JP4635567B2

JP4635567B2 - 水電解水素発生装置における容器収納型水電解装置

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Publication number: JP4635567B2
Application number: JP2004320889A
Authority: JP
Inventors: 賢治杉野; 加津也佐々木
Original assignee: Hitachi Zosen Corp
Current assignee: Hitachi Zosen Corp
Priority date: 2004-11-04
Filing date: 2004-11-04
Publication date: 2011-02-23
Anticipated expiration: 2024-11-04
Also published as: JP2006131944A

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高圧水素製造装置に関し、より詳しくは、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の高圧水素ガスを供給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素供給装置は、従来より知られている。高圧容器収納型水電解水素発生装置はこのような構成の水素供給装置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、容器収納型水電解水素発生装置は、図６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水素発生装置における水電解装置では、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、高圧容器はインゴットを削って形成しているので、削る深さの制限で単位セルの積層数を増すことができず、水素発生量に限界があった。また、積層数が多いとそれだけ製造が困難であった。
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、両端に配された陽極主電極および陰極主電極、これらの主電極の間に直列に配された複数の単位セルならびに陽極主電極−複数の単位セル−陰極主電極の組み合わせを両側から挟む一対の端板を有する少なくとも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、圧力容器は、左右方向の一端に内面が平坦な底壁を有しかつ他端が開放されているようにインゴットから一体的に作り出された一対の有底筒状の容器を向かい合わせて、開口端に形成されたフランジ部どうしで結合することで形成されており、水電解槽は、２つとされて、各水電解槽の一対の端板の一方が各容器の平坦な底壁に固定されていることを特徴とする、水電解水素発生装置における容器収納型水電解装置である。

請求項２に係る発明は、一方の容器のフランジ部と他方の容器のフランジ部との間に絶縁層を介在させることで、左右一対の容器を電気的に絶縁し、各容器内の水電解槽どうしを圧力容器内部において電気的に直列に接続し、電源の陽極を一方の容器を介してこ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容器を介してこれに固定された水電解槽の陰極に接続してなる請求項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、各容器内の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または２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、各容器内の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または２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５に係る発明は、両端に配された陽極主電極および陰極主電極、これらの主電極の間に直列に配された複数の単位セルならびに陽極主電極−複数の単位セル−陰極主電極の組み合わせを両側から挟む一対の端板を有する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、２つの水電解槽をそれぞれ形成しておいてから、左右方向の一端に内面が平坦な底壁を有しかつ他端が開放されているようにインゴットから一体的に作り出された一対の有底筒状の容器の底壁に、各水電解槽の端板を固定し、次いでこれら水電解槽の他端側電極を容器壁に設けられた圧力端子に接続するかまたは他端側電極どうしを接続し、次いで一対の容器を開口端どうし向かい合わせて内部に水電解槽を収めるように結合する、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、一端に底壁を有しかつ他端が開放されている一対の容器の底壁内面にそれぞれ水電解槽を固定し、これら水電解槽の他端側電極どうしをケーブル状結線で接続し、次いで一対の容器を内部に水電解槽を収めるように結合する。

結線が導電性のロッドからなる場合、一端に底壁を有しかつ他端が開放されている一対の容器の底壁内面にそれぞれ水電解槽を固定し、これら水電解槽の他端側電極どうしをロッド状結線で接続し、次いで一対の容器を内部に水電解槽を収めるように結合する。

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、装置の組立およびメンテナンスを容易に行うことができる。

各容器を陽極および陰極として用いることにより、圧力容器内部への電流導入端子が不要となるので、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。

こうして、構成が単純であって組立が容易であり、しかも大量の水素を発生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を提供することができる。

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の左右をいうものとする。

実施例１
図１において、一端に底壁を有しかつ他端が開放されている同形の左右一対の容器(21)(21')を用意する。容器(21)(21')の開口端にはそれぞれフランジ部(23)(23')が設けられている。容器(21)(21')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。容器(21)(21')は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。容器(21)(21')の内部に水電解槽(24)(24')をそれぞれ配して各容器底壁(22)(22')にてボルトで固定する。水電解槽(24)と容器底壁(22)の間に台板(25)を介在させた場合、図４に示すように、まず容器底壁(22)に台板(25)を短ボルト(26)で固定し、次いで台板(25)に水電解槽(24)の端板(13)の外縁部を長ボルト(27)で固定する。水電解槽(24)と容器底壁(22)の間に台板を介在させない場合、図５に示すように、容器底壁(22)に水電解槽(24)の端板(13)の外縁部を長ボルト(27)で直接固定する。こうして、容器底壁(22)に水電解槽(24)を固定し、容器底壁(22')に水電解槽(24')を固定する。

水電解槽(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り、両端に配された陽極主電極および陰極主電極と、これらの主電極の間に直列に配された複数の単位セルと、陽極主電極−複数の単位セル−陰極主電極の組み合わせを両側から挟む一対の端板と、一対の端板の各四隅部を貫通し、陽極主電極、複数の単位セルおよび陰極主電極を両側から締め付けるボルト・ナットとから主として構成されている。１つのセルは、複極板の陽極側、陽極給電体、電極接合体膜、陰極給電体、および隣の複極板の陰極側から主として構成されている。水電解槽(24) はこれを縦に貫通する給水ヘッダ、水素ヘッダおよび酸素ヘッダを有する。

こうして水電解槽(24)(24')を内装した左右一対の容器(21)(21')を付き合わせ状に配し、開口端のフランジ部(23)(23') 同士で結合して、左右一対の容器(21)(21')から圧力容器(28)を形成する。水電解槽(24)(24')を内装した圧力容器(28)を左右一対の基台(29)(29') の上に据える。

圧力容器(28)内の左右の水電解槽(24)(24')をそれぞれ別の電源(30)(30')に接続する。電源(30)(30') の各陽極を容器(21)(21')の上壁に設けられた圧力端子(31)(31')を介して水電解槽(24)(24') の各陽極に接続し、電源(30)(30')の各陰極を容器(21)(21')を介して水電解槽(24)(24') の各陰極に接続する。

こうして構成した水電解水素発生装置における容器収納型水電解装置において、純水を、圧力容器(28)の両端壁に設けられた水供給口から圧力容器(28)の水電解槽(24)(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(28)内に出す。水素を容器内で気液分離し、圧力容器(28)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(28)の両端壁に設けられた端部ガス出口 (33)(33')から取出し、次いで圧力容器(28)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(28)の下部に設けられた水排出口から同伴水を抜き出す。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、左右一対の容器(21)(21')のフランジ部(23)(23')の間に絶縁層(35)を介在させてこれらを電気的に絶縁する。電源(36)は１基設け、その陽極を左側の容器(21)を介してその内部の水電解槽(24)の陽極に接続し、電源(36)の陰極を右側の容器(21') を介してその内部の水電解槽(24') の陰極に接続し、水電解槽(24)(24')どうしを電極接合体(34)で電気的に直列に接続する。水電解槽(24)(24') の陽極側出口を圧力容器(28)の内部と連通させる。

この構成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は、純水を圧力容器(28)の中央右寄りの上部に設けられた水供給口から圧力容器(28)内に供給して、水電解槽(24)(24') を水没させるように容器内に貯える。水電解槽(24)(24')の各陽極に発生した酸素と残りの水を水電解槽(24)(24')から圧力容器(28)の内部に出す。酸素を容器内で気液分離し、圧力容器(25)の上部における左寄り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(28)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(28)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(28)内の水が減ってきたら水供給口から水を補給し、水電解槽(24)(24')を水没させる。メンテナンス時には圧力容器(28)の下部に設けられた水排出口から水を抜き出す。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、この構成の水電解水素発生装置における容器収納型水電解装置では、実施例１と同じく、純水を、圧力容器(28)の両端壁に設けられた水供給口から圧力容器(28)の水電解槽(24)(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(28)内に出す。水素を容器内で気液分離し、圧力容器(28)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(28)の両端壁に設けられた端部ガス出口 (33)(33')から取出し、次いで圧力容器(28)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(28)の下部に設けられた水排出口から同伴水を抜き出す。その他の構成は実施例１のものと同じである。

実施例１の水電解水素発生装置における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の水電解水素発生装置における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の水電解水素発生装置における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。図４ａは実施例１の容器収納型水電解装置における水電解槽の固定状態を示す縦断面図であり、図４ａはその横断面図である。図５ａは実施例１の容器収納型水電解装置における水電解槽の固定状態を示す縦断面図であり、図５ａはその横断面図である。従来の水電解水素発生装置における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。

(22)(22')：底壁
(21)(21')：容器
(23)(23')：フランジ部
(24)(24')：水電解槽
(28)：圧力容器
(30)(30')：電源
(31)(31')：圧力端子
(32)：上部ガス出口
(33)(33')：端部ガス出口
(34)：極接合体
(35)：絶縁層
(36)：電源

Claims

両端に配された陽極主電極および陰極主電極、これらの主電極の間に直列に配された複数の単位セルならびに陽極主電極−複数の単位セル−陰極主電極の組み合わせを両側から挟む一対の端板を有する少なくとも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、
圧力容器は、左右方向の一端に内面が平坦な底壁を有しかつ他端が開放されているようにインゴットから一体的に作り出された一対の有底筒状の容器を向かい合わせて、開口端に形成されたフランジ部どうしで結合することで形成されており、水電解槽は、２つとされて、各水電解槽の一対の端板の一方が各容器の平坦な底壁に固定されていることを特徴とする、水電解水素発生装置における容器収納型水電解装置。
一方の容器のフランジ部と他方の容器のフランジ部との間に絶縁層を介在させることで、左右一対の容器を電気的に絶縁し、各容器内の水電解槽どうしを圧力容器内部において電気的に直列に接続し、電源の陽極を一方の容器を介してこ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容器を介してこれに固定された水電解槽の陰極に接続してなる請求項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。
各容器内の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または２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。
各容器内の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または２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。
両端に配された陽極主電極および陰極主電極、これらの主電極の間に直列に配された複数の単位セルならびに陽極主電極−複数の単位セル−陰極主電極の組み合わせを両側から挟む一対の端板を有する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、
２つの水電解槽をそれぞれ形成しておいてから、左右方向の一端に内面が平坦な底壁を有しかつ他端が開放されているようにインゴットから一体的に作り出された一対の有底筒状の容器の底壁に、各水電解槽の端板を固定し、次いでこれら水電解槽の他端側電極を容器壁に設けられた圧力端子に接続するかまたは他端側電極どうしを接続し、次いで一対の容器を開口端どうし向かい合わせて内部に水電解槽を収めるように結合する、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。