JP2012180554A

JP2012180554A - 高圧水素製造装置

Info

Publication number: JP2012180554A
Application number: JP2011043510A
Authority: JP
Inventors: Jun Takeuchi; 淳武内; Kenji Taruie; 憲司樽家
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2011-03-01
Filing date: 2011-03-01
Publication date: 2012-09-20
Also published as: US20120222955A1; US8658008B2

Abstract

【課題】部品点数を削減するとともに、一層の小型化及び簡素化を図ることを可能にする。
【解決手段】高圧水素製造装置１２は、複数の第１単位セル２２ａが重力方向に積層される第１セルユニット２４ａと、前記第１セルユニット２４ａの重力方向下端部に連結され、複数の第２単位セル２２ｂが前記重力方向に積層される第２セルユニット２４ｂとを備える。第１単位セル２２ａは、固体高分子電解質膜４８の一方の面側に設けられるアノード電極触媒層５０ａ及びアノード側給電体５０と、前記固体高分子電解質膜４８の他方の面側に設けられるカソード電極触媒層５２ａ及びカソード側給電体５２とを有し、水を電気分解する水電解セルである。第２単位セル２２ｂは、固体高分子電解質膜４８の一方の面側に設けられるアノード側給電体５０と、前記固体高分子電解質膜４８の他方の面側に設けられるカソード側給電体５２とを有し、カソード側の水分をアノード側に透過させる水透過セルである。
【選択図】図２

Description

本発明は、アノード側に供給される水を電気分解して前記アノード側に酸素を発生させる一方、カソード側に前記酸素よりも高圧な水素を発生させる高圧水素製造装置に関する。

一般的に、燃料電池の発電反応に使用される燃料ガスとして、水素が使用されている。この水素は、例えば、水電解装置により製造されている。水電解装置は、水を分解して水素（及び酸素）を発生させるため、固体高分子電解質膜（イオン交換膜）を用いている。固体高分子電解質膜の両面には、電極触媒層が設けられて電解質膜・電極構造体が構成されるとともに、前記電解質膜・電極構造体の両側には、給電体を配設して単位セルが構成されている。

そこで、複数の単位セルが積層されたセルユニットには、積層方向両端に電圧が付与されるとともに、アノード側の給電体に水が供給される。このため、電解質膜・電極構造体のアノード側では、水が分解されて水素イオン（プロトン）が生成され、この水素イオンが固体高分子電解質膜を透過してカソード側に移動し、電子と結合して水素が製造される。一方、アノード側では、水素と共に生成された酸素が、余剰の水を伴ってセルユニットから排出される。

上記の水電解装置では、水分を含んだ水素が製造されており、乾燥状態、例えば、５ｐｐｍ以下の水素（以下、ドライ水素ともいう）を得るために、前記水素から水分を除去する必要がある。

その際、カソード側に酸素よりも高圧（例えば、１ＭＰａ以上）の水素が得られる高圧水素製造装置では、高圧水素から水分を除去するための気液分離装置が大型化するという問題がある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている気液分離装置が知られている。この気液分離装置は、水分を含む高圧水素ガスを導入して、重力により高圧水素ガスと水とに分離する耐圧容器と、該耐圧容器内の水位を検出する水位検出手段と、該水位検出手段により検出される該耐圧容器内の水位が第１の所定の水位以上であるときに、該耐圧容器内の水位が第１の所定の水位より高い第２の所定の水位に上昇するまで、該耐圧容器から高圧水素ガスを取り出す水素取出手段と、該水位検出手段により検出される該耐圧容器内の水位が第１の所定の水位より高い第２の所定の水位に達したときに、該耐圧容器内の水位が第１の所定の水位に低下するまで、該耐圧容器から水を排出する排水手段とを備えている。

そして、水素取出手段は、耐圧容器の高圧水素ガスが貯留される領域に接続された第１の導管と、該第１の導管に設けられ、第１の所定の圧力以上で開弁する第１の背圧弁と、該第１の導管の第１の背圧弁の下流側に設けられ、該水位検出手段により検出される該耐圧容器内の水位が第１の所定の水位となったときに開弁し、該耐圧容器内の水位が第２の所定の水位に達したときに閉弁する電磁弁とを備え、該排水手段は、該耐圧容器の水が貯留される領域に接続された第２の導管と、該第２の導管に設けられ、第１の所定の圧力よりも高い第２の所定の圧力以上で開弁する第２の背圧弁とを備えている。

これにより、高圧水素ガスから気液分離された水を、大型の装置を用いることなく、減圧して緩やかに排出することが可能になっている。

特開２００６−３４７７７９号公報

本発明は、この種の気液分離装置に関連してなされたものであり、部品点数を削減するとともに、一層の小型化及び簡素化を図ることが可能な高圧水素製造装置を提供することを目的とする。

本発明は、アノード側に供給される水を電気分解して前記アノード側に酸素を発生させる一方、カソード側に前記酸素よりも高圧な水素を発生させる高圧水素製造装置に関するものである。

この高圧水素製造装置は、複数の第１単位セルが重力方向に積層される第１セルユニットと、前記第１セルユニットの重力方向下端部に連結され、複数の第２単位セルが前記重力方向に積層される第２セルユニットとを備えている。

そして、第１単位セルは、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面側に設けられるアノード側電極触媒層及びアノード側給電体と、前記電解質膜の他方の面側に設けられるカソード側電極触媒層及びカソード側給電体とを有し、水を電気分解する水電解セルである。

一方、第２単位セルは、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面側に設けられるアノード側給電体と、前記電解質膜の他方の面側に設けられるカソード側給電体とを有し、カソード側の水分をアノード側に透過させる水透過セルである。

また、この高圧水素製造装置は、第１セルユニット及び第２セルユニットを積層方向に一体に貫通し、水を供給する水供給連通孔と、前記第１セルユニット及び前記第２セルユニットを前記積層方向に一体に貫通し、反応により生成された酸素及び使用済みの水を排出するための酸素排出連通孔と、前記第１セルユニット及び前記第２セルユニットを前記積層方向に一体に貫通し、反応により生成された水素を排出するための水素排出連通孔とを備えることが好ましい。

本発明によれば、第２セルユニットは、アノード側電極触媒層及びカソード側電極触媒層を設けないため、水電解機能を有することがない。このため、第２セルユニットは、高圧側であるカソード側に生成される高圧水素に含まれる水分を、低圧側であるアノード側に透過させる水透過セルとして機能することができる。

従って、電解質膜により高圧水を低圧側に透過させて前記高圧水を良好に排出することが可能になり、該高圧水を排出させるための大型設備が不要になる。しかも、第２セルユニットは、水電解セルである第１セルユニットと同様に構成されており、前記第１セルユニットに容易に連結することができる。

これにより、部品点数を有効に削減するとともに、装置全体を一層小型化及び簡素化することが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る水電解システムの概略構成説明図である。前記水電解システムを構成する高圧水素製造装置の断面説明図である。水透過量と温度との関係説明図である。前記水透過量及び前記温度と電解電流との関係説明図である。本発明の第２の実施形態に係る水電解システムの概略構成説明図である。

図１に示すように、水電解システム１０は、水（純水）を電気分解することによって、酸素及び高圧水素（常圧である酸素圧力よりも高圧、例えば、１ＭＰａ〜７０ＭＰａの水素）を製造するための本発明の第１の実施形態に係る高圧水素製造装置１２を備える。

高圧水素製造装置１２のアノード側には、前記高圧水素製造装置１２から排出される酸素及び余剰の水を分離し、前記水を貯留する気液分離器１４と、前記気液分離器１４に貯留される前記水を、前記高圧水素製造装置１２に循環させる水循環装置１６と、前記気液分離器１４に市水から生成された純水を供給する水供給装置１８とが設けられる。

高圧水素製造装置１２のカソード側には、前記高圧水素製造装置１２から高圧水素が導出される高圧水素配管２０が設けられるとともに、前記高圧水素配管２０には、例えば、図示しない水素充填ノズルが取り付けされる。この水素充填ノズルは、燃料電池電気自動車（図示せず）の燃料充填部に着脱され、燃料ガスとして水素の充填を行う。水電解システム１０は、システム全体の制御を行うコントローラ２１を備える。

高圧水素製造装置１２は、複数の第１単位セル２２ａが重力方向（矢印Ａ方向）に積層される第１セルユニット２４ａと、前記第１セルユニット２４ａの重力方向下端部に連結され、複数の第２単位セル２２ｂが前記重力方向に積層される第２セルユニット２４ｂとを備える。

第１セルユニット２４ａの積層方向上端には、ターミナルプレート２６ａ、絶縁プレート２８ａ及びエンドプレート３０ａが、順次、配設される。第１セルユニット２４ａの積層方向下端には、同様にターミナルプレート２６ｂ、絶縁プレート２８ｂ及び第２セルユニット２４ｂが、順次、配設されるとともに、前記第２セルユニット２４ｂの積層方向下端には、エンドプレート３０ｂが配設される。エンドプレート３０ａ、３０ｂ間には、例えば、矢印Ａ方向に延在する複数のタイロッド（図示せず）を介して締め付け荷重が付与されてもよく、又は、前記エンドプレート３０ａ、３０ｂを端板として含む箱状ケーシングにより一体的に保持してもよい。

ターミナルプレート２６ａ、２６ｂの側部には、端子部３４ａ、３４ｂが外方に突出して設けられる。端子部３４ａ、３４ｂは、配線３６ａ、３６ｂを介して電解電源３８に電気的に接続される。

図２に示すように、第１単位セル２２ａは、円盤状の電解質膜・電極構造体４２と、この電解質膜・電極構造体４２を挟持するアノード側セパレータ４４及びカソード側セパレータ４６とを備える。

アノード側セパレータ４４及びカソード側セパレータ４６は、円盤状を有するとともに、例えば、カーボン部材等で構成され、又は、鋼板、ステンレス鋼板、チタン板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板をプレス成形して、あるいは切削加工した後に防食用の表面処理を施して構成される。

電解質膜・電極構造体４２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜４８と、前記固体高分子電解質膜４８の両側に配設されるアノード側給電体５０及びカソード側給電体５２とを備える。

固体高分子電解質膜４８の両面には、アノード電極触媒層５０ａ及びカソード電極触媒層５２ａが形成される。アノード電極触媒層５０ａは、例えば、Ｒｕ（ルテニウム）系触媒を使用する一方、カソード電極触媒層５２ａは、例えば、白金触媒を使用する。

アノード側給電体５０及びカソード側給電体５２は、例えば、球状アトマイズチタン粉末の焼結体（多孔質導電体）により構成される。アノード側給電体５０及びカソード側給電体５２は、研削加工後にエッチング処理される平滑表面部を設ける。なお、アノード側給電体５０及びカソード側給電体５２は、耐食性のチタンシート等の金属シートに、エッチング、ドリル加工、放電加工、電子ビーム、レーザ又はプレス等により開口部を形成してもよい。

アノード側セパレータ４４の電解質膜・電極構造体４２に対向する面には、第１流路５４が設けられるとともに、カソード側セパレータ４６の前記電解質膜・電極構造体４２に対向する面には、第２流路５６が設けられる。第１流路５４及び第２流路５６は、アノード側給電体５０及びカソード側給電体５２の表面積に対応する範囲内に設けられるとともに、複数の流路溝や複数のエンボス等で構成される。

第１流路５４には、水（純水）を供給するための水供給連通孔５８と、反応により生成された酸素及び使用済みの水を排出するための酸素排出連通孔６０とが連通する。第２流路５６には、反応により生成された水素（高圧水素）を排出するための水素排出連通孔６２が設けられる。水供給連通孔５８、酸素排出連通孔６０及び水素排出連通孔６２は、積層方向である矢印Ａ方向に延在して第１セルユニット２４ａ及び第２セルユニット２４ｂを一体に貫通する。

第２単位セル２２ｂは、基本的には、上記の第１単位セル２２ａと同様に構成される。この第２単位セル２２ｂは、円盤状の電解質膜・電極構造体４２ａと、この電解質膜・電極構造体４２ａを挟持するアノード側セパレータ４４及びカソード側セパレータ４６とを備える。

電解質膜・電極構造体４２ａは、固体高分子電解質膜４８の両側に配設されるアノード側給電体５０及びカソード側給電体５２を備えるとともに、前記固体高分子電解質膜４８の両面には、アノード電極触媒層５０ａ及びカソード電極触媒層５２ａが設けられない。

アノード側セパレータ４４の電解質膜・電極構造体４２ａに対向する面には、第１流路５４ａが設けられるとともに、カソード側セパレータ４６の前記電解質膜・電極構造体４２ａに対向する面には、第２流路５６ａが設けられる。第２単位セル２２ｂは、水電解を行うことがなく、第２流路５６ａには、高圧水素に含まれる水分が供給される一方、第１流路５４ａには、電解質膜・電極構造体４２ａを透過して前記水が供給される水透過セルを構成する。

図１に示すように、水循環装置１６は、高圧水素製造装置１２の水供給連通孔５８に連通する循環配管６４を備え、この循環配管６４は、循環ポンプ６６及びイオン交換器６８を配置して気液分離器１４を構成するタンク部７０の底部に接続される。

タンク部７０の上部には、戻り配管７２の一端部が連通するとともに、前記戻り配管７２の他端は、高圧水素製造装置１２の酸素排出連通孔６０に連通する。戻り配管７２の一端部は、タンク部７０内に貯留される水の中で、常時、開口する位置に設定される。

タンク部７０には、水供給装置１８に接続された純水供給配管７４と、前記タンク部７０で純水から分離された酸素を排出するための酸素排気配管７６とが連結される。タンク部７０内は、大気圧に開放される。

このように構成される水電解システム１０の動作について、以下に説明する。

先ず、水電解システム１０の始動時には、水供給装置１８を介して市水から生成された純水が、気液分離器１４を構成するタンク部７０に供給される。

水循環装置１６では、循環ポンプ６６の作用下に、タンク部７０内の水が循環配管６４を介して高圧水素製造装置１２の水供給連通孔５８に供給される。一方、ターミナルプレート２６ａ、２６ｂの端子部３４ａ、３４ｂには、電気的に接続されている電解電源３８を介して電圧が付与される。

このため、図２に示すように、第１セルユニット２４ａを構成する各第１単位セル２２ａでは、水供給連通孔５８からアノード側セパレータ４４の第１流路５４に水が供給され、この水がアノード側給電体５０内に沿って移動する。

従って、水は、アノード電極触媒層５０ａで電気により分解され、水素イオン、電子及び酸素が生成される。この陽極反応により生成された水素イオンは、固体高分子電解質膜４８を透過してカソード電極触媒層５２ａ側に移動し、電子と結合して水素が得られる。

これにより、カソード側セパレータ４６とカソード側給電体５２との間に形成される第２流路５６に沿って水素が流動する。この水素は、水供給連通孔５８よりも高圧に維持されており、積層方向に沿って水素排出連通孔６２を流れる。このため、高圧水素は、高圧水素配管２０を介して高圧水素製造装置１２の外部に取り出し可能となる（図１参照）。

一方、第１流路５４には、反応により生成した酸素と使用済みの水とが流動している。酸素と水との混合流体は、酸素排出連通孔６０に沿って水循環装置１６の戻り配管７２に排出される。この未反応ガスの水及び酸素は、タンク部７０に導入されて気液分離された後、水は、循環ポンプ６６を介して循環配管６４からイオン交換器６８を通って水供給連通孔５８に導入される。水から分離された酸素は、酸素排気配管７６から外部に排出される。

ところで、水素排出連通孔６２を流通する高圧水素には、水分（アノード側から透過した透過水）が含まれている。この水分は、重力によって前記水素排出連通孔６２の下方に移動し易い。

この場合、第１の実施形態では、複数の第１単位セル２２ａが重力方向に積層される第１セルユニット２４ａと、前記第１セルユニット２４ａの重力方向下端部に連結され、複数の第２単位セル２２ｂが前記重力方向に積層される第２セルユニット２４ｂとを備えている。

そして、図２に示すように、第２セルユニット２４ｂを構成する第２単位セル２２ｂでは、電解質膜・電極構造体４２ａにアノード側電極触媒層及びカソード側電極触媒層が設けられていない。このため、第２単位セル２２ｂは、水電解機能を有することがなく、高圧側であるカソード側の第２流路５６ａに生成される高圧水素に含まれる水分は、電解質膜・電極構造体４２ａを透過して低圧側であるアノード側の第１流路５４ａに移動することができる。

第１流路５４ａに移動した水分は、水供給連通孔５８から前記第１流路５４に供給された水と共に、酸素排出連通孔６０に排出される。さらに、この酸素排出連通孔６０から気液分離器１４を構成するタンク部７０に戻される。

従って、高圧水素製造装置１２は、差圧式水電解装置を構成するため、電解質膜・電極構造体４２ａを介して高圧水を低圧側に透過させて前記高圧水を良好に排出することが可能になり、該高圧水を排出させるための大型設備が不要になる。

しかも、第２セルユニット２４ｂは、水電解セルである第１セルユニット２４ａと同様に構成されており、前記第１セルユニット２４ａに容易に連結することができる。これにより、部品点数を有効に削減するとともに、高圧水素製造装置１２全体を一層小型化及び簡素化することが可能になるという効果が得られる。

また、第２単位セル２２ｂでは、カソード側とアノード側とに差圧が発生している際に、電解質膜・電極構造体４２ａを前記カソード側から前記アノード側に透過する水透過量は、高圧水素製造装置１２の運転温度から求めることができる。すなわち、図３に示すように、高圧水素製造装置１２の運転温度ａ（℃）のとき、水透過量ｂ（ｃｃ／ｍｉｎ）が求められる。

一方、第１セルユニット２４ａを構成する第１単位セル２２ａでは、電解時にアノード側からカソード側に透過する水透過量が、該電解時の電解電流から求められる。従って、図４に示すように、運転温度ａ（℃）及び水透過量ｂ（ｃｃ／ｍｉｎ）から水透過量を平衡させる電解電流ｃ（Ａ）が求められる。

これらの特性に基づいて、水電解セルである第１単位セル２２ａと水透過セルである第２単位セル２２ｂとの割合（積層数）を設定することにより、カソード側に透過して高圧水素に含まれる水分を、アノード側に良好且つ確実に戻すことが可能になる。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る水電解システム８０の概略構成説明図である。なお、第１の実施形態に係る水電解システム１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

水電解システム８０では、高圧水素製造装置１２の高圧水素配管２０に水素気液分離器８２が接続される。水素気液分離器８２は、タンク部８４を備えるとともに、前記タンク部８４には、タンク内水位を検出する水位検出センサ８６が設けられる。高圧水素配管２０は、タンク部８４の下端部に接続されており、前記高圧水素配管２０の出口は、常時、前記タンク部８４内の水位よりも下方に開口される。

このように構成される水電解システム８０では、水電解時に、タンク部８４のタンク内水位の変動が水位検出センサ８６により検出される。そして、タンク内水位が上昇する際、第１セルユニット２４ａからカソード側に生成される高圧水素中の水分量が、第２セルユニット２４ｂにより前記カソード側からアノード側に透過される水分量よりも多いと判断される。

一方、タンク内水位が下降する際、第１セルユニット２４ａからカソード側に生成される高圧水素中の水分量が、第２セルユニット２４ｂにより前記カソード側からアノード側に透過される水分量よりも少ないと判断される。従って、電解電源３８の電流を可変にすることにより、水位管理が確実且つ容易に遂行される。

１０、８０…水電解システム１２…高圧水素製造装置
１４…気液分離器１６…水循環装置
１８…水供給装置２０…高圧水素配管
２２ａ、２２ｂ…単位セル２４ａ、２４ｂ…セルユニット
４２、４２ａ…電解質膜・電極構造体４４…アノード側セパレータ
４６…カソード側セパレータ４８…固体高分子電解質膜
５０…アノード側給電体５０ａ…アノード電極触媒層
５２…カソード側給電体５２ａ…カソード電極触媒層
５４、５４ａ、５６、５６ａ…流路５８…水供給連通孔
６０…酸素排出連通孔６２…水素排出連通孔

Claims

アノード側に供給される水を電気分解して前記アノード側に酸素を発生させる一方、カソード側に前記酸素よりも高圧な水素を発生させる高圧水素製造装置であって、
複数の第１単位セルが重力方向に積層される第１セルユニットと、
前記第１セルユニットの重力方向下端部に連結され、複数の第２単位セルが前記重力方向に積層される第２セルユニットと、
を備え、
前記第１単位セルは、電解質膜と、
前記電解質膜の一方の面側に設けられるアノード側電極触媒層及びアノード側給電体と、
前記電解質膜の他方の面側に設けられるカソード側電極触媒層及びカソード側給電体と、
を有し、前記水を電気分解する水電解セルである一方、
前記第２単位セルは、前記電解質膜と、
前記電解質膜の一方の面側に設けられる前記アノード側給電体と、
前記電解質膜の他方の面側に設けられる前記カソード側給電体と、
を有し、前記カソード側の水分を前記アノード側に透過させる水透過セルであることを特徴とする高圧水素製造装置。
請求項１記載の高圧水素製造装置において、前記第１セルユニット及び前記第２セルユニットを前記積層方向に一体に貫通し、前記水を供給する水供給連通孔と、
前記第１セルユニット及び前記第２セルユニットを前記積層方向に一体に貫通し、反応により生成された酸素及び使用済みの水を排出するための酸素排出連通孔と、
前記第１セルユニット及び前記第２セルユニットを前記積層方向に一体に貫通し、反応により生成された水素を排出するための水素排出連通孔と、
を備えることを特徴とする高圧水素製造装置。