JP2017157420A - Power storage system - Google Patents
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Abstract
Description
放電時に水素ガスが消費され、充電時に水素ガスが発生する二次電池を用いた電力貯蔵システムに関する。 The present invention relates to a power storage system using a secondary battery in which hydrogen gas is consumed during discharging and hydrogen gas is generated during charging.
放電時に水素ガスが負極で消費され、充電時に水素ガスが負極で発生する二次電池が一般的に知られている。例えば、レドックスフローのような再生型燃料電池が知られている。このような水素ガスを利用する二次電池においては、水素を二次電池に供給し、発生した水素ガスを回収する仕組みが必要となる。特許文献1には、負極に水素ガスを循環させ、正極に金属イオンを溶解させた正極電解液を供給する再生形燃料電池が提案されており、特許文献2においては、発生した水素ガスを別のタンクに貯めておき、放電時にタンクから水素ガスを二次電池へ供給する仕組みが開示されている。
A secondary battery in which hydrogen gas is consumed at the negative electrode during discharge and hydrogen gas is generated at the negative electrode during charging is generally known. For example, a regenerative fuel cell such as a redox flow is known. In such a secondary battery using hydrogen gas, a mechanism for supplying hydrogen to the secondary battery and recovering the generated hydrogen gas is required.
このような二次電池は発電システムに併設され、発電装置によって発電された電力を充電しておく為に利用される。例えば、太陽電池システムのように昼間にしか発電できないシステムでは昼間の電気を二次電池に充電することが考えられる。また、一般の電力網(以降系統という)から夜間の電力を充電する為など、二次電池に一度電力を充電してから、二次電池から電力を供給する仕組みも一般的になっている。 Such a secondary battery is provided in the power generation system and used to charge the power generated by the power generation device. For example, in a system such as a solar cell system that can generate electricity only in the daytime, it is conceivable to charge the secondary battery with daytime electricity. In addition, a mechanism for charging the secondary battery once and then supplying the power from the secondary battery, such as charging nighttime power from a general power network (hereinafter referred to as a system), is also common.
ところで、水素ガスを利用する二次電池へ、水素ガスを供給する場合、水素ガスは、爆発範囲が、空気に対する体積%で、4〜75%と極めて広く、水素漏れに対する対策が必要となる。そこで、例えば特許文献3では水素を供給する管を2重管にすることが開示されている。また、非特許文献1には、可燃性の気体に不活性ガスを混合して、可燃性気体の燃焼範囲を狭める旨について開示されている。
By the way, when supplying hydrogen gas to a secondary battery using hydrogen gas, hydrogen gas has an extremely wide explosion range of 4 to 75% by volume with respect to air, and measures against hydrogen leakage are required. Thus, for example,
水素ガスを利用した二次電池に水素を供給する仕組みを大規模なシステムとして利用しようとする場合、距離の長い共通の水素配管でつなぐ必要があり、長距離にわたる二重配管などの水素漏れ対策や一定距離ごとの水素検知器とこれと連携したガス供給遮断システムなど多くの追加設備が必要になるという課題がある。本発明はこのような問題点を解決することを目的とする。 When using a mechanism to supply hydrogen to a secondary battery using hydrogen gas as a large-scale system, it is necessary to connect it with a common hydrogen pipe with a long distance, and measures against hydrogen leakage such as a double pipe over a long distance In addition, there is a problem that a lot of additional equipment such as a hydrogen detector for every fixed distance and a gas supply shut-off system linked with the hydrogen detector are required. An object of the present invention is to solve such problems.
上記課題を解決するために、本発明は、放電する場合に水素ガスを使用し、充電する場合に水素ガスを発生させる複数の電力貯蔵デバイスと、水素ガスに不活性ガスを混合した非可燃性の共通負極ガスを一方向に循環させる循環型の共通負極ガス配管と、共通負極ガス配管から分流された共通負極ガスを複数の電力貯蔵デバイスの各々に供給するそれぞれの負極ガス入口配管と、複数の電力貯蔵デバイスの各々から排出された共通負極ガスを共通負極ガス配管に合流させるそれぞれの負極ガス出口配管とを備えることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, the present invention provides a plurality of power storage devices that use hydrogen gas when discharging and generate hydrogen gas when charging, and non-combustible materials obtained by mixing hydrogen gas with an inert gas. A common negative gas pipe that circulates the common negative gas in one direction, a negative gas inlet pipe that supplies the common negative gas branched from the common negative gas pipe to each of the plurality of power storage devices, and a plurality of And a negative electrode outlet pipe for joining the common negative gas discharged from each of the power storage devices to the common negative gas pipe.
水素ガスを利用する二次電池に水素ガスを供給する仕組みを大規模なシステムとして利用しようとする場合に、追加設備を大幅に省略できる効果がある。 When a mechanism for supplying hydrogen gas to a secondary battery using hydrogen gas is to be used as a large-scale system, there is an effect that additional equipment can be largely omitted.
以下、本発明の電力貯蔵システムの好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。なお、図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。 Hereinafter, preferred embodiments of a power storage system of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same reference numerals indicate the same or corresponding parts.
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1に係る電力貯蔵システムの昼間の動作を説明する為の模式図であり、図2は、夜間の動作を説明する為の模式図である。図1において、電力貯蔵デバイス1は、電力を充電する場合に水素を発生し放電する場合に水素を使用する二次電池である再生型燃料電池のことをいう。電力貯蔵デバイス1は、図1では正極充電液を貯蔵する正極充電液タンク15と正極放電液を貯蔵する正極放電液タンク16と負極と正極を合わせた内側の点線で囲まれた範囲のものをいう。
FIG. 1 is a schematic diagram for explaining the daytime operation of the power storage system according to
共通負極ガス配管5は、水素ガスを不活性ガスと混ぜた混合気体の共通負極ガスを、一方向に循環させる循環型の管をいう。共通負極ガス配管5の共通負極ガスはポンプ8によって循環され、共通負極ガス配管5内の水素濃度は水素濃度モニター17によって監視される。負極ガス入口配管2は、共通負極ガス配管5から電力貯蔵デバイス1へ共通負極ガスを供給する管である。共通負極ガスは、負極ガス入口配管2のポンプ3によって電力貯蔵デバイス1に引き込まれる。負極ガス出口配管4は、電力貯蔵デバイス1から共通負極ガス配管5へ、電力貯蔵デバイス1で水素が使用された共通負極ガスもしくは、電力貯蔵デバイス1で発生した水素ガスを回収する管である。
The common negative
圧力調整器7は、共通負極ガス配管5内の共通負極ガスの圧力が下がった場合に、共通負極ガスを貯蔵している共通負極ガス貯蔵タンク6から、共通負極ガスを供給して共通負極ガス配管5内の圧力を調整する。共通負極ガス貯蔵タンク6は隔壁9によって保護される。発電地域10では、電力貯蔵デバイス1に例えば太陽電池13から充電が行われる。電力消費地域11では、電力貯蔵デバイス1は放電してマンション14、等の電力需要部に電力を供給する。ここで、電力需要部はマンション14に限らずオフィスビルのような電力を消費する施設でもよく、電力の需要がある場所をいう。系統12は一般の電力網をいう。図2のように夜間の場合は、電力消費地域11では一般的に夜間の系統12の電力は安いので、この電力を利用して電力貯蔵デバイス1に充電することが考えられる。発電地域10では、昼間に太陽電池13で充電された電力貯蔵デバイス1から系統12へ電力が供給される。
The
図1および図2の電力貯蔵システムでは、共通負極ガス配管5に2個の電力貯蔵デバイス1が接続され、圧力調整器7を介して、共通負極ガス貯蔵タンク6に接続されている。本実施の形態では、2個としているがこれに限定されるものではなく個数は限定されない。共通負極ガス配管5に複数個の電力貯蔵デバイス1を接続したので、個々の電力貯蔵デバイス1がそれぞれ負極ガス貯蔵タンク6を備える必要がなくなり、共通負極ガス貯蔵タンク6に一括して負極ガスを貯蔵して、圧力調整器7により共通負極ガス配管5の共通負極ガスの圧力を一定に保つことができ、コンパクトに構成できる効果が得られる。なお、共通負極ガスの圧力は絶対圧力で0.2MPaに保たれている。共通負極ガスとは、蓄電貯蔵デバイス1で利用される水素ガスと不活性ガスを混合したガスのことをいう。不活性ガスとは、窒素や二酸化炭素等のガスで、可燃性がある水素ガスに混合することで非可燃性の不活性なガスにできるものをいう。また、共通負極ガス貯蔵タンク6とは、共通負極ガスを貯蔵するタンクのことで、共通負極ガス配管5の共通負極ガスの圧力を一定に保つ。
In the power storage system of FIGS. 1 and 2, two
図1の発電地域10において、昼間、太陽電池13に接続された電力貯蔵デバイス1は、太陽電池13で発生した電力を蓄える。すなわち太陽電池13は電力貯蔵デバイス1を充電する。その時に、電力貯蔵デバイス1の負極側では水素ガスが発生し、発生した水素ガスは負極ガス出口配管4を介して共通負極ガス配管5に合流し、共通負極ガス配管5を介して共通負極ガス貯蔵タンク6に貯蔵される。一方、マンション14等に接続された電力消費地域11の電力貯蔵デバイス1は、マンション14等での電力消費に合わせて放電する。その時に水素ガスが消費される。もしも、太陽電池13で発生した電力で生成した水素量とマンション14等での電力消費で消費される水素量が同じであれば、水素ガスは圧力調整器7を介して共通負極ガス貯蔵タンク6に貯蔵する必要はなく、共通負極ガス配管5の共通負極ガスの圧力は一定に保たれる。すなわち、太陽電池13に接続された電力貯蔵デバイス1で発生した水素ガスをマンション14等での電力消費で消費することで、圧力調整器7を介して共通負極ガス貯蔵タンク6に貯蔵する手間や電力を省略することができる。本実施の形態では太陽電池13で発生した電力を充電しているが、これに限定されるものではなく、発電装置からの電力や、系統12からの電力を充電してもよい。ここで、電力貯蔵デバイス1とは、再生型燃料電池のような二次電池をいうが電力を貯蔵できるものであればよくこの言葉に限定されない。
In the
図2において、夜間は、マンション14等に接続された電力貯蔵デバイス1は、系統12からの単価の安い深夜電力で充電し、その際に水素ガスが発生する。発生した水素ガスは共通負極ガス貯蔵タンク6に貯蔵される。一方、太陽電池13に接続された電力貯蔵デバイス1は、電力貯蔵デバイス1に貯蔵した電力を放電する。もしも、深夜電力で電力貯蔵デバイス1を充電した際に発生した水素量と、電力貯蔵デバイス1に貯蔵した電力を放電した際に消費される水素量が同じであれば、水素ガスは圧力調整器7を介して共通負極ガス貯蔵タンク6に貯蔵する必要はなく、共通負極ガス配管5の水素圧力は一定に保たれる。すなわち、マンション14等に接続された電力貯蔵デバイス1に安い深夜電力で充電した際に発生した水素ガスを太陽電池13に接続された電力貯蔵デバイス1の放電で消費することで、圧力調整器7を介して共通負極ガス貯蔵タンク6に貯蔵する手間や電力を省略することができる。
In FIG. 2, at night, the
以上のように、実施の形態1の電力貯蔵システムによれば、共通負極ガス配管5に複数の電力貯蔵デバイス1が負極ガス入口配管2及び負極ガス出口配管4を介して接続されており、電力貯蔵デバイス1で発生した水素ガスを距離を隔てた別の電力貯蔵デバイス1で消費することで、圧力調整器7を介して共通負極ガス貯蔵タンク6に貯蔵する手間や電力を省略することができる。充電する電力貯蔵デバイス1からは水素が発生し、放電する電力貯蔵デバイス1は水素を使用するので、充電する電力貯蔵デバイス1から発生する水素ガスと放電する電力貯蔵デバイス1の使用する水素の量がバランスすると、共通負極ガス配管5内の水素ガスの量をバランスさせることができる。また、共通負極ガス貯蔵タンク6に余剰の水素ガスを貯蔵することで、個々の電力貯蔵デバイス1での水素ガス発生や水素ガス消費のアンバランスを調整することができる。
As described above, according to the power storage system of the first embodiment, the plurality of
さらに、共通負極ガス貯蔵タンク6を太陽電池13に接続された電力貯蔵デバイス1やマンション14等に接続された電力貯蔵デバイス1から遠くに置くことで、水素ガスをより安全な場所に格納し、万が一、水素ガス漏れなどの事故が発生した際にも、マンション14等への影響を最小限に抑えることが可能になる。
Furthermore, the hydrogen gas is stored in a safer place by placing the common negative electrode
実施の形態1の電力貯蔵システムで、共通負極ガス配管5を長くした場合に、実用上、最大の課題になるのは、共通負極ガス配管5の安全性の確保である。共通負極ガスに含まれる水素ガスは、周知のように爆発範囲が、空気に対する体積%で、4〜75%と極めて広く、水素ガス漏れに対する対策や水素検知器および警報設備が追加の設備として必要となる。そして、長距離の配管には、インフラの制約から、道路の下などを利用するのが現実的で、電気や都市ガスなどの共同溝内に敷設する必要がある。
In the power storage system of the first embodiment, when the common
そこで、本発明の実施の形態1の電力貯蔵システムでは、電力貯蔵デバイス1内部で共通負極ガスを循環させるとともに、一方向に共通負極ガスを循環する共通負極ガス配管5に接続し、共通負極ガス配管5に、不活性ガスである窒素を混ぜて体積比率で窒素(N2)92%、水素(H2)8%となる混合ガスを充填した。
Therefore, in the power storage system according to the first embodiment of the present invention, the common negative gas is circulated inside the
水素ガスの爆発範囲は、空気に対する体積%で、4〜75%と極めて広いが、窒素と空気と水素ガスの3成分系であると、爆発範囲は大幅に狭められる。非特許文献1の図4には、窒素と空気と水素ガスの3成分系での燃焼範囲(推定値)と実測値が示されており、窒素が70%添加されると、実測値では燃焼せず、推定値でも燃焼する範囲が実質的にほとんどゼロになることが示されている。この時の水素ガスの爆発範囲の下限値は絶対的な体積比率で6%なので、空気を除く、窒素と水素ガスの混合比率は、70:6=92:8であれば、空気中に漏れても全く燃焼しない非可燃性となることが分かる。ここで不活性ガスを窒素としているが、これに限定されるものではなく、水素ガスを爆発させないように作用するものであれば何でもよい。例えば次に説明するような二酸化炭素であってもよいし、混合気体であってもよい。
The explosive range of hydrogen gas is extremely wide as 4 to 75% by volume% with respect to air, but the explosive range is greatly narrowed by a ternary system of nitrogen, air and hydrogen gas. FIG. 4 of
非特許文献1の図4には、二酸化炭素(CO2)と空気と水素ガスの3成分系での燃焼範囲(推定値)と実測値も示されており、二酸化炭素が55%添加されると、実測値では燃焼せず、推定値でも燃焼する範囲が実質的にほとんどゼロになることが示されている。この時の水素ガスの爆発範囲の下限値は絶対的な体積比率で10%なので、空気を除く、二酸化炭素と水素ガスの混合比率(体積比率)は、55:10=85:15であれば、空気中に漏れても全く燃焼しないことが分かる。
FIG. 4 of
水素ガスの窒素ガス中の混合比率(体積比率)が20%以下であれば、空気中に漏れても燃焼する可能性が極めて低く、水素ガスの二酸化炭素中の混合比率(体積比率)が30%以下であれば、空気中に漏れても燃焼する可能性が極めて低い。すなわち、不活性ガスの種類によって異なるが、不活性ガス中の水素ガスの濃度が30%以下であれば、空気中に漏れても燃焼する可能性が低く、配管を二重管にする必要が無く、また水素検知器も警報装置も不要になる。 If the mixing ratio (volume ratio) of hydrogen gas in nitrogen gas is 20% or less, the possibility of burning even if leaked into the air is extremely low, and the mixing ratio (volume ratio) of hydrogen gas in carbon dioxide is 30. % Or less, the possibility of burning even if leaking into the air is extremely low. That is, although it varies depending on the type of inert gas, if the concentration of hydrogen gas in the inert gas is 30% or less, the possibility of burning even if it leaks into the air is low, and it is necessary to make the pipe a double pipe. There is no need for hydrogen detectors and alarm devices.
ただし、水素濃度が希薄になれば、電力貯蔵デバイス1による水素ガス消費によって、共通負極ガス中の水素濃度がさらに希薄になり、負極が水素ガス欠乏に至る恐れがある。しかしながら、本発明に係る電力貯蔵システムでは、水素ガスを消費する側の電力貯蔵デバイス1で消費される水素量と、水素ガスを発生する側の電力貯蔵デバイス1で発生する水素量が同程度であれば、電力貯蔵デバイス1内部および共通負極ガス配管5内で共通負極ガスを循環させることで、水素欠乏を起こすことなく充放電することが可能になる。
また、水素濃度モニター17によって、水素濃度が爆発下限以下に保たれていることを確認することができる。水素濃度モニター17としては、共通負極ガス配管5内のガスを常時、微量サンプリングして、触媒燃焼式の水素検知器で水素濃度を測定するものが望ましい。ただし、爆発する心配が無いので、従来の水素検知器のように、水素検知器と連携したガス供給遮断システムなどの追加設備は不要であり、水素濃度モニター17も必須の設備ではない。
However, if the hydrogen concentration becomes dilute, the hydrogen concentration in the common negative electrode gas becomes further dilute due to the consumption of hydrogen gas by the
Further, it can be confirmed by the hydrogen concentration monitor 17 that the hydrogen concentration is kept below the lower limit of explosion. As the hydrogen concentration monitor 17, it is desirable to always sample a small amount of gas in the common
仮に水素欠乏が起こっても、水素ガスを消費する電力貯蔵デバイス1や燃料電池での発電が困難になるだけで、その時点で発電を停止すればよい。また、実際には、水素濃度が1%以下に下がっても水素ガスを消費する電力貯蔵デバイス1や燃料電池での発電は可能であり、流量を増やせば発電可能が継続できる。ただし、放電効率や発電効率が下がるので、発電の必然性が低ければ、放電や発電を停止するのが経済的に望ましい。
しかしながら、発電の必然性が高ければ、水素濃度を高めるように、太陽電池、風力発電等の新エネルギーなどを用いて水素ガスを発生する電力貯蔵デバイス1の水素発生量を増やす、メタンなどの水蒸気改質によって、水素ガスを多く含むガスを共通負極ガス配管5内に供給する、水素タンクから水素ガスを補充する、あるいは、水素ガスを消費する電力貯蔵デバイス1や燃料電池の近傍に少量の水素タンクを設置して、水素濃度が一定以下に下がった場合には、これに切り替えるなどの手段を用いることができる。
Even if hydrogen deficiency occurs, power generation by the
However, if the necessity of power generation is high, the hydrogen generation amount of the
逆に、共通負極ガス配管5内の水素濃度が高まり上限を超えそうになった場合には、水素ガスを消費する電力貯蔵デバイス1や燃料電池での発電を増やす、太陽電池、風力発電等の新エネルギーなどを用いて水素ガスを発生する電力貯蔵デバイス1の水素発生を止める、燃料改質器による共通負極ガス配管5内への水素ガス供給を止める、窒素タンクや二酸化炭素タンクから、窒素や二酸化炭素を供給するなどの手段を用いることができる。
Conversely, when the hydrogen concentration in the common negative
電力貯蔵デバイス1内部および共通負極ガス配管5内で共通負極ガスを循環させる方法としては、実施の形態1のように、負極ガス入口配管2と電力貯蔵デバイス1との間に設置したポンプ3を駆動させることで実現できるし、共通負極ガス配管5に設けたポンプ8を駆動させることでも実現できる。もちろん両方のポンプを駆動しても良い。
As a method for circulating the common negative electrode gas inside the
電力貯蔵デバイス1の放電(水素消費)と充電(水素発生)のサイクルは、昼夜で1サイクルするので、共通負極ガス配管5の共通負極ガスを1日かけて循環する程度(例えば配管の長さに対して、1m〜数m/分程度)のわずかな共通負極ガスの移動で充分である。共通負極ガス配管5の水素濃度が充分にあれば、負極ガス入口配管2と電力貯蔵デバイス1との間に設置したポンプ3を駆動のみでも、電力貯蔵デバイス1の放電(水素消費)を継続させることができる。循環させるサイクルを昼間と夜間で逆転させても良いが、共通負極ガスを撹拌して水素濃度を一定に保つ効果が薄れる。共通負極ガスを撹拌して水素濃度を一定に保つ効果を高めようとすれば、1日に2回以上循環させることが望ましい。ただし、共通負極ガスを循環させるための動力が増加する。
Since the cycle of discharging (hydrogen consumption) and charging (hydrogen generation) of the
このように共通負極ガス配管5内の水素ガスの量がバランスするのは、共通負極ガス配管5に接続された複数の電力蓄電デバイス1が、放電と充電と互いに逆の反応をすることで、共通負極ガス配管5内の水素ガスをバランスさせる方法と、同じ電力蓄電デバイスが昼夜で電力貯蔵デバイス1の放電と充電動作か変わることで水素ガスの量がバランスする方法とが考えられる。本実施例ではこの2つの場合を説明しているがこれに限定されるわけではなく、その組み合わせであってもよい。
Thus, the amount of hydrogen gas in the common
さらに、ポンプの代わりに、ファンを用いて電力貯蔵デバイス1内部および共通負極ガス配管5内で共通負極ガスを循環させることも可能であり、共通負極ガスを循環させるための電力を削減することが可能になる。特に、共通負極ガス配管5を太くした場合には、圧力損失が小さくなりファンの使用が容易になる。もちろん、燃焼する可能性が低いので高価な防爆型である必要が無い。
Furthermore, instead of the pump, it is possible to circulate the common negative electrode gas inside the
また、共通負極ガスの圧力としては、絶対圧力で0.1〜1MPaが望ましい。1MPaを上回ると、電力貯蔵デバイス1のガスシール構造を強固なものとする必要があり、高コストになる。また0.1MPaを下回ると、電力貯蔵デバイス1の負極側が負圧となり、性能が低下する。
Further, the pressure of the common negative electrode gas is preferably 0.1 to 1 MPa in absolute pressure. If it exceeds 1 MPa, it is necessary to make the gas seal structure of the
次に、電力貯蔵デバイス1の詳細について説明する。図3は、この発明の実施の形態1に係る電力貯蔵システムの昼間の模式図であって電力貯蔵デバイス1部分を拡大した図、図4は、夜間の模式図であって電力貯蔵デバイス1部分を拡大した図である。電力貯蔵デバイス1の負極21は負極活物質を含んでいる。電力貯蔵デバイス1の電解質膜22は電解液を含んでいる。電力貯蔵デバイス1の正極23は正極活物質を含んでいる。電力貯蔵デバイス単セル24は、電力貯蔵デバイス1の負極21と電力貯蔵デバイス1の電解質膜22と電力貯蔵デバイス1の正極23を合わせたセルである。
Next, details of the
負極側流路板25は負極側の流路板、正極側流路板26は正極側の流路板、負極ガス流路27は共通負極ガスが通る流路、正極液体流路28は正極液体が通る流路である。正極充電液配管29は正極充電液タンク15から充電状態の正極液体を正極へ供給する管、正極放電液配管30は放電状態の正極液体を正極放電液タンク16に排出する管である。正極充電液ポンプ31は充電状態の正極液体を正極に流し、正極放電液ポンプ32は放電状態の正極液体を正極放電液タンク16に流す。図3には電力貯蔵デバイス1が一つしか図示されていないが、省略部分に、電力貯蔵デバイス1が複数接続される構成となる。以下、本発明の電力貯蔵システムに最適な電力貯蔵デバイス1の一例について詳細に説明する。
The negative-
電力貯蔵デバイス1の負極21は、負極活物質である水素吸蔵合金を含有する。電力貯蔵デバイス1の正極23は、正極活物質である水酸化ニッケルまたはオキシ水酸化ニッケルの少なくともいずれかを含有する。水酸化ニッケル(Ni(OH)2)は放電状態の正極活物質であり、オキシ水酸化ニッケル(NiOOH)は充電状態の正極活物質である。電力貯蔵デバイス1の電解質膜22は、アルカリ電解液を保持する。アルカリ電解液は水を含有する。
The
負極側流路板25は、負極ガス流路27を有する。共通負極ガスは、共通負極ガス配管5から、負極ガス入口配管2を通って、負極側流路板25に入り、電力貯蔵デバイス1の負極21に供給された後、負極ガス出口配管4を通って、共通負極ガス配管5に排出される。負極での共通負極ガスの循環のためにポンプ3またはファンが用いられていて良い。
The negative electrode side flow
正極側流路板26は、正極液体流路28を有する。正極側流路板26は、正極充電液配管29を経由して、正極充電液タンク15に接続されている。正極充電液配管29において、正極液体流路28と正極充電液タンク15との間には、正極充電液ポンプ31が配置されている。正極充電液タンク15には、充電状態の正極活物質(オキシ水酸化ニッケル)粒子を含む懸濁液が貯蔵される。
The
また正極側流路板26は、極放電液配管30を経由して、正極放電液タンク16に接続されている。正極放電液配管30において、正極液体流路28と正極放電液タンク16との間には、正極放電液ポンプ32が配置されている。正極放電液タンク16には、放電状態の正極液体が貯蔵されている。放電状態の正極液体とは、放電状態の正極活物質(水酸化ニッケル)粒子を含む懸濁液である。
The positive-side
次に電力貯蔵デバイス1の動作を説明する。電力貯蔵デバイス1の負極21における充放電反応を下記の化学式1および2に示す。下記化学式1および2において、左辺から右辺に向かう反応が充電反応であり、逆に右辺から左辺に向かう反応が放電反応である。
Next, the operation of the
化学式1:(放電) M+H2O+e-←→MH+OH- (充電)
化学式2:(放電) 2H2O+2e-←→H2+2OH- (充電)
上記化学式1中、「M」は水素吸蔵合金を示し、「MH」はプロトン(H+)を吸収した水素吸蔵合金を示す。充電時、負極では上記化学式1に示すように、水素吸蔵合金(M)にプロトン(H+)と電子(e-)が取り込まれて、水酸化物イオン(OH-)が放出される。負極ガス流路27に面した負極では、上記化学式2の反応により、水素ガス(H2)が発生する。放電時は、上記化学式1に示すように、負極における放電反応では、水素吸蔵合金に含まれる水素ガスがプロトンと電子となって放出される。
Chemical formula 1: (Discharge) M + H2O + e- ← → MH + OH- (Charge)
Chemical formula 2: (Discharge) 2H2O + 2e- ← → H2 + 2OH- (Charge)
In the
電力貯蔵デバイス1の正極23における充放電反応を下記上記化学式3および4に示す。下記化学式3および4において、左辺から右辺に向かう反応が充電反応であり、逆に右辺から左辺に向かう反応が放電反応である。
The charge / discharge reactions at the
化学式3:(放電) Ni(OH)2+OH-←→NiOOH+H2O+e- (充電)
化学式4:(放電) 4OH-←→O2+2H2O+4e- (充電)
充電時、正極では上記化学式3に示すように、水酸化ニッケル(放電状態)がオキシ水酸化ニッケル(充電状態)に変化し、電子が放出され、水が生成される。正極における充電反応が進行し、水酸化ニッケルが減少すると、上記化学式4に示すように、酸素ガスが発生することになる。しかし正極液体流路28に、正極液体を流通させることにより、酸素ガスの発生を抑制できる。充電時、上記化学式3に示すように、正極における放電反応では、オキシ水酸化ニッケルが還元されて、水酸化ニッケルが生成される。
Chemical formula 3: (discharge) Ni (OH) 2 + OH- ← → NiOOH + H2O + e- (charge)
Chemical formula 4: (Discharge) 4OH- ← → O2 + 2H2O + 4e- (Charge)
At the time of charging, as shown in
次に、実施の形態1の電力貯蔵デバイス1の各部の構成について説明する。
Next, the configuration of each part of the
(負極)
負極は、水素吸蔵合金を含有する。水素吸蔵合金は、水素ガスの吸蔵が可能である限り、合金組成は限定されない。水素吸蔵合金は、たとえば、Mm−Ni−Co−Mn−Al系合金(「Mm」はミッシュメタルと称される希土類元素の混合物を示す)、Mm−Mg−Ni−Al系合金(「コバルトフリー合金」とも称される)、MmNi5、LaNi5等が挙げられる。負極は2種以上の水素吸蔵合金を含有していてもよい。負極は、たとえば水素吸蔵合金の成形体としてもよい。水素吸蔵合金の成形体は、民生用のニッケル水素二次電池でも採用されている。
(Negative electrode)
The negative electrode contains a hydrogen storage alloy. The alloy composition of the hydrogen storage alloy is not limited as long as hydrogen gas can be stored. Examples of the hydrogen storage alloy include an Mm—Ni—Co—Mn—Al alloy (“Mm” represents a mixture of rare earth elements called misch metal), an Mm—Mg—Ni—Al alloy (“cobalt-free”). MmNi5, LaNi5, etc.). The negative electrode may contain 2 or more types of hydrogen storage alloys. The negative electrode may be a hydrogen-absorbing alloy compact, for example. The compact of the hydrogen storage alloy is also used in consumer nickel-metal hydride secondary batteries.
実施の形態1の電力貯蔵デバイス1の負極に水素吸蔵合金を必ずしも含有していなくても、負極に白金系触媒など、水素ガスの酸化還元を容易にする触媒が付与されていれば、本発明の電力貯蔵システムとして機能する。負極が、水素吸蔵合金を含有していることによって、充放電に対する応答性が向上する効果が得られる。
Even if the negative electrode of the
(正極)
正極は、水酸化ニッケルまたはオキシ水酸化ニッケルの少なくともいずれかを含有する。前述のように水酸化ニッケルが放電状態の正極活物質であり、オキシ水酸化ニッケルが充電状態の正極活物質である。これらの正極活物質は、必須構成元素であるニッケル、酸素および水素ガス以外に、たとえばコバルト(Co)等を含有していてもよい。
(Positive electrode)
The positive electrode contains at least one of nickel hydroxide and nickel oxyhydroxide. As described above, nickel hydroxide is a positive electrode active material in a discharged state, and nickel oxyhydroxide is a positive electrode active material in a charged state. These positive electrode active materials may contain, for example, cobalt (Co) or the like in addition to nickel, oxygen and hydrogen gas which are essential constituent elements.
正極には、民生用のニッケル水素二次電池における正極の構成を適用してもよい。その場合、正極は、焼結式でもよいし、非焼結式でもよい。焼結式の正極は、たとえば次のようにして作製される。先ず、ニッケルメッキが施されたパンチングメタルの両主面に、ニッケル粒子を含有するペーストを塗着し、1000℃程度で焼結する。これにより焼結板を得る。焼結板にニッケル塩溶液を含浸する。含浸後、焼結板をアルカリ水溶液に浸漬する。ニッケル塩溶液の含浸と、アルカリ水溶液への浸漬とを繰り返すことにより、焼結板に水酸化ニッケルを担持させ、正極とすることができる。 The configuration of the positive electrode in a consumer nickel metal hydride secondary battery may be applied to the positive electrode. In that case, the positive electrode may be sintered or non-sintered. The sintered positive electrode is produced, for example, as follows. First, a paste containing nickel particles is applied to both main surfaces of a punching metal that has been plated with nickel, and sintered at about 1000 ° C. Thereby, a sintered plate is obtained. The sintered plate is impregnated with a nickel salt solution. After impregnation, the sintered plate is immersed in an aqueous alkaline solution. By repeating the impregnation of the nickel salt solution and the immersion in the alkaline aqueous solution, nickel hydroxide can be supported on the sintered plate to obtain a positive electrode.
非焼結式の正極は、ニッケル製の多孔質基材に、水酸化ニッケル粒子を含有するペーストを含浸させ、さらに乾燥、圧延を行うことにより、作製される。多孔質基材には、たとえば発泡ニッケル、マット状のニッケル繊維等が用いられる。 The non-sintered positive electrode is produced by impregnating a nickel porous substrate with a paste containing nickel hydroxide particles, followed by drying and rolling. For the porous substrate, for example, foamed nickel, mat-like nickel fiber, or the like is used.
(正極液体)
正極液体は、水酸化ニッケルまたはオキシ水酸化ニッケルの少なくともいずれかを含有する正極活物質粒子を含む懸濁液である。正極液体はゲル状であってもよい。正極液体の液体成分は、アルカリ水溶液でよい。正極液体とは電解液のことをいう。
(Cathode liquid)
The positive electrode liquid is a suspension containing positive electrode active material particles containing at least one of nickel hydroxide and nickel oxyhydroxide. The positive electrode liquid may be in a gel form. The liquid component of the positive electrode liquid may be an alkaline aqueous solution. The positive electrode liquid refers to an electrolytic solution.
正極活物質粒子には、たとえば、焼結した水酸化ニッケル粒子を粉砕した粒子、あるいは非焼結式の正極を粉砕した粒子等を用いることができる。正極との接触効率、正極液体中での流動性を考慮すると、正極活物質粒子の粒子形状は、球形状が望ましい。よって、たとえば粉砕後の粒子に球形化処理を施してもよい。球形化処理は、たとえばボールミル等を用いて行うことができる。正極活物質粒子は、たとえば水酸化コバルト、水酸化マンガン等を含有していてもよい。 As the positive electrode active material particles, for example, particles obtained by pulverizing sintered nickel hydroxide particles or particles obtained by pulverizing non-sintered positive electrodes can be used. In consideration of contact efficiency with the positive electrode and fluidity in the positive electrode liquid, the particle shape of the positive electrode active material particles is preferably a spherical shape. Therefore, for example, the pulverized particles may be spheroidized. The spheronization process can be performed using, for example, a ball mill. The positive electrode active material particles may contain, for example, cobalt hydroxide and manganese hydroxide.
正極活物質粒子の粒径は、0.1μm以上1mm以下程度が望ましい。粒径を0.1μm以上とすることにより、正極板と正極活物質粒子との接触効率が向上し、電子の受け渡しが容易となる。粒径を1mm以下とすることにより、たとえば正極活物質粒子が液体流路内で凝集して目詰まりを起こす等の不具合が抑制される。ただし、液体流路の断面積を大きくした場合にはこの限りでない。 The particle diameter of the positive electrode active material particles is preferably about 0.1 μm or more and 1 mm or less. When the particle size is 0.1 μm or more, the contact efficiency between the positive electrode plate and the positive electrode active material particles is improved, and the delivery of electrons is facilitated. By setting the particle size to 1 mm or less, for example, problems such as positive electrode active material particles agglomerating in the liquid channel and causing clogging are suppressed. However, this does not apply when the cross-sectional area of the liquid channel is increased.
正極液体は、増粘成分を含有していてもよい。正極活物質粒子の分散状態を安定化させるためである。増粘成分は、耐アルカリ性であることが望ましい。耐アルカリ性の増粘成繊維等が挙げられる。正極液体は、チクソトロピー性流体であることが望ましい。正極液体のチクソトロピー性を高める方法としては、たとえば、正極液体に炭素粉末を混合すること等が考えられる。 The positive electrode liquid may contain a thickening component. This is to stabilize the dispersion state of the positive electrode active material particles. The thickening component is desirably alkali-resistant. Examples include alkali-resistant thickening fibers. The positive electrode liquid is desirably a thixotropic fluid. As a method for improving the thixotropy of the positive electrode liquid, for example, mixing carbon powder with the positive electrode liquid can be considered.
(アルカリ電解液)
アルカリ電解液は、アルカリ水溶液でよい。アルカリ電解液は、イオン伝導率が高いことが望ましい。アルカリ電解液は、たとえば高濃度の水酸化カリウム(KOH)水溶液でもよい。KOH濃度は、たとえば10〜40質量%程度である。アルカリ電解液は、複数の水酸化物を含有していてもよい。アルカリ電解液は、たとえばKOHおよび水酸化ナトリウム(NaOH)の2種の水酸化物を含有していてもよいし、KOH、NaOHおよび水酸化リチウム(LiOH)の3種の水酸化物を含有していてもよい。
(Alkaline electrolyte)
The alkaline electrolyte may be an alkaline aqueous solution. The alkaline electrolyte preferably has high ionic conductivity. The alkaline electrolyte may be, for example, a high concentration potassium hydroxide (KOH) aqueous solution. The KOH concentration is, for example, about 10 to 40% by mass. The alkaline electrolyte may contain a plurality of hydroxides. The alkaline electrolyte may contain, for example, two kinds of hydroxides of KOH and sodium hydroxide (NaOH), or three kinds of hydroxides of KOH, NaOH and lithium hydroxide (LiOH). It may be.
なお、本実施の形態の電力貯蔵システムに最適な電力貯蔵デバイス1の一例では、正極に水酸化ニッケルまたはオキシ水酸化ニッケルの少なくともいずれかを含有し、正極液体が、水酸化ニッケルまたはオキシ水酸化ニッケルの少なくともいずれかを含有する正極活物質粒子を含む懸濁液である場合を示したが、正極に二酸化マンガン、水酸化マンガンまたはオキシ水酸化マンガンの少なくともいずれかを含有し、正極液体に、二酸化マンガン、水酸化マンガンまたはオキシ水酸化マンガンの少なくともいずれかを含有する正極活物質粒子を含む懸濁液であっても良く、同様に用いることができる。
In the example of the
また、本実施の形態の電力貯蔵システムに最適な電力貯蔵デバイス1の一例について詳細に説明したが、本実施の形態の電力貯蔵システムに使用する電力貯蔵デバイス1としては、上記の電力貯蔵デバイス1以外に、負極で充電により水素ガスを発生し、放電により水素ガスを消費するレドックスフロー電池のような再生形燃料電池などであってもよく、水素ガスを利用して充電、放電する2次電池ならよい。さらに、さまざまなタイプの電力貯蔵デバイス1が混在していても良い。これは後に説明する実施の形態2でも同様である。
Moreover, although an example of the
また、実施の形態1では、電力貯蔵デバイス1を模式的に『単セル』で示したが、もちろん、直列に多数のセルが積層された積層型の電力貯蔵デバイス1であってもよい。太陽光発電地域10では、MWhレベルの電力貯蔵デバイス1が想定され、電力消費地域11では、家庭用では10kWhレベル、マンション14等では、100kWhレベルの電力貯蔵デバイス1の運用が想定される。
In the first embodiment, the
容量可変型の共通負極ガス貯蔵タンク6は、たとえば蛇腹構造を有する金属製の容器である。一定の水素ガスバリア性があれば、容器は樹脂製あるいはゴム製としてもよい。樹脂製の容器等において、水素ガスバリア性を高める方法としては、金属薄膜によるライニングを施すこと等が考えられる。容器は、たとえば金属と樹脂との複合材としてもよい。水素貯蔵タンクは、たとえば風船のようなものでもよい。あるいは共通負極ガス貯蔵タンク6は圧力可変型としてもよい。
The variable capacity type common negative electrode
共通負極ガス配管5の素材は、銅やステンレス製の耐食性のある鋼管であってよいが、可撓性に優れたポリエチレン管がより望ましく、他の鋼管や樹脂管類と比べて地震に対して強いという特徴がある。そして、可撓性に優れているため、直管をリール状に巻いた状態で運搬して、設置現場で直線状に矯正しながら施工することができるので、無接続で長尺な設置が可能であり、この点でも耐震性に優れている。また、ポリエチレン管は、無接続で長尺な施工が可能なことに加え、電源があれば簡単に電気融着接合ができるため、ガス漏れ防止に対する信頼性も高くて管同士の接続作業の施工性も優れており、材料費も安価であるため経済性が極めて良い。
The material of the common negative
共通負極ガス配管5の長さは、100mから数kmあるいは数十kmまで延長することが可能であり、必要に応じて、共通負極ガス貯蔵タンク6を複数設置することで、共通負極ガスの圧力と水素濃度を適切に保つことが可能である。共通負極ガス配管5の太さは、共通ガスの循環を容易にするために、より太い方が望ましいが、配管スペースや経済性の点から、直径30mmから300mmの管が望ましい。また、場所によって管の太さを変更してよく、共通負極ガス貯蔵タンク6に近いほど太く、電力貯蔵デバイス1に近いほど細くすることで、配管コストを低く保ちながら、共通ガスの循環を最適に保つことが可能になる。共通負極ガス貯蔵タンク6は燃焼する恐れが極めて低いが、可能な限り、壁などで電気設備などとは隔離されていることが望ましい。
The length of the common negative
距離の長い共通の共通負極ガス配管5に電力貯蔵デバイス1を接続して、一端の電力貯蔵デバイス1で充電により発生した水素ガスを他端の電力貯蔵デバイス1で放電により消費すれば、共通の水素配管の内部の圧力は(充放電量がほぼ同じであれば)一定に保たれる。この発明に係る電力貯蔵システムは、電力貯蔵デバイス1内部および共通負極ガス配管5内で共通負極ガスを循環させることで、不活性ガスを主成分とする水素ガスでも水素欠乏を起こすことなく充放電することを可能にする。水素ガスを不活性ガスで大幅に希釈することで、長距離にわたる二重配管などの水素漏れ対策や一定距離ごとの水素検知器とこれと連携したガス供給遮断システムなど多くの追加設備を大幅に省略できる効果が得られる。
If the
実施の形態2.
図5は、この発明の実施の形態2に係るエネルギー貯蔵システムの昼間の模式図である。図において、高圧水素ボンベ41は水素ガスを貯蔵するボンベをいい、高圧窒素ボンベ42は不活性ガスである窒素を貯蔵するボンベである。本実施の形態では高圧窒素ボンベとしているが、これに限定されるものではなく、不活性ガスを貯蔵するタンクであればなんでもよく不活性ガスボンベとしてもよい。
FIG. 5 is a schematic diagram of the daytime of the energy storage system according to
実施の形態1では、太陽電池13に接続された電力貯蔵デバイス1とマンション14等に接続された電力貯蔵デバイス1が各1個ずつの場合を示したが、実施の形態2では、それぞれ2個ずつ接続されている。もちろん電力貯蔵デバイス1の数は、これに限らず多数であってよく、同じ数や同じ容量(kWh)の電力貯蔵デバイス1である必要はない。
In the first embodiment, the case where there is one each of the
また、実施の形態2では、水素ボンベ41と窒素ボンベ42を設置して、共通負極ガスの水素濃度を調整するようになっている。水素濃度モニターで水素濃度を監視し、水素濃度が低すぎる場合には高圧水素ボンベ41から水素ガスを放出して水素濃度を高め、水素濃度が高すぎる場合には高圧窒素ボンベ42から窒素ガスを放出して水素濃度を薄める。共通負極ガスの水素濃度の調整は、日単位でゆっくりと行われる。また、高圧水素ボンベ41と高圧窒素ボンベ42は、空になれば、新しいものに交換する。共通負極ガス配管5の水素濃度が所定閾値以下となった場合に水素濃度を高める為に、水素ボンベ41から水素ガスを供給し、水素濃度が所定閾値以上となった場合に、水素濃度を薄める為に窒素ボンベ42から窒素を供給する。ここで窒素ボンベ42は窒素に限定されるものではなく、不活性ガスであればなんでもよく不活性ガスボンベから供給されてもよい。
In the second embodiment, a
水素濃度モニターには、接触燃焼式水素センサ以外に、例えば、アモルファス水素吸蔵合金(Pd−Cu−Si)を用いた水素センサを用いることができ、酸素が含まれていなくても1〜100%の広い濃度範囲で水素濃度を測定することができ、不活性ガス(窒素や二酸化炭素)や水の影響もほとんど受けない。 In addition to the catalytic combustion type hydrogen sensor, for example, a hydrogen sensor using an amorphous hydrogen storage alloy (Pd—Cu—Si) can be used for the hydrogen concentration monitor, and 1 to 100% even if oxygen is not included. The hydrogen concentration can be measured in a wide concentration range, and is hardly affected by inert gas (nitrogen or carbon dioxide) or water.
なお、共通負極ガス配管5もループ状ではなくても、全体として共通負極ガスが循環される形状になっていればよい。規模が大きくなるほど、水素ガスの発生と消費のアンバランスが解消され、圧力調整器7と共通負極ガスタンク6の圧力管理が容易になる。なお、本実施の形態では実施の形態1と異なる部分を説明した。それ以外の部分については実施の形態1と同様であるとする。
In addition, even if the common negative
実施の形態3.
図6は、この発明の実施の形態3に係る電力貯蔵システムに接続された燃料電池部分の拡大図である。図において、燃料電池燃料極(負極)51は燃料電池の負極、燃料電池電解質膜52は燃料電池の電解質膜、燃料電池空気極(正極)53は燃料電池の正極である。燃料電池単セル54は、燃料電池燃料極(負極)51と燃料電池電解質膜52と燃料電池空気極(正極)53を合わせたセルである。燃料極流路板55は負極側の流路板、空気極流路板56は正極側の流路板である。
FIG. 6 is an enlarged view of a fuel cell portion connected to the power storage system according to
燃料流路57は燃料が通る流路、空気流路58は空気が通る流路である。空気極入口配管59は空気を正極に取り入れる配管、空気極出口配管60は空気が正極を経由して正極から排出する配管である。空気ブロワー61は正極に空気を送り込む装置、脱水装置62は水分を除去する装置、消化ガス改質器63はメタンを水蒸気改質によって水素ガスと二酸化炭素を含む改質ガスに変換する装置である。消化ガス入口配管64は、メタンを取り込む配管、下水処理場消化ガス精製エリア65は、下水処理場からメタンを精製するエリアをいう。図6には燃料電池しか図示されていないが、省略部分に、再生型燃料電池等が複数接続される構成となる。
The
実施の形態3では、電力消費地域において、複数の電力貯蔵デバイス1を接続した共通負極ガス配管5に、さらに水素ガスを消費して電力を発生する燃料電池を接続している。実施の形態1では再生型燃料電池を想定した例を記載しているが、本実施の形態では再生型燃料電池に更に非再生型の燃料電池を追加したものを想定している。いわば、水素ガスを有していて一方向に循環している共通負極ガス配管5の有効利用である。燃料電池としては、固体高分子形燃料電池(PEFC)や固体電解質形燃料電池(SOFC)などを用いることができ、電力消費地域において、各戸に電力と温水を供給することができる。
In the third embodiment, a fuel cell that consumes hydrogen gas and generates electric power is connected to a common negative
燃料電池燃料極51には、共通負極ガス配管5から水素ガスを含む共通負極ガスを取り込んで、水素ガスのみを消費して発電し、脱水装置62で、水分を除去した後、共通負極ガス配管5に排出する。実施の形態1や実施の形態2の場合と違って、水素ガスを発生することなく、完全に消費してしまうので、共通負極ガス配管5に水素ガスを補給する必要が生じる。燃料電池空気極53には、空気ブロワー61によって空気が送り込まれ、酸素を消費して排出される。
The fuel
非再生型燃料電池では水素ガスは燃料電池に消費されるだけで、充電することができないで、共通負極ガスの水素がどんどんと少なくなり欠乏することが考えられる。その為、水素を補充する仕組みとして水素ガスは実施の形態2のような水素タンクから補充してもよいが、次のような方法で水素ガスを補充してもよい。下水処理場に設置された下水処理場消化ガス精製エリア65では、下水汚泥からメタン発酵により、メタンを含む消化ガスを発生させ、脱硫器とシロキサン除去装置(図示せず)を介して、燃料電池にとって有害な硫黄化合物やシロキサンを除去した後、消化ガス改質器63でメタンを水蒸気改質(化学式5)によって水素ガスと二酸化炭素を含む改質ガスに変換し、共通負極ガス配管5に放出する。
In a non-regenerative fuel cell, hydrogen gas is only consumed by the fuel cell and cannot be charged, and it is considered that the common negative electrode gas is steadily decreasing and deficient. Therefore, hydrogen gas may be replenished from the hydrogen tank as in the second embodiment as a mechanism for replenishing hydrogen, but hydrogen gas may be replenished by the following method. In the sewage treatment plant digestion
化学式5(水蒸気改質反応):CH4 +2H2O → CO2 + 4H2。これにより、共通負極ガス配管5には水素濃度が80%で残りが二酸化炭素の水素混合ガスが補給され、燃料電池での水素消費とバランスするので、共通負極ガス貯蔵タンク6による圧力調整のみで、共通負極ガスの水素濃度と圧力が一定の範囲に保たれる。なお、図6では、燃料電池を燃料電池単セル54に代表させて示したが、もちろん多数の単セルを多数積層した積層型燃料電池が用いられてよい。なお、本実施の形態では実施の形態1又は2と異なる部分を説明した。それ以外の部分については実施の形態1又は2と同様であるとする。
Chemical formula 5 (steam reforming reaction): CH4 + 2H2O-> CO2 + 4H2. As a result, the common
実施の形態4.
図7は、この発明の実施の形態4に係る電力貯蔵システムに接続された燃料電池部分の拡大図である。図において、水素分離器66は共通負極ガスから純水素を取り出す装置、水素循環ライン67は取り出した準水素を循環させる管、水素循環ポンプ68は取り出した純水素を水素循環ラインに循環させるポンプをいう。図7には燃料電池しか図示されていないが、省略部分に、再生型燃料電池等が複数接続される構成となる。
FIG. 7 is an enlarged view of a fuel cell portion connected to the power storage system according to
実施の形態3と異なるのは、燃料電池の負極部分の構成である。実施の形態4では、共通負極ガス配管5から水素分離器66を用いて純水素を取り出し、燃料電池燃料極51に供給した後、水素循環ポンプ68を用いて水素循環ライン67を通って、燃料電池燃料極51に循環させる。これにより、燃料電池には常に純水素に近い濃度の水素ガスが供給され、発電能力を高めることが可能になる。また、負荷変動に応じた出力の追従も容易になる効果が得られる。なお、本実施の形態では実施の形態3と異なる部分を説明した。それ以外の部分については実施の形態3と同様であるとする。
The difference from the third embodiment is the configuration of the negative electrode portion of the fuel cell. In the fourth embodiment, pure hydrogen is extracted from the common negative
実施の形態5.
図8は、この発明の実施の形態5に係る電力貯蔵システムに接続された水電解槽部分の拡大図である。図において、水電解槽水素極(負極)71は水電解槽の負極、水電解槽電解質膜72は水電解槽の電解質膜、水電解槽酸素極(正極)73は燃料電池の正極、水電解槽単セル74は、水電解槽水素極(負極)71と水電解槽電解質膜72と水電解槽酸素極(正極)73を合わせたセル、水電解槽水素流路板75は負極側の流路版、水電解槽酸素流路板76は正極側の流路版、水素流路77は水素が通る流路、酸素流路78は酸素が通る流路、水入口配管79は水を正極に取り入れる配管、酸素出口配管80は正極から酸素を排出する配管、水供給ポンプ71は正極に水を送り込む装置、水タンク62は、水を貯蔵するタンクをいう。図8には水電解槽しか図示されていないが、省略部分に、再生型燃料電池等が複数接続される構成となる。
FIG. 8 is an enlarged view of a water electrolyzer part connected to the power storage system according to
実施の形態5では、実施の形態3の複数の燃料電池を備えた電力貯蔵システムの共通負極ガス配管5に、さらに太陽光発電地域において、電力と水を用いて水素ガスを発生する水電解槽を接続している。実施の形態3では、下水処理場に設置された下水処理場消化ガス精製エリア65で、水素ガスと二酸化炭素を発させているが、本実施の形態5では水を電気分解することで水素ガスを発生させる部分が異なる。
In the fifth embodiment, a water electrolyzer that generates hydrogen gas using electric power and water in the solar power generation area in the common negative
水電解槽は、水を電気分解して水素ガスと酸素を生成する装置で、アルカリ形水電解槽と固体高分子形水電解槽が実用的に用いることができる。
実施の形態5では、水は水電解槽酸素極(正極)73から供給して、発生した酸素は大気に廃棄している。水素ガスを含んだ共通負極ガスを共通負極ガス配管5から取り入れて、水電解により、発生した純水素を水電解槽水素極(負極)71で付加して、水を除去した後、水素濃度が上昇した負極ガスを共通負極ガス配管5に戻す。これにより、共通負極ガス配管5には水素ガスが補給され、燃料電池での水素消費とバランスするので、共通負極ガス貯蔵タンク6による圧力調整のみで、共通負極ガスの水素濃度と圧力が一定の範囲に保たれる。なお、本実施の形態では実施の形態3と異なる部分を説明した。それ以外の部分については実施の形態3と同様であるとする。
The water electrolyzer is an apparatus that electrolyzes water to generate hydrogen gas and oxygen. Alkaline water electrolyzers and solid polymer water electrolyzers can be used practically.
In
実施の形態6.
図9は、この発明の実施の形態6に係る電力貯蔵システムに接続された水電解槽部分の拡大図である。図において、水素ポンプ83は水素を送り出すポンプである。図9には水電解槽しか図示されていないが、省略部分に、再生型燃料電池等が複数接続される構成となる。
FIG. 9 is an enlarged view of the water electrolyzer part connected to the power storage system according to
実施の形態5と異なるのは、水電解槽の負極部分の構成のみである。実施の形態6では、水電解で発生した純水素のみを水素ポンプ83を用いて共通負極ガス配管5に供給する。これにより、純水素のみが共通負極ガス配管5に供給されることになる。これによって、実施の形態5の場合よりも、配管が簡素化できる効果がある。具体的には、図8の実施の形態5と比べて、負極ガス入口配管2の配管を必要とせず、簡略化できる。ただし、水電解槽の負極部分の配管については、水素濃度が爆発限界下限を超えるので、水電解槽部分において水素検知器などの安全対策が必要になる。なお、本実施の形態では実施の形態5と異なる部分を説明した。それ以外の部分については実施の形態5と同様であるとする。
The difference from the fifth embodiment is only the configuration of the negative electrode portion of the water electrolysis tank. In the sixth embodiment, only pure hydrogen generated by water electrolysis is supplied to the common negative
なお、実施の形態5及び実施の形態6では、それぞれ図8及び図9に示されているように、水電解槽を水電解槽単セル74に代表させて示したが、もちろん多数の単セルを多数積層した積層型水電解槽が用いられてよい。
In the fifth embodiment and the sixth embodiment, as shown in FIGS. 8 and 9, respectively, the water electrolysis tank is represented by the water electrolysis tank
以上のように、水素濃度上昇手段としては、充電により負極から水素ガスを発生する電力貯蔵デバイス1以外に、都市ガスや消化ガス等を用いたメタンの水蒸気改質器、太陽光発電や風力などの余剰電力を用いた水電解槽、もしくは水素ボンベなどを用いることが可能であり、また、水素濃度下降手段としては、放電により負極で水素ガスを消費する電力貯蔵デバイス1以外に、水素ガスを消費して電力を発生する燃料電池、窒素ボンベ、炭酸ガスボンベやアルゴンガスボンベなどをもちいることができ、本発明の共通負極ガス配管5を用いた電力貯蔵システムをより多様化して広範囲の用途に用いることが可能になる。
As described above, as means for increasing the hydrogen concentration, in addition to the
共通負極ガス配管5全体の平均の水素濃度は、数か所に配置した水素濃度モニターの水素濃度を平均して求めることができるが、この他に、水素濃度上昇手段および水素濃度下降手段の動作による水素発生量と水素消費量および共通負極ガス配管5全体の容積と共通負極ガス配管5の圧力から簡単に計算して算出することもできる。そして、水素濃度上昇手段および水素濃度下降手段を、共通負極ガス配管5全体の平均の水素濃度を一定に保つように運転制御することが望ましい。
The average hydrogen concentration of the entire common negative
1 電力貯蔵デバイス、2 負極ガス入口配管、3 ポンプ、4 負極ガス出口配管、5 共通負極ガス配管、6 共通負極ガス貯蔵タンク、7 圧力調整器、8 ポンプ、9 隔壁、10 太陽光発電地域、11 電力消費地域、12 系統、13 太陽電池、14 マンション等、15 正極充電液タンク、16 正極放電液タンク、17 水素濃度モニター、21 電力貯蔵デバイス1の負極、22 電力貯蔵デバイス1の電解質膜、23 電力貯蔵デバイス1の正極、24 電力貯蔵デバイス単セル、25 負極側流路板、26 正極側流路板、27 負極ガス流路、28 正極液体流路、29 正極充電液配管、30 正極放電液配管、31 正極充電液ポンプ、32 正極放電液ポンプ、41 高圧水素ボンベ、42 高圧窒素ボンベ、51 燃料電池燃料極(負極)、52 燃料電池電解質膜、53 燃料電池空気極(正極)、54 燃料電池単セル、55 燃料極流路板、56 空気極流路板、57 燃料流路、58 空気流路、59 空気極入口配管、60 空気極出口配管、61 空気ブロワー、62 脱水装置、63 消化ガス改質器、64 消化ガス入口配管、65 下水処理場消化ガス精製エリア、66 水素分離器、67 水素循環ライン、68 水素循環ポンプ、71 水電解槽水素極(負極)、72 水電解槽電解質膜、73 水電解槽酸素極(正極)、74 水電解槽単セル、75 水電解槽水素流路板、76 水電解槽酸素流路板、77 水素流路、78 酸素流路、79 水入口配管、80 酸素出口配管、81 水供給ポンプ、82 水タンク、83:水素ポンプ。
1 Power storage device, 2 Negative gas inlet piping, 3 Pump, 4 Negative gas outlet piping, 5 Common negative gas piping, 6 Common negative gas storage tank, 7 Pressure regulator, 8 Pump, 9 Bulkhead, 10 Solar power generation area, DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記水素ガスに不活性ガスを混合した非可燃性の共通負極ガスを一方向に循環させる循環型の共通負極ガス配管と、
前記共通負極ガス配管から分流された前記共通負極ガスを前記複数の電力貯蔵デバイスの各々に供給するそれぞれの負極ガス入口配管と、
前記複数の電力貯蔵デバイスの各々から排出された前記共通負極ガスを前記共通負極ガス配管に合流させるそれぞれの負極ガス出口配管と
を備える電力貯蔵システム。 A plurality of power storage devices that use hydrogen gas when discharging and generate hydrogen gas when charging; and
A circulation type common negative electrode gas pipe that circulates the nonflammable common negative electrode gas in which an inert gas is mixed with the hydrogen gas in one direction;
Each negative gas inlet pipe that supplies the common negative gas branched from the common negative gas pipe to each of the plurality of power storage devices;
And a negative electrode outlet pipe that joins the common negative gas discharged from each of the plurality of power storage devices to the common negative gas pipe.
前記負極ガス出口配管から、前記電力貯蔵デバイスで前記水素ガスが使用された前記共通負極ガスもしくは前記電力貯蔵デバイスで発生した前記水素ガスを混入した前記共通負極ガスが、前記共通負極ガス配管に合流される
ことを特徴とする電力貯蔵システム。 The power storage system according to claim 1,
From the negative electrode outlet pipe, the common negative gas in which the hydrogen gas is used in the power storage device or the common negative gas mixed with the hydrogen gas generated in the power storage device joins the common negative gas pipe. A power storage system characterized by being made.
前記複数の電力貯蔵デバイスのうちの、第一の前記電力貯蔵デバイスが充電する場合に、第二の前記電力貯蔵デバイスが放電する
ことを特徴とする電力貯蔵システム。 The power storage system according to claim 1 or 2,
The second power storage device is discharged when the first power storage device of the plurality of power storage devices is charged.
前記複数の電力貯蔵デバイスは、夜間に充電して昼間に放電する電力貯蔵デバイスと、夜間に放電して昼間に充電する電力貯蔵デバイスを少なくとも含む
ことを特徴とする電力貯蔵システム。 The power storage system according to claim 1 or 2,
The plurality of power storage devices include at least a power storage device that charges at night and discharges in the daytime, and a power storage device that discharges at night and charges in the daytime.
前記共通負極ガスを貯蔵する共通負極ガス貯蔵タンクを更に備え、
前記共通負極ガス貯蔵タンクをバッファにすることで前記共通負極ガス配管内の前記共通負極ガスの圧力を一定に保つ
ことを特徴とする電力貯蔵システム。 The power storage system according to any one of claims 1 to 4,
A common negative electrode gas storage tank for storing the common negative electrode gas;
The electric power storage system characterized by keeping the pressure of the common negative electrode gas in the common negative electrode gas piping constant by using the common negative electrode gas storage tank as a buffer.
前記共通負極ガス配管の水素濃度が閾値以下になった場合に、前記共通負極ガス配管に前記水素ガスを供給する
ことを特徴とする電力貯蔵システム。 The power storage system according to any one of claims 1 to 5,
The power storage system, wherein the hydrogen gas is supplied to the common negative electrode gas pipe when the hydrogen concentration of the common negative gas pipe becomes a threshold value or less.
前記共通負極ガス配管内の前記共通負極ガスの水素濃度が閾値を超える値になった場合に、前記共通負極ガス配管に前記不活性ガスを供給する
ことを特徴とする電力貯蔵システム。 The power storage system according to claim 6,
The power storage system, wherein the inert gas is supplied to the common negative electrode gas pipe when the hydrogen concentration of the common negative electrode gas in the common negative electrode gas pipe exceeds a threshold value.
放電する場合に前記水素ガスを消費し、充電することができない非再生型燃料電池と、
前記共通負極ガス配管から、前記共通負極ガスを前記非再生型燃料電池へ供給する前記負極ガス入口配管を更に
備える電力貯蔵システム。 The power storage system according to any one of claims 1 to 5,
A non-regenerative fuel cell that consumes the hydrogen gas when discharged and cannot be recharged;
The power storage system further comprising the negative gas inlet pipe for supplying the common negative gas from the common negative gas pipe to the non-regenerative fuel cell.
更に、下水処理場の消化ガスのメタンを改質して前記水素ガスを含む改質ガスを生成する消化ガス改質器と、
前記消化ガス改質器から発生した前記改質ガスを前記共通負極ガス配管に供給する前記負極ガス入口配管を更に
備える電力貯蔵システム。 The power storage system according to claim 8,
Furthermore, a digestion gas reformer that reforms the methane of the digestion gas of the sewage treatment plant to generate a reformed gas containing the hydrogen gas,
The power storage system further comprising the negative gas inlet pipe for supplying the reformed gas generated from the digestion gas reformer to the common negative gas pipe.
水の電気分解により水素ガスを発生させる水電解槽と、
前記水電解槽から発生した前記水素ガスを前記共通負極ガス配管に供給する前記負極ガス出口配管を更に
備える電力貯蔵システム。 The power storage system according to claim 8,
A water electrolyzer that generates hydrogen gas by electrolysis of water;
The power storage system further comprising the negative electrode outlet pipe for supplying the hydrogen gas generated from the water electrolysis tank to the common negative electrode gas pipe.
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