(57)【要約】【課題】蓄熱と水素貯蔵が同時にでき、又、燃料電池の水素消費量を平準化できる化学蓄熱蓄水素装置を提供すること。【解決手段】水素を放出する吸熱反応Ａ又はその逆反応である水素を吸収する発熱反応Ａ＊が起こる第１反応器１７、第１反応器１７の圧力と同圧条件下、所定温度以下で水素を吸収する発熱反応Ｂ又はその逆反応である水素を放出する吸熱反応Ｂ＊が起こる第２反応器１８、両器を連通する第１連通管１９、第１反応器１７内と環境の間で熱交換する第１熱交換器２０、燃料電池１１と第２反応器１８との間で熱媒体流体を循環させる循環回路１４に接続され、電池１１の排熱を回収して加熱された熱媒体流体と熱交換する第２反応器１８内を加熱し、反応Ｂの発熱を回収して熱媒体流体を加熱する第２熱交換器２１、水素供給装置１２から電池１１に水素を供給する水素供給管１３と第１連通管１９とを連通する第２連通管２２を備えた化学蓄熱蓄水素装置とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素供給装置から導出された水素供給管を通じて供給される水素を燃料ガスとして用いる燃料電池と組み合わせて使用されるものであって、
水素を放出する吸熱反応Ａまたはその逆反応である水素を吸収する発熱反応Ａ＊が起こる第１反応器と、
前記第１反応器内の圧力と同圧条件下、所定温度以下で水素を吸収する発熱反応Ｂまたはその逆反応である水素を放出する吸熱反応Ｂ＊が起こる第２反応器と、
前記第１反応器と前記第２反応器とを連通する第１連通管と、
前記第１反応器に設けられ、この第１反応器内と外部環境との間で熱交換を行う第１熱交換器と、
前記第２反応器に設けられるとともに前記燃料電池と前記第２反応器との間で熱媒体流体を循環させる循環回路に接続され、前記燃料電池からの排熱を回収して加熱された前記熱媒体流体と熱交換を行い器内を加熱し、かつ、前記発熱反応Ｂによる発熱を回収して前記循環回路内の熱媒体流体を加熱可能な第２熱交換器と、
一端が前記第１反応器、前記第２反応器または前記第１連通管の少なくとも何れかに連通されるとともに他端が前記水素供給管に連通される第２連通管とを備えたことを特徴とする化学蓄熱蓄水素装置。
【請求項２】
前記水素は、純水素または改質水素であることを特徴とする請求項１に記載の化学蓄熱蓄水素装置。
【請求項３】
前記燃料電池は、固体高分子型燃料電池、りん酸型燃料電池または固体酸化物型燃料電池であることを特徴とする請求項１または２に記載の化学蓄熱蓄水素装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化学蓄熱蓄水素装置に関し、さらに詳しくは、水素を燃料ガスとして用いる燃料電池と組み合わせて用いられる化学蓄熱蓄水素装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、水素を放出する吸熱反応とその逆反応である水素を吸収する発熱反応とを利用した装置としては、次のものが知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、水素供給装置から供給した水素により十分に水素化させた水素吸蔵合金を排熱源から回収した排熱により脱水素化して高圧水素を発生させ、熱利用地において、この高圧水素を作用させて他の水素吸蔵合金を水素化し、この際に発生した熱を利用する蓄熱装置が開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、水素解離圧の異なる２種類の水素吸蔵合金と動力の異なる２種類のコンプレッサとを使用し、夜間電力を利用して空調冷房のための蓄熱用冷水の製造を行うようにした蓄熱装置が開示されている。
【０００５】
また、特許文献３には、平衡水素圧の異なる２種類の水素吸蔵合金を充填したヒートポンプに燃料電池を連結し、このヒートポンプの熱源として燃料電池の排熱を利用するとともに、水素吸蔵合金からの水素放出時に得られる冷熱を冷房などに利用し、さらに、水素吸蔵合金から放出される水素を燃料電池に供給するようにした水素精製装置が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】特開平７−２１８０３０号公報
【特許文献２】特開平１０−１２２６９５号公報
【特許文献３】特開２０００−３４０２４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１および２に開示される蓄熱装置は、水素吸蔵合金を利用した単なる蓄熱装置であり、熱と水素の両方を貯蔵することができない。
【０００８】
また、特許文献３に開示される水素精製装置は、燃料電池と組み合わせて用いられるものであるが、基本的には、水素吸蔵合金で水素を吸脱着して水素を精製しながら冷熱を取り出すものであり、燃料電池で使用される水素消費量の平準化などに利用することができない。
【０００９】
本発明が解決しようとする課題は、蓄熱と水素貯蔵とを同時に行うことが可能であり、また、燃料電池の水素消費量を平準化することが可能な化学蓄熱蓄水素装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明に係る化学蓄熱蓄水素装置は、
水素供給装置から導出された水素供給管を通じて供給される水素を燃料ガスとして用いる燃料電池と組み合わせて使用されるものであって、水素を放出する吸熱反応Ａまたはその逆反応である水素を吸収する発熱反応Ａ＊が起こる第１反応器と、前記第１反応器内の圧力と同圧条件下、所定温度以下で水素を吸収する発熱反応Ｂまたはその逆反応である水素を放出する吸熱反応Ｂ＊が起こる第２反応器と、前記第１反応器と前記第２反応器とを連通する第１連通管と、前記第１反応器に設けられ、この第１反応器内と外部環境との間で熱交換を行う第１熱交換器と、前記第２反応器に設けられるとともに前記燃料電池と前記第２反応器との間で熱媒体流体を循環させる循環回路に接続され、前記燃料電池からの排熱を回収して加熱された前記熱媒体流体と熱交換を行い器内を加熱し、かつ、前記発熱反応Ｂによる発熱を回収して前記循環回路内の熱媒体流体を加熱可能な第２熱交換器と、一端が前記第１反応器、前記第２反応器または前記第１連通管の少なくとも何れかに連通されるとともに他端が前記水素供給管に連通される第２連通管とを要旨とする。
【００１１】
また、前記水素は、純水素または改質水素であることを要旨とする。
【００１２】
また、前記燃料電池は、固体高分子型燃料電池、りん酸型燃料電池または固体酸化物型燃料電池であることを要旨とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る化学蓄熱蓄水素装置によれば、上記構成を採用したことにより、第１反応器、第２反応器ともに水素を放出しながら蓄熱を行うことができ、さらに、第１反応器、第２反応器ともに熱を放出しながら水素を貯蔵することができる。
【００１４】
そのため、水素の使用量が増加し、かつ、放出される排熱量が増加するといった燃料電池の出力が大きい場合に、本化学蓄熱蓄水素装置は非常に有効なものとなる。また、逆に、水素の使用量は減少し、かつ、放出される排熱量が減少するといった燃料電池の出力が小さい場合に、本化学蓄熱蓄水素装置は非常に有効なものとなる。
【００１５】
また、燃料電池が最大出力で発電を行っている場合などには、水素使用量が多いため、水素供給装置から供給される水素だけでは水素が不足するが、その際には、本化学蓄熱蓄水素装置より水素を補給することができる。一方、燃料電池が停止している場合などには、水素が使用されないため、水素供給装置から供給される水素が余剰となるが、その際には、本化学蓄熱蓄水素装置により水素を貯蔵することができる。そのため、本発明に係る化学蓄熱蓄水素装置によれば、燃料電池の水素消費量を平準化することが可能となる。
【００１６】
したがって、例えば、水素供給装置として改質器を用いた場合には、可能な限り改質器の出力を変えたくない、一定運転したいという要請があるが、本発明に係る化学蓄熱蓄水素装置によれば、そのような要請にも応ずることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に、本実施形態に係る化学蓄熱蓄水素装置について詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る化学蓄熱蓄水素装置の概略構成を示した図である。
【００１８】
化学蓄熱蓄水素装置１０は、基本的には、燃料ガスとして水素を用いる燃料電池１１と組み合わせて使用される。燃料電池１１には、水素供給装置１２、水素供給管１３、循環回路１４などが接続される。
【００１９】
燃料電池１１は、電解質（図示されない）の一方面に燃料極（図示されない）、他方面に空気極（図示されない）が接合された単セルを有し、改質水素、純水素といった水素が燃料ガスとして燃料極に供給されるとともに、酸素、空気などの酸化剤ガスが空気極に供給されることにより、両電極間に起電力を発生するものである。このような燃料電池１１としては、具体的には、電解質として固体高分子を用いた固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）、電解質としてりん酸を用いたりん酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、電解質として固体酸化物を用いた固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）などが挙げられる。
【００２０】
水素供給装置１２は、燃料電池１１に水素を供給するためのもので、例えば、高温の水蒸気と都市ガスとを反応させて改質水素を生成する改質器、ガソリンやメタノールなどを分解して改質水素を生成する改質器、シクロヘキサンやデカリンなどの有機物の脱水素反応により水素を取り出す装置、純水素を充填した水素ボンベなどを用いることができる。水素供給装置１２からは水素供給管１３が導出され、燃料電池１１の燃料極へ水素を供給することができるようになっている。
【００２１】
循環回路１４は、図示しないポンプなどの循環装置が取り付けられ、水などの熱媒体流体を循環させることができるようになっている。これにより、熱交換器１５を介して燃料電池１１の排熱を回収し、加熱された熱媒体流体を循環させることができる。なお、図１では、この循環回路１４上に温熱利用部１６が設けられている。
【００２２】
化学蓄熱蓄水素装置１０は、第１反応器１７、第２反応器１８、第１連通管１９、第１熱交換器２０、第２熱交換器２１、第２連通管２２とを備えている。
【００２３】
かかる化学蓄熱蓄水素装置１０において、第１反応器１７は、水素を放出する吸熱反応Ａまたはその逆反応である水素を吸収する発熱反応Ａ＊が起こるよう構成されている。第１反応器１７には、第１熱交換器２０が設けられており、第１反応器１７内と外部環境との間で熱交換を行うことができるようになっている。これにより、第１反応器１７内の温度を外気温度と同温度に維持することができる。
【００２４】
この第１反応器１７では、第１反応器１７内の水素圧力が減少方向に進めば、これを打ち消すように吸熱反応Ａが起こり、第１反応器１７内の水素圧力が増加方向に進めば、これを打ち消すように発熱反応Ａ＊が起こる。なお、第１反応器１７内の圧力は、第１反応器１７内の化学反応の平衡圧力により決められている。
【００２５】
一方、第２反応器１８は、第１反応器１７内の圧力と同圧条件下、所定温度（例えば、温熱利用部１６において、給湯に熱を利用する場合であれば８０℃）以下で水素を吸収する発熱反応Ｂまたはその逆反応である水素を放出する吸熱反応Ｂ＊が起こるよう構成されている。第２反応器１８には、第２熱交換器２１が設けられており、循環回路１４に接続することができるようになっている。これにより、燃料電池１１の排熱により加熱された熱媒体流体と熱交換を行って第２反応器１８内を加熱したり、第２反応器１８内における発熱反応Ｂによる発熱を回収して循環回路１４内の熱媒体流体を加熱したりすることができる。
【００２６】
この第２反応器１８では、第２反応器１８内の温度が所定温度より下がる方向に進めば、これを打ち消すように発熱反応Ｂが起こり、第２反応器１８内の温度が所定温度より上がる方向に進めば、これを打ち消すように吸熱反応Ｂ＊が起こる。
【００２７】
また、これら第１反応器１７と第２反応器１８とは、第１連通管１９により連通されている。これにより、両反応器１７、１８内は相等しい圧力にされるとともに、第１反応器１７または第２反応器１８で発生した水素は各反応器間を行き来することができる。
【００２８】
ここで、上記吸熱反応Ａと発熱反応Ｂとは対をなし、発熱反応Ａ＊と吸熱反応Ｂ＊とは対をなす。また、水素を放出する吸熱反応Ａ、吸熱反応Ｂ＊としては、水素の物理または化学脱着、脱水素反応などが用いられる。一方、水素を吸収する発熱反応Ａ＊、発熱反応Ｂとしては、水素の物理または化学吸着、水素化反応などが用いられる。具体的な化学反応の組み合わせとしては、作動温度の異なる水素吸蔵合金などを用いることができる。
【００２９】
なお、上記化学反応の組み合わせの一例としては、媒体物質として、第１反応器１７内に比較的低温で作動する水素吸蔵合金を充填し、第２反応器１８内により高温で作動する水素吸蔵合金を充填しておけば良い。
【００３０】
第１反応器１７にＭｍＮｉ４．５Ａｌ０．５、第２反応器１８にＬａＮｉ４．７Ａｌ０．３を入れた場合には、圧力は約４気圧、温度は第１反応器１７が約２５℃、第２反応器１８が約８５℃となる。また、第１反応器１７にＭｍＮｉ５、第２反応器１８にＬａＮｉ５を入れた場合には、圧力は約１４気圧、温度は第１反応器１７が約２５℃、第２反応器１８が約８５℃となる（Ｍｍ：ミッシュメタル）
【００３１】
また、第１連通管１９と水素供給管１３とは、第２連通管２２により連通されている。これにより、第１反応器１７または第２反応器１８で発生した水素を燃料電池１１に供給することができ、水素供給装置１２により発生した水素を第１反応器１７または第２反応器１８に供給することができる。なお、この第２連通管２２は、第１反応器１７または第２反応器１８に連通されていても良い。また、複数の第２連通管２２により化学蓄熱蓄水素装置１０と水素供給管１３とが連通されていても良い。
【００３２】
次に、本実施形態に係る化学蓄熱蓄水素装置１０の動作を、図２〜図７を用いて詳細に説明する。なお、本化学蓄熱蓄水素装置１０は、常に一定圧力で動作する。
【００３３】
図２は、蓄熱時の動作を示した図である。水素供給装置１２（一定の出力で稼働しているものとする）から水素供給管１３を通じて水素が供給されると、燃料電池１１は、この水素を使用して発電し、排熱が生じる。この排熱の使い途がない（温熱利用部１６における温熱利用が少ない）場合、排熱は蓄熱にまわされる。すなわち、燃料電池１１の排熱は、熱交換器１５により回収され、この回収された排熱により循環回路１４内の熱媒体流体が加熱される。加熱された熱媒体流体は、第２反応器１８側へ送られ（図中矢印方向）、第２反応器１８では、第２熱交換器２１を介して熱媒体流体と熱交換が行われる。これにより第２反応器１８内に燃料電池１１の排熱が投入され、器内の温度が上昇しようとするため、吸熱反応Ｂ＊が起こって水素が発生する。
【００３４】
一方、生じた水素は、圧力差により第１連通管１９内を通って第１反応器１７側へ移動する。第１反応器１７内では、第２反応器１８から水素が流入しようとするため、水素圧力を保とうとして発熱反応Ａ＊が起こり、水素は吸収される。この際、生じた熱は、第１熱交換器２０を介して環境（外気温度）に捨てられる。
【００３５】
図３は、放熱時の動作を示した図である。図３において、燃料電池１１は、基本的に停止しており、水素は全く使用されていない。このような場合、温熱利用部１６において温熱を利用すると、第２反応器１８内の温度が低下しようとするため、所定温度を保とうとして第２反応器１８では発熱反応Ｂが起こり、水素は吸収される。この際、生じた熱は、第２熱交換器２１を介して回収され、この回収された熱により循環回路１４内の熱媒体流体が加熱される。加熱された熱媒体流体は、温熱利用部１６へ送られ、温熱利用に供される。
【００３６】
一方、第１反応器１７では、第２反応器１８に水素が吸い込まれようとするので、水素圧力を保とうとして吸熱反応Ａが起こり、水素が発生する。この際、反応に必要な熱は、第１熱交換器２０を介して環境（外気温度）から取り込まれる。
【００３７】
図４は、水素貯蔵時の動作を示した図である。図４において、燃料電池１１は、基本的に停止しており、温熱利用もなされていない。このような場合、水素供給装置１２から供給される水素は、水素供給管１３内において余剰となる。そのため、第１反応器１７内の媒体物質を利用して余剰水素の貯蔵が行われる。すなわち、水素供給管１３内で余剰となった水素は、圧力差により水素供給管１３から第２連通管２２を通って第１反応器１７側へ移動する。第１反応器１７内では、水素が流入しようとするため、水素圧力を保とうとして発熱反応Ａ＊が起こり、水素は吸収される。この際、生じた熱は、第１熱交換器２０を介して環境に捨てられる。なお、第２反応器１８では反応は起こらない。
【００３８】
図５は、水素放出時の動作を示した図である。図５において、燃料電池１１は、十分な発電状態にあり、温熱利用部１６において温熱利用もなされている。このような場合、水素供給装置１２から供給される水素だけでは水素が不足するため、第１反応器１７内の媒体物質に貯蔵された水素を利用して水素の補給が行われる。すなわち、燃料電池１１による水素の使用量が多くなると、水素供給管１３内の圧力が低下するため、第１反応器１７では、水素圧力を保とうとして吸熱反応Ａが起こり、水素が発生する。この際、反応に必要な熱は、第１熱交換器２０を介して環境（外気温度）から取り込まれる。発生した水素は、第２連通管２２、水素供給管１３を通じて燃料電池１１に供給される。なお、第２反応器１８では反応は起こらない。
【００３９】
上述した図２および図３における蓄熱時および放熱時の動作は、基本的には、作動媒体を水素とする化学蓄熱と同じものである。また、図４および図５における水素貯蔵時および水素放出時の動作は、基本的には、水素吸蔵合金などによる水素の化学貯蔵と同じものである。
【００４０】
ここで、本化学蓄熱蓄水素装置１０の有用性が特に高まるのは、蓄熱・水素放出時および放熱・水素貯蔵時である。以下、蓄熱・水素放出時および放熱・水素貯蔵時の動作について説明する。
【００４１】
図６は、蓄熱・水素放出時の動作を示した図である。水素供給装置１２から水素供給管１３を通じて水素が供給されると、燃料電池１１は、この水素を使用して発電し、排熱が生じる。図２の蓄熱動作で説明したのと同様に、第２反応器１８に燃料電池１１の排熱が投入されると、第２反応器１８内の温度が上昇しようとするため、吸熱反応Ｂ＊が起こって水素が発生する。
【００４２】
このとき、第２反応器１８で発生する水素量以上に、本化学蓄熱蓄水素装置１０から第２連通管２２を通じて水素が取り出されると、反応器内の水素圧力が減少しようとするため、第１反応器１７では、水素圧力を保とうとして吸熱反応Ａが起こり、水素が発生する。すなわち、本動作では、第１反応器１７、第２反応器１８ともに水素を放出しつつ蓄熱が行われる。
【００４３】
図７は、放熱・水素貯蔵時の動作を示した図である。図７において、燃料電池１１は、基本的に停止しており、水素は全く使用されていない。このような場合、温熱利用部１６において温熱を利用すると、第２反応器１８内の温度が低下しようとするため、所定温度を保とうとして第２反応器１８では発熱反応Ｂが起こり、水素は吸収される。生じた熱は、第２熱交換器２１を介して回収され、この回収された熱により循環回路１４内の熱媒体流体が加熱される。加熱された熱媒体流体は、温熱利用部１６へ送られ、温熱利用に供される。
【００４４】
このとき、水素供給管１３より本化学蓄熱蓄水素装置１０に流入する水素量が、発熱反応Ｂにより吸収される水素量を上回ると、容器内の水素圧力が増加しようとするため、第１反応器１７では、水素圧力を保とうとして発熱反応Ａ＊が起こり、水素は吸収される。すなわち、本動作では、第１反応器１７、第２反応器１８ともに熱を放出しつつ水素が貯蔵される。
【００４５】
図６および図７を用いて説明したように、燃料電池の出力が大きいときには、水素の使用量は増加し、放出される排熱量は増加するので、蓄熱と水素の放出が同時にできる機能は非常に有用である。また、逆に、燃料電池の出力が小さいときには、水素の使用量は減少し、放出される排熱量は減少するので、放熱と水素の貯蔵が同時にできる機能は非常に有用である。またそのときの放熱は、温熱として利用することができる。
【００４６】
さらに、燃料電池における水素使用量に合わせて水素供給装置の出力を変更する必要がほとんどないため、水素供給装置を一定出力でもって運転させることができる。
【００４７】
なお、上記実施形態は本発明を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形・改良が可能なものである。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本実施形態に係る化学蓄熱蓄水素装置の概略構成を示した図である。
【図２】本実施形態に係る化学蓄熱蓄水素装置の蓄熱時の動作を示した図である。
【図３】本実施形態に係る化学蓄熱蓄水素装置の放熱時の動作を示した図である。
【図４】本実施形態に係る化学蓄熱蓄水素装置の水素貯蔵時の動作を示した図である。
【図５】本実施形態に係る化学蓄熱蓄水素装置の水素放出時の動作を示した図である。
【図６】本実施形態に係る化学蓄熱蓄水素装置の蓄熱・水素放出時の動作を示した図である。
【図７】本実施形態に係る化学蓄熱蓄水素装置の放熱・水素貯蔵時の動作を示した図である。
【符号の説明】
【００４９】
１０  化学蓄熱蓄水素装置
１１  燃料電池
１２  水素供給装置
１３  水素供給管
１４  循環回路
１５  熱交換器
１６  温熱利用部
１７  第１反応器
１８  第２反応器
１９  第１連通管
２０  第１熱交換器
２１  第２熱交換器
２２  第２連通管
【図１】
2005085598.tif 000003
【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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