JP7520316B2 - 蓄エネルギー装置 - Google Patents
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Description
本発明は、固体電解質を有する燃料電池本体を利用した蓄エネルギー装置に関する。
発電装置によって発電される電力量（以下、「発電電力量」という）と需要される電力量（以下、「需要電力量」という）とは、必ずしも一致しない。このため、電力が余剰したり（発電電力量－需要電力量>０）、電力が不足したり（発電電力量－需要電力量<０）する場合がある。特に、太陽光発電装置や風力発電装置といった再生可能エネルギーを利用した発電装置は、余剰する電力量や、不足する電力量が多い。
そこで、近年、余剰する電力を充電したり、不足する電力を補うために放電したりすることができる蓄エネルギー装置が注目されている。蓄エネルギー装置として、リチウム材料を負極に用いた非水電解質二次電池が開発されている（例えば、特許文献１）。
上記特許文献１のような非水電解質二次電池は、充電によって得られるエネルギーが時間の経過とともに減少してしまうという課題がある。したがって、充電によって得られるエネルギーを長期間安定して貯蔵できる技術の開発が希求されている。
本発明は、このような課題に鑑み、充電によって得られるエネルギーを長期間安定して貯蔵することが可能な蓄エネルギー装置を提供することを目的としている。
上記課題を解決するために、本発明に係る蓄エネルギー装置は、燃料極と、空気極と、燃料極と空気極との間に設けられ、酸化物イオン伝導性を有する固体酸化物を含む電解質部とを有する燃料電池本体と、燃料極に連通され、水素、水、および、二酸化炭素を少なくとも保持する燃料タンクと、空気極に連通され、少なくとも酸素を含む酸素含有ガスを保持する酸素タンクと、空気極に供給される酸素含有ガスと、空気極から排気される空気極排気ガスとを熱交換させる第１空気極熱交換器と、燃料極に供給される水と、空気極から排気される空気極排気ガスとを熱交換させる第２空気極熱交換器と、外部から受電して燃料電池本体によって水を電気分解する充電モードと、燃料電池本体を放電させる放電モードとを切り換えるモード切換部と、を備え、燃料タンクは、充電モードにおいて生じる水素、および、放電モードにおいて生じる水を少なくとも保持し、モード切換部は、充電モードにおいて、第１空気極熱交換器への空気極排気ガスの供給を停止して、空気極排気ガスを第２空気極熱交換器に供給し、放電モードにおいて、第２空気極熱交換器への空気極排気ガスの供給を停止して、空気極排気ガスを第１空気極熱交換器に供給する。
また、蓄エネルギー装置は、燃料極に供給されるガスと、燃料極から排気される燃料極排気ガスとを熱交換させる第１熱交換器を備えてもよい。
本発明によれば、充電によって得られるエネルギーを長期間安定して貯蔵することが可能となる。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
［第１の実施形態：蓄エネルギー装置１００］
図１は、第１の実施形態にかかる蓄エネルギー装置１００を説明する図である。図１に示すように、蓄エネルギー装置１００は、燃料電池本体１１０と、燃料タンク１２０と、燃料供給部１３０と、排気部１４０と、酸素タンク１５０と、酸素供給管１５２と、第２排気管１５４と、第１熱交換器１６０と、第２熱交換器１６２と、第３熱交換器１６４と、中央制御部１７０とを含む。図１中、破線の矢印は、信号の流れを示す。なお、図を簡明化するために、図１中、モード切換部１７２から、ブロワ１３４、１４４、開閉弁１３６、１４６への信号の流れを示す破線の図示を省略する。
図１は、第１の実施形態にかかる蓄エネルギー装置１００を説明する図である。図１に示すように、蓄エネルギー装置１００は、燃料電池本体１１０と、燃料タンク１２０と、燃料供給部１３０と、排気部１４０と、酸素タンク１５０と、酸素供給管１５２と、第２排気管１５４と、第１熱交換器１６０と、第２熱交換器１６２と、第３熱交換器１６４と、中央制御部１７０とを含む。図１中、破線の矢印は、信号の流れを示す。なお、図を簡明化するために、図１中、モード切換部１７２から、ブロワ１３４、１４４、開閉弁１３６、１４６への信号の流れを示す破線の図示を省略する。
燃料電池本体１１０は、キャリアを酸化物イオン（Ｏ２－）とする固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）である。燃料電池本体１１０は、燃料極１１２と、空気極１１４と、電解質部１１６とを含む。
燃料極１１２は、例えば、ＮｉおよびＮｉ化合物（例えば、ＮｉＯ）のいずれか一方または両方を含むサーメット材料で構成される。燃料極１１２は、多孔体である。
空気極１１４は、電子伝導性を有する酸化物を含む。電子伝導性を有する酸化物は、例えば、ランタンマンガナイト（ＬＳＭ）、ストロンチウムドープトランタンコバルタイトフェライト（ＬＳＣＦ）、および、ストロンチウムドープトランタンコバルタイト（ＬＳＣ）のうち、少なくとも１つを含む。空気極１１４は、多孔体である。
電解質部１１６は、燃料極１１２と空気極１１４との間に設けられる。電解質部１１６は、酸化物イオン伝導性を有する固体酸化物（例えば、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア））を含む。
燃料タンク１２０には、水素吸着剤が収容されており、燃料タンク１２０は、水素（Ｈ２）および水蒸気（水（Ｈ２Ｏ））を貯留（保持）する。水素吸着剤は、例えば、セラミックやゼオライトの多孔体、または、水素吸蔵合金である。燃料タンク１２０が水素吸着剤を備えることにより、燃料タンク１２０は、小さい容積で大量の水素を貯留することができる。また、燃料タンク１２０は、不図示の保温設備によって所定の温度（例えば、５００℃）に保持される。なお、燃料タンク１２０を蓄熱材で覆うことにより、保温設備を省略することができる。
燃料供給部１３０は、燃料タンク１２０に貯留された水素および水蒸気のいずれか一方または両方を燃料極１１２に供給する。燃料供給部１３０は、燃料供給管１３２と、ブロワ１３４と、開閉弁１３６とを含む。燃料供給管１３２は、燃料タンク１２０と、燃料極１１２の供給口（または、供給マニホールド）とを接続（連通）する。ブロワ１３４は、燃料供給管１３２に設けられる。ブロワ１３４は、吸入側が燃料タンク１２０に接続され、吐出側が燃料極１１２に接続される。開閉弁１３６は、燃料供給管１３２におけるブロワ１３４と燃料極１１２との間に設けられる。開閉弁１３６は、燃料供給管１３２に形成される流路を開放したり、遮断したりする。
排気部１４０は、燃料極１１２から燃料極排気ガスを排気する。排気部１４０は、第１排気管１４２と、ブロワ１４４と、開閉弁１４６とを含む。第１排気管１４２は、燃料極１１２の排気口（または、排気マニホールド）と、燃料タンク１２０とを接続（連通）する。ブロワ１４４は、第１排気管１４２に設けられる。ブロワ１４４は、吸入側が燃料極１１２に接続され、吐出側が燃料タンク１２０に接続される。開閉弁１４６は、第１排気管１４２におけるブロワ１４４と燃料タンク１２０との間に設けられる。開閉弁１４６は、第１排気管１４２に形成される流路を開放したり、遮断したりする。
酸素タンク１５０は、酸素（Ｏ２）を貯留（保持）する。酸素タンク１５０は、不図示の保温設備によって所定の温度（例えば、５００℃）に保持される。なお、酸素タンク１５０を蓄熱材で覆うことにより、保温設備を省略することができる。
酸素供給管１５２は、酸素タンク１５０と、空気極１１４の供給口（または、供給マニホールド）とを接続（連通）する。第２排気管１５４は、空気極１１４の排気口（または、排気マニホールド）と、酸素タンク１５０とを接続（連通）する。
第１熱交換器１６０は、燃料極１１２に供給されるガス（水素、水蒸気）と、燃料極１１２から排気される燃料極排気ガスとを熱交換させる。本実施形態において、第１熱交換器１６０は、燃料供給管１３２を通過するガスと、第１排気管１４２を通過する燃料極排気ガスとを熱交換させる。
第２熱交換器１６２は、空気極１１４に供給される酸素と、空気極１１４から排気される空気極排気ガスとを熱交換させる。本実施形態において、第２熱交換器１６２は、酸素供給管１５２を通過する酸素と、第２排気管１５４を通過する空気極排気ガスとを熱交換させる。
第３熱交換器１６４は、空気極１１４から排気される空気極排気ガスと、燃料供給管１３２を通過する水蒸気とを熱交換させる。本実施形態において、蓄エネルギー装置１００は、第２排気管１５４における空気極１１４と第２熱交換器１６２との間に三方弁１６６を備える。また、蓄エネルギー装置１００は、第２排気管１５４における第２熱交換器１６２と酸素タンク１５０との間と、三方弁１６６とを接続するバイパス管１６８を備える。そして、第３熱交換器１６４は、バイパス管１６８に設けられる。第３熱交換器１６４は、第２排気管１５４を通過する空気極排気ガスと、燃料供給管１３２を通過する水蒸気とを熱交換させる。
中央制御部１７０は、ＣＰＵ（中央処理装置）を含む半導体集積回路で構成される。中央制御部１７０は、ＲＯＭからＣＰＵ自体を動作させるためのプログラムやパラメータ等を読み出す。中央制御部１７０は、ワークエリアとしてのＲＡＭや他の電子回路と協働して蓄エネルギー装置１００全体を管理および制御する。本実施形態において、中央制御部１７０は、モード切換部１７２として機能する。
モード切換部１７２は、燃料電池本体１１０の運転モードを充電モードと、放電モードとに切り換える。以下、本実施形態の充電モードおよび放電モードについて詳述する。
［充電モード］
図２は、第１の実施形態の充電モードにおけるガスの流れを説明する図である。図２中、実線の矢印は、ガスの流れを示す。また、図２中、三方弁１６６の閉弁状態を黒い塗りつぶしで示す。充電モードは、外部から受電して燃料電池本体１１０によって水を電気分解する運転モードである。
図２は、第１の実施形態の充電モードにおけるガスの流れを説明する図である。図２中、実線の矢印は、ガスの流れを示す。また、図２中、三方弁１６６の閉弁状態を黒い塗りつぶしで示す。充電モードは、外部から受電して燃料電池本体１１０によって水を電気分解する運転モードである。
図２に示すように、運転モードを充電モードに設定する場合、モード切換部１７２は、燃料供給部１３０、および、排気部１４０を駆動する。具体的に説明すると、モード切換部１７２は、開閉弁１３６、１４６を開弁し、ブロワ１３４、１４４を駆動する。また、モード切換部１７２は、三方弁１６６を第２排気管１５４とバイパス管１６８とを接続する（第２熱交換器１６２をバイパスさせる）位置に移動させる。つまり、モード切換部１７２は、空気極排気ガスが第３熱交換器１６４を通過するように三方弁１６６を切り換える。また、モード切換部１７２は、電力供給源１０から燃料電池本体１１０に電力を供給させる。つまり、モード切換部１７２は、燃料電池本体１１０と電力供給源１０とを通電させる。電力供給源１０は、例えば、太陽光発電装置、水力発電装置、風力発電装置等の再生可能エネルギーを利用した発電装置である。
そうすると、燃料タンク１２０から燃料極１１２に水蒸気Ｗが供給され、受電した電力によって、下記式（１）に示す反応が進行する。
Ｈ２Ｏ ＋ ２ｅ－ → Ｈ２ ＋ Ｏ２－ …式（１）
Ｈ２Ｏ ＋ ２ｅ－ → Ｈ２ ＋ Ｏ２－ …式（１）
そして、酸化物イオン（Ｏ２－）が電解質部１１６を伝導（移動）することにより、空気極１１４において、下記式（２）に示す反応が進行する。
Ｏ２－ → １／２Ｏ２ ＋ ２ｅ－ …式（２）
Ｏ２－ → １／２Ｏ２ ＋ ２ｅ－ …式（２）
こうして、充電モードにおいて、燃料極１１２で水素が生成される（上記式（１））。燃料極１１２で生成された水素は、燃料極排気ガスとしてブロワ１４４によって吸引され、燃料タンク１２０に導かれる。そして、燃料タンク１２０に貯留された水素は、後述する放電モードで利用される。なお、燃料極排気ガスには、燃料極１１２において未反応であった水蒸気も含まれる。
また、上記したように、充電モードにおいて、空気極１１４で酸素が生成される（上記式（２））。空気極１１４で生成された酸素は、空気極排気ガスとして酸素タンク１５０に導かれる。そして、酸素タンク１５０に貯留された酸素は、後述する放電モードで利用される。また、第３熱交換器１６４は、空気極排気ガスが有する熱を、水の気化器および水蒸気のいずれか一方または両方に付与することができる。したがって、蓄エネルギー装置１００は、水蒸気Ｗの発生（気化熱）および水蒸気の加熱（予熱）のいずれか一方または両方に要するエネルギーを削減することが可能となる。なお、充電モードでは、空気極１１４において、ガス（酸素）は消費されないが、酸素が生成される（上記式（２））。したがって、酸素供給管１５２と、第２排気管１５４との間（酸素タンク１５０と、空気極１１４との間）で酸素の濃度差（差圧）が生じ、空気極１１４から酸素タンク１５０へ自動的に酸素が移動することになる。
［放電モード］
図３は、第１の実施形態の放電モードにおけるガスの流れを説明する図である。図３中、実線の矢印は、ガスの流れを示す。また、図３中、三方弁１６６の閉弁状態を黒い塗りつぶしで示す。放電モードは、燃料電池本体１１０を放電させる運転モードである。
図３は、第１の実施形態の放電モードにおけるガスの流れを説明する図である。図３中、実線の矢印は、ガスの流れを示す。また、図３中、三方弁１６６の閉弁状態を黒い塗りつぶしで示す。放電モードは、燃料電池本体１１０を放電させる運転モードである。
図３に示すように、運転モードを放電モードに設定する場合、モード切換部１７２は、燃料供給部１３０、および、排気部１４０を駆動する。具体的に説明すると、モード切換部１７２は、開閉弁１３６、１４６を開弁し、ブロワ１３４、１４４を駆動する。つまり、モード切換部１７２は、充電モードであっても放電モードであっても開閉弁１３６、１４６を開弁し、ブロワ１３４、１４４を駆動する。また、モード切換部１７２は、三方弁１６６を第２排気管１５４と第２熱交換器１６２とを接続する（第３熱交換器１６４をバイパスさせる）位置に移動させる。つまり、モード切換部１７２は、空気極排気ガスが第２熱交換器１６２を通過するように三方弁１６６を切り換える。
また、モード切換部１７２は、放電モードにおいて、燃料電池本体１１０を負荷１２に接続する。つまり、モード切換部１７２は、充電モードにおいて、燃料電池本体１１０に電力供給源１０を接続し、放電モードにおいて、燃料電池本体１１０に負荷１２を接続する。
そうすると、充電モードにおいて燃料極１１２において生成され、燃料タンク１２０に貯留された水素が燃料極１１２に供給されて、下記式（３）に示す反応が進行する。
Ｈ２ ＋ Ｏ２－ → Ｈ２Ｏ ＋ ２ｅ－ …式（３）
Ｈ２ ＋ Ｏ２－ → Ｈ２Ｏ ＋ ２ｅ－ …式（３）
また、充電モードにおいて空気極１１４において生成され、酸素タンク１５０に貯留された酸素が空気極１１４に供給されて、下記式（４）に示す反応が進行する。
１／２Ｏ２ ＋ ２ｅ－ → Ｏ２－ …式（４）
１／２Ｏ２ ＋ ２ｅ－ → Ｏ２－ …式（４）
そして、酸化物イオン（Ｏ２－）が電解質部１１６を伝導（移動）することにより、燃料電池本体１１０が発電する。こうして、発電された電力は、燃料電池本体１１０に接続された負荷１２に供給される。
また、放電モードにおいて、燃料極１１２で水（水蒸気Ｗ）が生成される（上記式（３））。燃料極１１２で生成された水蒸気Ｗは、燃料極排気ガスとしてブロワ１４４によって吸引され、燃料タンク１２０に導かれる。こうして、燃料タンク１２０に導かれた水は、充電モードにおける水蒸気Ｗ（水）の電気分解に利用される。なお、燃料極排気ガスには、燃料極１１２において未反応であった水素も含まれる。
また、放電モードでは、空気極１１４において、酸素が消費されるものの、ガス（酸素）は生成されない（上記式（４））。したがって、酸素供給管１５２と、第２排気管１５４との間（酸素タンク１５０と、空気極１１４との間）で酸素の濃度差（差圧）が生じ、酸素タンク１５０から空気極１１４へ自動的に酸素が移動することになる。
また、放電モードにおいて、空気極１１４から排気される空気極排気ガスには、空気極１１４において未反応であった酸素が含まれる。空気極排気ガスは、第２熱交換器１６２を通過した後、酸素タンク１５０に導かれる。
以上説明したように、本実施形態の蓄エネルギー装置１００は、燃料電池本体１１０の燃料極１１２に連通された燃料タンク１２０を備える。したがって、蓄エネルギー装置１００は、充電モードにおいて水蒸気Ｗを電気分解することで得られた水素を燃料タンク１２０に貯蔵することが可能となる。つまり、蓄エネルギー装置１００は、充電によって得られるエネルギーを水素に変換して、長期間安定して貯蔵することができる。
また、蓄エネルギー装置１００は、燃料極１１２と燃料タンク１２０とを連通する第１排気管１４２を備える。したがって、放電モードにおいて燃料極１１２で未反応であった水素を燃料タンク１２０に返送することができる。つまり、蓄エネルギー装置１００は、未利用の水素が外部に廃棄されてしまう事態を回避することができる。したがって、蓄エネルギー装置１００は、水素の利用率を実質的に１００％とすることが可能となる。
また、蓄エネルギー装置１００は、酸素タンク１５０と、空気極１１４と酸素タンク１５０とを連通する酸素供給管１５２および第２排気管１５４とを備える。上記したように、充電モードにおいて、空気極１１４で酸素が生成されるものの、ガスの消費はない。一方、放電モードにおいて、空気極１１４で酸素が消費されるものの、ガスの生成はない。したがって、蓄エネルギー装置１００は、空気極１１４に連通された酸素タンク１５０を備えることにより、差圧のみで酸素を空気極１１４に移動させたり、酸素タンク１５０に移動させたりすることができる。これにより、蓄エネルギー装置１００は、酸素を移動するための専用のブロワを省略することが可能となる。
また、上記したように、蓄エネルギー装置１００は、第１熱交換器１６０を備える。これにより、第１熱交換器１６０は、燃料極排気ガスが有する熱を、水素、および、水蒸気Ｗに付与することができる。したがって、蓄エネルギー装置１００は、水素、および、水蒸気Ｗの加熱に要するエネルギーを削減することが可能となる。
同様に、蓄エネルギー装置１００は、第２熱交換器１６２を備える。これにより、第２熱交換器１６２は、空気極排気ガスが有する熱を酸素に付与することができる。したがって、蓄エネルギー装置１００は、酸素の加熱に要するエネルギーを削減することが可能となる。
［第２の実施形態］
第２の実施形態は、燃料タンク１２０が貯留するガスの組成が第１の実施形態と異なるが、他の構成は第１の実施形態と実質的に等しい。このため、上記蓄エネルギー装置１００と同一の符号を付して一部説明を省略する。
第２の実施形態は、燃料タンク１２０が貯留するガスの組成が第１の実施形態と異なるが、他の構成は第１の実施形態と実質的に等しい。このため、上記蓄エネルギー装置１００と同一の符号を付して一部説明を省略する。
燃料タンク１２０は、水素、二酸化炭素（ＣＯ２）、メタン（ＣＨ４）、および水蒸気（水（Ｈ２Ｏ））を貯留（保持）する。第２の実施形態において、燃料タンク１２０は、不図示の保温設備によって所定の温度（例えば、５００℃）に保持される。なお、燃料タンク１２０を蓄熱材で覆うことにより、保温設備を省略することができる。また、第２の実施形態において、酸素タンク１５０は、不図示の保温設備によって所定の温度（例えば、５００℃）に保持される。なお、酸素タンク１５０を蓄熱材で覆うことにより、保温設備を省略することができる。
続いて、第２の実施形態の充電モードにおける反応および放電モードにおける反応について説明する。
［充電モード］
モード切換部１７２によって、燃料供給部１３０、および、排気部１４０が駆動され、燃料電池本体１１０に電力供給源１０が接続されると、燃料タンク１２０から燃料極１１２に水蒸気が供給され、受電した電力によって、下記式（１）に示す反応が進行する。
Ｈ２Ｏ ＋ ２ｅ－ → Ｈ２ ＋ Ｏ２－ …式（１）
モード切換部１７２によって、燃料供給部１３０、および、排気部１４０が駆動され、燃料電池本体１１０に電力供給源１０が接続されると、燃料タンク１２０から燃料極１１２に水蒸気が供給され、受電した電力によって、下記式（１）に示す反応が進行する。
Ｈ２Ｏ ＋ ２ｅ－ → Ｈ２ ＋ Ｏ２－ …式（１）
そして、酸化物イオン（Ｏ２－）が電解質部１１６を伝導（移動）することにより、空気極１１４において、下記式（２）に示す反応が進行する。
Ｏ２－ → １／２Ｏ２ ＋ ２ｅ－ …式（２）
Ｏ２－ → １／２Ｏ２ ＋ ２ｅ－ …式（２）
また、燃料タンク１２０から燃料極１１２に二酸化炭素および水素が供給され、下記式（５）に示す反応が進行する。
ＣＯ２ ＋ ４Ｈ２ → ＣＨ４ ＋ ２Ｈ２Ｏ …式（５）
ＣＯ２ ＋ ４Ｈ２ → ＣＨ４ ＋ ２Ｈ２Ｏ …式（５）
こうして、充電モードにおいて、燃料極１１２で水素、メタン、および、水（水蒸気）が生成される（上記式（１）、式（５））。なお、平衡反応により、二酸化炭素と水素の一部は、一酸化炭素（ＣＯ）に変換される（ＣＯ２ ＋ Ｈ２ → ＣＯ ＋ Ｈ２Ｏ）。燃料極１１２で生成された水素、メタン、一酸化炭素、および、水蒸気は、燃料極排気ガスとしてブロワ１４４によって吸引され、燃料タンク１２０に導かれる。こうして、燃料タンク１２０に導かれた水素、メタン、および、水蒸気は、後述する放電モードにおいて利用される。
また、上記したように、充電モードにおいて、空気極１１４で酸素が生成される（上記式（２））。空気極１１４で生成された酸素は、空気極排気ガスとして酸素タンク１５０に導かれる。そして、酸素タンク１５０に貯留された酸素は、後述する放電モードで利用される。
続いて、充電モードにおける二酸化炭素および水素の効果について説明する。図４は、水および水蒸気の電気分解における電圧を説明する図である。なお、図４中、横軸は温度［℃］を示し、縦軸は電解電圧［Ｖ］を示す。また、図４中、実線は理論電解電圧を示し、破線は熱中立電圧を示す。
水および水蒸気の電気分解は吸熱反応であるため、図４に示すように、水および水蒸気の電気分解における熱中立電圧は、理論電解電圧よりも大幅に上回る。具体的に説明すると、水蒸気の電気分解において、１００℃を上回ると、温度が上昇するに従って、理論電解電圧と熱中立電圧との差が大きくなる。したがって、燃料電池本体１１０によって水蒸気のみを電気分解する場合、投入される電力の電圧を熱中立電圧（例えば、１．３Ｖ程度）まで高くしなければならない。
そこで、上記したように、第２の実施形態の蓄エネルギー装置１００は、充電モードにおいて、水蒸気に加えて、二酸化炭素および水素を燃料極１１２に供給する。これにより、上記式（１）の反応に加えて上記式（５）の反応（メタネーション反応（サバティエ反応））が進行する。
図５は、メタネーション反応における反応エンタルピーを説明する図である。なお、図５中、横軸は温度［℃］を示し、縦軸は反応エンタルピーｄｒＨ［ｋＪ／ｍｏｌ］を示す。
図５に示すように、上記式（５）のメタネーション反応は、６９０℃程度の境界温度に到達するまでは、発熱反応である。一方、境界温度を上回ると、メタネーション反応は、吸熱反応となる。
したがって、第２の実施形態の蓄エネルギー装置１００は、充電モードを３００℃以上７００℃以下の所定の温度で実行する、すなわち、水蒸気の電気分解およびメタネーション反応を３００℃以上７００℃以下の所定の温度で行うことにより、水蒸気の電気分解に要する熱（吸熱）をメタネーション反応で生じる熱（発熱）で補うことができる。
これにより、第２の実施形態の蓄エネルギー装置１００は、熱中立電圧を理論電解電圧に近づけることが可能となる。したがって、第２の実施形態の蓄エネルギー装置１００は、充電モードにおいて、燃料電池本体１１０に投入する電力の電圧を低減することができる。
また、水の電気分解の際に電力供給源１０から供給される電流密度が高い場合、燃料電池本体１１０の温度が高くなる。しかし、図５に示すように、メタネーション反応は、温度が上昇するに従って吸熱量が大きくなる。したがって、充電モードにおいて、水蒸気の電気分解と並行してメタネーション反応を行うことにより、第２の実施形態の蓄エネルギー装置１００は、電力供給源１０から供給される電流密度が高い場合でも燃料電池本体１１０を所定の温度に維持することが可能となる。
同様に、水の電気分解の際に電力供給源１０から供給される電流密度が低い場合、燃料電池本体１１０の温度が低くなる。しかし、図５に示すように、メタネーション反応は、温度が下降するに従って発熱量が大きくなる。したがって、充電モードにおいて、水蒸気の電気分解と並行してメタネーション反応を行うことにより、第２の実施形態の蓄エネルギー装置１００は、電力供給源１０から供給される電流密度が低い場合でも燃料電池本体１１０を所定の温度に維持することが可能となる。
つまり、第２の実施形態の蓄エネルギー装置１００は、水蒸気の電気分解と並行してメタネーション反応を行うことにより、電力供給源１０から供給される電流密度が変動した場合でも燃料電池本体１１０を所定の温度に維持することができる。
［放電モード］
モード切換部１７２によって、燃料供給部１３０、および、排気部１４０が駆動され、燃料電池本体１１０に負荷１２が接続されると、燃料極１１２に水素およびメタンが供給されて、下記式（３）、式（６）に示す反応が進行する。
Ｈ２ ＋ Ｏ２－ → Ｈ２Ｏ ＋ ２ｅ－ …式（３）
ＣＨ４ ＋ ２Ｈ２Ｏ → ＣＯ２ ＋ ４Ｈ２ …式（６）
モード切換部１７２によって、燃料供給部１３０、および、排気部１４０が駆動され、燃料電池本体１１０に負荷１２が接続されると、燃料極１１２に水素およびメタンが供給されて、下記式（３）、式（６）に示す反応が進行する。
Ｈ２ ＋ Ｏ２－ → Ｈ２Ｏ ＋ ２ｅ－ …式（３）
ＣＨ４ ＋ ２Ｈ２Ｏ → ＣＯ２ ＋ ４Ｈ２ …式（６）
また、空気極１１４に酸素が供給されて、下記式（４）に示す反応が進行する。
１／２Ｏ２ ＋ ２ｅ－ → Ｏ２－ …式（４）
そして、酸化物イオン（Ｏ２－）が電解質部１１６を伝導（移動）することにより、燃料電池本体１１０が発電する。こうして、発電された電力は、燃料電池本体１１０に接続された負荷１２に供給される。
１／２Ｏ２ ＋ ２ｅ－ → Ｏ２－ …式（４）
そして、酸化物イオン（Ｏ２－）が電解質部１１６を伝導（移動）することにより、燃料電池本体１１０が発電する。こうして、発電された電力は、燃料電池本体１１０に接続された負荷１２に供給される。
また、放電モードにおいて、燃料極１１２で水（水蒸気）、二酸化炭素、および、水素が生成される（上記式（３）、式（６））。燃料極１１２で生成された水蒸気、二酸化炭素、および、水素は、燃料極排気ガスとしてブロワ１４４によって吸引され、燃料タンク１２０に導かれる。こうして、燃料タンク１２０に導かれた水蒸気、二酸化炭素、および、水素は、充電モードにおいて利用されたり、放電モードにおいて燃料として利用されたりする。
以上説明したように、第２の実施形態の蓄エネルギー装置１００は、充電モードにおいて、水蒸気に加えて、二酸化炭素および水素を燃料極１１２に供給する。これにより、第２の実施形態の蓄エネルギー装置１００は、充電の際に投入される電力の電圧を低減することができる。
［シミュレーション］
上記第１の実施形態の蓄エネルギー装置１００、および、第２の実施形態の蓄エネルギー装置１００におけるラウンドトリップ効率をシミュレーションによって算出した。
上記第１の実施形態の蓄エネルギー装置１００、および、第２の実施形態の蓄エネルギー装置１００におけるラウンドトリップ効率をシミュレーションによって算出した。
図６は、シミュレーション結果を説明する図である。図６（ａ）は、第１の実施形態の蓄エネルギー装置１００のシミュレーション結果を示す。図６（ｂ）は、第２の実施形態の蓄エネルギー装置１００のシミュレーション結果を示す。
なお、ラウンドトリップ効率は、下記式（７）で算出される。
ラウンドトリップ効率 ＝ 発電電圧 ／ 電解電圧 …式（７）
ラウンドトリップ効率 ＝ 発電電圧 ／ 電解電圧 …式（７）
図６（ａ）に示すように、第１の実施形態の蓄エネルギー装置１００の放電モードにおける発電電圧は、燃料電池本体１１０の温度に拘わらず、０．８５Ｖである。一方、充電モードにおいて、第１の実施形態の蓄エネルギー装置１００の電解電圧は、７００℃の際１．２８４Ｖであり、６００℃の際１．２８０Ｖであり、５５０℃の際１．２７８Ｖであり、５００℃の際１．２７６Ｖであった。つまり、第１の実施形態の蓄エネルギー装置１００の電解電圧は、図４の熱中立電圧（１．３Ｖ程度）となる。
したがって、第１の実施形態の蓄エネルギー装置１００のラウンドトリップ効率は、７００℃の際０．６６２であり、６００℃の際０．６６４であり、５５０℃の際０．６６５であり、５００℃の際０．６６６となった。つまり、第１の実施形態の蓄エネルギー装置１００では、燃料電池本体１１０の温度に拘わらず、ラウンドトリップ効率が０．６６程度となることが確認された。
一方、図６（ｂ）に示すように、充電モードにおいて、第２の実施形態の蓄エネルギー装置１００の電解電圧は、７００℃の際１．２９４Ｖであり、６００℃の際１．２１Ｖであり、５５０℃の際１．１６Ｖであり、５００℃の際１．１２Ｖであった。第２の実施形態の蓄エネルギー装置１００は、充電モードにおいて水蒸気の電気分解と並行してメタネーション反応を行うことができるため、第１の実施形態の蓄エネルギー装置１００と比較して、電解電圧を低減することが可能となることが確認された。
なお、第２の実施形態の蓄エネルギー装置１００の放電モードにおける発電電圧は、第１の実施形態の蓄エネルギー装置１００と同様に、燃料電池本体１１０の温度に拘わらず、０．８５Ｖである。したがって、蓄エネルギー装置１００のラウンドトリップ効率は、７００℃の際０．６５７であり、６００℃の際０．７０２であり、５５０℃の際０．７３３であり、５００℃の際０．７５９となった。
以上の結果から、第２の実施形態の蓄エネルギー装置１００は、第１の実施形態の蓄エネルギー装置１００と比較して、ラウンドトリップ効率が高いことが確認された。
また、第２の実施形態の蓄エネルギー装置１００では、燃料電池本体１１０の温度が低いほど、電解電圧が低くなり、ラウンドトリップ効率が高いことが分かった。ただし、燃料電池本体１１０の温度が低すぎると、過電圧が増加してしまう。したがって、第２の実施形態の蓄エネルギー装置１００は、燃料電池本体１１０の温度を５００℃程度に維持することが好ましいと推測される。
［第１の変形例］
図７は、第１の変形例にかかる蓄エネルギー装置２００を説明する図である。図７に示すように、蓄エネルギー装置２００は、燃料電池本体１１０と、燃料タンク１２０と、燃料供給部１３０と、排気部１４０と、酸素タンク１５０と、酸素供給管１５２と、第２排気管１５４と、第１熱交換器１６０と、第２熱交換器１６２と、第３熱交換器１６４と、中央制御部１７０と、水タンク２１０と、加熱部２２０とを含む。図７中、破線の矢印は、信号の流れを示す。なお、図を簡明化するために、図７中、モード切換部１７２から、燃料供給部１３０、および、排気部１４０への信号の流れを示す破線の図示を省略する。
図７は、第１の変形例にかかる蓄エネルギー装置２００を説明する図である。図７に示すように、蓄エネルギー装置２００は、燃料電池本体１１０と、燃料タンク１２０と、燃料供給部１３０と、排気部１４０と、酸素タンク１５０と、酸素供給管１５２と、第２排気管１５４と、第１熱交換器１６０と、第２熱交換器１６２と、第３熱交換器１６４と、中央制御部１７０と、水タンク２１０と、加熱部２２０とを含む。図７中、破線の矢印は、信号の流れを示す。なお、図を簡明化するために、図７中、モード切換部１７２から、燃料供給部１３０、および、排気部１４０への信号の流れを示す破線の図示を省略する。
また、上記蓄エネルギー装置１００と実質的に等しい構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
水タンク２１０は、水を貯留（保持）する。水タンク２１０は、水供給管２１２を通じて、燃料タンク１２０に接続される。水供給管２１２には、開閉弁２１４が設けられる。
加熱部２２０は、水タンク２１０を加熱する。加熱部２２０は、例えば、電気ヒータで構成される。
モード切換部１７２は、運転モードを充電モードとする場合、燃料供給部１３０、および、排気部１４０を駆動し、燃料電池本体１１０と電力供給源１０とを接続する。また、第１の変形例において、モード切換部１７２は、加熱部２２０を駆動し、開閉弁２１４を開弁する。
これにより、水タンク２１０において水蒸気が生成され、燃料タンク１２０、燃料供給部１３０を通じて、燃料電池本体１１０の燃料極１１２に水蒸気が供給される。
以上説明したように、第１の変形例にかかる蓄エネルギー装置２００は、水タンク２１０を備える。水タンク２１０は、水を液体の状態で保持する。このため、第１の変形例にかかる蓄エネルギー装置２００は、燃料タンク１２０を小さくすることができる。
［第２の変形例］
図８は、第２の変形例にかかる蓄エネルギー装置３００を説明する図である。図８に示すように、蓄エネルギー装置３００は、燃料電池本体１１０と、燃料タンク１２０と、第１接続管３１０Ａ、３１０Ｂと、第２接続管３２０と、第３接続管３３０Ａ、３３０Ｂと、第４接続管３４０と、開閉弁３１２Ａ、３１２Ｂ、３２２、３３２Ａ、３３２Ｂ、３４２と、燃料供給部１３０と、排気部１４０と、酸素タンク１５０と、酸素供給管１５２と、第２排気管１５４と、第１熱交換器１６０と、第２熱交換器１６２と、第３熱交換器１６４と、中央制御部１７０と、水タンク２１０と、加熱部２２０とを含む。
図８は、第２の変形例にかかる蓄エネルギー装置３００を説明する図である。図８に示すように、蓄エネルギー装置３００は、燃料電池本体１１０と、燃料タンク１２０と、第１接続管３１０Ａ、３１０Ｂと、第２接続管３２０と、第３接続管３３０Ａ、３３０Ｂと、第４接続管３４０と、開閉弁３１２Ａ、３１２Ｂ、３２２、３３２Ａ、３３２Ｂ、３４２と、燃料供給部１３０と、排気部１４０と、酸素タンク１５０と、酸素供給管１５２と、第２排気管１５４と、第１熱交換器１６０と、第２熱交換器１６２と、第３熱交換器１６４と、中央制御部１７０と、水タンク２１０と、加熱部２２０とを含む。
図８中、破線の矢印は、信号の流れを示す。なお、図を簡明化するために、図８中、モード切換部１７２から、燃料供給部１３０、排気部１４０、加熱部２２０、および、開閉弁３１２Ａ、３１２Ｂ、３２２、３３２Ａ、３３２Ｂ、３４２への信号の流れを示す破線の図示を省略する。
また、上記蓄エネルギー装置１００、２００と実質的に等しい構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
図８に示すように、蓄エネルギー装置３００は、複数の燃料タンク１２０（図８中、１２０Ａ、１２０Ｂで示す）を備える。
第１接続管３１０Ａは、燃料供給部１３０の燃料供給管１３２と、燃料タンク１２０Ａとを接続（連通）する。開閉弁３１２Ａは、第１接続管３１０Ａに設けられる。開閉弁３１２Ａは、第１接続管３１０Ａに形成される流路を開放したり、遮断したりする。第１接続管３１０Ｂは、燃料供給部１３０の燃料供給管１３２と、燃料タンク１２０Ｂとを接続（連通）する。開閉弁３１２Ｂは、第１接続管３１０Ｂに設けられる。開閉弁３１２Ｂは、第１接続管３１０Ｂに形成される流路を開放したり、遮断したりする。
第２接続管３２０は、燃料供給部１３０の燃料供給管１３２と、水タンク２１０とを接続（連通）する。開閉弁３２２は、第２接続管３２０に設けられる。開閉弁３２２は、第２接続管３２０に形成される流路を開放したり、遮断したりする。
第３接続管３３０Ａは、排気部１４０の第１排気管１４２と、燃料タンク１２０Ａとを接続（連通）する。開閉弁３３２Ａは、第３接続管３３０Ａに設けられる。開閉弁３３２Ａは、第３接続管３３０Ａに形成される流路を開放したり、遮断したりする。第３接続管３３０Ｂは、排気部１４０の第１排気管１４２と、燃料タンク１２０Ｂとを接続（連通）する。開閉弁３３２Ｂは、第３接続管３３０Ｂに設けられる。開閉弁３３２Ｂは、第３接続管３３０Ｂに形成される流路を開放したり、遮断したりする。
第４接続管３４０は、排気部１４０の第１排気管１４２と、水タンク２１０とを接続（連通）する。開閉弁３４２は、第４接続管３４０に設けられる。開閉弁３４２は、第４接続管３４０に形成される流路を開放したり、遮断したりする。
続いて、第２の変形例の充電モードおよび放電モードにおけるモード切換部１７２の制御について説明する。
［充電モード］
図９は、第２の変形例の充電モードにおけるガスの流れを説明する図である。図９中、実線の矢印はガスの流れを示す。また、図９中、開閉弁３１２Ａ、３１２Ｂ、３３２Ｂ、３４２、三方弁１６６の閉弁状態を黒い塗りつぶしで示す。
図９は、第２の変形例の充電モードにおけるガスの流れを説明する図である。図９中、実線の矢印はガスの流れを示す。また、図９中、開閉弁３１２Ａ、３１２Ｂ、３３２Ｂ、３４２、三方弁１６６の閉弁状態を黒い塗りつぶしで示す。
第２の変形例において、運転モードを充電モードに設定する場合、モード切換部１７２は、燃料供給部１３０、排気部１４０、および、加熱部２２０を駆動するとともに、開閉弁３２２、３３２Ａを開弁する。また、モード切換部１７２は、燃料電池本体１１０と電力供給源１０とを通電させる。
そうすると、水タンク２１０から燃料極１１２に水蒸気Ｗが供給され、受電した電力によって、燃料極１１２において、水の電気分解が行われる。これにより生成された水素は、燃料タンク１２０Ａに導かれる。
そして、燃料タンク１２０Ａが満タンになったら、開閉弁３３２Ａを閉弁して、開閉弁３３２Ｂを開弁する。そうすると、燃料極１１２において生成された水素は、燃料タンク１２０Ｂに導かれる。
［放電モード］
図１０は、第２の変形例の放電モードにおけるガスの流れを説明する図である。図１０中、実線の矢印はガスの流れを示す。また、図１０中、開閉弁３１２Ｂ、３２２、３３２Ａ、３３２Ｂの閉弁状態を黒い塗りつぶしで示す。
図１０は、第２の変形例の放電モードにおけるガスの流れを説明する図である。図１０中、実線の矢印はガスの流れを示す。また、図１０中、開閉弁３１２Ｂ、３２２、３３２Ａ、３３２Ｂの閉弁状態を黒い塗りつぶしで示す。
第２の変形例において、運転モードを放電モードに設定する場合、モード切換部１７２は、燃料供給部１３０、および、排気部１４０を駆動するとともに、開閉弁３１２Ａ、３４２を開弁する。また、モード切換部１７２は、燃料電池本体１１０と負荷１２とを接続する。
そうすると、燃料タンク１２０Ａから燃料極１１２に水素が供給され、発電がなされる。これにより生成された水蒸気Ｗ（水）は、水タンク２１０に導かれる。
そして、燃料タンク１２０Ａが空になったら、開閉弁３１２Ａを閉弁して、開閉弁３１２Ｂを開弁する。そうすると、燃料タンク１２０Ｂから燃料極１１２に水素が供給される。
以上説明したように、第２の変形例の蓄エネルギー装置３００は、複数の燃料タンク１２０Ａ、１２０Ｂ、第１接続管３１０Ａ、３１０Ｂ、開閉弁３１２Ａ、３１２Ｂ、３３２Ａ、３３２Ｂ、第３接続管３３０Ａ、３３０Ｂを備える。これにより、蓄エネルギー装置３００は、燃料タンク１２０Ａ、１２０Ｂを蓄エネルギー装置３００から切り離すことができる。したがって、充電モードで運転される時間が長い場合、つまり、余剰する電力量が多い場合、燃料タンク１２０Ａ、１２０Ｂを外部の水素利用設備に移動（搬送）させることができる。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
例えば、上記実施形態において、酸素タンク１５０が酸素を貯留する場合を例に挙げた。これにより、酸素タンク１５０を小さくすることができる。しかし、酸素タンク１５０は、少なくとも酸素を含む酸素含有ガスを貯留すればよい。酸素含有ガスは、例えば、空気である。
また、上記実施形態において、蓄エネルギー装置１００が燃料タンク１２０および酸素タンク１５０を備える場合を例に挙げた。しかし、蓄エネルギー装置は、燃料タンク１２０および酸素タンク１５０のいずれか一方を備えていればよい。
また、蓄エネルギー装置１００において、燃料電池本体１１０、燃料タンク１２０、および、酸素タンク１５０の数に限定はない。
また、上記実施形態において、蓄エネルギー装置１００が第１熱交換器１６０および第２熱交換器１６２を備える場合を例に挙げた。しかし、第１熱交換器１６０および第２熱交換器１６２は、必須の構成ではない。
また、上記実施形態において、蓄エネルギー装置１００が第３熱交換器１６４を備える場合を例に挙げた。しかし、第３熱交換器１６４は、必須の構成ではない。
また、上記実施形態において、燃料タンク１２０が水素吸着剤を収容する場合を例に挙げた。しかし、燃料タンク１２０は、水素吸着剤を収容せずともよい。
また、上記実施形態において、蓄エネルギー装置１００がブロワ１３４、１４４を備える構成を例に挙げた。しかし、蓄エネルギー装置１００は、ブロワ１３４およびブロワ１４４のうちのいずれか一方を備えてもよい。
また、第１排気管１４２、および、第４接続管３４０のいずれか一方または両方に冷却器が設けられてもよい。これにより、冷却器は、水蒸気を確実に水に凝縮させることができる。
また、上記第２の実施形態において、燃料タンク１２０が保持する二酸化炭素は、ボンベに貯留された二酸化炭素、バイオガス、発電所等から排気された排気ガスに含まれる二酸化炭素、および、空気中に含まれる二酸化炭素のいずれか１または複数であってもよい。ボンベは、液化二酸化炭素を貯留する。バイオガスは、生物の排泄物、有機質肥料、生分解性物質、汚泥、汚水、ゴミ、エネルギー作物等の発酵、または、嫌気性消化により発生するガスである。バイオガスは、二酸化炭素およびメタンを含む（例えば、含有率は、二酸化炭素：メタン＝２５％以上５０％以下：５０％以上７５％以下）。排気ガスに含まれる二酸化炭素は、例えば、ＰＳＡ（圧力スイング吸着）法等によって排気ガスから分離される。
空気中に含まれる二酸化炭素は、ＤＡＣ（direct air capture）装置等によって分離される。ＤＡＣ装置によって二酸化炭素を分離して燃料タンク１２０に収容させる場合、ＤＡＣ装置は、充電モード以外のモード（例えば、放電モード）において空気中の二酸化炭素を吸収しておき、充電モードで二酸化炭素を放出する。
蓄エネルギー装置１００、２００、３００がＤＡＣ装置を備える場合、ＤＡＣ装置による二酸化炭素の吸収は、下記式（８）または式（９）によって示され、ＤＡＣ装置からの二酸化炭素の放出は、下記式（１０）によって示される。
ＣａＯ ＋ ＣＯ２ → ＣａＣＯ３ …式（８）
Ｃａ（ＯＨ）２ ＋ ＣＯ２ → ＣａＣＯ３ ＋ Ｈ２Ｏ …式（９）
ＣａＣＯ３ → ＣａＯ ＋ ＣＯ２ …式（１０）
ＣａＯ ＋ ＣＯ２ → ＣａＣＯ３ …式（８）
Ｃａ（ＯＨ）２ ＋ ＣＯ２ → ＣａＣＯ３ ＋ Ｈ２Ｏ …式（９）
ＣａＣＯ３ → ＣａＯ ＋ ＣＯ２ …式（１０）
なお、ＤＡＣ装置による二酸化炭素の吸収（上記式（８）、式（９））は、常温（例えば、２５℃）以下の所定の温度範囲内で為される。一方、ＤＡＣ装置からの二酸化炭素の放出（上記式（１０））は、５００℃以上８００℃以下の所定の温度範囲内で為される。このため、ＤＡＣ装置から二酸化炭素を放出させる場合、燃料電池本体１１０が生じる熱を利用するとよい。
本発明は、固体電解質を有する燃料電池本体を利用した蓄エネルギー装置に利用することができる。
１００、２００、３００ 蓄エネルギー装置
１１０ 燃料電池本体
１１２ 燃料極
１１４ 空気極
１１６ 電解質部
１２０、１２０Ａ、１２０Ｂ 燃料タンク
１５０ 酸素タンク
１６０ 第１熱交換器
１６２ 第２熱交換器
１７２ モード切換部
１１０ 燃料電池本体
１１２ 燃料極
１１４ 空気極
１１６ 電解質部
１２０、１２０Ａ、１２０Ｂ 燃料タンク
１５０ 酸素タンク
１６０ 第１熱交換器
１６２ 第２熱交換器
１７２ モード切換部
Claims (2)
- 燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記空気極との間に設けられ、酸化物イオン伝導性を有する固体酸化物を含む電解質部とを有する燃料電池本体と、
前記燃料極に連通され、水素、水、および、二酸化炭素を少なくとも保持する燃料タンクと、
前記空気極に連通され、少なくとも酸素を含む酸素含有ガスを保持する酸素タンクと、
前記空気極に供給される酸素含有ガスと、前記空気極から排気される空気極排気ガスとを熱交換させる第１空気極熱交換器と、
前記燃料極に供給される水と、前記空気極から排気される空気極排気ガスとを熱交換させる第２空気極熱交換器と、
外部から受電して前記燃料電池本体によって水を電気分解する充電モードと、前記燃料電池本体を放電させる放電モードとを切り換えるモード切換部と、
を備え、
前記燃料タンクは、前記充電モードにおいて生じる水素、および、前記放電モードにおいて生じる水を少なくとも保持し、
前記モード切換部は、
前記充電モードにおいて、前記第１空気極熱交換器への前記空気極排気ガスの供給を停止して、前記空気極排気ガスを前記第２空気極熱交換器に供給し、
前記放電モードにおいて、前記第２空気極熱交換器への前記空気極排気ガスの供給を停止して、前記空気極排気ガスを前記第１空気極熱交換器に供給する蓄エネルギー装置。 - 前記燃料極に供給されるガスと、前記燃料極から排気される燃料極排気ガスとを熱交換させる第１熱交換器を備える請求項１に記載の蓄エネルギー装置。
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