JP2016015282A - 再生型燃料電池システムとその運転方法 - Google Patents
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Abstract
Description
再生型燃料電池システムは、充電可能な発電装置であり、副産物は水のみであるため、省エネ化、二酸化炭素削減が可能であることから、宇宙空間や航空機等への適用が期待されている。
また、これに関連する技術が、特許文献1〜3に開示されている。
この図において、再生型燃料電池システムは、燃料電池ユニットA、水分解ユニットB、及びガス貯蔵ユニットCからなる。
この構成により、水素と酸素を用いて燃料電池1で発電し、反応後のガスを気水分離器2で酸素と水に分離し、循環ポンプ3で酸素を燃料電池1の入口側にリサイクルし、水を水タンク4に溜める。
この構成により、給水ポンプ10で水分解ユニットBに水を給水し、電気分解装置5で水を電気分解して水素と酸素を生成する。また、気水分離器6a,6bで生成した水素と酸素から水をそれぞれ分離し、分離した水を水タンク7a,7bにそれぞれ貯蔵する。さらに、循環ポンプ8で水を電気分解装置5の入口側にリサイクルし、分離した水素と酸素をガス貯蔵ユニットCに供給する。
高圧タンク11a,11bは、水素と酸素をそれぞれ高圧(例えば1〜30MPa)で貯蔵する。ブースターポンプ12a,12bは、水分解ユニットBから供給された低圧の水素と酸素を高圧まで加圧する。調圧弁15a,15bは高圧タンク11a,11bから供給される高圧の水素と酸素を減圧して燃料電池ユニットAに供給する。
しかし、先行文献2、3の手段では、循環ポンプ8は、電気分解装置5の冷却のため大流量を循環する。また大流量の循環ポンプ8は、高圧運転のため耐圧性能を高める必要がある。そのためシステムが大型化するという問題点があった。また、水分解ユニットBに水を補給する給水ポンプ10は低圧の水を高圧まで昇圧するため高揚程を要求され、給水ポンプ10の効率が低くなるという問題点があった。
水を電気分解して前記発電圧力より高い圧力範囲の生成圧力の水素と酸素を生成する水分解ユニットと、
水素と酸素を貯蔵し燃料電池ユニットに供給するガス貯蔵ユニットと、を備え、
前記水分解ユニットは、水を電気分解して前記生成圧力の水素と酸素を生成する水電解装置と、
水電解装置に電気分解用の水を前記生成圧力で循環供給する高圧循環ポンプと、
水電解装置に冷却用の水を前記生成圧力より低い冷却圧力で循環供給する低圧循環装置と、を有する、ことを特徴とする再生型燃料電池システムが提供される。
前記セパレータはその内部に中空かつ耐圧の冷却水流路を有する。
水電解装置で生成された生成圧力の水素と酸素から随伴する水を分離し、分離後の水素と酸素をそれぞれガス貯蔵ユニットに供給する1対の気水分離器と、
各気水分離器で分離された水を生成圧力で貯蔵する高圧水タンクと、
生成圧力が第1閾値未満のときに、前記高圧水タンクに水を給水する低圧給水ポンプと、を備える。
水素と酸素をそれぞれ貯蔵する水素タンク及び酸素タンクと、
前記水分解ユニットから供給される水素と酸素の第1供給ラインにそれぞれ設けられた第1遮断弁と、
第1遮断弁と水素タンク及び酸素タンクをそれぞれ連結する第2供給ラインにそれぞれ設けられた第2遮断弁と、
第1遮断弁と第2遮断弁の間から燃料電池ユニットに水素と酸素を供給する第3供給ラインにそれぞれ設けられた調圧弁と、を備える。
発電圧力の水素と酸素を用いて発電する燃料電池と、
燃料電池から排出される酸素から随伴する水を分離し、分離後の酸素を燃料電池に再循環させる酸素再循環装置と、
前記酸素再循環装置で分離された水を貯蔵する低圧水タンクと、を備える。
前記低圧給水ポンプと前記高圧水タンクとの間に逆止弁を有する。
(A)生成圧力が第1閾値未満のときに、前記ガス貯蔵ユニットの第1遮断弁を全閉し、
(B)生成圧力が第2閾値以上のときに、前記第1遮断弁と前記ガス貯蔵ユニットの第2遮断弁を開き、
(C)生成圧力が第1閾値以上かつ第2閾値未満のときに、前記第1遮断弁を開き、前記第2遮断弁を全閉する。
(A)生成圧力が第1閾値未満のときに、前記ガス貯蔵ユニットの第1遮断弁を全閉し、
(B)生成圧力が第2閾値以上のときに、前記第1遮断弁と前記ガス貯蔵ユニットの第2遮断弁を開き、
(C)生成圧力が第1閾値以上かつ第2閾値未満のときに、前記第1遮断弁を開き、前記第2遮断弁を全閉する、ことを特徴とする上記の再生型燃料電池システムの運転方法が提供される。
すなわち、水電解装置へ水を供給するラインを、大流量を要求される冷却水系と高圧を要求される電解水系の2系統に分けたので、高圧循環ポンプを小型軽量化することができる。
すなわち、水電解に必要な水を生成圧力が低いとき(例えば、燃料電池運転時)に供給することにより、給水ポンプに対する揚程要求を緩和し、システムの小型化を図ることができる。
この図において、本発明の再生型燃料電池システムは、燃料電池ユニット20、水分解ユニット30、及びガス貯蔵ユニット40を備える。
燃料電池22は、発電圧力P1の水素と酸素を用いて発電する。燃料電池22は、好ましくは固体高分子型燃料電池(PEFC)である。固体高分子型燃料電池(PEFC)は、イオン伝導性を有する高分子膜を電解質として用いる燃料電池である。
セパレータは、カーボン、金属、導電性プラスチックなどによって作成される。
H2→2H++2e−・・・(1)
プロトン(H+)は、電解質膜内を、電子は導線内を通ってカソードに移動する。
カソードでは、電解質膜から来たプロトンと、導線から来た電子が酸素と反応して、式(2)の反応により水を生成する。
4H++O2+4e−→2H2O・・・(2)
この場合、式(1)(2)により、純水素と純酸素が反応し、純水が生成される。
従って、副産物は純水のみであるため、これをリサイクルすることにより、省エネ化と二酸化炭素の削減が可能である。
なお、図示しないが、燃料電池22から排出される水素も同様に水を分離し再循環させてもよい。
水素生成圧力Phと酸素生成圧力Poは、電解セル33a及び高圧水タンク37aを介して連通しているので、その差は、最大でも1000mmAq(すなわち、約0.01MPa程度である)。
生成圧力P(水素生成圧力Ph及び酸素生成圧力Po)は、発電圧力P1より高い圧力範囲であり、好ましくは、発電圧力P1+αから最高貯蔵圧の範囲である。ここでαは、例えば約0.1MPaである。また、最高貯蔵圧は例えば約20〜30MPaである。
すなわち、生成圧力P(水素生成圧力Ph及び酸素生成圧力Po)は、発電圧力P1より常に高いが、一定ではなく、発電圧力P1+αから最高貯蔵圧の範囲で変動する。また、この範囲において、後述する第1閾値L1と第2閾値L2が予め設定されている。
第1閾値L1は、発電圧力P1+αに近い圧力であり、例えば約0.3〜1.0MPaである。第2閾値L2は、最高貯蔵圧に近い圧力であり、例えば約5〜10MPaである。
水電解装置32は、水を電気分解して生成圧力P(水素生成圧力Phと酸素生成圧力Po)の水素と酸素を生成する。
高圧循環ポンプ34は、水電解装置32に電気分解用の水を生成圧力P(この例では酸素生成圧力Po)で循環供給する。
この図において、水電解装置32は、圧力容器32a内に収容された複数の電解セル33aと導電性のセパレータ33bとを有する。
複数の電解セル33aは、陽極と陰極の間に高分子電解質膜が挟持され、陽極と陰極の間に外部電源31により電圧を印加することにより、燃料電池22と反対の反応、すなわち式(1)(2)の逆反応により、水素と酸素を発生させる。
冷却圧力P2は、例えば約0.1〜0.3MPaであり、好ましくは大気圧(約0.1MPa)である。
低圧熱交換器35aは、水冷でも空冷でもよい。
また、冷却水ライン35cは、低圧熱交換器35aと水電解装置32を結ぶ配管ラインであり、この冷却水ライン35cに低圧循環ポンプ35bが設けられている。
この図において、本発明の再生型燃料電池システムの運転方法は、S1〜S6の各ステップ(工程)からなる。
ステップS2で、生成圧力P(水素生成圧力Ph及び酸素生成圧力Po)を第1閾値L1と比較する。
従って、この構成により、供給圧が低い低圧給水ポンプ38で、高圧水タンク37bに水を自動で給水することができ、低圧給水ポンプ38の効率を高めることができる。
また、ステップS5では、第2遮断弁46a,46bを全閉しているので、水素タンク42aと酸素タンク42bの圧力は全閉直前の圧力に保持されている。
これにより、水素タンク42a及び酸素タンク42bに第2閾値L2以上の圧力で、水素と酸素を貯蔵することができる。このとき低圧給水ポンプ38は、第1閾値L1以上の生成圧力P(この例では酸素生成圧力Po)を検出して作動を自動で停止している。
水分解ユニット30の停止後、燃料電池ユニット20で発電を継続すると、水素と酸素が消費され、生成圧力P(水素生成圧力Ph及び酸素生成圧力Po)が徐々に低下する。
生成圧力P(水素生成圧力Ph及び酸素生成圧力Po)が第2閾値L2未満になると、ステップS5で第2遮断弁46a,46bが全閉され、水素タンク42aと酸素タンク42bの圧力は第2閾値L2未満の圧力に保持される。
生成圧力P(水素生成圧力Ph及び酸素生成圧力Po)が第1閾値L1未満になると、低圧給水ポンプ38が、第1閾値L1未満の生成圧力P(この例では酸素生成圧力Po)を検出して作動を自動で開始し、高圧水タンク37a,37bの水位が上昇する。この水位上昇は低圧給水ポンプ38の吐出量を大きく設定することにより、短時間で目標水位まで完了させることができる。
電解水供給ライン34aは高圧であるが小流量であるので、配管、ポンプ(高圧循環ポンプ34)の小型化が可能となる。
冷却水ライン35cは大流量が必要であるが、低圧であるために耐圧性能の低い部材が使用できるため軽量化が可能である。
また高圧系統が小型化することから、高圧水タンク37bを電解に必要な容量(例えば1日分)に設定し、生成圧力P(水素生成圧力Phと酸素生成圧力Po)が所定の圧力より低いときに水を補給することにより、低圧給水ポンプ38に対する揚程要求を緩和し、小型化を図ることができる。
例えば、効率80%で100kW入力の水電解装置32の場合、水電解で消費される水量は約0.3L/minであるが、冷却に必要な水量は200倍の60L/minが必要となる。
すなわち、水電解装置32へ水を供給するラインを、大流量を要求される冷却水系と高圧を要求される電解水系の2系統に分けたので、高圧循環ポンプ34を小型軽量化することができる。
すなわち、水電解に必要な水を生成圧力P(水素生成圧力Ph及び酸素生成圧力Po)が低いとき(例えば、燃料電池22の運転時)に供給することにより、低圧給水ポンプ38に対する揚程要求を緩和し、システムの小型化を図ることができる。
P 生成圧力、Ph 水素生成圧力、Po 酸素生成圧力、
P1 発電圧力、P2 冷却圧力、L1 第1閾値、L2 第2閾値、
1 燃料電池、2 気水分離器、3 循環ポンプ、4 水タンク、
5 電気分解装置、6a,6b 気水分離器、7a,7b 水タンク、
8 循環ポンプ、9 熱交換器、10 給水ポンプ、
11a,11b 高圧タンク、12a,12b ブースターポンプ、
13a,13b,14a,14b 切替弁、
15a,15b 調圧弁、20 燃料電池ユニット、
22 燃料電池、24 酸素再循環装置、25a 低圧気水分離器、
25b 低圧循環ポンプ、26 低圧水タンク、30 水分解ユニット、
31 外部電源、32 水電解装置、32a 圧力容器、
33a 電解セル、33b セパレータ、33c 冷却水流路、
34 高圧循環ポンプ、34a 電解水供給ライン、
35 低圧循環装置、35a 低圧熱交換器、35b 低圧循環ポンプ、
35c 冷却水ライン、36a,36b 気水分離器、
37a,37b 高圧水タンク、38 低圧給水ポンプ、
38a 給水ライン、38b 圧力検出器、39 逆止弁、
40 ガス貯蔵ユニット、42a 水素タンク、42b 酸素タンク、
44a,44b 第1遮断弁、45a,45b 第1供給ライン、
46a,46b 第2遮断弁、47a,47b 第2供給ライン、
48a,48b 調圧弁、49a,49b 第3供給ライン、
50 制御装置、50a 圧力検出器
Claims (8)
- 大気圧から1MPaの発電圧力の水素と酸素を用いて発電する燃料電池ユニットと、
水を電気分解して前記発電圧力より高い圧力範囲の生成圧力の水素と酸素を生成する水分解ユニットと、
水素と酸素を貯蔵し燃料電池ユニットに供給するガス貯蔵ユニットと、を備え、
前記水分解ユニットは、水を電気分解して前記生成圧力の水素と酸素を生成する水電解装置と、
水電解装置に電気分解用の水を前記生成圧力で循環供給する高圧循環ポンプと、
水電解装置に冷却用の水を前記生成圧力より低い冷却圧力で循環供給する低圧循環装置と、を有する、ことを特徴とする再生型燃料電池システム。 - 前記水電解装置は、陽極と陰極の間に高分子電解質膜が挟持された複数の電解セルと、電解セルの間に挟持された導電性のセパレータとを有し、
前記セパレータはその内部に中空かつ耐圧の冷却水流路を有する、ことを特徴とする請求項1に記載の再生型燃料電池システム。 - 前記水分解ユニットは、さらに、
水電解装置で生成された生成圧力の水素と酸素から随伴する水を分離し、分離後の水素と酸素をそれぞれガス貯蔵ユニットに供給する1対の気水分離器と、
各気水分離器で分離された水を生成圧力で貯蔵する高圧水タンクと、
生成圧力が第1閾値未満のときに、前記高圧水タンクに水を給水する低圧給水ポンプと、を備える、ことを特徴とする請求項1に記載の再生型燃料電池システム。 - 前記ガス貯蔵ユニットは、
水素と酸素をそれぞれ貯蔵する水素タンク及び酸素タンクと、
前記水分解ユニットから供給される水素と酸素の第1供給ラインにそれぞれ設けられた第1遮断弁と、
第1遮断弁と水素タンク及び酸素タンクをそれぞれ連結する第2供給ラインにそれぞれ設けられた第2遮断弁と、
第1遮断弁と第2遮断弁の間から燃料電池ユニットに水素と酸素を供給する第3供給ラインにそれぞれ設けられた調圧弁と、を備える、ことを特徴とする請求項1に記載の再生型燃料電池システム。 - 前記燃料電池ユニットは、
発電圧力の水素と酸素を用いて発電する燃料電池と、
燃料電池から排出される酸素から随伴する水を分離し、分離後の酸素を燃料電池に再循環させる酸素再循環装置と、
前記酸素再循環装置で分離された水を貯蔵する低圧水タンクと、を備える、ことを特徴とする請求項1に記載の再生型燃料電池システム。 - 前記低圧給水ポンプは、前記燃料電池ユニットの低圧水タンクと前記水分解ユニットの高圧水タンクとを連通する給水ラインに設けられており、
前記低圧給水ポンプと前記高圧水タンクとの間に逆止弁を有する、ことを特徴とする請求項3に記載の再生型燃料電池システム。 - 前記ガス貯蔵ユニットを制御する制御装置を備え、
(A)生成圧力が第1閾値未満のときに、前記ガス貯蔵ユニットの第1遮断弁を全閉し、
(B)生成圧力が第2閾値以上のときに、前記第1遮断弁と前記ガス貯蔵ユニットの第2遮断弁を開き、
(C)生成圧力が第1閾値以上かつ第2閾値未満のときに、前記第1遮断弁を開き、前記第2遮断弁を全閉する、ことを特徴とする請求項4に記載の再生型燃料電池システム。 - 請求項1に記載の再生型燃料電池システムの運転方法であって、
ガス貯蔵ユニットを制御する制御装置により、
(A)生成圧力が第1閾値未満のときに、前記ガス貯蔵ユニットの第1遮断弁を全閉し、
(B)生成圧力が第2閾値以上のときに、前記第1遮断弁と前記ガス貯蔵ユニットの第2遮断弁を開き、
(C)生成圧力が第1閾値以上かつ第2閾値未満のときに、前記第1遮断弁を開き、前記第2遮断弁を全閉する、ことを特徴とする再生型燃料電池システムの運転方法。
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