(57)【要約】【課題】水電解装置機能と燃料電池機能を有する固体高分子形のセルを用いた充放電システムにおいて、水電解運転時に発生する高温多湿の酸素を有効に利用すし、燃料電池運転の起動時から所期の性能を確保する。【解決手段】水電解運転時には、セルスタック２の可逆セル１０の酸素側に気液分離タンク４３から原料水が供給される。水電解運転時に発生した高温多湿の酸素は、タンク４３で気液分離された後に、湿度交換器６１で吸湿され、熱交換器６３で吸熱される。燃料電池運転時には、ファン６４によって可逆セル１０に送られる空気は、熱交換器６３によって加熱され、湿度交換器６１で加湿された後に、可逆セル１０に供給される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水電解機能と燃料電池機能を有する固体高分子形のセルを用いた充放電システムであって、
水電解運転時に前記セルの酸素極側で発生して前記セルから導出された酸素中の水分を吸湿し、かつ燃料電池運転時に前記セルに導入する酸化剤としての空気に対して前記吸湿した水分を放出する、湿度交換器を備えたことを特徴とする、充放電システム。
【請求項２】
前記水分が吸湿された後の酸素中の熱を吸収し、かつ燃料電池運転時に前記水分放出対象の空気に対して前記吸収した熱を放出する、熱交換器を備えたことを特徴とする、請求項１に記載の充放電システム。
【請求項３】
水電解運転時に前記セルの酸素極側で発生して前記セルから導出された酸素に随伴している水を除去する気液分離タンクを有し、
当該気液分離タンクで前記随伴水が除去された後の酸素が前記湿度交換器に導入されることを特徴とする、請求項１または２に記載の充放電システム。
【請求項４】
前記気液分離タンクの水は、水電解運転時の原料水として貯留されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の充放電システム。
【請求項５】
水電解運転時に前記セルで発生した水素を、当該水素に随伴している水を除去する他の気液分離タンクを有し、
当該他の気液分離タンクの水は、前記気液分離タンクに供給可能であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の充放電システム。
【請求項６】
前記セルは、固体高分子形の水電解装置と燃料電池とを一体化した可逆セルであることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の充放電システム。
【請求項７】
前記可逆セルは、水素側圧力＞酸素側圧力＝大気圧の場合の極間差圧耐性を有することを特徴とする、請求項６に記載の充放電システム。充放電システム。
【請求項８】
前記可逆セルは、
電極触媒層が両面に形成された固体高分子電解質の両面に酸素側集電体と水素側集電体が配され、前記酸素側集電体と水素側集電体の各外側に配置したセパレータで、前記酸素側集電体と水素側集電体を挟持した構成を有し、
前記酸素側集電体は、水素側集電体よりも大きく、前記酸素側集電体の縁部が、全周に渡って、水素側集電体の縁部の外方に位置し、
前記水素側集電体の外周には、前記固体高分子電解質膜に対して凸の形状を有して当該固体高分子電解質膜に接するシール部材が配置され、当該シール部材の前記固体高分子電解質膜を介した対向位置は、前記酸素側集電体の縁部より内周側であり、
前記シール部材は、水素側集電体の外周を囲むように設けられたシール材に形成された凸部、または、
セパレータの溝内に設けられたＯリングであることを特徴とする、
請求項７に記載の充放電システム。
【請求項９】
酸素側集電体の外周に、固体高分子電解質膜に対して凸の形状を有して当該固体高分子電解質膜に接するシール部材が配置され、当該シール部材は、水素側集電体の外周に配置されたシール部材と対向していないことを特徴とする、請求項８に記載の充放電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子形の水電解装置と燃料電池を一体型にした可逆セルや各機能を個別に有する２種の専用セルを用いたシステムにおいて、電力貯蔵システムとして機能させるのに最適なシステム構成に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
たとえば、固体高分子形の水電解装置と燃料電池を一体化した可逆セル（以下、「可逆セル」という）を使用する電力貯蔵システムでは、水電解運転によって、原料である水を電気分解して純水素と純酸素を発生させ、純水素を容器に貯蔵することで充電が行われる。そして、貯蔵した水素と大気から吸い込んだ空気で燃料電池運転することで放電が行われる。放電により生成された水は別の容器に貯蔵し、水電解運転時の原料として再度分解される。
【０００３】
固体高分子形の可逆セルは、固体高分子形の水電解セルと燃料電池セルを一体化して、双方の機能を１つのセルで選択的に発揮させる構造を有している。水電解セルでは、水の電気分解により発生する純水素と純酸素の圧力を制御することで、コンプレッサー等の昇圧機器を使用しなくても数ＭＰａ〜数１０ＭＰａの純水素と純酸素を発生させることができる。この加圧されたガスを別途設けた容器に貯蔵すれば、燃料電池運転時の燃料、酸化剤として使える。燃料電池運転では、純水素と純酸素の化学反応により電気と水が発生するが、発生した水を容器に貯蔵しておけば、水電解運転時の原料として使える。つまり、反応生成物を回収、再利用することで、水電解運転による充電と、燃料電池運転による放電を繰り返し行え、電力貯蔵システムとして構築できる。
【０００４】
従来、この種の可逆セルを用いて電力貯蔵システムとして構築したものとして、エネルギー貯蔵システムおよびその運転方法がある（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−５７２２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
この種の可逆セルを用いたエネルギー貯蔵システムにおいても、投入される電力を有効利用することが重要であり、前記従来技術においても、水電解運転時に発生する熱を吸着式冷凍機に送ってそのエネルギー源とし、これによって吸着式冷凍機によって生成した冷媒を、水素吸蔵合金を冷却する際に利用するようにしている。
【０００７】
しかしながら、前記従来の技術では、水電解運転時に発生する熱のみを利用し、水電解運転時に発生する純酸素の高温多湿性を十分に利用しているものとは言い難かった。
【０００８】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、固体高分子形の水電解装置と燃料電池を一体型にした可逆セルや、各機能を個別に有する２種の専用セルを用いたこの種のシステムにおいて、水電解運転時に発生した高温多湿の酸素を有効に利用することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
固体分子形の燃料電池セルを起動させる場合、酸化剤をある程度加湿しなければ、立ち上げ時から所期の電池性能が得られない。発明者はかかる点に注目して、次のような特徴を有する発明を完成した。すなわち、本発明は、水電解機能と燃料電池機能を有する固体高分子形のセルを用いた充放電システムであって、水電解運転時に前記セルの酸素極側で発生して前記セルから導出された酸素中の水分を吸湿し、かつ燃料電池運転時に前記セルに導入する酸化剤としての空気に対して前記吸湿した水分を放出する、湿度交換器を備えたことを特徴としている。
【００１０】
本発明によれば、水電解運転時に前記セルの酸素極側で発生して前記セルから導出された酸素中の水分を吸湿し、かつ燃料電池運転時に前記セルに導入する酸化剤としての空気に対して前記吸湿した水分を放出する、湿度交換器を備えているので、水電解運転時に酸素極側で発生した高温多湿の酸素の水分を捨てることなく、これを燃料電池運転時に前記セルに導入する酸化剤としての空気に対して供給し、当該空気を加湿するので、水電解運転時に酸素極側で発生した高温多湿の酸素を有効に利用しつつ、しかも燃料電運転の際の起動時の性能を向上させることが可能である。
【００１１】
また本発明は、水電解機能と燃料電池機能を有する固体高分子形のセルを用いた充放電システムであればよく、したがって、水電解装置と燃料電池を一体型にした可逆セルのみならず、後述の図６の例に示したように、水電解装置としての機能を有するセルと、燃料電池の機能を有するセルをそれぞれ個別に有するシステムであってもよい。すなわち、本発明でいうところの水電解機能と燃料電池機能を有する固体高分子形のセルとは、水電解装置と燃料電池を一体型にした1種類のセル（可逆セル）と、水電解装置としての機能を有するセルと、燃料電池の機能を有するセルの２種類のセルの場合を含むものである。
【００１２】
前記水分が吸湿された後の酸素中の熱を吸収し、かつ燃料電池運転時に前記水分放出対象の空気に対して前記吸収した熱を放出する、熱交換器を備えるようにしてもよい。
【００１３】
水電解運転時に前記セルの酸素極側で発生して前記セルから導出された酸素に随伴している水を除去する気液分離タンクを有し、当該気液分離タンクで前記随伴水が除去された後の酸素が前記湿度交換器に導入されるようにシステム構成してもよい。
【００１４】
前記気液分離タンクの水は、水電解運転時の原料水（以下、電解用の水、すなわち電解水ということもある）として貯留されるようにしてもよい。
【００１５】
水電解運転時に前記セルで発生した水素を、当該水素に随伴している水を除去する他の気液分離タンクを有し、当該他の気液分離タンクの水を、前記気液分離タンクに供給可能としてもよい。
【００１６】
前記セルは、固体高分子形の水電解装置と燃料電池とを一体化した可逆セルであってもよい。
【００１７】
また前記可逆セルは、水素側圧力＞酸素側圧力＝大気圧の場合の極間差圧耐性を有することが好ましい。
【００１８】
そのような極間差圧耐性を有するセルとしては、電極触媒層が両面に形成された固体高分子電解質の両面に酸素側集電体と水素側集電体が配され、前記酸素側集電体と水素側集電体の各外側に配置したセパレータで、前記酸素側集電体と水素側集電体を挟持した構成を有し、前記酸素側集電体は、水素側集電体よりも大きく、前記酸素側集電体の縁部が、全周に渡って、水素側集電体の縁部の外方に位置し、前記水素側集電体の外周には、前記固体高分子電解質膜に対して凸の形状を有して当該固体高分子電解質膜に接するシール部材が配置され、当該シール部材の前記固体高分子電解質膜を介した対向位置は、前記酸素側集電体の縁部より内周側であることを特徴とするものが例示できる。
【００１９】
かかる場合、前記シール部材は、水素側集電体の外周を囲むように設けられたシール材に形成された凸部やセパレータの溝内に設けられたＯリングであってもよい。
【００２０】
また酸素側集電体の外周に、固体高分子電解質膜に対して凸の形状を有して当該固体高分子電解質膜に接するシール部材が配置され、当該シール部材は、水素側集電体の外周に配置されたシール部材と対向していないように構成してもよい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、水電解運転時に酸素極側で発生した高温多湿の酸素を有効に利用しつつ、しかも燃料電運転の際の起動時の性能を向上させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】実施の形態にかかる充放電システムの構成の概要を示した説明図である。
【図２】図１の充放電システムに用いた可逆セルの流路断面を模式的に示した説明図である。
【図３】図２の可逆セルに用いたセパレータの正面図である。
【図４】酸素極側の気液分離タンクの配管構成の他の例を示す説明図である。
【図５】酸素極側の気液分離タンクの配管構成のさらに他の例を示す説明図である。
【図６】専用セルを有する充放電システムの構成の概要を示した説明図である。
【図７】他の構成にかかる可逆セルの流路断面を模式的に示した説明図である。
【図８】他の構成にかかる可逆セルの流路断面を模式的に示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明の実施の形態について説明すると、図１は実施の形態にかかる充放電システム１の構成の概略を示しており、この充放電システム１においては、図２、図３に示した可逆セル１０を複数枚、例えば数十〜数百枚程度を積層したセルスッタ２を有している。
【００２４】
図２は、前記可逆セル１０の内部（平面断面）を模式的に示しており、図３は、後述する可逆セル１０に使用されるセパレータ１５の正面を示している。この可逆セル１０においては、電極触媒層が両面に形成された固体高分子電解質膜１１の両面に、方形の酸素側集電体１２と水素側集電体１３が配置されている。そして酸素側集電体１２の外側には、流路１４を形成するセパレータ１５が配置され、水素側集電体１３の外側には、流路１６を形成するセパレータ１７が配置されている。
【００２５】
そして本実施の形態においては、図３にも示したように、酸素側集電体１２は、水素側集電体１３よりも大きく（面積が広く）、酸素側集電体１２の縁部が、全周に渡って、水素側集電体１３の縁部の外方に位置している。
【００２６】
セパレータ１５の内面側（固体高分子電解質膜１１側）には、方形の凹部１５ａが形成され、当該凹部１５ａ内に、酸素側集電体１２が設けられている。セパレータ１５における当該凹部１５ａの外周側、すなわち、酸素側集電体１２の外方側には、酸素側集電体１２を囲むように、溝１５ｂが形成され、当該溝１５ｂ内に、Ｏリングなどのシール部材２１が設けられている。
【００２７】
一方、セパレータ１７の内面側（固体高分子電解質膜１１側）にも、方形の凹部１７ａが形成され、当該凹部１７ａ内に、水素側集電体１３が設けられている。セパレータ１７における当該凹部１７ａの外周側、すなわち、水素側集電体１３の外方側には、水素側集電体１３を囲むように、溝１７ｂが形成され、当該溝１７ｂ内に、Ｏリングなどのシール部材２２が設けられている。
【００２８】
なお図２、３に示したセパレータ１５、１７の形状は、数ｍｍの厚みを有しているが、その材質は、セパレータ表面に反応流体を流通させる流路１４、１６を形成したり、構成部材を挿入するための凹部１５ａ、１７ａを、モールドや切削加工等により設けることができるものが好ましく、たとえば樹脂セパレータや金属厚板セパレータを用いることができる。またセパレータの形状は図２、図３に示した例に限らず、公知となっている形状のものでもよい。
【００２９】
そして、セパレータ１７に設けられるシール部材２２の位置は、図２に示したように、固体高分子電解質膜１１を介して、酸素側集電体１２の面と対面する位置に設定されている。すなわち、シール部材２２の位置は、固体高分子電解質膜１１を介して酸素側集電体１２の縁部よりも内方側に位置するように設定されている。
【００３０】
なお図３において、セパレータ１５におけるシール材２１の左右両側に位置するのは、冷却水用のマニホールド２４、２５であり、同じくシール材２１の上側に位置しているのは、反応流体用のマニホールド、２６、２７、同じくシール材２１の下側に位置しているのは、反応流体用のマニホールド２８、２９である。これら各マニホールド２４〜２９の外周には、Ｏリングなどのシール部材３０が夫々各マニホールド２４〜２９を囲むように設けられている。
【００３１】
セパレータ１５の流路１４の一部は、図３に示したように、そのヘッダ部１４ａ、セパレータ１５の内部に形成された連通孔３１を介して、マニホールド２６と連通している。またセパレータ１５の流路１４の他の一部は、そのヘッダ部１４ｂ、セパレータ１５の内部に形成された連通孔３２を介して、マニホールド２９と連通している。
【００３２】
同様に、セパレータ１７の流路１６の一部は、そのヘッダ部（図示せず）、セパレータ１７内部に形成された連通孔（図示せず）を介して、マニホールド２７と連通している。またセパレータ１７の流路１６の他の一部は、そのヘッダ部（図示せず）、セパレータ１７の内部に形成された連通孔（図示せず）を介して、マニホールド２８と連通している。
【００３３】
かかる構成を有する可逆セル１０を採用することで、実施の形態にかかる充放電システム１では、例えば水素側１ＭＰａ（ａｂｓ）、酸素側０．１ＭＰａ（ａｂｓ）での水電解運転を行える。したがって、酸素極側に、圧力制御を行なうための格別なポンプ、加圧機等は必要がなく、後述のように、水電解運転時に発生した高温多湿の純酸素から、極めて容易に水分、熱を回収して、これを利用することが可能となっている。
【００３４】
図１に示したように、この充放電システム１は、原料水（たとえば純水）を補給するタンク４１を有しており、電磁弁Ｖ１を有する配管４２を介して、このタンク４１の底部と、酸素側の気液分離タンク４３とが連通している。気液分離タンク４３内の原料水（たとえば純水）が、セルスタック２の原料水入口（水電解運転時）兼空気出口（燃料運転時）となるポートＡに対して供給されて、水電解運転がなされる。すなわち、気液分離タンク４３からの水は、タンク内の底部に接続された配管４４、セルスタック２に通ずる配管４５を介して、配管４４に設けられたポンプ４６によって、セルスタック２の酸素側のポートＡに対して供給可能である。ポートＡに出入りするガスの圧力は、配管４５に設けられた圧力計Ｐ１によって計測される。
【００３５】
配管４４には、配管４４内を流れる水の一部を、気液分離タンク４３に戻すための戻し管４７が接続されており、この戻し管４７には、流量調整弁Ｖ２、熱交換器４８、イオン交換樹脂塔４９、フィルタ５０が設けられており、これらの装置を通じて戻し水が処理されることで、気液分離タンク４３内の水の水質が維持される。気液分離タンク４３内には、タンク内の水の水位を検出する液面センサ５１が設けられている。
【００３６】
配管４５には、湿度交換器６１に通ずる配管６２、湿度交換器６１と熱交換器６３を結ぶ配管６４、熱交換器６３と熱交換器６５を結ぶ配管６６、熱交換器６５の出口側と外部の放出口（図示せず）を結ぶ放出管６７が接続されている。配管６２には、電磁弁Ｖ３が設けられている。なお湿度交換器６１には、例えば回転式全熱交換器を用いることができる。その他、静止型全熱交換器や気化式加湿器として用いられているもの、とりわけ中空糸膜、多孔質膜、浸透膜を用いたものが好適であるが、必要な機能としては、ガスを流すことで、当該ガス中の水分を容易に吸脱着できるものであればよい。また熱交換器６３に使用する熱交換器のタイプとしては、例えばプレート式熱交換器がよい。もちろんこれに限られるものではない。また熱交換器６５では、たとえば別途設置する冷却用チラー（図示せず）の冷媒と熱交換されるようになっている。
【００３７】
放出管６７には、その途中で、タンク４１の底部と接続される配管６８が分岐接続されている。また配管６６と、タンク４１の上部との間には、配管６９が接続されている。そしてタンク４１には、純水製造装置７０からの水（純水）が供給される。タンク４１には、タンク内の水の水位を検出する液面センサ７１が設けられている。そして前記した配管６２には、気液分離タンク４３の上部に通ずる配管７２が分岐している。
【００３８】
セルスタック２の原料水と酸素の出口（水電解運転時）兼空気入口（燃料電池運転時）となるポートＢには、配管８１の一端部が接続されている。この配管８１の他端部には、電磁三方弁Ｖ４を介して、気液分離タンク４３の上部に通ずる配管８２と、湿度交換器６１、熱交換器６３を経て、ファン８４に通じる配管８３、８５、８６が接続されている。ポートＢに出入りするガスの圧力は、配管８１に設けられた圧力計Ｐ２によって計測される。
【００３９】
セルスタック２には、電源装置９１が接続され、各可逆セル１０に対して、直流の電力が供給される。電源装置９１は、制御装置９２によって制御される。
【００４０】
セルスタック２には、冷却用の冷却水を循環させる配管９３が接続され、熱交換器９４にて熱交換された冷却水が、ポンプ９５の駆動により、セルスタック２内を循環し、各可逆セル１０を冷却する。ここで熱交換器９４にて熱交換された熱は、温熱として利用できる。温熱利用を必要としない場合には、熱交換器９４にラジエータを用いて放熱するようにし、冷却水を降温させればよい。
【００４１】
セルスタック２の水素出口（水電解運転時）となるポートＣには、配管１０１が接続され、この配管１０１は、水素側の気液分離機能を行なう気液分離タンク１０２に通じている。気液分離タンク１０２の底部と、酸素側の気液分離タンク４３内の上部気層部（タンク内において貯留する水の液面より上の部分であり、貯留する液面が上昇しても、液面が達することのない部分）との間には、配管１０３が接続されている。配管１０３には、電磁弁Ｖ５、流量調整弁Ｖ６が設けられている。気液分離タンク１０２内には、タンク内の水の水位を検出する液面センサ１０４が設けられている。
【００４２】
気液分離タンク１０２の気層部は、配管１０５を介して、水素貯蔵部１０６の入口側に通じている。この例での水素貯蔵部１０６は、水素貯蔵タンク（高圧容器）であり、タンク内の圧力は、圧力計Ｐ３によって計測される。配管１０５には背圧弁Ｖ７、逆止弁Ｖ８が設けられている。また配管１０５における背圧弁Ｖ７の上流側でかつ気液分離タンク１０２の下流側には、放出管１０７が接続され、放出管１０７には、電磁弁Ｖ９が設けられている。
【００４３】
水素貯蔵部１０６の出口側には、配管１１１が接続され、この配管１１１は、セルスタック２の水素入口（燃料電池運転時）となるポートＤに接続されている。配管１１１には、圧力調整弁Ｖ１０、電磁弁Ｖ１１が設けられ、さらに電磁弁Ｖ１１の下流側（ポートＤ側）には、圧力計Ｐ４が設けられている。
【００４４】
そして配管１１１と気液分離タンク１０２の気層部との間には、配管１１２が接続されている。この配管１１２には、ガス循環ポンプ１１３、および電磁弁Ｖ１２が設けられている。
【００４５】
実施の形態にかかる充放電システム１は、以上のような構成を有しており、次にその運転例について説明する。
【００４６】
まず、水電解運転開始時は、電磁三方弁Ｖ４に接続されている配管８１、８２を開通状態としてからポンプ４６を起動する。これによって、酸素側の気液分離タンク４３に貯留されている水は、配管４５を通じてポートＡからセルスタック２の可逆セル１０に供給される。また気液分離タンク４３から出た純水の一部は、電解水の水質維持のためのバイパス系統の配管４７に送られ、流量調整弁Ｖ２、熱交換器４８、イオン交換樹脂塔４９、フィルタ５０を介して気液分離タンク４３に返水される。
【００４７】
この状態で電源装置９１から可逆セル１０に電力を供給すれば、その電力に応じた水が陽極上で水素イオン、酸素イオンに電気分解される。そのうち酸素イオンは触媒上で酸素分子（純酸素）となり、循環水と共にポートＢからセル外に排出される。ポートＢから導出された酸素は、配管８１、８２を通じて、酸素側の気液分離タンク４３に送られて、気液分離が行なわれ、随伴水は気液分離タンク４３に貯留される。一方、水素イオンは、随伴水を伴って水素側に移動し、水素側触媒上で水素分子となってポートＣからセル外に排出される。排出された純水素は、ポートＣから配管１０１を通じて、水素側の気液分離タンク１０２に送られて、気液分離が行なわれる、随伴水は気液分離タンク１０２に貯留される。
【００４８】
そして純水素は配管１０５から背圧弁Ｖ７に送られ、その後水素貯蔵部１０６に供給、貯蔵される。一方、気液分離タンク４３にて気液分離された後の、高温多湿の純酸素は、配管７２から燃料電池運転時の空気加湿用の湿度交換器６１に送られ、湿度交換器６１の加熱と加湿を行なう。その後配管６４から燃料電池運転時の空気加熱用の熱交換器６３に送られ、熱交換器６３の加熱をする。その間、凝縮した水は、配管６９からタンク４１に送られる。また配管６６に送られた純酸素と水蒸気は、熱交換器６５で冷媒と熱交換され、それによって凝縮した水は、放出管６７、配管６８を介してタンク４１に返水され、純酸素はそのまま放出管６７から系外に排出される。
【００４９】
かかる水電解運転により、気液分離タンク４３の水位は減少し、一方タンク４１の水位は上昇するが、本実施の形態で採用した可逆セル１０は、図２、図３で示したような構成を有する極間差圧耐性を有するセルであるため、常に水素側圧力の方が酸素側圧力（ほぼ大気圧）よりも高くなる。
【００５０】
そのため、水素側の気液分離タンク１０２の水位計１０４の水位が、１０４ａから１０４ｂになったら、電磁弁Ｖ５を開にすることで、その圧力差によって気液分離タンク１０２の水を、配管１０３を通じて、酸素側の気液分離タンク４３に返水することができる。なおここで気液分離タンク１０２の水を、タンク４１に返水しないのは、系内の電解水温度をできるだけ速やかに昇温させるためである。
【００５１】
そして、圧力計Ｐ３で計測される水素貯蔵部１０６の圧力が、あらかじめ設定した充電終了圧力（以降、完全充電状態）に到達したとき、あるいは充電終了信号が制御回路（図示せず）から制御装置９２に送られてきたら、電源装置９１による電源供給を遮断し充電を終了させる。なお当該制御回路は、例えば制御装置９２の中に組み込んでもよい。その他、バルブの開閉や各種の計測値をモニタリングして、何らかの制御信号を出力したり、機器類のオン−オフを指示する回路であってもよい。
【００５２】
水電解運転終了時は、水素極側では電磁弁Ｖ９を開とし、系内を大気圧近傍まで減圧する。一方酸素極側ではポンプ４６を停止して、気液分離タンク４３から可逆セル１０への純水の供給を停止する。また電磁三方弁Ｖ４の配管８１と配管８３を開通状態にし、また電磁弁Ｖ３を開とする。そしてファン８４を一定時間起動して系内に空気を供給し、系内及び可逆セル１０内に残存した水を、配管４５、６２、６４、６６、６９を介して、タンク４１に返水する。一方、ファン８４によって系内に供給された空気は、配管６６、６７を介して系外に排出される。ファン８４の運転時間は、セル内の残留水の排水を目的とするものであれば、１０秒程度である。もちろんこのファン８４による空気の供給で、そのまま乾燥まで行ってもよいが、その場合には、後述のように、湿度交換器６１、熱交換器６３を迂回するバイパス管を経由して、ポートＢに供給することが重要である。
【００５３】
なお、可逆セル１０の乾燥方法については、適宜公知の方法を用いればよい。このようにして水素極側の減圧と可逆セル１０の乾燥が終了したら、全電磁弁を閉として運転を終了するか、あるいは燃料電池運転に切替える。
【００５４】
そして燃料電池運転開始時は、電磁弁Ｖ１１を開にして、水素貯蔵部１０６からの水素を配管１１１を通じてポートＤからセルスタック２へと供給可能状態とする。また電磁弁Ｖ１２を開とすると共に、ガス循環ポンプ１１３を起動させる。一方酸素極側では、電磁弁Ｖ３を開とし、さらに電磁三方弁Ｖ４の配管８１と配管８３が開通状態として、ファン８４を起動してポートＢからセルスタック２に対して空気を供給する。
【００５５】
この状態で可逆セル１０に負荷を接続すれば、その負荷に応じてセルスタック２の可逆セル１０は放電し（すなわち、負荷に電力が供給され）、可逆セル１０において放電電流に応じた水素と酸素が消費される。ここで消費されなかった空気、並びに発生した生成水は、配管４５、６２を介して湿度交換器６１に送られ、供給空気と湿度交換した後に熱交換器６３に送られる。
【００５６】
そして湿度交換器６１で湿度交換されなかった水と、熱交換器６３において供給空気と熱交換を行って凝縮した水は、配管６６、６９を介してタンク４１に返水される。一方凝縮されなかった水蒸気は、熱交換器６５に送られ、熱交換器６５でさらに冷却除湿されて凝縮によって発生した水は、配管６８を介してタンク４１へ送られ、また冷却後のガスは、放出管６７を介して大気に排気される。
【００５７】
一方燃料電池運転時に消費されなかった水素は、配管１０１を介して気液分離タンク１０２に送られ、配管１１２を介してガス循環ポンプ１１３に送られ、配管１１１を通じてポートＤからセルスタック２の可逆セル１０に供給される。一方、反応で消費された分の水素は、水素貯蔵部１０６から圧力調整弁Ｖ１０で所定の圧力に調整された後に、配管１１１から水素循環経路（配管１１２→ポートＤ→ポートＣ→気液分離タンク１０２）に供給されることで補充される。
【００５８】
ここで、気液分離タンク１０２には、殆ど水が溜まらないため特段の排水対策は不要である。しかしながら、仮に気液分離タンク１０２に水が溜まる場合には、水素貯蔵部１０６が満充電状態から空状態になるまでに溜まる水を貯めておけるだけの容量を、気液分離タンク１０２に持たせ、次の水電解運転時に気液分離タンク４３に返水するか、あるいは気液分離タンク１０２のサイズは変えずに、別途排水ルートを設けて、当該排水ルートに設けた電磁弁の開閉によってタンク４１に適宜返水すればよい。このように、別途排水ルートを設けることにより、循環水素ガス中の水分のみならず、酸素極側から膜を介して拡散してくる不純物（主として空気中の窒素）も除去できる。
【００５９】
すなわち、前記したように排水ルートを別途設けることで、図１のシステムにおいて電磁弁Ｖ９が担う不純物除去の役割を受け持つことができ、燃料電池の安定運転に寄与できる。この場合、圧力調整弁Ｖ１０の設定圧力を、空気側の系内圧力（圧力計Ｐ１の圧力値）よりも１０ｋＰａ以上高く設定することで、ポンプを使用しなくても極間圧力差でタンク４１へ返水できる。そして、圧力計Ｐ３によって計測される水素貯蔵部１０６の圧力が、あらかじめ設定した放電終了圧力（以降、完全放電状態）に到達したとき、あるいは放電終了信号が制御回路（図示せず）から送られてきたら、負荷を遮断し放電（燃料電池運転）を終了させる。なおかかる排水ルートとしては、気液分離タンク１０２〜気液分離４３間の配管１０３と同じもの（適宜、バルブを有するもの）を、気液分離タンク１０２〜タンク４１の気層部間に設けることが提案できる。
【００６０】
燃料電池運転終了時は、水素極側ではガス循環ポンプ１１３を停止し、電磁弁Ｖ１１、Ｖ１２を閉とする。酸素極側では、可逆セル１０の内部基材が適度に乾燥する状態まで空気を供給した後、ファン８４を停止し、電磁弁Ｖ３を閉として運転を終了する。そしてこの状態から水電解運転に切替える場合には、上述したような水電解開始フローの通りに起動すればよい。なお、ガス循環ポンプ１１３の代わりにエジェクターを使用してもよい。
【００６１】
ここで実施の形態にかかる充放電システム１の定格の運転温度は６０〜８０℃程度であり、運転温度が高いほどシステム効率が向上する。そのため、水電解運転と燃料電池運転のいずれの運転においても、効率的に運転するには運転温度を速やかに定格温度域に到達させる必要がある。水電解装置と燃料電池とを個別に設けた場合には、それぞれの昇温や降温が必要になり、起動停止時には熱ロスが生じる。
【００６２】
しかしながら、水電解装置と燃料電池とを一体化した可逆セル１０を有する実施の形態の充放電システム１の場合、充放電を連続的に行う場合であれば、下記に詳述するように、運転を切替る時点で既に定格の運転温度とすることが可能であり、前記したような水電解装置と燃料電池とを個別に備える専用機で必要となる昇温や降温が不要になる。
【００６３】
具体的には、まず水電解運転から燃料電池運転に切替える場合には、水電解運転で例えば８０℃になっている可逆セル１０を、その温度のまま燃料電池運転するためには、セルの特性にもよるが燃料電池運転起動時点でセル温度に近い高露点の燃料（水素）と酸化剤（酸素）を可逆セル１０に供給する必要がある。これは、固体高分子膜が湿潤状態ではプロトン伝導性が良好であり、膜の抵抗が低いために性能が上昇するが、低加湿の場合にはプロトン伝導性が悪くなり膜の抵抗が高くなるために性能が低下し、極端な場合には膜の破損に繋がるからである。
【００６４】
酸化剤として空気を用いる空気運転の場合には、水素極側の水素供給流量よりも空気側の供給流量の方が数倍になるため、特に空気側の露点を高くする必要がある。また、セル温度が高ければ高いほど、水蒸気分圧は急激に上昇するため、定格の運転温度が８０℃やそれ以上になる場合には、その必要性がさらに高くなる。
【００６５】
実施の形態にかかる充放電システム１では、水電解運転で発生する高温多湿の純酸素を利用して、空気の湿度交換器６１の温度と加湿側の湿度を十分高い状態に維持し、また、その下流の熱交換器６３の温度も高い状態で維持しておくことで、いつ運転切替をしても、燃料電池運転開始時点から大気中の空気を高露点の空気として可逆セル１０に供給することができる。
【００６６】
すなわち、実施の形態の充放電システム１によれば、水電解運転時において発生した高温多湿の純酸素は一旦、湿度交換器６１へと送られ、水分はこの湿度交換器６１へと吸収され、保有される。そしてさらに熱交換器６３へと送られ、当該熱交換器６３を予熱する。したがって、燃料電池運転開始時には、当該予熱された熱交換器６３、水分を保有した湿度交換器６１を経由して、原料空気がポートＢからセルスタック２に供給されるので、燃料電池運転起動時点で、好適な燃料電池運転に必要な温湿度を有する空気を、直ちにセルスッタク２に供給することが可能になっており、速やかな切り替え運転が可能である。
【００６７】
ここで、この純酸素の湿度交換や熱交換は、高温多湿の純酸素の除熱と除湿をし、その下流にある熱交換器６５での冷却負荷を低減させる効果もある。そのため、運転切替をせず通常の水電解運転を継続している時であっても、それ自体が無駄になることはない。
【００６８】
なお湿度交換器６１、熱交換器６３で採用した交換器の構造、タイプにもよるが、予熱完了までに要する時間は、水電解運転で定格温度（例えば８０℃）に到達するまでの時間となる。そして運転条件にもよるが、定格の運転条件で室温から定格温度になるまでの時間は１５分程度である。したがって、水電解運転の時間が事前に決まっている場合は、水電解運転の最後１５分間のみ、そのように高温多湿の純酸素によって、湿度交換器６１への加湿、熱交換器６３の予熱を行なうようにしてもよい。ただし、運転時間が決まっていない場合には、いつ燃料電池運転に切替ても切替直後から十分な湿度を確保するために、常時、湿度交換器６１への加湿、熱交換器６３の予熱を行なうことが好ましい。なお定格温度とは、セル自体の温度であり、より具体的には、水電解運転の場合には、電解水のセル入口温度、燃料電池運転の場合には、冷却水のセル入口温度である。
【００６９】
なお、基本的に水電解運転中は冷却水ポンプ９５は運転しないが、燃料電池運転への切替時（例えば制御装置９２による切替指令が出たとき）に、水電解運転の終了動作を開始すると同時に、ポンプ９５を起動し、可逆セル１０や原料水（純水）との間で熱交換することで冷却水温度をある程度上昇させてから燃料電池運転を行うことも可能である。またポンプ９５を常時運転しなくても、冷却水温度をその時の水電解運転温度に近づけておくことを目的として、ポンプ９５を間欠的に作動させてもよい。なお、あらかじめ水電解運転から燃料電池運転への運転切替のタイミングがわかっている場合には、そのタイミングに合わせて停止の少し前からポンプ９５を起動し、冷却水温度を水電解運転の排熱により上昇させればよい。ここで、水電解運転中も運転温度を維持する目的で、可逆セル１０の冷却用に冷却水を利用する場合には、前述のような制御は不要である。
【００７０】
なお水電解運転終了後、ファン８４を起動させて配管８６から配管８１、ポートＢに空気を供給して当該空気によるパージによって可逆セル１０の乾燥を実施する場合には、そのままでは当該空気によって、熱交換機６３を降温させたり、湿度交換器６１を乾燥させてしまうおそれがあるので、図１において破線で示したように、適宜熱交換器６３、湿度交換器６１を迂回するバイパス管９９を設け、当該乾燥時には、このバイパス管９９を経由して配管８１からポートＢに空気を供給することが好ましい。
【００７１】
次に燃料電池運転から水電解運転に切替える場合には、燃料電池起動時のような可逆セル１０のセルの破損に繋がる問題は無い。しかしながら、燃料電池の運転時間に応じて、気液分離タンク４３の温度は自然放熱で徐々に低下していく。そのため、従来では、水電解起動初期に低温の原料水が供給されることで運転温度の低下が発生していた。
【００７２】
かかる問題を解決する方法としては、気液分離タンク４３内に熱交換用のコイルを設け（図示せず）、当該熱交換用のコイルに燃料電池運転中の冷却水を常時循環させておくことで、気液分離タンク４３の水温を冷却水温度と同等に保つようにさせれば良い。ここで、燃料電池運転時は排熱の外部供給をする場合があるため、気液分離タンク４３の水温を維持するために気液分離タンク４３に供給する熱量は少ない方がよい。この場合の排熱供給は、例えば、空調用温水の温熱源や給湯の温熱源としての利用が提案できる。また冷温水発生機の熱源も考えられる。また、常温状態からの水電解運転を起動することを考えても、速やかに運転温度を定格運転域まで上昇させるには気液分離タンク４３の保有水量は少ない方がよい。そのため、気液分離タンク４３の保有水量は、システムで原料水が循環するルート全てを水で満たすと仮定した容積＋気液分離タンク４３の下限水位の水量とするのが好適である。
【００７３】
さらに、冷却水の分岐箇所は、外部への排熱供給用の分岐の下流（図示せず）とし、外部への排熱供給を優先した。
【００７４】
もう１つの方法としては、水電解起動時にしばらくの間冷却水ポンプ９５を循環させ、燃料電池運転時の残り熱により可逆セル１０を介して気液分離タンク４３の水温を上昇させてもよい。この場合は、気液分離タンク４３内に熱交換用コイルを設けなくてもよく、熱交換器９４の冷却水を循環させて、気液分離タンク４３内の原料水と熱交換し、気液分離タンク４３の水温と冷却水温度が同等になった時点で冷却水ポンプ９５を止めれば良い。すなわち、冷却水の保有している熱量を原料水の昇温に利用し、原料水と冷却水とがほぼ同じ温度になった時点で冷却水ポンプ９５を停止させ、冷却水の循環を停止させることで、可逆セル１０を熱交換器として有効に利用することができる。
【００７５】
以上が定格温度を極力維持したままでの運転切替を行うための対策であるが、これとは別に、本発明では水電解運転時の気液分離タンク４３の水温維持や、起動時の昇温速度の観点から、酸素側の気液分離タンク４３と補給水を貯留するタンク４１とが分離されている。すなわち、水電解運転時は、電気分解や排水により気液分離タンク４３の水位が低下していくため、タンク４１からの給水が必要になる。
【００７６】
本実施の形態では、タンク４１の位置を、気液分離タンク４３よりも常に１ｍ以上高い位置に設置することで、重力を駆動力とした気液分離タンク４３への補給を可能にした。ここで、もし気液分離タンク４３からタンク４１への水移動が必要になると、基本的に気液分離タンク４３内は常に大気圧近傍であるため、ポンプ等の補機が必要になってしまう。そこで本実施の形態では、後述するように気液分離タンク４３からタンク４１への水移動のための専用ポンプ等を不要とすることで、システムの簡素化が図られている。
【００７７】
気液分離タンク４３の水を移動させなければいけなくなるのは、気液分離タンク４３の水位が上昇したときである。そこで、気液分離タンク４３の水位の上昇を防止するため、気液分離タンク４３へ水が流入しないような配管方法を採用することが望ましい。具体的には、気液分離タンク４３に、相当量の水が流入する可能性があるのは燃料電池運転時のみであり、反応生成水や凝縮水がその対象である。そしてそれらの水が気液分離タンク４３に流れ込むのは、配管４４か、配管７２からである。
【００７８】
したがって、これに対処するため、たとえば次のような配管構成を提案できる。図４に示したものは、配管４４、７２を、いわゆる上取り出しとすることで、前記した各種水が気液分離タンク４３に流入することを防止することができる。すなわち、配管４４、配管７２については、配管６２と気液分離タンク４３との配管ルートにおいて、一旦配管６２の上方に位置するように、適宜配管４４、７２を折曲させることで、電磁弁等何ら補機を設けることなく、気液分離タンク４３への水の流入を防止することができ、またシステム構成を簡素化することが可能である。
【００７９】
なお、流路圧損低減の観点からすると、図５に示したように、配管４４だけは、下取り出しとし、配管６２との接続点近くに、電磁弁Ｖ１３を設けてもよい。これによっても、気液分離タンク４３への水の流入を防止することができ、また電磁弁の設置を
必要最小限に抑えることができる。
【００８０】
そして本実施の形態で用いた可逆セル１０についていえば、水素側集電体１３から酸素側集電体１２に対して、正の差圧がかかったとしても、差圧がかかる固体高分子電解質膜１１の部分は、全体が酸素側集電体１２の平面部のみで完全に支持されている。通常、酸素側集電体１２には、例えばチタンなどの金属製不織布やフォトケミカルエッチング、金属焼結体等により複数の微細孔を設けた金属薄板に白金鍍金を施したものが用いられるため、それ自体の剛性が非常に高く変形する恐れがない。したがって、固体高分子電解質膜１１が変形する箇所は一切無く、シール部材２２の面圧も確保できる。すなわち、所期のシール部材２２の反力が得られ、それに応じたシール効果が得られる。
【００８１】
また、たとえ酸素側集電体１２の端部と、セパレータ１５の凹部１５ａとの間に隙間があったとしても、後述のように、酸素側はほぼ大気圧であるため、膜を変形させる力は作用しない。さらに、万が一酸素側集電体１２の端部で膜が破損しても、図２に示したように、酸素側のシール部材２１と水素側のシール部材２２とは、直接対向しておらず、水素側のシール部材２２が酸素側集電体１２の端部よりも、内方側に配置されていることから、両極間のガスが混合する可能性は無く、可逆セル１０外部への漏えい可能性もない。なお、水素側集電体１３の端部とセパレータ１７の凹部１７ａとの間に隙間があったとしても、前記したように、酸素側はほぼ大気圧であるから、酸素側から水素側に加圧されることはないので問題はない。
【００８２】
したがって本実施の形態で採用した可逆セル１０によれば、水素側集電体１３から酸素側集電体１２に対して、正の差圧がかかったとしても、固体高分子電解質膜１１の破損はなく、またガスがセル外部に漏れ出すこともない。発明者の試算では膜の強度を一切変更することなくセルの極間差圧耐性を数１０ＭＰａに高めることが可能である。そのため、従来装置では周辺装置側が担っていた安全上の負荷をすべてセル本体で担わせることができ、従来最も重要な制御であった差圧制御を一切行う必要が無くなり、それに伴い周辺装置を極めて簡素化できる。
【００８３】
そのような極間差圧耐性を持たないセルを使用した場合には、酸素極側において、圧力制御を行なう必要な装置構成が必要となる。
【００８４】
また前記した実施の形態では、固体高分子形の水電解装置と燃料電池を一体化した可逆セル１０を使用したシステムであったが、本発明は、水電解装置機能と、燃料電池機能を各々個別に持った２種の専用セルを用いたシステムについても適用可能である。
【００８５】
図６は、そのように専用のセルを採用した充放電システム１５１の概要を示しており、図中、図１のシステムと同一の符号で示された装置、部材は、充放電システム１で採用されたものと同一のものである。
【００８６】
この充放電システム１５１では、燃料電池セルを有する燃料電池セルスタック１５２と、水電解セルを有する水電解セルスタック１５３とを有している。なおこれら燃料電池セル、水電解セルは、いずれも既述の可逆セル１０と同様な極間差圧性能を有するセル構成を有している。
【００８７】
そして気液分離タンク４３からの原料水（純水）は、配管４４、４５を経由して水電解セルスタック１５３のポートＥに供給され、発生した酸素、随伴水、消費されなかった原料水は、水電解セルスタック１５３のポートＦから配管１５４から気液分離タンク４３へと戻される。そして気液分離タンク４３で気液分離された後の酸素は、水蒸気とともに、配管１５５から湿度交換器６１へと送られる。
【００８８】
一方、燃料電池セルスタック１５２の酸化剤入口となるポートＧに対しては、ファン８４によって送られる空気が、配管８６、熱交換器６３、配管８５、熱交換器６１を経た後、配管１６１を通じて供給可能となっている。そして燃料電池運転時に発生した水、残余の空気は、ポートＨから導出されて、配管１６２から配管１５５へと送られ、その後湿度交換器６１、配管６４、熱交換器６３へと送られるようになっている。
【００８９】
燃料電池セルスタック１５２の水素極側については、ポートＫと配管１１２との間に、配管１７１が接続されている。そして電磁弁Ｖ１２は、配管１１２における当該配管１７１との接続箇所と気液分離タンク１０２との間に設けられている。したがって、燃料電池運転においては、電磁バルブＶ１２は閉となって、配管１１１、燃料電池セルスタック１５２、配管１７１とによって水素循環系が構成される。
【００９０】
かかる構成を有する充放電システム１５１の場合でも、水電解運転の際に水電解セルスタック１５３で発生した高温多湿の酸素は、湿度交換器６１において水分が吸湿され、熱交換器６３において熱が吸収される。そして燃料電池運転時には、酸化剤としてファン８４によって燃料電池セルスタック１５２に送られる空気に対して、熱交換器６３が保有している熱が当該空気に付与されて昇温し、次いで湿度交換器６１が保有した水分を当該空気に対して放出することができる。
【００９１】
したがって、水電解運転の際に水電解セルスタック１５３で発生した高温多湿の酸素を有効利用できるとともに、燃料電池運転時に酸化剤として供給される空気に対して、前記高温多湿の酸素から得た水分、熱を付与して、燃料電池セルスタック１５２に対して、起動当初から、好適に加湿、加熱された空気を供給して、好適な燃料電池性能を確保することが可能になっている。
【００９２】
さらにまた充放電システム１５１の燃料電池セルスタック１５２、水電解セルスタック１５３に使用された燃料電池セル、水電解セルは、いずれも既述の可逆セル１０と同様な極間差圧耐性を有するセル構成を有しているので、圧力調整のための専用の機器は不要であり、水素側の圧力が酸素側の圧力よりも高くなっても膜の破損、ガスの漏出は防止され、しかも別途設備を必要とせずに水素側の高い圧力で、水素側気液分離タンク１０２の水を、酸素側の気液分離タンク４３に送ることができる。また好適に採用できる湿度交換機６１が耐圧性の低いものであっても、酸素側の圧力は大気圧下でもよいので、そのまま耐圧性の低い湿度交換機６１を用いることができる。したがって、湿度交換機６１に格別な耐圧性能を付与することは不要である。
【００９３】
なお前記実施の形態の可逆セル１０は、セパレータ１５、１７に形成された流路１４、１６は、各セパレータ１５、１７に形成した溝と、酸素側集電体１２、水素側集電体１３の面とで形成したものであったが、図７に示した構造を有する可逆セル２０１も提案できる。
【００９４】
この可逆セル２０１は、セパレータとして金属薄板セパレータを用いたものであり、図４は内部の流路断面（平面断面）を模式的に示している。この可逆セル２０１は、電極触媒層が両面に形成された固体高分子電解質膜１１の両面に、方形の酸素側集電体１２と水素側集電体１３が配置されている。既述の可逆セル１０と同様、酸素側集電体１２は、水素側集電体１３よりも大きく、酸素側集電体１２の縁部が、全周に渡って、水素側集電体１３の縁部の外方に位置している。
【００９５】
そして酸素側集電体１２の外側には、反応流路２０２を形成するためのセパレータ２０３が配置され、水素側集電体１３の外側には、反応流路２０４を形成するためのセパレータ２０５が配置されている。この例では、酸素側集電体１２とセパレータ２０３との間の空間、及び水素側集電体１３とセパレータ２０５との間の空間に、各々多孔質の金属メッシュを挿入することで各流路２０２、２０４が形成されている。そして各流路２０２、２０４が形成領域は、酸素側集電体１２側の流路２０２の方が、水素側集電体１３の流路２０４よりも大きく、流路２０２の形成領域外方端部は、流路２０４の形成領域外方端部よりも外方側に位置している。なお、各流路２０２、２０４が形成領域に大きさについては、これに限られるものではない。
【００９６】
なお反応流路側の反応に伴い発生する熱を取り除くために設けられている冷却水流路等の部分についても、同様に金属メッシュで構成してもよい。多孔質の金属メッシュによってこれら流路を形成すると、高価となるが、セパレータ機構やシール形状を単純化できるメリットがある。
【００９７】
そしてこの可逆セル２０１においては、セパレータ２０３、２０５間における酸素側集電体１２の外方端部と、水素側集電体１３の外方端部に、各々対応するシール材２１１、２１２が配置され、セパレータ２０３、２０５によって挟持されている。そしてシール材２１１における酸素側集電体１２の端部外周側には、固体高分子電解質膜１１に凸に突出するリップ２１１ａが、酸素側集電体１２を囲むように形成され、一方、そしてシール材２１２における水素側集電体１３の端部外周側には、固体高分子電解質膜１１に凸に突出するリップ２１２ａが水素側集電体１３を囲むように、形成されている。リップ２１２ａは、固体高分子電解質膜１１を介して、酸素側集電体１２の周辺部と対面している。各リップ２１１ａ、２１２ａは、たとえば金型を用いて、シール材２１１、２１２と一体成型することで容易に形成できる。
【００９８】
またこれらシール材２１１、２１２は、セパレータ２０３、２０５と焼き付けや射出成型等により一体化するか、プレス加工でセパレータ２０３、２０５に溝を設けその部分にシール部材を埋め込むことによって、シール部材に内圧がかかってもシール部材が外方に移動しない構造とすることが好ましい。
【００９９】
かかる構成を有する可逆セル２０１によれば、流路２０２、２０４の端部位置、及び酸素側集電体１２、水素側集電体１３の端部位置が、各部材の重合方向（図４中の上下方向）からみて、いずれも重なっておらず、また断面的に凹凸のある流路２０２、２０４よりも、断面的に平滑な酸素側集電体１２、水素側集電体１３の方が全体的に一回り大きくなっており、平滑な集電体とシール部材のみで固体高分子電解質膜１１を挟持する構造としている。そのため、シール材２１１、２１２が変形して流路２０２、２０４に入り込んで流路圧損上昇等の問題を生じたり、入り込むことでシール面圧が低下することは無い。したがって、前記した可逆セル１と同様、水素側から酸素側に向かう正の圧力差に対する耐性を確保できる。
【０１００】
また上記構成を有する可逆セル２０１では、セパレータ２０５との間の空間に、各々多孔質の金属メッシュを挿入することで各流路２０２、２０４が形成されているので、厚みが全面的に均等に製作できる。しかも集電体との接触が均一になるので、導体抵抗が低くなり、高効率での水素製造が可能である。その他、流路を構成するセパレータの厚みが薄く、かつ軽くでき、そのうえ金型が必要ないのでイニシャルコストがかからないというメリットも享有できる。
【０１０１】
さらにまた図８に示した可逆セル２５１も提案できる。この可逆セル２５１は、金属薄板を波板形状にプレス成形したセパレータ２５２、２５３を用いたものであり、セパレータ２５２、２５３に、シール材２１１、２１２を焼付けや射出成型によって一体化したものである。そして酸素側集電体１２とセパレータ２５２との間に形成される空間が、酸素側の反応流路１４ｃとなり、セパレータ２５２の外側に形成される空間（実際には、同形の他の可逆セル２５１を積層した際に、当該他の可逆セル２５１のセパレータとによって形成される）が、酸素側の背面を流れる冷却水の流路１４ｄとなる。同様に、水素側集電体１３とセパレータ２５３との間に形成される空間が、水素側の反応流路１６ｃとなり、セパレータ２５３の外側に形成される空間（実際には、同形の他の可逆セル２５１を積層した際に、当該他の可逆セル２５１のセパレータとによって形成される）が、水素側の背面を流れる冷却水の流路１６ｄとなる。もちろん既述の可逆セル１０、２０１と同様、酸素側集電体１２は、水素側集電体１３よりも大きく、酸素側集電体１２の縁部が、全周に渡って、水素側集電体１３の縁部の外方に位置している。
【０１０２】
またこの可逆セル２５１においては、シール材２１１における外側であって、リップ２１１ａと対応する位置に、外側に凸に突出する同形のリップ２１１ｂが設けられている。このリップ２１１ｂは、可逆セル２５１を積層してスタック構成とした際に、冷却水の流路の気密性を確保するためのものである。
【０１０３】
かかる構成の可逆セル２５１によれば、流路を形成するセパレータをプレス加工によって容易に製作できるから、大量生産に適しており、それによって１枚あたりの単価を低廉にすることが可能である。もちろんかかるタイプの可逆セル２５１によれば、前記した可逆セル１０、２０１と同様、極間差圧耐性を有するものであり、水素側から酸素側に対して、正の差圧がかかったとしても、固体高分子電解質膜の破損はなく、またガスがセル外部に漏れ出すこともない。
【産業上の利用可能性】
【０１０４】
本発明は、水電解機能と燃料電池機能を有する固体分子形のセル利用した電力貯蔵システムとして有用である。
【符号の説明】
【０１０５】
１  充放電システム
２  セルスタック
１０、２０１、２５１  可逆セル
１１  固体高分子電解質膜
１２  酸素側集電体
１３  水素側集電体
１４、１６  流路
１５、１７  セパレータ
２１、２２  Ｏリング
４１        タンク
４３、１０２        気液分離タンク
４６    ポンプ
６１    湿度交換器
６３、６５、９４    熱交換器
８４    ファン
９１    電源装置
９２    制御装置
１０６    水素貯蔵部
１１３  ガス循環ポンプ
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｋ  ポート
Ｖ１〜Ｖ５、Ｖ６、Ｖ９、Ｖ１１〜Ｖ１５  電磁弁
Ｖ７    背圧弁
Ｖ８    逆止弁
Ｖ１０  圧力調整弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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