JP2014173113A

JP2014173113A - 高圧水素製造装置

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Publication number: JP2014173113A
Application number: JP2013045256A
Authority: JP
Inventors: Makoto Akagawa; 誠安ヵ川
Original assignee: Senryou KK
Current assignee: Senryou KK
Priority date: 2013-03-07
Filing date: 2013-03-07
Publication date: 2014-09-22
Anticipated expiration: 2033-03-07
Also published as: JP5297567B1

Abstract

【課題】高い作業効率で、より高圧の水素を製造することができる高圧水素製造装置を提供する。
【解決手段】回転体１２が、鉛直方向に伸びる回転軸部１１と、回転軸部１１を中心として回転可能に、回転軸部１１から水平方向に伸びるよう設けられた２本の貯水管２１とを有している。回転モータ１３が、回転軸部１１を中心として回転体１２を回転させるよう設けられている。電気分解手段１５が、各貯水管２１の先端部に、各貯水管２１の内部に収納された水を電気分解して水素と酸素とを発生させるよう設けられている。水素回収チューブ１８が、電気分解手段１５により発生した水素を回収して高圧水素タンク１６に供給可能に設けられている。酸素回収チューブ１９が、電気分解手段１５により発生した酸素を回収して高圧酸素タンク１７に供給可能に設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、高圧水素製造装置に関する。

一般的に、高圧水素を製造するには、電気分解などで水素を製造した後、製造した水素をコンプレッサー等で圧縮して高圧タンクに詰める作業を行っている。しかし、この方法では、水素の製造と圧縮の作業が分離していることから、より作業効率を高めるために、水素の製造と圧縮とを同時に行うことができる装置が開発されている（例えば、特許文献１参照）。すなわち、特許文献１に記載の装置では、長い筒状の浮体を上下方向に伸ばして海上に浮かべ、浮体の最下部近傍で電気分解装置により電気分解を行い、電気分解により発生した高圧水素ガスを、海上に浮かべたタンクに蓄積している。

特開２００６−９７６３３号公報

特許文献１に記載の装置では、得られる水素の圧力は水深に応じた圧力になり、浮体の長さに依存する。このとき、製造できる浮体の長さには限度があるため、得られる水素の圧力には限界があるという課題があった。

本発明は、このような課題に着目してなされたもので、高い作業効率で、より高圧の水素を製造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している。

本発明に係る高圧水素製造装置は、鉛直方向に伸びる回転軸部と、前記回転軸部を中心として回転可能に、前記回転軸部から水平方向に伸びるよう設けられた１本または複数本の貯水管とを有する回転体と、前記回転軸部を中心として前記回転体を回転させる回転モータと、前記貯水管の先端部に、前記貯水管の内部に収納された水を電気分解して水素と酸素とを発生させるよう設けられた電気分解手段と、水素を高圧で貯蔵可能に設けられた高圧水素タンクと、前記電気分解手段により発生した水素を回収して前記高圧水素タンクに供給可能に、前記貯水管の先端部から前記回転軸部を経由して前記高圧水素タンクまで伸びる水素回収チューブとを、有することを特徴とする。

本発明に係る高圧水素製造装置は、高圧の水素を製造するために、以下のようにして使用される。まず、貯水管の内部に水を収納し、回転モータにより回転軸部を中心として回転体を回転させる。これにより、貯水管の内部には、回転軸部からの距離に応じて遠心力が働き、貯水管の先端にいくほど大きい水圧が発生する。回転体を回転中に、電気分解手段により、貯水管の先端部で水を電気分解させて、水素と酸素とを発生させる。これにより、貯水管の先端部の水圧と同じ圧力の水素および酸素を得ることができる。こうして得られた高圧の水素を水素回収チューブで回収し、高圧水素タンクに高圧水素を貯めることができる。

このように、本発明に係る高圧水素製造装置は、水素の製造と圧縮の作業を同時に行うことができ、作業効率が高い。また、回転体の回転速度により製造される水素の圧力を調整可能であり、回転速度を高めることにより、より高圧の水素を製造することができる。製造された高圧水素は、例えば、燃料電池自動車の燃料として使用可能である。

本発明に係る高圧水素製造装置で、水素回収チューブにより貯水管の先端部から回収した高圧の水素は、回転軸部に近づくにつれて減圧され、圧力が低下した状態で高圧水素タンクに供給される。しかし、高圧水素タンクに水素が貯まるに従って、高圧水素タンクおよび水素回収チューブの内部の圧力が徐々に高くなっていき、貯水管の先端部の水圧と同じ圧力にまで水素の圧力を高めることができる。これにより、貯水管の先端部の水圧と同じ高圧の水素を、高圧水素タンクに貯めることができる。

本発明に係る高圧水素製造装置で、水素回収チューブは、回転体の回転により捻れるのを防ぐよう、回転軸部側の部分と、回転軸部から高圧水素タンクに伸びる部分とを、ロータリージョイントやスイベルジョイントのような回転継手などで接続して成ることが好ましい。また、純度の高い水素を得るために、水素回収前の高圧水素タンクおよび水素回収チューブの内部には、あらかじめ水素を充填しておくか、真空状態または真空に近い状態にしておくことが好ましい。

本発明に係る高圧水素製造装置で、貯水管の内部に収納する水は、例えば水酸化ナトリウム水溶液や塩化ナトリウム水溶液などの、水素を含む電解質溶液から成ることが好ましい。また、回転体は、同じ大きさを有する複数の貯水管が、回転軸部に対して回転対称の位置に設けられていることが好ましい。この場合、バランスよく回転するため、回転体の回転に要する回転モータの使用エネルギーを小さくすることができる。

本発明に係る高圧水素製造装置は、酸素を高圧で貯蔵可能に設けられた高圧酸素タンクと、前記電気分解手段により発生した酸素を回収して前記高圧酸素タンクに供給可能に、前記貯水管の先端部から前記回転軸部を経由して前記高圧酸素タンクまで伸びる酸素回収チューブとを、有していてもよい。この場合、高圧酸素タンクに高圧酸素を貯めることができる。製造された高圧酸素は、例えば、空気タービンを利用して発電したり、燃焼させて発電したりするのに利用することができる。発電に利用した場合には、得られた電力を回転モータに供給してもよい。

本発明に係る高圧水素製造装置は、前記回転体を載せて、海上を移動可能かつ係留可能に設けられた浮体を有していてもよい。この場合、海上で高圧水素を製造することができる。また、海上で波力発電、太陽光発電および風力発電の少なくともいずれか１つにより発電を行う発電手段を浮体に搭載し、回転モータが、発電手段により得られた電力を利用して回転体を回転させるよう構成されていてもよい。この場合、発電手段により得られたエネルギーを高圧水素に変換して蓄えることができる。貯水管に収納する水は、電気分解を容易に継続できるよう、海水を脱塩したものや、電気分解に適した水溶液から成ることが好ましい。

本発明によれば、高い作業効率で、より高圧の水素を製造することができる高圧水素製造装置を提供することができる。

本発明の実施の形態の高圧水素製造装置を示す側面図である。本発明の実施の形態の高圧水素製造装置の、カバーを付けた状態を示す斜視図である。

以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
図１および図２は、本発明の実施の形態の高圧水素製造装置を示している。
図１および図２に示すように、高圧水素製造装置１０は、回転軸部１１と回転体１２と回転モータ１３と水供給手段１４と電気分解手段１５と高圧水素タンク１６と高圧酸素タンク１７と水素回収チューブ１８と酸素回収チューブ１９とを有している。

回転軸部１１は、細長い円筒管から成り、鉛直に伸びるよう配置されている。回転軸部１１は、鉛直の中心軸を中心として回転可能に構成されている。回転軸部１１は、上端部に、周方向に沿って歯が並ぶよう、平歯車１１ａが取り付けられている。

回転体１２は、回転軸部１１の所定の高さの位置に、回転軸部１１を中心として回転軸部１１と共に回転可能に固定されている。回転体１２は、回転軸部１１から水平方向に、回転軸部１１に対して互いに反対方向に伸びるよう設けられた２本の貯水管２１と、各貯水管２１の根元に、回転軸部１１の側面を囲うよう設けられた中心円筒部２２とを有している。各貯水管２１は、同じ大きさおよび形状を有しており、断面が円形の管の先端部に、内径が大きいドーム状の収納空間２１ａを有する形状を成している。中心円筒部２２は、上部が開口している。

回転モータ１３は、回転軸に大径平歯車１３ａが取り付けられており、大径平歯車１３ａを回転させるよう構成されている。回転モータ１３は、大径平歯車１３ａが回転軸部１１の平歯車１１ａに噛み合うよう設けられており、大径平歯車１３ａを回転させることにより、回転軸部１１を中心として回転体１２を回転させるよう構成されている。

水供給手段１４は、回転軸部１１の中心円筒部２２の上部開口から、中心円筒部２２および各貯水管２１の内部に水を供給可能に設けられている。
電気分解手段１５は、各貯水管２１の先端部の収納空間２１ａに、陰極２３と陽極２４とを配置して成り、各貯水管２１の内部に収納された水を電気分解して、陰極２３から水素を発生させ、陽極２４から酸素を発生させるよう構成されている。

高圧水素タンク１６は、水素を高圧で貯蔵可能に設けられている。水素回収チューブ１８は、電気分解手段１５により発生した水素を回収して高圧水素タンク１６に供給するよう設けられている。水素回収チューブ１８は、各貯水管２１の先端部の収納空間２１ａから、一旦貯水管２１の外部を通って中心円筒部２２に入り、さらに回転軸部１１の内部に入って上方に伸び、回転軸部１１の上端から外部に出て、高圧水素タンク１６まで伸びている。水素回収チューブ１８は、水素を効率良く回収できるよう、収納空間２１ａの側の先端に、陰極２３を覆う漏斗状の回収カバー２５を有している。また、水素回収チューブ１８は、回転体１２の回転により捻れるのを防ぐよう、回転軸部１１の上端の部分と、回転軸部１１から高圧水素タンク１６に伸びる部分とを、回転継手２６で接続して成っている。

高圧酸素タンク１７は、酸素を高圧で貯蔵可能に設けられている。酸素回収チューブ１９は、電気分解手段１５により発生した酸素を回収して高圧酸素タンク１７に供給するよう設けられている。酸素回収チューブ１９は、各貯水管２１の先端部の収納空間２１ａから、一旦貯水管２１の外部を通って回転軸部１１に入り、回転軸部１１の下端から外部に出て、高圧酸素タンク１７まで伸びている。酸素回収チューブ１９は、酸素を効率良く回収できるよう、収納空間２１ａの側の先端に、陽極２４を覆う漏斗状の回収カバー２７を有している。また、酸素回収チューブ１９は、回転体１２の回転により捻れるのを防ぐよう、回転軸部１１の下端の部分と、回転軸部１１から高圧酸素タンク１７に伸びる部分とを、回転継手２８で接続して成っている。また、酸素回収チューブ１９は、高圧酸素タンク１７に水が入り込まないよう、回転軸部１１の内部で一旦、中心円筒部２２の高さより高い位置まで引き上げられている。

次に、作用について説明する。
高圧水素製造装置１０は、高圧の水素を製造するために、以下のようにして使用される。まず、各貯水管２１の内部に、水供給手段１４により水を入れる。入れる水は、水酸化ナトリウム水溶液や塩化ナトリウム水溶液などの、水素を含む電解質溶液から成っている。水を入れたら、回転モータ１３により回転軸部１１を中心として回転体１２を回転させる。このとき、同じ大きさの２つの貯水管２１が、回転軸部１１に対して回転対称の位置に設けられているため、バランスよく回転し、回転モータ１３の使用エネルギーを小さくすることができる。

回転体１２を回転させると、各貯水管２１の内部には、回転軸部１１からの距離に応じて遠心力が働き、各貯水管２１の先端にいくほど大きい水圧が発生する。回転体１２を回転中に、電気分解手段１５により、各貯水管２１の先端部の収納空間２１ａで水を電気分解させて、水素と酸素とを発生させる。これにより、各貯水管２１の先端部の水圧と同じ圧力の水素および酸素を得ることができる。こうして得られた高圧の水素および酸素を、それぞれ水素回収チューブ１８および酸素回収チューブ１９で回収し、高圧水素タンク１６に高圧水素を、高圧酸素タンク１７に高圧酸素をそれぞれ貯めることができる。

具体的には、例えば、回転軸部１１の中心軸から貯水管２１の先端部までの長さをｒ（ｍ）、回転角速度をω（ｒａｄ／ｓｅｃ）とすると、回転加速度はｒω^２となる。また、単位体積当たりの水の重さは、密度（１０００ｋｇ／ｍ^３）×加速度であるため、貯水管２１の先端部での水の重さは１ｍ^３あたり１０００×ｒω^２ｋｇとなる。水圧は水面との間にある水の重さによるものであるため、貯水管２１の先端部の水圧Ｐは、水の重さをゼロ（ｍ）からｒ（ｍ）まで積分し、Ｐ＝１０００×１／２ｒ^２ω^２となる。したがって、１気圧を１０^５Ｐａとすると、ｒ＝１０ｍ、ω＝４０ｒａｄ／ｓｅｃのとき、Ｐ＝８００×１０^５Ｐａとなり、電気分解で発生する水素および酸素の圧力は、８００気圧になる。また、ｒ＝３ｍ、ω＝１２４．７ｒａｄ／ｓｅｃのとき、約７００気圧になる。

なお、高圧水素製造装置１０で、水素回収チューブ１８および酸素回収チューブ１９により各貯水管２１の先端部から回収した高圧の水素および酸素は、回転軸部１１に近づくにつれて減圧され、圧力が低下した状態で高圧水素タンク１６および高圧酸素タンク１７に供給される。しかし、高圧水素タンク１６および高圧酸素タンク１７にそれぞれ水素および酸素が貯まるに従って、高圧水素タンク１６および水素回収チューブ１８、ならびに高圧酸素タンク１７および酸素回収チューブ１９の内部の圧力が徐々に高くなっていき、各貯水管２１の先端部の水圧と同じ圧力にまで水素および酸素の圧力を高めることができる。これにより、各貯水管２１の先端部の水圧と同じ高圧の水素および酸素を、それぞれ高圧水素タンク１６および高圧酸素タンク１７に貯めることができる。

このように、高圧水素製造装置１０は、水素および酸素の製造と圧縮の作業を同時に行うことができ、作業効率が高い。また、回転体１２の回転速度により製造される水素および酸素の圧力を調整可能であり、回転速度を高めることにより、より高圧の水素および酸素を製造することができる。製造された高圧水素は、例えば、燃料電池自動車の燃料として使用可能である。また、製造された高圧酸素は、例えば、空気タービンを利用して発電したり、燃焼させて発電したりするのに利用することができる。発電に利用した場合には、得られた電力を回転モータ１３に供給することができる。

高圧水素製造装置１０は、電気分解により各貯水管２１の内部の水が減少したときには、水供給手段１４により供給することができる。高圧水素製造装置１０は、純度の高い水素を得るために、水素回収前の高圧水素タンク１６および水素回収チューブ１８の内部には、あらかじめ常圧の水素を充填しておくか、真空状態または真空に近い状態にしておくとよい。また、純度の高い酸素を得るために、酸素回収前の高圧酸素タンク１７および酸素回収チューブ１９の内部には、あらかじめ常圧の酸素を充填しておくか、真空状態または真空に近い状態にしておくとよい。

なお、図１および図２に示すように、高圧水素製造装置１０は、回転体１２が回転するときの空気抵抗を小さくして、回転モータ１３の消費エネルギーを抑制するために、回転体１２の周囲を覆う回転カバー３１を有していることが好ましい。例えば、図１に示すように、回転カバー３１は、回転体１２および回転軸部１１を全て覆っていてもよく、図２に示すように、回転カバー３１は、中心円筒部２２の上部を除いて、回転体１２を覆っていてもよい。また、さらに消費エネルギーを抑えるために、回転カバー３１の内部を真空にしてもよい。

また、高圧水素製造装置１０は、回転体１２を載せて、海上を移動可能かつ係留可能に設けられた浮体を有していてもよい。この場合、海上で高圧水素を製造することができる。また、海上で波力発電、太陽光発電および風力発電の少なくともいずれか１つにより発電を行う発電手段を浮体に搭載し、回転モータ１３が、発電手段により得られた電力を利用して回転体１２を回転させるよう構成されていてもよい。この場合、発電手段により得られたエネルギーを高圧水素に変換して蓄えることができる。なお、貯水管に収納する水は、電気分解を容易に継続できるよう、海水を脱塩したものや、水酸化ナトリウム水溶液から成ることが好ましい。

１０高圧水素製造装置
１１回転軸部
１１ａ平歯車
１２回転体
２１貯水管
２１ａ収納空間
２２中心円筒部
１３回転モータ
１３ａ大径平歯車
１４水供給手段
１５電気分解手段
２３陰極
２４陽極
１６高圧水素タンク
１７高圧酸素タンク
１８水素回収チューブ
２５回収カバー
２６回転継手
１９酸素回収チューブ
２７回収カバー
２８回転継手
３１回転カバー

Claims

鉛直方向に伸びる回転軸部と、前記回転軸部を中心として回転可能に、前記回転軸部から水平方向に伸びるよう設けられた１本または複数本の貯水管とを有する回転体と、
前記回転軸部を中心として前記回転体を回転させる回転モータと、
前記貯水管の先端部に、前記貯水管の内部に収納された水を電気分解して水素と酸素とを発生させるよう設けられた電気分解手段と、
水素を高圧で貯蔵可能に設けられた高圧水素タンクと、
前記電気分解手段により発生した水素を回収して前記高圧水素タンクに供給可能に、前記貯水管の先端部から前記回転軸部を経由して前記高圧水素タンクまで伸びる水素回収チューブとを、
有することを特徴とする高圧水素製造装置。
酸素を高圧で貯蔵可能に設けられた高圧酸素タンクと、
前記電気分解手段により発生した酸素を回収して前記高圧酸素タンクに供給可能に、前記貯水管の先端部から前記回転軸部を経由して前記高圧酸素タンクまで伸びる酸素回収チューブとを、
有することを特徴とする請求項１記載の高圧水素製造装置。
前記回転体を載せて、海上を移動可能かつ係留可能に設けられた浮体を有することを特徴とする請求項１または２記載の高圧水素製造装置。