(57)【要約】【課題】水素製造装置において、強度と、耐リーク性を確保する。【解決手段】実施形態によれば、水素製造装置１００は、燃料供給側セル１０と、水素回収側セル２０と、これらを接続するセル間接続部４０とを有する。燃料供給側セル１０と水素回収側セル２０のそれぞれは、隔膜と、水素極と、酸素極と、多孔質体と、セル容器１０ａ、２０ａとを有する。燃料供給側セル１０と、水素回収側セル２０は、互いに並列に、かつ、燃料受け入れ口から水素流出口に向かう方向が互いに逆向きとなるように配設されている。燃料供給側セル１０、水素回収側セル２０およびセル間接続部４０は、熱伸びに起因して接続部に付加される荷重を、軽減できるような可撓性を有する。【選択図】図１
2015036446.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を受け入れて水素を生成する燃料供給側セルと、
前記燃料供給側セルから流出する燃料と水素の混合物を受け入れて前記燃料から水素を生成する水素回収側セルと、
前記燃料供給側セルに燃料セル側接続部で接続され、前記水素回収側セルに水素セル側接続部で接続されて前記燃料供給側セルと前記水素回収側セルを接続するセル間接続部と、
を備える水素製造装置であって、
前記燃料供給側セルと前記水素回収側セルのそれぞれは、
酸素イオン透過性を有する固体酸化物電解質の隔膜と、
前記隔膜の第１の面に隣接してマイナス側の電圧が印加される水素極と、
前記隔膜の第１の面と反対側の第２の面に隣接してプラス側の電圧が印加される酸素極と、
前記水素極の前記隔膜と隣接する面とは反対側の面と隣接して、燃料受け入れ口から前記燃料を受け入れて反応生成物である水素を水素流出口から流出させる流通路が形成された多孔質体と、
前記隔膜、前記水素極および前記多孔質体を収納するセル容器と、
を有し、
前記燃料供給側セルと、前記水素回収側セルとは、互いに並列に配設され、かつ、前記燃料受け入れ口から前記水素流出口に向かう方向が互いに逆向きとなるように配設されており、
前記燃料供給側セル、前記水素回収側セルおよび前記セル間接続部は、前記燃料供給側セルおよび前記水素回収側セルの熱伸びに起因して前記燃料セル側接続部および前記水素セル側接続部に付加される荷重を、軽減できるような可撓性を有する様に形成されている、
ことを特徴とする水素製造装置。
【請求項２】
前記セル間接続部によって接続される前記燃料供給側セルは、隣接する前記水素回収側セルよりも離間している前記水素回収側セルと接続されることを特徴とする請求項１に記載の水素製造装置。
【請求項３】
前記セル間接続部は、曲線的に延びて可撓性を有することを特徴とする請求項１または２に記載の水素製造装置。
【請求項４】
前記セル間接続部は、互いに並列に設けられ曲線的に延びて可撓性を有する複数の配管を有することを特徴とする請求項３に記載の水素製造装置。
【請求項５】
前記セル間接続部の材料は、前記燃料供給側セルと前記水素回収側セルを構成する材料よりヤング率の小さな材料であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の水素製造装置。
【請求項６】
複数の前記燃料供給側セルのそれぞれの前記水素流出口に接続された共通の燃料供給側セルヘッダーをさらに有し、前記セル間接続部は、前記燃料供給側セルヘッダーと接続されることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の水素製造装置。
【請求項７】
複数の前記水素回収側セルのそれぞれの前記燃料受け入れ口に接続された共通の水素回収側セルヘッダーをさらに有し、前記セル間接続部は、前記水素回収側セルヘッダーと接続されることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の水素製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気分解を利用した水素製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
新エネルギー源のひとつとして、水素が挙げられる。この水素の利用分野として、水素と酸素を電気化学的に反応させることにより、化学エネルギーを電気エネルギーに変換する燃料電池が注目されている。燃料電池は高いエネルギー利用効率を有し、大規模分散電源、家庭用電源、移動用電源として開発が進められている。
【０００３】
燃料電池は、温度域や使用する材料および燃料の種類に応じて、固体高分子型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型などの方式がある。この中で、効率などの観点から、固体酸化物からなる電解質を使用して電気化学反応により電気エネルギーを得る固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  「ＳＯＦＣ」）が注目されている。
【０００４】
また、水素の製造においては、水の電気分解反応がある。特に、高温で水蒸気の状態で水を電気分解する高温水蒸気電解法の場合は、動作原理がＳＯＦＣの逆反応である。このため、ＳＯＦＣと同様に固体酸化物から成る電解質を使用する（Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｚｅｒ  Ｃｅｌｌ  「ＳＯＥＣ」）。
【０００５】
ＳＯＦＣは、一般的に、電解質と電極とから構成される。電解質は、固体酸化物であり、酸素イオン導電性を有する。固体酸化物としては、一般に緻密な安定化ジルコニアの成形体が用いられている。また、近年は、安定化ジルコニアと比較して酸素イオン導電性が良好な電解質材料として、ペロブスカイト型酸化物やセリア系固溶体などが適用されているケースもある。
【０００６】
これらの電解質において、高温での安定性や反応安定性などの観点では、安定化ジルコニア系の電解質が良好である。一方、酸素イオン導電性の面では、ペロブスカイト型酸化物やセリア系固溶体などが良好な特性を有する。
【０００７】
電極に関しては、同様にＳＯＦＣを例にとると、大きく燃料極と空気極に分けられる。燃料極は、燃料ガスであるＨ２と、電解質を移動してきた酸化物イオンとが電気化学的に反応し、Ｈ２Ｏと電子（ｅ―）が生成する。空気極では、（空気中の）酸素が、電子（ｅ―）を取り込み、電気化学反応により、酸化物イオン（Ｏ２―）が生成し、これらが電解質へと移動する。
【０００８】
燃料極には、一般的に金属と固体酸化物電解質材料の混合焼結体（サーメット）が用いられる。たとえば、固体酸化物電解質材料が安定化ジルコニア系の場合、Ｎｉ−ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、Ｎｉ−ＳｃＳＺ（スカンジア安定化ジルコニア）などが用いられる。金属成分については、単一金属成分系や、複数の金属の混合系（合金も含む）などが用いられ、例えば、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｎｉ−Ｍｇ、Ｐｔなどが挙げられる。
【０００９】
一方、空気極は、一般的にペロブスカイト型酸化物やこれらの一部サイトを置換した酸化物が用いられる。例えば、ＬａＳｒＭｎ酸化物（ＬＳＭ）、ＬａＳｒＣｏ酸化物（ＬＳＣ）、ＬａＳｒＣｏＦｅ酸化物（ＬＳＣＦ）、ＬａＳｒＦｅ酸化物（ＬＳＦ）などが挙げられる。また、電解質に用いている固体酸化物との混合体なども用いられ、例えば、ＬＳＭ−ＹＳＺ、ＬＳＭ−ＳｃＳＺ、などが挙げられる。
【００１０】
ＳＯＦＣのセルを構成する材料は上述のような材料を用いているが、ＳＯＥＣにおいても類似の材料を用いているケースが多い。しかしながら、ＳＯＥＣでは、外部から電気エネルギーを印加し、ＳＯＦＣと逆の反応系をとる。
【００１１】
ＳＯＥＣにおいて、ＳＯＦＣの燃料極にあたる電極は水素極とよばれる。ＳＯＥＣの水素極においては、燃料（原料）ガスである水蒸気（Ｈ２Ｏ）が電子（ｅ―）を取り込んで、水素と酸化物イオンを生成する。生成した酸化物イオンは電解質中を移動する。ＳＯＥＣにおいては、ＳＯＦＣの空気極にあたる電極は、酸素極とよばれる。酸化物イオンが、電解質中を通過して酸素極に至ると、電気化学的に反応し、酸素と電子（ｅ―）が生成される。
【００１２】
ＳＯＥＣについては、発生した水素を蓄積し、燃焼もしくはＳＯＦＣで発電する電力貯蔵システムとして用いる場合や、水素スタンドとして使用する場合等の使用方法が検討されており、水素極において発生する水素を回収する必要がある。ＳＯＥＣあるいはＳＯＦＣに使用するセルは多孔質体で構成されており、多孔質体の側面に燃料極あるいは水素極、電解質、空気極あるいは酸素極が積層されており、多孔質体には燃料である水蒸気が通過する流通路が設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００９−１７４０１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
電解セルは、前述のようにセラミックス系の材料を使用していることから、特に電解セルが長くなる場合には強度に留意する必要がある。また、そのための対策を図る上では、接続部等でのリークを防止する必要がある。
【００１５】
そこで、本発明の実施形態は、水素製造装置において、強度と、耐リーク性を確保することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上述の目的を達成するため、本発明の実施形態は、燃料を受け入れて水素を生成する燃料供給側セルと、前記燃料供給側セルから流出する燃料と水素の混合物を受け入れて前記燃料から水素を生成する水素回収側セルと、前記燃料供給側セルに燃料セル側接続部で接続され、前記水素回収側セルに水素セル側接続部で接続されて前記燃料供給側セルと前記水素回収側セルを接続するセル間接続部と、を備える水素製造装置であって、前記燃料供給側セルと前記水素回収側セルのそれぞれは、酸素イオン透過性を有する固体酸化物電解質の隔膜と、前記隔膜の第１の面に隣接してマイナス側の電圧が印加される水素極と、前記隔膜の第１の面と反対側の第２の面に隣接してプラス側の電圧が印加される酸素極と、前記水素極の前記隔膜と隣接する面とは反対側の面と隣接して、燃料受け入れ口から前記燃料を受け入れて反応生成物である水素を水素流出口から流出させる流通路が形成された多孔質体と、前記隔膜、前記水素極および前記多孔質体を収納するセル容器と、を有し、前記燃料供給側セルと、前記水素回収側セルとは、互いに並列に配設され、かつ、前記燃料受け入れ口から前記水素流出口に向かう方向が互いに逆向きとなるように配設されており、前記燃料供給側セル、前記水素回収側セルおよび前記セル間接続部は、前記燃料供給側セルおよび前記水素回収側セルの熱伸びに起因して前記燃料セル側接続部および前記水素セル側接続部に付加される荷重を、軽減できるような可撓性を有する様に形成されている、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の実施形態は、水素製造装置において、強度と、耐リーク性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１の実施形態に係る水素製造装置の構成の一部を示す斜視図である。
【図２】第１の実施形態に係る水素製造装置の燃料供給側セルの構造を示す一部を透視した斜視図である。
【図３】第１の実施形態に係る水素製造装置の水素回収側セルの構造を示す一部を透視した斜視図である。
【図４】第１の実施形態に係る水素製造装置のセル間接続管を示す斜視図である。
【図５】第２の実施形態に係る水素製造装置のセル間接続管を示す斜視図である。
【図６】第２の実施形態に係る水素製造装置のセル間接続管の変形例を示す斜視図である。
【図７】第３の実施形態に係る水素製造装置のセル間接続管等を示す斜視図である。
【図８】第３の実施形態に係る水素製造装置のセル間接続管等の詳細を示す斜視図である。
【図９】第４の実施形態に係る水素製造装置の構成を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る水素製造装置について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。
【００２０】
［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る水素製造装置の構成の一部を示す斜視図である。水素製造装置１００は、複数の燃料供給側セル１０と、複数の水素回収側セル２０と、セル間接続管４０を有する。それぞれの燃料供給側セル１０は、下部で燃料を供給する燃料供給配管３１と接続され、上部でセル間接続管４０と燃料セル側接続部４１ａにおいて接続されている。ぞれぞれの水素回収側セル２０は、上部でセル間接続管４０と水素セル側接続部４２ａにおいて接続されており、下部で水素回収配管３２と接続されている。
【００２１】
燃料供給側セル１０と、水素回収側セル２０とは、互いに長手方向に逆向きとなるように並列に配列されている。すなわち、それぞれの燃料供給側セル１０内では燃料および水素は、図１の下から上に向かって流れ、それぞれの水素回収側セル２０内では、燃料および水素は、図１の上から下に向かって流れるように配列されている。
【００２２】
２つの燃料供給配管３１と、２つの水素回収配管３２とは、同一平面内に、互いに並列に交互に配列されている。すなわち、２つの燃料供給配管３１と２つの水素回収配管３２は、互に隣接するように配列されている。なお、燃料供給配管３１および水素回収配管３２の数は、それぞれ３つ以上であってもよい。
【００２３】
１つの燃料供給配管３１には、１つまたは２つの燃料供給側セル１０が接続されている。また、１つの水素回収配管３２には、１つまたは２つの水素回収側セル２０が接続されている。なお、ここで、燃料供給配管３１に接続される燃料供給側セル１０の数、水素回収配管３２に接続される水素回収側セル２０の数が１つまたは２つの場合を示しているが、これに限定されず、３つ以上でもよい。
【００２４】
また、セル間接続管４０は、燃料供給配管３１に接続された燃料供給側セル１０と、これに隣接しない水素回収配管３２に接続された水素回収側セル２０との間を接続するように配設されている。セル間接続管４０は、燃料供給配管３１と水素回収配管３２が配接されている平面に平行な同一の平面内に互いに平行に配接されている。図１では、燃料供給側セル１０と接続するセル間接続管４０の水素回収側セル２０との接続部分の図示を一部省略している。同様に、水素回収側セル２０と接続するセル間接続管４０の燃料供給側セル１０との接続部分を一部省略している。
【００２５】
燃料供給側セル１０および水素回収側セル２０は、後述するようにセラミックス等のヤング率の高い材料の部材を有している。このため、燃料供給側セル１０および水素回収側セル２０は、大きな剛性を有する。
【００２６】
セル間接続管４０は、一方向に延びた平板形状である。燃料供給側セル１０および水素回収側セル２０の長手方向すなわち最も熱伸びが大きい方向に対して、垂直方向に拡がっている。すなわち、燃料供給側セル１０および水素回収側セル２０の長手方向すなわち最も熱伸びが大きい方向と、セル間接続管４０の厚み方向が一致している。これは、燃料供給側セル１０および水素回収側セル２０の長手方向すなわち最も熱伸びが大きい方向について、セル間接続管４０が撓みやすい形状すなわち断面２次モーメントが最小となる方向である。また、セル間接続管４０の材料としては、剛性が小さい材料すなわち燃料供給側セル１０および水素回収側セル２０の構成部材よりもヤング率が小さい材料、たとえば、金属材料などが望ましい。
【００２７】
なお、図１では、燃料供給側セル１０に接続したセル間接続管４０は、燃料供給側セル１０に隣接する水素回収側セルの遠い方に隣接する水素回収側セル２０、すなわち２番目の水素回収側セル２０と接続する場合を示しているが、これに限定されない。たとえば、燃料供給配管３１および水素回収配管３２の数がそれぞれ３つ以上ある場合には、３番目あるいは４番目以上の水素回収側セルと接続する場合でもよい。
【００２８】
図２は、第１の実施形態に係る水素製造装置の燃料供給側セルの構造を示す一部を透視した斜視図である。燃料供給側セル１０は、多孔質体１１、水素極１２、隔膜１３、酸素極１４およびセル容器１０ａ（図１）を有する。ただし、図２ではセル容器１０ａの図示を省略する。多孔質体１１、水素極１２、隔膜１３および酸素極１４は、それぞれ平板状の直方体形状である。これらは、多孔質体１１、水素極１２、隔膜１３および酸素極１４の順番に積層されている。水素極１２と酸素極１４は、直流電源９０に接続されて、酸素極１４側にプラスの電圧が印加されるように構成されている。
【００２９】
セル容器１０ａは、多孔質体１１、水素極１２、隔膜１３、酸素極１４を収納し、隔膜１３とともに多孔質体１１および水素極１２を内包する密閉空間を形成している。なお、セル容器１０ａの、酸素極１４の隔膜１３に隣接する面と反対側の面を覆う側の空間は、密閉状態を形成せずに大気に開放されている。
【００３０】
多孔質体１１内には、多孔質体１１の長手方向に延びて多孔質体１１を貫通する流通路１５が形成されている。流通路１５は、一方の端に燃料供給配管３１から燃料を取り入れる燃料受け入れ口１５ａを有し、燃料受け入れ口１５ａの反対端に、反応で生成した水素と燃料の残りの混合物を水素回収配管３２に流出させる水素流出口１５ｂを有する。なお、燃料（原料）は、例えば、水蒸気でよい。
【００３１】
隔膜１３は、酸素イオン透過性を有する電解質である。電解質は、固体酸化物，たとえば緻密な安定化ジルコニアの成形体である。また、ペロブスカイト型酸化物やセリア系固溶体などでもよい。
【００３２】
水素極１２は、金属と固体酸化物電解質材料の混合焼結体（サーメット）である。たとえば、固体酸化物電解質材料が安定化ジルコニア系の場合、Ｎｉ−ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、Ｎｉ−ＳｃＳＺ（スカンジア安定化ジルコニア）などでよい。金属成分については、単一金属成分系や、複数の金属の混合系（合金も含む）など、例えば、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｎｉ−Ｍｇ、Ｐｔなどでよい。
【００３３】
酸素極１４は、ペロブスカイト型酸化物やこれらの一部サイトを置換した酸化物でよい。例えば、ＬａＳｒＭｎ酸化物（ＬＳＭ）、ＬａＳｒＣｏ酸化物（ＬＳＣ）、ＬａＳｒＣｏＦｅ酸化物（ＬＳＣＦ）、ＬａＳｒＦｅ酸化物（ＬＳＦ）などである。また、電解質に用いている固体酸化物との混合体、例えば、ＬＳＭ−ＹＳＺ、ＬＳＭ−ＳｃＳＺ、などでもよい。
【００３４】
図３は、第１の実施形態に係る水素製造装置の水素回収側セルの構造を示す一部を透視した斜視図である。水素回収側セル２０は、多孔質体２１、水素極２２、隔膜２３、酸素極２４およびセル容器２０ａ（図１）を有する。ただし、図３ではセル容器２０ａの図示を省略する。多孔質体２１、水素極２２、隔膜２３および酸素極２４は、それぞれ平板状の直方体形状である。これらは、多孔質体２１、水素極２２、隔膜２３および酸素極２４の順番に積層されている。水素極２２と酸素極２４は、直流電源９０に接続されて、酸素極２４側にプラスの電圧が印加されるように構成されている。水素極２２、隔膜２３、酸素極２４の材料については、それぞれ、燃料供給側セル１０における水素極１２、隔膜１３、酸素極１４の材料と同様である。
【００３５】
セル容器２０ａは、多孔質体２１、水素極２２、隔膜２３、酸素極２４を収納し、隔膜２３とともに多孔質体２１および水素極１２を内包する密閉空間を形成している。なお、セル容器２０ａの、酸素極２４の隔膜２３に隣接する面と反対側の面を覆う側の空間は、密閉ではなく大気に開放されている。
【００３６】
多孔質体２１内には、多孔質体２１の長手方向に延びて多孔質体２１を貫通する流通路２５が形成されている。流通路２５は、一方の端に、燃料供給側セル１０から流出する燃料と水素の混合物を受け入れる燃料受け入れ口２５ａを有し、燃料受け入れ口２５ａの反対端に反応生成物である水素と燃料の残りの混合物を流出させる水素流出口２５ｂを有する。
【００３７】
図４は、第１の実施形態に係る水素製造装置のセル間接続配管を示す斜視図である。セル間接続管４０は、一方に延びる直方体形状であり、長手方向の同じ側の面に、燃料セル側開口４１および水素セル側開口４２が形成されている。また、セル間接続管４０内部には、燃料セル側開口４１および水素セル側開口４２間を結ぶ連通孔４３が形成されている。
【００３８】
燃料セル側開口４１は、燃料供給側セル１０の水素流出口１５ｂと開口同士が連通し、かつ外部とは連通しないようにシールされた燃料セル側接続部４１ａを形成する。また、水素セル側開口４２は、水素回収側セル２０の燃料受け入れ口２５ａと開口同士が連通し、かつ外部とは連通しないようにシールされた水素セル側接続部４２ａを形成する。燃料セル側接続部４１ａおよび水素セル側接続部４２ａにおける接合は、溶接、ロー付などによる接合でよい。あるいは、ボルトとナットによる結合、嵌め合いによるもの、あるいはこれらの組合せなどの機械的結合でもよい。
【００３９】
以上のように構成された本実施形態による水素製造装置１００においては、まず、燃料供給側セル１０においては、多孔質体１１に形成された燃料受け入れ口１５ａに、燃料供給配管３１から燃料が流入する。燃料受け入れ口１５ａから流入した燃料は、流通路１５を流れる一方、多孔質体１１中を移動する。多孔質体１１中を移動して水素極１２に到達すると、水素極１２には電圧が印加されているため、燃料（原料）が水蒸気の場合を例にとると、次の式（１）に示すような電解反応により、水素および酸素イオンが発生する。発生した水素は、多孔質体１１中を移動して流通路１５に至り、燃料とともに流通路１５を流れ水素流出口１５ｂからセル間接続管４０に流出する。
Ｈ２Ｏ  ＋  ２ｅ―  →  Ｈ２  ＋  Ｏ２―              （１）
【００４０】
一方、水素極１２で、発生した酸素イオンＯ２―は、酸素イオン透過性のよい電解質である隔膜１３内を透過して、酸素極１４に到達する。酸素極１４において、次の式（２）に示すような反応によって酸素ガスが発生する。
Ｏ２―  →  １／２  Ｏ２  ＋  ２ｅ―                    （２）
セル容器１０ａが酸素極１４側では大気に開放されているので、生成された酸素ガスは大気に放出される。
【００４１】
燃料供給側セル１０からセル間接続管４０の燃料セル側開口４１に流出した水素ガスと燃料の混合気体は、セル間接続管４０の連通孔４３を通過して、水素セル側開口４２に至り、セル間接続管４０に接続されている水素回収側セル２０の燃料受け入れ口２５ａから水素回収側セル２０内に流入する。
【００４２】
水素回収側セル２０においては、多孔質体２１に形成された燃料受け入れ口２５ａにセル間接続管４０から水素および燃料の混合気体が流入する。燃料受け入れ口２５ａから流入した混合気体中の燃料は、流通路２５を流れながら多孔質体２１中を移動し水素極２２に到達すると前記の式（１）の反応によって電気分解され、水素極側に水素および酸素イオンが発生する。発生した水素は、多孔質体２１中を移動して流通路２５に至り、燃料とともに流通路２５を流れ水素流出口２５ｂから水素回収配管３２に流出する。
【００４３】
以上のように、燃料供給側セル１０および水素回収側セル２０において、燃料を順次、
電気分解することにより、水素を発生させ、最終的に水素回収配管３２により回収することができる。このように、セルを、燃料供給側セル１０および水素回収側セル２０に分割して並列に配列することによって、水素製造装置１００全体の高さ、すなわち、セルの長手方向の長さを低減することができる。
【００４４】
また、以上のような反応が継続的に発生するため、燃料供給側セル１０および水素回収側セル２０は熱膨張する。一方、燃料供給側セル１０と水素回収側セル２０を接続するセル間接続管４０は複数個離れたセル同士を接続することによって、燃料供給側セル１０および水素回収側セル２０の熱膨張に追従してセル間接続管４０の変形が可能な程度のセル間接続管４０の長さを確保することができる。
【００４５】
このため、セル間接続管４０の燃料セル側開口４１と燃料供給側セル１０の水素流出口１５ｂとの燃料セル側接続部４１ａ、セル間接続管４０の水素セル側開口４２と水素回収側セル２０の燃料受け入れ口２５ａとの水素セル側接続部４２ａのそれぞれの接合面における応力が低減される。この結果、燃料セル側接続部４１ａおよび水素セル側接続部４２ａでのリークを抑制することが可能となる。
【００４６】
［第２の実施形態］
図５は、第２の実施形態に係る水素製造装置のセル間接続管を示す斜視図である。本実施形態は、第１の実施形態の変形である。第１の実施形態におけるセル間接続管４０に代えて、本第２の実施形態においては、セル間接続管５０が設けられている。セル間接続管５０は、曲線的に延びて可撓性を有する３本の配管である。セル間接続管５０と燃料供給側セル１０の水素流出口１５ｂ（図２）とは燃料セル側接続部５１において接合している。また、セル間接続管５０と水素回収側セル２０の燃料受け入れ口２５ａ（図３）とは水素セル側接続部５２において接合している。接合方法は第１の実施形態と同様でよい。ボルトやナットを用いる場合は、セル間接続管５０の端部にネジ穴を設けた突起部を付加する等してもよい。
【００４７】
なお、図５では、セル間接続管５０の断面形状を円形あるいは楕円形として示しているがこれに限定されない。たとえば、多角形状でもよい。
【００４８】
また、セル間接続管５０の本数は３本には限定されない。１本でも２本でも、あるいは、４本以上でもよい。なお、圧力損失を一定に維持する場合、複数本とすることによってそれぞれを細い配管とすることができる。この結果、さらなる可撓性が得られる。
【００４９】
以上のように、本実施形態におけるセル間接続管５０を有する水素製造装置１００においては、セル間接続管５０の可撓性を増すことによって、燃料セル側接続部５１および水素セル側接続部５２それぞれの接合面における応力が低減される。この結果、燃料セル側接続部５１および水素セル側接続部５２でのリークを抑制することが可能となる。
【００５０】
図６は、第２の実施形態に係る水素製造装置のセル間接続管の変形例を示す斜視図である。本変形例におけるセル間接続管５０は、蛇行するように曲り部を３か所有している。なお、図６では、セル間接続管５０は１本の場合を示しているが、２本以上あってもよい。また、コイル状に延びた形状であってもよい。
【００５１】
このように曲り部を複数有することによって、たとえば、金属材料のように、自身の熱伸びが大きい材料でもその熱伸びを吸収することができる。また、曲り部を複数個所に設けることによって、さらに可撓性を増すことができる。
【００５２】
［第３の実施形態］
図７は、第３の実施形態に係る水素製造装置のセル間接続管等を示す斜視図である。本実施形態は、第２の実施形態の変形である。本実施形態に係る水素製造装置においては、セル間接続管６０は、ヘッダー６０ａを介して燃料供給側セル１０に接続している。また、セル間接続管６０は、ヘッダー６０ｂを介して水素回収側セル２０に接続している。
【００５３】
図８は、第３の実施形態に係る水素製造装置のセル間接続管等の詳細を示す斜視図である。セル間接続管６０に接続されているヘッダー６０ａには、燃料供給側セル１０の水素流出口１５ｂ（図２）に接続する燃料セル接続孔６１が形成されている。また、セル間接続管６０に接続されているヘッダー６０ｂには、水素回収側セル２０の燃料受け入れ口２５ａ（図３）に接続する水素セル接続孔６２が形成されている。
【００５４】
なお、図７、図８では、セル間接続管６０は、１本の場合を示しているが、これに限定されない。セル間接続管６０の本数は、２本以上であってもよい。
【００５５】
燃料供給側セル１０とヘッダー６０ａとの接合は、図示しないボルト・ナットによる結合である。なお、ボルト・ナットによる結合には限定されない。取り外し可能であれば嵌め合いと留め具など、他の機械的な結合であってもよい。同様に、水素回収側セル２０とヘッダー６０ｂとの接合も、図示しないボルト・ナットによる結合である。また、同様に他の機械的な結合であってもよい。
【００５６】
なお、ヘッダー６０ａとセル間接続管６０との接合は、機械的な結合であっても、あるいは、溶接やロー付であってもよい。ヘッダー６０ｂとセル間接続管６０との接合も同様に、機械的な結合であっても、あるいは、溶接やロー付であってもよい。
【００５７】
以上のように構成された本実施形態に係る水素製造装置１００においては、ヘッダー６０ａ、６０ｂおよびセル間接続管６０を一体としたセットと、燃料供給側セル１０および水素回収側セル２０のそれぞれとは、別々に取り扱うことができる。このため、燃料供給側セル１０と燃料供給配管３１とを接続し、水素回収側セル２０と水素回収配管３２とを接続し、それぞれを配列した後に、ヘッダー６０ａ、６０ｂおよびセル間接続管６０を一体としたセットを取り付けることが可能である。このため、第１及び第２の実施形態における効果に加えて、さらに、水素製造装置１００の組み立てが容易となる効果がある。
【００５８】
［第４の実施形態］
図９は、第４の実施形態に係る水素製造装置の構成を示す斜視図である。本実施形態は、第１の実施形態の変形である。本実施形態に係る水素製造装置１００は、複数の燃料供給側セル１０、複数の水素回収側セル２０、燃料供給側セルヘッダー７１、出口ヘッダー７２ａ、７２ｂ、連絡管７３ａ、７３ｂ、入口ヘッダー７４ａ、７４ｂ、水素回収側セルヘッダー７５を有する。
【００５９】
水素製造装置１００においては、４つの燃料供給側セル１０が広い側の側面を互いに対向させて配列された列が形成されている。水素製造装置１００は、この列を２列有する。２つの列は互いに平行に配列されている。
【００６０】
２つの列内のそれぞれの燃料供給側セル１０は、共通の燃料供給側セルヘッダー７１に接続されている。燃料供給側セルヘッダー７１は、平板状の直方体形状であり、それぞれの燃料供給側セル１０の燃料受け入れ口１５ａ（図２）に対向する部分に図示しない開口を有する。
【００６１】
一方の列内のそれぞれの燃料供給側セル１０は、共通の出口ヘッダー７２ａに接続されている。出口ヘッダー７２ａは平板状の直方体であり、それぞれの燃料供給側セル１０の水素流出口１５ｂ（図２）に対向する部分に図示しない開口を有する。また、他方の列内のそれぞれの燃料供給側セル１０は、共通の出口ヘッダー７２ｂに接続されている。出口ヘッダー７２ｂも平板状の直方体であり、それぞれの燃料供給側セル１０の水素流出口１５ｂ（図２）に対向する部分に図示しない開口を有する。
【００６２】
また、水素製造装置１００においては、４つの水素回収側セル２０が広い側の側面を互いに対向させて配列された列が形成されている。水素製造装置１００は、この列を２列有する。２つの列は互いに平行に配列されている。
【００６３】
２つの列内のそれぞれの水素回収側セル２０は、共通の水素回収側セルヘッダー７５に接続されている。水素回収側セルヘッダー７５は、平板状の直方体形状であり、それぞれの水素回収側セル２０の水素流出口２５ｂ（図３）に対応する部分に図示しない開口を有する。
【００６４】
一方の列内のそれぞれの水素回収側セル２０は、共通の入口ヘッダー７４ａに接続されている。入口ヘッダー７４ａは平板状の直方体であり、それぞれの水素回収側セル２０の燃料受け入れ口２５ａ（図３）に対向する部分に図示しない開口を有する。また、他方の列内のそれぞれの水素回収側セル２０は、共通の入口ヘッダー７４ｂに接続されている。入口ヘッダー７４ｂは平板状の直方体であり、それぞれの水素回収側セル２０の燃料受け入れ口２５ａ（図３）に対向する部分に図示しない開口を有する。
【００６５】
出口ヘッダー７２ａと入口ヘッダー７４ａとは、連絡管７３ａによって接続されている。連絡管７３ａは、第１の実施形態における連絡管４０と同様に２つの開口と、２つの開口を内部で連絡する連通孔４３を有する。出口ヘッダー７２ａおよび入口ヘッダー７４ａのそれぞれには、連絡管７３ａの開口に対向する部分に図示しない開口が形成されている。
【００６６】
出口ヘッダー７２ｂと入口ヘッダー７４ｂとは、連絡管７３ｂによって接続されている。連絡管７３ｂも、第１の実施形態における連絡管４０と同様に２つの開口と、２つの開口を内部で連絡する連通孔４３を有する。出口ヘッダー７２ｂおよび入口ヘッダー７４ｂのそれぞれには、連絡管７３ｂの開口に対向する部分に図示しない開口が形成されている。
【００６７】
なお、図９では、１列が４つの場合を示したが、これに限定されない。複数であれば、４つ以外、たとえば、２つ、３つ、あるいは５つ以上でもよい。また、図９では燃料供給側セル１０、水素回収側セル２０が２列の場合を示したがこれには限定されず、３列以上でもよい。
【００６８】
以上のように構成された本実施形態に係る水素製造装置１００は、燃料供給側セル１０および水素回収側セル２０が多数並べられている場合に、出口ヘッダー７２ａ、７２ｂおよび入口ヘッダー７４ａ、７４ｂを設けることによって、連絡管７３ａ、７３ｂのみを設ければよくなり、連絡管の本数を大幅に削減することができる。
【００６９】
［その他の実施形態］
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。たとえば、燃料供給側セル１０、水素回収側セル２０は、平板形状の場合を示したが、これに限定されない。多孔質体、水素極、隔膜および酸素極の順番に積層されている構成であれば、円筒状、多角筒状、球形、あるいは、たとえば、平板形状のものを巻いた形状のものでもよい。
【００７０】
また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。たとえば、第４の実施形態の特徴である出口ヘッダー、入口ヘッダーを設ける点と、第２の実施形態の特徴である曲線上に延びた接続管を有する点、第３に実施形態の特徴であるそれぞれのセルにヘッダーを設ける点を組み合わせてもよい。
【００７１】
さらに、これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。
【００７２】
これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【００７３】
例えば、燃料供給側セル１０の構成について、図２に示すように燃料受け入れ口１５ａと水素流出口１５ｂが図の上下にそれぞれ設けられて直線状の流通路１５が形成されるものとして説明したが、例えば流通路１５を曲線的に延びた形状に形成し、燃料受け入れ口１５ａと水素流出口１５ｂとが燃料供給側セル１０の反対側ではない面に形成された構成であってもよい。この場合でも、本発明の効果が得られる。水素回収側セル２０についても同様である。
【００７４】
また、各実施形態において、燃料供給配管３１、燃料供給側セルヘッダー７１、水素回収配管３２、水素回収側セルヘッダー７５、セル間接続管４０、連絡管７３ａ、７３ｂ、ヘッダー６０ａ、６０ｂ、出口ヘッダー７２ａ、７２ｂ、入口ヘッダー７４ａ、７４ｂなどを、断面が長方形のものとして示しているが、これには限定されない。それぞれの断面形状は、円形、楕円形、多角形等でもよい。また、流路の断面形状についても同様である。
【符号の説明】
【００７５】
１０…燃料供給側セル、１０ａ…セル容器、１１…多孔質体、１２…水素極、１３…隔膜、１４…酸素極、１５…流通路、１５ａ…燃料受け入れ口、１５ｂ…水素流出口、２０…水素回収側セル、２０ａ…セル容器、２１…多孔質体、２２…水素極、２３…隔膜、２４…酸素極、２５…流通路、２５ａ…燃料受け入れ口、２５ｂ…水素流出口、３１…燃料供給配管、３２…水素回収配管、４０…セル間接続管（セル間接続部）、４１…燃料セル側開口、４１ａ…燃料セル側接続部、４２…水素セル側開口、４２ａ…水素セル側接続部、４３…連通孔、５０…セル間接続管（セル間接続部）、５１…燃料セル側接続部、５２…水素セル側接続部、６０…セル間接続管（セル間接続部）、６０ａ、６０ｂ…ヘッダー、６１…燃料セル接続孔、６２…水素セル接続孔、７１…燃料供給側セルヘッダー、７２ａ、７２ｂ…出口ヘッダー、７３ａ、７３ｂ…連絡管（セル間接続部）、７４ａ、７４ｂ…入口ヘッダー、７５…水素回収側セルヘッダー、９０…直流電源、１００…水素製造装置
【図１】
2015036446.tif 000003
【図２】
2015036446.tif 000004
【図３】
2015036446.tif 000005
【図４】
2015036446.tif 000006
【図５】
2015036446.tif 000007
【図６】
2015036446.tif 000008
【図７】
2015036446.tif 000009
【図８】
2015036446.tif 000010
【図９】
2015036446.tif 000011