(57)【要約】【解決手段】  該圧力容器(3) を構成する一方の端壁(2)に水電解槽設置用のプレート(4)が内方突状に設けられている。該プレートに複数の水電解槽(5)(6)(7)が容器の長さ方向に一列に並んで設置されている。該端壁およびプレートにこれらを貫通する水供給路(11)、水素排出路(12)および酸素排出路(13)が、水電解槽の水供給ヘッダ(8)：、水素ヘッダ(9)：および酸素ヘッダ(10)にそれぞれ通じるように設けられている。【効果】  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槽における容器収納型水電解槽を提供することができる。【選択図】    図１
2006299390.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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が圧力容器に収められてなる水電解装置において、
該圧力容器を構成する一方または両方の端壁に水電解槽設置用のプレートが内方突状に設けられ、
該プレートに複数の水電解槽が容器の長さ方向に一列に並んで設置され、
該端壁およびプレートにこれらを貫通する水供給路、水素排出路および酸素排出路が、水電解槽の水供給ヘッダ、水素ヘッダおよび酸素ヘッダにそれぞれ通じるように設けられている
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槽。
【請求項２】
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が圧力容器に収められてなる水電解装置において、
該圧力容器を構成する一方または両方の端壁に水電解槽設置用のプレートが内方突状に設けられ、
該プレートに複数の水電解槽が容器の長さ方向に一列に並んで設置され、
該端壁およびプレートにこれらを貫通する水供給路および酸素排出路が、水電解槽の水供給ヘッダおよび酸素ヘッダにそれぞれ通じるように設けられ、
圧力容器に水素取出し口が設けられている
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槽。
【請求項３】
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が圧力容器に収められてなる水電解装置において、
該圧力容器を構成する一方または両方の端壁に水電解槽設置用のプレートが内方突状に設けられ、
該プレートに複数の水電解槽が容器の長さ方向に一列に並んで設置され、
該端壁およびプレートにこれらを貫通する水素排出路が、水電解槽の水素ヘッダに通じるように設けられ、
圧力容器に水供給口および酸素取出し口が設けられている
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槽。
【請求項４】
該水電解槽は方形の単位セルが多数積層されてなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の水電解水素発生装置における容器収納型水電解槽。
【請求項５】
電源の陽極が圧力容器と絶縁的に水電解槽の陽極に接続され、電源の陰極が圧力容器を構成する端壁およびプレートを介して水電解槽の陰極に接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の水電解水素発生装置における容器収納型水電解槽。
【請求項６】
複数の水電解槽が電源に並列に接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の水電解水素発生装置における容器収納型水電解槽。
【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、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、特にその容器収納型水電解槽に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の容器収納型水電解槽は、図１０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、一側壁に水入口を、他側壁に水・酸素排出口を有し、水電解槽(120)を収める圧力容器(121)と、同容器(121)の頂壁に設けられた水素ガス取出し装置(122)とを主体として構成されたものである（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−２９１４号公報、特にその実施例１および図１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記のような構成の容器収納型水電解槽では、固体高分子型水電解槽(120) は圧力容器(121)の底壁上面に直接設置されているため、水電解槽(120) の個数は１個にすぎなかった。したがって、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か、セル面積を大きくする必要がある。しかし、単位セルの積層数を増すと、シール箇所が増えてシール部の信頼性が低下する上に、大容量水電解槽の組立が困難になる。また、セル面積を大きくすると、圧力容器の必要肉厚がセル直径と比例して増大し、容器の大口径化によるコストアップをまねく。
【０００４】
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容器収納型水電解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】
【０００５】
本発明は、上記課題を解決すべく工夫されたものである。
【０００６】
請求項１に係る発明は、
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が圧力容器に収められてなる水電解装置において、
該圧力容器を構成する一方または両方の端壁に水電解槽設置用のプレートが内方突状に設けられ、
該プレートに複数の水電解槽が容器の長さ方向に一列に並んで設置され、
該端壁およびプレートにこれらを貫通する水供給路、水素排出路および酸素排出路が、水電解槽の水供給ヘッダ、水素ヘッダおよび酸素ヘッダにそれぞれ通じるように設けられている
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槽である。
【０００７】
請求項２に係る発明は、
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が圧力容器に収められてなる水電解装置において、
該圧力容器を構成する一方または両方の端壁に水電解槽設置用のプレートが内方突状に設けられ、
該プレートに複数の水電解槽が容器の長さ方向に一列に並んで設置され、
該端壁およびプレートにこれらを貫通する水供給路および酸素排出路が、水電解槽の水供給ヘッダおよび酸素ヘッダにそれぞれ通じるように設けられ、
圧力容器に水素取出し口が設けられている
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槽である。
【０００８】
請求項３に係る発明は、
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が圧力容器に収められてなる水電解装置において、
該圧力容器を構成する一方または両方の端壁に水電解槽設置用のプレートが内方突状に設けられ、
該プレートに複数の水電解槽が容器の長さ方向に一列に並んで設置され、
該端壁およびプレートにこれらを貫通する水素排出路が、水電解槽の水素ヘッダに通じるように設けられ、
圧力容器に水供給口および酸素取出し口が設けられている
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槽である。
【０００９】
請求項１〜３に係る発明において、圧力容器は、例えば、有底円筒体からなる容器本体と、その開口を塞ぐ蓋体すなわち端壁とから構成されたもの、円筒体からなる胴体と、その両端開口を塞ぐ端壁とから構成されたもの等であってよい。水電解槽設置用のプレートは圧力容器を構成する一方の端壁だけに設けられても圧力容器を構成する両方の端壁に設けられてもよい。後者の場合、両方の端壁に水電解槽設置用のプレートがそれぞれ片持ち状に設けられてもよいし、両方の端壁に１枚のプレートが架け渡されてもよい。
【００１０】
水電解槽は、複極板、陽極給電体、電極接合体膜および陰極給電体から主として構成された単位セルが多数積層されたものである。
【００１１】
本発明による容器収納型水電解水素発生装置は縦置きにも横置きにも据えることができる。
【００１２】
請求項４に係る発明は、該水電解槽が方形の単位セルが多数積層されてなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の水電解水素発生装置における容器収納型水電解槽である。単位セルの形状は長方形または正方形であり、これらは四角部を丸めたものでもよい。方形の単位セルが多数積層されてなる水電解槽の形状は、直方体または立方体である。
【００１３】
請求項５に係る発明は、電源の陽極が圧力容器と絶縁的に水電解槽の陽極に接続され、電源の陰極が圧力容器を構成する端壁およびプレートを介して水電解槽の陰極に接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の水電解水素発生装置における容器収納型水電解槽である。電源の陽極を水電解槽の陽極に接続する陽極導線は通常は圧力容器の端壁を絶縁的に貫通するが、圧力容器の周壁を絶縁的に貫通してもよい。電源の陰極を水電解槽の陰極に接続する陰極導線は通常は圧力容器の端壁に接続されている。圧力容器の端壁は周壁とは電気的に絶縁されている。
【００１４】
請求項６に係る発明は、複数の水電解槽が電源に並列に接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の水電解水素発生装置における容器収納型水電解槽である。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１〜３に係る発明によれば、プレートに複数の水電解槽を設置するので、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、単位セルの総数を増すことができる。したがって、多積層によるシール部の信頼性低下をまねくことなく大量の水素を発生させることができる上に、装置のコンパクト化により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。
【００１６】
また、複数の水電解槽はプレートに容器の長さ方向に一列に並べられ設置されているので、装置の大容量化のためセル面積を拡大する場合のように圧力容器の肉厚を増す必要はなく、容器の小口径化によるコストアップを達成して大容量化を図ることができる。
【００１７】
請求項４に係る発明によれば、水電解槽は方形のセルが多数積層されてなるものであるので、このセルのユニット化による水電解槽の標準化を図ることができる。
【００１８】
請求項５に係る発明によれば、電源の陽極が圧力容器と絶縁的に水電解槽の陽極に接続され、電源の陰極が圧力容器を構成する端壁およびプレートを介して水電解槽の陰極に接続されているので、圧力容器内部へ電流導入端子を装入する必要がなく、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。
【００１９】
請求項６に係る発明によれば、複数の水電解槽は電源に並列に接続されているので、何らかの原因で１つの水電解槽に給電できなくなっても、水素発生は停止せず、連続的な水素製造が可能である。
【００２０】
こうして、本発明によれば、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得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、この発明を実施例に基づいて具体的に説明する。
【００２２】
実施例１
図１および図２において、有底円筒体からなる容器本体(1) と、その開口を塞ぐ蓋体すなわち端壁(2) とから圧力容器(3) が構成されている。容器本体(1) および端壁(2) はステンレス鋼製、スチール製またはチタン製のものであってもよい。容器本体(1) の開口部に設けられたフランジ部と端壁(2) の周縁部はネジ棒・ナット(18)で水密状に締め付けられている。端壁(2)の下部に水供給口(29) が設けられ、端壁(2)の上部には水排出口(30)が設けられている。図１では圧力容器(3) は横置きされているが、縦置きも可能である。
【００２３】
端壁(2) の内面には水平プレート(4) の基端が溶接によって導電的に固定されている。プレート(4) は長方形であって、その幅は水電解槽の幅よりやや大きく、長さは圧力容器の長さより若干小さい。こうして、圧力容器(3) の端壁(2) にプレート(4) が容器内方突状すなわち片持ち状に、容器の長さ方向に容器のほぼ全長に亘って設けられている。
【００２４】
プレート(4) 上に、３基の水電解槽(5) (6) (7) がプレート(4) の長さ方向に一列に設置されている。圧力容器(3) の端壁(2) およびプレート(4) にこれらを貫通する水供給路(11)、水素排出路(12)および酸素排出路(13)が、水電解槽(5) (6) (7) の水供給ヘッダ(8) 、水素ヘッダ(9) および酸素ヘッダ(10)にそれぞれ通じるように設けられている。
【００２５】
各水電解槽(5) (6) (7) は、いずれも、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、陽極主電極(19)と、同主電極(19)とプレート(4) の間に直列に配された複数の単位セル(20)と、複数の単位セル(20)−陽極主電極(19)の組み合わせを両側から挟むプレート(4) および押え板(21)と、プレート(4) および押え板(21)の四隅部を貫通し、複数の単位セル(20)および陽極主電極(19)を両側から締め付けるネジ棒(22)・ナット(23)とから主として構成されている。各ネジ棒(22)の基端部はプレート(4) を貫通してナット(23)と螺合していてもよいし、プレート(4) のねじ穴にねじ込まれていてもよい。１つのセル(20)は、複極板(27)、陽極給電体(24)、電極接合体膜(25)および陰極給電体(26)から主として構成されている。陽極主電極(19)と押え板(21)の間には絶縁層(28)が介在されている。
【００２６】
電源(14)の陽極は圧力容器(3) の端壁(2) を絶縁的に貫通する陽極導線(15)の分岐部(15a)を介して水電解槽(5) (6) (7) の各陽極に設けられた給電端子(32)に接続されている。電源(14)の陰極は陰極導線(16)によって圧力容器(3) の端壁(2) に接続され、端壁(2) に導電的に固定されたプレート(4) を介して水電解槽(5) (6) (7) の各陰極に接続されている。こうして、３基の水電解槽(5) (6) (7) は電源に並列に接続されている。
【００２７】
上記構成の容器収納型水電解槽において、水供給口(29)から圧力容器(3) 内に純水を常時供給して、水電解槽(5) (6) (7) を水没されるように容器内に溜める。なお、圧力容器(3) 内の水圧は、水電解槽(5) (6) (7) への供給水圧力と同じにする。また、水供給路(11)から水電解槽(5) (6) (7) 内に純水を供給する。水電解槽(5) (6) (7) において水の電解により各陽極に発生した酸素は酸素ヘッダ(10)で回収され、酸素排出路(13)から同伴水と共に圧力容器(3) 外へ取出される。水電解槽(5) (6) (7) の各陰極に発生した水素は水素ヘッダ(9)で回収され、水素排出路(12)から同伴水と共に圧力容器(3) 外へ取出され、次いで気液分離タンク（図示省略）へ送られ、同タンクで気液分離される。メンテナンス時には圧力容器(3) の下部に設けられた水抜き口(31)から水を抜き出す。また、容器収納型水電解槽の稼働中は、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が調整される。圧力容器(3) 内の未反応の純水は水排出口(30)から排出される。
【００２８】
実施例２
図３において、この実施例では、圧力容器(33) は円筒体からなる胴体(34) と、その両端開口を塞ぐ端壁(2)(2′)とから構成されている。両端壁(2)(2′)の各内面には水平プレート(4)(4′)の基端が溶接によって固定されている。各プレート(4)(4′)の上に３基の水電解槽(5) (6) (7) と３基の水電解槽(5′)(6′)(7′)がそれぞれプレート(4) (4′)の長さ方向に一列に設置されている。端壁(2) (2′)およびプレート(4) (4′)にこれらを貫通する水供給路、水素排出路および酸素排出路が、水電解槽(5) (6) (7) (5′)(6′)(7′)の水供給ヘッダ、水素ヘッダおよび酸素ヘッダにそれぞれ通じるように設けられている。一方の端壁(2) には下部に水供給口(29)が、上部に水排出口(30)がそれぞれ設けられている。図３では圧力容器(33)は横置きされているが、縦置きも可能である。
【００２９】
電源(14)(14′)の陽極は端壁(2)(2′)を絶縁的に貫通する陽極導線(15)(15′)を介して水電解槽(5) (6) (7)  (5′)(6′)(7′)の各陽極に接続されている。電源(14)(14′)の陰極は陰極導線(16)(16′)によって端壁(2)(2′)に接続され、端壁(2)(2′) に導電的に固定されたプレート(4) (4′) を介して水電解槽(5) (6) (7) (5′)(6′)(7′)の各陰極に接続されている。
【００３０】
容器収納型水電解槽のその他の構成は実施例１と同じである。同水電解槽の稼働操作は実施例１と同じである。
【００３１】
実施例３
図４および図５において、圧力容器(3) の端壁(2) およびプレート(4) にはこれらを貫通する水供給路(11)および酸素排出路(13)が、水電解槽(5) (6) (7) の水供給ヘッダ(8) および酸素ヘッダ(10)にそれぞれ通じるように設けられている。容器本体(1) の頂部には水素用の上部ガス取出し口(35)が設けられている。図４では圧力容器(3) は横置きされているが、縦置きも可能である。容器収納型水電解槽のその他の構成は実施例１と同じである。
【００３２】
この構成の容器収納型水電解槽において、水供給路(11)から水電解槽(5) (6) (7) 内に純水を供給する。水電解槽(5) (6) (7) において水の電解により各陽極に発生した酸素は酸素ヘッダ(10)で回収され、酸素排出路(13)から同伴水と共に容器外へ取出される。水電解槽(5) (6) (7)の各陰極に発生した水素は同伴水と共に同槽から圧力容器(3) 内へ出て、ここで気液分離され、上部ガス取出し口(35)から容器外へ取出される。同水電解槽の稼働操作におけるその他の点は実施例１と同じである。
【００３３】
実施例４
図６において、この実施例では、圧力容器(33) は円筒体からなる胴体(34) と、その両端開口を塞ぐ端壁(2)(2′)とから構成されている。両端壁(2)(2′)の各内面には水平プレート(4)(4′)の基端が溶接によって固定されている。各プレート(4)(4′)の上に３基の水電解槽(5) (6) (7) と３基の水電解槽(5′)(6′)(7′)がそれぞれプレート(4) (4′)の長さ方向に一列に設置されている。端壁(2) (2′)およびプレート(4) (4′)にはこれらを貫通する水供給路および酸素排出路が、水電解槽(5) (6) (7) (5′)(6′)(7′)の水供給ヘッダおよび酸素ヘッダにそれぞれ通じるように設けられている。胴体(34)の長さ中央頂部には水素用の上部ガス取出し口(35)が設けられている。図６では圧力容器(33)は横置きされているが、縦置きも可能である。
【００３４】
容器収納型水電解槽のその他の構成は実施例３と同じである。同水電解槽の稼働操作は実施例３と同じである。
【００３５】
実施例５
図７および図８において、圧力容器(3) の端壁(2) およびプレート(4) にはこれらを貫通する水素排出路(12)が、水電解槽(5) (6) (7) の水素ヘッダ(9)に通じるように設けられている。端壁(2) の上部には水供給口(30)が設けられ、容器本体(1) の頂部には酸素用の上部ガス取出し口(35)が設けられている。図７では圧力容器(3) は横置きされているが、縦置きも可能である。容器収納型水電解槽のその他の構成は実施例１と同じである。
【００３６】
この構成の容器収納型水電解槽において、水供給口(30)から圧力容器(3) 内に純水を導入し、さらに水電解槽(5) (6) (7) 内に純水を供給する。水電解槽(5) (6) (7) において水の電解により各陽極に発生した酸素は同伴水と共に同槽から圧力容器(3) 内へ出て、ここで気液分離され、上部ガス取出し口(35)から容器外へ取出される。水電解槽(24)の各陰極に発生した水素は水素ヘッダ(9)で回収され、水素排出路(12)から同伴水と共に容器外へ取出される。同水電解槽の稼働操作におけるその他の点は実施例１と同じである。
【００３７】
実施例６
図９において、この実施例では、圧力容器(33) は円筒体からなる胴体(34) と、その両端開口を塞ぐ端壁(2)(2′)とから構成されている。両端壁(2)(2′)の各内面には水平プレート(4)(4′)の基端が溶接によって固定されている。各プレート(4)(4′)の上に３基の水電解槽(5) (6) (7) と３基の水電解槽(5′)(6′)(7′)がそれぞれプレート(4) (4′)の長さ方向に一列に設置されている。端壁(2) (2′)およびプレート(4) (4′)にはこれらを貫通する水素排出路が、水電解槽(5) (6) (7) (5′)(6′)(7′)の水素ヘッダにそれぞれ通じるように設けられている。胴体(34)の長さ中央頂部には上部ガス取出し口(35)が設けられている。図９では圧力容器(33)は横置きされているが、縦置きも可能である。
【００３８】
容器収納型水電解槽のその他の構成は実施例５と同じである。同水電解槽の稼働操作は実施例５と同じである。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】実施例１の容器収納型水電解槽を概略的に示す垂直縦断面図である。
【図２】図１中のII−II線に沿う断面図である。
【図３】実施例２の容器収納型水電解槽を概略的に示す垂直縦断面図である。
【図４】実施例３の容器収納型水電解槽を概略的に示す垂直縦断面図である。
【図５】図４中のＶ−Ｖ線に沿う断面図である。
【図６】実施例４の容器収納型水電解槽を概略的に示す垂直縦断面図である。
【図７】実施例５の容器収納型水電解槽を概略的に示す垂直縦断面図である。
【図８】図７中のVIII−VIII線に沿う断面図である。
【図９】実施例６の容器収納型水電解槽を概略的に示す垂直縦断面図である。
【図１０】従来の容器収納型水電解槽を概略的に示す垂直縦断面図である。
【符号の説明】
【００４０】
(1)：容器本体
(2)(2′)：端壁
(3)：圧力容器
(4)(4′)：プレート
(5)(6)(7)(5′)(6′)(7′)：水電解槽
(8)：水供給ヘッダ
(9)：水素ヘッダ
(10)：酸素ヘッダ
(11)：水供給路
(12)：水素排出路
(13)：酸素排出路
(14)(14′)：電源
(15)(15′)：陽極導線
(16)(16′)：陰極導線
(18)(18′)：ネジ棒・ナット
(19)：陽極主電極
(20)：単位セル
(21)：押え板
(22)：ネジ棒
(23)：ナット
(24)：陽極給電体
(25)：電極接合体膜
(26)：陰極給電体
(27)：複極板
(28)：絶縁層
(29)：水供給口
(30)：水排出口
(31)：水抜き口
(32)：給電端子
(33)：圧力容器
(34)：胴体
(35)：上部ガス取出し口
【図１】
2006299390.tif 000003
【図２】
2006299390.tif 000004
【図３】
2006299390.tif 000005
【図４】
2006299390.tif 000006
【図５】
2006299390.tif 000007
【図６】
2006299390.tif 000008
【図７】
2006299390.tif 000009
【図８】
2006299390.tif 000010
【図９】
2006299390.tif 000011
【図１０】
2006299390.tif 000012