JP4597800B2 - High pressure hydrogen production equipment - Google Patents

High pressure hydrogen production equipment Download PDF

Info

Publication number
JP4597800B2
JP4597800B2 JP2005208051A JP2005208051A JP4597800B2 JP 4597800 B2 JP4597800 B2 JP 4597800B2 JP 2005208051 A JP2005208051 A JP 2005208051A JP 2005208051 A JP2005208051 A JP 2005208051A JP 4597800 B2 JP4597800 B2 JP 4597800B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
hydrogen gas
separator
cathode
anode
pressure
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2005208051A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2007023343A (en
Inventor
昌規 岡部
孝治 中沢
憲司 樽家
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Honda Motor Co Ltd
Original Assignee
Honda Motor Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Honda Motor Co Ltd filed Critical Honda Motor Co Ltd
Priority to JP2005208051A priority Critical patent/JP4597800B2/en
Publication of JP2007023343A publication Critical patent/JP2007023343A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4597800B2 publication Critical patent/JP4597800B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Landscapes

  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Description

本発明は、水の電気分解により高圧の水素ガスを製造する高圧水素製造装置に関するものである。   The present invention relates to a high-pressure hydrogen production apparatus that produces high-pressure hydrogen gas by electrolysis of water.

従来、図４に示す高圧水素製造装置４１のように、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側給電体３、アノード側給電体４と、各給電体３，４に積層されたカソード側セパレータ５、アノード側セパレータ６とを備える水電解セル７を単セルとし、複数の水電解セル７を積層したものが知られている。水電解セル７において、固体高分子電解質膜２は両面に図示しない触媒電極層を備えている。   Conventionally, as in the high-pressure hydrogen production apparatus 41 shown in FIG. 4, the solid polymer electrolyte membrane 2, the cathode-side power feeding body 3, the anode-side power feeding body 4 provided opposite to each other, and the power feeding bodies 3. , 4 and a cathode cell separator 5 and an anode separator 6 are provided as a single cell, and a plurality of water electrolysis cells 7 are laminated. In the water electrolysis cell 7, the solid polymer electrolyte membrane 2 includes a catalyst electrode layer (not shown) on both sides.

前記積層された水電解セル７は、両側から絶縁部材４２，４２を介してエンドプレート４３，４３に挟持されており、エンドプレート４３，４３に挿通されたボルト４４にナット４５を螺着して締め付けることにより固定されている。この結果、各給電体３，４と、各セパレータ５，６とが固体高分子電解質膜２に押圧されている。   The laminated water electrolysis cell 7 is sandwiched between end plates 43 and 43 via insulating members 42 and 42 from both sides, and nuts 45 are screwed onto bolts 44 inserted into the end plates 43 and 43. It is fixed by tightening. As a result, the power feeders 3 and 4 and the separators 5 and 6 are pressed against the solid polymer electrolyte membrane 2.

高圧水素製造装置４１では、各給電体３，４と、各セパレータ５，６とが固体高分子電解質膜２に押圧されている状態で、アノード側セパレータ６の流体通路１０に給水口１１から水を供給すると共に、給電体３，４に通電すると、流体通路１０に供給された水が固体高分子電解質膜２のアノード側の触媒電極層で電気分解され、水素イオン、電子、酸素ガスが生成する。生成した水素イオンは、給電体３，４の電位差により固体高分子電解質膜２を透過してカソード側に移動し、カソード側の触媒電極層から電子を受け取ることにより水素ガスを生成する。前記水素ガスは多孔質の給電体３を通ってカソード側セパレータ５の流体通路８に移動し、流体通路８に高圧の水素ガスを得ることができる。   In the high-pressure hydrogen production apparatus 41, water is supplied from the water supply port 11 to the fluid passage 10 of the anode-side separator 6 in a state where the power feeders 3 and 4 and the separators 5 and 6 are pressed against the solid polymer electrolyte membrane 2. When the power feeding bodies 3 and 4 are energized, water supplied to the fluid passage 10 is electrolyzed at the catalyst electrode layer on the anode side of the solid polymer electrolyte membrane 2 to generate hydrogen ions, electrons and oxygen gas. To do. The generated hydrogen ions permeate the solid polymer electrolyte membrane 2 due to the potential difference between the power feeders 3 and 4, move to the cathode side, and generate hydrogen gas by receiving electrons from the catalyst electrode layer on the cathode side. The hydrogen gas passes through the porous power supply 3 and moves to the fluid passage 8 of the cathode separator 5, and high-pressure hydrogen gas can be obtained in the fluid passage 8.

前記高圧の水素ガスは、流体通路８に連通する水素取出路９から取出される。尚、固体高分子電解質膜２のアノード側で生成した酸素は、流体通路１０に連通する排水口１２から水と共に排出される。   The high-pressure hydrogen gas is taken out from a hydrogen take-out passage 9 communicating with the fluid passage 8. The oxygen generated on the anode side of the solid polymer electrolyte membrane 2 is discharged together with water from the drain port 12 communicating with the fluid passage 10.

ところで、高圧水素製造装置４１では、カソード側セパレータ５の流体通路８で生成する水素ガスの圧力が高くなると、固体高分子電解質膜２とアノード側給電体４とがアノード側セパレータ６方向に圧縮され、カソード側給電体３と固体高分子電解質膜２との間に間隙ができるおそれがある。前記間隙ができると、カソード側給電体３と固体高分子電解質膜２との接触抵抗が増大して電解電圧が増大したり、該間隙から前記水素ガスがリークしたりして、電解効率が低下する。   By the way, in the high pressure hydrogen production apparatus 41, when the pressure of the hydrogen gas generated in the fluid passage 8 of the cathode separator 5 increases, the solid polymer electrolyte membrane 2 and the anode power feeder 4 are compressed in the direction of the anode separator 6. There may be a gap between the cathode-side power feeder 3 and the solid polymer electrolyte membrane 2. When the gap is formed, the contact resistance between the cathode-side power feeder 3 and the solid polymer electrolyte membrane 2 is increased, the electrolysis voltage is increased, or the hydrogen gas leaks from the gap, resulting in a decrease in electrolysis efficiency. To do.

そこで、高圧水素製造装置４１のアノード側にシリンダ室（図示せず）を設け、該シリンダ室内に配設されたピストン（図示せず）を、該シリンダ室内に導入される流体の圧力により水電解セル７方向に押圧して、カソード側給電体３と固体高分子電解質膜２との離間を防止するようにしたものが知られている（例えば特許文献１参照）。   Therefore, a cylinder chamber (not shown) is provided on the anode side of the high-pressure hydrogen production apparatus 41, and a piston (not shown) disposed in the cylinder chamber is subjected to water electrolysis by the pressure of the fluid introduced into the cylinder chamber. There is known one that is pressed in the direction of the cell 7 to prevent separation between the cathode-side power feeder 3 and the solid polymer electrolyte membrane 2 (see, for example, Patent Document 1).

しかしながら、前記構成では、前記シリンダ室内に配設されたピストンを水電解セル７方向に押圧するためには、前記シリンダ内に導入される流体の圧力を、カソード側セパレータ５の流体通路８で生成する水素ガスの圧力以上としなければならず、該流体の圧力を高圧にするための装置を別途必要とするという不都合がある。
特開２００３−１６０８９１号公報 However, in the above configuration, in order to press the piston disposed in the cylinder chamber in the direction of the water electrolysis cell 7, the pressure of the fluid introduced into the cylinder is generated in the fluid passage 8 of the cathode side separator 5. Therefore, there is a disadvantage that a device for increasing the pressure of the fluid is required separately.
Japanese Patent Laid-Open No. 2003-160891

本発明は、かかる不都合を解消して、高圧の水素ガスによる固体高分子電解質膜とカソード側給電体との離間を防止して、優れた電解効率を得ることができる簡単な構成の高圧水素製造装置を提供することを目的とする。   The present invention eliminates such inconvenience, prevents separation of the solid polymer electrolyte membrane and the cathode-side power feeder by high-pressure hydrogen gas, and provides high-performance hydrogen production with a simple configuration capable of obtaining excellent electrolysis efficiency. An object is to provide an apparatus.

かかる目的を達成するために、本発明は、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側給電体と、アノード側給電体と、各給電体に積層されたカソード側セパレータと、アノード側セパレータと、各セパレータに設けられ各給電体が露出する流体通路とを備え、該アノード側セパレータの流体通路に水を供給すると共に各給電体に通電することにより、該アノード側セパレータの流体通路に供給された水を電気分解し、該カソード側セパレータの流体通路に高圧の水素ガスを得る水電解セルを備える高圧水素製造装置において、該水電解セルを収容する第１室と、該水電解セルのアノード側で該第１室に連通する第２室とを備える高圧容器と、該第１室と該第２室との境界に設けられ両室を水密に遮断すると共に、該第２室の内壁に沿って該水電解セル方向に進退自在に備えられた遮断部材と、該水電解セルと該遮断部材との間に設けられ該カソード側セパレータの流体通路に得られた高圧の水素ガスの一部を分取し、該水素ガスを圧縮してさらに高圧の水素ガスを得る水素ガス圧縮手段と、該水素ガス圧縮手段で圧縮されたさらに高圧の水素ガスを該第２室に案内する水素ガス案内路とを備え、該水素ガス案内路を介して案内されたさらに高圧の水素ガスにより該遮断部材を該水電解セル方向に押圧することを特徴とする。   In order to achieve this object, the present invention provides a solid polymer electrolyte membrane, a cathode-side power feeder provided opposite to both sides of the solid polymer electrolyte membrane, an anode-side power feeder, and each power-feeder. A cathode-side separator, an anode-side separator, and a fluid passage that is provided in each separator and exposes each power supply body, and supplies water to the fluid passage of the anode-side separator and energizes each power supply body. Thus, in a high-pressure hydrogen production apparatus comprising a water electrolysis cell that electrolyzes water supplied to the fluid passage of the anode-side separator and obtains high-pressure hydrogen gas in the fluid passage of the cathode-side separator, the water electrolysis cell is A high-pressure vessel comprising a first chamber for housing and a second chamber communicating with the first chamber on the anode side of the water electrolysis cell; and both chambers provided at the boundary between the first chamber and the second chamber. Watertight A blocking member provided to be movable in the direction of the water electrolysis cell along the inner wall of the second chamber, and a fluid passage of the cathode separator provided between the water electrolysis cell and the blocking member A part of the high-pressure hydrogen gas obtained in the above, and compressing the hydrogen gas to obtain a higher-pressure hydrogen gas; and a higher-pressure hydrogen gas compressed by the hydrogen gas compression means And a hydrogen gas guide path that guides the blocking member toward the water electrolysis cell with a higher-pressure hydrogen gas guided through the hydrogen gas guide path. .

本発明の高圧水素製造装置では、前記高圧容器内の第１室に収容された前記水電解セルにおいて、アノード側セパレータの流体通路に水を供給すると共に各給電体に通電し、該アノード側セパレータの流体通路に供給された水を電気分解することにより、水素イオン、電子、酸素ガスが生成する。生成した水素イオンは、両給電体間の電位差により前記固体高分子電解質膜をカソード側に透過し、カソード側で電子を受け取ることにより水素ガスを生成する。この結果、前記水電解セルのカソード側セパレータの流体通路に高圧の水素ガスを得ることができる。   In the high-pressure hydrogen production apparatus of the present invention, in the water electrolysis cell accommodated in the first chamber in the high-pressure vessel, water is supplied to the fluid passage of the anode-side separator and each power feeding body is energized, and the anode-side separator Electrolysis of the water supplied to the fluid passage generates hydrogen ions, electrons, and oxygen gas. The generated hydrogen ions permeate the solid polymer electrolyte membrane to the cathode side due to the potential difference between the two feeders, and generate hydrogen gas by receiving electrons on the cathode side. As a result, high-pressure hydrogen gas can be obtained in the fluid passage of the cathode separator of the water electrolysis cell.

ここで、前記高圧容器は、前記水電解セルを収容する第１室と、該水電解セルのアノード側で該第１室に連通する第２室とを備え、両室の境界には両室を水密に遮断すると共に、前記第２室の内壁に沿って前記水電解セル方向に進退自在とされた前記遮断部材を備えている。また、前記水電解セルと前記遮断部材との間には、前記水素ガス圧縮手段が設けられている。   Here, the high-pressure vessel includes a first chamber that houses the water electrolysis cell, and a second chamber that communicates with the first chamber on the anode side of the water electrolysis cell, and both chambers are located at the boundary between the two chambers. Is shut off in a watertight manner, and is provided with the shut-off member that can be moved back and forth in the direction of the water electrolysis cell along the inner wall of the second chamber. Further, the hydrogen gas compression means is provided between the water electrolysis cell and the blocking member.

そこで、前記水電解セルのカソード側セパレータの流体通路に得られた高圧の水素ガスの一部を分取して、前記水素ガス圧縮手段で圧縮し、圧縮された水素ガスを、前記水素ガス案内路を介して、前記第２室に案内する。前記第２室に案内された水素ガスの圧力は、前記水素ガス圧縮手段により圧縮されるために、前記水電解セルのカソード側セパレータの流体通路に得られる水素ガスの圧力よりも高くなっている。この結果、前記第２室に案内された水素ガスは、前記水電解セルのカソード側セパレータの流体通路に得られる水素ガスの圧力に抗して、前記遮断部材を該水電解セル方向に押圧することができる。   Therefore, a portion of the high-pressure hydrogen gas obtained in the fluid passage of the cathode separator of the water electrolysis cell is fractionated and compressed by the hydrogen gas compression means, and the compressed hydrogen gas is supplied to the hydrogen gas guide. Guide to the second chamber through the road. Since the pressure of the hydrogen gas guided to the second chamber is compressed by the hydrogen gas compression means, the pressure of the hydrogen gas obtained in the fluid passage of the cathode separator of the water electrolysis cell is higher. . As a result, the hydrogen gas guided to the second chamber presses the blocking member in the direction of the water electrolysis cell against the pressure of the hydrogen gas obtained in the fluid passage of the cathode separator of the water electrolysis cell. be able to.

上述のように、本発明の高圧水素製造装置によれば、別途高圧の流体を生成する装置を備えることなく、前記高圧容器内に設けられた前記水素ガス圧縮手段により、前記水電解セルのカソード側セパレータの流体通路に得られる水素ガスの一部を分取して圧縮するという簡単な構成により、前記遮断部材を該水電解セル方向に押圧することができる。従って、生成した水素ガスの圧力が高くなっても、固体高分子電解質膜とカソード側給電体との間に間隙が生じることがなく、電解電圧が増大したり、生成した水素ガスがリークしたりすることを防止して、優れた電解効率を得ることができる。   As described above, according to the high-pressure hydrogen production apparatus of the present invention, the hydrogen gas compression means provided in the high-pressure vessel allows the cathode of the water electrolysis cell to be provided without a separate device for generating a high-pressure fluid. The blocking member can be pressed in the direction of the water electrolysis cell by a simple configuration in which a part of the hydrogen gas obtained in the fluid passage of the side separator is separated and compressed. Therefore, even if the pressure of the generated hydrogen gas increases, there is no gap between the solid polymer electrolyte membrane and the cathode-side power feeder, and the electrolysis voltage increases or the generated hydrogen gas leaks. It is possible to obtain an excellent electrolytic efficiency.

本発明の高圧水素製造装置において、前記水素ガス圧縮手段は、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側給電体と、アノード側給電体と、各給電体に積層されたカソード側セパレータと、アノード側セパレータと、各セパレータに設けられ各給電体が露出する流体通路とを備え、該アノード側セパレータの流体通路に、前記水電解セルのカソード側セパレータの流体通路に得られた高圧の水素ガスの一部を供給すると共に各給電体に通電することにより、該高圧の水素ガスをイオン化して該固体高分子電解質膜を透過せしめ、該カソード側セパレータの流体通路にさらに高圧の水素ガスを得る水素膜ポンプであることを特徴とする。   In the high-pressure hydrogen production apparatus of the present invention, the hydrogen gas compression means includes a solid polymer electrolyte membrane, a cathode side power supply provided opposite to both sides of the solid polymer electrolyte membrane, an anode side power supply, A cathode-side separator laminated on each power supply body; an anode-side separator; and a fluid passage provided in each separator and exposing each power-supply body. The fluid passage of the anode-side separator includes a cathode of the water electrolysis cell. Supplying a part of the high-pressure hydrogen gas obtained in the fluid passage of the side separator and energizing each power supply to ionize the high-pressure hydrogen gas and permeate the solid polymer electrolyte membrane, It is a hydrogen membrane pump that obtains higher-pressure hydrogen gas in the fluid passage of the side separator.

前記水素膜ポンプによれば、前記アノード側セパレータの流体通路に、前記水電解セルのカソード側セパレータの流体通路に得られた高圧の水素ガスの一部を供給すると共に各給電体に通電すると、前記水素ガスがイオン化し、生成した水素イオンが、両給電体間の電位差により固体高分子電解質膜をカソード側に透過する。そして、前記水素イオンは、カソード側で電子を受け取ることにより再び水素ガスを生成する。この結果、前記水素膜ポンプでは、前記アノード側セパレータの流体通路に供給された高圧の水素ガスよりもさらに高圧の水素ガスを、カソード側セパレータの流体通路に得ることができる。   According to the hydrogen membrane pump, when supplying a part of the high-pressure hydrogen gas obtained in the fluid passage of the cathode separator of the water electrolysis cell to the fluid passage of the anode separator and energizing each power feeder, The hydrogen gas is ionized and the generated hydrogen ions permeate the solid polymer electrolyte membrane to the cathode side due to the potential difference between the two power feeders. And the said hydrogen ion produces | generates hydrogen gas again by receiving an electron by the cathode side. As a result, in the hydrogen membrane pump, hydrogen gas having a pressure higher than that of the high-pressure hydrogen gas supplied to the fluid passage of the anode-side separator can be obtained in the fluid passage of the cathode-side separator.

前記水素膜ポンプは、前記アノード側セパレータが絶縁部材を介して前記水電解セルの前記アノード側セパレータに積層されていることが好ましい。このようにすることにより、前記水素膜ポンプのアノード側セパレータが前記水電解セル側に配設されて両者の位置が近接する。また、前記水素膜ポンプのカソード側セパレータが前記第２室側に配設されて両者の位置が近接する。   In the hydrogen membrane pump, the anode separator is preferably laminated on the anode separator of the water electrolysis cell via an insulating member. By doing so, the anode separator of the hydrogen membrane pump is disposed on the water electrolysis cell side, and the positions of both are close to each other. Further, the cathode separator of the hydrogen membrane pump is disposed on the second chamber side, and the positions of both are close to each other.

従って、前記水電解セルのカソード側セパレータの流体通路に得られた高圧の水素ガスの一部を分取して、前記水素膜ポンプのアノード側セパレータの流体通路に供給し、該水素膜ポンプのカソード側セパレータの流体通路に得られた水素ガスを前記第２室に案内する構成を簡略化することができる。   Accordingly, a part of the high-pressure hydrogen gas obtained in the fluid passage of the cathode separator of the water electrolysis cell is fractionated and supplied to the fluid passage of the anode separator of the hydrogen membrane pump. The configuration for guiding the hydrogen gas obtained in the fluid passage of the cathode separator to the second chamber can be simplified.

ところで、前記水電解セルでは、前記アノード側セパレータの流体通路に供給された水の電気分解により生成した水素イオンは、水分子を伴って、前記固体高分子電解質膜を透過するので、前記水電解セルのカソード側セパレータの流体通路に得られる高圧の水素ガスは水分を含んでいる。この結果、前記水素ガスを工業的に利用するためには、該水素ガスと水とを気液分離する必要がある。   By the way, in the water electrolysis cell, hydrogen ions generated by electrolysis of water supplied to the fluid passage of the anode separator pass through the solid polymer electrolyte membrane together with water molecules. The high-pressure hydrogen gas obtained in the fluid passage of the cathode separator of the cell contains moisture. As a result, in order to industrially use the hydrogen gas, it is necessary to gas-liquid separate the hydrogen gas and water.

そこで、本発明の高圧水素製造装置において、前記高圧容器は、前記水電解セルのカソード側セパレータの流体通路に得られた高圧の水素ガスと水とを気液分離する第３室を備え、該第３室は該流体通路から高圧の水素ガスを取り出す水素ガス取出路を介して前記第１室に連通していることを特徴とする。前記気液分離は、前記高圧の水素ガスを、前記水電解セルのカソード側セパレータの流体通路から高圧水素製造装置の外部に取り出して行うようにしてもよいが、前記高圧容器内に気液分離を行う第３室を備えることにより、装置構成を簡略化することができる。   Therefore, in the high-pressure hydrogen production apparatus of the present invention, the high-pressure vessel includes a third chamber for gas-liquid separation of high-pressure hydrogen gas and water obtained in the fluid passage of the cathode-side separator of the water electrolysis cell, The third chamber is characterized in that it communicates with the first chamber via a hydrogen gas extraction path for extracting high-pressure hydrogen gas from the fluid passage. The gas-liquid separation may be performed by taking out the high-pressure hydrogen gas from the fluid passage of the cathode separator of the water electrolysis cell to the outside of the high-pressure hydrogen production apparatus. By providing the third chamber for performing the above, the apparatus configuration can be simplified.

次に、添付の図面を参照して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、図２は高圧水素製造装置で得られる水素ガスの圧力と電解電圧との関係を示すグラフ、図３は高圧水素製造装置で定常的に電解を行ったときの電解電圧の経時変化を示すグラフである。   Next, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is an explanatory cross-sectional view showing the configuration of the high-pressure hydrogen production apparatus of the present embodiment, FIG. 2 is a graph showing the relationship between the hydrogen gas pressure obtained by the high-pressure hydrogen production apparatus and the electrolysis voltage, and FIG. It is a graph which shows the time-dependent change of the electrolysis voltage when electrolyzing regularly with an apparatus.

図１に示すように、本実施形態の高圧水素製造装置１は、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側給電体３、アノード側給電体４と、各給電体３，４にそれぞれ積層されたカソード側セパレータ５、アノード側セパレータ６とからなる水電解セル７を備えている。水電解セル７において、カソード側給電体３、カソード側セパレータ５は固体高分子電解質膜２の上側に、アノード側給電体４、アノード側セパレータ６は固体高分子電解質膜２の下側に、それぞれ積層されている。そして、カソード側セパレータ５は、カソード側給電体３が露出する流体通路８と、流体通路８に連通する水素取出路９とを備え、アノード側セパレータ６は、アノード側給電体４が露出する流体通路１０と、流体通路１０の一方の端部に連通する給水口１１と、流体通路１０の他方の端部に連通する排水口１２とを備えている。   As shown in FIG. 1, the high-pressure hydrogen production apparatus 1 of the present embodiment includes a solid polymer electrolyte membrane 2, cathode-side power feeders 3, anode-side power feeders 4 provided opposite to each other, A water electrolysis cell 7 comprising a cathode side separator 5 and an anode side separator 6 respectively laminated on the power feeding bodies 3 and 4 is provided. In the water electrolysis cell 7, the cathode-side power feeder 3 and the cathode-side separator 5 are above the solid polymer electrolyte membrane 2, and the anode-side power feeder 4 and the anode-side separator 6 are below the solid polymer electrolyte membrane 2, respectively. Are stacked. The cathode-side separator 5 includes a fluid passage 8 in which the cathode-side power feeder 3 is exposed, and a hydrogen extraction passage 9 that communicates with the fluid passage 8. The anode-side separator 6 is a fluid in which the anode-side power feeder 4 is exposed. A passage 10, a water supply port 11 that communicates with one end of the fluid passage 10, and a drain port 12 that communicates with the other end of the fluid passage 10 are provided.

高圧水素製造装置１では、水電解セル７を単セルとして、２つの水電解セル７が積層されて２層構成の水電解スタック１３を形成しており、水電解スタック１３では一方の水電解セル７のカソード側セパレータ５に、他方の水電解セル７のアノード側セパレータ６が積層されている。各給電体３，４は、それぞれセパレータ５，６を介して通電されるようになっているが、前述のように、一方の水電解セル７のカソード側セパレータ５に、他方の水電解セル７のアノード側セパレータ６が積層されていることにより、各水電解セル７，７が直列に接続されることになるので有利である。   In the high-pressure hydrogen production apparatus 1, the water electrolysis cell 7 is a single cell, and two water electrolysis cells 7 are laminated to form a two-layer water electrolysis stack 13, and one water electrolysis cell is formed in the water electrolysis stack 13. The anode separator 6 of the other water electrolysis cell 7 is laminated on the cathode separator 5 of the cathode 7. Each of the power feeding bodies 3 and 4 is energized through the separators 5 and 6, respectively. As described above, the cathode separator 5 of one water electrolysis cell 7 is connected to the other water electrolysis cell 7. Since the anode separators 6 are laminated, the water electrolysis cells 7 and 7 are connected in series, which is advantageous.

水電解スタック１３は、高圧容器１４の内部に形成されたスタック室（本発明の第１室に相当する）１５に、上下に絶縁体１６，１７を介して収容されており、給水口１１と排水口１２とはそれぞれ高圧容器１４の側壁を貫通して外部に連絡している。   The water electrolysis stack 13 is accommodated in the stack chamber 15 (corresponding to the first chamber of the present invention) 15 formed inside the high-pressure vessel 14 via insulators 16 and 17 above and below, The drain port 12 is in communication with the outside through the side wall of the high-pressure vessel 14.

高圧容器１４内で、スタック室１５の下方にはシリンダ室（本発明の第２室に相当する）１８が連通しており、スタック室１５とシリンダ室１８との境界には、両室１５，１８を水密に遮断する遮断部材としてのピストン１９が、水電解スタック１３方向に進退自在に配設されている。一方、水電解スタック１３とピストン１９との間には、固体高分子電解質膜２０と、その両側に相対向して設けられたアノード側給電体２１、カソード側給電体２２と、各給電体２１，２２にそれぞれ積層されたアノード側セパレータ２３、カソード側セパレータ２４とを備える水素膜ポンプ２５が、絶縁体１７，２６を介して積層されている。   In the high-pressure vessel 14, a cylinder chamber (corresponding to a second chamber of the present invention) 18 communicates with the lower portion of the stack chamber 15, and both chambers 15, A piston 19 serving as a shut-off member that shuts 18 in a water-tight manner is disposed so as to be movable back and forth in the direction of the water electrolysis stack 13. On the other hand, between the water electrolysis stack 13 and the piston 19, a solid polymer electrolyte membrane 20, an anode side power feeding body 21, a cathode side power feeding body 22 provided opposite to each other, and each power feeding body 21. , 22 are laminated with an anode-side separator 23 and a cathode-side separator 24, which are respectively laminated, via insulators 17, 26.

水素膜ポンプ２５において、アノード側給電体２１、アノード側セパレータ２３は固体高分子電解質膜２０の上側（水電解スタック１３側）に、カソード側給電体２２、カソード側セパレータ２４は固体高分子電解質膜２０の下側（水電解スタック１３と反対側）に、それぞれ積層されている。尚、絶縁体２６は、ピストン１９とカソード側セパレータ２４との間に配設されている。   In the hydrogen membrane pump 25, the anode-side power feeder 21 and the anode-side separator 23 are above the solid polymer electrolyte membrane 20 (on the water electrolysis stack 13 side), and the cathode-side power feeder 22 and the cathode-side separator 24 are solid polymer electrolyte membranes. 20 are stacked on the lower side (the side opposite to the water electrolysis stack 13). The insulator 26 is disposed between the piston 19 and the cathode separator 24.

前記アノード側セパレータ２３は、アノード側給電体２１が露出する流体通路２７と、流体通路２７に連通する水素導入路２８とを備え、水素導入路２８は絶縁体１７を貫通して、水電解スタック１３の水素取出路９に接続されている。また、カソード側セパレータ２４は、カソード側給電体２２が露出する流体通路２９と、流体通路２９に連通する水素案内路３０とを備え、水素案内路３０は絶縁体２６、ピストン１９を貫通して、シリンダ室１８に開口している。尚、シリンダ室１８は水素排出口３１を備えており、水素排出口３１は図示しない開閉弁を介して大気開放されている。   The anode-side separator 23 includes a fluid passage 27 in which the anode-side power feeder 21 is exposed, and a hydrogen introduction path 28 that communicates with the fluid passage 27, and the hydrogen introduction path 28 passes through the insulator 17 to form a water electrolysis stack. 13 hydrogen extraction paths 9 are connected. The cathode separator 24 includes a fluid passage 29 in which the cathode-side power feeding body 22 is exposed, and a hydrogen guide passage 30 communicating with the fluid passage 29. The hydrogen guide passage 30 passes through the insulator 26 and the piston 19. The cylinder chamber 18 is opened. The cylinder chamber 18 is provided with a hydrogen discharge port 31, and the hydrogen discharge port 31 is opened to the atmosphere through an on-off valve (not shown).

また、高圧容器１４は、スタック室１５の上方に隔壁３２を介して気液分離室（本発明の第３室に相当する）３３を備えており、気液分離室３３は隔壁３２を貫通して設けられた水素取出路９を介してスタック室１５に連通している。気液分離室３３には、高圧容器１４の上壁を貫通して水素取出口３４が設けられており、水素取出口３４は図示しない開閉弁を開くことにより気液分離室３３内の高圧の水素ガスが取出自在とされている。また、気液分離室３３には、高圧容器１４の側壁を貫通して気液分離水排水口３５が設けられており、気液分離水排水口３５は図示しない開閉弁を開くことにより気液分離室３３内の気液分離水Ｗが排水自在とされている。   The high-pressure vessel 14 includes a gas-liquid separation chamber (corresponding to a third chamber of the present invention) 33 above the stack chamber 15 via a partition wall 32, and the gas-liquid separation chamber 33 penetrates the partition wall 32. And communicated with the stack chamber 15 through a hydrogen extraction passage 9 provided. The gas-liquid separation chamber 33 is provided with a hydrogen outlet 34 that penetrates the upper wall of the high-pressure vessel 14. The hydrogen outlet 34 opens the open / close valve (not shown) to increase the pressure inside the gas-liquid separation chamber 33. Hydrogen gas can be taken out freely. Further, the gas-liquid separation chamber 33 is provided with a gas-liquid separation water drainage port 35 penetrating the side wall of the high-pressure vessel 14, and the gas-liquid separation water drainage port 35 is opened by opening an on-off valve (not shown). The gas-liquid separation water W in the separation chamber 33 can be drained freely.

高圧水素製造装置１において、固体高分子電解質膜２，２０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２，２０は、アノード側には例えばＲｕＩｒＦｅＯＸ触媒を含む電極触媒層（図示せず）を備え、カソード側には例えば白金触媒を含む電極触媒層（図示せず）を備えている。 In the high-pressure hydrogen production apparatus 1, the solid polymer electrolyte membranes 2 and 20 are cation permeable membranes, and for example, Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (trade name, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.) and the like can be used. . The solid polymer electrolyte membranes 2 and 20 include, for example, an electrode catalyst layer (not shown) containing a RuIrFeO X catalyst on the anode side, and an electrode catalyst layer (not shown) containing a platinum catalyst, for example, on the cathode side. ing.

カソード側給電体３，２２、アノード側給電体４，２１は、例えば、チタン粉末焼結体からなる多孔質体により形成されている。また、カソード側セパレータ５，２４、アノード側セパレータ６，２３は、例えば、チタンプレートにより形成されている。   The cathode side power feeding bodies 3 and 22 and the anode side power feeding bodies 4 and 21 are formed of, for example, a porous body made of a titanium powder sintered body. Moreover, the cathode side separators 5 and 24 and the anode side separators 6 and 23 are formed of, for example, a titanium plate.

次に、本実施形態の高圧水素製造装置１の作動について説明する。   Next, the operation of the high pressure hydrogen production apparatus 1 of the present embodiment will be described.

高圧水素製造装置１は、初期状態では、水電解スタック１３の各給電体３，４と、各セパレータ５，６とが固体高分子電解質膜２に押圧されて密着した状態とされている。この状態で、アノード側セパレータ６の流体通路１０に給水口１１から水を供給すると共に、給電体３，４に通電すると、流体通路１０に供給された水が固体高分子電解質膜２のアノード側の触媒電極層で電気分解され、水素イオン、電子、酸素ガスを生成する。前記水素イオンは、給電体３，４の電位差により固体高分子電解質膜２を透過してカソード側に移動し、カソード側の触媒電極層から電子を受け取って水素ガスとなる。前記水素ガスは給電体３を通ってカソード側セパレータ５の流体通路８に移動し、流体通路８に高圧の水素ガスが得られる。   In the initial state, the high-pressure hydrogen production apparatus 1 is in a state in which the power feeders 3 and 4 of the water electrolysis stack 13 and the separators 5 and 6 are pressed against and in close contact with the solid polymer electrolyte membrane 2. In this state, when water is supplied to the fluid passage 10 of the anode separator 6 from the water supply port 11 and the power feeding bodies 3 and 4 are energized, the water supplied to the fluid passage 10 is supplied to the anode side of the solid polymer electrolyte membrane 2. The catalyst electrode layer is electrolyzed to generate hydrogen ions, electrons, and oxygen gas. The hydrogen ions permeate the solid polymer electrolyte membrane 2 due to the potential difference between the power feeders 3 and 4 and move to the cathode side, receive electrons from the cathode-side catalyst electrode layer, and become hydrogen gas. The hydrogen gas passes through the power feeder 3 and moves to the fluid passage 8 of the cathode separator 5, and high-pressure hydrogen gas is obtained in the fluid passage 8.

ところで、前記電気分解が進行すると、各水電解セル７のカソード側セパレータ５の流体通路８に得られる水素ガスの圧力が次第に高くなり、固体高分子電解質膜２とアノード側給電体４とがアノード側セパレータ６方向に圧縮されて、カソード側給電体３と固体高分子電解質膜２との間に間隙ができることが懸念される。   By the way, as the electrolysis progresses, the pressure of the hydrogen gas obtained in the fluid passage 8 of the cathode separator 5 of each water electrolysis cell 7 gradually increases, and the solid polymer electrolyte membrane 2 and the anode power supply 4 are connected to the anode. There is a concern that a gap is formed between the cathode side power feeder 3 and the solid polymer electrolyte membrane 2 by being compressed in the direction of the side separator 6.

このとき、高圧水素製造装置１では、流体通路８に得られた高圧の水素ガスの一部が分取されて、水素取出路９に接続された水素導入路２８から、水素膜ポンプ２５のアノード側セパレータ２３に設けられた流体通路２７に導入される。水素膜ポンプ２５では、給電体２１，２２に通電することにより、流体通路２７に供給された水素が固体高分子電解質膜２０のアノード側の触媒電極層でイオン化され、生成した水素イオンが給電体２１，２２の電位差により固体高分子電解質膜２０を透過してカソード側に移動する。前記水素イオンは、カソード側の触媒電極層から電子を受け取って水素ガスとなることにより、カソード側セパレータ２４の流体通路２９に、各水電解セル７のカソード側セパレータ５の流体通路８に得られる水素ガスよりもさらに高圧の水素ガスを得ることができる。流体通路２９に得られた前記高圧の水素ガスは、水素案内路３０を介してシリンダ室１８に案内される。   At this time, in the high-pressure hydrogen production apparatus 1, a part of the high-pressure hydrogen gas obtained in the fluid passage 8 is separated, and from the hydrogen introduction passage 28 connected to the hydrogen extraction passage 9, the anode of the hydrogen membrane pump 25. It is introduced into a fluid passage 27 provided in the side separator 23. In the hydrogen membrane pump 25, the power supplied to the power feeding bodies 21 and 22 is ionized so that hydrogen supplied to the fluid passage 27 is ionized at the catalyst electrode layer on the anode side of the solid polymer electrolyte membrane 20, and the generated hydrogen ions are fed to the power feeding body. Due to the potential difference between 21 and 22, it passes through the solid polymer electrolyte membrane 20 and moves to the cathode side. The hydrogen ions are obtained in the fluid passage 29 of the cathode separator 24 and in the fluid passage 8 of the cathode separator 5 of each water electrolysis cell 7 by receiving electrons from the catalyst electrode layer on the cathode side and becoming hydrogen gas. Hydrogen gas having a higher pressure than hydrogen gas can be obtained. The high-pressure hydrogen gas obtained in the fluid passage 29 is guided to the cylinder chamber 18 through the hydrogen guide path 30.

流体通路２９に得られた高圧の水素ガスは上述のように水電解スタック１３で得られる水素ガスよりもさらに高圧であるので、該水素ガスがシリンダ室１８に案内されると、ピストン１９が水電解スタック１３側に押圧される。そこで、水電解スタック１３では各水電解セル７の各給電体３，４と、各セパレータ５，６とが、各水電解セル７のカソード側セパレータ５の流体通路８に得られる水素ガスの圧力に抗して固体高分子電解質膜２に押圧されることとなり、固体高分子電解質膜２に密着した状態が保持される。   Since the high-pressure hydrogen gas obtained in the fluid passage 29 is higher in pressure than the hydrogen gas obtained in the water electrolysis stack 13 as described above, when the hydrogen gas is guided to the cylinder chamber 18, the piston 19 It is pressed to the electrolytic stack 13 side. Accordingly, in the water electrolysis stack 13, the power feeders 3, 4 of each water electrolysis cell 7 and the separators 5, 6 are the pressure of hydrogen gas obtained in the fluid passage 8 of the cathode side separator 5 of each water electrolysis cell 7. The solid polymer electrolyte membrane 2 is pressed against this, and the state of being in close contact with the solid polymer electrolyte membrane 2 is maintained.

この結果、高圧水素製造装置１では、前記電気分解が進行して各水電解セル７のカソード側セパレータ５の流体通路８に得られる水素ガスの圧力が高くなっても、カソード側給電体３と固体高分子電解質膜２との間に間隙ができることがない。従って、高圧水素製造装置１では、電解電圧が増大したり、水素ガスが該間隙からリークしたりすることを防止して、優れた電解効率を得ることができる。   As a result, in the high-pressure hydrogen production apparatus 1, even when the electrolysis proceeds and the pressure of hydrogen gas obtained in the fluid passage 8 of the cathode separator 5 of each water electrolysis cell 7 increases, There is no gap between the solid polymer electrolyte membrane 2. Therefore, in the high-pressure hydrogen production apparatus 1, it is possible to obtain an excellent electrolysis efficiency by preventing the electrolysis voltage from increasing or the hydrogen gas from leaking from the gap.

高圧水素製造装置１では、水電解スタック１３の各給電体３，４のための電解電源と、水素膜ポンプ２５の各給電体２１，２２のための水素膜ポンプ電源とをそれぞれ独立に設けることが好ましい。この場合、前記電解電源を任意に制御する一方、各水電解セル７のカソード側セパレータ５の流体通路８に得られる水素ガスの圧力と、シリンダ室１８内の水素ガスの圧力とを検知することにより、水素膜ポンプ電源の電圧を調整する。   In the high-pressure hydrogen production apparatus 1, an electrolytic power source for the power feeders 3, 4 of the water electrolysis stack 13 and a hydrogen membrane pump power source for the power feeders 21, 22 of the hydrogen membrane pump 25 are provided independently. Is preferred. In this case, while controlling the electrolysis power arbitrarily, the pressure of the hydrogen gas obtained in the fluid passage 8 of the cathode separator 5 of each water electrolysis cell 7 and the pressure of the hydrogen gas in the cylinder chamber 18 are detected. To adjust the voltage of the hydrogen membrane pump power supply.

このようにすることにより、各水電解セル７のカソード側セパレータ５の流体通路８に得られる水素ガスの圧力より、シリンダ室１８内の水素ガスの圧力が高くなるようにすることができる。高圧水素製造装置１では、シリンダ室１８内の水素ガスの圧力が、各水電解セル７のカソード側セパレータ５の流体通路８に得られる水素ガスの圧力より２〜１５ＭＰａ高くなるようにすることが好ましく、さらに５〜１０ＭＰａ高くなるようにすることが好ましい。   By doing in this way, the pressure of the hydrogen gas in the cylinder chamber 18 can be made higher than the pressure of the hydrogen gas obtained in the fluid passage 8 of the cathode-side separator 5 of each water electrolysis cell 7. In the high-pressure hydrogen production apparatus 1, the pressure of the hydrogen gas in the cylinder chamber 18 is set to be 2 to 15 MPa higher than the pressure of the hydrogen gas obtained in the fluid passage 8 of the cathode separator 5 of each water electrolysis cell 7. Preferably, it is further preferable to increase the pressure by 5 to 10 MPa.

このとき、水素ガスをアノード側からカソード側に移動するために要する水素膜ポンプ電源の電圧Ｅは、次式（１）で表される。   At this time, the voltage E of the hydrogen film pump power source required to move the hydrogen gas from the anode side to the cathode side is expressed by the following equation (1).

Ｅ＝（ＲＴ／２Ｆ）ｌｎ（ｐ１／ｐ２） ＋ 抵抗損失電圧 ・・・（１）
式（１）中、Ｒは気体定数（８．３１４５Ｊ／Ｋ・ｍｏｌ）、Ｔは水電解スタック１３の温度（Ｋ）、Ｆはファラデー定数（９６４８５Ｃ／ｍｏｌ）、ｐ１は高圧側（シリンダ室１８側）圧力、ｐ２は低圧側（水電解スタック１３側）圧力である。式（１）から明らかなように、水電解スタック１３で得られる水素ガスの圧力が高くなるほど、水素ガスをアノード側からカソード側に移動するために要する水素膜ポンプ電源の電圧Ｅが小さくなるので有利である。 E = (RT / 2F) ln (p 1 / p 2 ) + resistance loss voltage (1)
In the formula (1), R is a gas constant (8.3145 J / K · mol), T is a temperature (K) of the water electrolysis stack 13, F is a Faraday constant (96485 C / mol), and p 1 is a high pressure side (cylinder chamber). 18 side) pressure, p 2 is the low pressure side (water electrolysis stack 13 side) pressure. As is clear from equation (1), the higher the pressure of the hydrogen gas obtained in the water electrolysis stack 13, the smaller the voltage E of the hydrogen membrane pump power supply required to move the hydrogen gas from the anode side to the cathode side. It is advantageous.

一方、各水電解セル７では、アノード側セパレータ６の流体通路１０で生成した前記水素イオンは水分子を伴って固体高分子電解質膜２を透過するので、カソード側セパレータ５の流体通路８に得られた高圧の水素ガスは水分を含んでいる。そこで、高圧水素製造装置１では、前記水素ガスを流体通路８に連通する水素取出路９を介して気液分離室３３に導入して気液分離する。気液分離室３３に導入された前記水素ガスは、重力の作用により気液分離され、気液分離室３３の底部に気液分離水Ｗが貯留される一方、気液分離水Ｗの上方には高圧の水素ガスが貯留される。尚、このとき、水素取出口２１、気液分離水排水口２２に設けられている開閉弁（図示せず）は、いずれも閉じられている。   On the other hand, in each water electrolysis cell 7, the hydrogen ions generated in the fluid passage 10 of the anode side separator 6 permeate the solid polymer electrolyte membrane 2 with water molecules, and thus are obtained in the fluid passage 8 of the cathode side separator 5. The high-pressure hydrogen gas produced contains moisture. Therefore, in the high-pressure hydrogen production apparatus 1, the hydrogen gas is introduced into the gas-liquid separation chamber 33 through the hydrogen take-out passage 9 communicating with the fluid passage 8 to perform gas-liquid separation. The hydrogen gas introduced into the gas-liquid separation chamber 33 is gas-liquid separated by the action of gravity, and the gas-liquid separation water W is stored at the bottom of the gas-liquid separation chamber 33, while the gas-liquid separation water W is located above the gas-liquid separation water W. Stores high-pressure hydrogen gas. At this time, the on-off valves (not shown) provided at the hydrogen outlet 21 and the gas-liquid separation water drain 22 are all closed.

高圧水素製造装置１では、気液分離室３３がスタック室１５の上方に設けられているので、気液分離水Ｗは、重力により、水素取出口９を介して各水電解セル７のカソード側セパレータ５の流体通路８に供給される。そして、前記気液分離水Ｗは、流体通路８に露出しているカソード側給電体３に浸透し、固体高分子電解質膜２のカソード側の表面を水層（図示せず）で被覆する。この結果、カソード側セパレータ５の流体通路８で生成した水素ガスは、前記水層により妨げられて固体高分子膜２に接触することができなくなり、該水素ガスが固体高分子膜２を介してアノード側へリークすることを防止することができる。   In the high-pressure hydrogen production apparatus 1, since the gas-liquid separation chamber 33 is provided above the stack chamber 15, the gas-liquid separation water W is separated from the cathode side of each water electrolysis cell 7 via the hydrogen outlet 9 by gravity. It is supplied to the fluid passage 8 of the separator 5. The gas-liquid separated water W penetrates the cathode-side power feeder 3 exposed in the fluid passage 8 and covers the cathode-side surface of the solid polymer electrolyte membrane 2 with a water layer (not shown). As a result, the hydrogen gas generated in the fluid passage 8 of the cathode separator 5 is blocked by the water layer and cannot come into contact with the solid polymer film 2, and the hydrogen gas passes through the solid polymer film 2. Leakage to the anode side can be prevented.

高圧水素製造装置１では、水の電気分解が進行してカソード側セパレータ５の流体通路８で得られる水素ガスの圧力が高くなっている状態で該電気分解を停止するときには、シリンダ室１８内の水素ガスの圧力も、カソード側セパレータ５の流体通路８で得られる水素ガスの圧力より高い状態が維持される。一方、シリンダ室１８内の水素ガスの圧力が開放されたときには、水素取出口２１に設けられている開閉弁（図示せず）を開弁することにより、気液分離室３３に貯留されている高圧の水素ガスが製品として取出される。   In the high-pressure hydrogen production device 1, when the electrolysis of water proceeds and the hydrogen gas pressure obtained in the fluid passage 8 of the cathode-side separator 5 is high, the electrolysis is stopped in the cylinder chamber 18. The pressure of the hydrogen gas is also maintained higher than the pressure of the hydrogen gas obtained in the fluid passage 8 of the cathode side separator 5. On the other hand, when the pressure of the hydrogen gas in the cylinder chamber 18 is released, the open / close valve (not shown) provided in the hydrogen outlet 21 is opened to be stored in the gas-liquid separation chamber 33. High-pressure hydrogen gas is extracted as a product.

次に、高圧水素製造装置１で、常圧から水の電気分解を開始して、カソード側セパレータ５の流体通路８で得られる水素ガスの圧力を次第に昇圧させるときに、水素膜ポンプ２５を作動させる場合（実施例）と、作動させない場合（比較例）とで、電解電圧の変化を測定した。水素膜ポンプ２５を作動させる場合には、シリンダ室１８内の水素ガスの圧力が、水電解スタック１３で得られる水素ガスの圧力より５ＭＰａ高くなるように、水素膜ポンプ電源の電圧を制御した。結果を図２に示す。   Next, when the high pressure hydrogen production apparatus 1 starts electrolysis of water from normal pressure and gradually increases the pressure of the hydrogen gas obtained in the fluid passage 8 of the cathode side separator 5, the hydrogen membrane pump 25 is operated. The change of the electrolysis voltage was measured in the case of being operated (Example) and in the case of not being operated (Comparative Example). When operating the hydrogen membrane pump 25, the voltage of the hydrogen membrane pump power supply was controlled so that the pressure of the hydrogen gas in the cylinder chamber 18 was 5 MPa higher than the pressure of the hydrogen gas obtained in the water electrolysis stack 13. The results are shown in FIG.

図２から、水素膜ポンプ２５を作動させないときには、カソード側セパレータ５の流体通路８で得られる水素ガスの圧力が大になるにつれて電解電圧が急峻に上昇するのに比較して、水素膜ポンプ２５を作動させるときには、電解電圧の上昇を抑制することができることが明らかである。   From FIG. 2, when the hydrogen membrane pump 25 is not operated, the electrolysis voltage sharply increases as the pressure of the hydrogen gas obtained in the fluid passage 8 of the cathode separator 5 increases, compared to the hydrogen membrane pump 25. It is clear that the increase of the electrolysis voltage can be suppressed when the is operated.

次に、水電解スタック１３の温度を３０℃、給電体３，４における電流密度を１Ａ／ｃｍ２として、カソード側セパレータ５の流体通路８で得られる水素ガスの圧力が３５ＭＰａとなる定常状態で、シリンダ室１８内の水素ガスの圧力が４０ＭＰａとなるように水素膜ポンプ電源の電圧を制御して、水の電気分解を行って、電解電圧の経時変化を測定した。このとき、水素膜ポンプ電源の電圧は約１００ｍＶであった。結果を図３に示す。 Next, in a steady state where the temperature of the water electrolysis stack 13 is 30 ° C., the current density in the power feeders 3 and 4 is 1 A / cm 2 , and the hydrogen gas pressure obtained in the fluid passage 8 of the cathode separator 5 is 35 MPa. Then, the voltage of the hydrogen membrane pump power source was controlled so that the pressure of the hydrogen gas in the cylinder chamber 18 was 40 MPa, water was electrolyzed, and the change over time in the electrolysis voltage was measured. At this time, the voltage of the hydrogen membrane pump power supply was about 100 mV. The results are shown in FIG.

図３から、前記定常状態では、水素膜ポンプ２５を作動させることにより、電解電圧を略一定に維持することができることが明らかである。   From FIG. 3, it is apparent that the electrolysis voltage can be maintained substantially constant by operating the hydrogen membrane pump 25 in the steady state.

本発明の高圧水素製造装置の一実施形態を示す説明的断面図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Explanatory sectional drawing which shows one Embodiment of the high pressure hydrogen production apparatus of this invention. 高圧水素製造装置で得られる水素ガスの圧力と電解電圧との関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the pressure of the hydrogen gas obtained with a high pressure hydrogen production apparatus, and an electrolysis voltage. 高圧水素製造装置で定常的に電解を行ったときの電解電圧の経時変化を示すグラフ。The graph which shows the time-dependent change of the electrolysis voltage when performing electrolysis regularly with a high pressure hydrogen production apparatus. 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。Explanatory sectional drawing which shows the example of 1 structure of the conventional high pressure hydrogen production apparatus.

符号の説明Explanation of symbols

１…高圧水素製造装置、 ２，２０…固体高分子電解質膜、 ３，２２…カソード側給電体、 ４，２１…アノード側給電体、 ５，２４…カソード側セパレータ、 ６，２３…アノード側セパレータ、 ７…水電解セル、 ８，１０，２７，２９…流体通路、 ９…水素取出路、 １４…高圧容器、 １５…第１室、 １８…第２室、 １９…遮断部材、 ２５…水素ガス圧縮手段（水素膜ポンプ）、 ３３…第３室。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... High pressure hydrogen production apparatus, 2,20 ... Solid polymer electrolyte membrane, 3,22 ... Cathode side electric power feeding body, 4,21 ... Anode side electric power feeding body, 5,24 ... Cathode side separator, 6,23 ... Anode side separator 7 ... Water electrolysis cell, 8, 10, 27, 29 ... Fluid passage, 9 ... Hydrogen extraction path, 14 ... High pressure vessel, 15 ... First chamber, 18 ... Second chamber, 19 ... Shut-off member, 25 ... Hydrogen gas Compression means (hydrogen membrane pump), 33 ... third chamber.

Claims (4)

第１の固体高分子電解質膜（２）と、該第１の固体高分子電解質膜（２）の両側に相対向して設けられたカソード側給電体（３）及びアノード側給電体（４）と、各給電体（３，４）に積層されたカソード側セパレータ（５）及びアノード側セパレータ（６）と、各セパレータ（５，６）に設けられ各給電体（３，４）が露出する流体通路（８，１０）とを備え、該アノード側セパレータ（６）の流体通路（１０）に水を供給すると共に各給電体（３，４）に通電することにより、該アノード側セパレータ（６）の流体通路（１０）に供給された水を電気分解し、該カソード側セパレータ（５）の流体通路（８）に高圧の水素ガスを得る水電解セル（１３）を備える高圧水素製造装置（１）において、
該水電解セル（１３）を収容する第１室（１５）と、該水電解セル（１３）のアノード側で該第１室（１５）に連通する第２室（１８）とを備える高圧容器（１４）と、
該第１室（１５）と該第２室（１８）との境界に設けられ両室（１５，１８）を水密に遮断すると共に、該第２室（１８）の内壁に沿って該水電解セル（１３）方向に進退自在に備えられた遮断部材（１９）と、
該水電解セル（１３）と該遮断部材（１９）との間に設けられ、第２の固体高分子電解質膜（２０）と、該第２の固体高分子電解質膜（２０）の両側に相対向して設けられたカソード側給電体（２２）及びアノード側給電体（２１）と、各給電体（２２，２１）に積層されたカソード側セパレータ（２４）及びアノード側セパレータ（２３）と、各セパレータ（２４，２３）に設けられ各給電体（２２，２１）が露出する流体通路（２９，２７）とを備え、前記水電解セル（１３）のカソード側セパレータ（５）の流体通路（８）に得られた高圧の水素ガスの一部を分取し、該アノード側セパレータ（２３）の流体通路（２７）に、該高圧の水素ガスの一部を供給すると共に各給電体（２２，２１）に通電することにより、該高圧の水素ガスをイオン化して該固体高分子電解質膜（２０）を透過せしめ、該カソード側セパレータ（２４）の流体通路（２９）にさらに高圧の水素ガスを得る水素膜ポンプ（２５）である水素ガス圧縮手段と、
該水素ガス圧縮手段で圧縮されたさらに高圧の水素ガスを該第２室（１８）に案内する水素ガス案内路（３０）とを備え、
該水素ガス案内路（３０）を介して案内されたさらに高圧の水素ガスにより該遮断部材（１９）を該水電解セル（１３）方向に押圧することを特徴とする高圧水素製造装置。 A first solid polymer electrolyte membrane (2), the cathode current collector provided to face on both sides of the first solid polymer electrolyte membrane (2) (3) and the anode current collector (4) The cathode-side separator (5) and the anode-side separator (6) stacked on each power feeding body (3, 4) , and each power feeding body (3, 4) provided in each separator (5, 6 ) is exposed. and a fluid passage (8, 10), by supplying current to the feeding member (3, 4) supplies the water to the fluid passageway (10) of the anode-side separator (6), the anode-side separator (6 The high-pressure hydrogen production apparatus (1 ) includes a water electrolysis cell (13) that electrolyzes water supplied to the fluid passage (10) of the cathode separator (5) and obtains high-pressure hydrogen gas in the fluid passage (8) of the cathode separator (5). In 1)
First chamber housing a water electrolysis cell (13) and (15), a high-pressure container with a second chamber and (18) communicating with the first chamber (15) on the anode side of the water electrolysis cell (13) (14) and
The two chambers (15, 18) are provided at the boundary between the first chamber (15) and the second chamber (18) in a watertight manner, and the water electrolysis is performed along the inner wall of the second chamber (18). A blocking member (19) provided to be movable forward and backward in the cell (13) direction;
Provided between the water electrolysis cell (13) and the blocking member (19) , the second solid polymer electrolyte membrane (20) and relative to both sides of the second solid polymer electrolyte membrane (20) A cathode-side power supply body (22) and an anode-side power supply body (21) provided facing each other, and a cathode-side separator (24) and an anode-side separator (23) stacked on each power-supply body (22, 21), Fluid passages (29, 27) provided in the separators (24, 23) and exposing the power feeding bodies (22, 21), and the fluid passages ( 5) of the cathode side separator (5) of the water electrolysis cell (13). A part of the high-pressure hydrogen gas obtained in 8) is collected, and a part of the high-pressure hydrogen gas is supplied to the fluid passage (27) of the anode-side separator (23) and each power supply body (22 , 21) by energizing the high-pressure hydrogen gas Ionizes allowed transmitting the solid polymer electrolyte membrane (20), and hydrogen gas compression means is the cathode side hydrogen membrane pump to obtain a further high-pressure hydrogen gas to the fluid passageway (29) of the separator (24) (25) ,
A hydrogen gas guide path (30) for guiding higher pressure hydrogen gas compressed by the hydrogen gas compression means to the second chamber (18) ,
A high-pressure hydrogen production apparatus characterized in that the blocking member (19) is pressed in the direction of the water electrolysis cell (13) with a higher-pressure hydrogen gas guided through the hydrogen gas guide path (30) . 前記水素膜ポンプ（２５）は、前記アノード側セパレータ（２３）が絶縁部材（１７）を介して前記水電解セル（１３）の前記アノード側セパレータ（６）に積層されており、該水素膜ポンプ（２５）のアノード側セパレータ（２３）の流体通路（２７）は該絶縁部材（１７）を貫通して、水電解セル（１３）のカソード側セパレータ（５）の流体通路（８）に接続されていることを特徴とする請求項１記載の高圧水素製造装置。 The hydrogen membrane pump (25), the anode separator (23) is laminated on the anode side separator (6) of the water electrolysis cell via the insulating member (17) (13), water Motomaku pump The fluid passage (27) of the anode separator (23) of (25) passes through the insulating member (17) and is connected to the fluid passage (8) of the cathode separator (5) of the water electrolysis cell (13). it has a high-pressure hydrogen production apparatus according to claim 1, wherein. 前記高圧容器（１４）は、前記水電解セル（１３）のカソード側セパレータ（５）の流体通路（８）に得られた高圧の水素ガスと水とを気液分離する第３室（３３）を備え、該第３室（３３）は該流体通路（８）から高圧の水素ガスを取り出す水素取出路（９）を介して前記第１室（１５）に連通していることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の高圧水素製造装置。 The high-pressure vessel (14) is a third chamber (33) for gas-liquid separation of the high-pressure hydrogen gas and water obtained in the fluid passage (8) of the cathode separator (5) of the water electrolysis cell (13 ). The third chamber (33) communicates with the first chamber (15) via a hydrogen extraction passage (9) for extracting high-pressure hydrogen gas from the fluid passage (8). The high-pressure hydrogen production apparatus according to claim 1 or 2 . 前記遮断部材（１９）は、前記水電解セル（１３）の水素生成領域の面積より大きな横断面積を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の高圧水素製造装置。 The high-pressure hydrogen production apparatus according to any one of claims 1 to 3 , wherein the blocking member (19) has a cross-sectional area larger than an area of a hydrogen generation region of the water electrolysis cell (13). .
JP2005208051A 2005-07-19 2005-07-19 High pressure hydrogen production equipment Expired - Fee Related JP4597800B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2005208051A JP4597800B2 (en) 2005-07-19 2005-07-19 High pressure hydrogen production equipment

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2005208051A JP4597800B2 (en) 2005-07-19 2005-07-19 High pressure hydrogen production equipment

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2007023343A JP2007023343A (en) 2007-02-01
JP4597800B2 true JP4597800B2 (en) 2010-12-15

Family

ID=37784510

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2005208051A Expired - Fee Related JP4597800B2 (en) 2005-07-19 2005-07-19 High pressure hydrogen production equipment

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4597800B2 (en)

Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4847052B2 (en) * 2005-06-13 2011-12-28 本田技研工業株式会社 Gas-liquid separation method and apparatus
JP4796639B2 (en) * 2009-02-26 2011-10-19 本田技研工業株式会社 Electrochemical equipment
US9194048B2 (en) * 2010-03-23 2015-11-24 Honda Motor Co., Ltd. Electrochemical device
EP2617874B1 (en) * 2012-01-18 2015-06-03 H-TEC Systems GmbH Electrolyser
EP3031955B1 (en) * 2013-08-05 2018-10-17 University of Yamanashi Hydrogen refining pressure-boosting device
JP7249588B2 (en) * 2018-06-14 2023-03-31 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 electrochemical hydrogen pump
JP2020007634A (en) * 2018-07-03 2020-01-16 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 Electrochemical hydrogen pump
CN112969822A (en) * 2018-08-20 2021-06-15 泰利斯纳诺能量公司 Modular electrolysis unit for producing high-pressure and high-purity gaseous hydrogen
JPWO2020095836A1 (en) * 2018-11-06 2021-09-24 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 Electrochemical hydrogen pump
NL2022067B1 (en) * 2018-11-23 2020-06-05 Hyet Holding B V Solid-state compressor and method for providing counter pressure on a solid-state compressor cell stack
CN116802146A (en) * 2021-01-07 2023-09-22 松下知识产权经营株式会社 Compressor and control method thereof
WO2022149301A1 (en) * 2021-01-07 2022-07-14 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 Compressor and method for controlling compressor
JP7402420B2 (en) * 2021-10-07 2023-12-21 株式会社タツノ Methanol production system

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05242850A (en) * 1992-02-26 1993-09-21 Mitsubishi Electric Corp Electrochemical gas compressor
JPH11172482A (en) * 1997-12-10 1999-06-29 Shinko Plant Kensetsu Kk Ozonized water producing device and production of ozonized water with the device
JP2001131787A (en) * 1999-10-29 2001-05-15 Shinko Pantec Co Ltd Pressure compensation structure of electrolysis cell
JP2003160891A (en) * 2001-11-26 2003-06-06 Hitachi Zosen Corp Clamping device in solid polymer type water electrolytic cell
JP2003342767A (en) * 2002-05-29 2003-12-03 Hitachi Zosen Corp Hydrogen supplying apparatus using solid polymer type water electrolytic cell
JP2004172025A (en) * 2002-11-22 2004-06-17 Toyota Motor Corp Fuel cell system

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05242850A (en) * 1992-02-26 1993-09-21 Mitsubishi Electric Corp Electrochemical gas compressor
JPH11172482A (en) * 1997-12-10 1999-06-29 Shinko Plant Kensetsu Kk Ozonized water producing device and production of ozonized water with the device
JP2001131787A (en) * 1999-10-29 2001-05-15 Shinko Pantec Co Ltd Pressure compensation structure of electrolysis cell
JP2003160891A (en) * 2001-11-26 2003-06-06 Hitachi Zosen Corp Clamping device in solid polymer type water electrolytic cell
JP2003342767A (en) * 2002-05-29 2003-12-03 Hitachi Zosen Corp Hydrogen supplying apparatus using solid polymer type water electrolytic cell
JP2004172025A (en) * 2002-11-22 2004-06-17 Toyota Motor Corp Fuel cell system

Also Published As

Publication number Publication date
JP2007023343A (en) 2007-02-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4597800B2 (en) High pressure hydrogen production equipment
US7846307B2 (en) High-pressure hydrogen production apparatus
JP4796639B2 (en) Electrochemical equipment
US8721867B2 (en) Method of shutting down water electrolysis apparatus
JP5437968B2 (en) Water electrolysis system
JP5192001B2 (en) Operation method of water electrolysis system
US20100230278A1 (en) Water electrolysis system
JP4856770B2 (en) Water electrolysis equipment
US8741123B2 (en) Water electrolysis system and method for shutting down the same
JP7104110B2 (en) Water electrolysis system
US9828682B2 (en) Differential pressure water electrolysis apparatus
US20120209434A1 (en) Method for operating differential pressure water electrolysis apparatus
JP2012180554A (en) High-pressure hydrogen producing apparatus
JP4852157B2 (en) Water electrolysis equipment
JP6348143B2 (en) Depressurization method for high pressure water electrolysis system
JP2010189689A (en) Water electrolysis apparatus
JP5364056B2 (en) Water electrolysis equipment
JP4554328B2 (en) High pressure hydrogen production equipment
CN110042411B (en) Water electrolysis device
JP2006307248A (en) Hydrogen production equipment
JP5095715B2 (en) Water electrolysis equipment
JP5095714B2 (en) Water electrolysis equipment
JP7063979B1 (en) Electrochemical booster
JP5421760B2 (en) Electrochemical equipment
JP2013032572A (en) Method for stopping operation of high pressure hydrogen production system

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20071128

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20090701

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20091208

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20100208

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20100309

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20100609

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20100721

A911 Transfer to examiner for re-examination before appeal (zenchi)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911

Effective date: 20100726

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20100921

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20100922

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20131001

Year of fee payment: 3

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees