JP2012252877A - Rechargeable fuel cell system - Google Patents

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勝一 浦谷
Masayuki Kamiyama
雅之 上山
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寛子 大森
Yoshiyuki Okano
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a rechargeable fuel cell system capable of inhibiting reduction in power generation efficiency and charge efficiency.SOLUTION: The rechargeable fuel cell system comprises: a hydrogen generator 1 generating hydrogen by oxidation reaction with water and capable of being renewed by reduction reaction with hydrogen; a fuel cell device 2 having the function of generating electricity by using hydrogen supplied by the hydrogen generator 1 for fuel, and the function of electrolyzing water to generate hydrogen to be supplied to the hydrogen generator 1; gas channels 5A and 5B for circulating a gas containing hydrogen and water vapor between the hydrogen generator 1 and the fuel cell device 2; and first to fourth heaters H1-H4 providing the gas channels 5A and 5B with a temperature gradient.

Description

本発明は、発電動作だけでなく充電動作も行える2次電池型燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a secondary battery type fuel cell system capable of performing not only a power generation operation but also a charging operation.

近年、携帯電話、携帯型情報端末、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯型オーディオ、携帯型ビジュアル機器等の携帯用電子機器の多機能化、高性能化が進展するに伴い、その駆動用電池の大容量化に対する要求が高まってきている。従来、このような携帯用電子機器の駆動用電池としては、リチウム電池やニッカド電池が用いられているが、その容量は、限界に近づいており飛躍的な増大は望めない。そこで、リチウム電池やニッカド電池に代わりエネルギー密度が高く大容量化が可能な燃料電池の開発が盛んに行われている。   In recent years, as multi-functional and high-performance portable electronic devices such as mobile phones, portable information terminals, notebook personal computers, portable audio devices, and portable visual devices have advanced, the capacity of the drive batteries has increased. There is an increasing demand for conversion. Conventionally, lithium batteries and nickel-cadmium batteries have been used as driving batteries for such portable electronic devices, but their capacities are approaching their limits and cannot be expected to increase dramatically. Therefore, fuel cells having high energy density and high capacity are being actively developed in place of lithium batteries and nickel-cadmium batteries.

燃料電池は、水素と酸素から水を生成した際に電力を取り出すものであり、原理的に取り出せる電力エネルギーの効率が高いため、省エネルギーになるだけでなく、発電時の排出物が水のみであるため、環境に優れた発電方式であり、地球規模でのエネルギーや環境問題解決の切り札として期待されている。   Fuel cells take out electric power when water is generated from hydrogen and oxygen, and in principle, the efficiency of electric power energy that can be taken out is high, which not only saves energy, but also produces only water during power generation. Therefore, it is an environmentally friendly power generation method and is expected as a trump card for solving global energy and environmental problems.

このような燃料電池は、例えば、固体ポリマーイオン交換膜を用いた固体高分子電解質膜、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)を用いた固体酸化物電解質膜等を燃料極(アノード)と酸化剤極(カソード)とで両側から挟み込んだものを1つのセル構成としている。そして、このような構成のセルには、燃料極に燃料ガス(例えば水素ガス)を供給する燃料ガス流路と、酸化剤極に酸化剤ガス(例えば酸素や空気)を供給する酸化剤ガス流路とが設けられ、これらの流路を介して燃料ガス、酸化剤ガスがそれぞれ燃料極、酸化剤極に供給されることにより発電が行われる。   Such fuel cells include, for example, a solid polymer electrolyte membrane using a solid polymer ion exchange membrane, a solid oxide electrolyte membrane using yttria-stabilized zirconia (YSZ), and the like as a fuel electrode (anode) and an oxidizer electrode ( One cell structure is sandwiched between both sides of the cathode). In the cell having such a configuration, a fuel gas flow path for supplying a fuel gas (for example, hydrogen gas) to the fuel electrode, and an oxidant gas flow for supplying an oxidant gas (for example, oxygen or air) to the oxidant electrode. The fuel gas and the oxidant gas are supplied to the fuel electrode and the oxidant electrode through these flow paths, respectively, and electricity is generated.

ところが、外部から燃料が供給される燃料電池装置では、燃料(例えば水素)を供給するためのインフラ整備が必要である。また、燃料として比較的入手が容易なメタノールを用いる場合においてもその流通には年月を要するといった問題がある。   However, in a fuel cell device to which fuel is supplied from the outside, infrastructure for supplying fuel (for example, hydrogen) is required. Even when methanol, which is relatively easy to obtain, is used as a fuel, there is a problem that it takes years to circulate.

特開2004−327060号公報(要約)JP 2004-327060 A (summary)

このような問題に対応するためのシステムとして、水との酸化反応により水素を発生し水素との還元反応により再生可能な水素発生部と、前記水素発生部から供給される水素を燃料にして発電を行う発電機能及び前記水素発生部に供給する水素を生成するための水の電気分解を行う電気分解機能を有する発電・電気分解部との間で、水素及び水蒸気を含むガスを循環させる構成の2次電池型燃料電池システムが考えられる。   As a system for dealing with such problems, a hydrogen generation unit that generates hydrogen by an oxidation reaction with water and can be regenerated by a reduction reaction with hydrogen, and power generation using hydrogen supplied from the hydrogen generation unit as fuel A gas containing hydrogen and water vapor is circulated between the power generation function for performing the electrolysis and the power generation / electrolysis section having the electrolysis function for electrolyzing water for generating hydrogen to be supplied to the hydrogen generation unit. A secondary battery type fuel cell system is conceivable.

このような構成の2次電池型燃料電池システムは、発電時に前記水素発生部が水蒸気を消費して水素を発生させ前記発電・電気分解部が水素を消費して水蒸気を発生させ、充電時に前記水素発生部が水素を消費して水蒸気を発生させ前記発電・電気分解部が水蒸気を消費して水素を発生させる。したがって、前記水素発生部と前記発電・電気分解部との間を循環する水素及び水蒸気を含むガスの流量が少ないと、発電時には前記発電・電気分解部に供給される水素が少なくなり前記発電・電気分解部での拡散損失が大きくなって発電効率が低下し、充電時には前記発電・電気分解部に供給される水蒸気が少なくなり前記発電・電気分解部での拡散損失が大きくなって充電効率が低下する。   In the secondary battery type fuel cell system configured as described above, the hydrogen generating unit consumes water vapor to generate hydrogen during power generation, the power generation / electrolysis unit consumes hydrogen to generate water vapor, and The hydrogen generation unit consumes hydrogen to generate water vapor, and the power generation / electrolysis unit consumes water vapor to generate hydrogen. Therefore, if the flow rate of the gas containing hydrogen and water vapor circulating between the hydrogen generation unit and the power generation / electrolysis unit is small, the amount of hydrogen supplied to the power generation / electrolysis unit during power generation decreases and the power generation / electrolysis unit decreases. The diffusion loss at the electrolysis unit increases and the power generation efficiency decreases.At the time of charging, less water vapor is supplied to the power generation / electrolysis unit, and the diffusion loss at the power generation / electrolysis unit increases and the charging efficiency increases. descend.

なお、特許文献1には、高圧水素ボンベから燃料電池スタックへ供給される燃料ガス(水素ガス)の流量を減圧弁によって制御する燃料電池システム、すなわち高圧水素ボンベの圧力を利用して燃料ガスの流量を確保する燃料電池システムが開示されている。上記構成の2次電池型燃料電池システムは、水素発生部に高圧水素ボンベを用いる形態ではないため、特許文献1に開示されている燃料電池システムのように高圧水素ボンベの圧力を利用して燃料ガスの流量を確保することはできない。   Patent Document 1 discloses a fuel cell system in which the flow rate of fuel gas (hydrogen gas) supplied from a high-pressure hydrogen cylinder to a fuel cell stack is controlled by a pressure reducing valve, that is, the pressure of the fuel gas using the pressure of the high-pressure hydrogen cylinder. A fuel cell system that secures a flow rate is disclosed. Since the secondary battery type fuel cell system having the above-described configuration is not in the form of using a high-pressure hydrogen cylinder for the hydrogen generation unit, the fuel using the pressure of the high-pressure hydrogen cylinder as in the fuel cell system disclosed in Patent Document 1 is used. The gas flow rate cannot be secured.

本発明は、上記の状況に鑑み、発電効率及び充電効率の低下を抑えることができる2次電池型燃料電池システムを提供することを目的とする。   An object of this invention is to provide the secondary battery type fuel cell system which can suppress the fall of electric power generation efficiency and charging efficiency in view of said situation.

上記目的を達成するために本発明に係る2次電池型燃料電池システムは、化学反応によって燃料を放出することができ、前記燃料が生成される化学反応の逆反応によって再生可能な燃料発生部と、前記燃料発生部から供給される前記燃料を用いて発電を行う発電機能及び前記燃料発生部の再生時に前記燃料発生部から供給される前記逆反応の生成物を電気分解する電気分解機能を有する発電・電気分解部とを備え、前記燃料発生部と前記発電・電気分解部との間で前記燃料を含むガスを循環させるためのガス流路と、前記ガス流路に温度勾配をつける加熱装置とを備える構成(第1の構成)とする。なお、前記発電・電気分解部は、例えば、前記燃料発生部から供給される前記燃料を用いて発電を行う発電動作と、前記燃料発生部の再生時に前記燃料発生部から供給される前記逆反応の生成物を電気分解する電気分解動作とを切り替える燃料電池を備える構成であってもよく、また、例えば、前記燃料発生部から供給される前記燃料を用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料発生部の再生時に前記燃料発生部から供給される前記逆反応の生成物を電気分解する電気分解器とを別個に備える構成であってもよい。   In order to achieve the above object, a secondary battery type fuel cell system according to the present invention can release fuel by a chemical reaction, and can be regenerated by a reverse reaction of the chemical reaction to generate the fuel. A power generation function for generating power using the fuel supplied from the fuel generation unit, and an electrolysis function for electrolyzing the product of the reverse reaction supplied from the fuel generation unit during regeneration of the fuel generation unit A gas flow path for circulating a gas containing the fuel between the fuel generation section and the power generation / electrolysis section, and a heating device for creating a temperature gradient in the gas flow path It is set as the structure (1st structure) provided with these. Note that the power generation / electrolysis unit includes, for example, a power generation operation that generates power using the fuel supplied from the fuel generation unit, and the reverse reaction supplied from the fuel generation unit during regeneration of the fuel generation unit. The fuel cell may be configured to switch between an electrolysis operation for electrolyzing the product of the fuel, and, for example, a fuel cell that generates power using the fuel supplied from the fuel generator, and the fuel A configuration may be provided that separately includes an electrolyzer that electrolyzes the product of the reverse reaction supplied from the fuel generator during regeneration of the generator.

このような構成によると、前記ガス流路に温度勾配をつけることで、前記ガス流路を循環する前記燃料を含むガスの流量を増やすことができる。これにより、発電時には前記発電・電気分解部に供給される前記燃料が多くなり前記発電・電気分解部での拡散損失が小さくなるので発電効率の低下を抑えることができ、充電時には前記発電・電気分解部に供給される前記逆反応の生成物が多くなり前記発電・電気分解部での拡散損失が小さくなるので充電効率の低下を抑えることができる。   According to such a configuration, it is possible to increase the flow rate of the gas including the fuel that circulates in the gas flow path by providing a temperature gradient in the gas flow path. As a result, the amount of fuel supplied to the power generation / electrolysis unit increases during power generation and diffusion loss in the power generation / electrolysis unit decreases, so that a decrease in power generation efficiency can be suppressed. Since the product of the reverse reaction supplied to the decomposition unit increases and the diffusion loss in the power generation / electrolysis unit decreases, it is possible to suppress a decrease in charging efficiency.

また、上記第1の構成の2次電池型燃料電池システムにおいて、前記発電・電気分解部から出力される電力及び前記発電・電気分解部に供給される電力を監視する電力監視部と、前記電力監視部の監視結果に基づいて前記温度勾配の量を決定し、決定した前記温度勾配の量に応じて前記加熱装置を制御する温度調整部とを備える構成(第2の構成)にしてもよい。   Further, in the secondary battery type fuel cell system having the first configuration, a power monitoring unit that monitors power output from the power generation / electrolysis unit and power supplied to the power generation / electrolysis unit, and the power A temperature adjustment unit that determines the amount of the temperature gradient based on the monitoring result of the monitoring unit and controls the heating device according to the determined amount of the temperature gradient may be configured (second configuration). .

このような構成によると、前記発電・電気分解部の電流が増加した場合、前記温度勾配の量を増加させることで、前記発電・電気分解部で発生する損失の増加を抑えることができる。   According to such a configuration, when the current of the power generation / electrolysis unit increases, an increase in loss generated in the power generation / electrolysis unit can be suppressed by increasing the amount of the temperature gradient.

また、上記第2の構成の2次電池型燃料電池システムにおいて、前記温度調整部が、前記発電・電気分解部の拡散損失と前記加熱装置に投入するエネルギーとの合計が最小になるように前記温度勾配の量を決定する構成(第3の構成)にしてもよい。   Further, in the secondary battery type fuel cell system of the second configuration, the temperature adjustment unit is configured to minimize the total of the diffusion loss of the power generation / electrolysis unit and the energy input to the heating device. A configuration for determining the amount of the temperature gradient (third configuration) may be adopted.

このような構成によると、前記加熱装置に投入するエネルギーを考慮した発電効率及び充電効率の向上を図ることができる。   According to such a configuration, it is possible to improve the power generation efficiency and the charging efficiency in consideration of the energy input to the heating device.

また、上記第1〜3のいずれかの構成の2次電池型燃料電池システムにおいて、前記発電・電気分解部を固体酸化物燃料電池にしてもよい。   In the secondary battery type fuel cell system having any one of the first to third configurations, the power generation / electrolysis unit may be a solid oxide fuel cell.

本発明によると、発電効率及び充電効率の低下を抑えることができる2次電池型燃料電池システムを実現することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the secondary battery type fuel cell system which can suppress the fall of electric power generation efficiency and charging efficiency is realizable.

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。It is a mimetic diagram showing a schematic structure of a fuel cell system concerning one embodiment of the present invention. システムの発電動作時における固体酸化物燃料電池と外部負荷との接続関係を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the connection relationship of the solid oxide fuel cell and external load at the time of the electric power generation operation | movement of a system. システムの充電動作時における固体酸化物燃料電池と外部電源との接続関係を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the connection relationship of the solid oxide fuel cell and external power supply at the time of charge operation of a system. 発電時における燃料電池装置の電流−電圧特性を示す図である。It is a figure which shows the current-voltage characteristic of the fuel cell apparatus at the time of electric power generation. 発電時における燃料電池装置の拡散損失及びヒーターに投入するエネルギーとガス流路の温度勾配特性との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the diffusion loss of the fuel cell apparatus at the time of electric power generation, the energy thrown into a heater, and the temperature gradient characteristic of a gas flow path. 本発明の他の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows schematic structure of the fuel cell system which concerns on other embodiment of this invention. 本発明の更に他の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows schematic structure of the fuel cell system which concerns on further another embodiment of this invention.

本発明の実施形態について図面を参照して以下に説明する。尚、本発明は、後述する実施形態に限られない。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. The present invention is not limited to the embodiments described later.

本発明の一実施形態に係る2次電池型燃料電池システムの全体構成を図1に示す。図1に示す本発明の一実施形態に係る2次電池型燃料電池システムは、水との酸化反応により水素を発生し、水素との還元反応により再生可能な水素発生装置1と、酸素を含む酸化剤と水素発生装置1から供給される水素との反応により発電を行う燃料電池装置2と、水素発生装置1を収容する容器3と、燃料電池装置2を収容する容器4と、水素発生装置1と燃料電池装置2との間で水素及び水蒸気を含むガスを循環させるためのガス流路5A及び5Bとを備えている。なお、容器3の内部空間は、ガス流路5Aの水素発生装置側端部とガス流路5Bの水素発生装置側端部とを連通するガス流路として機能し、容器4の容器内壁と燃料極8とで囲まれる内部空間は、ガス流路5Aの燃料電池装置側端部とガス流路5Bの燃料電池装置側端部とを連通するガス流路として機能する。   FIG. 1 shows an overall configuration of a secondary battery type fuel cell system according to an embodiment of the present invention. The secondary battery type fuel cell system according to one embodiment of the present invention shown in FIG. 1 includes a hydrogen generator 1 that generates hydrogen by an oxidation reaction with water and can be regenerated by a reduction reaction with hydrogen, and oxygen. A fuel cell device 2 that generates power by a reaction between an oxidant and hydrogen supplied from the hydrogen generator 1, a container 3 that houses the hydrogen generator 1, a container 4 that houses the fuel cell device 2, and a hydrogen generator Gas flow paths 5A and 5B for circulating a gas containing hydrogen and water vapor between 1 and the fuel cell device 2 are provided. The internal space of the container 3 functions as a gas flow path that communicates the hydrogen generator side end of the gas flow path 5A and the hydrogen generator side end of the gas flow path 5B, and the inner wall of the container 4 and the fuel The internal space surrounded by the pole 8 functions as a gas flow path that connects the end of the gas flow path 5A on the fuel cell device side and the end of the gas flow path 5B on the fuel cell apparatus side.

水素発生装置1としては、例えば、基材料(主成分)が鉄である微粒子圧縮体からなる水素発生装置を用いることができる。また、図1では、燃料電池装置2の一例として、O2−を透過する固体電解質6を挟み、両側にそれぞれ酸化剤極7と燃料極8が形成されているMEA(Membrane Electrode Assembly;膜・電極接合体)構造をなす固体酸化物燃料電池を図示している。なお、図1では、MEAを1つだけ設けた構造を図示しているが、MEAを複数設けたり、さらに複数のMEAを積層構造にしたりしてもよい。 As the hydrogen generator 1, for example, a hydrogen generator made of a compressed fine particle whose base material (main component) is iron can be used. In FIG. 1, as an example of the fuel cell device 2, an MEA (Membrane Electrode Assembly) in which a solid electrolyte 6 that transmits O 2− is sandwiched and an oxidant electrode 7 and a fuel electrode 8 are formed on both sides, respectively. 1 illustrates a solid oxide fuel cell having an (electrode assembly) structure. Although FIG. 1 illustrates a structure in which only one MEA is provided, a plurality of MEAs may be provided, or a plurality of MEAs may be stacked.

システムの発電時に固体酸化物燃料電池は図2に示すように電力監視部9を介して外部負荷100に接続される。なお、電力監視部9の詳細は後述する。固体酸化物燃料電池では、システムの発電時に、燃料極8において下記の(1)式の反応が起こる。
+O2−→HO+2e …(1)
At the time of power generation of the system, the solid oxide fuel cell is connected to the external load 100 via the power monitoring unit 9 as shown in FIG. Details of the power monitoring unit 9 will be described later. In the solid oxide fuel cell, the following reaction (1) occurs at the fuel electrode 8 during power generation of the system.
H 2 + O 2− → H 2 O + 2e (1)

上記の(1)式の反応によって生成された電子は、電力監視部9及び外部負荷100を通って、酸化剤極7に到達し、酸化剤極7において下記の(2)式の反応が起こる。
1/2O+2e→O2− …(2)
Electrons generated by the reaction of the above formula (1) pass through the power monitoring unit 9 and the external load 100 and reach the oxidant electrode 7, and the following reaction of the formula (2) occurs at the oxidant electrode 7. .
1 / 2O 2 + 2e → O 2− (2)

そして、上記の(2)式の反応によって生成された酸素イオンは、固体電解質6を通って、燃料極8に到達する。上記の一連の反応を繰り返すことにより、固体酸化物燃料電池が発電動作を行うことになる。また、上記の(1)式から分かるように、発電動作時には、燃料極8側においてHが消費されHOが生成されることになる。 Then, oxygen ions generated by the reaction of the above formula (2) pass through the solid electrolyte 6 and reach the fuel electrode 8. By repeating the above series of reactions, the solid oxide fuel cell performs a power generation operation. Further, as can be seen from the above equation (1), during the power generation operation, H 2 is consumed and H 2 O is generated on the fuel electrode 8 side.

上記の(1)式及び(2)式より、発電動作時における固体酸化物燃料電池での反応は下記の(3)式の通りになる。
+1/2O→HO …(3)
From the above formulas (1) and (2), the reaction in the solid oxide fuel cell during the power generation operation is as shown in the following formula (3).
H 2 + 1 / 2O 2 → H 2 O (3)

一方、基材料(主成分)が鉄である水素発生装置1は、下記の(4)式に示す酸化反応により、システムの発電時に燃料電池装置2の燃料極8側で生成されたHOを消費してHを生成することができる。
3Fe+4HO→Fe+4H …(4)
On the other hand, the hydrogen generator 1 whose base material (main component) is iron is H 2 O generated on the fuel electrode 8 side of the fuel cell device 2 during power generation of the system by an oxidation reaction represented by the following equation (4). To generate H 2 .
3Fe + 4H 2 O → Fe 3 O 4 + 4H 2 (4)

上記の(4)式に示す鉄の酸化反応が進むと、鉄から酸化鉄への変化が進んで鉄残量が減っていくが、上記の(4)式の逆反応(還元反応)により、水素発生装置1を再生することができ、システムを充電することができる。   When the oxidation reaction of iron shown in the above formula (4) proceeds, the change from iron to iron oxide proceeds and the remaining amount of iron decreases, but by the reverse reaction (reduction reaction) of the above formula (4), The hydrogen generator 1 can be regenerated and the system can be charged.

システムの充電時に固体酸化物燃料電池は図3に示すように電力監視部9を介して外部電源200に接続される。固体酸化物燃料電池装置では、システムの充電時に、上記の(3)式の逆反応である下記の(5)式に示す電気分解反応が起こり、燃料極8側においてHOが消費されHが生成され、基材料(主成分)が鉄である水素発生装置1では、上記の(4)式に示す酸化反応の逆反応である下記(6)式に示す還元反応が起こり、燃料電池装置2の燃料極8側で生成されたHが消費されHOが生成される。
O→H+1/2O …(5)
Fe+4H→3Fe+4HO …(6)
When the system is charged, the solid oxide fuel cell is connected to the external power source 200 via the power monitoring unit 9 as shown in FIG. In the solid oxide fuel cell device, when the system is charged, an electrolysis reaction shown in the following formula (5), which is a reverse reaction of the above formula (3), occurs, and H 2 O is consumed on the fuel electrode 8 side. In the hydrogen generator 1 in which 2 is generated and the base material (main component) is iron, the reduction reaction shown in the following formula (6), which is the reverse reaction of the oxidation reaction shown in the above formula (4), occurs, and the fuel cell H 2 generated on the fuel electrode 8 side of the device 2 is consumed and H 2 O is generated.
H 2 O → H 2 + 1 / 2O 2 (5)
Fe 3 O 4 + 4H 2 → 3Fe + 4H 2 O (6)

なお、例えば500℃の場合、水素発生装置1が収容されている容器3内では水蒸気分圧比10%、水素分圧比90%の平衡状態になるので、水蒸気の割合が少なく水素の割合が多い水蒸気と水素との混合ガスが水素発生装置1から燃料電池装置2に供給される。   For example, in the case of 500 ° C., the water vapor partial pressure ratio is 10% and the hydrogen partial pressure ratio is 90% in an equilibrium state in the container 3 in which the hydrogen generator 1 is accommodated. A gas mixture of hydrogen and hydrogen is supplied from the hydrogen generator 1 to the fuel cell device 2.

図1に示す本発明の一実施形態に係る2次電池型燃料電池システムは、さらに、電力監視部9と、温度調整部10と、第1ヒーターH1と、第2ヒーターH2と、第3ヒーターH3と、第4ヒーターH4と、第1温度センサーT1と、第2温度センサーT2と、第3温度センサーT3と、第4温度センサーT4とを備えている。   The secondary battery type fuel cell system according to one embodiment of the present invention shown in FIG. 1 further includes a power monitoring unit 9, a temperature adjusting unit 10, a first heater H1, a second heater H2, and a third heater. H3, 4th heater H4, 1st temperature sensor T1, 2nd temperature sensor T2, 3rd temperature sensor T3, and 4th temperature sensor T4 are provided.

電力監視部9は、システムの発電時には燃料電池装置2から出力される発電電力を監視し、システムの充電時には燃料電池装置2に供給される充電電力を監視し、監視結果を温度調整部10に送る。   The power monitoring unit 9 monitors the generated power output from the fuel cell device 2 during power generation of the system, monitors the charging power supplied to the fuel cell device 2 during charging of the system, and sends the monitoring result to the temperature adjustment unit 10. send.

第1ヒーターH1はガス流路5Bの水素発生装置側端部近傍を加熱し、第1温度センサーT1はガス流路5Bの水素発生装置側端部近傍の温度Tを検出する。第2ヒーターH2はガス流路5Aの水素発生装置側端部近傍を加熱し、第2温度センサーT2はガス流路5Aの水素発生装置側端部近傍の温度Tを検出する。第3ヒーターH3はガス流路5Aの燃料電池装置側端部近傍を加熱し、第3温度センサーT3はガス流路5Aの燃料電池装置側端部近傍の温度Tを検出する。第4ヒーターH4はガス流路5Bの燃料電池装置側端部近傍を加熱し、第4温度センサーT4はガス流路5Bの燃料電池装置側端部近傍の温度Tを検出する。 First heater H1 is heated hydrogen generator side end portion of the gas flow path 5B, the first temperature sensor T1 detects the temperature T 1 of the hydrogen generating apparatus around the edge of the gas passage 5B. The second heater H2 to heat the hydrogen generator side end portion of the gas flow path 5A, the second temperature sensor T2 for detecting the temperature T 2 of the hydrogen generating apparatus around the edge of the gas passage 5A. The third heater H3 heats the fuel cell device side end portion of the gas flow path 5A, the third temperature sensor T3 detects the temperature T 3 of the fuel cell device side end portion of the gas passage 5A. The fourth heater H4 heats the fuel cell device side end portion of the gas flow path 5B, the fourth temperature sensor T4 detects the temperature T 4 of the fuel cell device side end portion of the gas passage 5B.

温度調整部10は、第1〜第4温度センサーT1〜T4の検出温度T〜Tを参照しながら、T>T>T>Tになるように第1〜第4ヒーターH1〜H4を制御する。 The temperature adjustment unit 10 refers to the detected temperatures T 1 to T 4 of the first to fourth temperature sensors T 1 to T 4 , so that T 1 > T 2 > T 3 > T 4. H1 to H4 are controlled.

>Tであるため、ガス流路5Bの水素発生装置側端部近傍に存在する水蒸気と水素との混合ガスが、熱拡散によってガス流路5Aの水素発生装置側端部近傍に移動する。この移動の際、システムの発電時であれば水素発生装置1での酸化反応により混合ガスにおける水素の割合が増加し、システムの充電時であれば水素発生装置1での還元反応により混合ガスにおける水蒸気の割合が増加する。 Since T 1 > T 2 , the mixed gas of water vapor and hydrogen existing in the vicinity of the hydrogen flow generator side end of the gas flow path 5B moves to the vicinity of the hydrogen flow generator side end of the gas flow path 5A by thermal diffusion. To do. At the time of this movement, the ratio of hydrogen in the mixed gas increases due to the oxidation reaction in the hydrogen generator 1 if the system is generating power, and in the mixed gas due to the reduction reaction in the hydrogen generator 1 if the system is charged. The proportion of water vapor increases.

また、T>Tであるため、ガス流路5Aの水素発生装置側端部近傍に存在する水蒸気と水素との混合ガスが、熱拡散によってガス流路5Aの燃料電池装置側端部近傍に移動する。 Further, since T 2 > T 3 , the mixed gas of water vapor and hydrogen existing in the vicinity of the end of the gas flow channel 5A on the hydrogen generator side is near the end of the gas flow channel 5A on the side of the fuel cell device due to thermal diffusion. Move to.

また、T>Tであるため、ガス流路5Aの燃料電池装置側端部近傍に存在する水蒸気と水素との混合ガスが、熱拡散によってガス流路5Bの燃料電池装置側端部近傍に移動する。この移動の際、システムの発電時であれば燃料電池装置2での発電反応により混合ガスにおける水素の割合が減少し、システムの充電時であれば燃料電池装置2での電気分解反応により混合ガスにおける水蒸気の割合が減少する。 Further, since T 3 > T 4 , the mixed gas of water vapor and hydrogen existing in the vicinity of the end of the gas flow path 5A on the fuel cell device side is near the end of the gas flow path 5B on the side of the fuel cell apparatus due to thermal diffusion Move to. During this movement, the proportion of hydrogen in the mixed gas decreases due to a power generation reaction in the fuel cell device 2 if the system is generating power, and the mixed gas is generated by an electrolysis reaction in the fuel cell device 2 if the system is charged. The proportion of water vapor in is reduced.

上述の通り、ガス流路5Bの水素発生装置側端部近傍に存在する水蒸気と水素との混合ガスが熱拡散によってガス流路5Aの水素発生装置側端部近傍に移動しているため、ガス流路5Bの燃料電池装置側端部近傍ではガス濃度が薄くなっている。このため、ガス流路5Bの燃料電池装置側端部近傍に存在する水蒸気と水素との混合ガスが、濃度拡散によってガス流路5Bの水素発生装置側端部近傍に移動する。   As described above, since the mixed gas of water vapor and hydrogen existing in the vicinity of the end of the gas flow channel 5B near the hydrogen generator moves to the vicinity of the end of the gas flow channel 5A in the gas flow channel 5A due to thermal diffusion, The gas concentration is thin in the vicinity of the end of the flow path 5B on the fuel cell device side. For this reason, the mixed gas of water vapor and hydrogen existing in the vicinity of the end of the gas flow path 5B on the fuel cell device side moves to the vicinity of the end of the gas flow path 5B on the hydrogen generator side by concentration diffusion.

上記のように、水素発生装置1と燃料電池装置2との間で水素及び水蒸気を含むガスを循環させるためのガス流路に温度勾配をつけることで、当該ガス流路を循環する水素及び水蒸気を含むガスの流量を増やすことができる。これにより、発電時には前記発電・電気分解部に供給される水素が多くなり前記発電・電気分解部での拡散損失が小さくなるので発電効率の低下を抑えることができ、充電時には前記発電・電気分解部に供給される水蒸気が多くなり前記発電・電気分解部での拡散損失が小さくなるので充電効率の低下を抑えることができる。   As described above, by providing a temperature gradient in the gas flow path for circulating the gas containing hydrogen and water vapor between the hydrogen generator 1 and the fuel cell device 2, the hydrogen and water vapor circulated through the gas flow path. The flow rate of gas containing can be increased. This increases the amount of hydrogen supplied to the power generation / electrolysis unit during power generation and reduces the diffusion loss in the power generation / electrolysis unit, so that a decrease in power generation efficiency can be suppressed. Since the amount of water vapor supplied to the unit increases and the diffusion loss in the power generation / electrolysis unit decreases, the reduction in charging efficiency can be suppressed.

また、温度調整部10は、電力監視部9の監視結果に基づいて、水素発生装置1と燃料電池装置2との間で水素及び水蒸気を含むガスを循環させるためのガス流路につける各温度勾配の量(T−T、T−T、T−T)を決定し、その決定した温度勾配の量に応じて第1〜第4ヒーターH1〜H4を制御する。 In addition, the temperature adjusting unit 10 is configured so that each temperature applied to a gas flow path for circulating a gas containing hydrogen and water vapor between the hydrogen generator 1 and the fuel cell device 2 based on the monitoring result of the power monitoring unit 9. The amount of gradient (T 1 -T 2 , T 2 -T 3 , T 3 -T 4 ) is determined, and the first to fourth heaters H1 to H4 are controlled according to the determined amount of temperature gradient.

図4は、発電時における燃料電池装置2の電流−電圧特性を示す図である。図4において、特生線IV1は水素発生装置1と燃料電池装置2との間で水素及び水蒸気を含むガスを循環させるためのガス流路につける各温度勾配の総量がΔT1であって燃料電池装置2が所定の温度である場合の燃料電池装置2の電流−電圧特性を、特生線IV2は水素発生装置1と燃料電池装置2との間で水素及び水蒸気を含むガスを循環させるためのガス流路につける各温度勾配の総量がΔT1より大きいΔT2であって燃料電池装置2が所定の温度である場合の燃料電池装置2の電流−電圧特性を、特生線IV0は燃料電池装置2が所定の温度である場合の理論値での燃料電池装置2の電流−電圧特性をそれぞれ示している。また、水素発生装置1と燃料電池装置2との間で水素及び水蒸気を含むガスを循環させるためのガス流路につける各温度勾配の総量がΔT1であって燃料電池装置2が所定の温度であって燃料電池装置2の電流の値がI0である場合の燃料電池装置2で発生する損失はΔV1×I0となり、水素発生装置1と燃料電池装置2との間で水素及び水蒸気を含むガスを循環させるためのガス流路につける各温度勾配の総量がΔT2であって燃料電池装置2が所定の温度であって燃料電池装置2の電流の値がI0である場合の燃料電池装置2で発生する損失はΔV2×I0となる。   FIG. 4 is a diagram showing current-voltage characteristics of the fuel cell device 2 during power generation. In FIG. 4, a special line IV1 indicates that the total amount of each temperature gradient applied to the gas flow path for circulating a gas containing hydrogen and water vapor between the hydrogen generator 1 and the fuel cell device 2 is ΔT1, and the fuel cell. The current-voltage characteristic of the fuel cell device 2 when the device 2 is at a predetermined temperature, the special line IV2 is for circulating a gas containing hydrogen and water vapor between the hydrogen generator 1 and the fuel cell device 2. The current-voltage characteristics of the fuel cell device 2 when the total amount of each temperature gradient applied to the gas flow path is larger than ΔT1 and the fuel cell device 2 is at a predetermined temperature, and the special line IV0 is the fuel cell device 2. 2 shows current-voltage characteristics of the fuel cell device 2 at theoretical values when is a predetermined temperature. Further, the total amount of each temperature gradient applied to the gas flow path for circulating the gas containing hydrogen and water vapor between the hydrogen generator 1 and the fuel cell device 2 is ΔT1, and the fuel cell device 2 is at a predetermined temperature. The loss generated in the fuel cell device 2 when the current value of the fuel cell device 2 is I0 is ΔV1 × I0, and a gas containing hydrogen and water vapor is interposed between the hydrogen generator 1 and the fuel cell device 2. Generated in the fuel cell device 2 when the total amount of each temperature gradient applied to the gas flow path for circulation is ΔT2, the fuel cell device 2 is at a predetermined temperature, and the current value of the fuel cell device 2 is I0 Loss to be ΔV2 × I0.

図4から明らかなように、料電池装置2の電流の値I0が大きくなるほど、燃料電池装置2で発生する損失が大きくなるが、水素発生装置1と燃料電池装置2との間で水素及び水蒸気を含むガスを循環させるためのガス流路につける各温度勾配の総量を大きくすれば、燃料電池装置2で発生する損失の増加を抑えることができる。なお、システムの充電時も同様である。したがって、温度調整部10は、電力監視部9によって監視された電力(発電電力又は充電電力)が大きいほど、水素発生装置1と燃料電池装置2との間で水素及び水蒸気を含むガスを循環させるためのガス流路につける各温度勾配の総量が大きくなるように、水素発生装置1と燃料電池装置2との間で水素及び水蒸気を含むガスを循環させるためのガス流路につける各温度勾配の量(T−T、T−T、T−T)を決定する。 As is clear from FIG. 4, as the current value I 0 of the battery cell device 2 increases, the loss generated in the fuel cell device 2 increases. However, hydrogen and water vapor are generated between the hydrogen generator 1 and the fuel cell device 2. If the total amount of each temperature gradient attached to the gas flow path for circulating the gas containing is increased, an increase in loss generated in the fuel cell device 2 can be suppressed. The same applies when the system is charged. Therefore, the temperature adjusting unit 10 circulates a gas containing hydrogen and water vapor between the hydrogen generator 1 and the fuel cell device 2 as the power (generated power or charged power) monitored by the power monitoring unit 9 increases. Temperature gradients attached to the gas flow paths for circulating a gas containing hydrogen and water vapor between the hydrogen generator 1 and the fuel cell device 2 so that the total amount of the temperature gradients attached to the gas flow paths for the gas flow increases. to determine the amount (T 1 -T 2, T 2 -T 3, T 3 -T 4) of.

ところが、燃料電池装置2の電流が所定値である場合に、燃料電池装置2で発生する損失を抑えるために、水素発生装置1と燃料電池装置2との間で水素及び水蒸気を含むガスを循環させるためのガス流路につける各温度勾配の総量を大きくすると、図5に示すとおり、燃料電池装置2の拡散損失は小さくなるが、温度調整部10が第1〜第4ヒーターH1〜H4に投入するエネルギーが大きくなってしまう。したがって、温度調整部10は、燃料電池装置2の拡散損失と第1〜第4ヒーターH1〜H4に投入するエネルギーとの合計が最小になるように、水素発生装置1と燃料電池装置2との間で水素及び水蒸気を含むガスを循環させるためのガス流路につける各温度勾配の量(T−T、T−T、T−T)を決定することが望ましい。 However, when the current of the fuel cell device 2 is a predetermined value, a gas containing hydrogen and water vapor is circulated between the hydrogen generator 1 and the fuel cell device 2 in order to suppress loss generated in the fuel cell device 2. When the total amount of each temperature gradient attached to the gas flow path for increasing the temperature is increased, the diffusion loss of the fuel cell device 2 is reduced as shown in FIG. 5, but the temperature adjustment unit 10 is connected to the first to fourth heaters H1 to H4. The energy to input becomes large. Therefore, the temperature adjustment unit 10 is configured so that the sum of the diffusion loss of the fuel cell device 2 and the energy input to the first to fourth heaters H1 to H4 is minimized. It is desirable to determine the amount of each temperature gradient (T 1 -T 2 , T 2 -T 3 , T 3 -T 4 ) attached to the gas flow path for circulating the gas containing hydrogen and water vapor between them.

なお、水素発生装置1と燃料電池装置2との間で水素及び水蒸気を含むガスを循環させるためのガス流路には必要に応じて、ブロアやポンプ等の循環器を設けてもよい。また、燃料発生装置1及び燃料電池装置2には必要に応じて、温度を調節するヒーター等を設けてもよい。   In addition, you may provide circulators, such as a blower and a pump, in the gas flow path for circulating the gas containing hydrogen and water vapor | steam between the hydrogen generator 1 and the fuel cell apparatus 2, as needed. Moreover, you may provide the heater etc. which adjust temperature in the fuel generator 1 and the fuel cell apparatus 2 as needed.

上述した実施形態では、ガス流路5A及び5Bそれぞれに温度センサーとヒーターとを設けているが、例えば、図6に示すようにガス流路5Aのみに温度センサーとヒーターとを設けているようにしても構わない。この場合、温度調整部10は、第2、第3温度センサーT2、T3の検出温度T、Tを参照しながら、T>Tになるように第2、第3ヒーターH2、H3を制御する。T>Tであるため、ガス流路5Aの水素発生装置側端部近傍に存在する水蒸気と水素との混合ガスが、熱拡散によってガス流路5Aの燃料電池装置側端部近傍に移動する。この熱拡散による混合ガスの移動によって、ガス流路5Aの水素発生装置側端部近傍ではガス濃度が薄くなっている。これにより、ガス流路5Aの燃料電池装置側端部近傍に存在する水蒸気と水素との混合ガスが、濃度拡散によって容器4内のガス流路、ガス流路5B、及び、容器3内のガス流路を経由して、ガス流路5Aの水素発生装置側端部近傍に移動する。 In the embodiment described above, a temperature sensor and a heater are provided in each of the gas flow paths 5A and 5B. For example, as shown in FIG. 6, a temperature sensor and a heater are provided only in the gas flow path 5A. It doesn't matter. In this case, the temperature adjustment unit 10 refers to the detected temperatures T 2 and T 3 of the second and third temperature sensors T 2 and T 3 , and the second and third heaters H 2 and H 3 so that T 2 > T 3. To control. Since T 2 > T 3 , the mixed gas of water vapor and hydrogen existing in the vicinity of the hydrogen generating device side end of the gas flow path 5A moves to the vicinity of the end of the gas flow path 5A on the fuel cell device side by thermal diffusion. To do. Due to the movement of the mixed gas by this thermal diffusion, the gas concentration is reduced in the vicinity of the end of the gas flow channel 5A on the hydrogen generator side. Thereby, the mixed gas of water vapor and hydrogen existing in the vicinity of the end of the gas flow channel 5A on the fuel cell device side causes the gas flow in the vessel 4, the gas flow channel 5B, and the gas in the vessel 3 by concentration diffusion. It moves to the vicinity of the hydrogen generator side end of the gas flow path 5A via the flow path.

また、上述した実施形態では、ガス流路5A及び5Bを設けているが、例えば、図7に示すようにガス流路5Aのみを設けるようにしても構わない。この場合、温度調整部10は、第2、第3温度センサーT2、T3の検出温度T、Tを参照しながら、T>Tになるように第2、第3ヒーターH2、H3を制御する。T>Tであるため、ガス流路5Aの水素発生装置側端部近傍に存在する水蒸気と水素との混合ガスが、熱拡散によってガス流路5Aの燃料電池装置側端部近傍に移動する。この熱拡散による混合ガスの移動によって、ガス流路5Aの水素発生装置側端部近傍ではガス濃度が薄くなっている。これにより、ガス流路5Aの燃料電池装置側端部近傍に存在する水蒸気と水素との混合ガスが、濃度拡散によってガス流路5Aの水素発生装置側端部近傍に移動する。したがって、図7においてガス流路5A内に示した矢印のような対流が生じる。 In the above-described embodiment, the gas flow paths 5A and 5B are provided. However, for example, only the gas flow path 5A may be provided as shown in FIG. In this case, the temperature adjustment unit 10 refers to the detected temperatures T 2 and T 3 of the second and third temperature sensors T 2 and T 3 , and the second and third heaters H 2 and H 3 so that T 2 > T 3. To control. Since T 2 > T 3 , the mixed gas of water vapor and hydrogen existing in the vicinity of the hydrogen generating device side end of the gas flow path 5A moves to the vicinity of the end of the gas flow path 5A on the fuel cell device side by thermal diffusion. To do. Due to the movement of the mixed gas by this thermal diffusion, the gas concentration is reduced in the vicinity of the end of the gas flow channel 5A on the hydrogen generator side. Thereby, the mixed gas of water vapor and hydrogen existing in the vicinity of the end of the gas channel 5A on the fuel cell device side moves to the vicinity of the end of the gas channel 5A on the side of the hydrogen generator due to concentration diffusion. Therefore, convection as shown by the arrow shown in the gas flow path 5A in FIG. 7 occurs.

また、上述した実施形態では、1つの燃料電池装置2が発電も水の電気分解も行っているが、水素発生装置が、燃料電池(例えば発電専用の固体酸化物燃料電池)と水の電気分解器(例えば水の電気分解専用の固体酸化物燃料電池)それぞれにガス流路上並列に接続される構成にしてもよい。   In the above-described embodiment, one fuel cell device 2 performs both power generation and electrolysis of water. However, the hydrogen generator performs electrolysis of a fuel cell (for example, a solid oxide fuel cell dedicated to power generation) and water. It is also possible to adopt a configuration in which each of the vessels (for example, a solid oxide fuel cell dedicated for water electrolysis) is connected in parallel on the gas flow path.

また、上述した実施形態では、燃料電池装置2の電解質膜として固体酸化物電解質6を用いて、発電の際に燃料極8側で水を発生させるようにしている。この構成によれば、燃料を水素発生装置1から燃料電池装置2に供給するためのガス流路によって水素発生装置1とつながっている電極側(燃料極8側)で水を発生するため、装置の簡素化や小型化に有利である。一方、特開2009−99491号公報に開示された燃料電池のように、燃料発生装置2の電解質膜として水素イオンを通す固体高分子電解質を用いることも可能である。但し、この場合には、発電の際酸化剤極7側で水が発生されることになるため、この水を水素発生装置1に伝搬する流路を設ければよい。   In the above-described embodiment, the solid oxide electrolyte 6 is used as the electrolyte membrane of the fuel cell device 2 to generate water on the fuel electrode 8 side during power generation. According to this configuration, water is generated on the electrode side (fuel electrode 8 side) connected to the hydrogen generator 1 by the gas flow path for supplying fuel from the hydrogen generator 1 to the fuel cell device 2. This is advantageous for simplification and downsizing. On the other hand, as a fuel cell disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-99491, a solid polymer electrolyte that allows hydrogen ions to pass through can be used as the electrolyte membrane of the fuel generator 2. However, in this case, since water is generated on the oxidant electrode 7 side during power generation, a flow path for propagating this water to the hydrogen generator 1 may be provided.

また、上述した実施形態では、水素発生装置1を用い燃料電池装置2の燃料を水素にしているが、一酸化炭素や炭化水素など水素以外の還元性ガスを燃料電池装置2の燃料として用いても構わない。   In the above-described embodiment, the hydrogen generator 1 is used and the fuel of the fuel cell device 2 is hydrogen. However, a reducing gas other than hydrogen, such as carbon monoxide or hydrocarbon, is used as the fuel of the fuel cell device 2. It doesn't matter.

1 水素発生装置
2 燃料電池装置
3、4 容器
5A、5B ガス流路
6 固体電解質
7 酸化剤極
8 燃料極
9 電力監視部
10 温度調整部
100 外部負荷
200 外部電源
H1 第1ヒーター
H2 第2ヒーター
H3 第3ヒーター
H4 第4ヒーター
T1 第1温度センサー
T2 第2温度センサー
T3 第3温度センサー
T4 第4温度センサー
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Hydrogen generator 2 Fuel cell apparatus 3, 4 Container 5A, 5B Gas flow path 6 Solid electrolyte 7 Oxidant electrode 8 Fuel electrode 9 Electric power monitoring part 10 Temperature adjustment part 100 External load 200 External power supply H1 1st heater H2 2nd heater H3 3rd heater H4 4th heater T1 1st temperature sensor T2 2nd temperature sensor T3 3rd temperature sensor T4 4th temperature sensor

Claims (4)

化学反応によって燃料を放出することができ、前記燃料が生成される化学反応の逆反応によって再生可能な燃料発生部と、
前記燃料発生部から供給される前記燃料を用いて発電を行う発電機能及び前記燃料発生部の再生時に前記燃料発生部から供給される前記逆反応の生成物を電気分解する電気分解機能を有する発電・電気分解部とを備え、
前記燃料発生部と前記発電・電気分解部との間で前記燃料を含むガスを循環させるためのガス流路と、
前記ガス流路に温度勾配をつける加熱装置とを備えることを特徴とする2次電池型燃料電池システム。
A fuel generating part capable of releasing the fuel by a chemical reaction and regenerating by a reverse reaction of the chemical reaction in which the fuel is generated;
Power generation function that generates power using the fuel supplied from the fuel generation unit and power generation function that electrolyzes the product of the reverse reaction supplied from the fuel generation unit during regeneration of the fuel generation unit・ Equipped with an electrolysis unit,
A gas flow path for circulating a gas containing the fuel between the fuel generation unit and the power generation / electrolysis unit;
A secondary battery type fuel cell system comprising: a heating device that applies a temperature gradient to the gas flow path.
前記発電・電気分解部から出力される電力及び前記発電・電気分解部に供給される電力を監視する電力監視部と、
前記電力監視部の監視結果に基づいて前記温度勾配の量を決定し、決定した前記温度勾配の量に応じて前記加熱装置を制御する温度調整部とを備えることを特徴とする請求項1に記載の2次電池型燃料電池システム。
A power monitoring unit that monitors power output from the power generation / electrolysis unit and power supplied to the power generation / electrolysis unit;
The apparatus according to claim 1, further comprising: a temperature adjustment unit that determines an amount of the temperature gradient based on a monitoring result of the power monitoring unit, and controls the heating device according to the determined amount of the temperature gradient. The secondary battery type fuel cell system described.
前記温度調整部が、前記発電・電気分解部の拡散損失と前記加熱装置に投入するエネルギーとの合計が最小になるように前記温度勾配の量を決定することを特徴とする請求項2に記載の2次電池型燃料電池システム。   The temperature adjustment unit determines the amount of the temperature gradient so that the sum of the diffusion loss of the power generation / electrolysis unit and the energy input to the heating device is minimized. Secondary battery type fuel cell system. 前記発電・電気分解部が固体酸化物燃料電池であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の2次電池型燃料電池システム。   The secondary battery type fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein the power generation / electrolysis unit is a solid oxide fuel cell.
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