(57)【要約】【課題】  起動時においても水電解装置のエネルギー効率が高い、発電システムを提供する。【解決手段】  水電解装置と、前記水電解装置から発生する水素を使用する発電装置と、前記発電装置から回収した熱を用いて加熱された温水を貯湯する貯湯槽とを備える発電システムであって、前記貯湯槽内の温水の熱を、前記水電解装置の補給水に供給するための第一熱交換手段を備える発電システムとする。本発明の発電装置は、システム内部で発生する熱エネルギーを有効利用することにより、起動時のみならず、定常運転時のエネルギー効率も高く維持することが可能である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水電解装置と、前記水電解装置から発生する水素を使用する発電装置と、前記発電装置から回収した熱を用いて加熱された温水を貯湯する貯湯槽とを備える発電システムであって、
前記貯湯槽内の温水と、前記水電解装置との間で熱交換を行う第一熱交換手段を備える発電システム。
【請求項２】
水電解装置と、前記水電解装置から発生する水素を使用する発電装置と、前記発電装置から回収した熱を用いて加熱された温水を貯湯する貯湯槽とを備える発電システムであって、
前記貯湯槽内の温水を、前記水電解装置の補給水の原水として使用することを特徴とする発電システム。
【請求項３】
前記水電解装置の水素放出ラインに、放出される水素の熱を前記補給水に供給するための第二熱交換手段をさらに備える請求項１又は２に記載の発電システム。
【請求項４】
前記水電解装置の酸素放出ラインに、放出される酸素の熱を前記補給水に供給するための第三熱交換手段をさらに備える請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発電システム。
【請求項５】
前記水電解装置の水素分離タンクから系外に排出される電解水の熱を、前記補給水に供給するための第四熱交換手段をさらに備える請求項１乃至４のいずれか１項に記載の発電システム。
【請求項６】
前記発電装置が、燃料電池である請求項１乃至５のいずれか１項に記載の発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水電解装置と、該水電解装置から発生する水素を使用する燃料電池、ガスエンジン等の発電装置と、発電装置から回収された熱によって製造された温水を貯湯するための貯湯槽とを備える発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、昼夜の電力需要格差が拡大しており、電力負荷の平準化が求められている。この電力負荷の平準化手段の一つとして、夜間電力を利用して水電解により水素を製造・貯蔵し、電力需要のピーク時に貯蔵水素を利用する発電装置により発電及び温水製造するシステムがある。
【０００３】
例えば、夜間の夜間電力によって水電解を行い、水素と酸素を発生させる水電解装置と、燃料電池と、水素貯蔵装置と、酸素貯蔵装置とを備えるエネルギー貯蔵システムが、特許文献１に従来技術として開示されている。そして、この特許文献１に係る発明は、水電解装置と、燃料電池と、水素貯蔵手段及び冷媒供給手段を備えたエネルギー貯蔵装置であって、水電解装置において発生する熱の一部を熱交換器によって回収する装置を開示している。この装置は、さらに燃料電池において発生する熱の一部を回収する熱交換器を設け、水素貯蔵手段に供給することもできる。
【０００４】
また、昼間は燃料電池としてとして発電を行い、夜間には水素発生装置として作動する可逆型燃料電池を用いることにより、発電コストが安く、電力負荷の平準化機能を有する燃料電池システムが、特許文献２に開示されている。
【０００５】
水電解・燃料電池システムを経済的に成り立たせるためには、水電解及び燃料電池の効率を向上させることが不可欠である。水電解は、所定の電圧下で所定の電流を通電することにより行われており、水電解時の消費電力を減少するにはエネルギー効率（電圧効率×電流効率）を高くすることが好ましい。ここで、電流効率は温度に無関係で、約90〜98％の範囲にあり、一方、電圧効率は、理論稼働電圧／実際電解電圧で示されるもので、温度依存性があり、電解温度を比較的高めに維持しないと、電圧効率は低下してしまう。
【０００６】
しかし、水電解の効率を上げるために電解水加熱用の加熱器を使用すれば、加熱専用のエネルギーが別途必要となり、省エネルギーの観点からは好ましくない。
【０００７】
特に、冬季等で気温が低い場合、水電解装置及び給水配管等を断熱して放熱を最小限としても、水電解装置を起動させた後、昇温に時間がかかる又は所定温度に到達できないために、電解効率が低下するという問題が生じることもある。
【０００８】
この補給水の加温の問題を解決する発明として、水電解装置の水素側放出ラインに熱交換器を設け、酸素分離タンクへの補給水と熱交換する水電解装置が、特許文献３に開示されている。この熱交換器の設置により、水電解装置から発生する熱エネルギーによって、水電解装置へ供給水を、加熱専用のエネルギーを用いることなく加熱することができる。
【特許文献１】特開２００２−５７２２２号公報
【特許文献２】特開２００２−１４２３８６号公報
【特許文献３】特開２００１−１５２３７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、特許文献１に開示されるエネルギー貯蔵装置では、水電解装置において発生する熱を、水素貯蔵装置冷却用の冷媒の冷却に利用しており、電解水の温度を高温に保つ工夫はなされていない。
【００１０】
また、特許文献２に開示されている電力供給システムでは、発電の際に、可逆型燃料電池において発生する熱を、熱回収水を循環させることによって回収し、家庭内で温水として利用するシステムとなっているが、水電解の際に、可逆型燃料電池の電解水温度を高温に保つ工夫はなされていない。
【００１１】
また、特許文献３に開示されている水電解装置では、運転継続中は、酸素分離タンク及び水素分離タンク内の高温純水（約85〜120℃）、並びに含湿水素ガス（約85〜120℃）の熱と、補給純水を熱交換し、補給純水を高温に維持することができるが、水電解装置を起動した直後は、電解水の温度は低いためにエネルギー効率が低い。
【００１２】
本発明は、起動直後のエネルギー効率が低いという従来技術の欠点を克服した、水電解装置と発電装置を備える発電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者は、前記課題を解決すべく、鋭意検討した結果、水電解装置と、水電解装置から発生する水素を使用する燃料電池、ガスエンジン等の発電装置と、発電装置が発電する電力又は発電装置から回収された熱エネルギーによって加熱された温水を貯湯する貯湯槽とを組み合わせ、貯湯槽内の温水の熱エネルギーを利用することにより、水電解装置の起動時においても電解水を高温に維持し、エネルギー効率が高い発電システムを発明するに至った。
【００１４】
具体的に、本発明は、水電解装置と、前記水電解装置から発生する水素を使用する発電装置と、前記発電装置から回収した熱を用いて加熱された温水を貯湯する貯湯槽とを備える発電システムであって、前記貯湯槽内の温水と、前記水電解装置との間で熱交換を行うための第一熱交換手段を備える発電システムに関する（請求項１）。このような構成とすることにより、水電解装置を起動した際に、貯湯槽内の温水の熱を用いて、水電解装置の電解水を高温にすることが可能となり、水電解装置のエネルギー効率を、起動直後から高く維持することが可能となる。
【００１５】
また、本発明は、水電解装置と、前記水電解装置から発生する水素を使用する発電装置と、前記発電装置から回収した熱を用いて加熱された温水を貯湯する貯湯槽とを備える発電システムであって、前記貯湯槽内の温水を、前記水電解装置の補給水（電解水）を製造するための原水として使用することを特徴とする発電システムに関する（請求項２）。貯湯槽内の温水を、水道水と混合し又はそのまま補給水を製造するための原水として直接使用する構成としても、水電解装置を起動した際に、電解水を高温にすることが可能であるため、水電解装置のエネルギー効率を、定常運転に到達する前から高く維持することが可能となる。
【００１６】
前記水電解装置の水素放出ラインに、放出される水素の熱を前記補給水に供給するための第二熱交換手段を設けることが好ましい（請求項３）。このような構成とすることにより、水電解装置から外部に放出される水素ガスの熱エネルギーを、補給水（電解水）を加熱する熱源として回収することにより、水電解装置の定常運転時においては、貯湯槽内の温水を消費しないで済む。
【００１７】
前記水電解装置の酸素放出ラインに、放出される酸素の熱を前記補給水に供給するための第三熱交換手段を設けることも好ましい（請求項４）。このような構成とすることによっても、水電解装置から外部に放出される酸素ガスの熱エネルギーを、補給水（電解水）を加熱する熱源として回収することにより、水電解装置の定常運転時においては、貯湯槽内の温水を消費しないで済む。
【００１８】
前記水電解装置の水素分離タンクから系外に排出される電解水の熱を、前記補給水に供給するための第四熱交換手段をさらに備えることが好ましい（請求項５）。このような構成とすることにより、水電解装置から排出される高温純水の熱エネルギーを、補給水（電解水）を加熱する熱源として回収することにより、水電解装置の定常運転時においては、貯湯槽内の温水を消費しないで済む。
【００１９】
前記水電解装置としては、水電解装置から発生した水素ガス及び酸素ガスを用いて発電する燃料電池であることが好ましい（請求項６）。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の発電システムは、貯湯槽内の温水の熱エネルギーを有効利用することにより、起動直後から水電解装置のエネルギー効率が高い。また、熱交換手段を設置することにより、水電解装置のガス分離タンクから放出される高温ガス又は高温電解水の熱エネルギーを、酸素分離タンクへと供給される電解水の加熱に有効利用することができる。その結果、貯湯槽の温水を利用して加熱された補給水を、さらに水電解に好ましい温度に加熱することもできる。
【００２１】
また、水電解装置が定常状態に到達した後、長時間運転する場合、水電解装置には継続的に補給水を供給する必要があるが、水道水から製造した低温の補給水を、熱交換手段によって水電解装置の内部で加熱することができるため、貯湯槽の温水を使用しなくとも、電解水の急激な温度変化が起こりにくい。この場合、起動時以外には貯湯槽の温水を電解水の加温に使用しないで済むため、貯湯槽の温水を一般的用途に自由に利用することができる。
【００２２】
さらに、熱交換手段が回収した熱を、貯湯槽内の温水の加熱にも利用することができるため、発電装置からの排熱のみを利用して製造された温水の温度（約60℃）を、さらに高温（約80℃程度）に加熱することも可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下に、本発明の実施の形態について、適宜図面を参照しながら説明する。なお、本発明はこれらに限定されるものではない。
【実施例１】
【００２４】
図１は、本発明の一実施形態である実施例１に係る発電システムの概略構成図である。図１を参照しつつ、実施例１の発電システムの概念を説明する。
【００２５】
この発電システムは、貯湯槽１、水電解装置２、燃料電池６及び熱回収経路１１を備える。燃料電池６は、水電解装置２の電解セル４において、電解水（純水）を電気分解して得られる水素ガス（H２）及び酸素ガス（Ｏ２）を使用し、燃料電池６が発電を行う。このとき、燃料電池６の作動時に発生する熱は、冷却水１０を用いて熱回収される。温水となった冷却水１０は、熱回収経路１１を経由して貯湯槽１に貯湯される。
【００２６】
また、この発電システムでは、水電解装置２を起動させると、貯湯槽１の温水と、水電解装置２への補給水８を、第一熱交換器７を用いて熱交換し、補給水８を加熱することができる。
【実施例２】
【００２７】
図２は、本発明の一実施形態である実施例２に係る発電システムの概略構成図である。図２を参照しつつ、実施例２の発電システムの概念を説明する。
【００２８】
実施例２の発電システムの基本的構成も、実施例１と同じであるが、第一熱交換器７は有さない。そして、この発電システムにおいては、貯湯槽１の温水９を水道水１２と混合し、又は混合せずに直接純水装置１３に供給する構成としている。温水９と水道水１２を混合し、又は温水９を直接純水装置１３へと供給することで、純水装置１３に供給する原水を加熱し、純水装置１３が温度の高い純水を製造することが可能となる。この温度の高い純水を補給水８として酸素分離タンク３に供給することにより、水電解装置２の起動直後であっても、電解水の温度が高いため、エネルギー効率が高い。
【００２９】
なお、純水装置１３は、逆浸透膜（ＲＯ膜）、イオン交換樹脂又はこれらを組み合わせて、純水を製造する装置である。
【００３０】
実施例１又は２における水電解装置２として、図３に示すような構成の装置を使用することもできる。次に、図３に示す水電解装置の各構成の機能を具体的に説明する。
【００３１】
図３において、２１はプレフィルター、２２は昇圧ポンプ、２３は第一逆浸透膜、２４は第二逆浸透膜である。プレフィルター２１から酸素分離タンク３０までの純水補給ライン２５は、水素分離タンク２６の水素排出ライン２７に設置した第二熱交換器２８を経て、さらに、第四熱交換器２９を通過して酸素分離タンク３０に達する。酸素分離タンク３０の底部に繋がる純水循環ライン３１は、ポンプ３２、第一熱交換器３３、温度指示調節計３４、イオン交換樹脂３５、ファイナルフィルター３６、電解セル３７を経て、再び酸素分離タンク３０に戻るように構成されている。
【００３２】
電解セル３７から発生する水素を運ぶための水素供給ライン３８は、水素分離タンク２６に達している。
【００３３】
水素分離タンク２６に繋がる水素排出ライン２７の第二熱交換器２８の後段には、除湿器４２が配置されている。
【００３４】
各ラインに設置された４６、４７は、それぞれ流量制御弁、オンオフ弁を示す。
【００３５】
以上のように構成される図３の水電解装置において、純水補給ライン２５のプレフィルター２１に達した水道水は、プレフィルター２１において予備濾過され、全開のオンオフ弁４４を経て昇圧ポンプ２２により昇圧されて、第一逆浸透膜２３、第二逆浸透膜２４を経て所定の高純度に精製された後、酸素分離タンク３０へ供給される。その際に、第二熱交換器２８において、水素分離タンク２６から排出される高温（約60〜100℃）の含湿水素ガスとの間で間接的に熱交換が行われて、補給純水は一定温度だけ昇温されて、当初10〜25℃であったものが、数℃昇温される。
【００３６】
一方、水素分離タンク２６から排出される含湿水素ガスは、第二熱交換器２８において、補給純水により冷却されて凝縮水が生成する。第二熱交換器２８の下部から上部へ含湿水素ガスが流れるようにしておき、第二熱交換器２８から水素分離タンク２６へ向かって下り勾配となるように水素排出ライン２７を形成することにより、生成した凝縮水は、水素分離タンク２６へ流れ落ちるようになる。このようにして、除湿器４２への水分の持ち込み量が減少するので、除湿器４２における除湿が容易になる。除湿器４２において除湿された水素ガスは、水素分離タンク２６内の圧力を監視する圧力指示調節計４６の指示に応じて、水素排出ライン２７に設けた流量制御弁４３の開度が適宜調節されながら、高純度水素ガスはユースポイントへ供給される。
【００３７】
一方、第二熱交換器２８において、一定温度だけ昇温された補給純水は、第四熱交換器２９において、第二純水排出ライン４１を経て排出される高温（約50〜100℃）の純水との間で間接的に熱交換が行われた結果、さらに、約40℃以上（例えば、40〜60℃）に昇温されて酸素分離タンク３０に達する。
【００３８】
酸素分離タンク３０に補給された純水は、純水循環ライン３１を通り、電解セル３７へと供給される。この電解セル３７において純水は電気分解され、陽極側で酸素、陰極側で水素が発生する。酸素と電気分解されなかった純水は、酸素分離タンク３０で気液分離され、酸素ガスは系外に放出され、純水は純水循環ライン３１を再循環することとなる。
【００３９】
このとき、純水循環ライン３１を流れる純水は、第一熱交換器３３において、燃料電池６の運転により得られる排熱を利用して製造された温水を貯湯する貯湯槽１からの温水と熱交換される。
【００４０】
水電解装置２の運転初期においては、純水循環ライン３１及び第二純水排出ライン４１の純水、並びに水素排出ライン２７の水素ガスの温度が低いため、第二熱交換器２８と第四熱交換器２９による熱交換のみでは補給水の温度を充分に高くすることができない。このため、従来の発電システムであれば運転初期の水電解装置のエネルギー効率が低くなるおそれがあるが、図３に示す水電解装置を備える本発明の発電システムでは、第一熱交換器３３を利用して純水循環ライン３１の純水を加温するため、運転初期から水電解装置のエネルギー効率を高くすることが可能である。
【００４１】
また、図３に示す水電解装置では、純水循環ライン３１の純水を、電解セル３７に供給する手前で加温するために、加温した純水が冷却されることなく、直接電解セル３７に供給することができる。
【００４２】
一方、通常、水電解装置においては、後述する理由により循環純水（電解セルに供給される純水）の温度を所定の温度以下（例えば、90℃）に保つ必要がある。燃料電池からの排熱利用により得られる貯湯槽の温水は、一般的には約60℃前後であることから、循環純水が所定温度を超える高温となった場合、図３に示す水電解装置では、第一熱交換器３３を利用して純水循環ライン３１を流れる循環純水の冷却を行うこともできる。
【００４３】
すなわち、図３に示す水電解装置を備える本発明の水電解装置においては、貯湯槽１の温水を、水電解装置２の運転初期には循環純水の加温用として用いるが、水電解装置２の定常運転時には循環純水の冷却用として用いることから、燃料電池からの排熱利用により得られる通常得られる温水（約60℃前後）よりも高温の温水を得ることができる。
【００４４】
ここで、純水循環ライン３１を循環する純水の温度が90℃以上になると、電解セル３７のモジュール構成部品であるシール材料のＯリングやガスケットの寿命が短くなる又はチタン電極材の水素脆化が加速する等の不都合が生じるので、温度指示調節器３４で検知した純水温度が90℃以下になるように、温度指示調節器３４の指示に応じて流量制御弁４３の開度を適宜調節し、貯湯水供給ライン４７より第一熱交換器３３に貯湯水を供給し、純水循環ライン３１を循環する純水の温度を90℃以下に調節するのが好ましい。純水循環ライン３１内のファイナルフィルター３６は、必ずしも必要なものではなく、純水循環ライン３１中に一切異物が混入しないということが保証されれば、省略することも可能である。
【００４５】
なお、図３では、貯湯水供給ライン４７は、第一熱交換器３３にのみ接続されているが、別の貯湯水供給ラインを第二熱交換器２８、後述する第三熱交換器（図示せず）、第四熱交換器２９へとさらに接続し、水電解装置のガス分離タンクから放出される高温ガス又は高温電解水の熱エネルギーを、補給水を加熱しない時には、貯湯槽内の温水の加熱に利用する構成とすることも可能である。
【００４６】
酸素分離タンク３０内の圧力は、圧力指示調節計４６で検知して、この圧力が一定以上になれば、酸素分離タンク３０内の酸素を、流量制御弁４３を経て大気に放出することにより、酸素分離タンク３０内の圧力を一定以下に保持するように制御することができる。
【００４７】
図３に示した水電解装置においては、水素ガスと補給純水とを第二熱交換器２８により熱交換する構成としたが、これに限定されず、酸素ガスと補給純水とを、酸素分離タンク３０に接続される酸素排出ラインに設けた第三熱交換器（図示せず）により熱交換する構成としてもよい。このように、酸素ガスと補給純水とを熱交換することにより、酸素ガスの排熱を有効に利用できると同時に、酸素ガスに同伴して系外へ放出される純水量を低減することができる。
【００４８】
酸素排出ラインのガス配管には、ガスの品質管理及び安全上の観点から、酸素ガス中の水素濃度を測定するための水素濃度計（検知器）が通常設けられるが（図示せず）、上述したとおり、熱交換の際、水分が凝縮することにより酸素ガスが除湿されため、水素濃度計に水分が侵入することを防止できる。
【００４９】
従来の水電解装置では、酸素分離タンク内の純水は、上述したように酸素ガスに同伴して系外へと放出されている。その量は、大気開放（大気圧）、運転時の酸素分離タンクの純水温度80℃のシステムでは、水電解装置の純水消費量の約44％にも達する。
【００５０】
しかし、酸素排出ラインに第三熱交換器を設けた水電解装置を備えた本発明の発電システムでは、系外へ放出される純水量を低減することができるため、純水製造のためのコストを削減できる。
【００５１】
なお、図３に示した水電解装置では、貯湯槽の温水と、純水循環ライン３１の純水とを、純水循環ライン３１に設けた熱交換器（第一熱交換器３３）により熱交換する構成としたが、これに限定されず、例えば、酸素分離タンク３０に貯湯槽の温水と純水を熱交換するための熱交換器を設けてもよく、これと第一熱交換器３３を組み合わせてもよい。
【００５２】
また、貯湯槽の温水を熱交換することなく、プレフィルター２１を通じて直接水電解装置に供給する構成としてもよい。
【００５３】
以上、図３に示す水電解装置について説明した。
【００５４】
なお、実施例１及び２においては、水素ガスを使用する発電装置の例として、燃料電池６を選択しているが、燃料電池６に代えて、水素ガスを使用するガスエンジンを発電装置とすることもできる。
【００５５】
また、図３に示した水電解装置においては、酸素分離タンク内の圧力を保持する構成としているが、これに限定されず、水素側（水素分離タンク及び水素排出ライン）のみ圧力を保持し、酸素側（酸素分離タンク及び酸素排出ライン）については、大気圧開放としてもよい。
【００５６】
酸素側を大気圧開放することにより、補給水ポンプ２２の能力が小さくてもよくなり、場合によっては不要にもなる。また、圧力制御（差圧制御）が簡単になるため、機械類や配管等を減らすことができ、装置サイズを小型化することが可能となる。従来は、差圧制御を行うために、ある程度の大きさの酸素分離タンクが必要であり、また、付帯設備、配管等の関係から、酸素分離タンク内（純水循環ライン等を含む）の純水量も多かった。その結果、純水の加熱にかかる総熱量が大きかったが、上記のように装置サイズを小型化することにより、純水量を少なくすることができ、純水の加熱にかかる総熱量も小さくすることが可能となる。
【００５７】
以上、説明したように、本発明の発電システムは、貯湯槽内の温水の熱エネルギーを有効利用することにより、起動直後においてもエネルギー効率が高いことを特徴とする。また、図３に示す水電解装置を使用することにより、電解温度を適切な温度に維持することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明の発電システムは、クリーンで、しかも、高エネルギー効率の発電システムとして有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】実施例１に係る発電システムの概略構成図である。
【図２】実施例２に係る発電システムの概略構成図である。
【図３】本発明に使用しうる水電解装置の一例の全体フロー図である。
【符号の説明】
【００６０】
１：貯湯槽
２：水電解装置
３：酸素分離タンク
４：電解モジュール
５：純水循環経路
６：燃料電池
７：第一熱交換器
８：補給水
９：温水
１０：冷却水
１１：熱回収経路
１２：水道水
１３：純水装置
２１：プレフィルター
２２：昇圧ポンプ
２３：第一逆浸透膜
２４：第二逆浸透膜
２５：純水補給ライン
２６：水素分離タンク
２７：水素排出ライン
２８：第二熱交換器
２９：第四熱交換器
３０：酸素分離タンク
３１：純水循環ライン
３２：ポンプ
３３：第一熱交換器
３４：温度指示調節器
３５：イオン交換樹脂
３６：ファイナルフィルター
３７：電解セル
３８：水素供給ライン
３９：第一純水排出ライン
４０：流量指示調節計
４１：第二純水排出ライン
４２：除湿器
４３：流量制御弁
４４：オンオフ弁
４５：水位計
４６：圧力計
４７：貯湯水供給ライン
【図１】
2006299322.tif 000003
【図２】
2006299322.tif 000004
【図３】
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