JP2005324584A

JP2005324584A - 中圧及び高圧水素供給方法及び同装置

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Publication number: JP2005324584A
Application number: JP2004142361A
Authority: JP
Inventors: Masato Kita; 真佐人喜多
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2004-05-12
Filing date: 2004-05-12
Publication date: 2005-11-24

Abstract

【課題】小型で且つ高圧水素と中圧水素とを無駄なく１つの設備で供給できることができる中圧及び高圧水素供給装置を提供することを課題とする。
【解決手段】中圧及び高圧水素供給装置１０は、水を電気分解して中圧の水素を取出すことのできるとともに水素を加圧し、高圧の水素を得るコンプレッサの役割を果たす固体高分子型水電解装置２０と、この固体高分子型水電解装置２０で製造した中圧の水素を溜めることのできる貯蔵タンク４１を要部とする。
【効果】水素を発生させる固体高分子型水電解装置で、中圧水素を高圧水素に昇圧するコンプレッサを兼ねさせることで、１つの装置で中圧水素と高圧水素を無駄なく供給することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、車載タンクに水素ガスを供給する中圧及び高圧水素供給技術に関する。

燃料電池を搭載した車両が普及するに連れて、燃料としての燃料ガスを供給するシステムが重要となる。そのための水素ガス供給方法及び装置が提案されている。（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００２−３７３２３０公報（図６）

特許文献１を次図に基づいて説明する。
図８は従来の技術の基本原理を説明する図であり、水素サービスステーションに水素製造装置Ｈｋ、水素貯蔵装置Ｓｔ及び水素充填装置Ｉｓを備え、水素自動車Ｊ２へ水素ガスを供給する水素ガス供給システムが開示されている。

ところで、特許文献１のシステムは、複数の水素車両に水素を供給する水素サービスステーションであって、それ相応の大きさの水素ガス発生装置、貯蔵タンク及び充填装置を常備し、常時、充填サービスが行える態勢を整える必要がある。

この様な本格的な水素サービスステーションには次に述べる欠点がある。
先ず、大きな水素ガス発生装置、貯蔵タンク及び充填装置からなるため設備が大型化し、設備コストが嵩む。家庭や小規模事業所の駐車場の隅に配置するには大きさの点で難がある。

次に、充填装置を必ず通すため、高圧水素を供給するには適しているが、中圧水素を供給するには設備過剰となり、運転費用が嵩む。
ここで中圧水素とは１５〜２５ＭＰａ程度であり、高圧水素とは３０〜４０ＭＰａ程度をいう。高圧水素を製造するには、その加圧工程で大きなエネルギーが必要であり、リーク等により、効率も低下する。予定走行距離が短ければ、多量の水素を積載する必要がないため水素の圧力も中圧で十分である。
エネルギーの有効活用を考えると、高圧水素と中圧水素とを必要に応じて製造でき、且つ１つの設備で供給できることが望まれる。

本発明は、小型で且つ高圧水素と中圧水素とを無駄なく１つの設備で供給できることができる中圧及び高圧水素供給装置を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、固体高分子型水電解装置で水を電気分解することで中圧の水素を製造する工程と、この水素を貯蔵タンクに溜める工程と、溜めた水素を前記貯蔵タンクから直接的に車両へ供給し、必要時に貯蔵タンクに溜めた水素を前記固体高分子型水電解装置を用いて加圧しながら、高圧の水素を車両へ供給する工程とからなることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、水を電気分解して中圧の水素を取出すことのできるとともに水素を加圧し、高圧の水素を得るコンプレッサの役割を果たす固体高分子型水電解装置と、この固体高分子型水電解装置で製造した中圧の水素を溜めることのできる貯蔵タンクと、この貯蔵タンクから前記固体高分子型水電解装置の入口へ中圧の水素を戻すリターン流路を含む管路と、この管路に介設した複数のバルブと、管路の末端に設けた中・高水素吐出口とからなることを特徴とする。

請求項１に係る発明では、水素を貯蔵タンクから直接的に車両へ供給することで中圧水素を車載タンクへ充填することができ、また、必要時に貯蔵タンクに溜めた中圧の水素を固体高分子型水電解装置を用いて加圧しながら、高圧の水素を車両へ供給することで高圧水素を車載タンクへ充填することができる。

したがって、予定走行距離が短いなどの理由で少なめに水素を充填する場合は中圧水素を充填し、十分な量の水素を充填する必要があれば高圧水素を充填する。
水素供給装置を必要に応じて、運転することができ、無駄にエネルギーを使うことがないため、本格的な水素サービスステーションに比較して運転費用を大幅に削減することができる。

請求項２に係る発明では、水素を発生させる固体高分子型水電解装置で、中圧水素を高圧水素に昇圧するコンプレッサを兼ねさせることで、１つの装置で中圧水素と高圧水素を無駄なく供給することができ、機器の統合化を達成し、水素供給装置の小型化を図ることができる。

また、昇圧にピストン式コンプレッサやルーツ式コンプレッサを使用する場合、流体中に金属粉などの異物が混じっていると、ピストンの破損やルーツの摩耗を招くので異物を除去する必要がある。
この点、固体高分子型水電解装置は、機械的接触部分がないため機械的摩耗を心配する必要がない。

さらには、ルーツ式コンプレッサなどの機械式圧縮機では騒音が発生し、運転のためのエネルギーロスも大きい。
この点、固体高分子型水電解装置は、機械的接触部分がないため静かであり、効率が高く、エネルギーロスは小さい。
したがって、固体高分子型水電解装置をコンプレッサに流用することは、多数の利点がある。

本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図１は本発明に係る中圧及び高圧水素供給装置の構成図であり、中圧及び高圧水素供給装置１０は、水を電気分解して中圧の水素を取出すことができる水素製造装置の役割と水素を加圧し、高圧の水素を得るコンプレッサの役割とを果たす固体高分子型水電解装置２０と、この固体高分子型水電解装置２０で製造した中圧の水素を溜めることのできる貯蔵タンク４１と、この貯蔵タンク４１から固体高分子型水電解装置２０の入口２７へ中圧の水素を戻すリターン流路４２を含む管路４３と、この管路４３に介設した複数のバルブ４４〜４９と、水素ガスに含まれ水分を除去するために管路４３に介設した精製器５０と、管路４３の末端に設けた中・高圧水素吐出口５１と、固体高分子型水電解装置２０の排気を行う排気ポンプ６０からなる。

そして、中・高圧水素吐出口５１に水素供給ホース５２を連結し、この水素供給ホース５２の先端を車載タンク５３に連結することで、車両５４に搭載した車載タンク５３に中圧水素又は高圧水素を充填することができる。

３２は固体高分子型水電解装置２０のための直流電源であり、太陽光発電や風力発電からの電力を基本とし、不足分を商用電力で充当し、交流電源を所定の直流電源に変換する機能を有する。
また、５５は純水製造装置であり、詳細構造は省略するが、水道水から純水を製造することができる装置である。

図２は固体高分子型水電解装置の断面図であり、固体高分子型水電解装置２０は、プロトンは通すが、電子は通さないが性質をもつ固体高分子層２１の両面に薄い触媒層２２、２３を付設し、この様な固体高分子層２１を間にして、一方にアノード側ガス拡散電極と称するアノード２４及び給電体３３を配置し、他方にカソード側ガス拡散電極と称するカソード２５及び給電体３４を配置し、全体を密閉ケース２６で囲い、この密閉ケース２６に入口２７、出口２８及び酸素出口２９を設けてなる。なお、入口２７はアノード２４に臨ませ、出口２８はカソード２５に臨ませる共に入口２７に対向配置し、酸素出口２９はアノード２４に臨ませると共に入口２７に対向配置する。

３１はアノード２４とカソード２５とを結ぶ回路、３２は直流電源である。
また、３３、３４は電流を供給しガスの流れを促す給電体であり、金属多孔質体からなる。

図３は固体高分子型水電解装置による水素製造の原理図であり、入口２７を通じてアノード２４側へＨ_２Ｏを供給する。アノード２４、カソード２５間に回路３１を通じて直流電圧を印可する。
供給したＨ_２Ｏは、触媒２２の作用で、（１／２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ）に分解する。Ｈ^＋はプロトンであり、ｅは電子である。

分離したＨ^＋は、固体高分子層２１を通過してカソード２５側の触媒２３に至る。この触媒２３の作用で、２Ｈ^＋＋２ｅ→Ｈ_２の反応が起こり、水素（Ｈ_２）を製造することができる。反応に関わるｅは回路３１を通じて電流とは逆、すなわちカソード２５からアノード２４へ絶えず流れてアノード２４側及びカソード２５側での反応を継続させる役割を果たす。

以上の原理により、出口２８から水素（Ｈ_２）、酸素出口２９から酸素（Ｏ_２）を連続的に得ることができる。

図４は固体高分子型水電解装置によるコンプレッサ作用の説明図である。なお、２つの圧力に差がある場合には、一般に、低圧、高圧と区別するが、本発明では、「中圧」、「高圧」の呼称を採用する。
先ず、酸素出口２９はバルブ４９により閉じ、入口２７を通じてアノード２４側へ中圧Ｈ_２を供給する。アノード２４、カソード２５間に回路３１を通じて直流電圧を印可する。

供給した中圧Ｈ_２は、触媒２２の作用で、（２Ｈ^＋＋２ｅ）に分解する。
分離したＨ^＋は、固体高分子層２１を通過してカソード２５側の触媒２３に至る。この触媒２３の作用で、２Ｈ^＋＋２ｅ→高圧Ｈ_２の反応が起こり、中圧水素（Ｈ_２）を高圧化することができる。

なお、このコンプレッサの能力は次の式で説明することができる。ｌｎ（Ｐｈ／Ｐｌ）＝（２Ｆ／ＲＴ）×（ΔＥ−ｉｒ）。ただし、ｌｎは自然対数記号、Ｐｈは高圧側水素分圧、Ｐｌは中圧側水素分圧、Ｆはファラディー定数、Ｒはガス定数、Ｔはセルの絶対温度、ΔＥは印加電圧、ｉは電流密度、ｒはセルの抵抗である。
コンプレッサの能力は、Ｐｈ／Ｐｌで示すことができる。例えば印加電圧（ΔＥ）を制御することで、高圧水素の圧力を制御することができる。

以上に説明した固体高分子型水電解装置２０を含む本発明の中圧及び高圧水素供給装置の作用を次に説明する。なお、以下の図中、黒く塗りつぶしたバルブシンボルは弁閉、白抜きバルブシンボルは弁開を示す。

図５は中圧及び高圧水素供給装置による水素製造に係る作用図であり、バルブ４５、４７は閉じ、バルブ４４、４６、４８、４９を開いて、バルブ４４側からＨ_２Ｏ（水）を供給し、固体高分子型水電解装置２０で、Ｈ_２（水素）とＯ_２（酸素）に分解し、Ｏ_２（酸素）はバルブ４９及び酸素放出口５６を介して放出若しくは図示せぬ容器に溜める。

一方、Ｈ_２（水素）はバルブ４８、精製器５０、バルブ４６を介して貯蔵タンク４１に送り、そこに溜める。精製器５０では、Ｈ_２（水素）に含まれる不可避的水分を除去して、高純度のＨ_２（水素）にすることができる。

図６は車載タンクへ水素を供給する手順の説明図であり、（ａ）は中圧水素供給図、（ｂ）は高圧水素供給図である。
（ａ）において、水素供給ホース５２で中・高圧水素吐出口５１と車載タンク５３を連結し、バルブ４４、４５、４８、４９を閉じ、バルブ４６、４７を開く。すると、貯蔵タンク４１に溜めた水素はバルブ４６、４７や水素供給ホース５２を通じて車載タンク５３に流入し始める。貯蔵タンク４１の残圧と車載タンク５３との圧力が平衡状態、すなわち同圧になった時点で供給は終了する。
予定走行距離が短い場合には、水素の充填量はこれで間に合う。予定走行距離が長い場合には次の（ｂ）を続いて実施する。

なお、この（ａ）は圧力差で作動するために、車載タンク５３に水素がかなり残っていてその残圧が、貯蔵タンク４１の内圧より高い若しくは差がないときには、適用できない。この場合は次の（ｂ）を用いる。

すなわち、（ｂ）は（ａ）に引き続いて実施する場合と、車載タンクの残圧が高い場合とに適用できる。
（ｂ）において、バルブ４４、４６、４９を閉じ、排気ポンプ６０を作動させて固体高分子型水電解装置２０中に残存する水や酸素を排出する。そして、バルブ４５、４７、４８を開き、固体高分子型水電解装置２０を作動させる。すると、固体高分子型水電解装置２０は図４で述べたコンプレッサ作用を発揮し、バルブ４５を通じて貯留タンク４１の水素を吸込み、高圧化し、高圧水素をバルブ４７、４８や水素供給ホース５２を通じて車載タンク５３へ充填することができる。

なお、（ａ）と（ｂ）は車載タンク５３の残量（残圧）や予定走行距離などの要素により、（ａ）のみ、（ｂ）のみ、若しくは（ａ）、（ｂ）の組み合わせからなる使用が可能となる。この様な使用形態を次図で説明する。

図７は本発明に係る中圧及び高圧水素供給方法に係るフロー図であり、ＳＴ××はステップ番号を示す。
ＳＴ０１：予め固体高分子型水電解装置を用いて水素を製造する。
ＳＴ０２：水素を貯蔵タンクに溜める。
ＳＴ０３：水素供給に際し、車載タンクの圧力Ｐ１を読込む。
ＳＴ０４：同時に、貯蔵タンクの圧力Ｐ２を読込む。

ＳＴ０５：貯蔵タンクの圧力Ｐ２が車載タンクの圧力Ｐ１を超えているか否かを調べる。超えていれば次に進み、否であればＳＴ０８に進む。
ＳＴ０６：貯蔵タンクの圧力Ｐ２が車載タンクの圧力Ｐ１を超えているので、図６（ａ）の要領で差圧充填を実施する。
ＳＴ０７：車載タンクにはかなりの量の水素が充填された。予定走行距離が短いなどの理由で充填量が十分であれば、このフローを終了する。まだ、不十分であれば次に進む。

ＳＴ０８：固体高分子型水電解装置をコンプレッサとして使用することにより、図６（ｂ）の要領で高圧化水素を車載タンクへ充填する。
ＳＴ０９：車載タンクの圧力が所定圧力に達するまで、充填を続け、所定圧力に達した時点で充填を終了する。

以上のフローをまとめると次のとおりになる。
本発明は、固体高分子型水電解装置で水を電気分解することで中圧の水素を製造する工程（ＳＴ０１）と、
この水素を貯蔵タンクに溜める工程（ＳＴ０２）と、
溜めた水素を前記貯蔵タンクから直接的に車両へ供給し（ＳＴ０６）、必要時に貯蔵タンクに溜めた水素を前記固体高分子型水電解装置を用いて加圧しながら、高圧の水素を車両へ供給する工程（ＳＴ０８）とからなることを特徴とする。

この方法によれば、予定走行距離が短いなどの理由で少なめに水素を充填する場合は中圧水素を充填し、十分な量の水素を充填する必要があれば高圧水素を充填する。
水素供給装置を必要に応じて、運転することができ、従来の水素製造・供給装置に比較して使用エネルギーを大幅に削減することができる。

尚、本発明の中圧及び高圧水素供給装置は、家庭や小規模事業所の駐車場の隅に設置する他、本格的な大規模事業所や水素サービスステーションへ適用することは差し支えない。

本発明は、車載タンクに水素ガスを供給する中圧及び高圧水素供給技術に好適である。

本発明に係る中圧及び高圧水素供給装置の構成図である。固体高分子型水電解装置の断面図である。固体高分子型水電解装置による水素製造の原理図である。固体高分子型水電解装置によるコンプレッサ作用の説明図である。中圧及び高圧水素供給装置による水素製造に係る作用図である。車載タンクへ水素を供給する手順の説明図であり、（ａ）は中圧水素供給図、（ｂ）は高圧水素供給図である。本発明に係る中圧及び高圧水素供給方法に係るフロー図である。従来の技術の基本原理を説明する図である。

符号の説明

１０…中圧及び高圧水素供給装置、２０…固体高分子型水電解装置、４１…貯蔵タンク、４２…リターン流路、４３…管路、４４〜４９…バルブ、５０…精製器、５１…中・高圧水素吐出口、５３…車載タンク、５４…車両。

Claims

固体高分子型水電解装置で水を電気分解することで中圧の水素を製造する工程と、
この水素を貯蔵タンクに溜める工程と、
溜めた水素を前記貯蔵タンクから直接的に車両へ供給し、必要時に貯蔵タンクに溜めた水素を前記固体高分子型水電解装置を用いて加圧しながら、高圧の水素を車両へ供給する工程とからなることを特徴とする中圧及び高圧水素供給方法。
水を電気分解して中圧の水素を取出すことのできるとともに水素を加圧し、高圧の水素を得るコンプレッサの役割を果たす固体高分子型水電解装置と、この固体高分子型水電解装置で製造した中圧の水素を溜めることのできる貯蔵タンクと、この貯蔵タンクから前記固体高分子型水電解装置の入口へ中圧の水素を戻すリターン流路を含む管路と、この管路に介設した複数のバルブと、管路の末端に設けた中・高圧水素吐出口とからなる中圧及び高圧水素供給装置。