(57)【要約】【課題】装置構成を簡略化できるとともに、運転効率を大幅に向上させることができる。【解決手段】水電解装置１１と、燃料電池１２と、容器１３と、浄化層１４と、容器１３本体内を第１の部屋１６と第２の部屋１７とに分離する仕切板１５と、水素タンク２１と水素配管２２ａ，ｂとを備える水素貯蔵部２０と、酸素タンク３１と酸素配管３２ａ，ｂとを備える酸素貯蔵部３０と、容器１３から排出された循環水を、燃料電池１２及び水電解装置１１を通過して第１の部屋１６に送給する第１の送給管２５と、容器１３から排出された循環水を、燃料電池１２及び水電解装置１１を通過して第２の部屋１７に送給する第２の送給管３５と、一方の端部が燃料電池１２より下流側の第１の送給管２５に接続される水素供給管２６と、一方の端部が燃料電池１２より下流側の第２の送給管３５に接続される酸素供給管３６とを備える電力貯蔵装置１０。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
循環水を電気分解して水素と酸素とを生成する水電解装置と、
水素と酸素とから循環水を生成する燃料電池と、
循環水を収容する容器と、
該容器内に設けられ、循環水を浄化する浄化層と、
前記容器本体の頂部から垂下し、前記容器本体内を第１の部屋と第２の部屋とに分離する仕切板と、
前記容器の外に設けられ、水素タンクと、前記第１の部屋と前記水素タンクとを連結する水素配管とを備える水素貯蔵部と、
前記容器の外に設けられ、酸素タンクと、前記第２の部屋と前記酸素タンクとを連結する酸素配管とを備える酸素貯蔵部と、
前記容器から排出された循環水を、前記燃料電池及び前記水電解装置を通過して、前記第１の部屋に送給するとともに、水素を前記第１の部屋に送給する第１の送給管と、
前記容器から排出された循環水を、前記燃料電池及び前記水電解装置を通過して、前記第２の部屋に送給するとともに、酸素を前記第２の部屋に送給する第２の送給管と、
一方の端部が、前記燃料電池より下流側の前記第１の送給管に接続され、前記第１の部屋から前記燃料電池に水素を供給する水素供給管と、
一方の端部が、前記燃料電池より下流側の前記第２の送給管に接続され、前記第２の部屋から前記燃料電池に酸素を供給する酸素供給管とを備える電力貯蔵装置。
【請求項２】
前記水素配管及び前記酸素配管の少なくとも一方が、前記容器に収容される循環水内に水素または酸素を供給するように配置される請求項１に記載の電力貯蔵装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水電解装置と燃料電池とを組み合わせた電力貯蔵装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池や風車などの時間的変動が大きい自然エネルギー発電装置に、水電解装置と燃料電池とを組み合わせた電力貯蔵装置が接続される。発電装置が電力需要に対して余剰に発電している場合、電力貯蔵装置は水電解装置を作動させて、水を分解して水素と酸素とを発生させ、それぞれ水素タンク及び酸素タンクに貯蔵する。電力需要が発電量を上回る場合は、燃料電池を作動させて、貯蔵された水素と酸素とから水を生成する際に電力を発生させる。上記のように、自然エネルギー発電装置を電力貯蔵装置に接続させることにより、自然エネルギーで発生した電力の平準化を図ることができる。
【０００３】
また、近年、昼間の電力需要と深夜の電力需要との格差が拡大している。電力貯蔵装置を通常の電力系統に接続する場合、夜間の余剰電力を用いた電力平準化装置としても利用することが出来る。
【０００４】
上記の電力貯蔵装置においては、水電解装置及び燃料電池の起動と停止とが繰り返される。水電解装置または燃料電池が停止する度に、水電解装置または燃料電池の温度が低下する。そのため、水電解装置または燃料電池を起動する際に、ヒータやバーナなどにより循環水を加熱してから、水電解または発電を行わなければならず、起動に長時間を要する。その結果、システム効率が低下するという問題があった。
【０００５】
上記問題を解決する手段として、燃料電池からの排熱を利用して、水循環系統、特に純水タンクを加熱・保温する発電システムが、特許文献１に開示されている。当該発電システムによれば、余熱を有効利用して電解用水を加熱することにより、起動時間を短くして、水電解時の効率を向上させることができる。
【特許文献１】特開２００２−０５６８８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１の発電システムでは、加熱保温される電解用水の温度は６０℃程度である。電解効率を向上させるためには、電解用水を６０℃から１２０℃程度にする必要がある。そのため、特許文献１の発電システムでは、電解用水をヒータなどの加熱装置を用いて更に加熱する必要があった。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、装置構成が簡略化されるとともに、水電解装置と燃料電池との起動時間を短くして効率を向上させることができる電力貯蔵装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明は、循環水を電気分解して水素と酸素とを生成する水電解装置と、水素と酸素とから循環水を生成する燃料電池と、循環水を収容する容器と、該容器内に設けられ、循環水を浄化する浄化層と、前記容器本体の頂部から垂下し、前記容器本体内を第１の部屋と第２の部屋とに分離する仕切板と、前記容器の外に設けられ、水素タンクと、前記第１の部屋と前記水素タンクとを連結する水素配管とを備える水素貯蔵部と、前記容器の外に設けられ、酸素タンクと、前記第２の部屋と前記酸素タンクとを連結する酸素配管とを備える酸素貯蔵部と、前記容器から排出された循環水を、前記燃料電池及び前記水電解装置を通過して、前記第１の部屋に送給するとともに、水素を前記第１の部屋に送給する第１の送給管と、前記容器から排出された循環水を、前記燃料電池及び前記水電解装置を通過して、前記第２の部屋に送給するとともに、酸素を前記第２の部屋に送給する第２の送給管と、一方の端部が、前記燃料電池より下流側の前記第１の送給管に接続され、前記第１の部屋から前記燃料電池に水素を供給する水素供給管と、一方の端部が、前記燃料電池より下流側の前記第２の送給管に接続され、前記第２の部屋から前記燃料電池に酸素を供給する酸素供給管とを備える電力貯蔵装置を提供する。
【０００９】
本発明の電力貯蔵装置は、燃料電池と水電解装置とが、第１の送給管及び第２の送給管により直列に接続される構成であるため、燃料電池及び水電解装置の一方が運転している間に、燃料電池及び水電解装置の他方が停止している場合であっても循環水によって保温される。そのため、水電解と発電とを切り替える際に、停止していた燃料電池または水電解装置を起動させるための起動装置が不要となる上、起動時間を大幅に短縮させることができる。水素供給管及び酸素供給管が、それぞれ燃料電池より下流側の第１の送給管及び第２の送給管に接続されるため、水電解装置運転時だけでなく、燃料電池運転時においても、系内の水の自然循環を発生させることが可能となる。また、水電解時に水電解装置で発生した不純物と、発電時に燃料電池で発生した不純物とを、共通の浄化層で浄化する構成とすることができる。従って、装置構成を簡略化でき、更に、運転効率を大幅に向上させることができる。
【００１０】
上記発明において、前記水素配管及び前記酸素配管の少なくとも一方が、前記容器に収容される循環水内に水素または酸素を供給するように配置されることが好ましい。
【００１１】
上記構成とすることで、水電解装置及び燃料電池に使用される電解膜を加湿させることができる。
【発明の効果】
【００１２】
上記発明によれば、水電解と発電とを切り替える際に、停止していた燃料電池または水電解装置を起動させるための起動装置が不要となり、起動時間を大幅に短縮させることができる。また、水電解装置及び燃料電池いずれの運転時においても、系内の水の自然循環を発生させることが可能となる。本発明の電力貯蔵装置は、水電解装置の浄化層と燃料電池の浄化層とを、共通で使用することができるため、装置構成を簡略化でき、更に、運転効率を大幅に向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に、本発明に係る電力貯蔵装置を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明に係る電力貯蔵装置の一実施形態概略図である。本実施形態に係る電力貯蔵装置１０は、循環水を電気分解して水素と酸素とを発生させる水電解装置１１と、水素と酸素とから循環水を生成するとともに電気を発生させる燃料電池１２と、循環水を貯蔵するための容器１３とを備える。水電解装置１１は、例えば、固体高分子膜水電解装置とされる。燃料電池１２は、例えば、固体高分子形燃料電池とされる。
【００１４】
容器１３内に、容器１３の下端面から所定間隔を有して設けられ、循環水を浄化する浄化層１４と、容器１３の頂部から垂下し、容器１３内を第１の部屋１６と第２の部屋１７とに分離する仕切板１５が設けられる。容器１３の外周に保温材（図示されず）が配置され、容器１３を保温できる構成となっている。
【００１５】
容器内に、循環水が収容される。容器内の循環水の水面を一定にするように、図示されない圧力計により各部屋の圧力を測定し、各部屋が均圧となるように調整される。また、水電解により循環水が消費されるので、水レベル計（図示されず）を容器に設置し、ボールタップなどにより所定量の水が給水管（図示されず）を介して給水される。
【００１６】
浄化層１４は、例えばイオン交換樹脂から構成される。容器内にイオン交換樹脂を充填するために、容器１３の下端面から所定距離で網または細孔を有する支持部材が設けられ、この支持部材にイオン交換樹脂が充填される。浄化層１４のイオン交換樹脂を循環水が通過する際、循環水中の不純物が除去される。容器１３内の浄化層１４の下方部に、浄化層１４で不純物が除去された循環水が貯留される。
【００１７】
容器１３の外部に、水素貯蔵部２０と酸素貯蔵部３０とが設けられる。水素貯蔵部２０は、水素タンク２１と、第１の部屋１６の頂部と水素タンク２１とを連結する水素配管２２ａ、及び、水素タンク２１と第１の部屋１６の側面部とを連結する水素配管２２ｂとを備える。酸素貯蔵部３０は、酸素タンク３１と、第２の部屋１７の頂部と酸素タンク３１とを連結する酸素配管３２ａ、及び、酸素タンク３１と第２の部屋１７の側面部とを連結する酸素配管３２ｂとを備える。
【００１８】
容器１３の下方部から、浄化層１４で浄化された循環水を、燃料電池１２及び水電解装置１１を通過して、第１の部屋１６上方の循環水中に供給する第１の送給管２５が設けられる。また、容器１３の下方部から、浄化層１４で浄化された循環水を、燃料電池１２及び水電解装置１１を通過して、第２の部屋１７上方の循環水中に供給する第２の送給管３５が設けられる。すなわち、燃料電池１２及び水電解装置１１が、第１の送給管２５及び第２の送給管３５により、直列に接続される。
【００１９】
第１の部屋１６の上部の空間に貯留される水素を、燃料電池１２に供給する水素供給管２６が設けられる。第２の部屋１７上部の空間に貯留される酸素を、燃料電池に供給する酸素供給管３６が設けられる。本実施形態において、水素供給管２６の下流側（燃料電池側）端部は、第１の送給管２５に接続される。また、酸素供給管３６の下流側端部は、第２の送給管３５に接続される。
【００２０】
本実施形態の電力貯蔵装置を用いて、電力の平準化を行う工程を以下で説明する。
夜間電力を用いる場合や、自然エネルギー発電装置が電力需要に対して余剰に発電している場合、本実施形態の電力貯蔵装置は次の工程で運転される。
【００２１】
水電解装置は、約８０℃にて定格運転される。
循環水が、第１の送給管２５から、燃料電池１２を通過して水電解装置１１に供給される。夜間電力または余剰電力が、水電解装置１１に投入される。これにより、水電解装置１１において、循環水が電気分解され、水素及び酸素が発生する。電気分解時に発生する内部損失により、循環水が加熱される。発生した水素は、余剰の循環水とともに、第１の送給管２５を通じて、第１の部屋１６上方の循環水中に供給される。酸素は、余剰の循環水とともに、第２の送給管３５を通じて、第２の部屋１７上方の循環水中に供給される。そのため、水電解装置１１の下流側の第１の送給管２５または第２の送給管３５を流れる、循環水と水素または酸素との混合物の密度は、水電解装置１１の上流側の第１の送給管２５または第２の送給管３５を流れる循環水の密度よりも小さくなり、系内の水に自然循環が発生する。
【００２２】
第１の部屋１６に供給された水素は、第１の部屋１６の頂部から排出され、水素配管２２ａを通じて水素タンク２１に供給される。水素タンク２１に供給された水素は、加圧されて水素タンク２１内に貯蔵される。
【００２３】
第２の部屋１７に供給された酸素は、第２の部屋１７の頂部から排出され、酸素配管３２ａを通じて酸素タンク３１に供給され、加圧されて酸素タンク３１内に貯蔵される。
【００２４】
第１の部屋１６及び第２の部屋１７の循環水は、浄化層１４を透過して容器１３下方部に移動する際に、浄化層１４にて不純物が除去される。不純物が除去された循環水は、第１の送給管２５及び第２の送給管３５から、燃料電池１２と通過して水電解装置１１に再び供給される。
【００２５】
このように、水電気分解過程で循環水が自然循環するので、循環水を循環させるためのポンプが不要となる。電解時に発生した内部損失によって循環水が加熱されるため、ヒータなどの加熱手段が不要となり、熱的自立を図ることができる。また、燃料電池と水電解装置とが、第１の送給管及び第２の送給管により直列に接続されるので、加熱された循環水が燃料電池を通過し、水電解時（すなわち、燃料電池停止時）においても燃料電池が保温される。
【００２６】
昼間において電力需要が発電量を上回る場合や、自然エネルギー発電装置の発電量が電力需要に満たない場合は、本実施形態の電力貯蔵装置は次の工程で運転される。
【００２７】
燃料電池１２は、上述のように、停止時（水電解時）でも循環水により約８０℃程度に保温される。従って、ヒータなどの起動装置が不要であり、起動時間が大幅に短縮される。
【００２８】
水素タンク２１内の水素が、水素配管２２ｂを通じて、第１の部屋１６の側面部から第１の部屋１６内の循環水に供給される。第１の部屋１６に供給された水素は、第１の部屋１６の上部空間から水素供給管２６を通じて燃料電池１２に供給される。
【００２９】
水素と同時に、酸素タンク３１内の酸素が、酸素配管３２ｂを通じて、第２の部屋１７の側面部から第２の部屋１７内の循環水に供給される。第２の部屋１７に供給された酸素は、第２の部屋１７の上部空間から酸素供給管３６を通じて燃料電池１２に供給される。
【００３０】
燃料電池１２において、水素と酸素が反応して水が発生するとともに、発電する。発生した水は、水素と酸素との反応によって発生するジュール熱により加熱される。加熱された水は、循環水として、第１の送給管２５及び第２の送給管３５を介して、水電解装置１１を通過して、第１の部屋１６及び第２の部屋１７に供給される。第１の部屋１６及び第２の部屋１７に供給された循環水は、浄化層１４を通過し、容器１３下部から排出されて、第１の送給管２５及び第２の送給管３５により、燃料電池１２に供給される。
【００３１】
ここで、水素供給管２６及び酸素供給管３６から燃料電池１２に供給され、反応せずに燃料電池１２を通過した余剰の水素及び酸素は、燃料電池１２の下流側において、それぞれ第１の送給管及び第２の送給管に供給される。そのため、燃料電池１２の下流側の第１の送給管２５または第２の送給管３５を流れる循環水と水素または酸素との混合物の密度は、燃料電池１２の上流側の第１の送給管２５または第２の送給管３５を流れる循環水の密度よりも小さくなり、系内の水に自然循環が発生する。
【００３２】
上記のように、本実施形態の電力貯蔵装置は、燃料電池起動のための加熱手段が不要であり、起動時間を大幅に短縮させることができる。発電時に発生したジュール熱により循環水が加熱されるため、熱的自立を図ることができる。また、発電時に水電解装置を保温することができるので、水電解過程に切り替えた際に、水電解装置の起動時間が大幅に短縮できるとともに、水電解装置起動のためのヒータなどの加熱手段が不要となる。
本実施形態の電力貯蔵装置は、発電時においても循環水が自然循環するため、循環水を循環させるためのポンプが不要となる。更に、水電解時に水電解装置で発生した不純物と、発電時に燃料電池で発生した不純物とを、共通の浄化層で浄化する構成とすることができるので、装置を簡略化できる。
【００３３】
本実施形態の電力貯蔵装置に固体高分子膜水電解装置を適用した場合、発電時（水電解装置停止時）においても水電解装置を循環水が通過するので、固体高分子電解質膜を加湿させることができる。
【００３４】
以上のように、本実施形態の電力貯蔵装置は、装置構成を簡略化でき、水電解と発電との間で運転が切り替わる際に、水電解装置及び燃料電池の起動時間を大幅に短縮することができるので、運転効率を大幅に向上させることができる。また、ヒータなどの循環水加熱手段が不要であるなど、装置構成を簡略化できる点で有利である。
【００３５】
なお、上記実施形態では、容器の外周に保温材が配置されるが、水分解や発電時の発熱が過多であり、循環水温度が過剰に上昇する場合は、例えば、第１の送給管及び第２の送給管にラジエータなどの放熱手段を設けることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の電力貯蔵装置の一実施形態の概略図である。
【符号の説明】
【００３７】
１０  電力貯蔵装置
１１  水電解装置
１２  燃料電池
１３  容器
１４  浄化層
１５  仕切板
１６  第１の部屋
１７  第２の部屋
２０  水素貯蔵部
２１  水素タンク
２２ａ，２２ｂ  水素配管
２５  第１の送給管
２６  水素供給管
３０  酸素貯蔵部
３１  酸素タンク
３２ａ，３２ｂ  酸素配管
３５  第２の送給管
３６  酸素供給管
【図１】
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