(57)【要約】【課題】  短時間で定常圧力になるように運転でき、かつ電解質膜の両側に差圧が生じないように圧力を制御できる高圧水素発生装置を提供する。【解決手段】  水素ライン(7) において水素気液分離器(8) から水素タンク(6) までの部分に並列して、水素タンク(6) から水素気液分離器(8) へ水素を供給する水素供給ライン(17)が配設されている。水素供給ライン(17)には圧力制御弁(18)および逆止弁(19)が設けられている。水素ライン(7) にも水素圧制御弁(9) の下流に逆止弁(20)が設けられ、また水素気液分離器(8) の下流には圧力計(21)が設けられている。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力容器内に設置され、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水電解槽と、純水タンクから水電解槽へ水を送る給水ラインと、水電解槽の陰極にて発生した水素を水素タンクへ導く水素ラインと、水素タンクの上流にて水素ライン上に設けられかつ水素と水とを分離する水素気液分離器と、水素気液分離器と水素タンクの間にて水素ラインに設けられた水素圧制御弁と、水電解槽の陽極にて発生した酸素を陽極側に連通した圧力容器内から所望箇所へ導く酸素ラインと、酸素ラインに設けられた酸素圧制御弁とを備えてなる固体高分子型水電解装置において、
水素タンクから水素気液分離器へ水素を供給する水素供給ラインが配設され、水素供給ラインに圧力制御弁が設けられていることを特徴とする高圧容器収納型水電解水素発生装置。
【請求項２】
圧力容器内に設置され、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水電解槽と、純水タンクから水電解槽へ水を送る給水ラインと、水電解槽の陰極にて発生した水素を陰極側に連通した圧力容器内から水素タンクへ導く水素ラインと、圧力容器と水素タンクの間にて水素ラインに設けられた水素圧制御弁と、水電解槽の陽極にて発生した酸素を酸素気液分離器を経て所望箇所へ導く酸素ラインと、酸素気液分離器の下流にて酸素ラインに設けられた酸素圧制御弁とを備えてなる固体高分子型水電解装置において、
水素タンクから水素気液分離器へ水素を供給する水素供給ラインが配設され、水素供給ラインに圧力制御弁が設けられていることを特徴とする高圧容器収納型水電解水素発生装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の高圧容器収納型水電解水素発生装置の運転方法であって、同装置を常圧もしくは定常圧力より低い状態から立上げる際に水素供給ラインを経て水素タンクから気液分離器へ水素を供給すると共に、水電解槽の陽極側に圧力調整された電解用の水を供給することを特徴とする運転方法。
【請求項４】
請求項３記載の運転方法において、水素気液分離器の圧力と水電解槽の陽極側に供給すれる電解用の水の圧力差が１ＭＰａ以内になるように水供給圧力を調整することを特徴とする運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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水電解水素発生装置に関し、より詳しくは、低圧水素ガス例えば１０ＭＰａ程度、および、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の高圧水素ガスを発生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槽に関する。
【背景技術】
【０００２】
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電解水素発生装置は、既に知られている。容器収納型水電解水素発生装置は、上記のような固体高分子型水電解槽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。
【０００３】
従来の容器収納型水電解水素発生装置では、装置立上げの際に、水電解により水素と酸素を発生させて容器内および気液分離器内の圧力を定常圧まで上昇させていた（特許文献１参照）。
【０００４】
上記のような構造では、容器内および気液分離器内の圧力を大気圧から数十ＭＰａに上げる場合、数十分から数時間もの長い時間を要していた。時間短縮のために供給水を高圧で供給することは可能であるが、同時に陰極側（水素側）を昇圧させて電解質膜の両側に差圧が生じないようにしないと電解質膜が破損してしまう。
【特許文献１】特願２００４−０６０００２号明細書および図面
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記のような実状に鑑み、短時間で定常圧力になるように運転でき、かつ電解質膜の両側に差圧が生じないように圧力を制御できる高圧水素発生装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に係る発明は、
圧力容器内に設置され、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水電解槽と、純水タンクから水電解槽へ水を送る給水ラインと、水電解槽の陰極にて発生した水素を水素タンクへ導く水素ラインと、水素タンクの上流にて水素ライン上に設けられかつ水素と水とを分離する水素気液分離器と、水素気液分離器と水素タンクの間にて水素ラインに設けられた水素圧制御弁と、水電解槽の陽極にて発生した酸素を陽極側に連通した圧力容器内から所望箇所へ導く酸素ラインと、酸素ラインに設けられた酸素圧制御弁とを備えてなる固体高分子型水電解装置において、
水素タンクから水素気液分離器へ水素を供給する水素供給ラインが配設され、水素供給ラインに圧力制御弁が設けられていることを特徴とする高圧容器収納型水電解水素発生装置である。
【０００７】
請求項２に係る発明は、
圧力容器内に設置され、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水電解槽と、純水タンクから水電解槽へ水を送る給水ラインと、水電解槽の陰極にて発生した水素を陰極側に連通した圧力容器内から水素タンクへ導く水素ラインと、圧力容器と水素タンクの間にて水素ラインに設けられた水素圧制御弁と、水電解槽の陽極にて発生した酸素を酸素気液分離器を経て所望箇所へ導く酸素ラインと、酸素気液分離器の下流にて酸素ラインに設けられた酸素圧制御弁とを備えてなる固体高分子型水電解装置において、
水素タンクから水素気液分離器へ水素を供給する水素供給ラインが配設され、水素供給ラインに圧力制御弁が設けられていることを特徴とする高圧容器収納型水電解水素発生装置である。
【０００８】
請求項３に係る発明は、
請求項１または２記載の高圧容器収納型水電解水素発生装置の運転方法であって、同装置を常圧もしくは定常圧力より低い状態から立上げる際に水素供給ラインを経て水素タンクから気液分離器へ水素を供給すると共に、水電解槽の陽極側に圧力調整された電解用の水を供給することを特徴とする運転方法である。
【０００９】
請求項４に係る発明は、
請求項３記載の運転方法において、水素気液分離器の圧力と水電解槽の陽極側に供給すれる電解用の水の圧力差が１ＭＰａ以内になるように水供給圧力を調整することを特徴とする運転方法である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、高圧水素発生装置を短時間で定常圧力になるように運転することができる。加えて、水素タンクに蓄えられていた水素を水素気液分離器に供給すると共にその圧力と同程度で電解用の水を電解槽に供給することにより、電解質膜の両側に差圧が生じないようにして電解質膜が破損するのを確実に防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明を具体的に説明するために、本発明の実施例をいくつか挙げる。
【００１２】
実施例１
図１において、高圧容器収納型水電解水素発生装置は、圧力容器(1) 内に設置され、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水電解槽(2) と、純水タンク(3) から水電解槽(2) へ水を送る給水ライン(5) と、水電解槽(2) の陰極にて発生した水素を水素タンク(6) へ導く水素ライン(7) と、水素タンク(6) の上流にて水素ライン(7) 上に設けられかつ水素と水とを分離する水素気液分離器(8) と、水素気液分離器(8) と水素タンク(6) の間にて水素ライン(7) に設けられた水素圧制御弁(9) と、水電解槽(2) の陽極にて発生した酸素を陽極側に連通した圧力容器(1) 内から所望箇所へ導く酸素ライン(10)と、酸素ライン(10)に設けられた酸素圧制御弁(11)とを備えてなる。
【００１３】
圧力容器(1)の底壁から純水タンク(3)へ水循環ライン(12)が配され、同ライン(12)から給水ライン(5) へバイパスライン(13)が配されている。水循環ライン(12)およびバイパスライン(13)にはそれぞれ水流量制御弁(14)(15)が設けられている。酸素ライン(10)には酸素側圧力計(16)が設けられている。給水ライン(5) には給水ポンプ(4) が設けられている。
【００１４】
水素ライン(7) において水素気液分離器(8) から水素タンク(6) までの部分に並列して、水素タンク(6) から水素気液分離器(8) へ水素を供給する水素供給ライン(17)が配設されている。水素供給ライン(17)には圧力制御弁(18)および逆止弁(19)が設けられている。水素ライン(7) にも水素圧制御弁(9) の下流に逆止弁(20)が設けられ、また水素気液分離器(8) の下流には水素側圧力計(21)が設けられている。
【００１５】
酸素ライン(10)の酸素側圧力計(16)が圧力容器(1) 内の圧力を計測し、その計測値と水素側圧力計(21)で計測された水素圧との差圧が生じないように、酸素圧制御弁(11)および水流量制御弁(15)へこれらを制御する信号を送る。このようにして、酸素・水素の差圧制御は水素圧を基準として、それに追従するように酸素側の指令値を出して酸素側圧力を制御する。
【００１６】
上記構成の高圧容器収納型水電解水素発生装置において、給水ライン(5) の給水ポンプ(4) を駆動させて電解用の水を純水タンク(3) から給水ライン(5) を経て水電解槽(2) の陽極側へ供給する。水電解で発生した酸素は水電解槽(2) の陽極側に連通している圧力容器(1) 内で水と気液分離され、酸素ライン(10)を経て所望箇所へ送られる。水電解で発生した水素は水素ライン(7) を経て水電解槽(2) から水素気液分離器(8) へ送られ、ここで水と気液分離され、さらに水素ライン(7) を経て水素タンク(6) へ送られ、ここに高圧状態で蓄えられ、必要に応じて水素ディスペンサー等の所望箇所へ供給される。
【００１７】
高圧容器収納型水電解水素発生装置を常圧もしくは定常圧力より低い状態から立上げる際には、水素タンク(6) 内に蓄えられた高圧水素を水素供給ライン(17)を経て水素気液分離器(8) へ供給し、同分離器(8) 内の水素圧を高める。これと同時に、この圧力と差圧がなるべく生じないように、好ましくは１ＭＰａ以下になるように、純水タンク(3) から水電解槽(2) の陽極側へ供給する電解用の水の圧力を調整する。
【００１８】
実施例２
この実施例では、水電解槽(2) の陰極側が圧力容器(1) に連通している。高圧容器収納型水電解水素発生装置は、図２に示すように、圧力容器(1) 内に設置され、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水電解槽(2) と、純水タンク(3) から水電解槽(2) へ水を送る給水ライン(5) と、水電解槽(2) の陰極にて発生した水素を陰極側に連通した圧力容器(1) 内から水素タンク(6) へ導く水素ライン(7) と、圧力容器(1) と水素タンク(6) の間にて水素ライン(7) に設けられた水素圧制御弁(9) と、水電解槽(2) の陽極にて発生した酸素を酸素気液分離器(22)を経て所望箇所へ導く酸素ライン(10)と、酸素気液分離器(22)の下流にて酸素ライン(10)に設けられた酸素側圧力計(16)および酸素圧制御弁(11)とを備えてなる。
【００１９】
酸素気液分離器(22)から純水タンク(3)へ水循環ライン(12)が配され、同ライン(12)から給水ライン(5) へバイパスライン(13)が配されている。水循環ライン(12)およびバイパスライン(13)にはそれぞれ水流量制御弁(14)(15)が設けられている。給水ライン(5) には給水ポンプ(4) が設けられている。
【００２０】
水素ライン(7) において圧力容器(1) から水素タンク(6) までの部分に並列して、水素タンク(6) から圧力容器(1) へ水素を供給する水素供給ライン(17)が配設されている。水素供給ライン(17)には圧力制御弁(18)および逆止弁(19)が設けられている。水素ライン(7) にも水素圧制御弁(9)の下流に逆止弁(20)が設けられ、また圧力容器(1) の下流には水素側圧力計(21)が設けられている。
【００２１】
酸素ライン(10)の酸素側圧力計(16)が圧力容器(1) 内の圧力を計測し、その計測値と水素側圧力計(21)で計測された水素圧との差圧が生じないように、酸素圧制御弁(11)および水流量制御弁(15)へこれらを制御する信号を送る。このようにして、酸素・水素の差圧制御は水素圧を基準として、それに追従するように酸素側の指令値を出して酸素側圧力を制御する。
【００２２】
上記構成の高圧容器収納型水電解水素発生装置において、給水ライン(5) の給水ポンプ(4) を駆動させて電解用の水を純水タンク(3) から給水ライン(5) を経て水電解槽(2) の陽極側へ供給する。水電解で発生した水素は水電解槽(2) の陰極側に連通している圧力容器(1) 内で水と気液分離され、水素ライン(7) を経て水素タンク(6) へ送られ、ここに高圧状態で蓄えられ、必要に応じて水素ディスペンサー等の所望箇所へ供給される。水電解で発生した酸素は酸素ライン(10)を経て水電解槽(2) から酸素気液分離器(22)へ送られ、ここで水と気液分離され、さらに酸素ライン(10)を経て所望箇所へ供給される。
【００２３】
高圧容器収納型水電解水素発生装置を常圧もしくは定常圧力より低い状態から立上げる際には、水素タンク(6) 内に蓄えられた高圧水素を水素供給ライン(17)を経て圧力容器(1) へ供給し、同容器(1) 内の水素圧を高める。これと同時に、この圧力と差圧がなるべく生じないように、好ましくは１ＭＰａ以下になるように、純水タンク(3) から水電解槽(2) の陽極側へ供給する電解用の水の圧力を調整する。
【００２４】
実施例３
この実施例では、図３に示すように、純水タンク(3) から水電解槽(2) へ水を送る給水ライン(5) 、および、圧力容器(1)の底壁から純水タンク(6)へ水を循環する水循環ライン(12) は、 いずれも圧力容器(1) の底壁を経て水電解槽(2) に直接接続している。
【００２５】
その他の装置構成および装置運転は、実施例１のものと同じである。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】実施例１の高圧容器収納型水電解水素発生装置を示すフローシートである。
【図２】実施例２の高圧容器収納型水電解水素発生装置を示すフローシートである。
【図３】実施例３の高圧容器収納型水電解水素発生装置を示すフローシートである。
【符号の説明】
【００２７】
(1) ：圧力容器
(2) ：水電解槽
(3) ：純水タンク
(5) ：給水ライン
(6) ：水素タンク
(7) ：水素ライン
(8) ：水素気液分離器
(9) ：水素圧制御弁
(10)：酸素ライン
(11)：酸素圧制御弁
(12)：水循環ライン
(13)：バイパスライン
(14)(15)：水流量制御弁
(16)：酸素側圧力計
(17)：水素供給ライン
(18)：圧力制御弁
(19)(20)：逆止弁
(21)：水素側圧力計
(22)：酸素気液分離器
(23)：リリーフ弁
【図１】
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【図２】
2006199995.tif 000004
【図３】
2006199995.tif 000005