JP2017135056A - 再生型燃料電池装置及び該再生型燃料電池装置の運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】水素、酸素及び水を装置外に排出することがなく、かつ簡単な構造でエネルギーを消費せずに水素及び酸素を貯蔵できる再生型燃料電池の提供。
【解決手段】燃料電池１が、水素貯蔵部５の水素と酸素貯蔵部６の酸素を用いて発電し、生じた水を水電解装置３で電解して水素ガス及び酸素ガスを発生させる。気液分離装置４ａ、４ｂが耐圧容器を有し、該耐圧容器に電解により発生した水素ガス又は酸素ガスを導入し、該耐圧容器から流出する水素ガス又は酸素ガスの流量を制御して上記耐圧容器内圧力を所定圧力以上に維持することで上記水素ガス又は酸素ガスの除湿を行い、水素貯蔵部５が除湿された水素ガスを貯蔵し、酸素貯蔵部６が除湿された酸素ガスを貯蔵する再生型燃料電池装置１００。
【選択図】図１

Description

本発明は、再生型燃料電池装置に係り、更に詳細には、太陽エネルギー等の外部電力を利用して水を電解して水素と酸素を蓄え、電力が必要なときに蓄えた水素等を燃料電池に供給して発電して電力を得る再生型燃料電池装置に関する。

燃料電池は、発電効率が高く、電力消費地に設置できるので送電損失がなく、限られたエネルギー資源の有効利用が図られると共に、大気汚染物質の排出が極めて少ないクリーンな発電装置である。

上記燃料電池と水電解装置を組み合わせた再生型燃料電池は、余剰の電力が得られるときには水を電気分解して水素と酸素を発生させて貯蔵し、電力が必要なときに貯蔵した水素と酸素とを電気化学的に反応させて電気と水を生成することができる。

上記水電解により得られた水素及び酸素は飽和蒸気圧の水分を含んでおり、そのまま貯蔵すると燃料電池に供給する際、水が電極表面を覆って電池の発電効率が低下したり、ガスの搬送性が低下したりすることがある。
したがって、上記水電解により得られた水素や酸素を利用するためには上記水分をある程度除去することが必要である。

特許文献１の特開２０１４−１８５３８７号公報には、加熱再生できる吸着剤により、水電解により発生させた水素ガスを除湿することが開示されている。
また、特許文献２の特開２０１３−２３１２１３号公報には、水電解により発生させた水素ガス及び酸素ガスを、さらに水電解することで水素ガス及び酸素ガス中の水分を低減させることが開示されている。
さらに、特許文献３の特開２０１３−２２７６３４号公報には、水電解で生成された酸素を膨張減圧させて低温化し、該低温化された酸素と水電解で生成された水素とを熱交換することが開示されている。

特開２０１４−１８５３８７号公報 特開２０１３−２３１２１３号公報 特開２０１３−２２７６３４号公報

上記再生型燃料電池を地上のみならず宇宙空間において使用する場合は、燃料電池から排出される水をすべて水素と酸素に戻して再利用することが望ましく、また、水素及び酸素を貯蔵するためのエネルギー等、再生型燃料電池の運転に伴う消費エネルギーを低減させることが好ましい。

しかしながら、上記特許文献１〜３に記載の除湿方法を再生型燃料電池に適用する場合は、除去した水分の一部が再生型燃料電池外部に排出されることがあり、また、気液分離装置が複雑化・大型化し水素ガス及び酸素ガスの貯蔵のために多くのエネルギーが消費される。

本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、水素、酸素及び水を装置外に排出することがなく、かつ水素及び酸素の貯蔵に消費するエネルギーを、簡単な構造で少なくすることができる再生型燃料電池を提供することにある。

本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、燃料電池から排出された水を水電解装置により電解し、生成した水素及び酸素を順次気液分離装置に導入し、気液分離装置内圧力を所定圧力以上に維持して除湿することにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明の再生型燃料電池は、燃料電池と、水貯蔵部と、水電解装置と、気液分離装置と、水素貯蔵部と、酸素貯蔵部と、を備える。
そして、上記燃料電池が、上記水素貯蔵部の水素と上記酸素貯蔵部の酸素を用いて発電するものであり、
上記水貯蔵部が、上記燃料電池が排出した水を貯蔵するものであり、
上記水電解装置が、上記水貯蔵部の水を電解して水素ガス及び酸素ガスを発生させる水電解装置であり、
上記気液分離装置が、耐圧容器を有し、該耐圧容器に上記電解により発生した水素ガス又は酸素ガスを導入し、該耐圧容器から流出する水素ガス又は酸素ガスの流量を制御して上記耐圧容器内圧力を所定圧力以上に維持することで上記水素ガス又は酸素ガスの除湿を行うものであり、
上記水素貯蔵部が上記除湿された水素ガスを貯蔵し、上記酸素貯蔵部が上記除湿された酸素ガスを貯蔵するものであることを特徴とする。

また、本発明の再生型燃料電池装置の運転方法は、燃料電池と、水貯蔵部と、水電解装置と、気液分離装置と、水素貯蔵部と、酸素貯蔵部と、を備える再生型燃料電池装置の運転方法である。
そして、上記燃料電池により上記水素貯蔵部の水素と上記酸素貯蔵部の酸素を用いて発電する発電工程と、
上記発電工程から生じる水を水貯蔵部で貯蔵する水貯蔵工程と、
上記水貯蔵部の水を上記水電解装置で電解して水素ガス及び酸素ガスを発生させる水電解工程と、
上記水電解工程で発生した水素ガス又は酸素ガスを上記気液分離装置の耐圧容器に導入し、該耐圧容器から流出する水素ガス又は酸素ガスの流量を制御して上記耐圧容器内圧力を所定圧力以上に維持することで上記水素ガス又は酸素ガスの除湿を行う気液分離工程と、
上記除湿された水素ガスを上記水素貯蔵部に貯蔵し、上記除湿された酸素ガスを上記酸素貯蔵部に貯蔵するガス貯蔵工程と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、水電解装置で発生して気液分離装置に流入させた水素及び酸素を、気液分離装置から流出する際の流量を調節することにより高圧化させることとしたため、加圧ポンプ等を用いることなく水素貯蔵部及び酸素貯蔵部への充填、並びに除湿が可能で、簡単な構造で省エネルギー化・高効率化が可能な再生型燃料電池を提供することができる。

本発明の再生型燃料電池装置の一例を示す概略図である。 気液分離装置の一例を示す概略図である。 気液分離装置から取り出すガスの流量を制御したときの圧力変化を示すグラフである。

本発明の再生型燃料電池装置について詳細に説明する。
上記再生型燃料電池装置１００は、図１に示すように、燃料電池１、水貯蔵部２、水電解装置３、気液分離装置４ａ、４ｂ、水素貯蔵部５、及び酸素貯蔵部６を備え、水素ガス、酸素ガス、及び水を、外部に一切排出せずに再利用する閉鎖系の再生型燃料電池装置である。

本発明の再生型燃料電池装置１００は水電解装置３として高圧水電解装置を用いる。
上記高圧水電解装置は、高圧容器内に収められた電解セルにより、純水を電気分解して水素及び酸素を発生させるものであるあり、上記電解セルは固体高分子電解質膜（ＰＥＭ）の両側に電極を有するものである。

上記高圧水電解装置は、純水をそのまま電気分解するものであり、アルカリ等の添加物を使用する必要がないため、配管等の腐食が防止され、長期に亘り安定した運転が可能である。

また、水を電気分解すると、１８ｍＬの水から標準状態で２２．４Ｌの水素ガスと１１．２Ｌの酸素ガスが得られ、体積が大きく膨張するため、密閉空間で水を電気分解することにより、コンプレッサーを用いることなく高圧の水素ガス及び酸素ガスを発生させることができる。

そして、発生した高圧の水蒸気含有ガスを次々に気液分離装置の耐圧容器内に導入し、該耐圧容器から流出するガスの流量を調節することで、上記耐圧容器内の圧力を所定圧力以上に維持すると、水蒸気含有ガス中の水蒸気が凝縮して水滴として分離され、水蒸気含有ガスがより低い露点のガスとなるため、高効率で水分を除去することができる。

したがって、水素ガス及び酸素ガスの除湿及び貯蔵部への充填のためにエネルギーを消費することがなく、高効率の再生型燃料電池装置とすることができる。

上記気液分離装置について説明する。
上記気液分離装置は、図２に示すように、耐圧容器４１と、水素ガス又は酸素ガスを取り出す取出導管４２と、排水導管４３と、上記耐圧容器４１内の水位を検出する水位センサ４４を備える。上記取出導管４２は背圧弁４２１を有し、また上記排水導管４３は電磁弁４３１を有する。

但し、上記高圧水電解装置では、水素発生側か酸素発生側、またはその両方に給水して循環させるため、給水側の気液分離装置では電磁弁４３１を設けなくてもよい。

上記取出導管４２の背圧弁４２１は所定の圧力で開弁するように設定され、上記排水導管４３の電磁弁４３１は耐圧容器４１内の水位が所定の水位よりも高いときに開弁するように設定される。

上記高圧水電解装置から気液分離装置の耐圧容器内に、水素又は酸素と水蒸気を含む湿潤ガスが次々に導入されると、上記取出導管４２の背圧弁４２１の設定圧力まで耐圧容器４１内の圧力が上昇する。

上記耐圧容器４１内で湿潤ガス（混合気体）の圧力が上昇すると、湿潤ガスに含まれる水素ガス又は酸素ガスの分圧と水蒸気の分圧はそれぞれ上昇する。
しかし、水蒸気の分圧がその温度での飽和水蒸気圧に達すると、飽和水蒸気圧を超えた分の水蒸気は凝縮して水となる一方で、水素ガス又は酸素ガスは凝縮しないため、湿潤ガス中の水蒸気のモル分率が低下して除湿される。

このように、高圧水電解装置から耐圧容器４１内に、水素又は酸素の湿潤ガスが導入され、耐圧容器４１内の圧力が取出導管４２の背圧弁４２１の設定圧力を超えて高くなると低露点の水素ガス又は酸素ガスが耐圧容器４１から排出される。

また、高圧水電解装置から耐圧容器４１内に、水素または酸素の湿潤ガスと同時に水（液体）が流入し、上記凝縮した水とともに耐圧容器４１内の水位を上昇させる。そして、耐圧容器４１内の水位が所定の水位よりも高くなったときは、該排水導管４３の電磁弁４３１を開弁して排水導管４３から水が排出する。

但し、上記高圧水電解装置の給水を行う側の気液分離装置では、排水導管４３から連続的に水が排出されるため、電磁弁４３１は設けなくてもよい。

上記気液分離装置の運用圧力（Ｐ）の下限をＰｍｉｎ、上限をＰｍａｘ、上記取出導管の背圧弁４２１を開弁する所定圧力、すなわち、必要な露点条件に対応する圧力閾値をＰｔｈｒとするとき、上記背圧弁４２１によりガスの流量を制御しない場合、すなわち常時開の場合の運用圧力（ＰＮＣ）は、Ｐｍｉｎ〜Ｐｍａｘ間で変化する。

これに対して、上記背圧弁４２１によりガスの流量を制御する場合の運用圧力（ＰＣ）は、Ｐｔｈｒ〜Ｐｍａｘ間で変化する。つまり、Ｐｍｉｎ〜Ｐｔｈｒでは上記背圧弁が閉（開度０）じており、Ｐｔｈｒ以上となった時点から徐々に背圧弁４２１が開く。

上記気液分離装置の運用圧力パターンを図３に示す。図３中、実線は取出導管の背圧弁によりガスの流量を制御した場合の運用圧力（ＰＣ）である。また、点線は、ガスの流量を制御しない場合の運用圧力（ＰＮＣ）であり、水素ガス又は酸素ガスの充填に伴う通常の圧力上昇を示すものである。

上記ガスの流量を制御しない場合の水蒸気の圧力分率Ｐｖ，ｓの時間平均値は次式で表わされる。

また、上記ガスの流量を制御した場合の水蒸気の圧力分率の時間平均値は、所定圧力（Ｐｔｈｒ）になるまでの時間遅れを無視すると次式で表わされる。

したがって、上記ガスの流量を制御することによる水蒸気の圧力分率（水蒸気モル分率）の低減量は、所定圧力（Ｐｔｈｒ）以上の圧力上昇率（ｄＰ／ｄｔ）を一定とした場合次式で表される。

また、流量制御した場合の水蒸気圧力分率の平均値を大気圧下に換算した換算水蒸気圧（Ｐｖ,ａ）は不飽和状態となり、次式で表される。

このときの大気圧下露点をＴ_ａ（Ｋ）で表わすと、ＪＩＳ Ｚ-８８０６に記載されたＳｏｎｎｔａｇの式に従って以下の関係が成り立つ。

本発明の再生型燃料電池装置は流体について閉じたシステムであって、外部との流体のやり取りがないため、水素ガス又は酸素ガスの露点条件は再生型燃料電池装置の運用上の要求から決定することができ、上記所定圧力（Ｐｔｈｒ）を上記式から与えられる水蒸気圧力分率や露点条件が運用上の要求を満足するように設定すればよい。

上記所定圧力（Ｐｔｈｒ）は、気液分離装置の状態に応じて自動で変化させてもよく、気液分離装置を冷却してより低露点のガスとすることもできる。

上記燃料電池１としては、特に制限はないが、湿潤状態において高い水素イオン導電性を示す高分子電解質膜（ＰＥＭ）を用いた燃料電池は、もともと電解質膜への水分供給が必要であり、水素ガス及び酸素ガスから水蒸気を完全に除去する必要がないため、上記気液分離装置と好ましく組み合わせることができる。

以下、本発明を実施形態により詳細に説明するが、本発明は下記実施形態に限定されるものではない。

［実施形態］
図１は、本発明の実施形態１に係る再生型燃料電池装置の概略構成を示している。
なお、図１には、水素ガス、酸素ガス、及び水のラインのみが示されており、負荷等の電気的な回路は省略してある。また、ラインの矢印は流体が流れる方向を示している。

図１に示す燃料電池１は、高分子膜と該高分子膜の両側に電極を有する燃料電池単セルを複数積層した構造を有し、図示しない冷却装置を備える。上記高分子膜としてはイオン交換膜を使用することができ、該高分子膜と各電極との間に電池反応を促進する触媒が配置される。

また、水電解装置３も上記燃料電池１と同様、高分子膜と該高分子膜の両側に電極を有する電解単セルを複数積層した構造を有し、高圧容器に収容されて成る。
図１においては、燃料電池１と水電解装置３が別体のものを示したが、発電と水電解は逆反応であるので、発電と水電解の両方を行う一体化した燃料電池／水電解装置とすることもできる。

水素貯蔵部５には水素ガスが充填貯蔵されており、酸素貯蔵部６には酸素が充填貯蔵されている。また、水貯蔵部２には所定量の水（液体）が貯蔵されている。

そして、図１に示す燃料電池１、水貯蔵部２、水電解装置３、気液分離装置４、水素貯蔵部５、酸素貯蔵部６、及びこれらを接続する導管は閉鎖されており、再生型燃料電池装置の運用のために、水素ガス、酸素ガス及び水を外部から供給する必要がない。

水を電解する水電解工程では、水貯蔵部２の水がポンプ７ａにより逆止弁９ｃを介して、水電解装置３と気液分離装置４との水循環経路（気液分離装置４→ポンプ７ｂ→水電解装置３→気液分離装置４→…）に供給され、該水循環経路内では水電解装置３の冷却に必要な水量として気液分離装置４ｂの連続的に排出される水も合わせて、ポンプ７ｂにより高圧水電解装置に供給される。

そして、高圧水電解装置の酸素側電極には正の電圧が印加され、水素側電極に負の電圧が印加される。
すると、水が酸素側電極において、酸素ガス（Ｏ_２）と水素イオン（Ｈ^＋）と電子（ｅ⁻）に電解され、該水素イオン（Ｈ^＋）は高分子膜を通って水素側電極に運ばれ、電気回路を通って水素側電極に到達した電子（ｅ⁻）と結合して水素ガス（Ｈ_２）となる。

高圧水電解装置で発生した水素ガスと酸素ガスは気液分離装置４の耐圧容器に流入する。気液分離工程では、水素ガス又は酸素ガスの流量を制御して上記耐圧容器内の圧力を所定圧力以上に維持して水素ガス又は酸素ガスの除湿を行う。

また、気液分離装置４ａで水素ガスと分離された水は、気液分離装置４ａ内の水位が所定の水位よりも高いときに気液分離装置４ａから排出されて、ポンプ７ｂにより、水循環径路に供給される。

他方、気液分離装置４ｂで酸素ガスと分離された水は、連続的に気液分離装置４ｂから排出されて、ポンプ７ｂにより、再度高圧水電解装置へと供給（循環給水）される。

上記水循環経路では、水電解装置３のアノード側を流れる水がポンプ７ｂにより一定量で循環している。
このとき、ガス発生反応で消費される水（電解消費水）と、水電解装置３のカソード側に透過して気液分離装置４ａに流入する水（膜透過水）の合計量が気液分離装置４ｂから出ていくことになる。

しかし、気液分離装置４ａが一定以上の水位になるとその電磁弁４３１を開いて溜めた上記膜透過水を循環流路に戻し、また、上記電解消費水に相当する水が水貯蔵部２からポンプ７ａにより送られ補充されるので、気液分離装置４ｂから水を連続的に排出しても耐圧容器４１内の水位は概ね一定（下限以上）に維持され、酸素ガスが水循環経路に流れることはない。
そして、水電解工程が進み水貯蔵部２から水循環経路に補充する水がなくなるときには、水素貯蔵部５、酸素貯蔵部６が最大充填量となり、水の電解を終了する。

上記は高圧水電解装置の酸素側電極に給水する場合の動作であり、水素側電極に給水する場合には、水素側が気液分離装置４ｂとポンプ７ｂの動作、酸素側が気液分離装置４ａとポンプ７ａの動作、をそれぞれ行う。

上記除湿された水素ガス又は酸素ガスは、気液分離装置４から流出し、ガス貯蔵工程においてそれぞれ、逆止弁９ａ９ｂを介して水素貯蔵部５、酸素貯蔵部６に流入し充填貯蔵される。

また、発電を行う発電工程では、調圧弁８ａ、８ｂを開くと、燃料電池１の水素側電極には水素ガス（Ｈ_２）が供給され、酸素側電極には酸素ガス（Ｏ_２）が供給される。
すると、水素側電極では触媒の作用により水素ガス（Ｈ_２）が電子（ｅ⁻）と水素イオン（Ｈ^＋）に分離し、水素イオン（Ｈ^＋）は高分子膜を通って酸素側電極に到達し、酸素側電極では酸素ガス（Ｏ_２）と水素イオン（Ｈ^＋）及び電気回路を通ってきた電子（ｅ⁻）が反応して水が生成され、酸素側電極が正、水素側電極が負となる起電力が生じる。

燃料電池１で反応しなかった水素ガス（Ｈ_２）は循環導管を通り、燃料電池１に再度供給される。
また、反応しなかった酸素ガス（Ｏ_２）は生成した水と共に水貯蔵部２に入って水を分離し（水貯蔵工程）、分離後のガスが再度燃料電池に供給される。

上記のように、高圧水電解装置で高圧の水素ガス及び酸素ガスを得ることにより、水素貯蔵部５及び酸素貯蔵部６への充填、並びに水素ガス及び酸素ガスの除湿を、加圧ポンプを用いずに行うことができる。

１ 燃料電池
２ 水貯蔵部
３ 水電解装置
４ａ 気液分離装置
４ｂ 気液分離装置
４１ 耐圧容器
４２ 取出導管
４２１ 背圧弁
４３ 排水導管
４３１ 電磁弁
４４ 水位センサ
５ 水素貯蔵部
６ 酸素貯蔵部
７ａ ポンプ
７ｂ ポンプ
８ 調圧弁
９ａ 逆止弁
９ｂ 逆止弁
９ｃ 逆止弁
１００ 再生型燃料電池装置

Claims (2)

1. 燃料電池と、水貯蔵部と、水電解装置と、気液分離装置と、水素貯蔵部と、酸素貯蔵部と、を備える再生型燃料電池装置であって、
   上記燃料電池が、上記水素貯蔵部の水素と上記酸素貯蔵部の酸素を用いて発電するものであり、
   上記水貯蔵部が、上記燃料電池が排出した水を貯蔵するものであり、
   上記水電解装置が、上記水貯蔵部の水を電解して水素ガス及び酸素ガスを発生させる水電解装置であり、
   上記気液分離装置が、耐圧容器を有し、該耐圧容器に上記電解により発生した水素ガス又は酸素ガスを導入し、該耐圧容器から流出する水素ガス又は酸素ガスの流量を制御して上記耐圧容器内の圧力を所定圧力以上に維持することで上記水素ガス又は酸素ガスの除湿を行うものであり、
   上記水素貯蔵部が上記除湿された水素ガスを貯蔵し、上記酸素貯蔵部が上記除湿された酸素ガスを貯蔵するものであることを特徴とする再生型燃料電池装置。
2. 燃料電池と、水貯蔵部と、水電解装置と、気液分離装置と、水素貯蔵部と、酸素貯蔵部と、を備える再生型燃料電池装置の運転方法であって、
   上記燃料電池により上記水素貯蔵部の水素と上記酸素貯蔵部の酸素を用いて発電する発電工程と、
   上記発電工程から生じる水を水貯蔵部で貯蔵する水貯蔵工程と、
   上記水貯蔵部の水を上記水電解装置で電解して水素ガス及び酸素ガスを発生させる水電解工程と、
   上記水電解工程で発生した水素ガス又は酸素ガスを上記気液分離装置の耐圧容器に導入し、該耐圧容器から流出する水素ガス又は酸素ガスの流量を制御して上記耐圧容器内の圧力を所定圧力以上に維持することで上記水素ガス又は酸素ガスの除湿を行う気液分離工程と、
   上記除湿された水素ガスを上記水素貯蔵部に貯蔵し、上記除湿された酸素ガスを上記酸素貯蔵部に貯蔵するガス貯蔵工程と、を有することを特徴とする再生型燃料電池装置の運転方法。

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