JP2006137961A - 高圧水素製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水素ガスがアノード側に透過しない高圧水素製造装置を提供する。
【解決手段】固体高分子電解質膜２両側に相対向して設けられたカソード給電体３と、アノード給電体４と、カソード室５と、アノード室６とを備え、各給電体３，４に通電することによりアノード室６の水を電気分解して、カソード室５に高圧の水素ガス、アノード室６に酸素を生成させる。水平に配置された固体高分子電解質膜２の上側にカソード給電体３を備え、カソード室５は常に固体高分子電解質膜２を被覆する水層１０を備える。水循環手段１６により循環される水から酸素を除去する酸素除去手段１８を備える。接続導管１２を介してカソード室５と接続された高圧水素タンク１３を備える。接続導管１２は、カソード室５の水素ガス圧が高圧水素タンク１３の水素ガス圧以上のとき開弁し、カソード室５の水素ガス圧が高圧水素タンク１３の水素ガス圧より低いとき閉弁する開閉弁１１を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水の電気分解により高圧の水素ガスを得る高圧水素製造装置に関するものである。

従来、図３に示すように、固体高分子電解質膜２と、その両側に相対向して設けられたカソード給電体３と、アノード給電体４と、内部にカソード給電体３が露出するカソード室５と、内部にアノード給電体４が露出するアノード室６とを備える高圧水素製造装置２１が知られている。

高圧水素製造装置２１では、給水導管７からアノード室６に水を供給すると共に、カソード給電体３とアノード給電体４とに通電すると、アノード室６に供給された水が電気分解され、水素イオンと酸素ガスとを生成する。前記水素イオンは、固体高分子電解質膜２を透過してカソード給電体３側に移動し、カソード給電体３から電子を受け取って水素ガスとなる。この結果、高圧水素製造装置２１では、カソード室５に高圧の水素ガスを得ることができる。

ところで、前記水素イオンは、固体高分子電解質膜２を透過してカソード給電体３側に移動する際に水を伴い、この水はカソード室５に貯留されることが知られている。そこで、カソード室５に貯留される水が所定の量に達したならば、アノード室６に対する水の供給を停止し、カソード室５に貯留されている水をカソード室５内の水素ガスの圧力により、固体高分子電解質膜２を介してアノード給電体４側に移動させ、この水を電気分解する技術が知られている（例えば特許文献１参照）。

また、高圧水素製造装置２１において、アノード室６に水を供給する代わりにカソード室５に水を供給し、カソード室５に供給された水を固体高分子電解質膜２を介してアノード給電体４側に移動させて、カソード給電体３とアノード給電体４とに通電することにより、この水を電気分解する技術も知られている（例えば特許文献２参照）。

しかしながら、高圧水素製造装置２１では、カソード室５に貯留される水が無くなると、電気分解停止中にカソード室５内の水素ガスが固体高分子電解質膜２を介してアノード室６に透過するようになるという不都合がある。
特開２００３−３２８１７０号公報 特表２００３−５１５２３７号公報

本発明は、かかる不都合を解消して、カソード側に生成した水素ガスのアノード側への透過量を低減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、両側に触媒を備えた固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜の両側に相対向して設けられたカソード給電体と、アノード給電体と、内部に該カソード給電体が露出するカソード室と、内部に該アノード給電体が露出するアノード室とを備え、各給電体に通電することにより該アノード室に供給される水を電気分解して、該カソード室に高圧の水素ガス、該アノード室に酸素を生成させる高圧水素製造装置において、水平に配置された固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜の上側に設けられたカソード給電体とを備え、該カソード室は常に該固体高分子電解質膜を被覆する水層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、前記アノード室に水を供給すると共に、各給電体に通電すると、該アノード室に供給された水が電気分解され、水素イオンと酸素イオンとを生成する。前記水素イオンは、固体高分子電解質膜を透過して前記カソード給電体側に移動し、該カソード給電体から電子を受け取って水素ガスとなる。この結果、前記カソード室に高圧の水素ガスが生成する。

このとき、本発明の高圧水素製造装置では、前記固体高分子電解質膜が水平に配置されており、前記カソード室は該固体高分子電解質膜の上側に設けられている。そして、前記カソード室は、その内部に常に水層を備えている。この結果、前記カソード室では、前記固体高分子電解質膜が前記水層により常に被覆されることとなり、該カソード室に生成した高圧の水素ガスは該水層を介さずには該固体高分子電解質膜に接触することができない。

従って、本発明の高圧水素製造装置によれば、前記カソード室内の固体高分子電解質膜上部に水層が絶えることが無く、該カソード室に生成した前記水素ガスの前記アノード室への透過量を著しく低減することができる。

また、本発明の高圧水素製造装置は、前記アノード室に供給される水を該アノード室から取り出して再び該アノード室に循環させる水循環手段と、該水循環手段により循環される水から前記電気分解により生成した酸素を除去する酸素除去手段とを備えることが好ましい。

本発明の高圧水素製造装置では、水平に配置された前記固体高分子電解質膜の上側に前記カソード給電体が設けられているので、該カソード給電体と相対向して設けられている前記アノード給電体は該固体高分子電解質膜の下側に位置することになる。また、前記アノード室は、前記アノード給電体のさらに下側に設けられることになる。

この結果、前記電気分解により前記アノード室に生成した酸素が気化すると、該アノード室の上部に酸素ガス層が形成され、該アノード室に供給された水と前記アノード給電体との間に該酸素ガス層が介在するようになる。前記酸素ガス層が生じると、前記アノード室に供給された水と前記アノード給電体との接触が妨げられて電解効率が低下する。

そこで、本発明の高圧水素製造装置では、前記水循環手段により前記アノード室に供給される水を該アノード室から取り出して再び該アノード室に循環させると共に、前記酸素除去手段により前記のように循環される水から酸素を除去する。この結果、前記アノード室における前記酸素ガス層の形成が防止され、電解効率を向上させることができる。

さらに、本発明の高圧水素製造装置は、接続導管を介して前記カソード室と接続され、前記高圧の水素ガスを貯留する高圧水素タンクを備え、該接続導管は、該カソード室の水素ガス圧が該高圧水素タンクの水素ガス圧以上のときに開弁し、該カソード室の水素ガス圧が該高圧水素タンクの水素ガス圧より低いときに閉弁する開閉弁を備えることが好ましい。

本発明の高圧水素製造装置によれば、前記電気分解の進行に伴って、前記カソード室内の水素ガス圧が前記高圧水素タンク内の水素ガス圧以上になると前記開閉弁が開弁し、該カソード室内の水素ガスが該高圧水素タンクに移される。また、前記カソード室内の水素ガス圧が前記高圧水素タンク内の水素ガス圧より低くなると、前記開閉弁が閉弁して、該カソード室と該高圧水素タンクとが遮断されるので、該高圧水素タンク内の水素ガス圧が該カソード室に作用することがない。

従って、本発明の高圧水素製造装置によれば、前記カソード室内の水素ガス圧が必要以上に高くなることがなく、前記カソード室に生成した前記水素ガスの前記アノード室への透過量をさらに低減することができる。

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は本実施形態の高圧水素製造装置の構成を示す説明的断面図であり、図２は図１に示す高圧水素製造装置におけるカソード室内の水素ガスの圧力と、アノード室に透過する水素ガス量との関係を示すグラフである。

図１に示すように、本実施形態の高圧水素製造装置１は、水平に配置された固体高分子電解質膜２の両側にカソード給電体３、アノード給電体４が相対向して設けられており、カソード給電体３は固体高分子電解質膜２の上側に、アノード給電体４は固体高分子電解質膜２の下側に配設されている。高圧水素製造装置１は、カソード給電体３の上側に、内部にカソード給電体３が露出するカソード室５を備え、アノード給電体４の下側には、内部にアノード給電体４が露出するアノード室６を備えている。

高圧水素製造装置１において、固体高分子電解質膜２は陽イオン透過膜であり、例えばＮａｆｉｏｎ（登録商標、デュポン社製）、Ａｃｉｐｌｅｘ（商品名、旭化成株式会社製）等を用いることができる。固体高分子電解質膜２は、アノード側には例えばＲｕＩｒＦｅＯ_Ｘ触媒を含む触媒層（図示せず）を備え、カソード側には例えば白金触媒を含む触媒層（図示せず）を備えている。また、カソード給電体３としては例えばチタン繊維焼結体またはチタン粉末焼結体の表面に白金めっきを施したもの等の多孔質体を用いることができ、アノード給電体４としては例えばチタン粉末焼結体の表面に白金めっきを施した多孔質体等を用いることができる。

カソード室５には、給水導管７から分岐する支管８が給水弁９を介して接続されており、電気分解停止時に給水導管７、支管８により供給される水により、常に固体高分子電解質膜２を被覆する水層１０が備えられている。カソード室５内が常圧の際には、外部から水を供給することができるが、電気分解を開始してカソード室５内が加圧されるようになると外部から水を供給することができない。そこで、前記のように、電気分解停止時に給水導管７、支管８によりカソード室５に水が供給されるようになっている。

また、カソード室５は、開閉弁１１を備える接続導管１２を介して高圧水素タンク１３に接続されている。開閉弁１１はカソード室５内の水素ガスの圧力が高圧水素タンク１３内の水素ガスの圧力以上のときに開弁し、カソード室５内の水素ガスの圧力が高圧水素タンク１３内の水素ガスの圧力より低いときには閉弁するようになっている。開閉弁１１は、電気分解を停止したときには、直ちに閉じられる。

一方、アノード室６には、給水導管７から分岐する支管１４が給水弁１５を介して接続されており、給水導管７、支管１４により供給される水が内部に充満するようにされている。このとき、アノード室６は、内部に充満する水をアノード室６から取り出して、再びアノード室６に循環させる水循環導管１６を備え、水循環導管１６の途中には、上流側から順に、開閉弁１７、酸素除去装置１８、ポンプ１９、開閉弁２０が設けられている。そして、支管１４は、酸素除去装置１８とポンプ１９との間で水循環導管１６に接続されている。前記酸素除去装置１８としては、例えば酸素分離膜等により酸素を分離、除去する装置等を用いることができる。

次に、高圧水素製造装置１の作動について説明する。

高圧水素製造装置１では、まず、給水弁９，１５を開弁し、給水導管７からカソード室５、アノード室６に水を供給する。このとき、カソード室５では、給水導管７から支管８を介して所定の水量を供給し、カソード給電体３を被覆する水層１０が形成されると共に水層１０の上方に空間ができるようにした後、給水弁９を閉弁する。一方、アノード室６では、給水導管７から支管１４を介して供給される水を室内に充満させた後、給水弁１５を閉弁する。

次に、水循環導管１６の開閉弁１７，２０を開弁すると共に、ポンプ１９を作動させて、アノード室６内の水をアノード室６から取り出して、酸素除去装置１８を介して再びアノード室６に戻るように循環させる。そして、図示しない電源装置からカソード給電体３、アノード給電体４に電力を供給することにより、電気分解が開始される。

このようにすると、主としてアノード室６に供給された水の電気分解により、アノード室６内に水素イオンと酸素イオンとが生成する。前記水素イオンは、水を伴って固体高分子電解質膜２を透過してカソード給電体３側に移動し、カソード給電体３から電子を受け取ることによりカソード室５内に水素ガスが生成する。そして、前記電気分解の進行と共に、カソード室５内の水素ガスの圧力が次第に高くなり、高圧の水素ガスが得られる。

カソード室５内の水素ガスの圧力が高くなると、該水素ガスが固体高分子電解質膜２を透過してアノード室６側にリークすることが懸念される。しかし、カソード室５には、常に固体高分子電解質膜２を被覆する水層１０が備えられているので、前記水素ガスは水層１０を介さずには固体高分子電解質膜２に接触することができない。従って、前記水素ガスは直接固体高分子電解質膜２に接触することがなく、該水素ガスのアノード室６側への透過量を著しく低下させることができる。

また、カソード室５と高圧水素タンク１３とを接続する接続導管１２に備えられている開閉弁１１は、カソード室５内の水素ガスの圧力が高圧水素タンク１３内の水素ガスの圧力より低いときには閉じているが、カソード室５内の水素ガスの圧力が高圧水素タンク１３内の水素ガスの圧力以上になると開弁し、カソード室５内の水素ガスが高圧水素タンク１３内に移動せしめられる。開閉弁１１は、前記水素ガスの移動により、カソード室５内の水素ガスの圧力が高圧水素タンク１３内の水素ガスの圧力より低くなると、再び閉じられる。尚、前述のように、開閉弁１１は、電解を停止した場合にも直ちに閉じられる。

この結果、カソード室５内の水素ガスは、その圧力が高圧水素タンク１３内の水素ガスの圧力以上になると、その都度高圧水素タンク１３内に移動せしめられるので、カソード室５内の水素ガスの圧力が必要以上に高くなることを防止することができると共に、高圧水素タンク１３を独立して扱うことができる。

尚、高圧水素製造装置１は、高圧水素タンク１３を備えないか、あるいはカソード室５と高圧水素タンク１３とを接続する接続導管１２に備えられている開閉弁１１を常時開放するようにしてもよい。ただし、この場合には前述のようにカソード室５内の水素ガスの圧力に応じて開閉弁１１を開閉する場合よりも、前記水素ガスのアノード室６側への透過量が多くなる。

一方、高圧水素製造装置１では、カソード室５からアノード給電体４側への水の移動もあり、この水も電気分解されて、アノード室６内に水素イオンと酸素ガスとが生成する。前記水素イオンは前述のように、水を伴ってカソード給電体３側に移動し、カソード室５内に水素ガスが生成する。そこで、高圧水素製造装置１では、カソード室５に形成される水層１０の水量を適切に調整して、水素イオンに伴われてアノード室６からカソード室５に移動する水の量と、カソード室５からアノード室６に移動する水の量とを平衡させることにより、前記電気分解中に新たな水の供給を不要とすることができる。

また、前記電気分解中、アノード室６では前述のように酸素ガスが生成する。前記酸素ガスは少量のうちはアノード室６内の水に溶解しているが、前記電気分解の進行と共にその量が増大すると気化して、アノード室６の上部に酸素ガス層を形成することが懸念される。前記酸素ガス層が形成されると、アノード室６内の水とアノード給電体４との接触を妨げられて電気分解の効率が低下する。

しかし、高圧水素製造装置１では、前述のように、アノード室６内の水を水循環導管１６により循環させ、水循環導管１６の途中に設けられた酸素除去装置１８により、アノード室６内の水に含まれる酸素を除去するようにしている。従って、アノード室６内における前記酸素ガス層の形成を防止することができる。

次に、本発明の実施例と比較例とを示す。

本実施例では、図１に示す高圧水素製造装置１において、カソード室５内に常に固体高分子電解質膜２を被覆する水層１０を設けると共に、アノード室６内に水が充満されるようにして電気分解を行い、高圧の水素ガスを製造した。このとき、カソード室５と高圧水素タンク１３とを接続する接続導管１２に備えられている開閉弁１１は、カソード室５内の水素ガスの圧力が高圧水素タンク１３内の水素ガスの圧力より低いときには閉じ、カソード室５内の水素ガスの圧力が高圧水素タンク１３内の水素ガスの圧力以上になると開弁するようにした。

そして、カソード室５内の水素ガスの圧力に対する、アノード室６側に透過した水素ガスの量を測定した。結果を図２に示す。

本実施例では、カソード室５と高圧水素タンク１３とを接続する接続導管１２に備えられている開閉弁１１を常時開放とした以外は、実施例１と全く同一にして高圧の水素ガスを製造した。そして、カソード室５内の水素ガスの圧力に対する、アノード室６側に透過した水素ガスの量を測定した。結果を図２に示す。
〔比較例１〕
本比較例では、カソード室５内に水層１０を全く設けなかった以外は、実施例１と全く同一にして高圧の水素ガスを製造した。そして、カソード室５内の水素ガスの圧力に対する、アノード室６側に透過した水素ガスの量を測定した。結果を図２に示す。

図２から、カソード室５内に水層１０を設け、固体高分子電解質膜２が常に水層１０により被覆される場合（実施例１，２）には、水層１０を全く設けなかった場合（比較例１）に比べ、カソード室５からアノード室６への水素ガスの透過量を著しく低下させることができることが明らかである。

また、図２から、カソード室５内に水層１０を設けると共に、カソード室５と高圧水素タンク１３とを接続する接続導管１２に備えられている開閉弁１１を、カソード室５内の水素ガスの圧力が高圧水素タンク１３内の水素ガスの圧力より低いときには閉じ、カソード室５内の水素ガスの圧力が高圧水素タンク１３内の水素ガスの圧力以上になると開弁するようにする（実施例１）ことにより、カソード室５からアノード室６への水素ガスの透過量をさらに著しく低下させることができることが明らかである。

本発明に係る高圧水素製造装置の一構成例を示す説明的断面図。 カソード室内の水素ガスの圧力と、アノード室に透過する水素ガス量との関係を示すグラフ。 従来の高圧水素製造装置の一構成例を示す説明的断面図。

符号の説明

１…高圧水素製造装置、 ２…固体高分子電解質膜、 ３…カソード給電体、 ４…アノード給電体、 ５…カソード室、 ６…アノード室、 １０…水層、 １１…開閉弁、 １２…接続導管、 １３…高圧水素タンク、 １６…水循環手段、 １９…酸素除去手段。

Claims (3)

1. 固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜の両側に相対向して設けられたカソード給電体と、アノード給電体と、内部に該カソード給電体が露出するカソード室と、内部に該アノード給電体が露出するアノード室とを備え、各給電体に通電することにより該アノード室に供給される水を電気分解して、該カソード室に高圧の水素ガス、該アノード室に酸素を生成させる高圧水素製造装置において、
   水平に配置された固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜の上側に設けられたカソード給電体とを備え、該カソード室は常に該固体高分子電解質膜を被覆する水層を備えることを特徴とする高圧水素製造装置。
2. 前記アノード室に供給される水を該アノード室から取り出して再び該アノード室に循環させる水循環手段と、該水循環手段により循環される水から前記電気分解により生成した酸素を除去する酸素除去手段と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. 接続導管を介して前記カソード室と接続され、前記高圧の水素ガスを貯留する高圧水素タンクを備え、該接続導管は、該カソード室の水素ガス圧が該高圧水素タンクの水素ガス圧以上のときに開弁し、該カソード室の水素ガス圧が該高圧水素タンクの水素ガス圧より低いときに閉弁する開閉弁を備えることを特徴とする請求項１または請求項２記載の高圧水素製造装置。

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