電力貯蔵システム及びその運用方法
【課題】発電時と電解時との間で熱をより有効に利用できるようにすると共に、電力の貯蔵効率を向上させることができ、電解と発電の切り替えによる固体酸化物電解質の破損の虞が少ない電力貯蔵システム及びその運用方法を提供する。
【解決手段】固体酸化物電解質１５を有して水蒸気電解セルと発電セルとを兼用する電解兼発電セル２と、電解兼発電セル２に燃料ガス及び空気をそれぞれ供給するガス供給手段３と、電解兼発電セル２に水蒸気を供給する水蒸気供給手段と、電解兼発電セル２より排出される排ガスと電解兼発電セル２に供給される燃料ガス及び空気とそれぞれ熱交換を行う第１再熱熱交換器、第２再熱熱交換器を備えるもので、電解兼発電セル２の内部温度を、内部に熱媒体を流通させて所定温度に制御する温度制御系１１を備えている。
【解決手段】固体酸化物電解質１５を有して水蒸気電解セルと発電セルとを兼用する電解兼発電セル２と、電解兼発電セル２に燃料ガス及び空気をそれぞれ供給するガス供給手段３と、電解兼発電セル２に水蒸気を供給する水蒸気供給手段と、電解兼発電セル２より排出される排ガスと電解兼発電セル２に供給される燃料ガス及び空気とそれぞれ熱交換を行う第１再熱熱交換器、第２再熱熱交換器を備えるもので、電解兼発電セル２の内部温度を、内部に熱媒体を流通させて所定温度に制御する温度制御系１１を備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物電解質を有して水蒸気電解セルと発電セルとを兼用する電解兼発電手段を備えた電力貯蔵システム及びその運用方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
昼間と夜間の電力消費の差が著しい場合や電力系統に風の状況により発電能力が変化する風力発電所が多数設けられている場合には、発電設備の有効利用のために夜間電力等の余剰電力を貯蔵し、電力需要がピークとなる昼間等に放電してピーク負荷に対応することが必要となっている。そして余剰電力を貯蔵する電力貯蔵装置の代表的なものとして、大型発電設備としては応答性のよい揚水発電所がある。揚水発電所は、夜間の余剰電力で水をダムにポンプアップし、昼間にダムにポンプアップした水で発電してピーク負荷に対応する。
【０００３】
また、比較的大規模なものとして、水素を用いた電力貯蔵装置がある（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。これは、固体酸化物燃料電池が酸素と水素を加えて発電することもできるが、逆反応として、水蒸気を加えて電圧をかけ電解して酸素と水素を得ることができることに基づいており、余剰電力で水蒸気を電解し水素を製造して電力の貯蔵を行ない、電力が必要な時に、製造した水素を利用して発電するものである。
【０００４】
特許文献１のものは、固体酸化物電解質を有し水蒸気電解セルと燃料電池とを兼用する電解兼発電手段と、電解兼発電手段で発生する水素及び酸素の貯蔵手段と、電解兼発電手段の排熱を吸収する熱交換手段と、熱交換手段で得た熱を用いる暖房用熱水供給手段及び冷房用冷水供給手段を備え、主に発電時に発生した熱を冷暖房に使うシステムとなっている。また、特許文献２のものは、固体酸化物燃料電池に供給される酸素及び水素／水蒸気の流路が、発電時と電解時で同じとなっている。
【０００５】
他に、水蒸気電解及び固体燃料電池の可逆運転可能な固体電解質セルを発電プラントに併設した電力貯蔵システムで、余剰電力により水素を製造して電力貯蔵を行う際に水蒸気電解に必要な熱の一部に発電プラント側の主蒸気を用い、発電時には固体電解質セルからの余剰熱で発電プラント側の主蒸気の過熱に用い、熱エネルギを有効利用するようにしたものがある（例えば、特許文献３参照）。さらに、固体電解質を用いた蓄発電装置で、水素と酸素とを発熱反応させ、発生した熱エネルギで加熱した水を電気分解に供される水として発電を行う反応セルに供給することで、水の電気分解効率を上げるようにしたものがある（例えば、特許文献４参照）。
【０００６】
しかし、発電時に発生した熱の有効利用と、電解時に必要とされる熱の有効取得についてはより有効なものが求められ、発電時の発生熱を利用する場合については、供給と利用の調和を図り、熱を有効に利用することが求められている。また、固体酸化物燃料電池は、メタンを燃料とした燃料電池に比較して電力の貯蔵効率が低いため、これを向上させることが課題であり、さらに、固体酸化物電解質はセラミックスであることから、電解と発電の切り替えにより急激な温度変化が発生した場合には、固体酸化物電解質が破損する虞がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３２５３９８５号公報
【特許文献２】特許第３１０５６６８号公報
【特許文献３】特開２００１−１６０４０４号公報
【特許文献４】特開２００１−３３２２７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記のような状況に鑑みて本発明はなされたもので、その目的とするところは、発電時と電解時との間で熱をより有効に利用できるようにすると共に、電力の貯蔵効率を向上させることができ、電解と発電の切り替えによる固体酸化物電解質の破損の虞が少ない電力貯蔵システム及びその運用方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明は上記目的を達成するもので、電力貯蔵システムは、固体酸化物電解質を有して水蒸気電解セルと発電セルとを兼用する電解兼発電手段と、前記電解兼発電手段に水素と水蒸気からなる燃料ガス及び空気をそれぞれ供給するガス供給手段と、前記電解兼発電手段に水蒸気を供給する水蒸気供給手段と、前記電解兼発電手段より排出される排ガスと前記電解兼発電手段に供給される前記燃料ガス及び前記空気とそれぞれ熱交換を行う熱交換手段を備える電力貯蔵システムであって、前記電解兼発電手段の内部温度を、該電解兼発電手段の内部に熱媒体を流通させて所定温度に制御する温度制御系を備えていることを特徴とするものである。
【００１０】
また、電力貯蔵システムの運用方法は、固体酸化物電解質を有して水蒸気電解セルと発電セルとを兼用する電解兼発電手段と、前記電解兼発電手段に水素と水蒸気からなる燃料ガス及び空気をそれぞれ供給するガス供給手段と、前記電解兼発電手段に水蒸気を供給する水蒸気供給手段と、前記電解兼発電手段より排出される排ガスと前記電解兼発電手段に供給される前記燃料ガス及び前記空気とそれぞれ熱交換を行う熱交換手段と、前記電解兼発電手段の内部温度を所定温度に制御する温度制御系を備える電力貯蔵システムの運用方法であって、前記電解兼発電手段を電解セルとして運転する電解モード運転時は、前記電解兼発電手段の前記固体酸化物電解質の温度を、発電セルとして運転する発電モード運転時よりも低温度にして運用することを特徴とする方法である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、発電時と電解時との間で熱をより有効に利用することができ、また電力の貯蔵効率が向上したものとなり、電解と発電の切り替えによって電解兼発電手段の固体酸化物電解質が破損してしまう虞が少ない等の効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る電力貯蔵システムを示す構成図である。
【図２】本発明の第１の実施形態における電解発電兼用装置の要部の概略構成を示す斜視図である。
【図３】本発明の第２の実施形態における温度制御系の概略構成を示す図である。
【図４】本発明の第３の実施形態における温度制御系の概略構成を示す図である。
【図５】本発明の第３の実施形態における温度制御系の変形形態の概略構成を示す図である。
【図６】本発明の第４の実施形態における温度制御系の概略構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００１４】
先ず第１の実施形態を図１及び図２により説明する。図１は電力貯蔵システムを示す構成図であり、図２は電解発電兼用装置の要部の概略構成を示す斜視図である。
【００１５】
図１及び図２において、電力貯蔵システム１は、水蒸気電解セルと発電セルとを兼用する電解兼発電手段である固体酸化物電解質を有してなる電解兼発電セル２を備えて構成されており、電解兼発電セル２は、供給された水素と水蒸気の燃料ガスと空気によって固体酸化物電解質燃料電池として発電し電力の供給を行い、また余剰電力と水蒸気が供給されることで水蒸気電解により水素と酸素を発生し、これらを貯蔵することで電力貯蔵を行う。
【００１６】
電力貯蔵システム１には、電解兼発電セル２に水素、水蒸気の燃料ガス及び空気をそれぞれ供給するガス供給手段３として水素貯蔵タンク４、そして電解兼発電セル２の水素極側に熱交換手段の第１再生熱交換器５、凝縮器６が設けられており、酸素極側に空気供給源７と熱交換手段の第２再生熱交換器８が設けられている。さらに電力貯蔵システム１には、発電をする際に電解兼発電セル２に発生する熱を蓄熱し、電力貯蔵を行う際に水供給源９からの水を加熱する蓄熱手段の蓄熱器１０が設けられている。なお、酸素極側には、図示しないが、水蒸気電解の際には酸素を貯蔵する酸素貯蔵タンクが設けられており、発電の際に、必要に応じ酸素を電解兼発電セル２に供給し得るようになっている。
【００１７】
また、水供給源９からの水を加熱する蓄熱器１０と電解兼発電セル２との間には、電解兼発電セル２の内部を所定温度にするため温度制御系１１が形成されている。温度制御系１１は、例えば封入されているガス状熱媒体であるＮ２、ＣＯ２、Ｈｅ等の熱媒体が電解兼発電セル２の内部を貫流し、さらに蓄熱器１０を貫流する媒体流路１２を備える媒体流通ループ１３を形成するようにして構成されている。そして媒体流路１２には、循環用ファン１４が挿入されており、この循環用ファン１４により熱媒体が媒体流路１２を流通し、媒体流通ループ１３を循環するようになっている。
【００１８】
また、電力貯蔵システム１の主部を構成する電解兼発電セル２は、例えば安定化ジルコニア等のセラミックスでなる固体酸化物電解質１５の両面に、例えば白金等による多孔質電極１６，１７が配置され、さらに多孔質電極１６，１７の他面側に、導電性を有するエンドプレート１８，１９、または同じく導電性を有するセパレータ板２０が配置されたものを単位セルとし、この単位セルを例えば複数積層することによって構成されている。そして、電解兼発電セル２における電流Ａは単位セルの積層方向に流れるようになっている。
【００１９】
さらに、エンドプレート１８，１９とセパレータ板２０には、燃料ガスと空気が直交する方向に流通するよう燃料ガス流路２１、空気流路２２が削設されていると共に、媒体流通ループ１３の媒体流路１２を形成する同方向に貫通する複数の流路管２３がワンスルーの形態をなすように設けられている。なお、１本の流路管２３をセパレータ板１８，１９，２０に蛇行するように配置し、全体をカバーするようにしてもよい。この場合、流路管２３の端部は、入口と出口の２ヶ所だけとなる。
【００２０】
そして、上記のように構成された電力貯蔵システム１では、電解兼発電セル２を発電セルとして発電を行う発電モード時には、図１に実線矢印で示すように、燃料ガスである水素と水蒸気の混合ガスが、電解兼発電セル２の水素極側に水素貯蔵タンク４、凝縮器６から第１再熱交換器５を介して供給される。また、図１に１点鎖線矢印で示すように、空気が酸素極側に空気供給源７から第２再熱交換器８を介して供給される。なお、２４，２５は燃料ガス、空気の流量を制御するよう供給路に挿入されたブロアである。
【００２１】
電解兼発電セル２に供給された燃料ガスは燃料ガス流路２１を流通し、空気は空気流路２２を流通して発電を行う。発電は発熱反応であるために高温となっている発電後の燃料ガスと空気の各排ガスは、それぞれ第１再熱交換器５、第２再熱交換器８を流通し、水素極側、酸素極側に供給される燃料ガス、空気と熱交換を行う。これにより、燃料ガス、空気は加熱された状態で電解兼発電セル２に供給され、排ガスの持つ熱が有効利用される。また、発電後の燃料ガスの排ガスは、水素と水蒸気の混合ガスとなっており、第１再熱交換器５を流通した後、凝縮器６に流入し、凝縮器６で凝縮、気水分離が行われて水と水素が排出される。分離された水素は、再び電解兼発電セル２に燃料ガスとして供給される。
【００２２】
一方、発電により生じた電解兼発電セル２の熱は、温度制御系１１を構成する媒体流通ループ１３の媒体流路１２を循環用ファン１４により流れる熱媒体を加熱することによって、電解兼発電セル２の外部に取り出され、蓄熱器１０を加熱する。また、循環用ファン１４の回転を制御することで熱媒体の流量が制御でき、外部への熱の排出量が調節できるようになっている。このように温度制御系１１により電解兼発電セル２の内部の熱は除去され、セル内温度を適正値にし、維持することができ、固体酸化物電解質１５等の過熱を回避することができる。なお、蓄熱器１０の蓄熱温度を所定温度、例えば約８００℃としている場合に、媒体流通ループ１３を使っての昇温だけでは不足する時には、図示しない加熱用のガス燃焼手段を設けるようにしてもよい。
【００２３】
また、電解兼発電セル２を水蒸気電解セルとして水蒸気電解を行う電解モード時には、図１に破線矢印で示すように、電解兼発電セル２の水素極側に水供給源９から水が、蓄熱器１０、第１再熱交換器５を介して供給される。また、図１に１点鎖線矢印で示すように、空気が酸素極側に空気供給源７から第２再熱交換器８を介して供給される。なお、水供給源９から供給される水は、ブロア２６により流量が制御できるようになっている。
【００２４】
電解兼発電セル２に供給される水は、蓄熱器１０、第１再熱交換器５を流通する間に加熱され、水蒸気となって水素極側に供給される。水素極側に供給される水蒸気量は、第１再熱交換器５と電解兼発電セル２の水素極側との間に挿入されている調節弁２７で適正値に調節できるようになっている。そして、電解兼発電セル２に供給された水蒸気は燃料ガス流路２１を流通し、空気は空気流路２２を流通し、外部からの余剰電力が電解兼発電セル２に供給され、電流を流すことにより水蒸気電解が行なわれ、水素と酸素が発生する。
【００２５】
この水蒸気電解により発生した水素は、電解兼発電セル２の水素極側から排出され、第１再熱交換器５を流れて凝縮器６に流入し、凝縮器６で凝縮、気水分離が行われて水と水素が排出される。分離された水素は、水素貯蔵タンク４にポンプ等で圧縮するようにして貯蔵される。水蒸気電解で発生した酸素は、電解兼発電セル２の酸素極側から排出され、第２再熱交換器８を流れて、不図示の酸素貯蔵タンク等に貯蔵される。
【００２６】
このように外部からの余剰電力によって水蒸気を電気分解し、水素と酸素を発生させ、それぞれ貯蔵等することで、余剰電力の貯蔵、すなわち蓄電がなされる。なお、水素は貯蔵して発電の際に燃料ガスとして用いるが、酸素のついては電解兼発電セル２の酸素極側に空気を供給して発電している場合は発電に用いなくてもよく、酸素貯蔵タンクを設けなくてもよい。
【００２７】
また、蓄電を行う水蒸気電解は吸熱反応であるため、電解兼発電セル２の外部より熱の供給が必要となる。このため、反応に必要となる熱は、蓄熱器１０に蓄えられた熱を媒体流通ループ１３の媒体流路１２に熱媒体を、流量を調節しながら流すようにして電解兼発電セル２内に送り込まれ、内部温度が所要とする温度に保たれ吸熱反応が維持される。
【００２８】
このとき、媒体流通ループ１３の熱媒体の流量を調節し、電解兼発電セル２の固体酸化物電解質１５を発電モード時における温度より低い温度にて運用する。これにより、蓄電と発電におけるエネルギーロスを小さなものとすることができる。また電解兼発電セル２の水素極側と第１再熱交換器５の間に挿入された調節弁２７により流入する水蒸気の量を調節し、電解モード時における水蒸気濃度を発電モード時の水蒸気濃度より高くして運用することで、蓄電と発電におけるエネルギーロスを小さなものとすることができる。
【００２９】
以上の通り、本実施形態によれば、発電モード時に電解兼発電セル２で発生する熱は、媒体流通ループ１３により外部に送出され、固体酸化物電解質１５等を所定の適正温度とすることができると共に、送出された熱は蓄熱器１０に蓄えられ、蓄電を行う電解モード時には水蒸気電解の吸熱反応に必要な熱が、蓄熱器１０から媒体流通ループ１３によって電解兼発電セル２内に送り込まれ、水蒸気電解が維持され、また水蒸気の生成にも供され、発電モード時と電解モード時の調和を図るようにして熱を有効に利用することができる。また、蓄電と発電を行う際のエネルギーロスも小さくすることができることから電力貯蔵の効率を向上させることができる。さらに、固体酸化物電解質１５を所定の適正温度とし、発電モードと電解モードの切り替えに伴う急激な温度変化が防止でき、破損する虞を低減することができる。
【実施例２】
【００３０】
次に第２の実施形態を図３により説明する。図３は温度制御系の概略構成を示す図である。なお、本実施形態は、第１の実施形態と温度制御系が異なるのみであるので、第１の実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、第１の実施形態と異なる本実施形態の構成について説明する。
【００３１】
図３において、温度制御系の構成のみが第１の実施形態の構成と異なる本実施形態の電力貯蔵システムは、その電解兼発電セル２が、燃料ガスと空気を供給し発電セルとして動作させることで発電し電力の供給を行い、また余剰電力と水蒸気を供給し水蒸気電解セルとして動作させ発生した水素を貯蔵することで余剰電力の貯蔵を行う。そして、この電力貯蔵システムには、電解兼発電セル２の内部温度が所定温度となるようにするための温度制御系３０が設けられている。
【００３２】
温度制御系３０は、電解兼発電セル２外に設けられ、発電する際の発生熱を蓄熱すると共に電力貯蔵を行う際に供給された水を加熱し水蒸気を発生させる蓄熱手段である蓄熱器１０と電解兼発電セル２の間に媒体流通ループ３１を形成するようにして構成されている。媒体流通ループ３１は、封入された熱媒体が電解兼発電セル２の内部を貫流し、蓄熱器１０を貫流するようにして媒体流通ループ３１を循環する媒体流路１２を備えている。
【００３３】
また、蓄熱器１０は、位置移動手段である昇降装置３２の載置部３３の上に設置されている。載置部３３は、例えば図示しない油圧リフト等の昇降駆動機構により、図３に両矢印Ｙで示すように垂直方向に昇降可能となっている。そして、蓄熱器１０は、載置部３３を上昇させて上位置点に位置させることで、電解兼発電セル２の設置位置よりも上方となるに位置し、また載置部３３を下降させて下位置点に位置させることで、電解兼発電セル２の設置位置よりも下方となるに位置するようになっている。
【００３４】
このため、発電モード時に、昇降装置３２の載置部３３を上昇させ上位置点に位置させることで、蓄熱器１０は電解兼発電セル２よりも上方に位置することになる。これにより、発電を行っている電解兼発電セル２の内部温度は高温度となり、媒体流通ループ３１を循環するように封入されている熱媒体も加熱され、低温度である蓄熱器１０との間で自然対流が起こり、高温度となっている熱媒体は媒体流路１２を上昇するように流れ、より低温度である蓄熱器１０に熱を運搬する。これにより蓄熱器１０の温度が上昇して、発電に伴う電解兼発電セル２の熱が蓄熱器１０に蓄えられる。
【００３５】
一方、電解モード時に、昇降装置３２の載置部３３を下降させ下位置点に位置させることで、蓄熱器１０は電解兼発電セル２よりも下方に位置することになる。これにより、水蒸気電解を行っている電解兼発電セル２の内部温度は低温度となり、媒体流通ループ３１に封入されている熱媒体は、電解兼発電セル２内で低温度となり、逆に蓄熱器１０で加熱されて高温度となり、自然対流を起こして媒体流路１２を循環するように流れ、より低温度である電解兼発電セル２に蓄熱器１０の熱を運搬する。この熱運搬で電解兼発電セル２の温度が上昇し、さらに継続して熱運搬がなされることで、吸熱反応である水蒸気電解が進行し、水素が生成されて余剰電力の蓄電が行なわれる。
【００３６】
そして、上記のように構成することで、電力貯蔵システムの発電モード時、電解モード時における動作は、温度制御系３０の動作が異なるだけで、第１の実施形態と同様に行なわれる。そのため、第１の実施形態と同様の効果が得られると共に、温度制御系３０における熱媒体の循環に、高温度で使用できる循環用ファンを必要とせず、コスト上昇を避けることができ、メンテナンス等が容易となる。
【００３７】
なお、媒体流通ループ３１の媒体流路１２に、熱媒体の自然対流に基づく循環を補助する、例えば水冷式駆動部で駆動する循環補助用ファンを設けるようにしてもよい。
【実施例３】
【００３８】
次に第３の実施形態を図４及び図５により説明する。図４は温度制御系の概略構成を示す図であり、図５は変形形態における温度制御系の概略構成を示す図である。なお、本実施形態は、上記の各実施形態と温度制御系が異なるのみであるので、各実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、各実施形態と異なる本実施形態の構成について説明する。
【００３９】
図４において、温度制御系の構成のみが第１の実施形態の構成と異なる本実施形態の電力貯蔵システムは、その電解兼発電セル２が、燃料ガスと空気を供給し発電セルとして動作させることで発電し電力の供給を行い、また余剰電力と水蒸気を供給し水蒸気電解セルとして動作させ発生した水素を貯蔵することで余剰電力の貯蔵を行う。そして、この電力貯蔵システムには、電解兼発電セル２の内部温度が適正な所定温度となるようにするための温度制御系３５が設けられている。
【００４０】
温度制御系３５は、電解兼発電セル２と電解兼発電セル２外の蓄熱手段である蓄熱器１０、冷却手段である放熱器３６との間に媒体流通ループ３７を形成するようにして構成されている。媒体流通ループ３７は、封入された熱媒体が電解兼発電セル２の内部を貫流し、蓄熱器１０と放熱器３６に分流し、それぞれを貫流して循環する媒体流路３８を備えたものとなっている。
【００４１】
このため、放熱器３６側に分流した熱媒体は、挿入されている流量制御バルブ３９で所定流量に流量調整がなされるようにして媒体分流路３８ａを流れ、放熱器３６を貫流する間に冷却された後に電解兼発電セル２に戻る。一方、蓄熱器１０側に分流した熱媒体は、媒体分流路３８ｂを流れ、蓄熱器１０で蓄熱を行う、あるいは加熱されるようにして貫流した後に電解兼発電セル２に戻る。媒体分流路３８ａに流量制御バルブ３９を挿入し、流量調整を行うことにより蓄熱器１０と放熱器３６を流通する熱媒体の流量比が変えられ、電解兼発電セル２に戻る熱媒体の温度を所望の温度とすることができ、電解兼発電セル２の内部温度を適正な所定温度にし、この温度を維持することができる。
【００４２】
すなわち、発電モード時には、例えば、電解兼発電セル２から約８００℃で流出し蓄熱器１０での蓄熱を行った後の高温度の熱媒体と、放熱器３６で大気により約７００℃に冷却され所定流量に調整された低温度の熱媒体とが得られ、これら高温度の熱媒体と低温度の熱媒体とが混合することによって、電解兼発電セル２に戻り流入する熱媒体を所望の温度のものとすることができる。また電解モード時には、電解兼発電セル２が必要な温度となるよう高温度の熱媒体を搬送するように流量調整する。なお、熱媒体は図示しない上記実施形態に示された循環用ファンや昇降装置等により、媒体流通ループ３７を循環するようになっている。
【００４３】
そして、上記のよう構成の温度制御系３５を有する本実施形態の電力貯蔵システムは、蓄熱器１０と放熱器３６を流通する熱媒体の流量比を変えることで電解兼発電セル２の内部温度を適正な所定温度を維持しながら、発電モード時には、電力供給を行いながら、発電により高温度となっている電解兼発電セル２内部で熱媒体が加熱され、蓄熱器１０に蓄熱を行う。また電解モード時には、熱媒体が蓄熱器１０に蓄えられていた熱で加熱され、電解兼発電セル２に熱を搬送し、電解兼発電セル２内部を適正な所定温度とすることで吸熱反応の水蒸気電解が進行し、水素が生成されて余剰電力の蓄電が行なわれる。なお、上記実施形態と同様に、水蒸気電解に用いる水蒸気は、蓄熱器１０の熱で水を加熱して得るようにしている。
【００４４】
以上のように構成することで、電力貯蔵システムの発電モード時、電解モード時における動作は、温度制御系３５の動作が異なるだけで、第１の実施形態と同様に行なわれる。そのため、第１の実施形態と同様の効果が得られると共に、温度制御系３５により、電解兼発電セル２の内部温度をより適正な所定温度とすることができ、これを維持することができることから、急激な温度変化が固体酸化物電解質膜に加わらず、破損の虞を少なくでき、電解兼発電セル２に故障等が発生する虞を少なくすることができる。
【００４５】
なお、上記実施形態においては、流量制御バルブ３９を設けて熱媒体の流量調整を行って蓄熱器１０と放熱器３６を流通する熱媒体の流量比を変え、これにより電解兼発電セル２の内部温度を適正温度にするようにしたが、図５に示す変形形態のように構成して熱媒体の流量比を変えるようにしてもよい。
【００４６】
すなわち、図５において、温度制御系４０は、電解兼発電セル２と蓄熱器１０、放熱器３６との間に媒体流通ループ４１を形成するようにして構成されている。媒体流通ループ４１は、熱媒体が電解兼発電セル２の内部を貫流し、蓄熱器１０と放熱器３６を貫流して循環する媒体流路４２を備えている。また媒体流路４２は、電解兼発電セル２から流出した熱媒体が分流部４３で分流し、媒体分流路４２ａ，４２ｂをそれぞれ流通して蓄熱器１０と放熱器３６に流れるようになっている。
【００４７】
さらに、媒体流路４２の分流部４３には、回動軸４４を回動中心として両矢印Rで示すように回動する弁板４５が設けられている。そして弁板４５が回動することで、媒体流路４２を流通する熱媒体の各媒体分流路４２ａ，４２ｂに分流する流量の調整が行え、流量を調整することで蓄熱器１０と放熱器３６を流通する熱媒体の流量比が変えられ、電解兼発電セル２に戻る熱媒体の温度を所望の温度とすることができ、電解兼発電セル２の内部温度を適正な所定温度にし、この温度が維持されるようにすることができる。
【００４８】
その結果、本変形形態においても上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
【実施例４】
【００４９】
次に第４の実施形態を図６により説明する。図６は温度制御系の概略構成を示す図である。なお、本実施形態は、上記各実施形態と温度制御系が異なるのみであるので、各実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、各実施形態と異なる本実施形態の構成について説明する。
【００５０】
図６において、温度制御系の構成のみが第１の実施形態の構成と異なる本実施形態の電力貯蔵システムは、その電解兼発電セル２が、燃料ガスと空気を供給し発電セルとして動作させることで発電し電力の供給を行い、また余剰電力と水蒸気を供給し水蒸気電解セルとして動作させ発生した水素を貯蔵することで余剰電力の貯蔵を行う。そして、この電力貯蔵システムには、電解兼発電セル２の内部温度が適正な所定温度となるようにするための温度制御系４７が設けられている。
【００５１】
温度制御系４７は、電解兼発電セル２と電解兼発電セル２外の蓄熱手段である蓄熱器１０、冷却手段である放熱器３６との間に媒体流通ループ４８を形成するようにして構成されている。媒体流通ループ４８は、封入された熱媒体が電解兼発電セル２の内部を貫流し、蓄熱器１０と放熱器３６に分流し、それぞれを貫流して循環する媒体流路３８を備えたものとなっている。
【００５２】
また媒体流路３８は、熱媒体が放熱器３６を貫流する媒体分流路３８ａと、蓄熱器１０を貫流する媒体分流路３８ｂとを備えて構成され、電解兼発電セル２と放熱器３６、蓄熱器１０との間の各媒体分流路３８ａ，３８ｂには流量制御バルブ４９ａ，４９ｂが挿入されている。各媒体分流路３８ａ，３８ｂに挿入された各流量制御バルブ４９ａ，４９ｂは、制御手段である制御部５０による制御のもとに、それぞれの開度Ｏｐが調節されるようになっている。これにより、蓄熱器１０と放熱器３６を流通する熱媒体の流量比を変えることができ、また両流量制御バルブ４９ａ，４９ｂでの流量調整を行うことで熱媒体の総流量も変えることができ、電解兼発電セル２から流出する熱媒体の温度も変えられることになる。
【００５３】
こうした各流量制御バルブ４９ａ，４９ｂの制御部５０による制御については、発電モード時における電解兼発電セル２の発生熱密度が、接続されている負荷の電流密度Ｉｄにより異なり、概ね、負荷の電流密度Ｉｄと電解兼発電セル２の発生熱密度は、比例すると考えることができることに基づいている。これは、発生熱密度の変化を打ち消すように熱媒体の温度を調節すれば、電解兼発電セル２の内部温度、固体酸化物電解質膜の温度を許容範囲内の適正な温度とすることができることを示している。
【００５４】
このため、制御部５０での制御は、負荷の電流密度Ｉｄの変化、すなわち負荷変動に基づいたフィードフォワード制御と共に、図示しないが温度計を設けたり、あるいは熱媒体の温度を測定したりすることで固体酸化物電解質膜の温度を測定し、その変化に基づいてフィードバック制御を行うことにより、精度の高い制御が行えるようになっている。なお、図６中に示した各グラフは、横軸に電流密度Ｉｄ、縦軸に各流量制御バルブ４９ａ，４９ｂの開度Ｏｐをとって示す制御グラフである。
【００５５】
そして発電モード時には、放熱器３６側に分流した熱媒体は、挿入されている流量制御バルブ４９ａで所定流量に流量調整がなされるようにして媒体分流路３８ａを流れ、放熱器３６を貫流する間に冷却された後に電解兼発電セル２に戻る。一方、蓄熱器１０側に分流した熱媒体も、挿入されている流量制御バルブ４９ｂで所定流量に流量調整がなされるようにして媒体分流路３８ｂを流れ、蓄熱器１０での蓄熱を行うようにして貫流した後に電解兼発電セル２に戻る。また電解モード時には、放熱器３６側の熱媒体の流量を流量制御バルブ４９ａで少なくなるよう調整することで、蓄熱器１０側の熱媒体の流量が増加し、蓄熱器１０に蓄熱された熱で加熱された熱媒体が電解兼発電セル２に運ばれるので、水蒸気電解に必要な温度を確保することができることになる。
【００５６】
このように、上記構成の温度制御系４７を有する本実施形態の電力貯蔵システムでは、各流量制御バルブ４９ａ，４９ｂで流量調整を行うことで蓄熱器１０と放熱器３６を流通する熱媒体の流量比が変えられ、電解兼発電セル２の内部温度を適正な所定温度を維持しながら、発電モード時には、電力供給を行いながら、発電により高温度となっている電解兼発電セル２内部で熱媒体が加熱され、蓄熱器１０に蓄熱を行う。
【００５７】
また電解モード時には、水蒸気電解に用いる水蒸気を蓄熱器１０の熱で水を加熱することで得、さらに熱媒体が蓄熱器１０に蓄えられていた熱で加熱され電解兼発電セル２に熱供給を行い、電解兼発電セル２内部を適正な所定温度とすることで吸熱反応の水蒸気電解が進行し、水素が生成されて余剰電力の蓄電が行なわれる。そして、発電モード時、電解モード時のいずれの場合にも、電解兼発電セル２に戻る熱媒体の温度を所望の温度とすることができ、電解兼発電セル２の内部温度を適正な所定温度にし、維持することで、適正な温度に固体酸化物電解質膜も保つことができる。
【００５８】
以上の通り、上記の構成とすることで、電力貯蔵システムの発電モード時、電解モード時における動作は、温度制御系４７の動作が異なるだけで、第１の実施形態と同様に行なわれる。そのため、第１の実施形態と同様の効果が得られると共に、温度制御系４７により、電解兼発電セル２の内部温度をより適正な所定温度とすることができ、これを維持することができることから、急激な温度変化が固体酸化物電解質膜に加わらず、破損の虞を少なくすることができ、電解兼発電セル２に故障等が発生する虞を少なくすることができる。
【符号の説明】
【００５９】
１…電力貯蔵システム
２…電解兼発電セル
３…ガス供給手段
４…水素貯蔵タンク
７…空気供給源
９…水供給源
１０…蓄熱器
１１…温度制御系
１３…媒体流通ループ
１５…固体酸化物電解質
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物電解質を有して水蒸気電解セルと発電セルとを兼用する電解兼発電手段を備えた電力貯蔵システム及びその運用方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
昼間と夜間の電力消費の差が著しい場合や電力系統に風の状況により発電能力が変化する風力発電所が多数設けられている場合には、発電設備の有効利用のために夜間電力等の余剰電力を貯蔵し、電力需要がピークとなる昼間等に放電してピーク負荷に対応することが必要となっている。そして余剰電力を貯蔵する電力貯蔵装置の代表的なものとして、大型発電設備としては応答性のよい揚水発電所がある。揚水発電所は、夜間の余剰電力で水をダムにポンプアップし、昼間にダムにポンプアップした水で発電してピーク負荷に対応する。
【０００３】
また、比較的大規模なものとして、水素を用いた電力貯蔵装置がある（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。これは、固体酸化物燃料電池が酸素と水素を加えて発電することもできるが、逆反応として、水蒸気を加えて電圧をかけ電解して酸素と水素を得ることができることに基づいており、余剰電力で水蒸気を電解し水素を製造して電力の貯蔵を行ない、電力が必要な時に、製造した水素を利用して発電するものである。
【０００４】
特許文献１のものは、固体酸化物電解質を有し水蒸気電解セルと燃料電池とを兼用する電解兼発電手段と、電解兼発電手段で発生する水素及び酸素の貯蔵手段と、電解兼発電手段の排熱を吸収する熱交換手段と、熱交換手段で得た熱を用いる暖房用熱水供給手段及び冷房用冷水供給手段を備え、主に発電時に発生した熱を冷暖房に使うシステムとなっている。また、特許文献２のものは、固体酸化物燃料電池に供給される酸素及び水素／水蒸気の流路が、発電時と電解時で同じとなっている。
【０００５】
他に、水蒸気電解及び固体燃料電池の可逆運転可能な固体電解質セルを発電プラントに併設した電力貯蔵システムで、余剰電力により水素を製造して電力貯蔵を行う際に水蒸気電解に必要な熱の一部に発電プラント側の主蒸気を用い、発電時には固体電解質セルからの余剰熱で発電プラント側の主蒸気の過熱に用い、熱エネルギを有効利用するようにしたものがある（例えば、特許文献３参照）。さらに、固体電解質を用いた蓄発電装置で、水素と酸素とを発熱反応させ、発生した熱エネルギで加熱した水を電気分解に供される水として発電を行う反応セルに供給することで、水の電気分解効率を上げるようにしたものがある（例えば、特許文献４参照）。
【０００６】
しかし、発電時に発生した熱の有効利用と、電解時に必要とされる熱の有効取得についてはより有効なものが求められ、発電時の発生熱を利用する場合については、供給と利用の調和を図り、熱を有効に利用することが求められている。また、固体酸化物燃料電池は、メタンを燃料とした燃料電池に比較して電力の貯蔵効率が低いため、これを向上させることが課題であり、さらに、固体酸化物電解質はセラミックスであることから、電解と発電の切り替えにより急激な温度変化が発生した場合には、固体酸化物電解質が破損する虞がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３２５３９８５号公報
【特許文献２】特許第３１０５６６８号公報
【特許文献３】特開２００１−１６０４０４号公報
【特許文献４】特開２００１−３３２２７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記のような状況に鑑みて本発明はなされたもので、その目的とするところは、発電時と電解時との間で熱をより有効に利用できるようにすると共に、電力の貯蔵効率を向上させることができ、電解と発電の切り替えによる固体酸化物電解質の破損の虞が少ない電力貯蔵システム及びその運用方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明は上記目的を達成するもので、電力貯蔵システムは、固体酸化物電解質を有して水蒸気電解セルと発電セルとを兼用する電解兼発電手段と、前記電解兼発電手段に水素と水蒸気からなる燃料ガス及び空気をそれぞれ供給するガス供給手段と、前記電解兼発電手段に水蒸気を供給する水蒸気供給手段と、前記電解兼発電手段より排出される排ガスと前記電解兼発電手段に供給される前記燃料ガス及び前記空気とそれぞれ熱交換を行う熱交換手段を備える電力貯蔵システムであって、前記電解兼発電手段の内部温度を、該電解兼発電手段の内部に熱媒体を流通させて所定温度に制御する温度制御系を備えていることを特徴とするものである。
【００１０】
また、電力貯蔵システムの運用方法は、固体酸化物電解質を有して水蒸気電解セルと発電セルとを兼用する電解兼発電手段と、前記電解兼発電手段に水素と水蒸気からなる燃料ガス及び空気をそれぞれ供給するガス供給手段と、前記電解兼発電手段に水蒸気を供給する水蒸気供給手段と、前記電解兼発電手段より排出される排ガスと前記電解兼発電手段に供給される前記燃料ガス及び前記空気とそれぞれ熱交換を行う熱交換手段と、前記電解兼発電手段の内部温度を所定温度に制御する温度制御系を備える電力貯蔵システムの運用方法であって、前記電解兼発電手段を電解セルとして運転する電解モード運転時は、前記電解兼発電手段の前記固体酸化物電解質の温度を、発電セルとして運転する発電モード運転時よりも低温度にして運用することを特徴とする方法である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、発電時と電解時との間で熱をより有効に利用することができ、また電力の貯蔵効率が向上したものとなり、電解と発電の切り替えによって電解兼発電手段の固体酸化物電解質が破損してしまう虞が少ない等の効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る電力貯蔵システムを示す構成図である。
【図２】本発明の第１の実施形態における電解発電兼用装置の要部の概略構成を示す斜視図である。
【図３】本発明の第２の実施形態における温度制御系の概略構成を示す図である。
【図４】本発明の第３の実施形態における温度制御系の概略構成を示す図である。
【図５】本発明の第３の実施形態における温度制御系の変形形態の概略構成を示す図である。
【図６】本発明の第４の実施形態における温度制御系の概略構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００１４】
先ず第１の実施形態を図１及び図２により説明する。図１は電力貯蔵システムを示す構成図であり、図２は電解発電兼用装置の要部の概略構成を示す斜視図である。
【００１５】
図１及び図２において、電力貯蔵システム１は、水蒸気電解セルと発電セルとを兼用する電解兼発電手段である固体酸化物電解質を有してなる電解兼発電セル２を備えて構成されており、電解兼発電セル２は、供給された水素と水蒸気の燃料ガスと空気によって固体酸化物電解質燃料電池として発電し電力の供給を行い、また余剰電力と水蒸気が供給されることで水蒸気電解により水素と酸素を発生し、これらを貯蔵することで電力貯蔵を行う。
【００１６】
電力貯蔵システム１には、電解兼発電セル２に水素、水蒸気の燃料ガス及び空気をそれぞれ供給するガス供給手段３として水素貯蔵タンク４、そして電解兼発電セル２の水素極側に熱交換手段の第１再生熱交換器５、凝縮器６が設けられており、酸素極側に空気供給源７と熱交換手段の第２再生熱交換器８が設けられている。さらに電力貯蔵システム１には、発電をする際に電解兼発電セル２に発生する熱を蓄熱し、電力貯蔵を行う際に水供給源９からの水を加熱する蓄熱手段の蓄熱器１０が設けられている。なお、酸素極側には、図示しないが、水蒸気電解の際には酸素を貯蔵する酸素貯蔵タンクが設けられており、発電の際に、必要に応じ酸素を電解兼発電セル２に供給し得るようになっている。
【００１７】
また、水供給源９からの水を加熱する蓄熱器１０と電解兼発電セル２との間には、電解兼発電セル２の内部を所定温度にするため温度制御系１１が形成されている。温度制御系１１は、例えば封入されているガス状熱媒体であるＮ２、ＣＯ２、Ｈｅ等の熱媒体が電解兼発電セル２の内部を貫流し、さらに蓄熱器１０を貫流する媒体流路１２を備える媒体流通ループ１３を形成するようにして構成されている。そして媒体流路１２には、循環用ファン１４が挿入されており、この循環用ファン１４により熱媒体が媒体流路１２を流通し、媒体流通ループ１３を循環するようになっている。
【００１８】
また、電力貯蔵システム１の主部を構成する電解兼発電セル２は、例えば安定化ジルコニア等のセラミックスでなる固体酸化物電解質１５の両面に、例えば白金等による多孔質電極１６，１７が配置され、さらに多孔質電極１６，１７の他面側に、導電性を有するエンドプレート１８，１９、または同じく導電性を有するセパレータ板２０が配置されたものを単位セルとし、この単位セルを例えば複数積層することによって構成されている。そして、電解兼発電セル２における電流Ａは単位セルの積層方向に流れるようになっている。
【００１９】
さらに、エンドプレート１８，１９とセパレータ板２０には、燃料ガスと空気が直交する方向に流通するよう燃料ガス流路２１、空気流路２２が削設されていると共に、媒体流通ループ１３の媒体流路１２を形成する同方向に貫通する複数の流路管２３がワンスルーの形態をなすように設けられている。なお、１本の流路管２３をセパレータ板１８，１９，２０に蛇行するように配置し、全体をカバーするようにしてもよい。この場合、流路管２３の端部は、入口と出口の２ヶ所だけとなる。
【００２０】
そして、上記のように構成された電力貯蔵システム１では、電解兼発電セル２を発電セルとして発電を行う発電モード時には、図１に実線矢印で示すように、燃料ガスである水素と水蒸気の混合ガスが、電解兼発電セル２の水素極側に水素貯蔵タンク４、凝縮器６から第１再熱交換器５を介して供給される。また、図１に１点鎖線矢印で示すように、空気が酸素極側に空気供給源７から第２再熱交換器８を介して供給される。なお、２４，２５は燃料ガス、空気の流量を制御するよう供給路に挿入されたブロアである。
【００２１】
電解兼発電セル２に供給された燃料ガスは燃料ガス流路２１を流通し、空気は空気流路２２を流通して発電を行う。発電は発熱反応であるために高温となっている発電後の燃料ガスと空気の各排ガスは、それぞれ第１再熱交換器５、第２再熱交換器８を流通し、水素極側、酸素極側に供給される燃料ガス、空気と熱交換を行う。これにより、燃料ガス、空気は加熱された状態で電解兼発電セル２に供給され、排ガスの持つ熱が有効利用される。また、発電後の燃料ガスの排ガスは、水素と水蒸気の混合ガスとなっており、第１再熱交換器５を流通した後、凝縮器６に流入し、凝縮器６で凝縮、気水分離が行われて水と水素が排出される。分離された水素は、再び電解兼発電セル２に燃料ガスとして供給される。
【００２２】
一方、発電により生じた電解兼発電セル２の熱は、温度制御系１１を構成する媒体流通ループ１３の媒体流路１２を循環用ファン１４により流れる熱媒体を加熱することによって、電解兼発電セル２の外部に取り出され、蓄熱器１０を加熱する。また、循環用ファン１４の回転を制御することで熱媒体の流量が制御でき、外部への熱の排出量が調節できるようになっている。このように温度制御系１１により電解兼発電セル２の内部の熱は除去され、セル内温度を適正値にし、維持することができ、固体酸化物電解質１５等の過熱を回避することができる。なお、蓄熱器１０の蓄熱温度を所定温度、例えば約８００℃としている場合に、媒体流通ループ１３を使っての昇温だけでは不足する時には、図示しない加熱用のガス燃焼手段を設けるようにしてもよい。
【００２３】
また、電解兼発電セル２を水蒸気電解セルとして水蒸気電解を行う電解モード時には、図１に破線矢印で示すように、電解兼発電セル２の水素極側に水供給源９から水が、蓄熱器１０、第１再熱交換器５を介して供給される。また、図１に１点鎖線矢印で示すように、空気が酸素極側に空気供給源７から第２再熱交換器８を介して供給される。なお、水供給源９から供給される水は、ブロア２６により流量が制御できるようになっている。
【００２４】
電解兼発電セル２に供給される水は、蓄熱器１０、第１再熱交換器５を流通する間に加熱され、水蒸気となって水素極側に供給される。水素極側に供給される水蒸気量は、第１再熱交換器５と電解兼発電セル２の水素極側との間に挿入されている調節弁２７で適正値に調節できるようになっている。そして、電解兼発電セル２に供給された水蒸気は燃料ガス流路２１を流通し、空気は空気流路２２を流通し、外部からの余剰電力が電解兼発電セル２に供給され、電流を流すことにより水蒸気電解が行なわれ、水素と酸素が発生する。
【００２５】
この水蒸気電解により発生した水素は、電解兼発電セル２の水素極側から排出され、第１再熱交換器５を流れて凝縮器６に流入し、凝縮器６で凝縮、気水分離が行われて水と水素が排出される。分離された水素は、水素貯蔵タンク４にポンプ等で圧縮するようにして貯蔵される。水蒸気電解で発生した酸素は、電解兼発電セル２の酸素極側から排出され、第２再熱交換器８を流れて、不図示の酸素貯蔵タンク等に貯蔵される。
【００２６】
このように外部からの余剰電力によって水蒸気を電気分解し、水素と酸素を発生させ、それぞれ貯蔵等することで、余剰電力の貯蔵、すなわち蓄電がなされる。なお、水素は貯蔵して発電の際に燃料ガスとして用いるが、酸素のついては電解兼発電セル２の酸素極側に空気を供給して発電している場合は発電に用いなくてもよく、酸素貯蔵タンクを設けなくてもよい。
【００２７】
また、蓄電を行う水蒸気電解は吸熱反応であるため、電解兼発電セル２の外部より熱の供給が必要となる。このため、反応に必要となる熱は、蓄熱器１０に蓄えられた熱を媒体流通ループ１３の媒体流路１２に熱媒体を、流量を調節しながら流すようにして電解兼発電セル２内に送り込まれ、内部温度が所要とする温度に保たれ吸熱反応が維持される。
【００２８】
このとき、媒体流通ループ１３の熱媒体の流量を調節し、電解兼発電セル２の固体酸化物電解質１５を発電モード時における温度より低い温度にて運用する。これにより、蓄電と発電におけるエネルギーロスを小さなものとすることができる。また電解兼発電セル２の水素極側と第１再熱交換器５の間に挿入された調節弁２７により流入する水蒸気の量を調節し、電解モード時における水蒸気濃度を発電モード時の水蒸気濃度より高くして運用することで、蓄電と発電におけるエネルギーロスを小さなものとすることができる。
【００２９】
以上の通り、本実施形態によれば、発電モード時に電解兼発電セル２で発生する熱は、媒体流通ループ１３により外部に送出され、固体酸化物電解質１５等を所定の適正温度とすることができると共に、送出された熱は蓄熱器１０に蓄えられ、蓄電を行う電解モード時には水蒸気電解の吸熱反応に必要な熱が、蓄熱器１０から媒体流通ループ１３によって電解兼発電セル２内に送り込まれ、水蒸気電解が維持され、また水蒸気の生成にも供され、発電モード時と電解モード時の調和を図るようにして熱を有効に利用することができる。また、蓄電と発電を行う際のエネルギーロスも小さくすることができることから電力貯蔵の効率を向上させることができる。さらに、固体酸化物電解質１５を所定の適正温度とし、発電モードと電解モードの切り替えに伴う急激な温度変化が防止でき、破損する虞を低減することができる。
【実施例２】
【００３０】
次に第２の実施形態を図３により説明する。図３は温度制御系の概略構成を示す図である。なお、本実施形態は、第１の実施形態と温度制御系が異なるのみであるので、第１の実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、第１の実施形態と異なる本実施形態の構成について説明する。
【００３１】
図３において、温度制御系の構成のみが第１の実施形態の構成と異なる本実施形態の電力貯蔵システムは、その電解兼発電セル２が、燃料ガスと空気を供給し発電セルとして動作させることで発電し電力の供給を行い、また余剰電力と水蒸気を供給し水蒸気電解セルとして動作させ発生した水素を貯蔵することで余剰電力の貯蔵を行う。そして、この電力貯蔵システムには、電解兼発電セル２の内部温度が所定温度となるようにするための温度制御系３０が設けられている。
【００３２】
温度制御系３０は、電解兼発電セル２外に設けられ、発電する際の発生熱を蓄熱すると共に電力貯蔵を行う際に供給された水を加熱し水蒸気を発生させる蓄熱手段である蓄熱器１０と電解兼発電セル２の間に媒体流通ループ３１を形成するようにして構成されている。媒体流通ループ３１は、封入された熱媒体が電解兼発電セル２の内部を貫流し、蓄熱器１０を貫流するようにして媒体流通ループ３１を循環する媒体流路１２を備えている。
【００３３】
また、蓄熱器１０は、位置移動手段である昇降装置３２の載置部３３の上に設置されている。載置部３３は、例えば図示しない油圧リフト等の昇降駆動機構により、図３に両矢印Ｙで示すように垂直方向に昇降可能となっている。そして、蓄熱器１０は、載置部３３を上昇させて上位置点に位置させることで、電解兼発電セル２の設置位置よりも上方となるに位置し、また載置部３３を下降させて下位置点に位置させることで、電解兼発電セル２の設置位置よりも下方となるに位置するようになっている。
【００３４】
このため、発電モード時に、昇降装置３２の載置部３３を上昇させ上位置点に位置させることで、蓄熱器１０は電解兼発電セル２よりも上方に位置することになる。これにより、発電を行っている電解兼発電セル２の内部温度は高温度となり、媒体流通ループ３１を循環するように封入されている熱媒体も加熱され、低温度である蓄熱器１０との間で自然対流が起こり、高温度となっている熱媒体は媒体流路１２を上昇するように流れ、より低温度である蓄熱器１０に熱を運搬する。これにより蓄熱器１０の温度が上昇して、発電に伴う電解兼発電セル２の熱が蓄熱器１０に蓄えられる。
【００３５】
一方、電解モード時に、昇降装置３２の載置部３３を下降させ下位置点に位置させることで、蓄熱器１０は電解兼発電セル２よりも下方に位置することになる。これにより、水蒸気電解を行っている電解兼発電セル２の内部温度は低温度となり、媒体流通ループ３１に封入されている熱媒体は、電解兼発電セル２内で低温度となり、逆に蓄熱器１０で加熱されて高温度となり、自然対流を起こして媒体流路１２を循環するように流れ、より低温度である電解兼発電セル２に蓄熱器１０の熱を運搬する。この熱運搬で電解兼発電セル２の温度が上昇し、さらに継続して熱運搬がなされることで、吸熱反応である水蒸気電解が進行し、水素が生成されて余剰電力の蓄電が行なわれる。
【００３６】
そして、上記のように構成することで、電力貯蔵システムの発電モード時、電解モード時における動作は、温度制御系３０の動作が異なるだけで、第１の実施形態と同様に行なわれる。そのため、第１の実施形態と同様の効果が得られると共に、温度制御系３０における熱媒体の循環に、高温度で使用できる循環用ファンを必要とせず、コスト上昇を避けることができ、メンテナンス等が容易となる。
【００３７】
なお、媒体流通ループ３１の媒体流路１２に、熱媒体の自然対流に基づく循環を補助する、例えば水冷式駆動部で駆動する循環補助用ファンを設けるようにしてもよい。
【実施例３】
【００３８】
次に第３の実施形態を図４及び図５により説明する。図４は温度制御系の概略構成を示す図であり、図５は変形形態における温度制御系の概略構成を示す図である。なお、本実施形態は、上記の各実施形態と温度制御系が異なるのみであるので、各実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、各実施形態と異なる本実施形態の構成について説明する。
【００３９】
図４において、温度制御系の構成のみが第１の実施形態の構成と異なる本実施形態の電力貯蔵システムは、その電解兼発電セル２が、燃料ガスと空気を供給し発電セルとして動作させることで発電し電力の供給を行い、また余剰電力と水蒸気を供給し水蒸気電解セルとして動作させ発生した水素を貯蔵することで余剰電力の貯蔵を行う。そして、この電力貯蔵システムには、電解兼発電セル２の内部温度が適正な所定温度となるようにするための温度制御系３５が設けられている。
【００４０】
温度制御系３５は、電解兼発電セル２と電解兼発電セル２外の蓄熱手段である蓄熱器１０、冷却手段である放熱器３６との間に媒体流通ループ３７を形成するようにして構成されている。媒体流通ループ３７は、封入された熱媒体が電解兼発電セル２の内部を貫流し、蓄熱器１０と放熱器３６に分流し、それぞれを貫流して循環する媒体流路３８を備えたものとなっている。
【００４１】
このため、放熱器３６側に分流した熱媒体は、挿入されている流量制御バルブ３９で所定流量に流量調整がなされるようにして媒体分流路３８ａを流れ、放熱器３６を貫流する間に冷却された後に電解兼発電セル２に戻る。一方、蓄熱器１０側に分流した熱媒体は、媒体分流路３８ｂを流れ、蓄熱器１０で蓄熱を行う、あるいは加熱されるようにして貫流した後に電解兼発電セル２に戻る。媒体分流路３８ａに流量制御バルブ３９を挿入し、流量調整を行うことにより蓄熱器１０と放熱器３６を流通する熱媒体の流量比が変えられ、電解兼発電セル２に戻る熱媒体の温度を所望の温度とすることができ、電解兼発電セル２の内部温度を適正な所定温度にし、この温度を維持することができる。
【００４２】
すなわち、発電モード時には、例えば、電解兼発電セル２から約８００℃で流出し蓄熱器１０での蓄熱を行った後の高温度の熱媒体と、放熱器３６で大気により約７００℃に冷却され所定流量に調整された低温度の熱媒体とが得られ、これら高温度の熱媒体と低温度の熱媒体とが混合することによって、電解兼発電セル２に戻り流入する熱媒体を所望の温度のものとすることができる。また電解モード時には、電解兼発電セル２が必要な温度となるよう高温度の熱媒体を搬送するように流量調整する。なお、熱媒体は図示しない上記実施形態に示された循環用ファンや昇降装置等により、媒体流通ループ３７を循環するようになっている。
【００４３】
そして、上記のよう構成の温度制御系３５を有する本実施形態の電力貯蔵システムは、蓄熱器１０と放熱器３６を流通する熱媒体の流量比を変えることで電解兼発電セル２の内部温度を適正な所定温度を維持しながら、発電モード時には、電力供給を行いながら、発電により高温度となっている電解兼発電セル２内部で熱媒体が加熱され、蓄熱器１０に蓄熱を行う。また電解モード時には、熱媒体が蓄熱器１０に蓄えられていた熱で加熱され、電解兼発電セル２に熱を搬送し、電解兼発電セル２内部を適正な所定温度とすることで吸熱反応の水蒸気電解が進行し、水素が生成されて余剰電力の蓄電が行なわれる。なお、上記実施形態と同様に、水蒸気電解に用いる水蒸気は、蓄熱器１０の熱で水を加熱して得るようにしている。
【００４４】
以上のように構成することで、電力貯蔵システムの発電モード時、電解モード時における動作は、温度制御系３５の動作が異なるだけで、第１の実施形態と同様に行なわれる。そのため、第１の実施形態と同様の効果が得られると共に、温度制御系３５により、電解兼発電セル２の内部温度をより適正な所定温度とすることができ、これを維持することができることから、急激な温度変化が固体酸化物電解質膜に加わらず、破損の虞を少なくでき、電解兼発電セル２に故障等が発生する虞を少なくすることができる。
【００４５】
なお、上記実施形態においては、流量制御バルブ３９を設けて熱媒体の流量調整を行って蓄熱器１０と放熱器３６を流通する熱媒体の流量比を変え、これにより電解兼発電セル２の内部温度を適正温度にするようにしたが、図５に示す変形形態のように構成して熱媒体の流量比を変えるようにしてもよい。
【００４６】
すなわち、図５において、温度制御系４０は、電解兼発電セル２と蓄熱器１０、放熱器３６との間に媒体流通ループ４１を形成するようにして構成されている。媒体流通ループ４１は、熱媒体が電解兼発電セル２の内部を貫流し、蓄熱器１０と放熱器３６を貫流して循環する媒体流路４２を備えている。また媒体流路４２は、電解兼発電セル２から流出した熱媒体が分流部４３で分流し、媒体分流路４２ａ，４２ｂをそれぞれ流通して蓄熱器１０と放熱器３６に流れるようになっている。
【００４７】
さらに、媒体流路４２の分流部４３には、回動軸４４を回動中心として両矢印Rで示すように回動する弁板４５が設けられている。そして弁板４５が回動することで、媒体流路４２を流通する熱媒体の各媒体分流路４２ａ，４２ｂに分流する流量の調整が行え、流量を調整することで蓄熱器１０と放熱器３６を流通する熱媒体の流量比が変えられ、電解兼発電セル２に戻る熱媒体の温度を所望の温度とすることができ、電解兼発電セル２の内部温度を適正な所定温度にし、この温度が維持されるようにすることができる。
【００４８】
その結果、本変形形態においても上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
【実施例４】
【００４９】
次に第４の実施形態を図６により説明する。図６は温度制御系の概略構成を示す図である。なお、本実施形態は、上記各実施形態と温度制御系が異なるのみであるので、各実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、各実施形態と異なる本実施形態の構成について説明する。
【００５０】
図６において、温度制御系の構成のみが第１の実施形態の構成と異なる本実施形態の電力貯蔵システムは、その電解兼発電セル２が、燃料ガスと空気を供給し発電セルとして動作させることで発電し電力の供給を行い、また余剰電力と水蒸気を供給し水蒸気電解セルとして動作させ発生した水素を貯蔵することで余剰電力の貯蔵を行う。そして、この電力貯蔵システムには、電解兼発電セル２の内部温度が適正な所定温度となるようにするための温度制御系４７が設けられている。
【００５１】
温度制御系４７は、電解兼発電セル２と電解兼発電セル２外の蓄熱手段である蓄熱器１０、冷却手段である放熱器３６との間に媒体流通ループ４８を形成するようにして構成されている。媒体流通ループ４８は、封入された熱媒体が電解兼発電セル２の内部を貫流し、蓄熱器１０と放熱器３６に分流し、それぞれを貫流して循環する媒体流路３８を備えたものとなっている。
【００５２】
また媒体流路３８は、熱媒体が放熱器３６を貫流する媒体分流路３８ａと、蓄熱器１０を貫流する媒体分流路３８ｂとを備えて構成され、電解兼発電セル２と放熱器３６、蓄熱器１０との間の各媒体分流路３８ａ，３８ｂには流量制御バルブ４９ａ，４９ｂが挿入されている。各媒体分流路３８ａ，３８ｂに挿入された各流量制御バルブ４９ａ，４９ｂは、制御手段である制御部５０による制御のもとに、それぞれの開度Ｏｐが調節されるようになっている。これにより、蓄熱器１０と放熱器３６を流通する熱媒体の流量比を変えることができ、また両流量制御バルブ４９ａ，４９ｂでの流量調整を行うことで熱媒体の総流量も変えることができ、電解兼発電セル２から流出する熱媒体の温度も変えられることになる。
【００５３】
こうした各流量制御バルブ４９ａ，４９ｂの制御部５０による制御については、発電モード時における電解兼発電セル２の発生熱密度が、接続されている負荷の電流密度Ｉｄにより異なり、概ね、負荷の電流密度Ｉｄと電解兼発電セル２の発生熱密度は、比例すると考えることができることに基づいている。これは、発生熱密度の変化を打ち消すように熱媒体の温度を調節すれば、電解兼発電セル２の内部温度、固体酸化物電解質膜の温度を許容範囲内の適正な温度とすることができることを示している。
【００５４】
このため、制御部５０での制御は、負荷の電流密度Ｉｄの変化、すなわち負荷変動に基づいたフィードフォワード制御と共に、図示しないが温度計を設けたり、あるいは熱媒体の温度を測定したりすることで固体酸化物電解質膜の温度を測定し、その変化に基づいてフィードバック制御を行うことにより、精度の高い制御が行えるようになっている。なお、図６中に示した各グラフは、横軸に電流密度Ｉｄ、縦軸に各流量制御バルブ４９ａ，４９ｂの開度Ｏｐをとって示す制御グラフである。
【００５５】
そして発電モード時には、放熱器３６側に分流した熱媒体は、挿入されている流量制御バルブ４９ａで所定流量に流量調整がなされるようにして媒体分流路３８ａを流れ、放熱器３６を貫流する間に冷却された後に電解兼発電セル２に戻る。一方、蓄熱器１０側に分流した熱媒体も、挿入されている流量制御バルブ４９ｂで所定流量に流量調整がなされるようにして媒体分流路３８ｂを流れ、蓄熱器１０での蓄熱を行うようにして貫流した後に電解兼発電セル２に戻る。また電解モード時には、放熱器３６側の熱媒体の流量を流量制御バルブ４９ａで少なくなるよう調整することで、蓄熱器１０側の熱媒体の流量が増加し、蓄熱器１０に蓄熱された熱で加熱された熱媒体が電解兼発電セル２に運ばれるので、水蒸気電解に必要な温度を確保することができることになる。
【００５６】
このように、上記構成の温度制御系４７を有する本実施形態の電力貯蔵システムでは、各流量制御バルブ４９ａ，４９ｂで流量調整を行うことで蓄熱器１０と放熱器３６を流通する熱媒体の流量比が変えられ、電解兼発電セル２の内部温度を適正な所定温度を維持しながら、発電モード時には、電力供給を行いながら、発電により高温度となっている電解兼発電セル２内部で熱媒体が加熱され、蓄熱器１０に蓄熱を行う。
【００５７】
また電解モード時には、水蒸気電解に用いる水蒸気を蓄熱器１０の熱で水を加熱することで得、さらに熱媒体が蓄熱器１０に蓄えられていた熱で加熱され電解兼発電セル２に熱供給を行い、電解兼発電セル２内部を適正な所定温度とすることで吸熱反応の水蒸気電解が進行し、水素が生成されて余剰電力の蓄電が行なわれる。そして、発電モード時、電解モード時のいずれの場合にも、電解兼発電セル２に戻る熱媒体の温度を所望の温度とすることができ、電解兼発電セル２の内部温度を適正な所定温度にし、維持することで、適正な温度に固体酸化物電解質膜も保つことができる。
【００５８】
以上の通り、上記の構成とすることで、電力貯蔵システムの発電モード時、電解モード時における動作は、温度制御系４７の動作が異なるだけで、第１の実施形態と同様に行なわれる。そのため、第１の実施形態と同様の効果が得られると共に、温度制御系４７により、電解兼発電セル２の内部温度をより適正な所定温度とすることができ、これを維持することができることから、急激な温度変化が固体酸化物電解質膜に加わらず、破損の虞を少なくすることができ、電解兼発電セル２に故障等が発生する虞を少なくすることができる。
【符号の説明】
【００５９】
１…電力貯蔵システム
２…電解兼発電セル
３…ガス供給手段
４…水素貯蔵タンク
７…空気供給源
９…水供給源
１０…蓄熱器
１１…温度制御系
１３…媒体流通ループ
１５…固体酸化物電解質
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物電解質を有して水蒸気電解セルと発電セルとを兼用する電解兼発電手段と、前記電解兼発電手段に水素と水蒸気からなる燃料ガス及び空気をそれぞれ供給するガス供給手段と、前記電解兼発電手段に水蒸気を供給する水蒸気供給手段と、前記電解兼発電手段より排出される排ガスと前記電解兼発電手段に供給される前記燃料ガス及び前記空気とそれぞれ熱交換を行う熱交換手段を備える電力貯蔵システムであって、
前記電解兼発電手段の内部温度を、該電解兼発電手段の内部に熱媒体を流通させて所定温度に制御する温度制御系を備えていることを特徴とする電力貯蔵システム。
【請求項２】
前記温度制御系が、前記電解兼発電手段の外部に配置された蓄熱手段と、前記電解兼発電手段の内部と前記蓄熱手段の間に前記熱媒体を循環させる媒体流通ループを備えてなることを特徴とする請求項１記載の電力貯蔵システム。
【請求項３】
前記媒体流通ループが、前記熱媒体を循環させる循環用ファンを備えていることを特徴とする請求項２記載の電力貯蔵システム。
【請求項４】
前記温度制御系が、前記電解兼発電手段を発電セルとして運転する発電モード運転時には、前記電解兼発電手段より上方の位置に前記蓄熱手段を位置させ、前記電解兼発電手段を電解セルとして運転する電解モード運転時には、前記電解兼発電手段より下方の位置に前記蓄熱手段を位置させる位置移動手段を備えていることを特徴とする請求項２記載の電力貯蔵システム。
【請求項５】
前記温度制御系が、前記電解兼発電手段に前記蓄熱手段と並列となるように接続され、前記媒体流通ループを流れる少なくとも一部の前記熱媒体の熱を放散して前記電解兼発電手段の内部温度を制御する冷却手段を備えてなることを特徴とする請求項２記載の電力貯蔵システム。
【請求項６】
前記電解兼発電手段の電解及び発電時の負荷変動に対応した前記固体酸化物電解質の温度変化を検出し、前記固体酸化物電解質を許容範囲内の温度に制御する制御手段を備えていることを特徴とする請求項１乃至請求項３記載の電力貯蔵システム。
【請求項７】
固体酸化物電解質を有して水蒸気電解セルと発電セルとを兼用する電解兼発電手段と、前記電解兼発電手段に水素と水蒸気からなる燃料ガス及び空気をそれぞれ供給するガス供給手段と、前記電解兼発電手段に水蒸気を供給する水蒸気供給手段と、前記電解兼発電手段より排出される排ガスと前記電解兼発電手段に供給される前記燃料ガス及び前記空気とそれぞれ熱交換を行う熱交換手段と、前記電解兼発電手段の内部温度を所定温度に制御する温度制御系を備える電力貯蔵システムの運用方法であって、
前記電解兼発電手段を電解セルとして運転する電解モード運転時は、前記電解兼発電手段の前記固体酸化物電解質の温度を、発電セルとして運転する発電モード運転時よりも低温度にして運用することを特徴とする電力貯蔵システムの運用方法。
【請求項８】
電解モード運転時は、発電モード運転時よりも前記水蒸気供給手段への水供給量を多くして、前記電解兼発電手段の水素極側における水蒸気濃度を高濃度として運用することを特徴とする請求項７記載の電力貯蔵システムの運用方法。
【請求項１】
固体酸化物電解質を有して水蒸気電解セルと発電セルとを兼用する電解兼発電手段と、前記電解兼発電手段に水素と水蒸気からなる燃料ガス及び空気をそれぞれ供給するガス供給手段と、前記電解兼発電手段に水蒸気を供給する水蒸気供給手段と、前記電解兼発電手段より排出される排ガスと前記電解兼発電手段に供給される前記燃料ガス及び前記空気とそれぞれ熱交換を行う熱交換手段を備える電力貯蔵システムであって、
前記電解兼発電手段の内部温度を、該電解兼発電手段の内部に熱媒体を流通させて所定温度に制御する温度制御系を備えていることを特徴とする電力貯蔵システム。
【請求項２】
前記温度制御系が、前記電解兼発電手段の外部に配置された蓄熱手段と、前記電解兼発電手段の内部と前記蓄熱手段の間に前記熱媒体を循環させる媒体流通ループを備えてなることを特徴とする請求項１記載の電力貯蔵システム。
【請求項３】
前記媒体流通ループが、前記熱媒体を循環させる循環用ファンを備えていることを特徴とする請求項２記載の電力貯蔵システム。
【請求項４】
前記温度制御系が、前記電解兼発電手段を発電セルとして運転する発電モード運転時には、前記電解兼発電手段より上方の位置に前記蓄熱手段を位置させ、前記電解兼発電手段を電解セルとして運転する電解モード運転時には、前記電解兼発電手段より下方の位置に前記蓄熱手段を位置させる位置移動手段を備えていることを特徴とする請求項２記載の電力貯蔵システム。
【請求項５】
前記温度制御系が、前記電解兼発電手段に前記蓄熱手段と並列となるように接続され、前記媒体流通ループを流れる少なくとも一部の前記熱媒体の熱を放散して前記電解兼発電手段の内部温度を制御する冷却手段を備えてなることを特徴とする請求項２記載の電力貯蔵システム。
【請求項６】
前記電解兼発電手段の電解及び発電時の負荷変動に対応した前記固体酸化物電解質の温度変化を検出し、前記固体酸化物電解質を許容範囲内の温度に制御する制御手段を備えていることを特徴とする請求項１乃至請求項３記載の電力貯蔵システム。
【請求項７】
固体酸化物電解質を有して水蒸気電解セルと発電セルとを兼用する電解兼発電手段と、前記電解兼発電手段に水素と水蒸気からなる燃料ガス及び空気をそれぞれ供給するガス供給手段と、前記電解兼発電手段に水蒸気を供給する水蒸気供給手段と、前記電解兼発電手段より排出される排ガスと前記電解兼発電手段に供給される前記燃料ガス及び前記空気とそれぞれ熱交換を行う熱交換手段と、前記電解兼発電手段の内部温度を所定温度に制御する温度制御系を備える電力貯蔵システムの運用方法であって、
前記電解兼発電手段を電解セルとして運転する電解モード運転時は、前記電解兼発電手段の前記固体酸化物電解質の温度を、発電セルとして運転する発電モード運転時よりも低温度にして運用することを特徴とする電力貯蔵システムの運用方法。
【請求項８】
電解モード運転時は、発電モード運転時よりも前記水蒸気供給手段への水供給量を多くして、前記電解兼発電手段の水素極側における水蒸気濃度を高濃度として運用することを特徴とする請求項７記載の電力貯蔵システムの運用方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１０−１７６９３９（Ｐ２０１０−１７６９３９Ａ）
【公開日】平成２２年８月１２日（２０１０．８．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１６３２７（Ｐ２００９−１６３２７）
【出願日】平成２１年１月２８日（２００９．１．２８）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年８月１２日（２０１０．８．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１月２８日（２００９．１．２８）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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