JP2022133348A - Water electrolysis method, water electrolysis apparatus, water electrolysis system, operational method of water electrolysis and fuel cell, water electrolysis and fuel cell apparatus, and water electrolysis and fuel cell system - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To administer a suitable water electrolysis treatment by flowing a large amount of raw water for water electrolysis into the reaction area of a water electrolytic cell while suppressing the power of a pump.
SOLUTION: A water electrolytic cell 10 comprises a separator 31 situated on the hydrogen-electrode side and a separator 41 situated on the oxygen-electrode side, which are provided on both sides of an electrode body 21 comprising power feeders arranged on both sides of an electrolyte film. The water electrolytic cell 10 is rectangular, placed oblongly to the vertical direction, and laminated in the horizontal direction. The raw water for water electrolysis is supplied from connecting holes 24, 34, and 44 that are arranged along the lower long side of the water electrolytic cell 10 toward connecting holes 23, 33, and 43 that are arranged along the upper long side.
SELECTED DRAWING: Figure 2
COPYRIGHT: (C)2022,JPO&INPIT

Description

本発明は、固体高分子形の水電解セルを用いた水電解方法、水電解装置、水電解システム、並びに、固体高分子形の水電解燃料電池一体型セルを用いた水電解・燃料電池運転方法、水電解・燃料電池装置及び水電解・燃料電池システムに関するものである。 The present invention provides a water electrolysis method, a water electrolysis apparatus, a water electrolysis system, and water electrolysis/fuel cell operation using a solid polymer water electrolysis fuel cell integrated cell. The present invention relates to a method, a water electrolysis/fuel cell device, and a water electrolysis/fuel cell system.

従来から、電解質膜の両側に給電体を配置してさらにセパレータを各々の外側に配置した固体高分子形の水電解セルを、複数積層して水電解装置として利用されている(特許文献1)。 Conventionally, a plurality of solid polymer type water electrolysis cells, in which power feeders are arranged on both sides of an electrolyte membrane and separators are arranged on the outside of each cell, are stacked and used as a water electrolysis device (Patent Document 1). .

より詳述すると、特許文献1の技術は、水電解の原料水を水流路に均等に分配して水流路全体に原料水を均一且つ確実に供給して水電解処理を行うことを目的としており、そのため水電解セルは水平に配置し、かつこれを鉛直方向に積層した構成を有している。具体的には、水供給連通孔と水流路とを連通する複数の入口連結流路が設けられるとともに、前記水供給連通孔は、前記複数の入口連結流路が開口する連通孔内側壁面及び前記連通孔内側壁面に対向する連通孔外側壁面が長尺な開口断面長円形状を有するようにしている。 More specifically, the technique of Patent Document 1 aims to distribute the raw water for water electrolysis evenly to the water flow channels and to uniformly and reliably supply the raw water to the entire water flow channels to perform water electrolysis. Therefore, the water electrolysis cells are arranged horizontally and stacked vertically. Specifically, a plurality of inlet connecting channels are provided for communicating the water supply communicating holes and the water channels, and the water supply communicating hole includes a communicating hole inner wall surface to which the plurality of inlet connecting channels open and the The outer wall surface of the communication hole facing the inner wall surface of the communication hole has an elongated elliptical opening cross section.

これによって、原料水は、長円形状の水供給連通孔から複数の入口連結流路に均等に分岐された後、水流路に供給され、当該水流路では、特に水供給連通孔に近接する中央側に、水が優先的に流れることを阻止するようにしていた。その結果、水流路内で圧力損失のばらつきが発生することを抑え、水流路全域に水を均等に分配することになるというものである。 As a result, the raw water is evenly branched from the oblong water supply passage to a plurality of inlet connection passages, and then supplied to the water passage. It was designed to prevent water from flowing preferentially on the side. As a result, the occurrence of variations in pressure loss within the water flow path is suppressed, and water is evenly distributed over the entire water flow path.

特開2011-127209号公報JP 2011-127209 A

しかしながら、前記した従来技術は、水電解の原料水を水流路に均等に分配して水流路全体に原料水を均一且つ確実に供給して水電解処理を行うことを目的としてはいるが、各流路の長さに基づく圧力損失については格別示唆することはなく、また原料水を各水電解セルに対して大量に流すためには、別途原料水を供給するポンプの圧力を上げるなどする必要があった。 However, the above-described prior art aims to distribute the raw water for water electrolysis evenly to the water flow passages and uniformly and reliably supply the raw water to the entire water flow passages to carry out the water electrolysis treatment. There is no particular suggestion about the pressure loss based on the length of the flow path, and in order to flow a large amount of raw water to each water electrolysis cell, it is necessary to raise the pressure of the pump that supplies raw water separately. was there.

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、ポンプの動力を抑えつつ水電解の原料水を大量にセルの反応領域に流して、好適な水電解処理を行うことを目的としている。 The present invention has been made in view of such a point, and an object of the present invention is to perform a suitable water electrolysis treatment by flowing a large amount of raw water for water electrolysis into the reaction area of the cell while suppressing the power of the pump.

前記目的を達成するため、本発明は、電解質膜の両側に給電体を配置してさらにセパレータを各給電体の外側に配置した固体高分子形の水電解セルを、複数積層した水電解装置を用いて水を電気分解する方法であって、前記固体高分子形の水電解セルは長方形であって、かつ当該水電解セルは横長かつ鉛直方向に配置され、かつ水平方向に積層されており、前記長方形の水電解セルの下側の長辺側から上側の長辺側に向けて、原料水を水電解セル内に供給することを特徴としている。 In order to achieve the above object, the present invention provides a water electrolysis apparatus in which a plurality of solid polymer type water electrolysis cells are laminated, in which power feeders are arranged on both sides of an electrolyte membrane and separators are placed outside each power feeder. wherein the solid polymer type water electrolysis cell is rectangular, and the water electrolysis cell is horizontally long and vertically arranged and horizontally stacked, The raw material water is supplied into the water electrolysis cell from the lower long side of the rectangular water electrolysis cell toward the upper long side of the water electrolysis cell.

本発明によれば、固体高分子形の水電解セルは長方形であって、かつ当該水電解セルを横長かつ鉛直方向に配置し、さらにこれらを水平方向に積層し、水電解セルの下側の長辺側から上側の長辺側に向けて、原料水を水電解セル内に供給するようにしたので、たとえば同一反応面積の下で考えると、水電解セルの下側の長辺側から原料水を対向する長辺側に向けて供給すると、その流路長は短辺方向であるから、まず供給する供給元(供給口)を長手方向に亘って長くとることができ、この点で原料水の流量を多くできる。そして流路長は短辺方向であるから、反応流路が短くなるので、圧損も低く抑えることができる。それゆえ、原料水を供給するポンプの動力を抑えつつ原料水を大量にセルの反応領域に流すことが可能である。 According to the present invention, the solid polymer type water electrolysis cell is rectangular, and the water electrolysis cell is arranged horizontally and vertically. Since the raw material water is supplied into the water electrolysis cell from the long side toward the upper long side, for example, under the same reaction area, the raw material is supplied from the lower long side of the water electrolysis cell. When water is supplied toward the opposite long side, the flow path length is in the short side direction, so the supply source (supply port) for supplying water can be elongated in the longitudinal direction. It can increase the flow rate of water. Since the length of the flow path is in the short side direction, the reaction flow path is shortened, and the pressure loss can be kept low. Therefore, it is possible to supply a large amount of raw water to the reaction area of the cell while suppressing the power of the pump that supplies the raw water.

別な観点による本発明は、電解質膜の両側に給電体を配置してさらにセパレータを各給電体の外側に配置した固体高分子形の水電解セルを、複数積層した水電解装置であって、前記固体高分子形の水電解セルは長方形であって、かつ当該水電解セルは横長かつ鉛直方向に配置され、かつ水平方向に積層されており、前記長方形の各水電解セルの下側の長辺側に、水供給のための連通口が配置され、各水電解セルの上側の長辺側に、電解水と酸素ガスの排出用の連通口が配置されていることを特徴としている。 According to another aspect of the present invention, there is provided a water electrolysis apparatus in which a plurality of solid polymer type water electrolysis cells each having a power feeder disposed on both sides of an electrolyte membrane and a separator disposed outside each power feeder are laminated, The solid polymer type water electrolysis cells are rectangular, and the water electrolysis cells are arranged horizontally and vertically, and are stacked horizontally. A communication port for supplying water is arranged on the side, and a communication port for discharging electrolyzed water and oxygen gas is arranged on the upper long side of each water electrolysis cell.

かかる特徴を有する水電解装置においては、前記長方形の各水電解セルの短辺側に、水素ガス排出用の連通口が配置されていてもよい。 In the water electrolysis device having such characteristics, a communication port for discharging hydrogen gas may be arranged on the short side of each of the rectangular water electrolysis cells.

さらにまた前記セパレータには、縦方向、横方向のいずれにも流体が流通可能な流路が形成されているものを用いることが好ましい。このようなセパレータとしては、その構成材としてたとえば、エンボス加工されたプレート、メッシュ、パンチングメタル等の公知のものを使用することができる。 Furthermore, it is preferable to use a separator in which a flow path through which a fluid can flow is formed both in the vertical direction and in the horizontal direction. As such a separator, known materials such as an embossed plate, mesh, punching metal, etc. can be used as its constituent material.

またさらに別な観点によれば、本発明は、そのような水電解装置を用いた水電解システムであって、当該水電解装置に対して(直接的には、電解質膜の両側に給電体に対して)直流電力を供給する電源装置と、前記水電解装置に原料水を供給する原料水供給路と、前記水電解装置で発生した水素ガスをシステム外に放出する水素ガス放出路と、前記水電解装置で発生した酸素ガスをシステム外に放出する酸素ガス放出路と、を有することを特徴としている。 According to still another aspect, the present invention provides a water electrolysis system using such a water electrolysis device, wherein the water electrolysis device (directly, power feeders on both sides of the electrolyte membrane) On the other hand) a power supply unit that supplies DC power, a raw water supply channel that supplies raw water to the water electrolysis device, a hydrogen gas discharge channel that releases hydrogen gas generated in the water electrolysis device to the outside of the system, and and an oxygen gas discharge path for discharging oxygen gas generated in the water electrolysis device to the outside of the system.

さらに前記した水電解方法、水電解装置、水電解システムで採用した水電解セルの特徴に鑑み、さらに以下の発明を提案できる。 Furthermore, in view of the characteristics of the water electrolysis cell employed in the water electrolysis method, the water electrolysis device, and the water electrolysis system, the following invention can be proposed.

まず、電解質膜の両側に給・集電体を配置してさらにセパレータを各給・集電体の外側に配置した、固体高分子形の水電解燃料電池一体型セルを、複数積層した水電解・燃料電池装置を用いて、水電解運転と燃料電池運転を切り替えて行う方法であって、前記固体高分子形の水電解燃料電池一体型セルは長方形であって、かつ当該水電解燃料電池一体型セルは横長かつ鉛直方向に配置され、かつ水平方向に積層されており、水電解運転の際には、前記長方形の水電解燃料電池一体型セルの下側の長辺側から上側の長辺側に向けて、原料水を水電解燃料電池一体型セル内に供給し、燃料電池運転の際には、前記長方形の水電解燃料電池一体型セルの短辺側から対向する短辺側に向けて、原料ガスを水電解燃料電池一体型セル内に供給することを特徴とする、水電解・燃料電池運転方法。 First, water electrolysis is performed by stacking multiple solid polymer type water electrolysis fuel cell integrated cells, in which power supply/current collectors are arranged on both sides of the electrolyte membrane, and separators are further arranged on the outside of each power supply/current collector. - A method of switching between water electrolysis operation and fuel cell operation using a fuel cell device, wherein the solid polymer type water electrolysis fuel cell integrated cell is rectangular, and the water electrolysis fuel cell The body-shaped cells are arranged horizontally and vertically, and are stacked horizontally. The raw material water is supplied into the water electrolysis fuel cell integrated cell toward the side, and when the fuel cell is operated, it is directed from the short side of the rectangular water electrolysis fuel cell integrated cell to the opposite short side A water electrolysis/fuel cell operating method, characterized by supplying a source gas into a water electrolysis/fuel cell integrated cell.

また別な観点によれば、電解質膜の両側に給・集電体を配置してさらにセパレータを各給・集電体の外側に配置した、固体高分子形の水電解燃料電池一体型セルを、複数積層した水電解・燃料電池装置であって、前記固体高分子形の水電解燃料電池一体型セルは長方形であって、かつ当該水電解燃料電池一体型セルは横長かつ鉛直方向に配置され、かつ水平方向に積層されており、前記長方形の各水電解燃料電池一体型セルの下側の長辺側に、水電解運転の際の原料水供給のための連通口、及び冷却水供給のための連通口が配置され、各水電解燃料電池一体型セルの上側の長辺側に、水電解運転の際の電解水と酸素ガスの排出用の連通口が配置され、各水電解燃料電池一体型セルの短辺側に、水電解運転の際の水素ガス排出用の連通口、及び燃料電池運転の際の水素ガス供給用の連通口、及び空気または酸素ガス供給用の連通口が形成されていることを特徴とする、水電解・燃料電池装置が提案できる。 From another point of view, a solid polymer type water electrolysis fuel cell integrated cell is provided in which feeders and current collectors are arranged on both sides of an electrolyte membrane, and separators are further arranged outside each of the feeders and collectors. A water electrolysis/fuel cell device in which a plurality of layers are stacked, wherein the solid polymer type water electrolysis fuel cell integrated cells are rectangular, and the water electrolysis fuel cell integrated cells are horizontally long and arranged in a vertical direction. , and stacked in the horizontal direction, and on the lower long side of each of the rectangular water electrolysis fuel cell integrated cells, a communication port for supplying raw material water during water electrolysis operation and a cooling water supply A communication port for discharging electrolyzed water and oxygen gas during water electrolysis operation is disposed on the upper long side of each water electrolysis fuel cell integrated cell, and each water electrolysis fuel cell A communication port for discharging hydrogen gas during water electrolysis operation, a communication port for supplying hydrogen gas during fuel cell operation, and a communication port for supplying air or oxygen gas are formed on the short side of the integrated cell. It is possible to propose a water electrolysis/fuel cell device characterized by:

この場合、前記セパレータには、縦方向、横方向のいずれにも流体が流通可能な流路が形成されているものを用いることが好ましい。このセパレータは、前記したような、たとえば、エンボス加工されたプレート、メッシュ、パンチングメタル等の公知のものを使用することができる。 In this case, it is preferable to use a separator in which a flow path through which a fluid can flow is formed in both the vertical direction and the horizontal direction. For this separator, a known separator such as an embossed plate, mesh, punching metal, etc., as described above, can be used.

さらにまたかかる水電解・燃料電池装置において、水電解燃料電池一体型セルの短辺側に、空気又は酸素ガス、及び反応生成水が排出される連通口が形成され、水電解燃料電池一体型セルの電極面の最下部よりも、空気又は酸素ガス、及び反応生成水が排出される連通口の最下部の方が下方に位置しているようにしてもよい。 Furthermore, in such a water electrolysis/fuel cell device, a communication port through which air or oxygen gas and reaction product water are discharged is formed on the short side of the water electrolysis fuel cell integrated cell. The lowermost part of the communication port through which the air or oxygen gas and reaction product water are discharged may be located below the lowermost part of the electrode surface.

そのような水電解・燃料電池装置を用いた水電解・燃料電池システムとして、例えば次のようなものを提案できる。すなわち、前記水電解・燃料電池装置に直流電力を供給する電源装置と、前記水電解・燃料電池装置に原料水を供給する原料水供給路と、前記水電解・燃料電池装置で発生した水素ガスをシステム外に放出する水素ガス放出路と、前記水電解・燃料電池装置で発生した酸素ガスをシステム外に放出する酸素ガス放出路と、前記水電解・燃料電池装置に水素ガスを供給する水素ガス供給路と、前記水電解・燃料電池装置に酸素ガスまたは空気を供給するガス供給路と、前記水電解・燃料電池装置で発生した水をシステム外に放出する酸素ガス放出路と、を有することを特徴とする、水電解・燃料電池システムである。 As a water electrolysis/fuel cell system using such a water electrolysis/fuel cell device, for example, the following can be proposed. That is, a power supply unit for supplying direct current power to the water electrolysis/fuel cell device, a raw water supply line for supplying raw material water to the water electrolysis/fuel cell device, and hydrogen gas generated in the water electrolysis/fuel cell device. to the outside of the system, an oxygen gas release path to release the oxygen gas generated in the water electrolysis/fuel cell device to the outside of the system, and hydrogen to supply hydrogen gas to the water electrolysis/fuel cell device a gas supply channel, a gas supply channel for supplying oxygen gas or air to the water electrolysis/fuel cell device, and an oxygen gas release channel for releasing water generated in the water electrolysis/fuel cell device outside the system. A water electrolysis/fuel cell system characterized by:

本発明によれば、原料水を供給するポンプの動力を抑えつつ原料水を大量にセルの反応領域に流すことが可能であり、好適な水電解処理を行うことが可能である。 According to the present invention, it is possible to supply a large amount of raw material water to the reaction area of the cell while suppressing the power of the pump that supplies the raw material water, and it is possible to perform suitable water electrolysis treatment.

実施の形態にかかる水電解セルスタックを組み入れた水電解システムの系統の概略を示した説明図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is an explanatory diagram showing an outline of a system of a water electrolysis system incorporating a water electrolysis cell stack according to an embodiment; 実施の形態にかかる水電解セルスタックで使用された水電解セルの分解斜視図である。1 is an exploded perspective view of a water electrolysis cell used in a water electrolysis cell stack according to an embodiment; FIG. 実施の形態にかかる水電解セルスタックにおける酸素極側セパレータ上に流れる流体の様子を示す酸素極側セパレータの正面図である。FIG. 4 is a front view of the oxygen electrode side separator showing how fluid flows on the oxygen electrode side separator in the water electrolysis cell stack according to the embodiment. 実施の形態にかかる水電解セルスタックにおける水素極側セパレータ上に流れる流体の様子を示す水素極側セパレータの正面図である。FIG. 4 is a front view of the hydrogen electrode side separator showing how fluid flows on the hydrogen electrode side separator in the water electrolysis cell stack according to the embodiment. 実施の形態にかかる水電解・燃料電池セルのスタックを組み入れた水電解・燃料電池システムの系統の概略を示した説明図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is an explanatory diagram showing an outline of a system of a water electrolysis/fuel cell system incorporating a stack of water electrolysis/fuel cell cells according to an embodiment; 実施の形態にかかる水電解・燃料電池セルのスタックで使用された固体高分子形の一体型セルにおける、水電解運転時の流体の流れる様子を示す分解斜視図である。FIG. 4 is an exploded perspective view showing how fluid flows during water electrolysis operation in the solid polymer integrated cell used in the water electrolysis/fuel cell stack according to the embodiment. 実施の形態にかかる水電解・燃料電池セルのスタックで使用された固体高分子形の一体型セルにおける、燃料電池運転時の流体の流れる様子を示す分解斜視図である。FIG. 2 is an exploded perspective view showing how fluid flows during operation of the fuel cell in the solid polymer integrated cell used in the water electrolysis/fuel cell stack according to the embodiment. 電極の縦横比に対する流路圧損の倍率を示すグラフである。4 is a graph showing the ratio of channel pressure loss to the aspect ratio of electrodes. 固体高分子形の一体型セルにおけるセパレータにおいて、空気及び反応生成水が排出される連通口が、電極面の最下部及びシール材における下方側の最上部よりも、下側まで位置するように設定した様子を示す正面側の説明図である。In the separator in the solid polymer integrated cell, the communication port for discharging air and reaction product water is set to be positioned below the lowest part of the electrode surface and the lowermost part of the sealing material. It is an explanatory view of the front side showing the state of the.

本発明の実施の形態について説明すると、図1は実施の形態にかかる水電解システム1の構成の概略を示しており、この水電解システム1においては、図2に示される固体高分子形の水電解セル(単位セル)10を鉛直方向に正立させた状態で、複数枚直列に水平方向に接続、積層し、両側からエンドプレート11、12で挟持することによって構成された、水電解装置としての水電解セルスタック13を有している。 1 shows a schematic configuration of a water electrolysis system 1 according to an embodiment of the present invention. In this water electrolysis system 1, solid polymer water As a water electrolysis device, a plurality of electrolysis cells (unit cells) 10 are erected in the vertical direction, connected in series in the horizontal direction, stacked, and sandwiched between end plates 11 and 12 from both sides. of water electrolysis cell stack 13 .

水電解セル10は、図2に示したように、電解質膜を両側から集電体で挟持した構成を有する電極体21、及びこの電極体21を両側から挟持する水素極側のセパレータ31、酸素極側のセパレータ41を有している。 As shown in FIG. 2, the water electrolysis cell 10 includes an electrode body 21 having a structure in which an electrolyte membrane is sandwiched between current collectors from both sides, a separator 31 on the hydrogen electrode side sandwiching the electrode body 21 from both sides, an oxygen It has a separator 41 on the pole side.

電極体21、水素極側のセパレータ31、酸素極側のセパレータ41には、夫々中央に、電極部分22、当該電極部分22に対応する領域32、42を有している。そして電極部分22、領域32、42外側の上下に、連通口23、24、33、34、43、44が形成されている。これら連通口23、24、33、34、43、44は、電解水、及び水電解によって発生した酸素ガスのマニホールドとして機能する。連通口23、24、33、34、43、44の水平方向の長さは、電極部分22、領域32、42と同一の長さに設定されている。 The electrode body 21, the separator 31 on the hydrogen electrode side, and the separator 41 on the oxygen electrode side have an electrode portion 22 and regions 32 and 42 corresponding to the electrode portion 22 in the center, respectively. Communicating holes 23 , 24 , 33 , 34 , 43 , 44 are formed above and below the electrode portion 22 and regions 32 , 42 . These communication ports 23, 24, 33, 34, 43, 44 function as manifolds for electrolyzed water and oxygen gas generated by water electrolysis. The horizontal lengths of the communication ports 23 , 24 , 33 , 34 , 43 , 44 are set to the same lengths as the electrode portion 22 and the regions 32 , 42 .

また電極体21、水素極側のセパレータ31、酸素極側のセパレータ41における夫々中央の電極部分22、電極部分22に対応する領域32、42の外側の一側下方(本実施の形態では、図2中の右側下方)には、水電解の際に発生する水素ガスのマニホールドとして機能する縦長の連通口25、35、45が夫々形成されている。 In the electrode assembly 21, the hydrogen electrode side separator 31, and the oxygen electrode side separator 41, the central electrode portion 22 and regions 32, 42 corresponding to the electrode portions 22, respectively, are located below one side of the outer side (in the present embodiment, in FIG. 2), vertical communication ports 25, 35, and 45 functioning as manifolds for hydrogen gas generated during water electrolysis are formed, respectively.

そして水素極側のセパレータ31についていうと、連通口33、34の背面の外周には、夫々連通口33、34を独立して囲むようにシール材36、37(破線で示す)が配置されている。また中央の領域32の背面と連通口35の背面を一緒に囲むようにシール材38(破線で示す)が配置されている。また酸素極側のセパレータ41についていうと、中央の領域42と連通口43、44を一緒に囲むようにシール材46が配置され、連通口45のみを独立して囲むように、シール材47が連通口45の外周に設けられている。これらシール材36~38、46、47によって、所定の経路以外に各流体が流れ出ることが防止されている。 As for the separator 31 on the hydrogen electrode side, sealing materials 36 and 37 (indicated by dashed lines) are arranged around the back surface of the communication ports 33 and 34 so as to independently surround the communication ports 33 and 34, respectively. there is A sealing material 38 (indicated by broken lines) is arranged so as to surround the rear surface of the central region 32 and the rear surface of the communication port 35 together. As for the separator 41 on the oxygen electrode side, a sealing material 46 is disposed so as to surround the central region 42 and the communication ports 43 and 44 together, and a sealing material 47 is disposed so as to independently surround only the communication port 45. It is provided on the outer circumference of the communication port 45 . These sealing materials 36 to 38, 46, and 47 prevent each fluid from flowing out of paths other than predetermined paths.

また本実施の形態においては、水素極側のセパレータ31及び酸素極側のセパレータ41における、反応流路となる少なくとも中央の領域32、42には、一般的なストレート流路やサーペンタイン流路を構成する材料とは異なり、表面に多数の凹凸が形成されるようなエンボス加工されたプレート、メッシュ、パンチングメタル等からなる材料が使用されている。これによって、水素極側のセパレータ31及び酸素極側のセパレータ41セパレータには、縦方向、横方向のいずれの方向にも流体が流通可能な流路が形成される。 Further, in the present embodiment, at least the central regions 32 and 42 serving as reaction channels in the separator 31 on the hydrogen electrode side and the separator 41 on the oxygen electrode side are configured with general straight channels or serpentine channels. In contrast to the materials used, materials such as embossed plates, meshes, punching metals, etc. are used to form a large number of irregularities on the surface. As a result, the separator 31 on the hydrogen electrode side and the separator 41 on the oxygen electrode side are provided with channels through which fluid can flow both in the vertical direction and the horizontal direction.

以上の構成にかかる水電解セル(単位セル)10が、既述したように、複数枚、鉛直方向に正立させた状態、かつ図2に示したように、横長の状態で複数枚水平方向に直列に接続、積層され、両側からエンドプレート11、12で挟持されて、水電解セルスタック13が構成されている。 As described above, a plurality of water electrolysis cells (unit cells) 10 having the above configuration are vertically erected, and as shown in FIG. A water electrolysis cell stack 13 is configured by connecting and stacking in series and sandwiched between end plates 11 and 12 from both sides.

次に図1に戻って、この水電解セルスタック13が採用された水電解システム1について説明する。水電解セルスタック13の純水入口ポートP1には、原料水となるたとえば純水が供給される。具体的には、水電解セルスタック13の原料水入口となる純水入口ポートP1に対しては、酸素側の気液分離機能を有するタンク51から原料水(純水)が供給されて、水電解運転がなされる。 Next, returning to FIG. 1, the water electrolysis system 1 employing this water electrolysis cell stack 13 will be described. A pure water inlet port P<b>1 of the water electrolysis cell stack 13 is supplied with raw water, such as pure water. Specifically, raw water (pure water) is supplied from a tank 51 having a gas-liquid separation function on the oxygen side to a pure water inlet port P1 serving as a raw water inlet of the water electrolysis cell stack 13. Electrolytic operation is performed.

より詳述すると、タンク51の底部と水電解セルスタック13の純水入口ポートP1との間には、配管52が接続されている。そして配管52に設けられたポンプ53によって、水電解セルスタック13の純水入口ポートP1に対して、タンク51から原料水としての純水が供給されるようになっている。配管52には、ポンプ53の下流側において逆止弁54が設けられ、さらにその下流側には、配管52内の圧力を計測する圧力計55が設けられている。純水入口ポートP1は、前記各水電解セル10における既述した、図2に示す連通口24、34、44と連通している。 More specifically, a pipe 52 is connected between the bottom of the tank 51 and the pure water inlet port P1 of the water electrolysis cell stack 13 . Pure water as raw water is supplied from the tank 51 to the pure water inlet port P1 of the water electrolysis cell stack 13 by a pump 53 provided in the pipe 52 . The pipe 52 is provided with a check valve 54 downstream of the pump 53 , and further downstream with a pressure gauge 55 for measuring the pressure inside the pipe 52 . The pure water inlet port P1 communicates with the communication ports 24, 34, 44 shown in FIG.

配管52には、ポンプ53の下流側において、配管52内を流れる水の一部をタンク51に戻すための戻し管56が接続されており、この戻し管56には、流量調整弁V1、熱交換器57、イオン交換樹脂塔58、フィルタ59が設けられており、これらの装置を通じて戻し水が処理されることで、タンク51内の水の水質が維持される。なおタンク51内には、タンク内の水の水位を検出する液面センサ51aが設けられている。またタンク51内には、液面センサ51aからの信号に基づいて、外部の純水供給源(図示せず)から、配管60を通じて適宜原料水となる純水の補充がなされる。またタンク51内の気層部に滞留する酸素ガスは、配管63を通じて外部や外部の需要先へと放出される。 A return pipe 56 for returning part of the water flowing in the pipe 52 to the tank 51 is connected to the pipe 52 on the downstream side of the pump 53. The return pipe 56 includes a flow control valve V1, a heat An exchanger 57, an ion exchange resin tower 58, and a filter 59 are provided, and the quality of the water in the tank 51 is maintained by treating the return water through these devices. The tank 51 is provided with a liquid level sensor 51a for detecting the water level in the tank. The tank 51 is replenished with pure water as raw material water from an external pure water supply source (not shown) through a pipe 60 based on a signal from the liquid level sensor 51a. Oxygen gas remaining in the air layer inside the tank 51 is discharged to the outside or to an external demand destination through the pipe 63 .

配管52を通じて純水入口ポートP1から水電解セルスタック13に供給された原料水は、水電解セルスタック13において電気分解され、酸素、並びに酸素に随伴する水が、酸素側の出口となる純水出口ポートP2から配管61を通じて、タンク51に戻され、タンク51内にて気液分離される。配管61には、配管61内の圧力を計測する圧力計62、及び電磁弁V2が設けられている。純水出口ポートP2は、前記各水電解セル10における既述した、図2に示す連通口23、33、43と連通している。 The raw water supplied to the water electrolysis cell stack 13 from the pure water inlet port P1 through the pipe 52 is electrolyzed in the water electrolysis cell stack 13, and oxygen and water accompanied by oxygen are converted into pure water serving as an oxygen-side outlet. It is returned to the tank 51 through the pipe 61 from the outlet port P2, and gas-liquid separation is performed in the tank 51. The pipe 61 is provided with a pressure gauge 62 for measuring the pressure inside the pipe 61 and an electromagnetic valve V2. The pure water outlet port P2 communicates with the communication ports 23, 33, 43 shown in FIG.

水電解セルスタック13の水素側出口となる水素出口ポートP3には、配管71が接続され、この配管71は、水素側の気液分離機能を有するタンク72に通じている。水素出口ポートP3は、前記各水電解セル10における既述した図2に示す、連通口25、35、45と連通している。 A hydrogen outlet port P3 serving as a hydrogen side outlet of the water electrolysis cell stack 13 is connected to a pipe 71, and this pipe 71 communicates with a tank 72 having a gas-liquid separation function on the hydrogen side. The hydrogen outlet port P3 communicates with the communication ports 25, 35 and 45 shown in FIG.

タンク72とタンク51の気層部(タンク内において貯留する水の液面より上の部分であり、貯留する液面が上昇しても、液面が達することのない部分)との間には、配管73が接続されている。配管73には、電磁弁V3、バルブV4が設けられている。タンク72内には、タンク内の水の水位を検出する液面センサ72aが設けられている。 Between the tank 72 and the gas layer part of the tank 51 (the part above the liquid level of the water stored in the tank, the part where the liquid level does not reach even if the stored liquid level rises) , a pipe 73 is connected. The pipe 73 is provided with an electromagnetic valve V3 and a valve V4. A liquid level sensor 72a is provided in the tank 72 to detect the water level in the tank.

前記したように、水電解によって発生した水素は、随伴水と共に、配管71を通じてタンク72に送られ、タンク72内において気液分離される。タンク72において気液分離された後の水素ガスは、配管74を通じて、たとえば需要側や水素貯蔵タンク(高圧容器、図示せず)へ送られる。配管74には背圧弁V5が設けられ、また配管74における背圧弁V5の上流側には、放出管75が接続され、放出管75には、電磁弁V6が設けられている。 As described above, the hydrogen generated by water electrolysis is sent to the tank 72 through the pipe 71 together with the accompanying water, and gas-liquid separation is performed in the tank 72 . The hydrogen gas after gas-liquid separation in the tank 72 is sent through a pipe 74 to, for example, a demand side or a hydrogen storage tank (high-pressure container, not shown). A back pressure valve V5 is provided in the pipe 74, and a discharge pipe 75 is connected to the upstream side of the back pressure valve V5 in the pipe 74. The discharge pipe 75 is provided with an electromagnetic valve V6.

そして水電解セルスタック13には、直流電源2が接続されており、その出力に応じて純水入口ポートP1から供給された電解用の純水が水素イオン、酸素イオンに電気分解される。そのうち酸素イオンは水電解セル10内の触媒上で酸素分子となり、前記したように、純水と共に純水出口ポートP2からセル外に排出され、一方電気分解によって発生した水素イオンは、随伴水を伴って水電解セル10内の水素側に移動し、水素側触媒上で水素分子となって水素出口ポートP3からセル外に排出される。 A DC power supply 2 is connected to the water electrolysis cell stack 13, and the pure water for electrolysis supplied from the pure water inlet port P1 is electrolyzed into hydrogen ions and oxygen ions in accordance with the output thereof. Among them, oxygen ions become oxygen molecules on the catalyst in the water electrolysis cell 10, and as described above, are discharged out of the cell together with the pure water from the pure water outlet port P2. Along with this, it moves to the hydrogen side in the water electrolysis cell 10, becomes hydrogen molecules on the hydrogen side catalyst, and is discharged out of the cell from the hydrogen outlet port P3.

以上の構成にかかる水電解システム1によれば、直流電源2からの電力によって、純水入口ポートP1から水電解セルスタック13の各水電解セル10に供給された純水は、各水電解セル10において、水の電気分解が行なわれ、酸素分子は純水とともに純水出口ポートP2からセル外に排出されるのであるが、このとき、図3に示したように、酸素極側のセパレータ41では、純水入口ポートP1と連通している下方の連通口44から、純水出口ポートP2と連通している上方の連通口43へと原料水である純水が流れて行く。一方、水素極側のセパレータ31では、図4に示したように、発生した水素ガスが、中央の領域32を斜め方向から連通口35に向かって流れて行く(図中の矢印)。 According to the water electrolysis system 1 having the above configuration, the pure water supplied from the pure water inlet port P1 to each water electrolysis cell 10 of the water electrolysis cell stack 13 by the electric power from the DC power supply 2 is supplied to each water electrolysis cell. At 10, water is electrolyzed, and oxygen molecules are discharged from the pure water outlet port P2 together with the pure water. At this time, as shown in FIG. Pure water, which is raw material water, flows from the lower communication port 44 communicating with the pure water inlet port P1 to the upper communication port 43 communicating with the pure water outlet port P2. On the other hand, in the separator 31 on the hydrogen electrode side, as shown in FIG. 4, the generated hydrogen gas flows diagonally through the central region 32 toward the communication port 35 (arrows in the figure).

ここで水電解セル10の反応流路に求められる主な要件は、ポンプ53の動力の低減や、流路上下流の圧力差低減の観点から酸素極の反応流路圧損が低いことと、並びに電極面まで純水を十分に供給したり、セルの冷却機能を確保すること、さらにはボイド率(純水中の気泡の割合)の上昇による流路下流での水枯れ防止の観点から供給純水流量を十分確保できることである。 Here, the main requirements for the reaction channel of the water electrolysis cell 10 are that the reaction channel pressure loss of the oxygen electrode is low from the viewpoint of reducing the power of the pump 53 and the pressure difference between upstream and downstream of the channel; From the viewpoint of supplying sufficient pure water to the surface, ensuring the cooling function of the cell, and preventing water drying up downstream of the flow path due to an increase in the void ratio (ratio of air bubbles in the pure water), supply pure water. It is necessary to ensure sufficient flow rate.

この点に照らして図3に示した酸素極側のセパレータ41における反応流体の流れをみれば、下方の連通口44から、上方の連通口43へと原料水である純水が流れて行き(図中の矢印)、電極部分22と対応する中央の領域42で発生した酸素分子は、水電解されなかった電解水(水電解に供された純水)とともに、上方の連通口43から純水出口ポートP2へと流れて行く。したがって、同一反応面積の下で考えると、実施の形態で示したように、領域42、及びセパレータ41が横長の長方形であり、しかも純水の供給口となる連通口44は、長辺側に沿って配置されて供給口が長手方向に亘っているから、連通口44の長さを長く確保することができ、原料水である純水を大量に領域42に流すことができる。しかもその流路長は短辺方向であるから、電極部分22に対応する領域32、42を流れるときの反応流路の圧損も低く抑えられている。 In light of this point, looking at the flow of the reaction fluid in the oxygen electrode side separator 41 shown in FIG. Arrows in the figure), the oxygen molecules generated in the central region 42 corresponding to the electrode portion 22 are discharged from the upper communication port 43 together with the electrolyzed water that has not undergone water electrolysis (pure water subjected to water electrolysis). It flows to the outlet port P2. Therefore, considering the same reaction area, as shown in the embodiment, the region 42 and the separator 41 are oblong rectangles, and the communication port 44 serving as the pure water supply port is located on the long side. Since the supply port extends along the longitudinal direction, the length of the communication port 44 can be ensured long, and a large amount of pure water, which is raw material water, can flow into the region 42 . Moreover, since the channel length is in the direction of the short side, the pressure loss in the reaction channel when flowing through the regions 32 and 42 corresponding to the electrode portion 22 is kept low.

一方、この水電解セル10では、供給した電解水がセルの冷却の役割も担うため、そのように供給純水流量を多くできるということは、セルの冷却にも有利である。電解水の流量が少ないと、反応の際に発生する熱を十分取り除けなくなり、異常過熱してセルが破損する恐れがある。また冷却が不十分の場合、水電解セル10の上流、下流で大きな温度変化が発生することがあるが、実施の形態の水電解セル10によれば、供給純水流量を多くでき、しかも流路長が短いので、そのような事態を抑えることができる。 On the other hand, in the water electrolysis cell 10, since the supplied electrolyzed water also plays a role of cooling the cell, increasing the flow rate of supplied pure water is also advantageous for cooling the cell. If the flow rate of the electrolyzed water is too low, the heat generated during the reaction cannot be sufficiently removed, and there is a risk of abnormal overheating and damage to the cell. In addition, when the cooling is insufficient, a large temperature change may occur upstream and downstream of the water electrolysis cell 10. However, according to the water electrolysis cell 10 of the embodiment, the pure water flow rate can be increased and the flow rate can be increased. The short length of the road can limit such situations.

なお、実施の形態の水電解セル10では、システムの簡素化のために、水素ガス排出用には1か所の連通口25、35、45のみを設けたが、水素ガスの排出性を高めたければ、電極部分22、領域32、42の両側に水素出口ポートP3と連通する連通口を適宜増加して設ければよい。 In the water electrolysis cell 10 of the embodiment, only one communication port 25, 35, 45 is provided for discharging hydrogen gas for simplification of the system. If desired, communication ports communicating with the hydrogen outlet port P3 may be appropriately increased on both sides of the electrode portion 22 and the regions 32 and 42 .

また水素ガス排出用の連通口の垂直方向の位置は、電極面下部から上部を完全に覆うように、縦長に全面にしてもよい(すなわち、セパレータ31、41の短辺にほぼ相当するように長さを設置するようにしてもよい)。但し、その場合には運転中に、当該連通口部分に大量の水素が滞留することになり、水電解セルスタック13内の水素ガス量が多くなる。したがって安全性の観点からは水素ガス排出用の連通口35のサイズを小さくし、水電解セルスタック13内に滞留する水素の量を減らした方がよい。 Further, the vertical position of the communication port for discharging hydrogen gas may be vertically long so as to completely cover the electrode surface from the lower part to the upper part (that is, it may be positioned substantially corresponding to the short sides of the separators 31 and 41). length may be set). However, in that case, a large amount of hydrogen will remain in the communication port portion during operation, and the amount of hydrogen gas in the water electrolysis cell stack 13 will increase. Therefore, from the viewpoint of safety, it is better to reduce the size of the communication port 35 for discharging hydrogen gas and reduce the amount of hydrogen remaining in the water electrolysis cell stack 13 .

その配置の仕方としては、たとえば、連通口35を電極面の下側部分のみに設け、当該連通口35に通ずる外部配管71を、電極面22の下端よりも低い位置に設け、酸素極側からの配位水をスムーズに排出できるようにしてもよい。また、電解質膜の湿潤状態を少しでも確保するために、連通口35を電極面22の上側部分に設け、外部配管71を電極面22の上端よりも高い位置に設けて電極面22を水没させるようにしてもよい。 As a method of arrangement, for example, the communication port 35 is provided only in the lower part of the electrode surface, and the external pipe 71 communicating with the communication port 35 is provided at a position lower than the lower end of the electrode surface 22, The coordination water may be smoothly discharged. In order to keep the electrolyte membrane moist, the communication port 35 is provided on the upper side of the electrode surface 22, and the external pipe 71 is provided at a position higher than the upper end of the electrode surface 22 so that the electrode surface 22 is submerged. You may do so.

以上は、固体高分子形の水電解セル10を用いた水電解システム1についての例であったが、固体高分子形の水電解セルと燃料電池セルを一体化した固体高分子形の一体型セル(水電解燃料電池一体型セル、一体型セル、可逆セルとも呼称される)については、これまで下記のような問題があった。 The above is an example of the water electrolysis system 1 using the polymer electrolyte water electrolysis cell 10, but the solid polymer integrated type in which the polymer electrolyte water electrolysis cell and the fuel cell are integrated. Cells (also called water electrolysis fuel cell integrated cells, integrated cells, or reversible cells) have had the following problems.

すなわち、固体高分子形の一体型セルは、固体高分子形の水電解セルと燃料電池セルを一体化して、双方の機能を1つのセルで選択的に発揮させるエネルギー変換器であるが、前記したように、水電解セルでは、酸素発生極の反応流路に純水を供給し、外部から電力を供給することで純水を電気分解するものである。そして固体高分子製の隔膜で隔離された酸素発生極には酸素が、水素発生極には水素が発生する。発生した水素は水素発生極の反応流路を通ってセル外に排出され、必要に応じて貯蔵容器に貯蔵したり、直接水素需要に供給される。このとき、酸素発生極の反応流路に供給された純水は全てが水素と酸素に分解されるわけではなく、分解されなかった純水は発生した酸素と一緒に反応流路を通ってセル外に排出される。 That is, the solid polymer type integrated cell is an energy converter that integrates a solid polymer type water electrolysis cell and a fuel cell and selectively exhibits the functions of both in one cell. As described above, in the water electrolysis cell, pure water is supplied to the reaction channel of the oxygen generating electrode, and electric power is supplied from the outside to electrolyze the pure water. Oxygen is generated at the oxygen generating electrode and hydrogen is generated at the hydrogen generating electrode, which are separated by a solid polymer diaphragm. The generated hydrogen is discharged out of the cell through the reaction channel of the hydrogen generating electrode and, if necessary, is stored in a storage container or supplied directly to hydrogen demand. At this time, not all of the pure water supplied to the reaction channel of the oxygen generating electrode is decomposed into hydrogen and oxygen. discharged outside.

一方、燃料電池セルでは、水素極(水電解セルの水素発生極;以降、「水素極」と言うことがある)の反応流路に水素を、酸素極(水電解セルの酸素発生極;以降、「酸素極」と言うことがある)の反応流路に空気や酸素など酸素を含むガスを、必要に応じて加湿した状態で供給し、外部に負荷を接続することで発電する。 On the other hand, in the fuel cell, hydrogen is introduced into the reaction channel of the hydrogen electrode (the hydrogen generating electrode of the water electrolysis cell; hereinafter sometimes referred to as the "hydrogen electrode"), and the oxygen electrode (the oxygen generating electrode of the water , Oxygen electrode) is supplied with oxygen-containing gas such as air or oxygen in a humidified state as necessary, and power is generated by connecting a load to the outside.

このような発電に伴って、酸素極では水が生成し、反応に使われなかった空気や酸素と共に反応流路を通ってセル外に排出される。水素極側についてもセル内で発生する水が、反応に使われなかった水素と共に反応流路を通ってセル外に排出される。 Along with such power generation, water is produced at the oxygen electrode, and is discharged out of the cell through the reaction channel together with air and oxygen that have not been used in the reaction. Also on the hydrogen electrode side, water generated in the cell is discharged out of the cell through the reaction channel together with hydrogen not used in the reaction.

通常の水電解セルや燃料電池セルは、既述した水電解セルと同様、単位セルを複数積層したスタックの形状をしているため、セル外部から反応流体を各極に供給したり、各極から反応流体をセル外部に排出するときには、セル外部と反応流路を繋ぐマニホールドとして機能する連通口を介して行われる。この連通口は、従来は水電解セルと燃料電池セルの各極で共通となっている(例えば特開2006-127807)。 As with the water electrolysis cell described above, ordinary water electrolysis cells and fuel cells are in the form of stacks in which multiple unit cells are stacked. When the reaction fluid is discharged from the cell to the outside of the cell, it is carried out through a communication port functioning as a manifold connecting the outside of the cell and the reaction channel. Conventionally, this communication port is common to each electrode of the water electrolysis cell and the fuel cell (for example, Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2006-127807).

ここで水電解セルの反応流路に求められる主な要件は、先にも述べたように、ポンプ動力の低減や、流路上下流の圧力差低減の観点から酸素極の反応流路圧損が低いことと、電極面まで純水を十分に供給したりセルの冷却機能の確保、ボイド率の上昇による、流路下流での水枯れ防止の観点から供給純水流量を多くできることである。一方、燃料電池セルの反応流路に求められる主な要件は、電極面への酸素の拡散性向上や、発生水による反応流路の閉塞を防ぐ観点からの、酸素極の反応流路内の流速を速めることである。 Here, the main requirements for the reaction channel of the water electrolysis cell are, as mentioned earlier, low pressure loss in the reaction channel of the oxygen electrode from the viewpoint of reducing the pump power and reducing the pressure difference between upstream and downstream of the channel. In addition, it is possible to increase the supply flow rate of pure water from the viewpoint of sufficiently supplying pure water to the electrode surface, ensuring the cooling function of the cell, and preventing water drying up downstream of the flow path due to an increase in void fraction. On the other hand, the main requirements for the reaction channel of the fuel cell are the improvement of the diffusibility of oxygen to the electrode surface and the prevention of clogging of the reaction channel by generated water. It is to increase the flow velocity.

この場合、水電解セルの酸素極反応流路に求められる要件を確保するには、流路断面積を大きくする必要があるが、燃料電池セルの酸素極反応流路に求められる要件を確保するには、流路断面積を小さくする必要がある。また、水電解セルの酸素極に供給する純水と、燃料電池セルの酸素極に供給する加湿空気(酸素)では、密度が約1,000倍異なる。このため、仮に純水と加湿空気を同一流量で流した場合には、水を流した時の圧力損失の方が圧倒的に大きくなる。つまり、双方の反応流路、特に酸素極の反応流路に求められる要件には相反するものがあり、それをいかに満足させるかが重要である。 In this case, in order to secure the requirements for the oxygen electrode reaction channel of the water electrolysis cell, it is necessary to increase the cross-sectional area of the channel. Therefore, it is necessary to reduce the flow channel cross-sectional area. Further, the pure water supplied to the oxygen electrode of the water electrolysis cell and the humidified air (oxygen) supplied to the oxygen electrode of the fuel cell differ in density by about 1,000 times. Therefore, if pure water and humidified air are flowed at the same flow rate, the pressure loss when water is flowed will be overwhelmingly larger. In other words, there are contradictory requirements for both reaction channels, particularly for the reaction channel of the oxygen electrode, and it is important how to satisfy them.

この点に関し、従来は、水電解と燃料電池のうち、より重要な機能の方に合わせて反応流路を設計したり、双方のニーズの中間点辺りで反応流路を設計していた。そのため、双方にとって最適な反応流路設計はなされていなかった。 In this respect, conventionally, the reaction channel was designed according to the more important function of water electrolysis and the fuel cell, or the reaction channel was designed around the midpoint between the needs of both. Therefore, the optimum reaction channel design for both has not been made.

かかる点に鑑み、以下に、これまで水電解セルと燃料電池セルで共通に使用していた酸素極の連通口(マニホールドとして機能する)を、水電解セルの酸素極の連通口(マニホールドとして機能する)と燃料電池セルの酸素極の連通口(マニホールドとして機能する)を、それぞれ専用に設けて、そのような問題の解決を図る実施の形態について説明する。 In view of this point, the communication port of the oxygen electrode (functioning as a manifold), which has been commonly used for the water electrolysis cell and the fuel cell, will be replaced with the communication port of the oxygen electrode of the water electrolysis cell (functioning as a manifold). ) and the communication port (functioning as a manifold) for the oxygen electrode of the fuel cell, respectively, to solve such a problem.

図5は実施の形態にかかる水電解・燃料電池システム101の構成の概略を示しており、この水電解・燃料電池システム101においては、図6に示される固体高分子形の一体型セル(単位セル)110を鉛直方向に正立させた状態で、複数枚、水平方向に直列に接続、積層し、両側からエンドプレート111、112で挟持することによって構成された、水電解・燃料電池セルのスタック113を有している FIG. 5 shows an outline of the configuration of a water electrolysis/fuel cell system 101 according to the embodiment. A plurality of cells 110 are erected in the vertical direction, connected in series in the horizontal direction, stacked, and sandwiched between end plates 111 and 112 from both sides. has a stack 113

図6は、実施の形態にかかる水電解セルと燃料電池セルが一体化された一体型セル110を示している。なお図6は、後で水電解運転時の流体の流れを説明する際の流体の流れも併せて示している。 FIG. 6 shows an integrated cell 110 in which a water electrolysis cell and a fuel cell are integrated according to the embodiment. Note that FIG. 6 also shows the flow of the fluid when explaining the flow of the fluid during the water electrolysis operation later.

一体型セル110は、電解質膜を両側から給・集電体で挟持した構成を有する電極体121、及びこの電極体121を両側から挟持する水素極側のセパレータ131、酸素極側のセパレータ141を有している。 The integrated cell 110 includes an electrode body 121 having a configuration in which an electrolyte membrane is sandwiched between supply and collectors on both sides, and a separator 131 on the hydrogen electrode side and a separator 141 on the oxygen electrode side that sandwich the electrode body 121 from both sides. have.

電極体121、水素極側のセパレータ131、酸素極側のセパレータ141には、夫々中央の電極部分122、この電極部分122に対応する領域132の背面、142の外側に、下記に述べる種々の連通口が設けられている。 The electrode body 121, the separator 131 on the hydrogen electrode side, and the separator 141 on the oxygen electrode side have, respectively, a central electrode portion 122, a rear surface of the region 132 corresponding to the electrode portion 122, and various communication elements described below on the outside of the region 142. It has a mouth.

まず、長方形の電極体121、水素極側のセパレータ131、酸素極側のセパレータ141における電極部分122、電極部分122に対応する領域132、142の外側の両側には、水素極連通口123a、123b、133a、133b、143a、143bが設けられている。また同様に、長方形の電極体121、水素極側のセパレータ131、酸素極側のセパレータ141における電極部分122、電極部分に対応する領域132、142の外側の両側には、燃料電池用の酸素極連通口124a、124b、134a、134b、144a、144bが設けられている。 First, the electrode part 122 in the rectangular electrode body 121, the separator 131 on the hydrogen electrode side, and the separator 141 on the oxygen electrode side. , 133a, 133b, 143a, 143b are provided. Similarly, the rectangular electrode body 121, the hydrogen electrode side separator 131, the electrode portion 122 in the oxygen electrode side separator 141, and the regions 132 and 142 corresponding to the electrode portions are provided on both outer sides of the oxygen electrode for the fuel cell. Communication ports 124a, 124b, 134a, 134b, 144a, 144b are provided.

一方、長方形の電極体121、水素極側のセパレータ131、酸素極側のセパレータ141における電極部分122、電極部分122に対応する領域132、142の外側の下方には、各々冷却水用連通口125a、酸素極連通口126a、冷却水用連通口135a、酸素極連通口136a、冷却水用連通口145a、酸素極連通口146aが交互に設けられている。また電極体121、水素極側のセパレータ131、酸素極側のセパレータ141における、電極部分122、電極部分122に対応する領域132、142の外側の上方には、各々酸素極連通口126b、冷却水用連通口125b、酸素極連通口136b、冷却水用連通口135b、酸素極連通口146b、冷却水用連通口145bが交互に設けられている。 On the other hand, the electrode portion 122 of the rectangular electrode body 121, the hydrogen electrode side separator 131, and the oxygen electrode side separator 141, and below the regions 132 and 142 corresponding to the electrode portion 122, are provided with cooling water communication ports 125a, respectively. , the oxygen electrode communication port 126a, the cooling water communication port 135a, the oxygen electrode communication port 136a, the cooling water communication port 145a, and the oxygen electrode communication port 146a are provided alternately. Further, in the electrode body 121, the hydrogen electrode side separator 131, and the oxygen electrode side separator 141, the electrode portion 122 and the regions 132 and 142 corresponding to the electrode portion 122 are provided above the outside of the regions 132 and 142, respectively, the oxygen electrode communication port 126b and the cooling water. The oxygen communication port 125b, the oxygen electrode communication port 136b, the cooling water communication port 135b, the oxygen electrode communication port 146b, and the cooling water communication port 145b are provided alternately.

そしてこれら水素極側のセパレータ131、酸素極側のセパレータ141の各連通口の周囲には、下記に述べるようにシール材が配置されている。まず、水素極側のセパレータ131について言うと、酸素極連通口134a、134bの外周には、各々独立して各連通口を囲むシール材137(破線で示す)が配置されている。また水素極連通口133a、133b及び中央の領域132の周囲には、これらを一体的に囲むシール材138(破線で示す)が配置されている。そして、冷却水用連通口135a、135b及び酸素極連通口136a、136bの外周には、各々独立してこれらを囲む、シール材139(破線で示す)が配置されている。 Sealing materials are arranged around the communication openings of the separator 131 on the hydrogen electrode side and the separator 141 on the oxygen electrode side, as described below. First, as for the separator 131 on the hydrogen electrode side, a sealing material 137 (indicated by a dashed line) surrounding each of the oxygen electrode communication ports 134a and 134b is arranged independently on the outer periphery of the oxygen electrode communication ports 134a and 134b. A sealing material 138 (indicated by broken lines) is arranged around the hydrogen electrode communication ports 133a and 133b and the central region 132 to integrally surround them. Sealing materials 139 (indicated by dashed lines) are arranged around the cooling water communication ports 135a and 135b and the oxygen electrode communication ports 136a and 136b, respectively, to independently surround them.

一方、酸素極側のセパレータ141についていうと、燃料電池用の酸素極連通口143a、143bの周囲には、各々独立して各連通口を囲むシール材147が配置されている。また冷却水用連通口145a、145bの周囲には、各々独立して各連通口を囲むシール材148が配置されている。そして残りの酸素極連通口146a、146b及び中央の領域142については、これらを一体にして囲むシール材149が配置されている。 On the other hand, regarding the separator 141 on the oxygen electrode side, sealing materials 147 are arranged independently around the oxygen electrode communication ports 143a and 143b for the fuel cell. Sealing materials 148 are arranged around the cooling water communication ports 145a and 145b so as to surround the respective communication ports independently. A sealing material 149 is arranged to integrally surround the remaining oxygen electrode communication ports 146a and 146b and the central region 142. As shown in FIG.

これらシール材137~139、147~149によって、所定の経路以外に各流体が流れることが防止されている。また本実施の形態では、水素極側のセパレータ131及び酸素極側のセパレータ141における、反応流路となる、少なくとも中央の領域132、142には、一般的なストレート流路やサーペンタイン流路を構成する材料とは異なり、エンボス加工、メッシュ、パンチングメタル等からなる材料が使用されている。これによって、これによって、水素極側のセパレータ131及び酸素極側のセパレータ141には、縦方向、横方向のいずれの方向にも流体が流通可能な流路が形成される These sealing materials 137 to 139 and 147 to 149 prevent each fluid from flowing outside of a predetermined path. Further, in the present embodiment, at least the central regions 132 and 142, which serve as reaction channels, of the separator 131 on the hydrogen electrode side and the separator 141 on the oxygen electrode side are configured with general straight channels or serpentine channels. In contrast to the materials used, materials consisting of embossing, mesh, perforated metal, etc. are used. As a result, flow paths are formed in the separator 131 on the hydrogen electrode side and the separator 141 on the oxygen electrode side so that the fluid can flow in both the vertical direction and the horizontal direction.

次に図5に戻って、この一体型セル110を積層した水電解・燃料電池セルのスタック113が採用された水電解・燃料電池システム101について説明する。図5において、図1で説明した際に使用した符号と同一の符号によって特定される部材、装置等の構成は、図1の水電解システム1と同一の部材、装置等の構成を示しているので、重複した説明は省略する。 Next, referring back to FIG. 5, the water electrolysis/fuel cell system 101 employing the water electrolysis/fuel cell stack 113 in which the integrated cells 110 are stacked will be described. In FIG. 5, the configuration of members, devices, etc. specified by the same reference numerals as those used in the explanation of FIG. Therefore, redundant description is omitted.

この水電解・燃料電池システム101に採用された一体型セル110は、既述したように、マニホールドとして機能する連通口の種類が多いので、各連通口に連通する水電解・燃料電池セルのスタック113に設けられたポートの数も多くなっている。すなわち、まず純水入口ポートP1は、酸素極連通口126a、136a、146aに連通し、純水出口ポートP2は、酸素極連通口126b、136b、146bと連通し、水素出口ポートP3は水素極連通口123b、133b、143bと連通している。そして水電解・燃料電池システム101は燃料電池運転が可能であるから、原料ガスとなる水素ガスの導入口となる水素入口ポートP4が新たに設けられている。 As described above, the integrated cell 110 employed in this water electrolysis/fuel cell system 101 has many types of communication ports that function as manifolds. The number of ports provided in 113 is also increased. Specifically, first, the pure water inlet port P1 communicates with the oxygen electrode communication ports 126a, 136a, and 146a, the pure water outlet port P2 communicates with the oxygen electrode communication ports 126b, 136b, and 146b, and the hydrogen outlet port P3 communicates with the hydrogen electrode. It communicates with the communication ports 123b, 133b, and 143b. Since the water electrolysis/fuel cell system 101 is capable of fuel cell operation, a hydrogen inlet port P4 is newly provided as an introduction port for hydrogen gas, which is a raw material gas.

水素入口ポートP4は、水素極連通口123a、133a、143aと連通している。さらに燃料電池用の酸素極連通口124a、134a、144aと連通する空気入口ポートP5が設けられ、燃料電池用の酸素極連通口124b、134b、144bと連通する空気出口ポートP6が設けられている。またさらに、冷却水用連通口125a、135a、145aと連通する冷却水出口ポートP7、冷却水用連通口125b、135b、145bと連通する冷却水入口ポートP8が新たに設けられている。 The hydrogen inlet port P4 communicates with the hydrogen electrode communication ports 123a, 133a and 143a. Furthermore, an air inlet port P5 communicating with oxygen electrode communication ports 124a, 134a, 144a for fuel cells is provided, and an air outlet port P6 communicating with oxygen electrode communication ports 124b, 134b, 144b for fuel cells is provided. . Furthermore, a cooling water outlet port P7 communicating with the cooling water communication ports 125a, 135a and 145a and a cooling water inlet port P8 communicating with the cooling water communication ports 125b, 135b and 145b are newly provided.

水素入口ポートP4には、流路151が接続されており、水素ガス供給源(図示せず)からの水素ガスが、水素入口ポートP4に導入可能である。流路151には、調整弁V7、電磁弁V8、圧力計152が設けられている。そして流路151における電磁弁V8の下流側には、タンク72の気層部に通ずる流路153が接続されている。流路153には、水素ポンプ154が設けられている。 A flow path 151 is connected to the hydrogen inlet port P4, and hydrogen gas from a hydrogen gas supply source (not shown) can be introduced into the hydrogen inlet port P4. The flow path 151 is provided with a regulating valve V7, an electromagnetic valve V8, and a pressure gauge 152. As shown in FIG. A flow path 153 communicating with the gas layer of the tank 72 is connected to the downstream side of the solenoid valve V8 in the flow path 151 . A hydrogen pump 154 is provided in the flow path 153 .

空気入口ポートP5には、ブロワ161によって供給される空気が、湿度交換器162を経て導入される流路163が接続されている。流路163には逆止弁164が設けられている。空気出口ポートP6には、流路165が接続されており、水電解・燃料電池セルのスタック113から出た空気を、湿度交換器162を経て外部に放出されるようになっている。流路165には、電磁弁V9が設けられている。 A flow path 163 through which air supplied by a blower 161 is introduced via a humidity exchanger 162 is connected to the air inlet port P5. A check valve 164 is provided in the flow path 163 . A flow path 165 is connected to the air outlet port P6 so that air coming out of the water electrolysis/fuel cell stack 113 is discharged to the outside through the humidity exchanger 162 . The flow path 165 is provided with an electromagnetic valve V9.

冷却水出口ポートP7には、配管181が接続されており、昇温した冷却水は、水素ポンプ182によって、熱交換器183送られて、外部からの冷却用水と熱交換され降温した後、配管184を通じて、冷却水入口ポートP8から水電解・燃料電池セルのスタック113内に導入されるようになっている。なお冷却用水の水源は、例えば水道水等の市水、地下水等を用いることができる。また熱交換後に昇温した冷却用水は、適宜温熱の需要先に供給するようにしてもよい。 A pipe 181 is connected to the cooling water outlet port P7, and the cooling water whose temperature has risen is sent to a heat exchanger 183 by a hydrogen pump 182, where it is heat-exchanged with cooling water from the outside, and after the temperature is lowered, it is discharged to the pipe. Through 184, the cooling water is introduced into the water electrolysis/fuel cell stack 113 from the cooling water inlet port P8. As for the water source of the cooling water, for example, city water such as tap water, ground water, or the like can be used. Also, the cooling water whose temperature has been raised after heat exchange may be appropriately supplied to a heat demand destination.

また水電解・燃料電池セルのスタック113には、直流電源2以外に、電力需要先となる電力負荷3が接続されている。 In addition to the direct-current power supply 2 , a power load 3 is connected to the water electrolysis/fuel cell stack 113 .

水電解・燃料電池システム101は以上のように構成されており、次にその運転方法について説明する。 The water electrolysis/fuel cell system 101 is configured as described above, and the operation method thereof will now be described.

[水電解運転]
まず電磁弁V2を開、それ以外の電磁弁V3、V6、V8、V9を閉とする。タンク51に貯留されている純水は、ポンプ53を起動することで配管52を通って、水電解・燃料電池セルのスタック113の純水入口ポートP1に供給される。純水入口ポートP1は酸素極連通口126a、136a、146aと連通しており、図6に示したように、酸素極側のセパレータ141では、これら酸素極連通口126a、136a、146aから中央の領域142を通って、酸素極連通口126b、136b、146bを経て、純水出口ポートP2から水電解・燃料電池セルのスタック113外へと排出され、配管61からタンク51へと返水される。
[Water electrolysis operation]
First, the solenoid valve V2 is opened, and the other solenoid valves V3, V6, V8 and V9 are closed. The pure water stored in the tank 51 is supplied to the pure water inlet port P1 of the water electrolysis/fuel cell stack 113 through the pipe 52 by activating the pump 53 . The pure water inlet port P1 communicates with the oxygen electrode communication ports 126a, 136a and 146a, and as shown in FIG. Through the region 142, the oxygen electrode communication ports 126b, 136b, and 146b are discharged from the pure water outlet port P2 to the outside of the water electrolysis/fuel cell stack 113, and the water is returned to the tank 51 through the pipe 61. .

この状態で直流電源2から水電解・燃料電池セルのスタック113に直流電力を供給すると、酸素極の電極上でプロトン(H)と酸素が発生する。発生したプロトン(H)は電極体121の中を酸素極から水素極へ配位水を伴って移動し、図6に示したように、セパレータ131の領域132を通って、水素極連通口133bを通って、水素出口ポートP3から、水電解・燃料電池セルのスタック113外に排出される。そしてタンク72において、気液分離された水素ガスは、配管71を通って背圧弁V5に送られ、そこで圧力調整された後に、システム外の水素需要先や水素貯蔵タンク(図示せず)に送られる。 When DC power is supplied from the DC power source 2 to the water electrolysis/fuel cell stack 113 in this state, protons (H + ) and oxygen are generated on the oxygen electrode. The generated protons (H + ) move through the electrode body 121 from the oxygen electrode to the hydrogen electrode accompanied by coordination water, and pass through the region 132 of the separator 131 as shown in FIG. 133b to the outside of the water electrolysis/fuel cell stack 113 from the hydrogen outlet port P3. In the tank 72, the hydrogen gas separated into gas and liquid is sent through the pipe 71 to the back pressure valve V5, where the pressure is adjusted and then sent to the hydrogen demand destination or hydrogen storage tank (not shown) outside the system. be done.

タンク72で分離された純水は、配管73を通って水素側と酸素側の圧力差を利用してタンク51に送水される。タンク72の純水をタンク51に送水するにあたっては、既存の公知技術を使用すればよい。 The pure water separated in the tank 72 is sent to the tank 51 through the pipe 73 using the pressure difference between the hydrogen side and the oxygen side. An existing known technique may be used to feed the pure water in the tank 72 to the tank 51 .

一方、水電解・燃料電池セルのスタック113で発生した酸素は、分解されなかった純水と共に、連通口126b、136b、146bから純水出口ポートP2を経由して、配管61を通ってタンク51に返水される。タンク51で気液分離された酸素ガスは配管63を通ってシステムの系外に放出される。なお、酸素ガスが必要な場合には、酸素貯蔵タンク(図示せず)を別途設け、当該酸素貯蔵タンクに送るようにしてもよい。タンク51で分離された純水は、再び電解用の純水として水電解・燃料電池セルのスタック113に供給される。 On the other hand, the oxygen generated in the water electrolysis/fuel cell stack 113, together with undecomposed pure water, passes through the communication ports 126b, 136b, and 146b via the pure water outlet port P2 and then through the pipe 61 to the tank 51. water is returned to The oxygen gas separated into gas and liquid in the tank 51 is discharged outside the system through the pipe 63 . If oxygen gas is required, an oxygen storage tank (not shown) may be provided separately and sent to the oxygen storage tank. The pure water separated in the tank 51 is again supplied to the water electrolysis/fuel cell stack 113 as pure water for electrolysis.

なお既述したように、配管181、184は冷却水系統であり、電解に伴い発生する熱を取り除く役割を果たす。取り除いた熱は、既述したように、熱交換器183を介して温熱需要に供給しても良い。但し、水電解運転の場合には、電気分解用の電解水(純水)で冷却できるため、冷却水は循環しなくてもよい。 As described above, the pipes 181 and 184 are cooling water systems and serve to remove heat generated by electrolysis. The removed heat may be supplied to the thermal demand via heat exchanger 183, as previously described. However, in the case of water electrolysis operation, cooling is possible with electrolyzed water (pure water) for electrolysis, so cooling water does not need to be circulated.

[燃料電池運転]
次に燃料電池運転の場合について説明する。燃料電池運転時には、電磁弁V8、V9を開、それ以外の電磁弁V2、V3、V6を閉とする。水素側では、調整弁V7で圧力調整された水素が流路151を通って水素入口ポートP4に供給される。水素入口ポートP4に供給された水素は、図7に示したように、連通口123a、中央の電極部分122、水素極連通口123bを通って水素出口ポートP3からセル外に排出される。ここで水素ポンプ154を起動することで、排出された水素ガスは水素ポンプ154に吸い込まれ、再び水電解・燃料電池セルのスタック113に供給される。
[Fuel cell operation]
Next, the case of fuel cell operation will be described. During fuel cell operation, the solenoid valves V8 and V9 are opened and the other solenoid valves V2, V3 and V6 are closed. On the hydrogen side, hydrogen pressure-regulated by the regulating valve V7 is supplied through the flow path 151 to the hydrogen inlet port P4. As shown in FIG. 7, the hydrogen supplied to the hydrogen inlet port P4 passes through the communication port 123a, the central electrode portion 122, and the hydrogen electrode communication port 123b and is discharged out of the cell from the hydrogen outlet port P3. By activating the hydrogen pump 154 here, the discharged hydrogen gas is sucked into the hydrogen pump 154 and supplied again to the water electrolysis/fuel cell stack 113 .

一方酸素側では、ブロワ161を起動することで大気中から空気が吸い込まれ、湿度交換器162で適宜加湿された後、配管163を通って、空気入口ポートP5から水電解・燃料電池セルのスタック113内に供給される。空気入口ポートP5は、酸素極連通口144aと連通しているので、酸素極連通口144aから中央の領域142を通って連通口144bから、空気出口ポートP6から水電解・燃料電池セルのスタック113外に排出される。そして配管165、湿度交換器162を通って大気に排気される。この状態で外部の電力負荷3との接続をONにすると、水素極の電極上で水素がプロトンに分解され、酸素極の電極上でプロトンと酸素が結合して水と電気が発生する。発生した電気は電力負荷3に供給されることになる。 On the other hand, on the oxygen side, air is sucked from the atmosphere by activating the blower 161, and after it is appropriately humidified by the humidity exchanger 162, it passes through the pipe 163 and enters the water electrolysis/fuel cell stack from the air inlet port P5. 113. Since the air inlet port P5 communicates with the oxygen electrode communication port 144a, from the oxygen electrode communication port 144a, through the central region 142, from the communication port 144b, and from the air outlet port P6, the water electrolysis/fuel cell stack 113 discharged outside. Then, it is exhausted to the atmosphere through the pipe 165 and the humidity exchanger 162 . When the connection with the external power load 3 is turned on in this state, hydrogen is decomposed into protons on the hydrogen electrode, and protons and oxygen combine on the oxygen electrode to generate water and electricity. The generated electricity will be supplied to the power load 3 .

このような燃料電池運転の反応に使われなかった水素ガスは、水素極連通口123bを通じて、水素出口ポートP3から水電解・燃料電池セルのスタック113外に排出され、配管71を通ってタンク72に供給される。そしてタンク72で気液分離された水素ガスは水素ポンプ154により再び水電解・燃料電池セルのスタック113に供給される。反応で消費された分の水素は、調整弁V7の機能により、適宜外部から一定圧力で供給される。 The hydrogen gas that has not been used in the reaction of the fuel cell operation is discharged from the hydrogen outlet port P3 to the outside of the water electrolysis/fuel cell stack 113 through the hydrogen electrode communication port 123b. supplied to The hydrogen gas separated into gas and liquid in the tank 72 is supplied again to the water electrolysis/fuel cell stack 113 by the hydrogen pump 154 . The amount of hydrogen consumed in the reaction is appropriately supplied from the outside at a constant pressure by the function of the regulating valve V7.

他方、反応に使われなかった空気と反応生成水は、連通口144bを通って、空気出口ポートP6から水電解・燃料電池セルのスタック113外に排出される。そして配管165を経由して湿度交換器162に送られる。湿度交換器162では、ブロワ161から送られる空気を加湿した後に、配管165から系外に排気される。したがってブロワ161から送られる空気は、低湿度のものであっても、湿度交換器162で十分加湿されてから、水電解・燃料電池セルのスタック113に供給される。なお、燃料電池運転を行う場合には、配管181、184によって構成されている冷却水系統の冷却水の循環は必須である。 On the other hand, the air not used in the reaction and the water produced by the reaction pass through the communication port 144b and are discharged outside the water electrolysis/fuel cell stack 113 from the air outlet port P6. Then, it is sent to the humidity exchanger 162 via the pipe 165 . In the humidity exchanger 162, after humidifying the air sent from the blower 161, the humidified air is exhausted from the system through the pipe 165. Therefore, even if the air sent from the blower 161 is of low humidity, it is sufficiently humidified by the humidity exchanger 162 before being supplied to the water electrolysis/fuel cell stack 113 . It should be noted that circulation of cooling water in a cooling water system constituted by pipes 181 and 184 is essential for fuel cell operation.

なお、水電解運転から燃料電池運転へと運転切り替えをするときは、まず直流電源2からの電力供給を停止する。次に、水素側については電磁弁V6を開とし、水素系全体の圧力を外部に放出して系内圧力を常圧近傍まで低下させる。酸素側については、ポンプ53を停止し、電磁弁V2を閉、電磁弁V9を開としてから、ブロワ161を起動して、電極体121の電極部分122やその周辺に残存した純水を、連通口144bから、空気出口ポートP6を経由して水電解・燃料電池セルのスタック113外へと排出する。その後の水電解・燃料電池セルのスタック113内の乾燥方法については、適宜従来技術を適用すればよい。 When switching from the water electrolysis operation to the fuel cell operation, the power supply from the DC power supply 2 is first stopped. Next, on the hydrogen side, the solenoid valve V6 is opened to release the pressure of the entire hydrogen system to the outside and reduce the pressure in the system to near normal pressure. On the oxygen side, the pump 53 is stopped, the solenoid valve V2 is closed, the solenoid valve V9 is opened, and then the blower 161 is started to circulate the pure water remaining in the electrode portion 122 of the electrode body 121 and its surroundings. The air is discharged out of the water electrolysis/fuel cell stack 113 from the port 144b via the air outlet port P6. As for the subsequent method for drying the stack 113 of the water electrolysis/fuel cell stack 113, a conventional technique may be appropriately applied.

また、燃料電池運転から水電解運転へと運転の切り替えにあたっては、まず電力負荷3との接続を切断する。次に水素側については水素ポンプ154を停止してから、電磁弁V8を閉とする。酸素側については、ブロワ161を停止してから電磁弁V9を閉とする。その後は通常通り水電解運転を起動すればよい。 Also, when switching the operation from the fuel cell operation to the water electrolysis operation, the connection with the power load 3 is first cut off. Next, for the hydrogen side, after stopping the hydrogen pump 154, the electromagnetic valve V8 is closed. As for the oxygen side, after the blower 161 is stopped, the electromagnetic valve V9 is closed. After that, the water electrolysis operation should be started as usual.

以上のような水電解運転、燃料電池運転に関し、従来の一体型セルの場合、既述したように、水電解運転時と燃料電池運転時では、酸素極の連通口を共通に使用していたため、水電解運転時と燃料電池運転時で反応流体を流すときの流路断面積と流路長が、どちらの運転モードにおいても同一であった。そのため、先に述べたように、双方の反応流路に求められる要件を満足することは不可能であった。 Regarding the above water electrolysis operation and fuel cell operation, in the case of the conventional integrated cell, as described above, the communication port of the oxygen electrode was used in common during the water electrolysis operation and the fuel cell operation. The cross-sectional area and the length of the flow path when the reaction fluid was flowed were the same in both operation modes during the water electrolysis operation and the fuel cell operation. Therefore, as described above, it was impossible to satisfy the requirements for both reaction channels.

これに対し、実施の形態にかかる一体型セル110を使用した例では、水電解運転時と燃料電池運転時では、流路断面積も流路長も大幅に変えることが可能になっている。 On the other hand, in the example using the integrated cell 110 according to the embodiment, it is possible to largely change the channel cross-sectional area and the channel length between the water electrolysis operation and the fuel cell operation.

すなわち、水電解運転時では、図6に示したように、酸素極側のセパレータ141における反応流体の流れをみれば、下方の酸素極連通口146aから、上方の酸素極連通口146bへと原料水である純水が流れて行き(図中の矢印)、電極部分122と対応する中央の領域142で発生した酸素分子は、水電解されなかった電解水(水電解に供された純水)とともに、上方の酸素極連通口146bから純水出口ポートP2へと流れて行く。したがって、同一反応面積の下で考えると、実施の形態で示したように、領域142、及びセパレータ141が横長の長方形であり、しかも純水の供給口となる酸素極連通口146aは、長辺側に沿って配置されて供給口が長手方向に亘っているから、供給口を多く確保することができ、原料水である純水を大量に電極部分122、領域142に流すことができる。しかもその流路長は短手方向であるから、反応流路における圧損も低く抑えられている。 That is, during the water electrolysis operation, as shown in FIG. 6, the reactant fluid in the separator 141 on the oxygen electrode side flows from the lower oxygen electrode communication port 146a to the upper oxygen electrode communication port 146b. Pure water, which is water, flows (arrows in the figure), and oxygen molecules generated in the central region 142 corresponding to the electrode portion 122 are electrolyzed water that has not undergone water electrolysis (pure water that has undergone water electrolysis). At the same time, it flows from the upper oxygen electrode communication port 146b to the pure water outlet port P2. Therefore, considering the same reaction area, as shown in the embodiment, the region 142 and the separator 141 are oblong rectangles, and the oxygen electrode communication port 146a serving as a pure water supply port has a long side Since the supply ports are arranged along the sides and extend in the longitudinal direction, a large number of supply ports can be secured, and a large amount of pure water, which is raw water, can flow to the electrode portion 122 and the region 142 . Moreover, since the channel length is in the lateral direction, the pressure loss in the reaction channel is kept low.

一方、燃料電池運転時では、酸素極反応流路に求められる要件を確保するには、流路断面積を小さくする必要があるが、図7に示したように、空気については、長方形の短辺側に位置している酸素極連通口144aから領域142を通って反対側の短辺に位置している酸素極連通口144bに向かって流れて行くので、流路断面積は、前記した、水電解運転時の長辺側から長辺側に流れて行く場合よりも小さい。また水素ガスについても、同様に、短辺側に位置している連通口123aから反対側の短辺側に位置している水素極連通口123bに向かって流れて行くので、その時の流路断面積は、水電解運転時よりも小さいものである。 On the other hand, during fuel cell operation, it is necessary to reduce the cross-sectional area of the flow channel in order to ensure the requirements for the oxygen electrode reaction flow channel. Since it flows from the oxygen electrode communication port 144a located on the side to the oxygen electrode communication port 144b located on the opposite short side through the region 142, the cross-sectional area of the flow path is It is smaller than when flowing from the long side to the long side during water electrolysis operation. Similarly, hydrogen gas also flows from the communication port 123a located on the short side toward the hydrogen electrode communication port 123b located on the opposite short side. The area is smaller than during water electrolysis operation.

このように、本発明の実施の形態での一体型セル110は、従来は水電解セルと燃料電池セルで共通に使用していた酸素極の連通口を、水電解セルの酸素極の連通口と燃料電池セルの酸素極の連通口とに分けて、それぞれ専用に設けている。さらに電極体121、及びセパレータ131、141の形状を、長方形にするとともに横長配置にしてこれを鉛直方向にした状態で配置しているから、水電解運転では原料水である純水を短手方向に流し、一方燃料電池運転では加湿空気を長手方向に流すことが可能である。 As described above, in the integrated cell 110 according to the embodiment of the present invention, the communication port of the oxygen electrode, which was conventionally used in common by the water electrolysis cell and the fuel cell, is replaced by the communication port of the oxygen electrode of the water electrolysis cell. and the communication port of the oxygen electrode of the fuel cell, and are provided exclusively for each. Furthermore, the electrode body 121 and the separators 131 and 141 are rectangular and horizontally long, and are arranged vertically. It is possible to flow the humidified air longitudinally while in fuel cell operation.

これにより、同一セルを使用していながら、水電解運転時と燃料電池運転時では、反応流路の断面積を大幅に変えることができ、また圧力損失への影響度が大きい流路長も大幅に変えることができる。その結果、水電解セルの反応流路に求められる要件と、燃料電池セルに求められる要件を、同一のセルであってもより理想的な条件で満足することができる。 As a result, even though the same cell is used, the cross-sectional area of the reaction channel can be changed significantly between water electrolysis and fuel cell operation, and the length of the channel, which has a large impact on pressure loss, can be greatly increased. can be changed to As a result, the requirements required for the reaction flow path of the water electrolysis cell and the requirements required for the fuel cell can be satisfied under more ideal conditions even with the same cell.

このことを定量的に示すために、従来型セパレータと実施の形態にかかるセパレータとで、電極形状が同一としながら流路の圧力損失や流速をどの程度変えることができるのかを以下に示す。 In order to quantitatively demonstrate this, the extent to which pressure loss and flow velocity in the flow path can be changed between the conventional separator and the separator according to the embodiment with the same electrode shape will be shown below.

まず流路圧損:ΔPについては、以下の式で示される。
ΔP=λ・(L/D)・(ρ・v2/2) ・・・・・式(1)
なお式(1)において、λは管摩擦係数、Lは流路長、Dは流路断面積、ρは流体密度、vは流速である。
First, flow path pressure loss: ΔP is expressed by the following formula.
ΔP=λ・(L/D)・(ρ・v2/2) Equation (1)
In equation (1), λ is the pipe friction coefficient, L is the channel length, D is the channel cross-sectional area, ρ is the fluid density, and v is the flow velocity.

電極面積を一定に固定した条件で、電極の縦横比を変えたときに流路圧損がどのように変化するかの概略を図8に示す。この図8のグラフは、管摩擦係数の値を仮に一定として評価した結果である。電極の縦横比(短手方向X:長手方向Y)を1:2とした場合、長手方向に流体を流すときに対して短手方向に流体を流したときの方が流路圧損は1/16倍に低減できる。さらに、電極の縦横比を1:4とした場合には1/258倍に低減できる。管摩擦抵抗はレイノルズ数や流れが層流か乱流かによって異なるが、縦横比が1:4程度の範囲では最大差を見積もっても5倍程度である。単純計算して縦横比が1:2の場合で1/3倍以下、1:4の場合で1/51倍以下に低減できる。ここで、ガスと水の密度は、約1000倍異なるが、従来の一体型セルで実際に燃料電池運転するときの加湿空気の流量は、水電解するときの純水の流量の10倍前後である。 FIG. 8 shows an outline of how the flow path pressure loss changes when the aspect ratio of the electrodes is changed under the condition that the electrode area is fixed. The graph of FIG. 8 is the result of evaluation assuming that the value of the pipe friction coefficient is constant. When the aspect ratio (transverse direction X:longitudinal direction Y) of the electrodes is 1:2, the flow path pressure loss is 1/1 when the fluid is passed in the lateral direction as compared to when the fluid is passed in the longitudinal direction. It can be reduced by 16 times. Furthermore, when the aspect ratio of the electrodes is 1:4, the size can be reduced to 1/258 times. The pipe frictional resistance varies depending on the Reynolds number and whether the flow is laminar or turbulent, but the maximum difference is estimated to be about 5 times when the aspect ratio is about 1:4. By simple calculation, when the aspect ratio is 1:2, it can be reduced to 1/3 or less, and when it is 1:4, it can be reduced to 1/51 or less. Here, the density of gas and water differ by about 1000 times, but the flow rate of humidified air when actually operating a fuel cell with a conventional integrated cell is about 10 times the flow rate of pure water when water electrolysis is performed. be.

これらの点を考慮すると、実際に一体型セルに加湿空気を流した場合と純水を流した場合の流路圧損の差は、長手方向に加湿空気を流した場合を基準とする短手方向に純水を流した場合において、縦横比が1:2の場合で3.3倍以下、1:4の場合で1/5倍以下となる。 Considering these points, the difference in flow path pressure loss when humidified air is actually passed through the integrated cell and when pure water is passed is When the aspect ratio is 1:2, it becomes 3.3 times or less, and when the aspect ratio is 1:4, it becomes 1/5 times or less.

従来通りに連通口を共通にした場合、流路の縦横比に関係無く加湿空気を流したときに対して純水を流したときは流路圧損の差は10倍となる(水の密度:1,000倍vs加湿空気の密度、水の流量:1/10倍vs加湿空気の流量)ことから、本発明の実施の形態によって、水電解時の流路圧損を飛躍的に低減できることがわかる。但し、水電解運転時は、電気分解に伴い酸素極では酸素が発生するため、酸素極反応流路の流動形式は純水の単相流からセル出口に向かうにつれて酸素ガスが増加していく気液二相流となる。気液二相流の流路圧損は単相流の場合よりも高くなるため、その点を考慮して、流路の縦横比を決定する必要がある。 When the communication port is made common as in the conventional method, the difference in flow path pressure loss is 10 times greater when pure water is flowed than when humidified air is flowed regardless of the aspect ratio of the flow path (water density: 1,000 times the density of humidified air, and the flow rate of water: 1/10 times the flow rate of humidified air). . However, during water electrolysis operation, oxygen is generated at the oxygen electrode due to electrolysis, so the flow form of the oxygen electrode reaction channel is such that oxygen gas increases from a single-phase flow of pure water toward the cell outlet. A liquid two-phase flow is obtained. Since the channel pressure loss of gas-liquid two-phase flow is higher than that of single-phase flow, it is necessary to determine the aspect ratio of the channel in consideration of this point.

次に電極の縦横比を変えたときに流路内の流速vがどのように変化するかについてであるが、これは流量をQで固定すれば、あとは断面積Aの差による違いだけであるので、v=Q/Aの単純計算で求まる。流量Qを短手方向に流すのと長手方向に流すのとでは、縦横比が1:2の場合は2倍、縦横比が1:4の場合は4倍の差となる。物質伝達と熱伝達のアナロジーから、物質伝達率は流れが層流の場合で流速の0.5乗、乱流の場合で流速の0.8乗に比例して増加する。このため、流速が4倍であれば物質伝達率は流れが層流の倍で2倍、乱流の場合で3倍となり、反応流路から電極面への酸素の拡散を促進させることができるだけでなく、反応生成水の排出効果も大きくなる。 Next, how the flow velocity v in the channel changes when the aspect ratio of the electrodes is changed. Therefore, it can be obtained by a simple calculation of v=Q/A. The difference between flowing the flow rate Q in the lateral direction and the longitudinal direction is two times when the aspect ratio is 1:2, and four times when the aspect ratio is 1:4. From the analogy of mass transfer and heat transfer, the mass transfer coefficient increases in proportion to the 0.5th power of the flow velocity if the flow is laminar and to the 0.8th power of the flow velocity if the flow is turbulent. Therefore, if the flow velocity is 4 times, the material transfer rate is doubled when the flow is laminar flow and tripled when the flow is turbulent. In addition, the effect of discharging water produced by the reaction is increased.

電極面への酸素拡散が促進されれば、従来よりも高い電流密度(=電流値/電極面積)での燃料電池運転が可能になり、単位セル当たりの出力密度を向上させることができる。この点に関しても、従来通りに連通口を共通にした場合で、水電解時の流路圧損が小さくなるようにセルを設計した場合には、縦横比を1:4にした場合だと流速が1/4倍になるため、物質伝達率は1/2倍や1/3倍となり電極面への酸素拡散が十分に行われなくなり、また反応生成水の排出効果も低減する。その結果、より低い電流密度でしか運転ができなくなってしまう。 If the diffusion of oxygen to the electrode surface is promoted, the fuel cell can be operated at a higher current density (=current value/electrode area) than before, and the power density per unit cell can be improved. Regarding this point as well, if the communication port is shared as before, and the cell is designed so that the pressure loss in the flow path during water electrolysis is small, the flow velocity will increase if the aspect ratio is 1:4. Since it becomes 1/4 times, the material transfer rate becomes 1/2 or 1/3 times, and the diffusion of oxygen to the electrode surface is not sufficiently performed, and the effect of discharging water produced by the reaction is also reduced. As a result, it can only be operated at lower current densities.

以上のことから、本発明の実施の形態の一体型セル110で採用した流路、セパレータの形状により、水電解時の流路圧損の低減と燃料電池時の流速確保を両立できることがわかる。 From the above, it can be seen that the channel pressure loss during water electrolysis and the flow velocity during fuel cell can be both reduced by the shape of the channel and the separator adopted in the integrated cell 110 of the embodiment of the present invention.

なお図6、図7に示した一体型セル110で採用した電極体121、セパレータ131、141では、純水の連通口126a、126b、136a、136b、146a、146bと、冷却水の連通口125a、125b、135a、135b、145a、145bを複数に分割している。これによって流体が反応流路に均一に分配することが可能になっている。また単に複数に分割するだけではなく、上下に対向する連通口の用途が、互い違いになるように設けられているため、かかる点からも流体を均一に分配させることが可能になっている。 In the electrode body 121 and the separators 131 and 141 employed in the integrated cell 110 shown in FIGS. , 125b, 135a, 135b, 145a, and 145b are divided into a plurality of parts. This allows the fluid to be evenly distributed in the reaction channels. In addition to simply dividing the fluid into a plurality of parts, the vertically opposed communication ports are provided so that their uses are alternated, so that the fluid can be uniformly distributed in this respect as well.

ところで、前記した実施の形態では、水電解セル10、一体型セル110は、いずれも横長かつ鉛直方向に配置され、かつ水平方向に積層して各々水電解セルスタック13、水電解・燃料電池セルのスタック113を構成していたが、これら長方形のセルを縦長に配置して、側方から原料水等を流す(長辺側から原料水等を流す)構成とした場合には、次のような問題がある。すなわち、長方形のセルを縦長に配置して側方から原料水等を流すようにした場合、水電解運転の際には、セルの上部と下部とで水頭圧による圧力差が大きくなる(セルの下部が、強い圧力を受ける)。したがって、このセル下部が受ける強い圧力に耐えられるように、セル全体を設計する必要がある。そのため、セル内で受ける圧力差を小さくできるように横長に設置するほうが好ましい。 By the way, in the above-described embodiment, the water electrolysis cell 10 and the integrated cell 110 are both arranged horizontally and vertically, and are stacked horizontally to form the water electrolysis cell stack 13 and the water electrolysis/fuel cell, respectively. However, if these rectangular cells are arranged vertically and raw material water etc. flow from the side (raw material water etc. flow from the long side), the following will be done. there is a problem. That is, when rectangular cells are arranged vertically and the raw material water, etc., is allowed to flow from the side, during water electrolysis operation, the pressure difference due to the water head pressure between the upper and lower parts of the cells increases (cell the lower part receives a lot of pressure). Therefore, it is necessary to design the entire cell so that it can withstand the strong pressure applied to the lower part of the cell. Therefore, it is preferable to install the cells horizontally so that the pressure difference received within the cells can be reduced.

また、燃料電池運転の際には、酸素側、水素側ともに発生水を(重力による自由落下で)電極面からマニホールドを通ってセル外に排水させるが、長方形のセルを縦長設置とすると、ガスの流れが上下方向となり、酸素側、水素側の少なくとも一方は、ガスの流れが上向きとなるので排水を妨げることになる。この観点からも、前記した長方形の各セルは、横長に設置するほうが好ましい。 In addition, when the fuel cell is operated, the water generated on both the oxygen side and the hydrogen side is drained from the electrode surface (by free fall due to gravity) through the manifold to the outside of the cell. At least one of the oxygen side and the hydrogen side flows upward, which hinders drainage. From this point of view as well, it is preferable that each of the rectangular cells described above be installed horizontally.

ところで、前記した一体型セル110は、正立状態(横長に配置して鉛直方向に立てた状態)で使用されるため、燃料電池運転の際、図9に示されるシール材149の下縁部分(図中、波線aで示した)に反応生成水が溜まる可能性がある。そのようにして反応生成水が溜まって、電極面(中央の領域142に対応する部分)が水没してしまうと、反応に寄与できる電極面積が減少し、発電効率が落ちてしまう。 By the way, since the integrated cell 110 described above is used in an upright state (a state in which it is placed horizontally and stands vertically), the lower edge portion of the sealing material 149 shown in FIG. There is a possibility that reaction-generated water will accumulate in the area (indicated by the wavy line a in the figure). If the reaction product water accumulates in this manner and the electrode surface (the portion corresponding to the central region 142) is submerged, the electrode area that can contribute to the reaction is reduced, resulting in a drop in power generation efficiency.

かかる事態に対処するため、空気及び反応生成水が排出される酸素極連通口144bが、電極面の最下部(図中の波線bで示した)、及びシール材149における下方側の最上部(図中の波線cで示した)よりも、下側まで位置するように、すなわち、酸素極連通口144bの下縁(図中の波線dで示した)が、波線bで示される電極面の最下部、及び波線cで示されるシール材149における下方側の最上部よりも下側に位置するように、その配置を設定することが提案できる。 In order to deal with such a situation, the oxygen electrode communication port 144b through which air and water produced by the reaction are discharged is located at the bottom of the electrode surface (indicated by the wavy line b in the figure) and the top of the sealing material 149 on the lower side ( ), that is, the lower edge of the oxygen electrode communication port 144b (indicated by the broken line d in the drawing) is located below the electrode surface indicated by the broken line b. It can be proposed to set the arrangement so that it is located below the lowest part and the uppermost part on the lower side of the sealing material 149 indicated by the broken line c.

これによって、反応生成水が電極面まで達して電極面が水没することなく、酸素極連通口144bから排出される。したがって、反応生成水の貯留による電極の水没は防止され、電極面積が減少して発電効率が落ちてしまうことは防止できる。 As a result, the reaction product water does not reach the electrode surface and is discharged from the oxygen electrode communication port 144b without submerging the electrode surface. Therefore, it is possible to prevent the electrode from being submerged due to the accumulation of reaction product water, and prevent the electrode area from being reduced and the power generation efficiency from being lowered.

本発明は、電解質膜の両側に給電体を配置してさらにセパレータを各々の外側に配置した固体高分子形の水電解セルを用いた水電解、電解質膜の両側に給・集電体を配置してさらにセパレータを各々の外側に配置した固体高分子形の水電解燃料電池一体型セルを用いた水電解・燃料電池に有用である。 The present invention relates to water electrolysis using solid polymer water electrolysis cells in which power feeders are placed on both sides of an electrolyte membrane and separators are placed on the outside of each of them, and power feeders and current collectors are placed on both sides of the electrolyte membrane. Furthermore, it is useful for a water electrolysis fuel cell using solid polymer water electrolysis fuel cell integrated cells in which separators are arranged on the outside of each cell.

1 水電解システム
2 直流電源
3 外部負荷
10 水電解セル
11、12 エンドプレート
13 水電解セルスタック
21 電極体
22 電極部分
23、24、25、33、34、35、43、44、45 連通口
31 水素極側のセパレータ
32、42 領域
36、37、38、46、47 シール材
41 酸素極側のセパレータ
51、72 タンク
52、59、74 配管
53 ポンプ
P1 純水入口ポート
P2 純水出口ポート
P3 水素出口ポート
P4 水素入口ポート
P5 空気入口ポート
P6 空気出口ポート
P7 冷却水出口ポート
P8 冷却水入口ポート
101 水電解・燃料電池システム101
110 一体型セル
111、112 エンドプレート
113 水電解・燃料電池セルのスタック
121 電極体
122 電極部分
123a、123b、133a、133b、143a、143b 水素極連通口
124a、124b、134a、134b、144a、144b 酸素極連通口
131 水素極側のセパレータ
132、142 領域
137、138、139、147、148、149 シール材
141 酸素極側のセパレータ
151、153、163、165 流路
154 水素ポンプ
1 Water Electrolysis System 2 DC Power Supply 3 External Load 10 Water Electrolysis Cell 11, 12 End Plate 13 Water Electrolysis Cell Stack 21 Electrode Body 22 Electrode Part 23, 24, 25, 33, 34, 35, 43, 44, 45 Communication Port 31 Hydrogen electrode side separators 32, 42 Regions 36, 37, 38, 46, 47 Sealing material 41 Oxygen electrode side separators 51, 72 Tanks 52, 59, 74 Piping 53 Pump P1 Pure water inlet port P2 Pure water outlet port P3 Hydrogen Outlet port P4 Hydrogen inlet port P5 Air inlet port P6 Air outlet port P7 Cooling water outlet port P8 Cooling water inlet port 101 Water electrolysis/fuel cell system 101
110 integrated cell 111, 112 end plate 113 water electrolysis/fuel cell stack 121 electrode body 122 electrode part 123a, 123b, 133a, 133b, 143a, 143b hydrogen electrode communication port 124a, 124b, 134a, 134b, 144a, 144b Oxygen electrode communication port 131 Hydrogen electrode side separator 132, 142 Regions 137, 138, 139, 147, 148, 149 Seal material 141 Oxygen electrode side separator 151, 153, 163, 165 Flow path 154 Hydrogen pump

そのような水電解・燃料電池装置を用いた水電解・燃料電池システムとして、例えば次のようなものを提案できる。すなわち、前記水電解・燃料電池装置に直流電力を供給する電源装置と、前記水電解・燃料電池装置に原料水を供給する原料水供給路と、前記水電解・燃料電池装置で発生した水素ガスをシステム外に放出する水素ガス放出路と、前記水電解・燃料電池装置で発生した酸素ガスをシステム外に放出する酸素ガス放出路と、前記水電解・燃料電池装置に水素ガスを供給する水素ガス供給路と、前記水電解・燃料電池装置に酸素ガスまたは空気を供給するガス供給路と、前記水電解・燃料電池装置で発生した水をシステム外に放出する酸素ガス放出路と、を有することを特徴とする、水電解・燃料電池システムである。

なお、以下のような構成例も本開示の技術的範囲に属する。
(1)電解質膜の両側に給電体を配置してさらにセパレータを各給電体の外側に配置した固体高分子形の水電解セルを、複数積層した水電解装置を用いて水を電気分解する方法であって、
前記固体高分子形の水電解セルは長方形であって、かつ当該水電解セルは横長かつ鉛直方向に配置され、かつ水平方向に積層されており、
前記長方形の水電解セルの下側の長辺側から上側の長辺側に向けて、原料水を水電解セル内に供給することを特徴とする、水電解方法。
(2)電解質膜の両側に給電体を配置してさらにセパレータを各給電体の外側に配置した固体高分子形の水電解セルを、複数積層した水電解装置であって、
前記固体高分子形の水電解セルは長方形であって、かつ当該水電解セルは横長かつ鉛直方向に配置され、かつ水平方向に積層されており、
前記長方形の各水電解セルの下側の長辺側に、水供給のための連通口が配置され、各水電解セルの上側の長辺側に、電解水と酸素ガスの排出用の連通口が配置されていることを特徴とする、水電解装置。
(3)前記長方形の各水電解セルの短辺側に、水素ガス排出用の連通口が配置されていることを特徴とする、(2)に記載の水電解装置。
(4)前記セパレータには、縦方向、横方向のいずれにも流体が流通可能な流路が形成されていることを特徴とする、(2)または(3)のいずれかに記載の水電解装置。
(5)(2)~(4)のいずれかに記載の水電解装置を用いた水電解システムであって、
前記水電解装置に直流電力を供給する電源装置と、
前記水電解装置に原料水を供給する原料水供給路と、
前記水電解装置で発生した水素ガスをシステム外に放出する水素ガス放出路と、
前記水電解装置で発生した酸素ガスをシステム外に放出する酸素ガス放出路と、
を有することを特徴とする、水電解システム。
(6)電解質膜の両側に給・集電体を配置してさらにセパレータを各給・集電体の外側に配置した、固体高分子形の水電解燃料電池一体型セルを、複数積層した水電解・燃料電池装置を用いて、水電解運転と燃料電池運転を切り替えて行う方法であって、
前記固体高分子形の水電解燃料電池一体型セルは長方形であって、かつ当該水電解燃料電池一体型セルは横長かつ鉛直方向に配置され、かつ水平方向に積層されており、
水電解運転の際には、前記長方形の水電解燃料電池一体型セルの下側の長辺側から上側の長辺側に向けて、原料水を水電解燃料電池一体型セル内に供給し、
燃料電池運転の際には、前記長方形の水電解燃料電池一体型セルの短辺側から対向する短辺側に向けて、原料ガスを水電解燃料電池一体型セル内に供給することを特徴とする、水電解・燃料電池運転方法。
(7)電解質膜の両側に給・集電体を配置してさらにセパレータを各給・集電体の外側に配置した、固体高分子形の水電解燃料電池一体型セルを、複数積層した水電解・燃料電池装置であって、
前記固体高分子形の水電解燃料電池一体型セルは長方形であって、かつ当該水電解燃料電池一体型セルは横長かつ鉛直方向に配置され、かつ水平方向に積層されており、
前記長方形の各水電解燃料電池一体型セルの下側の長辺側に、水電解運転の際の原料水供給のための連通口、及び冷却水供給のための連通口が配置され、
各水電解燃料電池一体型セルの上側の長辺側に、水電解運転の際の電解水と酸素ガスの排出用の連通口が配置され、
各水電解燃料電池一体型セルの短辺側に、水電解運転の際の水素ガス排出用の連通口、及び燃料電池運転の際の水素ガス供給用の連通口、及び空気または酸素ガス供給用の連通口が形成されていることを特徴とする、水電解・燃料電池装置。
(8)前記セパレータには、縦方向、横方向のいずれにも流体が流通可能な流路が形成されていることを特徴とする、(7)に記載の水電解・燃料電池装置。
(9)水電解燃料電池一体型セルの短辺側に、空気又は酸素ガス、及び反応生成水が排出される連通口が形成され、水電解燃料電池一体型セルの電極面の最下部よりも、空気又は酸素ガス、及び反応生成水が排出される連通口の最下部の方が下方に位置していることを特徴とする、(7)または(8)のいずれかに記載の水電解・燃料電池装置。
(10)(7)~(9)のいずれかに記載の水電解・燃料電池装置を用いた水電解・燃料電池システムであって、
前記水電解・燃料電池装置に直流電力を供給する電源装置と、
前記水電解・燃料電池装置に原料水を供給する原料水供給路と、
前記水電解・燃料電池装置で発生した水素ガスをシステム外に放出する水素ガス放出路と、
前記水電解・燃料電池装置で発生した酸素ガスをシステム外に放出する酸素ガス放出路と、
前記水電解・燃料電池装置に水素ガスを供給する水素ガス供給路と、
前記水電解・燃料電池装置に酸素ガスまたは空気を供給するガス供給路と、
前記水電解・燃料電池装置で発生した水をシステム外に放出する酸素ガス放出路と、を有することを特徴とする、水電解・燃料電池システム。
As a water electrolysis/fuel cell system using such a water electrolysis/fuel cell device, for example, the following can be proposed. That is, a power supply unit for supplying direct current power to the water electrolysis/fuel cell device, a raw water supply line for supplying raw material water to the water electrolysis/fuel cell device, and hydrogen gas generated in the water electrolysis/fuel cell device. to the outside of the system, an oxygen gas release path to release the oxygen gas generated in the water electrolysis/fuel cell device to the outside of the system, and hydrogen to supply hydrogen gas to the water electrolysis/fuel cell device a gas supply channel, a gas supply channel for supplying oxygen gas or air to the water electrolysis/fuel cell device, and an oxygen gas release channel for releasing water generated in the water electrolysis/fuel cell device outside the system. A water electrolysis/fuel cell system characterized by:

Note that the following configuration examples also belong to the technical scope of the present disclosure.
(1) A method of electrolyzing water using a water electrolysis apparatus in which a plurality of solid polymer water electrolysis cells are stacked, in which power feeders are arranged on both sides of an electrolyte membrane and separators are placed outside each power feeder. and
The solid polymer type water electrolysis cells are rectangular, and the water electrolysis cells are horizontally long and vertically arranged and horizontally stacked,
A water electrolysis method, characterized in that raw material water is supplied into the water electrolysis cell from the lower long side of the rectangular water electrolysis cell toward the upper long side of the water electrolysis cell.
(2) A water electrolysis device in which a plurality of solid polymer water electrolysis cells are stacked, each having power feeders arranged on both sides of an electrolyte membrane and a separator placed outside each power feeder,
The solid polymer type water electrolysis cells are rectangular, and the water electrolysis cells are horizontally long and vertically arranged and horizontally stacked,
A communication port for supplying water is disposed on the lower long side of each rectangular water electrolysis cell, and a communication port for discharging electrolyzed water and oxygen gas is disposed on the upper long side of each water electrolysis cell. is arranged, a water electrolysis device.
(3) The water electrolysis device according to (2), characterized in that a communication port for discharging hydrogen gas is arranged on the short side of each of the rectangular water electrolysis cells.
(4) Water electrolysis according to either (2) or (3), characterized in that the separator is formed with channels through which fluid can flow both in the vertical direction and in the horizontal direction. Device.
(5) A water electrolysis system using the water electrolysis device according to any one of (2) to (4),
a power supply device that supplies DC power to the water electrolysis device;
a raw water supply channel for supplying raw water to the water electrolysis device;
a hydrogen gas release path for releasing hydrogen gas generated in the water electrolysis device to the outside of the system;
an oxygen gas release path for releasing oxygen gas generated in the water electrolysis device to the outside of the system;
A water electrolysis system, comprising:
(6) Water in which a plurality of solid polymer type water electrolysis fuel cell integrated cells are stacked, in which power supply/current collectors are arranged on both sides of the electrolyte membrane, and separators are further arranged on the outside of each power supply/current collector. A method of switching between water electrolysis operation and fuel cell operation using an electrolysis/fuel cell device,
The solid polymer type water electrolysis fuel cell integrated cell is rectangular, and the water electrolysis fuel cell integrated cell is horizontally long and vertically arranged and stacked horizontally,
During the water electrolysis operation, raw water is supplied into the water electrolysis fuel cell integrated cell from the lower long side of the rectangular water electrolysis fuel cell integrated cell toward the upper long side of the water electrolysis fuel cell integrated cell,
During operation of the fuel cell, the raw material gas is supplied into the water electrolysis fuel cell integrated cell from the short side of the rectangular water electrolysis fuel cell integrated cell toward the opposite short side. a water electrolysis/fuel cell operation method.
(7) Water in which a plurality of solid polymer type water electrolysis fuel cell integrated cells are stacked, in which feeders and current collectors are arranged on both sides of the electrolyte membrane, and separators are further arranged on the outside of each of the feeders and collectors. An electrolysis/fuel cell device,
The solid polymer type water electrolysis fuel cell integrated cell is rectangular, and the water electrolysis fuel cell integrated cell is horizontally long and vertically arranged and stacked horizontally,
A communication port for supplying raw material water during water electrolysis operation and a communication port for supplying cooling water are arranged on the lower long side of each rectangular water electrolysis fuel cell integrated cell,
A communication port for discharging electrolyzed water and oxygen gas during water electrolysis operation is arranged on the upper long side of each water electrolysis fuel cell integrated cell,
On the short side of each water electrolysis fuel cell integrated cell, a communication port for discharging hydrogen gas during water electrolysis operation, a communication port for supplying hydrogen gas during fuel cell operation, and a communication port for supplying air or oxygen gas are provided. A water electrolysis/fuel cell device, characterized in that a communication port of is formed.
(8) The water electrolysis/fuel cell device according to (7), characterized in that the separator is formed with channels through which a fluid can flow both in the vertical direction and in the horizontal direction.
(9) A communication port through which air or oxygen gas and reaction product water are discharged is formed on the short side of the water electrolysis fuel cell integrated cell, and the water electrolysis fuel cell integrated cell , air or oxygen gas, and the water electrolysis system according to either one of (7) or (8), characterized in that the lowermost part of the communication port through which the water produced by the reaction is discharged is positioned downward. fuel cell device.
(10) A water electrolysis/fuel cell system using the water electrolysis/fuel cell device according to any one of (7) to (9),
a power supply device that supplies DC power to the water electrolysis/fuel cell device;
a raw water supply path for supplying raw water to the water electrolysis/fuel cell device;
a hydrogen gas release path for releasing hydrogen gas generated in the water electrolysis/fuel cell device to the outside of the system;
an oxygen gas release path for releasing oxygen gas generated in the water electrolysis/fuel cell device to the outside of the system;
a hydrogen gas supply path for supplying hydrogen gas to the water electrolysis/fuel cell device;
a gas supply path for supplying oxygen gas or air to the water electrolysis/fuel cell device;
and an oxygen gas discharge path for discharging water generated in the water electrolysis/fuel cell device to the outside of the system.

Claims (10)

電解質膜の両側に給電体を配置してさらにセパレータを各給電体の外側に配置した固体高分子形の水電解セルを、複数積層した水電解装置を用いて水を電気分解する方法であって、
前記固体高分子形の水電解セルは長方形であって、かつ当該水電解セルは横長かつ鉛直方向に配置され、かつ水平方向に積層されており、
前記長方形の水電解セルの下側の長辺側から上側の長辺側に向けて、原料水を水電解セル内に供給することを特徴とする、水電解方法。
A method of electrolyzing water using a water electrolysis device in which a plurality of solid polymer water electrolysis cells are stacked, in which power feeders are arranged on both sides of an electrolyte membrane and a separator is placed outside each power feeder. ,
The solid polymer type water electrolysis cells are rectangular, and the water electrolysis cells are horizontally long and vertically arranged and horizontally stacked,
A water electrolysis method, characterized in that raw material water is supplied into the water electrolysis cell from the lower long side of the rectangular water electrolysis cell toward the upper long side of the water electrolysis cell.
電解質膜の両側に給電体を配置してさらにセパレータを各給電体の外側に配置した固体高分子形の水電解セルを、複数積層した水電解装置であって、
前記固体高分子形の水電解セルは長方形であって、かつ当該水電解セルは横長かつ鉛直方向に配置され、かつ水平方向に積層されており、
前記長方形の各水電解セルの下側の長辺側に、水供給のための連通口が配置され、各水電解セルの上側の長辺側に、電解水と酸素ガスの排出用の連通口が配置されていることを特徴とする、水電解装置。
A water electrolysis device in which a plurality of solid polymer type water electrolysis cells are stacked in which power feeders are arranged on both sides of an electrolyte membrane and separators are further placed outside each power feeder,
The solid polymer type water electrolysis cells are rectangular, and the water electrolysis cells are horizontally long and vertically arranged and horizontally stacked,
A communication port for supplying water is disposed on the lower long side of each rectangular water electrolysis cell, and a communication port for discharging electrolyzed water and oxygen gas is disposed on the upper long side of each water electrolysis cell. is arranged, a water electrolysis device.
前記長方形の各水電解セルの短辺側に、水素ガス排出用の連通口が配置されていることを特徴とする、請求項2に記載の水電解装置。 3. The water electrolysis apparatus according to claim 2, wherein a communication port for discharging hydrogen gas is arranged on a short side of each of the rectangular water electrolysis cells. 前記セパレータには、縦方向、横方向のいずれにも流体が流通可能な流路が形成されていることを特徴とする、請求項2または3のいずれか一項に記載の水電解装置。 4. The water electrolysis apparatus according to claim 2, wherein the separator is formed with flow paths through which fluid can flow both in the vertical direction and in the horizontal direction. 請求項2~4のいずれか一項に記載の水電解装置を用いた水電解システムであって、
前記水電解装置に直流電力を供給する電源装置と、
前記水電解装置に原料水を供給する原料水供給路と、
前記水電解装置で発生した水素ガスをシステム外に放出する水素ガス放出路と、
前記水電解装置で発生した酸素ガスをシステム外に放出する酸素ガス放出路と、
を有することを特徴とする、水電解システム。
A water electrolysis system using the water electrolysis device according to any one of claims 2 to 4,
a power supply device that supplies DC power to the water electrolysis device;
a raw water supply channel for supplying raw water to the water electrolysis device;
a hydrogen gas release path for releasing hydrogen gas generated in the water electrolysis device to the outside of the system;
an oxygen gas release path for releasing oxygen gas generated in the water electrolysis device to the outside of the system;
A water electrolysis system, comprising:
電解質膜の両側に給・集電体を配置してさらにセパレータを各給・集電体の外側に配置した、固体高分子形の水電解燃料電池一体型セルを、複数積層した水電解・燃料電池装置を用いて、水電解運転と燃料電池運転を切り替えて行う方法であって、
前記固体高分子形の水電解燃料電池一体型セルは長方形であって、かつ当該水電解燃料電池一体型セルは横長かつ鉛直方向に配置され、かつ水平方向に積層されており、
水電解運転の際には、前記長方形の水電解燃料電池一体型セルの下側の長辺側から上側の長辺側に向けて、原料水を水電解燃料電池一体型セル内に供給し、
燃料電池運転の際には、前記長方形の水電解燃料電池一体型セルの短辺側から対向する短辺側に向けて、原料ガスを水電解燃料電池一体型セル内に供給することを特徴とする、水電解・燃料電池運転方法。
Water electrolysis/fuel in which multiple solid polymer type water electrolysis fuel cell integrated cells are stacked, in which feeders/current collectors are arranged on both sides of the electrolyte membrane, and separators are further placed on the outside of each feeder/collector. A method of switching between water electrolysis operation and fuel cell operation using a battery device,
The solid polymer type water electrolysis fuel cell integrated cell is rectangular, and the water electrolysis fuel cell integrated cell is horizontally long and vertically arranged and stacked horizontally,
During the water electrolysis operation, raw water is supplied into the water electrolysis fuel cell integrated cell from the lower long side of the rectangular water electrolysis fuel cell integrated cell toward the upper long side of the water electrolysis fuel cell integrated cell,
During operation of the fuel cell, the raw material gas is supplied into the water electrolysis fuel cell integrated cell from the short side of the rectangular water electrolysis fuel cell integrated cell toward the opposite short side. a water electrolysis/fuel cell operation method.
電解質膜の両側に給・集電体を配置してさらにセパレータを各給・集電体の外側に配置した、固体高分子形の水電解燃料電池一体型セルを、複数積層した水電解・燃料電池装置であって、
前記固体高分子形の水電解燃料電池一体型セルは長方形であって、かつ当該水電解燃料電池一体型セルは横長かつ鉛直方向に配置され、かつ水平方向に積層されており、
前記長方形の各水電解燃料電池一体型セルの下側の長辺側に、水電解運転の際の原料水供給のための連通口、及び冷却水供給のための連通口が配置され、
各水電解燃料電池一体型セルの上側の長辺側に、水電解運転の際の電解水と酸素ガスの排出用の連通口が配置され、
各水電解燃料電池一体型セルの短辺側に、水電解運転の際の水素ガス排出用の連通口、及び燃料電池運転の際の水素ガス供給用の連通口、及び空気または酸素ガス供給用の連通口が形成されていることを特徴とする、水電解・燃料電池装置。
Water electrolysis/fuel in which multiple solid polymer type water electrolysis fuel cell integrated cells are stacked, in which feeders/current collectors are arranged on both sides of the electrolyte membrane, and separators are further placed on the outside of each feeder/collector. A battery device,
The solid polymer type water electrolysis fuel cell integrated cell is rectangular, and the water electrolysis fuel cell integrated cell is horizontally long and vertically arranged and stacked horizontally,
A communication port for supplying raw material water during water electrolysis operation and a communication port for supplying cooling water are arranged on the lower long side of each rectangular water electrolysis fuel cell integrated cell,
A communication port for discharging electrolyzed water and oxygen gas during water electrolysis operation is arranged on the upper long side of each water electrolysis fuel cell integrated cell,
On the short side of each water electrolysis fuel cell integrated cell, a communication port for discharging hydrogen gas during water electrolysis operation, a communication port for supplying hydrogen gas during fuel cell operation, and a communication port for supplying air or oxygen gas are provided. A water electrolysis/fuel cell device, characterized in that a communication port of is formed.
前記セパレータには、縦方向、横方向のいずれにも流体が流通可能な流路が形成されていることを特徴とする、請求項7に記載の水電解・燃料電池装置。 8. The water electrolysis/fuel cell device according to claim 7, wherein said separator has a flow path through which a fluid can flow both vertically and horizontally. 水電解燃料電池一体型セルの短辺側に、空気又は酸素ガス、及び反応生成水が排出される連通口が形成され、水電解燃料電池一体型セルの電極面の最下部よりも、空気又は酸素ガス、及び反応生成水が排出される連通口の最下部の方が下方に位置していることを特徴とする、請求項7または8のいずれか一項に記載の水電解・燃料電池装置。 On the short side of the water electrolysis fuel cell integrated cell, a communication port for discharging air or oxygen gas and reaction product water is formed, and the air or 9. The water electrolysis/fuel cell device according to claim 7, wherein the lowermost part of the communication port through which the oxygen gas and reaction product water are discharged is positioned downward. . 請求項7~9のいずれか一項に記載の水電解・燃料電池装置を用いた水電解・燃料電池システムであって、
前記水電解・燃料電池装置に直流電力を供給する電源装置と、
前記水電解・燃料電池装置に原料水を供給する原料水供給路と、
前記水電解・燃料電池装置で発生した水素ガスをシステム外に放出する水素ガス放出路と、
前記水電解・燃料電池装置で発生した酸素ガスをシステム外に放出する酸素ガス放出路と、
前記水電解・燃料電池装置に水素ガスを供給する水素ガス供給路と、
前記水電解・燃料電池装置に酸素ガスまたは空気を供給するガス供給路と、
前記水電解・燃料電池装置で発生した水をシステム外に放出する酸素ガス放出路と、を有することを特徴とする、水電解・燃料電池システム。
A water electrolysis/fuel cell system using the water electrolysis/fuel cell device according to any one of claims 7 to 9,
a power supply device that supplies DC power to the water electrolysis/fuel cell device;
a raw water supply path for supplying raw water to the water electrolysis/fuel cell device;
a hydrogen gas release path for releasing hydrogen gas generated in the water electrolysis/fuel cell device to the outside of the system;
an oxygen gas release path for releasing oxygen gas generated in the water electrolysis/fuel cell device to the outside of the system;
a hydrogen gas supply path for supplying hydrogen gas to the water electrolysis/fuel cell device;
a gas supply path for supplying oxygen gas or air to the water electrolysis/fuel cell device;
and an oxygen gas discharge path for discharging water generated in the water electrolysis/fuel cell device to the outside of the system.
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