JP2014207115A - Secondary battery type fuel battery system - Google Patents
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Abstract
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.
燃料電池は、典型的には、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、燃料極に燃料ガス(例えば水素)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。 A fuel cell typically includes a solid polymer electrolyte membrane using a solid polymer ion exchange membrane, a solid oxide electrolyte membrane using yttria-stabilized zirconia (YSZ), a fuel electrode (anode) and an oxidizer electrode. The one sandwiched from both sides by the (cathode) has a single cell configuration. A fuel gas channel for supplying a fuel gas (for example, hydrogen) to the fuel electrode and an oxidant gas channel for supplying an oxidant gas (for example, oxygen or air) to the oxidant electrode are provided. Electric power is generated by supplying the fuel gas and the oxidant gas to the fuel electrode and the oxidant electrode, respectively.
燃料電池は、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、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 are not only energy-saving because of the high efficiency of the power energy that can be extracted in principle, but they are also a power generation system that excels in the environment, and are expected as a trump card for solving global energy and environmental problems.
特許文献1及び特許文献2には、固体酸化物型燃料電池と、酸化反応により水素を発生し、還元反応により再生可能な水素発生部材とを組み合わせた2次電池型燃料電池システムが開示されている。上記2次電池型燃料電池システムでは、システムの発電動作時に水素発生部材が水素を発生し、システムの充電動作時に水素発生部材が再生される。 Patent Document 1 and Patent Document 2 disclose a secondary battery type fuel cell system that combines a solid oxide fuel cell and a hydrogen generating member that generates hydrogen by an oxidation reaction and can be regenerated by a reduction reaction. Yes. In the secondary battery type fuel cell system, the hydrogen generating member generates hydrogen during the power generation operation of the system, and the hydrogen generating member is regenerated during the charging operation of the system.
特許文献1で開示されている2次電池型燃料電池システムは、燃料電池部の燃料極と水素発生部材とを封じた空間が閉空間になっておらず、常に水の補給を必要とするシステムである。 The secondary battery type fuel cell system disclosed in Patent Document 1 is a system in which the space where the fuel electrode of the fuel cell unit and the hydrogen generating member are sealed is not a closed space, and always requires replenishment of water. It is.
これに対して、特許文献2で開示されている2次電池型燃料電池システムは、燃料電池部の燃料極と水素発生部材とを封じた空間が閉空間になっており、その閉空間内に存在する水素と水蒸気との混合ガスを用いてシステムの発電動作及びシステムの充電動作を行うため、基本的に水の補給を必要としないシステムである。 On the other hand, in the secondary battery type fuel cell system disclosed in Patent Document 2, the space where the fuel electrode of the fuel cell portion and the hydrogen generating member are sealed is a closed space, Since the power generation operation of the system and the charging operation of the system are performed using the existing mixed gas of hydrogen and water vapor, the system basically does not require replenishment of water.
しかしながら、上記閉空間は複数の部材による囲みによって形成されるため、部材間の継ぎ目等からごく微量ずつではあるがガスが抜けてゆくことがある。特に水素は分子量が小さいため抜けやすい。長期間の経過によって上記閉空間からガスが抜けて減少し、上記閉空間の圧力が所定値を下回ると、ガスが不足して発電性能及び充電性能が低下してしまう。また、水素発生部材が長期間の使用でシンタリング等により劣化した場合も発電性能及び充電性能が低下してしまう。 However, since the closed space is formed by the enclosure of a plurality of members, gas may escape from the joints between the members even though only a minute amount. In particular, hydrogen is easy to escape due to its low molecular weight. If the gas escapes from the closed space and decreases over a long period of time and the pressure in the closed space falls below a predetermined value, the gas is insufficient and the power generation performance and the charging performance are degraded. Further, when the hydrogen generating member is deteriorated due to sintering or the like after long-term use, the power generation performance and the charging performance are deteriorated.
そこで、特許文献2で開示されている2次電池型燃料電池システムは、上記閉空間の圧力低下や水素発生部材の劣化等を検知したときに上記閉空間に水を補給して、発電性能及び充電性能の低下を防いでいる。 Therefore, the secondary battery type fuel cell system disclosed in Patent Document 2 replenishes the closed space with water when detecting a pressure drop in the closed space, a deterioration of the hydrogen generating member, etc. This prevents a decrease in charging performance.
ところが、上記閉空間に水が補給されると、一時的に上記閉空間内の水蒸気濃度が高くなり水素濃度が低くなるので、一時的に発電や充電が不安定になるおそれがあった。 However, when water is replenished in the closed space, the water vapor concentration in the closed space temporarily increases and the hydrogen concentration decreases, which may temporarily cause power generation and charging to become unstable.
本発明は、上記の状況に鑑み、安定した発電及び充電が可能な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。 In view of the above situation, an object of the present invention is to provide a secondary battery type fuel cell system capable of stable power generation and charging.
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、酸化反応によって水素を放出することができ、還元反応によって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用いて発電を行う発電機能及び前記水素発生部の再生時に前記水素発生部から供給される水蒸気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、前記水素発生部と前記発電・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ためのガス流路と、前記ガス流路に水を補給する水補給部とを備える2次電池型燃料電池システムであって、前記水補給部は、前記発電・電気分解部が発電を行っているとき及び前記発電・電気分解部が電気分解を行っているとき以外で水補給を行う構成(第1の構成)としている。なお、前記発電・電気分解部は、例えば、前記水素発生部から供給される水素を用いて発電を行う発電動作と、前記水素発生部の再生時に前記水素発生部から供給される水蒸気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、前記水素発生部から供給される水素を用いて発電を行う燃料電池と、前記水素発生部の再生時に前記水素発生部から供給される水蒸気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 hydrogen by an oxidation reaction and can be regenerated by a reduction reaction, and is supplied from the hydrogen generation unit. A power generation / electrolysis unit having a power generation function for generating power using hydrogen and an electrolysis function for electrolyzing water vapor supplied from the hydrogen generation unit during regeneration of the hydrogen generation unit, the hydrogen generation unit, and the power generation / A secondary battery type fuel cell system comprising a gas flow path for circulating a gas containing hydrogen and water vapor between the electrolysis section and a water replenishment section for replenishing the gas flow path with water. The water replenishing unit has a configuration (first configuration) in which water is replenished except when the power generation / electrolysis unit is generating power and when the power generation / electrolysis unit is performing electrolysis. The power generation / electrolysis unit electrolyzes, for example, a power generation operation that generates power using hydrogen supplied from the hydrogen generation unit and water vapor supplied from the hydrogen generation unit during regeneration of the hydrogen generation unit. For example, the fuel cell may be configured to switch between the electrolysis operation and the fuel cell that generates power using hydrogen supplied from the hydrogen generation unit, and the hydrogen at the time of regeneration of the hydrogen generation unit. The structure separately provided with the electrolyzer which electrolyzes the water vapor | steam supplied from a generation | occurrence | production part may be sufficient.
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、前記ガス流路の温度を制御する温度制御部をさらに備え、前記温度制御部は、前記水補給部が水補給を行っている水補給時に、前記ガス流路の温度を制御する構成(第2の構成)とすることが好ましい。 The secondary battery type fuel cell system of the first configuration further includes a temperature control unit that controls the temperature of the gas flow path, and the temperature control unit supplies water by the water supply unit replenishing water It is sometimes preferable to adopt a configuration (second configuration) for controlling the temperature of the gas flow path.
上記第1又は第2の構成の2次電池型燃料電池システムにおいて、前記ガス流路内に存在する水素及び水蒸気を含むガスの流量を制御する流量制御部をさらに備え、前記流量制御部は、前記水補給部が水補給を行っている水補給時に、前記ガス流路内に存在する水素及び水蒸気を含むガスの流量を制御する構成(第3の構成)とすることが好ましい。 In the secondary battery type fuel cell system having the first or second configuration, the fuel cell system further includes a flow rate control unit that controls a flow rate of a gas containing hydrogen and water vapor present in the gas flow path, and the flow rate control unit includes: It is preferable to adopt a configuration (third configuration) for controlling the flow rate of the gas containing hydrogen and water vapor existing in the gas flow path when the water replenishment unit performs water replenishment.
上記第1〜第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、前記水補給部は、前記発電・電気分解部と前記水素発生部のガス流入側との間で、前記ガス流路に水を補給する構成(第4の構成)とすることが好ましい。 In the secondary battery type fuel cell system having any one of the first to third configurations, the water replenishment unit is configured to supply the gas flow between the power generation / electrolysis unit and a gas inflow side of the hydrogen generation unit. It is preferable to adopt a configuration (fourth configuration) in which water is supplied to the road.
上記第4の構成の2次電池型燃料電池システムにおいて、前記水素発生部の酸化度合いを検出する酸化度検出部をさらに備え、前記酸化度検出部の検出結果に基づいて、前記水素発生部の酸化度合いが所定の上限値を越える前に、前記水補給部が水補給を行う構成(第5の構成)とすることが好ましい。 The secondary battery type fuel cell system of the fourth configuration further includes an oxidation degree detection unit that detects an oxidation degree of the hydrogen generation unit, and based on a detection result of the oxidation degree detection unit, It is preferable to adopt a configuration (fifth configuration) in which the water supply section supplies water before the degree of oxidation exceeds a predetermined upper limit.
本発明に係る2次電池型燃料電池システムによると、発電・電気分解部が発電を行っているとき及び発電・電気分解部が電気分解を行っているとき以外で水補給を行うので、水補給によって発電及び充電が不安定にならない。したがって、安定した発電及び充電が可能となる。 According to the secondary battery type fuel cell system according to the present invention, water supply is performed except when the power generation / electrolysis unit is generating power and when the power generation / electrolysis unit is performing electrolysis. The power generation and charging will not become unstable. Therefore, stable power generation and charging are possible.
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。なお、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. In addition, this invention is not restricted to embodiment mentioned 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概略構成を図1に示す。本実施形態に係る2次電池型燃料電池システムは、水素発生部材1と、燃料電池部2と、水素発生部材1を加熱するヒーター3と、燃料電池部2を加熱するヒーター4と、水素発生部材1及びヒーター3を収容する容器5と、燃料電池部2及びヒーター4を収容する容器6と、水素発生部材1と燃料電池部2の間で水素及び水蒸気を含むガスを循環させるための配管7と、水素発生部材1と燃料電池部2の間でガスを強制的に循環させるポンプ8と、断熱容器9と、燃料電池部2の空気極2Cに空気を供給するための配管10と、燃料電池部2の空気極2Cから空気を排出するための配管11と、配管11内のガス圧力を検出する圧力センサ12と、水素発生部材1の酸化度合いを検出する酸化度検出部13とを備えている。 FIG. 1 shows a schematic 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 the present embodiment includes a hydrogen generating member 1, a fuel cell unit 2, a heater 3 for heating the hydrogen generating member 1, a heater 4 for heating the fuel cell unit 2, and hydrogen generation. A container 5 for housing the member 1 and the heater 3, a container 6 for housing the fuel cell part 2 and the heater 4, and a pipe for circulating a gas containing hydrogen and water vapor between the hydrogen generating member 1 and the fuel cell part 2. 7, a pump 8 that forcibly circulates gas between the hydrogen generating member 1 and the fuel cell unit 2, a heat insulating container 9, a pipe 10 for supplying air to the air electrode 2C of the fuel cell unit 2, A pipe 11 for discharging air from the air electrode 2C of the fuel cell part 2, a pressure sensor 12 for detecting the gas pressure in the pipe 11, and an oxidization degree detection part 13 for detecting the degree of oxidation of the hydrogen generating member 1 I have.
断熱容器9は、容器5及び6と、配管7、10、及び11それぞれの一部と、圧力センサ12と、酸化度検出部13とを収容している。酸化度検出部13としては、例えば水素発生部材1の重量変化に基づいて酸化度合いを検出する装置や、水素発生部材1がFeである場合に水素発生部材1の透磁率変化に基づいて酸化度合いを検出する装置などを挙げることができる。 The heat insulating container 9 accommodates the containers 5 and 6, a part of each of the pipes 7, 10, and 11, the pressure sensor 12, and the oxidation degree detection unit 13. The oxidation degree detection unit 13 is, for example, a device that detects the degree of oxidation based on a change in the weight of the hydrogen generation member 1, or the degree of oxidation based on a change in the permeability of the hydrogen generation member 1 when the hydrogen generation member 1 is Fe. And a device for detecting.
また、本実施形態に係る2次電池型燃料電池システムは、スイッチ部14と、発電回路部15と、電流センサ16と、充電回路部17と、システム全体を制御するシステムコントローラ23と、水補給部とを備えている。 In addition, the secondary battery type fuel cell system according to the present embodiment includes a switch unit 14, a power generation circuit unit 15, a current sensor 16, a charging circuit unit 17, a system controller 23 that controls the entire system, and water supply. Department.
スイッチ部14は、燃料電池部2の接続先として発電回路部15と充電回路部17とを択一的に選択する。発電回路部15は、燃料電池部2の出力電力を用いて外部負荷100に供給する電力を生成する。電流センサ16は、発電回路部15から外部負荷100に流れる電流を検出する。充電回路部17は、外部電源200の出力電力を用いて燃料電池部2に供給する電力を生成する。 The switch unit 14 alternatively selects the power generation circuit unit 15 and the charging circuit unit 17 as the connection destination of the fuel cell unit 2. The power generation circuit unit 15 generates power to be supplied to the external load 100 using the output power of the fuel cell unit 2. The current sensor 16 detects a current flowing from the power generation circuit unit 15 to the external load 100. The charging circuit unit 17 generates power to be supplied to the fuel cell unit 2 using the output power of the external power source 200.
本実施形態において、水補給部は、貯水室18と、蒸気室19と、ヒーター20と、開閉バルブ21及び22とによって構成されている。なお、水補給部は、当然の事ながら、本実施形態以外の構成であっても構わない。システムコントローラ23の制御によって本実施形態の水補給部が配管7に水(水蒸気)を補給する手順は次の通りである。まず、開閉バルブ21を開けて貯水室18に貯えられている水を蒸気室19に導入し、その後開閉バルブ21を閉じる。容積が大きい蒸気室19に導入されることで水は気化して水蒸気になる。蒸気室19をヒーター19によって加熱し、蒸気室19内の圧力を配管7内の圧力よりも高くしてから、開閉バルブ22を開けて蒸気室19内の水蒸気を配管7に導入し、その後開閉バルブ21を閉じる。 In the present embodiment, the water replenishment section is constituted by a water storage chamber 18, a steam chamber 19, a heater 20, and opening / closing valves 21 and 22. Note that the water replenishment unit may of course have a configuration other than the present embodiment. The procedure in which the water replenishing unit of this embodiment replenishes the pipe 7 with water (water vapor) under the control of the system controller 23 is as follows. First, the opening / closing valve 21 is opened to introduce water stored in the water storage chamber 18 into the steam chamber 19, and then the opening / closing valve 21 is closed. Water is vaporized into steam by being introduced into the steam chamber 19 having a large volume. After the steam chamber 19 is heated by the heater 19 and the pressure in the steam chamber 19 is made higher than the pressure in the pipe 7, the open / close valve 22 is opened to introduce water vapor in the steam chamber 19 into the pipe 7, and then opened and closed Close the valve 21.
本実施形態において、上記水補給部は、燃料電池部2と水素発生部部1のガス流入側との間で配管に水を補給している。これにより、配管7に補給された水(水蒸気)を直ちに水素発生部材1と反応させ、水補給による水蒸気濃度の一時的な増加に伴って燃料電池部2の燃料極2Bが酸化し劣化することを防ぐことができる。また、本実施形態では、配管7の水が補給される部分と水素発生部材1のガス流入側との間にポンプ8が配置されていない。これにより、補給された水(水蒸気)を直ちに水素発生部材1と反応させ、水補給による水蒸気濃度の一時的な増加に伴ってポンプ8が酸化し劣化することを防ぐことができる。また、配管7に補給された水(水蒸気)を直ちに水素発生部材1と反応させるために、本実施形態では、システムコントローラ23は、酸化度検出部13の検出結果に基づいて、水素発生部材1の酸化度合いが所定の上限値(例えば95%)を越える前に、上記水補給部に水補給を行わせるようにしている。 In the present embodiment, the water replenishing unit replenishes the piping with water between the fuel cell unit 2 and the gas inflow side of the hydrogen generating unit 1. As a result, the water (steam) supplied to the pipe 7 is immediately reacted with the hydrogen generating member 1, and the fuel electrode 2B of the fuel cell unit 2 is oxidized and deteriorated with a temporary increase in the water vapor concentration due to the water supply. Can be prevented. Moreover, in this embodiment, the pump 8 is not arrange | positioned between the part in which the water of the piping 7 is replenished, and the gas inflow side of the hydrogen generating member 1. FIG. As a result, the replenished water (water vapor) is immediately reacted with the hydrogen generating member 1, and the pump 8 can be prevented from being oxidized and deteriorated with a temporary increase in the water vapor concentration due to water replenishment. Further, in order to immediately react the water (water vapor) supplied to the pipe 7 with the hydrogen generating member 1, in this embodiment, the system controller 23 is based on the detection result of the oxidation degree detection unit 13. Before the degree of oxidation exceeds a predetermined upper limit value (for example, 95%), the water replenishing section is made to replenish water.
なお、図1においては、図が煩雑になることを防ぐため、燃料電池部2と外部負荷100及び外部電源200との間以外の電力伝送ラインや制御信号を伝送する制御ラインなどの図示は省略している。また、必要に応じて、水素発生部材1や燃料電池部2の周辺に温度センサ等を設けてもよい。また、ポンプ8の代わりに、例えばコンプレッサ、ファン、ブロアなどの他の循環器を用いてもよく、ポンプ8等の循環器を設けずにガスの拡散によりガスを自然循環させてもよい。 In FIG. 1, illustration of a power transmission line other than between the fuel cell unit 2 and the external load 100 and the external power source 200, a control line for transmitting a control signal, and the like is omitted in order to prevent the drawing from being complicated. doing. Moreover, you may provide a temperature sensor etc. around the hydrogen generation member 1 and the fuel cell part 2 as needed. Further, instead of the pump 8, other circulators such as a compressor, a fan, and a blower may be used, and the gas may be naturally circulated by gas diffusion without providing the circulator such as the pump 8.
水素発生部材1としては、例えば、金属を母材として、その表面に金属または金属酸化物が添加されており、水蒸気との酸化反応によって水素を発生し、水素との還元反応により再生可能なものを用いることができる。母材の金属としては例えば、Ni、Fe、Pd、V、Mgやこれらを基材とする合金が挙げられ、特にFeは安価で、加工も容易なので好ましい。また、添加される金属としては、Al、Rh、Pd、Cr、Ni、Cu、Co、V、Moが挙げられ、添加される金属酸化物としてはSiO2、TiO2が挙げられる。ただし、母材となる金属と、添加される金属は同一の材料ではない。なお、本実施形態においては、水素発生部材1として、Feを主体とする水素発生部材を用いる。 As the hydrogen generating member 1, for example, a metal is used as a base material, and a metal or metal oxide is added to the surface thereof. Hydrogen is generated by an oxidation reaction with water vapor, and can be regenerated by a reduction reaction with hydrogen. Can be used. Examples of the base metal include Ni, Fe, Pd, V, Mg, and alloys based on these, and Fe is particularly preferable because it is inexpensive and easy to process. Examples of the added metal include Al, Rh, Pd, Cr, Ni, Cu, Co, V, and Mo. Examples of the added metal oxide include SiO 2 and TiO 2 . However, the metal used as a base material and the added metal are not the same material. In the present embodiment, a hydrogen generation member mainly composed of Fe is used as the hydrogen generation member 1.
Feを主体とする水素発生部材は、下記の(1)式に示す酸化反応により、水蒸気を消費して水素を生成することができる。
4H2O+3Fe→4H2+Fe3O4 …(1)
The hydrogen generating member mainly composed of Fe can generate hydrogen by consuming water vapor by an oxidation reaction represented by the following formula (1).
4H 2 O + 3Fe → 4H 2 + Fe 3 O 4 (1)
上記の(1)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の残量が減っていくが、上記の(1)式の逆反応すなわち下記の(2)式に示す還元反応により、水素発生部材1を再生することができる。なお、上記の(1)式に示す鉄の酸化反応及び下記の(2)式の還元反応は600℃未満の低い温度で行うこともできる。
4H2+Fe3O4→3Fe+4H2O …(2)
When the oxidation reaction of iron shown in the above formula (1) proceeds, the change from iron to iron oxide proceeds and the remaining amount of iron decreases, but the reverse reaction of the above formula (1), that is, the following (2 The hydrogen generating member 1 can be regenerated by the reduction reaction shown in the formula. The iron oxidation reaction shown in the above formula (1) and the reduction reaction in the following formula (2) can also be performed at a low temperature of less than 600 ° C.
4H 2 + Fe 3 O 4 → 3Fe + 4H 2 O (2)
水素発生部材1においては、その反応性を上げるために単位体積当りの表面積を大きくすることが望ましい。水素発生部材1の単位体積当りの表面積を増加させる方策としては、例えば、水素発生部材1の主体を微粒子化し、その微粒子化したものを成型すればよい。微粒子化の方法は例えばボールミル等を用いた粉砕によって粒子を砕く方法が挙げられる。さらに、機械的な手法などにより微粒子にクラックを発生させることで微粒子の表面積をより一層増加させてもよく、酸処理、アルカリ処理、ブラスト加工などによって微粒子の表面を荒らして微粒子の表面積をより一層増加させてもよい。 In the hydrogen generating member 1, it is desirable to increase the surface area per unit volume in order to increase the reactivity. As a measure for increasing the surface area per unit volume of the hydrogen generating member 1, for example, the main body of the hydrogen generating member 1 may be made into fine particles, and the fine particles may be molded. Examples of the fine particles include a method of crushing particles by crushing using a ball mill or the like. Further, the surface area of the fine particles may be further increased by generating cracks in the fine particles by a mechanical method or the like, and the surface area of the fine particles is further increased by roughening the surface of the fine particles by acid treatment, alkali treatment, blasting, etc. It may be increased.
水素発生部材1としては、例えば、微粒子をペレット状の粒に形成してこの粒を多数空間内に埋める形態であってもよく、微粒子をガスが通過する程度の空隙を残して固めたものであってもよい。 The hydrogen generating member 1 may have, for example, a form in which fine particles are formed into pellet-like particles and a large number of these particles are filled in the space, and the fine particles are solidified leaving a gap through which gas passes. There may be.
燃料電池部2は、図1に示す通り、電解質膜2Aの両面に燃料極2Bと酸化剤極である空気極2Cを接合したMEA構造(膜・電極接合体:Membrane Electrode Assembly)である。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 shown in FIG. 1, the fuel cell unit 2 has an MEA structure (membrane / electrode assembly) in which a fuel electrode 2B and an air electrode 2C as an oxidant electrode are bonded to both surfaces of an electrolyte membrane 2A. 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.
電解質膜2Aの材料としては、例えば、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を用いることができ、また例えば、ナフィオン(デュポン社の商標)、カチオン導電性ポリマー、アニオン導電性ポリマー等の固体高分子電解質を用いることができるが、これらに限定されることなく、水素イオンを通すものや酸素イオンを通すもの、また、水酸化物イオンを通すもの等、燃料電池の電解質としての特性を満たすものであればよい。なお、本実施形態においては、電解質膜2Aとして、酸素イオン又は水酸化物イオンを通す電解質、例えば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を用いる。 As a material of the electrolyte membrane 2A, for example, a solid oxide electrolyte using yttria-stabilized zirconia (YSZ) can be used. For example, Nafion (trademark of DuPont), a cationic conductive polymer, an anion conductive polymer Solid polymer electrolytes such as, but not limited to, those that pass hydrogen ions, those that pass oxygen ions, and those that pass hydroxide ions can be used as fuel cell electrolytes. Any material that satisfies the characteristics is acceptable. In the present embodiment, an electrolyte that passes oxygen ions or hydroxide ions, for example, a solid oxide electrolyte using yttria-stabilized zirconia (YSZ) is used as the electrolyte membrane 2A.
電解質膜2Aは、固体酸化物電解質の場合であれば、電気化学蒸着法(CVD−EVD法;Chemical Vapor Deposition - Electrochemical Vapor Deposition)等を用いて形成することができ、固体高分子電解の場合であれば、塗布法等を用いて形成することができる。 In the case of a solid oxide electrolyte, the electrolyte membrane 2A can be formed using an electrochemical vapor deposition method (CVD-EVD method; Chemical Vapor Deposition - Electrochemical Vapor Deposition) or the like. If there is, it can be formed using a coating method or the like.
燃料極2B、空気極2Cはそれぞれ、例えば、電解質膜2Aに接する触媒層と、その触媒層に積層された拡散電極とからなる構成にすることができる。触媒層としては、例えば白金黒或いは白金合金をカーボンブラックに担持させたもの等を用いることができる。また、燃料極2Bの拡散電極の材料としては、例えばカーボンペーパ、Ni−Fe系サーメットやNi−YSZ系サーメット等を用いることができる。また、空気極2Cの拡散電極の材料としては、例えばカーボンペーパ、La−Mn−O系化合物やLa−Co−Ce系化合物等を用いることができる。燃料極2B、空気極2Cはそれぞれ、例えば蒸着法等を用いて形成することができる。 Each of the fuel electrode 2B and the air electrode 2C can be configured by, for example, a catalyst layer in contact with the electrolyte membrane 2A and a diffusion electrode laminated on the catalyst layer. As the catalyst layer, for example, platinum black or a platinum alloy supported on carbon black can be used. Further, as a material for the diffusion electrode of the fuel electrode 2B, for example, carbon paper, Ni—Fe cermet, Ni—YSZ cermet, or the like can be used. Moreover, as a material of the diffusion electrode of the air electrode 2C, for example, carbon paper, La—Mn—O-based compound, La—Co—Ce-based compound, or the like can be used. Each of the fuel electrode 2B and the air electrode 2C can be formed by using, for example, vapor deposition.
システムコントローラ23の制御によってスイッチ部24が発電回路部15を選択すると、燃料電池部2と外部負荷100とが電気的に接続される。そして、燃料電池部2が発電を行っているときに、燃料極2Bにおいて下記の(3)式の反応が起こる。なお、システムコントローラ23は、燃料電池部2が発電を行っているか否かを電流センサ16の検出結果から確認することができる。
H2+O2-→H2O+2e- …(3)
When the switch unit 24 selects the power generation circuit unit 15 under the control of the system controller 23, the fuel cell unit 2 and the external load 100 are electrically connected. And when the fuel cell part 2 is generating electric power, reaction of following (3) Formula occurs in the fuel electrode 2B. The system controller 23 can confirm whether or not the fuel cell unit 2 is generating power from the detection result of the current sensor 16.
H 2 + O 2− → H 2 O + 2e − (3)
上記の(3)式の反応によって生成された電子は、外部負荷100を通って、空気極2Cに到達し、空気極2Cにおいて下記の(4)式の反応が起こる。
(1/2)O2+2e-→O2- …(4)
The electrons generated by the reaction of the above expression (3) reach the air electrode 2C through the external load 100, and the reaction of the following expression (4) occurs in the air electrode 2C.
(1/2) O 2 + 2e − → O 2− (4)
そして、上記の(4)式の反応によって生成された酸素イオンは、電解質膜2Aを通って、燃料極2Bに到達する。上記の一連の反応を繰り返すことにより、燃料電池部2が発電動作を行うことになる。また、上記の(3)式から分かるように、本実施形態に係る2次電池型燃料電池システムの発電動作時には、燃料極2B側においてH2が消費されH2Oが生成されることになる。 And the oxygen ion produced | generated by reaction of said (4) Formula reaches | attains the fuel electrode 2B through electrolyte membrane 2A. By repeating the above series of reactions, the fuel cell unit 2 performs a power generation operation. Further, as can be seen from the above equation (3), during the power generation operation of the secondary battery type fuel cell system according to the present embodiment, H 2 is consumed and H 2 O is generated on the fuel electrode 2B side. .
上記の(3)式及び(4)式より、本実施形態に係る2次電池型燃料電池システムの発電動作時における燃料電池部2での反応は下記の(5)式の通りになる。
H2+(1/2)O2→H2O …(5)
From the above equations (3) and (4), the reaction in the fuel cell unit 2 during the power generation operation of the secondary battery type fuel cell system according to the present embodiment is as shown in the following equation (5).
H 2 + (1/2) O 2 → H 2 O (5)
一方、水素発生部材1は、上記の(1)式に示す酸化反応により、本実施形態に係る2次電池型燃料電池システムの発電時に燃料電池部2の燃料極2B側で生成されたH2Oを消費してH2を生成する。 On the other hand, the hydrogen generating member 1 is produced by the oxidation reaction shown in the above formula (1), and H 2 produced on the fuel electrode 2B side of the fuel cell unit 2 during power generation of the secondary battery type fuel cell system according to this embodiment. O is consumed to produce H 2 .
上記の(1)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(2)式に示す還元反応により、水素発生部材1を再生することができ、本実施形態に係る2次電池型燃料電池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 (1) proceeds, the change from iron to iron oxide proceeds and the remaining amount of iron decreases, but the hydrogen generating member is reduced by the reduction reaction shown in the above formula (2). 1 can be regenerated, and the secondary battery type fuel cell system according to this embodiment can be charged.
本実施形態に係る2次電池型燃料電池システムの充電時に、スイッチ部24はシステムコントローラ23の制御によって充電回路部17を選択すると、燃料電池部2と外部電源200とが電気的に接続される。燃料電池部2では、本実施形態に係る2次電池型燃料電池システムの充電時に、上記の(5)式の逆反応である下記の(6)式に示す電気分解反応が起こり、燃料極2B側においてH2Oが消費されH2が生成され、水素発生部材1では、上記の(2)式に示す還元反応が起こり、燃料電池部2の燃料極2B側で生成されたH2が消費されH2Oが生成される。
H2O→H2+(1/2)O2 …(6)
When the switch unit 24 selects the charging circuit unit 17 under the control of the system controller 23 during charging of the secondary battery type fuel cell system according to the present embodiment, the fuel cell unit 2 and the external power source 200 are electrically connected. . In the fuel cell unit 2, when the secondary battery type fuel cell system according to the present embodiment is charged, an electrolysis reaction represented by the following formula (6), which is a reverse reaction of the formula (5), occurs, and the fuel electrode 2B H 2 O is consumed on the side and H 2 is generated. In the hydrogen generating member 1, the reduction reaction shown in the above equation (2) occurs, and the H 2 generated on the fuel electrode 2B side of the fuel cell unit 2 is consumed. And H 2 O is produced.
H 2 O → H 2 + (1/2) O 2 (6)
<水補給のタイミング>
水補給を行うタイミングの例について図2〜図6を参照して説明する。以下の説明において、発電モードとは、燃料電池部2が発電を行っているモードを意味し、充電モードとは、燃料電池部2が電気分解を行い水素発生部材1が再生されているモードを意味し、水補給モードとは、上記水補給部が水補給を行うモードを意味し、停止モードとは、燃料電池部2が発電も電気分解も行わず且つ上記水補給部が水補給を行わないモードを意味する。なお、図2〜図6及び後述する図7〜図22において、網掛けの時間帯が水補給を行う水補給モードである。
<Timing for water supply>
The example of the timing which performs water replenishment is demonstrated with reference to FIGS. In the following description, the power generation mode means a mode in which the fuel cell unit 2 is generating power, and the charging mode means a mode in which the fuel cell unit 2 is electrolyzed and the hydrogen generating member 1 is regenerated. The water replenishment mode means a mode in which the water replenishment unit replenishes water, and the stop mode means that the fuel cell unit 2 does not perform power generation or electrolysis and the water replenishment unit replenishes water. Means no mode. 2 to 6 and FIGS. 7 to 22 to be described later, the shaded time zone is a water supply mode in which water supply is performed.
本実施形態では、水補給モードが発電モード及び充電モードと重複しないようにしている。すなわち、燃料電池部2が発電を行っているとき及び燃料電池部2が電気分解を行っているとき以外で水補給が行われるので、水補給によって発電及び充電が不安定にならない。したがって、安定した発電及び充電が可能となる。 In the present embodiment, the water supply mode does not overlap with the power generation mode and the charging mode. That is, since water supply is performed except when the fuel cell unit 2 is generating power and when the fuel cell unit 2 is performing electrolysis, power generation and charging are not unstable due to water supply. Therefore, stable power generation and charging are possible.
例えば、本実施形態に係る2次電池型燃料電池システムを日中に発電し夜間に充電するシステムとした場合、日中の発電モードが終了し夜間の充電モードに入る前に、水補給モードにする(図2参照)。他の例では、夜間の充電モードが完了し日中の発電モードに入る前に水補給モードにする(図3参照)。一般的は、充電の安定性より発電の安定性が優先されるため、図3に示す例よりも図2に示す例の方が好ましい。 For example, when the secondary battery type fuel cell system according to the present embodiment is a system that generates power during the day and charges at night, before the daytime power generation mode ends and enters the night charge mode, the water supply mode is set. (See FIG. 2). In another example, the water supply mode is set before the night charging mode is completed and the daytime power generation mode is entered (see FIG. 3). In general, since the stability of power generation is given priority over the stability of charging, the example shown in FIG. 2 is preferable to the example shown in FIG.
また例えば、本実施形態に係る2次電池型燃料電池システムを日中に発電し夜間に充電し、充電が完了後に燃料電池部の発電及び電気分解を停止するシステムとした場合、その停止中に水補給を行う(図4参照)。即ち、停止モードの一部を水補給モードに変更する。 Further, for example, when the secondary battery type fuel cell system according to the present embodiment is a system that generates power during the day and charges it at night, and stops the power generation and electrolysis of the fuel cell unit after the charging is completed, Supply water (see FIG. 4). That is, a part of the stop mode is changed to the water supply mode.
また例えば、本実施形態に係る2次電池型燃料電池システムを日中に発電した後、燃料電池部の発電及び電気分解を一旦停止し、その後充電を開始し、充電完了後に再度燃料電池部の発電及び電気分解を停止するシステムとした場合、いずれかの停止中に水補給を行う(図5参照)。即ち、停止モードの一部を水補給モードに変更する。 In addition, for example, after the secondary battery type fuel cell system according to the present embodiment generates power during the day, the power generation and electrolysis of the fuel cell unit is temporarily stopped, and then charging is started. In the case of a system that stops power generation and electrolysis, water supply is performed during any stoppage (see FIG. 5). That is, a part of the stop mode is changed to the water supply mode.
また、充電モード中に水補給の必要が発生した場合は、一時的に充電を止めて水補給を行ってもよい(図6参照)。即ち、充電モード中に水補給モードを割り込ませてもよい。 In addition, when it is necessary to supply water during the charging mode, charging may be temporarily stopped to supply water (see FIG. 6). That is, the water supply mode may be interrupted during the charging mode.
<水補給時の温度制御>
水補給時の温度制御の例について図7〜図13を参照して説明する。なお、図7〜図13において、太線が循環ガス温度、即ち配管7内のガス温度を示している。
<Temperature control during water supply>
An example of temperature control during water replenishment will be described with reference to FIGS. 7 to 13, the thick line indicates the circulating gas temperature, that is, the gas temperature in the pipe 7.
ここで、循環ガス温度、即ち配管7内のガス温度は、配管7に温度センサを設けて直接検出してもよく、水素発生部材1や燃料電池部2に設けた温度センサを設けて、水素発生部材1や燃料電池部2の温度と配管7の温度との相関を考慮して、間接的に検出してもよい。また、配管7にヒーターを設けて配管7内のガスを直接加熱してもよく、ヒーター3やヒーター4によって配管7内のガスを間接的に加熱してもよい。 Here, the circulating gas temperature, that is, the gas temperature in the pipe 7 may be directly detected by providing a temperature sensor in the pipe 7, or by providing a temperature sensor provided in the hydrogen generating member 1 or the fuel cell unit 2. It may be detected indirectly in consideration of the correlation between the temperature of the generating member 1 or the fuel cell unit 2 and the temperature of the pipe 7. Further, a heater may be provided in the pipe 7 to directly heat the gas in the pipe 7, or the gas in the pipe 7 may be indirectly heated by the heater 3 or the heater 4.
水補給モードにおいて、循環ガス温度を制御することによって(例えば、1気圧において100℃以上に保つことによって)、配管7に補給された水(水蒸気)を気体の状態にすることができる。 In the water replenishment mode, the water (water vapor) replenished to the pipe 7 can be made into a gaseous state by controlling the circulating gas temperature (for example, by maintaining the circulating gas temperature at 100 ° C. or higher at 1 atm).
例えば、水補給モードでの循環ガス温度を発電モードでの循環ガス温度と同一に設定する(図7参照)。他の例では、水補給モードでの循環ガス温度を充電モードでの循環ガス温度と同一に設定する(図8参照)。これらの例では、水補給モードの開始時に循環ガス温度を変化させないので、発電モード又は充電モードから水補給モードへの切替を短時間で行うことができる。 For example, the circulating gas temperature in the water supply mode is set to be the same as the circulating gas temperature in the power generation mode (see FIG. 7). In another example, the circulating gas temperature in the water supply mode is set to be the same as the circulating gas temperature in the charging mode (see FIG. 8). In these examples, since the circulating gas temperature is not changed at the start of the water supply mode, switching from the power generation mode or the charge mode to the water supply mode can be performed in a short time.
また、水補給モードにおいて循環ガス温度を一定に保つ必要はないので、水補給モードにおいて、水補給モード終了後のモードでの循環ガス温度の設定温度に向けて循環ガス温度を徐々に変化させてもよい(図9参照)。 In addition, since it is not necessary to keep the circulating gas temperature constant in the water supply mode, in the water supply mode, the circulating gas temperature is gradually changed toward the set temperature of the circulating gas temperature in the mode after the end of the water supply mode. It is also possible (see FIG. 9).
また、本実施形態に係る2次電池型燃料電池システムを停止モードが設定されているシステムとした場合、水補給モードでの循環ガス温度を停止モードでの循環ガス温度と同一に設定してもよい(図10参照)。 Further, when the secondary battery type fuel cell system according to the present embodiment is a system in which the stop mode is set, even if the circulating gas temperature in the water supply mode is set to be the same as the circulating gas temperature in the stop mode Good (see FIG. 10).
また、本実施形態に係る2次電池型燃料電池システムを停止モードが設定されているシステムとした場合でも、水補給モードでの循環ガス温度を発電モード又は充電モードでの循環ガス温度と同一に設定してもよく(図11参照)、図9と同様に、循環ガス温度を徐々に変化させてもよい(図12参照)。 Even when the secondary battery type fuel cell system according to the present embodiment is a system in which the stop mode is set, the circulating gas temperature in the water supply mode is made the same as the circulating gas temperature in the power generation mode or the charging mode. It may be set (see FIG. 11), and the circulating gas temperature may be gradually changed as in FIG. 9 (see FIG. 12).
また、水補給モードでの循環ガス温度を、水補給モード開始前のモードでの循環ガス温度の設定温度と、水補給モード終了後のモードでの循環ガス温度の設定温度との中間温度に設定してもよい(図13参照)。このようにすることで、水補給モードとその前後のモードとの切替を短時間で行うことができる。 The circulating gas temperature in the water supply mode is set to an intermediate temperature between the set temperature of the circulating gas in the mode before the start of the water supply mode and the set temperature of the circulating gas in the mode after the end of the water supply mode. You may do (refer FIG. 13). By doing in this way, switching with water supply mode and the mode before and behind that can be performed in a short time.
<水補給時の循環ガス量制御>
水補給時の循環ガス量制御の例について図14〜図18を参照して説明する。なお、図14〜図18において、太線が循環ガス量、即ち配管7内のガス流量を示している。配管7内のガス流量は例えばポンプ8によって調整することができる。
<Circulating gas amount control during water supply>
An example of circulating gas amount control at the time of water supply will be described with reference to FIGS. 14 to 18, the thick line indicates the amount of circulating gas, that is, the gas flow rate in the pipe 7. The gas flow rate in the pipe 7 can be adjusted by, for example, the pump 8.
例えば、水補給モードでの循環ガス量を発電モードでの循環ガス量と同一に設定する(図14参照)。他の例では、水補給モードでの循環ガス量を充電モードでの循環ガス量と同一に設定する(図15参照)。これらの例では、水補給モードの開始時に循環ガス量を変化させないので、発電モード又は充電モードから水補給モードへの切替を短時間で行うことができる。 For example, the amount of circulating gas in the water supply mode is set to be the same as the amount of circulating gas in the power generation mode (see FIG. 14). In another example, the circulating gas amount in the water supply mode is set to be the same as the circulating gas amount in the charging mode (see FIG. 15). In these examples, since the amount of circulating gas is not changed at the start of the water supply mode, switching from the power generation mode or the charge mode to the water supply mode can be performed in a short time.
また、本実施形態に係る2次電池型燃料電池システムを停止モードが設定されているシステムとした場合、水補給モードでの循環ガス量を停止モードでの循環ガス量と同一に設定してもよい(図16参照)。なお、停止モードの循環ガス量が零に設定されている場合、水補給による一時的な水蒸気濃度の増加を早く元の状態に戻すために、水補給モードでの循環ガス量を零にしないことが望ましい。例えば、水補給モードでの循環ガス量を発電モード又は充電モードでの循環ガス量と同じ設定にしたり(図17参照)、発電動作時及び充電動作時よりも少ない量にしたり(図18参照)するとよい。 Further, when the secondary battery type fuel cell system according to the present embodiment is a system in which the stop mode is set, the circulating gas amount in the water replenishment mode may be set to be the same as the circulating gas amount in the stop mode. Good (see FIG. 16). If the circulating gas amount in the stop mode is set to zero, the circulating gas amount in the water replenishment mode must not be zeroed in order to quickly restore the original increase in water vapor concentration due to water replenishment. Is desirable. For example, the circulating gas amount in the water replenishment mode is set to the same setting as the circulating gas amount in the power generation mode or the charging mode (see FIG. 17), or smaller than in the power generation operation and the charging operation (see FIG. 18). Good.
<水補給の時期>
水補給の時期について図19〜図22を参照して説明する。なお、図20において、一点鎖線が配管7内に残存しているガス量を示している。配管7内に残存しているガス量は例えば圧力センサ12によって検出することができる。なお、圧力センサ12のみで循環ガス(水素及び水)の量を検出することが困難である場合には、さらにガス組成検出器(露点計など)を設ければよい。
<Time for water supply>
The timing of water supply will be described with reference to FIGS. In FIG. 20, the alternate long and short dash line indicates the amount of gas remaining in the pipe 7. The amount of gas remaining in the pipe 7 can be detected by, for example, the pressure sensor 12. If it is difficult to detect the amount of circulating gas (hydrogen and water) using only the pressure sensor 12, a gas composition detector (such as a dew point meter) may be provided.
例えば、水補給を行う頻度は、水素を含む循環ガスが単位時間当たりに漏洩する量と配管7の容積とに基づいて、水補給を行わずに電池性能を保証できる期間を算出し、その期間よりも短い一定周期をシステムコントローラ23に予め記憶させ、その一定周期で水補給を行う(図19)。ここでの一定周期は、例えば数日や数ヶ月などの比較的長い期間であり、分単位や時間単位まで一致している必要はない。このため、一定周期で水補給を行っても、水補給モードが発電モード及び充電モードと重複しないようにすることができる。 For example, the frequency of water replenishment is calculated based on the amount of circulating gas containing hydrogen leaked per unit time and the volume of the piping 7 so that the battery performance can be guaranteed without water replenishment. A constant cycle shorter than that is stored in the system controller 23 in advance, and water is replenished at the fixed cycle (FIG. 19). The fixed period here is a relatively long period such as several days or months, and does not need to coincide with the minute unit or the hour unit. For this reason, even if water replenishment is performed at a constant cycle, the water replenishment mode can be prevented from overlapping with the power generation mode and the charging mode.
また、水補給を行う頻度は、配管7内に残存しているガス量を適宜検出し、その検出結果に基づいて、システムコントローラ23が水を補給するタイミングを演算で求めてもよい。例えば、配管7内に残存しているガス量が閾値未満になった時点を、水を補給するタイミングにするとよい。ただし、このようにして求めた水を補給するタイミングが、発電モード又は充電モード中であれば、発電モード又は充電モードが終了するのを待ってから水補給を開始すればよい(図20参照)。なお、充電モード中である場合には、充電モード中に水補給モードを割り込ませてもよい。 The frequency of water replenishment may be determined by appropriately detecting the amount of gas remaining in the pipe 7 and calculating the timing at which the system controller 23 replenishes water based on the detection result. For example, the time when the amount of gas remaining in the pipe 7 becomes less than the threshold may be set as the timing for replenishing water. However, if the timing of replenishing the water thus obtained is during the power generation mode or the charging mode, the water replenishment may be started after waiting for the power generation mode or the charging mode to end (see FIG. 20). . When the charging mode is in progress, the water supply mode may be interrupted during the charging mode.
また、ユーザの指示を受け付ける入力部等を本発明に係る2次電池型燃料電池システムに設け、水補給を行うタイミングをユーザが指示できるようにしてもよい。ユーザによる水補給の指示をシステムが受け付けた場合、充電モード中であれば、発電モード又は充電モード中であれば、発電モード又は充電モードが終了するのを待ってから水補給を開始すればよい(図21参照)。なお、なお、充電モード中である場合には、充電モード中に水補給モードを割り込ませてもよい(図22参照)。 In addition, an input unit or the like that receives a user's instruction may be provided in the secondary battery type fuel cell system according to the present invention so that the user can instruct the timing of water supply. When the system accepts an instruction for water supply by the user, if it is in the charging mode, if it is in the power generation mode or the charging mode, it is only necessary to start water supply after waiting for the power generation mode or the charging mode to end (See FIG. 21). In addition, when in the charging mode, the water supply mode may be interrupted during the charging mode (see FIG. 22).
<その他>
上述した実施形態においては、燃料電池部2の電解質膜2Aとして固体酸化物電解質を用いて、発電の際に燃料極2B側で水を発生させるようにする。この構成によれば、水素発生部材1が設けられた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、燃料電池部2の電解質膜2A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、発電の際に燃料電池部2の酸化剤極である空気極2C側で水が発生されることになるため、この水を水素発生部材1に伝搬する流路を設ければよい。また、上述した各実施形態では、1つの燃料電池部2が発電も水の電気分解も行っているが、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)が水素発生部材1に対してガス流路上並列に接続される構成にしてもよい。
<Others>
In the embodiment described above, a solid oxide electrolyte is used as the electrolyte membrane 2A of the fuel cell unit 2, and water is generated on the fuel electrode 2B side during power generation. According to this configuration, water is generated on the side where the hydrogen generating member 1 is provided, which is advantageous for simplification and miniaturization of the apparatus. 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 may be used as the electrolyte membrane 2A of the fuel cell unit 2. However, in this case, since water is generated on the air electrode 2C side that is the oxidant electrode of the fuel cell unit 2 during power generation, a flow path for propagating this water to the hydrogen generating member 1 is provided. Just do it. In each of the above-described embodiments, one fuel cell unit 2 performs both power generation and water electrolysis. However, a fuel cell (for example, a solid oxide fuel cell dedicated to power generation) and a water electrolyzer (for example, water) The solid oxide fuel cell dedicated to electrolysis) may be connected to the hydrogen generating member 1 in parallel on the gas flow path.
また、上述した実施形態においては、水素発生部材1と燃料電池部2とを別々の容器に収容したが、水素発生部材1と燃料電池部2とを同一の容器に収容してもよい。水素発生部材1と燃料電池部2とを同一の容器に収容する場合、水素発生部材1と燃料電池部2とを所定の間隔をおいて配置する形態と、水素発生部材1と燃料電池部2とを接触させて配置する形態とがある。前者では、水素発生部材1と燃料電池部2との間の空間がガス流路になり、後者では、水素発生部材1の空隙がガス流路になる。 In the above-described embodiment, the hydrogen generating member 1 and the fuel cell unit 2 are accommodated in separate containers. However, the hydrogen generating member 1 and the fuel cell unit 2 may be accommodated in the same container. When the hydrogen generating member 1 and the fuel cell unit 2 are accommodated in the same container, the hydrogen generating member 1 and the fuel cell unit 2 are arranged at a predetermined interval, and the hydrogen generating member 1 and the fuel cell unit 2 are arranged. Are arranged in contact with each other. In the former, the space between the hydrogen generating member 1 and the fuel cell unit 2 becomes a gas flow path, and in the latter, the gap of the hydrogen generating member 1 becomes a gas flow path.
また、上述した実施形態では、酸化剤ガスに空気を用いているが、空気以外の酸化剤ガスを用いても構わない。 In the above-described embodiment, air is used as the oxidant gas, but an oxidant gas other than air may be used.
1 水素発生部材
2 燃料電池部
2A 電解質膜
2B 燃料極
2C 空気極
3、4、20 ヒーター
5、6 容器
7、10、11 配管
8 ポンプ
9 断熱容器
12 圧力センサ
13 酸化度検出部
14 スイッチ部
15 発電回路部
16 電流センサ
17 充電回路部
18 貯水室
19 蒸気室
21、22 開閉バルブ
23 システムコントローラ
100 外部負荷
200 外部電源
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Hydrogen generating member 2 Fuel cell part 2A Electrolyte membrane 2B Fuel electrode 2C Air electrode 3, 4, 20 Heater 5, 6 Container 7, 10, 11 Piping 8 Pump 9 Heat insulation container 12 Pressure sensor 13 Oxidation detection part 14 Switch part 15 Power generation circuit section 16 Current sensor 17 Charging circuit section 18 Water storage chamber 19 Steam chamber 21, 22 Open / close valve 23 System controller 100 External load 200 External power supply
Claims (5)
前記水素発生部から供給される水素を用いて発電を行う発電機能及び前記水素発生部の再生時に前記水素発生部から供給される水蒸気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、
前記水素発生部と前記発電・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ためのガス流路と、
前記ガス流路に水を補給する水補給部とを備える2次電池型燃料電池システムであって、
前記水補給部は、前記発電・電気分解部が発電を行っているとき及び前記発電・電気分解部が電気分解を行っているとき以外で水補給を行うことを特徴とする2次電池型燃料電池システム。 Hydrogen generation part that can release hydrogen by oxidation reaction and can be regenerated by reduction reaction,
A power generation / electrolysis unit having a power generation function for generating power using hydrogen supplied from the hydrogen generation unit and an electrolysis function for electrolyzing water vapor supplied from the hydrogen generation unit during regeneration of the hydrogen generation unit;
A gas flow path for circulating a gas containing hydrogen and water vapor between the hydrogen generation unit and the power generation / electrolysis unit;
A secondary battery type fuel cell system comprising a water replenishment unit for replenishing water to the gas flow path,
The secondary battery type fuel characterized in that the water replenishing unit replenishes water except when the power generation / electrolysis unit is generating power and when the power generation / electrolysis unit is performing electrolysis Battery system.
前記温度制御部は、前記水補給部が水補給を行っている水補給時に、前記ガス流路の温度を制御す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 temperature control unit for controlling the temperature of the gas flow path;
2. The secondary battery type fuel cell system according to claim 1, wherein the temperature control unit controls the temperature of the gas flow path when water is supplied by the water supply unit. 3.
前記流量制御部は、前記水補給部が水補給を行っている水補給時に、前記ガス流路内に存在する水素及び水蒸気を含むガスの流量を制御することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の2次電池型燃料電池システム。 A flow rate controller for controlling the flow rate of the gas containing hydrogen and water vapor present in the gas flow path;
The said flow control part controls the flow volume of the gas containing hydrogen and water vapor | steam which exists in the said gas flow path at the time of the water replenishment which the said water replenishment part is replenishing with water. Item 5. The secondary battery type fuel cell system according to Item 2.
前記酸化度検出部の検出結果に基づいて、前記水素発生部の酸化度合いが所定の上限値を越える前に、前記水補給部が水補給を行うことを特徴とする請求項4に記載の2次電池型燃料電池システム。 An oxidation degree detection unit for detecting an oxidation degree of the hydrogen generation unit;
5. The water supply unit according to claim 4, wherein the water supply unit supplies water before the degree of oxidation of the hydrogen generation unit exceeds a predetermined upper limit value based on a detection result of the oxidation degree detection unit. Secondary battery type fuel cell system.
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- 2013-04-12 JP JP2013083641A patent/JP2014207115A/en active Pending
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CN111630709B (en) * | 2018-01-23 | 2024-06-07 | 松下知识产权经营株式会社 | Secondary battery |
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