JP6544628B2 - 水の電気分解装置 - Google Patents

Description

本発明は、家庭用水素ステーションに適用可能な水の電気分解装置に関する。

最近、家庭用電源として定置型燃料電池を設置するケースが増えており、また燃料電池自動車の実用化も図られている。これらの燃料電池は水素ガスを燃料としていることから、家庭で水素ガスを製造・貯蔵する装置への関心が高まっている。

特許文献１には、以下の発明が記載されている。
１．含水素燃料を改質して改質ガスを得る改質装置と、前記改質ガスから不要物を除去して高純度の水素ガスを精製する水素精製装置と、前記水素ガスを貯蔵するとともに、定置型燃料電池に前記水素ガスを供給するための第１水素貯蔵装置と、前記水素ガスを貯蔵するとともに、燃料電池車両に前記水素ガスを供給するための第２水素貯蔵装置と、前記水素ガスの供給先を前記第１水素貯蔵部と前記第２水素貯蔵部とに切り替え制御する制御装置と、を備えることを特徴とする水素ガス製造発電システム。
２．含水素燃料を改質して改質ガスを得る改質装置と、前記改質ガスから不要物を除去して高純度の水素ガスを精製する水素精製装置と、前記水素ガスを貯蔵するとともに、定置型燃料電池に前記水素ガスを供給するための第１水素貯蔵装置と、前記水素ガスを貯蔵するとともに、燃料電池車両に前記水素ガスを供給するための第２水素貯蔵装置とを備える水素ガス製造発電システムの運転方法であって、前記水素精製装置で精製される前記水素ガスの濃度を検出する工程と、前記検出された水素濃度が所定値未満である際に、前記第１水素貯蔵装置に前記水素ガスを供給する工程と、前記検出された水素濃度が所定値以上である際に、前記第２水素貯蔵装置に前記水素ガスを供給する工程と、を有することを特徴とする水素ガス製造発電システムの運転方法。

特開２００５−２９３９５９号公報

燃料電池自動車には、一回の水素ガス補給で走行できる距離を確保するために水素ガスを高圧で充填する高圧タンクが設けられている。水素ガスは消費されることから、この高圧タンクに水素ガスを供給する手段も必要であり、自前で水素ガスを製造可能な水の電気分解装置を用いることが好ましい。水の電気分解装置では、通常、酸性水溶液、アルカリ性水溶液、又は中性水溶液を用いるが、電気分解されるのは水であるので、一般の家庭で手軽に補給することができる。

しかし、家庭用水素ステーションを一般家庭（特に離島や山村）で設置することは、設備費用や規模の面において難しく、そのための水の電気分解装置の開発も遅れているのが現状である。

そこで、本発明は、家庭用水素ステーションに適用可能な水の電気分解装置を提供することを目的とする。

本発明は、水を電気分解する装置であって、
内部に水が投入される円筒状の圧力タンクと、
前記圧力タンクの上から見て中心から外壁に向かって放射状に配置され、各容積が同一となるように前記圧力タンクの内部を仕切る複数の板状仕切りと、
前記圧力タンクの上から見て同心円状に配置され、その外側：内側の容積が２：１となるように前記圧力タンクの内部を仕切る円筒状仕切りと、
前記円筒状仕切りの外側であって、前記板状仕切りで仕切られた各空間にそれぞれ配置された複数の−電極と、
前記円筒状仕切りの内側であって、前記板状仕切りで仕切られた各空間にそれぞれ配置された複数の＋電極と、
前記−電極から発生した水素ガスの出口として設けられた水素ガス用オリフィスと、
前記＋電極から発生した酸素ガスの出口として設けられた酸素ガス用オリフィスと、
前記水素ガス用オリフィスを通過した水素ガスを排出する水素ガス用圧力調整バルブと、
前記酸素ガス用オリフィスを通過した酸素ガスを排出する酸素ガス用圧力調整バルブと
を有する水の電気分解装置である。

本発明によれば、家庭用水素ステーションに適用可能な水の電気分解装置を提供することができる。

本発明に係る水の電気分解装置の構成例を示すＡＡ線断面図である。 本発明に係る水の電気分解装置の構成例を示すＢＢ線断面図である。 図１の装置において水素ガスと酸素ガスに圧力差が生じた状態を示すＡＡ線断面図である。

本発明は、水を電気分解する装置である。水の電気分解装置では、通常、酸性水溶液、アルカリ性水溶液、又は中性水溶液を用いるが、なかでもアルカリ性水溶液を用いることが好ましい。以下、アルカリ性水溶液を用いた水の電気分解装置として説明する。

図１及び図２に、本発明に係る水の電気分解装置の構成例を示す。この水の電気分解装置は、筐体１及び上蓋２からなる圧力タンクと、その中に配置された−電極１０ａ及び＋電極１０ｂとを有する。そして、アルカリ性水溶液を圧力タンクの内部に存在させた状態で−電極１０ａ及び＋電極１０ｂを通電することで、水を電気分解することができる。

圧力タンクの筐体１内は、図２に示すように、圧力タンクの上から見て中心から外壁に向かって放射状に配置された複数の板状仕切り１１により、各容積が同一となるように仕切られている。板状仕切り１１の枚数は、適宜設定することができるが、４〜１２枚とすることが好ましく、６〜１０枚とすることがより好ましく、例えば図２に示すように８枚とすることができる。

圧力タンクの筐体１内は、図２に示すように、圧力タンクの上から見て同心円状に円筒状仕切り１２が配置される。この仕切りにより、圧力タンクの筐体１内は、水の電気分解により水素ガスが発生する−電極１０ａ側と、酸素ガスが発生する＋電極１０ｂ側に分離することができる。円筒状仕切り１２を配置する位置は、円筒状仕切り１２の外側：内側の容積が２：１となる位置とする。こうすることで、円筒状仕切り１２の外側：内側の容積が、発生する水素ガスと酸素ガスの体積比と同一になり、理論上は、円筒状仕切り１２の外側と内側のガス圧力が同一となり、水位も同一となる。

そして、板状仕切り１１及び円筒状仕切り１２で仕切られた各空間に、電極が配置される。具体的には、−電極１０ａは、円筒状仕切り１２の外側で、かつ板状仕切り１１で仕切られた各空間に配置され、＋電極１０ｂは、円筒状仕切り１２の内側で、かつ板状仕切り１１で仕切られた各空間に配置される。

板状仕切り１１及び円筒状仕切り１２は、内部を仕切ることができる材料で形成されていればよいが、水の電気分解を行うことから、少なくとも−電極１０ａと＋電極１０ｂに挟まれた位置に存在する円筒状仕切り１２は、多孔質状の隔膜１３で形成されていることが好ましい。

−電極１０ａ及び＋電極１０ｂは、圧力タンクの筐体１の内部に水平に設置された基板３０に固定されており、基板３０は、保持棒を介して上蓋１に連結されていることが好ましい。保持棒は１種類でも構わないが、−電極用保持棒３１ａと＋電極用保持棒３１ｂに分けられていることが好ましい。こうすることで、−電極用保持棒３１ａと＋電極用保持棒３１ｂを各電極への配線としても使用することができ、外部からの電力を受電する受電端子（不図示）を経て、−電極１０ａ及び＋電極１０ｂに電力を供給することができる。また、同一極の電極間の板状仕切り１１の保持にも使用することができる。保持棒の数は、適宜設定することができるが、−電極１０ａと同数の−電極用保持棒３１ａ、及び＋電極１０ｂと同数の＋電極用保持棒３１ｂを用いることで、一対一対応させることができる。

図１に示すように、−電極１０ａ及び＋電極１０ｂが固定された基板３０が、圧力タンクの筐体１の内部に多段状に配置されていることが好ましい。こうすることで、圧力タンクの内径を小さくすることができる。この場合、基板３０には、下方の−電極１０ａ及び＋電極１０ｂから発生する水素ガス及び酸素ガスが通過するための隙間が設けられていることが好ましい。さらに、下方の−電極１０ａ及び＋電極１０ｂから発生する水素ガス及び酸素ガスを、基板に設けられた隙間に導くガイド３２が設けられていることが好ましい。なお、ガイド３２には、基板を保持する役割を持たせることもできる。

圧力タンクの筐体１には、圧力タンクの内部を加熱する加熱設備５が設けられていることが好ましい。こうすることで、圧力タンクの内部に存在するアルカリ性水溶液を一定温度にコントロールすることができ、またアルカリ性水溶液を対流させることができる。

圧力タンクの筐体１には、圧力タンクの内部に水を補給する水補給口３が設けられていることが好ましい。こうすることで、圧力タンク内で水の電気分解を行うことで減少する水を補給することができる。なお、酸性水溶液、アルカリ性水溶液、及び中性水溶液のいずれを用いた場合でも、電気分解されるのは水であるので、一般の家庭で手軽に補給することができる。

また、圧力タンクの筐体１の内部に存在する水の量を検知し、所定の量まで水が減った段階で圧力タンクの内部に水を自動的に補給する機構を有することが好ましい。例えば、圧力タンクの総重量をリアルタイムで測定し、水の減少量が限界ライン（−電極１０ａ及び＋電極１０ｂが露出してしまう直前）に達した場合に、定量の水を補給する機構とすることができる。

−電極１０ａから発生した水素ガスの出口として、水素ガス用オリフィス２１ａが設けられていて、さらに水素ガス用オリフィス２１ａを通過した水素ガスを排出する水素ガス用圧力調整バルブ２２ａが設けられている。そして、水素ガス用圧力調整バルブ２２ａが閉まっている状態で水素ガスが溜まっていき、水素ガスの圧力が設定圧力に達したときに水素ガス用圧力調整バルブ２２ａが開いて水素ガス分離槽２０ａに導かれて、水素ガスと水に分離される。一方、＋電極１０ｂから発生した酸素ガスの出口として、酸素ガス用オリフィス２１ｂが設けられていて、さらに酸素ガス用オリフィス２１ｂを通過した酸素ガスを排出する酸素ガス用圧力調整バルブ２２ｂが設けられている。そして、酸素ガス用圧力調整バルブ２２ｂが閉まっている状態で酸素ガスが溜まっていき、酸素ガスの圧力が設定圧力に達したときに酸素ガス用圧力調整バルブ２２ｂが開いて酸素ガス分離槽２０ｂに導かれて、酸素ガスと水に分離される。水素ガス及び酸素ガスは、通常３０気圧、最高圧５０気圧まで加圧できるようにすることが好ましい。

圧力タンク内に溜まった水素ガスと酸素ガスに圧力差が生じた場合、それぞれのアルカリ性水溶液の液面に段差が生じ、圧力が低い側のアルカリ性水溶液の液面が上昇してオリフィスに達することも考えられる。例えば、水素ガスの圧力が高くなってしまった場合の状態を図３に示す。しかし、オリフィスは気体を通過させるが液体を通過させないことから、液面が上昇した領域のガス（図３では酸素ガス）の圧力が結果的に高まり、液面が下降した領域に溜まったガス（図３では水素ガス）を押して液面の下降を止めることできる。その結果として、異常な液面に段差による電極露出などを防止することができる。

さらに、本発明では、水素ガスが溜まる領域の圧力を逃がす水素ガス領域用安全弁２３ａと、酸素ガスが溜まる領域の圧力を逃がす酸素ガス領域用安全弁２３ｂとを設けることが好ましい。こうすることで、何らかの異常により内部のガス圧力が高圧になった場合に、各々の領域に設けられた安全弁が開放して、送電をシャットダウンして稼働を停止することができる。

水素ガス用オリフィス２１ａ、酸素ガス用オリフィス２１ｂ、水素ガス用圧力調整バルブ２２ａ、酸素ガス用圧力調整バルブ２２ｂ、水素ガス用安全弁２３ａ、及び酸素ガス用安全弁２３ｂは、圧力タンクの上蓋２に設けられていることが好ましい。さらに、−電極１０ａ及び＋電極１０ｂが固定された基板３０も上蓋１に連結されていることで、全ての部品が圧力タンクの上蓋２にユニット化して取り付けられていることになり、修理や寿命による交換が容易となる。

なお、アルカリ性水溶液、水素ガス、及び酸素ガスが接する表面は、いずれも絶縁処理されていることが好ましい。

本発明に係る水の電気分解装置には、太陽光発電装置など自然エネルギーを使った発電装置が接続され、例えば圧力タンクの上蓋２に設けられた受電端子で受電して各電極に送電可能とすることが好ましい。こうすることで、住宅の屋根等に設置された太陽光パネルに照射された太陽の光エネルギーを利用して、家庭でも水を電気分解することができる。太陽光発電装置の発電能力は、例えば３〜４ｋＷ程度で運転することができる。夜間・雨天等で太陽光エネルギーの不足している場合には、効率等を考えて通電する電極を限定し、少量の水素ガス及び酸素ガスを製造することもできる。

以上のような本発明によれば、家庭用水素ステーションに適用可能な小型かつ高圧な水の電気分解装置（水素発生装置）を提供することができ、また、家庭でも容易に水素ガス及び酸素ガスの製造が可能となることから、水素ガス及び酸素ガスの利用方法を研究することができる場を提供することもできる。本発明の主な狙いは、燃料電池自動車（ＦＣＶ車）への水素の補給、及び地方創生のための水素・酸素の活用であり、その活用は、（１）健康社会の実現、（２）野菜・花・果物等の栽培、（３）養殖・畜産など多彩な目的が考えられ、その必要性は充分にある。

１ 筐体
２ 上蓋
３ 水補給口
５ 加熱設備
１０ａ −電極
１０ｂ ＋電極
１１ 板状仕切り
１２ 円筒状仕切り
１３ 隔膜
２０ａ 水素ガス分離槽
２０ｂ 酸素ガス分離槽
２１ａ 水素ガス用オリフィス
２１ｂ 酸素ガス用オリフィス
２２ａ 水素ガス用圧力調整バルブ
２２ｂ 酸素ガス用圧力調整バルブ
２３ａ 水素ガス領域用安全弁
２３ｂ 酸素ガス領域用安全弁
３０ 基板
３１ａ −電極用保持棒
３１ｂ ＋電極用保持棒
３２ ガイド

Claims (8)

1. 水を電気分解する装置であって、
   内部に水が投入される円筒状の圧力タンクと、
   前記圧力タンクの上から見て中心から外壁に向かって放射状に配置され、各容積が同一となるように前記圧力タンクの内部を仕切る複数の板状仕切りと、
   前記圧力タンクの上から見て同心円状に配置され、その外側：内側の容積が２：１となるように前記圧力タンクの内部を仕切る円筒状仕切りと、
   前記円筒状仕切りの外側であって、前記板状仕切りで仕切られた各空間にそれぞれ配置された複数の−電極と、
   前記円筒状仕切りの内側であって、前記板状仕切りで仕切られた各空間にそれぞれ配置された複数の＋電極と、
   前記−電極から発生した水素ガスの出口として設けられた水素ガス用オリフィスと、
   前記＋電極から発生した酸素ガスの出口として設けられた酸素ガス用オリフィスと、
   前記水素ガス用オリフィスを通過した水素ガスを排出する水素ガス用圧力調整バルブと、
   前記酸素ガス用オリフィスを通過した酸素ガスを排出する酸素ガス用圧力調整バルブと
   を有する水の電気分解装置。
2. さらに、
   前記水素ガスが溜まる領域の圧力を逃がす水素ガス領域用安全弁と、
   前記酸素ガスが溜まる領域の圧力を逃がす酸素ガス領域用安全弁と
   を有する請求項１に記載の水の電気分解装置。
3. 前記水素ガス用オリフィス、前記酸素ガス用オリフィス、前記水素ガス用圧力調整バルブ、前記酸素ガス用圧力調整バルブ、前記水素ガス用安全弁、及び前記酸素ガス用安全弁が、前記圧力タンクの上蓋に設けられている請求項２に記載の水の電気分解装置。
4. 複数の−電極及び複数の＋電極が前記圧力タンクの内部に水平に設置された基板上に固定されており、前記基板は保持棒を介して前記上蓋に連結されている請求項３に記載の水の電気分解装置。
5. 複数の−電極及び複数の＋電極が固定された基板が、前記圧力タンクの内部に多段状に配置されている請求項４に記載の水の電気分解装置。
6. 前記圧力タンクの周囲には、前記圧力タンクの内部を加熱する加熱設備が設けられている請求項１〜５のいずれか１項に記載の水の電気分解装置。
7. 前記圧力タンクには、前記圧力タンクの内部に水を補給する水補給口が設けられている請求項１〜６のいずれか１項に記載の水の電気分解装置。
8. 前記圧力タンクの内部に存在する水の量を検知し、所定の量まで水が減った段階で前記圧力タンクの内部に水を補給する機構を有する請求項７に記載の水の電気分解装置。

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