JP6229925B2 - 充放電システムおよび充放電システムの乾燥方法 - Google Patents
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Description
一方で、酸化イリジウムや白金黒自体は親水性のため、そのまま使用すると、燃料電池運転時に酸素極側で発生した水が、触媒表面に残ってしまい、発電効率が低下してしまう。そのため従来は、酸化イリジウムと白金黒自体からなる触媒に対してPTFE等を用いて撥水化処理を施すことで、水電解運転時の性能を多少犠牲にしつつ、燃料電池運転時に必要な程度の電極触媒の撥水性を確保している。
しかしながら、長期間充放電を繰り返すと、電極触媒に付与したPTFE等の撥水剤が物理的に脱落したり、コンタミ付着により本来の撥水性能を発揮できなくなる恐れがあり、結果的に燃料電池性能の性能低下が加速することも考えられ、さらなる改善の余地があった。
その他に、水電解運転終了時には、水素発生極に残存した高圧の水素を大気圧になるまでポートCから系外に排気し、セルスタックに接続されている電気回路を短絡させて、電極近傍の水素と酸素を消費させ、各可逆セルの電圧が0Vまで低下した後、前記電気回路を遮断し、その後、ポートBからセルスタックの可逆セル内に水素を供給して酸素発生極側を水素で置換する工程と、ポートDからセル内に空気を供給する工程とを、順序を問わず実施してセル内の乾燥を行うことを特徴とする、充放電システムの乾燥方法が提案できる。
かかる乾燥方法によれば、水電解運転から燃料電池運転に切り替える際に、水素と酸素が同一の極上で混合する際の異常発熱(熱暴走)の可能性を最小限に抑えることができ、安全である。
その他の乾燥方法としては、水電解運転終了時には、可逆セルの固体高分子電解質膜が破損しないように、水素発生極側と酸素発生極側との圧力を制御して、水素発生極に残存した高圧の水素を大気圧になるまでポートCから系外に排気すると共に、ポートAからセル内の残存水及び残存酸素を排出し、セルスタックに接続されている電気回路を短絡させて、電極近傍の水素と酸素を消費させ、各可逆セルの電圧が0Vまで低下した後、前記電気回路を遮断し、その後、ポートBからセルスタックの可逆セル内に水素を供給して酸素発生極側を水素で置換する工程と、ポートDからセル内に空気を供給する工程とを、順序を問わず実施してセル内の乾燥を行うことを特徴とする、充放電システムの乾燥方法が提案できる。このような乾燥方法によれば、水電解運転から燃料電池運転に切り替える際に、水素と酸素が同一の極上で混合する際の異常発熱(熱暴走)の可能性を最小限に抑えることができ、安全である。
なお、後者の終了方法、すなわち、ポンプ46を停止し、電磁弁V3を閉としてから電磁弁V13を開とし、水素極に残存した高圧の水素をポートCから配管71、94、91、放出管93を介して大気圧近傍になるまで系外に排気して、圧力計P4の値が大気圧近傍になったら電磁弁V13を閉として、運転を終了する方法をとった場合で、保管後に燃料電池モードを起動する場合には、起動時に前者の終了方法とほぼ同様の操作で排水と空気置換、乾燥を行えば良く、水電解モードを起動する場合には、通常の水電解開始フローの通りに起動すればよい。
しかしながら、上記実施形態では、可逆セル10の水電解時運転時の酸素極(電極触媒11a)は、燃料電池運転時には水素極となる。したがって、従来の可逆セルの酸素極と比較して白金使用量を大幅に低減することができる。
なお、燃料電池運転時の酸素極(電極触媒11b)には上記したように、比較的多量の白金が必要になるが、上記実施形態では、燃料電池運転時の酸素極(電極触媒11b)は、水電解運転時に高電圧が掛からず且つ酸化イリジウムが必要ない水素極となるため、白金担持カーボンが使用できるので、この点でも白金使用量を低減することが可能となる。
したがって、本実施の形態によれば、従来の可逆セルを用いたこの種の装置よりも、白金の使用量を少なくすることができる。
なお、極間に一定の差圧(圧力計P2と圧力計P4の圧力差、一般的には、50〜100kPa)以上の差圧が発生した場合には、より高圧となった極の電磁弁(V13、またはV30)を開とし、極間差圧が予め定めておいた値(一般的には、20kPa)以下になるまで、当該電磁弁(V13、またはV30)を開とすることで、極間の差圧が一定の範囲内に収まるように常に制御する。なおかかる差圧の制御については、公知の技術を用いればよい。
また、上記のセル内の水素極に空気を供給してセル内を乾燥する工程と酸素極に水素を供給して置換する工程は、その順序は特に限定されず、同時に実施することも逆の順にすることも可能である。
また、上記のセル内の酸素極に水素を供給して置換する工程と、水素極に空気を供給してセル内を乾燥する工程は、その順序は特に限定されず、同時に実施することも逆の順に実施することも可能である。
2 セルスタック
10、201、251、301 可逆セル
11 固体高分子電解質膜
11a、11b 電極触媒
12 第1の集電体
13 第2の集電体
14、16 流路
15、17 セパレータ
21、22 シール部材
41 タンク
43、72 気液分離タンク
46、53 ポンプ
61 電源装置
62 制御装置
64、84、92 熱交換器
76 水素貯蔵部
82 ブロワ
85 湿度交換器
A、B、C、D ポート
V1〜V5、V9、V11〜V16 電磁弁
V6 流量調節弁
V7 背圧弁
V8 逆止弁
V10 圧力調製弁
Claims (6)
- 固体高分子形の水電解セルと燃料電池セルとを一体化した可逆セルを用いた充放電システムであって、
水電解運転時において原料水が供給されかつ酸素が発生する酸素発生極に対して、燃料電池運転時には水素を供給し、
水電解運転時に水素が発生する水素発生極に対して、燃料電池運転時には酸化剤を供給するようにし、
前記可逆セルの前記酸素発生極の電極触媒には、撥水処理がされていない酸化イリジウムと白金黒の混合したものが使用され、
前記可逆セルの前記水素発生極の電極触媒には、白金担持カーボンが使用されていることを特徴とする、充放電システム。 - 固体高分子形の水電解セルと燃料電池セルとを一体化した可逆セルを用いた充放電システムであって、
水電解運転時において原料水が供給されかつ酸素が発生する酸素発生極に対して、燃料電池運転時には水素を供給し、
水電解運転時に水素が発生する水素発生極に対して、燃料電池運転時には酸化剤を供給するようにし、
前記可逆セルを複数枚直列に接続したセルスタックに、
各可逆セルの前記酸素発生極側の反応流体の流路に通ずるポートA、ポートBと、各可逆セルの前記水素発生極側の反応流体の流路に通ずるポートC、ポートDが設けられ、
ポートAは、水電解運転時の原料水供給口と燃料電池運転時の水素排出口に設定され、
ポートBは、水電解運転時の原料水および純酸素の排出口と、燃料電池運転時の水素供給口に設定され、
ポートCは、水電解運転時の水素排出口と、燃料電池運転時の酸化剤と発生水の排出口に設定され、
ポートDは、燃料電池運転時の酸化剤供給口に設定され、
前記ポートDに供給される酸化剤は空気であり、当該空気の供給流路と、水電解運転時にポートBから排出された純酸素の排出流路とは、これら流路内を流れる流体で少なくとも湿度交換または熱交換されるように、少なくとも湿度交換器または熱交換器を介して配置されていることを特徴とする、充放電システム。 - 固体高分子形の水電解セルと燃料電池セルとを一体化した可逆セルを用いた充放電システムにおいて水電解運転から燃料電池運転に切り替える前に、当該充放電システムを乾燥させる乾燥方法であって、
前記充放電システムは、
水電解運転時において原料水が供給されかつ酸素が発生する酸素発生極に対して、燃料電池運転時には水素を供給し、
水電解運転時に水素が発生する水素発生極に対して、燃料電池運転時には酸化剤を供給するように構成されており、
前記可逆セルを複数枚直列に接続したセルスタックに、
各可逆セルの前記酸素発生極側の反応流体の流路に通ずるポートA、ポートBと、各可逆セルの前記水素発生極側の反応流体の流路に通ずるポートC、ポートDが設けられ、
ポートAは、水電解運転時の原料水供給口と燃料電池運転時の水素排出口に設定され、
ポートBは、水電解運転時の原料水および純酸素の排出口と、燃料電池運転時の水素供給口に設定され、
ポートCは、水電解運転時の水素排出口と、燃料電池運転時の酸化剤と発生水の排出口に設定され、
ポートDは、燃料電池運転時の酸化剤供給口に設定され、
前記可逆セルは、水素側圧力>酸素側圧力=大気圧の場合の極間差圧耐性を有するものを使用し、
水電解運転終了時には、
ポートBからセルスタックの可逆セル内に大気圧よりも高圧の水素を導入してポートAからセル内の残存水を排出する工程と、ポートCからセル内の残存水素を排気する工程とを、順序を問わず実施し、
その後、可逆セル内が大気圧になった後、ポートDからセル内に空気を供給してセル内の乾燥を行うことを特徴とする、充放電システムの乾燥方法。 - 固体高分子形の水電解セルと燃料電池セルとを一体化した可逆セルを用いた充放電システムにおいて水電解運転から燃料電池運転に切り替える前に、当該充放電システムを乾燥させる乾燥方法であって、
前記充放電システムは、
水電解運転時において原料水が供給されかつ酸素が発生する酸素発生極に対して、燃料電池運転時には水素を供給し、
水電解運転時に水素が発生する水素発生極に対して、燃料電池運転時には酸化剤を供給するように構成されており、
前記可逆セルを複数枚直列に接続したセルスタックに、
各可逆セルの前記酸素発生極側の反応流体の流路に通ずるポートA、ポートBと、各可逆セルの前記水素発生極側の反応流体の流路に通ずるポートC、ポートDが設けられ、
ポートAは、水電解運転時の原料水供給口と燃料電池運転時の水素排出口に設定され、
ポートBは、水電解運転時の原料水および純酸素の排出口と、燃料電池運転時の水素供給口に設定され、
ポートCは、水電解運転時の水素排出口と、燃料電池運転時の酸化剤と発生水の排出口に設定され、
ポートDは、燃料電池運転時の酸化剤供給口に設定され、
前記可逆セルは、水素側圧力>酸素側圧力=大気圧の場合の極間差圧耐性を有するものを使用し、
水電解運転終了時には、
水素発生極に残存した高圧の水素を大気圧になるまでポートCから系外に排気し、セルスタックに接続されている電気回路を短絡させて、電極近傍の水素と酸素を消費させ、各可逆セルの電圧が0Vまで低下した後、前記電気回路を遮断し、
その後、ポートBからセルスタックの可逆セル内に水素を供給して酸素発生極側を水素で置換する工程と、ポートDからセル内に空気を供給する工程とを、順序を問わず実施してセル内の乾燥を行うことを特徴とする、充放電システムの乾燥方法。 - 固体高分子形の水電解セルと燃料電池セルとを一体化した可逆セルを用いた充放電システムにおいて水電解運転から燃料電池運転に切り替える前に、当該充放電システムを乾燥させる乾燥方法であって、
前記充放電システムは、
水電解運転時において原料水が供給されかつ酸素が発生する酸素発生極に対して、燃料電池運転時には水素を供給し、
水電解運転時に水素が発生する水素発生極に対して、燃料電池運転時には酸化剤を供給するように構成されており、
前記可逆セルを複数枚直列に接続したセルスタックに、
各可逆セルの前記酸素発生極側の反応流体の流路に通ずるポートA、ポートBと、各可逆セルの前記水素発生極側の反応流体の流路に通ずるポートC、ポートDが設けられ、
ポートAは、水電解運転時の原料水供給口と燃料電池運転時の水素排出口に設定され、
ポートBは、水電解運転時の原料水および純酸素の排出口と、燃料電池運転時の水素供給口に設定され、
ポートCは、水電解運転時の水素排出口と、燃料電池運転時の酸化剤と発生水の排出口に設定され、
水電解運転終了時には、
可逆セルの固体高分子電解質膜が破損しないように、水素発生極側と酸素発生極側との圧力を制御して、水素発生極に残存した高圧の水素を大気圧になるまでポートCから系外に排気すると共に、ポートAからセル内の残存水及び残存酸素を排出し、
その後、ポートBからセルスタックの可逆セル内に水素を供給して酸素発生極側を水素で置換する工程と、ポートDからセル内に空気を供給する工程とを、順序を問わず実施してセル内の乾燥を行うことを特徴とする、充放電システムの乾燥方法。 - 固体高分子形の水電解セルと燃料電池セルとを一体化した可逆セルを用いた充放電システムにおいて水電解運転から燃料電池運転に切り替える前に、当該充放電システムを乾燥させる乾燥方法であって、
前記充放電システムは、
水電解運転時において原料水が供給されかつ酸素が発生する酸素発生極に対して、燃料電池運転時には水素を供給し、
水電解運転時に水素が発生する水素発生極に対して、燃料電池運転時には酸化剤を供給するように構成されており、
前記可逆セルを複数枚直列に接続したセルスタックに、
各可逆セルの前記酸素発生極側の反応流体の流路に通ずるポートA、ポートBと、各可逆セルの前記水素発生極側の反応流体の流路に通ずるポートC、ポートDが設けられ、
ポートAは、水電解運転時の原料水供給口と燃料電池運転時の水素排出口に設定され、
ポートBは、水電解運転時の原料水および純酸素の排出口と、燃料電池運転時の水素供給口に設定され、
ポートCは、水電解運転時の水素排出口と、燃料電池運転時の酸化剤と発生水の排出口に設定され、
水電解運転終了時には、
可逆セルの固体高分子電解質膜が破損しないように、水素発生極側と酸素発生極側との圧力を制御して、水素発生極に残存した高圧の水素を大気圧になるまでポートCから系外に排気すると共に、ポートAからセル内の残存水及び残存酸素を排出し、
セルスタックに接続されている電気回路を短絡させて、電極近傍の水素と酸素を消費させ、各可逆セルの電圧が0Vまで低下した後、前記電気回路を遮断し、
その後、ポートBからセルスタックの可逆セル内に水素を供給して酸素発生極側を水素で置換する工程と、ポートDからセル内に空気を供給する工程とを、順序を問わず実施してセル内の乾燥を行うことを特徴とする、充放電システムの乾燥方法。
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