極３２との間に挟まれている。陽極３１に供給される水（Ｈ_２Ｏ）は、陽極３１と陰極３２との間に印加される電圧により電気分解される。この電気分解によって、陽極３１において酸素（Ｏ_２）が発生し、水素イオン（Ｈ^＋）が陽極３１側から隔膜３３を通って陰極３２側に移動して、陰極３２において水素（Ｈ_２）が発生する。陽極３１において発生した酸素は、酸素配管を介して、大気に放出又は貯蔵される。陰極３２において発生した水素は、水素配管を介して、水素タンクに貯蔵される。水素タンクに貯蔵された水素は、エネルギーとして利用される。

図３は、水電気分解セルの電気特性の一例を示す図である。セル３０は、ダイオードのような電流‐電圧特性を持っており、閾値電圧Ｖ_ｔｈから急激に電流が流れ出し、電気分解が始まる。セル３０がＮ個のセルが直列に接続されるセルスタックの場合、直列に接続されるＮ個のセル全体の閾値電圧は、セル１個当たりの閾値電圧（１～１．５Ｖ程度）のＮ倍となる。セル３０に流れる電流が大きくなるほど、水素の発生量も多くなる。

ところが、セル３０に過剰な突入電流が瞬間的に流れると、セル３０の劣化（特に、陽極３１等の電極の劣化）が進行し、セル３０の抵抗値が増大する。セル３０の抵抗値が増大すると、セル３０に同じ電圧を印加しても、セル３０に流れる電流が低下するので、水素の発生量も低下してしまう（図３の破線参照）。

例えば図４に示すように、太陽の日射量Ｓが変動すると、過剰な突入電流ｉが、セル３０に流れる電流（セル電流Ｉ_ｃｅｌｌ）に瞬間的に発生することがある。日射量Ｓの変動に伴って、ソーラーパネル１０から電力変換器２０に供給される第１の直流電力Ｐ_ｏは変動するので、日射量Ｓの変動が大きいと、電力変換器２０から出力される第２の直流電力Ｐ_ｏｕｔも大きく変動する場合がある。第２の直流電力Ｐ_ｏｕｔの変動に伴って、セル３０に印加する出力電圧Ｖ_ｏｕｔが大きく変動すると、出力電圧Ｖ_ｏｕｔの変動に同期した突入電流ｉがセル３０に瞬間的に流れることがある。出力電圧Ｖ_ｏｕｔの変動に同期した突入電流ｉがセル３０に瞬間的に流れる要因の一つは、セル３０に構造上存在するキャパシタ成分である。

図５は、水電気分解セルの等価回路の一例を示す図である。図５に示す等価回路１１で表されるセル３０は、陽極３１と陰極３２との間の抵抗成分に並列に寄生するキャパシタ成分Ｃｐを有する。Ｒ_ｓは、陽極３１及び陰極３２の構造上の抵抗成分、Ｒ_Ｃｅｌｌは、隔膜３３を介して陽極３１の表面と陰極３２の表面との間に挟まれる部分の抵抗成分、Ｒ_Ｃｐは、キャパシタ成分Ｃｐに直列に存在する抵抗成分を表す。Ｖ_ｔｈは、セル３０の閾値電圧（ダイオード成分の順方向特性における順方向電圧に相当）を表す。Ｉ_ｄは、抵抗成分Ｒ_Ｃｅｌｌ及びダイオード成分に流れる電流、Ｉ_ｃａｐは、抵抗成分Ｒ_Ｃｐ及びキャパシタ成分Ｃｐに流れる電流、Ｉ_ｃｅｌｌ（＝Ｉ_ｄ＋Ｉ_ｃａｐ）は、セル３０に流れる総電流を表す。キャパシタ成分Ｃｐは、数Ｆ（ファラド）の容量を有する。

図６は、水電気分解セルに印加する電圧が変動する場合を例示する図である。セル電圧Ｖ_ｃｄは、セル３０に印加する電圧を表し、電力変換器２０の出力電圧Ｖ_ｏｕｔに略等しい。セル電流Ｉ_ｃｅｌｌは、セル３０に流れる電流を表し、電力変換器２０の出力電流Ｉ_ｏｕｔに略等しい。セル電圧Ｖ_ｃｄの変動に同期して、キャパシタ成分Ｃｐを充電又は放電する電流Ｉ_ｃａｐ（すなわち、過剰な突入電流）が瞬間的に流れる。

セル電圧Ｖ_ｃｄが閾値電圧Ｖ_ｔｈまで上昇する期間ｔ１－ｔ２には、電流Ｉ_ｄが流れずに、キャパシタ成分Ｃｐを充電する過剰な電流Ｉ_ｃａｐがキャパシタ成分Ｃｐに瞬間的に流れる。セル電圧Ｖ_ｃｄが閾値電圧Ｖ_ｔｈよりも上昇してから閾値電圧Ｖ_ｔｈ以上の一定値になるまでの期間ｔ２－ｔ３では、電流Ｉ_ｃａｐと電流Ｉ_ｄの両方が流れる。セル電圧Ｖ_ｃｄが閾値電圧Ｖ_ｔｈ以上の一定値である期間ｔ３－ｔ４では、電流Ｉ_ｃａｐが流れずに電流Ｉ_ｄが流れる。セル電圧Ｖ_ｃｄが閾値電圧Ｖ_ｔｈに低下するまでの期間ｔ４－ｔ５には、電流Ｉ_ｃａｐと電流Ｉ_ｄの両方が流れる。セル電圧Ｖ_ｃｄが閾値電圧Ｖ_ｔｈよりも低下する期間ｔ５－ｔ６には、電流Ｉ_ｄが流れずに、キャパシタ成分Ｃｐを放電する過剰な電流Ｉ_ｃａｐがキャパシタ成分Ｃｐに瞬間的に流れる。

このような充放電電流（突入電流）を抑制するため、例えば図７に示す水電気分解システム１０００のように、出力経路２１に蓄電池システム４０を設ける形態が考えられる。蓄電池システム４０において充放電される電力Ｐ_ｂよって、セル３０に供給される電力Ｐ_ａの変動は抑制される（図８参照）。電力Ｐ_ａの変動が抑制されることによって、セル３０に印加する電圧の変動も抑制されるので、セル３０のキャパシタ成分に流れる突入電流を抑制できる。しかしながら、このような蓄電池システム４０を設ける形態では、蓄電池システム４０の充放電時の損失が新たに生じてしまうことがある。

本開示の実施形態における電力変換器２０は、このような蓄電池システム４０の有無にかかわらず、セル３０のキャパシタ成分に流れる突入電流を抑制できる機能を有する。次に、この機能について説明する。

図９は、水電気分解セルにおける電圧と電流との静特性の一例を示す図である。セル電圧Ｖ_ｃｄは、セル３０に印加する電圧を表し、電力変換器２０の出力電圧Ｖ_ｏｕｔに略等しい。セル電流Ｉ_ｃｅｌｌは、セル３０に流れる電流を表し、電力変換器２０の出力電流Ｉ_ｏｕｔに略等しい。

出力電圧Ｖ_ｏｕｔ（セル電圧Ｖ_ｃｄ）を変動させる範囲を制限しなければ、出力電圧Ｖ_ｏｕｔは範囲Ｘを自由に変動できる。このため、出力電圧Ｖ_ｏｕｔを一定値に制御するフィードバック制御を行っていても、ソーラーパネル１０から供給される電力Ｐ_Ｏが急減すると、出力電圧Ｖ_ｏｕｔは、閾値電圧Ｖ_ｔｈ未満の範囲Ｘ_１に一時的に急減するおそれがある。セル３０に印加する出力電圧Ｖ_ｏｕｔ（セル電圧Ｖ_ｃｄ）が閾値電圧Ｖ_ｔｈ未満の範囲Ｘ_１で変動すると、セル３０のキャパシタ成分Ｃｐに突入電流が流れてしまう（図５，６参照）。

これに対し、本開示の実施形態における電力変換器２０は、出力電圧Ｖ_ｏｕｔ（セル電圧Ｖ_ｃｄ）がセル３０の閾値電圧Ｖ_ｔｈ未満にならないように、出力電圧Ｖ_ｏｕｔ（セル電圧Ｖ_ｃｄ）の変動を閾値電圧Ｖ_ｔｈ以上の範囲Ｙに制限する機能を有する（図９参照）。このような制限機能により、出力電圧Ｖ_ｏｕｔ（セル電圧Ｖ_ｃｄ）が閾値電圧Ｖ_ｔｈ未満の範囲Ｘ_１で変動しないように制御できるので、セル３０のキャパシタ成分Ｃｐに流れる突入電流を抑制でき、セル３０の劣化を抑制できる。セル３０に常に印加する出力電圧Ｖ_ｏｕｔが閾値電圧Ｖ_ｔｈ以上であると、セル３０のキャパシタ成分Ｃｐに流れる突入電流を常に抑制できる。もちろん、このような制限機能があっても、出力電圧Ｖ_ｏｕｔがセル３０の閾値電圧Ｖ_ｔｈ未満になる期間（例えば、電力変換器２０の起動時の出力電圧Ｖ_ｏｕｔの立ち上がり期間及び停止時の出力電圧Ｖ_ｏｕｔの立ち下がり期間など）があってもよい。

範囲Ｙの上限値は、特に限定されないが、セル３０が許容する最大印加電圧などによって適宜設定されるとよい。

なお、本開示の実施形態においても、出力電圧Ｖ_ｏｕｔの平滑化等のために蓄電池システム４０のような蓄電部を設けてもよいが、そのような蓄電部を設けないことにより、当該蓄電部での充放電時の損失の低減とセル３０に流れる突入電流の抑制とを両立できる。

図１０は、水電気分解セルにおける電圧と電流との動特性の一例を示す図である。実線のＸは、出力電圧Ｖ_ｏｕｔ（セル電圧Ｖ_ｃｄ）の変動を閾値電圧Ｖ_ｔｈ以上の範囲に制限しない場合の動作波形の一例を示す。破線のＹは、出力電圧Ｖ_ｏｕｔ（セル電圧Ｖ_ｃｄ）の変動を閾値電圧Ｖ_ｔｈ以上の範囲に制限する場合の動作波形の一例を示す。

電力変換器２０は、出力電圧Ｖ_ｏｕｔが制御指令値ｒにより閾値電圧Ｖ_ｔｈ未満にならないように、出力電圧Ｖ_ｏｕｔ（セル電圧Ｖ_ｃｄ）の変動を閾値電圧Ｖ_ｔｈ以上の範囲Ｙに制限する機能を有する。この制限機能により、制御指令値ｒにより指示される出力電圧Ｖ_ｏｕｔの指示電圧値Ｖ_ｒが閾値電圧Ｖ_ｔｈ未満でも、閾値電圧Ｖ_ｔｈ未満への出力電圧Ｖ_ｏｕｔ（セル電圧Ｖ_ｃｄ）の低下を妨げるので、セル３０のキャパシタ成分Ｃｐに流れる突入電流を抑制できる。

例えば、電力変換器２０は、制御指令値ｒにより指示される出力電圧Ｖ_ｏｕｔの指示電圧値Ｖ_ｒと、閾値電圧Ｖ_ｔｈ以上の設定電圧値Ｖ_１とのうち大きい方の値に、出力電圧Ｖ_ｏｕｔを近づける制御機能を有する。この制御機能により、制御指令値ｒにより指示される出力電圧Ｖ_ｏｕｔの指示電圧値Ｖ_ｒが閾値電圧Ｖ_ｔｈ未満でも、閾値電圧Ｖ_ｔｈ未満への出力電圧Ｖ_ｏｕｔ（セル電圧Ｖ_ｃｄ）の低下を妨げるので、セル３０のキャパシタ成分Ｃｐに流れる突入電流を抑制できる。

図１１は、電力変換器２０の第１の構成例を示す図である。図１１に示す電力変換器２０Ａは、上述の電力変換器２０の一例であり、電源回路５０及び制御部６０を有する。

電源回路５０は、入力電圧Ｖ_ｉｎを出力電圧Ｖ_ｏｕｔに降圧変換するレギュレータであるが、図１１に示す構成に限られない。図１１に示す電源回路５０は、スイッチング素子５１，５２と、インダクタ５３と、コンデンサ５４とを有する公知のバック型変換回路である。

制御部６０は、電源回路５０の変換動作を制御する。制御部６０は、指示電圧値Ｖ_ｒと設定電圧値Ｖ_１とのうち大きい方の値Ｖ_ｒｒと、出力電圧Ｖ_ｏｕｔのフィードバック値との差Ｅ_１が零に近づくように、電源回路５０の変換動作を制御することで、出力電圧Ｖ_ｏｕｔを制御する。制御部６０は、選択器６１、減算器６２、補償器６３及びＰＷＭ（Pulse Width Modulation）変調器６４を有する。

選択器６１は、指示電圧値Ｖ_ｒと設定電圧値Ｖ_１とのうち大きい方の値を選択し、選択した大きい方の値Ｖ_ｒｒを減算器６２に供給する。減算器６２は、選択器６１から供給される値Ｖ_ｒｒと出力電圧Ｖ_ｏｕｔのフィードバック値との差Ｅ_１を導出する。補償器６３は、比例・積分制御により、差Ｅ_１を零に近づけるデューティ比Ｄを算出する。ＰＷＭ変調器６４は、デューティ比Ｄに従って、スイッチング素子５１，５２を相補的にオン又はオフにスイッチングさせる。

制御部６０によれば、電力変換器２０Ａは、制御指令値ｒにより指示される出力電圧Ｖ_ｏｕｔの指示電圧値Ｖ_ｒと、閾値電圧Ｖ_ｔｈ以上の設定電圧値Ｖ_１とのうち大きい方の値に、出力電圧Ｖ_ｏｕｔを近づけることができる。これにより、指示電圧値Ｖ_ｒが閾値電圧Ｖ_ｔｈ未満になっても、出力電圧Ｖ_ｏｕｔは閾値電圧Ｖ_ｔｈ以上の設定電圧値Ｖ_１に維持されるので、セル３０に流れる突入電流を抑制できる。

図１２は、電力変換器２０の第２の構成例を示す図である。図１２に示す電力変換器２０Ｂは、上述の電力変換器２０の一例であり、電源回路５０及び制御部６５を有する。上述の構成例と同様の点についての説明は、上述の説明を援用することで、省略する。

制御部６５は、指示電圧値Ｖ_ｒに出力電圧Ｖ_ｏｕｔを近づけるデューティ比Ａと、閾値電圧Ｖ_ｔｈ以上の設定電圧値Ｖ_１に出力電圧Ｖ_ｏｕｔを近づけるデューティ比Ｂとのうち、出力電圧Ｖ_ｏｕｔを大きくする方のデューティ比に応じて、出力電圧Ｖ_ｏｕｔを制御する。デューティ比Ａは、指示電圧値に出力電圧を近づける第１の制御値の一例である。デューティ比Ｂは、閾値電圧以上の設定電圧値に出力電圧を近づける第２の制御値の一例である。デューティ比Ｄは、第１の制御値と第２の制御値とのうち、出力電圧を大きくする方の制御値の一例である。

制御部６５は、減算器６２、補償器６３、補償器６７、選択器６６及びＰＷＭ変調器６４を有する。減算器６２は、指示電圧値Ｖ_ｒと出力電圧Ｖ_ｏｕｔのフィードバック値との差Ｅ_１を算出する。補償器６３は、差Ｅ_１に応じてデューティ比Ａを生成し、例えば比例・積分制御により、差Ｅ_１を零に近づけるデューティ比Ａを導出する。補償器６７は、入力電圧Ｖ_ｉｎの検出値と設定電圧値Ｖ_１とを用いて、デューティ比Ｂを生成する。例えば、補償器６７は、入力電圧Ｖ_ｉｎの検出値を設定電圧値Ｖ_１で除算することによって、デューティ比Ｂ（＝Ｖ_ｉｎ／Ｖ_１）を算出する。選択器６６は、デューティ比Ａとデューティ比Ｂとのうち、出力電圧Ｖ_ｏｕｔを大きくする方の値を選択し、選択した値をデューティ比ＤとしてＰＷＭ変調器６４に供給する。ＰＷＭ変調器６４は、デューティ比Ｄに従って、スイッチング素子５１，５２を相補的にオン又はオフにスイッチングさせる。

制御部６５によれば、電力変換器２０Ｂは、制御指令値ｒにより指示される出力電圧Ｖ_ｏｕｔの指示電圧値Ｖ_ｒと、閾値電圧Ｖ_ｔｈ以上の設定電圧値Ｖ_１とのうち大きい方の値に、出力電圧Ｖ_ｏｕｔを近づけることができる。これにより、指示電圧値Ｖ_ｒが閾値電圧Ｖ_ｔｈ未満になっても、出力電圧Ｖ_ｏｕｔは閾値電圧Ｖ_ｔｈ以上の設定電圧値Ｖ_１に維持されるので、セル３０に流れる突入電流を抑制できる。

図１３は、電力変換器２０の第３の構成例を示す図である。図１３に示す電力変換器２０Ｃは、上述の電力変換器２０の一例であり、電源回路５０及び制御部６８を有する。上述の構成例と同様の点についての説明は、上述の説明を援用することで、省略する。

制御部６８は、指示電圧値Ｖ_ｒに出力電圧Ｖ_ｏｕｔを近づけるデューティ比Ａと、設定電流値Ｉ_１に出力電流Ｉ_ｏｕｔを近づけるデューティ比Ｃとのうち、出力電圧Ｖ_ｏｕｔを大きくする方のデューティ比に応じて、出力電圧Ｖ_ｏｕｔを制御する。設定電流値Ｉ_１は、零よりも僅かに大きい値に設定されることが好ましい（図９参照）。デューティ比Ａは、指示電圧値に出力電圧を近づける第１の制御値の一例である。デューティ比Ｃは、零よりも大きい設定電流値にセルに流れる出力電流を近づける第３の制御値の一例である。デューティ比Ｄは、第１の制御値と第３の制御値とのうち、出力電圧を大きくする方の制御値の一例である。

制御部６８は、減算器６２、補償器６３、減算器６９、補償器７４、選択器６６及びＰＷＭ変調器６４を有する。減算器６２は、指示電圧値Ｖ_ｒと出力電圧Ｖ_ｏｕｔのフィードバック値との差Ｅ_１を算出する。補償器６３は、差Ｅ_１に応じてデューティ比Ａを生成し、例えば比例・積分制御により、差Ｅ_１を零に近づけるデューティ比Ａを導出する。減算器６９は、設定電流値Ｉ_１と出力電流Ｉ_ｏｕｔのフィードバック値との差Ｅ_２を算出する。補償器７４は、差Ｅ_２に応じてデューティ比Ｃを生成し、例えば比例・積分制御により、差Ｅ_２を零に近づけるデューティ比Ｃを導出する。選択器６６は、デューティ比Ａとデューティ比Ｃとのうち、出力電圧Ｖ_ｏｕｔを大きくする方の値を選択し、選択した値をデューティ比ＤとしてＰＷＭ変調器６４に供給する。ＰＷＭ変調器６４は、デューティ比Ｄに従って、スイッチング素子５１，５２を相補的にオン又はオフにスイッチングさせる。

制御部６８によれば、図１４に示すように、指示電圧値Ｖ_ｒが閾値電圧Ｖ_ｔｈ未満になっても、電流フィードバックの制御（補償器７４）により、設定電流値Ｉ_１の最低限の出力電流Ｉ_ｏｕｔがセル３０に流れる。これにより、出力電圧Ｖ_ｏｕｔの変動を閾値電圧Ｖ_ｔｈ以上の範囲に制限できるので、セル３０に流れる突入電流を抑制できる。また、閾値電圧Ｖ_ｔｈがセル３０の温度や劣化によって変化しても、設定電流値Ｉ_１の最低限の出力電流Ｉ_ｏｕｔがセル３０に流れるので、出力電圧Ｖ_ｏｕｔの変動を閾値電圧Ｖ_ｔｈ以上の範囲に制限できる。

図１３に示す制御部６８の減算器６２の前段に、選択器６１（図１１）が追加されてもよい。選択器６１が制御部６８に追加されることにより、指示電圧値Ｖ_ｒが閾値電圧Ｖ_ｔｈ未満になっても、出力電圧Ｖ_ｏｕｔは、閾値電圧Ｖ_ｔｈ以上の設定電圧値Ｖ_１に又は設定電流値Ｉ_１に対応する電圧値に維持されるので、セル３０に流れる突入電流を抑制できる。

各構成例における設定電圧値Ｖ_１は、セル３０の温度に応じて変化してもよい。これにより、セル３０の温度に応じて、閾値電圧Ｖ_ｔｈが変動しても、設定電圧値Ｖ_１を補正できる。設定電圧値Ｖ_１は、セル３０の温度が高い場合、セル３０の温度が低い場合に比べて、小さくなることが好ましい。これにより、セル３０の温度上昇により閾値電圧Ｖ_ｔｈが低下しても、閾値電圧Ｖ_ｔｈよりも僅かに大きな値に設定電圧値Ｖ_１を補正できる。

図１５は、出力電圧の変動を水電気分解セルの閾値電圧以上の範囲に制限しない場合の動作波形の一例を示す図である。図１６は、出力電圧の変動を水電気分解セルの閾値電圧以上の範囲に制限する場合の動作波形の一例を示す図である。図１５，１６は、いずれもシミュレーションによる動作確認結果を示す。シミュレーション条件は、セル３０を３個のセルが直列に接続されるセルスタックとし、セル３０の閾値電圧Ｖ_ｔｈを４．５ボルトとし、セル３０のキャパシタ成分Ｃｐを１ファラドとする。図１５では、突入電流ｉが出力電圧Ｖ_ｏｕｔの変動に同期して発生するのに対し、図１６では、突入電流ｉが抑制されている。

図１７は、制御部のハードウェア構成例を示す図である。上述の制御部６０，６５，６８は、いずれも、アナログ回路のみにより実現されてもよいし、図１７に示すような制御装置５００により実現されてもよい。制御装置５００は、それぞれバス５０６で相互に接続されているドライブ装置５０１、補助記憶装置５０２、メモリ装置５０３、ＣＰＵ（Central Processing Unit）５０４、及びインタフェース装置５０５等を有する。

制御装置５００での処理を実現するプログラムは、記録媒体５０７によって提供される。プログラムを記録した記録媒体５０７がドライブ装置５０１にセットされると、プログラムが記録媒体５０７からドライブ装置５０１を介して補助記憶装置５０２にインストールされる。ただし、プログラムのインストールは必ずしも記録媒体５０７より行う必要はなく、ネットワークを介して他のコンピュータよりダウンロードするようにしてもよい。補助記憶装置５０２は、インストールされたプログラムを格納すると共に、必要なファイルやデータ等を格納する。

メモリ装置５０３は、プログラムの起動指示があった場合に、補助記憶装置５０２からプログラムを読み出して格納する。ＣＰＵ５０４は、メモリ装置５０３に格納されたプログラムに従って制御装置５００に係る機能を実行するプロセッサである。インタフェース装置５０５は、外部と接続するためのインタフェースとして用いられる。

なお、記録媒体５０７の一例としては、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤディスク、又はＵＳＢメモリ等の可搬型の記録媒体が挙げられる。また、補助記憶装置５０２の一例としては、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）又はフラッシュメモリ等が挙げられる。記録媒体５０７及び補助記憶装置５０２のいずれについても、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に相当する。

以上、実施形態について説明したが、本開示の技術は上記の実施形態に限定されるものではない。他の実施形態の一部又は全部との組み合わせや置換などの種々の変形及び改良が可能である。

例えば、発電装置は、再生可能エネルギーの一つである太陽光を用いて電力を発電する装置に限られず、風力などの他の再生可能エネルギーを用いて電力を発電する装置でもよい。

１０ソーラーパネル
１１等価回路
２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ電力変換器
２１出力経路
３０セル
３１陽極
３２陰極
３３隔膜
４０蓄電池システム
５０電源回路
６０，６５，６８制御部
７０ＭＰＰＴ制御器
１０００，１００１水電気分解システム

Claims

発電装置と、
隔膜を介して陽極の表面と陰極の表面との間に挟まれる部分の抵抗成分と、キャパシタ成分を並列に有する水電気分解セルと、
前記発電装置から供給される電力を変換して、前記水電気分解セルに印加する出力電圧を生成する電力変換器とを備え、
電流が前記抵抗成分に流れ始める電圧を閾値電圧とするとき、
前記電力変換器は、前記出力電圧が前記閾値電圧未満にならないように、前記出力電圧の変動を前記閾値電圧以上の範囲に制限する、水電気分解システム。
前記発電装置から供給される電力に基づいて、前記電力変換器の制御指令値を生成する制御器を備え、
前記電力変換器は、前記出力電圧が前記制御指令値により前記閾値電圧未満にならないように、前記出力電圧の変動を前記範囲に制限する、請求項１に記載の水電気分解システム。
前記電力変換器は、前記制御指令値により指示される前記出力電圧の指示電圧値と、前記閾値電圧以上の設定電圧値とのうち大きい方の値に、前記出力電圧を近づける、請求項２に記載の水電気分解システム。
前記電力変換器は、前記指示電圧値と前記設定電圧値とのうち大きい方の値と、前記出力電圧のフィードバック値との差が零に近づくように、前記出力電圧を制御する、請求項３に記載の水電気分解システム。
前記電力変換器は、前記指示電圧値に前記出力電圧を近づける第１の制御値と、前記閾値電圧以上の設定電圧値に前記出力電圧を近づける第２の制御値とのうち、前記出力電圧を大きくする方の制御値に応じて、前記出力電圧を制御する、請求項３に記載の水電気分解システム。
前記第１の制御値及び前記第２の制御値は、前記電力変換器のスイッチングのデューティ比である、請求項５に記載の水電気分解システム。
前記電力変換器は、前記制御指令値により指示される前記出力電圧の指示電圧値に前記出力電圧を近づける第１の制御値と、前記出力電圧が前記閾値電圧以上となる設定電流値に前記水電気分解セルに流れる出力電流を近づける第３の制御値とのうち、前記出力電圧を大きくする方の制御値に応じて、前記出力電圧を制御する、請求項２に記載の水電気分解システム。
前記第１の制御値及び前記第３の制御値は、前記電力変換器のスイッチングのデューティ比である、請求項７に記載の水電気分解システム。
前記電力変換器は、前記設定電流値と前記出力電流のフィードバック値との差に応じて前記第３の制御値を生成する、請求項７又は８に記載の水電気分解システム。
前記電力変換器は、前記指示電圧値と前記出力電圧のフィードバック値との差に応じて前記第１の制御値を生成する、請求項５から９のいずれか一項に記載の水電気分解システム。