JP6147482B2 - Charge / discharge system - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池運転時の酸化剤として、水電解で発生した純酸素を使用する純酸素利用型の充放電システムにおいて、充電から放電に切替える際に系外に排気するガスの量を低減することで、繰返し充放電するために必要なシステムの保有水量を飛躍的に低減できる充放電システムに関するものである。   The present invention reduces the amount of gas exhausted outside the system when switching from charge to discharge in a pure oxygen utilization type charge / discharge system that uses pure oxygen generated by water electrolysis as an oxidant during fuel cell operation. Thus, the present invention relates to a charge / discharge system that can drastically reduce the amount of water held in the system necessary for repeated charge / discharge.

固体高分子形の可逆セルは、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り、これを電力貯蔵システムに採用すれば、水電解運転によって、原料である水を電気分解して純水素と純酸素を発生させ、それらを容器に貯蔵することで充電が行われる。そして、貯蔵したこれらのガスで燃料電池運転することで放電が行われ、負荷側に電力を供給する。   The polymer electrolyte reversible cell is an energy converter that integrates a polymer electrolyte water electrolysis cell and a fuel cell and selectively performs both functions in one cell. If it employ | adopts, it will charge by electrolyzing the water which is a raw material by water electrolysis operation, generating pure hydrogen and pure oxygen, and storing them in a container. And discharge is performed by operating a fuel cell with these stored gas, and electric power is supplied to the load side.

すなわち、水電解セルでは、水の電気分解により発生する純水素と純酸素の圧力を制御することで、コンプレッサー等の昇圧機器を使用しなくても数MPa〜数10MPaの純水素と純酸素を発生させることができる。この加圧されたガスを別途設けた容器に貯蔵すれば、燃料電池運転時の燃料、酸化剤として使える。また燃料電池セルによる燃料電池運転では、純水素と純酸素の化学反応により電気と水が発生するが、発生した水を容器に貯蔵しておけば、水電解運転時の原料として使える。つまり、反応生成物を回収・再利用することで、水電解運転による充電と、燃料電池運転による放電を繰り返し行える。   That is, in a water electrolysis cell, by controlling the pressure of pure hydrogen and pure oxygen generated by electrolysis of water, pure hydrogen and pure oxygen of several MPa to several tens of MPa can be obtained without using a booster such as a compressor. Can be generated. If this pressurized gas is stored in a separately provided container, it can be used as a fuel and an oxidant during fuel cell operation. In fuel cell operation with fuel cells, electricity and water are generated by a chemical reaction between pure hydrogen and pure oxygen. If the generated water is stored in a container, it can be used as a raw material for water electrolysis operation. That is, by collecting and reusing the reaction product, charging by water electrolysis operation and discharging by fuel cell operation can be repeated.

このような可逆セルを用いた充電と放電とを1つのシステムで実現したものとして、特許文献1に記載した技術がある。この技術は、水電解運転時に前記可逆セルの酸素側に原料水を供給する第1のタンクと、水電解運転時に発生した酸素を、随伴している水を前記第1のタンクで気液分離した後に、当該第1のタンクの気層部を介してシステム系外に排気する大気系に通ずる流路と、水電解運転時に前記可逆セルで発生した水素を、当該水素に随伴している水を気液分離する第2のタンクを介して貯蔵する水素貯蔵部と、前記第1のタンクの気層部と第2のタンクとを接続する配管とを有している。   A technique described in Patent Document 1 is one in which charging and discharging using such a reversible cell are realized by one system. In this technique, the first tank for supplying raw water to the oxygen side of the reversible cell during the water electrolysis operation and the water accompanying the oxygen generated during the water electrolysis operation are separated into gas and liquid by the first tank. After that, the flow path leading to the atmospheric system exhausted out of the system system via the air layer portion of the first tank and the hydrogen generated in the reversible cell during the water electrolysis operation are the water accompanying the hydrogen. A hydrogen storage unit that stores the gas through a second tank that separates gas and liquid, and a pipe that connects the gas layer of the first tank and the second tank.

特開2010−153218号公報JP 2010-153218 A

この種の充放電システムでは、貯蔵する純水素と純酸素の圧力が高いほど容積当たりのガス貯蔵量が増加するため、体積エネルギー密度が向上する。そのため、水電解の運転圧力は通常1MPa(abs)以上となる。それに対して燃料電池の運転圧力は、システムや制御の簡素化、性能安定化等の観点から通常は0.1MPa(abs)近傍となる。そのため、充電運転から放電運転に切り替える際、1MPa(abs)近傍となっている系内圧力を、0.1MPa(abs)まで減圧する必要がある。   In this type of charge / discharge system, the volume of gas stored per volume increases as the pressure of pure hydrogen and pure oxygen stored increases, so that the volumetric energy density improves. Therefore, the operating pressure for water electrolysis is usually 1 MPa (abs) or more. On the other hand, the operating pressure of the fuel cell is usually in the vicinity of 0.1 MPa (abs) from the viewpoints of simplification of the system and control, performance stabilization, and the like. For this reason, when switching from the charge operation to the discharge operation, it is necessary to reduce the internal pressure in the vicinity of 1 MPa (abs) to 0.1 MPa (abs).

この点、特許文献1に記載の技術は、充電運転から放電運転に切り替える際、系内のガス(純水素と純酸素)を系外に全て排気するため、結果として、電気分解時に必要な水を系外に捨てることになる。とりわけ、第1のタンクは気液分離機能を担っているため、タンクの気層部にあった酸素まで全て系外に排出される。かかる場合、外部から常時水を補給できる環境であれば、適宜水を補給することで繰り返し充放電が行えるが、1度水を補給して暫く充放電を繰返したい場合や、常時の水補給が困難な場合には、充放電を開始する前に、満充電にするために必要な最低限の水量に加え、運転切替時に排気される系内の純水素と純酸素分の水量を、充放電回数分(以降、「予備水」という)多く、システム内に保有しておく必要がある。しかしながらそうなると、予備水用のタンクを増設するなどして、結果的に設備の肥大化を招来する。また、電気分解により発生させた高圧ガスを排気するということは、それ自体が充電ロスである。   In this regard, the technique described in Patent Document 1 exhausts all the gas in the system (pure hydrogen and pure oxygen) out of the system when switching from the charge operation to the discharge operation. Will be thrown out of the system. In particular, since the first tank has a gas-liquid separation function, all the oxygen in the gas layer of the tank is discharged out of the system. In such a case, in an environment where water can be constantly replenished from outside, charging and discharging can be repeated by replenishing water appropriately. However, when water is replenished once and charging / discharging is desired for some time, If it is difficult, charge and discharge the amount of pure hydrogen and pure oxygen in the system exhausted at the time of switching operation in addition to the minimum amount of water required to fully charge before starting charging and discharging. Many times (hereinafter referred to as “reserve water”) must be retained in the system. However, if this happens, an extra tank will be added, resulting in an increase in equipment size. Moreover, exhausting the high-pressure gas generated by electrolysis itself is a charging loss.

このようなことから、可逆セルを用いた充放電システムにおいては、充電運転から放電運転に切り替える際、系外に排気する純水素と純酸素の量を低減させることが望まれていた。   For this reason, in a charge / discharge system using a reversible cell, it has been desired to reduce the amount of pure hydrogen and pure oxygen exhausted outside the system when switching from charge operation to discharge operation.

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、可逆セルをはじめとして、固体高分子形の水電解装置と燃料電池とを備えるセルスタックを用いた充放電システムにおいて、充電運転から放電運転へ切替える際に、系外に排気するガスの量を極力減少させることを目的としている。   The present invention has been made in view of the above points, and in a charge / discharge system using a cell stack including a solid polymer water electrolysis device and a fuel cell, including a reversible cell, from a charge operation to a discharge operation. The purpose is to reduce the amount of gas exhausted outside the system as much as possible.

前記目的を達成するため、本発明は、固体高分子形の水電解装置と燃料電池とを備えるセルスタックを用いた充放電システムであって、前記セルスタックは、水電解運転時の原料水入口と、酸素及び原料水出口と、水電解運転時の水素出口と、燃料電池運転時の水素入口の4つのポートを有し、前記酸素及び原料水出口は、燃料電池運転時の酸素入口となる機能を有している。
そしてこの充放電システムは、さらに水電解運転時に前記原料水入口から酸素側に原料水を供給する第1のタンクと、水電解運転時に発生して前記原料水出口から流出する酸素及び当該酸素に随伴している水を気液分離する第1の気液分離タンクと、前記第1の気液分離タンクで分離された水を、前記第1のタンクに送る第1の配管と、前記第1の気液分離タンクで分離された酸素を、酸素貯蔵部に供給する貯蔵部向け酸素供給路と、水電解運転時に発生して水素出口から流出する水素及び当該水素に随伴している水を気液分離する第2の気液分離タンクと、前記第2の気液分離タンクで分離された水を、第2のタンクに送る第2の配管と、前記第2の気液分離タンクで分離された水素を、水素貯蔵部に供給する貯蔵部向け水素供給路と、前記酸素貯蔵部からの酸素を前記酸素入口に供給するセルスタック向け酸素供給路と、前記水素貯蔵部からの水素を前記水素入口に供給するセルスタック向け水素供給路と、を有し、さらに前記第1の配管を閉鎖可能な第1の弁と、前記第2の配管を閉鎖可能な第2の弁と、前記第1のタンクと前記セルスタックの水電解運転時の原料水入口とを結ぶ流路を閉鎖可能な第3の弁と、を有し、水電解運転から燃料電池運転に切り替える際に、前記第1の弁、第2の弁及び第3の弁を操作して、前記第1の配管、第2の配管及び前記第1のタンクとセルスタックの原料水入口の間の流路を閉鎖するようにしたことを特徴としている。
In order to achieve the above object, the present invention provides a charge / discharge system using a cell stack comprising a solid polymer water electrolyzer and a fuel cell, wherein the cell stack is a raw material water inlet during water electrolysis operation. And oxygen and raw water outlet, a hydrogen outlet during water electrolysis operation, and a hydrogen inlet during fuel cell operation, and the oxygen and raw water outlet serves as an oxygen inlet during fuel cell operation. It has a function.
The charge / discharge system further includes a first tank for supplying raw water from the raw water inlet to the oxygen side during water electrolysis operation, oxygen flowing out from the raw water outlet generated during the water electrolysis operation, and the oxygen A first gas-liquid separation tank for gas-liquid separation of accompanying water, a first pipe for sending water separated in the first gas-liquid separation tank to the first tank, and the first The oxygen separated from the gas-liquid separation tank is supplied to the oxygen storage passage for supplying oxygen to the oxygen storage portion, and the hydrogen generated during the water electrolysis operation and flowing out from the hydrogen outlet and the water accompanying the hydrogen are gasified. A second gas-liquid separation tank for liquid separation, a second pipe for sending water separated in the second gas-liquid separation tank to the second tank, and the second gas-liquid separation tank are separated. A hydrogen supply path for the storage unit for supplying the hydrogen to the hydrogen storage unit, A cell stack oxygen supply path for supplying oxygen from an oxygen storage section to the oxygen inlet, and a cell stack hydrogen supply path for supplying hydrogen from the hydrogen storage section to the hydrogen inlet, and A first valve capable of closing one pipe, a second valve capable of closing the second pipe, and a flow connecting the first tank and a raw water inlet during water electrolysis operation of the cell stack. road possess a third valve closable and a, when switching the operation of the fuel cell from the water electrolysis operation, the first valve, by operating the second valve and the third valve, the first The pipe, the second pipe, and the flow path between the first tank and the raw water inlet of the cell stack are closed.

本発明によれば、基本的には従来の原料水貯蔵タンクに気液分離機能を担わせず、別途専用の第1、第2の気液分離タンクを設けたので、充電運転から放電運転に切り替える際に、第1の配管、第2の配管を閉鎖し、第1のタンクとセルスタックの原料水入口の間の流路を閉鎖することで、第1のタンクと第2のタンクは、直接セルスタックとは閉鎖されるので、第1のタンクと第2のタンクの気層部にある酸素、水素は系外に排出されない。したがって、従来のように原料水タンクの気層部のガスを排気する必要はない。   According to the present invention, the conventional raw water storage tank basically does not have the gas-liquid separation function, and the first and second dedicated gas-liquid separation tanks are provided separately. When switching, the first and second tanks are closed, and the first tank and the second tank are closed by closing the flow path between the first tank and the raw water inlet of the cell stack. Since the direct cell stack is closed, oxygen and hydrogen in the gas layer portions of the first tank and the second tank are not discharged out of the system. Therefore, it is not necessary to exhaust the gas in the gas layer portion of the raw water tank as in the prior art.

別な観点によれば、本発明の充放電システムは、水電解運転時に前記原料水入口から酸素側に原料水を供給する第1のタンクと、水電解運転時に発生して前記原料水出口から流出する酸素及び当該酸素に随伴している水を気液分離する第1の気液分離タンクと、前記第1の気液分離タンクで分離された水を、前記第1のタンクに送る第1の配管と、前記第1の気液分離タンクで分離された酸素を、酸素貯蔵部に供給する貯蔵部向け酸素供給路と、水電解運転時に発生して水素出口から流出する水素及び当該水素に随伴している水を気液分離する第2の気液分離タンクと、前記第2の気液分離タンクで分離された水を、第2のタンクに送る第2の配管と、前記第2の気液分離タンクで分離された水素を、水素貯蔵部に供給する貯蔵部向け水素供給路と、前記酸素貯蔵部からの酸素を前記酸素入口に供給するセルスタック向け酸素供給路と、前記水素貯蔵部からの水素を前記水素入口に供給するセルスタック向け水素供給路と、を有し、前記第1のタンクと前記セルスタック向け酸素供給路との間に補助酸素供給路を設け、前記第2のタンクと前記セルスタック向け水素供給路との間に補助水素供給路を設け、たことを特徴としている。これによって、第1、第2のタンクの気層部にあったガスを、放電運転の際の原料ガスに使用することが容易である。 According to another aspect, the charge / discharge system of the present invention includes a first tank that supplies raw water to the oxygen side from the raw water inlet during water electrolysis operation, and the raw water outlet that is generated during the water electrolysis operation. A first gas-liquid separation tank that gas-liquid separates outflowing oxygen and water accompanying the oxygen, and a first gas that sends the water separated in the first gas-liquid separation tank to the first tank Piping, an oxygen supply path for the storage unit that supplies oxygen separated in the first gas-liquid separation tank to the oxygen storage unit, hydrogen generated during water electrolysis operation and flowing out from the hydrogen outlet, and the hydrogen A second gas-liquid separation tank for gas-liquid separation of accompanying water, a second pipe for sending water separated in the second gas-liquid separation tank to the second tank, and the second Hydrogen supplied to the storage unit that supplies the hydrogen separated in the gas-liquid separation tank to the hydrogen storage unit A cell stack oxygen supply path for supplying oxygen from the oxygen storage section to the oxygen inlet, and a cell stack hydrogen supply path for supplying hydrogen from the hydrogen storage section to the hydrogen inlet. An auxiliary oxygen supply path is provided between the first tank and the oxygen supply path for the cell stack, and an auxiliary hydrogen supply path is provided between the second tank and the hydrogen supply path for the cell stack. It is characterized by that. Thereby, it is easy to use the gas in the gas layer portion of the first and second tanks as the raw material gas in the discharge operation.

かかる場合、前記セルスタック向け酸素供給路は、酸素貯蔵部に直接接続された酸素流入部と、当該酸素流入部に続く酸素供給路本体とによって構成され、前記セルスタック向け水素供給路は、水素貯蔵部に直接接続された水素流入部と、当該水素流入部に続く水素供給路本体とによって構成され、前記補助酸素供給路に第1の減圧弁を設け、前記酸素流入部に第2の減圧弁を設け、前記補助水素供給路に第3の減圧弁を設け、前記水素流入部に第4の減圧弁を設け、前記第1の減圧弁の二次側設定圧力は、前記第2の減圧弁の二次側設定圧力よりも高く設定され、前記第3の減圧弁の二次側設定圧力は、前記第4の減圧弁の二次側設定圧力よりも高く設定されていてもよい。   In such a case, the oxygen supply passage for the cell stack is configured by an oxygen inflow portion directly connected to the oxygen storage portion and an oxygen supply passage main body following the oxygen inflow portion, and the hydrogen supply passage for the cell stack A hydrogen inflow part directly connected to the storage part and a hydrogen supply path main body following the hydrogen inflow part are provided, a first pressure reducing valve is provided in the auxiliary oxygen supply path, and a second pressure reduction valve is provided in the oxygen inflow part. A valve is provided, a third pressure reducing valve is provided in the auxiliary hydrogen supply passage, a fourth pressure reducing valve is provided in the hydrogen inflow portion, and a secondary side set pressure of the first pressure reducing valve is the second pressure reducing valve. The secondary side set pressure may be set higher than the secondary side set pressure of the valve, and the secondary side set pressure of the third pressure reducing valve may be set higher than the secondary side set pressure of the fourth pressure reducing valve.

これによって、放電初期において、当初は、第1のタンク、第2のタンクの気層部にあったガスをまず最初に使用し、次いで酸素貯蔵部、水素貯蔵部にあるガスを使用することができる。   As a result, in the initial stage of discharge, the gas originally in the gas layer part of the first tank and the second tank is used first, and then the gas in the oxygen storage part and the hydrogen storage part is used. it can.

前記セルスタックは、水電解装置と燃料電池とが一体となった可逆セルを有するものであってもよい。   The cell stack may include a reversible cell in which a water electrolysis device and a fuel cell are integrated.

本発明によれば、充電運転から放電運転に切り替える際に、従来のように原料水タンクなどの気層部のガスを排気する必要はなく、系外に排気するガスの量を減少させることが可能である。   According to the present invention, when switching from the charging operation to the discharging operation, it is not necessary to exhaust the gas in the gas layer portion such as the raw water tank as in the prior art, and the amount of gas exhausted outside the system can be reduced. Is possible.

実施の形態にかかる充放電システムの構成の概略を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the outline of a structure of the charging / discharging system concerning embodiment. 図1の充放電システムで使用した可逆セルの平面断面を模式的に示した説明図である。It is explanatory drawing which showed typically the plane cross section of the reversible cell used with the charging / discharging system of FIG. 図1の充放電システムにおける燃料電池運転時の概略を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the outline at the time of the fuel cell driving | operation in the charging / discharging system of FIG. 図1の充放電システムと従来システムの蓄電容量に対する充放電可能回数を示したグラフである。It is the graph which showed the chargeable / dischargeable frequency | count with respect to the electrical storage capacity of the charging / discharging system of FIG. 1, and a conventional system.

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充放電システム1の構成の概略を示しており、この充放電システム1においては、図2に示した構成を有する可逆セル10を複数枚、例えば数十〜数百枚程度を積層したセルスッタ2を有している。   Referring to the embodiment of the present invention, FIG. 1 schematically shows the configuration of a charge / discharge system 1 according to the embodiment. In the charge / discharge system 1, the reversible cell 10 having the configuration shown in FIG. A cell sutter 2 in which a plurality of, for example, several tens to several hundreds are stacked.

図2は、可逆セル10の内部(平面断面)を模式的に示しており、この可逆セル10においては、電極触媒層が両面に形成された固体高分子電解質膜11の両面に、酸素側集電体12と水素側集電体13が配置されている。そして酸素側集電体12の外側には、反応流体を流通させる流路14を形成するセパレータ15が配置され、水素側集電体13の外側には、反応流体を流通させる流路16を形成するセパレータ17が配置されている。   FIG. 2 schematically shows the inside (planar cross-section) of the reversible cell 10. In this reversible cell 10, oxygen-side collection is provided on both sides of the solid polymer electrolyte membrane 11 having electrode catalyst layers formed on both sides. An electric body 12 and a hydrogen side current collector 13 are disposed. A separator 15 is formed outside the oxygen-side current collector 12 to form a flow path 14 through which the reaction fluid flows, and a flow path 16 through which the reaction fluid flows is formed outside the hydrogen-side current collector 13. A separator 17 is disposed.

図1に示したように、前記した充放電システム1のセルスタック2の水電解運転時の原料水入口(酸素出口を兼ねている)aに対しては、タンク21から水(純水)が供給されて、水電解運転がなされる。すなわち、タンク21からの水は、タンク21に接続された配管22、セルスタック2に通ずる配管23を介して、配管22に設けられたポンプ24によって、セルスタック2の酸素側の一方原料水入口aに対して供給可能である。配管22には、電磁弁V1が設けられている。   As shown in FIG. 1, water (pure water) is supplied from the tank 21 to the raw material water inlet (also serving as the oxygen outlet) a during the water electrolysis operation of the cell stack 2 of the charge / discharge system 1 described above. The water electrolysis operation is performed after being supplied. That is, water from the tank 21 is supplied to the one raw material water inlet on the oxygen side of the cell stack 2 by a pump 24 provided in the pipe 22 through a pipe 22 connected to the tank 21 and a pipe 23 connected to the cell stack 2. a can be supplied. The piping 22 is provided with an electromagnetic valve V1.

セルスタック2の水電解運転時の酸素出口(原料水出口を兼ね、燃料電池運転時は酸素入口となる)bには、配管31の一端部が接続されており、配管31の他端部には、配管32の一端部と配管33の一端部が接続されている。配管33の他端部と、前記配管23の他端部は、電磁三方弁V2によって、酸素側の気液分離タンク41に通ずる配管42と接続されている。 One end of a pipe 31 is connected to an oxygen outlet (which also serves as a raw material water outlet and serves as an oxygen inlet during fuel cell operation) b during water electrolysis operation of the cell stack 2. Is connected to one end of the pipe 32 and one end of the pipe 33. The other end of the pipe 33 and the other end of the pipe 23 are connected to a pipe 42 communicating with the gas-liquid separation tank 41 on the oxygen side by an electromagnetic three-way valve V2.

配管32の他端部には、電磁弁V3が設けられ、配管32における配管33との接続点よりも電磁弁V3側寄りには、電磁弁V4が設けられている。配管32における電磁弁V3と電磁弁V4との間には、ガスポンプ35が設けられている。ガスポンプ35の代わりにエジェクターを使用してもよい。   An electromagnetic valve V3 is provided at the other end of the pipe 32, and an electromagnetic valve V4 is provided closer to the electromagnetic valve V3 side than a connection point between the pipe 32 and the pipe 33. A gas pump 35 is provided between the solenoid valve V3 and the solenoid valve V4 in the pipe 32. An ejector may be used instead of the gas pump 35.

気液分離タンク41の底部と、タンク21との間には、配管43が接続されており、この配管43には、電磁弁V5が設けられている。気液分離タンク41の上部には、配管32と接続される配管44が接続され、さらに配管32における配管44との接続部には、酸素貯蔵タンクOTに通ずる配管45が接続されている。配管45には、背圧弁B1が設けられている。配管44、45とによって、本発明の酸素供給路が構成される。   A pipe 43 is connected between the bottom of the gas-liquid separation tank 41 and the tank 21, and an electromagnetic valve V <b> 5 is provided in the pipe 43. A pipe 44 connected to the pipe 32 is connected to the upper part of the gas-liquid separation tank 41, and a pipe 45 leading to the oxygen storage tank OT is connected to a connection portion of the pipe 32 with the pipe 44. The piping 45 is provided with a back pressure valve B1. The oxygen supply path of the present invention is constituted by the pipes 44 and 45.

またタンク21の上部には、配管32と接続される配管46が接続され、さらに配管32における配管46との接続部には、酸素貯蔵タンクOTに通ずる配管47が接続されている。配管46、47は、各々減圧弁R1、R2が設けられている。配管47は、本発明の酸素流入部を構成し、配管31は本発明の酸素供給路本体を構成し、配管47、31とで本発明のセルスタック向け酸素供給路が構成される。   A pipe 46 connected to the pipe 32 is connected to the upper portion of the tank 21, and a pipe 47 leading to the oxygen storage tank OT is connected to a connection portion of the pipe 32 with the pipe 46. The pipes 46 and 47 are respectively provided with pressure reducing valves R1 and R2. The pipe 47 constitutes the oxygen inflow portion of the present invention, the pipe 31 constitutes the oxygen supply path main body of the present invention, and the pipes 47 and 31 constitute the oxygen supply path for the cell stack of the present invention.

一方、セルスタック2の水素出口cには、配管61の一端部が接続されており、配管61の他端部は、気液分離タンク62の上部に接続されている。気液分離タンク62の下部には、タンク71に通ずる配管64が接続されている。配管64には、電磁弁V6が設けられている。   On the other hand, one end of a pipe 61 is connected to the hydrogen outlet c of the cell stack 2, and the other end of the pipe 61 is connected to the upper part of the gas-liquid separation tank 62. A pipe 64 communicating with the tank 71 is connected to the lower part of the gas-liquid separation tank 62. The pipe 64 is provided with an electromagnetic valve V6.

セルスタック2の水素入口dには、配管81の一端部が接続され、配管81の他端部には電磁弁V7が設けられている。配管81には、さらに途中部分にガスポンプ82、電磁弁V8が設けられている。ガスポンプ82の代わりにエジェクターを使用してもよい。   One end of a pipe 81 is connected to the hydrogen inlet d of the cell stack 2, and an electromagnetic valve V7 is provided at the other end of the pipe 81. The pipe 81 is further provided with a gas pump 82 and a solenoid valve V8 in the middle. An ejector may be used instead of the gas pump 82.

気液分離タンク62の上部には、配管81と接続される配管65が接続され、さらに配管81における配管65との接続部には、水素貯蔵タンクHTに通ずる配管66が接続されている。配管66には、背圧弁B2が設けられている。配管65、66とによって、本発明の水素供給路が構成される。   A pipe 65 connected to the pipe 81 is connected to the upper part of the gas-liquid separation tank 62, and a pipe 66 communicating with the hydrogen storage tank HT is connected to a connection portion of the pipe 81 with the pipe 65. The piping 66 is provided with a back pressure valve B2. The pipes 65 and 66 constitute the hydrogen supply path of the present invention.

またタンク71の上部には、配管81と接続される配管72が接続され、さらに配管81における配管72との接続部には、水素貯蔵タンクHTに通ずる配管73が接続されている。配管72、73は、各々減圧弁R3、R4が設けられている。配管73は、本発明の水素流入部を構成し、配管81は本発明の水素供給路本体を構成し、配管73、81とで本発明のセルスタック向け水素供給路が構成される。   A pipe 72 connected to the pipe 81 is connected to the upper part of the tank 71, and a pipe 73 connected to the hydrogen storage tank HT is connected to a connection portion of the pipe 81 with the pipe 72. The pipes 72 and 73 are provided with pressure reducing valves R3 and R4, respectively. The pipe 73 constitutes the hydrogen inflow portion of the present invention, the pipe 81 constitutes the hydrogen supply path main body of the present invention, and the pipes 73 and 81 constitute the hydrogen supply path for the cell stack of the present invention.

セルスタック2には、冷却用の冷却水を循環させる配管51が接続され、熱交換器(図示せず)にて熱交換された冷却水が、ポンプ52の駆動により、セルスタック2内を循環し、各可逆セル10を冷却するようになっている。   A pipe 51 for circulating cooling water for cooling is connected to the cell stack 2, and the cooling water heat-exchanged by a heat exchanger (not shown) circulates in the cell stack 2 by driving a pump 52. And each reversible cell 10 is cooled.

また本実施の形態にかかる充放電システム1においては、タンクや配管内の圧力は、適宜圧力計によって計測され、計測結果は制御装置(図示せず)に出力され、それに基づいてシステムの制御が行なわれている。具体的には、配管31内の圧力が圧力計P1によって、酸素貯蔵タンクOT内の圧力が圧力計P2によって、配管81内の圧力が圧力計P3によって、水素貯蔵タンクHT内の圧力が圧力計P4によって、各々計測されている。   Further, in the charge / discharge system 1 according to the present embodiment, the pressure in the tank and the piping is appropriately measured by a pressure gauge, and the measurement result is output to a control device (not shown), and the system is controlled based on the measurement result. It is done. Specifically, the pressure in the piping 31 is measured by the pressure gauge P1, the pressure in the oxygen storage tank OT is measured by the pressure gauge P2, the pressure in the piping 81 is measured by the pressure gauge P3, and the pressure in the hydrogen storage tank HT is measured by the pressure gauge. Each is measured by P4.

また水の電気分解に必要な電力は、電源装置(図示せず)によって、セルスタック2の各可逆セル10に供給されるようになっている。   Moreover, the electric power required for the electrolysis of water is supplied to each reversible cell 10 of the cell stack 2 by a power supply device (not shown).

実施の形態にかかる充放電システム1の主要な構成は以上の通りであり、次にその運転例について説明する。   The main configuration of the charge / discharge system 1 according to the embodiment is as described above. Next, an example of the operation will be described.

水電解運転開始時は、電磁弁V1、V5、V6を開放させ、電磁三方弁V2を配管33、42との開通状態とし、電磁弁V3、V4、V7、V8を閉鎖する。この状態からポンプ24を起動する。そうするとタンク21に貯蔵された水(純水)は、配管22、23を通じてセルスタック2の各可逆セル10に供給される。なおかかる場合、電解水の水質維持のために、イオン交換樹脂等を設置したバイパス(図示せず)を配管22とタンク21との間に設け、配管22の水の一部を当該バイパスを通じて、タンク21に戻すようにしてもよい。なお水電解運転開始時の流体の流れは、図1において、各配管上を太線、並びに矢印で表示している。   At the start of the water electrolysis operation, the electromagnetic valves V1, V5, V6 are opened, the electromagnetic three-way valve V2 is opened with the pipes 33, 42, and the electromagnetic valves V3, V4, V7, V8 are closed. The pump 24 is started from this state. Then, the water (pure water) stored in the tank 21 is supplied to each reversible cell 10 of the cell stack 2 through the pipes 22 and 23. In such a case, in order to maintain the quality of the electrolyzed water, a bypass (not shown) provided with an ion exchange resin or the like is provided between the pipe 22 and the tank 21, and a part of the water in the pipe 22 is passed through the bypass. You may make it return to the tank 21. FIG. The fluid flow at the start of the water electrolysis operation is indicated by a thick line and an arrow on each pipe in FIG.

そしてセルスタック2の各可逆セル10に、電源装置(図示せず)から電力を供給すれば、その出力に応じた水が、各可逆セル10において水素イオン、酸素イオンに各々電気分解される。そのうち酸素イオンは触媒上で酸素分子となり、循環水(電解されなかった水)と共に配管31を通じてセル外に排出される。一方、水素イオンは随伴水を伴って水素側に移動し、水素側触媒上で水素分子となって、配管61を通じてセル外に排出される。   If power is supplied to each reversible cell 10 of the cell stack 2 from a power supply device (not shown), water corresponding to the output is electrolyzed into hydrogen ions and oxygen ions in each reversible cell 10. Among them, oxygen ions become oxygen molecules on the catalyst and are discharged out of the cell through the piping 31 together with circulating water (water that has not been electrolyzed). On the other hand, hydrogen ions move to the hydrogen side with accompanying water, become hydrogen molecules on the hydrogen side catalyst, and are discharged out of the cell through the pipe 61.

排出された純酸素は、配管31、33、42を通じて気液分離タンク41へと送られ、そこで気液分離が行なわれる。気液分離された後の水は、配管43を通じてタンク21へ戻される。また気液分離された後の純酸素は、配管44、45から背圧弁B1を介して、酸素貯蔵タンクOTへと供給、貯蔵される。なお気液分離タンク41、並びに後述の気液分離タンク62は、いずれもデミスタなどを用いて積極的に気液を分離する機能を有するものが採用されており、本実施の形態では、タンク内の上部に、金属フィルタを積層したデミスタを採用している。   The discharged pure oxygen is sent to the gas-liquid separation tank 41 through the pipes 31, 33, 42, where gas-liquid separation is performed. The water after the gas-liquid separation is returned to the tank 21 through the pipe 43. The pure oxygen after the gas-liquid separation is supplied and stored from the pipes 44 and 45 to the oxygen storage tank OT via the back pressure valve B1. Both the gas-liquid separation tank 41 and the later-described gas-liquid separation tank 62 have a function of actively separating the gas and liquid using a demister or the like. A demister in which a metal filter is laminated is adopted at the top of the plate.

排出された純水素は、随伴水と共に61を通じて気液分離タンク62へと送られ、そこで気液分離が行なわれる。気液分離された後の水は、配管64を通じてタンク71へ送られる。また気液分離された後の純素は、配管65、66から背圧弁B2を介して、水素貯蔵タンクHTへと供給、貯蔵される。
The discharged pure hydrogen is sent to the gas-liquid separation tank 62 through 61 along with the accompanying water, where gas-liquid separation is performed. The water after the gas-liquid separation is sent to the tank 71 through the pipe 64. Pure hydrogen after separated into gas and liquid may also, from the pipe 65, 66 through the back pressure valve B2, supplied to the hydrogen storage tank HT, it is stored.

このような充電運転(電気分解)によりタンク21の水位は減少し、タンク71の水位は上昇するが、公知の方法(たとえば、両タンク間に連通管を配管する)を用いて両タンクの水位を常時適正レベルに保持する。そして、酸素貯蔵タンクOT、水素貯蔵タンクHTの圧力が所定の充電終了圧力(=満充電状態)に到達したら、電源装置(図示せず)の電源をOFFにし、ポンプ24を停止してから、電磁弁V1、V2、V5、V6を閉鎖する。このとき、タンク21内にあった水は、電気分解されているので、当初の水位よりも低下しており、その分気層部の容積は増加している。この気層部には、酸素が充満している。また一方、タンク71内の気層部には、水素が充満している。   Although the water level of the tank 21 decreases and the water level of the tank 71 increases due to such charging operation (electrolysis), the water level of both tanks is known using a known method (for example, connecting a communication pipe between both tanks). Is always kept at an appropriate level. Then, when the pressure of the oxygen storage tank OT and the hydrogen storage tank HT reaches a predetermined charge end pressure (= full charge state), the power supply device (not shown) is turned off and the pump 24 is stopped. The solenoid valves V1, V2, V5, V6 are closed. At this time, since the water in the tank 21 is electrolyzed, the water level is lower than the initial water level, and the volume of the gas layer portion is increased accordingly. This gas layer is filled with oxygen. On the other hand, the gas layer in the tank 71 is filled with hydrogen.

次に、かかる状態から、放電運転(燃料電池運転)を行なう際のフローについて説明する。まず、充電運転から放電運転に切り替える際には、既述したように、可逆セル10の両側、すなわち酸素側、水素側の系内を0.1MPa(abs)近傍まで減圧する必要がある。そのため、まず上記停止状態(全ての電磁弁V1〜V8が閉鎖状態)から、まず電磁弁V3、V7を開放して、両側の系内を0.1MPa(abs)近傍まで減圧する。かかる場合、タンク21、71の気層部にあるガスは、系外に排出されない。   Next, a flow when performing a discharge operation (fuel cell operation) from this state will be described. First, when switching from the charge operation to the discharge operation, as described above, it is necessary to depressurize both sides of the reversible cell 10, that is, the oxygen side and the hydrogen side system to near 0.1 MPa (abs). For this reason, first, from the stopped state (all the solenoid valves V1 to V8 are closed), the solenoid valves V3 and V7 are first opened to reduce the pressure in the system on both sides to near 0.1 MPa (abs). In such a case, the gas in the gas layer portion of the tanks 21 and 71 is not discharged out of the system.

そしてそのようにして所定の圧力に達し、また可逆セル10の乾燥が終了した後、燃料電池運転に切替える。なお、水電解運転から燃料電池運転に運転を切替える際の乾燥方法については公知の方法を用いることができ、例えば系内を乾燥したガスや昇温したガスを供給すること等によって実現できる。   Then, after reaching a predetermined pressure in this way and drying of the reversible cell 10 is completed, the operation is switched to the fuel cell operation. In addition, a well-known method can be used about the drying method at the time of switching an operation | movement from a water electrolysis operation to a fuel cell operation, For example, it can implement | achieve by supplying the gas which dried the system inside, or heated up.

燃料電池運転開始時は、電磁弁V4、V8を開放させ、電磁三方弁V2を配管23、42の開通状態とし、電磁弁V1、V3、V5、V6、V7を閉鎖し、次いでガスポンプ35、82を起動する。放電運転(燃料電池運転)時の流体の流れは、図3において、各配管上を太線、並びに矢印で表示している。   At the start of fuel cell operation, the solenoid valves V4 and V8 are opened, the solenoid three-way valve V2 is opened, the solenoid valves V1, V3, V5, V6 and V7 are closed, and then the gas pumps 35 and 82 are opened. Start up. The fluid flow during the discharge operation (fuel cell operation) is indicated by thick lines and arrows on each pipe in FIG.

この状態でセルスタック2に電力負荷を接続すれば、その負荷に応じて放電し、セルスタック2において放電電流に応じた純水素と純酸素が消費される。   If a power load is connected to the cell stack 2 in this state, discharging is performed according to the load, and pure hydrogen and pure oxygen corresponding to the discharge current are consumed in the cell stack 2.

ここでセルスタック2の各可逆セル10で消費されなかった純酸素と発生した生成水は、配管23、42を通じて、気液分離タンク41に送られる。そして気液分離タンク41で気液分離された後、純酸素は配管44、32を通じてガスポンプ35によって、配管31から、再度、セルスタック2の各可逆セル10に供給される。気液分離された水は一時的に気液分離タンク41に貯蔵される。   Here, pure oxygen that has not been consumed in each reversible cell 10 of the cell stack 2 and generated water are sent to the gas-liquid separation tank 41 through the pipes 23 and 42. After gas-liquid separation in the gas-liquid separation tank 41, pure oxygen is supplied again from the pipe 31 to the reversible cells 10 of the cell stack 2 by the gas pump 35 through the pipes 44 and 32. The gas-liquid separated water is temporarily stored in the gas-liquid separation tank 41.

水素側についても同様であり、セルスタック2の各可逆セル10で消費されなかった水素、生成水は、配管61を通じて気液分離タンク62に送られる。そして気液分離タンク62で気液分離された後、純水素は配管65、81を通じてガスポンプ82によって、配管81から、再度、セルスタック2の各可逆セル10に供給される。気液分離された水は一時的に気液分離タンク62に貯蔵される。   The same applies to the hydrogen side, and hydrogen and generated water that have not been consumed in each reversible cell 10 of the cell stack 2 are sent to the gas-liquid separation tank 62 through the pipe 61. After the gas-liquid separation in the gas-liquid separation tank 62, the pure hydrogen is supplied again from the piping 81 to the reversible cells 10 of the cell stack 2 by the gas pump 82 through the piping 65 and 81. The water subjected to the gas-liquid separation is temporarily stored in the gas-liquid separation tank 62.

ここで放電運転(燃料電池運転)時に、セルスタック2において消費された分の酸素は、タンク21の気層部、酸素貯蔵タンクOTから補給され、消費された分の水素は、タンク71の気層部、水素貯蔵タンクHTから補給される。本実施の形態では、まずタンク21、71の気層部のガスを先行して消費するように、酸素側に関しては、減圧弁R1の二次側圧力を減圧弁R2のそれよりも数kPa高く設定しておき、水素側に関しても同様に、減圧弁R3の二次側設定圧力を減圧弁R4のそれよりも数kPa高く設定しておく。こうすることで、系内の圧力が減圧弁R2、R4の二次側設定圧力よりも高い間は、タンク21、71に貯蔵された純酸素、純水素がセルスタック2に供給され、減圧弁R2、R4の設定圧力と同等になったら、酸素貯蔵タンクOT、水素貯蔵タンクHTに貯蔵された純酸素、純水素も供給される。   Here, during discharge operation (fuel cell operation), oxygen consumed in the cell stack 2 is replenished from the gas layer of the tank 21 and the oxygen storage tank OT. Replenished from the layer, hydrogen storage tank HT. In the present embodiment, first, the secondary side pressure of the pressure reducing valve R1 is several kPa higher than that of the pressure reducing valve R2 on the oxygen side so that the gas in the gas space of the tanks 21 and 71 is consumed first. Similarly, on the hydrogen side, similarly, the secondary side set pressure of the pressure reducing valve R3 is set several kPa higher than that of the pressure reducing valve R4. By doing so, pure oxygen and pure hydrogen stored in the tanks 21 and 71 are supplied to the cell stack 2 while the pressure in the system is higher than the secondary set pressure of the pressure reducing valves R2 and R4. When it becomes equal to the set pressure of R2 and R4, pure oxygen and pure hydrogen stored in the oxygen storage tank OT and hydrogen storage tank HT are also supplied.

そして圧力計P1、P3によって、系内圧力が減圧弁R2、R4の設定圧力になったことを確認したら、電磁弁V5、V6を開とし、気液分離タンク41,62に溜まった水を、各々タンク21、71に返水する。なお、電磁弁V5、V6は、それ以降燃料電池運転終了まで、開放状態のままでよいが、電力消費量低減のため間欠的に開放するように制御してもよい。   When the pressure gauges P1 and P3 confirm that the system pressure has reached the set pressure of the pressure reducing valves R2 and R4, the electromagnetic valves V5 and V6 are opened, and the water accumulated in the gas-liquid separation tanks 41 and 62 is Water is returned to the tanks 21 and 71, respectively. The solenoid valves V5 and V6 may remain open until the end of the fuel cell operation thereafter, but may be controlled to be intermittently opened to reduce power consumption.

このように本実施の形態によれば、従来では充電運転から放電運転に切り替える際に、減圧のために系外に全て排気していたタンク21、71の気層部の高圧ガスを、燃料電池運転時の酸化剤、燃料として利用できる。したがって、従来よりも無駄のないシステムとなっている。   As described above, according to the present embodiment, when switching from the charging operation to the discharging operation, the high-pressure gas in the gas layer portion of the tanks 21 and 71 that has been exhausted outside the system for decompression is conventionally used as the fuel cell. It can be used as an oxidant and fuel during operation. Therefore, the system is less wasteful than before.

以下に、実施の形態にかかる充放電システム1の具体的な効果について挙げると、まず、同一保有水、すなわちタンクに対する充放電回数が、従来システムに比べて数倍〜数十倍に向上できる。図4は、実施の形態にかかる充放電システム1と、従来システム(気液分離タンク41、62を具備せず、運転切り換え時に系内のガスを全て排出していたシステム)との、蓄電容量に対する充放電可能回数を比較したものである。蓄電容量とは、蓄電可能な電力の量である。また実施の形態の結果は、実線で示し、従来システムの結果は破線で示している。なお図4のグラフ中の左上に示した「〜倍」という割合は、満充電に必要な最小水量に対する保有水量の割合を表している。これによれば、蓄電容量の全域にわたり、また保有割合がいずれも場合でも、実施の形態にかかる充放電システム1は、従来システムよりも、数倍〜数十倍に向上している。   The specific effects of the charge / discharge system 1 according to the embodiment will be described below. First, the number of times of charge / discharge with respect to the same retained water, that is, the tank can be improved several times to several tens of times compared to the conventional system. FIG. 4 shows the storage capacity of the charge / discharge system 1 according to the embodiment and the conventional system (a system that does not include the gas-liquid separation tanks 41 and 62 and exhausts all the gas in the system when the operation is switched). Is a comparison of the number of times charge / discharge is possible. The storage capacity is the amount of power that can be stored. The results of the embodiment are indicated by solid lines, and the results of the conventional system are indicated by broken lines. In addition, the ratio of "-times" shown on the upper left in the graph of FIG. 4 represents the ratio of the retained water amount with respect to the minimum water amount required for full charge. According to this, the charge / discharge system 1 according to the embodiment is improved several times to several tens of times as compared with the conventional system regardless of the entire storage capacity and the holding ratio.

また前記したように、運転切り換え時に系外に排出するガスの量が従来よりも大幅に低減できるから、充電ロスが低減でき、また予備保有水も少なくて済む。したがって、水タンクを小型化でき、システム全体の質量、容積も低減できる。充電深度(=充電圧力)如何にかかわらず、充電運転から放電運転に切替える際に排気されるガスの量は、気液分離タンク41、62の量で一定のため、系内の予備保有水量をそれまでの充放電回数実績から算出でき、残りの充放電可能回数を正確に把握できる。さらに、排気ガス量自体が少ないため、排気ガスを回収して再利用(=排気レス充放電)するための容器を、従来システムよりもコンパクトにすることが可能である。   Further, as described above, the amount of gas discharged out of the system at the time of operation switching can be greatly reduced as compared with the prior art, so that charging loss can be reduced and less reserve water is required. Therefore, the water tank can be reduced in size, and the mass and volume of the entire system can be reduced. Regardless of the charging depth (= charging pressure), the amount of gas exhausted when switching from the charging operation to the discharging operation is constant in the amount of the gas-liquid separation tanks 41 and 62. It can be calculated from the actual number of times of charge / discharge, and the remaining number of charge / discharge can be accurately grasped. Furthermore, since the amount of exhaust gas itself is small, a container for collecting and reusing exhaust gas (= exhaustless charging / discharging) can be made more compact than the conventional system.

なお気液分離タンク41、62のサイズについては、タンク21、71に貯蔵されたガスが全て生成水になったとしても、タンク21、71から生成水がオーバーブローすることなく気液分離機能を果せるように、生成水貯蔵スペースを確保したサイズにしておけばよいため、タンク21、71の最大気層容積から容易に算出可能である。また、生成水は基本的には一旦、気液分離タンク41に溜まるため、気液分離タンク41、62間を配管で連通させて、気液分離タンク41、62の水層間で水移動させるようにしてもよい。   As for the sizes of the gas-liquid separation tanks 41 and 62, even if all the gas stored in the tanks 21 and 71 becomes the generated water, the gas-liquid separation function can be achieved without over-blowing the generated water from the tanks 21 and 71. Since the size of the generated water storage space may be secured so that it can be achieved, it can be easily calculated from the maximum air volume of the tanks 21 and 71. In addition, since the generated water basically accumulates once in the gas-liquid separation tank 41, the gas-liquid separation tanks 41, 62 are connected by piping so that the water moves between the water layers of the gas-liquid separation tanks 41, 62. It may be.

また、電磁弁V3、V7から系外に排気されるガスをアキュムレータで使用されるような分離膜容器等で回収し、再利用してもよい。そうすることで、排気をいっさい行わないシステムとなり、予備水自体が不要となる。   Further, the gas exhausted out of the system from the electromagnetic valves V3 and V7 may be collected in a separation membrane container or the like used in an accumulator and reused. By doing so, it becomes a system which does not exhaust at all, and reserve water itself becomes unnecessary.

なお、燃料電池運転時は、生成水のほとんどが酸素側に排出されるため、酸素側の気液分離タンク41から水素側の気液分離タンク62への水移動できるように、酸素側の系内圧力を水素側のそれよりも10kPa程度高くするようにしてもよい。   During the fuel cell operation, most of the generated water is discharged to the oxygen side, so that the oxygen side system can be moved so that water can be transferred from the oxygen side gas / liquid separation tank 41 to the hydrogen side gas / liquid separation tank 62. The internal pressure may be made about 10 kPa higher than that on the hydrogen side.

前記実施の形態で使用した弁は、制御性、応答性を考慮していずれも電磁弁を用いたが、もちろんこれに限らず各種の弁、バルブを用いることができる。   The valves used in the above embodiments are electromagnetic valves in consideration of controllability and responsiveness. However, the present invention is not limited to this, and various valves and valves can be used.

このように実施の形態にかかる充放電システム1によれば、これまで運転切り換え時に系外に排出していた純水素、純酸素の量を極力少なくすることが可能であり、排気する水の量が従来に比べて極めて少ないため、たとえば長期にわたり水インフラと断絶されたり、システムが要求するレベルの純水を得られないような環境下で充放電を行う用途に最適である。   As described above, according to the charge / discharge system 1 according to the embodiment, it is possible to reduce the amount of pure hydrogen and pure oxygen that have been discharged out of the system at the time of switching operation as much as possible, and the amount of water to be discharged. Therefore, it is optimal for applications where charging / discharging is performed in an environment where, for example, the water infrastructure is disconnected for a long period of time or pure water at a level required by the system cannot be obtained.

なお、蓄電容量が大きいほど、充電終了時の水タンクの気層容積は大きくなる。この点、従来システムでは切替時に排気する量が増加するが、実施の形態にかかるシステムであれば、水タンクの気層容積分のガスが全て水になった場合でも気液分離を行える程度の気液分離タンク容積分の排気だけですむため、蓄電容量の大きな用途に最適である。   Note that the larger the storage capacity, the larger the air volume of the water tank at the end of charging. In this regard, in the conventional system, the amount of exhausted gas at the time of switching increases, but with the system according to the embodiment, gas-liquid separation can be performed even when all the gas in the air volume of the water tank becomes water. Since only the gas-liquid separation tank volume needs to be exhausted, it is ideal for applications with large storage capacity.

なお、本発明は可逆セルを使用する充放電システムだけではなく、燃料電池セル、水電解セル(水素製造セル)など、各専用機を組み合わせて使用する充放電システムにも適用できる。   In addition, this invention is applicable not only to the charging / discharging system which uses a reversible cell but to the charging / discharging system which uses each combination machine, such as a fuel cell and a water electrolysis cell (hydrogen production cell).

本発明は、長期にわたり水インフラと断絶されたり、システムが要求するレベルの純水を得られないような環境下で充放電を行う用途に有用である。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is useful for applications in which charging / discharging is performed in an environment where the water infrastructure is disconnected for a long period of time or pure water at a level required by the system cannot be obtained.

1 充放電システム
2 セルスタック
10 可逆セル
11 固体高分子電解質膜
12 酸素側集電体
13 水素側集電体
14、16 流路
15、17 セパレータ
21、71 タンク
22、23、31、32、33、43〜47、51、61、64〜66、72、73、81 配管
24、52 ポンプ
35、82 ガスポンプ
41、62 気液分離タンク
B1、B2 背圧弁
R1〜R4 減圧弁
HT 水素貯蔵タンク
OT 酸素貯蔵タンク
P1〜P4 圧力計
V1、V3〜V8 電磁弁
V2 電磁三方弁
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Charging / discharging system 2 Cell stack 10 Reversible cell 11 Solid polymer electrolyte membrane 12 Oxygen side current collector 13 Hydrogen side current collector 14, 16 Flow path 15, 17 Separator 21, 71 Tank 22, 23, 31, 32, 33 43 to 47, 51, 61, 64 to 66, 72, 73, 81 Piping 24, 52 Pump 35, 82 Gas pump 41, 62 Gas-liquid separation tank B1, B2 Back pressure valve R1 to R4 Pressure reducing valve HT Hydrogen storage tank OT Oxygen Storage tank P1-P4 Pressure gauge V1, V3-V8 Solenoid valve V2 Solenoid three-way valve

Claims (4)

固体高分子形の水電解装置と燃料電池とを備えるセルスタックを用いた充放電システムであって、
前記セルスタックは、水電解運転時の原料水入口と、酸素及び原料水出口と、
水電解運転時の水素出口と、燃料電池運転時の水素入口の4つのポートを有し、
前記酸素及び原料水出口は、燃料電池運転時の酸素入口となる機能を有し、
さらに当該充放電システムは、
水電解運転時に前記原料水入口から酸素側に原料水を供給する第1のタンクと、
水電解運転時に発生して前記原料水出口から流出する酸素及び当該酸素に随伴している水を気液分離する第1の気液分離タンクと、
前記第1の気液分離タンクで分離された水を、前記第1のタンクに送る第1の配管と、前記第1の気液分離タンクで分離された酸素を、酸素貯蔵部に供給する貯蔵部向け酸素供給路と、
水電解運転時に発生して水素出口から流出する水素及び当該水素に随伴している水を気液分離する第2の気液分離タンクと、
前記第2の気液分離タンクで分離された水を、第2のタンクに送る第2の配管と、
前記第2の気液分離タンクで分離された水素を、水素貯蔵部に供給する貯蔵部向け水素供給路と、
前記酸素貯蔵部からの酸素を前記酸素入口に供給するセルスタック向け酸素供給路と、
前記水素貯蔵部からの水素を前記水素入口に供給するセルスタック向け水素供給路と、
前記第1の配管を閉鎖可能な第1の弁と、
前記第2の配管を閉鎖可能な第2の弁と、
前記第1のタンクと前記セルスタックの水電解運転時の原料水入口とを結ぶ流路を閉鎖可能な第3の弁と、
を有し、
水電解運転から燃料電池運転に切り替える際に、前記第1の弁、第2の弁及び第3の弁を操作して、前記第1の配管、第2の配管及び前記第1のタンクとセルスタックの原料水入口の間の流路を閉鎖するようにしたことを特徴とする、充放電システム。
A charge / discharge system using a cell stack comprising a solid polymer water electrolyzer and a fuel cell,
The cell stack includes a raw water inlet during water electrolysis operation, an oxygen and raw water outlet,
It has four ports: a hydrogen outlet during water electrolysis operation and a hydrogen inlet during fuel cell operation.
The oxygen and raw water outlet has a function as an oxygen inlet during fuel cell operation,
Furthermore, the charge / discharge system
A first tank for supplying raw water from the raw water inlet to the oxygen side during water electrolysis operation;
A first gas-liquid separation tank for gas-liquid separation of oxygen generated during water electrolysis operation and flowing out from the raw material water outlet and water accompanying the oxygen;
A first pipe for sending water separated in the first gas-liquid separation tank to the first tank, and a storage for supplying oxygen separated in the first gas-liquid separation tank to the oxygen storage unit Oxygen supply channel for the department,
A second gas-liquid separation tank for gas-liquid separation of hydrogen generated during water electrolysis operation and flowing out from the hydrogen outlet and water accompanying the hydrogen;
A second pipe for sending water separated in the second gas-liquid separation tank to the second tank;
A hydrogen supply path for the storage unit that supplies the hydrogen separated in the second gas-liquid separation tank to the hydrogen storage unit;
An oxygen supply path for a cell stack for supplying oxygen from the oxygen storage unit to the oxygen inlet;
A hydrogen supply path for a cell stack for supplying hydrogen from the hydrogen storage unit to the hydrogen inlet;
A first valve capable of closing the first pipe;
A second valve capable of closing the second pipe;
A third valve capable of closing a flow path connecting the first tank and the raw water inlet during water electrolysis operation of the cell stack;
I have a,
When switching from the water electrolysis operation to the fuel cell operation, the first valve, the second valve, and the third valve are operated to operate the first valve, the second valve, and the third valve. A charging / discharging system characterized in that a flow path between raw water inlets of a stack is closed .
固体高分子形の水電解装置と燃料電池とを備えるセルスタックを用いた充放電システムであって、
前記セルスタックは、水電解運転時の原料水入口と、酸素及び原料水出口と、
水電解運転時の水素出口と、燃料電池運転時の水素入口の4つのポートを有し、
前記酸素及び原料水出口は、燃料電池運転時の酸素入口となる機能を有し、
さらに当該充放電システムは、
水電解運転時に前記原料水入口から酸素側に原料水を供給する第1のタンクと、
水電解運転時に発生して前記原料水出口から流出する酸素及び当該酸素に随伴している水を気液分離する第1の気液分離タンクと、
前記第1の気液分離タンクで分離された水を、前記第1のタンクに送る第1の配管と、前記第1の気液分離タンクで分離された酸素を、酸素貯蔵部に供給する貯蔵部向け酸素供給路と、
水電解運転時に発生して水素出口から流出する水素及び当該水素に随伴している水を気液分離する第2の気液分離タンクと、
前記第2の気液分離タンクで分離された水を、第2のタンクに送る第2の配管と、
前記第2の気液分離タンクで分離された水素を、水素貯蔵部に供給する貯蔵部向け水素供給路と、
前記酸素貯蔵部からの酸素を前記酸素入口に供給するセルスタック向け酸素供給路と、
前記水素貯蔵部からの水素を前記水素入口に供給するセルスタック向け水素供給路と、を有し、
前記第1のタンクと前記セルスタック向け酸素供給路との間に補助酸素供給路を設け、
前記第2のタンクと前記セルスタック向け水素供給路との間に補助水素供給路を設け、
たことを特徴とする、充放電システム。
A charge / discharge system using a cell stack comprising a solid polymer water electrolyzer and a fuel cell,
The cell stack includes a raw water inlet during water electrolysis operation, an oxygen and raw water outlet,
It has four ports: a hydrogen outlet during water electrolysis operation and a hydrogen inlet during fuel cell operation.
The oxygen and raw water outlet has a function as an oxygen inlet during fuel cell operation,
Furthermore, the charge / discharge system
A first tank for supplying raw water from the raw water inlet to the oxygen side during water electrolysis operation;
A first gas-liquid separation tank for gas-liquid separation of oxygen generated during water electrolysis operation and flowing out from the raw material water outlet and water accompanying the oxygen;
A first pipe for sending water separated in the first gas-liquid separation tank to the first tank, and a storage for supplying oxygen separated in the first gas-liquid separation tank to the oxygen storage unit Oxygen supply channel for the department,
A second gas-liquid separation tank for gas-liquid separation of hydrogen generated during water electrolysis operation and flowing out from the hydrogen outlet and water accompanying the hydrogen;
A second pipe for sending water separated in the second gas-liquid separation tank to the second tank;
A hydrogen supply path for the storage unit that supplies the hydrogen separated in the second gas-liquid separation tank to the hydrogen storage unit;
An oxygen supply path for a cell stack for supplying oxygen from the oxygen storage unit to the oxygen inlet;
A hydrogen supply path for a cell stack that supplies hydrogen from the hydrogen storage unit to the hydrogen inlet,
An auxiliary oxygen supply path is provided between the first tank and the oxygen supply path for the cell stack,
An auxiliary hydrogen supply path is provided between the second tank and the hydrogen supply path for the cell stack,
A charge / discharge system characterized by that.
前記セルスタック向け酸素供給路は、酸素貯蔵部に直接接続された酸素流入部と、当該酸素流入部に続く酸素供給路本体とによって構成され、
前記セルスタック向け水素供給路は、水素貯蔵部に直接接続された水素流入部と、当該水素流入部に続く水素供給路本体とによって構成され、
前記補助酸素供給路に第1の減圧弁を設け、
前記酸素流入部に第2の減圧弁を設け、
前記補助水素供給路に第3の減圧弁を設け、
前記水素流入部に第4の減圧弁を設け、
前記第1の減圧弁の二次側設定圧力は、前記第2の減圧弁の二次側設定圧力よりも高く設定され、
前記第3の減圧弁の二次側設定圧力は、前記第4の減圧弁の二次側設定圧力よりも高く設定され、
ていることを特徴とする、請求項2に記載の充放電システム。
The oxygen supply path for the cell stack is composed of an oxygen inflow part directly connected to the oxygen storage part, and an oxygen supply path main body following the oxygen inflow part,
The hydrogen supply path for the cell stack is composed of a hydrogen inflow part directly connected to a hydrogen storage part, and a hydrogen supply path main body following the hydrogen inflow part,
A first pressure reducing valve is provided in the auxiliary oxygen supply path;
A second pressure reducing valve is provided at the oxygen inlet;
A third pressure reducing valve is provided in the auxiliary hydrogen supply path;
A fourth pressure reducing valve is provided at the hydrogen inlet,
The secondary set pressure of the first pressure reducing valve is set higher than the secondary set pressure of the second pressure reducing valve,
The secondary set pressure of the third pressure reducing valve is set higher than the secondary set pressure of the fourth pressure reducing valve,
The charge / discharge system according to claim 2, wherein:
前記セルスタックは、水電解装置と燃料電池とが一体となった可逆セルを有するものであることを特徴とする、請求項1から3のいずれかに記載の充放電システム。 The charge / discharge system according to claim 1, wherein the cell stack includes a reversible cell in which a water electrolysis device and a fuel cell are integrated.
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