JP5314273B2 - 電気分解装置及びこれを利用する燃料電池発電システム - Google Patents

Description

本発明は、原料水を電気分解して酸素ガスと水素ガスとを発生させる電気分解装置及びこれを利用する燃料電池発電システムに関する。

燃料電池発電システムは、ガス透過性及び導電性を有する酸化極及び燃料極により、プロトン伝導性を有する電解質膜を挟んだセルと導電性を有すると共にガスの流通路を形成されたセパレータとを交互に複数積層したスタックを備えた燃料電池本体に対して、酸素を含有する酸化ガスを燃料電池本体の前記セパレータの酸化ガス流通路からセルの酸化極へ供給すると共に、水素を含有する燃料ガスを燃料電池本体の前記セパレータの燃料ガス流通路からセルの燃料極へ供給することにより、酸化ガス中の酸素と燃料ガス中の水素とを当該セルで電気化学的に反応させて、電気を発生させるようにしたものである。

このような燃料電池発電システムを、例えば、宇宙空間等のような外部と遮断されてしまう狭小な閉鎖空間で利用する場合には、例えば、太陽光が照射される環境のときに、太陽電池によって電力を得ると共に、当該電力を用いて電気分解装置で水を電気分解することにより、酸素ガス及び水素ガスを生成させて一旦貯蔵しておき、太陽光が照射されない環境のときに、上記酸素ガス及び上記水素ガスを燃料電池発電本体で原料ガスとして使用することにより、電気を発生させると共に、上記電気化学反応に伴って前記セルで生成した水を貯蔵しておいて、上記酸素ガス及び上記水素ガスの原料水として利用できるようにしている。

このような電気分解装置としては、上記燃料電池本体の上記セルと同様な構造を有する、すなわち、ガス透過性及び導電性を有する酸素極及び水素極により、プロトン伝導性を有する電解質膜を挟んだセルと、導電性を有すると共に流通路を形成されたセパレータとを交互に複数積層したスタックを備え、当該スタックの前記セパレータの上記流通路からセルの酸素極へ水を供給すると共に、当該酸素極及び当該水素極間に電気を流すことにより、前記燃料電池本体での前記電気化学反応と逆の電気化学反応を生じさせて、当該セルの酸素極から酸素ガスを発生させて上記セパレータの酸素ガス流通路を介して回収すると共に、当該セルの水素極から水素ガスを発生させて上記セパレータの水素ガス流通路を介して回収するものが一般に適用されている。

このような電気分解装置においては、前記セルの酸素極に供給された水がすべて電気分解されずに前記セパレータの酸素ガス流通路を介して上記酸素ガスと共に送出されてしまうことから、前記セパレータの酸素ガス流通路から送出された上記酸素ガスと上記水とを分離する必要がある。

このとき、宇宙空間等のような無重力空間又は微小重力空間においては、比重差に基づいて重力を利用したポットタイプの気液分離方式を適用することができないため、当該酸素ガスと当該水とを遠心分離を利用して分離するようにしている。

特開昭６３−０１５８１０号公報

しかしながら、遠心分離を利用した気液分離は、大掛かりな機構となってしまうことから、省スペース化が強く求められる宇宙空間等のような外部と遮断されてしまう狭小な閉鎖空間には不向きであった。

このようなことから、本発明は、無重力空間や微小重力空間であっても、生成したガスと原料水とを省スペースで簡単に分離することができる電気分解装置及びこれを利用する燃料電池発電システムを提供することを目的とする。

前述した課題を解決するための、第一番目の発明に係る電気分解装置は、原料水を電気分解して酸素ガスと水素ガスとを発生させる電気分解装置であって、前記原料水を流通させる原料水流通穴を内部に形成された陽イオン交換樹脂又は陰イオン交換樹脂からなる固体高分子電解質体と、前記固体高分子電解質体の一方の外面に配設されてガス透過性及び導電性を有する酸素極と、前記固体高分子電解質体の他方の外面に配設されてガス透過性及び導電性を有する水素極と、前記酸素極と前記水素極との間に電気を流す電源とを備え、前記固体高分子電解質体が陽イオン交換樹脂からなるとき、前記原料水が、陽イオンとしてプロトンを生じる化合物を含有するものであり、前記固体高分子電解質体が陰イオン交換樹脂からなるとき、前記原料水が、陰イオンとしてヒドロキシイオンを生じる化合物を含有するものであることを特徴とする。

第二番目の発明に係る電気分解装置は、第一番目の発明において、前記原料水が、酸水溶液又はアルカリ水溶液であることを特徴とする。

また、前述した課題を解決するための、第三番目の発明に係る燃料電池発電システムは、酸素ガスと水素ガスとを電気化学的に反応させて電気を発生させる燃料電池本体と、前記燃料電池本体へ前記酸素ガスを供給する酸素ガス供給手段と、前記燃料電池本体へ前記水素ガスを供給する水素ガス供給手段とを備えている燃料電池発電システムにおいて、第一番目又は第二番目の発明に係る電気分解装置と、前記電気分解装置で生成した前記酸素ガスを前記酸素ガス供給手段へ供給する酸素ガス補給手段と、前記電気分解装置で生成した前記水素ガスを前記水素ガス供給手段へ供給する水素ガス補給手段とを備えていることを特徴とする。

第四番目の発明に係る燃料電池発電システムは、第三番目の発明において、前記原料水を貯留するタンクと、前記タンク内の前記原料水を前記電気分解装置の前記固体高分子電解質体の前記原料水流通穴に流通させると共に、当該固体高分子電解質体の当該原料水流通穴を流通した前記原料水を当該タンク内に戻す原料水供給手段とを備えていることを特徴とする。

第五番目の発明に係る燃料電池発電システムは、第四番目の発明において、前記原料水を貯留する液相室を気相と仕切るように前記タンクに設けられて当該原料水の体積変化に追従して当該液相室の容積を変量させる液相室変量手段を備えていることを特徴とする。

第六番目の発明に係る燃料電池発電システムは、第五番目の発明において、前記液相室変量手段が、前記タンク内に移動可能に設けられたピストン、又は、可撓性を有する材料からなるダイヤフラム若しくはブラダであることを特徴とする。

第七番目の発明に係る燃料電池発電システムは、第三番目から第六番目の発明のいずれかにおいて、前記燃料電池本体から排出されて水が混在する前記酸素ガスの混合体及び前記燃料電池本体から排出されて水が混在する前記水素ガスの混合体の少なくとも一方の当該混合体から当該水を取り除く除水装置を備え、前記除水装置が、陽イオン交換樹脂又は陰イオン交換樹脂からなる隔離体と、前記隔離体の一方側に前記混合体を接触させるように流通させる混合体流通手段と、前記隔離体の他方側に除水用水溶液を接触させるように流通させる水溶液流通手段とを備え、前記電気分解装置の前記固体高分子電解質体が陽イオン交換樹脂からなるとき、前記除水装置の前記隔離体も陽イオン交換樹脂からなり、前記電気分解装置の前記固体高分子電解質体が陰イオン交換樹脂からなるとき、前記除水装置の前記隔離体も陰イオン交換樹脂からなり、前記除水装置の前記除水用水溶液が前記電気分解装置の前記原料水であることを特徴とする。

第八番目の発明に係る燃料電池発電システムは、第七番目の発明において、前記燃料電池本体から排出されて前記除水装置で水を取り除かれた前記酸素ガスを前記酸素ガス供給手段からの前記酸素ガスと共に当該燃料電池本体に供給する酸素ガス再利用手段を備えていることを特徴とする。

第九番目の発明に係る燃料電池発電システムは、第七番目又は第八番目の発明において、前記燃料電池本体から排出されて前記除水装置で水を取り除かれた前記水素ガスを前記水素ガス供給手段からの前記水素ガスと共に当該燃料電池本体に供給する水素ガス再利用手段を備えていることを特徴とする。

本発明に係る電気分解装置及びこれを利用する燃料電池発電システムによれば、固体高分子電解質体の原料水流通穴に前記原料水を流通させて酸素極と水素極との間に電源から電気を流すと、前記原料水が電気分解されて酸素極から酸素ガスが発生すると共に水素極から水素ガスが発生する。このとき、前記原料水が上述したものからなることから、固体高分子電解質体の外部に漏出してしまうことはないので、前記ガスに前記原料水を混在させることなく当該ガスを前記電極から生成させることができる。このため、前記ガスと前記原料水との分離装置が不要となるので、生成した前記ガスと原料水とを省スペースで簡単に分離して当該ガスを得ることができる。

本発明に係る電気分解装置及びこれを利用する燃料電池発電システムの実施形態を図面に基づいて以下に説明するが、本発明は以下に説明する実施形態のみに限定されるものではない。

［主な実施形態］
本発明に係る電気分解装置及びこれを利用する燃料電池発電システムを宇宙空間等のような外部と遮断されてしまう狭小な閉鎖空間で利用する場合の主な実施形態を図１〜１０に基づいて説明する。図１は、燃料電池発電システムの概略構成図、図２は、図１の除水装置の要部の概略構成図、図３は、図１の電気分解装置の電解質膜の概略構造図、図４は、図１の電気分解装置の電極及びシール材の概略構造図、図５は、図１の電気分解装置のセパレータの概略構造図、図６は、図１の電気分解装置のガスケットの概略構造図、図７は、図１の電気分解装置のエンドフランジの概略構造図、図８は、図６のVIII−VIII線断面矢線視による図１の電気分解装置の要部の概略構造図、図９は、図６のIX−IX線断面矢線視による図１の電気分解装置の要部の概略構造図、図１０は、図６のＸ−Ｘ線断面矢線視による図１の電気分解装置の要部の概略構造図である。

図１に示すように、ガス透過性及び導電性を有する酸化極及び燃料極により、プロトン伝導性を有する電解質膜を挟んだセルと導電性を有すると共にガスの流通路を形成されたセパレータとを交互に複数積層したスタックを備えてなる燃料電池本体１１１の酸化ガス受入口には、酸素ガス１を供給する酸素ガス供給手段である酸素ガスボンベ１２１がバルブ１２２を介して連結されている。上記燃料電池本体１１１の酸化ガス排出口は、酸素ガス再利用手段であるブロア１２３の受入口に連絡している。このブロア１２３の送出口は、上記バルブ１２２と上記燃料電池本体１１１の酸化ガス受入口との間に接続されている。

前記燃料電池本体１１１の燃料ガス受入口には、水素ガス２を供給する水素ガス供給手段である水素ガスボンベ１３１がバルブ１３２を介して連結されている。上記燃料電池本体１１１の燃料ガス排出口は、水素ガス再利用手段であるブロア１３３の受入口に連絡している。このブロア１３３の送出口は、上記バルブ１３２と上記燃料電池本体１１１の燃料ガス受入口との間に接続されている。

前記燃料電池本体１１１の酸化ガス排出口と前記ブロア１２３との間及び当該燃料電池本体１１１の燃料ガス排出口と前記ブロア１３３との間には、除水装置１４０が配設されており、当該除水装置１４０は、以下のような構造となっている。

図１，２Ａに示すように、前記燃料電池本体１１１の酸化ガス排出口は、筒型をなす除水容器１４１Ａの一方の端面寄りの周面に連結されている。前記ブロア１２３の受入口は、上記除水容器１４１Ａの他方の端面寄りの周面に連結されている。上記除水容器１４１Ａの内部には、陽イオン交換樹脂（例えば、米国デュポン社製「ナフィオン（登録商標）」、旭硝子株式会社製「フレミオン（登録商標）」等）からなる隔離体である管状の除水管１４２Ａが多数配設されており、当該除水管１４２Ａは、一端を当該除水容器１４１Ａの一端面に連結され、他端を当該除水容器１４１Ａの他端面に連結されている。上記除水容器１４１Ａの一端面の外部には、前記除水管１４２Ａの一端と連通する供給ヘッダ１４３Ａが取り付けられている。上記除水容器１４１Ａの他端面の外部には、前記除水管１４２Ａの他端と連通する回収ヘッダ１４４Ａが取り付けられている。

図１，２Ｂに示すように、前記燃料電池本体１１１の燃料ガス排出口は、筒型をなす除水容器１４１Ｂの一方の端面寄りの周面に連結されている。前記ブロア１３３の受入口は、上記除水容器１４１Ｂの他方の端面寄りの周面に連結されている。上記除水容器１４１Ｂの内部には、陽イオン交換樹脂（例えば、米国デュポン社製「ナフィオン（登録商標）」、旭硝子株式会社製「フレミオン（登録商標）」等）からなる隔離体である管状の除水管１４２Ｂが多数配設されており、当該除水管１４２Ｂは、一端を当該除水容器１４１Ｂの一端面に連結され、他端を当該除水容器１４１Ｂの他端面に連結されている。上記除水容器１４１Ｂの一端面の外部には、前記除水管１４２Ｂの一端と連通する供給ヘッダ１４３Ｂが取り付けられている。上記除水容器１４１Ｂの他端面の外部には、前記除水管１４２Ｂの他端と連通する回収ヘッダ１４４Ｂが取り付けられている。

図１に示すように、除水用水溶液であると共に原料水である硫酸水溶液４を液相室１４５ａに貯留するタンク１４５の内部には、耐酸性を有すると共に可撓性を有する材料（例えば、フッ素樹脂やフッ素樹脂をコーティングしたポリプロピレン等）からなる液相室変量手段であるダイヤフラム１４６が上記液相室１４５ａを気相室１４５ｂと仕切るように配設されており、当該タンク１４５は、上記液相室１４５ａ内が上記硫酸水溶液４で満たされ、上記気相室１４５ｂ内が窒素ガス等の緩衝ガス５で満たされている。

前記タンク１４５の前記液相室１４５ａは、ポンプ１４７の受入口に連絡している。このポンプ１４７の送出口は、三方バルブ１４８を介して前記供給ヘッダ１４３Ｂに連結されている。前記回収ヘッダ１４４Ｂは、前記供給ヘッダ１４３Ａに連絡している。前記回収ヘッダ１４４Ａは、前記タンク１４５の前記液相室１４５ａに連結されている。

前記三方バルブ１４８の残りの口は、ガス透過性を有すると共に導電性を有する酸素極及び水素極により、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質体である電解質膜を挟んだセルと、導電性を有すると共に回収路を形成されたセパレータとを交互に複数積層したスタックを備える電気分解装置１５０の原料水受入口１５７ａ（図７参照）に連結されており、当該電気分解装置１５０は、以下のような構造となっている。

図３，８に示すように、本実施形態に係る電気分解装置１５０のセルの固体高分子電解質体である電解質膜１５１は、平板状の陽イオン交換樹脂（例えば、米国デュポン社製「ナフィオン（登録商標）」、旭硝子株式会社製「フレミオン（登録商標）」等）からなり、対向する一組の端部の一方と他方との間を連通して前記硫酸水溶液４を流通させる原料水流通穴１５１ａが、対向する他の組の端部の一方と他方との間にわたって所定の間隔で複数形成されている。

図４Ａ，８に示すように、本実施形態に係る電気分解装置１５０のセルの酸素極１５２は、ガス透過性及び導電性を有する材料からなり、平板状をなすと共に、その周縁端をシール材１５４でシールされて、前記電解質膜１５１の一方の外面に配設される。

図４Ｂ，８に示すように、本実施形態に係る電気分解装置１５０のセルの水素極１５３は、ガス透過性及び導電性を有する材料からなり、平板状をなすと共に、その周縁端をシール材１５４でシールされて、前記電解質膜１５１の他方の外面に配設される。

図５，８〜１０に示すように、本実施形態に係る電気分解装置１５０のセパレータ１５５は、導電性を有する材料からなり、平板状をなすと共に、一方の面の前記セルの酸素極１５２との対接部分に酸素ガス回収路１５５ａが形成され（図５Ａ参照）、他方の面の前記セルの水素極１５３との対接部分に水素ガス回収路１５５ｄが形成されている（図５Ｂ参照）。

前記セパレータ１５５の対向する一組の端部の一方の近傍には、前記セルの電解質膜１５１の前記原料水流通穴１５１ａの一方端と連絡する原料水供給ヘッダ１５５ｇが当該セパレータ１５４の一方面と他方面とを貫通するようにして形成されている。前記セパレータ１５５の対向する一組の端部の他方の近傍には、前記セルの電解質膜１５１の前記原料水流通穴１５１ａの他方端と連通する原料水回収ヘッダ１５５ｈが当該セパレータ１５５の一方面と他方面とを貫通するようにして形成されている。

前記セパレータ１５５の対向する他の組の端部の一方の近傍の前記原料水回収ヘッダ１５５ｈ寄りには、酸素ガス回収ヘッダ１５５ｃが当該セパレータ１５５の一方面と他方面とを貫通するようにして形成されている。前記セパレータ１５５の厚さ方向での内側には、前記酸素ガス回収路１５５ａと上記酸素ガス回収ヘッダ１５５ｃとの間を連通する連通路１５５ｂが形成されている。

前記セパレータ１５５の対向する他の組の端部の他方の近傍の前記原料水回収ヘッダ１５５ｈ寄りには、水素ガス回収ヘッダ１５５ｆが当該セパレータ１５５の一方面と他方面とを貫通するようにして形成されている。前記セパレータ１５５の厚さ方向での内側には、前記水素ガス回収路１５５ｄと上記水素ガス回収ヘッダ１５５ｆとの間を連通する連通路１５５ｅが形成されている。

また、図６，８〜１０に示すように、前記セパレータ１５５と前記セルとを交互に複数積層した当該セパレータ１５５間には、ガスケット１５６がそれぞれ配設されており、当該ガスケット１５６は、前記セルを貫通させる貫通穴１５６ａが形成されると共に、前記セパレータ１５５の前記ヘッダ１５５ｃ，１５５ｆ，１５５ｇ，１５５ｈと連通する連通穴１５６ｂ〜１５６ｅが形成されている。

そして、図１，７に示すように、前記セパレータ１５５と前記セルとを交互に複数積層した積層方向両端側には、積層した当該セパレータ１５５と当該セルとを締め付けるエンドフランジ１５７，１５８がそれぞれ配設されている。一方のエンドフランジ１５７には、前記セパレータ１５５の前記原料水供給ヘッダ１５５ｇと連通する原料水受入口１５７ａが設けられている。他方のエンドフランジ１５８には、前記セパレータ１５５の前記原料水回収ヘッダ１５５ｈと連通する原料水送出口１５８ａと、前記セパレータ１５５の前記酸素ガス回収ヘッダ１５５ｃと連通する酸素ガス送出口１５８ｂと、前記セパレータ１５５の前記水素ガス回収ヘッダ１５５ｆと連通する水素ガス送出口１５８ｃとがそれぞれ設けられている。

前記エンドフランジ１５８の原料水送出口１５８ａは、前記タンク１４５の前記液相室１４５ａに連結されている。前記エンドフランジ１５８の酸素ガス送出口１５８ｂは、酸素ガス補給手段であるポンプ１２４及び逆止弁１２５を介して前記酸素ガスボンベ１２１へ連結されている。前記エンドフランジ１５８の水素ガス送出口１５８ｃは、水素ガス補給手段であるポンプ１３４及び逆止弁１３５を介して前記水素ガスボンベ１３１へ連結されている。

なお、図１中、１５９は、前記電極１５２，１５３間に電気を流す電源である太陽電池である。

このような本実施形態においては、前記除水容器１４１Ａ，１４１Ｂ等により、混合体流通手段を構成し、前記ポンプ１４７、前記三方バルブ１４８等により、水溶液供給手段と原料水供給手段とを兼ねるように構成し、当該水溶液供給手段、前記タンク１４５、前記ダイヤフラム１４６等により、水溶液流通手段を構成している。

次に、本実施形態に係る燃料電池発電システム１００の作動を説明する。

太陽光が照射されない環境のときには、まず、前記ポンプ１４７と前記供給ヘッダ１４３Ｂとの間を連通させるように前記三方バルブ１４８を設定する。そして、前記ポンプ１４７を作動させると、前記タンク１４５の前記液相室１４５ａ内から硫酸水溶液４が送出され、前記供給ヘッダ１４３Ｂを介して前記除水容器１４１Ｂ内の前記除水管１４２Ｂ内を流通して、前記回収ヘッダ１４４Ｂに一旦回収されてから、前記供給ヘッダ１４３Ａに送給され、前記除水容器１４１Ａ内の前記除水管１４２Ａ内を流通して、前記回収ヘッダ１４４Ａに回収された後、上記タンク１４５の上記液相室１４５ａ内に戻されて再貯留される。

他方、前記バルブ１２２を開放して前記酸素ガスボンベ１２１内の酸素ガス１を燃料電池本体１１１の酸化ガス供給口から前記スタックの内部へ供給すると共に、前記バルブ１３２を開放して前記水素ガスボンベ１３１内の水素ガス２を燃料電池本体１１１の燃料ガス供給口から前記スタックの内部へ供給すると、前記酸素ガス１が当該スタックの前記セルの酸化極へ送給されると共に、前記水素ガス２が当該スタックの前記セルの燃料極へ送給されることにより、当該ガス１，２が当該セルで電気化学的に反応して、電気を発生すると共に、水３を生成する。

前記セルで上記電気化学反応に寄与しなかった前記酸素ガス１は、前記セルで上記電気化学反応に伴って生成した上記水３と混合体となって、前記燃料電池本体１１１の前記酸化ガス排出口から前記除水装置１４０の前記除水容器１４１Ａの内部に送給されて、前記除水管１４２Ａの外面（一方側）と接触するように当該除水容器１４１Ａの内部を流通することにより、内部（他方側）に前記硫酸水溶液４を流通させている上記除水管１４２Ａの内側と外側との浸透圧差によって、上記水３が当該除水管１４２Ａの内部に取り込まれて除水される。このとき、上記除水管１４２Ａ内を流通する硫酸水溶液４は、陽イオン交換樹脂を透過できないため、当該除水管１４２Ａ内から漏出することなく当該除水管１４２Ａ内を流通する。

また、前記セルで上記電気化学反応に寄与しなかった前記水素ガス２は、前記セルで上記電気化学反応に伴って生成した上記水３と混合体となって、前記燃料電池本体１１１の前記燃料ガス排出口から前記除水装置１４０の前記除水容器１４１Ｂの内部に送給されて、前記除水管１４２Ｂの外面（一方側）と接触するように当該除水容器１４１Ｂの内部を流通することにより、内部（他方側）に前記硫酸水溶液４を流通させている上記除水管１４２Ｂの内側と外側との浸透圧差によって、上記水３が当該除水管１４２Ｂの内部に取り込まれて除水される。このとき、上記除水管１４２Ｂ内を流通する硫酸水溶液４は、陽イオン交換樹脂を透過できないため、上記除水管１４２Ｂ内から漏出することなく当該除水管１４２Ｂ内を流通する。

前記除水装置１４０の前記除水容器１４１Ａ内を流通することにより上記水３を取り除かれた上記酸素ガス１は、前記ブロア１２３により、当該除水容器１４１Ａから送出されて、前記酸素ガスボンベ１２１内から新たに送給された酸素ガス１と共に前記燃料電池本体１１１の酸化ガス受入口に再び供給されて再利用される。

また、前記除水装置１４０の前記除水容器１４１Ｂ内を流通することにより上記水３を取り除かれた上記水素ガス２は、前記ブロア１３３により、当該除水容器１４１Ｂから送出されて、前記水素ガスボンベ１３１内から新たに送給された水素ガス２と共に前記燃料電池本体１１１の燃料ガス受入口に再び供給されて再利用される。

他方、前記除水管１４２Ａ，１４２Ｂ内を流通して前記水３を取り込んだ前記硫酸水溶液４は、前記タンク１４５の前記液相室１４５ａ内に戻されて再び貯留される。ここで、当該硫酸水溶液４は、上記水３の上記取り込みによって、体積が次第に増加するものの、前記タンク１４５内が前記液相室１４５ａと前記気相室１４５ｂとに前記ダイヤフラム１４６で区分けされていることから、上記気相室１４５ｂの容積を縮小させるように前記緩衝ガス５を圧縮しながら上記液相室１４５ａの容積が体積変化に追従して拡大していくようになるので、気相を内部に取り込むことなく体積増加することができる。

そして、太陽光が照射される環境のときには、前記ポンプ１４７と前記電気分解装置１５０の前記原料水供給口１５７ａとの間を連通させるように前記三方バルブ１４８を設定する。これにより、前記タンク１４５の前記液相室１４５ａ内から送出された硫酸水溶液４が、前記電気分解装置１５０の原料水受入口１５７ａから当該電気分解装置１５０の内部に供給され、前記セパレータ１５５の前記原料水供給ヘッダ１５５ｇ等を介して前記セルの前記電解質膜１５１の前記原料水流通穴１５１ａ内を流通する。

ここで、前記太陽電池１５９から前記セルの前記電極１５２，１５３間に電気が流れることにより、前記電解質膜１５１の前記原料水流通穴１５１ａ内を流通する硫酸水溶液４の水分が電気分解され、前記酸素極１５２から酸素ガス１が発生して、前記セパレータ１５５の酸素ガス回収路１５５ａに捕集されると共に、前記水素極１５３から水素ガス２が発生して、前記セパレータ１５５の水素ガス回収路１５５ｄに捕集される。

このとき、上記電解質膜１５１の上記原料水流通穴１５１ａ内を流通する硫酸水溶液４の硫酸分（硫酸イオン）は、陽イオン交換樹脂を透過できないことから、当該電解質膜１５１から漏出することなく当該原料水流通穴１５１ａ内を流通するので、前記酸素極１５２から発生した酸素ガス１及び前記水素極１５３から発生した水素ガス２は、硫酸水溶液４と混在することなく前記回収路１５５ａ，１５５ｄに捕集される。

前記セパレータ１５５の酸素ガス回収路１５５ａに捕集された酸素ガス１は、前記連通路１５５ｂを介して前記酸素ガス回収ヘッダ１５５ｃに回収され、前記ポンプ１２４の作動により、前記エンドフランジ１５８の前記酸素ガス送出口１５８ｂから送出されて、前記逆止弁１２５を介して前記酸素ガスボンベ１２１内に貯蔵される。

また、前記セパレータ１５５の水素ガス回収路１５５ｄに捕集された水素ガス２は、前記連通路１５５ｅを介して前記水素ガス回収ヘッダ１５５ｆに回収され、前記ポンプ１３４の作動により、前記エンドフランジ１５８の前記水素ガス送出口１５８ｃから送出されて、前記逆止弁１３５を介して前記水素ガスボンベ１３１内に貯蔵される。

他方、前記電解質膜１５１の前記原料水流通穴１５１ａ内を流通した前記硫酸水溶液４は、上記電気分解反応により、水分が消費されて硫酸濃度が高くなった状態で前記セパレータ１５５の前記原料水回収ヘッダ１５５ｈに回収され、前記エンドフランジ１５８の前記原料水送出口１５８ａから送出されて前記タンク１４５の前記液相室１４５ａ内に戻されて再び貯留される。

このとき、上記硫酸水溶液４は、上記電気分解に伴う水分の消費に伴って、体積が減少するものの、先に説明したように、前記タンク１４５内が前記液相室１４５ａと前記気相室１４５ｂとに前記ダイヤフラム１４６で区分けされていることから、上記気相室１４５ｂが容積を拡大させるように前記緩衝ガス５が膨張して上記液相室１４５ａの容積を体積変化に追従させて減少させることができるので、気相を内部に取り込むことなく体積減少することができる。

以下、上述した作動を繰り返すことにより、太陽光が照射される環境のときに、太陽電池１５９によって電力を得ると共に、当該電力を用いて電気分解装置１５０で原料水を電気分解して、酸素ガス１及び水素ガス２を生成させて酸素ガスボンベ１２１及び水素ガスボンベ１３１に一旦貯蔵しておき、太陽光が照射されない環境のときに、酸素ガスボンベ１２１及び水素ガスボンベ１３１内の酸素ガス１及び上記水素ガス２を燃料電池発電本体１１１で原料ガスとして使用することにより、電気を発生させると共に、上記電気化学反応に伴って前記セルで生成した水３を回収してタンク１４５内に貯蔵し、上記酸素ガス１及び上記水素ガス２の原料水として利用することが永続的にできる。

つまり、本実施形態に係る電気分解装置１５０においては、原料水である硫酸水溶液４と混在させることなく前記電極１５２，１５３から前記ガス１，２を発生させることができるようにしたのである。

したがって、本実施形態に係る電気分解装置１５０によれば、無重力空間や微小重力空間であっても、生成した前記ガス１，２と前記液４とを省スペースで簡単に分離して当該ガス１，２を得ることができる。

よって、本実施形態に係る燃料電池発電システム１００においては、前記液４と前記ガス１，２とを遠心分離等のような大掛かりな機構で分離する必要がないので、宇宙空間等のような外部と遮断されてしまう狭小な閉鎖空間であっても、容易に設置することができる。

また、燃料電池本体１１１から排出された前記ガス１，２に混在する水３を前記除水装置１４０によって重力に関係なく取り除くことができることから、無重力空間や微小重力空間であっても、遠心分離等のような大掛かりな機構を適用しなくても前記ガス１，２と前記液２と分離することができるので、さらなる省スペース化を図って、設置スペースの確保の容易化をさらに図ることができる。

また、前記タンク１４５内が前記液相室１４５ａと前記気相室１４５ｂとに前記ダイヤフラム１４６で区分けされていることから、無重力空間や微小重力空間であっても、前記ポンプ１４７が気相を含むことなく硫酸水溶液４のみを送給することができるので、前記ポンプ１４７の吐出性能の低下を防止することができる。

また、太陽光が照射されない環境のときに、前記電気化学反応に伴って前記セルで生成した水３を硫酸水溶液４で回収し、太陽光が照射される環境のときに、電気分解装置１５０で当該硫酸水溶液４を電気分解して酸素ガス１及び水素ガス２を生成させるようにしたことから、硫酸水溶液４の体積及び濃度の調整を積極的に行わなくても結果的に行われるようになるので、当該硫酸水溶液４の原料水及び除水用水溶液としての機能を永続的にメンテナンスフリーで発現させることができる。

［他の実施形態］
なお、前述した実施形態においては、タンク１４５の内部をダイヤフラム１４６によって液相室１４５ａと気相室１４５ｂとに仕切るようにしたが、他の実施形態として、例えば、タンクの内部の液相室を気相と仕切るように当該タンクの内部にピストンを移動可能に設けることや、可撓性を有する材料からなるブラダをタンクの内部に設けて、ブラダの内部を気相室とし、タンクとブラダとの間を液相室とすることも可能である。

また、前述した実施形態においては、前記ポンプ１４７及び前記三方バルブ１４８によって水溶液供給手段と原料水供給手段とを兼ねるようにしたが、他の実施形態として、例えば、水溶液供給手段と原料水供給手段とにそれぞれ別のポンプを適用することにより、水溶液供給手段と原料水供給手段とをそれぞれ独立させるようにすることも可能である。

また、前述した実施形態においては、酸素ガス１中の水３を取り除く前記除水容器１４１Ａと水素ガス２中の水３を取り除く前記除水容器１４１Ｂとに同一のタンク１４５内の硫酸水溶液４を同一のポンプ１４７で供給するようにした除水装置１４０を適用した場合について説明したが、他の実施形態として、例えば、酸素ガス１中の水３を取り除く前記除水容器に供給する硫酸水溶液４を貯留するタンクと、水素ガス２中の水３を取り除く前記除水容器に供給する硫酸水溶液４を貯留するタンクとをそれぞれ個別に設けて、各タンクから各除水容器に個別のポンプによりそれぞれ独立して供給するようにした除水装置を適用することも可能である。

このような場合には、前述した実施形態の場合よりも設置スペースを要してしまうものの、何らかの原因で前記除水管に損傷を生じて漏出を生じてしまったときでも、酸素ガス１と水素ガス２とのクロスリークを生じることがないので、前述した実施形態の場合よりも安全性の確保を容易に実現することができる。

また、前述した実施形態においては、除水管１４２Ａ，１４２Ｂの内部に硫酸水溶液４を供給する一方、除水容器１４１Ａ，１４１Ｂの内部に前記ガス１，２を流通させることにより、当該ガス１，２中の水３を硫酸水溶液４で除去する場合について説明したが、他の実施形態として、例えば、除水管の内部に前記ガス１，２を供給する一方、除水容器の内部に硫酸水溶液４を流通させることにより、当該ガス１，２中の水３を硫酸水溶液４で除去するようにすることも可能である。

また、前述した実施形態においては、原料水及び除水用水溶液として硫酸水溶液４を適用した場合について説明したが、他の実施形態として、例えば、燐酸水溶液や硝酸水溶液や酢酸等のような酸水溶液を始めとした、陽イオンとしてプロトン（Ｈ⁺）を生じる化合物を含有する水溶液であれば、前述した実施形態の場合と同様に原料水及び除水用水溶液として適用することが可能である。

また、前述した実施形態においては、陽イオン交換樹脂からなる除水管１４２Ａ，１４２Ｂ及び電解質膜１５１を適用した場合について説明したが、他の実施形態として、例えば、陰イオン交換樹脂からなる管状の除水管及び電解質膜を適用することも可能である。ただし、この場合には、前記硫酸水溶液４に代えて、水酸化ナトリウム水溶液や水酸化カリウム水溶液等のようなアルカリ水溶液を始めとした、陰イオンとしてヒドロキシイオン（ＯＨ^-）を生じる化合物を含有する水溶液を原料水及び除水用水溶液として適用する必要がある。

また、前述した実施形態においては、隔離体として、管状をなす除水管１４２Ａ，１４２Ｂを適用した場合について説明したが、他の実施形態として、例えば、隔離体として、シート状をなす除水膜を適用し、除水容器の内部を一方側と他方側とに仕切るように当該除水膜を配設し、前記ガス１，２に水３が混在する混合体を当該除水膜の一方側の面に接触させるように上記除水容器の一方側に流通させ、除水用水溶液を上記除水膜の他方側の面に接触させるように上記除水容器の他方側に流通させることにより、上記混合体から水３を取り除くことも可能である。

しかしながら、前述した実施形態のように、隔離体として、管状をなす除水管１４２Ａ，１４２Ｂを適用すると、シート状をなす除水膜を適用した場合よりも表面積を大きくして省スペース化を図ることができるので、非常に好ましい。

また、前述した実施形態においては、燃料電池本体１１１から排出された酸素ガス１及び水素ガス２の両方から水３を取り除く除水装置１４０を備えた燃料電池発電システム１００の場合について説明したが、本発明はこれに限らず、他の実施形態として、例えば、燃料電池本体１１１から排出された酸素ガス１及び水素ガス２のいずれか一方だけから水３を分離する燃料電池発電システムの場合には、酸素ガス１の排出系統及び水素ガス２の排出系統のいずれか一方にだけ除水装置を適用することも可能である。このとき、水素ガス２の排出系統よりも酸素ガス１の排出系統の方が水３を多く排出するため、酸素ガス１の排出系統に設ける方が好ましい。

また、前述した実施形態においては、宇宙空間等のような外部と遮断されてしまう狭小で無重力又は微小重力の閉鎖空間で利用する燃料電池発電システム１００の場合について説明したが、本発明はこれに限らず、他の実施形態として、例えば、車両に搭載する移動用の燃料電池発電システムや、家庭等に設置する定置用の燃料電池発電システムであっても、前述した各実施形態の場合と同様にして適用することも可能である。なお、このような場合には、前述した各実施形態におけるダイヤフラム１４６等のような液相室を気相と仕切るようにタンク１４５に設ける液相室変量手段を省略することが可能となる。

また、前述した実施形態においては、電気分解装置１５０を燃料電池発電システム１００に適用した場合について説明したが、本発明はこれに限らず、原料水を電気分解して酸素ガスと水素ガスとを発生させる電気分解装置であれば、前述した実施形態の場合と同様にして適用することが可能である。

本発明に係る電気分解装置及びこれを利用する燃料電池発電システムは、前記ガスに原料水を混在させることなく当該ガスを生成させることができ、生成した前記ガスと原料水とを省スペースで簡単に分離して当該ガスを得ることができるので、産業上、極めて有益に利用することができる。

本発明に係る燃料電池発電システムを宇宙空間等のような外部と遮断されてしまう狭小な閉鎖空間で利用する場合の主な実施形態の概略構成図である。 図１の除水装置の要部の概略構成図である。 図１の電気分解装置の電解質膜の概略構造図である。 図１の電気分解装置の電極及びシール材の概略構造図である。 図１の電気分解装置のセパレータの概略構造図である。 図１の電気分解装置のガスケットの概略構造図である。 図１の電気分解装置のエンドフランジの概略構造図である。 図６のVIII−VIII線断面矢線視による図１の電気分解装置の要部の概略構造図である。 図６のIX−IX線断面矢線視による図１の電気分解装置の要部の概略構造図である。 図６のＸ−Ｘ線断面矢線視による図１の電気分解装置の要部の概略構造図である。

符号の説明

１ 酸素ガス
２ 水素ガス
３ 水
４ 硫酸水溶液
５ 緩衝ガス
１００ 燃料電池発電システム
１１１ 燃料電池本体
１２１ 酸素ガスボンベ
１２２ バルブ
１２３ ブロア
１２４ ポンプ
１２５ 逆止弁
１３１ 水素ガスボンベ
１３２ バルブ
１３３ ブロア
１３４ ポンプ
１３５ 逆止弁
１４０ 除水装置
１４１Ａ，１４１Ｂ 除水容器
１４２Ａ，１４２Ｂ 除水管
１４３Ａ，１４３Ｂ 供給ヘッダ
１４４Ａ，１４４Ｂ 回収ヘッダ
１４５ タンク
１４５ａ 液相室
１４５ｂ 気相室
１４６ ダイヤフラム
１４７ ポンプ
１４８ 三方バルブ
１５０ 電気分解装置
１５１ 電解質膜
１５１ａ 原料水流通穴
１５２ 酸素極
１５３ 水素極
１５４ シール材
１５５ セパレータ
１５５ａ 酸素ガス回収路
１５５ｂ 連通路
１５５ｃ 酸素ガス回収ヘッダ
１５５ｄ 水素ガス回収路
１５５ｅ 連通路
１５５ｆ 水素ガス回収ヘッダ
１５５ｇ 原料水供給ヘッダ
１５５ｈ 原料水回収ヘッダ
１５６ ガスケット
１５６ａ 貫通穴
１５６ｂ〜１５６ｅ 連通穴
１５７ エンドフランジ
１５７ａ 原料水受入口
１５８ エンドフランジ
１５８ａ 原料水送出口
１５８ｂ 酸素ガス送出口
１５８ｃ 水素ガス送出口
１５９ 太陽電池

Claims (9)

1. 原料水を電気分解して酸素ガスと水素ガスとを発生させる電気分解装置であって、
   前記原料水を流通させる原料水流通穴を内部に形成された陽イオン交換樹脂又は陰イオン交換樹脂からなる固体高分子電解質体と、
   前記固体高分子電解質体の一方の外面に配設されてガス透過性及び導電性を有する酸素極と、
   前記固体高分子電解質体の他方の外面に配設されてガス透過性及び導電性を有する水素極と、
   前記酸素極と前記水素極との間に電気を流す電源と
   を備え、
   前記固体高分子電解質体が陽イオン交換樹脂からなるとき、前記原料水が、陽イオンとしてプロトンを生じる化合物を含有するものであり、
   前記固体高分子電解質体が陰イオン交換樹脂からなるとき、前記原料水が、陰イオンとしてヒドロキシイオンを生じる化合物を含有するものである
   ことを特徴とする電気分解装置。
2. 請求項１に記載の電気分解装置において、
   前記原料水が、酸水溶液又はアルカリ水溶液である
   ことを特徴とする電気分解装置。
3. 酸素ガスと水素ガスとを電気化学的に反応させて電気を発生させる燃料電池本体と、
   前記燃料電池本体へ前記酸素ガスを供給する酸素ガス供給手段と、
   前記燃料電池本体へ前記水素ガスを供給する水素ガス供給手段と
   を備えている燃料電池発電システムにおいて、
   請求項１又は請求項２に記載の電気分解装置と、
   前記電気分解装置で生成した前記酸素ガスを前記酸素ガス供給手段へ供給する酸素ガス補給手段と、
   前記電気分解装置で生成した前記水素ガスを前記水素ガス供給手段へ供給する水素ガス補給手段と
   を備えていることを特徴とする燃料電池発電システム。
4. 請求項３に記載の燃料電池発電システムにおいて、
   前記原料水を貯留するタンクと、
   前記タンク内の前記原料水を前記電気分解装置の前記固体高分子電解質体の前記原料水流通穴に流通させると共に、当該固体高分子電解質体の当該原料水流通穴を流通した前記原料水を当該タンク内に戻す原料水供給手段と
   を備えていることを特徴とする燃料電池発電システム。
5. 請求項４に記載の燃料電池発電システムにおいて、
   前記原料水を貯留する液相室を気相と仕切るように前記タンクに設けられて当該原料水の体積変化に追従して当該液相室の容積を変量させる液相室変量手段を備えている
   ことを特徴とする燃料電池発電システム。
6. 請求項５に記載の燃料電池発電システムにおいて、
   前記液相室変量手段が、前記タンク内に移動可能に設けられたピストン、又は、可撓性を有する材料からなるダイヤフラム若しくはブラダである
   ことを特徴とする燃料電池発電システム。
7. 請求項３から請求項６のいずれか一つの請求項に記載の燃料電池発電システムにおいて、
   前記燃料電池本体から排出されて水が混在する前記酸素ガスの混合体及び前記燃料電池本体から排出されて水が混在する前記水素ガスの混合体の少なくとも一方の当該混合体から当該水を取り除く除水装置を備え、
   前記除水装置が、
   陽イオン交換樹脂又は陰イオン交換樹脂からなる隔離体と、
   前記隔離体の一方側に前記混合体を接触させるように流通させる混合体流通手段と、
   前記隔離体の他方側に除水用水溶液を接触させるように流通させる水溶液流通手段と
   を備え、
   前記電気分解装置の前記固体高分子電解質体が陽イオン交換樹脂からなるとき、前記除水装置の前記隔離体も陽イオン交換樹脂からなり、
   前記電気分解装置の前記固体高分子電解質体が陰イオン交換樹脂からなるとき、前記除水装置の前記隔離体も陰イオン交換樹脂からなり、
   前記除水装置の前記除水用水溶液が前記電気分解装置の前記原料水である
   ことを特徴とする燃料電池発電システム。
8. 請求項７に記載の燃料電池発電システムにおいて、
   前記燃料電池本体から排出されて前記除水装置で水を取り除かれた前記酸素ガスを前記酸素ガス供給手段からの前記酸素ガスと共に当該燃料電池本体に供給する酸素ガス再利用手段を備えている
   ことを特徴とする燃料電池発電システム。
9. 請求項７又は請求項８に記載の燃料電池発電システムにおいて、
   前記燃料電池本体から排出されて前記除水装置で水を取り除かれた前記水素ガスを前記水素ガス供給手段からの前記水素ガスと共に当該燃料電池本体に供給する水素ガス再利用手段を備えている
   ことを特徴とする燃料電池発電システム。

Images