JP2006057141A

JP2006057141A - 固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置

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Publication number: JP2006057141A
Application number: JP2004240259A
Authority: JP
Inventors: Katsuya Sasaki; 加津也佐々木; Masayoshi Kondo; 雅芳近藤; Hitoshi Ojiro; 仁志尾白
Original assignee: Hitachi Zosen Corp
Current assignee: Hitachi Zosen Corp
Priority date: 2004-08-20
Filing date: 2004-08-20
Publication date: 2006-03-02
Anticipated expiration: 2024-08-20
Also published as: JP4635514B2

Abstract

【課題】４０〜１２０ＭＰａの高圧水素ガスを得るための設備費用および消費電力をトータルで低く抑えることができる固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置を提供する。
【解決手段】水電解槽2が収められかつ所定圧力に維持される圧力容器3と、圧力容器3外に取り出された水素ガスを昇圧する少なくとも１つの圧縮機34と、昇圧水素ガスを供給するためのディスペンサー38とを備えている。圧力容器3の設計圧力が５〜２０ＭＰａとされており、圧縮機34は、５〜２０ＭＰａの水素ガスを４０〜１２０ＭＰａに昇圧する。
【選択図】図１

Description

この発明は、固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置に関し、特に、燃料電池自動車等に高圧の水素ガスを供給する水素ステーションでの使用に好適な固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置に関する。

従来、この種の水素供給装置として、固体高分子膜を用いて陽極に酸素、陰極に水素を発生させる固体高分子型水電解槽で製造された水素ガスをガス加圧手段を用いて昇圧するものが知られている（特許文献１）。

また、固体高分子型水電解槽を圧力容器内に収め、水素ステーションで供給する圧力以上の高圧水を電解して、高圧水素を供給するものも知られている（特許文献２）。
特開２００３−３４２７６６号公報特開２００３−３４２７６８号公報

固体高分子型水電解槽の耐圧性能は、固体高分子膜の強度やＯリングを使用していることなどから１ＭＰａ程度であり、したがって、特許文献１のものでは、水素ステーション用として好適な４０〜１２０ＭＰａに水素ガスを昇圧するためには、ガス加圧手段は、４０倍以上の圧力比を有している必要があり、ガス加圧手段を構成する圧縮機等が高価なものになり、消費電力も大きくなるという問題があった。

また、圧縮機の代わりに高圧ポンプが必要となる特許文献２のものでは、高圧仕様の圧力容器、超高圧のポンプや配管などのためにコストが非常に高くなるという問題があった。また、圧縮機を使用しない代わりに高圧ポンプを使用することにより、消費電力が小さくなるが、高圧水を電解した場合には、電解によって発生した水素に同伴する水に水素が溶解したり、電流効率が低下することで、所定の圧力の水素を発生させる電力量は、トータルで大きくなるという問題があった。

この発明は、４０〜１２０ＭＰａの高圧水素ガスを得るための設備費用および消費電力をトータルで低く抑えることができる固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置を提供することを目的とする。

この発明による固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置は、固体高分子膜を用いて水を電解し、陽極に酸素を、陰極に水素をそれぞれ発生させる固体高分子型水電解槽を備えている水素供給装置において、水電解槽が収められかつ所定圧力に維持される圧力容器と、圧力容器外に取り出された水素ガスを昇圧する少なくとも１つの圧縮機と、昇圧水素ガスを供給するためのディスペンサーとをさらに備えており、圧力容器の設計圧力が５〜２０ＭＰａとされていることを特徴とするものである。

容器内径を所定の値（例えばφ５００ｍｍなど）とした場合に、設計圧力に対する容器肉厚が計算によって決定され、設計圧力５〜２０ＭＰａは、容器肉厚が１〜６ｃｍ程度に相当する。これにより、圧力容器として、市販されているＪＩＳ規格配管を使用することができる。

圧力容器は、例えば、ステンレス鋼製の１層構造とされてもよく、ステンレス鋼製内層および炭素鋼製外層からなる２層構造とされてもよく、また、ステンレス鋼製内層、少なくとも１層の炭素鋼製中間層および炭素鋼製外層からなる３層以上の構造とされてもよい。また、圧力容器の材料としては、ステンレス鋼製以外の金属でもよく、また、非金属でもよい。

圧縮機の圧力比は、圧力容器の設計圧力が５〜２０ＭＰａであり、水素ステーション用として好適な水素ガス圧力が４０〜１２０ＭＰａであるので、数倍程度（２〜２４倍）であればよく、圧縮機としては、市販されている種々のタイプのものが使用可能である。圧縮機の数は１つとしてもよく、２以上としてももちろんよい。

ディスペンサーは、公知のものであり、これを使用することで高圧の水素ガスを燃料電池自動車等に充填することができる。

水電解槽は、水中に没した状態で圧力容器内に収められてもよく、また、水面高さが数ｃｍ程度とされて、気相（水素または酸素）で包まれた状態で圧力容器内に収められてもよい。

圧力容器がステンレス鋼などの金属製である場合には、水電解槽の陽極および陰極のいずれか一方が圧力容器の内面に接触させられることで電気的に接続されていることが好ましい。このような形態としては、水電解槽の電極（陽極または陰極）が圧力容器の底壁内面に接触させられてもよく、頂壁内面に接触させられてもよい。この場合に、圧力容器の電極の近傍に、接続端子となる銅などの良導電体が埋設されていることがより好ましい。これにより、金属製圧力容器を電源と水電解槽の電極との電気的接続のための部材の一部として使用することができる。

外部に供給される水素の圧力は、水素ラインに設定した圧力調整弁により常時調整され、水素ラインおよび酸素ラインの間に設置した差圧計と酸素ラインに設置した差圧調整弁とにより、水素ラインと酸素ラインとの間の差圧は、設定値（例えば１．０ＭＰａ）以下に調整される。これにより、水電解槽の電極接合体膜（固体高分子膜）が保護され、固体高分子型水電解槽自体の耐圧性能が１ＭＰａ程度であっても、圧力容器外に取り出される水素ガスの圧力を５〜２０ＭＰａとすることができる。

水電解槽と圧縮機との間または圧縮機とディスペンサーとの間に蓄圧機が設けられていることが好ましい。蓄圧機には、所定圧力の水素ガスが蓄えられ、この蓄えられたガスが燃料電池自動車等に充填されることにより、短い時間での水素充填が可能となる。

圧縮機を例えば往復圧縮機とした場合、圧縮機の動力源として、水電解槽で発生した酸素ガスを使用することも可能であり、このようにすることで、圧縮機に必要な電力または燃料の削減が可能となる。

水電解槽の水素出口とディスペンサーとの間にバイパス配管が設けられていることが好ましい。この場合、燃料電池自動車に水素を供給するに際しては、バイパス配管を介して圧力容器圧力と同じ圧力の水素ガスを供給することで、まず、水素圧力を５〜２０ＭＰａまで上げ、次いで、圧縮機で昇圧された水素ガスを供給することで、水素ガス圧力を４０〜１２０ＭＰａまで上げることが可能となる。通常、燃料電池自動車に水素を供給する場合、燃料電池自動車タンク内の圧力は定格値より低下しており、ディスペンサー側の水素圧力が５〜２０ＭＰａ程度であっても、水素の充填が可能であり、その後に圧縮機で定格値まで加圧することで、必要以上に圧縮機を稼動させずに済み、省エネルギーで合理的である。しかも、必要以上に高圧水素を貯留・製造しなくてもよい。

上記のバイパス配管を設ける場合に、段階的に圧縮可能なように圧縮機が複数設けられるとともに、各圧縮機に対応して蓄圧機も複数設けられており、各圧縮機の水素出口とディスペンサーとがそれぞれ接続されていることがある。このようにすると、より緻密に各圧力毎に水素を充填することができ、合理的である。

この発明の固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置によると、水電解槽が収められかつ所定圧力に維持される圧力容器と、圧力容器外に取り出された水素ガスを昇圧する少なくとも１つの圧縮機と、昇圧水素ガスを供給するためのディスペンサーとを備えているので、水素ステーション用として好適な圧力（４０〜１２０ＭＰａ）に水素ガスを昇圧することができる。また、圧力容器の設計圧力が５〜２０ＭＰａとされているので、水素ガスを４０〜１２０ＭＰａとするには、圧縮機によって数倍程度に昇圧すればよく、圧縮機のコストおよび消費電力を低減することができ、しかも、圧力容器として、例えば、市販されているステンレス鋼製のＪＩＳ規格配管を使用することができるので、圧力容器のコストも低減することができる。こうして、水素ステーション用として好適な４０〜１２０ＭＰａの高圧水素ガスを得るための設備費用および消費電力をトータルで低く抑えることができる。

以下、図面を参照してこの発明の実施形態を説明する。

図１はこの発明の固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置の第１実施形態を示しており、固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置(1)は、高分子電解質膜を用いて水を電解し、陽極に酸素を、陰極に水素をそれぞれ発生させる固体高分子型水電解槽(2)と、水電解槽(2)を収める円筒形圧力容器(3)と、電解槽(2)に直流電流を供給する電源装置(4)と、圧力容器(3)の底壁(3c)に設けられた水供給ライン(5)および水素排出ライン(6)と、圧力容器(3)の頂壁(3b)に設けられた酸素排出ライン(7)と、圧力容器(3)外に取り出された水素ガスを水素ステーションに供給する水素供給ライン(10)とを備えている。

固体高分子型水電解槽(2)は、公知のもので、両端に配された陽極主電極(11)および陰極主電極(12)と、これらの主電極(11)(12)の間に直列に配された複数の単位セル(13)とを有し、１つのセル(13)は、陽極給電体(13a)、電極接合体膜(13b)、および陰極給電体(13c)などから構成されている。

圧力容器(3)は、ステンレス鋼製で、上下フランジ付き円筒状本体(3a)と、本体(3a)上端部にボルト(16)によって結合されてその上端開口を覆う頂壁(3b)と、本体(3a)下端部にボルト(16)によって結合されてその下端開口を覆う底壁(3c)とからなる。

圧力容器(3)の設計圧力は５〜２０ＭＰａとされている。圧力容器(3)の設計圧力に対する容器肉厚は、高圧ガス保安法によって規定されており、図４には、内径が５００ｍｍの圧力容器(3)をＳＵＳ３１６Ｌの１層構造とした場合の設計圧力と容器肉厚との関係が示されている。同図によると、設計圧力が２０ＭＰａ程度までならＪＩＳで規格された配管を用いて製作可能であるものの、それ以上では専用の圧力容器を製作しなければならないことが分かる。すなわち、圧力容器(3)から取り出された水素ガスの圧力を水素ステーション用として好適な４０〜１２０ＭＰａとするためには、圧力容器の肉厚が１２ｃｍ以上必要で、このような圧力容器は、極めて高価なものとなってしまうのに対し、圧力容器(3)の設計圧力を５〜２０ＭＰａとすることにより、圧力容器(3)の本体(3a)として市販のＪＩＳ規格配管を使用することができ、圧力容器(3)のコストを低く抑えることができる。

水電解槽(2)は、その陰極主電極(12)を圧力容器(3)の底壁(3c)内面に接触させるように、圧力容器(3)内に収められている。

電源装置(4)は、直流電源(17)と、電解槽(2)の陽極主電極(11)に接続された陽極側配線(18)と、陽極側配線(18)途中に設けられたスイッチ(19)と、電解槽(2)の陰極主電極(12)に接続された陰極側配線(20)と、圧力容器(3)の側壁を貫通しかつ陽極側配線(18)を通過させる陽極側配線支持部(21)と、圧力容器(3)の底壁(3c)に設けられかつ水電解槽(2)の陰極主電極(12)への接続端子となる銅またはアルミニウム（合金を含む）製の良導電体(22)とを有している。

水供給ライン(5)は、水電解槽(2)に当接しない箇所に設けられた水入口からポンプ（図示略）により圧力容器(3)内に純水を導入するもので、これにより、圧力容器(3)と水電解槽(2)との間隙が純水で充満され、圧力容器(3)内の純水が水電解槽(2)への供給水を兼ねるようになされている。

水素排出ライン(6)は、水電解槽(2)の陰極にて発生した水素とこれに同伴する水を取り出す排出管(23)と、これらの水素および同伴水を分離して水素を取り出す水素気液分離器(24)とを有している。

酸素排出ライン(7)には、圧力調整弁(25)が設けられている。圧力容器(3)の上部には、酸素が貯留され、この酸素は、酸素排出ライン(7)によって外部に排出される。

水素供給ライン(10)は、水素気液分離器(24)により分離された水素を取り出す開閉弁(32)付き水素取出し管(31)と、水素取出し管(31)途中に設けられた蓄圧機(33)と、水素取出し管(31)端部に逆止弁(35)を介して設けられた１つの圧縮機(34)と、圧縮機(34)と逆止弁(37)付き水素供給管(36)を介して接続されたディスペンサー(38)とからなる。

圧縮機(34)は、５〜２０ＭＰａの圧力の水素ガスを４０ＭＰａ以上（１２０ＭＰａ以下）にすることができるものとされている。このような圧縮機(34)としては、例えば、油圧、空圧またはモータを動力源とした種々のものを使用することができる。圧力容器(3)において５〜２０ＭＰａの圧力とされた水素ガスは、この水素供給ライン(10)により４０〜１２０ＭＰａとされて、蓄圧機(33)に蓄えられ、ディスペンサー(38)を介して燃料電池自動車のタンク等へ適宜充填することができる。

なお、蓄圧機(33)は、圧縮機(34)とディスペンサー(38)との間の水素供給管(36)に設けるようにしてもよい。

図５は、４０ＭＰａの圧力の水素を得るための電力と水電解で発生させる圧力との関係を示すもので、電力には、水電解に必要な電力、圧縮機電力、水供給ポンプ電力を含んでいる。この図より、水電解圧力が１５ＭＰａ程度のときに、電力が最小となり、圧力増に伴って急激に必要電力が増大することが分かる。すなわち、水電解に必要な電力については、水電解圧力１ＭＰａ時の電力（４．２ｋｗｈ／Ｎｍ^３）＜水電解圧力１５ＭＰａ時の電力（４．３５ｋｗｈ／Ｎｍ^３）＜水電解圧力４０ＭＰａ時の電力（５．２ｋｗｈ／Ｎｍ^３）であり、圧縮機電力については、水電解圧力１ＭＰａ時の電力（０．８ｋｗｈ／Ｎｍ^３）＞水電解圧力１５ＭＰａ時の電力（０．５ｋｗｈ／Ｎｍ^３）＞水電解圧力４０ＭＰａ時の電力（０ｋｗｈ／Ｎｍ^３）であり、水供給ポンプ電力については、水電解圧力１ＭＰａ時の電力（０ｋｗｈ／Ｎｍ^３）＜水電解圧力１５ＭＰａ時の電力（０．０７５ｋｗｈ／Ｎｍ^３）＜水電解圧力４０ＭＰａ時の電力（０．２ｋｗｈ／Ｎｍ^３）であり、水電解に必要な電力の寄与が大きいことから、水電解圧力が１５ＭＰａ程度のときが最適となる。このことから、水電解槽においては１５ＭＰａ（５〜２０ＭＰａの範囲）で水素を発生させ、これを圧縮機(34)によって４０ＭＰａ（４０〜１２０ＭＰａの範囲）に昇圧することが好ましいことが分かる。

この実施形態の固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置(1)によると、圧力容器(3)内に導入された水は、水電解槽(2)の給水ヘッダーに加圧供給され、給水ヘッダーから各単位セル(13)内に導かれ、電極接合体膜(13b)の表面で電気分解され、陽極側では酸素、陰極側では水素がそれぞれ発生する。発生した酸素および水素はそれぞれ多孔質の給電体(13a)(13c)を通って複極板の陽極側および陰極側に達し、酸素は水電解槽(2)上部から、水素は水電解槽(2)下部からそれぞれ排出される。圧力容器(3)から外部に供給される水素の圧力は、水素ラインに設定した圧力調整弁により常時調整され、水素ラインおよび酸素ラインの間に設置した差圧計と酸素ラインに設置した差圧調整弁とにより、水素ラインと酸素ラインとの間の差圧は、設定値（例えば１．０ＭＰａ）以下に調整される。これにより、水電解槽(2)の電極接合体膜（固体高分子膜）(13b)が保護されるとともに、水電解槽(2)内外のシール性も維持される。そして、水電解槽(2)で発生した水素ガスは、圧力容器(3)内において５〜２０ＭＰａの圧力とされ、さらに、水素供給ライン(10)の圧縮機(34)によって、４０〜１２０ＭＰａの圧力に高められる。

こうして、この固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置(1)によると、例えば燃料電池用水素ステーションで４０〜１２０ＭＰａ（４００〜１２００ｋｇ／ｃｍ^２）の高圧水素ガスを供給することができる。

図２は、水素供給ライン(10)の他の実施形態を示している。同図に示すように、この実施形態の水素供給ライン(10)は、圧力容器(3)から水素を取り出す水素取出し管(31)と、水素取出し管(31)端部に逆止弁(35)を介して設けられ５〜２０ＭＰａの水素ガスを４０〜１２０ＭＰａに昇圧する圧縮機(34)と、圧縮機(34)と逆止弁(37)および開閉弁(41)付き水素供給管(36)を介して接続されたディスペンサー(38)と、水素取出し管(31)途中に設けられた開閉弁(32)付き蓄圧機(33)と、水素供給管(36)途中に設けられた開閉弁(43)付き蓄圧機(42)と、水素取出し管(31)から分岐し開閉弁(45)および逆止弁(46)を介して５〜２０ＭＰａの水素ガスをディスペンサー(38)に直接送るバイパス配管(44)とからなる。

この実施形態の水素供給ライン(10)によると、例えば、燃料電池自動車に水素を供給するに際しては、まず、バイパス配管(44)を介して圧力容器(3)圧力と同じ圧力の水素ガスを供給することで、まず、水素圧力を５〜２０ＭＰａまで上げ、次いで、圧縮機(34)で昇圧された水素ガスを供給することで、水素ガス圧力を４０〜１２０ＭＰａまで上げることが可能となる。これにより、必要以上に圧縮機(34)を稼動させずに済み、省エネルギーで合理的である。しかも、必要以上に高圧水素を貯留・製造しなくてもよい。

図３は、水素供給ライン(10)のさらに他の実施形態を示している。同図に示すように、この実施形態の水素供給ライン(10)は、圧力容器(3)から水素を取り出す水素取出し管(31)と、水素取出し管(31)端部に逆止弁(35)を介して設けられ５〜２０ＭＰａの水素ガスを所定圧力まで昇圧する前段圧縮機(34)と、前段圧縮機(34)の後段に２つの逆止弁(37)(52)を介して設けられ最終的に水素ガス圧力を４０〜１２０ＭＰａまで上げる少なくとも１つの後段圧縮機(51)と、後段圧縮機(51)と逆止弁(53)および開閉弁(41)付き後段側水素供給管(36)を介して接続されたディスペンサー(38)と、前段圧縮機(34)とディスペンサー(38)とを接続する逆止弁(55)および開閉弁(58)付き付き前段側水素供給管(54)と、水素取出し管(31)途中に設けられた開閉弁(32)付き蓄圧機(33)と、前段側水素供給管(54)に設けられた開閉弁(43)付き蓄圧機(42)と、後段側水素供給管(36)に設けられた開閉弁(57)付き蓄圧機(56)と、水素取出し管(31)から分岐し開閉弁(45)および逆止弁(46)を介して５〜２０ＭＰａの水素ガスをディスペンサー(38)に直接送るバイパス配管(44)とからなる。

この実施形態の水素供給ライン(10)によると、例えば、燃料電池自動車に水素を供給するに際しては、まず、バイパス配管(44)を介して圧力容器(3)圧力と同じ圧力の水素ガスを供給することで、必要以上に圧縮機(34)(51)を稼動させずに済み、省エネルギーで合理的であり、必要以上に高圧水素を貯留・製造しなくてもよいという効果に加えて、複数段の圧縮機(34)(51)によって水素ガス圧力を４０〜１２０ＭＰａまで上げるようにすることにより、より緻密に各圧力毎に水素を充填することができ、より一層合理的なものとなる。

図６はこの発明の水電解装置の第４実施形態を示しており、水電解装置(1)は、高分子電解質膜を用いて水を電解し、陽極に酸素を、陰極に水素をそれぞれ発生させる固体高分子型水電解槽(2)と、水電解槽(2)を収める円筒形圧力容器(3)と、電解槽(2)に直流電流を供給する電源装置(4)と、圧力容器(3)の底壁(3a)に設けられた水供給ライン(5)および水素排出ライン(6)と、圧力容器(3)の頂壁(3b)に設けられた酸素排出ライン(7)と、漏洩ガスの濃度を検知するガスセンサ(8)と、ガスセンサ(8)で検出されたガス濃度に基づいた制御を行う監視制御装置(9)と、圧力容器(3)外に取り出された水素ガスを水素ステーションに供給する水素供給ライン(10)とを備えている。

この実施形態では、圧力容器(3)は、ステンレス鋼（例えばＳＵＳ３１６Ｌ）製の内層(14)および炭素鋼（例えばＳＣＭ４４０）製の外層(15)からなる２層構造とされている。内層(14)は、円筒状本体(14a)、ドーム状（断面形状が上に凸の円弧状）に形成された頂壁(14b)、本体(14a)下端部に設けられたフランジ部(14c)、および本体(14a)下端開口を塞ぎその外周縁部がフランジ部(14c)に重ね合わせられた底壁(14d)からなる。外層(15)は、内層(14)の円筒状本体(14a)に密接する円筒状本体(15a)、ドーム状（断面形状が上に凸の円弧状）に形成されて内層(14)の頂壁(14b)に密接する頂壁(15b)、本体(15a)下端部に設けられかつ内層(14)のフランジ部(14c)に上から重ね合わせられたフランジ部(14c)、および内層(14)の底壁(14d)に下から重ね合わせられた底壁(15d)からなり、外層(15)のフランジ部(15c)、内層(14)のフランジ部(14c)、内層(14)の底壁(14d)外周縁部および外層(15)の底壁(15d)外周縁部がボルト(16)によって結合されている。水電解槽(2)は、その陰極主電極(12)を圧力容器(3)の内層(14)の底壁(14d)内面に接触させるように、圧力容器(3)内に収められている。

漏洩ガスの濃度を検知するガスセンサ(8)は、圧力容器(3)の外層(15)の円筒状本体(15a)に設けられており、圧力容器(3)の外層(15)の円筒状本体(15a)には、これを貫通して内層(14)の本体(14a)の外周面に通じる連通路(26)が設けられ、連通路(26)外側開口部にガスセンサ(8)が設置されている。圧力容器(3)の内層(14)と外層(15)とは、溶着などの手段により隙間無く密着させられているのではなく、内層(14)と外層(15)との間には、気体が通過可能な程度の隙間が存在している。したがって、内層(14)から酸素が漏洩した場合には、この酸素が連通路(26)から外部へ速やかに排出される。これにより、内層(14)に大きな圧力がかかることが防止されている。

監視制御装置(9)は、ガスセンサ(8)からのガス濃度信号が入力されるセンサ信号入力線(27)と、ガスセンサ(8)のガス濃度信号に基づいて電源のスイッチ(19)をオン・オフする電源オフ信号出力線(28)と、ガスセンサ(8)のガス濃度信号に基づいて酸素排出ライン(7)の圧力調整弁(25)を開閉するバルブ開度調整信号出力線(29)とを有しており、ガスセンサ(8)で検出されたガス濃度が所定の範囲に入ったときに、電解槽(2)への給電を停止するか、または、圧力容器(3)内の空間に貯留されたガスを排出する制御を行う。これにより、ガスの漏洩を検知して圧力容器(3)の状態を把握することができるとともに、適宜な制御を行うことができる。

水素供給ライン(10)は、水素気液分離器(24)により分離された水素を取り出す開閉弁(32)付き水素取出し管(31)と、水素取出し管(31)途中に設けられた蓄圧機(33)と、水素取出し管(31)端部に逆止弁(35)を介して設けられた１つの往復圧縮機(34)と、圧縮機(34)と逆止弁(37)付き水素供給管(36)を介して接続されたディスペンサー(38)と、酸素排出ラインから酸素ガスを取り出してこれを圧縮機(34)のシリンダ(34a)内に動力源として供給する酸素供給管(39)とからなる。

この実施形態の水素供給ライン(10)では、圧縮機(34)の動力源として、水電解槽(2)で発生した酸素ガスが使用されており、これにより、圧縮機(34)に必要な電力または燃料の削減が図られている。

なお、圧力容器(3)の構成については、図１および図６に示した実施形態に代えて、水供給ライン(5)が水電解槽(2)に当接する箇所に設けられた水入口に接続され、水素と同伴水が圧力容器(3)内の空間に放出されて貯留され、酸素と電解に利用されなかった水が酸素排出ラインによって排出されるようにしてもよい。この場合、圧力容器(3)内の空間には水素ガスが貯留され、水素の漏洩がガスセンサ(8)で検知される。また、水電解槽(2)が水中に没した形態に代えて、水電解槽(2)を水没しない状態、例えば、水素電解槽(2)が設置された下部構造の内層(14d)面よりも水面高さが数ｃｍ程度上であるようにして、水電解槽(2)を水素（気相）で包むようにしても良い。この場合も、差圧計と差圧調整弁とを使用した上記の差圧制御が行われることにより、電極接合体膜（固体高分子膜）(13b)が保護されるとともに、水電解槽(2)内外のシール性も維持される。

この発明による固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置の第１実施形態を示す図である。この発明による固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置の第２実施形態の要部を示す図である。この発明による固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置の第３実施形態の要部を示す図である。この発明による固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置を得る際に使用された容器設計圧力と容器肉厚との関係を示すグラフである。この発明による固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置を得る際に使用された水電解圧力と電力との関係を示すグラフである。この発明による固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置の第４実施形態を示す図である。

符号の説明

(1) 固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置
(2) 水電解槽
(3) 圧力容器
(10) 水素供給ライン
(11)(12) 水電解槽電極
(33)(42)(56)蓄圧機
(34)(51) 圧縮機
(38) ディスペンサー
(39) 酸素供給管
(44) バイパス配管

Claims

固体高分子膜を用いて水を電解し、陽極に酸素を、陰極に水素をそれぞれ発生させる固体高分子型水電解槽を備えている水素供給装置において、水電解槽が収められかつ所定圧力に維持される圧力容器と、圧力容器外に取り出された水素ガスを昇圧する少なくとも１つの圧縮機と、昇圧水素ガスを供給するためのディスペンサーとをさらに備えており、圧力容器の設計圧力が５〜２０ＭＰａとされていることを特徴とする固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置。
水電解槽と圧縮機との間または圧縮機とディスペンサーとの間に蓄圧機が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置。
水電解槽で発生した酸素ガスが圧縮機の動力源とされていることを特徴とする請求項１または２に記載の固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置。
水電解槽の水素出口とディスペンサーとの間にバイパス配管が設けられていることを特徴とする請求項１から３までのいずれかに記載の固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置。
段階的に圧縮可能なように圧縮機が複数設けられるとともに、各圧縮機に対応して蓄圧機も複数設けられており、各圧縮機の水素出口とディスペンサーとがそれぞれ接続されていることを特徴とする請求項４に記載の固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置。