(57)【要約】【課題】水素ガス、酸素ガス、水を一切外部に排出せずに再使用できるようにした閉鎖系の燃料電池を提供する。【解決手段】貯槽２及び２’に予め液体の水が収容されており、この水を高分子膜に供給するための水として利用する。貯槽２及び２’の温度を個別に制御することによって、貯槽において水の蒸気圧を所定の値に設定する。この水の蒸気圧の設定には、圧力ゲージ６及び６’を使用することができる。このそれぞれの貯槽における設定された蒸気圧に基づいてガス化した水を、貯槽２からは酸素と共に、貯槽２’からは水素と共に、スタック１０に供給する。このような構成にすることによって、外部から水を供給することなく、高分子膜に含まれる水の量を調節し、高分子膜の湿潤状態を維持することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子膜とその両側に設けられた電極からなる燃料電池／水電解セルに、発電時には前記高分子膜の一方の側の電極に酸素ガスを供給し、他方の側の電極に水素ガスを供給して発電し、充電時には、燃料電池／水電解セルにおいて水を電気分解して酸素ガス及び水素ガスを発生させる再生型燃料電池において、
酸素ガスを貯蔵する酸素タンクと、
水素ガスを貯蔵する水素タンクと、
発電時に供給される酸素ガスのうち発電に使用されなかった酸素ガスと、水を貯蔵する第１の貯槽と、
発電時に供給される水素ガスのうち発電に使用されなかった水素ガスと、水を貯蔵する第２の貯槽と、
前記第１の貯槽及び第２の貯槽の少なくとも一方の水の蒸気圧を制御する蒸気圧制御手段と、を備え、
前記燃料電池／水電解セル、酸素タンク、水素タンク、第１の貯槽、第２の貯槽及びこれらを接続する液体及び気体の経路は閉鎖系とされ、前記酸素タンクと第１の貯槽は接続され必要に応じて互いに酸素ガスが行き来できるようにされており、発電時には当該酸素ガスが前記高分子膜の前記一方の側の電極に供給され、前記水素タンクと第２の貯槽は接続され必要に応じて互いに水素ガスが行き来できるようにされており、発電時には当該水素ガスが前記高分子膜の前記他方の側の電極に供給され、
前記蒸気圧制御手段によって水の蒸気圧を制御することによって、発電時に必要とされる水を前記高分子膜に供給することを特徴とする再生型燃料電池。
【請求項２】
前記蒸気圧制御手段は、前記第１の貯槽又は第２の貯槽の温度を可変とすることによって水の蒸気圧を制御するものである、請求項１に記載の再生型燃料電池。
【請求項３】
前記高分子膜の酸素側の酸素ガスと水素側の水素ガスの差圧を計測する差圧ゲージを備え、その計測結果に基づいて、前記第１及び／又は第２の貯槽の液面の位置を変えることにより、前記差圧を所定範囲に抑えることを特徴とする請求項１又は２に記載の再生型燃料電池。
【請求項４】
前記第１の貯槽又は酸素側の経路において酸素ガスの圧力を計測する第１の圧力ゲージ及び前記第２の貯槽又は水素側の経路において水素ガスの圧力を計測する第２の圧力ゲージを備え、前記第１及び第２の圧力ゲージの計測値をもとに前記第１及び／又は第２の貯槽の液面の位置を変えることにより、酸素側の酸素ガスと水素側の水素ガスの差圧を所定範囲に抑えることを特徴とする請求項１又は２に記載の再生型燃料電池。
【請求項５】
前記高分子膜の酸素側の酸素ガスと水素側の水素ガスの差圧を計測する差圧ゲージを備え、その計測結果に基づいて、前記第１の貯槽の酸素ガス及び／又は第２の貯槽の水素ガスの圧力を変えることにより、前記差圧を所定範囲に抑えることを特徴とする請求項１又は２に記載の再生型燃料電池。
【請求項６】
前記燃料電池／水電解セルは、燃料電池部と水電解部とが一体とされたものである、請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の再生型燃料電池。
【請求項７】
前記燃料電池／水電解セルは、燃料電池部と水電解部とが別体とされたものである、請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の再生型燃料電池。
【請求項８】
高分子膜とその両側に設けられた電極からなる燃料電池／水電解セルに、発電時には前記高分子膜の一方の側の電極に酸素ガスを供給し、他方の側の電極に水素ガスを供給して発電し、充電時には、燃料電池／水電解セルにおいて水を電気分解して酸素ガス及び水素ガスを発生させる燃料電池において、
酸素ガスを貯蔵する酸素タンクと、
水素ガスを貯蔵する水素タンクと、
発電時に供給される酸素ガスのうち発電に使用されなかった酸素ガスと、水を貯蔵する貯槽と、
前記貯槽における水の蒸気圧を制御する蒸気圧制御手段と、を備え、
前記燃料電池／水電解セル、酸素タンク、水素タンク、貯槽及びこれらを接続する液体及び気体の経路は閉鎖系とされ、前記酸素タンクと貯槽は接続され必要に応じて互いに酸素ガスが行き来できるようにされており、発電時には、当該酸素ガスが前記高分子膜の前記一方の側の電極に供給されるとともに、前記水素タンクから水素ガスが前記高分子膜の前記他方の側の電極に供給され、
前記蒸気圧制御手段によって水の蒸気圧を制御することによって、発電時に必要とされる水を前記高分子膜に供給することを特徴とする再生型燃料電池。
【請求項９】
さらに、発電時に供給される水素ガスのうち発電に使用されなかった水素ガスについて、当該水素ガスと水とを分離し、分離された水素ガスを前記水素タンクに供給する気液分離部を備え、当該気液分離部が前記閉鎖系に組み込まれていることを特徴とする請求項８に記載の再生型燃料電池。
【請求項１０】
さらに、発電時に供給される酸素ガスのうち発電に使用されなかった酸素ガスについて、当該酸素ガスと水とを分離する酸素側の気液分離部を備え、当該酸素側の気液分離部が前記閉鎖系に組み込まれていることを特徴とする請求項９に記載の再生型燃料電池。
【請求項１１】
前記蒸気圧制御手段は、前記貯槽の温度を可変とすることによって水の蒸気圧を制御するものである、請求項８乃至１０のうちいずれか１項に記載の再生型燃料電池。
【請求項１２】
前記高分子膜の酸素側の酸素ガスと水素側の水素ガスの差圧を計測する差圧ゲージを備え、その計測結果に基づいて、前記貯槽の液面の位置を変えることにより、前記差圧を所定範囲に抑えることを特徴とする請求項８乃至１１のうちいずれか１項に記載の再生型燃料電池。
【請求項１３】
前記高分子膜の酸素側の酸素ガスと水素側の水素ガスの差圧を計測する差圧ゲージを備え、その計測結果に基づいて、前記貯槽の酸素ガスの圧力を変えることにより、前記差圧を所定範囲に抑えることを特徴とする請求項８乃至１１のうちいずれか１項に記載の再生型燃料電池。
【請求項１４】
前記第１の貯槽又は酸素側の経路において酸素ガスの圧力を計測する第１の圧力ゲージ及び前記気液分離部又は水素側の経路において水素ガスの圧力を計測する第２の圧力ゲージを備え、前記第１及び第２の圧力ゲージの計測値をもとに前記第１及び／又は第２の貯槽の液面の位置を変えることにより、酸素側の酸素ガスと水素側の水素ガスの差圧を所定範囲に抑えることを特徴とする請求項９乃至１１のうちいずれか１項に記載の再生型燃料電池。
【請求項１５】
前記燃料電池／水電解セルは、燃料電池部と水電解部とが一体とされたものである、請求項８乃至１４のうちいずれか１項に記載の再生型燃料電池。
【請求項１６】
前記燃料電池／水電解セルは、燃料電池部と水電解部とが別体とされたものである、請求項８乃至１４のうちいずれか１項に記載の再生型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素及び酸素使用する、蓄電機能を持たせた再生型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
図４は、水素及び酸素を使用する再生型燃料電池の発電作用及び充電（蓄電）作用を説明する図である。図４（ａ）は、燃料電池部と水電解部とが別々に設けられたセパレート型と呼ばれるものであり、図４（ｂ）は、燃料電池部と水電解部とが一体とされた、ユニタイズド型（又は「リバーシブル型」）と呼ばれるものである。
【０００３】
図４（ａ）の燃料電池では、充電（蓄電）時に、水が水電解部において水素ガスと酸素ガスに電気分解される。得られた水素ガス及び酸素ガスは、それぞれのタンクに貯蔵される。発電時には、それぞれのタンクに貯蔵された水素ガスと酸素ガスを燃料電池部で反応させて発電する。その際に得られる水は、専用のタンクに貯蔵される。図４（ｂ）の燃料電池でも充電（蓄電）時及び発電時の反応は同じであるが、いずれの反応もユニタイズド燃料電池部で行われる点が、図４（ａ）の場合と異なる。
【０００４】
水を電気分解するときには電極は水分を含んでいる必要があるが発電時には電極は乾いている必要があるため、一般的な再生型燃料電池では、図４（ａ）のようなセパレート型が採用されることが多い。一方、例えば宇宙用途のように重量に対して厳しい制約が課せられる場合には、対質量効果の観点から、ユニタイズド型にメリットがある。
【０００５】
また、発電時には、電子と分かれた水素イオンを、高分子膜を通して反対側に移送する必要があり、そのためには高分子膜が水分を含んで湿潤している必要がある。かかる要請を満たすために、本願出願人は、酸素ガスと水素ガスとを高分子膜の両側において互いに逆方向に流すことによって高分子膜を適切に湿潤させることができることを提案した（特許文献１）。また、燃料電池部と水電解部とが一体とされた燃料電池の例は、特許文献２及び３にも見られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４０１３２１８号公報
【特許文献２】特開２００６−１２７８０７号公報
【特許文献３】特開２００７−１１５５８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特に、宇宙用途で燃料電池を使用する場合には、酸素ガス等の資源を外部に排出することなく可能な限り再生して使用したいとの要請がある。また、このようなことが可能になれば、水素ガス、酸素ガス等の無駄な消費を抑えることができるため、宇宙用途に限らず地上でのメリットも大きい。このため、水素ガス、酸素ガス、水を一切外部に排出せずに再使用できるようにした閉鎖系の燃料電池システムが考えられている。その場合には、発電時において高分子膜をどのように湿潤させるかが重要な問題となる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために、本発明は、高分子膜とその両側に設けられた電極からなる燃料電池／水電解セルに、発電時には前記高分子膜の一方の側の電極に酸素ガスを供給し、他方の側の電極に水素ガスを供給して発電し、充電時には、燃料電池／水電解セルにおいて水を電気分解して酸素ガス及び水素ガスを発生させる再生型燃料電池において、酸素ガスを貯蔵する酸素タンクと、水素ガスを貯蔵する水素タンクと、発電時に供給される酸素ガスのうち発電に使用されなかった酸素ガスと、水を貯蔵する第１の貯槽と、発電時に供給される水素ガスのうち発電に使用されなかった水素ガスと、水を貯蔵する第２の貯槽と、前記第１の貯槽及び第２の貯槽の少なくとも一方の水の蒸気圧を制御する蒸気圧制御手段と、を備え、前記燃料電池／水電解セル、酸素タンク、水素タンク、第１の貯槽、第２の貯槽及びこれらを接続する液体及び気体の経路は閉鎖系とされ、前記酸素タンクと第１の貯槽は接続され必要に応じて互いに酸素ガスが行き来できるようにされており、発電時には当該酸素ガスが前記高分子膜の前記一方の側の電極に供給され、前記水素タンクと第２の貯槽は接続され必要に応じて互いに水素ガスが行き来できるようにされており、発電時には当該水素ガスが前記高分子膜の前記他方の側の電極に供給され、前記蒸気圧制御手段によって水の蒸気圧を制御することによって、発電時に必要とされる水を前記高分子膜に供給することを特徴とする。
【０００９】
上記発明において、前記蒸気圧制御手段は、前記第１の貯槽又は第２の貯槽の温度を可変とすることによって水の蒸気圧を制御するものとすることができる。
【００１０】
上記発明において、前記高分子膜の酸素側の酸素ガスと水素側の水素ガスの差圧を計測する差圧ゲージを備え、その計測結果に基づいて、前記第１及び／又は第２の貯槽の液面の位置を変えることにより、前記差圧を所定範囲に抑えるようにすることができる。
【００１１】
上記発明において、前記第１の貯槽又は酸素側の経路において酸素ガスの圧力を計測する第１の圧力ゲージ及び前記第２の貯槽又は水素側の経路において水素ガスの圧力を計測する第２の圧力ゲージを備え、前記第１及び第２の圧力ゲージの計測値をもとに前記第１及び／又は第２の貯槽の液面の位置を変えることにより、酸素側の酸素ガスと水素側の水素ガスの差圧を所定範囲に抑えるようにすることができる。
【００１２】
上記発明において、前記高分子膜の酸素側の酸素ガスと水素側の水素ガスの差圧を計測する差圧ゲージを備え、その計測結果に基づいて、前記第１の貯槽の酸素ガス及び／又は第２の貯槽の水素ガスの圧力を変えることにより、前記差圧を所定範囲に抑えるようにすることができる。
【００１３】
上記発明において、前記燃料電池／水電解セルは、燃料電池部と水電解部とが一体とされたものとすることができる。
【００１４】
上記発明において、前記燃料電池／水電解セルは、燃料電池部と水電解部とが別体とされたものとすることができる。
【００１５】
上記の課題を解決するために、第１の発明は、高分子膜とその両側に設けられた電極からなる燃料電池／水電解セルに、発電時には前記高分子膜の一方の側の電極に酸素ガスを供給し、他方の側の電極に水素ガスを供給して発電し、充電時には、燃料電池／水電解セルにおいて水を電気分解して酸素ガス及び水素ガスを発生させる燃料電池において、酸素ガスを貯蔵する酸素タンクと、水素ガスを貯蔵する水素タンクと、発電時に供給される酸素ガスのうち発電に使用されなかった酸素ガスと、水を貯蔵する貯槽と、前記貯槽における水の蒸気圧を制御する蒸気圧制御手段と、を備え、前記燃料電池／水電解セル、酸素タンク、水素タンク、貯槽及びこれらを接続する液体及び気体の経路は閉鎖系とされ、前記酸素タンクと貯槽は接続され必要に応じて互いに酸素ガスが行き来できるようにされており、発電時には、当該酸素ガスが前記高分子膜の前記一方の側の電極に供給されるとともに、前記水素タンクから水素ガスが前記高分子膜の前記他方の側の電極に供給され、前記蒸気圧制御手段によって水の蒸気圧を制御することによって、発電時に必要とされる水を前記高分子膜に供給することを特徴とする。
【００１６】
上記発明において、さらに、発電時に供給される水素ガスのうち発電に使用されなかった水素ガスについて、当該水素ガスと水とを分離し、分離された水素ガスを前記水素タンクに供給する気液分離部を備えることができ、ここで、当該気液分離部が前記閉鎖系に組み込まれている。
【００１７】
上記発明において、さらに、発電時に供給される酸素ガスのうち発電に使用されなかった酸素ガスについて、当該酸素ガスと水とを分離する酸素側の気液分離部を備えることができ、当該酸素側の気液分離部が前記閉鎖系に組み込まれている。
【００１８】
上記発明において、前記蒸気圧制御手段は、前記貯槽の温度を可変とすることによって水の蒸気圧を制御するものとすることができる。
【００１９】
上記発明において、前記高分子膜の酸素側の酸素ガスと水素側の水素ガスの差圧を計測する差圧ゲージを備えることができ、その計測結果に基づいて、前記貯槽の液面の位置を変えることにより、前記差圧を所定範囲に抑えることができる。
【００２０】
上記発明において、前記高分子膜の酸素側の酸素ガスと水素側の水素ガスの差圧を計測する差圧ゲージを備えることができ、その計測結果に基づいて、前記貯槽の酸素ガスの圧力を変えることにより、前記差圧を所定範囲に抑えることができる。
【００２１】
上記発明において、前記第１の貯槽又は酸素側の経路において酸素ガスの圧力を計測する第１の圧力ゲージ及び前記気液分離部又は水素側の経路において水素ガスの圧力を計測する第２の圧力ゲージを備えることができ、前記第１及び第２の圧力ゲージの計測値をもとに前記第１及び／又は第２の貯槽の液面の位置を変えることにより、酸素側の酸素ガスと水素側の水素ガスの差圧を所定範囲に抑えることができる。
【００２２】
上記発明において、前記燃料電池／水電解セルは、燃料電池部と水電解部とが一体とされたものとすることができる。
【００２３】
上記発明において、前記燃料電池／水電解セルは、燃料電池部と水電解部とが別体とされたものとすることができる。
【発明の効果】
【００２４】
本願発明に係る燃料電池は、前述のように貯槽における水の蒸気圧を制御して適切な水分を高分子膜に供給することができるので、全体を閉鎖系とした状態でも運転を継続できる。また、タンク及び／又は貯槽における圧力を計測する圧力ゲージを備え、その計測結果に基づいて、気液分離部及び／又は水を貯蔵する貯槽の液面高さを制御して気体に体積変化を起こさせることにより、アクティブに高分子膜の両側に発生する差圧を所定範囲に抑えるようにしたことにより、酸素ガスと水素ガスとが混合することを確実に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本願発明の実施形態１に係る再生型燃料電池システムの構成を示した図である。
【図２】本願発明の実施形態２に係る再生型燃料電池システムの構成を示した図である。
【図３】本願発明の実施形態３に係る再生型燃料電池システムの構成を示した図である。
【図４】水素及び酸素を使用する再生型燃料電池の発電作用及び充電（蓄電）作用を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下に図面を参照しながら、本願発明の実施形態について説明する。なお、以下の実施形態は、あくまでも本願発明の一実施形態を例示するものであり、本願発明の技術的範囲は以下の実施形態に限定されるものではない。
【００２７】
［実施形態１］
図１は、本発明の実施形態１に係るユニタイズド再生型燃料電池システムの概略構成を示している。なお、図１には気体と液体のラインのみが示されており、負荷等の電気的な回路は省略してある。
【００２８】
図１の符号１０は、ユニタイズド再生型燃料電池システムの中心的役割を果たす燃料電池／水電解スタック（以下、単に「スタック」という。）を示しており、この部分に燃料電池部と水電解部とが一体化されている。スタック１０は、多数の燃料電池／水電解セル（以下、単に「セル」という。）を積層した構造とされている。各セルは、高分子膜と、その両側に設けられた電極から構成され、これらが直列に積層されている。各セルの高分子膜としては、例えば１５〜２２５μｍ程度の薄いイオン交換膜を使用することができ、この高分子膜と各電極との間には反応を促進するための触媒が配置されている。
【００２９】
図１を見ると分かるように、左の酸素側と右の水素側がほぼ対称な構成とされている。そして、右の水素側の構成要素のうち左の酸素側に構成要素と対応するものには、同じ符号に記号「’」を付してある。
【００３０】
図１において、符号１は酸素タンク、符号１’は水素タンク、符号２は酸素側の貯槽、符号２’は水素側の貯槽を、それぞれ示している。符号１ａ、１ａ’、６、６’は、それぞれのタンク又は貯槽におけるガスの圧力を計測するための圧力ゲージ、符号７、７’、９、９’は、ガス（酸素又は水素）又は水を循環させるためのポンプ、符号１１は酸素側と水素側の圧力差（差圧）を測定する差圧ゲージを示している。符号４、４’、５ｂ、５ｂ’、９ａ、９ａ’は逆止弁を示している。符号３、３’、５ａ、５ａ’、８ａ、８ａ’、８ｂ、８ｂ’はバルブを示している。そして、１２、１２’はレギュレータを、１３、１３’は背圧レギュレータをそれぞれ示している。
【００３１】
酸素タンク１及び水素タンク１’には、予め所定圧力の酸素ガス及び水素ガスが収容されている。また、貯槽２には、予め所定圧力の酸素及び所定量の水（液体）が収容されており、貯槽２’には、予め所定圧力の水素及び所定量の水（液体）が収容されている。そして、図１に示したスタック、酸素タンク、水素タンク、各貯槽及びこれらを接続する液体及び気体の経路は閉鎖系とされており、通常の運転時に、外部からの酸素、水素、水の供給を必要としない。
【００３２】
水電解（蓄電）の場合には、各セルの酸素側及び水素側の電極に、酸素側の電極を正、水素側の電極を負とする電圧が印加される。そして、貯槽２から水がポンプ９を経由してスタック１０に供給されて、この水が各セルの酸素側の電極において、触媒の作用により酸素ガス（Ｏ2）と水素イオンと電子に電解される。水素イオンは高分子膜を通って水素側へと運ばれ、電気回路を通って水素側の電極へ到達した電子と結合し、水素ガス（Ｈ2）となる。
【００３３】
このとき、高分子膜内で水素イオンを水素側へ運ぶ役割をするのは、高分子膜に含まれる水である。したがって、水電解が行われるためには、高分子膜が湿潤したた状態にあることが必要とされる。一方、電解後の酸素ガスと水の混合系は、開とされたバルブ８ａを経由して貯槽２に送られる。図１右側の水素側においても、酸素側の各構成要素に対応する水素側の各構成要素が、酸素側と同様に動作する。
【００３４】
燃料電池として使用する発電時には、バルブ３及び８ａを閉とした後、バルブ５ａを開とし、逆止弁５ｂを経由して酸素ガスがスタック１０に吹き付けられる。水素側の電極では触媒の作用により水素ガスが電子と水素イオンに分離し、水素イオンは高分子膜を通って酸素側に到達する。このときも、高分子膜内で水素イオンを水素側へ運ぶ役割をするのは、高分子膜に含まれる水である。
【００３５】
酸素側では、酸素ガスと水素イオン、そして電気回路を通ってきた電子が反応して水が生成される。このとき、反応に寄与しなかった余剰の酸素ガスと反応により生成された水は、開とされたバルブ８ｂを経由して貯槽２に送られる。貯槽２では酸素ガスと水が分離され、酸素ガスは、ポンプ７、逆止弁４を経由してスタック１０へ送り返される。かかる反応が繰り返されることにより、セルの酸素側が正、水素側が負となる起電力が発生し、発電が継続する。発電時にも、図１右側の水素側の各構成要素は、酸素側の対応する各構成要素と同様に動作する。
【００３６】
前述の説明から分かるように、貯槽２は、酸素ガス及び水の気液分離部としての役割も兼ねており、貯槽２’は、水素ガス及び水の気液分離部としての役割も兼ねている。
【００３７】
前述のように、発電時には、電子と分かれた水素イオンをセルの酸素側へ運ぶために、高分子膜が十分な量の水分を含んで湿潤された状態にあることが必要である。従来のように、酸素ガスは酸素タンク１からのみ供給し、水素は水素タンク１’からのみ供給する構成とすると、高分子膜が乾燥し、十分な量の水分が維持できなくなるため、外部から高分子膜に水分を供給してやる必要があった。
【００３８】
これに対して、図１に示す本実施形態では、全てを閉鎖系として運転する事を前提としたことにより、貯槽２及び２’に予め液体の水が収容されており、この水を高分子膜に供給するための水として利用する。具体的には、貯槽２及び２’の温度を個別に制御することによって、貯槽において水の蒸気圧を所定の値に設定する。温度を変えるには、加熱する場合にはヒータを、また冷却する場合には冷却装置を使用することができる。また、特に航空宇宙用途においては、周囲の減圧環境を利用し、貯槽の急減圧を行うことにより断熱膨張によって冷却することも可能である。
【００３９】
この水の蒸気圧の設定には、圧力ゲージ６及び６’を使用することができる。このそれぞれの貯槽における設定された蒸気圧に基づいてガス化した水を、貯槽２からは酸素ガスと共に、貯槽２’からは水素ガスと共に、スタック１０に供給する。このような構成にすることによって、外部から水を供給することなく、高分子膜に含まれる水の量を調節し、高分子膜が適度に湿潤した状態を維持することができる。
【００４０】
以上の説明から理解されるように、図１のユニタイズド再生型燃料電池システムにおいて必要とされる水、酸素ガス、水素ガスは、予め酸素タンク１及び水素タンク１’に収容した酸素ガス及び水素ガス、並びに、予め貯槽２に収容した所定圧力の酸素ガス及び所定量の水、そして、予め貯槽２’に収容した所定圧力の水素ガス及び所定量の水のみによって、賄われている。すなわち、外部から酸素ガス、水素ガス、水を供給することなく蓄電及び発電を継続することが可能である。この意味において、図１のユニタイズド再生型燃料電池システムは、完全に閉じた閉鎖系（もしくは孤立系）とすることができる。
【００４１】
これまでの燃料電池のうち地上用途のものについては、少なくとも酸素ガスについては、空気中の酸素を利用することができるので、水電解によって生成された酸素をタンクに貯蔵して再利用するという要請はあまりなかった。しかし、宇宙用途を考慮した場合にはあらゆる資源を再利用したいという要請があるので、本実施形態のように閉鎖系のシステムは都合がよい。
【００４２】
また、上記では、貯槽２及び２’の温度を制御することによって水の蒸気圧を設定する場合について説明したが、例えば貯槽２及び２’の容積／温度を変動させる機構を設けて、例えば断熱膨張や圧縮により容積を制御したり、あるいは温度制御を施すことによって、ガス中に含まれる水蒸気量を設定することもできる。これ以外にも水の蒸気圧を設定する方法として種々の方法が知られており、これらも本願発明の技術的範囲に属するものである。
【００４３】
ところで、前述のように、高分子膜としては１５〜２２５μｍ程度の薄いイオン交換膜が使用されることが多いが、他の種類の膜を使用する場合でも高分子膜は非常に薄いため、高分子膜の両側にかかる圧力の差（差圧）が大きくなると、高分子膜が破れるおそれがある。また、破れないまでも差圧が５０ＫＰａ程度（大気圧の約半分程度）に達すると、圧力の高い方から圧力の低い方へガスの分子が通り抜けることがある。その結果、水素ガスと酸素ガスとが混じり合い、爆発する危険を伴う。このため、高分子膜の両側の差圧を小さく抑えることが重要となる。
【００４４】
高分子膜の両側にかかる差圧の発生を抑える方法の一つとして、図１の貯槽２及び２’に相当するものの間を連通管でつなぎ、この連通管の途中にベローズを設けたものが提案されている（特開２００７−１００２０４号公報参照）。これは、貯槽２及び２’に相当するものの間に圧力の差が生じると、ベローズが圧力に応じて移動し、両側の圧力を均等にするというものである。しかしながら、ベローズに何らかの原因で損傷を受け、穴があくなどすると、やはり酸素ガスと水素ガスが混合して爆発する危険がある。
【００４５】
そこで、本実施形態では、各セルの酸素側と水素側における差圧を計測する差圧ゲージ１１を設けて、両側の差圧がある一定値を超えたときに、貯槽２及び２’の液面の位置を上下させる制御を行うことにより、酸素側と水素側における差圧を一定値以下に抑える。液面の位置を上下させる具体的な方法としては、例えば、各貯槽２、２’のそれぞれに、バルブを介して予備タンクを接続し、差圧ゲージ１１の計測結果に基づいてバルブの開閉を制御して貯槽２、２’の液面を上下に移動させ、これにより高分子膜の両側の差圧を所定の範囲に収まるようにする。このようにすれば、貯槽２と貯槽２’を繋いだ部分で水素ガスと酸素ガスが混ざり合う可能性はまずないので、爆発の危険性を回避することができる。別の方法として、差圧ゲージ１１の計測結果に基づいて、貯槽２における酸素ガス又は貯槽２’における水素ガスの一方又は両方の圧力を変えることにより、高分子膜の両側の差圧を所定の範囲に収まるようにすることもできる。またこの差圧制御には、貯槽２および２’に設置された圧力ゲージの読み値を使用し、この差が規定の圧力の差の中に入るように液面を上下に移動させることもできる。
【００４６】
さらに、差圧ゲージを設ける代わりに、圧力ゲージ６及び６’の計測結果を利用して上記のような液面制御を行うか、あるいは、酸素ガスの経路及び水素ガスの経路の別の場所に圧力ゲージを設け、これらの計測結果に基づいて上記のような液面制御を行ってもよい。さらに、差圧ゲージとこれらの圧力ゲージの両方を設けることもできる。
【００４７】
本願出願人は、特許第４０１３２１８号において、発電時に高分子膜の両側に吹き付ける酸素ガスと水素ガスの流れる方向を互いに対向する向きに流す「対向流」とすることによって、効率よく発電させることができる燃料電池を提案した。この燃料電池によれば、高分子膜の酸素側で生成される水が高分子膜に十分に浸透し、水素側において酸素ガスとは逆方向に流れる水素ガスから水素イオンを取り込む効率が高くなり、水素イオンが酸素側に到達しやすくなるためと考えられる。
【００４８】
これに対して本実施形態では、全体を閉鎖系として制御することにより、系全体を湿潤した状態に維持し、加えて発電時に、前述のように貯槽２及び２’に収容されている水の蒸気圧を適切に制御することによって、ここから供給される酸素ガス及び水素ガスに適切な湿度を与え、この水分を高分子膜に供給することできる。このため、酸素ガスと水素ガスの流れる向きを前述のような対向流ではなく、同じ向きにした「並行流」にした場合を含めてガスの流れ方に依存すること無く、高分子膜には十分な水が供給され、燃料電池として適正に動作する。
【００４９】
［実施形態２］
図２は、本発明の実施形態２に係るユニタイズド再生型燃料電池システムの概略構成を示している。図２でも、気体と液体のラインのみが示されており、負荷等の電気的な回路は省略してある。図２の符号２０は、ユニタイズド再生型燃料電池システムのスタックを示しており、その構造及び動作は、図１のスタック１０と同様であるため、その詳しい説明は省略する。また、図２のその他の構成要素についても、図１と同じ構成要素については同じ記号で示してある。
【００５０】
図２において、符号２１は酸素タンク、符号２１’は水素タンク、符号２２は貯槽を、それぞれ示している。貯槽２２は、実施形態１の酸素側の貯槽２に相当し、水素側の貯槽は設けられていない。符号２１ａ、２１ａ’、２６は、それぞれのタンク又は貯槽におけるガスの圧力を測定するための圧力ゲージである。符号２７、２９、３５は、それぞれに対応するガスあるいは水を循環させるためのポンプを示している。符号３１は酸素側と水素側の圧力差（差圧）を測定する差圧ゲージ、符号３８は水素側に設けられた気液分離部である。酸素タンク２１及び水素タンク２１’には、予め所定圧力の酸素ガス及び水素ガスが収容されている。また、貯槽２２には、予め所定圧力の酸素ガス及び所定量の水（液体）が収容されている。
【００５１】
図２に示す実施形態２のシステムには、実施形態１のシステムとは異なり、水素側に気液分離部３８が設けられている。気液分離部３８は気体と液体とを分離するための専用の装置であり、実施形態１における気液分離部を兼ねた貯槽２及び２’に比べると、その容積は非常に小さい。
【００５２】
水の電解時（蓄電時）には、貯槽２２からポンプ２９を経由して水がスタック２０に供給され、ここで、酸素ガス、水素イオン、電子に電解される。電解によって生成された水素イオンは、高分子膜内の水の作用によって高分子膜を通って水素側へ伝達される。電解によって生成された酸素ガスと水の混合系は、開とされたバルブ２８ａを経由して貯槽２２に送られる。貯槽２２では、酸素ガスと水が分離される。酸素ガスは、開とされたバルブ２３を経由して酸素タンク２１に蓄えられる。
【００５３】
一方、水素側の電極では水素イオンと電子によって水素ガスが生成される。スタック２０において生成された水素は湿潤された状態で気液分離部３８に送られ、ここで水素へガスと水が分離される。分離された水素ガスはバルブ３６を経由して水素タンク２１’に送られる。気液分離部３８に水が貯まった場合には、適宜、バルブ３９を開いて貯槽２２に戻すことができる。
【００５４】
燃料電池として使用する発電時には、バルブ２３及び２８ａを閉とした後、バルブ２５ａを開とし、逆止弁２５ｂを経由して酸素ガスがスタック２０の酸素側の電極に吹き付けられる。水素側の電極では触媒の作用により水素ガスが電子と水素イオンに分離し、水素イオンは高分子膜を通って酸素側に到達する。このときも、水素イオンを水素側へ運ぶ役割をするのは、高分子膜に含まれる水である。
【００５５】
酸素側では、酸素ガスと水素イオン、そして電気回路を通ってきた電子が反応して水が生成される。このとき、反応に寄与しなかった余剰の酸素ガスと反応により生成された水は、開とされたバルブ２８ｂを経由して貯槽２２に送られる。貯槽２２では酸素ガスと水が分離され、酸素ガスは、ポンプ２７、逆止弁２４を経由してスタック２０へ送り返される。かかる反応が繰り返されることにより、セルの酸素側が正、水素側が負となる起電力が発生し、発電が継続する。
【００５６】
水素側では、バルブ３６を閉じ、バルブ３７を開き、さらにバルブ３２を開くことにより、逆止弁３３’を経由して、水素タンク２１’からスタック２０に対して水素ガスが供給される。水分を含んだ未反応の水素ガスは、気液分離部３８に送られ、ここで水分が除去された後、ポンプ３５により昇圧され、逆止弁３３を経由して、スタック２に再度供給される。
【００５７】
図２に示す実施形態２では、貯槽２２に液体の水が収容されており、この水を、発電時において高分子膜を湿潤させるための水として供給する。具体的には、貯槽２２の温度を制御することによって、貯槽２２において水の蒸気圧を所定の値に設定する。温度を変えるには、加熱する場合にはヒータを、また冷却する場合には冷却装置を使用することができる他、また、特に航空宇宙用途等においては、周囲の減圧環境を利用することにより急減圧を行うことにより、断熱膨張による温度減衰も期待できる等、実施形態１の場合と同様に、種々の方法を用いることができる。このような構成にすることによって、外部から水を一切供給することなく、高分子膜に含まれる水の量を調節し、適切に湿潤した状態を維持することができる点は、実施形態１の場合と同様である。
【００５８】
以上の説明から理解されるように、図２のユニタイズド再生型燃料電池システムにおいて必要とされる水、酸素ガス、水素ガスは、予め酸素タンク２１及び水素タンク２１’に収容した酸素ガス及び水素ガス、並びに、予め貯槽２２に収容した所定圧力の酸素ガス及び所定量の水のみによって賄われている。すなわち、外部から酸素ガス、水素ガス、水を供給しなくても継続して運転することが可能である。この意味において、図２のユニタイズド再生型燃料電池システムも、実施形態１の場合と同様に、完全に閉じた閉鎖系もしくは孤立系とすることができる。
【００５９】
上記では、貯槽２２の温度を制御することによって水の蒸気圧を設定する場合について説明したが、その代わりに例えば貯槽２２の容積／温度を変動させる機構を設けて、例えば断熱膨張や圧縮により容積を制御したり、温度制御を施すことによって水の蒸気圧を設定するようにしたり、あるいはその他の方法で蒸気圧を設定するようにできることは、実施形態１の場合と同様である。
【００６０】
また、本実施形態では、高分子膜の両側にかかる差圧を低く抑える方法として、各セルの酸素側と水素側における差圧を計測する差圧ゲージ３１を設けて、両側の差圧がある一定値を超えたときに、貯槽２２の液面の位置を上下させる制御を行うことにより、酸素側と水素側における差圧を一定値以下に抑える。実施形態１と同様に、貯槽２２にバルブを介して予備タンクを接続し、差圧ゲージ３１の計測結果に基づいてバルブの開閉を制御して貯槽２２の液面を上下に移動させ、これにより高分子膜の両側の差圧を所定の範囲に収まるようにする。またこの差圧制御には，貯槽２２に設置された圧力ゲージの読み値と、気液分離部３８の圧力を計測し、これらの差が規定の圧力の差の中に入るように液面を上下に移動させることもできる。
【００６１】
さらに、本実施形態でも、前述のように貯槽２２に収容されている水の蒸気圧を適切に制御することによって、ここから供給される酸素ガス及び水素ガスに適切な湿度を与え、この水分を高分子膜に供給することできる。なお、気液分離部３８は、貯槽２２と同様に、温度制御／液面制御等により、温度及び差圧の制御のために使用することも可能である。本実施形態でも、実施形態１の場合と同様に、酸素ガスと水素ガスの流れる向きを前述のような対向流ではなく、同じ向きにした「並行流」にした場合を含め、ガスの流れ方に依存せずに、高分子膜には十分な水が供給され、燃料電池として適正に動作する。さらにまた、上記の構成では気液分離部３８を備えていたが、酸素側における水の経路をうまく使ってセルの高分子膜が常に湿潤した状態に維持することができ、酸素側の循環量を制御しつつこれを最適に保ち水素側において余剰の水が生じない場合には、気液分離部３８は必ずしも必要ではない。
【００６２】
［実施形態３］
図３は、本発明の実施形態３に係るユニタイズド再生型燃料電池システムの概略構成を示しており、これは、図２に示した実施形態２を変形したものである。実施形態３が実施形態２と異なるのは、気液分離部３８と同様の機能をもつ気液分離部３８’を酸素側にも設けたことである。酸素側に気液分離部３８’を設けることにより、気液分離はこの気液分離部３８’において行いつつ、貯槽２２において、温度制御／液面制御等により、より精度の高い湿度と差圧の制御のために使用することも可能である。
【００６３】
［その他の実施形態］
上記実施形態１〜３では、いずれもスタックをユニタイズド型として説明した。しかしながら、本発明の特徴である、全体を閉鎖系とし、系内を湿潤した環境に維持しつつ、発電時に貯槽における水の蒸気圧を制御して高分子膜に水を供給すること、セルの高分子膜の酸素側と水素側の圧力差を計測しそれに基づいて液面の位置を制御し、当該差圧を所定範囲に抑えることは、燃料電池部と水電解部とが別々に設けられたセパレート型にも適用することが可能であることは、当業者には容易に理解される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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