(57)【要約】  再生型燃料電池システム（１００）は、水素貯蔵部（１１ａ）からの水素と、酸素貯蔵部（１１ｂ）からの酸素とを反応させて発電する燃料電池（１）と、燃料電池（１）から排出された水を電気分解して水素と酸素とを生成する水電解装置（７）と、水電解装置（７）で生成された水素と、水電解装置（７）で生成された水素に随伴する酸素とを反応させ、反応後に残留した水素を水素貯蔵部（１１ａ）へ戻す第１ガス反応装置（９ａ）（第１反応部）と、水電解装置（７）で生成された酸素と、水電解装置（７）で生成された酸素に随伴する水素とを反応させ、反応後に残留した酸素を酸素貯蔵部（１１ｂ）へ戻す第２ガス反応装置（９ｂ）（第２反応部）と、水電解装置（７）と水素貯蔵部（１１ａ）とを結ぶ配管に連設される第１弁（１３ａ）と、水電解装置（７）と酸素貯蔵部（１１ｂ）とを結ぶ配管に連設される第２弁（１４ａ）とを備える。
2018096713.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を貯蔵する水素貯蔵部と、
酸素を貯蔵する酸素貯蔵部と、
前記水素貯蔵部からの水素と、前記酸素貯蔵部からの酸素とを反応させて発電する燃料電池と、
前記燃料電池から排出された水を電気分解して水素と酸素とを生成する水電解装置と、
前記水電解装置で生成された水素と、前記水電解装置で生成された水素に随伴する酸素とを反応させ、反応後に残留した水素を前記水素貯蔵部へ戻す第１反応部と、
前記水電解装置で生成された酸素と、前記水電解装置で生成された酸素に随伴する水素とを反応させ、反応後に残留した酸素を前記酸素貯蔵部へ戻す第２反応部と、
前記水電解装置と前記水素貯蔵部とを結ぶ配管に連設される第１弁と、
前記水電解装置と前記酸素貯蔵部とを結ぶ配管に連設される第２弁と、
を備える再生型燃料電池システム。
【請求項２】
前記第１弁は、前記水電解装置が水素を生成している状態で、前記水電解装置で生成された水素を前記水素貯蔵部に戻すことが可能な圧力に調整する請求項１に記載の再生型燃料電池システム。
【請求項３】
前記第２弁は、前記水電解装置が酸素を生成している状態で、前記水電解装置で生成された酸素を前記酸素貯蔵部に戻すことが可能な圧力に調整する請求項１に記載の再生型燃料電池システム。
【請求項４】
前記第１反応部又は前記第２反応部は、水素と酸素とを反応させて水を生成する触媒である請求項１乃至３のいずれか１項に記載の再生型燃料電池システム。
【請求項５】
前記第１反応部で残留した水素を選択して透過させる第１透過層を備える請求項１乃至４のいずれか１項に記載の再生型燃料電池システム。
【請求項６】
前記第２反応部で残留した酸素を透過させ、酸素に随伴した水素を吸着する層を含む第２透過層を備える請求項１乃至５のいずれか１項に記載の再生型燃料電池システム。
【請求項７】
前記水電解装置で生成された水素と、前記水電解装置で生成された水素に混合されている水とを分離する第１気水分離器を備え、
前記第１反応部は、前記第１気水分離器の下流側に設置される、
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の再生型燃料電池システム。
【請求項８】
前記水電解装置で生成された酸素と、前記水電解装置で生成された酸素に混合されている水とを分離する第２気水分離器を備え、
前記第２反応部は、前記第２気水分離器の下流側に設置される、
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の再生型燃料電池システム。
【請求項９】
前記第１弁は、前記第１反応部と前記水素貯蔵部とを結ぶ配管に連設され、
前記第２弁は、前記第２反応部と前記酸素貯蔵部とを結ぶ配管に連設される、
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の再生型燃料電池システム。
【請求項１０】
前記水電解装置は、前記第１反応部又は前記第２反応部で生成された水を電気分解し、さらに水素と酸素とを生成する請求項１乃至９のいずれか１項に記載の再生型燃料電池システム。
【請求項１１】
外部から水を導入する導入口と、
前記導入口から導入された水を電気分解して水素と酸素とを生成する水電解装置と、
前記水電解装置で生成された水素と、前記水電解装置で生成された水素に随伴する酸素とを反応させて酸素を除去する第１反応部と、
前記第１反応部で残留した水素を外部に排出する第１排出口と、
前記水電解装置で生成された酸素と、前記水電解装置で生成された酸素に随伴する水素とを反応させて水素を除去する第２反応部と、
前記第２反応部で残留した酸素を外部に排出する第２排出口と、
前記水電解装置と前記第１排出口とを結ぶ配管に連設される第１弁と、
前記水電解装置と前記第２排出口とを結ぶ配管に連設される第２弁と、
を備える水電解システム。
【請求項１２】
前記第１弁は、前記水電解装置が水素を生成している状態で、前記水電解装置で生成された水素を昇圧させる請求項１１に記載の水電解システム。
【請求項１３】
前記第２弁は、前記水電解装置が酸素を生成している状態で、前記水電解装置で生成された酸素を昇圧させる請求項１１又は１２に記載の水電解システム。
【請求項１４】
前記第１反応部又は前記第２反応部は、水素と酸素とを反応させて水を生成する触媒である請求項１１乃至１３のいずれか１項に記載の水電解システム。
【請求項１５】
前記第１反応部で残留した水素を選択して透過させる第１透過層を備える請求項１１乃至１４のいずれか１項に記載の水電解システム。
【請求項１６】
前記第２反応部で残留した酸素を透過させ、酸素に随伴した水素を吸着する層を含む第２透過層を備える請求項１１乃至１５のいずれか１項に記載の水電解システム。
【請求項１７】
前記水電解装置で生成された水素と、前記水電解装置で生成された水素に混合されている水とを分離する第１気水分離器を備え、
前記第１反応部は、前記第１気水分離器の下流側に設置される、
請求項１１乃至１６のいずれか１項に記載の水電解システム。
【請求項１８】
前記水電解装置で生成された酸素と、前記水電解装置で生成された酸素に混合されている水とを分離する第２気水分離器を備え、
前記第２反応部は、前記第２気水分離器の下流側に設置される、
請求項１１乃至１７のいずれか１項に記載の水電解システム。
【請求項１９】
前記第１弁は、前記第１反応部と前記第１排出口とを結ぶ配管に連設され、
前記第２弁は、前記第２反応部と前記第２排出口とを結ぶ配管に連設される、
請求項１１乃至１８のいずれか１項に記載の水電解システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、再生型燃料電池システム及び水電解システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
再生型燃料電池システムは、例えば、水素と酸素とを用いて発電する燃料電池と、燃料電池から排出されたガスから水を回収して水素と酸素とを生成し、再度燃料電池での発電に利用させる水電解装置とを備える。このような再生型燃料電池システムは、充電可能であるとともに、副産物が水のみであることから、省エネ化や二酸化炭素の削減が可能であるため、宇宙空間や航空機等への適用が期待されている。【０００３】
特開平９−１３９２１７号公報（特許文献１）は、水電解装置で生成された水素を水素タンクに戻すために加圧する第１のコンプレッサと、水電解装置で生成された酸素を酸素タンクに戻すために加圧する第２のコンプレッサとを含むクローズド型燃料電池システムを開示している。しかし、これらのコンプレッサは、再生型燃料電池システムの小型化や軽量化の妨げとなるとともに、電力消費量が高いため、非効率である。そこで、一つの対処策として、水電解装置で生成される水素及び酸素を当該水電解装置内で直接高圧にすることで、コンプレッサを用いることなく、水素及び酸素をタンクに戻すことが考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−１３９２１７号公報
【発明の概要】
【０００５】
一般的な水電解装置は、高分子膜である電解質膜と、電解質膜の一方の側面に配置される酸素電極と、電解質膜の他方の側面に配置される水素電極とを備える。このような構成のもとで水電解装置内を高圧にすると、酸素電極側の酸素が電解質膜を透過して水素電極側に到達する、または、水素電極側の水素が電解質膜を透過して酸素電極側に到達するような、いわゆるクロスオーバー現象が生じるおそれがある。このクロスオーバー現象を放置したことによって、水素に随伴した酸素が水素タンクに混入したり、酸素に随伴した水素が酸素タンクに混入したりした場合、摩擦や金属接触等に起因した発火等が懸念され、安全上望ましくない。そこで、クロスオーバー現象の発生を抑えるために、例えば、水電解装置内の電解質膜の厚さを、コンプレッサを採用する場合よりも厚くすることが考えられる。しかし、電解質膜を厚くすると、膜抵抗が高くなるため、電解効率が低下する。
【０００６】
そこで、本開示は、安全性と効率性とを両立させるのに有利な再生型燃料電池システム及び水電解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】
【０００７】
本開示の一態様に係る再生型燃料電池システムは、水素を貯蔵する水素貯蔵部と、酸素を貯蔵する酸素貯蔵部と、水素貯蔵部からの水素と、酸素貯蔵部からの酸素とを反応させて発電する燃料電池と、燃料電池から排出された水を電気分解して水素と酸素とを生成する水電解装置と、水電解装置で生成された水素と、水電解装置で生成された水素に随伴する酸素とを反応させ、反応後に残留した水素を水素貯蔵部へ戻す第１反応部と、水電解装置で生成された酸素と、水電解装置で生成された酸素に随伴する水素とを反応させ、反応後に残留した酸素を酸素貯蔵部へ戻す第２反応部と、水電解装置と水素貯蔵部とを結ぶ配管に連設される第１弁と、水電解装置と酸素貯蔵部とを結ぶ配管に連設される第２弁と、を備える。【０００８】
また、本開示の一態様に係る水電解システムは、外部から水を導入する導入口と、導入口から導入された水を電気分解して水素と酸素とを生成する水電解装置と、水電解装置で生成された水素と、水電解装置で生成された水素に随伴する酸素とを反応させて酸素を除去する第１反応部と、第１反応部で残留した水素を外部に排出する第１排出口と、水電解装置で生成された酸素と、水電解装置で生成された酸素に随伴する水素とを反応させて水素を除去する第２反応部と、第２反応部で残留した酸素を外部に排出する第２排出口と、水電解装置と第１排出口とを結ぶ配管に連設される第１弁と、水電解装置と第２排出口とを結ぶ配管に連設される第２弁と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本開示の一実施形態に係る再生型燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本開示の一実施形態における第１気水分離器及び第１ガス反応装置の構成を示す図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、本開示の一実施形態における第２気水分離器及び第２ガス反応装置の構成を示す図である。
【図３】図３は、本開示の一実施形態に係る再生型燃料電池システムの作動原理を示す図である。
【図４】図４は、本開示の一実施形態に係る水電解システムの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本開示の各実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明に示す寸法、材料、その他、具体的な数値等は、例示にすぎず、特に断る場合を除き、本開示を限定するものではない。また、明細書及び図面において実質的に同一の機能及び構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００１１】
（再生型燃料電池システム）
まず、本開示の一実施形態に係る再生型燃料電池システムの構成について説明する。本実施形態に係る再生型燃料電池システムは、燃料電池が特に純水素と純酸素とを用いて発電するものを想定している。このような再生型燃料電池システムは、高空を飛行する航空機、海中を航行する潜水艦、宇宙ステーション等、大気から酸素を取り込むことができない環境や閉鎖空間などで、水分解により発生した酸素を貯蔵し燃料電池で発電することができる点で有利である。
【００１２】
図１は、本実施形態に係る再生型燃料電池システム１００の構成を示す概略図である。再生型燃料電池システム１００は、燃料電池ユニット２０と、水分解ユニット３０と、ガス貯蔵ユニット４０とを含む。
【００１３】
燃料電池ユニット２０は、燃料電池１と、気水分離器２と、循環ポンプ３と、水タンク４を含む。燃料電池１は、例えば固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）であり、純水素と純酸素とを用いた反応により発電する。なお、以下の説明では、純水素を単に水素と、純酸素を単に酸素と、それぞれ略記する。気水分離器２は、燃料電池１における反応後のガスを酸素と水とに分離する。循環ポンプ３は、気水分離器２で分離された酸素を燃料電池１の酸素入口側にリサイクルする。水タンク４は、気水分離器２で分離された水を一時的に貯留する。
【００１４】
水分解ユニット３０は、給水ポンプ５と、循環ポンプ６と、水電解装置７と、第１配管系３１と、第２配管系３２とを含む。
【００１５】
給水ポンプ５は、燃料電池ユニット２０内の水タンク４に貯留されている水を、循環ポンプ６を介して水電解装置７に供給する。循環ポンプ６は、給水ポンプ５や、第１配管系３１及び第２配管系３２から供給された水を、水電解装置７を通じて水分解ユニット３０内で循環させる。
【００１６】
水電解装置７は、導入された水を電気分解して、水素と酸素とを生成する。生成された水素及び酸素は、以下詳説する水素貯蔵用タンク１１ａ又は酸素貯蔵用タンク１１ｂに戻される。
【００１７】
第１配管系３１は、水電解装置７で生成された水素が導入される配管系である。第１配管系３１は、第１気水分離器８ａと、第１ガス反応装置９ａと、第１水タンク１０ａとを含む。ここで、水電解装置７で生成された水素には、水が混合されている。そこで、第１気水分離器８ａは、水電解装置７で生成された水素と、混合している水とを分離する。
【００１８】
また、水電解装置７で生成された水素には、混合されている水の他に、酸素が随伴していることも考えられる。ここで、「随伴する」とは、本来生成対象とされている主生成物に、本来生成対象とされていない物質が混ざり合っていることをいう。ここでの例では、主生成物が水素であり、本来生成対象とされていない物質が酸素である。そこで、第１気水分離器８ａで分離された水素は、第１気水分離器８ａの下流側に設置されている第１ガス反応装置９ａに供給される。第１ガス反応装置９ａは、水電解装置７で生成された水素と、当該水素に随伴している酸素とを反応させることで、水素に随伴している酸素を除去する。なお、ここでいう酸素が水素に随伴する原理、並びに、第１気水分離器８ａ及び第１ガス反応装置９ａの構成の詳細については後述する。そして、第１ガス反応装置９ａから排出された水素は、ガス貯蔵ユニット４０へ送られる。
【００１９】
第１水タンク１０ａは、第１気水分離器８ａ又は第１ガス反応装置９ａで生成された水を一時的に貯留する。
【００２０】
第２配管系３２は、水電解装置７で生成された酸素が導入される配管系である。第２配管系３２は、第２気水分離器８ｂと、第２ガス反応装置９ｂと、第２水タンク１０ｂとを含む。ここで、水電解装置７で生成された酸素には、水が混合されている。そこで、第２気水分離器８ｂは、水電解装置７で生成された酸素と、混合している水とを分離する。
【００２１】
また、水電解装置７で生成された酸素にも、混合されている水の他に、水素が随伴していることも考えられる。そこで、第２気水分離器８ｂで分離された酸素は、第２気水分離器８ｂの下流側に設置されている第２ガス反応装置９ｂに供給される。第２ガス反応装置９ｂは、水電解装置７で生成された酸素と、当該酸素に随伴している水素とを反応させることで、酸素に随伴している水素を除去する。なお、ここでいう水素が酸素に随伴する原理、並びに、第２気水分離器８ｂ及び第２ガス反応装置９ｂの構成の詳細についても後述する。そして、第２ガス反応装置９ｂから排出された酸素も、ガス貯蔵ユニット４０へ送られる。
【００２２】
第２水タンク１０ｂは、第２気水分離器８ｂ又は第２ガス反応装置９ｂで生成された水を一時的に貯留する。
【００２３】
ガス貯蔵ユニット４０は、水素貯蔵用タンク１１ａと、酸素貯蔵用タンク１１ｂと、水素配管系の２つの切替弁１３ａ，１３ｂ及び１つの調圧弁１５ａと、酸素配管系の２つの切替弁１４ａ，１４ｂ及び１つの調圧弁１５ｂとを含む。
【００２４】
水素貯蔵用タンク１１ａは、水素を貯蔵可能な水素貯蔵部であり、例えば、最高貯蔵圧を約２０〜３０ＭＰａとする圧力容器である。水素配管系の切替弁１３ａ，１３ｂは、それぞれ、第１ガス反応装置９ａと水素貯蔵用タンク１１ａとを結ぶ配管に設置され、遠隔操作可能な開閉弁である。水素配管系の調圧弁１５ａは、２つの切替弁１３ａ，１３ｂの間と、燃料電池１とを結ぶ配管に設置される圧力調整弁であり、遠隔操作可能であることが望ましい。
【００２５】
酸素貯蔵用タンク１１ｂは、酸素を貯蔵可能な酸素貯蔵部であり、例えば、最高貯蔵圧を約２０〜３０ＭＰａとする圧力容器である。酸素配管系の切替弁１４ａ，１４ｂは、それぞれ、第２ガス反応装置９ｂと酸素貯蔵用タンク１１ｂとを結ぶ配管に設置され、遠隔操作可能な開閉弁である。酸素配管系の調圧弁１５ｂは、２つの切替弁１４ａ，１４ｂの間と、燃料電池１とを結ぶ配管に設置される圧力調整弁であり、遠隔操作可能であることが望ましい。
【００２６】
ここで、切替弁１３ａを閉とし、切替弁１３ｂを開とし、調圧弁１５ａを適宜調整することで、水素貯蔵用タンク１１ａから燃料電池１へ水素が供給される。一方、調圧弁１５ａを閉とし、切替弁１３ａ及び切替弁１３ｂを共に開とすることで、第１ガス反応装置９ａから水素貯蔵用タンク１１ａへ水素が注入される。
【００２７】
同様に、切替弁１４ａを閉とし、切替弁１４ｂを開とし、調圧弁１５ｂを適宜調整することで、酸素貯蔵用タンク１１ｂから燃料電池１へ酸素が供給される。一方、調圧弁１５ｂを閉とし、切替弁１４ａ及び切替弁１４ｂを共に開とすることで、第２ガス反応装置９ｂから酸素貯蔵用タンク１１ｂへ酸素が注入される。
【００２８】
次に、水分解ユニット３０に含まれる各２つの気水分離器８ａ，８ｂ及びガス反応装置９ａ，９ｂについて詳説する。図２Ａは、第１配管系３１に含まれる第１気水分離器８ａ及び第１ガス反応装置９ａの構成を示す概略図である。図２Ｂは、第２配管系３２に含まれる第２気水分離器８ｂ及び第２ガス反応装置９ｂの構成を示す概略図である。以下、水電解装置７により生成された水素に、水が混合し、酸素が随伴したガスを、単に「水素混合ガス」と表記する。同様に、水電解装置７により生成された酸素に、水が混合し、水素が混合したガスを、単に「酸素混合ガス」と表記する。
【００２９】
第１気水分離器８ａは、図２Ａに示すように、水電解装置７により生成された水素混合ガスから、水素に混合されている水を、例えば遠心力により分離する。分離された水は、第１水タンク１０ａに送られ、一方、水が分離された水素混合ガスは、第１ガス反応装置９ａに送られる。
【００３０】
第１ガス反応装置９ａは、第１気水分離器８ａから供給された水素混合ガスから、さらに水素に随伴する酸素を分離する。第１ガス反応装置９ａは、図２Ａに示すように、第１触媒層５０と、第１透過層５１とを含む。第１触媒層５０は、水素と酸素とを反応させて水を生成することが可能な触媒で構成される第１反応部である。第１触媒層５０としては、例えば、プラチナの微粒子をアルミナやカーボン等の担体に担持させたプラチナ触媒を採用し得る。第１透過層５１は、水素を選択的に透過させやすい層であり、例えば、ガス不透過な高分子膜に電子線等の高エネルギー放射線による水素分子レベルの微細な穴をあけて、水素分子だけを選択的に透過させることを可能とした層である。この構成により、酸素を随伴する水素混合ガスは、第１触媒層５０において、水素と、随伴する酸素とが反応して水が生成される。ここで生成された水は、第１水タンク１０ａに送られ、再利用される。さらに、第１透過層５１は、第１触媒層５０を通過した水素混合ガスに未だ酸素が随伴し続けている場合には、その水素混合ガスから水素だけを透過させる。
【００３１】
第２気水分離器８ｂは、図２Ｂに示すように、水電解装置７により生成された酸素混合ガスから、酸素に混合されている水を、例えば遠心力により分離する。分離された水は、第２水タンク１０ｂに送られ、一方、水が分離された酸素混合ガスは、第２ガス反応装置９ｂに送られる。
【００３２】
第２ガス反応装置９ｂは、第２気水分離器８ｂから供給された酸素混合ガスから、さらに酸素に随伴する水素を分離する。第２ガス反応装置９ｂは、図２Ｂに示すように、第２触媒層６０と、第２透過層６１とを含む。第２触媒層６０は、第１触媒層５０と同様に、水素と酸素とを反応させて水を生成することが可能な触媒で構成される第２反応部である。第２触媒層６０としても、プラチナ触媒を採用し得る。第２透過層６１は、水素を吸着し、かつ、酸素を透過させやすい層であり、例えばゴアテックス（登録商標）のような防水性及びガス透過性を有する機能膜、又は、酸素の透過速度が他の気体よりも早い酸素富化膜などを採用した層である。この構成により、水素を随伴する酸素混合ガスは、第２触媒層６０において、酸素と、随伴する水素とが反応して水が生成される。ここで生成された水は、第２水タンク１０ｂに送られ、再利用される。さらに、第２透過層６１は、第２触媒層６０を通過した酸素混合ガスに未だ水素が随伴し続けている場合には、その酸素混合ガスから特に酸素を透過させる。
【００３３】
次に、再生型燃料電池システム１００の作動原理について説明する。図３は、燃料電池１と水電解装置７との関係を主とする再生型燃料電池システム１００の作動原理を示す概念図である。まず、本実施形態における燃料電池１は、固体高分子形燃料電池であると想定する。固体高分子形燃料電池は、イオン伝導性を有する高分子膜を電解質として用いる燃料電池である。すなわち、燃料電池１は、固体高分子膜である電解質膜７０と、燃料極としてのアノード７１と、酸素極としてのカソード７２とを含む。
【００３４】
アノード７１は、水素が供給され、式（１）の反応によって、プロトン（Ｈ＋）と電子（ｅ−）に分解する。
【００３５】
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−・・・（１）
プロトンは、電解質膜７０を通って、電子は、導線を通って、それぞれカソード７２に移動する。
【００３６】
カソード７２は、式（２）に示すように、電解質膜７０から来たプロトンと、導線から来た電子とが酸素と反応して、水を生成する。
【００３７】
４Ｈ＋＋Ｏ２＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ・・・（２）
ここで、電子を通す上記導線の部分を電力負荷７３とすることで、燃料電池１は、発電することができる。なお、本実施形態では、上記のとおり、燃料電池１は、純水素と純酸素とを用いる。したがって、燃料電池１では、式（１）及び式（２）により、純水素と純酸素とが反応して純水が生成されることになるので、再生型燃料電池システム１００は、この純水をリサイクルすることで、省エネ化や二酸化炭素の削減に寄与する。
【００３８】
一方、水電解装置７は、燃料電池１と類似した構成であり、固体高分子膜である電解質膜８０と、アノード８１と、カソード８２とを含む。ここで、水電解装置７では、アノード８１とカソード８２との間に、外部電源８３により電圧を印加することで、燃料電池１と逆の反応、すなわち、式（１）及び式（２）と逆の反応が生じ、水素と酸素とを生成させる。そして、水電解装置７が、燃料電池１で生成された水を用いて水素と酸素とを生成し、燃料電池１が、水電解装置７で生成された水素と酸素とを用いて発電する再生型燃料電池システム１００が構築される。
【００３９】
次に、再生型燃料電池システム１００の作用・効果について説明する。水素貯蔵用タンク１１ａ及び酸素貯蔵用タンク１１ｂは、それぞれ、例えば１〜３０ＭＰａの高圧で水素又は酸素を貯蔵する。したがって、水電解装置７で生成された水素及び酸素をそれぞれ水素貯蔵用タンク１１ａ又は酸素貯蔵用タンク１１ｂに戻すには、予め水素及び酸素を上記のような高圧にまで昇圧する必要がある。ここで、本実施形態では、水電解装置７で生成された水素及び酸素の圧力を以下のように調整する。
【００４０】
まず、昇圧のための第１構成例として、第１ガス反応装置９ａと水素貯蔵用タンク１１ａとを結ぶ配管に連設される第１弁を規定する。この第１弁としては、例えば、ガス貯蔵ユニット４０における切替弁１３ａを適用することができる。そして、水電解装置７で生成された水素を昇圧する際には、水電解装置７が水素を生成し排出している状態で、切替弁１３ａを閉とする。この状態において、切替弁１３ａよりも上流側の配管内では、水素が徐々に昇圧されていく。そこで、別途センサー等により水素の圧力を計測し、水素の圧力が水素貯蔵用タンク１１ａの圧力よりも高くなったときに切替弁１３ａを開とすれば、水電解装置７で生成された水素は、水素貯蔵用タンク１１ａに好適に導入され得る。
【００４１】
同様に、第２ガス反応装置９ｂと酸素貯蔵用タンク１１ｂとを結ぶ配管に連設される第２弁を規定する。この第２弁としても、例えば、ガス貯蔵ユニット４０における切替弁１４ａを適用することができ、上記の第１弁と同様に開閉することで、水電解装置７で生成された酸素は、酸素貯蔵用タンク１１ｂに好適に導入され得る。
【００４２】
ここで、第１弁及び第２弁として、ガス貯蔵ユニット４０に既に存在している切替弁１３ａ，１４ａを適用している。これにより、第１に、昇圧のためのみに用いられる弁を新たに設置する必要がないため、装置の小型化や経済性でも有利となる。第２に、切替弁１３ａ，１４ａが、それぞれ水素貯蔵用タンク１１ａ又は酸素貯蔵用タンク１１ｂに直近の配管に連設されているならば、水素貯蔵用タンク１１ａ又は酸素貯蔵用タンク１１ｂまでの間での圧力低下をより抑えられる点でも有利となる。なお、水素貯蔵用タンク１１ａ又は酸素貯蔵用タンク１１ｂに導入する水素及び酸素を簡易的に昇圧する点のみを重視する場合には、第１弁及び第２弁を設置する位置は、上記位置に限らない。すなわち、第１弁及び第２弁は、少なくとも、水電解装置７と、前記水素貯蔵用タンク１１ａ又は酸素貯蔵用タンク１１ｂとを結ぶ配管に連設されていればよい。
【００４３】
次に、昇圧のための第２構成例として、既に存在している切替弁１３ａ，１４ａに代えて、連設される配管内の１次圧を調整することが可能な背圧調整弁を採用し、これらの背圧調整弁を第１弁又は第２弁に適用することもあり得る。例えば第１弁について、別途センサー等により水素の圧力を計測し、水素の圧力が水素貯蔵用タンク１１ａの圧力よりも高くなったときに、背圧調整弁が水素を下流側に流すことで、一定の圧力の水素を水素貯蔵用タンク１１ａに導入させることができる。また、第２弁についても同様である。
【００４４】
なお、第１弁又は第２弁としての切替弁１３ａ，１４ａ又は背圧調整弁の開閉は、自動であっても手動であっても構わない。
【００４５】
したがって、再生型燃料電池システム１００は、従来このような昇圧に用いられていたコンプレッサやブースターポンプ等を用いることがないので、小型化や軽量化を実現することができる。
【００４６】
ここで、水電解装置７内で単に水素及び酸素の昇圧を行っただけでは、電解質膜８０を透過して、アノード８１側の酸素がカソード８２側に到達したり、カソード８２側の水素がアノード８１側に到達したりするクロスオーバー現象が生じるおそれがある。なお、図３では、クロスオーバー現象を白抜きの矢印で示している。このクロスオーバー現象が生じると、生成物として想定している水素に酸素が随伴したり、反対に、生成物として想定している酸素に水素が随伴したりする場合もあり得る。万が一、水素に随伴した酸素が水素貯蔵用タンク１１ａに混入したり、酸素に随伴した水素が酸素貯蔵用タンク１１ｂに混入したりすれば、摩擦や金属接触等に起因して発火等を引き起こすことも考えられる。
【００４７】
そこで、本実施形態では、水分解ユニット３０は、２つのガス反応装置９ａ，９ｂを備える。まず、第１ガス反応装置９ａは、万が一クロスオーバー現象が発生して水素に酸素が随伴している場合でも、第１触媒層５０により、水素と、水素に随伴している酸素とを反応させて水を生成させる。これにより、水素に随伴している酸素を除去する、又は当該酸素の量を減らすことができる。さらに、第１ガス反応装置９ａは、第１触媒層５０を通過した水素に未だ酸素が随伴し続けている場合でも、第１透過層５１により、水素だけを透過させることができる。したがって、第１ガス反応装置９ａによれば、水素に随伴している酸素が水素貯蔵用タンク１１ａに混入しても発火などを生じさせない十分に少ない量にまで、水素に随伴している酸素の量を抑えることができる。そして、随伴していた酸素が除去されて、残留した水素は、高圧状態のまま、水素貯蔵用タンク１１ａに戻される。
【００４８】
同様に、第２ガス反応装置９ｂは、万が一クロスオーバー現象が発生して酸素に水素が随伴している場合でも、第２触媒層６０により、酸素と、酸素に随伴している水素とを反応させて水を生成させる。これにより、酸素に随伴する水素を除去する、又は、当該水素の量を減らすことができる。さらに、第２ガス反応装置９ｂは、第２触媒層６０を通過した酸素に未だ水素が随伴し続けている場合でも、第２透過層６１により、酸素だけを透過させることができる。したがって、第２ガス反応装置９ｂによれば、酸素に随伴している水素が酸素貯蔵用タンク１１ｂに混入しても発火などを生じさせない十分に少ない量にまで、酸素に随伴している水素の量を抑えることができる。そして、随伴していた水素が除去されて、残留した酸素は、高圧状態のまま、酸素貯蔵用タンク１１ｂに戻される。
【００４９】
なお、クロスオーバー現象の発生を抑えるために、水電解装置７内の電解質膜８０の厚さＴを、コンプレッサ等を採用する場合よりも厚くすることが考えられる。しかし、電解質膜８０の厚さＴを厚くすると、膜抵抗が高くなるため、電解効率が低下するおそれがある。これに対して、本実施形態では、クロスオーバー現象が発生しても、上記のように２つのガス反応装置９ａ，９ｂが、随伴している酸素又は水素の除去を行うので、電解質膜８０の厚さＴを厚くする必要がなく、電解効率を低下させることがない。
【００５０】
ここで、第１及び第２反応部としては、上記のとおり、触媒を用いた第１触媒層５０及び第２触媒層６０を採用するが、同様に水素と酸素との反応により水を生成することが可能であれば、この構成に限らない。ただし、第１及び第２反応部として触媒を採用することは、電力等を要せず、小型かつ軽量で、また安価である点で有利である。
【００５１】
また、本実施形態では、第１触媒層５０及び第２触媒層６０を、それぞれ、第１気水分離器８ａ又は第２気水分離器８ｂの下流側に設置されるものとした。これにより、第１触媒層５０及び第２触媒層６０に供給される水素混合ガス又は酸素混合ガスは、すでに多くの水が分離されているので、第１触媒層５０及び第２触媒層６０は、より効率良く反応を促進させることができる。
【００５２】
また、本実施形態では、第１ガス反応装置９ａが、第１触媒層５０に加えて第１透過層５１を、また、第２ガス反応装置９ｂが、第２触媒層６０に加えて第２透過層６１を含むものとした。しかし、例えば、予め酸素又は水素の随伴する量が少ないことが既知であれば、第１透過層５１又は第２透過層６１を必ずしも設置する必要はない。
【００５３】
また、本実施形態では、第１触媒層５０及び第２触媒層６０で生成された水は、第１水タンク１０ａ又は第２水タンク１０ｂに送られた後、水電解装置７に送られて再利用される。したがって、再生型燃料電池システム１００の作動原理に合わせることができ、効率化を損なうことがない。
【００５４】
以上のように、本実施形態によれば、安全性と効率性とを両立させるのに有利な再生型燃料電池システムを提供することができる。
【００５５】
なお、上記説明では、第１気水分離器８ａ及び第２気水分離器８ｂは、遠心力により各混合ガスから水を分離する遠心分離器であるものとした。しかし、本開示はこれに限られず、混合ガスから水を分離することが可能である方式であれば、適宜採用可能である。
【００５６】
（水電解システム）
次に、本開示の一実施形態に係る水電解システムについて説明する。本実施形態に係る水電解システムは、上記の再生型燃料電池システム１００の一構成要素として用いられ得る水分解ユニット３０に相当する。ただし、再生型燃料電池システム１００では、水電解装置７で生成された水素を昇圧するための第１弁の一例として、水分解ユニット３０とは別ユニットであるガス貯蔵ユニット４０内の切替弁１３ａを採用した。同様に、再生型燃料電池システム１００では、水電解装置７で生成された酸素を昇圧するための第２弁の一例として、ガス貯蔵ユニット４０内の切替弁１４ａを採用した。これに対して、本実施形態に係る水電解システムは、それ自身の構成のみで安全性と効率性とを両立させるのに有利となるように、第１弁及び第２弁を内部に含む。
【００５７】
図４は、本実施形態に係る水電解システム２００の構成を示す概略図である。上記のとおり、水電解システム２００の基本構成は、水分解ユニット３０と同様である。そこで、水電解システム２００において、水分解ユニット３０と同一構成には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００５８】
水電解システム２００は、基本的に１種の流体導入口と２種の流体排出口とを有する。まず、流体導入口として、水電解システム２００は、給水ポンプ５の上流側に位置し、外部から水を導入する導入口９０を有する。給水ポンプ５の作動により導入口９０を介して外部から水が導入され、導入された水は、循環ポンプ６へと導かれる。次に、第１の流体排出口として、水電解システム２００は、第１ガス反応装置９ａの下流側に位置し、水電解装置７で生成され、かつ、第１ガス反応装置９ａにて随伴する酸素が分離されて、最終的に残留した水素を外部に排出する第１排出口９１を有する。さらに、第２の流体排出口として、水電解システム２００は、第２ガス反応装置９ｂの下流側に位置し、水電解装置７で生成され、かつ、第２ガス反応装置９ｂにて随伴する水素が分離されて、最終的に残留した酸素を外部に排出する第２排出口９２を有する。
【００５９】
また、水電解システム２００も、再生型燃料電池システム１００における第１弁又は第２弁と同様の機能を有する第１弁及び第２弁を備える。ただし、水電解システム２００における第１弁９３は、水電解装置７と第１排出口９１とを結ぶ配管に連設される。特に第１排出口９１から排出された水素が、再生型燃料電池システム１００における水素貯蔵用タンク１１ａに戻されるような場合には、第１弁９３は、上記と同様の理由で、水素貯蔵用タンク１１ａに近い位置に設置されることが望ましい。すなわち、第１弁９３は、第１ガス反応装置９ａ、具体的にはその内部の第１触媒層５０と、第１排出口９１とを結ぶ配管に連設されることが望ましい。同様に、水電解システム２００における第２弁９４は、水電解装置７と第２排出口９２とを結ぶ配管に連設される。特に第２排出口９２から排出された酸素が、再生型燃料電池システム１００での酸素貯蔵用タンク１１ｂに戻されるような場合には、第２弁９４も、酸素貯蔵用タンク１１ｂに近い位置に設置されることが望ましい。すなわち、第２弁９４は、第２ガス反応装置９ｂ、具体的にはその内部の第２触媒層６０と、第２排出口９２とを結ぶ配管に連設されることが望ましい。
【００６０】
本実施形態によれば、第１排出口９１から排出させる水素には、随伴している酸素の量が少なく、同様に、第２排出口９２から排出させる酸素には、随伴している水素の量が少ないので、水電解システム２００は、安全性を確保できる。また、水電解システム２００は、その内部のみで、第１排出口９１から排出させる水素、及び、第２排出口９２から排出させる酸素を昇圧することを可能としつつ、水電解装置７での電解効率の低下を抑えることができる。このように、水電解システム２００単体としても、安全性と効率性とを両立させるのに有利となる。さらに、このような水電解システム２００を既存の再生型燃料電池システムに適用することで、その他のユニット部分の改造を抑え、容易に安全性と効率性とを両立させるのに有利な再生型燃料電池システムを構築することができる。
【００６１】
このように、本開示は、ここでは記載していない様々な実施の形態などを含むことは勿論である。したがって、本開示の技術的範囲は、上述の説明から妥当な特許請求の範囲に係る事項によってのみ定められる。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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