JP2013199675A - 電気化学装置および蓄電システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電気化学装置1は、H2Oを電気分解してH2を生成する固体酸化物形電解セル10と、固体酸化物形電解セル10が生成したH2を吸蔵する水素吸蔵材20と、水素吸蔵材20から固体酸化物形電解セル10へ熱を輸送する熱輸送手段と、を備えている。
【選択図】図1
Description
本発明の実施形態の説明の前に、まず、固体酸化物形燃料電池セル、固体酸化物形電解セルおよび水素吸蔵材の一般的な特性について説明する。
図1は、本発明の一実施形態(第1実施形態)に係る電気化学装置1の概略構成を模式的に示す図である。図1に示すように、本実施形態に係る電気化学装置1は、固体酸化物形電解セル10および水素吸蔵材20を備えている。そして、固体酸化物形電解セル10から水素吸蔵材20へH2を、水素吸蔵材20から固体酸化物形電解セル10へ熱を輸送するようになっている。
固体酸化物形電解セル10としては、公知の固体酸化物形電解セル(SOEC)を用いればよく、円筒型であっても平板型であってもよい。ただし、アノード側とカソード側とは、それぞれの流路がきちんと分離されており、お互いを流れるガスが混合されないように十分にシールされている必要がある。固体酸化物形電解セル10は、アノード、電解質およびカソードの他に、インターコネクタ、集電材、ガス供給および排出用配管(マニホルド)、外枠等をさらに備えていてもよい。
水素吸蔵材20としては、公知の水素吸蔵合金を用いればよく、特に限定されないが、例えば、純金属型(例えば、Mg、MgTi、V、Pd等)、AB型(例えば、TiFe等)、AB5型(例えば、LaNi5等)、AB2型(例えば、TiCr2等)、A2B型(例えば、Mg2Ni等)、BCC合金型(例えば、TiCrV等)等を含んでいる水素吸蔵材を用いることができる。水素吸蔵材20は、例えば、粉状、粒状等であり得る。また、水素吸蔵材20の圧力は、プラトー圧付近であることが好ましい。
電気化学装置1は、また、各種配管(流路)および熱交換器を備えていることが好ましい。電気化学装置2における配管および熱交換器の構成については、固体酸化物形電解セル10から水素吸蔵材20へH2を輸送し、水素吸蔵材20から固体酸化物形電解セル10へ熱を輸送するようになっていればよく、特に限定されないが、例えば、図6に示すような構成とすることができる。
続いて、本実施形態に係る電気化学装置1の熱マネジメントが優れていることについて、熱収支の試算例により説明する。試算例では、熱自立状態を前提条件として計算を行っている。本実施形態に係る電気化学装置1に対比する対照として、図7に示すような、固体酸化物形電解セル10および水素吸蔵材20を備え、固体酸化物形電解セル10から水素吸蔵材20へH2を輸送するようになっているが、水素吸蔵材20から固体酸化物形電解セル10へ熱を輸送するようにはなっていない電気化学装置1’を用いた。図7に示すように、電気化学装置1’は、熱交換器30の代わりに、単に水素吸蔵材20を冷却するための熱交換器32およびそのための冷却水を循環させる配管46を備えている点が、電気化学装置1とは異なっている。
なお、各種配管、熱交換器等の構成は図に示したものに限定されず、各種改変することができる。すなわち、本実施形態では、水素吸蔵材20から固体酸化物形電解セル10へ熱を輸送するようになっていればよく、必ずしも熱交換器30を備える必要はない。すなわち、水素吸蔵材20と熱交換する熱交換媒体を電気化学装置1内を循環させて、固体酸化物形電解セル10等に熱アシストする構成であってもよい。
図10は、本発明の一実施形態(第2実施形態)に係る電気化学装置2の概略構成を模式的に示す図である。図10に示すように、電気化学装置2は、第1実施形態における固体酸化物形電解セル10の代わりに、固体酸化物形電解セルおよび固体酸化物形燃料電池セルの何れとしても動作し得る可逆電気化学セル12を備えている。図10(a)は、可逆電気化学セル12が固体酸化物形電解セルとして動作するときの構成を示し、図10(b)は、可逆電気化学セル12が固体酸化物形燃料電池セルとして動作するときの構成を示す。以下、第1実施形態と同様の構成には同じ部材番号を付し、説明を省略する。
本実施形態に係る電気化学装置2は、可逆電気化学セル12を固体酸化物形電解セルとして動作させることにより、外部の電力から水素を製造して水素吸蔵材20に蓄積し、可逆電気化学セル12を固体酸化物形燃料電池セルとして動作させることにより、水素吸蔵材20に蓄積した水素を電力に再変換し、同時に固体酸化物形燃料電池セルの余剰熱を水素吸蔵材に蓄熱することができる。したがって、電気化学装置2は、本発明の一実施形態に係る蓄電システム4の一部を構成することができる。
本実施形態においても、第1実施形態と同様、各種配管、熱交換器等の構成は図に示したものに限定されず、各種改変することができる。例えば、図11に示す構成例では、可逆電気化学セル12が固体酸化物形電解セルとして動作するときと、固体酸化物形燃料電池セルとして動作するときとで、配管および熱交換器を共用していたが、操作弁等を用いて、それぞれ別個の配管を用いるように構成してもよい。
3 蓄電制御装置
4 蓄電システム
10 固体酸化物形電解セル
11 電気化学セル部
12 可逆電気化学セル
13 燃焼室
20 水素吸蔵材
30 熱交換器(第一の熱交換器、第三の熱交換器)
31 熱交換器(第二の熱交換器)
32 熱交換器
40〜47 配管(流路)
Claims (9)
- H2Oを電気分解してH2を生成する固体酸化物形電解セルと、
上記固体酸化物形電解セルが生成した上記H2を吸蔵する水素吸蔵材と、
上記水素吸蔵材から上記固体酸化物形電解セルへ熱を輸送する熱輸送手段と、を備えていることを特徴とする電気化学装置。 - 上記熱輸送手段は、上記固体酸化物形電解セルに供給すべき上記H2Oと、上記水素吸蔵材との間で熱交換する第一の熱交換器を備えていることを特徴とする請求項1に記載の電気化学装置。
- 上記第一の熱交換器は、上記固体酸化物形電解セルに供給すべき上記H2Oを気化させるようになっていることを特徴とする請求項2に記載の電気化学装置。
- 上記水素吸蔵材が上記H2を吸蔵するときの温度が、25℃以上500℃以下の範囲であることを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載の電気化学装置。
- 上記固体酸化物形電解セルが排出した気体と、上記固体酸化物形電解セルに供給する上記H2Oとの間で熱交換する第二の熱交換器を備えていることを特徴とする請求項1〜4の何れか一項に記載の電気化学装置。
- 上記固体酸化物形電解セルは、上記水素吸蔵材が放出するH2を燃料として発電を行う固体酸化物形燃料電池セルとしても動作する可逆電気化学セルであり、
上記熱輸送手段は、上記可逆電気化学セルが上記固体酸化物形電解セルとして動作するときは、上記水素吸蔵材から上記可逆電気化学セルへ熱を輸送し、上記可逆電気化学セルが上記固体酸化物形燃料電池セルとして動作するときは、上記可逆電気化学セルから上記水素吸蔵材へ熱を輸送するようになっていることを特徴とする請求項1〜5の何れか一項に記載の電気化学装置。 - 上記可逆電気化学セルが上記固体酸化物形燃料電池セルとして動作するときに、上記可逆電気化学セルが排出した排ガスと、上記水素吸蔵材との間で熱交換する第三の熱交換器を備えていることを特徴とする請求項6に記載の電気化学装置。
- 上記可逆電気化学セルが上記固体酸化物形電解セルとして動作するときに、上記可逆電気化学セルに供給すべき上記H2Oが流れる流路と、上記可逆電気化学セルが上記固体酸化物形燃料電池セルとして動作するときに、上記可逆電気化学セルが排出した排ガスが流れる流路とが共有されており、
上記第三の熱交換器は、上記可逆電気化学セルが上記固体酸化物形電解セルとして動作するときに、上記可逆電気化学セルに供給すべき上記H2Oと、上記水素吸蔵材との間で熱交換する第一の熱交換器として機能することを特徴とする請求項7に記載の電気化学装置。 - 請求項6〜8の何れか一項に記載の電気化学装置と、
蓄電時には、上記可逆電気化学セルを上記固体酸化物形電解セルとして動作させ、放電時には、上記可逆電気化学セルを上記固体酸化物形燃料電池セルとして動作させる蓄電制御装置と、を備えていることを特徴とする蓄電システム。
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