WO2014002989A1 - 水電解システム - Google Patents

水電解システム Download PDF

Info

Publication number
WO2014002989A1
WO2014002989A1 PCT/JP2013/067342 JP2013067342W WO2014002989A1 WO 2014002989 A1 WO2014002989 A1 WO 2014002989A1 JP 2013067342 W JP2013067342 W JP 2013067342W WO 2014002989 A1 WO2014002989 A1 WO 2014002989A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
water
fuel cell
circulation passage
refrigerant
water electrolysis
Prior art date
Application number
PCT/JP2013/067342
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
長谷川 卓也
龍史 藤枝
Original Assignee
日産自動車株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 日産自動車株式会社 filed Critical 日産自動車株式会社
Publication of WO2014002989A1 publication Critical patent/WO2014002989A1/ja

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00Operating or servicing cells
    • C25B15/08Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes
    • 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
    • H01M8/04007Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04029Heat exchange using liquids
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0656Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants by electrochemical means
    • 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
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • 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
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/10Process efficiency
    • Y02P20/129Energy recovery, e.g. by cogeneration, H2recovery or pressure recovery turbines

Definitions

  • the present invention relates to a water electrolysis system.
  • JP2010-43301A has a water electrolysis system that stores hydrogen generated by electrolyzing water in a hydrogen tank outside the fuel cell vehicle.
  • the hydrogen stored in the hydrogen tank is stored in the hydrogen tank as needed.
  • a supplement is disclosed.
  • JP2010-43301A has a problem that the waste heat of the water electrolysis system and the waste heat of the fuel cell cannot be effectively used.
  • the present invention has been made paying attention to such problems, and aims to effectively utilize each of the waste heat of the water electrolysis system and the waste heat of the fuel cell.
  • a fuel cell a refrigerant circulation passage through which a refrigerant that cools the fuel cell circulates, a water electrolysis stack that electrolyzes water to generate hydrogen, and electrolysis in the water electrolysis stack
  • a water electrolysis system includes a water circulation path through which water to be used circulates, and a heat exchanger that exchanges heat between the refrigerant that circulates in the refrigerant circulation path and the water that circulates in the water circulation path.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a power generation system according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining a hydrogen replenishment method for the hydrogen tank.
  • FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a power generation system according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a power generation system 100 according to the first embodiment of the present invention.
  • the power generation system 100 includes a fuel cell system 1, a water electrolysis system 2, and a controller 3, and is mounted on a vehicle.
  • the fuel cell system 1 includes a fuel cell stack 11, an anode gas supply / discharge device 12, a cathode gas supply / discharge device 13, and a stack cooling device 14.
  • the fuel cell stack 11 is formed by stacking a plurality of fuel cells, generates power by receiving supply of an anode gas containing hydrogen and a cathode gas containing oxygen, and drives the generated power to drive the vehicle. Supply to various electrical components such as necessary motors (not shown).
  • the anode gas supply / discharge device 12 includes a hydrogen tank 121, an anode gas supply passage 122, an anode pressure regulating valve 123, an anode gas discharge passage 124, and a purge valve 125.
  • the hydrogen tank 121 stores the anode gas supplied to the fuel cell stack 11 in a high pressure state.
  • the anode gas supply passage 122 is a passage for supplying the anode gas discharged from the hydrogen tank 121 to the fuel cell stack 11, and has one end connected to the hydrogen tank 121 and the other end connected to the fuel cell stack 11. Connected.
  • the anode pressure regulating valve 123 is provided in the anode gas supply passage 122.
  • the anode pressure regulating valve 123 adjusts the anode gas discharged from the hydrogen tank 121 to a desired pressure and supplies it to the fuel cell stack 11.
  • the anode pressure regulating valve 123 is an electromagnetic valve whose opening degree can be adjusted continuously or stepwise, and the opening degree is controlled by the controller 3.
  • the anode gas discharge passage 124 has one end connected to the fuel cell stack 11 and the other end being an open end.
  • a mixed gas of excess anode gas that has not been used for the electrode reaction and an inert gas such as nitrogen or water vapor that has cross-leaked from the cathode side to the anode gas channel 121 (hereinafter referred to as a mixed gas). "Anode off gas") is discharged.
  • the other end of the anode gas discharge passage 124 may be connected to the cathode gas discharge passage 132.
  • the purge valve 125 is provided in the anode gas discharge passage 124.
  • the purge valve 125 is an electromagnetic valve whose opening degree can be adjusted continuously or stepwise, and the opening degree is controlled by the controller 3. By adjusting the opening degree of the purge valve 125, the flow rate of the anode off gas discharged to the outside air is adjusted.
  • the cathode gas supply / discharge device 13 includes a cathode gas supply passage 131, a cathode gas discharge passage 132, a filter 133, a cathode compressor 134, a water recovery device (hereinafter referred to as “WRD”) 135, and a cathode.
  • a pressure regulating valve 136 is provided.
  • the cathode gas supply passage 131 is a passage through which the cathode gas supplied to the fuel cell stack 11 flows.
  • the cathode gas supply passage 131 has one end connected to the filter 133 and the other end connected to the fuel cell stack 11.
  • the cathode gas discharge passage 132 is a passage through which the cathode off gas discharged from the fuel cell stack 11 flows.
  • the cathode gas discharge passage 132 has one end connected to the fuel cell stack 11 and the other end being an open end.
  • the cathode off gas is a mixed gas of the cathode gas and water vapor generated by the electrode reaction.
  • the filter 133 removes foreign matters in the cathode gas taken into the cathode gas supply passage 131.
  • the cathode compressor 134 is provided in the cathode gas supply passage 131.
  • the cathode compressor 134 takes in air (outside air) as cathode gas via the filter 133 into the cathode gas supply passage 131 and supplies it to the fuel cell stack 11.
  • the WRD 135 is connected to each of the cathode gas supply passage 131 and the cathode gas discharge passage 132, collects moisture in the cathode off-gas flowing through the cathode gas discharge passage 132, and cathode that flows through the cathode gas supply passage 131 with the collected moisture. Humidify the gas.
  • the cathode pressure regulating valve 136 is provided in the cathode gas discharge passage 132 downstream of the WRD 135.
  • the cathode pressure regulating valve 136 is an electromagnetic valve whose opening degree can be adjusted continuously or stepwise, and the opening degree is controlled by the controller 3. By adjusting the opening degree of the cathode pressure regulating valve 136, the pressure of the cathode gas (cathode pressure) supplied to the fuel cell stack 11 is adjusted to a desired pressure.
  • the stack cooling device 14 is a device that cools the fuel cell stack 11 and maintains the fuel cell stack 11 at a temperature suitable for power generation.
  • the stack cooling device 14 includes a cooling water circulation passage 141, a radiator 142, a radiator fan 143, a bypass passage 144, a three-way valve 145, a cooling water heater 146, a cooling water circulation pump 147, and a water temperature sensor 148. .
  • the cooling water circulation passage 141 is a passage through which cooling water for cooling the fuel cell stack 11 circulates.
  • the radiator 142 is provided in the cooling water circulation passage 141.
  • the radiator 142 cools the cooling water discharged from the fuel cell stack 11.
  • the radiator fan 143 is provided behind the radiator 142 and sucks air and guides it to the radiator 142.
  • the bypass passage 144 has one end connected to the coolant circulation passage 141 and the other end connected to the three-way valve 145 so that the coolant 142 can be circulated by bypassing the radiator 142.
  • the three-way valve 145 is provided in the cooling water circulation passage 141 on the downstream side of the radiator 142.
  • the three-way valve 145 switches the cooling water circulation path according to the temperature of the cooling water. Specifically, when the temperature of the cooling water is relatively high, the cooling water circulation path is such that the cooling water discharged from the fuel cell stack 11 is supplied again to the fuel cell stack 11 via the radiator 142. Switch. On the other hand, when the temperature of the cooling water is relatively low, the cooling water discharged from the cooling water discharged from the fuel cell stack 11 flows again through the bypass passage 144 without passing through the radiator 142 and again. The cooling water circulation path is switched so as to be supplied.
  • the cooling water heater 146 is provided in the bypass passage 144.
  • the cooling water heater 146 is energized when the fuel cell stack is warmed up, etc., and raises the temperature of the cooling water.
  • the output of the cooling water heater 146 is controlled by the controller 3.
  • the cooling water circulation pump 147 is provided in the cooling water circulation passage 141 on the downstream side of the three-way valve 145, and circulates the cooling water.
  • the water temperature sensor 148 is provided in the cooling water circulation passage 141 near the cooling water outlet of the fuel cell stack 11. The water temperature sensor 148 detects the temperature of the relatively high-temperature cooling water discharged from the fuel cell stack 11.
  • the water electrolysis system 2 includes a pure water circulation passage 21 through which pure water circulates, a water supply passage 22, a pure water production device 23, a pure water supply passage 24, a reservoir tank 25, a water electrolysis stack 26, A water circulation pump 27, a heat exchanger 28, a hydrogen supply passage 29, a dehumidifier 30, and a compressor 31 are provided.
  • the water electrolysis system 2 electrolyzes pure water by the water electrolysis stack 26 to generate hydrogen, and supplies the generated hydrogen to the hydrogen tank 121.
  • the water electrolysis system 2 is driven when the fuel cell system 1 is stopped and the hydrogen tank 121 is replenished with hydrogen.
  • the water supply passage 22 is a passage for supplying water such as tap water or industrial water to the pure water production apparatus 23.
  • One end of the water supply passage 22 is configured to be connectable to the water supply port, and the other end is connected to the pure water production apparatus 23.
  • the pure water production apparatus 23 produces pure water from water.
  • the pure water supply passage 24 is a passage for supplying pure water produced by the pure water production apparatus 23 to the reservoir tank 25.
  • One end of the pure water supply passage 24 is connected to the pure water production apparatus 23, and the other end is connected to the reservoir tank 25.
  • the reservoir tank 25 is a tank for storing pure water supplied to the water electrolysis stack 26 and is provided in the pure water circulation passage 21.
  • the water electrolysis stack 26 is a stack of a plurality of water electrolysis cells.
  • the water electrolysis stack 26 is provided in the pure water circulation passage 21 and is configured to be electrically connected to an external power source such as a charger.
  • the water electrolysis stack 26 electrolyzes pure water supplied from the reservoir tank 25 with electric power from an external power source to generate hydrogen.
  • the pure water circulation pump 27 is provided in the pure water circulation passage 21 and circulates pure water.
  • the pure water circulation pump 27 is driven by electric power from an external power source.
  • the heat exchanger 28 is connected to the cooling water circulation passage 141 and the pure water circulation passage 21, and performs heat exchange between the cooling water flowing through the cooling water circulation passage 141 and the pure water flowing through the pure water circulation passage 21.
  • the hydrogen supply passage 29 is a passage for supplying hydrogen generated in the water electrolysis stack 26 to the hydrogen tank 121, and one end is connected to the water electrolysis stack 26 and the other end is connected to the hydrogen tank 121.
  • the hydrogen supply passage 29 is provided with two auto drains 291 that automatically discharge the liquid water in the passage out of the passage.
  • the dehumidifier 30 is provided in the hydrogen supply passage 29 and removes moisture in the hydrogen generated by the water electrolysis stack 26.
  • the compressor 31 is provided in the hydrogen supply passage 29 downstream of the dehumidifier 30 and increases the pressure of the hydrogen dehumidified by the dehumidifier 30 to a desired pressure and supplies it to the hydrogen tank 121.
  • the compressor is driven by power from an external power source.
  • the controller 3 includes a microcomputer having a central processing unit (CPU), a read only memory (ROM), a random access memory (RAM), and an input / output interface (I / O interface).
  • the controller 5 receives signals from various sensors for detecting the operating state of the fuel cell system 1.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining a hydrogen replenishment method for the hydrogen tank 121.
  • the fuel cell system 1 when hydrogen is replenished to the hydrogen tank 121, the fuel cell system 1 is stopped and then the water electrolysis system 2 is driven, and the hydrogen generated in the water electrolysis stack 26 is pumped to the hydrogen tank 121. Then, after the hydrogen replenishment to the hydrogen tank 121 is completed, the fuel cell system 1 is driven after the water electrolysis system 2 is stopped.
  • the water electrolysis stack 26 has a temperature zone (approximately around 60 ° C.) in which hydrogen can be efficiently generated. Therefore, it is desirable to complete warm-up of the water electrolysis stack 26 at an early stage in order to increase the hydrogen generation efficiency of the water electrolysis stack 26 and shorten the time for hydrogen replenishment.
  • the fuel cell stack 11 has a temperature range (generally 60 ° C. to 90 ° C.) that can generate power as efficiently as the water electrolysis stack 26. Therefore, it is desirable to complete warm-up of the fuel cell stack 11 at an early stage after the fuel cell system 1 is started.
  • the cooling water circulation pump 147 is driven by the power of the external power source to circulate the cooling water and circulate through the cooling water circulation passage 141. Heat exchange is performed between the cooling water to be purified and the pure water circulating in the pure water circulation passage 21.
  • the cooling water in the cooling water circulation passage 141 is at an optimum temperature (approximately 60 ° C. to 90 ° C.) according to the load of the fuel cell stack 11.
  • the pure water in the pure water circulation passage 21 has a temperature substantially equal to the outside air temperature. That is, when the fuel cell system 1 is driven, the temperature of the cooling water in the cooling water circulation passage 141 is higher than the temperature of the pure water in the pure water circulation passage 21.
  • the fuel cell system 1 is stopped, so that the temperature of the cooling water in the cooling water circulation passage 141 is gradually directed to the outside temperature. Will decline.
  • the pure water in the pure water circulation passage 21 gradually rises due to the waste heat of the water electrolysis stack 26.
  • the cooling water in the cooling water circulation passage 141 and the pure water in the pure water circulation passage 21 during hydrogen replenishment. Can be maintained at a certain temperature. That is, when the water electrolysis system 2 is driven, the temperature drop of the cooling water in the cooling water circulation passage 141 can be suppressed to a certain temperature. As a result, when the fuel replenishment is completed and the fuel cell system 1 is started, the warm-up of the fuel cell stack 11 can be completed early.
  • the cooling water circulation pump 147 is driven by the power of the external power source, so that it is not necessary to generate power in the fuel cell stack 11. Therefore, the anode gas in the hydrogen tank 121 is not consumed when the water electrolysis system 2 is driven, and the time for hydrogen replenishment can be shortened.
  • the water electrolysis system 2 includes a fuel cell stack 11, a cooling water circulation passage 141 through which a refrigerant for cooling the fuel cell stack 11 circulates, and a water electrolysis stack 26 that electrolyzes water to generate hydrogen. Heat exchange between the pure water circulation passage 21 through which water used for electrolysis in the water electrolysis stack 26 circulates, the coolant circulating through the cooling water circulation passage 141, and the water circulating through the pure water circulation passage 21 is performed. A heat exchanger 28 to perform.
  • the heat exchanger 28 when power generation in the fuel cell stack 11 is stopped and hydrogen is generated in the water electrolysis stack 26, the refrigerant circulating in the cooling water circulation passage 141 and the water circulating in the pure water circulation passage 21 If the heat exchange is performed between the two, the temperature of the pure water in the pure water circulation passage 21 can be quickly raised. As a result, the warm-up of the water electrolysis stack 26 can be completed early.
  • cooling water circulation pump 147 is driven by the power of the power source used for the electrolysis in the water electrolysis stack 26, it is not necessary to generate power in the fuel cell stack 11. Therefore, the anode gas in the hydrogen tank 121 is not consumed when the water electrolysis system 2 is driven, and the time for hydrogen replenishment can be shortened.
  • the second embodiment of the present invention is different from the first embodiment in that the pure water circulation passage 21 is formed so as to pass through the vicinity of the outer peripheral portion of the cathode pressure regulating valve 136.
  • the difference will be mainly described.
  • the same reference numerals are used for portions that perform the same functions as those of the first embodiment described above, and repeated descriptions are omitted as appropriate.
  • FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a power generation system 100 according to the second embodiment of the present invention.
  • the cathode off-gas discharged from the fuel cell stack 11 and passing through the cathode pressure regulating valve 136 contains water vapor. Therefore, when the fuel cell system 1 is stopped and hydrogen is replenished in a low temperature environment where the outside air temperature is lower than 0 ° C., the liquid water adhering to the cathode pressure regulating valve 136 is frozen during that time, and the cathode pressure regulating valve 136 is frozen. May stick.
  • the pure water circulation passage 21 is formed so as to pass through the vicinity of the outer peripheral portion of the cathode pressure regulating valve 136.
  • the cathode pressure regulating valve 136 can be warmed by pure water flowing through the pure water circulation passage 21. Therefore, the same effect as that of the first embodiment can be obtained, and sticking due to freezing of the cathode pressure regulating valve 136 can be prevented.
  • anode offgas discharged from the fuel cell stack 11 may also contain water vapor that has permeated the cathode side, if there is a valve on the pipe through which the anode offgas flows, it passes through the outer periphery of the valve.
  • the pure water circulation passage 21 may be routed as described above.
  • the configuration itself of the power generation system 100 according to this embodiment is the same as that of the first embodiment, and will be described with reference to FIG. 1 again.
  • the temperature of the cooling water in the cooling water circulation passage 141 is a temperature range in which the water electrolysis stack 2 can efficiently generate hydrogen. May be higher.
  • the temperature of the cooling water is detected by the water temperature sensor 148 before the water electrolysis system 2 is activated, and when the detected temperature of the cooling water is higher than a predetermined temperature, the radiator fan 143 is driven to cool the cooling water. The temperature was lowered. And it decided to start the water electrolysis system 2 after the temperature of cooling water became below predetermined temperature. Even if the water electrolysis system 2 is driven and heat exchange is performed between the cooling water and the pure water, the predetermined temperature can maintain the temperature of the pure water at a temperature at which the water electrolysis stack 26 can be efficiently operated.
  • the temperature may be set as appropriate by experiment or the like.
  • the generation of hydrogen in the water electrolysis stack 26 is performed after the temperature of the refrigerant circulating in the cooling water circulation passage 141 becomes equal to or lower than the predetermined temperature after the power generation in the fuel cell stack 11 is stopped. It was decided to start. Thereby, it can suppress that the temperature of a pure water rises too much with respect to the temperature range which can produce
  • FIG. 1
  • the direction of the cooling water flowing through the pure water circulation passage 21 may be opposite to that in each of the above embodiments.
  • the water electrolysis system 2 described in the above embodiment is compact, it can be mounted on a moving body such as a vehicle that uses hydrogen as a fuel, and is adopted in a stationary system that uses hydrogen as a fuel. It is also possible to do.

Abstract

 水電解システムは、燃料電池と、燃料電池を冷却する冷媒が循環する冷媒循環通路と、水を電気分解して水素を生成する水電解スタックと、水電解スタックでの電気分解に使用される水が循環する水循環通路と、冷媒循環通路を循環する冷媒と前記水循環通路を循環する水との間で熱交換を行う熱交換器と、を備える。

Description

水電解システム
 本発明は水電解システムに関する。
 JP2010-43301Aには、燃料電池車両の車外に、水を電気分解して生成した水素を水素タンクに貯蔵する水電解システムを構成し、必要に応じて水素タンクに貯蔵した水素を車載水素タンクに補充するものが開示されている。
 しかしながら、前述したJP2010-43301Aに開示されたものは、水電解システムの廃熱及び燃料電池の廃熱のそれぞれを有効に活用できないという問題点があった。
 本発明はこのような問題点に着目してなされたものであり、水電解システムの廃熱及び燃料電池の廃熱のそれぞれを有効活用することを目的とする。
 本発明のある態様によれば、燃料電池と、燃料電池を冷却する冷媒が循環する冷媒循環通路と、水を電気分解して水素を生成する水電解スタックと、水電解スタックでの電気分解に使用される水が循環する水循環通路と、冷媒循環通路を循環する冷媒と水循環通路を循環する水との間で熱交換を行う熱交換器と、を備える水電解システムが提供される。
 本発明の実施形態、本発明の利点については、添付された図面を参照しながら以下に詳細に説明する。
図1は、本発明の第1実施形態による発電システムの概略構成図である。 図2は、水素タンクへの水素補充方法について説明する図である。 図3は、本発明の第2実施形態による発電システムの概略構成図である。
 (第1実施形態)
 図1は、本発明の第1実施形態による発電システム100の概略構成図である。
 発電システム100は、燃料電池システム1と、水電解システム2と、コントローラ3と、を備え、車両に搭載される。
 燃料電池システム1は、燃料電池スタック11と、アノードガス給排装置12と、カソードガス給排装置13と、スタック冷却装置14と、を備える。
 燃料電池スタック11は、複数枚の燃料電池を積層したものであり、水素を含有するアノードガス及び酸素を含有するカソードガスの供給を受けて発電し、発電した電力を、車両を駆動するために必要なモータ(図示せず)などの各種の電装部品に供給する。
 アノードガス給排装置12は、水素タンク121と、アノードガス供給通路122と、アノード調圧弁123と、アノードガス排出通路124と、パージ弁125と、を備える。
 水素タンク121は、燃料電池スタック11に供給するアノードガスを高圧状態に保って貯蔵する。
 アノードガス供給通路122は、水素タンク121から排出されたアノードガスを燃料電池スタック11に供給するための通路であって、一端部が水素タンク121に接続され、他端部が燃料電池スタック11に接続される。
 アノード調圧弁123は、アノードガス供給通路122に設けられる。アノード調圧弁123は、水素タンク121から排出されたアノードガスを所望の圧力に調節して燃料電池スタック11に供給する。アノード調圧弁123は、連続的又は段階的に開度を調節することができる電磁弁であり、その開度はコントローラ3によって制御される。
 アノードガス排出通路124は、一端部が燃料電池スタック11に接続され、他端部が開口端となっている。アノードガス排出通路124には、電極反応に使用されなかった余剰のアノードガスと、カソード側からアノードガス流路121へとクロスリークしてきた窒素や水蒸気などの不活性ガスと、の混合ガス(以下「アノードオフガス」という。)が排出される。アノードガス排出通路124の他端部を、カソードガス排出通路132に接続しても良い。
 パージ弁125は、アノードガス排出通路124に設けられる。パージ弁125は、連続的又は段階的に開度を調節することができる電磁弁であり、その開度はコントローラ3によって制御される。パージ弁125の開度を調節することで、外気に排出されるアノードオフガスの流量が調節される。
 カソードガス給排装置13は、カソードガス供給通路131と、カソードガス排出通路132と、フィルタ133と、カソードコンプレッサ134と、水分回収装置(Water Recovery Device;以下「WRD」という。)135と、カソード調圧弁136と、を備える。
 カソードガス供給通路131は、燃料電池スタック11に供給するカソードガスが流れる通路である。カソードガス供給通路131は、一端がフィルタ133に接続され、他端が燃料電池スタック11に接続される。
 カソードガス排出通路132は、燃料電池スタック11から排出されるカソードオフガスが流れる通路である。カソードガス排出通路132は、一端が燃料電池スタック11に接続され、他端が開口端となっている。カソードオフガスは、カソードガスと、電極反応によって生じた水蒸気と、の混合ガスである。
 フィルタ133は、カソードガス供給通路131に取り込むカソードガス中の異物を取り除く。
 カソードコンプレッサ134は、カソードガス供給通路131に設けられる。カソードコンプレッサ134は、フィルタ133を介してカソードガスとしての空気(外気)をカソードガス供給通路131に取り込み、燃料電池スタック11に供給する。
 WRD135は、カソードガス供給通路131及びカソードガス排出通路132のそれぞれに接続されて、カソードガス排出通路132を流れるカソードオフガス中の水分を回収し、その回収した水分でカソードガス供給通路131を流れるカソードガスを加湿する。
 カソード調圧弁136は、WRD135よりも下流のカソードガス排出通路132に設けられる。カソード調圧弁136は、連続的又は段階的に開度を調節することができる電磁弁であり、その開度はコントローラ3によって制御される。カソード調圧弁136の開度を調節することで、燃料電池スタック11に供給されるカソードガスの圧力(カソード圧)を所望の圧力に調節する。
 スタック冷却装置14は、燃料電池スタック11を冷却し、燃料電池スタック11を発電に適した温度に保つ装置である。スタック冷却装置14は、冷却水循環通路141と、ラジエータ142と、ラジエータファン143と、バイパス通路144と、三方弁145と、冷却水ヒータ146と、冷却水循環ポンプ147と、水温センサ148と、を備える。
 冷却水循環通路141は、燃料電池スタック11を冷却するための冷却水が循環する通路である。
 ラジエータ142は、冷却水循環通路141に設けられる。ラジエータ142は、燃料電池スタック11から排出された冷却水を冷却する。
 ラジエータファン143は、ラジエータ142よりも車両後方に設けられ、空気を吸引してラジエータ142へと導く。
 バイパス通路144は、ラジエータ142をバイパスさせて冷却水を循環させることができるように、一端が冷却水循環通路141に接続され、他端が三方弁145に接続される。
 三方弁145は、ラジエータ142よりも下流側の冷却水循環通路141に設けられる。三方弁145は、冷却水の温度に応じて冷却水の循環経路を切り替える。具体的には、冷却水の温度が相対的に高いときは、燃料電池スタック11から排出された冷却水が、ラジエータ142を介して再び燃料電池スタック11に供給されるように冷却水の循環経路を切り替える。逆に、冷却水の温度が相対的に低いときは、燃料電池スタック11から排出された冷却水から排出された冷却水が、ラジエータ142を介さずにバイパス通路144を流れて再び燃料電池スタック11に供給されるように冷却水の循環経路を切り替える。
 冷却水ヒータ146は、バイパス通路144に設けられる。冷却水ヒータ146は、燃料電池スタックの暖機時などに通電されて、冷却水の温度を上昇させる。冷却水ヒータ146の出力は、コントローラ3によって制御される。
 冷却水循環ポンプ147は、三方弁145よりも下流側の冷却水循環通路141に設けられて、冷却水を循環させる。
 水温センサ148は、燃料電池スタック11の冷却水出口近傍の冷却水循環通路141に設けられる。水温センサ148は、燃料電池スタック11から排出された相対的に高温な冷却水の温度を検出する。
 水電解システム2は、純水が循環する純水循環通路21と、水供給通路22と、純水製造装置23と、純水供給通路24と、リザーバタンク25と、水電解スタック26と、純水循環ポンプ27と、熱交換器28と、水素供給通路29と、除湿機30と、圧縮機31と、を備える。水電解システム2は、水電解スタック26によって純水を電気分解して水素を生成し、生成した水素を水素タンク121に供給する。水電解システム2は、燃料電池システム1を停止して水素タンク121に水素を補充するときに駆動される。
 以下、水電解システム2の各構成部品の詳細について説明する。
 水供給通路22は、水道水や工業用水などの水を純水製造装置23に供給するための通路である。水供給通路22は、一端が給水口と接続可能に構成され、他端が純水製造装置23に接続される。
 純水製造装置23は、水から純水を製造する。
 純水供給通路24は、純水製造装置23で製造された純水をリザーバタンク25に供給するための通路である。純水供給通路24は一端が純水製造装置23に接続され、他端がリザーバタンク25に接続される。
 リザーバタンク25は、水電解スタック26に供給する純水を貯蔵するタンクであって、純水循環通路21に設けられる。
 水電解スタック26は、複数の水電解セルを積層したものである。水電解スタック26は、純水循環通路21に設けられると共に、充電器などの外部電源と電気的に接続可能に構成される。水電解スタック26は、リザーバタンク25から供給された純水を外部電源からの電力によって電気分解して水素を生成する。
 純水循環ポンプ27は、純水循環通路21に設けられ、純水を循環させる。純水循環ポンプ27は、外部電源の電力によって駆動される。
 熱交換器28は、冷却水循環通路141及び純水循環通路21にそれぞれ接続されており、冷却水循環通路141を流れる冷却水と純水循環通路21を流れる純水との間で熱交換を行う。
 水素供給通路29は、水電解スタック26で生成した水素を水素タンク121に供給するための通路であって、一端が水電解スタック26に接続され、他端が水素タンク121に接続される。水素供給通路29には、通路内の液水を自動的に通路外に排出する2つのオートドレン291が設けられる。
 除湿機30は、水素供給通路29に設けられ、水電解スタック26で生成した水素中の水分を除去する。
 圧縮機31は、除湿機30よりも下流の水素供給通路29に設けられ、除湿機30で除湿された水素の圧力を所望の圧力まで昇圧して水素タンク121に供給する。圧縮機は、外部電源の電力によって駆動される。
 コントローラ3は、中央演算装置(CPU)、読み出し専用メモリ(ROM)、ランダムアクセスメモリ(RAM)及び入出力インタフェース(I/Oインタフェース)を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ5には、前述した水温センサ148の他にも、燃料電池システム1の運転状態を検出するための各種センサ類からの信号が入力される。
 図2は、水素タンク121への水素補充方法について説明する図である。
 図2に示すように、水素タンク121に水素を補充するときは、燃料電池システム1を停止させた上で、外部電源の電力を水電解スタック26などに供給する。また、外部の給水口を水供給通路22に接続して電気分解に必要な純水をリザーバタンク25に供給する。
 水素タンク121への水素補充が終わった後は、電力及び水の供給を停止して水電解システム2を停止させる。その後、必要があれば燃料電池システム1を起動する。
 このように、水素タンク121に水素を補充するときは、燃料電池システム1を停止した上で水電解システム2を駆動し、水電解スタック26で生成した水素を水素タンク121へと圧送する。そして、水素タンク121への水素補充が終わった後は、水電解システム2を停止した上で燃料電池システム1を駆動する。
 ここで、水電解スタック26には効率良く水素を生成することができる温度帯(概ね60℃前後)がある。したがって、水電解スタック26による水素生成効率を高めて水素補充の時間の短くするには、早期に水電解スタック26の暖機を完了させることが望ましい。
 また、燃料電池スタック11も水電解スタック26と同様に効率よく発電することができる温度帯(概ね60℃~90℃)がある。したがって、燃料電池システム1の起動後は、早期に燃料電池スタック11の暖機を完了させることが望ましい。
 そこで本実施形態では、燃料電池システム1を停止させて水電解システム2を駆動している間、外部電源の電力によって冷却水循環ポンプ147を駆動して冷却水を循環させ、冷却水循環通路141を循環する冷却水と純水循環通路21を循環する純水との間で熱交換を行うこととした。
 燃料電池システム1の駆動時には、冷却水循環通路141内の冷却水は、燃料電池スタック11の負荷に応じた最適な温度(概ね60℃~90℃)となっている。一方で、燃料電池システム1の駆動時には水電解システム2は停止されているので、純水循環通路21内の純水は、概ね外気温と同等の温度となっている。つまり、燃料電池システム1の駆動時は、冷却水循環通路141内の冷却水の温度が、純水循環通路21内の純水の温度よりも高くなっている。
 したがって、燃料電池システム1を停止させて水電解システム2を起動するときに、冷却水循環通路141の冷却水と純水循環通路21の純水との間で熱交換を行うことで、純水循環通路21の純水の温度を素早く上昇させることができる。その結果、水電解スタック26の暖機を早期に完了させることができる。
 また、水電解システム2を駆動して水素タンク121に水素を補充しているときは、燃料電池システム1は停止されているので、冷却水循環通路141の冷却水の温度は徐々に外気温に向けて低下していく。一方で、純水循環通路21の純水は、水電解スタック26の廃熱を受けて徐々に上昇していく。
 したがって、冷却水循環通路141の冷却水と純水循環通路21の純水との間で熱交換を行うことで、水素補充中において、冷却水循環通路141の冷却水及び純水循環通路21の純水の温度をある一定の温度に維持することができる。つまり、水電解システム2の駆動時において、冷却水循環通路141の冷却水の温度低下をある一定の温度までに抑えることができる。その結果、水素補充が終了して燃料電池システム1を起動するときに、燃料電池スタック11の暖機を早期に完了させることができる。
 また、水電解システム2の駆動時は、外部電源の電力によって冷却水循環ポンプ147を駆動することとしたので、燃料電池スタック11で発電を行う必要がない。そのため、水電解システム2の駆動時に水素タンク121のアノードガスが消費されず、水素補充の時間を短縮することができる。
 以上説明した本実施形態による水電解システム2は、燃料電池スタック11と、燃料電池スタック11を冷却する冷媒が循環する冷却水循環通路141と、水を電気分解して水素を生成する水電解スタック26と、水電解スタック26での電気分解に使用される水が循環する純水循環通路21と、冷却水循環通路141を循環する冷媒と純水循環通路21を循環する水との間で熱交換を行う熱交換器28と、を備える。
 これにより、冷却水循環通路141を循環する冷媒と純水循環通路21を循環する水との間で熱交換を行うことで、燃料電池スタック11の起動時には水の廃熱を利用して燃料電池スタック11の暖機を促進させることができ、水電解スタック26の起動時には冷媒の廃熱を利用して水電解スタック26の暖機を促進させることができるので、水電解スタック26の廃熱及び燃料電池スタック11の廃熱のそれぞれを有効に活用することができる。
 また、熱交換器28において、燃料電池スタック11での発電を停止して水電解スタック26で水素を生成するときに、冷却水循環通路141を循環する冷媒と純水循環通路21を循環する水との間で熱交換を行えば、純水循環通路21の純水の温度を素早く上昇させることができる。その結果、水電解スタック26の暖機を早期に完了させることができる。
 また、水電解スタック26での電気分解に用いる電源の電力で冷却水循環ポンプ147を駆動することとしたので、燃料電池スタック11で発電を行う必要がない。そのため、水電解システム2の駆動時に水素タンク121のアノードガスが消費されず、水素補充の時間を短縮することができる。
 (第2実施形態)
 次に、本発明の第2実施形態について説明する。本発明の第2実施形態は、カソード調圧弁136の外周部近傍を経由するように純水循環通路21を形成した点で第1実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。なお、以下に示す各実施形態では前述した第1実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。
 図3は、本発明の第2実施形態による発電システム100の概略構成図である。
 燃料電池スタック11から排出されてカソード調圧弁136を通過するカソードオフガスには水蒸気が含まれている。そのため、外気温が0℃を下回るような低温環境下のときに燃料電池システム1を停止して水素を補充すると、その間にカソード調圧弁136に付着していた液水が凍り、カソード調圧弁136が固着するおそれがある。
 そこで本実施形態では、図3に示すように、カソード調圧弁136の外周部近傍を経由するように純水循環通路21を形成した。
 これにより、水素の補充時においても、純水循環通路21を流れる純水によってカソード調圧弁136を暖めることができる。よって、第1実施形態と同様の効果が得られるほか、カソード調圧弁136が凍ることによる固着を防止できる。
 なお、燃料電池スタック11から排出されるアノードオフガスにもカソード側が透過した水蒸気が含まれている可能性もあるので、アノードオフガスが流れる配管上にバルブがある場合は、そのバルブの外周部を経由するように純水循環通路21を配索しても良い。
 (第3実施形態)
 次に、本発明の第3実施形態について説明する。本発明の第3実施形態は、燃料電池システム1を停止させて水電解システム2を駆動するとき、冷却水循環通路141の冷却水の温度が所定温度以下になってから水電解システム2を駆動する点で第1実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。
 本実施形態による発電システム100の構成自体は第1実施形態と同様なので、再び図1を参照して説明する。
 燃料電池スタック11を高負荷で運転させた後に燃料電池システム1を停止させたときは、冷却水循環通路141の冷却水の温度が、水電解スタック2で効率良く水素を生成することができる温度帯よりも高くなっている場合がある。
 このような場合に、燃料電池システム1の停止後、すぐに水電解システム2を駆動すると、冷却水循環通路141を流れる冷却水及び水電解スタック26からの熱を受けた純水の温度が、水電解スタック26で効率良く水素を生成することができる温度に対して過度に上昇してしまうおそれがある。
 そこで本実施形態では、水電解システム2の起動前に水温センサ148によって冷却水の温度を検出し、検出した冷却水の温度が所定温度よりも高いときは、ラジエータファン143を駆動して冷却水の温度を下げることとした。そして、冷却水の温度が所定温度以下になってから、水電解システム2を起動することとした。所定温度は、水電解システム2を駆動して冷却水と純水との間で熱交換を実施しても、水電解スタック26を効率良く運転させることができる温度に純水の温度を維持できる温度であり、実験等によって適宜設定すれば良いものである。
 このように、本実施形態によれば、燃料電池スタック11での発電を停止して冷却水循環通路141を循環する冷媒の温度が所定温度以下になってから、水電解スタック26での水素生成を開始することとした。これにより、純水の温度が、水電解スタック26で効率良く水素を生成することができる温度帯に対して過度に上昇してしまうのを抑制することができる。
 以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
 例えば、純水循環通路21を流れる冷却水の向きを上記の各実施形態とは逆向きにしても良い。
 また、上記の実施形態で説明した水電解システム2は、コンパクトなので水素を燃料として使用する車両等の移動体に搭載することも可能であるし、水素を燃料として使用する定置式のシステムに採用することも可能である。
 本願は、2012年6月25日に日本国特許庁に出願された特願2012-142140号に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。

Claims (7)

  1.  燃料電池と、
     前記燃料電池を冷却する冷媒が循環する冷媒循環通路と、
     水を電気分解して水素を生成する水電解スタックと、
     前記水電解スタックでの電気分解に使用される水が循環する水循環通路と、
     前記冷媒循環通路を循環する冷媒と前記水循環通路を循環する水との間で熱交換を行う熱交換器と、
    を備える水電解システム。
  2.  前記熱交換器は、
      前記燃料電池での発電を停止して前記水電解スタックで水素を生成するときに、前記冷媒循環通路を循環する冷媒と前記水循環通路を循環する水との間で熱交換を行う、
    請求項1に記載の水電解システム。
  3.  前記水循環通路は、
      前記燃料電池に供給されると共にその燃料電池から排出される水素又は酸素が流れる配管に設けられた少なくとも1つのバルブの外周部を経由するように配索される、
    請求項1又は請求項2に記載の水電解システム。
  4.  前記冷媒循環通路に設けられ、前記冷媒を循環させる循環ポンプと、
     前記水電解スタックでの電気分解に用いる電源の電力で前記循環ポンプを駆動する循環ポンプ駆動手段と、
    を備える請求項1から請求項3までのいずれか1つに記載の水電解システム。
  5.  前記燃料電池での発電を停止して前記冷媒循環通路を循環する冷媒の温度が所定温度以下になってから、前記水電解スタックでの水素生成を開始する水素生成開始手段を備える、
    請求項1から請求項4までのいずれか1つに記載の水電解システム。
  6.  前記冷媒循環通路に設けられ、前記冷媒を冷却するラジエータと、
     前記ラジエータを冷却するラジエータファンと、
     前記冷媒循環通路を循環する冷媒の温度が所定温度以下になるまでは、前記ラジエータファンを駆動するラジエータファン駆動手段と、
    を備える請求項5に記載の水電解システム。
  7.  水素を燃料として走行する車両に搭載される、
    請求項1から請求項6までのいずれか1つに記載の水電解システム。
PCT/JP2013/067342 2012-06-25 2013-06-25 水電解システム WO2014002989A1 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012142140A JP2015166478A (ja) 2012-06-25 2012-06-25 水電解システム
JP2012-142140 2012-06-25

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2014002989A1 true WO2014002989A1 (ja) 2014-01-03

Family

ID=49783135

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2013/067342 WO2014002989A1 (ja) 2012-06-25 2013-06-25 水電解システム

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP2015166478A (ja)
WO (1) WO2014002989A1 (ja)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112135928A (zh) * 2019-04-09 2020-12-25 松下知识产权经营株式会社 氢系统
CN113046766A (zh) * 2021-02-04 2021-06-29 海伟环境科技有限公司 一种电解/电晕法复合制备臭氧的装置

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6329989B2 (ja) * 2016-05-13 2018-05-23 本田技研工業株式会社 水電解システム及びその温度制御方法
JP6808192B2 (ja) * 2016-09-30 2021-01-06 国立研究開発法人産業技術総合研究所 乾燥水電解ガスの製造方法及びその装置
KR101911873B1 (ko) * 2017-10-26 2018-10-31 아크로랩스 주식회사 수전해장치와 연료전지 발전장치 일체형 수소 에너지 전력공급 시스템
JP6761960B1 (ja) * 2019-04-09 2020-09-30 パナソニックIpマネジメント株式会社 水素システム
US11502322B1 (en) 2022-05-09 2022-11-15 Rahul S Nana Reverse electrodialysis cell with heat pump
US11502323B1 (en) 2022-05-09 2022-11-15 Rahul S Nana Reverse electrodialysis cell and methods of use thereof
US11855324B1 (en) 2022-11-15 2023-12-26 Rahul S. Nana Reverse electrodialysis or pressure-retarded osmosis cell with heat pump

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001057222A (ja) * 1999-08-18 2001-02-27 Shinko Pantec Co Ltd エネルギー貯蔵装置およびその運転方法
JP2006299322A (ja) * 2005-04-19 2006-11-02 Kobelco Eco-Solutions Co Ltd 水電解装置、発電装置及び貯湯槽を備える発電システム
JP2010067454A (ja) * 2008-09-10 2010-03-25 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 電力貯蔵装置
JP2011021212A (ja) * 2009-07-13 2011-02-03 Honda Motor Co Ltd 水電解システム
JP2013076146A (ja) * 2011-09-30 2013-04-25 Panasonic Corp 水素生成システム

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001057222A (ja) * 1999-08-18 2001-02-27 Shinko Pantec Co Ltd エネルギー貯蔵装置およびその運転方法
JP2006299322A (ja) * 2005-04-19 2006-11-02 Kobelco Eco-Solutions Co Ltd 水電解装置、発電装置及び貯湯槽を備える発電システム
JP2010067454A (ja) * 2008-09-10 2010-03-25 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 電力貯蔵装置
JP2011021212A (ja) * 2009-07-13 2011-02-03 Honda Motor Co Ltd 水電解システム
JP2013076146A (ja) * 2011-09-30 2013-04-25 Panasonic Corp 水素生成システム

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112135928A (zh) * 2019-04-09 2020-12-25 松下知识产权经营株式会社 氢系统
CN113046766A (zh) * 2021-02-04 2021-06-29 海伟环境科技有限公司 一种电解/电晕法复合制备臭氧的装置
CN113046766B (zh) * 2021-02-04 2022-03-29 海伟环境科技有限公司 一种电解/电晕法复合制备臭氧的装置

Also Published As

Publication number Publication date
JP2015166478A (ja) 2015-09-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2014002989A1 (ja) 水電解システム
US20060147772A1 (en) Fuel cell system
WO2016002503A1 (ja) 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法
JP6332120B2 (ja) 燃料電池システム及びその制御方法
CA2911579C (en) A cooling system for a fuel cell system
JP2007250374A (ja) 燃料電池システム
JP2009113539A (ja) 燃料電池車両用空調システム
JP5742946B2 (ja) 燃料電池システム
JP5287179B2 (ja) 燃料電池システムの起動制御装置
JP5915691B2 (ja) 燃料電池システム
JP2007328933A (ja) 燃料電池システム
JP5083603B2 (ja) 燃料電池システム
JP5799766B2 (ja) 燃料電池システム
JP2007328972A (ja) 燃料電池システム
JP2016095931A (ja) 燃料電池システム
JP2021195113A (ja) 車両用燃料電池システム
JP5231932B2 (ja) 燃料電池の冷却システム
JP2008226810A (ja) 燃料電池発電システム
JP2007149352A (ja) 燃料電池システム
JP2010192141A (ja) 冷媒回路システム
KR101848614B1 (ko) 차량용 열관리계 시스템
JP5287368B2 (ja) 燃料電池システム
JP2007287545A (ja) 燃料電池システム
JP2008047444A (ja) 燃料電池システム
JP2006209994A (ja) 燃料電池システム

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 13810256

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 13810256

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: JP