(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水（Ｗ）を水素（Ｈ）と酸素（Ｏ）に電解して酸素貯蓄部（３３）および水素貯蓄部（３４）に蓄え、これらを燃料として発電する再生型燃料電池設備であって、
密閉された容器（３１）内の空間（Ｓ）を前記酸素貯蓄部（３３）に通じる酸素側空間（Ｓ’）と前記水素貯蓄部（３４）に通じる水素側空間（Ｓ”）とに縦割り状態に区画するイオン透過性の隔壁（３６）が形成され、
該隔壁（３６）のうち、水（Ｗ）を蓄える空間（Ｓ）下部には水（Ｗ）を水素（Ｈ）と酸素（Ｏ）に電解する複数の電解用単セル（３８）からなる電解セル（３９）が設けられ、酸素（Ｏ）および水素（Ｈ）蓄える空間（Ｓ）上部には酸素（Ｏ）と水素（Ｈ）を燃料として発電する複数の発電用単セル（４０）からなる発電セル（４１）が設けられ、
前記電解用単セル（３８）および発電用単セル（４０）は、酸素側空間（Ｓ’）側に面する陽極（Ａ）および水素側空間（Ｓ”）側に面する陰極（Ｃ）がそれぞれ前記隔壁（３６）に平面状に配置され、
発電セル（４１）を停止させた状態で電解セル（３９）に電力を供給して容器（３１）の酸素側空間（Ｓ’）および水素側空間（Ｓ”）内に蓄えられている水（Ｗ）をイオン透過性の隔壁（３６）を介して酸素（Ｏ）と水素（Ｈ）に電解し、
電解セル（３９）を停止させた状態で酸素側空間（Ｓ’）および水素側空間（Ｓ”）内の酸素（Ｏ）および水素（Ｈ）を発電セル（４１）に供給してイオン透過性の隔壁（３６）を介して電気化学的に反応させて電力を発生させる
ことを特徴とする再生型燃料電池設備。
【請求項２】
請求項１に記載の再生型燃料電池設備において、
前記各電解用単セル（３８）は、相互に並列に接続され、
前記各発電用単セル（４０）は、相互に直列に接続されていることを特徴とする再生型燃料電池設備。
【請求項３】
請求項１に記載の再生型燃料電池設備において、
前記酸素貯蓄部（３３）および前記水素貯蓄部（３４）には、
電解された酸素（Ｏ）と水素（Ｈ）に混入した水素（Ｈ）または酸素（Ｏ）を水（Ｗ）に戻す触媒反応器（４４、４５）と、
得られた酸素（Ｏ）と水素（Ｈ）を冷却しつつ発生した凝縮水（Ｗ’）を前記空間（Ｓ）内に戻す水蒸気凝縮器（４２、４３）と
がそれぞれ設けられていることを特徴とする再生型燃料電池設備。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、昼間は太陽エネルギーを利用して水を水素と酸素に電解して蓄え、夜間にはこれら水素と酸素を燃料電池に供給して電力を得る再生型燃料電池設備に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
再生型燃料電池設備は、水素と酸素が電気化学的に反応して直接電気を発生する原理を応用したものである。この燃料電池設備は、発電効率が高く、消費地に設置できるので送電損失がなく、限られたエネルギー資源の有効利用が図られると共に、大気汚染物質の排出が極めて少ないクリーンな発電設備である。
このため、地球上のみならず月面における発電設備としての利用も検討されており、実用化に向けて図４に示すような地上試験用の設備が提案されている。
【０００３】
図４に示すように、再生型燃料電池設備は、昼間に太陽エネルギーを利用して、水Ｗを水素Ｈと酸素Ｏに電解する水電解装置１と、得られた水素Ｈと酸素Ｏをそれぞれ蓄える酸素貯蓄部４および水素貯蓄部５と、夜間にこれら水素Ｈと酸素Ｏを燃料として発電する燃料電池装置２とからなっている。
【０００４】
水電解装置１は、太陽エネルギーを受けて電力を発生する太陽電池６と、該太陽電池６からの電力を受けて水Ｗを電解する電解槽７と、該電解槽７に供給する水Ｗを蓄える水タンク８と、該水タンク８の水Ｗを電解槽７に送る水ポンプ９と、該水ポンプ９を経た水Ｗに含まれるイオンの除去を行うイオン除去装置１０と、該イオン除去装置１０を経た水Ｗを所用温度まで加熱する純水加熱器１１とからなっている。
【０００５】
酸素貯蓄部４は、水電解装置１で得られた酸素Ｏを冷却し、これに含まれる水蒸気を冷却して凝縮水Ｗ’に戻す冷却器１２と、該冷却器１２によって分けられた凝縮水Ｗ’と酸素Ｏとを一時的に保管する気液分離器１３と、該気液分離器１３内の酸素Ｏを蓄える酸素タンク１４と、気液分離器１３内の凝縮水Ｗ’を水タンク８に戻す水ポンプ１５Ａとを具備している。
水素貯蓄部５は、水電解装置１で得られた水素Ｈを冷却し、これに含まれる水蒸気を冷却して凝縮水Ｗ’に戻す冷却器１６と、該冷却器１６によって分けられた凝縮水Ｗ’と水素Ｈとを一時的に保管する気液分離器１７と、該気液分離器１７内の水素Ｈを蓄える水素タンク１８と、気液分離器１７内の凝縮水Ｗ’を水タンク８に戻す水ポンプ１５Ｂとを具備している。符号ＲとＨは、それぞれ熱交換用のラジエータと高温機器を示している。
なお、水ポンプ１５Ａ、１５Ｂ等の運転に要される電力は、太陽電池６からの電力で賄われている。
【０００６】
前記燃料電池装置２には、酸素タンク１４および水素タンク１８のそれぞれに蓄えられた酸素Ｏと水素Ｈを電気化学的に反応させて電力を発生させる燃料電池１６が備えられており、酸素タンク１４および水素タンク１８から燃料電池１６に至る経路には、供給される酸素Ｏと水素Ｈを調整する、加湿器１９、２０、気液分離器２１、冷却器２２、２３、ブロワ２４、２５が設けられている。符号２６は、燃料電池１６で発電された電力の供給を受ける電力機器であり、また、符号Ｒは熱交換用のラジエータである。
【０００７】
上記の再生型燃料電池設備による発電は、以下のように行われる。
昼間において、電解槽７は、太陽電池６からの電力の供給を受け、この電力をもとに水Ｗを酸素Ｏと水素Ｈに電解する。この水Ｗは電解されることで消費されるが、消費された分、水タンク８からの供給を受ける。
すなわち、水ポンプ９を起動して水タンク８内に蓄えられている水Ｗを電解槽７に向かって送水し、イオン除去装置１０でイオンを除去し、純水加熱器１１で所用温度まで加熱した後、電解槽７へと供給される。
【０００８】
電解された酸素Ｏは、冷却器１２において冷却され、酸素Ｏに含まれている水蒸気は凝縮水Ｗ’となって酸素Ｏより分離される。そしてこれら酸素Ｏと凝縮水Ｗ’は、一時的に気液分離器１３に蓄えられる。酸素Ｏは酸素タンク１４に蓄えられ、また、凝縮水Ｗ’は水ポンプ１５Ａによって水タンク８へと戻される。
電解された水素Ｈは、冷却器１６において冷却され、水素Ｈに含まれている水蒸気は凝縮水Ｗ’となって水素Ｈより分離される。そしてこれら水素Ｈと凝縮水Ｗ’は、一時的に気液分離器１７に蓄えられる。水素Ｈは水素タンク１８に蓄えられ、また、凝縮水Ｗ’は水ポンプ１５Ｂによって水タンク８へと戻される。
以上の行程により、昼間に酸素Ｏと水素Ｈがそれぞれ酸素タンク１４、水素タンク１８に蓄えられる。
【０００９】
夜間においては、昼間に蓄えられた酸素Ｏと水素Ｈが酸素タンク１４、水素タンク１８から燃料電池１６へと供給される。すると、燃料電池１６において、水素Ｈと酸素Ｏが電気化学的に反応して電力を発生する。このようにして発電された電力は、電力機器２６へと供給される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記の再生型燃料電池設備は、下記のような問題を有していた。
すなわち、構成機器が多いので設備全体の重量が大きくなり、地球から月などの天体にこの設備を送る際に、その重量が問題となる。
また、同じく、構成機器が多い関係上、故障しやすくなるので信頼性が低い上に、宇宙では保守点検が困難であるという問題も有している。
また、昼間の電解行程において、水ポンプ１５Ａ、１５Ｂ等を運転するための電力も太陽電池６が賄う必要があるので、太陽電池６に要求される発電量が高くなる問題も有している。
【００１１】
本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであって、以下の目的を達成しようとするものである。
すなわち、簡素で軽量化が可能な再生型燃料電池設備の提供を目的とする。
また、本発明の別の目的は、高い自立性と信頼性を有する設備とすることも目的とする。
また、太陽電池に要求される発電量を抑えることも目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の再生型燃料電池設備は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
すなわち、再生型燃料電池設備は、水を水素と酸素に電解して酸素貯蓄部および水素貯蓄部に蓄え、これらを燃料として発電する再生型燃料電池設備であって、密閉された容器内の空間を前記酸素貯蓄部に通じる酸素側空間と前記水素貯蓄部に通じる水素側空間とに縦割り状態に区画するイオン透過性の隔壁が形成され、該隔壁のうち、水を蓄える空間下部には水を水素と酸素に電解する複数の電解用単セルからなる電解セルが設けられ、酸素および水素蓄える空間上部には酸素と水素を燃料として発電する複数の発電用単セルからなる発電セル（４１）が設けられ、前記電解用単セルおよび発電用単セルは、酸素側空間側に面する陽極および水素側空間側に面する陰極がそれぞれ前記隔壁に平面状に配置され、発電セル（４１）を停止させた状態で電解セル（３９）に電力を供給して容器（３１）の酸素側空間（Ｓ’）および水素側空間（Ｓ”）内に蓄えられている水（Ｗ）をイオン透過性の隔壁（３６）を介して酸素（Ｏ）と水素（Ｈ）に電解し、電解セル（３９）を停止させた状態で酸素側空間（Ｓ’）および水素側空間（Ｓ”）内の酸素（Ｏ）および水素（Ｈ）を発電セル（４１）に供給してイオン透過性の隔壁（３６）を介して電気化学的に反応させて電力を発生させることを特徴とする。
上記再生型燃料電池設備によれば、容器内の水は電解用単セルによって酸素と水素に電解され、それぞれ酸素貯蓄部と水素貯蓄部に蓄えられる。このとき、容器内の水は消費されてその水位が下降する。また、蓄えられた酸素と水素が容器内に戻されると、発電用単セルはこれらを燃料にして発電を行う。発電に使用された酸素と水素は水に戻り、重力によって再び電解用単セルの位置する空間下部へと戻される。その結果、電解用単セルが位置する空間下部の水位は上昇する。
【００１３】
上記再生型燃料電池設備によれば、電解用単セルと発電用単セルは、小さい容積を形成するように配置される。また、電解時において、電解用単セルの陽極が在する酸素側空間内には酸素が発生し、陰極が在する水素側空間内には水素が発生するが、隔壁によってこれら酸素と水素は隔たれ、混合しない。また、発電時においても、酸素貯蓄部から発電用単体セルの陽極に供給される酸素と、水素貯蓄部から陰極に供給される水素とは、隔壁によって隔たれ、混合しない。
【００１４】
この再生型燃料電池設備において、前記各電解用単セルは、相互に並列に接続され、前記各発電用単セルは、相互に直列に接続されている。
上記再生型燃料電池設備によれば、電解時において、各電解用単セルは、並列に接続されているので高い電力を得る。また、発電時において、各発電用単セルは、直列に接続されているので高い出力を発生させる。
【００１５】
この再生型燃料電池設備において、前記酸素貯蓄部および前記水素貯蓄部には、電解された酸素と水素に混入した水素または酸素を水に戻す触媒反応器と、得られた酸素と水素を冷却しつつ発生した凝縮水を前記空間内に戻す水蒸気凝縮器とがそれぞれ設けられている。
上記再生型燃料電池設備によれば、電解された酸素と水素に混入した水素または酸素は、触媒反応器で水に戻されて取り除かれ、また、含有される水蒸気は、水蒸気凝縮器で冷却されて凝縮水となり、取り除かれる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係わる再生型燃料電池設備の一実施形態を、図面を参照して説明する。
図１に示すように、本発明の再生型燃料電池設備には、水Ｗを蓄える空間Ｓを有する容器３１と、空間Ｓ下部に設けられて水Ｗを水素Ｈと酸素Ｏに電解する電解セル３９と、該電解セル３９に電力を供給する太陽電池３７と、得られた酸素Ｏと水素Ｈをそれぞれ蓄える酸素貯蓄部３３および水素貯蓄部３４と、空間Ｓ上部に設けられて酸素貯蓄部３３および水素貯蓄部３４からの酸素Ｏおよび水素Ｈを燃料として発電する発電セル４１とが具備されている。
【００１７】
図１に示すように、容器３１内の空間Ｓには、該空間Ｓを、酸素貯蓄部３３に通じる酸素側空間Ｓ’と水素貯蓄部３４に通じる水素側空間Ｓ”とに縦割り状態に区画するイオン透過性の隔壁３６が形成されている。この隔壁３６下部には電解セル３９が装着されている。図２に示すように、該電解セル３９は、陽極Ａと陰極Ｃを有する複数の電解用単セル３８が平面状に配置されたものである。各電解用単セル３８の陽極Ａおよび陰極Ｃは、それぞれ酸素側空間Ｓ’および水素側空間Ｓ”に面するように配置されている。そして、各電解用単セル３８は、相互に並列に接続されており、この状態で太陽電池３７に接続されることで電解装置３２を構成している。
【００１８】
隔壁３６上部には発電セル４１が装着されている。図３に示すように、該発電セル４１は、陽極Ａと陰極Ｃを有する複数の発電用単セル４０が平面状に配置されたものである。各発電用単セル４０の陽極Ａおよび陰極Ｃは、それぞれ酸素側空間Ｓ’および水素側空間Ｓ”に面するように配置されている。
そして、各発電用単セル４０は、相互に直列に接続されて発電装置３５を構成し、この状態で、電力の供給を受ける電力機器５０に接続されている。
【００１９】
図１に示すように、酸素貯蓄部３３および水素貯蓄部３４には、電解された酸素Ｏと水素Ｈに混入した水素Ｈまたは酸素Ｏを水Ｗに戻す触媒反応器４４、４５と、酸素Ｏと水素Ｈを冷却しつつ発生した凝縮水Ｗ’を空間Ｓ内に戻す水蒸気凝縮器４２、４３と、得られた酸素Ｏと水素Ｈを蓄える酸素タンク４６および水素タンク４７とが具備されている。
【００２０】
上記の再生型燃料電池設備による発電は、以下のように行われる。
昼間において、発電装置３５を停止させた状態で、太陽電池３７は太陽エネルギーを受け、各電解用単セル３８に電力を供給する。このとき、各電解用単セル３８は相互に並列に接続されているので、高い電力を受ける。この電力をもとに各電解用単セル３８は、容器３１の酸素側空間Ｓ’および水素側空間Ｓ”内に蓄えられている水Ｗを酸素Ｏと水素Ｈに電解する。
電解された酸素Ｏと水素Ｈは、それぞれ酸素側空間Ｓ’と水素側空間Ｓ”から触媒反応器４４、４５へと向かう。
【００２１】
酸素貯蓄部３３の触媒反応器４４において、酸素Ｏに水素Ｈがわずかに混入している場合には、この水素Ｈは対応する分量の酸素Ｏと反応して水Ｗに戻され、酸素側空間Ｓ’内へと流下する。同様に、水素貯蓄部３４の触媒反応器４５において、水素Ｈに酸素Ｏがわずかに混入している場合には、この酸素Ｏは対応する分量の水素Ｈと反応して水Ｗに戻され、水素側空間Ｓ”内へと流下する。
【００２２】
触媒反応器４４、４５を経た酸素Ｏと水素Ｈは、それぞれ酸素タンク４６と水素タンク４７に向かうが、その途中で水蒸気凝縮器４２、４３によって冷却される。このとき、酸素Ｏと水素Ｈに含まれる、電解時の反応熱による水蒸気は凝縮水Ｗ’に戻され、酸素側空間Ｓ’および水素側空間Ｓ”内へと流下する。
そして、水蒸気凝縮器４２、４３を経た酸素Ｏおよび水素Ｈは、それぞれ酸素タンク４６と水素タンク４７に蓄えられる。
【００２３】
夜間においては、水電解装置３２と水蒸気凝縮器４２、４３を停止させた状態で、昼間に酸素タンク４６および水素タンク４７に蓄えられた酸素Ｏおよび水素Ｈを、これらの気体圧力を利用して酸素側空間Ｓ’および水素側空間Ｓ”内へと供給する。
すると、発電セル４１に供給された酸素Ｏと水素Ｈは、各発電用単セル４０において電気化学的に反応して電力を発生する。このようにして発電された電力は、電力機器５０へと供給される。発電に使用された酸素Ｏと水素Ｈは再び水Ｗに戻り、電解セル３９が位置する空間Ｓ下部に蓄えられる。
【００２４】
以上のように、本発明の再生型燃料電池設備では、電解セル３９および発電セル４１が容器３１内に収納され、かつ、発電セル３９の下方に電解セル４１を配置する構成としたので、発電セル３９で生じた水Ｗは重力によって電解セル４１へと戻されるので、水Ｗの移動のための機器が不要となる。
したがって、従来設備で必要とされていた水ポンプ１５Ａ、１５Ｂ等の多数の機器が不要となり、構成機器を減らせるので、簡素で軽量な再生型燃料電池設備とすることができる。そして、同上の理由により、信頼性が高く、自立性の高い設備とすることも可能となる。そして、電解時に電力を必要とする機器を減らせるので、太陽電池３７に要求される発電量を大幅に抑えることも可能となる。
また、容器３１内の空間Ｓは、隔壁３６によって酸素側空間Ｓ’と水素側空間Ｓ”とに区画されるので、これら空間Ｓ’、Ｓ”の間で発生した酸素Ｏと水素Ｈが行き来して混在することが阻止される。そして、電解用単セル３８と発電用単セル４０は、それぞれ平面状に配置されるので、占有容積を小さく保つことができる。
また、各電解用単セル３８は、相互に並列に接続されているので高い電力を得ることができ、十分な電解を行うことができる。そして、各発電用単セル４０は、相互に直列に接続されているので高い出力を電力機器５０に与えることができる。
また、触媒反応器４４、４６および水蒸気凝縮器４２、４３を設けたことで、酸素Ｏおよび水素Ｈに含まれる水素Ｈおよび酸素Ｏと、さらには水蒸気も取り除けるので、純度の高い酸素Ｏと水素Ｈを得ることができる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、従来設備で必要とされていた水ポンプ等の多数の機器が不要となり、構成機器を減らせるので、簡素で軽量な再生型燃料電池設備とすることができる。そして、同上の理由により、信頼性が高く、自立性の高い設備とすることも可能となる。そして、電解時に電力を必要とする機器を減らせるので、太陽電池に要求される発電量を大幅に抑えることも可能となる。
また、容器内空間は、隔壁によって酸素側空間と水素側空間とに区画されるので、これら空間の間で発生した酸素と水素が行き来して混在することが阻止できる。そして、電解用単セルと発電用単セルは、それぞれ平面状に配置されるので、占有容積を小さく保つことができる。
また、各電解用単セルは、相互に並列に接続されているので高い電力を得ることができ、十分な電解を行うことができる。そして、各発電用単セルは、相互に直列に接続されているので高い出力を電力機器に与えることができる。
また、触媒反応器および水蒸気凝縮器を設けたことで、酸素および水素に含まれる水素および酸素と、さらには水蒸気も取り除けるので、純度の高い酸素と水素を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態を示す図であって、再生型燃料電池設備の構成図である。
【図２】  同再生型燃料電池設備の水電解装置の構成図である。
【図３】  同再生型燃料電池設備の発電装置の構成図である。
【図４】  従来の再生型燃料電池設備の構成図である。
【符号の説明】
３１・・・容器
３３・・・酸素貯蓄部
３４・・・水素貯蓄部
３６・・・隔壁
３８・・・電解用単セル
３９・・・電解セル
４０・・・発電用単セル
４１・・・発電セル
４２、４３・・・水蒸気凝縮器
４４、４５・・・触媒反応器
Ａ・・・陽極
Ｃ・・・陰極
Ｈ・・・水素
Ｏ・・・酸素
Ｓ・・・空間
Ｓ’・・・酸素側空間
Ｓ”・・・水素側空間
Ｗ・・・水
Ｗ’・・・凝縮水
【図１】
0004264993.tif 000002
【図２】
0004264993.tif 000003
【図３】
0004264993.tif 000004
【図４】
0004264993.tif 000005