JP3766892B2 - 固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、固体高分子電解膜を用いて水を電解し、陽極に酸素、陰極に水素を発生させる水電解槽に関し、より詳しくは、燃料電池用水素ステーションで３５〜７０ＭＰａの高圧水素ガスを供給する水素供給装置に関するものである。高純度水素ガスおよび酸素ガスは半導体製造、燃料電池、アンモニア製造、メタノール製造等にも利用される。
【０００２】
【従来の技術】
従来、固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置は、図３に示すように、高分子電解質膜を用いて水を電解し、陽極に酸素、陰極に水素を発生させる水電解槽(51)と、水電解槽の陰極にて発生した水素と水を分離する水素気液分離器(53)と、水電解槽の陽極にて発生した酸素と水を分離する酸素気液分離器(54)と、水電解槽へ水を供給するように水を循環させる循環ポンプ(55)を備えた水循環ライン(52)と、水素気液分離器に設けられ、かつ水素圧力調整弁(58)を備えた水素ライン(56)と、酸素気液分離器に設けられ、かつ酸素圧力調整弁(59)を備えた酸素ライン(57)と、酸素気液分離器(54)に吸水ポンプ(60)を介して接続された純水タンク(61)と、水電解槽(51)に接続された直流電源(62)と、水素ライン(56)に設けられた流量調整弁(63)とからなる。
【０００３】
水電解槽(51)の陽極にて発生した酸素は酸素気液分離器(54)に送られ、陰極にて発生した水素は水素気液分離器(53)に送られる。このとき水電解槽(51)から出る水はほとんど酸素側に送られる。水素気液分離器(53)と酸素気液分離器(54)は配管にてつながれており、両気液分離器の水面レベルは常に同じに制御されている。両気液分離器に送られた水は、循環水冷却器にて温度調整されて、循環ポンプ(55)にて再度水電解槽(51)に送られる。水電解装置への水の供給は、予め設定しておいた酸素気液分離器(54)のレベルの設定値に合わせて水供給ポンプ(60)によって純水を酸素気液分離器(54)に供給することにより行われる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
固体高分子型水電解槽は、槽の内部と外部のシール性を持たせるために軟質シール材料（例えばアフラスゴム、テフロン（登録商標））製のＯリングを使用したものであり、耐圧性能は１ＭＰａ程度である。したがって、電解槽で製造される１ＭＰａの水素ガスの圧力を７０〜１００ＭＰａ程度の超高圧に昇圧しようとすると、水電解槽のシール部材が強度的に内圧に耐えきれず、ガスが外部に漏れる恐れがある。
【０００５】
本発明は、このような問題を解消することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明による水素供給装置は、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昇圧する装置であって、大径部とその一端に連設された小径部とからなるシリンダーと、大径部の他端周部に外装された加熱コイルと、水電解槽から大径部に配された酸素導入管と、大径部に配された酸素排出管と、水電解槽から小径部に配された水素導入管と、小径部に配された高圧水素取出管と、シリンダー内に配されたピストンとからなり、ピストンはシリンダーの大径部に合致する外径を有する大径部と、シリンダーの小径部に合致する外径を有する小径部とからなり、ピストンの大径部の長さはシリンダーの大径部のそれより短く、ピストンの小径部の長さはシリンダーの小径部のそれより短いことを特徴とするものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。
【００１０】
参考例１
図１において、固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置は、高分子電解質膜を用いて水を電解し、陽極に酸素、陰極に水素を発生させる水電解槽(1)と、 水電解槽の陰極にて発生した水素と水を分離する水素気液分離器(3)と、水電解 槽の陽極にて発生した酸素と水を分離する酸素気液分離器(4)と、水電解槽へ水 を供給するように水を循環させる循環ポンプ(5)を備えた水循環ライン(2)と、水素気液分離器に設けられた水素ライン(6)と、酸素気液分離器に設けられ、かつ 酸素圧力調整弁(9)を備えた酸素ライン(7)と、酸素気液分離器(4)に吸水ポンプ(10)を介して接続された純水タンク(11)と、水電解槽(1)に接続された直流電源(12)と、水素ライン(6)に接続され、かつ流量調整弁(16)を有する排水素ライン(15)とからなる。
【００１１】
水素ライン(6)は、切り替え弁(8)を備え、かつ第１バッファタンク(17)に接続された第１分岐ライン(19)と、切り替え弁(13)を備え、かつ第２バッファタンク(18)に接続された第２分岐ライン(14)とに分岐されている。第１バッファタンク(17)および第２バッファタンク(18)にはそれぞれタンク(17)(18)内のガスを加圧する油圧ユニット(20)(21)が設けられている。第１バッファタンク(17)および第２バッファタンク(18)は、逆止弁(22)(23)を有する高圧ライン(24)(25)を介して超高圧水素タンク(26)に接続されている。タンク(26)には水素流量調製弁(27)を有する超高圧水素ライン(28)が配されている。
【００１２】
上記構成の水素供給装置において、水電解槽(1)の陽極にて発生した酸素は酸素気液分離器(4)に送られ、陰極にて発生した水素は水素気液分離器(3)に送られる。このとき水電解槽(1)から出る水はほとんど酸素側に送られる。水素気液分離器(3)と酸素気液分離器(4)は配管にてつながれており、両気液分離器の水面レベルは常に同じに制御されている。このため水素気液分離器(3)と酸素気液分離器(4)の気体側の体積容量は水素と酸素の発生比に等しく２：１である。両気液分離器に送られた水は、循環水冷却器にて温度調整（例えば設定温度を８０℃とする）されて、循環ポンプ(5)にて再度水電解槽(1)に送られる。水電解装置への水の供給は、予め設定しておいた酸素気液分離器(4)のレベルの設定値に合わせて水供給ポンプ(10)によって純水を酸素気液分離器(4)に供給することにより行われる。
【００１３】
水電解槽(1)で発生する水素ガスの圧力は１ＭＰａ程度である。この水素ガスは切り替え弁(8)(13)の操作により２基のバッファタンク(17)(18)に交互に送られ、油圧ユニット(20)(21)にて加圧された後、超高圧油圧タンク(26)へ圧送される。この時、バッファタンク(17)(18)に水素ガスを送る方法はパラレル方式とし、電磁弁等を用いて水素給送を自動制御し、加圧していないバッファタンクに水素を充填する。
【００１４】
実施例１
この実施例では参考例１における油圧ユニットの代わりに熱によるピストン式圧縮装置を用いて水素ガスを加圧するものである。
【００１５】
図２において、ピストン式水素圧縮装置は、大径部(31a)とその一端に連設された小径部(31b)とからなるシリンダー(31)と、大径部(31a)の他端周部に外装された加熱コイル(32)と、大径部(31a)の他端周部に配され、かつ流量調整弁(35)を有する酸素導入管(33)と、大径部(31a)の他端周部に配され、かつ電磁弁(36)を有するび酸素排出管(34)と、小径部(31b)の周部に配され、かつ流量調整弁(37)を有する水素導入管(38)と、小径部(31b)の端部に配され、かつ逆止弁(39)および圧力調整弁(40)を有する高圧水素取出管(41)と、シリンダー(31)内に配されたピストン(42)とからなる。ピストン(42)はシリンダー(31)の大径部(31a)の内径に合致する外径を有する大径部(42a)と、シリンダー(31)の小径部(31b)の内径に合致する外径を有する小径部(42b)とからなる。ピストン(42)の大径部(42a)の長さはシリンダー(31)の大径部(31a)のそれの約半分であり、ピストン(42)の小径部(42b)の長さはシリンダー(31)の小径部(31b)のそれの約半分である。ピストン(42)の大径部(42a)にはＯリング(43)が外装されている
上記構成の水素圧縮装置において、ピストン(42)は初期状態では、図２中に鎖線で示すように、シリンダー(31)の大径部(31a)側に位置している。シリンダー(31)の大径部(31a)の他端部は加熱コイル(32)によって加熱されている。図１に示す水電解槽(1)の陽極にて発生した酸素は酸素気液分離器(4)に送られ、ここからピストン式水素圧縮装置の酸素導入管(33)を経てシリンダー(31)の大径部(31a)に充満される（流量調整弁(35)は開、電磁弁(36)は閉）。陰極にて発生した水素は水素気液分離器(3)に送られ、ここからピストン式水素圧縮装置の水素導入管(38)を経てシリンダー(31)の小径部(31b)に充満される（流量調整弁(37)は開、圧力調整弁(40)は閉）。充満後、流量調整弁(35)および流量調整弁(37)が閉じられる。大径部(31a)の他端部に充満された酸素ガスは加熱により膨脹され、ピストン(42)をシリンダー(31)の一端方向へ押す。その結果、シリンダー(31)の小径部(31b)に充満された水素ガスは加圧され、所定圧に達すると、圧力調整弁(40)が開かれ、水素はレシーバタンクへ送られ貯蔵される。次いで電磁弁(36)が開かれシリンダー(31)の大径部(31a)から酸素ガスが抜き出され、ピストン(42)が初期状態に戻される。上記過程が繰り返される。
【００１６】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、水電解槽で発生する１ＭＰａ程度の水素ガスをピストン機構を用いて加圧し、７０〜１００ＭＰａの超高圧水素ガスを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 参考例１の水素供給装置を示す概略図である。
【図２】 実施例１の水素供給装置を示す概略図である。
【図３】 従来の水素供給装置を示す概略図である。
【符号の説明】
(6) ：水素ライン
(17)：第１バッファタンク
(19)：第１分岐ライン
(18)：第２バッファタンク
(14)：第２分岐ライン
(20)：(21)：油圧ユニット
(26)：超高圧水素タンク
(31a)：大径部
(31b)：小径部
(31)：シリンダー
(32)：加熱コイル
(33)：酸素導入管
(34)：酸素排出管
(38)：水素導入管
(41)：高圧水素取出管
(42)：ピストン
(42a)：大径部
(42b)：小径部
【発明の属する技術分野】
この発明は、固体高分子電解膜を用いて水を電解し、陽極に酸素、陰極に水素を発生させる水電解槽に関し、より詳しくは、燃料電池用水素ステーションで３５〜７０ＭＰａの高圧水素ガスを供給する水素供給装置に関するものである。高純度水素ガスおよび酸素ガスは半導体製造、燃料電池、アンモニア製造、メタノール製造等にも利用される。
【０００２】
【従来の技術】
従来、固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置は、図３に示すように、高分子電解質膜を用いて水を電解し、陽極に酸素、陰極に水素を発生させる水電解槽(51)と、水電解槽の陰極にて発生した水素と水を分離する水素気液分離器(53)と、水電解槽の陽極にて発生した酸素と水を分離する酸素気液分離器(54)と、水電解槽へ水を供給するように水を循環させる循環ポンプ(55)を備えた水循環ライン(52)と、水素気液分離器に設けられ、かつ水素圧力調整弁(58)を備えた水素ライン(56)と、酸素気液分離器に設けられ、かつ酸素圧力調整弁(59)を備えた酸素ライン(57)と、酸素気液分離器(54)に吸水ポンプ(60)を介して接続された純水タンク(61)と、水電解槽(51)に接続された直流電源(62)と、水素ライン(56)に設けられた流量調整弁(63)とからなる。
【０００３】
水電解槽(51)の陽極にて発生した酸素は酸素気液分離器(54)に送られ、陰極にて発生した水素は水素気液分離器(53)に送られる。このとき水電解槽(51)から出る水はほとんど酸素側に送られる。水素気液分離器(53)と酸素気液分離器(54)は配管にてつながれており、両気液分離器の水面レベルは常に同じに制御されている。両気液分離器に送られた水は、循環水冷却器にて温度調整されて、循環ポンプ(55)にて再度水電解槽(51)に送られる。水電解装置への水の供給は、予め設定しておいた酸素気液分離器(54)のレベルの設定値に合わせて水供給ポンプ(60)によって純水を酸素気液分離器(54)に供給することにより行われる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
固体高分子型水電解槽は、槽の内部と外部のシール性を持たせるために軟質シール材料（例えばアフラスゴム、テフロン（登録商標））製のＯリングを使用したものであり、耐圧性能は１ＭＰａ程度である。したがって、電解槽で製造される１ＭＰａの水素ガスの圧力を７０〜１００ＭＰａ程度の超高圧に昇圧しようとすると、水電解槽のシール部材が強度的に内圧に耐えきれず、ガスが外部に漏れる恐れがある。
【０００５】
本発明は、このような問題を解消することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明による水素供給装置は、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昇圧する装置であって、大径部とその一端に連設された小径部とからなるシリンダーと、大径部の他端周部に外装された加熱コイルと、水電解槽から大径部に配された酸素導入管と、大径部に配された酸素排出管と、水電解槽から小径部に配された水素導入管と、小径部に配された高圧水素取出管と、シリンダー内に配されたピストンとからなり、ピストンはシリンダーの大径部に合致する外径を有する大径部と、シリンダーの小径部に合致する外径を有する小径部とからなり、ピストンの大径部の長さはシリンダーの大径部のそれより短く、ピストンの小径部の長さはシリンダーの小径部のそれより短いことを特徴とするものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。
【００１０】
参考例１
図１において、固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置は、高分子電解質膜を用いて水を電解し、陽極に酸素、陰極に水素を発生させる水電解槽(1)と、 水電解槽の陰極にて発生した水素と水を分離する水素気液分離器(3)と、水電解 槽の陽極にて発生した酸素と水を分離する酸素気液分離器(4)と、水電解槽へ水 を供給するように水を循環させる循環ポンプ(5)を備えた水循環ライン(2)と、水素気液分離器に設けられた水素ライン(6)と、酸素気液分離器に設けられ、かつ 酸素圧力調整弁(9)を備えた酸素ライン(7)と、酸素気液分離器(4)に吸水ポンプ(10)を介して接続された純水タンク(11)と、水電解槽(1)に接続された直流電源(12)と、水素ライン(6)に接続され、かつ流量調整弁(16)を有する排水素ライン(15)とからなる。
【００１１】
水素ライン(6)は、切り替え弁(8)を備え、かつ第１バッファタンク(17)に接続された第１分岐ライン(19)と、切り替え弁(13)を備え、かつ第２バッファタンク(18)に接続された第２分岐ライン(14)とに分岐されている。第１バッファタンク(17)および第２バッファタンク(18)にはそれぞれタンク(17)(18)内のガスを加圧する油圧ユニット(20)(21)が設けられている。第１バッファタンク(17)および第２バッファタンク(18)は、逆止弁(22)(23)を有する高圧ライン(24)(25)を介して超高圧水素タンク(26)に接続されている。タンク(26)には水素流量調製弁(27)を有する超高圧水素ライン(28)が配されている。
【００１２】
上記構成の水素供給装置において、水電解槽(1)の陽極にて発生した酸素は酸素気液分離器(4)に送られ、陰極にて発生した水素は水素気液分離器(3)に送られる。このとき水電解槽(1)から出る水はほとんど酸素側に送られる。水素気液分離器(3)と酸素気液分離器(4)は配管にてつながれており、両気液分離器の水面レベルは常に同じに制御されている。このため水素気液分離器(3)と酸素気液分離器(4)の気体側の体積容量は水素と酸素の発生比に等しく２：１である。両気液分離器に送られた水は、循環水冷却器にて温度調整（例えば設定温度を８０℃とする）されて、循環ポンプ(5)にて再度水電解槽(1)に送られる。水電解装置への水の供給は、予め設定しておいた酸素気液分離器(4)のレベルの設定値に合わせて水供給ポンプ(10)によって純水を酸素気液分離器(4)に供給することにより行われる。
【００１３】
水電解槽(1)で発生する水素ガスの圧力は１ＭＰａ程度である。この水素ガスは切り替え弁(8)(13)の操作により２基のバッファタンク(17)(18)に交互に送られ、油圧ユニット(20)(21)にて加圧された後、超高圧油圧タンク(26)へ圧送される。この時、バッファタンク(17)(18)に水素ガスを送る方法はパラレル方式とし、電磁弁等を用いて水素給送を自動制御し、加圧していないバッファタンクに水素を充填する。
【００１４】
実施例１
この実施例では参考例１における油圧ユニットの代わりに熱によるピストン式圧縮装置を用いて水素ガスを加圧するものである。
【００１５】
図２において、ピストン式水素圧縮装置は、大径部(31a)とその一端に連設された小径部(31b)とからなるシリンダー(31)と、大径部(31a)の他端周部に外装された加熱コイル(32)と、大径部(31a)の他端周部に配され、かつ流量調整弁(35)を有する酸素導入管(33)と、大径部(31a)の他端周部に配され、かつ電磁弁(36)を有するび酸素排出管(34)と、小径部(31b)の周部に配され、かつ流量調整弁(37)を有する水素導入管(38)と、小径部(31b)の端部に配され、かつ逆止弁(39)および圧力調整弁(40)を有する高圧水素取出管(41)と、シリンダー(31)内に配されたピストン(42)とからなる。ピストン(42)はシリンダー(31)の大径部(31a)の内径に合致する外径を有する大径部(42a)と、シリンダー(31)の小径部(31b)の内径に合致する外径を有する小径部(42b)とからなる。ピストン(42)の大径部(42a)の長さはシリンダー(31)の大径部(31a)のそれの約半分であり、ピストン(42)の小径部(42b)の長さはシリンダー(31)の小径部(31b)のそれの約半分である。ピストン(42)の大径部(42a)にはＯリング(43)が外装されている
上記構成の水素圧縮装置において、ピストン(42)は初期状態では、図２中に鎖線で示すように、シリンダー(31)の大径部(31a)側に位置している。シリンダー(31)の大径部(31a)の他端部は加熱コイル(32)によって加熱されている。図１に示す水電解槽(1)の陽極にて発生した酸素は酸素気液分離器(4)に送られ、ここからピストン式水素圧縮装置の酸素導入管(33)を経てシリンダー(31)の大径部(31a)に充満される（流量調整弁(35)は開、電磁弁(36)は閉）。陰極にて発生した水素は水素気液分離器(3)に送られ、ここからピストン式水素圧縮装置の水素導入管(38)を経てシリンダー(31)の小径部(31b)に充満される（流量調整弁(37)は開、圧力調整弁(40)は閉）。充満後、流量調整弁(35)および流量調整弁(37)が閉じられる。大径部(31a)の他端部に充満された酸素ガスは加熱により膨脹され、ピストン(42)をシリンダー(31)の一端方向へ押す。その結果、シリンダー(31)の小径部(31b)に充満された水素ガスは加圧され、所定圧に達すると、圧力調整弁(40)が開かれ、水素はレシーバタンクへ送られ貯蔵される。次いで電磁弁(36)が開かれシリンダー(31)の大径部(31a)から酸素ガスが抜き出され、ピストン(42)が初期状態に戻される。上記過程が繰り返される。
【００１６】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、水電解槽で発生する１ＭＰａ程度の水素ガスをピストン機構を用いて加圧し、７０〜１００ＭＰａの超高圧水素ガスを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 参考例１の水素供給装置を示す概略図である。
【図２】 実施例１の水素供給装置を示す概略図である。
【図３】 従来の水素供給装置を示す概略図である。
【符号の説明】
(6) ：水素ライン
(17)：第１バッファタンク
(19)：第１分岐ライン
(18)：第２バッファタンク
(14)：第２分岐ライン
(20)：(21)：油圧ユニット
(26)：超高圧水素タンク
(31a)：大径部
(31b)：小径部
(31)：シリンダー
(32)：加熱コイル
(33)：酸素導入管
(34)：酸素排出管
(38)：水素導入管
(41)：高圧水素取出管
(42)：ピストン
(42a)：大径部
(42b)：小径部
Claims (1)
- 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昇圧する装置であって、大径部とその一端に連設された小径部とからなるシリンダーと、大径部の他端周部に外装された加熱コイルと、水電解槽から大径部に配された酸素導入管と、大径部に配された酸素排出管と、水電解槽から小径部に配された水素導入管と、小径部に配された高圧水素取出管と、シリンダー内に配されたピストンとからなり、ピストンはシリンダーの大径部に合致する外径を有する大径部と、シリンダーの小径部に合致する外径を有する小径部とからなり、ピストンの大径部の長さはシリンダーの大径部のそれより短く、ピストンの小径部の長さはシリンダーの小径部のそれより短いことを特徴とする、固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置。
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