JP3772260B2

JP3772260B2 - 固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置

Info

Publication number: JP3772260B2
Application number: JP2002156612A
Authority: JP
Inventors: 俊秀高間
Original assignee: Hitachi Zosen Corp
Current assignee: Hitachi Zosen Corp
Priority date: 2002-05-30
Filing date: 2002-05-30
Publication date: 2006-05-10
Anticipated expiration: 2022-05-30
Also published as: JP2003342769A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、固体高分子電解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水電解槽に関し、より詳しくは、例えば燃料電池用水素ステーションで３５〜７０ＭＰａの高圧水素ガスを供給することができる水素供給装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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、水電解槽へ水を供給する電解水循環ラインとを備えている水素供給装置は、従来より知られている。
【０００３】
固体高分子型水電解槽は、図２および図３に示すように、両端に配された陽極主電極(1)および陰極主電極(2)と、これらの主電極(1)(2)の間に直列に配された複数の単位セル(16)と、陽極主電極(1)−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一対の端板(13)と、一対の端板(13)の各四隅部を貫通し、陽極主電極(1)、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。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。各セル(16)の周縁部には、電極接合体膜(3)と複極板(9)の陰極給電体(8)側の面との間に水電解槽内部と外部をシールするＯリング(17)が介在されている。
【０００４】
水電解槽(51)には、図３に示すように、下端部の中央に給水ヘッダ(10)が形成されるとともに、上端部に平行状に水素ヘッダ(11)および酸素ヘッダ(12)が形成されている。
【０００５】
上記の水素供給装置では、水電解槽の電解反応によって発熱し、その排熱は、酸素側の循環水による移動と水素側の水蒸気の蒸発潜熱とによって行われている。
【０００６】
また、この装置では、内部圧力は、水電解槽外周部に設けられたＯリング(17)によって保たれており、その発生ガスの圧力は、１．１ＭＰａ（１０ｋｇ／ｃｍ^２Ｇ）未満とされている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、水素の燃料電池での使用が進んでおり、そのためには、燃料電池用水素ステーションで３５〜７０ＭＰａの高圧水素ガスを供給することが課題となっている。
【０００８】
しかしながら、上記従来の水素供給装置を使用して、数十ＭＰａ程度の高圧にて水電解した場合、水素側の水蒸気の発生量が極端に減少し、十分な排熱が得られなくなり、このため、電解質膜の温度が局部的に耐熱温度以上に上昇し、電解質膜が破損するという問題があった。
【０００９】
また、上記従来の水素供給装置を使用して、数十ＭＰａ程度の高圧にて水電解した場合、Ｏリングによるシールが破損するという問題があった。したがって、高圧の水素ガスを得るには、従来の水素供給装置を使用して低圧の水素を製造し、これをガス用ポンプ（圧縮機）によって加圧することが必要となるが、この場合には、加圧のための装置が大がかりになってしまうという問題がある。そこで、水電解槽を圧力容器内に設置することが考えられるが（特開平６−３３２８３号参照）、数十ＭＰａ程度の高圧に対応できる点および圧力容器の構造をできるだけ簡素で小容量なものにするという点で、満足なものが得られていない。
【００１０】
本発明は、数十ＭＰａ程度の高圧にて水電解した場合でも、電解質膜が破損することが防止される、固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置を提供することを課題とする。
【００１１】
さらに、本発明は、数十ＭＰａ程度の高圧にて水電解した場合でも、耐圧性能を有し、しかも、圧力容器の構造をできるだけ簡素で小容量なものにすることができる、固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置を提供することを課題とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置は、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、水電解槽へ水を供給する電解水循環ラインとを備えている水素供給装置において、水電解槽との間隙が水で充満されるように水電解槽を収める圧力容器と、圧力容器内の水を外部に取り出して処理した後に同容器内に戻す冷却水循環ラインとをさらに備えており、圧力容器の水充満間隙に、整流板が設けられていることを特徴とするものである。
【００１３】
本発明の固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置において、電解槽内部と圧力容器の水充満部との差圧が所定値となるように冷却水循環ラインの水循環量を制御する差圧制御ラインをさらに備えていることが好ましい。この場合に、差圧制御ラインは、冷却水循環ラインの圧力容器側の圧力＝圧力容器に供給される冷却水の圧力（水電解槽外部の圧力に相当）と水素気液分離器または酸素気液分離器の圧力（水電解槽内部の圧力に相当）との差を制御するものとされる。そして、水電解槽内部の圧力よりも水電解槽外部の圧力を数Ｋ〜１０Ｋ程度低くなるように水電解槽をプラスの内圧に維持するようにする。
【００１４】
整流板は、冷却水が水電解槽に均一に当たるようにするためのもので、その形状は、例えば、多孔板タイプとされるが、特に限定されるものではない。
【００１５】
さらにまた、冷却水循環ラインに、ＲＯ膜またはイオン交換膜からなる脱イオン装置が設けられていることが好ましい。冷却水は、電解水と同程度の純水である必要はなく、水電解槽の外周部の材料や圧力容器の液接部の材料間で電気腐食が生じない程度の脱イオン水であればよいので、ＲＯ膜を使用したものでも、十分な水質を確保することができる。
【００１６】
差圧制御ラインを備えているものでは、水電解槽に、同槽を所定の締め付け力で締め付ける与圧装置が設けられているようにしてもよい。水電解槽の電極接合体膜、給電体および複極板は、電気を全面で均一に導通させるためにこれらを適切な締め付け力で締め付ける必要がある。差圧制御ラインが設けられているものでは、製造するガスの圧力が高い場合でも水電解槽の内外の圧力差が一定に維持されることから、締め付けに必要な荷重をこの与圧装置により独立して設定することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
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、図の左右をいうものとする。
【００１８】
図１において、固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置は、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(51)と、水電解槽(51)を収める圧力容器(21)と、水電解槽(51)の水素排出口から圧力容器(21)の右側壁を貫通してのびる水素ライン(22)と、水素ライン(22)に設けられて水電解槽(51)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(23)と、水電解槽(51)の酸素排出口から圧力容器(21)の頂壁を貫通してのびる酸素ライン(24)と、水電解槽(51)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(25)と、圧力容器(21)の右側壁を貫通して水電解槽(51)の給水ヘッダに通じている電解水循環ライン(26)と、圧力容器(21)底壁を貫通してのびる冷却水循環ライン(27)と、電解槽(51)と圧力容器(21)との差圧が所定値となるように冷却水循環ライン(27)の水循環量を制御する差圧制御ライン(28)と、水電解槽(51)で使用される純水を蓄える純水タンク(29)と、純水タンク(29)と酸素気液分離器(25)とを接続する純水導入ライン(30)と、水素気液分離器(23)の気相部と酸素気液分離器(25)の気相部とを接続するガス圧均圧化ラインライン(31)と、水電解槽(51)に接続された直流電源（図示略）とを備えている。
【００１９】
水電解槽(51)は、図２および図３に示した従来のものと同じであり、その右側の端板(13)が圧力容器(21)の右壁に支持板(32)を介して固定されることにより、圧力容器(21)内に保持されている。圧力容器(21)と水電解槽(51)との間隙は、純水で充満されており、圧力容器(21)の上部および下部の水充満間隙に、多孔板タイプの整流板(33)がそれぞれ設けられている。支持板(32)にも、冷却水を通過させるための複数の孔が設けられている。支持板(32)には、また、水電解槽(51)を所定の締め付け力で締め付ける与圧装置(34)が取り付けられている。
【００２０】
水素ライン(22)で取り出された水分を含む水素は、水素気液分離器(23)により、水素と純水に分離され、分離された水素は、水素ライン(22)中の水素圧力調整弁(35)に設定された圧力で外部に供給される。水素気液分離器(23)で分離された純水は、酸素気液分離器(25)に送られる。
【００２１】
酸素気液分離器(25)で分離された酸素は、酸素圧力調整弁(36)に設定された圧力で外部に供給される。酸素気液分離器(25)で分離された純水は、酸素気液分離器側の配管(26a)を通った後、電解水循環ライン(26)によって水電解槽(51)に供給される。純水タンク(29)内の水は、純水導入ライン(30)中に設けられた水供給ポンプ(37)によって酸素気液分離器(25)に送られ、酸素気液分離器(25)で分離された純水とともに、電解水循環ライン(26)の酸素気液分離器側の配管(26a)に供給される。電解水循環ライン(26)には、循環ポンプ(38)が設けられている。
【００２２】
冷却水循環ライン(27)は、一端が圧力容器(21)右側壁に設けられた冷却水出口に接続され、他端が圧力容器(21)底壁の左端部に設けられた冷却水入口()に接続されている。冷却水循環ライン(27)には、逆止弁(39)、冷却器(40)、冷却水タンク(41)、循環ポンプ(42)、ＲＯ膜からなる脱イオン装置(43)、逆止弁(44)および圧力調整弁(45)が、圧力容器(21)の冷却水出口に近い側からこの順で設けられている。
【００２３】
差圧制御ライン(28)は、一端が冷却水循環ライン(27)の冷却水入口近くに、他端が酸素気液分離器(25)（水素気液分離器(23)でも可）に接続されるとともに、両端間の差圧ΔＰ０によって、冷却水循環ライン(27)の圧力調整弁(45)を制御するようになされている。
【００２４】
この固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置によると、電解用の水は、電解水循環ライン(26)によって水電解槽(51)の給水ヘッダー(10)に加圧供給され、給水ヘッダー(10)から各単位セル(16)内に導かれ、電極接合体膜(3)の表面で電気分解され、陽極側では酸素、陰極側では水素がそれぞれ発生する。発生した酸素および水素はそれぞれ多孔質の給電体(7)(8)を通って複極板(9)の陽極側および陰極側に達し、更に複極板(9)に設けられたガス流路を通って水電解槽(51)上部に達し、水電解槽(51)上部の酸素ヘッダー(11)および水素ヘッダー(12)を通ってそれぞれ排出される。
【００２５】
水電解槽(51)の陽極にて発生した酸素は酸素気液分離器(25)に送られ、陰極にて発生した水素は水素気液分離器(23)に送られる。このとき水電解槽(51)から出る水はほとんど酸素側に送られる。水素気液分離器(23)で分離された水は、酸素気液分離器(25)に送られ、新規に供給された純水とともに、電解水循環ライン(26)に送られ、循環ポンプ(38)によって再度水電解槽(51)に直接（圧力容器(21)内に導入される冷却水とは別に）電解用純水として供給される。水電解槽(51)への純水の供給は、予め設定しておいた酸素気液分離器(25)のレベルの設定値に合わせて水供給ポンプ(37)によって純水を酸素気液分離器(25)に供給することにより行われる。こうして、所望する圧力に見合う圧力（水電解槽(51)内および配管内圧力損失を見込んだ圧力）に加圧された電解用の純水が水電解槽(51)に供給される。酸素気液分離器(25)で分離された酸素は、酸素圧力調整弁(36)の設定圧力に基づいて外部へ供給され、陰極にて発生した水素は、水素圧力調整弁(35)の設定圧力に基づいて外部へ供給される。水素圧力調整弁(35)は、３５〜７０ＭＰａの高圧水素ガスが得られるように設定されている。
【００２６】
圧力容器(21)内の冷却水は、冷却水循環ライン(27)の冷却水出口側から抜き出され、冷却器(40)で冷却されて、冷却水タンク(41)に蓄えられる。そして、冷却水タンク(41)内の水が循環ポンプ(42)によって強制的に圧力容器(21)内に送り込まれることにより、所定以上の流速を有する冷却水が圧力容器(21)内に流される。この冷却水は、整流板(33)によって、流れ方向および滞留時間などが調整された後、冷却水循環ライン(27)の冷却水出口側に再度流入する。こうして、電解槽(51)を冷却する冷却水が循環させられる。
【００２７】
圧力容器(21)に供給される冷却水は、ＲＯ膜からなる脱イオン装置(43)に通されることにより、電解槽(51)および圧力容器(21)を腐食させない程度の脱イオン水とされる。
【００２８】
水電解槽(51)における電解反応は、発熱反応であり、その排熱は、酸素側の循環水による移動、水素側の水蒸気の蒸発潜熱および圧力容器(21)を流れる冷却水への熱移動によって行われている。高圧にて水電解した場合には、水素側の水蒸気の発生量が極端に減少するが、この水蒸気の蒸発潜熱による排熱が圧力容器(21)内を流れる冷却水への熱移動による排熱によって補償される。こうして、高圧水素ガスを発生させる場合でも、熱によって電極接合体膜（電解質膜）(3)が破損することが防止される。
【００２９】
この水素供給装置を運転するに際しては、差圧制御ライン(28)によって、冷却水循環ライン(27)の冷却水入口近くの圧力と水素気液分離器(23)の圧力との差ΔＰ０が検知され、冷却水循環ライン(27)の循環量を決定する圧力調整弁(45)が制御される。この際、電解槽(51)内部が水充満部（すなわち水電解槽の外部）の圧力と比べて若干プラス圧力になるように制御され、これにより、電解槽(51)に設けられているＯリング(17)の破損が防止される。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、水電解槽との間隙が水で充満されるように水電解槽を収める圧力容器を備えており、圧力容器の水充満間隙に、整流板が設けられているので、冷却水が水電解槽に均一に当たり、水電解槽との間隙に充満された水によって、水電解槽に圧力を与えることができるとともに、圧力容器の耐圧性が確保される。また、圧力容器内の水を外部に取り出して処理した後に同容器内に戻す冷却水循環ラインをさらに備えているので、所定値以上の流速を有する冷却水によって電解槽が効率よく冷却され、したがって、電解質膜の温度が局部的に耐熱温度以上になることが抑えられ、数十ＭＰａ程度の高圧にて水電解した場合でも、電解質膜が破損することが防止される。
【００３１】
また、電解槽内部と圧力容器の水充満部との差圧が所定値となるように冷却水循環ラインの水循環量を制御する差圧制御ラインをさらに備えているものでは、電解槽内部が水充満部の圧力と比べて若干プラス圧力になるように制御することが可能となり、これにより、電解槽に設けられているＯリングの破損が防止される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による水素供給装置を示す概略図である。
【図２】この発明で使用されている固体高分子型水電解槽を示す分解斜視図である。
【図３】同垂直縦断面図である。
【符号の説明】
(21)：圧力容器
(23)：水素気液分離器
(25)：酸素気液分離器
(26)：電解水循環ライン
(27)：冷却水循環ライン
(28)：差圧制御ライン
(33)：整流板
(34)：与圧装置
(43)：脱イオン装置
(51)：固体高分子型水電解槽

Claims

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、水電解槽へ水を供給する電解水循環ラインとを備えている水素供給装置において、水電解槽との間隙が水で充満されるように水電解槽を収める圧力容器と、圧力容器内の水を外部に取り出して処理した後に同容器内に戻す冷却水循環ラインとをさらに備えており、圧力容器の水充満間隙に、整流板が設けられていることを特徴とする、固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置。
水電解槽内部と圧力容器の水充満部との差圧が所定値となるように冷却水循環ラインの水循環量を制御する差圧制御ラインをさらに備えていることを特徴とする、請求項１記載の固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置。
差圧制御ラインは、冷却水循環ラインの圧力容器側の圧力と水素気液分離器または酸素気液分離器の圧力との差を制御するものである、請求項２記載の固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置。
冷却水循環ラインに、ＲＯ膜またはイオン交換膜からなる脱イオン装置が設けられている、請求項１から３までのいずれかに記載の固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置。
水電解槽に、同槽を所定の締め付け力で締め付ける与圧装置が設けられている、請求項２から４までのいずれかに記載の固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置。