JP4674659B2 - 水電解水素発生装置における容器収納型水電解装置 - Google Patents

水電解水素発生装置における容器収納型水電解装置 Download PDF

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Description

本発明は、固体高分子電解質膜を用いて、水の電気分解により高圧の水素ガスを発生させる水電解水素発生装置に関し、より詳しくは、低圧水素ガス、および、数十ＭＰａ、例えば燃料電池車をガソリン車と同等距離走行させるのに水素ステーションで必要とされる少なくとも４０ＭＰａ、好ましくは８０ＭＰａの高圧水素ガスを発生することができる水電解水素発生装置に関し、特に容器収納型水電解装置に関する。
高分子電解質膜を用いて水を電解し、陽極に酸素を、陰極に水素を発生させる固体高分子型水電解槽と、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と、純水タンクから水電解槽へ水を供給する給水ポンプを有する給水ラインとを備えている水電解水素発生装置は、既に知られている。容器収納型水電解装置は、上記のような固体高分子型水電解槽を所定の高圧を維持することができる容器内に収めたものである。
従来、容器収納型水電解装置は、図４に示すように、高分子電解質膜を用いて水を電解し、陽極に酸素を、陰極に水素をそれぞれ発生させる固体高分子型水電解槽(120)と、左側壁に水入口を、右側壁に水・酸素排出口を有し、水電解槽(120)を収める圧力容器(121)と、圧力容器の頂壁に設けられた水素ガス取り出し装置(122)と、水素ガス取り出し装置に設けられた水素ライン(123)と、圧力容器の水・酸素排出口に接続された酸素ライン(124)と、酸素ラインに設けられて水電解槽(120)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(125)と、酸素気液分離器と圧力容器の水入口とを接続する水循環ライン(126)と、水電解槽(120)に接続された直流電源（図示略）とを備えてなる。圧力容器(121)は円胴部材とそれの両端に設けられたコーン状の端壁部材とからなる（特許文献１参照）。
しかし、このような構成の容器収納型水電解装置では、金属インゴットから大容量の圧力容器を造り出すために大きなインゴットが必要であるが、このようなインゴットを入手することは甚だ困難である。
また、従来の容器収納型水電解装置では、水電解槽の内外間や陽極−陰極間で差圧が生じないようにすることで水電解槽の破損を防いでいる。
この方法では圧力容器内に水電解槽は１基しか設置できないので、大量の水素を発生させるには１基の水電解槽における単位セルの積層数を増す必要がある。しかし、単位セルの積層数を増すと、水電解槽の製造が困難になる上に、陽極側と陰極側のシール性を確保することが難しい。
特開２０４−２９１４号公報、特にその実施例１および図１
本発明は、上記のような実状に鑑み、構成が単純で組立が容易であり、しかも大量の水素を発生させることができる水電解水素発生装置における容器収納型水電解装置を提供することを課題とする。
本発明は、上記課題を解決すべく工夫されたものである。
請求項１に係る発明は、少なくとも１つの水電解槽と、水電解槽を収める圧力容器とを備え、少なくとも４０ＭＰａの高圧水素ガスを供給することができる水電解水素発生装置における容器収納型水電解装置であって、水電解槽を左右の２つとし、左側の水電解槽は、陰極主電極と、左端に配された端板と陰極主電極の間に直列に配された複数の単位セルと、陰極主電極の右方に絶縁層を介して配されて左端に配された端板との間に複数の単位セル−陰極主電極の組み合わせを挟む押え板とを備えており、右側の水電解槽は、左側の水電解槽と向きを逆にする同じ構成とされており、端板を押さえ板よりも大きいものとして、押さえ板どうしを対向させて配するとともに、各水電解槽の端板間に筒状の胴体を両水電解槽を胴体内に収めるように配し各端板を胴体の両端に設けられたフランジ部に固定して圧力容器を形成し、端板の外周縁部と胴体のフランジ部との間に絶縁層を設け、電源の陽極を左端に配された端板を介してそれに固定された水電解槽の陽極に接続し、電源の陰極を右端に配された端板を介してそれに固定された水電解槽の陰極に接続し、水電解槽どうしを電気的に直列に接続してなる、水電解水素発生装置における容器収納型水電解装置である。
請求項２に係る発明は、各水電解槽の陽極側出口と圧力容器内部を連通し、各陽極で発生した酸素を抜き出す酸素出口を圧力容器に設けてなる、請求項１記載の水電解水素発生装置における容器収納型水電解装置である。
請求項３に係る発明は、各水電解槽の陰極側出口と圧力容器内部を連通し、各陰極で発生した水素を抜き出す水素出口を圧力容器に設けてなる、請求項１記載の水電解水素発生装置における容器収納型水電解装置である。
請求項４に係る発明は、２つの水電解槽と、水電解槽を収める圧力容器とを備え、少なくとも４０ＭＰａの高圧水素ガスを供給することができる水電解水素発生装置における容器収納型水電解装置の組立て方法であって、左側の水電解槽は、陰極主電極と、左端に配された端板と陰極主電極の間に直列に配された複数の単位セルと、陰極主電極の右方に絶縁層を介して配されて左端に配された端板との間に複数の単位セル−陰極主電極の組み合わせを挟む押え板とを備えており、右側の水電解槽は、左側の水電解槽と向きを逆にする同じ構成とされており、水電解槽の端板を押さえ板よりも大きいものとして、片面に水電解槽を固定した端板を２枚作製し、これら水電解槽の非端板側電極どうしを、筒状胴体の内部を通る接続部材で接続し、次いで端板の外周縁部と胴体のフランジ部との間に絶縁層を設けるとともに、両水電解槽を胴体内に収めるように胴体両端開口部にそれぞれ端板を固定し、電源の陽極を一方の端板を介してそれに固定された水電解槽の陽極に接続し、電源の陰極を他方の端板を介してそれに固定された水電解槽の陰極に接続する、水電解水素発生装置における容器収納型水電解装置の組立て方法である。
水電解槽の電極どうしを接続するには例えばつぎの方法が採られる：
結線が伸縮性のケーブルからなる場合、一方の水電解槽の給電端子にケーブル結線の一端を取付けた後、結線を胴体内に向けて一方の端板を胴体の一端開口部に固定する。次いで結線の他端を胴体内を通して他方の給電端子に取付けた後、他方の端板を胴体の他端開口部に固定する。
結線が導電性のロッドからなる場合、一方の水電解槽の給電端子（撓まず形状を保持した端子）にロッド結線の一端を取付けた後、結線を胴体内に向けて一方の端板を胴体の一端開口部に固定する。次いで、他方の水電解槽の給電端子（弾性変形する端子）にロッド結線の他端を取付け、両方の給電端子同した接触し他方が撓んだ状態にして、他方の端板を胴体の他端開口部に固定する。
本発明によれば、１基の水電解槽における単位セルの積層数を増すことなく、単位セルの総数を２倍に増すことができる。また、従来装置と同量の水素を発生させるには、１基の水電解槽における単位セルの積層数を半減することができる。したがって、装置のコンパクト化が可能である上に、装置の組立およびメンテナンスを容易に行うことができる。
電源の陽極および陰極を、圧力容器を構成する左右端板を介して、水電解槽の陽極および陰極にそれぞれ接続することにより、圧力容器内部への電流導入端子が不要となり、装置の構成を簡略化して、その信頼性を高めることができる。
各水電解槽の陽極側出口または陰極側出口と圧力容器内部を連通させることで、圧力容器に気液分離器としての働きを持たせることができる。この気液分離は、水電解槽を内装した圧力容器を横置きすることにより、容易に達成することができる。
また、このように各水電解槽の陽極側出口または陰極側出口と圧力容器内部を連通させることで、水電解槽を構成する積層状の単位セルにおける陽極と陰極の間の圧力差を小さくした状態で高圧の水素および酸素を発生させることができる。
圧力容器内部を単位セルへの供給水、発生ガスの圧力と同じ圧力の水で満たすことによっても、陽極と陰極の間の圧力差を小さくした状態で高圧の水素および酸素を発生させることができる。
こうして、本発明によれば、構成が単純であって組立が容易であり、しかも大量の水素ことができる。
以下、この発明を実施例に基づいて具体的に説明する。以下の説明において、左右は図１を基準とし、その左右をいう。
実施例１
図１において、圧力容器の左右端板(21) (21')とするためのステンレス鋼製の円板を２枚用意する。円板は鉄鋼製またはチタン製のものであってもよい。これらの円板の片面にそれぞれ水電解槽(24)(24') をその電解槽支持ボルト(14)(14')を用いて固定する。水電解槽(24)(24') 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ものである。左側の水電解槽(24)は、陰極主電極(2)と、端板(21) と陰極主電極(2)の間に直列に配された複数の単位セル(16)と、複数の単位セル(16)−陰極主電極(2)の組み合わせを両側から挟む端板(21)および押え板(13)と、端板(21)および押え板(13)の各四隅部を貫通し、端板(21)、複数の単位セル(16)および陰極主電極(2)を両側から締め付けるボルト(14)・ナット(15)とから主として構成されている。各ボルト(14)の基端部は端板(21)のねじ穴にねじ込まれている。１つのセル(16)は、複極板(9)の陽極側、陽極給電体(7)、電極接合体膜(3)、陰極給電体(8)、および隣の複極板(9)の陰極側から主として構成されている。陰極主電極(2)と押え板(13)の間には絶縁層(17)が介在されている。右側の水電解槽(24')は、左側の水電解槽(24)とは向きを逆にするが、これと同じ構成を取る。
他方、両端にフランジ部(23)(23') を有する円筒状の胴体(22)を用意する。胴体(22) はステンレス鋼のインゴットから一体的に作り出したものであるが、鉄鋼またはチタンのインゴットから作り出したものであってもよい。また、使用圧力により、胴体(22)の材料として規格配管も使用できる。胴体(22)の左右両側に、片面に水電解槽を固定した左右一対の端板(21) (21')を、水電解槽(24)(24') を胴体(22) 内に収めるように配する。端板(21) (21')の外縁部と胴体(22) のフランジ部(23)(23') をこれらの間に絶縁層(30) (30')を介在させて合わせてボルト(27)で固定する。こうして胴体(22) とこれの両端に固定した左右一対の端板(21) (21')とから圧力容器(25) を形成する。水電解槽(24)(24') を内装した圧力容器(25)を左右一対の基台(29)(29') の上に据える。絶縁層(30) (30')によって一対の (21')と胴体(22) は電気的に絶縁されている。
左右一対の水電解槽(24)(24')どうしを接続部材(37)で電気的に直列に接続する。接続部材(37)は対向状に配された左右一対の給電端子(28)(28')とこれらの水平部同士を連結する結線(38)とからなる。左側の給電端子(28)の垂直部の下端は左側の水電解槽(24)の陰極主電極(2) の上面に固定されている。垂直部は薄い帯板からなり、左側の水電解槽(24)の熱膨張による変位を吸収することができる。右側の給電端子(28')も左側 のそれと同じ構成をとる。
水電解槽(24)(24') の陽極側出入口を圧力容器(25)の内部と連通させる。
電源(26)を１基設け、その陽極を左側の端板(21)を介してそれに固定された水電解槽(24)の陽極に接続し、電源(26)の陰極を 右側の端板(21')を介してそれに固定された水電解槽(24') の陰極に接続する。
こうして構成した容器収納型水電解装置において、圧力容器(25)を構成する左側の端板(21)の上部に設けられた水供給口(31)から圧力容器(25)内に純水を供給して、水電解槽(24)(24')を水没されるように容器内に溜める。これにより水電解槽(24)(24')の各陽極に水が供給され、発生した酸素が水電解槽(24)(24')から圧力容器(25)の内部に出るので、酸素を容器内で気液分離し、圧力容器(25)の上部に設けられた上部ガス取出口(32)から取出す。水電解槽(24)(24') の各陰極に発生した水素と同伴水を圧力容器(25)の両端壁の中央に設けられた端部中央ガス出口(33)(33')から取出 し、次いで圧力容器(25)外の気液分離タンクへ送り出し、同タンクで気液分離する。圧力容器(25)内の水が減ってきたら、水供給口(31)から水を補給する。メンテナンス時には圧力容器(25)の下部に設けられた水排出口から水を抜き出す。また、同装置の使用の際は、電極接合体膜や電解槽に設けられたシールが破れないように、周辺機器で陽極側と陰極側の圧力を調整する。
実施例２
図２において、この構成の容器収納型水電解装置では、純水を、圧力容器(25)を構成する左側の端板(21)の上寄りに設けられた水供給口(31)から圧力容器(25)の水電解槽(24)の陽極側に供給する。陰極側から水素と同伴水を圧力容器(25)内に出す。水素を容器内で気液分離し、圧力容器(25)の上部に設けられた上部ガス出口(32)から取出す。水電解槽(24)の陽極に発生した酸素と残りの水を圧力容器(25) の端壁の下寄りに設けられた端部下寄りガス出口(35)から取出し、次いで圧力容器(25)外の気液分離タンクへ送り出し、同タンクで気液分離する。メンテナンスの際、または同伴水が容器内の水素ガスの貯留空間をなくさないようにするために、必要に応じて、圧力容器(25)の下部に設けられた水排出口から同伴水を抜き出す。
この装置は左右対称の構成を取るので図２において右半部は省略する。その他の構成は実施例１のものと同じである。
実施例３
図３において、この構成の容器収納型水電解装置では、純水を、圧力容器(25)を構成する左側の端板(21)における中央寄りと上端寄りに設けられた２か所の水供給口(31)(34)から圧力容器(25)内に供給する。水電解槽(24)の各陽極に発生した酸素を圧力容器(25)の端板(21)の下寄りに設けられた側部下寄りガス出口(35)から水と共に取出し、水電解槽(24)の各陰極に発生した水素を圧力容器(25)の端板(21)の中央に設けられた側部中央ガス出口(33)から取出す。圧力容器(25)内の水は端板(21)の下端寄りに設けられた水排出口(36)から出す。この装置も左右対称の構成を取るので図３において右半部は省略する。その他の構成は実施例２のものと同じである。
実施例１の容器収納型水電解装置を概略的に示す垂直縦断面図である。 実施例２の容器収納型水電解装置を概略的に示す垂直縦断面図である。 実施例３の容器収納型水電解装置を概略的に示す垂直縦断面図である。 従来の容器収納型水電解装置を概略的に示す垂直縦断面図である。
(13)：押え板
(14)(14')：ボルト
(16)：セル
(17)(30)(30')：絶縁層
(21)(21')：端板
(22)：胴体
(23)(23')：フランジ部
(24)(24')：水電解槽
(25)：圧力容器
(26)：電源
(27)：ボルト
(28)(28')：給電端子
(29)(29')：基台
(31)(34)：水供給口
(32)：上部ガス取出口
(33)(33')： 端部中央ガス出口
(35)：端部下寄りガス出口
(36)：水排出口
(37)：接続部材
(38)：結線

Claims (4)

  1. 少なくとも１つの水電解槽(24)(24')と、水電解槽(24)(24')を収める圧力容器(25)とを備え、少なくとも４０ＭＰａの高圧水素ガスを供給することができる水電解水素発生装置における容器収納型水電解装置であって、水電解槽(24)(24')を左右の２つとし、左側の水電解槽(24)は、陰極主電極(2)と、左端に配された端板(21)と陰極主電極(2)の間に直列に配された複数の単位セル(16)と、陰極主電極(2)の右方に絶縁層(17)を介して配されて左端に配された端板(21)との間に複数の単位セル(16)−陰極主電極(2)の組み合わせを挟む押え板(13)とを備えており、右側の水電解槽(24')は、左側の水電解槽(24)と向きを逆にする同じ構成とされており、端板(21)(21')を押さえ板(13)よりも大きいものとして、押さえ板(13)どうしを対向させて配するとともに、各水電解槽(24)(24')の端板(21)(21')間に筒状の胴体(22)を両水電解槽(24)(24')を胴体(22)内に収めるように配し各端板(21)(21')を胴体(22)の両端に設けられたフランジ部(23)(23')に固定して圧力容器(25)を形成し、端板(21)(21')の外周縁部と胴体(22)のフランジ部(23)(23')との間に絶縁層(30)(30')を設け、電源(26)の陽極を左端に配された端板(21)を介してそれに固定された水電解槽(24)の陽極に接続し、電源(26)の陰極を右端に配された端板(21')を介してそれに固定された水電解槽(24')の陰極に接続し、水電解槽(24)(24')どうしを電気的に直列に接続してなる、水電解水素発生装置における容器収納型水電解装置。
  2. 各水電解槽(24)(24')の陽極側出口と圧力容器(25)内部を連通し、各陽極で発生した酸素を抜き出す酸素出口(32)(35)を圧力容器(25)に設けてなる、請求項１記載の水電解水素発生装置における容器収納型水電解装置。
  3. 各水電解槽(24)(24')の陰極側出口と圧力容器(25)内部を連通し、各陰極で発生した水素を抜き出す水素出口(32)(33)を圧力容器(25)に設けてなる、請求項１記載の水電解水素発生装置における容器収納型水電解装置。
  4. ２つの水電解槽(24)(24')と、水電解槽(24)(24')を収める圧力容器(25)とを備え、少なくとも４０ＭＰａの高圧水素ガスを供給することができる水電解水素発生装置における容器収納型水電解装置の組立て方法であって、
    左側の水電解槽(24)は、陰極主電極(2)と、左端に配された端板(21)と陰極主電極(2)の間に直列に配された複数の単位セル(16)と、陰極主電極(2)の右方に絶縁層(17)を介して配されて左端に配された端板(21)との間に複数の単位セル(16)−陰極主電極(2)の組み合わせを挟む押え板(13)とを備えており、右側の水電解槽(24')は、左側の水電解槽(24)と向きを逆にする同じ構成とされており、水電解槽(24)(24')の端板(21)(21')を押さえ板よりも大きいものとして、片面に水電解槽(24)(24')を固定した端板(21)(21')を２枚作製し、これら水電解槽(24)(24')の非端板側電極どうしを、筒状胴体(22)の内部を通る接続部材(37)で接続し、次いで端板(21)(21')の外周縁部と胴体(22)のフランジ部(23)(23')との間に絶縁層(30)(30')を設けるとともに、両水電解槽(24)(24')を胴体(22)内に収めるように胴体(22)両端開口部にそれぞれ端板(21)(21')を固定し、電源(26)の陽極を一方の端板(21)を介してそれに固定された水電解槽(24)(24')の陽極に接続し、電源(26)の陰極を他方の端板(21')を介してそれに固定された水電解槽(24)(24')の陰極に接続する、水電解水素発生装置における容器収納型水電解装置の組立て方法。
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