JP3102434B2 - 電力貯蔵発電装置 - Google Patents

電力貯蔵発電装置

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JP3102434B2 JP02234543A JP23454390A JP3102434B2 JP 3102434 B2 JP3102434 B2 JP 3102434B2 JP 02234543 A JP02234543 A JP 02234543A JP 23454390 A JP23454390 A JP 23454390A JP 3102434 B2 JP3102434 B2 JP 3102434B2
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    • H01M8/18Regenerative fuel cells, e.g. redox flow batteries or secondary fuel cells
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、余剰電力を蓄えて電力不足時にこれを使用
するための電力貯蔵発電装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
今日のエネルギー情勢を展望すると、資源的に乏しく
環境に悪影響を及ぼす化石燃料に代わって、原子力と自
然エネルギー(特に太陽エネルギー)が一次エネルギー
源となることが期待される。
【0003】 原子力発電は、技術的・経済的に一定出力運転が望ま
しく、原子力発電の比率が高くなると、電力余剰時に電
力を貯蔵し、不足時にこれを使用することの必要性が高
まってくる。
【0004】 従来、電力貯蔵と発電とを行うものとして、レドック
スフロー形電池による電力貯蔵発電システムがある。こ
のシステムは、正極液にFe3+/Fe2+塩酸溶液,負極液にC
r2+/Cr3+塩酸溶液を用い、充電時には正極液をFe2+→Fe
3++e、負極液をCr2++e→Cr3+とし、放電時にはこの
逆の反応を行って充電と発電を行うものである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、レドックスフロー形電池による電力貯
蔵発電システムは、貯蔵形態が、Fe3+/Fe2+塩酸溶液、C
r2+/Cr3+塩酸溶液であり、強酸やクロムなどによる腐
蝕,保安,環境保護等に問題がある。
【0006】 そこで近年、余剰電力で水を電気分解して水素を取り
出すと共にそれを貯蔵し、電力不足時にその貯蔵した水
素を燃料電池に供給して発電を行うことが提案されてい
る。この水素貯蔵による発電は、上述したレドックスフ
ロー形電池による電力貯蔵発電システムと違って水と水
素と酸素であり貯蔵等の扱いが容易であるが、発電効率
は極めて効率が悪いと見なされている。
【0007】 本発明は上記事情を考慮してなされたもので、電力余
剰時にこれを蓄え、必要時にこれを使用できると共に発
電効率のよい電力貯蔵発電装置を提供することを目的と
する。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の目的を達成するために、電力余剰時
の電力を蓄え、これを電力不足時に使用するための電力
貯蔵装置において、水蒸気を原料とし、これを余剰電力
で電解して水素と酸素を製造する電解式水素製造装置
と、その電解式水素製造装置へ水蒸気を供給すると共に
製造された酸素を燃焼空気として使用するボイラプラン
トと、製造された水素を貯蔵するためのH2貯槽と、ボイ
ラプラントへ給水するための貯水槽と、貯蔵された水素
と空気中の酸素とを反応させて発電を行う燃料電池と、
電解式水素製造装置に接続され、電解式水素製造装置で
生成された水素と未反応水とを分離する電解側の分離装
置と、燃料電池に接続され未反応水素と生成した水とを
分離する発電側の分離装置と、電解側及び発電側の分離
装置で分離した水を貯水槽に戻すラインと、電解側の分
離装置で分離された水素をH2貯槽に供給して貯留するた
めの電解側コンプレッサーと、発電側の分離装置で分離
された水素を燃料電池に循環する発電側コンプレッサー
と、余剰電力を直流に変換して電解式水素製造槽に給電
すると共に燃料電池からの直流を交流に変換する電力調
整装置とを備えた電力貯蔵発電装置である。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適実施の形態を添付図面に基づいて
説明する。
【0010】 図1は、本発明の一実施の形態を示すもので、酸素水
素電気化学反応装置4として電解槽4aと燃料電池4bの二
つに別けて構成し、基本的には、電解槽4aからなる電解
式水素製造装置1Aと、燃料電池4bからなる燃料電池プラ
ント1Bと、これら電解式水素製造装置1Aと燃料電池プラ
ント1Bと電源ライン2とを接続する電力調整装置3から
なる。
【0011】 先ず電解式水素製造装置1Aの電解槽4aと、燃料電池プ
ラント1Bの燃料電池4bを構成する酸素水素電気化学反応
装置4は、図2に示すように反応槽5の中央に反応三層
膜6が設けられたものからなる。この反応三層膜6は、
電解質7を水素極8と酸素極9で挟んだ構造からなり、
電解質7としてはイットリア安定化ジルコニア,水素極
8としてはNi多孔質板、酸素極9としてはLaMnO3(ラン
タンマンガナイト)多孔質板であり、この他にも種々の
組合せがある。
【0012】 反応槽5内には、反応三層膜6の水素極8側に水素極
側マニホールド10が形成され、酸素極9側に酸素極側マ
ニホールド11が形成される。
【0013】 この酸素水素電気化学反応装置4の電解時は、水素極
側マニホールド10に800℃以上の蒸気が供給され、水素
極8と酸素極9に直流電圧が印加されて、H2Oを下式に
示す反応で分解する。この際、水素極(陽極)側に水素
ガスが発生し、また酸素極(陰極)側に酸素ガスが発生
する。
【0014】 H2O→H2+1/2O2 (1) なおこの時反応槽5内では供給されたH2Oの全量が
(1)式の反応で消費されないため、水素極の出口側で
はH2OとH2との混合ガスが出ていくこととなる。
【0015】 他方燃料電池として使用する際には、その水素極側マ
ニホールド10にH2を供給し、酸素極側マニホールド11に
O2を供給することで水の電気分解と逆の反応で発電を行
うようになっている。
【0016】 この燃料電池としての反応槽5内では、上記(1)式
の逆の反応である(2)式の反応がなされ、水素極8と
酸素極9間に電圧0.6〜0.9Vの直流電力が発生する。
【0017】 H2+1/2O2→H2O (2) 図3は、電解及び発電温度に対する印加電圧及び発生
電圧の関係を示し、ラインAは理論電圧ライン、ライン
Bは電解時の印加電圧ライン、ラインCは発電時の発生
電圧ラインを示す。この図において、温度を上昇させる
と電解及び印加電圧は低くなり、また印加電圧に対する
発電電圧の差も小さくなることが判る。従って高温で電
解及び発電を行うことで効率の良い運転が行える。
【0018】 さて、図1において、電解式水素製造装置1Aは、水を
水蒸気の状態で電気分解して水素と酸素に電気分解する
H2O電解槽4aからなり、その電解槽4a内の電極が電力調
整装置3の交直変換器3aに接続される。
【0019】 電解槽4aへ供給する原料である水蒸気は、ボイラ60か
ら電解側バルブ72、蒸気供給ライン73を介し、さらに熱
交換器20aを介して電解槽4aの水素極側に供給される。
【0020】 ボイラ60は、給水ポンプ61からの給水が、給水バルブ
62を介し、ボイラ60内の伝熱管63で加熱され、気液分離
ドラム64で気液分離され、その蒸気が蒸気バルブ65より
蒸気ライン66に流れ、蒸気タービン67に供給されて発電
機68を駆動した後、凝縮器69に流れ、再度給水ポンプ61
で循環されるようになっており、蒸気供給ライン73から
電解槽4aで消費された水蒸気分は、貯水槽15aの水が、
ボイラ60に補給されるようになっている。すなわち、給
水槽15aから給水ポンプ16aにて給水ライン70よりバルブ
71を介してボイラ60の伝熱管63に供給される。
【0021】 他方、電解槽4aの酸素極側には、エアフィルタ28,コ
ンプレッサー29a,熱交換器30aを介して空気が供給され
る。
【0022】 電解槽4aに導かれた蒸気は、そこで電力調整装置3か
らの余剰電力で電気分解される。
【0023】 この電解槽4a内でH2Oは、上記(1)式に示す反応で
分解され、水素極(陽極)側に水素ガスが発生し、また
酸素極(陰極)側に酸素ガスが発生する。
【0024】 なおこの時電解槽4a内では供給されたH2Oの全量が
(1)式の反応で消費されないため、水素極の出口側で
はH2OとH2との混合ガスが出ていくこととなる。
【0025】 この混合ガスは、熱交換器20aで、入口ガスと熱交換
されて熱回収された後、電解側の分離装置21aでH2OとH2
とに分離され、H2Oはライン31aより貯水槽15aに戻さ
れ、H2は、コンプレッサー12aで昇圧された後、H2貯槽2
4aに貯蔵される。
【0026】 また酸素極側で発生した酸素は、空気と共に熱交換器
30aを通してボイラ60の燃焼空気として供給されるよう
になっている。
【0027】 他方燃料電池プラント1Bは、電解質を水素極と酸素極
で挟んで形成された燃料電池4bからなり、その水素極に
H2を供給し、酸素極にO2を供給することで水の電気分解
と逆の反応で発電を行うようになっている。
【0028】 先ずH2貯槽24b内のH2は、ポンプ25bにて熱交換器20b
を通って燃料電池4bの水素極側に導入され、他方酸素
は、大気がエアフィルタ28bを介してコンプレッサー29b
に導入され昇圧され、熱交換器30bを通して燃料電池4b
の酸素極側に導入される。
【0029】 この燃料電池4bで発生した直流電力は、電力調整装置
3の直交変換器3bにて交流に変換され、電源ライン2よ
り不足電力を補うための電力として供給される。
【0030】 なお燃料電池4bの水素極の出口からはH2O,H2の混合ガ
スが排出され、また酸素極の出口からはO2濃度の薄くな
った空気がそれぞれ別個に排出される。水素極の出口か
らのH2O,H2の混合ガスは熱交換器20bで入口ガスと熱交
換されて熱回収された後、発電側の分離装置21bでH2Oと
H2とに分離され、H2Oはライン31bより貯水槽15bに戻さ
れ、H2は、コンプレッサー22bで昇圧された後、再度H2
貯槽24bからのH2と共に燃料電池4bの水素極側に循環さ
れる。また酸素極の出口のO2濃度の薄くなった空気は、
熱交換器30bを通り、そこで入口側空気と熱交換された
後系外に排出される。
【0031】 貯水槽15bに戻されたH2Oは、ポンプ16bにて電解式水
素製造装置1Aの貯水槽15aに移送され、また電解式水素
製造装置1AのH2貯槽24aに貯蔵されたH2は、ポンプ25aよ
りバルブ76bを介して適宜燃料電池プラント1BのH2貯槽2
4bに移送されるようになっており、また適宜水素利用ラ
イン75,バルブ76aを介してボイラ60に燃料として供給さ
れる。
【0032】 なお電解式水素製造装置1Aの電解槽4aには、エアフィ
ルタ15a,コンプレッサー16a,熱交換器17aを介して空気
が供給できるようになっている。
【0033】 以上において、電力が余剰な時に、電解式水素製造装
置1Aを運転する。すなわち電源ライン2から直交変換器
3aを介して電解槽4aに余剰電力を供給し、ボイラ60から
蒸気供給ライン73を介して電解槽4aに供給された水蒸気
を電気分解してH2を製造し、そのH2をH2貯槽24aに貯蔵
すると共に適宜燃料電池プラント1BのH2貯槽24bに移送
する。また電力が不足する時には、燃料電池プラント1B
を運転し、H2貯槽24bのH2を燃料電池4bの水素極側に供
給し同時に空気を酸素極に供給して発電を行い、得られ
た電力を直交変換器3bを介して電源ライン2に供給す
る。
【0034】 この電解式水素製造装置1Aによる水素製造運転と燃料
電池プラント1Bによる発電運転は、例えば午後6時から
午前6時までは余剰電力で運転し、午前6時から午後6
時の電力不足時は、発電運転を行って不足電力を補う運
転を交互に切り替えて運転するが、両者は独立している
ため、双方を同時にラップした状態でも運転が可能とな
る。
【0035】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように本発明によれば
次のごとき優れた効果を発揮する。
【0036】 (1)余剰電力で水蒸気を電解して水素として貯蔵する
ことで、貯蔵時の減耗損失が少なく、全体として極めて
高効率な電力貯蔵装置とすることができる。
【0037】 (2)貯蔵した水素を電気化学反応で発電することで効
率の良い発電が行える。
【0038】 (3)水素製造運転を行う電解式水素製造装置とその水
素製造運転で貯蔵した水素で発電を行う燃料電池プラン
トを独立して設けることで、双方を同時にラップした状
態でも運転でき、幅広い運転が可能となる。
【0039】 (4)ボイラで発生した蒸気を電解式水素製造装置に供
給し、その電解式水素製造装置で発生した酸素をボイラ
の燃焼空気として使用することで、ボイラの燃焼効率が
向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施の形態を示す系統図である。
【図2】 図1の電解槽及び燃料電池としての酸素水素電気化学反
応装置の詳細断面図である。
【図3】 図2の酸素水素電気化学反応装置の温度に対する理論,
電解及び発電電圧特性を示す図である。
【符号の説明】
1A……電解式水素製造装置 1B……燃料電池プラント 2……電源ライン 3……電力調整装置 7……電解質 8……水素極 9……酸素極 10……水素極側マニホールド 11……酸素極側マニホールド 15a,15b……貯水槽 21a,21b……分離装置 22a,22b……コンプレッサー 24a,24b……H2貯槽 31a,31b……ライン
フロントページの続き (72)発明者 田辺 清一 東京都千代田区丸の内2丁目5番1号 三菱重工業株式会社内 (72)発明者 芝 剛史 東京都千代田区大手町2丁目3番6号 株式会社三菱総合研究所内 (56)参考文献 特開 昭62−35463(JP,A) 特開 昭62−140375(JP,A) 特開 昭50−101831(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 8/00 - 8/24 H02J 15/00

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】電力余剰時の電力を蓄え、これを電力不足
    時に使用するための電力貯蔵装置において、水蒸気を原
    料とし、これを余剰電力で電解して水素と酸素を製造す
    る電解式水素製造装置と、その電解式水素製造装置へ水
    蒸気を供給すると共に製造された酸素を燃焼空気として
    使用するボイラプラントと、製造された水素を貯蔵する
    ためのH2貯槽と、ボイラプラントへ給水するための貯水
    槽と、貯蔵された水素と空気中の酸素とを反応させて発
    電を行う燃料電池と、電解式水素製造装置に接続され、
    電解式水素製造装置で生成された水素と未反応水とを分
    解する電解側の分離装置と、燃料電池に接続され未反応
    水素と生成した水とを分離する発電側の分離装置と、電
    解側及び発電側の分離装置で分離した水を貯水槽に戻す
    ラインと、電解側の分離装置で分離された水素をH2貯槽
    に供給して貯留するための電解側コンプレッサーと、発
    電側の分離装置で分離された水素を燃料電池に循環する
    発電側コンプレッサーと、余剰電力を直流に変換して電
    解式水素製造槽に給電すると共に燃料電池からの直流を
    交流に変換する電力調整装置とを備えたことを特徴とす
    る電力貯蔵発電装置。
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