JP2017033850A - 高圧水素を製造可能なタンク式発電装置および燃料電池車両 - Google Patents

高圧水素を製造可能なタンク式発電装置および燃料電池車両 Download PDF

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Abstract

【課題】燃料電池車両などに搭載して高圧水素を製造するとともに、その水素を利用して発電も行うことができ、別個の燃料電池を必要とせず、車両の製造コストを抑制することができる、高圧水素を製造可能なタンク式発電装置および燃料電池車両を提供する。
【解決手段】仕切部材１２が、タンク本体１１の内部を２つの区画に仕切り、各区画に接する固体高分子電解質膜２６を有している。供給手段１３が、一方の区画２４に水と酸素を有する気体とを切り換えて供給可能に構成されている。電解発電手段１６が、固体高分子電解質膜２６の両面にそれぞれ電極３０ａ，３０ｂを有し、供給手段１３で水が供給されるとき、他方の区画２５に水素ガスを貯めるよう、各電極３０ａ，３０ｂに電圧を印加して電気分解可能、かつ、供給手段１３で酸素を有する気体が供給されるとき、その気体と他方の区画２５の水素ガスとを反応させて発電可能に設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、高圧水素を製造可能なタンク式発電装置および燃料電池車両に関する。
従来の燃料電池車両は、ガソリンや軽油等の代わりに、水素ステーションなどで燃料電池用の水素を補給しながら走行するようになっている。このような従来型の燃料電池車両に対して、本発明者は、水素ステーションを必要とせず、燃料電池車両に搭載することにより、車両の内部で高圧水素を製造して燃料電池に供給することができる、水素を製造可能な高圧水素タンクを開発している（例えば、特許文献１参照）。
すなわち、特許文献１に記載の水素を製造可能な高圧水素タンクは、内部に高圧の流体を貯蔵可能なタンク本体と、タンク本体の内部を２つの区画に仕切る仕切部材と、給水手段と電気分解手段と制御手段とを有し、タンク本体は、一方の区画に給水口および排出口を有し、他方の区画に排気口を有し、仕切部材は、少なくとも一部に各区画に接する固体高分子電解質膜を有し、一方の区画の内部圧力より他方の区画の内部圧力が高くなったとき、その圧力差により作動して排出口を塞ぐよう構成された閉塞手段を有し、給水手段は、給水口から一方の区画に所定の圧力で水を供給可能に設けられ、電気分解手段は、固体高分子電解質膜の両面のうち、一方の区画に接する面に陽極を有し、他方の区画に接する面に陰極を有し、他方の区画に水素ガスを貯めるよう、給水手段により一方の区画に水を供給しながら、陽極と陰極との間に電圧を印加して電気分解可能に設けられ、制御手段は、他方の区画の内部圧力が高くなってあらかじめ設定した設定圧力になったとき、電気分解手段の電気分解と給水手段による水の供給とを停止するよう構成されている。
特許第５６８５７４８号公報
しかしながら、特許文献１に記載の水素を製造可能な高圧水素タンクは、陰極に白金触媒を使用する必要があり、燃料電池と同じくらい高価になってしまう。このため、燃料電池車両に搭載したとき、燃料電池と合わせて、少なくとも燃料電池の２倍程度の費用が必要となり、車両の製造コストが嵩む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、燃料電池車両などに搭載して高圧水素を製造するとともに、その水素を利用して発電も行うことができ、別個の燃料電池を必要とせず、車両の製造コストを抑制することができる、高圧水素を製造可能なタンク式発電装置および燃料電池車両を提供することを目的としている。
本発明者は、特許文献１に記載の水素を製造可能な高圧水素タンクを改良することにより、１台で高圧水素を製造するとともに、その水素を利用して発電も行うこともできる装置を開発し、本発明に至った。
すなわち、本発明に係る高圧水素を製造可能なタンク式発電装置は、内部に高圧の流体を貯蔵可能なタンク本体と、前記タンク本体の内部を２つの区画に仕切る仕切部材と、供給手段と、電解発電手段と、制御手段とを有し、前記タンク本体は、一方の区画に第１の開口と第２の開口とを有し、前記仕切部材は、少なくとも一部に各区画に接する固体高分子電解質膜を有し、前記一方の区画の内部圧力より他方の区画の内部圧力が高くなったとき、その圧力差により作動して前記第２の開口を塞ぐよう構成された閉塞手段を有し、前記供給手段は、前記第１の開口から前記一方の区画に所定の圧力で水を供給可能かつ、前記第１の開口または前記第２の開口から前記一方の区画に所定の圧力で酸素を有する気体を供給可能に設けられ、前記水と前記酸素を有する気体とを切り換えて供給するよう構成されており、前記電解発電手段は、前記固体高分子電解質膜の両面にそれぞれ電極を有し、前記供給手段により前記一方の区画に前記水が供給されるとき、前記他方の区画に水素ガスを貯めるよう、各電極の間に電圧を印加して電気分解可能、かつ、前記供給手段により前記一方の区画に前記酸素を有する気体が供給されるとき、その気体と前記他方の区画の前記水素ガスとを反応させて発電可能に設けられ、前記制御手段は、前記電解発電手段の電気分解により、前記他方の区画の内部圧力が高くなってあらかじめ設定した設定圧力になったとき、前記電解発電手段の電気分解と前記供給手段による前記水の供給とを停止するよう構成されていることを特徴とする。
本発明に係る高圧水素を製造可能なタンク式発電装置は、供給手段により、水と酸素を有する気体とを切り換えて一方の区画に供給することにより、電解発電手段で電気分解と発電とを切り換えて行うことができる。電解発電手段による電気分解時には、特許文献１に記載の水素を製造可能な高圧水素タンクの原理を利用しており、他方の区画に、設定圧力の水素ガスを貯蔵することができる。また、電解発電手段による発電時には、供給手段で一方の区画に供給された気体中の酸素と、電気分解により他方の区画に貯められた水素とを反応させることにより、電気と水とを発生させることができる。
このように、本発明に係る高圧水素を製造可能なタンク式発電装置は、電気分解時には、高圧水素を製造するとともに、発電時には、その水素を利用することができ、１台で水素の製造装置および燃料電池の２つの役割を果たすことができる。このため、燃料電池車両などに搭載することにより、電解発電手段で発電した電力で走行することができ、別個の燃料電池を必要とせず、車両の製造コストを抑制することができる。
本発明に係る高圧水素を製造可能なタンク式発電装置は、供給手段により供給する水の圧力および制御手段の設定圧力を高くすることにより、より高圧の水素ガスを得ることができる。また、制御手段を機能させるために、供給手段により供給する水の圧力は、制御手段の設定圧力よりも高いことが好ましい。
本発明に係る高圧水素を製造可能なタンク式発電装置で、供給手段で一方の区画に供給される水は、純水に限らず、水道水や河川水、海水などであってもよい。また、供給手段で一方の区画に供給される酸素を有する気体は、酸素を有していればいかなる気体であってもよく、酸素のみから成る酸素ガスや空気であってもよい。仕切部材は、一部が固体高分子電解質膜から成っていても、全体が固体高分子電解質膜から成っていてもよい。閉塞手段は、圧力差により作動して第２の開口を塞ぐよう構成されていれば、いかなる構成であってもよい。
本発明に係る高圧水素を製造可能なタンク式発電装置で、前記一方の区画は、前記第１の開口から前記タンク本体の内部を循環して前記第２の開口に至る流路の内部空間から成り、前記他方の区画は、前記タンク本体の内部の、前記流路の外部空間から成り、前記仕切部材は、前記流路の外壁から成り、前記固体高分子電解質膜を複数有していてもよい。この場合、流路の形状、すなわち一方の区画の形状を任意に設定することができる。また、流路の形状を工夫することにより、タンク本体の内部に、固体高分子電解質膜を複数枚、互いに隙間をあけて重なり合うように配置することができる。これにより、固体高分子電解質膜の総表面積を増やすことができ、電気分解による水素ガスの発生効率、および発電効率を高めることができる。
また、この場合、前記流路は、前記供給手段により前記第１の開口から前記水を供給したとき、前記水が各固体高分子電解質膜の位置で下から上に流れるよう配置されており、前記供給手段は、前記酸素を有する気体を、前記他方の区画の内部圧力より高い圧力で、前記第２の開口から供給するよう設けられていることが好ましい。この場合、電気分解時には、供給手段で供給される水で、各固体高分子電解質膜を確実に浸すことができる。また、発電時には、各固体高分子電解質膜の位置で酸素と水素との反応により発生する水を、供給手段で供給される酸素を有する気体の流れに沿って、流路の下方に流すことができる。また、酸素を有する気体を、閉塞手段に抗して第２の開口から供給することができる。
また、この場合、例えば、切替手段と排出管とを有し、前記供給手段は前記水と前記酸素を有する気体とを供給するための供給管を有し、前記切替手段は、前記供給手段により前記水が供給されるとき、前記供給管を前記第１の開口に接続するとともに、前記排出管を前記第２の開口に接続し、前記供給手段により前記酸素を有する気体が供給されるとき、前記供給管を前記第２の開口に接続するとともに、前記排出管を前記第１の開口に接続するよう構成されていることが好ましい。この場合、切替手段により、供給管および排出管の接続位置を、容易に切り換えることができる。
また、この場合、前記排出管から排出される液体および／または気体により発電可能に、前記排出管に設けられたタービンを有していてもよい。この場合、電気分解後の排水や発電後の排気等の流れを利用して、タービンにより発電を行うことができ、装置全体の発電効率を高めることができる。
本発明に係る高圧水素を製造可能なタンク式発電装置で、前記供給手段は、前記酸素を有する気体を、１気圧よりも高い圧力で前記一方の区画に供給するよう設けられ、前記電解発電手段は、前記供給手段により前記一方の区画に前記酸素を有する気体が供給されるとき、前記他方の区画の水素ガスを１気圧よりも高い圧力に維持した状態で、前記酸素を有する気体と前記水素ガスとを反応させて発電するよう構成されていてもよい。この場合、発電時に、タンク本体の内部が高圧になり、水の沸点が上昇するため、高温で発電することができ、発電効率を高めることができる。
本発明に係る高圧水素を製造可能なタンク式発電装置は、水素貯蔵タンクを有し、前記タンク本体は、前記他方の区画に排気口を有し、前記水素貯蔵タンクは、前記排気口に接続されて前記他方の区画に連通しており、前記電解発電手段の電気分解により前記他方の区画に貯められた前記水素ガスを貯蔵可能かつ、貯蔵された前記水素ガスを前記他方の区画に供給可能に構成されていてもよい。この場合、水素貯蔵タンクにより、電気分解で発生した高圧の水素ガスの貯蔵量を増やすことができる。このため、燃料電池車両に搭載したとき、その走行距離を伸ばすことができる。
本発明に係る燃料電池車両は、本発明に係る高圧水素を製造可能なタンク式発電装置を搭載し、前記電解発電手段で発電した電力で走行可能に構成されていることを特徴とする。
本発明に係る燃料電池車両は、本発明に係る高圧水素を製造可能なタンク式発電装置を搭載しているため、タンクの積み替えや高圧水素の充填などの作業が不要となり、タンク本体の内部で高圧水素を製造するとともに、その水素を利用して発電して走行することもできる。このため、別個の燃料電池を必要とせず、製造コストを抑制することができる。本発明に係る燃料電池車両は、家庭での駐車中に電源と水道ホースとを繋ぐだけで高圧水素を安価に製造して充填することができる。このため、水素ステーションなどの充填施設が不要になり、高圧水素の供給コストを低減することができる。
本発明によれば、燃料電池車両などに搭載して高圧水素を製造するとともに、その水素を利用して発電も行うことができ、別個の燃料電池を必要とせず、車両の製造コストを抑制することができる、高圧水素を製造可能なタンク式発電装置および燃料電池車両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を製造可能なタンク式発電装置を示す縦断面図である。 図１に示す高圧水素を製造可能なタンク式発電装置の、タンク本体のＡ−Ａ’線断面図である。
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を製造可能なタンク式発電装置を示している。
図１および図２に示すように、高圧水素を製造可能なタンク式発電装置１０は、タンク本体１１と仕切部材１２と供給手段１３と排出管１４と切替手段１５と電解発電手段１６と制御手段１７とタービン１８と排気管１９と水素貯蔵タンク（図示せず）とを有している。
タンク本体１１は、円筒の一端側の開口を平板の蓋１１ａで、他端側の開口をドーム状の蓋１１ｂで覆った形状を成し、内部に高圧の流体を貯蔵可能に構成されている。タンク本体は、円筒部分が横向きになるよう設置され、平板の蓋１１ａに第１の開口２１と第２の開口２２とを有し、ドーム状の蓋１１ｂに排気口２３を有している。
仕切部材１２は、第１の開口２１からタンク本体１１の内部を循環して第２の開口２２に至る流路の外壁から成っている。仕切部材１２は、タンク本体１１の内部を、流路から成る一方の区画２４、および、タンク本体１１の内部の流路の外部空間から成る他方の区画２５の、２つの区画に仕切っている。一方の区画２４の流路は、第１の開口２１からタンク本体１１の内部の上部に伸び、そこで複数に分岐して、それぞれの分岐路が互いに間隔を開けて、タンク本体１１の内部を上から下に伸び、タンク本体１１の内部の下部で再び一つに合流して、第２の開口２２に至るよう配置されている。また、図２に示すように、一方の区画２４の流路は、タンク本体１１の内部を上から下に伸びる部分が、タンク本体１１の内部の左右方向に拡がる平面状に形成されている。図２に示す具体的な一例では、その平面部の形状は矩形状であり、その側縁とタンク本体１１の内壁との間に隙間があくよう形成されている。
仕切部材１２は、流路の各分岐に対応して、複数の固体高分子電解質膜２６を有している。各固体高分子電解質膜２６は、一方の区画２４（流路）と他方の区画２５（流路の外部）とに接するよう、各分岐のタンク本体１１の内部を上から下に伸びる平面状の部分の、一方の表面に設けられている。図１に示す具体的な一例では、固体高分子電解質膜２６は２枚である。また、仕切部材１２は、第１の開口２１および第２の開口２２の接続位置に、それぞれ閉塞手段２７ａ，２７ｂを有している。各閉塞手段２７ａ，２７ｂは、圧力調整弁から成り、一方の区画２４（流路）の内部圧力より他方の区画２５（流路の外部）の内部圧力が高くなったとき、その圧力差により作動して、それぞれ第１の開口２１および第２の開口２２を塞ぐよう構成されている。
供給手段１３は、水と酸素を有する気体とを切り換えて供給するよう構成され、それらを供給するための供給管２８を有している。供給手段１３は、水と酸素を有する気体とを圧力をかけて供給可能に、供給管２８に高圧ポンプ２９を有している。切替手段１５は、流路切替弁から成り、供給管２８と排出管１４と第１の開口２１と第２の開口２２とに接続されている。切替手段１５は、供給手段１３により水が供給されるとき、供給管２８を第１の開口２１に接続するとともに、排出管１４を第２の開口２２に接続するよう構成されている。また、切替手段１５は、供給手段１３により酸素を有する気体が供給されるとき、供給管２８を第２の開口２２に接続するとともに、排出管１４を第１の開口２１に接続するよう構成されている。
これにより、供給手段１３は、第１の開口２１から一方の区画２４に任意の圧力で水を供給可能かつ、第２の開口２２から一方の区画２４に任意の圧力で酸素を有する気体を供給可能になっている。また、これにより、供給手段１３により第１の開口２１から水を供給したとき、その水が各固体高分子電解質膜２６の位置で下から上に流れ、供給手段１３により第２の開口２２から酸素を有する気体を供給したとき、その気体が各固体高分子電解質膜２６の位置で上から下に流れるようになっている。
電解発電手段１６は、固体高分子電解質膜２６の両面にそれぞれ電極３０ａ，３０ｂを有している。電解発電手段１６は、供給手段１３により一方の区画２４に水が供給されるとき、他方の区画２５に水素ガスを貯めるよう、各電極３０ａ，３０ｂの間に電圧を印加して電気分解可能になっている。また、電解発電手段１６は、供給手段１３により一方の区画２４に酸素を有する気体が供給されるとき、その気体と他方の区画２５の水素ガスとを反応させて発電可能になっている。なお、他方の区画２５の側の電極３０ａは、白金電極から成っている。
制御手段１７は、タンク本体１１の平板の蓋１１ａの外側面に配置されて電力供給機能を有するコントローラ３１と、他方の区画２５に連通する測定管３２と、測定管３２に取り付けられた安全弁３３と、測定管３２の安全弁３３より下流側に取り付けられた水素ガスセンサ３４とを有している。コントローラ３１は、電解発電手段１６の各電極３０ａ，３０ｂに接続されており、電気分解と発電とに応じて、各電極３０ａ，３０ｂの間に電圧を印加可能になっている。また、コントローラ３１は、高圧ポンプ２９にも接続されており、高圧ポンプ２９に電力を供給可能になっている。
安全弁３３は、測定管３２の内部の圧力、すなわち他方の区画２５の内部圧力があらかじめ設定した設定圧力よりも低いとき測定管３２を閉じ、電解発電手段１６の電気分解により、他方の区画２５の内部圧力が高くなって設定圧力になったとき、測定管３２を開放するよう構成されている。なお、設定圧力は、供給手段１３により供給する水の圧力よりも低い圧力に設定されている。水素ガスセンサ３４は、安全弁３３により測定管３２が開放されて、他方の区画２５からの水素ガスの排出を検知したとき、コントローラ３１に検知信号を送信するよう構成されている。
制御手段１７は、水素ガスセンサ３４からの検知信号を受信したとき、すなわち他方の区画２５の内部圧力が高くなって設定圧力になったとき、コントローラ３１による電解発電手段１６および高圧ポンプ２９への電力供給を停止することにより、電解発電手段１６の電気分解と供給手段１３による水の供給とを停止するよう構成されている。
タービン１８は、排出管１４から排出される液体および／または気体により発電可能に、排出管１４の先端に設けられている。排気管１９は、タンク本体１１の排気口２３に接続されており、他方の区画２５に連通している。排気管１９は、内部を流れる気体の流れの向き、およびその流量を調整可能な流量調整弁３５を有している。水素貯蔵タンクは、排気管１９に接続されて他方の区画２５に連通している。水素貯蔵タンクは、流量調整弁３５を調整することにより、電解発電手段１６の電気分解により他方の区画２５に貯められた水素ガスを貯蔵可能かつ、貯蔵した水素ガスを他方の区画２５に供給可能に構成されている。
次に、作用について説明する。
高圧水素を製造可能なタンク式発電装置１０は、供給手段１３により、水と酸素を有する気体とを切り換えて一方の区画２４に供給することにより、電解発電手段１６で電気分解と発電とを切り換えて行うことができる。電解発電手段１６による電気分解時には、まず、供給手段１３により一方の区画２４に水を供給しながら、電解発電手段１６により電気分解を行う。これにより発生した酸素ガスは一方の区画２４に放出され、水素イオンは固体高分子電解質膜２６を透過して他方の区画２５の側に移動して水素ガスとなり、他方の区画２５に放出される。
電気分解により他方の区画２５や水素貯蔵タンクには水素ガスが徐々に貯まって圧力が上昇していくが、供給手段１３が一方の区画２４に安全弁３３の設定圧力よりも高い圧力で水を供給しているため、水を供給している間は、一方の区画２４の内部圧力が他方の区画２５の内部圧力よりも高くなっており、第２の開口２２が塞がれずに開放されている。このため、一方の区画２４の内部に放出された酸素ガスや供給された水は、第２の開口２２から外部に排出される。また、他方の区画２５の水素ガスの圧力が上昇しても、電流を流し続けることにより、ファラデーの電気分解の法則により、圧力に関わりなく水素ガスを製造することができる。
水素ガスが貯まって他方の区画２５および水素貯蔵タンクの内部圧力が安全弁３３の設定圧力になると、制御手段１７により電解発電手段１６の電気分解と供給手段１３による水の供給とが停止する。これにより、一方の区画２４の内部圧力が低下するため、一方の区画２４の内部圧力より他方の区画２５の内部圧力が高くなり、閉塞手段２７ｂにより第２の開口２２が塞がれる。これにより、第２の開口２２から排出された酸素ガスや水が逆流するのを防ぐことができる。また、安全弁３３が開放されるため、他方の区画２５の内部の水素ガスが安全弁３３を通って排気される。これにより他方の区画２５の内部圧力が設定圧力よりも低下すると、再び安全弁３３が閉じて、他方の区画２５および水素貯蔵タンクが密閉される。こうして、他方の区画２５および水素貯蔵タンクに、設定圧力の水素ガスを貯蔵することができる。
また、電解発電手段１６による発電時には、まず、供給手段１３により一方の区画２４に酸素を有する気体を供給する。このとき、閉塞手段２７ｂに抗して一方の区画２４に気体を供給するよう、他方の区画２５の内部圧力より高い圧力で、酸素を有する気体を第２の開口２２から供給する。一方の区画２４に供給された気体中の酸素と、電気分解により他方の区画２５に貯められた水素とを反応させることにより、各電極３０ａ，３０ｂの間に電流が流れて電気が発生する。また、それと同時に、酸素と水素が結合して水も発生する。
このように、高圧水素を製造可能なタンク式発電装置１０は、電気分解時には、高圧水素を製造するとともに、発電時には、その水素を利用することができ、１台で水素の製造装置および燃料電池の２つの役割を果たすことができる。このため、燃料電池車両などに搭載することにより、電解発電手段１６で発電した電力で走行することができ、別個の燃料電池を必要とせず、車両の製造コストを抑制することができる。なお、発電と電気分解とを切り替える際には、切替手段１５や電解発電手段１６、高圧ポンプ２９などの設定が、制御手段１７で自動的に切り換えられることが好ましい。
高圧水素を製造可能なタンク式発電装置１０は、供給手段１３により供給する水の圧力および制御手段１７の設定圧力を高くすることにより、より高圧の水素ガスを得ることができる。また、固体高分子電解質膜２６を複数枚、互いに隙間をあけて重なり合うように配置しているため、固体高分子電解質膜２６が１枚の場合と比べて、その総表面積を増やすことができ、電気分解による水素ガスの発生効率、および発電効率を高めることができる。
高圧水素を製造可能なタンク式発電装置１０は、電気分解時には、各固体高分子電解質膜２６の位置で、供給手段１３で供給される水が下から上に向かって流れるため、各固体高分子電解質膜２６を確実に水に浸すことができる。また、発電時には、各固体高分子電解質膜２６の位置で、供給手段１３で供給される気体が上から下に向かって流れるため、酸素と水素との反応により発生する水を、供給手段１３で供給される気体の流れに沿って、流路の下方に流すことができる。
高圧水素を製造可能なタンク式発電装置１０は、供給手段１３で一方の区画２４に供給する水や酸素を有する気体の圧力を、各閉塞手段２７ａ，２７ｂの圧力調整弁が開放される程度の圧力に調整することにより、その圧力と他方の区画２５に貯められた水素ガスの圧力とを、ほぼ同じ圧力に保つことができるため、固体高分子電解質膜２６が破損するのを防ぐことができる。
高圧水素を製造可能なタンク式発電装置１０は、排出管１４に設けられたタービン１８により、電気分解後の排水や発電後の排気等の流れを利用して、発電を行うことができ、装置全体の発電効率を高めることができる。
高圧水素を製造可能なタンク式発電装置１０は、水素貯蔵タンクを利用して、電気分解で発生した高圧の水素ガスの貯蔵量を増やすことができる。このため、燃料電池車両に搭載すれば、その走行距離を伸ばすことができる。また、流量調整弁３５が閉じた状態で発電したり、安全弁３３を介して水素ガスを放出したりすることにより、他方の区画２５の水素ガスの圧力を低下させることができる。こうして他方の区画２５の水素ガスの圧力を低下させた後、流量調整弁３５により水素ガスの圧力を一定に保ちながら発電を行うことができる。このとき、供給手段１３で供給する気体を低圧にできるため、高圧ポンプ２９の消費エネルギーを低減することができる。また、大量の気体を供給することにより、発電時の過熱を防ぐこともできる。
高圧水素を製造可能なタンク式発電装置１０で、供給手段１３で一方の区画２４に供給される水は、純水に限らず、水道水や河川水、海水などであってもよい。また、供給手段１３で一方の区画２４に供給される酸素を有する気体は、酸素を有していればいかなる気体であってもよく、酸素のみから成る酸素ガスや空気であってもよい。
なお、高圧水素を製造可能なタンク式発電装置１０は、発電時に、酸素を有する気体と水素ガスとを１気圧よりも高い圧力で反応させてもよい。具体的には、供給手段１３により、酸素を有する気体を、１気圧よりも高い圧力で一方の区画２４に供給し、他方の区画２５の水素ガスを１気圧よりも高い圧力に維持した状態で、電解発電手段１６により、酸素を有する気体と水素ガスとを反応させて発電してもよい。この場合、発電時に、タンク本体１１の内部が高圧になり、水の沸点が上昇する。例えば、５気圧では１５０℃でも固体高分子電解質膜２６の水分が気化しないようにすることができる。このため、高温で発電することができ、イオン導電性の向上により発電効率を高めることができる。また、このとき、供給手段１３で供給された気体が、発電時の発熱により膨張するため、排出管１４のタービン１８が効率良く回転し、発電効率を高めることができる。
また、高圧水素を製造可能なタンク式発電装置１０で、供給手段１３で供給される水は、電気分解により消費される以外にも、水素イオンの移動に伴い固体高分子電解質膜２６を通過して他方の区画２５に浸透する分がある。このため、水道水を使用する際には、水道水の不純物が濃縮されることによる障害を防ぐために、電気分解に要する水量の数倍程度を供給することが好ましい。また、他方の区画２５の底部に溜まった水を排出するために、測定管３２が他方の区画２５の底部に接するよう配置されていることが好ましい。
高圧水素を製造可能なタンク式発電装置１０は、独立して使用されてもよく、燃料電池車両に搭載して使用されてもよい。燃料電池車両に搭載されたときには、タンクの積み替えや高圧水素の充填などの作業が不要となり、タンク本体１１の内部で高圧水素を製造するとともに、その水素を利用して発電して走行することもできる。このため、別個の燃料電池を必要とせず、製造コストを抑制することができる。また、家庭で燃料電池車両を駐車中に、電源と水道ホースとを繋ぐだけで高圧水素を安価に製造して充填することができる。このため、水素ステーションなどの充填施設が不要になり、高圧水素の供給コストを低減することができる。
１０ 高圧水素を製造可能なタンク式発電装置
１１ タンク本体
１１ａ 平板の蓋
１１ｂ ドーム状の蓋
２１ 第１の開口
２２ 第２の開口
２３ 排気口
１２ 仕切部材
２４ 一方の区画
２５ 他方の区画
２６ 固体高分子電解質膜
２７ａ，２７ｂ 閉塞手段
１３ 供給手段
２８ 供給管
２９ 高圧ポンプ
１４ 排出管
１５ 切替手段
１６ 電解発電手段
３０ａ，３０ｂ 電極
１７ 制御手段
３１ コントローラ
３２ 測定管
３３ 安全弁
３４ 水素ガスセンサ
１８ タービン
１９ 排気管
３５ 流量調整弁
すなわち、本発明に係る高圧水素を製造可能なタンク式発電装置は、内部に高圧の流体を貯蔵可能なタンク本体と、前記タンク本体の内部を２つの区画に仕切る仕切部材と、供給手段と、電解発電手段と、制御手段とを有し、前記タンク本体は、一方の区画に第１の開口と第２の開口とを有し、前記一方の区画は、前記第１の開口から前記タンク本体の内部を循環して前記第２の開口に至る流路の内部空間から成り、他方の区画は、前記タンク本体の内部の、前記流路の外部空間から成り、前記仕切部材は、前記流路の外壁から成り、少なくとも一部に各区画に接する固体高分子電解質膜を複数有し、前記一方の区画の内部圧力より前記他方の区画の内部圧力が高くなったとき、その圧力差により作動して前記第２の開口を塞ぐよう構成された閉塞手段を有し、前記供給手段は、前記第１の開口から前記一方の区画に所定の圧力で水を供給可能かつ、前記第２の開口から前記一方の区画に、前記他方の区画の内部圧力より高い圧力で酸素を有する気体を供給可能に設けられ、前記水と前記酸素を有する気体とを切り換えて供給するよう構成されており、前記流路は、前記供給手段により前記第１の開口から前記水を供給したとき、前記水が各固体高分子電解質膜の位置で下から上に流れるよう配置されており、前記電解発電手段は、前記固体高分子電解質膜の両面にそれぞれ電極を有し、前記供給手段により前記一方の区画に前記水が供給されるとき、前記他方の区画に水素ガスを貯めるよう、各電極の間に電圧を印加して電気分解可能、かつ、前記供給手段により前記一方の区画に前記酸素を有する気体が供給されるとき、その気体と前記他方の区画の前記水素ガスとを反応させて発電可能に設けられ、前記制御手段は、前記電解発電手段の電気分解により、前記他方の区画の内部圧力が高くなってあらかじめ設定した設定圧力になったとき、前記電解発電手段の電気分解と前記供給手段による前記水の供給とを停止するよう構成されていることを特徴とする。
本発明に係る高圧水素を製造可能なタンク式発電装置は、流路の形状、すなわち一方の区画の形状を任意に設定することができる。また、流路の形状を工夫することにより、タンク本体の内部に、固体高分子電解質膜を複数枚、互いに隙間をあけて重なり合うように配置することができる。これにより、固体高分子電解質膜の総表面積を増やすことができ、電気分解による水素ガスの発生効率、および発電効率を高めることができる。
また、本発明に係る高圧水素を製造可能なタンク式発電装置は、電気分解時には、供給手段で供給される水で、各固体高分子電解質膜を確実に浸すことができる。また、発電時には、各固体高分子電解質膜の位置で酸素と水素との反応により発生する水を、供給手段で供給される酸素を有する気体の流れに沿って、流路の下方に流すことができる。また、酸素を有する気体を、閉塞手段に抗して第２の開口から供給することができる。
また、本発明に係る高圧水素を製造可能なタンク式発電装置は、例えば、切替手段と排出管とを有し、前記供給手段は前記水と前記酸素を有する気体とを供給するための供給管を有し、前記切替手段は、前記供給手段により前記水が供給されるとき、前記供給管を前記第１の開口に接続するとともに、前記排出管を前記第２の開口に接続し、前記供給手段により前記酸素を有する気体が供給されるとき、前記供給管を前記第２の開口に接続するとともに、前記排出管を前記第１の開口に接続するよう構成されていることが好ましい。この場合、切替手段により、供給管および排出管の接続位置を、容易に切り換えることができる。

Claims (8)

  1. 内部に高圧の流体を貯蔵可能なタンク本体と、前記タンク本体の内部を２つの区画に仕切る仕切部材と、供給手段と、電解発電手段と、制御手段とを有し、
    前記タンク本体は、一方の区画に第１の開口と第２の開口とを有し、
    前記仕切部材は、少なくとも一部に各区画に接する固体高分子電解質膜を有し、前記一方の区画の内部圧力より他方の区画の内部圧力が高くなったとき、その圧力差により作動して前記第２の開口を塞ぐよう構成された閉塞手段を有し、
    前記供給手段は、前記第１の開口から前記一方の区画に所定の圧力で水を供給可能かつ、前記第１の開口または前記第２の開口から前記一方の区画に所定の圧力で酸素を有する気体を供給可能に設けられ、前記水と前記酸素を有する気体とを切り換えて供給するよう構成されており、
    前記電解発電手段は、前記固体高分子電解質膜の両面にそれぞれ電極を有し、前記供給手段により前記一方の区画に前記水が供給されるとき、前記他方の区画に水素ガスを貯めるよう、各電極の間に電圧を印加して電気分解可能、かつ、前記供給手段により前記一方の区画に前記酸素を有する気体が供給されるとき、その気体と前記他方の区画の前記水素ガスとを反応させて発電可能に設けられ、
    前記制御手段は、前記電解発電手段の電気分解により、前記他方の区画の内部圧力が高くなってあらかじめ設定した設定圧力になったとき、前記電解発電手段の電気分解と前記供給手段による前記水の供給とを停止するよう構成されていることを
    特徴とする高圧水素を製造可能なタンク式発電装置。
  2. 前記一方の区画は、前記第１の開口から前記タンク本体の内部を循環して前記第２の開口に至る流路の内部空間から成り、
    前記他方の区画は、前記タンク本体の内部の、前記流路の外部空間から成り、
    前記仕切部材は、前記流路の外壁から成り、前記固体高分子電解質膜を複数有していることを
    特徴とする請求項１記載の高圧水素を製造可能なタンク式発電装置。
  3. 前記流路は、前記供給手段により前記第１の開口から前記水を供給したとき、前記水が各固体高分子電解質膜の位置で下から上に流れるよう配置されており、
    前記供給手段は、前記酸素を有する気体を、前記他方の区画の内部圧力より高い圧力で、前記第２の開口から供給するよう設けられていることを
    特徴とする請求項２記載の高圧水素を製造可能なタンク式発電装置。
  4. 切替手段と排出管とを有し、
    前記供給手段は前記水と前記酸素を有する気体とを供給するための供給管を有し、
    前記切替手段は、前記供給手段により前記水が供給されるとき、前記供給管を前記第１の開口に接続するとともに、前記排出管を前記第２の開口に接続し、前記供給手段により前記酸素を有する気体が供給されるとき、前記供給管を前記第２の開口に接続するとともに、前記排出管を前記第１の開口に接続するよう構成されていることを
    特徴とする請求項３記載の高圧水素を製造可能なタンク式発電装置。
  5. 前記排出管から排出される液体および／または気体により発電可能に、前記排出管に設けられたタービンを有することを特徴とする請求項４記載の高圧水素を製造可能なタンク式発電装置。
  6. 前記供給手段は、前記酸素を有する気体を、１気圧よりも高い圧力で前記一方の区画に供給するよう設けられ、
    前記電解発電手段は、前記供給手段により前記一方の区画に前記酸素を有する気体が供給されるとき、前記他方の区画の水素ガスを１気圧よりも高い圧力に維持した状態で、前記酸素を有する気体と前記水素ガスとを反応させて発電するよう構成されていることを
    特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の高圧水素を製造可能なタンク式発電装置。
  7. 水素貯蔵タンクを有し、
    前記タンク本体は、前記他方の区画に排気口を有し、
    前記水素貯蔵タンクは、前記排気口に接続されて前記他方の区画に連通しており、前記電解発電手段の電気分解により前記他方の区画に貯められた前記水素ガスを貯蔵可能かつ、貯蔵された前記水素ガスを前記他方の区画に供給可能に構成されていることを
    特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の高圧水素を製造可能なタンク式発電装置。
  8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の高圧水素を製造可能なタンク式発電装置を搭載し、前記電解発電手段で発電した電力で走行可能に構成されていることを特徴とする燃料電池車両。
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