JPH1055814A - 水素貯蔵発電システム - Google Patents

水素貯蔵発電システム

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JPH1055814A
JPH1055814A JP8208688A JP20868896A JPH1055814A JP H1055814 A JPH1055814 A JP H1055814A JP 8208688 A JP8208688 A JP 8208688A JP 20868896 A JP20868896 A JP 20868896A JP H1055814 A JPH1055814 A JP H1055814A
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JP
Japan
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reaction gas
hydrogen
power generation
ejector
hydrogen storage
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JP8208688A
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English (en)
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Yasushi Sawada
靖 沢田
Yoshiaki Kurata
義昭 倉田
Takeo Takahashi
武男 高橋
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Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00Electrolytes
    • H01M2300/0017Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0065Solid electrolytes
    • H01M2300/0082Organic polymers
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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Abstract

(57)【要約】 【課題】経済性と耐久性に優れる水素貯蔵発電システム
を得る。 【解決手段】第一の反応ガスがノズルよりディフューザ
内に噴出し、発電装置8を通過したあとの第二の反応ガ
スと接触して第二の反応ガスを吸引するエジェクタ23
を用いるとともに、エジェクタ23の喉部面積比とノズ
ル径の選択によりエジェクタの循環比を大きくした。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は水素貯蔵発電シス
テムに係り、特に水素貯蔵発電システムの発電装置に用
いられるエジェクタに関する。
【0002】
【従来の技術】電力貯蔵手段には現在色々のものが提唱
されている。例えば超伝導やフライホイール、圧縮空気
を利用するものなどである。現在用いられているものに
は二次電池があり、また夜間の余剰電力を利用する揚水
発電システムも採用されている。停電時の非常用電源装
置としては軽油,重油を用いるエンジン発電機がある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら現在用い
られている二次電池はコスト高であり、寿命が短く、ま
た大容量の電力の貯蔵には適していない。揚水発電シス
テムは大規模の貯水施設を要し、電力需要の多い都市近
郊での建設は不可能である。また軽油,重油を用いるエ
ンジン発電機は運転により窒素酸化物等の環境汚染物質
を放出する問題がある。
【0004】これらの問題を解決するために特開平8―
64220号公報に水素貯蔵発電システムが開示されて
いる。図7は従来の水素貯蔵発電システムを示す系統図
てある。この水素貯蔵発電システムは一次電源1と、一
次電源1から給電して水素を発生させる水電解装置4
と、水電解装置で生成した水素を除湿するガス乾燥装置
5と、水素吸蔵合金7を用いて前記水素を吸蔵.放出す
る水素貯蔵装置6と、水素貯蔵装置6から放出した水素
を燃料とする発電装置8からなり一次電源1の電力を水
素の形に変換して貯蔵し、必要な時に水素吸蔵合金7か
ら放出された水素を利用して発電し電力として取り出す
ものである。
【0005】この水素貯蔵発電システムの発電装置には
固体高分子電解質型燃料電池が用いられる。図6は従来
の固体高分子電解質型燃料電池を示す断面図である。固
体高分子電解質型燃料電池は固体高分子電解質膜の二つ
の主面にそれぞれ電極31であるアノードとカソードを
配して形成される。アノードまたはカソードの各電極は
電極基材33上に電極触媒層を配している。固体高分子
電解質膜(固体高分子膜と略称する)32はスルホン酸
基を持つポリスチレン系の陽イオン交換膜をカチオン導
電性膜として使用したもの、フロロカーボンスルホン酸
とポリビニリデンフロライドの混合膜、あるいはフロロ
カーボンマトリックスにトリフロロエチレンをグラフト
化したものなどが知られているが最近ではパーフロロカ
ーボンスルホン酸膜を用いて燃料電池の長寿命化を図っ
たものが知られるに至った。
【0006】固体高分子電解質膜は分子中にプロトン
(水素イオン)交換基を有し、飽和に含水させることに
より常温で20Ω・cm以下の比抵抗を示しプロトン導
電性電解質として機能する。飽和含水量は温度によって
可逆的に変化する。電極基材33は多孔質体で燃料電池
の反応ガス供給手段または反応ガス排出手段および集電
体として機能する。アノード(燃料極)またはカソード
(空気極)の電極においては三相界面が形成され電気化
学反応が起こる。
【0007】アノードでは(1)式の反応が起こる。 H2 =2H+ +2e (1) カソードでは(2)式の反応が起こる。 1/2O2 +2H+ +2e=H2 O (2) つまりアノードにおいては系の外部より供給された水素
がプロトンと電子を生成する。生成したプロトンはイオ
ン交換膜中をカソードに向かって移動し電子は外部回路
を通ってカソードに移動する。一方カソードにおいては
系の外部より供給された酸素とイオン交換膜中をアノー
ドより移動してきたプロトンと外部回路より移動してき
た電子が反応し、水を生成する。
【0008】上述の燃料電池においては燃料ガス流路3
4を水蒸気を含む水素が流れ、酸化剤ガス流路35を水
蒸気を含む酸素が流れる。図5は従来の発電装置用反応
ガス供給系を示す配置図である。反応ガスである水素と
酸素のそれぞれについて同様な反応ガス供給系が用いら
れる。反応ガスは加湿器21を通り加湿されたのちに固
体高分子電解質型燃料電池である発電装置8に供給され
る。発電装置においては反応ガスが消費され、発電装置
で発生する水分が蒸発する。反応ガスは水蒸気とともに
発電装置8を出たあとドレインタンク22に入り液体水
分を分離したあとそのまま廃棄される。
【0009】しかしながら上述のような従来の反応ガス
供給系においては廃棄される反応ガス中にまだ水素ある
いは酸素が残存しており、この残存ガスをそのまま廃棄
することは貴重な資源の損失となる。さらに従来の反応
ガス供給系では発電装置を流れる反応ガス流量が反応ガ
スの消費により小さくなるために発電装置で発生した水
分の除去が十分ではないという問題があった。
【0010】この発明は上述の点に鑑みてなされその目
的は、効率良く発電装置の反応ガスを循環して用いるこ
とにより経済性と耐久性に優れる水素貯蔵発電システム
を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】上述の目的はこの発明に
よれば一次電源と、一次電源から給電して水素を発生さ
せる水電解装置と、水電解装置で生成した水素を除湿す
るガス乾燥装置と、水素吸蔵合金を用いて前記水素を吸
蔵.放出する水素貯蔵装置と、水素貯蔵装置から放出し
た水素を燃料とする発電装置を組み合わせてなる水素貯
蔵発電システムにおいて、発電装置に用いられるエジェ
クタを有し、エジェクタは、前記発電装置外より前記発
電装置に新規に供給される水素または酸素である第一の
反応ガスを駆動流体としてノズルよりディフューザ内に
噴出するもので、ここに前記第一の反応ガスは、前記し
た噴出に際して前記発電装置を通過して反応したあとの
第二の反応ガスと接触して第二の反応ガスを吸い込み、
且つ第二の反応ガスとともにエジェクタの吐出流体とな
って前記発電装置に供給され、さらにエジェクタは、デ
ィフューザとノズルの喉部面積比およびノズル径の選択
によりエジェクタの吐出流体と駆動流体の比を大きくし
て用いることにより達成される。
【0012】上述の発明において水素エジェクタのノズ
ルの直径が0.14mmで喉部面積比が85ないし15
0の範囲にあること、または酸素エジェクタのノズルの
直径が0.17mmで喉部面積比が65ないし120の
範囲にあることが有効である。エジェクタを用いると第
一の反応ガスの噴出により第二の反応ガスを吸い込むの
で動力を用いることなく第二の反応ガスが循環する。
【0013】吐出流体と駆動流体の比である循環比を大
きくすると、発電装置を流れる反応ガスの流量が大きく
なり、発電装置で発生した水分の除去効率が良くなる。
循環比を大きくするためには、ディフューザとノズルの
喉部面積比およびノズル径の両者の選択が必要である。
特にノズル径は臨界値を有する。
【0014】
【発明の実施の形態】図1はこの発明の実施例に係る発
電装置用反応ガス供給系を示す配置図である。第一の反
応ガスが駆動流体となり、エジェクタ23のノズルに供
給される。第一の反応ガスは反応ガス供給系外より供給
される。第一の反応ガスには水素と酸素が用いられる。
駆動流体がノズルより噴出する際に駆動流体である第一
の反応ガスの速度ヘッドが増大し圧力ヘッドが減少す
る。第一の反応ガスの圧力ヘッドが減少するとエジェク
タのノズル近傍で駆動流体に接触する第二の反応ガスで
ある吸い込み流体が吸い込まれる。第二の反応ガスは発
電装置8を通過したあとの反応ガスで水素または酸素
と、水蒸気の混合ガスである。第一の反応ガスと第二の
反応ガスは吐出流体となってエジェクタを出たあと加湿
器21を通過し、発電装置8に供給される。第一の反応
ガスは発電装置8で消費される反応ガス量に等しい反応
ガスが外部より供給される。エジェクタの吐出流体は発
電装置8を通過する際に発電装置8で生成される水分を
系外に運び出す。反応ガスは反応ガス供給系の内部を循
環するから反応ガス供給系外より供給される水素や酸素
が有効に利用される。また第一の反応ガスの駆動力によ
り第二の反応ガスが吸引されるから第二の反応ガスを循
環するための動力を特に要しない。
【0015】図2はこの発明の実施例に係るエジェクタ
を示す断面図である。エジェクタの吐出流体と駆動流体
の比を循環比と称する。この循環比は約4以上の大きさ
が必要である。循環比が大きくなると発電装置より系外
に運び出される単位時間あたりの水分量が増す。エジェ
クタの主要部はノズル24とディフューザ25である。
ディフューザ25は案内部26、喉部27、末広部28
に別れる。ノズル先端開口部はノズル喉部であり開口部
直径がノズル径である。前記循環比を大きくするために
はノズル径の大きさを最適に選択することが先ず必要で
あり、この選ばれたノズル径において、喉部面積比の範
囲が選択される。
【0016】図3はこの発明の実施例に係る水素エジェ
クタにつき循環比の喉部面積比依存性をノズル径をパラ
メータとして示す線図である。発電装置である燃料電池
は出力330W,水素ガス圧4.2kg/cm2の条件で実験
した。その結果ノズル径は0.14mmと0.17mm
の範囲が適当であることがわかった。例えばノズル径が
0.14mmで喉部面積比が85ないし150の範囲に
あるときに循環比は4以上になる。
【0017】図4はこの発明の実施例に係る酸素エジェ
クタにつき循環比の喉部面積比依存性をノズル径をパラ
メータとして示す線図である。発電装置である燃料電池
は出力330W,酸素カズ圧3.9kg/cm2の条件で実験
した。その結果ノズル径は0.17mmと0.24mm
の範囲が適当である。例えばノズル径が0.17mmで
喉部面積比が65ないし120の範囲にあるときに循環
比は4以上になる。
【0018】
【発明の効果】この発明によれば、第一の反応ガスが駆
動流体としてノズルよりディフューザ内に噴出し、発電
装置を通過したあとの第二の反応ガスと接触して第二の
反応ガスを吸い込むエジェクタを用いるとともに、エジ
ェクタのディフューザとノズルの喉部面積比およびノズ
ル径の選択によりエジェクタの循環比を大きくしたの
で、発電装置における資源の有効活用,エネルギー効率
の増大,発電装置からの水分の運び出し効率の向上がも
たらされ、経済性と耐久性に優れる水素貯蔵発電システ
ムが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施例に係る発電装置用反応ガス供
給系を示す配置図
【図2】この発明の実施例に係るエジェクタを示す断面
【図3】この発明の実施例に係る水素エジェクタにつき
循環比の喉部面積比依存性をノズル径をパラメータとし
て示す線図
【図4】この発明の実施例に係る酸素エジェクタにつき
循環比の喉部面積比依存性をノズル径をパラメータとし
て示す線図
【図5】従来の発電装置用反応ガス供給系を示す配置図
【図6】従来の固体高分子電解質型燃料電池を示す断面
【図7】従来の水素貯蔵発電システムを示す系統図
【符号の説明】
1 一次電源 4 水電解装置 5 ガス乾燥装置 6 水素貯蔵装置 7 水素吸蔵合金 8 発電装置 21 加湿器 22 ドレインタンク 23 エジェクタ 24 ノズル 25 ディフューザ 26 案内部 27 喉部部 28 末広部 31 電極 32 固体高分子電解質膜 33 電極基材 34 燃料ガス流路 35 酸化剤ガス流路

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】一次電源と、一次電源から給電して水素を
    発生させる水電解装置と、水電解装置で生成した水素を
    除湿するガス乾燥装置と、水素吸蔵合金を用いて前記水
    素を吸蔵.放出する水素貯蔵装置と、水素貯蔵装置から
    放出した水素を燃料とする発電装置を組み合わせてなる
    水素貯蔵発電システムにおいて、発電装置に用いられる
    エジェクタを有し、 エジェクタは、前記発電装置外より前記発電装置に新規
    に供給される水素または酸素である第一の反応ガスを駆
    動流体としてノズルよりディフューザ内に噴出するもの
    で、ここに前記第一の反応ガスは、前記した噴出に際し
    て前記発電装置を通過して反応したあとの第二の反応ガ
    スと接触して第二の反応ガスを吸い込み、且つ第二の反
    応ガスとともにエジェクタの吐出流体となって前記発電
    装置に供給され、 さらにエジェクタは、ディフューザとノズルの喉部面積
    比およびノズル径の選択によりエジェクタの吐出流体と
    駆動流体の比を大きくして用いるものであることを特徴
    とする水素貯蔵発電システム。
  2. 【請求項2】水素エジェクタについて、ノズルの直径が
    0.14mmで喉部面積比が85ないし150の範囲に
    ある請求項1に記載の水素貯蔵発電システム。
  3. 【請求項3】酸素エジェクタについて、ノズルの直径が
    0.17mmで喉部面積比が65ないし120の範囲に
    ある請求項1に記載の水素貯蔵発電システム。
JP8208688A 1996-08-08 1996-08-08 水素貯蔵発電システム Pending JPH1055814A (ja)

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Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000032685A (ja) * 1998-07-10 2000-01-28 Shinko Pantec Co Ltd 無停電電源システム
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JP2019067708A (ja) * 2017-10-04 2019-04-25 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム

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