JP2005330515A - Water electrolysis system using natural energy - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体高分子電解質膜を隔膜として用いて水を電気分解して酸素及び水素を製造する水電解装置に供給するための電力を自然エネルギーから供給されるものとし、完全自立してなる自然エネルギー利用水電解システムに関する。 The present invention is a self-supporting power source for supplying water to a water electrolysis apparatus that produces oxygen and hydrogen by electrolyzing water using a solid polymer electrolyte membrane as a diaphragm. It relates to a water electrolysis system using natural energy.
クリーンなシステムとして注目されている燃料電池や、水素エンジンには、水素ガスあるいは酸素ガスが必要である。水の電気分解(以下、「水電解」と記す)により水素ガス及び酸素ガスを製造する水電解装置としてのガス発生装置(固体高分子電解質膜を用いた装置)は、比較的容易に無公害で水素ガス及び酸素ガスを製造することが可能である。ガス発生装置と何らかの発電設備を組み合わせることにより、ガス発生システムとすることが出来る。 Hydrogen gas or oxygen gas is required for fuel cells and hydrogen engines that are attracting attention as clean systems. Gas generators (equipment using solid polymer electrolyte membrane) as water electrolyzers that produce hydrogen gas and oxygen gas by electrolysis of water (hereinafter referred to as “water electrolysis”) are relatively easy and non-polluting It is possible to produce hydrogen gas and oxygen gas. A gas generation system can be obtained by combining the gas generator and some power generation equipment.
しかし、従来の技術での水電解用の電源は、電力会社の系統電力を用いる場合が多い。この電力を用いて水電解で水素ガス及び酸素ガスを製造し、それらのガスを用いて燃料電池で発電した場合、全体としてのシステム効率は低くなる。夜間電力などの低コストな電力を用いる方法もあるが、その場合には使用時間が深夜だけに限定され、利便性の面で問題がある。このため、低コストで高い効率の電力の供給源が望まれる。また、時間の制約が少ない電力の供給源が望まれる。 However, the power source for water electrolysis in the prior art often uses grid power from an electric power company. When hydrogen gas and oxygen gas are produced by water electrolysis using this electric power, and power is generated by a fuel cell using these gases, the overall system efficiency is lowered. There is also a method of using low-cost power such as nighttime power, but in that case, the usage time is limited to midnight and there is a problem in terms of convenience. For this reason, a low-cost and highly efficient power supply source is desired. In addition, a power supply source with less time constraints is desired.
このため、従来では、例えば水素を燃料として走行する特定数の車両に対して水素を供給する水素補給システムであって、該車両に着脱自在で該車両に水素を供給する水素充填容器と、該水素充填容器に充填する水素を発生させる水電解装置と、該水電解装置に電力を供給するために商用電力からの電力を供給する電力供給手段と、前記商用電力の電力コスト及び前記水素充填容器への水素充填量に応じて前記水電解装置の運転を制御するコントローラを備えてなる水素補給システムが提案されている(特許文献1)。 For this reason, conventionally, for example, a hydrogen replenishment system that supplies hydrogen to a specific number of vehicles that run using hydrogen as fuel, a hydrogen filling container that is detachably attached to the vehicle and supplies hydrogen to the vehicle, A water electrolysis apparatus for generating hydrogen to be filled in a hydrogen filling container, a power supply means for supplying power from commercial power to supply power to the water electrolysis apparatus, a power cost of the commercial power, and the hydrogen filling container There has been proposed a hydrogen replenishment system including a controller that controls the operation of the water electrolysis apparatus in accordance with the amount of hydrogen charged to the water (Patent Document 1).
ところで、水の電気分解に系統電力を用いるには、系統電力が水電解装置まで到達していることが前提となり、例えば離島や山間部等の電力孤立地域においては、水素を有効利用することができない、という問題がある。特許文献1においては自然エネルギーとして太陽光発電を提案しているが、系統電力の代替手段として用いており、自然エネルギーを用いた完全自立型の水素供給設備の出現が望まれている。 By the way, in order to use grid power for electrolysis of water, it is premised that grid power reaches the water electrolysis device. For example, hydrogen can be effectively used in power isolated areas such as remote islands and mountainous areas. There is a problem that it is not possible. Patent Document 1 proposes photovoltaic power generation as natural energy, but it is used as an alternative to system power, and the emergence of a completely self-supporting hydrogen supply facility using natural energy is desired.
また、現在の燃料電池の水素源は化石燃料から改質して得ているが、この際CO2の排出があるという問題がある。世界的なCO2低減の問題からCO2の全く発生することなく水素を得ることができる効率的なシステムの出現が望まれている。 Further, the current hydrogen source of the fuel cell is obtained by reforming from fossil fuel, but there is a problem that CO 2 is emitted at this time. Due to the global problem of CO 2 reduction, the emergence of an efficient system capable of obtaining hydrogen without generating any CO 2 is desired.
本発明は、前記問題に鑑み、水電解装置に供給するための電力を自然エネルギーから供給されるものとし、完全自立してなる自然エネルギー利用水電解システムを提供することを課題とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a natural energy-utilizing water electrolysis system that is completely self-supported by supplying electric power to be supplied to a water electrolysis device from natural energy.
上述した課題を解決するための本発明の第1の発明は、水を電気分解して水素と酸素を発生させる水電解装置と、該水電解装置を駆動する電流・電圧を制御する電流・電圧制御装置と、自然エネルギーにより電気を得る自然エネルギー発電装置とを具備することを特徴とする自然エネルギー利用水電解システムにある。 The first invention of the present invention for solving the above-mentioned problems is a water electrolysis device that electrolyzes water to generate hydrogen and oxygen, and a current / voltage that controls a current / voltage for driving the water electrolysis device. A natural energy utilization water electrolysis system comprising a control device and a natural energy power generation device that obtains electricity by natural energy.
第2の発明は、第1の発明において、更に、自然エネルギー発電装置からの電気を蓄電する二次電池を具備することを特徴とする自然エネルギー利用水電解システムにある。 A second invention is the water electrolysis system using natural energy according to the first invention, further comprising a secondary battery for storing electricity from the natural energy generator.
第3の発明は、第1又は2の発明において、自然エネルギー発電装置が風力発電装置、太陽光発電装置、水力発電装置、波力発電装置、地熱発電装置、海洋温度差発電装置のいずれか一種又はこれらの組合せであることを特徴とする自然エネルギー利用水電解システムにある。 According to a third invention, in the first or second invention, the natural energy power generation device is any one of a wind power generation device, a solar power generation device, a hydroelectric power generation device, a wave power generation device, a geothermal power generation device, and an ocean temperature difference power generation device. Or it is in the water electrolysis system using natural energy characterized by being a combination of these.
第4の発明は、第1乃至3のいずれか一つの発明において、前記水電解装置に供給する供給水を太陽光温水器により加熱してなることを特徴とする自然エネルギー利用水電解システムにある。 A fourth invention is the water electrolysis system using natural energy according to any one of the first to third inventions, wherein the water supplied to the water electrolysis device is heated by a solar water heater. .
第5の発明は、第1乃至4のいずれか一つの発明において、前記水電解装置が、容器本体内に設けられ、循環する循環水を浄化する浄化層と、前記容器本体の頂部から垂下し、容器本体内を第1の部屋と第2の部屋とに分離する仕切り板と、前記容器本体の外部に設けられ、循環水を電気分解して水素と酸素を発生する水電解スタックと、該水電解スタックに浄化した循環水を供給する水供給管と、前記水電解スタックから循環水に同伴されてなる水素/水・二層流を容器本体の第1の部屋に送給する第1の送給管と、前記水電解スタックから循環水に同伴されてなる酸素/水・二層流を容器本体の第2の部屋に送給する第2の送給管と、前記第1の部屋から水素を排出する水素排出部と、前記第2の部屋から酸素を排出する酸素排出部とを具備してなり、水電解スタックに供給する循環水を浄化しつつ自然循環してなることを特徴とする自然エネルギー利用水電解システムにある。 A fifth invention is the invention according to any one of the first to fourth inventions, wherein the water electrolysis device is provided in the container body, and purifies from the top of the container body, the purification layer for purifying the circulating water circulating. A partition plate that separates the interior of the container body into a first chamber and a second chamber; a water electrolysis stack that is provided outside the container body and generates hydrogen and oxygen by electrolyzing circulating water; and A water supply pipe for supplying purified water to the water electrolysis stack, and a first hydrogen / water / two-layer flow entrained by the water from the water electrolysis stack to the first chamber of the container body. A feed pipe, a second feed pipe for feeding an oxygen / water bilayer flow entrained in the circulating water from the water electrolysis stack to the second chamber of the container body, and the first chamber. A hydrogen discharge section for discharging hydrogen and an oxygen discharge section for discharging oxygen from the second chamber; Bei was made by, while purifying circulating water supplied to the water electrolysis stack in natural energy water electrolysis system characterized by being natural circulation.
第6の発明は、第5の発明において、前記容器本体が耐圧容器であることを特徴とする自然エネルギー利用水電解システムにある。 A sixth invention is the water electrolysis system using natural energy according to the fifth invention, wherein the container body is a pressure vessel.
第7の発明は、第1乃至4のいずれか一つの発明において、前記水電解装置が、耐圧容器本体内に設けられ、循環する循環水を浄化する浄化層と、前記耐圧容器本体の頂部から垂下し、容器本体内を第1の部屋と第2の部屋とに分離する仕切り板と、前記耐圧容器の本体下部に設けられ、浄化した循環水を電気分解して水素と酸素を発生する水電解スタックと、該水電解スタックに浄化した循環水を供給する水供給部と、前記水電解スタックから循環水に同伴されてなる水素/水・二層流を容器本体の第1の部屋に送給する第1の送給管と、前記水電解スタックから循環水に同伴されてなる酸素/水・二層流を容器本体の第2の部屋に送給する第2の送給管と、前記第1の部屋から水素を排出する水素排出部と、前記第2の部屋から酸素を排出する酸素排出部とを具備してなり、水電解スタックに供給する循環水を浄化しつつ自然循環してなることを特徴とする自然エネルギー利用水電解システムにある。 According to a seventh invention, in any one of the first to fourth inventions, the water electrolysis device is provided in the pressure vessel main body, and purifies the circulating water that circulates, and the top of the pressure vessel main body. Water that hangs down and separates the inside of the container body into a first chamber and a second chamber, and water that is provided in the lower part of the body of the pressure vessel and generates hydrogen and oxygen by electrolyzing the circulated purified water. An electrolysis stack, a water supply section for supplying purified water to the water electrolysis stack, and a hydrogen / water / two-layer flow accompanying the circulation water from the water electrolysis stack to the first chamber of the container body. A first feed pipe for feeding, a second feed pipe for feeding an oxygen / water bilayer flow entrained in the circulating water from the water electrolysis stack to a second chamber of the container body, and A hydrogen discharge section for discharging hydrogen from the first chamber, and oxygen from the second chamber. To become comprises a oxygen discharge portion, while purifying circulating water supplied to the water electrolysis stack in natural energy water electrolysis system characterized by being natural circulation.
本発明によれば、自然エネルギーを用いて自己完結で水素の供給を行うことができる。
この結果、例えば山間部や離島等の系統電源がないような電気孤立地域においても、常に安定して水素及び酸素を供給することができる。
According to the present invention, hydrogen can be supplied in a self-contained manner using natural energy.
As a result, hydrogen and oxygen can always be supplied stably even in an electrically isolated area where there is no system power supply such as a mountainous area or a remote island.
また、自然エネルギーは風力発電装置、太陽光発電装置、水力発電装置、波力発電装置、地熱発電装置、海洋温度差発電装置のいずれかを用いることにより水素を安定して供給することができる。また、太陽光温水器を用いて供給水を加温することで、水電解装置の熱的自立に寄与することができる。 Moreover, natural energy can supply hydrogen stably by using any one of a wind power generator, a solar power generator, a hydroelectric generator, a wave power generator, a geothermal power generator, and an ocean temperature difference power generator. Moreover, it can contribute to the thermal independence of a water electrolysis apparatus by heating supply water using a solar water heater.
また、水電解装置を容器本体内で自然循環により循環水を水電解スタックに供給するので、従来のような循環水を循環させるポンプが不要となり、装置が簡略化すると共に水素単価を安価にすることができる。また、水素同伴水と酸素同伴水を浄化層で浄化した後、一体化するので、従来のようなポンプを用いて余剰水を供給する必要がなくなり、設備のコンパクト化を図ることができ、水素単価を安価にすることができる。また、耐圧容器として容器本体内に水電解スタックを配置することで、例えば300ata以上と超高圧とすることができ、水素貯蔵タンクへの水素充填に際してコンプレッサ等が不要となり、水素単価を更に安価にすることができる。 In addition, since the water electrolyzer is supplied to the water electrolysis stack by natural circulation within the container body, a conventional pump for circulating the circulating water is not required, the apparatus is simplified and the unit price of hydrogen is reduced. be able to. In addition, since the hydrogen-entrained water and oxygen-entrained water are purified by the purification layer and then integrated, it is not necessary to supply surplus water using a conventional pump, and the facility can be made compact. Unit price can be reduced. In addition, by disposing the water electrolysis stack in the container body as a pressure vessel, it is possible to achieve an ultra-high pressure of, for example, 300 at least, eliminating the need for a compressor or the like when filling the hydrogen storage tank with hydrogen, further reducing the hydrogen unit price. can do.
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments. In addition, constituent elements in the following embodiments include those that can be easily assumed by those skilled in the art or those that are substantially the same.
本発明による実施例に係る自然エネルギー利用水電解システムの概要を図1に示す。図1に示すように、本実施例にかかる自然エネルギー利用水電解システムは、水を電気分解して水素と酸素を発生させる水電解装置10と、該水電解装置を駆動する電流・電圧を制御する電流・電圧制御装置80と、自然エネルギーにより電気を得る例えば風力発電装置50等の自然エネルギー発電装置とを具備するものである。
An outline of a water electrolysis system using natural energy according to an embodiment of the present invention is shown in FIG. As shown in FIG. 1, a water electrolysis system using natural energy according to the present embodiment controls a
本実施例によれば、自然エネルギーとして風力発電装置50を用い、該風力発電により得られた電力を水電解装置に供給することにより水素を発生させることができる。よって、電力会社による系統電源を用いることなく自己完結で水素の供給を行うことができることになる。 According to the present embodiment, it is possible to generate hydrogen by using the wind power generation device 50 as natural energy and supplying the power obtained by the wind power generation to the water electrolysis device. Therefore, hydrogen can be supplied in a self-contained manner without using a system power source by an electric power company.
この結果、例えば山間部や離島等の系統電源がないような場所においても、常に安定して水素及び酸素を供給することができる。 As a result, hydrogen and oxygen can always be supplied stably even in places where there is no system power supply such as a mountainous area or a remote island.
ここで、本発明で自然エネルギー発電装置としては、上述した風力発電装置以外に、図1に示すような太陽光61を利用した太陽光発電装置60を挙げることができる。この太陽光発電装置61は夜間は電気を供給することができないので、例えば二次電池70等の蓄電装置に昼間に蓄電し、電流・電圧制御装置80を用いて、水電解装置10に一定の電圧及び電流を制御するようにしている。
Here, as a natural energy power generation device in the present invention, in addition to the wind power generation device described above, a solar
また、自然エネルギーとして、上述した風力発電装置や太陽光発電装置以外としては、例えば水力発電装置、波力発電装置、地熱発電装置、海洋温度差発電装置を例示することができる。 Moreover, as natural energy, other than the wind power generator and the solar power generator described above, for example, a hydroelectric power generator, a wave power generator, a geothermal power generator, and an ocean temperature difference power generator can be exemplified.
また、上述した自然エネルギー装置は、その設置する地理的要因により、単独又は複数を組み合わせて用いることができ、これらを適宜組み合わせて自然エネルギーを効率的に利用して水素を安定して供給することができる。 In addition, the above-described natural energy device can be used alone or in combination depending on the geographical factors of installation, and supplies hydrogen stably by using natural energy efficiently by combining these appropriately. Can do.
また、図1に示すように、太陽光温水器90を用いて供給水を加温し、供給管91により水電解装置10に供給することにより、水電解装置10における熱的自立に寄与することができる。
In addition, as shown in FIG. 1, the supply water is heated using a
また、水電解装置の水素発生によるジュール熱により、循環水が所定温度以上に加温された場合には、外部からの水を別途供給し、共生的に循環水を排出するようにすることで、解消することができる。 In addition, when the circulating water is heated to a predetermined temperature or more due to Joule heat generated by hydrogen generation in the water electrolysis device, the water from the outside is separately supplied and the circulating water is discharged symbiotically. Can be solved.
この結果、電力会社による系統電力がないような山間部や離島等の電気孤立地域において、自然エネルギーを用いた完全自立型の水素供給システムを提供することができる。 As a result, a completely self-supporting hydrogen supply system using natural energy can be provided in mountainous areas and isolated islands such as remote islands where there is no grid power by the power company.
本発明は自然エネルギーを利用し、水から水素と酸素を発生させているので、現在の燃料電池の水素源は化石燃料から改質する際に発生するようなCO2の排出が皆無であり、本来の意味でのクリーンエネルギーを利用した水素供給システムであり、このシステムを用いて水素ステーション等のインフラの整備を図ることができる。これにより、電気孤立地域においても水素を利用した例えば燃料電池へのクリーンな設備により安定供給を図ることができる。 Since the present invention uses natural energy to generate hydrogen and oxygen from water, the current fuel cell hydrogen source has no CO 2 emissions as generated when reforming from fossil fuels, This is a hydrogen supply system using clean energy in the original sense, and infrastructure such as a hydrogen station can be improved using this system. As a result, stable supply can be achieved even in an electrically isolated area by using clean equipment, for example, a fuel cell using hydrogen.
また、本発明は電気孤立地域において特に効果を発揮するが、電力会社からの系統電源と併用することを妨げるものでない。特に、深夜電力を効率的に利用して蓄電することで、より安定した水素の供給を図ることができる。 In addition, the present invention is particularly effective in an area where electricity is isolated, but does not prevent the combined use with a system power source from an electric power company. In particular, more efficient supply of hydrogen can be achieved by efficiently using midnight power to store electricity.
ここで、本発明に適用する水電解装置は、公知の水電解装置であれば使用することができ、特に限定されるものではない。 Here, the water electrolysis apparatus applied to this invention can be used if it is a well-known water electrolysis apparatus, and is not specifically limited.
さらに、自然エネルギーを効率的に活用する水電解システムについて、特に好ましく適用することができる水電解装置を図2乃至図6を用いて説明する。
図2は、本実施例に係る水電解装置を示す概略斜視図であり、図3はその縦断面図(図5のA―A矢視断面図)、図4はその正面図、図5は図4のB−B矢視図、図6は超高圧型の水電解装置を示す概略図である。
これらの図面に示すように、本実施例に係る水電解装置10は、容器本体11内の下端面から所定間隔を有して設けられ、循環する循環水12を浄化する浄化層13と、容器本体11の頂部11aから垂下し、容器本体11内を第1の部屋14−1と第2の部屋14−2とに分離する仕切板25と、容器本体11の外部に設けられ、循環水を電気分解して水素と酸素を発生する水電解スタック15と、該水電解スタック15に浄化した循環水16を供給する水供給管17と、水電解スタック15から循環水に同伴されてなる水素/水・二層流18−1を容器本体11の第1の部屋14−1に送給する第1の送給管19−1と、水電解スタック15から循環水に同伴されてなる酸素/水・二層流18−2を容器本体11の第2の部屋14−2に送給する第2の送給管19−2と、第1の部屋14−1から水素を排出する水素排出部20と、第2の部屋14−2から酸素を排出する酸素排出部21とを具備してなり、水電解スタック11に供給する循環水12を浄化しつつ自然循環してなるものである。
図3中、符号30は保温材、31はヒータ等による加熱部である。
Furthermore, a water electrolysis apparatus that can be particularly preferably applied to a water electrolysis system that efficiently utilizes natural energy will be described with reference to FIGS.
2 is a schematic perspective view showing a water electrolysis apparatus according to the present embodiment, FIG. 3 is a longitudinal sectional view thereof (sectional view taken along line AA in FIG. 5), FIG. 4 is a front view thereof, and FIG. 4 is a schematic view showing an ultrahigh pressure type water electrolysis apparatus.
As shown in these drawings, a
In FIG. 3,
ここで、本実施例では、前記容器本体11を仕切る仕切板25により容器本体内を第1の部屋14−1と第2の部屋14−2とに分離しているが、前記仕切板25は少なくとも浄化層に接するようにすることが望ましい。これは第1の部屋14−1で発生する水素と第2の部屋14−2で発生する酸素との接触を防止する必要があるからである。よって、より望ましくは仕切り板が浄化層13の下方部まで垂下しているほうがよい。
Here, in this embodiment, the inside of the container body is separated into the first chamber 14-1 and the second chamber 14-2 by the partition plate 25 that partitions the
また、発生する水素と酸素とが接触することがないように、水素/水・二層流18−1を第1の部屋14−1に送給する第1の送給管19−1に連結された水素発生管19−1aと、酸素/水・二層流18−2を第2の部屋14−2に送給する第2の送給管19−2に連結された酸素発生管19−2aの出口部分の周囲をかこむように例えばセラミックスや焼結材料等で覆い、下方側へ水素又は酸素の移動を防止するようにしてもよい。この場合には、水素と酸素が交わることがないので、仕切板25は浄化層13まで到達していなくてもよい。
Moreover, it connects with the 1st supply pipe | tube 19-1 which supplies hydrogen / water and the two-layer flow 18-1 to the 1st chamber 14-1 so that the generated hydrogen and oxygen may not contact. The oxygen generation pipe 19-1 connected to the hydrogen supply pipe 19-1a and the second feed pipe 19-2 for feeding the oxygen / water / two-layer flow 18-2 to the second chamber 14-2. For example, it may be covered with ceramics, a sintered material or the like so as to surround the periphery of the outlet portion of 2a to prevent the movement of hydrogen or oxygen downward. In this case, since hydrogen and oxygen do not cross each other, the partition plate 25 may not reach the
また、容器本体内の水面を一定にするように図示しない圧力計により、各部屋の圧力を測定し、各部屋が均圧となるように調整するようにしている。 Further, the pressure in each room is measured by a pressure gauge (not shown) so that the water surface in the container body is constant, and the pressure is adjusted so that each room has a uniform pressure.
このため、水素ガスの水素排出部20には水素ガス排出管20aが接続され、バルブ20bの開閉により適宜調整している。同様に、酸素ガスの酸素排出部20には酸素ガス排出管21aが接続され、バルブ21bの開閉により適宜調整している。
For this reason, a hydrogen
また、図3に示すように、水電解により水が消費されるので、容器本体11には水レベル計43を設置し、ボールタップ41等により所定量の水が給水管を介して給水42されるようにしている。
Also, as shown in FIG. 3, since water is consumed by water electrolysis, a
本実施例では容器本体11内を加圧しているが、本発明はこれに限定されず、常圧であってもよい。なお、外部に電解スタックを設置する場合には、セルのシール性から数から数10圧とするのが好ましい。これにより、高圧の水素ガスを得ることができる。
In the present embodiment, the inside of the container
また、図6に示すように容器本体を耐圧容器71として、数気圧〜800気圧とするようにしてもよい。
この場合には、容器本体71内に支持部15aにより支持された電解スタック15を浄化層13の下部に設置している。そして、電解スタック15下側に設けた各々設けた水供給口に酸素側循環水及び水素側循環水を供給している。また、循環水の流れをクロスするように供給することにより、電解スタック15内部に熱の片寄りを是正し、均温化を図ることができる。
In addition, as shown in FIG. 6, the container main body may be a pressure vessel 71 and may be set to several to 800 atm.
In this case, the
この結果、高圧の水素を得ることができるので、コンプレッサ等を用いることなくそのまま例えば水素自動車等の燃料タンクに供給することができる。よって、高い高圧容器内部に水電解スタック15を配設すると共に、該水電解スタック15に供給する電解水を自然循環とすることができるので、コンパクトを図ると共に所内効率がさらに向上する。
As a result, since high-pressure hydrogen can be obtained, it can be supplied as it is, for example, to a fuel tank such as a hydrogen automobile without using a compressor or the like. Therefore, since the
ここで、本実施例の浄化層13は例えば直径数mm程度のイオン交換樹脂から構成されている。イオン交換樹脂を充填するために、容器本体11の下端面から所定の距離で網又は細孔を有する支持部材13aが設けられおり、この支持部材13aにイオン交換樹脂を充填している。この充填量は循環水を効率よく浄化する量とすればよく、またその厚さは後述する循環水の圧力損失に繋がるので、圧力損失がバランスするような所定の厚さとすればよい。
Here, the
この浄化層13の例えばイオン交換樹脂等を循環水が通過することにより循環水中の不純物を除去し、水電解効率の向上を図ることができる。すわなち、供給した外部からの水や水電解時により発生する不純物が水電解時において膜の表面に付着すると膜での電解効率が低減するのが、浄化層13を通過させることでこれを解消することができる。
When circulating water passes through, for example, an ion exchange resin or the like of the
ここで、前記イオン交換樹脂としては、例えば「ダウエックス*マラソン*C600」(商品名:ダウ・ケミカル日本社製)、「ダイヤイオンTSA1200」(商品名:三菱化学社製)、又は「ダイヤイオンSAT1200&SMT1200」(商品名:三菱化学社製)を例示することができるが、本発明はこれらに限定されるものではない。 Here, as the ion exchange resin, for example, “Dowex * Marathon * C600” (trade name: manufactured by Dow Chemical Japan Co., Ltd.), “Diaion TSA1200” (trade name: manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation), or “Diaion” SAT1200 & SMT1200 "(trade name: manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation) can be exemplified, but the present invention is not limited to these.
また、図3に示すように、本実施例では容器本体11の周囲を保温材30により保温するようにしている。これは、水電解により発生した熱(投入される電力のうち水電解に使用される以外の電力はほとんど熱に変換する。)を外部に逃がすのを防止し、熱的自立の完全化を図るためである。この結果、循環水を約80℃で長期間に亙って安定して循環することができる。
なお、発熱により循環水の温度が所定の温度よりも高くなるような場合には、外部から給水量を調節して温度を調整するようにすればよい。
Further, as shown in FIG. 3, in this embodiment, the temperature around the
In addition, when the temperature of circulating water becomes higher than predetermined temperature by heat_generation | fever, what is necessary is just to adjust temperature by adjusting the amount of water supply from the outside.
また、本実施例では加熱部31を容器本体11の下方側に設けている。この加熱部31は例えばヒータ等を用いることができるが、本装置により発生した酸素と水素を燃料源としたボイラを用いるようにしてもよい。
In the present embodiment, the
ここで、加熱部31は起動時において使用すれば、その後は電解時におけるジュール熱により熱的自立を図ることができる。
Here, if the
また、本実施例では、浄化した循環水16を水電解スタック15に供給する際に、酸素側と水素側の両方に供給するようにしているが、本発明はこれに限定されるものではなく、少なくとも酸素側の水供給路側のみに供給するようにすればよい。
この酸素側の水供給路側のみとする場合には、循環する水量を酸素側のみで低減でき、容器本体の直径を小さくすることが可能となり、コンパクト化を図ることができる。
In this embodiment, when the purified circulating
In the case of using only the oxygen supply side, the amount of water to be circulated can be reduced only on the oxygen side, the diameter of the container body can be reduced, and the size can be reduced.
また、その供給方法も水素側水供給口と酸素側水供給口とを、ガスの出口である水素/水・二層流18−1の出口と、酸素/水・二層流18−2の出口とをクロスする位置となるようにし、水電解スタック15内を通過する循環水の流れがクロスするようにし、均温化を図るようにしている。
Also, the supply method is such that the hydrogen side water supply port and the oxygen side water supply port are connected to the outlet of the hydrogen / water / two-layer flow 18-1 as the gas outlet and the oxygen / water / two-layer flow 18-2. The outlet is crossed and the flow of the circulating water passing through the
また、水電解スタック15を構成するセルにおいても循環水の圧力損失が低下せず、しかも固体高分子膜とは接触率が良好な水を供給する水供給路を兼ねた給電体を用いるようにしている。
Further, in the cells constituting the
このセルは、一対のセパレータと、該セパレータの間に設けられた固体高分子電解質膜と、該固体電解質膜とセパレータの間に介装され、水の流動抵抗が小さく(圧力損失が小さい)、しかも電気抵抗が小さい給電体とから構成されている。本実施例では給電体は固体高分子膜側から順次そのメッシュの目開きを大きくしている。
なお、本実施例ではメッシュの目開きの大きさにより、傾斜機能を発揮させているが、本発明はこれに限定されるものではなく、循環水の通水性及び電気特性を兼ね備えたものとすればよい。前記電解スタック15は上述したセルを複数枚積層してなるものであり、その能力及び大きさに応じて積層枚数を適宜設定している。
This cell is interposed between a pair of separators, a solid polymer electrolyte membrane provided between the separators, the solid electrolyte membrane and the separator, and the flow resistance of water is small (pressure loss is small) And it is comprised from the electric power feeding body with small electrical resistance. In the present embodiment, the mesh of the power supply is increased in order from the solid polymer film side.
In this embodiment, the function of inclining is exhibited by the size of the mesh openings, but the present invention is not limited to this, and is assumed to have both water permeability and electrical characteristics of the circulating water. That's fine. The
ここで、循環水が自然循環する作用について説明する。
浄化層13を通過する際に水の圧力損失が生じる。この流量が大きい場合には圧力損失が増大する。また電解スタック15においても圧力損失が生じ、流量が多くなると圧力損失が増大する。一方、電解スタック15及び送給管の内部においては一定電流でガスの発生が一定であれば循環流量が大きい場合ボイド率が低下し、循環力が低下する。よって、バランスする適量が存在する。
Here, the effect | action which circulating water circulates naturally is demonstrated.
When passing through the
本実施例では、以下の設計条件に対して行った。
容器本体内の圧力(P)を7ata、電流密度(I)を1A/cm2、温度(T)を80℃とした。また、浄化層13における酸素側の循環水の水流量を0.5L/min/セルとした。
In this example, the following design conditions were used.
The pressure (P) in the container body was 7 ata, the current density (I) was 1 A / cm 2 , and the temperature (T) was 80 ° C. Further, the flow rate of the circulating water on the oxygen side in the
試験の結果、酸素側の浄化層における圧力損失(ΔPf)が77.5(mmH2O)であり、水電解スタックの圧力損失(ΔPs)が89.5(mmH2O)であり、総合圧力損失が167.1(mmH2O)である。
一方、循環力(ΔPk)は167.1であり、循環水はバランスするように回ることになる。また、循環力をつけるために、ヘッド差ΔHを大きくするようにすればよい。
As a result of the test, the pressure loss (ΔPf) in the purification layer on the oxygen side is 77.5 (mmH 2 O), the pressure loss (ΔPs) of the water electrolysis stack is 89.5 (mmH 2 O), and the total pressure The loss is 167.1 (mmH 2 O).
On the other hand, the circulating force (ΔPk) is 167.1, and the circulating water rotates so as to balance. Further, the head difference ΔH may be increased in order to increase the circulation force.
なお、酸素側の循環計算よりヘッド差ΔHは1m最低必要である。また、容器本体の内径は0.8mとし、浄化層13の厚さを0.65mmとした。なお、ヘッド差を可変可能とするように水素/水・二層流18−1を容器本体11の第1の部屋14−1に送給する第1の送給管19−1と連結する継手19−1bを介して任意の長さの上昇配管19−1aを繋ぐことができるようにしている。また、酸素側のヘッド差を可変可能とするように、酸素//水・二層流18−2を容器本体11の第2の部屋14−2に送給する第2の送給管19−2と連結する継手19−2bを介して任意の長さの上昇配管19−2aを繋ぐことができるようにしている。
It should be noted that the head difference ΔH is required to be 1 m minimum from the oxygen side circulation calculation. The inner diameter of the container body was 0.8 m, and the thickness of the
このように、容器本体11内を循環水が自然循環するので、従来のようなポンプが不要となり、所内効率が向上する。
Thus, since the circulating water naturally circulates inside the container
次に、水電解装置を運転して循環水が自然循環に循環すると共に、循環の途中において浄化層13により浄化される作用について説明する。
Next, an operation of operating the water electrolysis device to circulate the circulating water into the natural circulation and purify it by the
先ず、容器本体11内に浄化層13を充填し、次いで給水を開始する。その後、容器本体内を加圧して、所定圧(7ata)とする。次に、加熱部31により浄化した循環水16を加熱し、所定温度(80℃)とする。その後水電解スタック15に給電し、水電解を開始する。この水電解により水電解スタック15内において水素/水二層流18−1と酸素/水二層流18−2が形成され、水素と酸素との気体が各々上昇する。この上昇流が形成されるにつれて循環が開始される。その後、上述したようにバランスがとれると自然循環となり、水電解スタックからの水素/水二層流18−1と酸素/水二層流18−2が各々第1の送給管19−1と第2の送給管19−2を介して、第1の部屋14−1及び第2の部屋14−2にそれぞれ水素と酸素とを送り、ここで、気液分離が開始される。
First, the
すなわち、第1の部屋14−1に導入された水素/水二層流18−1から水素が気体となって分離される。水は下層の浄化層13側へ流れ、ここで、浄化される。また、第2の部屋14−2に導入された酸素/水二層流18−2から酸素が気体となって分離される。分離された循環水12は容器下側に位置する浄化層13側へ流れ、ここで、浄化されて浄化した循環水16となる。
このように、本実施例による水電解装置10は、容器本体11が気液分離部と浄化部とを一体に兼ね備えたものとなり、水素と酸素を分離した水は浄化層13を通過することで、不純物が除去される。その後、浄化した循環水16として水電解スタック15に供給するようにしている。
That is, hydrogen is separated as a gas from the hydrogen / water bilayer flow 18-1 introduced into the first chamber 14-1. Water flows to the
As described above, in the
また、分離された水素と酸素とは各々容器本体頂部に設けられた第1の部屋14−1から水素を排出する水素排出部20と、第2の部屋14−2から酸素を排出する酸素排出部21とにより外部へ排出され、各々利用される。
The separated hydrogen and oxygen are respectively a
この結果、本実施例によれば、容器本体内部に浄化部と気液分離部とを兼ね備えていると共に、循環水を自然循環により循環するようにしているので、従来のような設備におけるポンプ及び浄化装置等を外部に設置する必要がなく、しかも配管の取りまわしも少ないので、コンパクトで且つ簡易な構成の水電解装置を提供することができる。この結果、所内効率の大幅な向上を図ることができる。 As a result, according to the present embodiment, both the purification unit and the gas-liquid separation unit are provided inside the container body, and the circulating water is circulated by natural circulation. Since there is no need to install a purification device or the like outside, and there is also little piping, it is possible to provide a water electrolysis device having a compact and simple configuration. As a result, the in-house efficiency can be greatly improved.
図1に示すように、自然エネルギーとして例えば風力発電装置50及び太陽光発電装置60を用い、太陽光温水器90を用いて、供給する水を加温するようにすることにより、容器本体(高さ:約2m、直径:0.8m)内の圧力(P)を0.7MPa(7ata)、電流密度(I)を1A/cm2、温度(T)を80℃とし、浄化層13における酸素側の循環水の水流量を0.5L/min/セルとする場合、2.6Nm3/hrの水素を製造することができた。
燃料電池を用いた車両で使用する水素の使用燃料量は1日1台当たり、30Nm3/日であるので、本実施例の水電解装置においても、一日2台の車両の燃料を提供することができる。
As shown in FIG. 1, for example, a wind power generator 50 and a
Since the amount of hydrogen used in a vehicle using a fuel cell is 30 Nm 3 / day per vehicle per day, the water electrolysis apparatus of this embodiment also provides fuel for two vehicles per day. be able to.
以上のように、本発明にかかる自然エネルギー利用水電解システムは、例えば風力発電装置や太陽光発電装置等の自然エネルギーを活用して水電解装置を駆動して、自然エネルギーを用いた自己完結で水素の供給を行うことができ、水素を効率的に製造することに用いて適している。 As described above, the water electrolysis system using natural energy according to the present invention is self-contained using natural energy by driving the water electrolysis device using natural energy such as a wind power generator or a solar power generator. Hydrogen can be supplied and is suitable for efficient production of hydrogen.
10 水電解装置
11 容器本体
12 循環水
13 浄化層
14−1 第1の部屋
14−2 第2の部屋
16 浄化した循環水
17 水供給管
18−1 水素/水・二層流
18−2 酸素/水・二層流
19−1 第1の送給管
19−2 第2の送給管
20 水素排出部
21 酸素排出部
25 仕切板
50 風力発電装置
60 太陽光発電装置
70 二次電池
80 電流・電圧制御装置
90 太陽光温水器
DESCRIPTION OF
Claims (7)
該水電解装置を駆動する電流・電圧を制御する電流・電圧制御装置と、
自然エネルギーにより電気を得る自然エネルギー発電装置とを具備することを特徴とする自然エネルギー利用水電解システム。 A water electrolyzer that electrolyzes water to generate hydrogen and oxygen;
A current / voltage control device for controlling a current / voltage for driving the water electrolysis device;
A natural energy-use water electrolysis system comprising a natural energy power generation device that obtains electricity by natural energy.
更に、自然エネルギー発電装置からの電気を蓄電する二次電池を具備することを特徴とする自然エネルギー利用水電解システム。 In claim 1,
Furthermore, the water electrolysis system using natural energy, comprising a secondary battery that stores electricity from the natural energy power generation device.
自然エネルギー発電装置が風力発電装置、太陽光発電装置、水力発電装置、波力発電装置、地熱発電装置、海洋温度差発電装置のいずれか一種又はこれらの組合せであることを特徴とする自然エネルギー利用水電解システム。 In claim 1 or 2,
Use of natural energy characterized in that the natural energy power generation device is a wind power generation device, a solar power generation device, a hydroelectric power generation device, a wave power generation device, a geothermal power generation device, an ocean temperature difference power generation device or a combination thereof Water electrolysis system.
前記水電解装置に供給する供給水を太陽光温水器により加熱してなることを特徴とする自然エネルギー利用水電解システム。 In any one of Claims 1 thru | or 3,
A natural energy-utilizing water electrolysis system, wherein water supplied to the water electrolysis apparatus is heated by a solar water heater.
前記水電解装置が、
容器本体内に設けられ、循環する循環水を浄化する浄化層と、
前記容器本体の頂部から垂下し、容器本体内を第1の部屋と第2の部屋とに分離する仕切り板と、
前記容器本体の外部に設けられ、循環水を電気分解して水素と酸素を発生する水電解スタックと、
該水電解スタックに浄化した循環水を供給する水供給管と、
前記水電解スタックから循環水に同伴されてなる水素/水・二層流を容器本体の第1の部屋に送給する第1の送給管と、
前記水電解スタックから循環水に同伴されてなる酸素/水・二層流を容器本体の第2の部屋に送給する第2の送給管と、
前記第1の部屋から水素を排出する水素排出部と、
前記第2の部屋から酸素を排出する酸素排出部とを具備してなり、
水電解スタックに供給する循環水を浄化しつつ自然循環してなることを特徴とする自然エネルギー利用水電解システム。 In any one of Claims 1 thru | or 4,
The water electrolysis device is
A purification layer provided in the container body for purifying circulating water,
A partition plate that hangs down from the top of the container body and separates the inside of the container body into a first chamber and a second chamber;
A water electrolysis stack that is provided outside the container body and generates hydrogen and oxygen by electrolyzing the circulating water;
A water supply pipe for supplying purified water to the water electrolysis stack;
A first feed pipe for feeding a hydrogen / water bilayer flow entrained with circulating water from the water electrolysis stack to the first chamber of the container body;
A second feed pipe for feeding oxygen / water / two-layer flow entrained with circulating water from the water electrolysis stack to the second chamber of the container body;
A hydrogen discharger for discharging hydrogen from the first chamber;
An oxygen discharge part for discharging oxygen from the second chamber;
A natural energy-utilizing water electrolysis system characterized by being circulated naturally while purifying the circulating water supplied to the water electrolysis stack.
前記容器本体が耐圧容器であることを特徴とする自然エネルギー利用水電解システム。 In claim 5,
A natural energy-utilizing water electrolysis system, wherein the container body is a pressure-resistant container.
前記水電解装置が、
耐圧容器本体内に設けられ、循環する循環水を浄化する浄化層と、
前記耐圧容器本体の頂部から垂下し、容器本体内を第1の部屋と第2の部屋とに分離する仕切り板と、
前記耐圧容器の本体下部に設けられ、浄化した循環水を電気分解して水素と酸素を発生する水電解スタックと、
該水電解スタックに浄化した循環水を供給する水供給部と、
前記水電解スタックから循環水に同伴されてなる水素/水・二層流を容器本体の第1の部屋に送給する第1の送給管と、
前記水電解スタックから循環水に同伴されてなる酸素/水・二層流を容器本体の第2の部屋に送給する第2の送給管と、
前記第1の部屋から水素を排出する水素排出部と、
前記第2の部屋から酸素を排出する酸素排出部とを具備してなり、
水電解スタックに供給する循環水を浄化しつつ自然循環してなることを特徴とする自然エネルギー利用水電解システム。 In any one of Claims 1 thru | or 4,
The water electrolysis device is
A purification layer provided in the pressure vessel body for purifying circulating water,
A partition plate that hangs down from the top of the pressure vessel main body and separates the inside of the container main body into a first chamber and a second chamber;
A water electrolysis stack that is provided at the lower part of the main body of the pressure vessel and generates hydrogen and oxygen by electrolyzing purified circulating water;
A water supply section for supplying purified water to the water electrolysis stack;
A first feed pipe for feeding a hydrogen / water bilayer flow entrained with circulating water from the water electrolysis stack to the first chamber of the container body;
A second feed pipe for feeding oxygen / water / two-layer flow entrained with circulating water from the water electrolysis stack to the second chamber of the container body;
A hydrogen discharger for discharging hydrogen from the first chamber;
An oxygen discharge part for discharging oxygen from the second chamber;
A natural energy-utilizing water electrolysis system characterized by being circulated naturally while purifying the circulating water supplied to the water electrolysis stack.
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