(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水を電気分解し、加圧状態に制御された水素および酸素を発生させる高圧型水素酸素発生装置であって、
水の電気分解を行う電解モジュールと、
該電解モジュールで発生した水素から水を分離する水素分離器と、
該電解モジュールで発生した酸素から水を分離する酸素分離器と、
該酸素分離器で分離された水を前記電解モジュールへ循環させる循環水ポンプとが、
加圧状態の不活性ガスが充填された耐圧容器内に収容されてなることを特徴とする高圧型水素酸素発生装置。
【請求項２】
前記酸素分離器で分離された水が、耐圧容器外を経由することなく前記電解モジュールへ循環するように構成されてなることを特徴とする請求項１記載の高圧型水素酸素発生装置。
【請求項３】
前記水素分離器及び前記酸素分離器が前記電解モジュールの上方に配置され、且つ前記循環水ポンプが前記電解モジュールの下方に配置されてなることを特徴とする請求項１又は２に記載の高圧型水素酸素発生装置。
【請求項４】
不活性ガスが、酸素よりも所定の差圧をもって低圧に制御されてなることを特徴とする請求項１〜３に記載の高圧型水素酸素発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水を電気分解して加圧状態で水素および酸素を発生させる高圧型水素酸素発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水素酸素発生装置は、一般に、電解質膜の両側に電極板と給電体とが積層された電解セルを複数組積層した状態で構成される電解モジュールを有し、該電解モジュールに水を供給して電気分解することにより、水素および酸素を発生させるものである。
【０００３】
この水素酸素発生装置の一形態として、高圧型の水素酸素発生装置が知られている。高圧型の水素酸素発生装置は、前記電解モジュールにおける水の電気分解を加圧状態に制御しつつ行うものであり、具体的には、供給する水と、発生する水素および酸素を加圧状態に制御しつつ電気分解するように構成されたものである。
斯かる高圧型の水素酸素発生装置によれば、高圧で発生した水素および酸素をそのまま高圧容器へ供給して貯蔵することが可能となり、加圧するためのコンプレッサーが不要となる。よって、斯かる高圧型の水素酸素発生装置によれば、装置構成の簡略化とエネルギー効率の改善を図ることができる。
【０００４】
しかし、水素および酸素を加圧状態とすべく電解モジュール内を加圧すれば、該電解モジュールを構成するシール部分からガス等が漏洩したり、電解質膜等が損傷するおそれがある。
【０００５】
従来、上記問題を解決すべく、高圧型の水素酸素発生装置として、図２に示したような電解モジュール５２を電解タンクと称する圧力容器５３内へ収容してなるものが用いられている。
【０００６】
斯かる従来の高圧型水素酸素発生装置５１は、電解モジュール５２で発生した酸素および余剰の循環水をそのまま電解タンク５３内に放出させ、該電解タンク５３内（即ち、発生した水素および循環水）を水素分離タンク５４（即ち、発生した水素）と略同圧に保つように構成されたものである。このように、水素分離タンク５４と略同圧の加圧状態に制御された電解タンク５３内に電解モジュール５２を収容すると、電解モジュール５２内の圧力と電解モジュール５２外の圧力とを均衡させることができ、シール部からのガス等の漏洩や電解質膜等の損傷を防止することができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のような従来の高圧型水素酸素発生装置５１に於いては、該電解タンク５３内に収容される電解モジュール５２以外の機器については、耐圧用の機器や配管等を使用する必要がある。例えば、図２の高圧型水素酸素発生装置５１では、循環水用のポンプ５５や、熱交換器５６、イオン交換樹脂５７、フィルタ５８、および水素から水を分離するための水素分離タンク５４、並びに、これらの機器を接続するための配管やバルブ等について、全て耐圧用の機器を使用する必要がある。
【０００８】
耐圧用の機器や配管等は非常に高価でありコストアップの要因となる。また、耐圧用の機器は、その肉厚のために重量が大きく水素酸素発生装置全体としての重量増加を招くこととなる。そして、このような問題は、ガスの圧力をより高くしようとするほど顕著となる。
特に、圧力が１ＭＰａ以上となる場合には高圧ガス保安法の規制対象ともなるため、これらの機器全てを高圧ガス認定品もしくは高圧ガス合格品とする必要があり、余分な納期がかかるといった調達上の制約も生じることとなる。
【０００９】
そこで本発明は、発生する水素および酸素をより高圧にした場合であっても、装置全体の重量増加を抑制することのできる高圧型水素酸素発生装置を提供することを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決すべく、本発明は、水を電気分解し、加圧状態に制御された水素および酸素を発生させる高圧型水素酸素発生装置であって、水の電気分解を行う電解モジュールと、該電解モジュールで発生した水素から水を分離する水素分離器と、該電解モジュールで発生した酸素から水を分離する酸素分離器と、該酸素分離器で分離された水を前記電解モジュールへ循環させる循環水ポンプとが、加圧状態の不活性ガスが充填された耐圧容器内に収容されてなることを特徴とする高圧型水素酸素発生装置を提供する。
【００１１】
斯かる構成の高圧型水素酸素発生装置によれば、電解モジュールだけでなく、該電解モジュールで発生した水素から水を分離する水素分離器や、該電解モジュールで発生した酸素から水を分離する酸素分離器、並びに酸素分離器から前記電解モジュールへ水を循環させる循環水ポンプ、並びにこれらを接続する配管やバルブ等が、不活性ガスによって加圧された耐圧容器内に収容されてなるため、これら全ての機器等についても内外圧力差を低減でき、より低圧用の軽いものを使用することができる。
【００１２】
また、耐圧容器内には不活性ガスが充填されているため、循環水ポンプやその他計測機器等の電装品を収容することが容易となり、且つこれらの機器を構成する部材の劣化を防止することも可能となる。
【００１３】
また、本発明は、前記高圧型水素酸素発生装置に於いて、前記酸素分離器で分離された水が、耐圧容器外を経由することなく前記電解モジュールへ循環するように構成されてなることを特徴とする。
【００１４】
斯かる構成の高圧型水素酸素発生装置によれば、酸素分離器から電解モジュールへ至るまでの途中に配置される全ての機器および配管についてその内外圧力差を低減することが可能となり、より一層の軽量化を図ることが可能となる。
【００１５】
更に、本発明は、前記高圧型水素酸素発生装置に於いて、前記水素分離器及び前記酸素分離器（以下、これらを総称して「分離器」ともいう）が、前記電解モジュールの上方に配置され、且つ前記循環水ポンプが前記電解モジュールの下方に配置されてなることを特徴とする。
【００１６】
斯かる構成の高圧型水素酸素発生装置によると、これらの構成機器が電解モジュールを中心として上下方向に延びた機器配置となるため、該機器を収容する耐圧容器として縦長の円筒形状のものを使用することができる。よって、内容積が等しい耐圧容器のうちでも、より肉厚の薄いものを使用することが可能となり、重量増加を抑制することができる。
また、分離器を電解モジュールの上方に配置することによって発生したガスがスムーズに分離器へ流れることとなり、同時に分離器の下部に溜まった循環水による水封作用を得やすいものとなる。
さらに、循環水ポンプを電解モジュールの下方に配置することによって循環水ポンプ内にガスが滞留するのを防止することもできる。
【００１７】
また、本発明は、前記高圧型水素酸素発生装置に於いて、不活性ガスが、酸素よりも所定の差圧をもって低圧に制御されてなることを特徴とする。
【００１８】
不活性ガスの圧力が酸素の圧力よりも低圧に制御されていると、循環水ポンプのシール部等からの不活性ガスの混入を防止でき、発生する水素および酸素を高純度に保つことができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る高圧型水素酸素発生装置の実施の形態について、図面に基づいて詳細に説明する。
【００２０】
図１は、本発明に係る高圧型水素酸素発生装置の一実施形態を示した概念図である。図１に示したように、本実施形態に係る高圧型水素酸素発生装置１は、水を電気分解して酸素および水素を発生させる電解モジュール２を中央に備え、該電解モジュール２の陽極室で発生した酸素を貯留する酸素分離タンク３と、該電解モジュール２の陰極室で発生した水素を貯留する水素分離タンク４とを該電解モジュール２の上方に備えてなる。また、該水素酸素発生装置１は、前記酸素分離タンク３で分離された水を再び電解モジュール２へ供給するための循環水ポンプ５を電解モジュール２の下方に備え、且つ、熱交換器６、イオン交換樹脂７、フィルタ８および流量計９を、前記循環水ポンプ５から電解モジュール２に至る循環水経路中に備えてなる。そして、これらの機器は、全て耐圧容器１０の内部に収容された状態で構成されている。
【００２１】
また、酸素分離タンク３には、耐圧容器１０の外部に備えられた純水タンク（図示せず）より補給水ポンプ２０を介して補給水が供給されるように構成されている。一方、水素分離タンク４で分離された水は、耐圧容器１０の外へ排出できるように構成されている。
さらに、電解モジュール２に於いて電気分解に必要な電力は、耐圧容器外に設けられた電源装置（図示せず）より供給されるように構成されている。
【００２２】
また、酸素分離タンク３および水素分離タンク４には、水と分離した酸素および水素を装置外へ導くための配管が備えられ、該配管中には、酸素の圧力を制御するための酸素用圧力調整弁３１、および水素の圧力を制御するための水素用圧力調整弁４１を備える。即ち、酸素用圧力調整弁３１を制御することにより、酸素分離タンク３および電解モジュール２の陽極室の圧力を制御し得るように構成され、水素用圧力調整弁４１を制御することにより、水素分離タンク４および電解モジュール２の陰極室の圧力を制御し得るように構成されている。
【００２３】
そして、これらの機器を収容した耐圧容器１０には窒素供給装置（図示せず）から加圧された窒素ガスが供給可能であり、該耐圧容器内１０内を所定の加圧状態に制御し得るよう構成されている。
【００２４】
また、該耐圧容器１０の好ましい一例として、下側容器１０ａと上側容器１０ｂとからなるカーボンファイバー強化プラスチック製の円筒型容器であり、該下側容器１０ａと該上側容器１０ｂとが、フランジによって結合されてなるものが用いられている。
下側容器１０ａには、水素及び酸素の取り出し用の配管や、補給水の供給用配管、電力供給用の配線、窒素供給用の配管が設けられ、上側容器１０ｂには、耐圧容器１０内の水素および酸素の濃度を測定する濃度計１５、および安全弁１６が設置されて構成されている。
【００２５】
電解モジュール２、酸素分離タンク３、水素分離タンク４および循環水ポンプ５等は、通常の水素酸素発生装置と同様に接続されている。具体的には、酸素分離タンク３で酸素と分離された水が循環水ポンプ５、熱交換器６、イオン交換樹脂７、フィルタ８および流量計９を通って電解モジュール２へ供給され、また、電解モジュール２で発生した水素および酸素は、それぞれ水素分離タンク４、酸素分離タンク３へ排出され、同伴した水と分離されるように構成されている。そして、本実施形態に於いては、これらの機器が全て耐圧容器１０内に収容されており、前記酸素分離タンク３で分離された水はこれらの機器を経由し、耐圧容器１０の外部を経由することなく、前記電解モジュールへ循環されるように構成されている。
【００２６】
次に、各流体の圧力制御について説明する。水素用圧力調整弁４１によって制御される水素の圧力は、該高圧型水素酸素発生装置１の用途として必要とされる水素の圧力とする。好ましくは、０．４〜３５ＭＰａ程度の圧力となるように制御する。
酸素用圧力調整弁３１によって制御される酸素の圧力は、前記水素の圧力よりも、やや低い圧力とする。好ましくは、該酸素の圧力を前記水素の圧力よりも０．１〜０．４ＭＰａ程度低い値となるように制御する。
さらに、耐圧容器１０に充填される窒素の圧力は、前記酸素の圧力よりもやや低い圧力とする。好ましくは、該窒素の圧力を前記酸素の圧力よりも０．１〜０．４ＭＰａ程度低い値となるように制御する。
【００２７】
斯かる構成の高圧型水素酸素発生装置１によると、耐圧容器１０内に備えられた全機器は、その内外の圧力差が水素の制御圧力と窒素の制御圧力との差に抑えられ、上記の好ましい態様を例にすると、０．２〜０．８ＭＰａ程度の範囲内となる。
従って、上記実施形態によれば、電解モジュール２、酸素分離タンク３、水素分離タンク４、循環水ポンプ５、熱交換器６、イオン交換樹脂７、フィルタ８、流量計９のみならず、これらを接続するために設けられる全ての配管、バルブ、計器類等について、通常圧力用の機器を使用することが可能となる。
【００２８】
即ち、本実施形態に係る高圧型水素酸素発生装置１によれば、耐圧容器内１０に収容される全ての機器について通常圧力用のものを使用することができるため、ガスの圧力を高圧にした場合であっても装置重量の増大を抑制することができ、機器配置のコンパクト化やコストダウンを図ることが可能となる。
【００２９】
また、本実施形態に係る高圧型水素酸素発生装置１によれば、耐圧容器１０内に窒素ガスが充填されているため、従来のように水を充填した場合と比べて、該耐圧容器１０や電解モジュール２等が劣化され難いものとなる。
【００３０】
加えて、水による電気計装品への悪影響がないため、従来、電解タンク内へ設置するのが困難であった電装品、例えば循環水ポンプや各種計測器についても、耐圧容器内へ設置することが容易となる。
【００３１】
また、上記実施形態では耐圧容器１０内外の流体等の取り合いを、下部容器１０ａを介して行うこととしているため、上部容器１０ｂについては取り外し容易となる。よって、耐圧容器１０内に収容した機器について、メンテナンス性に優れたものとなる。
【００３２】
さらに、上記実施形態によれば、酸素分離タンク３と、水素分離タンク４とが、電解モジュール２の上方に備えられているため、これらのタンク下部と接続された電解モジュールには、発生した水素および酸素が逆流し難いという、いわゆる水封作用が得られることとなる。斯かる水封作用によれば、一旦生成した水素と酸素が逆反応によって消費されるのを防止し、電解効率の向上を図ることができる。
【００３３】
さらに、本実施形態に係る高圧型水素酸素発生装置１によれば、密閉された耐圧容器１０内にこれらの機器が備えられているため、ガスが漏洩した場合にも直ちに濃度計１５によってこれを検知することが可能となり、装置の安全性を高めることができる。
【００３４】
また、本発明に係る高圧型水素酸素発生装置によれば、耐圧容器内に収容された機器が直接外気と接することがないため、外気温による影響が極めて少ないものとなる。従って、例えば、寒冷地等では耐圧容器内に収容された電解モジュールや配管等の凍結を防止することができ、また、運転中に於ける循環水の温度制御も容易となる。
【００３５】
尚、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、必要に応じて他の機器を耐圧容器内に収容することも可能である。逆に、電解モジュール、酸素分離タンク、水素分離タンクおよび循環水ポンプ以外のもの、例えば、熱交換器、イオン交換樹脂等については、適宜、耐圧容器外に設置することも可能である。
また、水素酸素発生装置として必要な他の機器、例えば、生成ガスの除湿を行うための除湿器や、電解モジュールへの電力供給に必要な整流装置等を必要に応じて耐圧容器の内外のいずれに設置することもできる。
【００３６】
また、耐圧容器１０の材質についても特に限定されるものではなく、強度が高く且つ軽量なものであればよい。例えば、前記実施例のカーボンファイバーをケブラーファイバーとすることも可能である。
【００３７】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る高圧型水素酸素発生装置によれば、水素および酸素の圧力をより高圧にした場合であっても、装置全体の重量増加を抑制し、装置のコストダウンを図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る高圧型水素酸素発生装置の一実施形態を示した概略図。
【図２】従来の高圧型水素酸素発生装置を示した概略図。
【符号の説明】
１…高圧型水素酸素発生装置、２…電解モジュール、３…酸素分離タンク、
４…水素分離タンク、５…循環水ポンプ、６…熱交換器、７…イオン交換樹脂
８…フィルタ、９…流量計、１０…耐圧容器、１５…濃度計、１６…安全弁
２０…補給水ポンプ、３１…酸素用圧力調整弁、４１…水素用圧力調整弁
【図１】
0003631476.tif 000002
【図２】
0003631476.tif 000003