JP2015166478A - 水電解システム - Google Patents

Abstract

【課題】水電解スタックと燃料電池の廃熱を有効に活用する。
【解決手段】燃料電池と、燃料電池を冷却する冷媒が循環する冷媒循環通路と、水を電気分解して水素を生成する水電解スタックと、水電解スタックでの電気分解に使用される水が循環する水循環通路と、冷媒循環通路を循環する冷媒と前記水循環通路を循環する水との間で熱交換を行う熱交換器と、を備える水電解システムを構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は水電解システムに関する。

特許文献１には、燃料電池車両の車外に、水を電気分解して生成した水素を水素タンクに貯蔵する水電解システムを構成し、必要に応じて水素タンクに貯蔵した水素を車載水素タンクに補充するものが開示されている。

特開２０１０−４３３０１号公報

しかしながら、前述した特許文献１のものは、水電解システムの廃熱及び燃料電池の廃熱のそれぞれを有効に活用できないという問題点があった。

本発明はこのような問題点に着目してなされたものであり、水電解システムの廃熱及び燃料電池の廃熱のそれぞれを有効活用することを目的とする。

本発明によれば、燃料電池と、燃料電池を冷却する冷媒が循環する冷媒循環通路と、水を電気分解して水素を生成する水電解スタックと、水電解スタックでの電気分解に使用される水が循環する水循環通路と、冷媒循環通路を循環する冷媒と水循環通路を循環する水との間で熱交換を行う熱交換器と、を備える水電解システムが提供される。

本発明によれば、冷媒循環通路を循環する冷媒と水循環通路を循環する水との間で熱交換を行うことで、燃料電池の起動時には水の廃熱を利用して燃料電池の暖機を促進させることができ、水電解スタックの起動時には冷媒の廃熱を利用して水電解スタックの暖機を促進させることができるので、水電解スタックの廃熱及び燃料電池の廃熱のそれぞれを有効に活用することができる。

本発明の第１実施形態による発電システムの概略構成図である。 水素タンクへの水素補充方法について説明する図である。 本発明の第２実施形態による発電システムの概略構成図である。

以下、図面等を参照して本発明の各実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態による発電システム１００の概略構成図である。

発電システム１００は、燃料電池システム１と、水電解システム２と、コントローラ３と、を備え、車両に搭載される。

燃料電池システム１は、燃料電池スタック１１と、アノードガス給排装置１２と、カソードガス給排装置１３と、スタック冷却装置１４と、を備える。

燃料電池スタック１１は、複数枚の燃料電池を積層したものであり、水素を含有するアノードガス及び酸素を含有するカソードガスの供給を受けて発電し、発電した電力を、車両を駆動するために必要なモータ（図示せず）などの各種の電装部品に供給する。

アノードガス給排装置１２は、水素タンク１２１と、アノードガス供給通路１２２と、アノード調圧弁１２３と、アノードガス排出通路１２４と、パージ弁１２５と、を備える。

水素タンク１２１は、燃料電池スタック１１に供給するアノードガスを高圧状態に保って貯蔵する。

アノードガス供給通路１２２は、水素タンク１２１から排出されたアノードガスを燃料電池スタック１１に供給するための通路であって、一端部が水素タンク１２１に接続され、他端部が燃料電池スタック１１に接続される。

アノード調圧弁１２３は、アノードガス供給通路１２２に設けられる。アノード調圧弁１２３は、水素タンク１２１から排出されたアノードガスを所望の圧力に調節して燃料電池スタック１１に供給する。アノード調圧弁１２３は、連続的又は段階的に開度を調節することができる電磁弁であり、その開度はコントローラ３によって制御される。

アノードガス排出通路１２４は、一端部が燃料電池スタック１１に接続され、他端部が開口端となっている。アノードガス排出通路１２４には、電極反応に使用されなかった余剰のアノードガスと、カソード側からアノードガス流路１２１へとクロスリークしてきた窒素や水蒸気などの不活性ガスと、の混合ガス（以下「アノードオフガス」という。）が排出される。アノードガス排出通路１２４の他端部を、カソードガス排出通路１３２に接続しても良い。

パージ弁１２５は、アノードガス排出通路１２４に設けられる。パージ弁１２５は、連続的又は段階的に開度を調節することができる電磁弁であり、その開度はコントローラ３によって制御される。パージ弁１２５の開度を調節することで、外気に排出されるアノードオフガスの流量が調節される。

カソードガス給排装置１３は、カソードガス供給通路１３１と、カソードガス排出通路１３２と、フィルタ１３３と、カソードコンプレッサ１３４と、水分回収装置（Water Recovery Device；以下「ＷＲＤ」という。）１３５と、カソード調圧弁１３６と、を備える。

カソードガス供給通路１３１は、燃料電池スタック１１に供給するカソードガスが流れる通路である。カソードガス供給通路１３１は、一端がフィルタ１３３に接続され、他端が燃料電池スタック１１に接続される。

カソードガス排出通路１３２は、燃料電池スタック１１から排出されるカソードオフガスが流れる通路である。カソードガス排出通路１３２は、一端が燃料電池スタック１１に接続され、他端が開口端となっている。カソードオフガスは、カソードガスと、電極反応によって生じた水蒸気と、の混合ガスである。

フィルタ１３３は、カソードガス供給通路１３１に取り込むカソードガス中の異物を取り除く。

カソードコンプレッサ１３４は、カソードガス供給通路１３１に設けられる。カソードコンプレッサ１３４は、フィルタ１３３を介してカソードガスとしての空気（外気）をカソードガス供給通路１３１に取り込み、燃料電池スタック１１に供給する。

ＷＲＤ１３５は、カソードガス供給通路１３１及びカソードガス排出通路１３２のそれぞれに接続されて、カソードガス排出通路１３２を流れるカソードオフガス中の水分を回収し、その回収した水分でカソードガス供給通路１３１を流れるカソードガスを加湿する。

カソード調圧弁１３６は、ＷＲＤ１３５よりも下流のカソードガス排出通路１３２に設けられる。カソード調圧弁１３６は、連続的又は段階的に開度を調節することができる電磁弁であり、その開度はコントローラ３によって制御される。カソード調圧弁１３６の開度を調節することで、燃料電池スタック１１に供給されるカソードガスの圧力（カソード圧）を所望の圧力に調節する。

スタック冷却装置１４は、燃料電池スタック１１を冷却し、燃料電池スタック１１を発電に適した温度に保つ装置である。スタック冷却装置１４は、冷却水循環通路１４１と、ラジエータ１４２と、ラジエータファン１４３と、バイパス通路１４４と、三方弁１４５と、冷却水ヒータ１４６と、冷却水循環ポンプ１４７と、水温センサ１４８と、を備える。

冷却水循環通路１４１は、燃料電池スタック１１を冷却するための冷却水が循環する通路である。

ラジエータ１４２は、冷却水循環通路１４１に設けられる。ラジエータ１４２は、燃料電池スタック１１から排出された冷却水を冷却する。

ラジエータファン１４３は、ラジエータ１４２よりも車両後方に設けられ、空気を吸引してラジエータ１４２へと導く。

バイパス通路１４４は、ラジエータ１４２をバイパスさせて冷却水を循環させることができるように、一端が冷却水循環通路１４１に接続され、他端が三方弁１４５に接続される。

三方弁１４５は、ラジエータ１４２よりも下流側の冷却水循環通路１４１に設けられる。三方弁１４５は、冷却水の温度に応じて冷却水の循環経路を切り替える。具体的には、冷却水の温度が相対的に高いときは、燃料電池スタック１１から排出された冷却水が、ラジエータ１４２を介して再び燃料電池スタック１１に供給されるように冷却水の循環経路を切り替える。逆に、冷却水の温度が相対的に低いときは、燃料電池スタック１１から排出された冷却水から排出された冷却水が、ラジエータ１４２を介さずにバイパス通路１４４を流れて再び燃料電池スタック１１に供給されるように冷却水の循環経路を切り替える。

冷却水ヒータ１４６は、バイパス通路１４４に設けられる。冷却水ヒータ１４６は、燃料電池スタックの暖機時などに通電されて、冷却水の温度を上昇させる。冷却水ヒータ１４６の出力は、コントローラ３によって制御される。

冷却水循環ポンプ１４７は、三方弁１４５よりも下流側の冷却水循環通路１４１に設けられて、冷却水を循環させる。

水温センサ１４８は、燃料電池スタック１１の冷却水出口近傍の冷却水循環通路１４１に設けられる。水温センサ１４８は、燃料電池スタック１１から排出された相対的に高温な冷却水の温度を検出する。

水電解システム２は、純水が循環する純水循環通路２１と、水供給通路２２と、純水製造装置２３と、純水供給通路２４と、リザーバタンク２５と、水電解スタック２６と、純水循環ポンプ２７と、熱交換器２８と、水素供給通路２９と、除湿機３０と、圧縮機３１と、を備える。水電解システム２は、水電解スタック２６によって純水を電気分解して水素を生成し、生成した水素を水素タンク１２１に供給する。水電解システム２は、燃料電池システム１を停止して水素タンク１２１に水素を補充するときに駆動される。

以下、水電解システム２の各構成部品の詳細について説明する。

水供給通路２２は、水道水や工業用水などの水を純水製造装置２３に供給するための通路である。水供給通路２２は、一端が給水口と接続可能に構成され、他端が純水製造装置２３に接続される。

純水製造装置２３は、水から純水を製造する。

純水供給通路２４は、純水製造装置２３で製造された純水をリザーバタンク２５に供給するための通路である。純水供給通路２４は一端が純水製造装置２３に接続され、他端がリザーバタンク２５に接続される。

リザーバタンク２５は、水電解スタック２６に供給する純水を貯蔵するタンクであって、純水循環通路２１に設けられる。

水電解スタック２６は、複数の水電解セルを積層したものである。水電解スタック２６は、純水循環通路２１に設けられると共に、充電器などの外部電源と電気的に接続可能に構成される。水電解スタック２６は、リザーバタンク２５から供給された純水を外部電源からの電力によって電気分解して水素を生成する。

純水循環ポンプ２７は、純水循環通路２１に設けられ、純水を循環させる。純水循環ポンプ２７は、外部電源の電力によって駆動される。

熱交換器２８は、冷却水循環通路１４１及び純水循環通路２１にそれぞれ接続されており、冷却水循環通路１４１を流れる冷却水と純水循環通路２１を流れる純水との間で熱交換を行う。

水素供給通路２９は、水電解スタック２６で生成した水素を水素タンク１２１に供給するための通路であって、一端が水電解スタック２６に接続され、他端が水素タンク１２１に接続される。水素供給通路２９には、通路内の液水を自動的に通路外に排出する２つのオートドレン２９１が設けられる。

除湿機３０は、水素供給通路２９に設けられ、水電解スタック２６で生成した水素中の水分を除去する。

圧縮機３１は、除湿機３０よりも下流の水素供給通路２９に設けられ、除湿機３０で除湿された水素の圧力を所望の圧力まで昇圧して水素タンク１２１に供給する。圧縮機は、外部電源の電力によって駆動される。

コントローラ３は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ５には、前述した水温センサ１４８の他にも、燃料電池システム１の運転状態を検出するための各種センサ類からの信号が入力される。

図２は、水素タンク１２１への水素補充方法について説明する図である。

図２に示すように、水素タンク１２１に水素を補充するときは、燃料電池システム１を停止させた上で、外部電源の電力を水電解スタック２６などに供給する。また、外部の給水口を水供給通路２２に接続して電気分解に必要な純水をリザーバタンク２５に供給する。

水素タンク１２１への水素補充が終わった後は、電力及び水の供給を停止して水電解システム２を停止させる。その後、必要があれば燃料電池システム１を起動する。

このように、水素タンク１２１に水素を補充するときは、燃料電池システム１を停止した上で水電解システム２を駆動し、水電解スタック２６で生成した水素を水素タンク１２１へと圧送する。そして、水素タンク１２１への水素補充が終わった後は、水電解システム２を停止した上で燃料電池システム１を駆動する。

ここで、水電解スタック２６には効率良く水素を生成することができる温度帯（概ね６０℃前後）がある。したがって、水電解スタック２６による水素生成効率を高めて水素補充の時間の短くするには、早期に水電解スタック２６の暖機を完了させることが望ましい。

また、燃料電池スタック１１も水電解スタック２６と同様に効率よく発電することができる温度帯（概ね６０℃〜９０℃）がある。したがって、燃料電池システム１の起動後は、早期に燃料電池スタック１１の暖機を完了させることが望ましい。

そこで本実施形態では、燃料電池システム１を停止させて水電解システム２を駆動している間、外部電源の電力によって冷却水循環ポンプ１４７を駆動して冷却水を循環させ、冷却水循環通路１４１を循環する冷却水と純水循環通路２１を循環する純水との間で熱交換を行うこととした。

燃料電池システム１の駆動時には、冷却水循環通路１４１内の冷却水は、燃料電池スタック１１の負荷に応じた最適な温度（概ね６０℃〜９０℃）となっている。一方で、燃料電池システム１の駆動時には水電解システム２は停止されているので、純水循環通路２１内の純水は、概ね外気温と同等の温度となっている。つまり、燃料電池システム１の駆動時は、冷却水循環通路１４１内の冷却水の温度が、純水循環通路２１内の純水の温度よりも高くなっている。

したがって、燃料電池システム１を停止させて水電解システム２を起動するときに、冷却水循環通路１４１の冷却水と純水循環通路２１の純水との間で熱交換を行うことで、純水循環通路２１の純水の温度を素早く上昇させることができる。その結果、水電解スタック２６の暖機を早期に完了させることができる。

また、水電解システム２を駆動して水素タンク１２１に水素を補充しているときは、燃料電池システム１は停止されているので、冷却水循環通路１４１の冷却水の温度は徐々に外気温に向けて低下していく。一方で、純水循環通路２１の純水は、水電解スタック２６の廃熱を受けて徐々に上昇していく。

したがって、冷却水循環通路１４１の冷却水と純水循環通路２１の純水との間で熱交換を行うことで、水素補充中において、冷却水循環通路１４１の冷却水及び純水循環通路２１の純水の温度をある一定の温度に維持することができる。つまり、水電解システム２の駆動時において、冷却水循環通路１４１の冷却水の温度低下をある一定の温度までに抑えることができる。その結果、水素補充が終了して燃料電池システム１を起動するときに、燃料電池スタック１１の暖機を早期に完了させることができる。

また、水電解システム２の駆動時は、外部電源の電力によって冷却水循環ポンプ１４７を駆動することとしたので、燃料電池スタック１１で発電を行う必要がない。そのため、水電解システム２の駆動時に水素タンク１２１のアノードガスが消費されず、水素補充の時間を短縮することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本発明の第２実施形態は、カソード調圧弁１３６の外周部近傍を経由するように純水循環通路２１を形成した点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。なお、以下に示す各実施形態では前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。

図３は、本発明の第２実施形態による発電システム１００の概略構成図である。

燃料電池スタック１１から排出されてカソード調圧弁１３６を通過するカソードオフガスには水蒸気が含まれている。そのため、外気温が０℃を下回るような低温環境下のときに燃料電池システム１を停止して水素を補充すると、その間にカソード調圧弁１３６に付着していた液水が凍り、カソード調圧弁１３６が固着するおそれがある。

そこで本実施形態では、図３に示すように、カソード調圧弁１３６の外周部近傍を経由するように純水循環通路２１を形成した。

これにより、水素の補充時においても、純水循環通路２１を流れる純水によってカソード調圧弁１３６を暖めることができる。よって、第１実施形態と同様の効果が得られるほか、カソード調圧弁１３６が凍ることによる固着を防止できる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本発明の第３実施形態は、燃料電池システム１を停止させて水電解システム２を駆動するとき、冷却水循環通路１４１の冷却水の温度が所定温度以下になってから水電解システム２を駆動する点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。

本実施形態による発電システム１００の構成自体は第１実施形態と同様なので、再び図１を参照して説明する。

燃料電池スタック１１を高負荷で運転させた後に燃料電池システム１を停止させたときは、冷却水循環通路１４１の冷却水の温度が、水電解スタック２で効率良く水素を生成することができる温度帯よりも高くなっている場合がある。

このような場合に、燃料電池システム１の停止後、すぐに水電解システム２を駆動すると、冷却水循環通路１４１を流れる冷却水及び水電解スタック２６からの熱を受けた純水の温度が、水電解スタック２６で効率良く水素を生成することができる温度に対して過度に上昇してしまうおそれがある。

そこで本実施形態では、水電解システム２の起動前に水温センサ１４８によって冷却水の温度を検出し、検出した冷却水の温度が所定温度よりも高いときは、ラジエータファン１４３を駆動して冷却水の温度を下げることとした。そして、冷却水の温度が所定温度以下になってから、水電解システム２を起動することとした。所定温度は、水電解システム２を駆動して冷却水と純水との間で熱交換を実施しても、水電解スタック２６を効率良く運転させることができる温度に純水の温度を維持できる温度であり、実験等によって適宜設定すれば良いものである。

これにより、純水の温度が、水電解スタック２６で効率良く水素を生成することができる温度帯に対して過度に上昇してしまうのを抑制することができる。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

例えば、純水循環通路２１を流れる冷却水の向きを上記の各実施形態とは逆向きにしても良い。

また、上記の実施形態で説明した水電解システム２は、コンパクトなので水素を燃料として使用する車両に搭載することも可能であるし、水素を燃料として使用する定置式のシステムに採用することも可能である。

１１ 燃料電池
２１ 純水循環通路（水循環通路）
２６ 水電解スタック
２８ 熱交換器
１２２ アノードガス供給通路（配管）
１２６ パージ通路（配管）
１３１ カソードガス排出通路（配管）
１４１ 冷却水循環通路（冷媒循環通路）
１４２ ラジエータ
１４３ ラジエータファン
１４７ 冷却水循環ポンプ（循環ポンプ）

Claims (7)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池を冷却する冷媒が循環する冷媒循環通路と、
   水を電気分解して水素を生成する水電解スタックと、
   前記水電解スタックでの電気分解に使用される水が循環する水循環通路と、
   前記冷媒循環通路を循環する冷媒と前記水循環通路を循環する水との間で熱交換を行う熱交換器と、
   を備える水電解システム。
2. 前記熱交換器は、
   前記燃料電池での発電を停止して前記水電解スタックで水素を生成するときに、前記冷媒循環通路を循環する冷媒と前記水循環通路を循環する水との間で熱交換を行う、
   ことを特徴とする請求項１に記載の水電解システム。
3. 前記水循環通路は、
   前記燃料電池に供給されると共にその燃料電池から排出される水素又は酸素が流れる配管に設けられた少なくとも１つのバルブの外周部を経由するように配索される、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の水電解システム。
4. 前記冷媒循環通路に設けられ、前記冷媒を循環させる循環ポンプと、
   前記水電解スタックでの電気分解に用いる電源の電力で前記循環ポンプを駆動する循環ポンプ駆動手段と、
   を備えることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１つに記載の水電解システム。
5. 前記燃料電池での発電を停止して前記冷媒循環通路を循環する冷媒の温度が所定温度以下になってから、前記水電解スタックでの水素生成を開始する水素生成開始手段を備える、
   ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１つに記載の水電解システム。
6. 前記冷媒循環通路に設けられ、前記冷媒を冷却するラジエータと、
   前記ラジエータを冷却するラジエータファンと、
   前記冷媒循環通路を循環する冷媒の温度が所定温度以下になるまでは、前記ラジエータファンを駆動するラジエータファン駆動手段と、
   を備えることを特徴とする請求項５に記載の水電解システム。
7. 水素を燃料として走行する車両に搭載される、
   ことを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１つに記載の水電解システム。
   

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