JP2005179106A - 高圧水素製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水素生成装置により生成された高圧の水素ガスから分離された水分に含まれる溶存水素を容易に回収して利用できる高圧水素製造装置を提供する。
【解決手段】水分を含む水素を生成し、所定の圧力で放出する水素生成装置２と、生成された水素から水分を分離して水素を回収する第１の気液分離装置３と、気液分離装置３から分離された水分を減圧して排出する減圧装置４とを備える。減圧装置４から排出される水分から溶存水素を分離して水素を回収する第２の気液分離装置５を備える。気液分離装置５で回収された水素を圧縮して、気液分離装置３で回収された水素に加える水素圧縮装置１１を備える。水素圧縮装置１１は、固体高分子型水素圧縮装置４１である。水素生成装置２は、固体高分子型水電解装置２１である。固体高分子型水電解装置２１は、固体高分子型水素圧縮装置４１と直列かつ一体的に接続されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高圧水素製造装置に関するものである。

従来、固体高分子電解質膜を１対の触媒層で挟持すると共に、該触媒層の上にそれぞれ電極を積層した構成を備える水電解セルを用い、該触媒層に水を供給する一方、該電極に電圧を印加することにより水を電気分解して水素を生成する水素生成装置が知られている（例えば特許文献１参照）。

前記水素生成装置によれば、前記触媒層に例えばＫＯＨ等の電解質の水溶液を原料水として供給しながら、前記電極に電圧を印加することにより水の電解が行われ、陽極側に水素イオンと酸素とが生成する。前記電解により生成した水素イオンは、前記固体電解質膜を透過して陰極側に移動しで電子を受け取り、水素を生成する。この結果、陽極側には酸素を含む電解質水溶液が得られ、陰極側には水素ガスが得られる。

前記水素ガスは、前記電極に印加される電圧により強制的に陰極側に移動せしめられるので、陰極側に容易に高圧の水素ガスを得ることができる。ところが、前記水素イオンは前記固体電解質膜を透過する際に水和イオンとなっており水を伴っている。このため、陰極側に得られる前記水素ガスは、水分を含むものとなっている。

そこで、前記水素生成装置の下流に気液分離装置を備え、該気液分離装置の下流にさらに減圧装置を備えた高圧水素製造装置が知られている。前記高圧水素製造装置では、まず、前記気液分離装置により、該水素生成装置の陰極側で得られた前記水素ガスから水分を分離し、高圧の水素ガスだけを取り出す。前記高圧の水素ガスは、自動車等に搭載される燃料電池の燃料として、或いは各種工業用途に供給される。

一方、前記気液分離装置により、前記水素生成装置の陰極側で得られた前記水素ガスから分離された水分は、それ自体高圧であるので、前記減圧装置で常圧に減圧されて排出され、このとき溶存水素を放出する。前記溶存水素を放出した水分は、そのまま廃棄されるか、あるいは前記水素生成装置の原料水として再利用される。

しかしながら、前記溶存水素は、前記気液分離装置から取り出される高圧の水素の約３モル％に相当するので、該水素を回収して利用することが望まれる。
特表２００３−５２３５９９号公報 特開平９−１６９５０１号公報 特開２００３−８２４８６号公報

本発明は、かかる事情に鑑み、水素生成装置により生成された高圧の水素ガスから分離された水分に含まれる溶存水素を容易に回収して利用することができる高圧水素製造装置を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、本発明の高圧水素製造装置は、水分を含む水素を生成し、所定の圧力で放出する水素生成装置と、該水素生成装置で生成された水素から水分を分離して水素を回収する第１の気液分離装置と、該気液分離装置から分離された水分を減圧して排出する減圧装置とを備える高圧水素製造装置において、該減圧装置から排出される水分から溶存水素を分離して水素を回収する第２の気液分離装置を備えることを特徴とする。

本発明の高圧水素製造装置では、前記水素生成装置で生成された所定の圧力の水素は、前記第１の気液分離装置で水分と分離されて回収される。前記第１の気液分離装置で分離された水分は、それ自体前記所定の圧力となっているので、前記減圧装置で減圧して排出される。前記減圧の結果、前記水分に溶解している溶存水素は、該水分から放出される。

このとき、本発明の高圧水素製造装置によれば、前記第２の気液分離装置を備えているので、前記減圧装置から排出された水分を該第２の気液分離装置に供給して気液分離することにより、該水分から放出される前記溶存水素を回収することができる。

前述のようにして回収された水素は、高圧水素製造装置の効率を高めるためには、前記第１の気液分離装置で回収された水素に加えることが望まれる。しかし、前記第２の気液分離装置で回収された水素は、前記第１の気液分離装置で回収された水素よりも低圧であるので、そのままでは該第１の気液分離装置で回収された水素に加えることができない。

そこで、本発明の高圧水素製造装置は、前記第２の気液分離装置で回収された水素を圧縮して、前記第１の気液分離装置で回収された水素に加える水素圧縮装置を備えることを特徴とする。本発明の高圧水素製造装置によれば、前記第２の気液分離装置で回収された水素を前記水素圧縮装置で圧縮して圧を高めることにより、前記第１の気液分離装置で回収された水素に加えることができ、装置の効率を高くすることができる。

前記水素圧縮装置としては、機械式の圧縮機を用いることも考えられるが、該圧縮機は一般に大型であり、水素の流量が小さいと効率が低く、コスト増が避けられない。そこで、本発明の高圧水素製造装置において、前記水素圧縮装置は、固体高分子電解質膜を１対の触媒層で挟持すると共に、該触媒層の上にそれぞれ電極を積層した構成を備える固体高分子型水素圧縮装置であることが好ましい。前記固体高分子型水素圧縮装置は、該電極に電圧を印加することにより陽極側の触媒層に供給した水素を該触媒層でイオン化し、生成した水素イオンを両電極間の電位差により陰極側に強制的に移動せしめ、陰極側の触媒層で電子を与えて再び水素を生成させるというものである（例えば特許文献２，３参照）。前記固体高分子型水素圧縮装置によれば、小型化が容易であり、水素の流量が小さい場合にも効率よく水素の圧縮を行うことができる。

また、本発明の高圧水素製造装置において、前記水素生成装置は、固体高分子型水電解装置であることを特徴とする。前記固体高分子型水電解装置は、固体高分子電解質膜を１対の触媒層で挟持すると共に、該触媒層の上にそれぞれ電極を積層した構成を備えており、前記高分子型水素圧縮装置と共通の構成を備えている。従って、前記水素生成装置として固体高分子型水電解装置を用いることにより、該固体高分子型水電解装置を、前記高分子型水素圧縮装置と直列かつ一体的に接続することができ、高圧水素製造装置全体の構成を簡単なものにすることができる。

次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。図１は本発明の第１の実施形態の高圧水素製造装置の構成を示すシステム構成図、図２は図１の水素生成装置の構成を示す説明的断面図、図３は図１の水素圧縮装置の構成を示す説明的断面図である。また、図４は本発明の第２の実施形態の高圧水素製造装置の構成を示すシステム構成図、図５は図４の水素生成装置及び水素圧縮装置の構成を示す説明的断面図である。

次に、図１乃至図３を参照して、本発明の第１の実施形態について説明する。

図１に示すように、本実施形態の高圧水素製造装置１は、水素生成装置２と、水素生成装置２で生成された水素から水分を分離して水素を回収する第１気液分離装置３と、気液分離装置３から分離された水分を減圧して排出する減圧装置４と、減圧装置４から排出される水分から溶存水素を分離して水素を回収する第２気液分離装置５とを備えている。水素生成装置２と気液分離装置３とは第１導管６で接続されており、気液分離装置３は分離された水素を回収する第２導管７と、分離された水分を排出する第３導管８とを備えている。第３導管８は、減圧装置４を経由して気液分離装置５に接続されている。

気液分離装置５は、分離された水素を回収する第４導管９と、分離された水分を排出する第５導管１０とを備えている。本実施形態では、第４導管９は気液分離装置３に接続されており、第４導管９の途中に水素圧縮装置１１が介装されている。

水素生成装置２としては、図２（ａ）に示す固体高分子型水電解装置２１を用いることができる。固体高分子型水電解装置２１は、固体電解質膜２２を一対の触媒層２３，２４で挟持し、触媒層２３，２４の上にセパレータ２５，２６を積層し、さらにセパレータ２５の上に陽極２７、セパレータ２６の上に陰極２８を積層した構成を備えている。陽極２７、陰極２８は、図示しない電源装置に接続されている。

セパレータ２５には気液通路２９が形成されており、気液通路２９は下部で給水管３０に連通し、上部では排水管３１に連通している。また、セパレータ２６にはガス通路３２が形成されており、ガス通路３２は上部で第１導管６に連通している。

固体高分子型水電解装置２１では、給水管３０からセパレータ２５の気液通路２９に例えばＫＯＨ等の電解質の水溶液を原料水として供給しながら、陽極２７、陰極２８に電圧を印加することにより、水の電解が行われ、気液通路２９に水素イオンと酸素とが生成する。前記電解により生成した水素イオンは、陽極２７、陰極２８間の電位差により固体電解質膜２２を透過して陰極２８側に強制的に移動せしめられ、陰極２８側で電子を受け取って水素を生成する。この結果、気液通路２９には酸素を含む電解質水溶液が得られ、ガス通路３２には高圧の水素ガスが得られる。前記酸素を含む電解質水溶液は排水管３１から排出され、前記高圧の水素ガスはガス通路３２から第１導管５に所定の圧力Ｐ₁（例えば４００気圧）で放出される。

固体高分子型水電解装置２１は、図２（ｂ）に示すように、固体電解質膜２２、触媒層２３，２４、セパレータ２５，２６を１つのセル３３として複数のセル３３を積層するようにしてもよい。この場合、隣接するセル３３の間では、一方のセル３３の陰極側のセパレータ２６に、他方のセル３３の陽極側のセパレータ２５を接続することにより、両セル３３間の陽極２７、陰極２８を省略できるので、積層された複数のセル３３の両端に陽極２７、陰極２８を配設すればよい。また、この場合、両セル３３間のセパレータ２５，２６を一体化して、陽極２７に近い側にガス通路３２、陰極２８に近い側に気液通路２９を備えるセパレータ３４としてもよい。

図２（ｂ）に示す固体高分子型水電解装置２１では、給水管３０、排水管３１は、各セパレータ２５，３４の気液通路２９に並列に接続され、第１導管６は、各セパレータ２６，３４のガス通路３２に並列に接続される。

次に、水素圧縮装置１１としては、図３に示す固体高分子型水素圧縮装置４１を用いることができる。固体高分子型水素圧縮装置４１は、セパレータ２５，２６にガス通路４２，４３が形成されており、ガス通路４２の下部が第２の気液分離装置５側の第４導管９ａに連通し、ガス通路４３の上部が第１の気液分離装置５側の第４導管９ｂに連通していることを除いて、図２（ａ）に示す固体高分子型水電解装置２１と全く同一の構成を備えている。

固体高分子型水素圧縮装置４１では、第４導管９ａから陽極２７側のガス通路４２に低圧、例えば常圧の水素を供給しながら陽極２７、陰極２８に電圧を印加すると、水素が電子を失って水素イオンを生成する。この水素イオンは、陽極２７、陰極２８間の電位差により、強制的に固体電解質膜２２を透過して陰極２８側に移動せしめられる。そして、前記水素イオンが陰極２８側で電子を受け取って水素を生成することにより、陰極側のガス通路４３に、より圧力の高められた水素ガスが得られる。前記圧力の高められた水素ガスは、ガス通路４３から第４導管９ｂに放出される。

次に、本実施形態の高圧水素製造装置１の作動について説明する。

本実施形態の高圧水素製造装置１では、図示しない電源装置が作動することにより、水素生成装置２（固体高分子型水電解装置２１）で水素の生成が開始され、生成された水素は所定の圧力Ｐ₁（例えば４００気圧）で第１導管６に放出される。前記のようにして生成された水素は、１モル当たり約５．８モルの水分を含んでいる。

そこで、次に前記圧力Ｐ₁の水素を第１導管６を介して第１気液分離装置３に供給する。第１気液分離装置３は、前記水素から水分を分離し、高圧の水素だけを第２導管７から放出する。一方、第１気液分離装置３で前記水素から分離された前記水分は、それ自体高圧であるので、第３導管８を介して減圧装置４に供給されて常圧に減圧される。

前記水分は、減圧装置４により常圧に減圧されると、高圧下で溶存していた水素が気化して放出されるが、本実施形態では該水分を第３導管８を介して第２気液分離装置５に供給し、該水分から放出される水素を回収する。前記水分に溶存している水素は、水素生成装置２生成された水素の圧力Ｐ₁が４００気圧である場合、第１気液分離装置３で分離回収される水素の約３モル％に相当する。

第２気液分離装置５で回収された常圧の水素は、そのまま各種工業用途に用いることもできるが、本実施形態では第４導管９ａを介して水素圧縮装置１１（固体高分子型水素圧縮装置４１）に供給される。前記常圧の水素は、水素圧縮装置１１で水素生成装置２から第１導管６に放出される水素の圧力Ｐ₁と同程度まで圧が高められた後、第４導管９ｂを介して第１気液分離装置３に送られ、水素生成装置２生成された水素と共に、第２導管７から回収される。

また、第２気液分離装置５で分離された常圧の水分は、第５導管１０から排出される。前記常圧の水分は、そのまま廃棄してもよく、水素生成装置２の原料水として再利用してもよい。

尚、本実施形態では、水素圧縮装置１１として固体高分子型水素圧縮装置４１を用いているが、固体高分子型水素圧縮装置４１に代えてコンプレッサー等の機械式の圧縮装置を用いるようにしてもよい。但し、前記機械式の圧縮装置を用いるときに、第４導管９ａから供給される常圧の水素の流量が小さいと効率が低く、コスト増を招くことがある。

次に、図４を参照して、本発明の第２の実施形態について説明する。

本実施形態の高圧水素製造装置１は、水素生成装置２（固体高分子型水電解装置２１）の下流側に水素圧縮装置１１（固体高分子型水素圧縮装置４１）が直列に接続されて一体化されており、水素圧縮装置１１が第１導管６を介して第１気液分離装置３に接続されていることを除いて、図１に示す高圧水素製造装置１と全く同一の構成を備えている。

本実施形態では、固体高分子型水電解装置２１と、固体高分子型水素圧縮装置４１とは、具体的には図５に示す構造を備えている。固体高分子型水電解装置２１は、図２（ｂ）に示すように複数のセル３３を備えており、最も下流（陰極側）のセル３３に固体高分子型水素圧縮装置４１が接続されている。尚、図５では、触媒層２３，２４は省略して示している。

図５に示す装置では、固体高分子型水電解装置２１の最も下流のセル３３と、固体高分子型水素圧縮装置４１とが共通のセパレータ３５を介して接続されており、固体高分子型水電解装置２１の最も上流のセル３３のセパレータ２５に陽極２７が積層され、固体高分子型水素圧縮装置４１のセパレータ２６に陰極２８が積層されている。また、セパレータ３５は、陽極２７に近い側にガス通路３２、陰極２８に近い側にガス通路４２を備えている。固体高分子型水素圧縮装置４１のガス通路４２は下部で第４導管９に連通し、ガス通路４３は上部で第１導管６に連通している。

図５に示す装置では、固体高分子型水電解装置２１の部分では、前述のように給水管３０から供給される原料水を電解することにより、ガス通路３２に水分を含む高圧の水素が生成し、該高圧の水素が第１導管６に放出される。また、固体高分子型水素圧縮装置４１の部分では、第４導管９からガス通路４２に導入された常圧の水素がイオン化し、陽極２７、陰極２８間の電位差により固体電解質膜２２を透過して陰極２８側に強制的に移動せしめられることにより、ガス通路４３に高圧の水素が生成する。そして、ガス通路４３に生成した高圧の水素は第１導管６に放出され、固体高分子型水電解装置２１の部分から放出される高圧の水素に合流して、共に第１気液分離装置３に供給される。

図４の高圧水素製造装置１は、上述の図５の作動以外は、図１の高圧水素製造装置１と全く同一に作動することができる。

本発明の第１の実施形態の高圧水素製造装置の構成を示すシステム構成図。 図１の水素生成装置の構成を示す説明的断面図。 図１の水素圧縮装置の構成を示す説明的断面図。 本発明の第２の実施形態の高圧水素製造装置の構成を示すシステム構成図。 図４の水素生成装置及び水素圧縮装置の構成を示す説明的断面図。

符号の説明

１…高圧水素製造装置、 ２…水素生成装置、 ３…第１の気液分離装置、 ４…減圧装置、 ５…第２の気液分離装置、 １１…水素圧縮装置、 ２１…固体高分子型水電解装置、 ４１…固体高分子型水素圧縮装置。

Claims (5)

1. 水分を含む水素を生成し、所定の圧力で放出する水素生成装置と、該水素生成装置で生成された水素から水分を分離して水素を回収する第１の気液分離装置と、該気液分離装置から分離された水分を減圧して排出する減圧装置とを備える高圧水素製造装置において、
   該減圧装置から排出される水分から溶存水素を分離して水素を回収する第２の気液分離装置を備えることを特徴とする高圧水素製造装置。
2. 前記第２の気液分離装置で回収された水素を圧縮して、前記第１の気液分離装置で回収された水素に加える水素圧縮装置を備えることを特徴とする請求項１記載の高圧水素製造装置。
3. 前記水素圧縮装置は、固体高分子型水素圧縮装置であることを特徴とする請求項２記載の高圧水素製造装置。
4. 前記水素生成装置は、固体高分子型水電解装置であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の高圧水素製造装置。
5. 前記固体高分子型水電解装置は、前記固体高分子型水素圧縮装置と直列かつ一体的に接続されていることを特徴とする請求項４記載の高圧水素製造装置。

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