WO2017216915A1 - 水素エネルギーシステム - Google Patents

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line
converter
voltage
hydrogen
energy system
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裕史 児山
竜一 森川
裕之 小野田
新井　裕之
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株式会社 東芝
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • Embodiments of the present invention relate to a hydrogen energy system.
  • the hydrogen energy system as described above includes, for example, a hydrogen production apparatus, a hydrogen tank, and a fuel cell.
  • a hydrogen production device produces hydrogen and stores it in a hydrogen tank.
  • the fuel cell generates power using the hydrogen stored in the hydrogen tank, and supplies the generated power to the load.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a low-loss hydrogen energy system.
  • the hydrogen energy system includes a direct current line that can be electrically connected to a power source, an alternating current line that can be electrically connected to a power system, and a direct current provided between the direct current line and the alternating current line.
  • FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the hydrogen energy system according to the first embodiment.
  • a hydrogen energy system 1 according to this embodiment includes a DC line 5a, an AC line 5b, a DC / AC converter 12 (DC / AC), an AC filter 14, and an interconnection transformer 15. And a fuel cell 16, a hydrogen production device 17, a control device 19, and DC / DC converters 111, 112, 131, 132 (DC / DC).
  • the DC line 5a can be electrically connected to the photovoltaic power generation device 21 (PV) via the DC / DC conversion device 111 and electrically connected to the storage battery 22 (BATTERY) via the DC / DC conversion device 112. Connectable.
  • the solar power generation device 21 and the storage battery 22 correspond to a power source that supplies power to the external load 300 via the hydrogen energy system 1.
  • the external load 300 has a DC load 31.
  • an electric lamp or a charger can be applied to the DC load 31.
  • the AC line 5b can be electrically connected to the power system 400.
  • An AC filter 14 and an interconnection transformer 15 are provided on the AC line 5b.
  • the AC line 5b is, for example, a 200V three-phase AC line.
  • the DC / AC converter 12 is provided between the DC line 5a and the AC line 5b.
  • the circuit configuration of the DC / AC converter 12 will be described with reference to FIG.
  • the semiconductor switching element 123 performs a switching operation based on the control of the control device 19. By this switching operation, a pulsed three-phase AC voltage is output from the AC terminal 125. On the other hand, even when a three-phase AC voltage is input to the AC terminal 125, the semiconductor switching element 123 performs a switching operation based on the control of the control device 19. With this switching operation, a DC voltage is output from the DC terminal 121.
  • the AC filter 14 includes a reactor 141 provided in the AC line 5b and a capacitor 142 provided between the AC line 5b and the ground.
  • the AC filter 14 is a low-pass filter that removes a frequency component higher than the cutoff frequency. This cutoff frequency can be set based on the inductance of the reactor 141 and the capacitance of the capacitor 142.
  • the interconnection transformer 15 is provided between the AC filter 14 and the power system 400.
  • AC power from the power system 400 is input to the DC / AC converter 12 via the interconnection transformer 15 and the AC filter 14.
  • the fuel cell 16 includes a fuel battery cell 161 (FC CELL) and a DC / DC converter 162.
  • the fuel cell 161 generates power using the hydrogen produced by the hydrogen production device 17 and outputs a DC voltage to the DC / DC converter 162.
  • the capacitor 1112 is provided between the low voltage DC terminals 1111 and the capacitor 1116 is provided between the high voltage DC terminals 1117.
  • two semiconductor switching elements 1114 connected in series are provided between the high-voltage DC terminals 1117.
  • the collector of the low-side semiconductor switching element 1114 is connected to one of the low-voltage DC terminals 1111 via the reactor 1113, and the emitter is connected to the other of the low-voltage DC terminals 1111.
  • the DC / DC converter 162 When the DC / DC converter 162 is configured by the circuit diagram shown in FIG. 3, when the DC voltage generated in the fuel cell 161 is input to the low voltage DC terminal 1111, the semiconductor switching element 1114 is connected to the controller 19. The switching operation is performed according to the control. By this switching operation, the DC voltage is boosted and output from the high voltage DC terminal 1117 to the DC line 5a. In the circuit diagram shown in FIG. 3, not only step-up but also step-down is possible. In other words, the DC voltage input to the high voltage DC terminal 1117 can be stepped down and output from the low voltage DC terminal 1111 by the switching operation of the semiconductor switching element 1114.
  • a capacitor 1612 and two arms are provided between the low voltage DC terminal 1611. Each arm has two semiconductor switching elements 1613 connected in series and two free-wheeling diodes 1614 connected in antiparallel to each semiconductor switching element 1613.
  • a capacitor 1617 and a rectifier circuit are provided between the high voltage DC terminals 1618. This rectifier circuit has four rectifier diodes 1616.
  • the DC / DC converter 162 preferably has the circuit configuration shown in FIG. In the circuit configuration shown in FIG. 4, since the rectifier circuit is irreversible, DC conversion cannot be performed in the direction from the high voltage DC terminal 1618 to the low voltage DC terminal 1611.
  • the hydrogen production device 17 includes a DC / DC conversion device 171 and a hydrogen production unit 172.
  • the DC / DC converter 171 corresponds to a third DC / DC converter that transforms the DC voltage supplied from the DC line 5a.
  • the circuit configuration of the DC / DC converter 171 is the same as the circuit configuration of the DC / DC converter 162 as shown in FIG. 3 or FIG.
  • the hydrogen production unit 172 electrolyzes water in response to the supply of the DC voltage transformed by the DC / DC converter 171. This produces hydrogen. This hydrogen is stored in a hydrogen tank (not shown).
  • the control device 19 has a main body 191.
  • a DC voltage is supplied to the main body 191 from the DC line 5 a via the DC / DC converter 131.
  • the main body 191 causes components of the hydrogen energy system 1, specifically, the DC / AC converter 12, the fuel cell 16, the hydrogen production device 17, and the DC / DC converters 111 and 112. , 131 and 132 are controlled.
  • a personal computer or the like can be used for the control device 19, for example.
  • the direct current / direct current converter 111 is provided between the direct current line 5 a and the solar power generation device 21. Further, the DC / DC converter 112 is provided between the DC line 5 a and the storage battery 22. The direct current / direct current converter 111 and the direct current / direct current converter 112 correspond to a second direct current / direct current converter that transforms the direct current voltage supplied from the solar power generation device 21 and the storage battery 22 and outputs it to the direct current line 5a.
  • the DC / DC converter 131 is provided between the DC line 5 a and the control device 19.
  • the direct current / direct current converter 131 corresponds to a fourth direct current / direct current converter that transforms the direct current voltage supplied from the direct current line 5 a and outputs it to the control device 19.
  • the DC / DC converter 132 is provided between the DC line 5a and the external load 300.
  • the DC / DC converter 132 corresponds to a fifth DC / DC converter that transforms the DC voltage supplied from the DC line 5 a and outputs the transformed voltage to the external load 300.
  • the circuit configuration of the DC / DC converters 111, 112, 131, and 132 is the same as the circuit configuration of the DC / DC converter 162 as shown in FIG. Note that the DC / DC converters 111, 112, 131, 132, 162, and 171 may all have the same circuit configuration or may have partially different circuit configurations.
  • the hydrogen energy system 1 shifts to a self-sustaining operation.
  • the DC power of the solar power generation device 21 and the storage battery 22 is supplied to the external load 300.
  • the fuel cell 16 generates DC power using the hydrogen stored in the hydrogen tank as an energy source and supplies it to the external load 300.
  • power is also supplied to the hydrogen production device 17. In this case, the hydrogen production device 17 can produce hydrogen even during the independent operation.
  • FIG. 5 is a block diagram showing a configuration of a hydrogen energy system according to a comparative example.
  • the same components as those in the hydrogen energy system 1 according to this embodiment described above are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
  • the hydrogen production apparatus 17 is also electrically connected to the AC line 5b.
  • the hydrogen production device 17 electrolyzes water with a DC voltage. Therefore, in this hydrogen production device 17, the AC / DC converter 173 converts the AC voltage supplied from the AC line 5b into a DC voltage.
  • the control device 19 and the external load 300 are also electrically connected to the AC line 5b via the transformer 18b. Therefore, the control device 19 is provided with an AC / DC converter 192, and the external load 300 is provided with an AC / DC converter 32.
  • the circuit configurations of the AC / DC converter 192 and the AC / DC converter 32 are the same as those of the AC / DC converter 173 shown in FIG.
  • the fuel cell 16, the hydrogen production apparatus 17, and the external load 300 are integrated (connected) to the DC line 5a. Therefore, the transformers 18a and 18b, the DC / AC converter 163, and the AC / DC converters 173 and 192 are not necessary.
  • the fuel cell 16 and the hydrogen production device 17 are electrically connected to the DC line 5a. Further, the control device 19 and the external load 300 are electrically connected to the AC line 5b via the transformer 18b. Therefore, the control device 19 is provided with an AC / DC converter 192, and the external load 300 is provided with an AC / DC converter 32.
  • the AC voltage output from the power system 400 is supplied from the AC line 5b to the control device 19 and the external load 300 via the transformer 18b.
  • the transformer 18b converts the three-phase AC voltage into a single-phase AC voltage.
  • the DC voltages output from the solar power generation device 21, the storage battery 22, and the fuel cell 16 are converted into an AC voltage by the DC / AC converter 12. Thereafter, the AC voltage is supplied to the control device 19 and the external load 300 via the AC filter 14, the interconnection transformer 15, and the transformer 18b.
  • the fuel cell 16 and the hydrogen production device 17 are integrated into the DC line 5a. Therefore, as compared with the hydrogen energy system 100 according to the comparative example shown in FIG. 5, the transformer 18a, the DC / AC converter 163, and the AC / DC converter 173 are unnecessary. Therefore, it is possible to reduce the number of devices that are sources of loss. Further, since the control device 19 and the external load 300 are connected to the AC line 5b, the existing device can be used as it is. Therefore, according to the present embodiment, a reduction in loss can be realized while using an existing apparatus.
  • FIG. 8 is a block diagram showing a configuration of a hydrogen energy system according to the third embodiment.
  • symbol is attached
  • the fuel cell 16 is electrically connected to the DC line 5a.
  • the hydrogen production device 17 is electrically connected to the AC line 5b, and the control device 19 and the external load 300 are electrically connected to the AC line 5b via the transformer 18b.
  • the hydrogen production apparatus 17 is provided with an AC / DC converter 173.
  • the control device 19 is provided with an AC / DC converter 192, and the external load 300 is provided with an AC / DC converter 32.
  • the AC voltage output from the electric power system 400 is supplied from the AC line 5b to the control device 19 and the external load 300 via the transformer 18b, and the hydrogen production apparatus. 17 is also supplied.
  • the DC voltages output from the solar power generation device 21, the storage battery 22, and the fuel cell 16 are converted into AC by the DC / AC converter 12 as in the second embodiment. Converted to voltage.
  • the fuel cell 16 is connected to the DC line 5a. Therefore, as compared with the hydrogen energy system 100 according to the comparative example shown in FIG. 5, the transformer 18a and the DC / AC converter 163 are not necessary. Therefore, it is possible to reduce the number of devices that are sources of loss. Moreover, since the hydrogen production apparatus 17, the control apparatus 19, and the external load 300 are connected to the AC line 5b, existing apparatuses can be used as they are. Therefore, also in this embodiment, low loss can be realized while using an existing apparatus.
  • the typical component of a hydrogen energy system was demonstrated, and the kind and number of a component connected to the DC line 5a are not specifically limited. Therefore, the combination of the components connected to the DC line 5a may be a combination other than the embodiment described above.
  • the solar power generation device 21 may be another power source, for example, a wind power generation device.
  • the storage battery 22 may be another DC power storage device such as a capacitor, or may be an AC energy storage device such as a flywheel.
  • the hydrogen energy system includes an AC / DC converter instead of the DC / DC converter 112, and a generator is installed between the AC / DC converter and the flywheel battery. Is done.
  • the solar power generation device 21 and the storage battery 22 may be configured to include either one.
  • the semiconductor switching elements 123, 1114, and 1623 are not limited to IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), but may be, for example, MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Semiconductor Field Effect Transistors). Further, the voltage of the AC line 5b is not limited to 200V, and the load voltage applied to the external load 300 is not limited to 100V.

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Abstract

本実施形態に係る水素エネルギーシステムは、電源に電気的に接続可能な直流ラインと、電力系統に電気的に接続可能な交流ラインと、直流ラインと交流ラインとの間に設けられた直流／交流変換装置と、直流ラインまたは交流ラインに電気的に接続された水素製造装置と、直流ラインに電気的に接続された燃料電池と、を備える。

Description

水素エネルギーシステム
　本発明の実施形態は、水素エネルギーシステムに関する。
　地震等の災害時には、電力系統から需要家への電力供給が断たれる場合がある。そのため、太陽光発電や風力発電等の再生可能エネルギーによる電力供給が注目されている。さらに、水素を媒体としたエネルギーを蓄え、蓄えたエネルギーを負荷へ供給する水素エネルギーシステムが提案されている。
　上記のような水素エネルギーシステムは、例えば、水素製造装置と、水素タンクと、燃料電池とを備える。平常時には、水素製造装置が水素を製造して水素タンクに貯蔵する。災害時には、燃料電池が、水素タンクに貯蔵された水素を用いて発電し、発電した電力を負荷に供給する。
特開２０１５－１６１９６６号公報 特許第５８６６０７９号公報
　上記のような水素エネルギーシステムの電力経路には、直流電圧を変圧するための直流／直流変換装置や直流と交流を変換するための直流／交流装置などが、数多く設けられている。システムの運転時には、これらの装置から損失が発生する。そのため、この損失が大きい場合、エネルギーの利用に無駄が生じる。この場合、システムの連続運転時間が減少し、システムが災害時等の非常電源としての役割を十分に果たせなくなるおそれがある。
　本発明が解決しようとする課題は、低損失な水素エネルギーシステムを提供することである。
　本実施形態に係る水素エネルギーシステムは、電源に電気的に接続可能な直流ラインと、電力系統に電気的に接続可能な交流ラインと、前記直流ラインと前記交流ラインとの間に設けられた直流／交流変換装置と、前記直流ラインまたは前記交流ラインに電気的に接続された水素製造装置と、前記直流ラインに電気的に接続された燃料電池と、を備える。
　本実施形態によれば、水素エネルギーシステムの損失を低減することができる。
第１実施形態に係る水素エネルギーシステムの構成を示すブロック図である。 直流／交流変換装置の回路構成を示す図である。 直流／直流変換装置の回路構成の一例を示す図である。 直流／直流変換装置の回路構成の他の一例を示す図である。 比較例に係る水素エネルギーシステムの構成を示すブロック図である。 交流／直流変換装置の回路構成を示す図である。 第２実施形態に係る水素エネルギーシステムの構成を示すブロック図である。 第３実施形態に係る水素エネルギーシステムの構成を示すブロック図である。
　以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。
　（第１実施形態）
　図１は、第１実施形態に係る水素エネルギーシステムの構成を示すブロック図である。図１に示すように、本実施形態に係る水素エネルギーシステム１は、直流ライン５ａと、交流ライン５ｂと、直流／交流変換装置１２（ＤＣ／ＡＣ）と、交流フィルタ１４と、連系トランス１５と、燃料電池１６と、水素製造装置１７と、制御装置１９と、直流／直流変換装置１１１、１１２、１３１、１３２（ＤＣ／ＤＣ）と、を備える。
　直流ライン５ａは、直流／直流変換装置１１１を介して太陽光発電装置２１（ＰＶ）に電気的に接続可能であるとともに、直流／直流変換装置１１２を介して蓄電池２２（ＢＡＴＴＥＲＹ）に電気的に接続可能である。太陽光発電装置２１および蓄電池２２は、水素エネルギーシステム１を介して外部負荷３００に電力を供給する電源に相当する。また、外部負荷３００は、直流負荷３１を有する。この直流負荷３１には、例えば、電灯、充電器等を適用できる。
　交流ライン５ｂは、電力系統４００に電気的に接続可能である。交流ライン５ｂには、交流フィルタ１４および連系トランス１５が設けられている。交流ライン５ｂは、例えば、２００Ｖの三相交流ラインである。
　直流／交流変換装置１２は、直流ライン５ａと交流ライン５ｂとの間に設けられている。以下、図２を参照して直流／交流変換装置１２の回路構成を説明する。
　図２に示す直流／交流変換装置１２では、コンデンサ１２２が、直流端子１２１間に設けられている。このコンデンサ１２２によって、直流端子１２１から入出力される直流電圧が安定する。また、直流端子１２１間には、３つのアームが設けられ、各アームは、直列に接続された２つの半導体スイッチング素子１２３と、各半導体スイッチング素子１２３に逆並列に接続された２つの還流ダイオード１２４とを有する。また、各アームには、交流端子１２５が電気的に接続されている。
　直流／交流変換装置１２では、直流電圧が直流端子１２１に入力されたときに、半導体スイッチング素子１２３が制御装置１９の制御に基づいてスイッチング動作する。このスイッチング動作によって、パルス状の三相交流電圧が交流端子１２５から出力される。一方、三相交流電圧が交流端子１２５に入力されたときも、半導体スイッチング素子１２３が制御装置１９の制御に基づいてスイッチング動作する。このスイッチング動作によって、直流電圧が直流端子１２１から出力される。
　図１に戻って、交流フィルタ１４は、交流ライン５ｂに設けられたリアクトル１４１と、交流ライン５ｂとグランドの間に設けられたコンデンサ１４２と、を有する。交流フィルタ１４は、カットオフ周波数よりも高い周波数成分を除去するローパスフィルタである。このカットオフ周波数は、リアクトル１４１のインダクタンスとコンデンサ１４２の静電容量とに基づいて設定できる。
　連系トランス１５は、交流フィルタ１４と電力系統４００との間に設けられている。本実施形態では、電力系統４００の交流電力が、連系トランス１５および交流フィルタ１４を介して直流／交流変換装置１２に入力される。
　燃料電池１６は、燃料電池セル１６１（ＦＣ ＣＥＬＬ）および直流／直流変換装置１６２を有する。燃料電池セル１６１は、水素製造装置１７で製造された水素を用いて発電し、直流電圧を直流／直流変換装置１６２へ出力する。
　直流／直流変換装置１６２は、燃料電池セル１６１から供給された直流電圧を変圧する第１直流／直流変換装置に相当する。以下、図３を参照して直流／直流変換装置１６２の回路構成の一例について説明する。
　図３に示す回路図では、コンデンサ１１１２が低圧直流端子１１１１間に設けられるとともに、コンデンサ１１１６が高圧直流端子１１１７間に設けられている。また、高圧直流端子１１１７間には、直列に接続された２つの半導体スイッチング素子１１１４が設けられている。さらに、ローサイド側の半導体スイッチング素子１１１４のコレクタは、リアクトル１１１３を介して低圧直流端子１１１１の一方に接続され、エミッタは、低圧直流端子１１１１の他方に接続されている。
　直流／直流変換装置１６２が図３に示す回路図で構成される場合、燃料電池セル１６１で生成された直流電圧が、低圧直流端子１１１１に入力されたとき、半導体スイッチング素子１１１４は制御装置１９の制御に従ってスイッチング動作をする。このスイッチング動作によって、この直流電圧は昇圧されて高圧直流端子１１１７から直流ライン５ａへ出力される。なお、図３に示す回路図では、昇圧だけでなく降圧も可能である。すなわち、半導体スイッチング素子１１１４のスイッチング動作によって、高圧直流端子１１１７に入力された直流電圧を降圧して低圧直流端子１１１１から出力することもできる。
　直流／直流変換装置１６２の回路構成は、図３に示す回路図に限定されず、その他に、図４に示す回路図であってもよい。図４に示す回路図では、低圧直流端子１６１１がトランス１６１５の１次側に設けられ、高圧直流端子1１６１８が、トランス１６１５の２次側に設けられている。
　低圧直流端子１６１１の間には、コンデンサ１６１２および２つのアームが設けられている。各アームは、直列に接続された２つの半導体スイッチング素子１６１３と、各半導体スイッチング素子１６１３に逆並列に接続された２つの還流ダイオード１６１４とを有する。高圧直流端子１６１８の間には、コンデンサ１６１７および整流回路が設けられている。この整流回路は、４つの整流ダイオード１６１６を有する。
　直流／直流変換装置１６２が図４に示す回路図で構成される場合、燃料電池セル１６１で生成された直流電圧が、低圧直流端子１６１１に入力される。入力された直流電圧は、半導体スイッチング素子１６１３が制御装置１９の制御に従ってスイッチング動作することによって、高周波の交流電圧に変換されてトランス１６１５の１次巻線に印加される。このとき、トランス１６１５の巻数比に応じて、トランス１６１５の２次側には高い交流電圧が発生する。この交流電圧は、整流ダイオード１６１６により整流されて直流電圧に変換される。この直流電圧は、コンデンサ１６１７により平準化されて高圧直流端子１６１８から出力される。
　燃料電池セル１６１で生成された直流電圧の昇圧率を高くする必要がある場合には、直流／直流変換装置１６２は、図４に示す回路構成であることが望ましい。なお、図４に示す回路構成では、整流回路が不可逆であるため、高圧直流端子１６１８から低圧直流端子１６１１の方向には、直流変換できない。
　再び図１に戻って、水素製造装置１７は、直流／直流変換装置１７１および水素製造部１７２を有する。直流／直流変換装置１７１は、直流ライン５ａから供給された直流電圧を変圧する第３直流／直流変換装置に相当する。直流／直流変換装置１７１の回路構成は、図３または図４に示すような直流／直流変換装置１６２の回路構成と同様である。
　水素製造部１７２は、直流／直流変換装置１７１で変圧された直流電圧の供給を受けて水を電気分解する。これにより水素が製造される。この水素は、水素タンク（不図示）に貯蔵される。
　制御装置１９は、本体部１９１を有する。本体部１９１には、直流ライン５ａから直流／直流変換装置１３１を介して直流電圧が供給される。この電圧供給によって、本体部１９１は、水素エネルギーシステム１の構成要素、具体的には、直流／交流変換装置１２と、燃料電池１６と、水素製造装置１７と、直流／直流変換装置１１１、１１２、１３１、１３２とを制御する。制御装置１９には、例えば、パーソナルコンピュータ等を用いることができる。
　直流／直流変換装置１１１は、直流ライン５ａと太陽光発電装置２１との間に設けられている。また、直流／直流変換装置１１２は、直流ライン５ａと蓄電池２２との間に設けられている。直流／直流変換装置１１１および直流／直流変換装置１１２は、太陽光発電装置２１および蓄電池２２から供給された直流電圧を変圧して直流ライン５ａへ出力する第２直流／直流変換装置に相当する。
　直流／直流変換装置１３１は、直流ライン５ａと制御装置１９との間に設けられている。直流／直流変換装置１３１は、直流ライン５ａから供給された直流電圧を変圧して制御装置１９へ出力する第４直流／直流変換装置に相当する。
　直流／直流変換装置１３２は、直流ライン５ａと外部負荷３００との間に設けられている。直流／直流変換装置１３２は、直流ライン５ａから供給された直流電圧を変圧して外部負荷３００へ出力する第５直流／直流変換装置に相当する。
　上記直流／直流変換装置１１１、１１２、１３１、１３２の回路構成も、図３または図４に示すような直流／直流変換装置１６２の回路構成と同様である。なお、直流／直流変換装置１１１、１１２、１３１、１３２、１６２、１７１は、全て同じ回路構成であってもよいし、一部が異なる回路構成であってもよい。
　次に、本実施形態に係る水素エネルギーシステム１の動作について簡単に説明する。ここでは、平常運転と自立運転を説明する。
　平常運転では、太陽光発電装置２１の直流電力が、直流／直流変換装置１１１、直流ライン５ａ、および直流／直流変換装置１３２を経由して外部負荷３００に供給される。太陽光発電装置２１の供給電力が不足すると、電力系統４００の交流電力が、直流／交流変換装置１２で直流電圧に変換され、変換された直流電圧が、直流ライン５ａおよび直流／直流変換装置１３２を経由して外部負荷３００に供給される。
　また、平常運転では、太陽光発電装置２１または電力系統４００から出力された電力が、直流ライン５ａを介して水素製造装置１７に供給される。水素製造装置１７は、水素を製造して水素タンクに貯蔵する。
　その後、例えば、災害等の発生によって、電力系統４００からの電力供給が断たれると、水素エネルギーシステム１は自立運転に移行する。自立運転では、太陽光発電装置２１および蓄電池２２の直流電力が、外部負荷３００に供給される。さらに、燃料電池１６が、水素タンクに貯蔵された水素をエネルギー源として直流電力を発電して外部負荷３００に供給する。なお、太陽光発電装置２１の発電電力に余裕がある場合には、水素製造装置１７にも電力が供給される。この場合、自立運転時にも水素製造装置１７は水素を製造することができる。
　以上説明した本実施形態に係る水素エネルギーシステム１の動作に続いて、比較例に係る水素エネルギーシステムを説明する。
　図５は、比較例に係る水素エネルギーシステムの構成を示すブロック図である。上述した本実施形態に係る水素エネルギーシステム１と同様の構成要素には同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。
　図５に示す水素エネルギーシステム１００では、燃料電池１６がトランス１８ａを介して交流ライン５ｂに電気的に接続されている。燃料電池１６では、燃料電池セル１６１で発電された直流電圧が直流／直流変換装置１６２で昇圧される。しかし、この燃料電池１６は、交流ライン５ｂに電気的に接続されているので、この燃料電池１６には、直流／交流変換装置１６３が設けられている。この直流／交流変換装置１６３は、直流電圧を交流電圧に変換する。
　また、水素エネルギーシステム１００では、水素製造装置１７も交流ライン５ｂに電気的に接続されている。水素製造装置１７は、直流電圧で水を電気分解する。そのため、この水素製造装置１７では、交流／直流変換装置１７３が交流ライン５ｂから供給された交流電圧を直流電圧に変換する。
　図６は、交流／直流変換装置１７３の回路構成を示す図である。図６に示す回路図では、交流端子１７１１に入力された交流電圧は、整流ダイオード１７１２によって整流されて直流電圧に変換される。この直流電圧は、コンデンサ１７１３により平準化され、直流端子１７１４から出力される。
　さらに、水素エネルギーシステム１００では、制御装置１９および外部負荷３００もトランス１８ｂを介して交流ライン５ｂに電気的に接続されている。そのため、制御装置１９には交流／直流変換装置１９２が設けられ、外部負荷３００には交流／直流変換装置３２が設けられている。交流／直流変換装置１９２および交流／直流変換装置３２の回路構成も、図６に示す交流／直流変換装置１７３と同様である。
　これに対し、図１に示す水素エネルギーシステム１では、燃料電池１６、水素製造装置１７、および外部負荷３００が、直流ライン５ａに集約（接続）されている。そのため、トランス１８ａ、１８ｂ、直流／交流変換装置１６３、および交流／直流変換装置１７３、１９２は不要になる。
　したがって、本実施形態によれば、損失発生源となる装置の数を削減できるので、低損失な水素エネルギーシステムを提供することができる。さらに、本実施形態によれば、交流／直流変換装置３２も不要になるので、外部負荷３００の損失も低減することができる。
　（第２実施形態）
　図７は、第２実施形態に係る水素エネルギーシステムの構成を示すブロック図である。上述した第１実施形態に係る水素エネルギーシステム１と同様の構成については、同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。
　図７に示すように、本実施形態に係る水素エネルギーシステム２では、燃料電池１６と水素製造装置１７とが直流ライン５ａに電気的に接続されている。また、制御装置１９と外部負荷３００がトランス１８ｂを介して交流ライン５ｂに電気的に接続されている。そのため、制御装置１９には、交流／直流変換装置１９２が設けられ、外部負荷３００には、交流／直流変換装置３２が設けられている。
　上記のように構成された水素エネルギーシステム２では、電力系統４００から出力された交流電圧は、交流ライン５ｂからトランス１８ｂを介して制御装置１９および外部負荷３００にそれぞれ供給される。このとき、トランス１８ｂでは、三相交流電圧が単相交流電圧に変換される。
　また、電力系統４００から解列された場合、太陽光発電装置２１、蓄電池２２、および燃料電池１６からそれぞれ出力された直流電圧は、直流／交流変換装置１２で交流電圧に変換される。その後、この交流電圧は、交流フィルタ１４、連系トランス１５、およびトランス１８ｂを経由して制御装置１９および外部負荷３００にそれぞれ供給される。
　以上説明した本実施形態によれば、燃料電池１６と水素製造装置１７とが、直流ライン５ａに集約されている。そのため、図５に示す比較例に係る水素エネルギーシステム１００と比較すると、トランス１８ａ、直流／交流変換装置１６３、および交流／直流変換装置１７３が不要になる。そのため、損失発生源となる装置の数を削減できる。また、制御装置１９と外部負荷３００とは、交流ライン５ｂに接続されているので、既存の装置をそのまま用いることができる。したがって、本実施形態によれば、既存の装置を用いつつ低損失化を実現できる。
　（第３実施形態）
　図８は、第３実施形態に係る水素エネルギーシステムの構成を示すブロック図である。上述した第１実施形態に係る水素エネルギーシステム１と同様の構成については、同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。
　図８に示すように、本実施形態に係る水素エネルギーシステム３では、燃料電池１６が直流ライン５ａに電気的に接続されている。また、水素製造装置１７が交流ライン５ｂに電気的に接続され、制御装置１９と外部負荷３００とがトランス１８ｂを介して交流ライン５ｂに電気的に接続されている。そのため、水素製造装置１７には、交流／直流変換装置１７３が設けられている。また、第２実施形態と同様に、制御装置１９には、交流／直流変換装置１９２が設けられ、外部負荷３００には、交流／直流変換装置３２が設けられている。
　上記のように構成された水素エネルギーシステム３では、電力系統４００から出力された交流電圧は、交流ライン５ｂからトランス１８ｂを介して制御装置１９および外部負荷３００にそれぞれ供給されるとともに、水素製造装置１７にも供給される。また、電力系統４００から解列された場合、太陽光発電装置２１、蓄電池２２、および燃料電池１６からそれぞれ出力された直流電圧は、第２実施形態と同様に、直流／交流変換装置１２で交流電圧に変換される。
　以上説明した本実施形態によれば、燃料電池１６が直流ライン５ａに接続されている。そのため、図５に示す比較例に係る水素エネルギーシステム１００と比較すると、トランス１８ａおよび直流／交流変換装置１６３が不要になる。そのため、損失発生源となる装置の数を削減できる。また、水素製造装置１７、制御装置１９、および外部負荷３００は、交流ライン５ｂに接続されているので、既存の装置をそのまま用いることができる。したがって、本実施形態でも、既存の装置を用いつつ低損失化を実現できる。
　なお、上述した各実施形態では、水素エネルギーシステムの代表的な構成要素について説明しており、直流ライン５ａに接続される構成要素の種類および数は、特に限定されない。そのため、直流ライン５ａに接続される構成要素の組み合わせは、上述した実施形態以外の組み合せであってもよい。
　また、上述した各水素エネルギーシステムにおいて、太陽光発電装置２１は、別の電源、例えば風力発電装置であってもよい。また、蓄電池２２は、コンデンサなど別の直流蓄電装置であってもよいし、フライホイール等の交流蓄エネルギー装置であってもよい。フライホイールバッテリーを用いる場合、水素エネルギーシステムは、直流／直流変換装置１１２の代わりに交流／直流変換装置を備え、さらに、この交流／直流変換装置とフライホイールバッテリーとの間には発電動機が設置される。さらに、太陽光発電装置２１と蓄電池２２はいずれ一方を備える構成であってもよい。
　太陽光発電装置２１および蓄電池２２から出力された電圧の調整が不要な場合には、直流／直流変換装置１１１、１１２は備えていなくてもよい。連系トランス１５も備えていなくてもよい。この場合、水素エネルギーシステムの構成を簡素にすることができる。また、交流フィルタ１４の回路構成は、リアクトル１４１とコンデンサ１４２に限定されず、例えば、リアクトル１４１の代わりに抵抗を有する構成であってもよい。
　半導体スイッチング素子１２３、１１１４、１６２３は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）に限定されず、例えば例えばＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）であってもよい。また、交流ライン５ｂの電圧は２００Ｖに限定されず、かつ外部負荷３００に印加される負荷電圧も１００Ｖに限定されない。
　以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。本明細書で説明した新規なシステムは、その他の様々な形態で実施することができる。また、本明細書で説明したシステムの形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことができる。添付の特許請求の範囲およびこれに均等な範囲は、発明の範囲や要旨に含まれるこのような形態や変形例を含むように意図されている。

Claims (6)

  1. 　電源に電気的に接続可能な直流ラインと、
    　電力系統に電気的に接続可能な交流ラインと、
    　前記直流ラインと前記交流ラインとの間に設けられた直流／交流変換装置と、
    　前記直流ラインまたは前記交流ラインに電気的に接続された水素製造装置と、
    　前記直流ラインに電気的に接続された燃料電池と、
    を備える水素エネルギーシステム。
  2. 　前記燃料電池は、前記水素製造装置から供給された水素を用いて発電する燃料電池セルと、
    　前記燃料電池セルから供給された直流電圧を変圧して前記直流ラインへ出力する第１直流／直流変換装置と、を有する、請求項１に記載の水素エネルギーシステム。
  3. 　前記電源から供給された直流電圧を変圧して前記直流ラインへ出力する第２直流／直流変換装置をさらに備える、請求項１または２に記載の水素エネルギーシステム。
  4. 　前記水素製造装置は、前記直流ラインから供給された直流電圧を変圧する第３直流／直流変換装置と、
    　前記第３直流／直流変換装置で変圧された直流電圧の供給を受けて水素を製造する水素製造部と、を有する、請求項１から３のいずれかに記載の水素エネルギーシステム。
  5. 　前記直流ラインから供給された直流電圧を変圧する第４直流／直流変換装置と、
    　前記第４直流／直流変換装置で変圧された直流電圧の供給を受けて、前記直流／交流変換装置と前記水素製造装置と前記燃料電池とを制御する制御装置と、をさらに備える請求項１から４のいずれかに記載の水素エネルギーシステム。
  6. 　前記直流ラインから供給された直流電圧を変圧して外部負荷へ出力する第５直流／直流変換装置をさらに備える、請求項１から５のいずれかに記載の水素エネルギーシステム。
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