JP2001332271A

JP2001332271A - 蓄発電装置

Info

Publication number: JP2001332271A
Application number: JP2000153206A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Takeishi; 雅之武石; Hisashi Yanagida; 尚志柳田; Mitsuo Ueda; 三男上田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2000-05-24
Filing date: 2000-05-24
Publication date: 2001-11-30

Abstract

(57)【要約】【課題】水の電気分解効率を上げることにより蓄発電効
率を高めること。【解決手段】固体電解質Sと、固体電解質Sの両側に固体
電解質Sを挟むように設けられた正負一対となった電極
X,Pとを備え、蓄電時には、負電極P側で水を電気分解す
ることによって酸素イオンを生成し、生成した酸素イオ
ンを酸化させることによって電子を生成し、生成した電
子を正電極X側に蓄積することによって蓄電し、発電時
には、蓄積された電子を正電極X側において酸素と反応
させて酸素イオンを生成し、生成した酸素イオンを正電
極X側から負電極P側へと固体電解質S内を移動させるこ
とによって、正電極Xと負電極Pとを導通させて発電する
反応セル2を有した蓄発電装置1において、水素と酸素と
を発熱反応させ、この発熱反応によって発生した熱エネ
ルギーを用いて水を加熱し、この加熱された水を、電気
分解に供される水として反応セル2に供給する燃焼手段1
8を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、蓄発電装置に係
り、更に詳しくは、蓄電を行うＳＯＥ（Solid Oxide El
ectrolysis：固体酸化物水蒸気電解）運転と発電を行う
ＳＯＦＣ(Solid Oxide Fuel Cells：固体酸化物燃料電
池)運転とを可逆的にかつ効率的に行うことによって蓄
電及び発電を行う蓄発電装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、蓄発電装置は、電力消費量の昼夜
格差が大きいために、夜間に余った電力を用いて蓄電
し、貯えられた電力を昼のピーク負荷時に発電すること
により発電するような蓄発電装置が用いられている。

【０００３】この種の蓄発電装置として代表的なものに
揚水発電がある。

【０００４】揚水発電を行う揚水発電所では、夜間の余
剰電力を利用して、ポンプで下方のダムから上方のダム
へと水を汲み上げる。一方、電力負荷の大きい日中に
は、水車による発電機により発電を行う。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
た蓄発電装置では、以下のような問題がある。

【０００６】すなわち、揚水発電所は、山間部にダムを
築いて作られる。このため、立地に制限があり、かつ、
建設工期も長いため、増大する一方の昼と夜との電力消
費量格差への対応が迅速にできないという問題がある。

【０００７】この問題を解決するために、フライホイー
ルによって蓄発電を行うことも考えられる。しかしなが
ら、フライホールでは、騒音、振動等が激しいという問
題がある。

【０００８】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
ものであり、その第１の目的は、蓄電時には、水を電気
分解して得られる電子を貯蔵することにより蓄電を行う
一方、発電時には、この電子を用いて発電を行う蓄発電
装置に、電気分解に供する水を加熱する燃焼器を設け、
あらかじめ高温に加熱された水を用いて電気分解を行う
ことによって水の電気分解効率を上げ、もって、蓄発電
効率を高めることが可能な蓄発電装置を提供することに
ある。

【０００９】また、その第２の目的は、このような蓄発
電装置を、既存の発電所のタービン蒸気系に併設し、電
力消費量の少ない夜間には発電所のタービン蒸気の熱エ
ネルギーを利用して蓄電する一方、電力消費量の多い昼
間には蓄電したエネルギーを放出して発電し、もって、
立地に制約を受けることもなく、かつ騒音、振動等も伴
うことなく発電所の発電効率を高めると共に、電力消費
量格差への対応を迅速に行うことが可能な蓄発電装置を
提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明では、以下のような手段を講じる。

【００１１】すなわち、請求項１の発明では、固体電解
質と、固体電解質の両側に固体電解質を挟むように設け
られた正負一対となった電極とを備え、蓄電時には、負
電極側で水を電気分解することによって酸素イオンを生
成し、生成した酸素イオンを酸化させることによって電
子を生成し、生成した電子を正電極側に蓄積することに
よって蓄電し、発電時には、蓄積された電子を正電極側
において酸素と反応させて酸素イオンを生成し、生成し
た酸素イオンを正電極側から負電極側へと固体電解質内
を移動させることによって、正電極と負電極とを導通さ
せて発電する反応セルを有した蓄発電装置において、水
素と酸素とを発熱反応させ、この発熱反応によって発生
した熱エネルギーを用いて水を加熱し、この加熱された
水を、電気分解に供される水として反応セルに供給する
燃焼手段を備える。

【００１２】請求項２の発明では、請求項１の発明の蓄
発電装置において、反応セルは、発電時に生成された酸
素イオンを水素と反応させることによって水を生成し、
蓄電時には、水素と水とを加熱して、加熱された水素を
発熱反応に供される水素として、加熱された水を発熱反
応によって発生した熱エネルギーによって加熱される水
として燃焼手段に供給するとともに、発電時には、反応
セルにおいて生成した水を冷却する加熱冷却手段を備え
る。

【００１３】請求項３の発明では、請求項２の発明の蓄
発電装置において、加熱冷却手段は、発電所のタービン
に供給される蒸気を用いて、蓄電時には水素と水とを加
熱し、発電時には反応セルにおいて生成した水を冷却す
る。

【００１４】請求項４の発明では、請求項２の発明の蓄
発電装置において、加熱冷却手段は、反応セルから放出
される水、水素、酸素のうちの少なくともいずれかを含
んだガスを用いて、反応セル側に供給される水、水素、
酸素のうちの少なくともいずれかを加熱する。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態につ
いて図面を参照しながら説明する。

【００１６】本発明の実施の形態を図１から図４を用い
て説明する。

【００１７】図１と図２とは、本発明の実施の形態に係
る蓄発電装置の構成の一例を示す系統図である。

【００１８】また、図１および図２には、蓄電時および
発電時におけるプロセスの流れ方向も図中に示す黒矢印
によって示している。更に、弁Ｖ１〜Ｖ７、Ｖ８〜Ｖ１
７において図中で白抜きされた弁は開状態であり、黒塗
りされた弁は閉状態を示す。

【００１９】本発明の実施の形態に係る蓄発電装置１
は、固体酸化物電解質Ｓを境界にして酸素極Ｘ側と水素
極Ｐ側との２つのセルを備えた反応セル２と、反応セル
２の酸素極Ｘ側のラインである酸素極側ライン３と、反
応セル２の水素極Ｐ側のラインである水素極側ライン４
とからなる。

【００２０】反応セル２は、図３にその構成概念図を示
すように、中央に固体酸化物電解質Ｓを備え、その両端
に一対の電極（酸素極Ｘ、水素極Ｐ）を備えている。固
体酸化物電解質Ｓは、安定化ジルコニア（ＹＳＢともい
う。ＹＳＢとはYttria Stabilized Zirconiaの略）等を
用いる。そして、この固体酸化物電解質Ｓを境界にして
それぞれ２つのセル（酸素極側セルＣ１、水素極側セル
Ｃ２）を形成している。

【００２１】これらおのおののセルＣ１、Ｃ２は、電極
Ｘ、Ｐに電気的に接続した導通部Ｄ１、Ｄ２をそれぞれ
備えている。更にこれら導通部Ｄ１、Ｄ２は、それぞれ
導電体で形成されたインターコネクタＥ１、Ｅ２に接続
している。

【００２２】これらインターコネクタＥ１、Ｅ２はそれ
ぞれ導通ラインＬ１、Ｌ２に電気的に接続している。そ
して、蓄電時には、導通ラインＬ１を正電圧側に接続
し、導通ラインＬ２を負電圧側に接続することによっ
て、酸素極Ｘを正極に、水素極Ｐを負極にすることがで
きるようにしている。一方、発電時には、導通ラインＬ
１、Ｌ２を負荷に接続することによって、蓄電時に蓄電
した電力をこの負荷に供給できるようにしている。

【００２３】酸素極側セルＣ１は、酸素および空気を導
入する導入口ＩＮ１と、酸素および空気を排出する排出
口ＯＵＴ１とを備えている。また、水素極側セルＣ２
は、水素および水を導入する導入口ＩＮ２と、水および
水素を排出する排出口ＯＵＴ２とを備えている。

【００２４】このように構成した反応セル２は、以下の
ように機能する。

【００２５】すなわち、蓄電時においては、図４（ａ）
に示すように、導通ラインＬ１、Ｌ２を電源に接続し、
酸素極Ｘ側を正極に、水素極Ｐ側を負極にした状態で、
導入口ＩＮ２より水素極側セルＣ２に水を導入する。そ
して、この導入された水を水素極Ｐにおいて電気分解
し、下記の式（１）に示す化学反応に従って、酸素イオ
ン（Ｏ^２−）と水素とを生成する。

【００２６】この水素は、排出口ＯＵＴ２より排出され
るようにしている。

【００２７】一方、式（１）に従って生成したこの酸素
イオンは、酸素極Ｘと水素極Ｐとの間の電位差によって
固体酸化物電解質Ｓ内を水素極Ｐ側から酸素極Ｘ側に移
行する。そして、酸素極Ｘでは、下記の式（２）の化学
反応に従って酸素イオンから電子と酸素とを生成し、電
子を酸素極Ｘ上に蓄積し、酸素を排出口ＯＵＴ１より排
出するようにしている。

【００２８】このように、蓄電時においては固体酸化物
電解質Ｓによって水を電解するＳＯＥ（Solid Oxide El
ectrolysis）反応によって酸素極Ｘに電子を蓄積する。Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻→Ｈ_２＋Ｏ^２− ・・・・（１）Ｏ^２−→（１／２）Ｏ_２＋２ｅ⁻ ・・・（２）一方、発電時においては、図４（ｂ）に示すように、導
通ラインＬ１、Ｌ２を負荷に接続した状態で、導入口Ｉ
Ｎ１より酸素極側セルＣ１に酸素を導入する。そして、
導入された酸素は、酸素極Ｘにおいて、蓄電時において
蓄積された電子と結合して、下記に示す式（３）の化学
反応にしたがって、酸素イオン（Ｏ^２−）を生成する。

【００２９】この酸素イオンは、以下の原理に従って、
固体酸化物電解質Ｓ内を通過して水素極Ｐ側に移行す
る。

【００３０】すなわち、固体酸化物電解質Ｓは、酸素ガ
スの分圧比から、固体酸化物電解質Ｓの両側の電極間に
電位を発生させる。この場合、酸素極側セルＣ１には導
入口ＩＮ１から酸素ガスが供給され、一方、水素極側セ
ルＣ２には酸素ガスは供給されていないので、酸素ガス
分圧比の高い側の電極である酸素極Ｘから、酸素ガス分
圧比の低い電極である水素極Ｐへと固体酸化物電解質Ｓ
の中を酸素イオンが移動し、これによって、導通ライン
Ｌ１、Ｌ２に接続された負荷に、電流が流れるようにし
ている。

【００３１】一方、水素極側セルＣ２には、導入口ＩＮ
２から水素が供給されるようにしており、水素極Ｐで
は、下記に示す式（４）にしたがって酸素イオンと水素
とから電子と水とを生成する。この生成された水、およ
び式（４）に示す反応で余剰の水素は、排出口ＯＵＴ２
より排出されるようにしている。

【００３２】このように、発電時においては固体酸化物
電解質Ｓが燃料電池として機能するＳＯＦＣ（Solid Ox
ide Fuel Cells）機能によって発電する。

【００３３】（１／２）Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２− ・・・（３）Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ ・・・・（４）酸素極側ライン３は、酸素タンク６と、空気供給系７
と、熱交換器８と、燃焼器９と、水素タンク１０と、弁
Ｖ１〜Ｖ６とを備えている。

【００３４】酸素タンク６は、酸素を貯蔵しており、弁
Ｖ１を開くことによって、酸素を酸素極側ライン３に供
給する。空気供給系７は、発電時には弁Ｖ２を開くこと
によって、空気を酸素極側ライン３に供給する。

【００３５】熱交換器８は、酸素タンク６から供給され
た酸素、または空気供給系７から供給された空気（発電
時のみ）、あるいはそれらの混合気体（発電時のみ）
を、反応セル２の排出口ＯＵＴ１から供給される高温酸
素を用いて加熱して燃焼器９側に供給する。

【００３６】燃焼器９は、蓄電時には、熱交換器８にお
いて加熱された酸素、または空気、あるいはこれらの混
合気体に、水素タンク１０から、弁Ｖ３を開いて供給さ
れる水素を混合して燃焼させる。これにより、約１００
０℃の気体を反応セル２の酸素極側セルＣ１に供給す
る。なお、発電時には、熱交換器８から供給される気体
を反応セル２の酸素極側セルＣ１に供給する。

【００３７】反応セル２では、燃焼器９から供給された
気体を導入口ＩＮ１から導入すると共に、排出口ＯＵＴ
１から高温の酸素を排出する。排出口ＯＵＴ１から排出
された酸素は熱交換器８に供給され、熱交換器８から燃
焼器９側に供給される酸素、または空気（発電時の
み）、あるいはそれらの混合気体（発電時のみ）の加熱
に用いられるようにしている。

【００３８】熱交換器８においてこれら酸素、または空
気（発電時のみ）、あるいはそれらの混合気体（発電時
のみ）の加熱に用いられた酸素は、蓄電時には弁Ｖ５、
酸素タンク６、弁１を介して酸素極側ライン３内で循環
する。一方、発電時には、弁Ｖ４を介して酸素極側ライ
ン３を循環する。また、蓄電時、発電時いずれの場合に
おいても弁Ｖ６を開くことによって酸素極側ライン３か
ら酸素が適宜放出されるようにしている。

【００３９】水素極側ライン４は、水タンク１２と、水
素タンク１３と、熱交換器１４〜１７と、燃焼器１８
と、酸素タンク１９と、セパレータ２０と、弁Ｖ８〜Ｖ
１６とを備えている。

【００４０】水タンク１２は、水を貯蔵するタンクであ
り、弁Ｖ８を開くことによって、水素極側ライン４に水
を供給する。水素タンク１３は、水素を貯蔵する水素貯
蔵合金等であり、弁Ｖ９を開くことによって、水素を水
素極側ライン４に供給する。

【００４１】水タンク１２から供給された水と、水素タ
ンク１３から供給された水素とは弁Ｖ１０付近において
合流する。

【００４２】熱交換器１４は、蓄電時においては、弁Ｖ
１０付近で混合された水と水素との混合体を弁１１を介
して取り込み、反応セル２の排出口ＯＵＴ２から供給さ
れる高温の水と水素との混合体を用いて加熱する。

【００４３】熱交換器１５は、蓄電時においては、熱交
換器１４において加熱された混合体を、ＰＷＲタービン
蒸気系５０の蒸気発生器５１から供給される蒸気を用い
て加熱する。一方、発電時においては、熱交換器１６、
弁Ｖ１５を介して取得した反応セル２の排出口ＯＵＴ２
から供給される高温の水と水素との混合体を用いて、Ｐ
ＷＲタービン蒸気系５０の蒸気発生器５１から供給され
る蒸気を加熱する。

【００４４】熱交換器１６は、蓄電時には、熱交換器１
５によって加熱された水と水素との混合体を弁Ｖ１２、
Ｖ１３を介して取得し、反応セル２の排出口ＯＵＴ２か
ら供給される高温の水と水素との混合体を用いて加熱し
て燃焼器１８側に供給する。一方、発電時には、弁Ｖ１
０、Ｖ１１を介して熱交換器１７において加熱された水
と水素との混合体を弁Ｖ１３を介して取り込み、反応セ
ル２の排出口ＯＵＴ２から供給される高温の水と水素と
の混合体を用いて加熱して燃焼器１８側に供給する。

【００４５】熱交換器１７は、発電時には、弁Ｖ１０、
Ｖ１１を介して水タンク１２から供給される水と、弁１
０、弁１１を介して水素タンク１３から供給される水素
との混合体を取り込み、熱交換器１５においてＰＷＲタ
ービン蒸気系５０から供給された蒸気によって冷却され
た水と水素との混合体を用いて加熱する。

【００４６】燃焼器１８は、蓄電時には、熱交換器１６
において加熱された水と水素の混合体に、酸素タンク１
９から弁Ｖ１４を開いて供給される酸素を混合して燃焼
させる。これにより、約１０００℃の水（水蒸気）およ
び酸素を生成する。そして、この水蒸気および酸素を反
応セル２の水素極側セルＣ２に供給する。なお、発電時
には、熱交換器１６から供給される水と水素との混合体
を反応セル２の酸素極側セルＣ１に供給する。

【００４７】反応セル２では、燃焼器１８から供給され
た気体を導入口ＩＮ２から水素極側セルＣ２に導入する
と共に、排出口ＯＵＴ２から高温の水と水素との混合体
を排出する。排出口ＯＵＴ２から排出された水と水素と
の混合体は熱交換器１６に供給され、ここで燃焼器１８
に送られる水と水素との混合体の加熱に用いられるよう
にしている。

【００４８】熱交換器１６において燃焼器１８に送られ
る混合体の加熱に用いられた混合体は、蓄電時には、弁
Ｖ１５を介して熱交換器１４側に移行し、熱交換器１４
における加熱源として用いられるようにしている。一
方、発電時には、弁Ｖ１５を介して熱交換器１５側に移
行し、熱交換器１５におけるＰＷＲタービン蒸気系５０
の蒸気の加熱源として用いられるようにしている。

【００４９】セパレータ２０は、熱交換器１４において
加熱源として用いられた水と水素との混合体を海水によ
って冷却して水と水素とに分離し、分離した水を水タン
ク１２に戻し、分離した水素を弁Ｖ１６を介して水素タ
ンク１３に戻す。

【００５０】上述した酸素極側ライン３および水素極側
ライン４には必要に応じて気体および液体を移送するた
めのポンプ等を適宜備えているが、図１および図２では
その記載を省略している。

【００５１】ＰＷＲタービン蒸気系５０は、図１および
図２にその概略構成を示すように、蒸気発生器５１と、
高圧タービン５２と、低圧タービン５３と、給水加熱器
５４と、脱気器５５と、給水ポンプ５６とを備えてい
る。

【００５２】蒸気発生器５１は、図示しない炉心におい
て加熱された冷却水を用いて蒸気を発生させる。この発
生した蒸気は、給水ポンプ５６によって得られる駆動力
によって高圧タービン５２側に送られるようにしてい
る。そして、蓄電時には、蒸気発生器５１から高圧ター
ビン５２側に送られる蒸気のうちの一部（約２．５％）
が熱交換器１５に取り込まれ、そこで加熱源として水と
水素との混合体の加熱に供された後に、給水加熱器５４
と給水ポンプ５６との間に戻されるようにしている。一
方、発電時には蒸気発生器５１から高圧タービン５２側
に送られる全ての蒸気が熱交換器１５に取り込まれ、そ
こで加熱された後に高圧タービン５２に供給されるよう
にしている。

【００５３】高圧タービン５２に送られた蒸気は、そこ
で高圧タービンの回転に供された後に低圧タービン５３
へと送られるようにしている。

【００５４】このようにして低圧タービン５３に送られ
た蒸気は、そこで低圧タービン５３の回転に供された後
に給水加熱器５４へと送られるようにしている。

【００５５】給水加熱器５４は、低圧タービン５３から
送られた蒸気を加熱して脱気器５５側に送る。

【００５６】脱気器５５は、給水加熱器５４で加熱され
た蒸気を脱気して給水ポンプ５６側に送る。

【００５７】給水ポンプ５６は、ＰＷＲタービン蒸気系
５０において、蒸気発生器５１で発生された蒸気を循環
させる。

【００５８】次に、以上のように構成した本発明の実施
の形態に係る蓄発電装置の動作について説明する。

【００５９】先ず、蓄電時における動作について説明す
る。

【００６０】蓄電時には、水タンク１２に貯蔵されてい
る常温（約２５℃）の純水と、水素タンク１３に貯蔵さ
れている常温（約２５℃）の水素とが、図示しないポン
プによって、弁Ｖ１０、Ｖ１１を介して熱交換器１４に
送られ、ここで約７０℃に加熱され、更に熱交換器１５
に送られる。

【００６１】熱交換器１５には、ＰＷＲタービン蒸気系
５０の蒸気発生器５１で発生された約２７０℃の過熱蒸
気の一部（約２．５％）が加熱源として取り込まれてお
り、熱交換器１４側から送られた約７０℃の水と水素と
の混合体は、ここで約２７０℃まで加熱され、更に弁Ｖ
１２、Ｖ１３を介して熱交換器１６に送られる。

【００６２】なお、熱交換器１５に加熱源として取り込
まれた過熱蒸気は、ＰＷＲタービン蒸気系５０の高圧タ
ービン５２前から取り込まれ、熱交換器１５を通過した
後には、脱気器５５の上流側に戻される。熱交換器１５
に加熱源として取り込まれた過熱蒸気の流量は、脱気器
５５の上流側の飽和水温度がその温度と同等になるよう
に設定される。

【００６３】熱交換器１６には、反応セル２の排出口Ｏ
ＵＴ２から排出された高温（約８００℃）の水（水蒸
気）と水素との混合体が加熱源として取り込まれてお
り、熱交換器１５側から送られた約２７０℃の水と水素
との混合体は、ここで約７００℃の水（水蒸気）と水素
との混合体となるまで加熱され、燃焼器１８に送られ
る。

【００６４】燃焼器１８では、弁Ｖ１４を介して酸素タ
ンク１９から酸素が供給され、熱交換器１６側から供給
された水素とこの酸素とが燃焼する。この燃焼エネルギ
ーによって水蒸気および未燃焼の酸素と水素とは約１０
００℃まで加熱され、導入口ＩＮ２より反応セル２の水
素極側セルＣ２に導入される。

【００６５】反応セル２の酸素極Ｘおよび水素極Ｐに
は、図４（ａ）に示すように電圧が印加されており、水
素極側セルＣ２では、導入された水（水蒸気）が、上述
した式（１）に示すようにして電気分解され、酸素イオ
ンと水素とが生成される。水素極側セルＣ２に導入され
る水蒸気は、燃焼器１８において予め高温（約１０００
℃）に加熱されているので、この電気分解反応は効率的
に進行する。

【００６６】この電気分解反応で生成した水素は、余剰
の水蒸気と共に排出口ＯＵＴ２から反応セル２外へと排
出される。

【００６７】一方、上述した式（１）に示すような電気
分解反応で生成した酸素イオンは、固体酸化物電解質Ｓ
の中を通って、正極である酸素極Ｘ側に引き寄せられ
る。そして、酸素極Ｘにおいて、この酸素イオンから、
上述した式（２）にしたがって酸素と電子とが生成され
る。この反応で生成した酸素は、排出口ＯＵＴ１から反
応セル２外へと排出される。また、この反応で生成した
電子は、酸素極Ｘに蓄積される。

【００６８】排出口ＯＵＴ２から反応セル２外へと排出
された水素と水（水蒸気）とは、熱交換器１６、１４に
おいて、燃焼器１８に供給される水および水素の混合体
を加熱する加熱源として用いられ、この熱交換によって
自身は除熱される。

【００６９】排出口ＯＵＴ２から反応セル２外へと排出
された水素と水（水蒸気）との混合体は、まず熱交換器
１６において、燃焼器１８に供給される水素と水（水蒸
気）との混合体を加熱することによって、自身は除熱さ
れ、約８００℃から約２７０℃に降温される。

【００７０】その後、弁Ｖ１５を介して熱交換器１４に
加熱源として送られる。ここでも水素と水蒸気との混合
体を加熱することによって、自身は除熱され、約２７０
℃から約３０℃に降温される。

【００７１】熱交換器１４で加熱源として用いられた水
と水素との混合体は、セパレータ２０に送られ、そこで
水素と水とに分離され、水素は弁Ｖ１６を介して水素タ
ンク１３へ、水は水タンク１２へそれぞれ回収される。

【００７２】一方、排出口ＯＵＴ１から反応セル２外へ
と排出された酸素は、基本的には循環させる必要はない
が、発電時の運転へのスムースな切り替えを考慮して、
ウォーミングのために酸素極側ライン３内を循環され
る。

【００７３】排出口ＯＵＴ１から反応セル２外へと排出
された酸素は、酸素タンク６から常温（約２５℃）の酸
素が供給されている熱交換器８において、その常温の酸
素によって除熱される。排出口ＯＵＴ１から反応セル２
外へと排出された酸素は、排出口ＯＵＴ２から反応セル
２外へと排出された水素と水蒸気との混合体と同様にそ
の温度が約８００℃であったが、熱交換器８において約
８００℃から約３３０℃へと降温された後に、酸素タン
ク６に回収される。なお、弁Ｖ６を開いて大気中に放出
することもできる。

【００７４】一方、熱交換器８において除熱源として用
いられた酸素は、熱交換器８においてその温度が約２５
℃から約７６０℃に昇温され、燃焼器９に送られる。

【００７５】燃焼器９では、弁Ｖ３を介して水素タンク
１０から水素が供給され、熱交換器８側から供給された
酸素と燃焼する。この燃焼によって発生した水蒸気およ
び未燃焼の酸素と水素とは約１０００℃まで加熱され、
導入口ＩＮ１より反応セル２の酸素極側セルＣ１に導入
される。そして、導入された水蒸気、酸素および水素
は、上述した式（２）に基づいて酸素極側セルＣ１にお
いて生成した酸素とともに、排出口ＯＵＴ１から反応セ
ル２外に排出される。

【００７６】なお、前述したように、蓄電時における反
応セル２への酸素の供給は、上述した式（１）、（２）
に示す反応に必須のものではない。

【００７７】次に、発電時における動作について説明す
る。

【００７８】発電時には、弁Ｖ１を開いて酸素タンク６
から酸素を酸素極側ライン３に供給する。なお、後述す
るように、発電時には、反応セル２が発熱反応による熱
によって発熱するので、除熱する必要がある。そのた
め、酸素極側ライン３から、酸素タンク６から供給され
る酸素の他に空気供給系７より冷却用空気を取り込み、
この冷却用空気によって反応セル２が除熱される。な
お、反応セル２の冷却に要する気体（酸素極側ライン３
から供給される酸素および冷却用空気、水素極側ライン
４から供給される水素）は、発電時の運転に必要な気体
（酸素極側ライン３から供給される酸素と、水素極側ラ
イン４から供給される水素）の供給量の約８倍の供給量
が必要である。

【００７９】この酸素と冷却用空気との混合体は、熱交
換器８において常温の約２５℃から約９５０℃にまで昇
温され、その後、燃焼器９を介して導入口ＩＮ１から反
応セル２の酸素極側セルＣ１に導入される。

【００８０】一方、水素極側ライン４においては、水素
タンク１３から水素が供給される。なお、水素極側ライ
ン４内で水素を移動させるために、飽和蒸気をキャリア
として用いるので、弁Ｖ８を開いて水タンク１２より水
素極側ライン４に水が導入され、水素タンク１３から供
給された水素と弁Ｖ１０付近で合流される。

【００８１】このように合流して混合された水素と水と
は、弁Ｖ１０、Ｖ１１を介して熱交換器１７に送られ、
そこで加熱され約２５℃から約２５０℃へと昇温され
る。これによって、水は水蒸気となり、この水蒸気に同
伴することによって水素が効率よく水素極側ライン４内
を移動する。

【００８２】その後、水蒸気と水素との混合体は、弁Ｖ
１３を介して熱交換器１６に送られ、ここで加熱され、
約９５０℃に昇温されて燃焼器１８を介して導入口ＩＮ
２から反応セル２の水素極側セルＣ２に導入される。

【００８３】このようにして反応セル２の酸素極側セル
Ｃ１に酸素が、水素極側セルＣ２に水素がそれぞれ供給
されると、上述した式（３）、（４）に示す反応が生じ
る。

【００８４】すなわち、酸素極Ｘ側では、蓄電時に酸素
極Ｘに蓄積された電子と、酸素極側セルＣ１に供給され
た酸素とが反応し、式（３）に示すようにして酸素イオ
ンが生成される。

【００８５】固体酸化物電解質Ｓ内では、酸素分圧の高
い側から酸素分圧の低い側へと酸素イオンが移動するの
で、酸素が供給されており酸素分圧の高い酸素極側セル
Ｃ１側から、水素が供給されており酸素分圧の低い水素
極側セルＣ２側へと酸素イオンが移動する。

【００８６】この酸素イオンの移動によって酸素極Ｘと
水素極Ｐとの間に電流が発生する。このようにして、発
電時には反応セル２を燃料電池として機能させることが
できる。この電流を導通ラインＬ１、Ｌ２を介して負荷
に供給することができる。

【００８７】このようにして水素極Ｐ側に移動した酸素
イオンは、水素極側セルＣ２に供給されている水素と、
式（４）に従って反応することによって、水と電子とが
生成される。また、この反応は発熱反応であるので、式
（４）で生成した水、導入口ＩＮ２から供給された水素
および水（水蒸気）、導入口ＩＮ１から供給された酸素
および空気は、それぞれ約９５０℃から約１０００℃に
昇温される。

【００８８】導入口ＩＮ１から反応セル２に供給され、
そこで約１０００℃に昇温された酸素および空気は、排
出口ＯＵＴ１から反応セル２外に排出されて熱交換器８
に送られ、そこで常温（約２５℃）にまで冷却される。
その後、弁Ｖ４を介して酸素極側ライン３内を循環し、
酸素タンク６より供給される酸素と合流されて反応セル
２側に再び供給される。また、このとき、必要に応じて
空気供給系７から冷却用空気も供給され合流される。

【００８９】一方、導入口ＩＮ２から反応セル２に供給
され、そこで約１０００℃に昇温された水素および水
（水蒸気）は、排出口ＯＵＴ２から反応セル２外に排出
されて熱交換器１６に送られ、そこで加熱源として用い
られ、自身は除熱され、約３７０℃に降温される。

【００９０】この水素および水（水蒸気）は、更に、弁
Ｖ１５を介して熱交換器１５に送られ、そこでＰＷＲタ
ービン蒸気系５０の蒸気発生器５１で発生された蒸気を
加熱する加熱源として用いられる。

【００９１】熱交換器１５には、ＰＷＲタービン蒸気系
５０の蒸気発生器５１で発生された約２７０℃の過熱蒸
気が取り込まれており、この過熱蒸気は、熱交換器１６
側から弁Ｖ１５を介して送られた約３７０℃の水と水素
との混合体によって加熱され、約２８０℃まで昇温され
て高圧タービン５２に送られる。これによって、ＰＷＲ
の発電効率が高められる。

【００９２】一方、熱交換器１５において加熱源として
用いられた水と水素との混合体は、蒸気発生器５１から
供給される蒸気によって除熱され、約３７０℃から約３
００℃へと降温される。その後、弁Ｖ１２を介して熱交
換器１７に送られ、ここでも加熱源として用いられ、自
身は除熱され、約３００℃から約１９５℃へと降温され
る。更にその後、弁Ｖ１７を介してセパレータ２０に送
られ、そこで水素と水とに分離され、水素は弁Ｖ１６を
介して水素タンク１３へ、水は水タンク１２へそれぞれ
回収される。

【００９３】上述したように、本発明の実施の形態に係
る蓄発電装置においては、上記のような作用により、燃
焼器１８において予め昇温した水を反応セル２に供給す
ることができ、もって、蓄電時においてなされる水の電
気分解反応を効率よく引き起こすことができる。これに
よって、蓄発電効率を高めることが可能となる。

【００９４】また、熱交換器１５に、ＰＷＲタービン蒸
気系５０の蒸気発生器５１で生成された蒸気を取り込む
ことによって、蓄電時には、この蒸気を加熱源として水
と水素との混合体の加熱に用い、また発電時には、この
蒸気を加熱して高圧タービン５２に戻すことができる。

【００９５】すなわち、電力消費量の少ない夜間にはＰ
ＷＲタービン蒸気系５０の蒸気発生器５１で生成された
過熱蒸気の熱エネルギーを蓄電に利用する一方、電力消
費量の多い昼間には蓄電したエネルギーを放出して発電
すると共に、このエネルギーを用いて、ＰＷＲタービン
蒸気系５０の蒸気発生器５１で生成された過熱蒸気を加
熱して高圧タービン５２に戻す。

【００９６】これによって、蓄電時には、蓄電に必要な
水を効率よく加熱することが可能となり、発電時には、
自身で発電を行うのみならず、発電所の発電効率をも高
めることが可能となる。

【００９７】なお、本発明の実施の形態では、蓄発電装
置１を既設のＰＷＲに併設し、ＰＷＲの蒸気発生器５１
で生成された蒸気を蓄発電装置１の熱交換器１５に取り
込む例を示したが、既設の発電所は、ＰＷＲに限るもの
ではない。例えば、本発明の実施の形態に係る蓄発電装
置１を既設の火力発電所に併設し、火力発電所の蒸気発
生器で生成された蒸気を蓄発電装置１の熱交換器１５に
取り込むようにしても良い。

【００９８】本発明の実施の形態に係る蓄発電装置は、
このように既設の発電所に併設することができるもので
あるために、立地に制約を受けることもなく、かつ騒
音、振動等も伴うこともなく発電所の発電効率を高める
と共に、昼夜の電力消費量格差へ迅速に対応することも
可能となる。

【００９９】以上、本発明の好適な発明の実施の形態に
ついて、添付図面を参照しながら説明したが、本発明は
かかる構成に限定されない。特許請求の範囲に記載され
た技術的思想の範疇において、当業者であれば、各種の
変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更
例及び修正例についても本発明の技術的範囲に属するも
のと了解される。

【０１００】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
蓄電時には、水を電気分解して得られる電子を貯蔵する
ことにより蓄電を行う一方、発電時には、この電子を用
いて発電を行う蓄発電装置に、電気分解に供する水を加
熱する燃焼器を設け、あらかじめ高温に加熱された水を
用いて電気分解を行う。

【０１０１】これによって、水の電気分解効率を上げる
ことができ、もって、蓄発電効率を高めることができる
蓄発電装置を提供することが可能となる。

【０１０２】また、このような蓄発電装置を、既存の発
電所のタービン蒸気系に併設し、電力消費量の少ない夜
間には発電所のタービン蒸気の熱エネルギーを利用して
蓄電する一方、電力消費量の多い昼間には蓄電したエネ
ルギーを放出して発電することができる。

【０１０３】これによって、立地に制約を受けることも
なく、かつ騒音、振動等も伴うことなく発電所の発電効
率を高めると共に、電力消費量格差への対応を迅速に行
うことができる蓄発電装置を提供することが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る蓄発電装置の構成の
一例を示す系統図（蓄電時）。

【図２】本発明の実施の形態に係る蓄発電装置の構成の
一例を示す系統図（発電時）。

【図３】反応セルの断面構成図。

【図４】反応セルにおいて引き起こる反応のメカニズム
を示す概念図。

【符号の説明】

１…蓄発電装置、２…反応セル、３…酸素極側ライン、４…水素極側ライン、６、１９…酸素タンク、７…空気供給系、８、１４〜１７…熱交換器、９、１８…燃焼器、１０、１３…水素タンク、１２…水タンク、２０…セパレータ、５０…ＰＷＲタービン蒸気系、５１…蒸気発生器、５２…高圧タービン、５３…低圧タービン、５４…給水加熱器、５５…脱気器、５６…給水ポンプ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者上田三男広島県広島市西区横川新町９丁目12番中外テクノス株式会社内Ｆターム(参考） 5H026 AA06 5H027 AA06 BA11 BC01 CC02 CC06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固体電解質と、前記固体電解質の両側に
前記固体電解質を挟むように設けられた正負一対となっ
た電極とを備え、蓄電時には、負電極側で水を電気分解
することによって酸素イオンを生成し、前記生成した酸
素イオンを酸化させることによって電子を生成し、前記
生成した電子を正電極側に蓄積することによって蓄電
し、発電時には、前記蓄積された電子を前記正電極側に
おいて酸素と反応させて酸素イオンを生成し、前記生成
した酸素イオンを前記正電極側から前記負電極側へと前
記固体電解質内を移動させることによって、前記正電極
と前記負電極とを導通させて発電する反応セルを有した
蓄発電装置において、水素と酸素とを発熱反応させ、この発熱反応によって発
生した熱エネルギーを用いて水を加熱し、この加熱され
た水を、前記電気分解に供される水として前記反応セル
に供給する燃焼手段を備えたことを特徴とする蓄発電装
置。
【請求項２】請求項１に記載の蓄発電装置において、前記反応セルは、発電時に生成された酸素イオンを水素
と反応させることによって水を生成し、前記蓄電時には、水素と水とを加熱して、前記加熱され
た水素を前記発熱反応に供される水素として、前記加熱
された水を前記発熱反応によって発生した熱エネルギー
によって加熱される水として前記燃焼手段に供給すると
ともに、前記発電時には、前記反応セルにおいて生成し
た水を冷却する加熱冷却手段を備えたことを特徴とする
蓄発電装置。
【請求項３】請求項２に記載の蓄発電装置において、前記加熱冷却手段は、発電所のタービンに供給される蒸
気を用いて、前記蓄電時には前記水素と前記水とを加熱
し、前記発電時には前記反応セルにおいて生成した水を
冷却するようにしたことを特徴とする蓄発電装置。
【請求項４】請求項２に記載の蓄発電装置において、前記加熱冷却手段は、前記反応セルから放出される水、
水素、酸素のうちの少なくともいずれかを含んだガスを
用いて、前記反応セル側に供給される水、水素、酸素の
うちの少なくともいずれかを加熱するようにしたことを
特徴とする蓄発電装置。