JP2002056880A - 水電解装置−固体高分子形燃料電池系発電システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】電気エネルギーの有効利用を図り、ひいては電
力系統の負荷平準化を実現できるシステムを提供する。 【解決手段】少なくとも水電解装置及び固体高分子形燃
料電池を有する発電システムであって、水電解装置によ
る水の電気分解により水素ガスと酸素ガスを製造し、製
造された水素ガス及び酸素ガスをそれぞれ貯蔵し、電力
が必要なときに上記水素ガス及び酸素ガスを取り出し、
これらのガスを固体高分子形燃料電池に導入するにあた
り、当該電池の燃料極に水素ガスを供給し、当該電池の
空気極に酸素ガスを供給することによって、上記電池に
より発電を行うことを特徴とする水電解装置−固体高分
子形燃料電池系発電システム。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水電解装置と固体
高分子形燃料電池とを組み合わせた新規な発電システム
に関する。

【０００２】

【従来技術】近年、昼間の電力需要は大幅に伸びている
のに対し、深夜電力需要の伸びは少なく、昼夜の電力需
要の格差は拡大する一方である。このため、図１に示す
ように、上記格差を是正し、電力系統の負荷平準化を図
る必要がある。

【０００３】かかる格差を是正する方策として、電気温
水器や氷蓄熱による冷暖房の普及を促進して深夜電力需
要を増加させる等の試みがなされているものの、単機で
の消費電力は小さく、電力系統の負荷平準を実現するま
でに至っていない。電力負荷の平準化を実現するための
手段として大型のものでは揚水式発電所があるが、国内
での発電所用地の確保はますます困難になっており、将
来性という点で問題がある。

【０００４】一方、深夜の発電量、特に全発電量に占め
る割合が高い原子力発電の発電量を抑えることも考えら
れる。しかし、原子力発電はその負荷調整幅が狭く、夜
間といえども発電負荷を下げることは事実上不可能であ
る。

【０００５】これとは別に、電気エネルギーを有効利用
するための技術が種々検討されている。例えば、水の電
解分解により水素ガスを発生させ、気体状態又は液化水
素として輸送し、電力消費地で使用する方法が提案され
ている。具体的には、新エネルギー産業技術総合開発機
構(ＮＥＤＯ)で実施されている We-net 計画がある。そ
の概略系統フローを図２に示す。この計画は、カナダの
水力発電の電力を利用して水の電気分解を行い、発生し
た水素ガスを液化水素として日本に輸送し、エネルギー
源として使用するものである。その他にも、砂漠地帯に
設置した太陽電池エネルギーにより水を電解して水素ガ
スを製造する計画が考えられている。いずれの計画も、
基本的には水素エネルギー社会を想定した壮大な計画と
言える。しかし、これらの計画では、水の電気分解で水
素とともに発生する酸素の有効利用については特に考慮
されていない。

【０００６】また、水素エネルギーの利用方法の一つと
して燃料電池を使用することも考えられている。ところ
が、消費地に設置した燃料電池システムでは、水素ガス
の利用は可能であっても、酸素ガスを利用するものでは
ないので発電効率の向上は望めず、エネルギーの有効利
用の面ではなお不十分と言える。

【０００７】現在、ＮaＳ電池やレドックスフロー形電
池の開発も進められているが、発電容量は１ＭＷ程度ま
でが限界であり、大容量化は今後の研究開発を待たなけ
ればならない。

【０００８】さらに、都市ガスを燃料とするリン酸形燃
料電池をＤＳＳ運用することにより電力のピークカット
をすることも考えられるが、改質装置を含めたシステム
では起動・停止に３時間〜４時間以上も必要とし、実用
的なシステムとは言えない。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、電気エ
ネルギーを有効に利用できるシステムは未だ開発途上に
あるというのが現状である。

【００１０】従って、本発明の主な目的は、電気エネル
ギーの有効利用を図り、ひいては電力系統の負荷平準化
を実現できるシステムを提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者は、従来技術の
問題に鑑みて鋭意研究を重ねた結果、特定のシステムが
上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成する
に至った。

【００１２】すなわち、本発明は、少なくとも水電解装
置及び固体高分子形燃料電池を有する発電システムであ
って、水電解装置による水の電気分解により水素ガスと
酸素ガスを製造し、製造された水素ガス及び酸素ガスを
それぞれ貯蔵し、電力が必要なときに上記水素ガス及び
酸素ガスを取り出し、これらのガスを固体高分子形燃料
電池に導入するにあたり、当該電池の燃料極に水素ガス
を供給し、当該電池の空気極に酸素ガスを供給すること
によって、上記燃料電池により発電を行うことを特徴と
する水電解装置−固体高分子形燃料電池系発電システム
に係るものである。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の水電解装置−固体高分子
形燃料電池系発電システムは、少なくとも水電解装置及
び固体高分子形燃料電池を有する発電システムであっ
て、水電解装置による水の電気分解により水素ガスと酸
素ガスを製造し、製造された水素ガス及び酸素ガスをそ
れぞれ貯蔵し、電力が必要なときに上記水素ガス及び酸
素ガスを取り出し、これらのガスを固体高分子形燃料電
池に導入するにあたり、当該電池の燃料極に水素ガスを
供給し、当該電池の空気極に酸素ガスを供給することに
よって、上記燃料電池により発電を行うことを特徴とす
る。

【００１４】 水の電気分解 水の電気分解は、水電解装置により行う。水電解装置の
形式等は特に限定されない。例えば、固体高分子形水電
解装置、ソーダ法水電解装置等の公知の装置を用いるこ
とができる。

【００１５】特に、固体高分子形水電解装置は、水素ガ
ス及び酸素ガスを加圧状態で発生させて貯蔵することが
可能であることから、固体高分子形燃料電池へのガス供
給時に空気ブロワー等の装置が不要となる点で好まし
い。また、加圧動作による水電解反応エネルギーの増加
もわずかであり、効率的なエネルギー貯蔵が可能であ
る。小型又は中規模容量機では固体高分子膜を使用した
水電解装置はすでに実用化されており、これらも本発明
システムの水電解装置として使用できる。

【００１６】 水素ガス及び酸素ガスの貯蔵 水の電気分解で発生した水素ガス及び酸素ガスは、いっ
たん貯蔵される。貯蔵されるガスは、水の電気分解で発
生した水素ガス及び酸素ガスの一部であっても良いし、
あるいは全部であっても良いが、通常は発生したガスの
全部を貯蔵すれば良い。これらのガスは、例えばそれぞ
れ水素タンク及び酸素タンクに貯蔵することができる。
タンクの構造、大きさ等は、公知のものを適宜採用する
ことができる。また、各タンクは、システム中に１基又
は２基以上設けても良い。

【００１７】貯蔵された水素ガス及び酸素ガスは、電力
が必要なときに取り出し、これらガスを固体高分子形燃
料電池に導入する。例えば、夜間に深夜電力を利用して
水の電気分解により水素ガスと酸素ガスを製造し、これ
らをそれぞれ水素タンク及び酸素タンクに貯蔵し、昼間
の電力需要の多いときに水素ガスと酸素ガスを取り出し
て固体高分子形燃料電池に供給して発電すれば良い。発
電により得られた電力は、昼間電力として供給すれば良
い。

【００１８】本発明のシステムにおいて、水素タンクと
酸素タンクのガス貯蔵圧は特に限定されない。高圧ガス
取締法上１０気圧以下であれば規制されないが、水電解
装置の性能面から１０気圧以上、特に１０〜２０気圧程
度とすることも可能である。加圧貯蔵されたガスを取り
出す場合、水素タンク及び酸素タンクの少なくともいず
れか一方のタンクから取り出されるガスのガス圧を制御
できるようにタービン式発電機を設置することもでき
る。例えば、ガス管等のガス払出系統にマイクロタービ
ン発電機等を設置すれば、そのガス圧の制御（減圧）と
同時に、ガスの圧力エネルギーの有効利用を図ることも
できる。発電機としては、タービンを有するものであれ
ば良く、例えばマイクロタービン発電機、膨張タービン
発電機等のような公知のタービン式発電機を使用するこ
とができる。

【００１９】 固体高分子形燃料電池による発電 固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）自体は、公知のもの
を使用することができ、その形式、構造等も特に限定さ
れない。また、固体高分子形燃料電池は、システム中に
１基又は２基以上設けても良い。

【００２０】燃料電池の形式としてはアルカリ形、リン
酸形、固体高分子形、溶融炭酸塩形、固体電解質形等の
燃料電池がある。本発明システムを昼夜の電力需要の格
差解消のために利用する場合、昼間の約８〜１０時間の
発電では短い起動停止時間と毎日起動停止運用（ＤＳＳ
運用）が必要となる。このような用途にはアルカリ形、
リン酸形、固体高分子形等の燃料電池に適応性がある。
この中でも、純水素ガスと純酸素ガスを直接使用して高
電圧としても腐食のおそれがなく、しかも低温動作のた
めに起動停止が早く、他の型式よりも建設コストが安く
できる等の点において、本発明では固体高分子形燃料電
池を用いる。一般に、固体高分子形燃料電池の電池寿命
については、ＤＳＳ運用で８時間／１日で１５年間使用
した場合では、 ８時間／１日×３６５日×１０年間×０．８（設備利用
率）＝３５，０４０時 間となる。これは、現在の固体高分子形燃料電池のセル
寿命の開発目標４万時間に相当するものであり、実用に
十分耐え得る。

【００２１】固体高分子形燃料電池の動作圧力として、
常圧型、加圧型等のいずれも採用でき、用いる燃料電池
の形式、システムの運転条件等に応じて適宜採択すれば
良い。設備コスト、信頼性等の点から言えば常圧型で十
分であるが、ガスタンクの圧力を利用する場合には１０
気圧以下（特に１〜７気圧）での加圧変圧型システムと
することが好ましい。加圧変圧型により、全負荷領域で
高い発電効率を達成することが可能である。

【００２２】 固体高分子形燃料電池で生成する水の
利用 本発明システムでは、必要に応じて、固体高分子形燃料
電池において水素と酸素の反応により生成する水を回収
し、回収した水（回収水）の一部又は全部を水電解装置
による水の電気分解に用いることもできる。すなわち、
本発明システムでは、回収水を上記水電解装置に循環す
ることにより、回収水の有効利用を図ることができる。

【００２３】本発明システムでは、水電解用の水をすべ
て外部の市水や工業用水から供給することも可能であ
る。但し、この場合には大きな純水製造装置を必要とす
る分だけ、水処理コスト等が高くなる。一方、本発明シ
ステムにおいては、燃料電池における水素ガスと酸素ガ
スとの反応により純水に近い良質の水が生成されるの
で、この水を水電解用としても好適に利用することがで
きる。このように、回収水の一部又は全部を水電解用と
して利用すれば、水電解用の水供給の低コスト化、ひい
ては発電効率をより高めることが可能になる。

【００２４】具体的には、固体高分子形燃料電池の発電
時に水素ガスと酸素ガスとの反応により燃料極及び空気
極では水蒸気が発生する。この水蒸気は排空気及び排燃
料ガス中に含まれるが、水蒸気は冷却器等により冷却さ
れ、凝縮水（ドレン水）として回収することができる。
このドレン水はシステム外から供給する市水や工業用水
よりもはるかに純度が高いため、そのまま電解用水とし
て使用できるが、必要な処理を施してから使用しても良
い。

【００２５】また、燃料電池で生成される水は、理論的
には水電解に必要な水と同量の水が生成されるので、回
収水の全部で必要な電解用水をまかなうことも可能であ
るが、蒸発等により若干の水ロスが生じる場合もある。
従って、このような場合は、必要に応じて、不足する水
をシステム外から適宜供給すれば良い。

【００２６】得られた回収水は、通常は専用のタンク
（純水タンク）に蓄えられる。必要に応じて、回収水の
一部又は全部を水電解装置に供給することも可能であ
る。純水タンクは、必要により１基又は２基以上設けて
も良い。また、純水タンクには、必要に応じてボトミン
グヒーター等の加熱装置を設けても良い。

【００２７】 固体高分子形燃料電池で発生する熱の
利用 本発明システムでは、固体高分子形燃料電池で発生する
熱の一部又は全部を用いて回収水を加熱（保温も含む。
以下同じ）することもできる。本発明システムでは、水
循環系統、特に純水タンクに固体高分子形燃料電池の排
熱を利用して加熱・保温し、水電解時の効率を向上させ
ることができ、これにより余熱の有効利用が可能とな
る。

【００２８】表１には、本発明システムにおける排熱発
生箇所、利用熱条件及び熱利用先の一例を示す。

【００２９】

【表１】

【００３０】電池冷却水では約６０℃の温水、電池スタ
ックでは約４０〜６０℃の温水がそれぞれ得られる。こ
れらの温水（熱）は、水タンクの加熱保温、外部からの
補給水の昇温又は予備加熱、燃料電池で使用される水素
ガスや酸素ガスの予備加熱用（ガスタンクの保温用）等
に使用される。

【００３１】このように、これら温水の熱エネルギーで
水タンクの加熱等を行うことにより、その熱利用を実現
することができる。これらの熱エネルギーは、単独で又
は２以上を組み合わせて利用することができる。また、
必要に応じて、ボイラー、電気ヒータ等により外部から
熱エネルギーを供給することもできる。

【００３２】回収水（電解用水）を加熱する場合の温度
は、設備の種類、システムの運転条件等に応じて適宜設
定すれば良い。図３には、固体高分子形水電解装置にお
ける電解温度と電解電圧との関係を示す。図３に示すよ
うに、より高い温度（通常８０〜１００℃程度）で水を
加熱する場合の方が電解効率面で優れている。このた
め、本発明システムにおいても、電解用水を予め８０℃
以上に加熱することにより、電解効率をより向上させる
ことが可能となる。一方、上記温水はせいぜい６０℃で
ある。このため、電解用水を８０℃以上に加熱する場合
は、例えば６０℃までの加熱には上記温水の熱エネルギ
ーを利用し、６０℃以上の加熱はヒーター等の加熱装置
を利用すれば良い。

【００３３】

【発明の効果】本発明は、固体高分子形燃料電池と水電
解装置を組み合わせたシステムとして、水の電気分解に
より水素ガスと酸素ガスを製造し、水素ガス及び酸素ガ
スを水素タンク及び酸素タンクにそれぞれ貯蔵し、電力
が必要なときに、水素ガス及び酸素ガスを固体高分子形
燃料電池に導入して発電し、電力を供給するシステムで
ある。

【００３４】例えば、電力需要の少ない深夜電力を利用
して水電解装置により水の電気分解を行い、発生した水
素ガスと酸素ガスを貯蔵しておき、電力需要の多い昼間
にこれらのガスを用いて固体高分子形燃料電池により発
電することによって、深夜電力のような余剰電力の有効
利用を図るものである。本発明システムでは、電力系統
の負荷平準化に寄与することができる。

【００３５】すなわち、本発明システムは、電力設備、
特に発電設備の負荷平準化の役割を担うものであり、従
来において揚水式発電所が行っている役割と同様の役割
を果たすものである。

【００３６】また、本発明システムでは、燃料電池の還
元剤及び酸化剤として水素ガス及び酸素ガスを使用する
ために改質系統が不要となる。従って、起動時間が３時
間を超えるような都市ガス燃料の燃料電池と異なり、本
発明システムではＤＳＳ運用が比較的容易に実現でき
る。

【００３７】さらに、本発明システムでは、水の電気分
解では生成する水素ガスと酸素ガスとも燃料電池の反応
ガスとして使用できるので、資源の有効利用、発電効率
の向上等にも貢献できる。

【００３８】

【作用】本発明システムは、都市ガス利用等の改質が必
要なシステムとは異なり、水素ガスを直接利用するため
に改質器等の改質ガス系統のないシステム構成となる。
また、燃料電池のカソードにおいて主として酸素ガスを
使用するので、空気を使用する場合と比較して空気ブロ
ワーの容量が大幅に少なくなり、補機動力がかなり減少
する。

【００３９】図４に常圧型固体高分子形燃料電池におけ
る電流密度−平均セル電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）を示す。
実線は純水素ガスと空気を使用した場合のＩ−Ｖ特性を
示す。本発明のシステムにおいて水素ガス（純水素ガ
ス）と酸素ガス（純酸素ガス）を使用できるので、空気
極の電位が向上し、図４の破線で示すような予想線とな
る。全負荷範囲でセル電圧は１００ｍＶ程度向上する。
固体高分子形燃料電池ではセル電圧が０．８Ｖを超えて
も腐食等のおそれがなく、高電位にできるため、高効率
での発電が可能となる。運転電圧の設定は、電流密度と
セル数（コスト）との関係で決まるが、定置式燃料電池
では効率を重視し、運転電位をできるだけ高電位にする
ことが好ましい。

【００４０】水電解装置と固体高分子形燃料電池を組み
合わせた発電システムの水電解装置には高効率の固体高
分子形水電解装置を採用することが好ましい。この固体
高分子形水電解装置は加圧状態でも水電解効率は基本的
に変化しない。このため、ガス圧縮機等を使用しなくて
も、上記水電解装置で発生した水素ガス及び酸素ガスを
加圧状態でそのまま貯蔵することができる。この加圧に
は、一般的に５ＭＷシステムで数百ＫＷのかなり大きな
圧縮動力を必要とするのに対し、固体高分子形水電解装
置ではそのような動力を補う必要がない点において、補
機動力の省略化によるエネルギー低減効果は大きい。

【００４１】また、加圧貯蔵されている水素ガス及び酸
素ガスを固体高分子形燃料電池の動作圧力まで減圧する
場合、ガス圧を利用できるマイクロガスタービン発電機
等をシステム内に設置すれば、減圧装置として機能する
だけでなく、その圧力エネルギーも有効に利用すること
ができる。

【００４２】

【実施例】以下に実施例を示し、本発明をさらに詳細に
説明する。但し、本発明の範囲は、実施例に限定される
ものではない。

【００４３】実施例１ 図５に本発明システムの概要を示す。このシステムは主
要設備として、送受電設備（１）、固体高分子形水電解
装置（２）、水素タンク（３）、酸素タンク（４）、固
体高分子形燃料電池（５）、純水タンク（６）等から構
成される。

【００４４】例えば、夜間は送受電設備（１）を通じて
深夜電力を受電し、固体高分子形水電解装置（２）にお
ける水の電気分解に必要な電力として使用する。送受電
設備には、電力系統の交流電力を水電解装置が必要な直
流電力に変換する直交変換装置、所定の電圧に制御する
ための変圧器等が含まれる。

【００４５】また、水の電気分解に必要な水は純水タン
ク（６）から供給される。この水の性状は純水が必要な
ために補給純水タンクには純水を貯蔵する必要がある。
全ての電解用水を外部の市水又は工業用水から供給する
ことは大かがりな水処理装置を必要とし、水処理コスト
も高くなるのに対し、燃料電池での生成水は不純物が少
なく、そのまま水電解に利用できることから、水電解に
おいて燃料電池の生成水を再利用するシステムが好まし
い。すなわち、固体高分子形燃料電池において水素と酸
素の反応により生成する水蒸気（生成水）をドレン水と
して回収し、この回収水の一部又は全部を水電解装置に
よる水の電気分解に用いることができる。このようなシ
ステムも本発明に包含される。

【００４６】固体高分子形水電解装置（２）で製造され
た水素ガス及び酸素ガスは、それぞれ水素タンク（３）
及び酸素タンク（４）に貯蔵される。貯蔵するためのガ
ス加圧は、固体高分子形水電解装置（２）の電解時の圧
力をタンクの圧力よりも高く設定することにより可能と
なる。ガスタンク寸法は発電容量、ガスタンクの圧力等
により適宜設定すれば良い。

【００４７】このように、昼間の固体高分子形燃料電池
の発電に必要な量の水素ガス及び酸素ガスをそれぞれ水
素タンク（３）及び酸素タンク（４）に貯蔵すれば良
い。

【００４８】昼間には、固体高分子形燃料電池（５）で
発電を行うが、水素ガスは水素タンク（３）から、酸素
ガスは酸素タンク（４）からそれぞれ供給される。ガス
タンクではガスは加圧貯蔵されているために固体高分子
形燃料電池（５）の動作圧力（通常は常圧）まで下げる
必要がある。この場合、水素ガス払出系統と酸素ガス払
出系統にそれぞれ小型マイクロタービン発電機（７）
（８）を設置することにより、動作圧力を減圧でき、同
時に圧力エネルギーを電気エネルギーとして回収するこ
とができる。

【００４９】固体高分子形燃料電池（５）の発生電力
は、送受電設備（１）に送り、交流に変換され、所定の
電圧に昇圧して送電する。小型マイクロタービン発電機
（７）（８）で発生した電力は、所内動力用（本発明シ
ステム用）として使用しても良いし、あるいは送電系統
に送電しても良い。

【００５０】発電時に生じる水はスタックから排出され
るが、オフガス冷却器（９）を通じて冷却されてドレン
水として回収され、純水タンク（６）に貯蔵される。貯
蔵された水は、水電解装置に循環させて電解用水として
利用することができる。

【００５１】電池冷却水はガス予熱器（１３）を通り、
水素ガス及び酸素ガスを加熱し、熱交換機（１０）で冷
却される。

【００５２】水電解装置の電解用水は純水タンク（６）
で保温されているが、水分解の際に電気ヒーター加熱器
（１１）により所定の温度まで昇温する。電気ヒーター
の電力は低コストの深夜電力を利用することが望まし
い。

【００５３】また、図６に本発明システムで使用する各
設備の立体配置図を示す。図６では、外部からの電力が
変電所を経て水電解装置に送電される。水電解装置に
は、燃料電池に連結された純水タンクから水が供給され
る。固体高分子形燃料電池は６基が配置されており、各
燃料電池の生成した水が純水タンクで蓄えられる構成に
なっている。燃料電池には、水素ガス及び酸素ガスがそ
れぞれ水素タンク及び酸素タンクから供給される。冷却
塔は、システムで利用できない低温の排熱や季節により
過剰となる熱を放出するために設置されている。

【００５４】参考例１ 本発明システムの効率改善効果を固体高分子形燃料電池
を使用した場合で概算した。

【００５５】固体高分子形燃料電池の発電効率は定格負
荷で純水素と純酸素を使用するために常圧型でもセル電
圧は０．８Ｖと高くなり、発電効率は約６５％となる。
４気圧の加圧変圧型で０．９Ｖと発電効率は約７３％と
なる。

【００５６】また、固体高分子形水電解装置の電解効率
は約９７％と高く、これを組み合わせた固体高分子形水
電解装置−固体高分子形燃料電池の燃料電池スタックの
送電端効率は常圧型で約６１．０％、加圧変圧型で約６
８．８％となる。

【００５７】 常圧型 ： 0.97（水電解装置）× 0.65(PEFC)× 0.97(INV)＝61.0% 加圧変圧型： 0.97（水電解装置）× 0.73(PEFC)× 0.97(INV)＝68.8% このシステムでは所内動力も低減する効果が期待され
る。水電解装置で製造した水素ガスと酸素ガスをコンプ
レッサーで昇圧する場合、１０気圧で４５０ＫＷ（水素
ガス圧縮機約３００ＫＷ、酸素ガス圧縮機約１５０Ｋ
Ｗ）の大きな所内動力を必要とする。これに対し、本発
明システムでは、水電解装置を加圧動作することによる
この動力は不要となる。

【００５８】また、本発明システムではタービン発電機
を使用した場合には、それによる出力の増加が得られ
る。水素ガスと酸素ガスの減圧用マイクロタービン発電
機の出力は水素ガスで約２５ＫＷ程度,酸素ガスで約１
２ＫＷ程度の発電容量となる。これらの駆動エネルギー
は本発明システム内で自給できるものであり、外部から
追加して投入する必要はない。

【００５９】このため、システム総合の発電効率として
は 常圧型 ： 61.0%×5037/5000＝61.5% 加圧変圧型： 68.8%×5037/5000＝69.3% と高い効率が期待できる。深夜電力の発電単価は６円／
ｋＷｈとすると、昼間の発電単価は常圧型９．８円／ｋ
Ｗｈ、加圧変圧型８．６円／ｋＷｈ程度となる。

【００６０】水電解装置−固体高分子形燃料電池発電の
システムにあって、水電解装置の水の電気分解に必要と
する水の水質は純水である。この純水を市水や工業用水
から製造すると大型の水処理設備（大規模なイオン交換
膜）により水処理をする必要があるが、水処理設備の建
設費とランニングコストに多大な費用を必要とする。一
般に、イオン交換膜による純水の製造には１トン当たり
２０００円程度かかるとされている。

【００６１】５ＭＷの固体高分子形燃料電池システムを
１日８時間運転するのに必要な水素量は２８８００Ｎｍ
³であり、これを製造するに必要な水量は２３２００ｋ
ｇ／日であり、その水コストは５０千円／日である。

【００６２】このように、固体高分子形燃料電池の水を
回収して水電解に使用することにより水処理の経費削減
が可能となる。また、水の循環サイクルが可能なため
に、外部からの水補給は極力少なくて済み、水資源の少
ない砂漠、山中等にも本発明システムは設置可能とな
る。

【００６３】また、水電解用の水の加熱に関し、必要な
純水を例えば１５℃から８０℃に昇温するために必要な
エネルギーは (80-15)×23,200kg=1,508,000kcalによ
り１，５０８，０００ｋｃａｌとなる。１５℃から約５
０℃までの昇温に排熱を利用する場合、約５０℃から８
０℃までは電気ヒーターで加熱することとなり、そこで
必要な電力の熱量は６９６，０００ｋｃａｌとなる。排
熱を利用する場合とそうでない場合の違いを、昼間電力
２４円／ｋｗｈ、深夜電力６円／ｋｗｈ、電気ヒーター
の効率を９５％として計算すると 昼間排熱＋夜間電気ヒーター併用 ８１０ｋｗｈ ４８５７円 夜間電気ヒーターのみ １，７５４ｋｗｈ １０５２３円 以上の結果より、昼間排熱＋夜間電気ヒーター併用の場
合の方が６千円／日程度のコスト削減効果が得られる。
これを年間に換算すると、設備効率８０％として１７５
万円程度の経費削減効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による電力系統の負荷平準化効果を説明
する図である。

【図２】Ｗe-net計画の概略系統フロー図である。

【図３】固体高分子形水電解装置における電解温度と電
解電圧との関係を示す図である。

【図４】本発明による固体高分子形燃料電池のＩ−Ｖ特
性の変化を示す図である。

【図５】本発明の水電解装置−固体高分子形燃料電池の
発電システム例を示す系統図である。

【図６】本発明システムで使用する各設備の立体配置例
の概要図である。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】少なくとも水電解装置及び固体高分子形燃
   料電池を有する発電システムであって、 水電解装置による水の電気分解により水素ガスと酸素ガ
   スを製造し、製造された水素ガス及び酸素ガスをそれぞ
   れ貯蔵し、 電力が必要なときに上記水素ガス及び酸素ガスを取り出
   し、これらのガスを固体高分子形燃料電池に導入するに
   あたり、当該電池の燃料極に水素ガスを供給し、当該電
   池の空気極に酸素ガスを供給することによって、上記燃
   料電池により発電を行うことを特徴とする水電解装置−
   固体高分子形燃料電池系発電システム。
2. 【請求項２】水電解装置が、固体高分子形水電解装置で
   ある請求項１記載のシステム。
3. 【請求項３】固体高分子形燃料電池が、動作圧力１〜７
   気圧の範囲で変圧運転される請求項１又は２に記載のシ
   ステム。
4. 【請求項４】水素ガス及び酸素ガスを貯蔵するための水
   素タンク及び酸素タンクをそれぞれ有し、少なくともい
   ずれか一方のタンクから取り出されるガスのガス圧を制
   御できるように発電機が設置されている請求項１〜３の
   いずれかに記載のシステム。
5. 【請求項５】固体高分子形燃料電池で発生する水蒸気の
   圧力を電気エネルギーに転換できるようにタービン式発
   電機が設置されている請求項１〜４のいずれかに記載の
   システム。
6. 【請求項６】固体高分子形燃料電池において水素と酸素
   の反応により生成する水を回収し、回収した水の一部又
   は全部を水電解装置による水電解に用いる請求項１〜５
   のいずれかに記載のシステム。
7. 【請求項７】固体高分子形燃料電池で発生する熱の一部
   又は全部を用いることにより電解用水を加熱する請求項
   ６記載のシステム。
8. 【請求項８】水電解装置による水の電気分解を深夜電力
   を用いて行い、固体高分子形燃料電池により発電された
   電力を昼間電力として供給する請求項１〜７のいずれか
   に記載のシステム。