ソーラー発電‐SOFC系水素コンバインドシステムの最適化研究

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Team SOFC
担当者
太陽光発電および固体酸化物型燃料電池を利用した
家庭用熱電併給システムの適用可能性に関する研究
Jorge Lamas(D1)
澤木伸佑(B4)
2014 年度班紹介資料
0.1690 PL  0.3963
1．緒言
近年，太陽光発電(PV)および燃料電池が家庭へ盛んに
(2)
PE：SOFC 発電効率[-]
導入されているが，PV には余剰電力を系統電源へ逆潮流
HE：SOFC 排熱回収効率[-]
させている，SOFC には化石資源を燃料とするといった欠
PL：部分負荷[-]
点がある．そこで本研究では PV および SOFC を複合した
部分負荷とは，定格出力に対する発電量の比であり，
PV-SOFC システムを提案する．本システムでは PV の余剰
電力を水電解へ用いることで SOFC の燃料である水素を
PL 
EPS
ROS
(3)
生成する．これにより余剰電力を系統電源へ逆潮流させる
EPS：SOFC の発電量[W]
ことなく水素として貯蔵し，SOFC の燃料を自給する．そ
ROS：SOFC の定格発電出力[W]
と定義する．
のため，エネルギ自立度の向上が可能となる．本報では本
システムの適用可能性を把握するため，日本の 5 都市にお
4．解析条件
いて水素添加率 10%の水素-都市ガス混合燃料を利用した
PV-SOFC システムを家庭へ導入した際における一次エネ
本報では，PV-SOFC システムを国内 5 都市(札幌，
東京，名古屋，大阪，福岡)の家庭へ導入した際にお
ルギの削減量をシミュレーションにより評価した．
ける省エネルギ性を検証した．そこで，比較対象と
して余剰電力を電力として貯蔵する PV-Battery シス
2．PV-SOFC システム
本報にて想定した PV-SOFC システムの概略を図 1 に示
テムおよび従来型の家庭である Conventional システ
す．本システムでは，PV で得られた電力は家庭内へ供給
ムを想定した．また，各システムを評価する指標と
され，余剰分は水電解装置へ送られ水素を生成し，タンク
して一次エネルギ消費量を(4)式のように定義し，各
にて貯蔵される．そして水素は電力需要に応じ SOFC へ燃
システムの省エネルギ性を評価する指標として省エ
料として投入され，家庭内へ電力および温水が供給される．
ネルギ率を式(5)のように定義した．
EFC 
PSDU
 GOA
UEf
(4)
ERS 
CEFC  EFC
 100
CEFC
(5)
3．SOFC の性能特性
SOFC の性能特性を把握するため，水素を都市ガ
スへ熱量比 10%添加した混合燃料を用いた運転試験
を行なった．結果より，SOFC の発電効率および排熱
EFC：各システムの一次エネルギ消費量[kWh]
回収効率を以下に近似した．
PSDU：系統電源使用量[kWh]
UEf：系統電源の受電端効率[-]
PE  1.710 PL4  4.518 PL3
 4.537 PL2  2.266 PL  0.0841
HE  0.1461 PL3  0.3220 PL2
(1)
GOA：都市ガス使用量[kWh]
ERS：省エネルギ率[%]
CEFC：Conventional システムの一次エネルギ消費量[kWh]
5．結果および考察
5・1 各都市における一次エネルギ消費量
本報で想定した各都市の各エネルギ供給システムにお
ける年間の一次エネルギ消費量を図 3 に示す．なお，図中
の数字は各システムにおける省エネルギ率[%]を示す．図
Fig.1 PV-SOFC system
3 より全ての地域において PV-SOFC システムおよび
2/2
PV-Battery システムを導入することで従来と比較し家庭の
システムでは余剰電力により生成した水素を消尽するこ
一次エネルギ消費量を削減できたことがわかる．
となく家庭へエネルギを供給できる．そのため，余剰電力
5・2
が小さい地域においても，省エネルギ率が低下することは
地域特性が省エネルギ性へ与える影響
各都市の各期における需要熱電比別の省エネルギ率を
ない．また，水素を消尽しないため，一日における系統電
図 4 に示す．ここで，需要熱電比とは家庭における 1 日の
源消費量を抑制することが可能となる．以上のことより，
電力需要に対する給湯需要の比である．なお，SOFC の熱
PV-SOFC システムは余剰電力が小さいエネルギ形態の地
電比は定格出力で運転した際に 0.89 となる．
図 4 より中間
域において有効である．
期・冬期ともに，需要熱電比が SOFC の熱電比である 0.89
に近い都市ほど高い省エネルギ率を示していることがわ
6. 結言
かる．また，夏期についても名古屋を除き，需要熱電比が
(1) 全ての地域において，
PV-SOFC システムを導入するこ
0.89 に近い都市ほど省エネルギ率が高くなっていること
とで家庭における一次エネルギ消費量を削減できる．
がわかる．夏期において，名古屋は夕方以降の電力需要が
(2) 季節を問わず，需要熱電比が 0.89 に近い地域ほど，
他の都市と比較して小さい．したがって，系統電源からの
PV-SOFC システムは高い省エネルギ性を示す．
購入電力量を抑制することができるため，熱電比に関わら
(3) PV-SOFC システムは水素を消尽しないため，
冬期の朝
ず高い省エネルギ率を示したと考えられる．以上より，一
般に需要熱電比が 0.89 に近いほど，PV-SOFC システムの
方における系統電源使用量を抑制できる．
(4) 余剰電力の大きい需要形態において PV-SOFC システ
省エネルギ率は高くなると考えられる．
ムの省エネルギ性は PV-Battery システムと比較し低下
5・3
する．
各システムにおける省エネルギ率の比較
図 3 より PV-SOFC システムは PV-Battery システムと比
較し名古屋および福岡において大きく省エネルギ率が下
回っている．名古屋は冬期において，福岡は夏期において
他都市と比較し PV 発電量が大きく夕方以降の電力需要が
小さい．したがって PV-Battery システムにおいては，長時
間にわたり家庭における電力需要を蓄電池より賄うこと
ができる．また，冬期および夏期は中間期と比較し，電力
(a) Summer
需要が大きいため年間における省エネルギ率に与える影
響が大きい．よって，これらの季節において省エネルギ性
が大きく下回った名古屋および福岡における PV-SOFC シ
ステムは年間における省エネルギ率に関しても PV-Battery
システムを大きく下回ったと考えられる．一方，PV-SOFC
(b) Shoulder
Fig.3 Primary energy consumption
Fig.7
(c) Winter
Saving energy rate

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