(57)【要約】【課題】可逆セルなど、固体高分子形の水電解装置と燃料電池とを備えるセルスタックを用いた充放電システムにおいて、充電運転から放電運転へ切替える際に、系外に排気するガスの量を極力減少させる。【解決手段】水電解運転時にセルスタック２原料水入口ａから原料水を供給すると共に、原料水出口ｂからの水が戻されるタンク２１とは別に、気液分離タンク４１を設け、水電解運転時に水素出口ｃから流出する水素、随伴水を、一旦気液分離タンク６２において気液分離した後、水素貯蔵部ＨＴに水素を送り、タンク７１に水を戻す。充電運転から放電運転へ切替える際には、電磁弁Ｖ１、Ｖ５、Ｖ６を閉鎖することで、タンク２１、７１の気層部にあったガスを系外に排出する必要はない。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子形の水電解装置と燃料電池とを備えるセルスタックを用いた充放電システムであって、
前記セルスタックは、水電解時運転時の原料水入口と、酸素及び原料水出口と、
水電解時運転時の水素出口と、燃料運転時の水素入口の４つのポートを有し、
前記酸素及び原料水出口は、燃料運転時の酸素入口となる機能を有し、
さらに当該充放電システムは、
水電解運転時に前記原料水入口から酸素側に原料水を供給する第１のタンクと、
水電解運転時に発生して前記原料水出口から流出する酸素及び当該酸素に随伴している水を気液分離する第１の気液分離タンクと、
前記第１の気液分離タンクで分離された水を、前記第１のタンクに送る第１の配管と、前記第１の気液分離タンクで分離された酸素を、酸素貯蔵部に供給する貯蔵部向け酸素供給路と、
水電解運転時に発生して水素出口から流出する水素及び当該水素に随伴している水を気液分離する第２の気液分離タンクと、
前記第２の気液分離タンクで分離された水を、第２のタンクに送る第２の配管と、
前記第２の気液分離タンクで分離された水素を、水素貯蔵部に供給する貯蔵部向け水素供給路と、
前記酸素貯蔵部からの酸素を前記酸素入口に供給するセルスタック向け酸素供給路と、
前記水素貯蔵部からの水素を前記水素入口に供給するセルスタック向け水素供給路と、
を有することを特徴とする、充放電システム。
【請求項２】
前記第１のタンクと前記セルスタック向け酸素供給路との間に補助酸素供給路を設け、
前記第２のタンクと前記セルスタック向け水素供給路との間に補助水素供給路を設け、
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】
前記セルスタック向け酸素供給路は、酸素貯蔵部に直接接続された酸素流入部と、当該酸素流入部に続く酸素供給路本体とによって構成され、
前記セルスタック向け水素供給路は、水素貯蔵部に直接接続された水素流入部と、当該水素流入部に続く水素供給路本体とによって構成され、
前記補助酸素供給路に第１の減圧弁を設け、
前記酸素流入部に第２の減圧弁を設け、
前記補助水素供給路に第３の減圧弁を設け、
前記水素流入部に第４の減圧弁を設け、
前記第１の減圧弁の二次側設定圧力は、前記第２の減圧弁の二次側設定圧力よりも高く設定され、
前記第３の減圧弁の二次側設定圧力は、前記第４の減圧弁の二次側設定圧力よりも高く設定され、
ていることを特徴とする、請求項２に記載の充放電システム。
【請求項４】
前記セルスタックは、水電解装置と燃料電池とが一体となった可逆セルを有するものであることを特徴とする、請求項１から３のいずれか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、燃料電池運転時の酸化剤として、水電解で発生した純酸素を使用する純酸素利用型の充放電システムにおいて、充電から放電に切替える際に系外に排気するガスの量を低減することで、繰返し充放電するために必要なシステムの保有水量を飛躍的に低減できる充放電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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エネルギー変換器であり、これを電力貯蔵システムに採用すれば、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、それらを容器に貯蔵することで充電が行われる。そして、貯蔵したこれらのガスで燃料電池運転することで放電が行われ、負荷側に電力を供給する。
【０００３】
すなわち、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。また燃料電池セルによ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る。
【０００４】
このような可逆セルを用いた充電と放電とを１つのシステムで実現したものとして、特許文献１に記載した技術がある。この技術は、水電解運転時に前記可逆セルの酸素側に原料水を供給する第１のタンクと、水電解運転時に発生した酸素を、随伴している水を前記第１のタンクで気液分離した後に、当該第１のタンクの気層部を介してシステム系外に排気する大気系に通ずる流路と、水電解運転時に前記可逆セルで発生した水素を、当該水素に随伴している水を気液分離する第２のタンクを介して貯蔵する水素貯蔵部と、前記第１のタンクの気層部と第２のタンクとを接続する配管とを有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１５３２１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
この種の充放電システムでは、貯蔵する純水素と純酸素の圧力が高いほど容積当たりのガス貯蔵量が増加するため、体積エネルギー密度が向上する。そのため、水電解の運転圧力は通常１ＭＰａ（ａｂｓ）以上となる。それに対して燃料電池の運転圧力は、システムや制御の簡素化、性能安定化等の観点から通常は０．１ＭＰａ（ａｂｓ）近傍となる。そのため、充電運転から放電運転に切り替える際、１ＭＰａ（ａｂｓ）近傍となっている系内圧力を、０．１ＭＰａ（ａｂｓ）まで減圧する必要がある。
【０００７】
この点、特許文献１に記載の技術は、充電運転から放電運転に切り替える際、系内のガス（純水素と純酸素）を系外に全て排気するため、結果として、電気分解時に必要な水を系外に捨てることになる。とりわけ、第１のタンクは気液分離機能を担っているため、タンクの気層部にあった酸素まで全て系外に排出される。かかる場合、外部から常時水を補給できる環境であれば、適宜水を補給することで繰り返し充放電が行えるが、１度水を補給して暫く充放電を繰返したい場合や、常時の水補給が困難な場合には、充放電を開始する前に、満充電にするために必要な最低限の水量に加え、運転切替時に排気される系内の純水素と純酸素分の水量を、充放電回数分（以降、「予備水」という）多く、システム内に保有しておく必要がある。しかしながらそうなると、予備水用のタンクを増設するなどして、結果的に設備の肥大化を招来する。また、電気分解により発生させた高圧ガスを排気するということは、それ自体が充電ロスである。
【０００８】
このようなことから、可逆セルを用いた充放電システムにおいては、充電運転から放電運転に切り替える際、系外に排気する純水素と純酸素の量を低減させることが望まれていた。
【０００９】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、可逆セルをはじめとして、固体高分子形の水電解装置と燃料電池とを備えるセルスタックを用いた充放電システムにおいて、充電運転から放電運転へ切替える際に、系外に排気するガスの量を極力減少させることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記目的を達成するため、本発明は、固体高分子形の水電解装置と燃料電池とを備えるセルスタックを用いた充放電システムであって、前記セルスタックは、水電解時運転時の原料水入口と、酸素及び原料水出口と、水電解時運転時の水素出口と、燃料運転時の水素入口の４つのポートを有し、前記酸素及び原料水出口は、燃料運転時の酸素入口となる機能を有している。
そしてこの充放電システムは、さらに水電解運転時に前記原料水入口から酸素側に原料水を供給する第１のタンクと、水電解運転時に発生して前記原料水出口から流出する酸素及び当該酸素に随伴している水を気液分離する第１の気液分離タンクと、前記第１の気液分離タンクで分離された水を、前記第１のタンクに送る第１の配管と、前記第１の気液分離タンクで分離された酸素を、酸素貯蔵部に供給する貯蔵部向け酸素供給路と、水電解運転時に発生して水素出口から流出する水素及び当該水素に随伴している水を気液分離する第２の気液分離タンクと、前記第２の気液分離タンクで分離された水を、第２のタンクに送る第２の配管と、前記第２の気液分離タンクで分離された水素を、水素貯蔵部に供給する貯蔵部向け水素供給路と、前記酸素貯蔵部からの酸素を前記酸素入口に供給するセルスタック向け酸素供給路と、前記水素貯蔵部からの水素を前記水素入口に供給するセルスタック向け水素供給路と、を有することを特徴としている。
【００１１】
本発明によれば、基本的には従来の原料水貯蔵タンクに気液分離機能を担わせず、別途専用の第１、第２の気液分離タンクを設けたので、充電運転から放電運転に切り替える際に、第１の配管、第２の配管を閉鎖し、第１のタンクとセルスタックの原料水入口の間の流路を閉鎖することで、第１のタンクと第２のタンクは、直接セルスタックとは閉鎖されるので、第１のタンクと第２のタンクの気層部にある酸素、水素は系外に排出されない。したがって、従来のように原料水タンクの気層部のガスを排気する必要はない。
【００１２】
前記第１のタンクと前記セルスタック向け酸素供給路との間に補助酸素供給路を設け、前記第２のタンクと前記セルスタック向け水素供給路との間に補助水素供給路を設けるようにしてもよい。これによって、第１、第２のタンクの気層部にあったガスを、放電運転の際の原料ガスに使用することが容易である。
【００１３】
かかる場合、前記セルスタック向け酸素供給路は、酸素貯蔵部に直接接続された酸素流入部と、当該酸素流入部に続く酸素供給路本体とによって構成され、前記セルスタック向け水素供給路は、水素貯蔵部に直接接続された水素流入部と、当該水素流入部に続く水素供給路本体とによって構成され、前記補助酸素供給路に第１の減圧弁を設け、前記酸素流入部に第２の減圧弁を設け、前記補助水素供給路に第３の減圧弁を設け、前記水素流入部に第４の減圧弁を設け、前記第１の減圧弁の二次側設定圧力は、前記第２の減圧弁の二次側設定圧力よりも高く設定され、前記第３の減圧弁の二次側設定圧力は、前記第４の減圧弁の二次側設定圧力よりも高く設定されていてもよい。
【００１４】
これによって、放電初期において、当初は、第１のタンク、第２のタンクの気層部にあったガスをまず最初に使用し、次いで酸素貯蔵部、水素貯蔵部にあるガスを使用することができる。
【００１５】
前記セルスタックは、水電解装置と燃料電池とが一体となった可逆セルを有するものであってもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、充電運転から放電運転に切り替える際に、従来のように原料水タンクなどの気層部のガスを排気する必要はなく、系外に排気するガスの量を減少させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施の形態にかかる充放電システムの構成の概略を示す説明図である。
【図２】図１の充放電システムで使用した可逆セルの平面断面を模式的に示した説明図である。
【図３】図１の充放電システムにおける燃料電池運転時の概略を示す説明図である。
【図４】図１の充放電システムと従来システムの蓄電容量に対する充放電可能回数を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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に示した構成を有する可逆セル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。
【００１９】
図２は、可逆セル１０の内部（平面断面）を模式的に示しており、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、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、反応流体を流通させる流路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、反応流体を流通させる流路１６を形成するセパレータ１７が配置されている。
【００２０】
図１に示したように、前記した充放電システム１のセルスタック２の水電解運転時の原料水入口（酸素出口を兼ねている）ａに対しては、タンク２１から水（純水）が供給されて、水電解運転がなされる。すなわち、タンク２１からの水は、タンク２１に接続された配管２２、セルスタック２に通ずる配管２３を介して、配管２２に設けられたポンプ２４によって、セルスタック２の酸素側の一方原料水入口ａに対して供給可能である。配管２２には、電磁弁Ｖ１が設けられている。
【００２１】
セルスタック２の水電解運転時の酸素出口（原料水出口を兼ね、燃料運転時は酸素入口となる）ｂには、配管３１の一端部が接続されており、配管３１の他端部には、配管３２の一端部と配管３３の一端部が接続されている。配管３３の他端部と、前記配管２３の他端部は、電磁三方弁Ｖ２によって、酸素側の気液分離タンク４１に通ずる配管４２と接続されている。
【００２２】
配管３２の他端部には、電磁弁Ｖ３が設けられ、配管３２における配管３３との接続点よりも電磁弁Ｖ３側寄りには、電磁弁Ｖ４が設けられている。配管３２における電磁弁Ｖ３と電磁弁Ｖ４との間には、ガスポンプ３５が設けられている。ガスポンプ３５の代わりにエジェクターを使用してもよい。
【００２３】
気液分離タンク４１の底部と、タンク２１との間には、配管４３が接続されており、この配管４３には、電磁弁Ｖ５が設けられている。気液分離タンク４１の上部には、配管３２と接続される配管４４が接続され、さらに配管３２における配管４４との接続部には、酸素貯蔵タンクＯＴに通ずる配管４５が接続されている。配管４５には、背圧弁Ｂ１が設けられている。配管４４、４５とによって、本発明の酸素供給路が構成される。
【００２４】
またタンク２１の上部には、配管３２と接続される配管４６が接続され、さらに配管３２における配管４６との接続部には、酸素貯蔵タンクＯＴに通ずる配管４７が接続されている。配管４６、４７は、各々減圧弁Ｒ１、Ｒ２が設けられている。配管４７は、本発明の酸素流入部を構成し、配管３１は本発明の酸素供給路本体を構成し、配管４７、３１とで本発明のセルスタック向け酸素供給路が構成される。
【００２５】
一方、セルスタック２の水素出口ｃには、配管６１の一端部が接続されており、配管６１の他端部は、気液分離タンク６２の上部に接続されている。気液分離タンク６２の下部には、タンク７１に通ずる配管６４が接続されている。配管６４には、電磁弁Ｖ６が設けられている。
【００２６】
セルスタック２の水素入口ｄには、配管８１の一端部が接続され、配管８１の他端部には電磁弁Ｖ７が設けられている。配管８１には、さらに途中部分にガスポンプ８２、電磁弁Ｖ８が設けられている。ガスポンプ８２の代わりにエジェクターを使用してもよい。
【００２７】
気液分離タンク６２の上部には、配管８１と接続される配管６５が接続され、さらに配管８１における配管６５との接続部には、水素貯蔵タンクＨＴに通ずる配管６６が接続されている。配管６６には、背圧弁Ｂ２が設けられている。配管６５、６６とによって、本発明の水素供給路が構成される。
【００２８】
またタンク７１の上部には、配管８１と接続される配管７２が接続され、さらに配管８１における配管７２との接続部には、水素貯蔵タンクＨＴに通ずる配管７３が接続されている。配管７２、７３は、各々減圧弁Ｒ３、Ｒ４が設けられている。配管７３は、本発明の水素流入部を構成し、配管８１は本発明の水素供給路本体を構成し、配管７３、８１とで本発明のセルスタック向け水素供給路が構成される。
【００２９】
セルスタック２には、冷却用の冷却水を循環させる配管５１が接続され、熱交換器（図示せず）にて熱交換された冷却水が、ポンプ５２の駆動により、セルスタック２内を循環し、各可逆セル１０を冷却するようになっている。
【００３０】
また本実施の形態にかかる充放電システム１においては、タンクや配管内の圧力は、適宜圧力計によって計測され、計測結果は制御装置（図示せず）に出力され、それに基づいてシステムの制御が行なわれている。具体的には、配管３１内の圧力が圧力計Ｐ１によって、酸素貯蔵タンクＯＴ内の圧力が圧力計Ｐ２によって、配管８１内の圧力が圧力計Ｐ３によって、水素貯蔵タンクＨＴ内の圧力が圧力計Ｐ４によって、各々計測されている。
【００３１】
また水の電気分解に必要な電力は、電源装置（図示せず）によって、セルスタック２の各可逆セル１０に供給されるようになっている。
【００３２】
実施の形態にかかる充放電システム１の主要な構成は以上の通りであり、次にその運転例について説明する。
【００３３】
水電解運転開始時は、電磁弁Ｖ１、Ｖ５、Ｖ６を開放させ、電磁三方弁Ｖ２を配管３３、４２との開通状態とし、電磁弁Ｖ３、Ｖ４、Ｖ７、Ｖ８を閉鎖する。この状態からポンプ２４を起動する。そうするとタンク２１に貯蔵された水（純水）は、配管２２、２３を通じてセルスタック２の各可逆セル１０に供給される。なおかかる場合、電解水の水質維持のために、イオン交換樹脂等を設置したバイパス（図示せず）を配管２２とタンク２１との間に設け、配管２２の水の一部を当該バイパスを通じて、タンク２１に戻すようにしてもよい。なお水電解運転開始時の流体の流れは、図１において、各配管上を太線、並びに矢印で表示している。
【００３４】
そしてセルスタック２の各可逆セル１０に、電源装置（図示せず）から電力を供給すれば、その出力に応じた水が、各可逆セル１０において水素イオン、酸素イオンに各々電気分解される。そのうち酸素イオンは触媒上で酸素分子となり、循環水（電解されなかった水）と共に配管３１を通じてセル外に排出される。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、配管６１を通じてセル外に排出される。
【００３５】
排出された純酸素は、配管３１、３３、４２を通じて気液分離タンク４１へと送られ、そこで気液分離が行なわれる。気液分離された後の水は、配管４３を通じてタンク２１へ戻される。また気液分離された後の純酸素は、配管４４、４５から背圧弁Ｂ１を介して、酸素貯蔵タンクＯＴへと供給、貯蔵される。なお気液分離タンク４１、並びに後述の気液分離タンク６２は、いずれもデミスタなどを用いて積極的に気液を分離する機能を有するものが採用されており、本実施の形態では、タンク内の上部に、金属フィルタを積層したデミスタを採用している。
【００３６】
排出された純水素は、随伴水と共に６１を通じて気液分離タンク６２へと送られ、そこで気液分離が行なわれる。気液分離された後の水は、配管６４を通じてタンク７１へ送られる。また気液分離された後の純酸素は、配管６５、６６から背圧弁Ｂ２を介して、水素貯蔵タンクＨＴへと供給、貯蔵される。
【００３７】
このような充電運転（電気分解）によりタンク２１の水位は減少し、タンク７１の水位は上昇するが、公知の方法（たとえば、両タンク間に連通管を配管する）を用いて両タンクの水位を常時適正レベルに保持する。そして、酸素貯蔵タンクＯＴ、水素貯蔵タンクＨＴの圧力が所定の充電終了圧力（＝満充電状態）に到達したら、電源装置（図示せず）の電源をＯＦＦにし、ポンプ２４を停止してから、電磁弁Ｖ１、Ｖ２、Ｖ５、Ｖ６を閉鎖する。このとき、タンク２１内にあった水は、電気分解されているので、当初の水位よりも低下しており、その分気層部の容積は増加している。この気層部には、酸素が充満している。また一方、タンク７１内の気層部には、水素が充満している。
【００３８】
次に、かかる状態から、放電運転（燃料電池運転）を行なう際のフローについて説明する。まず、充電運転から放電運転に切り替える際には、既述したように、可逆セル１０の両側、すなわち酸素側、水素側の系内を０．１ＭＰａ（ａｂｓ）近傍まで減圧する必要がある。そのため、まず上記停止状態（全ての電磁弁Ｖ１〜Ｖ８が閉鎖状態）から、まず電磁弁Ｖ３、Ｖ７を開放して、両側の系内を０．１ＭＰａ（ａｂｓ）近傍まで減圧する。かかる場合、タンク２１、７１の気層部にあるガスは、系外に排出されない。
【００３９】
そしてそのようにして所定の圧力に達し、また可逆セル１０の乾燥が終了した後、燃料電池運転に切替える。なお、水電解運転から燃料電池運転に運転を切替える際の乾燥方法については公知の方法を用いることができ、例えば系内を乾燥したガスや昇温したガスを供給すること等によって実現できる。
【００４０】
燃料電池運転開始時は、電磁弁Ｖ４、Ｖ８を開放させ、電磁三方弁Ｖ２を配管２３、４２の開通状態とし、電磁弁Ｖ１、Ｖ３、Ｖ５、Ｖ６、Ｖ７を閉鎖し、次いでガスポンプ３５、８２を起動する。放電運転（燃料電池運転）時の流体の流れは、図３において、各配管上を太線、並びに矢印で表示している。
【００４１】
この状態でセルスタック２に電力負荷を接続すれば、その負荷に応じて放電し、セルスタック２において放電電流に応じた純水素と純酸素が消費される。
【００４２】
ここでセルスタック２の各可逆セル１０で消費されなかった純酸素と発生した生成水は、配管２３、４２を通じて、気液分離タンク４１に送られる。そして気液分離タンク４１で気液分離された後、純酸素は配管４４、３２を通じてガスポンプ３５によって、配管３１から、再度、セルスタック２の各可逆セル１０に供給される。気液分離された水は一時的に気液分離タンク４１に貯蔵される。
【００４３】
水素側についても同様であり、セルスタック２の各可逆セル１０で消費されなかった水素、生成水は、配管６１を通じて気液分離タンク６２に送られる。そして気液分離タンク６２で気液分離された後、純水素は配管６５、８１を通じてガスポンプ８２によって、配管８１から、再度、セルスタック２の各可逆セル１０に供給される。気液分離された水は一時的に気液分離タンク６２に貯蔵される。
【００４４】
ここで放電運転（燃料電池運転）時に、セルスタック２において消費された分の酸素は、タンク２１の気層部、酸素貯蔵タンクＯＴから補給され、消費された分の水素は、タンク７１の気層部、水素貯蔵タンクＨＴから補給される。本実施の形態では、まずタンク２１、７１の気層部のガスを先行して消費するように、酸素側に関しては、減圧弁Ｒ１の二次側圧力を減圧弁Ｒ２のそれよりも数ｋＰａ高く設定しておき、水素側に関しても同様に、減圧弁Ｒ３の二次側設定圧力を減圧弁Ｒ４のそれよりも数ｋＰａ高く設定しておく。こうすることで、系内の圧力が減圧弁Ｒ２、Ｒ４の二次側設定圧力よりも高い間は、タンク２１、７１に貯蔵された純酸素、純水素がセルスタック２に供給され、減圧弁Ｒ２、Ｒ４の設定圧力と同等になったら、酸素貯蔵タンクＯＴ、水素貯蔵タンクＨＴに貯蔵された純酸素、純水素も供給される。
【００４５】
そして圧力計Ｐ１、Ｐ３によって、系内圧力が減圧弁Ｒ２、Ｒ４の設定圧力になったことを確認したら、電磁弁Ｖ５、Ｖ６を開とし、気液分離タンク４１，６２に溜まった水を、各々タンク２１、７１に返水する。なお、電磁弁Ｖ５、Ｖ６は、それ以降燃料電池運転終了まで、開放状態のままでよいが、電力消費量低減のため間欠的に開放するように制御してもよい。
【００４６】
このように本実施の形態によれば、従来では充電運転から放電運転に切り替える際に、減圧のために系外に全て排気していたタンク２１、７１の気層部の高圧ガスを、燃料電池運転時の酸化剤、燃料として利用できる。したがって、従来よりも無駄のないシステムとなっている。
【００４７】
以下に、実施の形態にかかる充放電システム１の具体的な効果について挙げると、まず、同一保有水、すなわちタンクに対する充放電回数が、従来システムに比べて数倍〜数十倍に向上できる。図４は、実施の形態にかかる充放電システム１と、従来システム（気液分離タンク４１、６２を具備せず、運転切り換え時に系内のガスを全て排出していたシステム）との、蓄電容量に対する充放電可能回数を比較したものである。蓄電容量とは、蓄電可能な電力の量である。また実施の形態の結果は、実線で示し、従来システムの結果は破線で示している。なお図４のグラフ中の左上に示した「〜倍」という割合は、満充電に必要な最小水量に対する保有水量の割合を表している。これによれば、蓄電容量の全域にわたり、また保有割合がいずれも場合でも、実施の形態にかかる充放電システム１は、従来システムよりも、数倍〜数十倍に向上している。
【００４８】
また前記したように、運転切り換え時に系外に排出するガスの量が従来よりも大幅に低減できるから、充電ロスが低減でき、また予備保有水も少なくて済む。したがって、水タンクを小型化でき、システム全体の質量、容積も低減できる。充電深度（＝充電圧力）如何にかかわらず、充電運転から放電運転に切替える際に排気されるガスの量は、気液分離タンク４１、６２の量で一定のため、系内の予備保有水量をそれまでの充放電回数実績から算出でき、残りの充放電可能回数を正確に把握できる。さらに、排気ガス量自体が少ないため、排気ガスを回収して再利用（＝排気レス充放電）するための容器を、従来システムよりもコンパクトにすることが可能である。
【００４９】
なお気液分離タンク４１、６２のサイズについては、タンク２１、７１に貯蔵されたガスが全て生成水になったとしても、タンク２１、７１から生成水がオーバーブローすることなく気液分離機能を果せるように、生成水貯蔵スペースを確保したサイズにしておけばよいため、タンク２１、７１の最大気層容積から容易に算出可能である。また、生成水は基本的には一旦、気液分離タンク４１に溜まるため、気液分離タンク４１、６２間を配管で連通させて、気液分離タンク４１、６２の水層間で水移動させるようにしてもよい。
【００５０】
また、電磁弁Ｖ３、Ｖ７から系外に排気されるガスをアキュムレータで使用されるような分離膜容器等で回収し、再利用してもよい。そうすることで、排気をいっさい行わないシステムとなり、予備水自体が不要となる。
【００５１】
なお、燃料電池運転時は、生成水のほとんどが酸素側に排出されるため、酸素側の気液分離タンク４１から水素側の気液分離タンク６２への水移動できるように、酸素側の系内圧力を水素側のそれよりも１０ｋＰａ程度高くするようにしてもよい。
【００５２】
前記実施の形態で使用した弁は、制御性、応答性を考慮していずれも電磁弁を用いたが、もちろんこれに限らず各種の弁、バルブを用いることができる。
【００５３】
このように実施の形態にかかる充放電システム１によれば、これまで運転切り換え時に系外に排出していた純水素、純酸素の量を極力少なくすることが可能であり、排気する水の量が従来に比べて極めて少ないため、たとえば長期にわたり水インフラと断絶されたり、システムが要求するレベルの純水を得られないような環境下で充放電を行う用途に最適である。
【００５４】
なお、蓄電容量が大きいほど、充電終了時の水タンクの気層容積は大きくなる。この点、従来システムでは切替時に排気する量が増加するが、実施の形態にかかるシステムであれば、水タンクの気層容積分のガスが全て水になった場合でも気液分離を行える程度の気液分離タンク容積分の排気だけですむため、蓄電容量の大きな用途に最適である。
【００５５】
なお、本発明は可逆セルを使用する充放電システムだけではなく、燃料電池セル、水電解セル（水素製造セル）など、各専用機を組み合わせて使用する充放電システムにも適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明は、長期にわたり水インフラと断絶されたり、システムが要求するレベルの純水を得られないような環境下で充放電を行う用途に有用である。
【符号の説明】
【００５７】
１    充放電システム
２    セルスタック
１０    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、７１    タンク
２２、２３、３１、３２、３３、４３〜４７、５１、６１、６４〜６６、７２、７３、８１    配管
２４、５２    ポンプ
３５、８２    ガスポンプ
４１、６２    気液分離タンク
Ｂ１、Ｂ２    背圧弁
Ｒ１〜Ｒ４    減圧弁
ＨＴ    水素貯蔵タンク
ＯＴ    酸素貯蔵タンク
Ｐ１〜Ｐ４    圧力計
Ｖ１、Ｖ３〜Ｖ８    電磁弁
Ｖ２    電磁三方弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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