JP7216598B2 - 水素・酸素発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、水素・酸素発生装置に関する。

近年、クリーンなエネルギー源として水素ガスが用いられている。
水素ガスを生成する装置としては、固体高分子電解質膜によって仕切られた陽極室と陰極室との内の陽極室に水が供給され、該水が電気分解されて、陰極室に水素ガスを発生させるとともに、陽極室に酸素ガスを発生させる水電解モジュールを備える水素・酸素発生装置が知られている（例えば、特許文献１）。
この種の水素・酸素発生装置としては、前記水電解モジュールの前記陽極側に電気分解で消費される水量に対して大過剰の水を供給して陽極室から酸素ガスを含む排出水を排出させるようにし、この排出水を分離タンクで気液分離して分離された水を再び前記水電解モジュールに供給するように構成されたものが知られている。

特許第４３４７９７２号公報

ところで、水素・酸素発生装置では、固体高分子電解質膜や他の箇所での異常などにより酸素ガスに水素ガスが混入するとともに水素ガスに酸素ガスが混入したりすることを検知すべく、分離タンクで分離された酸素ガス中の水素ガス濃度を水素ガス濃度計で測定することが行われることがある。
その際には酸素ガスへの水素ガスの混入を迅速に検知することが望ましい。
しかし、酸素ガスへの水素ガスの混入を迅速に検知することについては、これまで着目されておらず、十分に検討されていない。

そこで、本発明は、酸素ガスへの水素ガスの混入を迅速に検知し得る水素・酸素発生装置を提供することを課題とする。

本発明に係る水素・酸素発生装置は、
水を電気分解して水素ガスと酸素ガスとを発生させる水電解モジュールを備え、
該水電解モジュールは、水素ガスを発生させる陰極室と、酸素ガスを発生させる陽極室とを有し、前記陽極室から排出される排出水として酸素ガスを含む水を排出するように構成されており、
前記水電解モジュールに供給するための水を貯留する貯留タンクと、
前記貯留タンクから前記水電解モジュールの前記陽極室に水を供給する供給経路と、
前記排出水を前記水電解モジュールから前記貯留タンクに返送する返送経路と、を備え、
前記返送経路には前記排出水から酸素ガスを回収する回収部が備えられ、
該回収部で回収された酸素ガス中の水素ガス濃度を測定する水素ガス濃度計をさらに備えている。

斯かる水素・酸素発生装置によれば、前記返送経路で前記排出水から酸素ガスを回収し、回収された酸素ガス中の水素ガス濃度を測定することにより、酸素ガスへの水素ガスの混入を迅速に検知し得る。

本発明によれば、酸素ガスへの水素ガスの混入を迅速に検知し得る水素・酸素発生装置を提供し得る。

一実施形態に係る水素・酸素発生装置の概略図。

以下、添付図面を参照しつつ、本発明の一実施形態について説明する。

図１に示すように、本実施形態に係る水素・酸素発生装置１は、水を電気分解して大気圧よりも圧力の高い状態で水素ガスと酸素ガスとを発生させる水電解モジュール２を備える。

該水電解モジュール２は、前記水素ガスを発生させる陰極室と、前記酸素ガスを発生させる陽極室とを備えている。
また、前記水電解モジュール２は、固体高分子電解質膜を有する。
前記陽極室と前記陰極室とは、前記固体高分子電解質膜によって仕切られている。

前記水電解モジュール２は、前記陽極室に水を供給するための水供給口２１を有する。
前記水電解モジュール２は、前記陽極室から排出される排出水として、酸素ガスを含む水を排出する第１排出口２２と、水素ガスを陰極室から排出する第２排出口２３とを有する。

本実施形態の水素・酸素発生装置１は、前記水電解モジュール２での電気分解によって消費される水の量よりも過剰な量の水を前記陽極室に供給するように構成されている。
そして、本実施形態の前記水電解モジュール２では、陽極室に供給された水が電気分解されて当該陽極室で酸素ガスが発生するとともに前記電気分解によって生じた水素イオンが僅かな水とともに固体高分子電解質膜を通過して陰極室へと移動し、該陰極室で前記水素イオンによって水素ガスを発生させ得るように構成されている。
そのため、前記第１排出口２２から排出される前記排出水は、前記水電解モジュール２で電気分解されなかった水（以下、「未分解水」ともいう。）と酸素ガスとを含み、気液混合状態の水となっている。
一方で前記水電解モジュール２の前記第２排出口２３は、僅かな水を含む水素ガスを排出する排出口となっている。

本実施形態に係る水素・酸素発生装置１は、前記水電解モジュール２に供給するための水を貯留する貯留タンク３と、前記貯留タンク３から前記水電解モジュール２の前記陽極室に水を供給する供給経路４と、該供給経路４を通じて前記水電解モジュール２に水を供給するためのポンプ４１とを有している。

前記水素・酸素発生装置１は、前記排出水を前記貯留タンク３に返送する返送経路５をさらに備える。
前記返送経路５は、前記排出水から酸素ガスを回収する回収部５１を有する。
本実施形態に係る水素・酸素発生装置１は、該回収部５１で回収された酸素ガス中の水素ガス濃度を測定する水素ガス濃度計６をさらに備える。

本実施形態に係る水素・酸素発生装置１は、前記水電解モジュール２の前記陰極室から排出された湿潤状態の水素ガスを気液分離して水素ガスから液体状態の水を取り除く第１分離タンク７と、該第１分離タンク７で水素ガスから分離された水をさらに気液分離する第２分離タンク１０をさらに備えている。
前記第１分離タンク７で分離された水には、水素ガスが溶存しているため、前記第２分離タンク１０は、この溶存している水素ガスを取り除くべく設けられている。
本実施形態に係る第２分離タンク１０は、前記第１分離タンク７で分離された水を第１分離タンク７よりも低い圧力（例えば、大気圧）状態にして気液分離を実施するように構成されている。

前記水素・酸素発生装置１は、前記第２分離タンク１０で分離された水素ガスを系外に放出するように構成されているとともに水素ガスが分離された後の水を前記貯留タンク３に返送するように構成されている。
従って、前記水素・酸素発生装置１は、前記回収部５１が備えられている陽極側での前記返送経路５（以下、「第１の返送経路５」ともいう）とは別に陰極側にも前記水素ガスから分離された水を前記貯留タンク３に返送する返送経路１１（以下「第２の返送経路１１」ともいう）が備えられている。

前記水素・酸素発生装置１は、前記第１分離タンク７で液体状態の水が取り除かれた水素ガスと吸湿剤（例えば、シリカゲル、ゼオライト等）とを接触させて、水素ガスにミストや水蒸気となって含まれている水分を水素ガスから取り除く除湿部８を備え、該除湿部８で除湿された水素ガスを製品ガスとして供給し得るように構成されている。
本実施形態の水素・酸素発生装置１は、前記製品ガスを貯留するための水素ガス収容部９を必要に応じて備えていてもよい。

本実施形態に係る水素・酸素発生装置１内を循環する水量は、例えば、１～５０００Ｌであり、より具体的には、１０～１０００Ｌである。

本実施形態に係る前記貯留タンク３内は、大気圧状態となっている。
従って、前記第１の返送経路５を通じて貯留タンク３に返送される未分解水に酸素が溶存されていた場合でも、この貯留タンク３で未分解水から酸素ガスを放出させることができる。
該貯留タンク３で放出された酸素ガスは、系外に排出して大気中に拡散させることができる。

水素・酸素発生装置１内を循環する水量Ｖ_１に対する、前記貯留タンク３の容量Ｖ_２の比（Ｖ_２／Ｖ_１）は、例えば、１／４～３／４であり、より具体的には、１／３～１／２である。
前記貯留タンク３の深さは、例えば、１０～２００ｃｍであり、より具体的には、１５
～１５０ｃｍである。

本実施形態に係る水素・酸素発生装置１は、前記第１の返送経路５における水の流通方向での貯留タンク３の上流側に前記排出水から酸素ガスを回収する回収部５１を有する。
該回収部５１では、前記水電解モジュール２の前記第１排出口２２から排出された直後の排出水から酸素ガスを回収して該酸素ガスを前記水素ガス濃度計６に供給できる。
従って、本実施形態の水素・酸素発生装置１は、前記貯留タンク３の酸素ガスを前記水素ガス濃度計６で測定する場合に比べて酸素ガス中の水素ガス濃度の変化を迅速に把握することができる。
しかも、前記貯留タンク３は、前記のように循環させる水を貯留するために前記回収部５１に比べて容積を大きく確保する必要性がある。
そのため、前記貯留タンク３では、タンク内の酸素ガスの貯留量が前記回収部５１に比べて大きくなる傾向にある。
従って、前記貯留タンク３の酸素ガスを前記水素ガス濃度計６で測定する場合に比べて回収部５１で回収した酸素ガスを前記水素ガス濃度計６で測定する方が酸素ガス中の水素ガス濃度の変化を敏感に把握することができる。

本実施形態における前記回収部５１は、前記排出水が水と酸素ガスとに気液分離される分離空間を有する。
前記回収部５１は、前記分離空間において前記排出水から分離された酸素ガスが該分離空間の上方へ移動するとともに酸素ガスが分離された水が重力によって下方へと移動するよう構成されている。
即ち、前記回収部５１は、重力の作用によって気液分離を行って酸素ガスを回収し得るように構成されており、気液分離のために特別な動力を必要としないように構成されている。

前記回収部５１は、前記気液分離を行うための鉛直方向に延びる管が設けられており、該管の内部に前記分離空間が形成されている。
前記回収部５１は、上記のように気液分離が管内で行われ、しかも、該管が鉛直方向に延在しているため、気液分離のために僅かなスペースしか必要としていない。

本実施形態の前記管は、前記第１の返送経路５を構成する配管類と同径であっても異径であってもよいが、本実施形態においては前後の配管よりも大径となっており、分離容器５１ａを構成している。
前記分離容器５１ａを構成する管は、前後の配管よりも大径となっていることで気液分離に必要となる当該管の高さが高くなり過ぎないようにすることができる。

前記分離容器５１ａは、前記排出水が供給される排出水供給口５１ａ１と、分離された酸素ガスを排出するガス排出口５１ａ２と、分離された水を前記貯留タンク３に向けて排出する水排出口５１ａ３とを有する。
該分離容器５１ａでは、前記の通り重力の作用によって気液分離が行われるため、前記ガス排出口５１ａ２が前記水排出口５１ａ３よりも上方に位置し、前記排出水供給口５１ａ１が前記水排出口５１ａ３よりも上方で前記ガス排出口５１ａ２よりも下方となる位置に形成されている。

前記回収部５１は、前記ガス排出口５１ａ２から排出された酸素ガスを前記水素ガス濃度計６に移送する酸素ガス移送経路５１ｂを有する。

前記酸素ガス移送経路５１ｂには、前記分離空間によって回収した前記酸素ガスから水分を除去する水分除去部５１ｅが設けられている。
即ち、前記水素ガス濃度計６は、前記水分除去部５１ｅで水分が除去された酸素ガス中の水素ガス濃度を測定するように設けられている。
前記水素ガス濃度計６が、前記水分除去部５１ｅで水分が除去された酸素ガス中の水素ガス濃度を測定することにより、本実施形態に係る水素・酸素発生装置１は、水分による水素ガス濃度計６の故障を抑制できるという利点を有し、また、水分による誤測定を抑制できるという利点を有する。

前記水分除去部５１ｅは、回収した前記酸素ガスから水分を大まかに除去するドレンポット５１ｅ１と、前記ドレンポット５１ｅ１で水分が除去された前記酸素ガスにミストや水蒸気となって含まれている水分をさらに除去するためのドライヤー５１ｅ２とを備えている。
本実施形態のドライヤー５１ｅ２は、中空糸膜を有し、前記酸素ガスを前記中空糸膜の内側を通過させるとともに該中空糸膜の外側に乾燥空気を通過させることにより、前記酸素ガスから水分を取り除くように構成されている。
前記水分除去部５１ｅは、前記ドレンポット５１ｅ１及び前記ドライヤー５１ｅ２を順に通過して十分に乾燥された酸素ガスを前記水素ガス濃度計６に供給し得るように構成されている。

前記水分除去部５１ｅは、前記酸素ガスを冷却することによって水分を凝縮し、凝縮水の状態で前記酸素ガスから水分を除去する凝縮器を前記ドレンポット５１ｅ１の上流側に備えていてもよい。
前記水分除去部５１ｅは、前記中空糸膜を備えた前記ドライヤー５１ｅ２に代えて、又は、該ドライヤー５１ｅ２に加えて、吸湿剤（例えば、シリカゲル、ゼオライト等）を収容した吸着筒を備えていてもよく、前記吸湿剤と前記酸素ガスとを接触させて当該酸素ガスに含まれている水分を取り除くようにしてもよい。

前記分離容器５１ａの内部に形成されている前記分離空間では酸素ガスが加圧状態となっており、本実施形態の酸素ガス移送経路５１ｂでは、分離容器５１ａ内の酸素ガスの圧力によって前記分離空間から前記水素ガス濃度計６へ酸素ガスが圧送されるようになっている。
本実施形態の水素・酸素発生装置１は、前記水素ガス濃度計６を通過した後の酸素ガスを大気放出するように構成されており、前記分離容器５１ａの圧力を前記酸素ガスの移送に最大限活用できるようになっている。

前記回収部５１には、前記分離容器５１ａの加圧状態の前記酸素ガスの圧力を基準圧力以下に保持する弁５１ｃをさらに有する。
前記弁５１ｃとしては、例えば、逆止弁、背圧弁、リリーフ弁、調節弁などが挙げられる。
前記弁５１ｃは、前記分離容器５１ａの加圧状態の前記酸素ガスの圧力（ゲージ圧）を、好ましくは０Ｐａを超え１００ｋＰａ以下、より好ましくは５ｋＰａ以上２０ｋＰａ以下の範囲内に保持する弁である。

前記弁５１ｃは、酸素ガス移送経路５１ｂから酸素ガスを排出するように設けられていても、前記分離容器５１ａから直接酸素ガスを排出するように設けられていてもよい。
本実施形態においては、前記回収部５１が、前記酸素ガス移送経路５１ｂから分岐し、前記酸素ガス移送経路５１ｂで移送する酸素ガスの一部を大気に放出する放出経路５１ｄをさらに有し、前記弁５１ｃは、放出経路５１ｄに設けられている。

本実施形態の前記回収部５１では、前記放出経路５１ｄと前記酸素ガス移送経路５１ｂとの接続箇所５１ｆが前記水分除去部５１ｅよりも上流側に設けられている。
即ち、本実施形態の前記回収部５１では、前記水素ガス濃度計６に供給されずに系外に放出される酸素ガスにまで水分除去が行われないようにして、前記ドレンポット５１ｅ１や前記ドライヤー５１ｅ２の低容量化が図られている。

前記弁５１ｃは、前記分離空間の酸素ガスの圧力を所定範囲に保持する保圧機構として機能する。
本実施形態の前記回収部５１では、このような保圧機構により前記水素ガス濃度計６への酸素ガスの安定供給が可能となっている。

前記回収部５１は、前記分離空間で排出水から分離された前記酸素ガスを上記のように系外に排出するように構成されているとともに前記酸素ガスが分離された後の水（未分解水）を前記貯留タンク３に向けて移送し得るように構成されている。

本実施形態の前記回収部５１では、前記分離空間が前記貯留タンク３よりも高圧となっており、前記貯留タンク３と前記分離空間との圧力差によって前記分離空間から前記貯留タンク３へ水が圧送されるようになっている。
本実施形態においては、前記貯留タンク３と前記分離空間とに圧力差が設けられているため、前記貯留タンク３から前記回収部５１への水の逆流が防止でき、水の流れを前記回収部５１から前記貯留タンク３への一方通行とすることができる。
このため、本実施形態では貯留タンク３の水に溶存しているガスが前記水素ガス濃度計６に影響することを抑制でき、前記水素ガス濃度計６で高い測定精度を保つことができる。

前記の通り、本実施形態の前記回収部５１は、保圧機構として機能する弁５１ｃを備えている。
従って、本実施形態の前記回収部５１では、前記水素ガス濃度計６への酸素ガスの安定供給が可能となっているだけでなく、貯留タンク３への水の返送にも安定性が発揮されている。

本実施形態の前記返送経路５には、前記水排出口５１ａ３から排出された水を前記貯留タンク３に移送する水移送経路５１ｇが設けられている。

前記水移送経路５１ｇは、前記回収部５１で酸素ガスが回収された後の水が前記貯留タンク３の下端３１よりも下側を通って前記貯留タンク３に返送されるように配されている。
このことにより、前記分離容器５１ａと前記貯留タンク３との間には前記貯留タンク３の水位よりも大きな水頭差を確保することができ、前記分離容器５１ａから前記貯留タンク３へと酸素ガスが持ち込まれることを抑制することができる。

本実施形態に係る水素・酸素発生装置１では、前記貯留タンク３内が大気圧状態となっており、前記分離容器５１ａの酸素ガスが加圧状態となっていることにより、前記貯留タンク３と前記分離容器５１ａとの間に水位差ｈ１が生じる。

前記貯留タンク３の容量Ｖ_２に対する、前記分離容器５１ａの容量Ｖ_３の比（Ｖ_３／Ｖ_２）は、例えば、１／２０～１／４であり、より具体的には、１／１０～１／５である。

排出水が気液分離しやすくなるという観点から、管状の前記分離容器５１ａに流入する前記排出水の流速は、好ましくは２ｍ／ｓｅｃ以下、より好ましくは０．５ｍ／ｓｅｃ以上１．５ｍ／ｓｅｃ以下であり、特に好ましくは１ｍ／ｓｅｃである。

前記水位差ｈ１は、前記弁５１ｃで制御される分離空間の圧力により調整可能である。
即ち、前記弁５１ｃは、前記貯留タンク３へ酸素ガスが導入されることを抑制する手段としても利用可能である。
前記貯留タンク３へ酸素ガスの導入の抑制には、前記水移送経路５１ｇの下端と前記貯留タンク３の下端３１との高低差ｈ２を調整する方法も有効である。

本実施形態における前記回収部５１は、前記分離容器５１ａで気体状態になっている酸素ガスを１００％回収することが好ましいが、必ずしも、酸素ガスを１００％回収しなくてもよい。
この場合、前記回収部５１で回収できなかった残りの酸素ガスは、前記貯留タンク３で分離されて系外に放出されることになる。

本実施形態の前記回収部５１は、陰極側に形成されている第２の返送経路１１からは外れた第１の前記返送経路５にて酸素ガスを回収しているため、前記貯留タンク３に前記第２の返送経路１１を通じて溶存水素が持ち込まれることがあっても、当該溶存水素によって水素ガス濃度計６に誤検知が生じるおそれを抑制することができる。
即ち、本実施形態の水素・酸素発生装置１は、酸素ガスへの水素ガスの混入を迅速に検知し得るという利点を有するだけでなく、酸素ガスに混入した水素ガスの量を精度よく測定することができるという利点を有する。

なお、本発明に係る水素・酸素発生装置は、上記実施形態に限定されるものではない。
また、本発明に係る水素・酸素発生装置は、上記した作用効果によって限定されるものでもない。
さらに、本発明に係る水素・酸素発生装置は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

１：水素・酸素発生装置、２：水電解モジュール、３：貯留タンク、４：供給経路、５：返送経路、６：水素ガス濃度計、７：第１分離タンク、８：除湿部、９：水素ガス収容部、１０：第２分離タンク、２１：水供給口、２２：第１排出口、２３：第２排出口、３１：（貯留タンクの）下端、４１：ポンプ、５１：回収部、５１ａ：分離容器、５１ａ１：排出水供給口、５１ａ２：ガス排出口、５１ａ３：水排出口、５１ｂ：酸素ガス移送経路、５１ｃ：弁、５１ｄ：放出経路、５１ｅ：水分除去部、５１ｅ１：ドレンポット、５１ｅ２：ドライヤー、５１ｆ：接続箇所、５１ｇ：水移送経路、ｈ１：水位差

Claims (8)

1. 水を電気分解して水素ガスと酸素ガスとを発生させる水電解モジュールを備え、
   該水電解モジュールは、水素ガスを発生させる陰極室と、酸素ガスを発生させる陽極室とを有し、前記陽極室から排出される排出水として酸素ガスを含む水を排出するように構成されており、
   前記水電解モジュールに供給するための水を貯留する貯留タンクと、
   前記貯留タンクから前記水電解モジュールの前記陽極室に水を供給する供給経路と、
   前記排出水を前記水電解モジュールから前記貯留タンクに返送する返送経路と、を備え、
   前記返送経路には前記排出水が水と酸素ガスとに気液分離される分離空間が設けられ且つ前記酸素ガスを回収する回収部が備えられ、
   前記分離空間の酸素ガスの圧力を所定範囲に保持する保圧機構と、前記回収部で回収された酸素ガス中の水素ガス濃度を測定する水素ガス濃度計とをさらに備え、前記保圧機構が弁である、水素・酸素発生装置。
2. 水を電気分解して水素ガスと酸素ガスとを発生させる水電解モジュールを備え、
   該水電解モジュールは、水素ガスを発生させる陰極室と、酸素ガスを発生させる陽極室とを有し、前記陽極室から排出される排出水として酸素ガスを含む水を排出するように構成されており、
   前記水電解モジュールに供給するための水を貯留する貯留タンクと、
   前記貯留タンクから前記水電解モジュールの前記陽極室に水を供給する供給経路と、
   前記排出水を前記水電解モジュールから前記貯留タンクに返送する返送経路と、を備え、
   前記返送経路には前記排出水から酸素ガスを回収する回収部が備えられ、前記返送経路は前記回収部で酸素ガスが回収された後の水が前記貯留タンクの下端よりも下側を通って前記貯留タンクに返送されるように設けられており、
   前記回収部で回収された酸素ガス中の水素ガス濃度を測定する水素ガス濃度計をさらに備えている、水素・酸素発生装置。
3. 前記回収部には前記排出水が水と酸素ガスとに気液分離される分離空間が設けられ、
   前記回収部は、前記分離空間において前記排出水から分離された酸素ガスが該分離空間の上方へ移動するとともに酸素ガスが分離された水が重力によって下方へと移動するよう構成されている請求項１又は２に記載の水素・酸素発生装置。
4. 前記分離空間では酸素ガスが加圧状態となっており、該酸素ガスの圧力によって前記分離空間から前記水素ガス濃度計へ酸素ガスが圧送される請求項１乃至３の何れか１項に記載の水素・酸素発生装置。
5. 前記分離空間が前記貯留タンクよりも高圧となっており、前記貯留タンクと前記分離空間との圧力差によって前記分離空間から前記貯留タンクへ水が圧送される請求項１乃至４の何れか１項に記載の水素・酸素発生装置。
6. 前記陰極室から水を含んだ状態の水素ガスが排出され、
   前記回収部が備えられている前記返送経路とは別に前記水素ガスから分離された水を前記貯留タンクに返送する第２の返送経路が備えられている請求項１乃至５の何れか１項に記載の水素・酸素発生装置。
7. 前記回収部には前記気液分離を行うための分離容器を構成する鉛直方向に延びる管が設けられており、該管の内部に前記分離空間が形成されている請求項１乃至６の何れか１項に記載の水素・酸素発生装置。
8. 前記回収部は、回収した前記酸素ガスから水分を除去する水分除去部をさらに有し、
   前記水素ガス濃度計では前記水分除去部で水分が除去された酸素ガス中の水素ガス濃度が測定される請求項１乃至７の何れか１項に記載の水素・酸素発生装置。

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