JP7276922B1

JP7276922B1 - 空調設備および空調方法

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Publication number: JP7276922B1
Application number: JP2022008510A
Authority: JP
Inventors: 香津雄堤
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Priority date: 2022-01-24
Filing date: 2022-01-24
Publication date: 2023-05-18
Anticipated expiration: 2042-01-24
Also published as: JP2023107350A

Abstract

【課題】空調設備は室内を快適な温度にするものであり、温熱や冷熱を発生させて外気と熱交換して温度の調節を行ってきた。水電解や燃料電池で電解液は冷却もしくは加熱されるが電解液の有するエネルギーは低レベルの熱になるためにエネルギーの回収が困難であった。【解決手段】負極と、正極と、前記負極と前記正極の間に配された中間電極とを備えた水電解装置および燃料電池において、水電解により冷却された第１電解液と外気とを熱交換して冷房に利用すると共に、燃料電池の発電時の反応熱により加熱された第２電解液と室内空気を熱交換して暖房を行う空調設備を提供する。【選択図】図６

Description

本発明は、水電解装置と燃料電池を利用した空調装置に関し、詳しくは負極と正極と中間電極を有する空調装置に関する。

家庭用の冷房装置は、圧縮機で高温高圧になった気体を屋外の熱交換器で冷却する。そのとき気体は放熱をして液化する。次にキャピラリーで圧力を下げて、気化しやすくなった液体は室内の熱交換器に入り、蒸発して周囲の熱を奪い温度が下がる。ファンによって室内の風を吸い込み、冷たくなった熱交換器を通って室内へ吹き出す。低温低圧になった気体は室外機の圧縮機に戻り、同じ動作を繰り返す。

再生可能なエネルギーを用いた発電設備の余剰電力を水電解装置で水素ガスに変換して水素ガスの形で備蓄して、電力が不足するときに燃料電池で水素ガスを用いて発電する技術が特許文献１に開示されている。

水電解装置により水から水素と酸素を取り出し、これを用いて燃料電池で発電するシステムにおいて、燃料電池が生み出す廃熱等を利用して資源の有効を図る技術が特許文献２に開示されている。

第１電極と第２電極と第３電極とセパレータとが密閉容器の内部に収納されている水素製造装置であって、第１電極と第３電極間の酸化還元反応により第１電極から発生する酸素ガスと、第２電極と第３電極間の酸化還元反応により第２電極から発生する水素ガスを、個別に密閉容器から技術が取り出す技術が特許文献３に開示されている。。

ＷＯ２０２１／１００１１２号公報特開２００２－３４８６９４号公報特開２０１６－２０４７４３号公報

従来技術の空調設備において熱サイクルを利用して温度調節を行っている（例えば特許文献１）。熱サイクルは必然的に廃熱源を必要とし廃熱の分だけ熱効率が悪い。また、熱サイクルの途中に燃焼過程が存在すればエクセルギー損失が発生して、その分エクセルギー率が低下するという問題がある。

空調設備は室内の空気温度を制御して快適な温度にするものであり、温熱や冷熱を発生させて室内温度の調節を行ってきた。温熱や冷熱を作り出すにはエネルギーの投入が必要であり、そのエネルギーが低いレベルの熱になるために熱の回収が困難であった。

電力貯蔵の方法として、水電解で水素ガスと酸素ガスの燃料ガスを製造してこれらをタンク等で備蓄することを考えたとき、水電解で冷却された電解液はそのエネルギーレベルが低いため有効に利用するのは難しい。また、備蓄された燃料ガスを用いて燃料電池で発電するとき、発電過程で加熱された電解液はそのエネルギーレベルが低いため有効に利用するのは難しい。

電解液を冷熱源および加熱源として熱交換器を用いて利用することを考えたとき、電解液の流れに乱れがなければ熱伝達効率は悪い。また、電解液と電極活物質間の濃度境界層の存在は発電および水電解の効率を阻害する。

燃料電池において、発電反応で生成される水（Ｈ_２Ｏ）は気体（Ｈ_２、Ｏ_２）と活物質の間に介在して発電反応を阻害する。また、水電解装置において、発生した水素ガスおよび酸素ガスが活物質の間に介在すると、活物質と電解液の接触が妨げられて水電解反応が阻害される。

本発明は、上述のような問題を考慮してなされたものであり、熱回収効率の高く,反応を阻害する要因の少ない空調設備および空調方法を提供することを目的とする。

前記した目的を達成するために、本発明に係る空調設備は、負極と、正極と、前記負極と前記正極の間に配された中間電極とを有する、水電解装置および燃料電池の双方、もしくは、いずれか一方において、前記水電解装置の水電解時により冷却された第１電解液による冷房、および、前記燃料電池の発電時の反応熱により加熱された第２電解液による暖房を行う。

この構成によれば、水電解時により冷却された第１電解液を熱交換器を利用して効果的に冷房に利用することができる。また、燃料電池の反応熱により加熱された第２電解液を熱交換器を利用して効果的に暖房に利用することができる。

本発明に係る空調設備は、前記負極が水素吸蔵合金を含み、前記正極が二酸化マンガンを含み、前記中間電極が水酸化ニッケルを含む。更に、本発明に係る空調設備は、前記負極、前記正極および前記中間電極がニッケル粉および固体電解質を含んでいる。

この構成によれば、固体電解質は電解液と活物質の間に介在して、水電解および燃料電池の反応において電極の回りに生じるガスおよび水に阻害されることなくイオン導電性を確保することができる。

本発明に係る空調設備は、圧縮機により圧縮された空気と前記第１電解液とが熱交換することにより前記第１電解液が加熱されるとともに前記圧縮後の空気が冷却される。また、本発明に係る空調設備は、前記圧縮機と、前記圧縮した空気を膨張する膨張機とが同軸に構成されていて、前記第１電解液と熱交換後の空気が前記膨張機において膨張することにより前記圧縮機を駆動する。更に、本発明に係る空調設備は、前記膨張機から排出された空気が冷熱源に供給され、屋内空気と前記第１電解液と熱交換後の空気とが熱交換することにより前記屋内空気が加熱されて温熱源に供給される。

この構成において、圧縮機により断熱圧縮された空気は加熱されて高温の空気となる。一方、膨脹タービンにより断熱膨張された空気は冷却されて低温の空気となる。ここに断熱圧縮もしくは断熱膨張とは、そのプロセスが短時間の間になされ熱の出入りが極めて小さいことを意味している。

本発明に係る空調設備は、空気を圧縮する圧縮機と、圧縮した前記空気を膨張する膨張機とが同軸に構成されていて、圧縮後の前記空気と屋内空気とが熱交換することにより前記圧縮後の空気が冷却されるとともに前記屋内空気が加熱されて加熱後の前記屋内空気が温熱源に供給される。また、本発明に係る空調設備は、前記屋内空気と熱交換により冷却された空気と前記第２電解液とが熱交換することにより前記屋内空気と熱交換により冷却された空気が加熱されるとともに前記第２電解液が冷却される。更に、本発明に係る空調設備は、前記第２電解液と熱交換後の空気が前記膨張機において膨張することにより前記圧縮機を駆動するとともに前記膨張機を出た空気が冷熱源に供給される。

本発明に係る空調設備は、前記第１電解液が前記水電解装置内を循環流通し、前記第２電解液が前記燃料電池内を循環流通する。この構成によれば、電解液と各電極活物質間の濃度境界層を破壊することが可能となり、過電圧が減少して発電および水電解の効率が上昇する。

本発明に係る空調方法は、水素吸蔵合金を含む負極と、二酸化マンガンを含む正極と、前記負極と前記正極の間に配され水酸化ニッケルと含む中間電極とを有する、水電解装置および燃料電池の双方、もしくは、いずれか一方であって、前記水電解装置の水電解時に冷却された第１電解液を用いた冷房、および、前記燃料電池の発電時の反応熱により加熱された第２電解液を用いた暖房を行う。

以上のように、本発明に係る空調設備は、エネルギーレベルが低く、従来、熱回収が困難で廃棄されていた電解液の熱を冷熱源および温熱源として利用することができる。また、本発明には熱サイクルや燃焼過程が存在しないのでエネルギーの有効利用を図ることができる。

本発明の空調設備に用いる水電解装置および燃料電池のコアユニットの構造を模式的に示す図である。コアユニットの発電時の反応サイクルを説明するためのチャートである。コアユニットの発電時の動作を説明するための電気接続図である。コアユニットの発電時の切換スイッチの動作を説明するためのタイムチャートである。本発明の空調設備に用いるコアユニットの電解液の流れを説明するための図である。本発明の空調設備のうち水電解装置を用いたときの物質とエネルギーのフローを説明するための図である。本発明の空調設備のうち燃料電池を用いたときの物質とエネルギーのフローを説明するための図である。

以下、本発明に係る実施形態を図面に従って説明するが、本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、その他種々の変更が可能である。

まず、実施形態に係る空調設備の基本的な構成要素である電極について説明し、その後に空調設備について詳細な説明を行う。

＜負極の活物質＞
負極の活物質として用いられる水素吸蔵合金は、水素の吸蔵・放出が行えるものであれば特に限定されない。例えば、希土類系合金であるＡＢ５型、ラーベス相合金であるＡＢ２型、チタン－ジルコニウム系合金であるＡＢ型、マグネシウム系合金であるＡ２Ｂ型などの合金系が挙げられる。

このうち、水素貯蔵容量、充放電特性、自己放電特性およびサイクル寿命特性の観点から、ＡＢ５型の希土類－ニッケル合金である、ＭｍＮｉＣｏＭｎＡｌのミッシュメタルを含んだ５元系合金であることが好ましい。

＜正極の活物質＞
正極の活物質は、二酸化マンガンが好ましい。二酸化マンガンは安価で環境への負荷が小さいという特徴がある。なお、高容量化を達成しやすいことから、正極の活物質は、嵩密度が大きなもの、例えば球状のものが好ましい。

＜中間電極の活物質＞
中間電極の活物質は水酸化ニッケルが好ましい。なお、高容量化を達成しやすいことから、中間電極の活物質は、嵩密度が大きなもの、例えば球状のものが好ましい。

＜結着剤＞
結着剤としては、例えば、ポリアクリル酸ソーダ、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）、エチレン－ビニルアルコール、エチレン酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、スチレン－エチレン－ブチレン－スチレン共重合体（ＳＥＢＳ）を含む。

＜導電助剤＞
導電助剤は、導電性を有する粉末であればよい。この導電助剤は、例えば、黒鉛粉末、アセチレンブラックおよびケッチェンブラックなどの、カーボン粉末が好ましい。もしくはオキシ水酸化コバルトが好ましい。

＜固体電解質＞
固体電解質は、特に限定されないが、発火性が低く、耐水性がある酸化物系を用いた。固体電解質を砕いたもの網目の細かいふるいでふるったものを水に溶かしてスラリーにして、ポリオレフィン系の不織布を浸した後に乾燥させ粉体状にした。

＜その他の添加物質＞
負極、正極および中間電極には固体電解質の粉末の他にニッケル粉を添加した。ニッケル粉は電極の導電性を良くする効果が期待でき、固体電解質は電解液と活物質間のイオン導電性を改善するのに役立つ。

水電解の反応プロセスにおいて、電極で発生する水素ガスおよび酸素ガスが活物質と電解液の間に介在してイオン導電性を阻害する。固体電解質は電解液と活物質の間に介在してイオン導電性を助け反応をスムーズに進める。燃料電池の場合は水素ガスと酸素ガスの反応により発生する水が活物質の回りに介在して水素ガスおよび酸素ガスと活物質の間のイオン導電性を阻害する。固体電解質が存在すればその中をイオン通ることができるので水が阻害要因とならない。

[負極]
活物質として水素吸蔵合金、導電助剤としてカーボンブラック、および、結着剤としてエチレン酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）を用いた。粉末状の前述の負極材料を混合した後、造粒したものをペースト状に混練して、このペーストを集電体に配置して、乾燥後にローラープレスで集電体を圧延して負極を製作した。なお、集電体として発泡状もしくは繊維状のニッケル金属多孔体が好ましく、本実施形態ではニッケルフォームを用いた。

[正極]
活物質として二酸化マンガン、導電助剤としてオキシ水酸化コバルト、および、結着剤としてエチレン酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）を用いた。粉末状の前述の正極材料を混合した後、造粒したものをペースト状に混練して、このペーストを集電体に配置して、乾燥後にローラープレスで集電体を圧延して正極を製作した。なお、集電体として発泡状もしくは繊維状のニッケル金属多孔体が好ましく、本実施形態ではニッケルフォームを用いた。

[中間電極]
活物質として水酸化ニッケル、導電助剤としてカーボンブラック、結着剤としてエチレン酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）を用いた。粉末状の前述の中間電極材料を混合してペースト状に混練して、このペーストを集電体に塗工して、乾燥後にローラープレスで集電体を圧延して中間電極を製作した。なお、集電体として発泡状もしくは繊維状のニッケル金属多孔体が好ましく、本実施形態ではニッケルフォームを用いた

[電解液]
本発明で用いられる電解液は、水電解で通常用いられているアルカリ水溶液であれば特に限定されないが、例えば、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、水酸化リチウム（ＬｉＯＨ）、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）等のアルカリ物質を一種単独もしくは二種以上を水に溶かしたものが好適である。電池の出力特性の観点から、電解液は水酸化カリウム水溶液であることが好ましい。

[セパレータ]
本発明で用いられるセパレータは、電子は通さず、イオンを透過させ、ガスを通過しにくいものが好ましい。セパレータの形状としては、微多孔膜、織布、不織布、圧粉体が挙げられ、このうち、出力特性と作製コストの観点から不織布が好ましい。セパレータの材料としては、特に限定されないが、耐アルカリ性、耐酸化性、耐還元性を有することが好ましい。例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミド、ポリアミドイミド、アラミド、ポリエチレン、ポリプロピレン等が挙げられる。本実施形態においてはポリプロピレン製の不織布を採用した。

本発明に係る空調設備の主要構成要素であるコアユニットについて図１を用いて説明する。燃料電池および水電解装置の共通する部分について説明した後にコアユニットの固有の部分について説明する。
コアユニット２０は、正極１１と、中間電極１３と、負極１２と、正極１１－中間電極１３間に介在するセパレータ１４と、負極１２－中間電極１３間に介在するセパレータ１４と、これら電極群を収納する密閉容器（図示せず）とを主要な構成要素として備えている。

正極１１、負極１２および中間電極１３は、正極１１－中間電極１３間および負極１２－中間電極１３間にイオンは通すが電子は通さないセパレータ１４を配して積層されている。セパレータ１４は各電極１１、１２，１３を電気的に短絡するのを防止すると共に、電解液を保持する役割を果たす。セパレータ１４をその間に配した各電極を積層して電極スタック１０を構成することが可能である。電極の枚数を調整することにより、コアユニットの規模を調節することができる。

正極１１、負極１２および中間電極１３は、それぞれ、端部に外部機器との接続端子１１ｔ、１２ｔおよび１３ｔを有している。接続端子１１ｔ、１２ｔ、１３ｔは、それぞれ、電線２１ａ，２１ｂ，２１ｃでスイッチユニット２１に接続されている。

負極１２は、負極１２の電極面に開口した水素流通口１８を有している。また、正極１１は、正極１１の電極面に開口した酸素流通口１７を有している。水素流通口１８は配管３４ａにより、水素ガス貯蔵室３４に接続されている。酸素流通口１７は配管３３ａにより、酸素ガス貯蔵室３３に接続されている。これにより、負極は水素ガスに接触した状態になっており、正極は酸素ガスに接触した状態になっている。

コアユニット２０には各電極およびセパレータに面した電解液リザーバ１９を有しており、配管３５ａにより電解液タンク３５に接続されている。これにより、各電極およびセパレータは電解液に接触した状態になっている。

上記のように構成されたコアユニットの動作について、燃料電池作動モードと燃料ガス発生モードと２つのモードに分けて説明する。前者は燃料電池の場合であり、後者は水電解装置の場合である。

（燃料電池作動モード）
燃料電池作動モードは、水素ガス貯蔵室３４および酸素ガス貯蔵室３３にそれぞれ貯蔵された水素ガスおよび酸素ガスにより発電を行うモードである。すなわち、負極１２は水素ガスにより充電状態にあり、正極１１は酸素ガスにより充電状態にある。このとき、負極１２における酸化反応と、中間電極１３における還元反応により、中間電極１３が放電する。一方、正極１１における還元反応と、中間電極１３における酸化反応により、中間電極１３が充電される。このとき、コアユニット２０は燃料電池として動作する。図２は燃料電池作動モードにおける各電極の反応サイクルを示したチャートである。水素ガスおよび酸素ガスは、後述する燃料ガス発生モードで蓄えた水素ガスおよび酸素ガスを使用してもよく、他所で製造された水素ガスおよび酸素ガスを使用してもよい。以下、燃料電池作動モードについて、反応式を用いて説明を行う。

負極１２は水素ガス貯蔵室３４に貯えられた水素ガスにより充電される。その反応式を（１）式に示す。
２Ｍ＋Ｈ_２ → ２ＭＨ（１）
また正極１１は酸素ガス貯蔵室３３に貯えられた酸素ガスにより充電される。その反応式を（２）式に示す。
２ＭｎＯＯＨ＋１/２Ｏ_２ → ２ＭｎＯ_２＋Ｈ_２Ｏ（２）
負極１２および正極１１が充電状態にあれば、コアユニット２０は燃料電池として発電することができる。このことを以下に説明する。

（ステップ１）
充電状態にある負極１２および中間電極１３が放電をする。
反応式で示すと、中間電極１３の放電は、負極１２における酸化反応と、中間電極１３における還元反応により進む。この反応は図２の（＊１）で示すサイクルに図示されている。
負極１２の反応式は、（３）式となる。
ＭＨ＋ＯＨ－ → Ｍ＋Ｈ_２Ｏ＋ｅ- （３）
一方、中間電極１３の反応式は、（４）式となる。
ＮｉＯＯＨ + Ｈ_２Ｏ + ｅ- → Ｎｉ（ＯＨ）_２ + ＯＨ- （４）
(３)式において放電した負極１２は、水素ガスにより直ちに充電されることは（１）式に示す通りである。

このとき、水素吸蔵状態の負極１２（ＭＨ）の標準電極電位は－０．８Ｖであり、オキシ水酸化ニッケル（ＮｉＯＯＨ）の標準電極電位は＋０．４８Ｖであるので、負極１２と中間電極１３の電位差は、０．４８－（－０．８）＝１．２８Ｖとなる。

（ステップ２）
充電状態にある正極１１が放電し、中間電極１３が充電する。
反応式で示すと、正極１１における還元反応と、中間電極１３における酸化反応により、中間電極１３が充電される。この反応は図２の（＊２）で示すサイクルに図示されている。
正極１１の反応式は（５）式となる。
ＭｎＯ_２＋Ｈ_２Ｏ＋ｅ- → ＭｎＯＯＨ + ＯＨ- （５）
一方、中間電極１３の反応式は、（６）式となる。
Ｎｉ（ＯＨ）_２ + ＯＨ- → ＮｉＯＯＨ + Ｈ_２Ｏ + ｅ- （６）
(５)式において放電した正極１１は、酸素ガスにより直ちに充電されることは（２）式に示す通りである。
ステップ１とステップ２を含めた、正極１１、中間電極１３および負極１２の全反応は（７）式となる。
Ｈ_２＋１／２Ｏ_２ → Ｈ_２Ｏ（７）

このとき、充電状態にある正極１１（ＭｎＯ_２）の標準電極電位は＋０．１５Ｖであり、水酸化ニッケル（Ｎｉ（ＯＨ）_２）の標準電極電位を０Ｖとすれば、正極１１と中間電極１３との電位差は、０．１５－０＝０．１５Ｖとなる。したがって、ステップ１における電位差と合わせて、本発明において、正極１１と負極１２間の電位差は、最大で０．１５＋１．２８＝１．４２Ｖとなる。この電位差は従来の燃料電池に比べて大きいので、本発明に係る燃料電池は発電効率において従来の燃料電池と比べて優れているといえる。

燃料電池作動モードについて図３を用いて各電極の通電方法を説明する。正極１１、負極１２および中間電極１３は、切換スイッチ２８を介して、トランス２９に接続されている。切換スイッチ２８は、第１端子ａ、第２端子ｂおよび共通端子ｃを有する。共通端子ｃはトランス２９の一端に接続され、第１端子ａは第１ダイオード２６を介して負極１２に接続され、第２端子ｂは第２ダイオード２７を介して正極１１に接続されている。中間電極１３は直接トランス２９の他端に接続されている。切換スイッチ２８を動作させることにより、共通端子ｃが第１端子ａもしくは第２端子ｂに選択的に接続される。なお、第１ダイオード２６は負極１２への電流の流入を阻止する向きに取付けられており、第２ダイオード２７は正極１１からの電流の流出を阻止する向きに取付けられている。

負極１２と中間電極１３が反応を行うステップ１において、切換スイッチ２８は、共通端子ｃが第１端子ａに接続される。正極１１と中間電極１３が反応を行うステップ２において、切換スイッチ２８は、共通端子ｃが第２端子ｂに接続される。この切換動作により、燃料電池が生成する電圧の波形の一例を図４に示す。図４において、縦軸は中間電極１３を基準にした電位差を示し、横軸は時間を示す。本実施形態では切換動作は６０Ｈｚで行った。図４では矩形波で示されているが実際は各電極における反応の進み具合に応じた正弦波に近い波形となる。また、負側のピーク電位は約０．１Ｖ，正側のピーク電位は約１．２Ｖとなる。つまり、燃料電池の発生電圧は１．３Ｖ程度となる。

上記の説明の通り、トランス２９の一次側両端には６０Ｈｚの交番電界が作用することになる。トランス２９の一次側と二次側は直流的に絶縁されているので、トランス２９の二次側には直流成分を有さない交流電圧が発生する。すなわち、トランス２９から交流電力を取出すことができる。このトランス２９は、一次側に有していた直流成分をカットする働きを有すると共に、発生する電圧の大きさを変えることができる。

（燃料ガス発生モード）
燃料ガス発生モードは、電極反応を利用して水素ガスと酸素ガスが発生するモードである。このモードでは、負極１２からは水素ガスが、正極１１からは酸素ガスがそれぞれ発生するが、これら水素ガスおよび酸素ガスは、互いに接触することなく、別個に水素ガス貯蔵室３４および酸素ガス貯蔵室３３にそれぞれ貯蔵される。
燃料ガス発生モードについて、水素ガス発生ステップと酸素ガス発生ステップに分けて、反応式を用いて説明を行う。

（ステップ１）
ステップ１は水素発生反応ステップである。負極１２に直流電源（図示せず）のマイナス極を接続し、中間電極１３にプラス極を接続して負極１２の充電を行った場合、負極１２の反応式は（８）式となる。
２Ｍ＋２Ｈ_２Ｏ＋２ｅ- → ２ＭＨ＋２ＯＨ- （８）
なお、式中Ｍは水素吸蔵合金を表す。そして、負極１２が満充電になり水素吸蔵合金が水素を吸蔵しなくなると、（９）式の反応式により負極１２から水素が発生する。
このとき、負極１２の全反応式は（９）式となる。
２Ｈ_２Ｏ＋２ｅ- → ２ＯＨ- ＋Ｈ_２（９）
一方、中間電極１３は、水酸化イオンを取り込んで充電され、反応式は（１０）式となる。
２Ｎｉ（ＯＨ）_２ + ２ＯＨ- → ２ＮｉＯＯＨ + ２Ｈ_２Ｏ + ２ｅ-（１０）
中間電極１３が満充電となると、反応を停止する。
このとき、中間電極１３と負極１２の全反応式は、（９）式と（１０）式から（１１）式となる。
２Ｎｉ（ＯＨ）_２ → ２ＮｉＯＯＨ + Ｈ_２（１１）

（ステップ２）
ステップ２は酸素発生反応ステップである。中間電極１３に直流電源のプラス極を接続し、正極１１にマイナス極を接続した場合、正極１１の反応式は（１２）式となる。
ＭｎＯＯＨ + ＯＨ- → ＭｎＯ_２ + Ｈ_２Ｏ + ｅ- （１２）
ここで、正極１１は酸素ガスに接触しており満充電状態なので、このとき（１３）式の反応式により正極１１から酸素が発生する。
２ＯＨ- → ２ｅ- + Ｈ_２Ｏ + １／２Ｏ_２（１３）
一方、中間電極１３の反応式は（１４）式となる。
２ＮｉＯＯＨ + ２Ｈ_２Ｏ + ２ｅ- → ２Ｎｉ（ＯＨ）_２ + ２ＯＨ-（１４）
そして、正極１１と中間電極１３の満充電前の全反応式は、
（１２）式と（１４）式から次式となる。
ＭｎＯＯＨ＋ＮｉＯＯＨ → ＭｎＯ_２＋Ｎｉ（ＯＨ）_２
一方、正極１１と中間電極１３の全反応式は（１３）式と（１４）式から（１５）式となる。
２ＮｉＯＯＨ + Ｈ_２Ｏ → ２Ｎｉ（ＯＨ）_２ + １／２Ｏ_２（１５）
ステップ１とステップ２を含めた、負極１２、中間電極１３および正極１１の全反応式は（１６）式となる。
Ｈ_２Ｏ → Ｈ_２＋１／２Ｏ_２（１６）

以降、ステップ１を実施することにより負極１２からは水素ガスが発生し、発生した水素ガスは水素ガス貯蔵室３４に貯えられる。また、ステップ２を実施することにより正極１１からは酸素ガスが発生し、発生した酸素ガスは酸素ガス貯蔵室３３に貯えられる。
上記水素発生反応ステップの特徴は、酸素発生反応において水を電気分解して生じた水素を水素吸蔵合金に貯えておき、電極の酸化還元反応を利用して水素を取り出すことにある。

上記ステップ１とステップ２の反応を交互に繰り返し行うことにより、水素ガスと酸素ガスとを時間差をおいて発生させることができる。時間差を設けることにより、水素と酸素を高い純度を維持した状態で簡単かつ安全に分離・捕集することができる。ここで注目すべきことは、水素および酸素の発生量はそれぞれ（９）式および（１５）式で示す通り、水素吸蔵合金および二酸化マンガンの量により規制されるところ、ステップ１とステップ２とを繰り返すことにより、水素および酸素の発生を継続的に行うことができる。つまり、正極１１に安価な二酸化マンガンを導入することにより、反応に必要な水酸化ニッケルの量を減らすことが可能となる。

ステップ１とステップ２のモード切換について、図１を用いて説明する。スイッチユニット２１にはモード選択スイッチ（図示せず）が内蔵されており、接続端子１１ｔ、１２ｔ、１３ｔは、スイッチユニット２１に収納されている直流電源に選択的に接続可能になっている。具体的には、ステップ１の水素発生反応ステップでは、直流電源のマイナス側が負極１２に接続され、プラス側が中間電極１３に接続される。ステップ２の酸素発生反応ステップでは、直流電源のマイナス側が中間電極１３に接続され、プラス側が正極１１に接続される。

本発明に係る空調設備の典型的な実施形態について、水電解装置を用いた冷房設備と燃料電池を用いた暖房設備について説明する。

図５はコアユニット２０における電解液の流れを説明する図である。電解液は電解液タンク３５から電解液ポンプ３６によりコアユニット２０の電解液リザーバ１９に流れ、コアユニット２０内のセパレータおよび電極に供給される。水電解装置の水電解反応で冷却された電解液は熱交換器Ｓ１で圧縮機からの空気と熱交換して加熱される。また、燃料電池の発電反応で加熱された電解液は熱交換器Ｆ１で圧縮機からの空気と熱交換して減温される。

（水電解装置を用いた冷房設備）
図６は、水電解装置を用いた冷房設備の物質とエネルギーのフローを説明する図である。水電解装置５２における水電解反応で冷却された電解液は熱交換器Ｓ１で圧縮機５５からの空気と熱交換して加熱される。すなわち、４０℃の大気が圧縮機５５にて断熱圧縮されて１２０℃となる。１２０℃の空気（大気）と８０℃の電解液リザーバ５４からの電解液が熱交換器Ｓ１で熱交換して、それぞれ、８０℃の空気と１００℃の電解液になる。熱交換器Ｓ１はシェル＆チューブタイプのものであってもよい。

熱交換器Ｓ１で８０℃に温度が低下した大気であった空気は熱交換器Ｓ２で屋内空気と熱交換して冷却されて２５℃となる。一方、２５℃の屋内空気は、熱交換器Ｓ２において熱交換器Ｓ１から出た空気と熱交換して８０℃に昇温する。熱交換器Ｓ２を出た８０℃に昇温した屋内空気は温水タンク５９に暖房用および給湯用の温熱源として蓄えられる。熱交換器Ｓ２はシェル＆チューブタイプのものであってもよい。

熱交換器Ｓ２を出た熱交換器Ｓ１からの空気は膨脹タービン５６に導かれて断熱膨張して２５℃から－５０℃に低下して氷蓄熱タンク５８に冷房および冷蔵用の冷熱源として蓄えられる。

水電解装置５２は、例えば太陽電池５１から電力の供給を受けて、水素ガスと酸素ガスを発生する。水電解装置５２の電源として再生可能エネルギーを利用すればカーボンニュートラルに資することができる。太陽電池５１からの１００ｋＷのエネルギーは１２０ｋＷの水素ガスとして水素貯蔵室５３に蓄えられる。

圧縮機５５と膨脹タービン５６は同軸に構成されており、これに電動機５７が同軸に接続されている。高圧の空気が膨脹タービンでする仕事は同軸構成となっている圧縮機の駆動に資することにより圧力エネルギーの回収を図っている。電動機５７は圧縮機５５と膨脹タービン５６のそれぞれの効率の積から算出されるロス分を補う役割を果たす。

（燃料電池を用いた暖房設備）
図７は燃料電池を用いた暖房設備の物質とエネルギーのフローを説明する図である。電解液は燃料電池６０の発電過程で６０℃から８０℃に加熱される。更に、電解液は電解液リザーバ６２を経由して熱交換器Ｆ１に流れ、熱交換器Ｆ１で冷却され６０℃となる。燃料電池６０の燃料となる水素は水素貯蔵室６１から供給される。

０℃の大気は圧縮機５５にて断熱圧縮されて１２０℃となる。１２０℃となった大気は熱交換器Ｆ２で２５℃の屋内空気と熱交換をして２５℃に温度が下がる。熱交換器Ｆ２を出た高圧の空気は熱交換器Ｆ１で電解液リザーバ６２からの電解液と熱交換をして５０℃に昇温して、膨脹タービン５６で断熱膨張して－５０℃の空気となる。－５０℃となった空気は氷蓄熱タンク５８に冷房および冷蔵用の冷熱源として蓄えられる。熱交換器Ｆ１はシェル＆チューブタイプのものであってもよい。

一方、２５℃の屋内空気は圧縮機５５で断熱圧縮され高温となった空気と熱交換して１２０℃に昇温する。１２０℃に昇温した屋内空気は温水タンク５９に暖房用および給湯用の温熱源として蓄えられる。

燃料電池６０は、水電解装置５２で製造された水素ガスおよび酸素ガスを燃料として発電してもよい。燃料電池６０で発電された電力は蓄電池６３に蓄えられる。蓄電池６３は水電解装置５２の電源として使用してもよい。

本発明の空調設備は、産業用および民生用の空調設備として、好適に用いることができる。

１０電極スタック
１１正極（１１ｔ：接続端子）
１２負極（１２ｔ：接続端子）
１３中間電極（１３ｔ：接続端子）
１４セパレータ
１７酸素流通口
１８水素流通口
１９電解液リザーバ
２０コアユニット
２１スイッチユニット
２６第１ダイオード
２７第２ダイオード
２８切換スイッチ
２９トランス
３３酸素ガス貯蔵室
３４水素ガス貯蔵室
３５電解液タンク
３６電解液ポンプ
５１太陽電池
５２水電解装置
５３水素貯蔵室
５４電解液リザーバ
５５圧縮機
５６膨脹タービン
５７電動機
５８氷蓄熱タンク
５９温水タンク
６０燃料電池
６１水素貯蔵室
６２電解液リザーバ
６３蓄電池
Ｆ１熱交換器
Ｆ２熱交換器
Ｓ１熱交換器
Ｓ２熱交換器

Claims

水素吸蔵合金を含む負極と、
二酸化マンガンを含む正極と、
前記負極と前記正極の間に配された水酸化ニッケルを含む中間電極とを有し、燃料電池である燃料電池作動モード及び水電解装置である燃料ガス発生モードとして動作するコアユニットを備え、
前記コアユニットにおいて、電解液が前記正極、前記負極、および前記中間電極と接触しており、
燃料ガス発生モードにおける水電解時に冷却された前記電解液である第１電解液による冷房、および、燃料電池作動モードにおける燃料電池の発電時の反応熱により加熱された前記電解液である第２電解液による暖房を行う空調設備。
前記負極が水素吸蔵合金を含み、
前記正極が二酸化マンガンを含み、
前記中間電極が水酸化ニッケルを含む、
請求項１に記載の空調設備。
前記負極、前記正極および前記中間電極がニッケル粉および固体電解質を含んでいる請求項２に記載の空調設備。
圧縮機により圧縮された空気と前記第１電解液とが熱交換することにより前記第１電解液が加熱されるとともに前記圧縮後の空気が冷却される請求項３に記載の空調設備。
前記圧縮機と、
前記圧縮した空気を膨張する膨張機とが同軸に構成されていて、
前記第１電解液と熱交換後の空気が前記膨張機において膨張することにより前記圧縮機を駆動する請求項４に記載の空調設備。
前記膨張機から排出された空気が冷熱源に供給され、屋内空気と前記第１電解液と熱交換後の空気とが熱交換することにより前記屋内空気が加熱されて温熱源に供給される請求項５に記載の空調設備。
空気を圧縮する圧縮機と、
圧縮した前記空気を膨張する膨張機とが同軸に構成されていて、
圧縮後の前記空気と屋内空気とが熱交換することにより前記圧縮後の空気が冷却されるとともに前記屋内空気が加熱されて加熱後の前記屋内空気が温熱源に供給される請求項３に記載の空調設備。
前記屋内空気と熱交換により冷却された空気と前記第２電解液とが熱交換することにより前記屋内空気と熱交換により冷却された空気が加熱されるとともに前記第２電解液が冷却される請求項７に記載の空調設備。
前記第２電解液と熱交換後の空気が前記膨張機において膨張することにより前記圧縮機を駆動するとともに前記膨張機を出た空気が冷熱源に供給される請求項８に記載の空調設備。
前記第１電解液が前記水電解装置内を循環流通し、前記第２電解液が前記燃料電池内を循環流通する請求項１～９のいずれかに記載の空調設備。
水素吸蔵合金を含む負極と、
二酸化マンガンを含む正極と、
前記負極と前記正極の間に配され水酸化ニッケルを含む中間電極とを有し、燃料電池である燃料電池作動モード及び水電解装置である燃料ガス発生モードとして動作するコアユニットにおいて、電解液が前記正極、前記負極、および前記中間電極と接触しており、
燃料ガス発生モードにおける水電解時に冷却された前記電解液である第１電解液を用いた冷房、および、燃料電池作動モードにおける燃料電池の発電時の反応熱により加熱された前記電解液である第２電解液を用いた暖房を行う空調方法。