JP6449572B2

JP6449572B2 - 再生型燃料電池システムとその運転方法

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Publication number: JP6449572B2
Application number: JP2014137732A
Authority: JP
Inventors: 雄作谷内; 昇篠崎
Original assignee: IHI Corp; IHI Aerospace Co Ltd
Current assignee: IHI Corp; IHI Aerospace Co Ltd
Priority date: 2014-07-03
Filing date: 2014-07-03
Publication date: 2019-01-09
Anticipated expiration: 2034-07-03
Also published as: JP2016015282A

Description

本発明は、水電解装置と燃料電池を備えた再生型燃料電池システムとその運転方法に関する。

再生型燃料電池システムは、水電解装置と燃料電池を備え、水電解装置で水から水素と酸素を生成し、この水素と酸素を用いて燃料電池で発電し、燃料電池を出たガスから水を回収し、この水を水電解装置にリサイクルするものである。
再生型燃料電池システムは、充電可能な発電装置であり、副産物は水のみであるため、省エネ化、二酸化炭素削減が可能であることから、宇宙空間や航空機等への適用が期待されている。

上述した再生型燃料電池システムは、例えば非特許文献１に開示されている。
また、これに関連する技術が、特許文献１〜３に開示されている。

藤原勉、江口邦久、「成層圏プラットフォーム飛行船用再生型燃料電池の研究開発―１ｋＷ級再生型燃料電池モデルの地上評価試験−」、宇宙航空研究開発機構研究開発資料ＪＡＸＡ−ＲＭ−０７−０１４、宇宙航空研究開発機構、平成２０年２月２９日

特開２００４−１７１９７３号公報特開２０１２−２６４６３号公報特開２００５−２４８２４６号公報

図１は、従来の再生型燃料電池システムの構成図である。
この図において、再生型燃料電池システムは、燃料電池ユニットＡ、水分解ユニットＢ、及びガス貯蔵ユニットＣからなる。

燃料電池ユニットＡは、この例で、燃料電池１、気水分離器２、循環ポンプ３、及び水タンク４からなる。燃料電池１は、例えば低圧（例えば０．１〜０．２ＭＰａ）で作動する固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）である。
この構成により、水素と酸素を用いて燃料電池１で発電し、反応後のガスを気水分離器２で酸素と水に分離し、循環ポンプ３で酸素を燃料電池１の入口側にリサイクルし、水を水タンク４に溜める。

水分解ユニットＢは、この例で、電気分解装置５、気水分離器６ａ，６ｂ、水タンク７ａ，７ｂ、循環ポンプ８、熱交換器９、及び給水ポンプ１０からなる。
この構成により、給水ポンプ１０で水分解ユニットＢに水を給水し、電気分解装置５で水を電気分解して水素と酸素を生成する。また、気水分離器６ａ，６ｂで生成した水素と酸素から水をそれぞれ分離し、分離した水を水タンク７ａ，７ｂにそれぞれ貯蔵する。さらに、循環ポンプ８で水を電気分解装置５の入口側にリサイクルし、分離した水素と酸素をガス貯蔵ユニットＣに供給する。

ガス貯蔵ユニットＣは、この例で、高圧タンク１１ａ，１１ｂ、ブースターポンプ１２ａ，１２ｂ、切替弁１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂ、及び調圧弁１５ａ，１５ｂからなる。
高圧タンク１１ａ，１１ｂは、水素と酸素をそれぞれ高圧（例えば１〜３０ＭＰａ）で貯蔵する。ブースターポンプ１２ａ，１２ｂは、水分解ユニットＢから供給された低圧の水素と酸素を高圧まで加圧する。調圧弁１５ａ，１５ｂは高圧タンク１１ａ，１１ｂから供給される高圧の水素と酸素を減圧して燃料電池ユニットＡに供給する。

上述した従来の再生型燃料電池システムは、純水素と純酸素を用いて発電する。従って、高空を飛行する航空機、海中を航行する潜水艦、宇宙ステーション等、大気から酸素を取り込むことが出来ない環境、閉鎖空間などで、水電解により発生した酸素を貯蔵し燃料電池で発電に使用することができる。

しかし、上述した従来の再生型燃料電池システム（例えば特許文献１）では、高圧タンク１１ａ，１１ｂに水素と酸素を貯蔵する際にブースターポンプ１２ａ，１２ｂで低圧（例えば０．１〜０．２ＭＰａ）から高圧（例えば１〜３０ＭＰａ）まで昇圧する。そのため、ブースターポンプ１２ａ，１２ｂによるガス圧縮の効率が悪く、電力を多く消費する問題点があった。

この問題点を解決するため、水分解ユニットＢを高圧下で運転し、電気分解装置５で直接高圧のガスを発生する手段が、例えば先行文献２、３に開示されている。
しかし、先行文献２、３の手段では、循環ポンプ８は、電気分解装置５の冷却のため大流量を循環する。また大流量の循環ポンプ８は、高圧運転のため耐圧性能を高める必要がある。そのためシステムが大型化するという問題点があった。また、水分解ユニットＢに水を補給する給水ポンプ１０は低圧の水を高圧まで昇圧するため高揚程を要求され、給水ポンプ１０の効率が低くなるという問題点があった。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、水素と酸素を高圧にするブースターポンプを省略することができ、水分解ユニットの循環ポンプを小型化でき、水分解ユニットへの給水ポンプの効率を高めることができる再生型燃料電池システムとその運転方法を提供することにある。

本発明によれば、閉鎖空間において水電解により発生した酸素を貯蔵し燃料電池で発電する再生型燃料電池システムであって、
大気圧から１ＭＰａの発電圧力の水素と酸素を用いて発電する燃料電池ユニットと、
水を電気分解して前記発電圧力より高く最高圧が１０ＭＰａを超える圧力範囲の生成圧力の水素と酸素を生成する水分解ユニットと、
水素と酸素を貯蔵し燃料電池ユニットに供給するガス貯蔵ユニットと、を備え、
前記水分解ユニットは、水を電気分解して前記生成圧力の水素と酸素を生成する水電解装置と、
水電解装置に電気分解用の水を前記生成圧力で循環供給する高圧循環ポンプと、
水電解装置に冷却用の水を前記生成圧力より低い冷却圧力で循環供給する低圧循環装置と、を有し、前記燃料電池ユニットに水素と酸素を常に供給することができ、必要なときにいつでも発電できる、ことを特徴とする再生型燃料電池システムが提供される。

前記水電解装置は、陽極と陰極の間に高分子電解質膜が挟持された複数の電解セルと、電解セルの間に挟持された導電性のセパレータとを有し、
前記セパレータはその内部に中空かつ耐圧の冷却水流路を有する。

前記水分解ユニットは、さらに、
水電解装置で生成された生成圧力の水素と酸素から随伴する水を分離し、分離後の水素と酸素をそれぞれガス貯蔵ユニットに供給する１対の気水分離器と、
各気水分離器で分離された水を生成圧力で貯蔵する高圧水タンクと、
生成圧力が第１閾値未満のときに、前記高圧水タンクに水を給水する低圧給水ポンプと、を備える。

前記ガス貯蔵ユニットは、
水素と酸素をそれぞれ貯蔵する水素タンク及び酸素タンクと、
前記水分解ユニットから供給される水素と酸素の第１供給ラインにそれぞれ設けられた第１遮断弁と、
第１遮断弁と水素タンク及び酸素タンクをそれぞれ連結する第２供給ラインにそれぞれ設けられた第２遮断弁と、
第１遮断弁と第２遮断弁の間から燃料電池ユニットに水素と酸素を供給する第３供給ラインにそれぞれ設けられた調圧弁と、を備える。

前記燃料電池ユニットは、
発電圧力の水素と酸素を用いて発電する燃料電池と、
燃料電池から排出される酸素から随伴する水を分離し、分離後の酸素を燃料電池に再循環させる酸素再循環装置と、
前記酸素再循環装置で分離された水を貯蔵する低圧水タンクと、を備える。

前記低圧給水ポンプは、前記燃料電池ユニットの低圧水タンクと前記水分解ユニットの高圧水タンクとを連通する給水ラインに設けられており、
前記低圧給水ポンプと前記高圧水タンクとの間に逆止弁を有する。

前記ガス貯蔵ユニットを制御する制御装置を備え、
（Ａ）生成圧力が第１閾値未満のときに、前記ガス貯蔵ユニットの第１遮断弁を全閉し、
（Ｂ）生成圧力が第２閾値以上のときに、前記第１遮断弁と前記ガス貯蔵ユニットの第２遮断弁を開き、
（Ｃ）生成圧力が第１閾値以上かつ第２閾値未満のときに、前記第１遮断弁を開き、前記第２遮断弁を全閉する。

また、本発明によれば、閉鎖空間において水電解により発生した酸素を貯蔵し燃料電池で発電する上記の再生型燃料電池システムの運転方法であって、
ガス貯蔵ユニットを制御する制御装置により、
（Ａ）前記発電圧力より高く最高圧が１０ＭＰａを超える圧力範囲の生成圧力が第１閾値未満のときに、前記ガス貯蔵ユニットの第１遮断弁を全閉し、
（Ｂ）生成圧力が第２閾値以上のときに、前記第１遮断弁と前記ガス貯蔵ユニットの第２遮断弁を開き、
（Ｃ）生成圧力が第１閾値以上かつ第２閾値未満のときに、前記第１遮断弁を開き、前記第２遮断弁を全閉し、
前記燃料電池ユニットに水素と酸素を常に供給することができ、必要なときにいつでも発電できる、ことを特徴とする再生型燃料電池システムの運転方法が提供される。

上記本発明によれば、水分解ユニットの生成圧力が発電圧力より高いので、生成圧力の水素と酸素をブースターポンプなしでガス貯蔵ユニットに供給することができ、ブースターポンプを省略することができる。

また、水電解装置に冷却用の水を生成圧力より低い冷却圧力で循環供給する低圧循環ポンプを備えるので、水電解装置に電気分解用の水を生成圧力で循環供給する高圧循環ポンプを小型化できる。
すなわち、水電解装置へ水を供給するラインを、大流量を要求される冷却水系と高圧を要求される電解水系の２系統に分けたので、高圧循環ポンプを小型軽量化することができる。

さらに、水電解装置に冷却用の水を生成圧力より低い冷却圧力で循環供給する低圧循環ポンプを備えるので、水電解装置に循環供給する水の必要量が大幅に少量となる。そのため、水分解ユニットへの給水ポンプを生成圧力が低いときのみに作動させることができ、給水ポンプの効率を高めることができる。
すなわち、水電解に必要な水を生成圧力が低いとき（例えば、燃料電池運転時）に供給することにより、給水ポンプに対する揚程要求を緩和し、システムの小型化を図ることができる。

従来の再生型燃料電池システムの構成図である。本発明による再生型燃料電池システムの全体構成図である。水電解装置の全体構成図である。再生型燃料電池システムの運転方法の全体フロー図である。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図２は、本発明による再生型燃料電池システムの全体構成図である。
この図において、本発明の再生型燃料電池システムは、燃料電池ユニット２０、水分解ユニット３０、及びガス貯蔵ユニット４０を備える。

燃料電池ユニット２０は、発電圧力Ｐ１の水素と酸素を用いて発電する。発電圧力Ｐ１は、好ましくは大気圧（約０．１ＭＰａ）から１ＭＰａであり、さらに好ましくは、０．１〜０．２ＭＰａであるのがよい。

図２において、燃料電池ユニット２０は、燃料電池２２、酸素再循環装置２４、及び低圧水タンク２６を備える。
燃料電池２２は、発電圧力Ｐ１の水素と酸素を用いて発電する。燃料電池２２は、好ましくは固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）である。固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、イオン伝導性を有する高分子膜を電解質として用いる燃料電池である。

ＰＥＦＣの基本構造は、アノード（燃料極、負極）、電解質膜（固体高分子膜）、カソード（酸素極、正極）、及びセパレータ（バイポーラプレート）からなる。アノード、電解質膜、カソードを貼り合せて一体化したものを「膜／電極接合体」と呼ぶ。セパレータは、反応ガスの供給流路が彫り込まれた導電板である。膜／電極接合体をセパレータで挟みこんだ１つのセルを「単セル」と呼び、単セルを積層して高電圧を得られるようにしたものを「スタック」と呼ぶ。
セパレータは、カーボン、金属、導電性プラスチックなどによって作成される。

アノードでは、水素が供給され、式（１）の反応によって、プロトン（Ｈ^＋）と電子に分解する。
Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻・・・（１）
プロトン（Ｈ^＋）は、電解質膜内を、電子は導線内を通ってカソードに移動する。
カソードでは、電解質膜から来たプロトンと、導線から来た電子が酸素と反応して、式（２）の反応により水を生成する。
４Ｈ^＋＋Ｏ_２＋４ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏ・・・（２）

燃料電池２２は、純水素と純酸素を用いて発電することが好ましい。
この場合、式（１）（２）により、純水素と純酸素が反応し、純水が生成される。
従って、副産物は純水のみであるため、これをリサイクルすることにより、省エネ化と二酸化炭素の削減が可能である。

図２において、酸素再循環装置２４は、低圧気水分離器２５ａと低圧循環ポンプ２５ｂを有する。この構成により、低圧気水分離器２５ａで燃料電池２２から排出される酸素から随伴する水を分離し、低圧循環ポンプ２５ｂで分離後の酸素を燃料電池２２の上流側に再循環させるようになっている。
なお、図示しないが、燃料電池２２から排出される水素も同様に水を分離し再循環させてもよい。

低圧水タンク２６は、酸素再循環装置２４で分離された水を貯蔵する。低圧水タンク２６の圧力は、発電圧力Ｐ１と同一又はこれより低いことが好ましく、さらに好ましくは、大気圧（約０．１ＭＰａ）であるのがよい。

水分解ユニット３０は、水を電気分解して生成圧力Ｐの水素と酸素を生成する。以下、水素生成圧力をＰｈ，酸素生成圧力をＰｏとし、区別が必要な場合を除き、単に生成圧力Ｐと呼ぶ。
水素生成圧力Ｐｈと酸素生成圧力Ｐｏは、電解セル３３ａ及び高圧水タンク３７ａを介して連通しているので、その差は、最大でも１０００ｍｍＡｑ（すなわち、約０．０１ＭＰａ程度である）。
生成圧力Ｐ（水素生成圧力Ｐｈ及び酸素生成圧力Ｐｏ）は、発電圧力Ｐ１より高い圧力範囲であり、好ましくは、発電圧力Ｐ１＋αから最高貯蔵圧の範囲である。ここでαは、例えば約０．１ＭＰａである。また、最高貯蔵圧は例えば約２０〜３０ＭＰａである。
すなわち、生成圧力Ｐ（水素生成圧力Ｐｈ及び酸素生成圧力Ｐｏ）は、発電圧力Ｐ１より常に高いが、一定ではなく、発電圧力Ｐ１＋αから最高貯蔵圧の範囲で変動する。また、この範囲において、後述する第１閾値Ｌ１と第２閾値Ｌ２が予め設定されている。
第１閾値Ｌ１は、発電圧力Ｐ１＋αに近い圧力であり、例えば約０．３〜１．０ＭＰａである。第２閾値Ｌ２は、最高貯蔵圧に近い圧力であり、例えば約５〜１０ＭＰａである。

図２において、水分解ユニット３０は、水電解装置３２、高圧循環ポンプ３４、及び低圧循環装置３５を有する。
水電解装置３２は、水を電気分解して生成圧力Ｐ（水素生成圧力Ｐｈと酸素生成圧力Ｐｏ）の水素と酸素を生成する。
高圧循環ポンプ３４は、水電解装置３２に電気分解用の水を生成圧力Ｐ（この例では酸素生成圧力Ｐｏ）で循環供給する。

図３は、水電解装置３２の全体構成図である。
この図において、水電解装置３２は、圧力容器３２ａ内に収容された複数の電解セル３３ａと導電性のセパレータ３３ｂとを有する。
複数の電解セル３３ａは、陽極と陰極の間に高分子電解質膜が挟持され、陽極と陰極の間に外部電源３１により電圧を印加することにより、燃料電池２２と反対の反応、すなわち式（１）（２）の逆反応により、水素と酸素を発生させる。

セパレータ３３ｂは、上下の電解セル３３ａの間に挟持されている。また、セパレータ３３ｂは、その内部に中空の冷却水流路３３ｃを有する。セパレータ３３ｂは、生成圧力Ｐ（水素生成圧力Ｐｈ及び酸素生成圧力Ｐｏ）に耐える耐圧性を有し、冷却水流路３３ｃの内部を生成圧力Ｐ（水素生成圧力Ｐｈ及び酸素生成圧力Ｐｏ）より低い冷却圧力Ｐ２に保持する。
冷却圧力Ｐ２は、例えば約０．１〜０．３ＭＰａであり、好ましくは大気圧（約０．１ＭＰａ）である。

図２において、低圧循環装置３５は、低圧熱交換器３５ａと低圧循環ポンプ３５ｂを有する。この構成により、水電解装置３２の冷却水流路３３ｃに冷却用の水を生成圧力Ｐ（水素生成圧力Ｐｈ及び酸素生成圧力Ｐｏ）より低い冷却圧力Ｐ２で循環供給する。
低圧熱交換器３５ａは、水冷でも空冷でもよい。

図２において、水分解ユニット３０は、さらに、１対の気水分離器３６ａ，３６ｂ、高圧水タンク３７ａ，３７ｂ、及び低圧給水ポンプ３８を備える。

１対の気水分離器３６ａ，３６ｂは、水電解装置３２で生成された生成圧力Ｐ（水素生成圧力Ｐｈと酸素生成圧力Ｐｏ）の水素と酸素から随伴する水を分離し、分離後の水素と酸素をそれぞれガス貯蔵ユニット４０に供給する。

高圧水タンク３７ａ，３７ｂは、各気水分離器３６ａ，３６ｂで分離された水を生成圧力Ｐ（水素生成圧力Ｐｈと酸素生成圧力Ｐｏ）で貯蔵する。なお、高圧水タンク３７ａ，３７ｂは、この例では気水分離器３６ａ，３６ｂに合わせて別に構成されているが、一体に構成してもよい。

図２において、電解水供給ライン３４ａは、高圧水タンク３７ｂと水電解装置３２を結ぶ配管ラインであり、この電解水供給ライン３４ａに高圧循環ポンプ３４が設けられている。
また、冷却水ライン３５ｃは、低圧熱交換器３５ａと水電解装置３２を結ぶ配管ラインであり、この冷却水ライン３５ｃに低圧循環ポンプ３５ｂが設けられている。

低圧給水ポンプ３８は圧力検出器３８ｂを備えており、生成圧力Ｐ（この例では酸素生成圧力Ｐｏ）が上述した第１閾値Ｌ１未満のときに、高圧水タンク３７ｂに水を自動で給水するようになっている。なおこの例と相違し、高圧水タンク３７ａに給水してもよい。

図２において、低圧給水ポンプ３８は、燃料電池ユニット２０の低圧水タンク２６と水分解ユニット３０の高圧水タンク３７ｂとを連通する給水ライン３８ａに設けられている。また、低圧給水ポンプ３８と高圧水タンク３７ｂとの間に逆止弁３９を有し、低圧給水ポンプ３８を停止しても高圧水タンク３７ｂから水が逆流しないようになっている。

ガス貯蔵ユニット４０は、水素と酸素を貯蔵し、燃料電池ユニット２０に供給する。

図２において、ガス貯蔵ユニット４０は、水素タンク４２ａ及び酸素タンク４２ｂ、第１遮断弁４４ａ，４４ｂ、第２遮断弁４６ａ，４６ｂ、及び調圧弁４８ａ，４８ｂを備える。

水素タンク４２ａ及び酸素タンク４２ｂは、水素と酸素をそれぞれ貯蔵する。水素タンク４２ａ及び酸素タンク４２ｂは、上述した最高貯蔵圧（例えば約２０〜３０ＭＰａ）で水素と酸素をそれぞれ貯蔵可能な圧力容器である。

第１遮断弁４４ａ，４４ｂは、水分解ユニット３０から供給される水素と酸素の第１供給ライン４５ａ，４５ｂにそれぞれ設けられた遠隔操作可能な開閉弁である。

第２遮断弁４６ａ，４６ｂは、第１遮断弁４４ａ，４４ｂと水素タンク４２ａ及び酸素タンク４２ｂをそれぞれ連結する第２供給ライン４７ａ，４７ｂにそれぞれ設けられた遠隔操作可能な開閉弁である。

調圧弁４８ａ，４８ｂは、第１遮断弁４４ａ，４４ｂと第２遮断弁４６ａ，４６ｂの間から燃料電池ユニット２０に水素と酸素を供給する第３供給ライン４９ａ，４９ｂにそれぞれ設けられた圧力調節弁である。調圧弁４８ａ，４８ｂは、遠隔操作可能であることが好ましい。

図２において、本発明の再生型燃料電池システムは、さらにガス貯蔵ユニット４０を制御する制御装置５０を備える。制御装置５０は、水分解ユニット３０の生成圧力Ｐ（水素生成圧力Ｐｈと酸素生成圧力Ｐｏ）を検出する圧力検出器５０ａ，５０ｂを有する。

図４は、制御装置５０による再生型燃料電池システムの運転方法の全体フロー図である。
この図において、本発明の再生型燃料電池システムの運転方法は、Ｓ１〜Ｓ６の各ステップ（工程）からなる。

ステップＳ１で、圧力検出器５０ａ，５０ｂにより水分解ユニット３０の生成圧力Ｐ（水素生成圧力Ｐｈと酸素生成圧力Ｐｏ）を検出する。
ステップＳ２で、生成圧力Ｐ（水素生成圧力Ｐｈ及び酸素生成圧力Ｐｏ）を第１閾値Ｌ１と比較する。

ステップＳ２において、生成圧力Ｐ（水素生成圧力Ｐｈ及び酸素生成圧力Ｐｏ）が第１閾値Ｌ１未満のとき（ＹＥＳ）、ステップＳ４で、ガス貯蔵ユニット４０の第１遮断弁４４ａ，４４ｂを全閉する。第１遮断弁４４ａ，４４ｂの全閉により、水分解ユニット３０で生成された水素と酸素が増加し、生成圧力Ｐ（水素生成圧力Ｐｈ及び酸素生成圧力Ｐｏ）は徐々に高くなる。

また、生成圧力Ｐ（水素生成圧力Ｐｈと酸素生成圧力Ｐｏ）はガス貯蔵ユニット４０内の水素と酸素が等圧になるように、適切な容量配分になっている。ステップＳ４において、生成圧力Ｐ（この例では酸素生成圧力Ｐｏ）が第１閾値Ｌ１未満であることを検出した場合は、低圧給水ポンプ３８は高圧水タンク３７ｂに水を自動で給水する。
従って、この構成により、供給圧が低い低圧給水ポンプ３８で、高圧水タンク３７ｂに水を自動で給水することができ、低圧給水ポンプ３８の効率を高めることができる。

また、ステップＳ４では、生成圧力Ｐ（水素生成圧力Ｐｈ及び酸素生成圧力Ｐｏ）は第１閾値Ｌ１未満である。そのため、燃料電池ユニット２０で発電する場合には、ガス貯蔵ユニット４０の第２遮断弁４６ａ，４６ｂを開き、水素タンク４２ａ及び酸素タンク４２ｂから第２遮断弁４６ａ，４６ｂを介して燃料電池ユニット２０に水素と酸素を供給する。

ステップＳ２において、生成圧力Ｐ（水素生成圧力Ｐｈ及び酸素生成圧力Ｐｏ）が第１閾値Ｌ１以上のとき（ＮＯ）、ステップＳ３で、生成圧力Ｐ（水素生成圧力Ｐｈ及び酸素生成圧力Ｐｏ）を第２閾値Ｌ２と比較する。

ステップＳ３において、生成圧力Ｐ（水素生成圧力Ｐｈ及び酸素生成圧力Ｐｏ）が第２閾値Ｌ２未満のとき（ＹＥＳ）、ステップＳ５で、第１遮断弁４４ａ，４４ｂを開き、第２遮断弁４６ａ，４６ｂを全閉する。このとき低圧給水ポンプ３８は、第１閾値Ｌ１以上の生成圧力Ｐ（この例では酸素生成圧力Ｐｏ）を検出して作動を自動で停止する。

また、ステップＳ５では、生成圧力Ｐ（水素生成圧力Ｐｈ及び酸素生成圧力Ｐｏ）は第１閾値Ｌ１以上かつ第２閾値Ｌ２未満である。そのため、燃料電池ユニット２０で発電する場合には、第１遮断弁４４ａ，４４ｂを介して水分解ユニット３０から燃料電池ユニット２０に水素と酸素を直接供給することができる。
また、ステップＳ５では、第２遮断弁４６ａ，４６ｂを全閉しているので、水素タンク４２ａと酸素タンク４２ｂの圧力は全閉直前の圧力に保持されている。

ステップＳ３において、生成圧力Ｐ（水素生成圧力Ｐｈ及び酸素生成圧力Ｐｏ）が第２閾値Ｌ２以上のとき（ＮＯ）、ステップＳ６で、第１遮断弁４４ａ，４４ｂと第２遮断弁４６ａ，４６ｂの両方を開く。
これにより、水素タンク４２ａ及び酸素タンク４２ｂに第２閾値Ｌ２以上の圧力で、水素と酸素を貯蔵することができる。このとき低圧給水ポンプ３８は、第１閾値Ｌ１以上の生成圧力Ｐ（この例では酸素生成圧力Ｐｏ）を検出して作動を自動で停止している。

さらに、燃料電池ユニット２０で発電する場合には、水分解ユニット３０と水素タンク４２ａ及び酸素タンク４２ｂのどちらからも、燃料電池ユニット２０に水素と酸素を供給することができる。

ステップＳ６において、水分解ユニット３０の運転を継続すると、高圧水タンク３７ａ，３７ｂの水位が下限に達し、水素と酸素の生成が停止する。
水分解ユニット３０の停止後、燃料電池ユニット２０で発電を継続すると、水素と酸素が消費され、生成圧力Ｐ（水素生成圧力Ｐｈ及び酸素生成圧力Ｐｏ）が徐々に低下する。
生成圧力Ｐ（水素生成圧力Ｐｈ及び酸素生成圧力Ｐｏ）が第２閾値Ｌ２未満になると、ステップＳ５で第２遮断弁４６ａ，４６ｂが全閉され、水素タンク４２ａと酸素タンク４２ｂの圧力は第２閾値Ｌ２未満の圧力に保持される。

さらに生成圧力Ｐ（水素生成圧力Ｐｈ及び酸素生成圧力Ｐｏ）が低下し第１閾値Ｌ１未満になると、ステップＳ４で第１遮断弁４４ａ，４４ｂが全閉される。この際は、第２遮断弁４６ａ，４６ｂを開いて燃料電池ユニット２０に水素と酸素を供給することができる。
生成圧力Ｐ（水素生成圧力Ｐｈ及び酸素生成圧力Ｐｏ）が第１閾値Ｌ１未満になると、低圧給水ポンプ３８が、第１閾値Ｌ１未満の生成圧力Ｐ（この例では酸素生成圧力Ｐｏ）を検出して作動を自動で開始し、高圧水タンク３７ａ，３７ｂの水位が上昇する。この水位上昇は低圧給水ポンプ３８の吐出量を大きく設定することにより、短時間で目標水位まで完了させることができる。

従って、上述したステップＳ１〜Ｓ６により、燃料電池ユニット２０に水素と酸素を常に供給することができ、必要なときにいつでも発電することができる。

上述したように、本発明によれば、水電解装置３２に供給する水のラインを電解水供給ライン３４ａと冷却水ライン３５ｃに分け、水電解装置３２の内部構造も冷却水流路３３ｃの外部と内部に分かれている。
電解水供給ライン３４ａは高圧であるが小流量であるので、配管、ポンプ（高圧循環ポンプ３４）の小型化が可能となる。
冷却水ライン３５ｃは大流量が必要であるが、低圧であるために耐圧性能の低い部材が使用できるため軽量化が可能である。
また高圧系統が小型化することから、高圧水タンク３７ｂを電解に必要な容量（例えば１日分）に設定し、生成圧力Ｐ（水素生成圧力Ｐｈと酸素生成圧力Ｐｏ）が所定の圧力より低いときに水を補給することにより、低圧給水ポンプ３８に対する揚程要求を緩和し、小型化を図ることができる。

上述した本発明によれば、水分解ユニット３０の生成圧力Ｐ（水素生成圧力Ｐｈ及び酸素生成圧力Ｐｏ）が発電圧力Ｐ１より高いので、生成圧力Ｐ（水素生成圧力Ｐｈ及び酸素生成圧力Ｐｏ）の水素と酸素をブースターポンプなしでガス貯蔵ユニット４０に供給することができ、ブースターポンプを省略することができる。

また、水電解装置３２に冷却用の水を生成圧力Ｐ（水素生成圧力Ｐｈ及び酸素生成圧力Ｐｏ）より低い冷却圧力Ｐ２で循環供給する低圧循環ポンプ３５ｂを備えるので、水電解装置３２に電気分解用の水を生成圧力Ｐ（この例では酸素生成圧力Ｐｏ）で循環供給する高圧循環ポンプ３４を小型化できる。
例えば、効率８０％で１００ｋＷ入力の水電解装置３２の場合、水電解で消費される水量は約０．３Ｌ／ｍｉｎであるが、冷却に必要な水量は２００倍の６０Ｌ／ｍｉｎが必要となる。
すなわち、水電解装置３２へ水を供給するラインを、大流量を要求される冷却水系と高圧を要求される電解水系の２系統に分けたので、高圧循環ポンプ３４を小型軽量化することができる。

さらに、水電解装置３２に冷却用の水を生成圧力Ｐ（水素生成圧力Ｐｈ及び酸素生成圧力Ｐｏ）より低い冷却圧力Ｐ２で循環供給する低圧循環ポンプ３５ｂを備えるので、水電解装置３２に循環供給する水の必要量が大幅に少量となる。そのため、水分解ユニット３０への低圧給水ポンプ３８を生成圧力Ｐ（水素生成圧力Ｐｈ及び酸素生成圧力Ｐｏ）が低いときのみに作動させることができ、低圧給水ポンプ３８の効率を高めることができる。
すなわち、水電解に必要な水を生成圧力Ｐ（水素生成圧力Ｐｈ及び酸素生成圧力Ｐｏ）が低いとき（例えば、燃料電池２２の運転時）に供給することにより、低圧給水ポンプ３８に対する揚程要求を緩和し、システムの小型化を図ることができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

Ａ燃料電池ユニット、Ｂ水分解ユニット、Ｃガス貯蔵ユニット、
Ｐ生成圧力、Ｐｈ水素生成圧力、Ｐｏ酸素生成圧力、
Ｐ１発電圧力、Ｐ２冷却圧力、Ｌ１第１閾値、Ｌ２第２閾値、
１燃料電池、２気水分離器、３循環ポンプ、４水タンク、
５電気分解装置、６ａ，６ｂ気水分離器、７ａ，７ｂ水タンク、
８循環ポンプ、９熱交換器、１０給水ポンプ、
１１ａ，１１ｂ高圧タンク、１２ａ，１２ｂブースターポンプ、
１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂ切替弁、
１５ａ，１５ｂ調圧弁、２０燃料電池ユニット、
２２燃料電池、２４酸素再循環装置、２５ａ低圧気水分離器、
２５ｂ低圧循環ポンプ、２６低圧水タンク、３０水分解ユニット、
３１外部電源、３２水電解装置、３２ａ圧力容器、
３３ａ電解セル、３３ｂセパレータ、３３ｃ冷却水流路、
３４高圧循環ポンプ、３４ａ電解水供給ライン、
３５低圧循環装置、３５ａ低圧熱交換器、３５ｂ低圧循環ポンプ、
３５ｃ冷却水ライン、３６ａ，３６ｂ気水分離器、
３７ａ，３７ｂ高圧水タンク、３８低圧給水ポンプ、
３８ａ給水ライン、３８ｂ圧力検出器、３９逆止弁、
４０ガス貯蔵ユニット、４２ａ水素タンク、４２ｂ酸素タンク、
４４ａ，４４ｂ第１遮断弁、４５ａ，４５ｂ第１供給ライン、
４６ａ，４６ｂ第２遮断弁、４７ａ，４７ｂ第２供給ライン、
４８ａ，４８ｂ調圧弁、４９ａ，４９ｂ第３供給ライン、
５０制御装置、５０ａ圧力検出器

Claims

閉鎖空間において水電解により発生した酸素を貯蔵し燃料電池で発電する再生型燃料電池システムであって、
大気圧から１ＭＰａの発電圧力の水素と酸素を用いて発電する燃料電池ユニットと、
水を電気分解して前記発電圧力より高く最高圧が１０ＭＰａを超える圧力範囲の生成圧力の水素と酸素を生成する水分解ユニットと、
水素と酸素を貯蔵し燃料電池ユニットに供給するガス貯蔵ユニットと、を備え、
前記水分解ユニットは、水を電気分解して前記生成圧力の水素と酸素を生成する水電解装置と、
水電解装置に電気分解用の水を前記生成圧力で循環供給する高圧循環ポンプと、
水電解装置に冷却用の水を前記生成圧力より低い冷却圧力で循環供給する低圧循環装置と、を有し、前記燃料電池ユニットに水素と酸素を常に供給することができ、必要なときにいつでも発電できる、ことを特徴とする再生型燃料電池システム。
前記水電解装置は、陽極と陰極の間に高分子電解質膜が挟持された複数の電解セルと、電解セルの間に挟持された導電性のセパレータとを有し、
前記セパレータはその内部に中空かつ耐圧の冷却水流路を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の再生型燃料電池システム。
前記水分解ユニットは、さらに、
水電解装置で生成された生成圧力の水素と酸素から随伴する水を分離し、分離後の水素と酸素をそれぞれガス貯蔵ユニットに供給する１対の気水分離器と、
各気水分離器で分離された水を生成圧力で貯蔵する高圧水タンクと、
生成圧力が第１閾値未満のときに、前記高圧水タンクに水を給水する低圧給水ポンプと、を備える、ことを特徴とする請求項１に記載の再生型燃料電池システム。
前記ガス貯蔵ユニットは、
水素と酸素をそれぞれ貯蔵する水素タンク及び酸素タンクと、
前記水分解ユニットから供給される水素と酸素の第１供給ラインにそれぞれ設けられた第１遮断弁と、
第１遮断弁と水素タンク及び酸素タンクをそれぞれ連結する第２供給ラインにそれぞれ設けられた第２遮断弁と、
第１遮断弁と第２遮断弁の間から燃料電池ユニットに水素と酸素を供給する第３供給ラインにそれぞれ設けられた調圧弁と、を備える、ことを特徴とする請求項１に記載の再生型燃料電池システム。
前記燃料電池ユニットは、
発電圧力の水素と酸素を用いて発電する燃料電池と、
燃料電池から排出される酸素から随伴する水を分離し、分離後の酸素を燃料電池に再循環させる酸素再循環装置と、
前記酸素再循環装置で分離された水を貯蔵する低圧水タンクと、を備える、ことを特徴とする請求項１に記載の再生型燃料電池システム。
前記低圧給水ポンプは、前記燃料電池ユニットの低圧水タンクと前記水分解ユニットの高圧水タンクとを連通する給水ラインに設けられており、
前記低圧給水ポンプと前記高圧水タンクとの間に逆止弁を有する、ことを特徴とする請求項３に記載の再生型燃料電池システム。
前記ガス貯蔵ユニットを制御する制御装置を備え、
（Ａ）生成圧力が第１閾値未満のときに、前記ガス貯蔵ユニットの第１遮断弁を全閉し、
（Ｂ）生成圧力が第２閾値以上のときに、前記第１遮断弁と前記ガス貯蔵ユニットの第２遮断弁を開き、
（Ｃ）生成圧力が第１閾値以上かつ第２閾値未満のときに、前記第１遮断弁を開き、前記第２遮断弁を全閉する、ことを特徴とする請求項４に記載の再生型燃料電池システム。
閉鎖空間において水電解により発生した酸素を貯蔵し燃料電池で発電する請求項４に記載の再生型燃料電池システムの運転方法であって、
ガス貯蔵ユニットを制御する制御装置により、
（Ａ）前記発電圧力より高く最高圧が１０ＭＰａを超える圧力範囲の生成圧力が第１閾値未満のときに、前記ガス貯蔵ユニットの第１遮断弁を全閉し、
（Ｂ）生成圧力が第２閾値以上のときに、前記第１遮断弁と前記ガス貯蔵ユニットの第２遮断弁を開き、
（Ｃ）生成圧力が第１閾値以上かつ第２閾値未満のときに、前記第１遮断弁を開き、前記第２遮断弁を全閉し、
前記燃料電池ユニットに水素と酸素を常に供給することができ、必要なときにいつでも発電できる、ことを特徴とする再生型燃料電池システムの運転方法。