JP7713435B2 - Hydrogen/oxygen generating device and hydrogen gas production method - Google Patents
Hydrogen/oxygen generating device and hydrogen gas production methodInfo
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Description
本発明は、水を電気分解して水素ガスと酸素ガスとを発生させる電気分解モジュールを備えた水素・酸素発生装置と、そのような水素・酸素発生装置で水素ガスを製造する水素ガス製造方法とに関する。 The present invention relates to a hydrogen/oxygen generating device equipped with an electrolysis module that electrolyzes water to generate hydrogen gas and oxygen gas, and a hydrogen gas production method for producing hydrogen gas using such a hydrogen/oxygen generating device.
近年、クリーンなエネルギー源として水素ガスを利用する機会が広がっており、このような水素ガスを得るための方法としては、水を電気分解する方法が広く知られている。このような水素ガスの製造においては、水を電気分解するための電気分解モジュールを備えた水素・酸素発生装置が知られている。 In recent years, opportunities to use hydrogen gas as a clean energy source have expanded, and the electrolysis of water is a widely known method for obtaining such hydrogen gas. Hydrogen and oxygen generating devices equipped with an electrolysis module for electrolyzing water are known for producing such hydrogen gas.
水素・酸素発生装置の電気分解モジュールとしては、複数の電解セルが積層されたセルスタックを備え、電解セルが固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜を介して隣り合う陰極室と陽極室とを備え、固体高分子電解質膜の陽極面側に純水を流通させ、電解により酸素ガスと水素イオンとを生成し、水素イオンを当該陽極面側から陰極面側へと固体高分子電解質膜内を移動させ、陰極面側にて水素ガスを発生させるタイプのものが知られている。 A type of electrolysis module for hydrogen and oxygen generation equipment is known that includes a cell stack in which multiple electrolysis cells are stacked, each of which includes a solid polymer electrolyte membrane and a cathode chamber and an anode chamber adjacent to each other via the solid polymer electrolyte membrane. Pure water is passed through the anode side of the solid polymer electrolyte membrane, oxygen gas and hydrogen ions are generated by electrolysis, the hydrogen ions are moved from the anode side to the cathode side within the solid polymer electrolyte membrane, and hydrogen gas is generated on the cathode side.
この種の電気分解モジュールでは、水を供給するための経路と、酸素ガスを排出する経路と、水素ガスを排出する経路とがセルスタックを貫通するように設けられ、水供給経路と酸素ガス排出経路とがそれぞれ全ての陽極室と連通するように設けられ、水素ガス排出経路が全ての陰極室と連通するように設けられている。また、この種の電気分解モジュールには、水供給経路を通じて陽極室に供給する水の供給口と、酸素ガス排出経路を通じて排出される酸素ガスの排出口と、水素ガス排出経路を通じて排出される水素ガスの排出口とが備えられている。そして、この種の電気分解モジュールは、電力を供給しつつ水供給口から水を供給することで酸素ガス排出口と水素ガス排出口とのそれぞれから酸素ガスと水素ガスとが排出されるように構成されている。 In this type of electrolysis module, a path for supplying water, a path for discharging oxygen gas, and a path for discharging hydrogen gas are provided so as to penetrate the cell stack, the water supply path and the oxygen gas discharge path are each provided so as to communicate with all the anode chambers, and the hydrogen gas discharge path is provided so as to communicate with all the cathode chambers. This type of electrolysis module also includes a water supply port for supplying water to the anode chamber through the water supply path, an outlet for oxygen gas discharged through the oxygen gas discharge path, and an outlet for hydrogen gas discharged through the hydrogen gas discharge path. This type of electrolysis module is configured so that oxygen gas and hydrogen gas are discharged from the oxygen gas discharge port and the hydrogen gas discharge port, respectively, by supplying water from the water supply port while supplying electric power.
電解セルでは、化学的な劣化等により固体高分子電解質膜にピンホールが生じることがある。そのため水素・酸素発生装置では、そのようなピンホールの発生を検知するために酸素ガス排出口から排出される酸素ガスにおける水素濃度が測定されたりしている(下記特許文献1の段落0042等参照)。 In electrolysis cells, pinholes can occur in the solid polymer electrolyte membrane due to chemical deterioration, etc. For this reason, in hydrogen/oxygen generation devices, the hydrogen concentration in the oxygen gas discharged from the oxygen gas outlet is measured to detect the occurrence of such pinholes (see paragraph 0042 of Patent Document 1 below, etc.).
水素・酸素発生装置で固体高分子電解質膜にピンホール等の異常が発生した場合、どの電解セルで異常が生じているのかは、通常、セルスタックを解体せずに調べることが困難である。また、一度解体したセルスタックを元通りに組み直すことも困難であるため、ピンホール等の異常が発生した場合、セルスタックごと交換する修理方法がとられる。そのため、セルスタックでは最も寿命の短い電解セルによって全ての電解セルの使用期間が決定され、多くの電解セルは、耐用期間を満了する前に廃棄されたりしている。したがって、このような装置で水素ガスを製造する水素ガス製造方法においては、交換部品の消費量を抑制することが難しく、効率良く水素ガスを製造することが難しい状況になっている。本発明はこのような問題に着目してなされたものであり、電解セルの使用期間の長期化を図り、水素ガス製造効率の向上を図ることを目的としている。 When an abnormality such as a pinhole occurs in the solid polymer electrolyte membrane of a hydrogen/oxygen generating device, it is usually difficult to determine which electrolysis cell has the abnormality without dismantling the cell stack. In addition, since it is difficult to reassemble a cell stack that has been dismantled, when an abnormality such as a pinhole occurs, the repair method is to replace the entire cell stack. Therefore, the service life of all the electrolysis cells in the cell stack is determined by the electrolysis cell with the shortest life, and many electrolysis cells are discarded before the end of their service life. Therefore, in a hydrogen gas production method that produces hydrogen gas using such a device, it is difficult to suppress the consumption of replacement parts, and it is difficult to produce hydrogen gas efficiently. The present invention has been made with an eye on such problems, and aims to extend the service life of the electrolysis cells and improve the efficiency of hydrogen gas production.
上記課題を解決するための本発明は、
水を電気分解して水素ガスと酸素ガスとを発生させる電気分解モジュールを備え、
前記電気分解モジュールが前記酸素ガスを排出する酸素ガス排出口と前記水素ガスを排出する水素ガス排出口とを備え、
該電気分解モジュールには、複数の電解セルが積層されたセルスタックが備えられ、
前記複数の電解セルのそれぞれは、固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜を介して隣り合う陰極室と陽極室とを備え、前記陽極室に水が供給されて該陽極室から前記酸素ガスが排出されるとともに前記陰極室から前記水素ガスが排出されるように構成され、
前記セルスタックには、前記複数の電解セルが積層されている方向に前記電解セルを貫通し、それぞれの前記電解セルの前記陰極室と連通する水素ガス排出経路が備えられ、
前記複数の電解セルのそれぞれの前記陰極室で発生された前記水素ガスが前記水素ガス排出経路を通じて前記水素ガス排出口より排出されるように構成されている水素・酸素発生装置であって、
前記セルスタックの積層方向の一端側と他端側との間に介装された1枚又は複数枚の中間板を更に備え、
該中間板によって前記セルスタックが複数のブロックに区切られ、
前記電気分解モジュールには、前記複数のブロックのそれぞれに前記水を供給するための複数の水供給口と、前記複数のブロックのそれぞれから前記酸素ガスを排出するための複数の前記酸素ガス排出口とが備えられ、
前記中間板が、ガス非透過性の素材で構成され、且つ、前記水素ガス排出経路に対応する位置に前記水素ガスを通過させるための通気部を有しており、
前記水と前記酸素ガスとのブロック間での移動を規制しつつ前記複数のブロックから排出される前記水素ガスを前記水素ガス排出口から排出できるように構成されている水素・酸素発生装置、を提供する。
To solve the above problems, the present invention provides:
An electrolysis module is provided for electrolyzing water to generate hydrogen gas and oxygen gas,
The electrolysis module includes an oxygen gas outlet for discharging the oxygen gas and a hydrogen gas outlet for discharging the hydrogen gas,
The electrolysis module includes a cell stack in which a plurality of electrolysis cells are stacked,
each of the plurality of electrolysis cells includes a solid polymer electrolyte membrane, and a cathode chamber and an anode chamber adjacent to each other with the solid polymer electrolyte membrane interposed therebetween, and is configured such that water is supplied to the anode chamber, the oxygen gas is discharged from the anode chamber, and the hydrogen gas is discharged from the cathode chamber;
the cell stack is provided with a hydrogen gas exhaust path that penetrates the electrolytic cells in a direction in which the electrolytic cells are stacked and communicates with the cathode chamber of each of the electrolytic cells;
A hydrogen and oxygen generation device configured so that the hydrogen gas generated in the cathode chamber of each of the plurality of electrolysis cells is discharged from the hydrogen gas discharge port through the hydrogen gas discharge path,
Further comprising one or more intermediate plates interposed between one end side and the other end side of the cell stack in a stacking direction,
The intermediate plate divides the cell stack into a plurality of blocks,
the electrolysis module includes a plurality of water supply ports for supplying the water to each of the plurality of blocks, and a plurality of oxygen gas discharge ports for discharging the oxygen gas from each of the plurality of blocks;
the intermediate plate is made of a gas impermeable material and has a vent portion for passing the hydrogen gas at a position corresponding to the hydrogen gas exhaust path;
The present invention provides a hydrogen/oxygen generating device that is configured so that the hydrogen gas discharged from the plurality of blocks can be discharged from the hydrogen gas discharge port while regulating the movement of the water and the oxygen gas between the blocks.
上記課題を解決するための本発明は、
水を電気分解して水素ガスと酸素ガスとを発生させる電気分解モジュールを備えた水素・酸素発生装置で水素ガスを製造する水素ガス製造方法であって、
前記水素・酸素発生装置は、
前記電気分解モジュールが前記酸素ガスを排出する酸素ガス排出口と前記水素ガスを排出する水素ガス排出口とを備え、
該電気分解モジュールには、複数の電解セルが積層されたセルスタックが備えられ、
前記複数の電解セルのそれぞれは、固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜を介して隣り合う陰極室と陽極室とを備え、前記陽極室に水が供給されて該陽極室から前記酸素ガスが排出されるとともに前記陰極室から前記水素ガスが排出されるように構成され、
前記セルスタックには、前記複数の電解セルが積層されている方向に前記電解セルを貫通し、それぞれの前記電解セルの前記陰極室と連通する水素ガス排出経路が備えられ、
前記複数の電解セルのそれぞれの前記陰極室で発生された前記水素ガスが前記水素ガス排出経路を通じて前記水素ガス排出口より排出されるように構成されており、
前記セルスタックの積層方向の一端側と他端側との間に介装された1枚又は複数枚の中間板を更に備え、
該中間板によって前記セルスタックが複数のブロックに区切られ、
前記電気分解モジュールには、前記複数のブロックのそれぞれに前記水を供給するための複数の水供給口と、前記複数のブロックのそれぞれから前記酸素ガスを排出するための複数の前記酸素ガス排出口とが備えられ、
前記中間板が、ガス非透過性の素材で構成され、且つ、前記水素ガス排出経路に対応する位置に前記水素ガスを通過させるための通気部を有しており、
当該水素・酸素発生装置が、前記水と前記酸素ガスとのブロック間での移動を規制しつつ前記複数のブロックから排出される前記水素ガスを前記水素ガス排出口から排出できるように構成され、
前記電気分解モジュールを運転して水素ガスを製造することと、
前記電気分解モジュールの運転を停止して前記固体高分子電解質膜を検査することとを実施し、
前記検査では、前記陰極室と前記陽極室との間に圧力差を生じさせて前記固体高分子電解質膜のガス透過性を測定する水素ガス製造方法、を提供する。
To solve the above problems, the present invention provides:
A hydrogen gas production method for producing hydrogen gas using a hydrogen/oxygen generation device including an electrolysis module that electrolyzes water to generate hydrogen gas and oxygen gas, comprising:
The hydrogen and oxygen generating device comprises:
The electrolysis module includes an oxygen gas outlet for discharging the oxygen gas and a hydrogen gas outlet for discharging the hydrogen gas,
The electrolysis module includes a cell stack in which a plurality of electrolysis cells are stacked,
each of the plurality of electrolysis cells includes a solid polymer electrolyte membrane, and a cathode chamber and an anode chamber adjacent to each other with the solid polymer electrolyte membrane interposed therebetween, and is configured such that water is supplied to the anode chamber, the oxygen gas is discharged from the anode chamber, and the hydrogen gas is discharged from the cathode chamber;
the cell stack is provided with a hydrogen gas exhaust path that penetrates the electrolytic cells in a direction in which the electrolytic cells are stacked and communicates with the cathode chamber of each of the electrolytic cells;
The hydrogen gas generated in the cathode chamber of each of the plurality of electrolysis cells is discharged from the hydrogen gas discharge port through the hydrogen gas discharge path,
Further comprising one or more intermediate plates interposed between one end side and the other end side of the cell stack in a stacking direction,
The intermediate plate divides the cell stack into a plurality of blocks,
the electrolysis module includes a plurality of water supply ports for supplying the water to each of the plurality of blocks, and a plurality of oxygen gas discharge ports for discharging the oxygen gas from each of the plurality of blocks;
the intermediate plate is made of a gas impermeable material and has a vent portion for passing the hydrogen gas at a position corresponding to the hydrogen gas exhaust path;
the hydrogen/oxygen generating device is configured to be able to discharge the hydrogen gas discharged from the plurality of blocks through the hydrogen gas discharge port while restricting the movement of the water and the oxygen gas between the blocks;
operating the electrolysis module to produce hydrogen gas;
and stopping the operation of the electrolysis module to inspect the solid polymer electrolyte membrane.
In the inspection, a pressure difference is generated between the cathode chamber and the anode chamber to measure the gas permeability of the solid polymer electrolyte membrane.
本発明では、セルスタックが複数のブロックに区分けされているため、ブロック単位で固体高分子電解質膜の異常を検知できるとともにブロック単位で電解セルを交換できるため、異常の検知されなかったブロックでは電解セルをそのまま継続して使用することができ、電解セルの使用期間を長期化することができる。 In the present invention, the cell stack is divided into multiple blocks, so that abnormalities in the solid polymer electrolyte membrane can be detected on a block-by-block basis, and the electrolytic cells can be replaced on a block-by-block basis. This allows the electrolytic cells in blocks where no abnormalities are detected to continue to be used as is, thereby extending the service life of the electrolytic cells.
以下に図を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。図1に示すように本実施形態の水素・酸素発生装置1は、水を電気分解して水素ガスと酸素ガスとを発生させる電気分解モジュール100を備えている。本実施形態の水素・酸素発生装置1は、電気分解モジュール100で電気分解される水を貯留するタンク200を有する。本実施形態の水素・酸素発生装置1は、電気分解モジュール100の陽極側に水を循環供給し得るように構成されている。本実施形態の水素・酸素発生装置1は、電気分解によって消費されるよりも過剰の水を電気分解モジュール100に供給し、電気分解モジュール100の陽極側から酸素ガスと水とを気液混合流の状態で排出させ、該気液混合流をタンク200に返送し、該タンク200で気液分離を実施させ得るように構成されている。 The embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. As shown in FIG. 1, the hydrogen/oxygen generating device 1 of this embodiment includes an electrolysis module 100 that electrolyzes water to generate hydrogen gas and oxygen gas. The hydrogen/oxygen generating device 1 of this embodiment has a tank 200 that stores water to be electrolyzed in the electrolysis module 100. The hydrogen/oxygen generating device 1 of this embodiment is configured to circulate water to the anode side of the electrolysis module 100. The hydrogen/oxygen generating device 1 of this embodiment is configured to supply water in excess of that consumed by electrolysis to the electrolysis module 100, discharge oxygen gas and water from the anode side of the electrolysis module 100 in the form of a gas-liquid mixed flow, return the gas-liquid mixed flow to the tank 200, and perform gas-liquid separation in the tank 200.
なお、図1では、該タンク200に該気液混合流を返送し、該タンク200で気液分離を実施するようにしているが、該タンク200とは別に気液分離タンクを設け、該気液混合流は気液分離タンクに返送するようにしてもよく、また、該タンク200の内部に仕切りを設け、電気分解モジュール100で電気分解される水を貯留する部分と該気液混合流が返送される部分とに区画を分けるようにしてもよい。なお、区画を分ける仕切りは、仕切りを介して隣り合う一方と他方とでタンク内の気相部分が連通するように設けてもよく、それらが完全に別々になるように設けてもよい。 In FIG. 1, the gas-liquid mixture is returned to the tank 200, and gas-liquid separation is performed in the tank 200. However, a gas-liquid separation tank may be provided separately from the tank 200, and the gas-liquid mixture may be returned to the gas-liquid separation tank. A partition may be provided inside the tank 200 to separate the tank into a section for storing water electrolyzed in the electrolysis module 100 and a section to which the gas-liquid mixture is returned. The partition may be provided so that the gas phases in the tanks on one side and the other side adjacent to each other are connected through the partition, or they may be provided so that they are completely separate.
本実施形態の水素・酸素発生装置1は、膜を透過する水が水素ガスに同伴されて電気分解モジュール100の陰極側より排出され、水と水素ガスとを分離し得るように気液分離器300をさらに有している。本実施形態の水素・酸素発生装置1は、タンク200より電気分解モジュール100に水を供給するための水搬送経路を構成する給水配管L1と、酸素ガスを含んだ気液混合流を電気分解モジュール100から排出してタンク200に返送するための酸素搬送経路を構成する酸素ガス排出配管L2と、電気分解モジュール100から水素ガスを排出するための水素搬送経路を構成する水素ガス排出配管L3と、をさらに有している。 The hydrogen/oxygen generating device 1 of this embodiment further includes a gas-liquid separator 300 so that water permeating the membrane is accompanied by hydrogen gas and discharged from the cathode side of the electrolysis module 100, and the water and hydrogen gas can be separated. The hydrogen/oxygen generating device 1 of this embodiment further includes a water supply pipe L1 constituting a water transport path for supplying water from the tank 200 to the electrolysis module 100, an oxygen gas discharge pipe L2 constituting an oxygen transport path for discharging the gas-liquid mixture flow containing oxygen gas from the electrolysis module 100 and returning it to the tank 200, and a hydrogen gas discharge pipe L3 constituting a hydrogen transport path for discharging hydrogen gas from the electrolysis module 100.
電気分解モジュール100は、固体高分子電解質膜を備えている。水素・酸素発生装置1は、固体高分子電解質膜のガス透過性を測定する検査機400をさらに備えている。以下においては、電気分解モジュール100が、直方体状である場合を例示するが、電気分解モジュールは円柱状や他の形状であってもよい。 The electrolysis module 100 includes a solid polymer electrolyte membrane. The hydrogen/oxygen generation device 1 further includes an inspection device 400 that measures the gas permeability of the solid polymer electrolyte membrane. In the following, the electrolysis module 100 is illustrated as being rectangular, but the electrolysis module may be cylindrical or have other shapes.
本実施形態の電気分解モジュール100は、直方体形状を有し、図2、図4、図6~図8に示すように正面視における横方向(左右方向)の寸法が奥行方向(前後方向)よりも長い。即ち、電気分解モジュール100は、上方や下方から見た形状が横長な長方形となる形状を有している。以下の説明においては、この長方形の長辺に沿った第1の方向のことを電気分解モジュール100の横方向Xと称し、短辺に沿った第2の方向のことを電気分解モジュール100の奥行方向Yと称し、この第1の方向や第2の方向に直交する方向を電気分解モジュール100の上下方向Zと称することがある。 The electrolysis module 100 of this embodiment has a rectangular parallelepiped shape, and as shown in Figures 2, 4, and 6 to 8, the horizontal (left-right) dimension in front view is longer than the depth (front-back) dimension. In other words, the electrolysis module 100 has a shape that is a horizontally long rectangle when viewed from above or below. In the following description, a first direction along the long side of this rectangle is referred to as the horizontal direction X of the electrolysis module 100, a second direction along the short side is referred to as the depth direction Y of the electrolysis module 100, and a direction perpendicular to the first direction and second direction is referred to as the vertical direction Z of the electrolysis module 100.
本実施形態の電気分解モジュール100は、当該電気分解モジュール100で電気分解される水をモジュール内に導入するための水供給口101と、電気分解して得られた酸素ガスを排出する酸素ガス排出口102と電気分解して得られた水素ガスを排出する水素ガス排出口103とを備えている。該電気分解モジュール100には、複数の電解セル10が上下方向Zに積層されたセルスタック110が備えられている。 The electrolysis module 100 of this embodiment is equipped with a water supply port 101 for introducing water to be electrolyzed in the electrolysis module 100 into the module, an oxygen gas outlet 102 for discharging oxygen gas obtained by electrolysis, and a hydrogen gas outlet 103 for discharging hydrogen gas obtained by electrolysis. The electrolysis module 100 is equipped with a cell stack 110 in which a plurality of electrolysis cells 10 are stacked in the vertical direction Z.
前記複数の電解セル10のそれぞれは、図3に示すように、固体高分子電解質膜11と、該固体高分子電解質膜を介して上下に隣り合う陰極室12と陽極室13とを備え、前記陽極室13に水が供給されて該陽極室13から前記酸素ガスが排出されるとともに前記陰極室12から前記水素ガスが排出されるように構成されている。 As shown in FIG. 3, each of the multiple electrolysis cells 10 includes a solid polymer electrolyte membrane 11, a cathode chamber 12, and an anode chamber 13 adjacent to each other vertically with the solid polymer electrolyte membrane interposed therebetween, and is configured such that water is supplied to the anode chamber 13, the oxygen gas is discharged from the anode chamber 13, and the hydrogen gas is discharged from the cathode chamber 12.
本実施形態での電解セル10では、前記固体高分子電解質膜11の上方に前記陽極室13が配され、前記固体高分子電解質膜11の下方に前記陰極室12が配されている。前記陽極室13の上方と前記陰極室12の下方にはそれぞれ陽極室13や陰極室12に対して電気的エネルギーを供給するための電極板14が配されている。本実施形態での電解セル10には、陰極室12を包囲するガスケット材(陰極ガスケットS2)と、陽極室13を包囲するガスケット材(陽極ガスケットS1)とが設けられている。即ち、陰極室12及び陽極室13は、外周部がガスケット材でシールされ、上下方向への開口部が電極板14と固体高分子電解質膜11とでそれぞれ閉塞されて気密性の高い空間となって備えられている。 In the electrolysis cell 10 of this embodiment, the anode chamber 13 is disposed above the solid polymer electrolyte membrane 11, and the cathode chamber 12 is disposed below the solid polymer electrolyte membrane 11. Electrode plates 14 are disposed above the anode chamber 13 and below the cathode chamber 12 to supply electrical energy to the anode chamber 13 and the cathode chamber 12, respectively. In the electrolysis cell 10 of this embodiment, a gasket material (cathode gasket S2) surrounding the cathode chamber 12 and a gasket material (anode gasket S1) surrounding the anode chamber 13 are provided. That is, the outer periphery of the cathode chamber 12 and the anode chamber 13 are sealed with the gasket material, and the openings in the upper and lower directions are closed by the electrode plates 14 and the solid polymer electrolyte membrane 11, respectively, to form highly airtight spaces.
本実施形態の前記セルスタック110は、複極式の電解セル10で構成され、一枚の電極板14が上下方向Zに隣り合う2つの電解セル10の電極板として兼用されている。前記セルスタック110では、陰極室12や陽極室13が上下方向Zに2つ以上連続しておらず、陰極室12と陽極室13とが交互に配されている。そして、前記電極板14の両面の内の一方の面は、当該電極板14が兼用されている2つの電解セル10の内の一方の電解セル10の陰極室12に向けた陰極面14cとなっていて、該陰極面14cとは反対の面は、他方の電解セル10の陽極室13に向けた陽極面14aとなっている。 The cell stack 110 of this embodiment is composed of bipolar electrolytic cells 10, and one electrode plate 14 is used as an electrode plate for two electrolytic cells 10 adjacent to each other in the vertical direction Z. In the cell stack 110, there are no more than two cathode chambers 12 or anode chambers 13 consecutive in the vertical direction Z, and the cathode chambers 12 and anode chambers 13 are arranged alternately. One of the two surfaces of the electrode plate 14 is a cathode surface 14c facing the cathode chamber 12 of one of the two electrolytic cells 10 for which the electrode plate 14 is used, and the surface opposite to the cathode surface 14c is an anode surface 14a facing the anode chamber 13 of the other electrolytic cell 10.
本実施形態の電気分解モジュール100では、前記電解セル10が積層されている上下方向Zでの前記セルスタック110の両端部にそれぞれ第1エンドプレート121と第2エンドプレート122との2つのエンドプレート120が備えられている。第1エンドプレート121は、セルスタック110の積層方向の一端側と他端側との内の一端側(上端部)に上方から接するように配されており、第2エンドプレート122は、セルスタック110の積層方向の一端側と他端側との内の他端側(下端部)に下方から接するように配されている。 In the electrolysis module 100 of this embodiment, two end plates 120, a first end plate 121 and a second end plate 122, are provided at both ends of the cell stack 110 in the vertical direction Z in which the electrolysis cells 10 are stacked. The first end plate 121 is arranged so as to contact one end side (upper end) of the one end side and the other end side of the stacking direction of the cell stack 110 from above, and the second end plate 122 is arranged so as to contact the other end side (lower end) of the one end side and the other end side of the stacking direction of the cell stack 110 from below.
本実施形態の電気分解モジュール100では、前記セルスタック110の積層方向の一端側と他端側との間に介装された1枚又は複数枚の中間板150を更に備え、該中間板150によって前記セルスタック110が複数のブロックに区切られている。図2に例示の電気分解モジュール100は、1枚の中間板150が一箇所にのみ介装されて前記セルスタック110が2つのブロックに区切られている。2つのブロックの内の第1ブロック111は、第1エンドプレート121と中間板150との間に備えられ、第2ブロック112は、中間板150と第2エンドプレート122との間に配されている。なお、第1エンドプレート121と第2エンドプレート122の厚さは、中間板150よりも厚いことが好ましい。また、第1エンドプレート121と第2エンドプレート122の厚さは、電極板14よりも厚いことが好ましい。 The electrolysis module 100 of this embodiment further includes one or more intermediate plates 150 interposed between one end side and the other end side of the cell stack 110 in the stacking direction, and the cell stack 110 is divided into a plurality of blocks by the intermediate plates 150. In the electrolysis module 100 illustrated in FIG. 2, one intermediate plate 150 is interposed only at one location, and the cell stack 110 is divided into two blocks. Of the two blocks, the first block 111 is provided between the first end plate 121 and the intermediate plate 150, and the second block 112 is disposed between the intermediate plate 150 and the second end plate 122. The thickness of the first end plate 121 and the second end plate 122 is preferably thicker than the intermediate plate 150. The thickness of the first end plate 121 and the second end plate 122 is preferably thicker than the electrode plate 14.
電気分解モジュール100での積層方向(上下方向Z)に沿って見たときの電解セル10の平面視や底面視における形状は、電気分解モジュール100の平面形状や底面形状と同じく横長な長方形となっている。第1ブロック111及び第2ブロック112は、それぞれ複数の電解セル10が上下方向Zに真っすぐに積層されて直方体形状となっている。第1ブロック111と第2ブロック112とは、上下方向に沿ってそれらを見た平面視や底面視において全ての電解セル10が輪郭を揃えた状態で中間板150を介して上下に積層されている。第1エンドプレート121、第2エンドプレート122及び中間板150は、本実施形態では、それぞれ電解セル10以上の大きさを有する矩形板状である。本実施形態での第1エンドプレート121、第2エンドプレート122及び中間板150は、電解セル10よりも一回り大きく、第1ブロック111や第2ブロック112よりも前後左右にはみ出した状態となって電気分解モジュール100に備えられている。 The shape of the electrolytic cell 10 in plan view or bottom view when viewed along the stacking direction (vertical direction Z) in the electrolytic module 100 is a horizontally long rectangle, the same as the planar shape and bottom shape of the electrolytic module 100. The first block 111 and the second block 112 each have a rectangular shape in which a plurality of electrolytic cells 10 are stacked straight in the vertical direction Z. The first block 111 and the second block 112 are stacked vertically via the intermediate plate 150 with all the electrolytic cells 10 aligned in plan view or bottom view when viewed along the vertical direction. In this embodiment, the first end plate 121, the second end plate 122, and the intermediate plate 150 are rectangular plates each having a size equal to or larger than the electrolytic cell 10. In this embodiment, the first end plate 121, the second end plate 122, and the intermediate plate 150 are one size larger than the electrolytic cell 10 and are provided in the electrolytic module 100 in a state where they protrude from the first block 111 and the second block 112 in the front, back, left and right directions.
中間板150は、電解セル10より大きくある必要はなく、電解セル10と同等の大きさであってもよい。中間板150は、電解セル10よりも外向きに突出する突出部を有していてもよく。突出部は、全周に亘って形成されるようにしてもよく、対向する2つの辺に設けてもよい。突出部は、対向する2辺の一部のみを突出するように設けてもよい。突出部を設けることで、第1ブロック111を垂直方向からはさみこむように突出部と第1エンドプレート121とを押圧する押圧部材を設置することができ、第2ブロック112に不具合が生じたときに突出部と第1エンドプレート121とを押圧部材ではさみこむことで第1ブロックを分解することなく第2ブロック112のみ点検することが可能となる。一方、突出部と第2ブロック112を押圧部材ではさみこむときは第1ブロック111を、第2ブロックを分解することなく点検することが可能となる。突出部は、中間板150の上下に隣接する電解セル10より5mm以上外側に突出するように設けることができる。突出部は、10mm以上外側に突出してもよく、15mm以上外側に突出してもよく、20mm以上外側に突出するように設けられていてもよい。 The intermediate plate 150 does not need to be larger than the electrolytic cell 10, and may be the same size as the electrolytic cell 10. The intermediate plate 150 may have a protrusion that protrudes outward from the electrolytic cell 10. The protrusion may be formed around the entire circumference, or may be provided on two opposing sides. The protrusion may be provided so as to protrude only a part of the two opposing sides. By providing the protrusion, a pressing member that presses the protrusion and the first end plate 121 so as to sandwich the first block 111 from the vertical direction can be installed, and when a defect occurs in the second block 112, the protrusion and the first end plate 121 can be sandwiched by the pressing member, making it possible to inspect only the second block 112 without disassembling the first block. On the other hand, when the protrusion and the second block 112 are sandwiched by the pressing member, it becomes possible to inspect the first block 111 without disassembling the second block. The protrusions can be provided so as to protrude 5 mm or more outward from the electrolysis cells 10 adjacent to the upper and lower sides of the intermediate plate 150. The protrusions may be provided so as to protrude 10 mm or more outward, 15 mm or more outward, or 20 mm or more outward.
突出部には、孔を設けて吊り治具で吊り下げまたは吊り上げることで移動させることができるようにしても良い。この場合、第1エンドプレート121、または第2エンドプレート122にも同様の吊り治具用の孔を設け、平面視で突出部の孔と第1エンドプレート121の孔、突出部の孔と第2エンドプレートの孔、または突出部の孔と第1エンドプレート121の孔と第2エンドプレートの孔が同じ位置に来るように設けるとより好ましい。 The protrusion may be provided with a hole so that it can be moved by suspending or lifting it with a hoisting jig. In this case, it is more preferable to provide a similar hole for the hoisting jig in the first end plate 121 or the second end plate 122 so that the hole in the protrusion and the hole in the first end plate 121, the hole in the protrusion and the hole in the second end plate, or the hole in the protrusion and the hole in the first end plate 121 and the hole in the second end plate are in the same position in a plan view.
中間板150は、複数枚重ねて配置しても良い。例えば、2枚重ねて配置することで片方のブロックのみモジュールから取り外した場合、もう一方のブロックの積層方向の片面がもう一枚の中間板150で保護されるため、もう一方のブロックの損傷を防ぐことができる。この場合、取り外しの容易さを考慮して、それぞれの中間板150の大きさを変える、または中間板150同士の突出部が平面視したときに重ならないようにするとより好ましい。中間板150の大きさについては、特に限定しないが、エンドプレートの外周部分には固定ボルトが通るため、ボルトの通る位置よりも内側にするとより好ましい。尚、ボルト、ナットなどの2つの部材を締結するための締結具は、部材同士が接近する方向に圧力を作用させることもできるため上記のような押圧部材として用いることができる。 The intermediate plate 150 may be arranged in a stacked manner. For example, by arranging two plates in a stacked manner, when only one block is removed from the module, one side of the other block in the stacking direction is protected by the other intermediate plate 150, so that damage to the other block can be prevented. In this case, it is more preferable to change the size of each intermediate plate 150 or to ensure that the protruding parts of the intermediate plates 150 do not overlap when viewed in a plan view, taking into consideration ease of removal. There is no particular limit to the size of the intermediate plate 150, but since a fixing bolt passes through the outer periphery of the end plate, it is more preferable to place the intermediate plate 150 inside the position where the bolt passes. Note that a fastener for fastening two members, such as a bolt or a nut, can also apply pressure in the direction in which the members approach each other, and can be used as a pressing member as described above.
中間板150を複数枚重ねてブロック毎の保護をするための方法としては、例えば、図3Aに示すように、第1エンドプレート121と第2エンドプレート122とのそれぞれに係合してモジュール全体を一纏まりのものとして固定する全固定ボルトB0が通る領域よりも内側に位置する中間板150として上板150aと下板150bとの2枚の中間板150を配置する方法が挙げられる。 As a method for stacking multiple intermediate plates 150 to protect each block, for example, as shown in FIG. 3A, there is a method in which two intermediate plates 150, an upper plate 150a and a lower plate 150b, are arranged as intermediate plates 150 located inside the area through which the total fixing bolt B0 passes, which engages with each of the first end plate 121 and the second end plate 122 to fix the entire module as a unit.
この図3Aに示した例では、モジュール全体を固定する全固定ボルトB0として、外周面に螺子山が設けられた丸棒状の軸部B0aと該軸部よりも径大な頭部B0bとを有し、該頭部B0bが前記軸部B0aの長さ方向一端側に設けられている一般的なボルトが用いられている。この図3Aに示した例では、第1エンドプレート121と第2エンドプレート122とに全体を固定するための貫通孔として全固定用貫通孔H0が設けられている。全固定用貫通孔H0は、第1エンドプレート121と第2エンドプレート122とをそれぞれ厚さ方向に貫通し、且つ、鉛直方向に延びる仮想軸が両者の中央部を通るように配されている。そして、全固定ボルトB0では、前記軸部B0aが、全固定用貫通孔H0の内径以下の外径を有し、前記頭部B0bが前記全固定用貫通孔H0よりも径大となっている。 In the example shown in FIG. 3A, a general bolt is used as the total fixing bolt B0 for fixing the entire module, which has a round bar-shaped shaft B0a with a screw thread on the outer circumferential surface and a head B0b with a larger diameter than the shaft, and the head B0b is provided on one end side in the longitudinal direction of the shaft B0a. In the example shown in FIG. 3A, a total fixing through hole H0 is provided as a through hole for fixing the entire module to the first end plate 121 and the second end plate 122. The total fixing through hole H0 penetrates the first end plate 121 and the second end plate 122 in the thickness direction, respectively, and is arranged so that a virtual axis extending vertically passes through the center of both. In the total fixing bolt B0, the shaft B0a has an outer diameter equal to or smaller than the inner diameter of the total fixing through hole H0, and the head B0b has a larger diameter than the total fixing through hole H0.
図3Aに示した例では、第1エンドプレート121の上面121aから第2エンドプレートの下面122bまでの距離よりも長い軸部を備えた全固定ボルトB0を用い、第2エンドプレート122の下面122bよりも下方に突出した軸部B0aの先端部にナットN0を嵌めて第1エンドプレート121-第2エンドプレート122間の固定を行っている In the example shown in FIG. 3A, a full fixing bolt B0 with a shaft longer than the distance from the top surface 121a of the first end plate 121 to the bottom surface 122b of the second end plate is used, and a nut N0 is fitted to the tip of the shaft B0a that protrudes downward from the bottom surface 122b of the second end plate 122 to fix the first end plate 121 and the second end plate 122 together.
図3Aに示した例では、第1エンドプレート121と上板150aとで上下方向から第1ブロック111を挟み込んで第1固定ボルトB1によって第1ブロック111での電解セル10の積層状態を固定できるように第1エンドプレート121と上板150aとのそれぞれに第1固定用貫通孔H1が設けられている。また、図3Aに示した例では、第2固定ボルトB2によって下板150bと第2エンドプレート122とで上下方向から挟み込んで第2ブロック112を固定できるように第2エンドプレート122と下板150bとのそれぞれに第2固定用貫通孔H2が設けられている。 In the example shown in FIG. 3A, the first end plate 121 and the upper plate 150a are each provided with a first fixing through hole H1 so that the first block 111 can be sandwiched between them from above and below and the stacked state of the electrolysis cells 10 in the first block 111 can be fixed by the first fixing bolt B1. In the example shown in FIG. 3A, the second end plate 122 and the lower plate 150b are each provided with a second fixing through hole H2 so that the second block 112 can be fixed by the lower plate 150b and the second end plate 122 from above and below and the second fixing bolt B2 can be fixed.
本実施形態の電気分解モジュール100での全固定ボルトB0によるセルスタック110の積層状態の固定は、電気分解モジュール100が解体される場合を除き、原則的に常時行われる。一方で、第1固定ボルトB1での第1ブロック111の固定や第2固定ボルトB2での第2ブロック112の固定は、電気分解モジュール100が解体される場合に実施され、原則的に通常運転時には行われない。第1固定ボルトB1、及び、第2固定ボルトB2のそれぞれは、全固定ボルトB0と干渉し合わない位置に設けられることが好ましく、全固定ボルトB0が装着された電気分解モジュール100に対して着脱自在に装着可能であることが好ましい。 In the electrolysis module 100 of this embodiment, the stacked state of the cell stack 110 is fixed by the full fixing bolt B0 in principle at all times, except when the electrolysis module 100 is dismantled. On the other hand, the first block 111 is fixed by the first fixing bolt B1 and the second block 112 is fixed by the second fixing bolt B2 when the electrolysis module 100 is dismantled, and is not fixed in principle during normal operation. It is preferable that the first fixing bolt B1 and the second fixing bolt B2 are each provided at a position that does not interfere with the full fixing bolt B0, and it is preferable that they can be attached and detached freely to the electrolysis module 100 to which the full fixing bolt B0 is attached.
第1固定ボルトB1、及び、第2固定ボルトB2のそれぞれは、要すれば、電気分解モジュール100が解体される場合以外において装着されてもよい。全固定ボルトB0、第1固定ボルトB1、及び、第2固定ボルトB2のそれぞれは、電気分解モジュール100の通電時においても装着され得る場合、電気的なショートパスを形成するのを防止すべくエンドプレートや中間板との間に電気的な絶縁性を確保して取り付けられる。 The first fixing bolt B1 and the second fixing bolt B2 may be installed when necessary, except when the electrolysis module 100 is disassembled. If the entire fixing bolt B0, the first fixing bolt B1, and the second fixing bolt B2 can be installed even when the electrolysis module 100 is energized, they are installed while ensuring electrical insulation between the end plates and the intermediate plate to prevent the formation of an electrical short path.
図3Aに示した例では、下板150bの上面において第2固定用貫通孔H2が開口している位置には前記上板150aが設けられておらず、前記上板150aには、前記第2固定用貫通孔H2に対応した位置に第2固定用貫通孔H2よりも大きな切欠部(以下、「上板切欠部150a1」ともいう)が設けられている。また、図3Aに示した例では、上板150aの下面において第1固定用貫通孔H1が開口している位置には前記下板150bが設けられておらず、前記下板150bには、前記第1固定用貫通孔H1に対応した位置に第1固定用貫通孔H1よりも大きな切欠部(以下、「下板切欠部150b1」)が設けられている。 In the example shown in FIG. 3A, the upper plate 150a is not provided at the position where the second fixing through hole H2 opens on the upper surface of the lower plate 150b, and the upper plate 150a has a cutout portion (hereinafter also referred to as "upper plate cutout portion 150a1") larger than the second fixing through hole H2 at a position corresponding to the second fixing through hole H2. Also, in the example shown in FIG. 3A, the lower plate 150b is not provided at the position where the first fixing through hole H1 opens on the lower surface of the upper plate 150a, and the lower plate 150b has a cutout portion (hereinafter "lower plate cutout portion 150b1") larger than the first fixing through hole H1 at a position corresponding to the first fixing through hole H1.
図3Aに示すように、この図に例示の電気分解モジュール100では、全固定ボルトB0よりも短い第1固定ボルトB1や第2固定ボルトB2が第1ブロック111や第2ブロック112を電気分解モジュール100から取り外す際に用いられ得る。該電気分解モジュール100は、第1固定用貫通孔H1に第1固定ボルトB1を通して第1エンドプレート121と上板150aとを締結し、これらによって第1ブロック111を上下方向から挟み込んで固定できるようになっている。該電気分解モジュール100は、第2固定用貫通孔H2に第2固定ボルトB2を通して下板150bと第2エンドプレート122とを締結し、これらによって第2ブロック112を上下方向から挟み込んで固定することができるようになっている。従って、この図に例示の電気分解モジュール100では、第1ブロック111や第2ブロック112を構成している電解セル10の積層状態を元の状態から崩すことを防ぎつつ第1ブロック111や第2ブロック112を個別に取り出すことができる。 3A, in the electrolysis module 100 illustrated in this figure, the first fixing bolt B1 and the second fixing bolt B2, which are shorter than the total fixing bolt B0, can be used when removing the first block 111 and the second block 112 from the electrolysis module 100. The electrolysis module 100 is configured so that the first end plate 121 and the upper plate 150a are fastened to each other by passing the first fixing bolt B1 through the first fixing through hole H1, thereby sandwiching and fixing the first block 111 from above and below. The electrolysis module 100 is configured so that the lower plate 150b and the second end plate 122 are fastened to each other by passing the second fixing bolt B2 through the second fixing through hole H2, thereby sandwiching and fixing the second block 112 from above and below. Therefore, in the electrolysis module 100 illustrated in this figure, the first block 111 and the second block 112 can be removed individually while preventing the stacked state of the electrolysis cells 10 that constitute the first block 111 and the second block 112 from being destroyed from their original state.
尚、第1固定ボルトB1や第2固定ボルトB2の形状等と第1固定用貫通孔H1や第2固定用貫通孔H2との関係性については全固定ボルトB0と全固定用貫通孔H0と同じである。即ち、第1固定ボルトB1や第2固定ボルトB2も第1固定用貫通孔H1や第2固定用貫通孔H2以下の太さの丸棒状で外周に螺子切りが施されている軸部と、第1固定用貫通孔H1や第2固定用貫通孔H2よりも径大な頭部とを有し、軸部の長さがそれぞれのエンドプレート120から中間板150に到達可能な長さとなっている。加えて、第1固定ボルトB1は、上板150aの側から第1エンドプレート121に向けて上向きに軸部を第1固定用貫通孔H1に通した時に頭部が下板切欠部150b1に収まった状態で上板150aの下面に当接され得るように構成されている。また、第2固定ボルトB2は、下板150bの側から第2エンドプレート122に向けて下向きに軸部を第2固定用貫通孔H2に通した時に頭部が上板切欠部150a1に収まった状態で下板150bの上面に当接され得るように構成されている。 The relationship between the shape of the first fixing bolt B1 and the second fixing bolt B2 and the first fixing through hole H1 and the second fixing through hole H2 is the same as that of the full fixing bolt B0 and the full fixing through hole H0. That is, the first fixing bolt B1 and the second fixing bolt B2 also have a round rod-shaped shaft portion with a thickness equal to or smaller than the first fixing through hole H1 and the second fixing through hole H2 and a screw cut on the outer periphery, and a head portion with a diameter larger than the first fixing through hole H1 and the second fixing through hole H2, and the length of the shaft portion is long enough to reach the intermediate plate 150 from each end plate 120. In addition, the first fixing bolt B1 is configured so that when the shaft portion is passed through the first fixing through hole H1 upward from the side of the upper plate 150a toward the first end plate 121, the head portion is fitted in the lower plate notch portion 150b1 and can be abutted against the lower surface of the upper plate 150a. In addition, the second fixing bolt B2 is configured so that when the shaft portion is passed through the second fixing through hole H2 downward from the lower plate 150b side toward the second end plate 122, the head portion fits into the upper plate cutout portion 150a1 and can abut against the upper surface of the lower plate 150b.
図に例示の第1固定ボルトB1は、頭部の厚さ(軸部の長さ方向での厚さ)が下板150bの厚さ以下となって、第1ブロック111の固定に際して頭部が下板150bの下面よりも下側に突出しないようになっているが頭部は下板150bの下面よりも下側に突出する厚さを有していてもよい。図に例示の第2固定ボルトB2は、頭部の厚さ(軸部の長さ方向での厚さ)が上板150aの厚さ以下となって、第2ブロック112の固定に際して頭部が上板150aの上面よりも上側に突出しないようになっているが、第2固定ボルトB2の頭部は上板150aの上面よりも上側に突出する厚さを有していてもよい。 The first fixing bolt B1 illustrated in the figure has a head thickness (thickness in the length direction of the shaft) that is equal to or less than the thickness of the lower plate 150b, so that the head does not protrude below the lower surface of the lower plate 150b when the first block 111 is fixed, but the head may have a thickness that protrudes below the lower surface of the lower plate 150b. The second fixing bolt B2 illustrated in the figure has a head thickness (thickness in the length direction of the shaft) that is equal to or less than the thickness of the upper plate 150a, so that the head does not protrude above the upper surface of the upper plate 150a when the second block 112 is fixed, but the head of the second fixing bolt B2 may have a thickness that protrudes above the upper surface of the upper plate 150a.
上記のような構造を有することから、図3Aに例示の電気分解モジュール100では、組み立て時に第1固定ボルトB1や第2固定ボルトB2で第1ブロック111や第2ブロック112を固定していなくても、後から、必要に応じて第1ブロック111や第2ブロック112の固定を実施することができる。尚、そのような利点は、上板150aや下板150bに切欠部を設けるのに代えて頭部を収容可能な大きさを有する貫通孔を設ける場合も同様に発揮され得る。 Because of the above-mentioned structure, in the electrolysis module 100 illustrated in FIG. 3A, even if the first block 111 and the second block 112 are not fixed with the first fixing bolt B1 and the second fixing bolt B2 during assembly, the first block 111 and the second block 112 can be fixed later as necessary. Note that such an advantage can also be achieved when a through hole large enough to accommodate a head is provided instead of providing a notch in the upper plate 150a and the lower plate 150b.
電気分解モジュール100の組み立て時点において予め第1ブロック111や第2ブロック112を固定しておくのであれば、図3Bに例示するような構造を採用してもよい。図3Bに例示の電気分解モジュール100は、上板150aと下板150bとの2枚の中間板150を間に電解セル10を介装させることなく積層している点では図3Aの態様と同じである。図3Aの電気分解モジュール100では、上板150aと下板150bとの外周縁を全固定ボルトB0が通る領域よりも内側に位置させていたが、図3Bに例示する電気分解モジュール100では、外周縁が全固定ボルトB0の通る領域に達する大きさの上板150aと下板150bとを採用し、上板150aと下板150bとの両方にも全固定用貫通孔H0を設けて全固定ボルトB0の軸部B0aを挿通させるようにしている。 If the first block 111 and the second block 112 are fixed in advance at the time of assembling the electrolysis module 100, a structure as exemplified in FIG. 3B may be adopted. The electrolysis module 100 illustrated in FIG. 3B is the same as the embodiment in FIG. 3A in that two intermediate plates 150, an upper plate 150a and a lower plate 150b, are stacked without an electrolysis cell 10 interposed therebetween. In the electrolysis module 100 in FIG. 3A, the outer peripheral edges of the upper plate 150a and the lower plate 150b are positioned inside the area through which the full fixing bolt B0 passes, but in the electrolysis module 100 illustrated in FIG. 3B, the upper plate 150a and the lower plate 150b are adopted whose outer peripheral edges reach the area through which the full fixing bolt B0 passes, and a full fixing through hole H0 is provided in both the upper plate 150a and the lower plate 150b so that the shaft portion B0a of the full fixing bolt B0 is inserted therethrough.
図3Bに例示する電気分解モジュール100では、上板150aの下面側と下板150bの上面側とに座繰り部(上板座繰り部150a2,下板座繰り部150b2)を設け、第1固定ボルトB1や第2固定ボルトB2の頭部を座繰り部に収容させている。このような場合も電解セル10の積層構造を維持したまま第1ブロック111と第2ブロック112とを分離することができる。図3A、図3Bに示すような態様においては、各ブロックでの積層状態を固定したまま電気分解モジュール100が解体できるため、解体作業が容易になるだけでなく、取り換えが必要なブロックを取り換える際に取り換え不要なブロックにおいて電解セル10に意図しない位置ずれが生じることを防止することができる。 In the electrolysis module 100 illustrated in FIG. 3B, the lower surface of the upper plate 150a and the upper surface of the lower plate 150b are provided with countersunk portions (upper plate countersunk portion 150a2, lower plate countersunk portion 150b2), and the heads of the first fixing bolt B1 and the second fixing bolt B2 are accommodated in the countersunk portions. Even in such a case, the first block 111 and the second block 112 can be separated while maintaining the stacked structure of the electrolysis cell 10. In the embodiment illustrated in FIG. 3A and FIG. 3B, the electrolysis module 100 can be disassembled while the stacked state of each block is fixed. This not only facilitates the disassembly work, but also prevents the electrolysis cell 10 from being unintentionally displaced in blocks that do not need to be replaced when replacing a block that needs to be replaced.
前述のように第1固定ボルトB1や第2固定ボルトB2は、通常、電気分解モジュール100を解体する際に装着される。一方、図3Bに例示の態様では、第1固定ボルトB1や第2固定ボルトB2が常時装着された状態になるため、エンドプレートや中間板との間に電気絶縁性を確保する必要がある。電気絶縁性を確保するためには、第1固定ボルトB1や第2固定ボルトB2とエンドプレートや中間板との間に電気絶縁性を有する部材を介装させたり、第1固定ボルトB1や第2固定ボルトB2としてそれ自身が電気絶縁性を有するボルト(例えば、樹脂ボルトやセラミックボルトなど)を採用したりしてもよい。尚、電気分解モジュール100の構成をシンプルなものにする上では、図3Aに示すような構成を採用することが好ましく、第1固定ボルトB1や第2固定ボルトB2は、全固定ボルトB0で電気分解モジュール100全体が固定された状態において着脱自在であることが好ましい。 As described above, the first fixing bolt B1 and the second fixing bolt B2 are usually attached when the electrolysis module 100 is disassembled. On the other hand, in the embodiment illustrated in FIG. 3B, the first fixing bolt B1 and the second fixing bolt B2 are always attached, so it is necessary to ensure electrical insulation between the end plate and the intermediate plate. In order to ensure electrical insulation, an electrically insulating member may be interposed between the first fixing bolt B1 and the second fixing bolt B2 and the end plate or the intermediate plate, or a bolt that is electrically insulating itself (e.g., a resin bolt or a ceramic bolt) may be used as the first fixing bolt B1 or the second fixing bolt B2. In order to simplify the configuration of the electrolysis module 100, it is preferable to adopt the configuration shown in FIG. 3A, and it is preferable that the first fixing bolt B1 and the second fixing bolt B2 are freely attachable and detachable when the entire electrolysis module 100 is fixed by the entire fixing bolt B0.
図5、図7に示すように第1エンドプレート121と第2エンドプレート122とは、それぞれ水供給口101と酸素ガス排出口102とを有している。具体的には、第1エンドプレート121には、平面視における長手方向(横方向X)での一端側において前後(奥行方向Y)に対を為すように2つの水供給口101(以下、「第1水供給口101a」ともいう)が設けられ、長手方向での他端側において前後に対を為すように2つの酸素ガス排出口102(以下、「第1酸素ガス排出口102a」ともいう)が設けられている。即ち、本実施形態において横長な長方形となっている第1エンドプレート121では、長辺の一端側の2つの角部にそれぞれ水供給口101が設けられ、他端側の2つの角部にそれぞれ酸素ガス排出口102が設けられている。 As shown in Figs. 5 and 7, the first end plate 121 and the second end plate 122 each have a water supply port 101 and an oxygen gas exhaust port 102. Specifically, the first end plate 121 is provided with two water supply ports 101 (hereinafter also referred to as "first water supply ports 101a") in a pair in the front and rear (depth direction Y) at one end side in the longitudinal direction (horizontal direction X) in a plan view, and two oxygen gas exhaust ports 102 (hereinafter also referred to as "first oxygen gas exhaust ports 102a") in a pair in the front and rear at the other end side in the longitudinal direction. That is, in the first end plate 121, which is a horizontally long rectangle in this embodiment, the water supply ports 101 are provided at two corners on one end side of the long side, and the oxygen gas exhaust ports 102 are provided at two corners on the other end side.
前記給水配管L1は、第1エンドプレート121においては水供給口101に接続されている。前記給水配管L1には、図11A~図11Cに示すように、水供給口101との接続箇所に、開閉弁(以下「給水弁V1」ともいう)が設けられている。即ち、本実施形態の電気分解モジュール100は、水供給口101を介した外部との流通が可能な状態と外部との流通が阻止された状態とに切替可能になっている。 The water supply pipe L1 is connected to the water supply port 101 at the first end plate 121. As shown in Figures 11A to 11C, the water supply pipe L1 is provided with an on-off valve (hereinafter also referred to as "water supply valve V1") at the connection point with the water supply port 101. In other words, the electrolysis module 100 of this embodiment is switchable between a state in which flow with the outside via the water supply port 101 is possible and a state in which flow with the outside is blocked.
前記酸素ガス排出配管L2は、第1エンドプレート121においては酸素ガス排出口102に接続されている。前記酸素ガス排出配管L2には、酸素ガス排出口102との接続箇所に開閉弁(以下「酸素ガス排出弁V2」ともいう)が設けられている。即ち、本実施形態の電気分解モジュール100は、酸素ガス排出口102を介した外部との流通が可能な状態と外部との流通が阻止された状態とに切替可能になっている。 The oxygen gas exhaust pipe L2 is connected to the oxygen gas exhaust port 102 at the first end plate 121. The oxygen gas exhaust pipe L2 is provided with an on-off valve (hereinafter also referred to as the "oxygen gas exhaust valve V2") at the connection point with the oxygen gas exhaust port 102. In other words, the electrolysis module 100 of this embodiment is switchable between a state in which flow with the outside via the oxygen gas exhaust port 102 is possible and a state in which flow with the outside is blocked.
第1エンドプレート121には、図5に示すように、長手方向の一端側で前後に対になっている2つの第1水供給口101aの間に設けられた第1水素ガス排出口103aと長手方向の他端側で前後に対になっている2つの第1酸素ガス排出口102aの間に設けられた第2水素ガス排出口103bとの2つの水素ガス排出口103が設けられている。 As shown in FIG. 5, the first end plate 121 is provided with two hydrogen gas exhaust ports 103: a first hydrogen gas exhaust port 103a provided between two first water supply ports 101a that are paired in the front and rear at one end in the longitudinal direction, and a second hydrogen gas exhaust port 103b provided between two first oxygen gas exhaust ports 102a that are paired in the front and rear at the other end in the longitudinal direction.
前記水素ガス排出配管L3は、第1エンドプレート121においては水素ガス排出口103に接続されている。前記水素ガス排出配管L3には、水素ガス排出口103との接続箇所に開閉弁(以下「水素ガス排出弁V3」ともいう)が設けられている。即ち、本実施形態の電気分解モジュール100は、水素ガス排出口103を介した外部との流通が可能な状態と外部との流通が阻止された状態とに切替可能になっている。 The hydrogen gas exhaust pipe L3 is connected to the hydrogen gas exhaust port 103 at the first end plate 121. The hydrogen gas exhaust pipe L3 is provided with an on-off valve (hereinafter also referred to as "hydrogen gas exhaust valve V3") at the connection point with the hydrogen gas exhaust port 103. In other words, the electrolysis module 100 of this embodiment is switchable between a state in which flow with the outside via the hydrogen gas exhaust port 103 is possible and a state in which flow with the outside is blocked.
本実施形態での第2エンドプレート122には、図7に示すように、第1エンドプレート121に設けられた2つの第1水供給口101aと上下方向Zにそれぞれ対を為すように設けられた2つの水供給口101(以下、「第2水供給口101b」ともいう)が設けられている。また、第2エンドプレート122には、第1エンドプレート121に設けられた2つの第1酸素ガス排出口102aと上下方向Zにそれぞれ対を為すように設けられた2つの酸素ガス排出口102(以下、「第2酸素ガス排出口102b」ともいう)が設けられている。即ち、長辺の一端側の2つの角部にそれぞれ水供給口101が設けられ、他端側の2つの角部にそれぞれ酸素ガス排出口102が設けられている点では、第1エンドプレート121と第2エンドプレート122とは共通している。 As shown in FIG. 7, the second end plate 122 in this embodiment is provided with two water supply ports 101 (hereinafter also referred to as "second water supply ports 101b") that are paired with the two first water supply ports 101a provided in the first end plate 121 in the vertical direction Z. The second end plate 122 is also provided with two oxygen gas exhaust ports 102 (hereinafter also referred to as "second oxygen gas exhaust ports 102b") that are paired with the two first oxygen gas exhaust ports 102a provided in the first end plate 121 in the vertical direction Z. That is, the first end plate 121 and the second end plate 122 are common in that the water supply ports 101 are provided at two corners on one end side of the long side, and the oxygen gas exhaust ports 102 are provided at two corners on the other end side.
給水弁V1を設けた給水配管L1が水供給口101に接続されている点については第2エンドプレート122の側についても同じである。即ち、本実施形態の電気分解モジュール100は、第2水供給口101bを介した外部との流通が可能な状態と外部との流通が阻止された状態とに切替可能になっている。また、酸素ガス排出弁V2を設けた酸素ガス排出配管L2が酸素ガス排出口102に接続されている点については第2エンドプレート122の側についても同じである。即ち、本実施形態の電気分解モジュール100は、第2酸素ガス排出口102bを介した外部との流通が可能な状態と外部との流通が阻止された状態とに切替可能になっている。 The water supply pipe L1 equipped with the water supply valve V1 is connected to the water supply port 101, which is the same on the second end plate 122 side. That is, the electrolysis module 100 of this embodiment can be switched between a state in which flow with the outside is possible via the second water supply port 101b and a state in which flow with the outside is blocked. Also, the oxygen gas exhaust pipe L2 equipped with the oxygen gas exhaust valve V2 is connected to the oxygen gas exhaust port 102, which is the same on the second end plate 122 side. That is, the electrolysis module 100 of this embodiment can be switched between a state in which flow with the outside is possible via the second oxygen gas exhaust port 102b and a state in which flow with the outside is blocked.
本実施形態での第2エンドプレート122には、水素ガス排出口103が形成されておらず電気分解モジュール100は、第1エンドプレート121の側からのみ水素ガスを取り出し可能になっている。尚、本実施形態の電気分解モジュール100は、第2エンドプレート122にも第1水素ガス排出経路161や第2水素ガス排出経路162に繋がる水素ガス排出口103を設けて上下両方から水素ガスを取り出し可能にしてもよい。この場合も、第2エンドプレート122に設けた水素ガス排出口103には、開閉弁を設けた水素ガス排出配管L3を接続することができる。 In this embodiment, the second end plate 122 does not have a hydrogen gas exhaust port 103, and the electrolysis module 100 can only extract hydrogen gas from the first end plate 121 side. Note that the electrolysis module 100 of this embodiment may also have a hydrogen gas exhaust port 103 connected to the first hydrogen gas exhaust path 161 or the second hydrogen gas exhaust path 162 in the second end plate 122, making it possible to extract hydrogen gas from both the top and bottom. In this case, too, a hydrogen gas exhaust pipe L3 equipped with an opening and closing valve can be connected to the hydrogen gas exhaust port 103 provided in the second end plate 122.
図4、図8、図9などに示すように、前記電気分解モジュール100での前記セルスタック110には、複数の電解セル10が積層されている上下方向Zに当該複数の電解セル10を貫通し、前記中間板150をも貫通してそれぞれの前記電解セル10の前記陰極室12と連通する水素ガス排出経路160が備えられている。本実施形態では第1水素ガス排出経路161と第2水素ガス排出経路162との2つの水素ガス排出経路160が設けられ、それらが電気分解モジュール100の横方向Xでの両端部にそれぞれ設けられている。 As shown in Figures 4, 8, 9, etc., the cell stack 110 in the electrolysis module 100 is provided with a hydrogen gas exhaust path 160 that penetrates the electrolysis cells 10 in the vertical direction Z in which the electrolysis cells 10 are stacked, and also penetrates the intermediate plate 150 to communicate with the cathode chamber 12 of each of the electrolysis cells 10. In this embodiment, two hydrogen gas exhaust paths 160, a first hydrogen gas exhaust path 161 and a second hydrogen gas exhaust path 162, are provided, and are provided at both ends of the electrolysis module 100 in the horizontal direction X, respectively.
第1水素ガス排出経路161は、第1水素ガス排出口103aに連通し、第1水素ガス排出口103aから下方に延びるように設けられている。第2水素ガス排出経路162は、第2水素ガス排出口103bに連通し、第2水素ガス排出口103bから下方に延びるように設けられている。第1水素ガス排出経路161及び第2水素ガス排出経路162は、セルスタック110の最も下方に設けられている陰極室12に到達するように延在している。 The first hydrogen gas exhaust path 161 is connected to the first hydrogen gas exhaust port 103a and is provided so as to extend downward from the first hydrogen gas exhaust port 103a. The second hydrogen gas exhaust path 162 is connected to the second hydrogen gas exhaust port 103b and is provided so as to extend downward from the second hydrogen gas exhaust port 103b. The first hydrogen gas exhaust path 161 and the second hydrogen gas exhaust path 162 extend so as to reach the cathode chamber 12 provided at the lowest part of the cell stack 110.
電気分解モジュール100に備えられている全ての陰極室12は、横方向Xでの一端側と他端側とのそれぞれにおいて水素ガス排出経路160に連通している。第1水素ガス排出経路161は、図2正面視左側の端部において陰極室12に連通し、第2水素ガス排出経路162は、右側の端部において陰極室12に連通している。尚、第1水素ガス排出経路161と第2水素ガス排出経路162とは、それぞれ奥行方向Yでの中央部において陰極室12に連通している。即ち、第1水素ガス排出経路161と第2水素ガス排出経路162とは、横方向Xでの両端部、且つ、奥行方向Yでの中央部において上下方向Zに垂直に延びるように電気分解モジュール100に設けられている。 All cathode chambers 12 provided in the electrolysis module 100 are connected to the hydrogen gas exhaust path 160 at one end and the other end in the horizontal direction X. The first hydrogen gas exhaust path 161 is connected to the cathode chamber 12 at the end on the left side when viewed from the front in FIG. 2, and the second hydrogen gas exhaust path 162 is connected to the cathode chamber 12 at the end on the right side. The first hydrogen gas exhaust path 161 and the second hydrogen gas exhaust path 162 are each connected to the cathode chamber 12 at the center in the depth direction Y. That is, the first hydrogen gas exhaust path 161 and the second hydrogen gas exhaust path 162 are provided in the electrolysis module 100 so as to extend vertically in the up-down direction Z at both ends in the horizontal direction X and at the center in the depth direction Y.
第1水素ガス排出経路161と第2水素ガス排出経路162とのそれぞれの水素ガス排出経路160は、図6Aに示すように、固体高分子電解質膜11よりも陽極室側では、陽極室13の周囲を画定するガスケット材(陽極ガスケットS1)において陽極室13から離れた位置を通過するように配されている。一方で第1水素ガス排出経路161と第2水素ガス排出経路162とのそれぞれの水素ガス排出経路160は、図6Bに示すように、固体高分子電解質膜11よりも陰極室側では、陰極室12に連通するようにガスケット材(陰極ガスケットS2)を通過している。 As shown in FIG. 6A, the hydrogen gas exhaust paths 160 of the first hydrogen gas exhaust path 161 and the second hydrogen gas exhaust path 162 are arranged so as to pass through a position away from the anode chamber 13 in the gasket material (anode gasket S1) that defines the periphery of the anode chamber 13 on the anode chamber side of the solid polymer electrolyte membrane 11. On the other hand, as shown in FIG. 6B, the hydrogen gas exhaust paths 160 of the first hydrogen gas exhaust path 161 and the second hydrogen gas exhaust path 162 pass through the gasket material (cathode gasket S2) on the cathode chamber side of the solid polymer electrolyte membrane 11 so as to communicate with the cathode chamber 12.
前記中間板150については、図6Cに示すように、これらの水素ガス排出経路160に対応する位置に前記水素ガスを通過させるための通気部151を有し、水素ガス排出経路160を通る水素ガスの流れを遮断しないようになっている。そして、本実施形態では、水素ガス排出経路160を上方に延長するように第1エンドプレート121に貫通孔が設けられ、当該貫通孔が水素ガス排出口103となっている。前記のように本実施形態では、横方向X及び奥行方向Yでの位置が第1水素ガス排出経路161に対応した位置に設けられた第1水素ガス排出口103aと第2水素ガス排出経路162に対応した位置に設けられた第2水素ガス排出口103bとの2つの水素ガス排出経路160が横方向Xに対を為すように設けられている。本実施形態においては、2つの経路で水素ガスを取り出せるようにしているが、一方の水素ガス排出口103を閉塞して一つの経路のみで水素ガスを取り出すようにしてもよい。 As shown in FIG. 6C, the intermediate plate 150 has a vent 151 for passing the hydrogen gas at a position corresponding to these hydrogen gas exhaust paths 160, so that the flow of hydrogen gas through the hydrogen gas exhaust path 160 is not blocked. In this embodiment, a through hole is provided in the first end plate 121 so as to extend the hydrogen gas exhaust path 160 upward, and the through hole serves as the hydrogen gas exhaust port 103. As described above, in this embodiment, two hydrogen gas exhaust paths 160 are provided in a pair in the horizontal direction X, namely, the first hydrogen gas exhaust port 103a provided at a position corresponding to the first hydrogen gas exhaust path 161 in the horizontal direction X and the depth direction Y, and the second hydrogen gas exhaust port 103b provided at a position corresponding to the second hydrogen gas exhaust path 162. In this embodiment, hydrogen gas can be extracted through two paths, but one of the hydrogen gas exhaust ports 103 may be blocked to extract hydrogen gas through only one path.
前述の上板150aと下板150bとのように積層方向における一箇所に複数枚の中間板150を介装させる場合、それぞれの中間板150に通気部151が形成される。該通気部151は、中間板150を厚さ方向に貫通する貫通孔などによって構成されてよく、上板150aと下板150bとのそれぞれにこのような貫通孔を通気部151として設ける場合、上板150aと下板150bとの界面を通じて水素ガスが漏洩しないように通気部151を囲繞するシーリング材(例えば、Oリングなど)を配置するようにしてもよい。シーリング材は、メタルガスケットやメタルOリングなどの導電性を有するものであってもよい。 When multiple intermediate plates 150 are interposed at one location in the stacking direction, as in the above-mentioned upper plate 150a and lower plate 150b, a ventilation portion 151 is formed in each intermediate plate 150. The ventilation portion 151 may be formed by a through hole penetrating the intermediate plate 150 in the thickness direction, and when such a through hole is provided as the ventilation portion 151 in each of the upper plate 150a and the lower plate 150b, a sealing material (e.g., an O-ring) may be disposed surrounding the ventilation portion 151 so that hydrogen gas does not leak through the interface between the upper plate 150a and the lower plate 150b. The sealing material may be a conductive material such as a metal gasket or a metal O-ring.
本実施形態ではそれぞれの水供給口101から上下方向に延びて陽極室13に連通する水供給経路130を有する。本実施形態の水供給経路130は、水素ガス排出経路160のように中間板150を通過できるようにはなっておらず、第1エンドプレート121に設けられた第1水供給口101aから下方に延びる水供給経路130と、第2エンドプレート122に設けられた第2水供給口101bから上方に延びる水供給経路130とは、中間板150で分離されている。即ち、本実施形態においては、第1ブロック111において複数の電解セル10が積層されている上下方向Zに当該複数の電解セル10を貫通して第1ブロック111の全ての陽極室13に連通する第1水供給経路131と、第2ブロック112において複数の電解セル10が積層されている上下方向Zに当該複数の電解セル10を貫通して第2ブロック112の全ての陽極室13に連通する第2水供給経路132との2つの水供給経路130は、互いに連通し合わないように設けられている。 In this embodiment, there are water supply paths 130 that extend vertically from each water supply port 101 and communicate with the anode chamber 13. The water supply paths 130 in this embodiment are not designed to pass through the intermediate plate 150 like the hydrogen gas exhaust path 160, and the water supply path 130 extending downward from the first water supply port 101a provided in the first end plate 121 and the water supply path 130 extending upward from the second water supply port 101b provided in the second end plate 122 are separated by the intermediate plate 150. That is, in this embodiment, the two water supply paths 130, namely, the first water supply path 131 that passes through the electrolytic cells 10 in the vertical direction Z in which the electrolytic cells 10 are stacked in the first block 111 and communicates with all the anode chambers 13 in the first block 111, and the second water supply path 132 that passes through the electrolytic cells 10 in the vertical direction Z in which the electrolytic cells 10 are stacked in the second block 112 and communicates with all the anode chambers 13 in the second block 112, are provided so as not to communicate with each other.
本実施形態ではそれぞれの酸素ガス排出口102から上下方向に延びて陽極室13に連通する酸素ガス排出経路140を有する。本実施形態の酸素ガス排出経路140は、水供給口101と同様に中間板150を通過できるようにはなっておらず、第1エンドプレート121に設けられた2つの第1酸素ガス排出口102aのそれぞれから下方に延びる酸素ガス排出経路140と、第2エンドプレート122に設けられた2つの第2酸素ガス排出口102bのそれぞれから上方に延びる酸素ガス排出経路140とは、中間板150で分離されている。即ち、本実施形態においては、第1ブロック111において複数の電解セル10が積層されている上下方向Zに当該複数の電解セル10を貫通して第1ブロック111の全ての陽極室13に連通する第1酸素ガス排出経路141と、第2ブロック112において複数の電解セル10が積層されている上下方向Zに当該複数の電解セル10を貫通して第2ブロック112の全ての陽極室13に連通する第2酸素ガス排出経路142との2つの酸素ガス排出経路140は、互いに連通し合わないように設けられている。 In this embodiment, there is an oxygen gas exhaust path 140 that extends vertically from each oxygen gas exhaust port 102 and communicates with the anode chamber 13. The oxygen gas exhaust path 140 in this embodiment is not designed to pass through the intermediate plate 150, as is the water supply port 101, and the oxygen gas exhaust path 140 extending downward from each of the two first oxygen gas exhaust ports 102a provided in the first end plate 121 and the oxygen gas exhaust path 140 extending upward from each of the two second oxygen gas exhaust ports 102b provided in the second end plate 122 are separated by the intermediate plate 150. That is, in this embodiment, the first oxygen gas exhaust path 141 penetrates the electrolytic cells 10 in the vertical direction Z in which the electrolytic cells 10 are stacked in the first block 111 and communicates with all the anode chambers 13 in the first block 111, and the second oxygen gas exhaust path 142 penetrates the electrolytic cells 10 in the vertical direction Z in which the electrolytic cells 10 are stacked in the second block 112 and communicates with all the anode chambers 13 in the second block 112. The two oxygen gas exhaust paths 140 are provided so as not to communicate with each other.
本実施形態での電気分解モジュール100は、第1ブロック111での電気分解において、第1エンドプレート121に設けられた第1水供給口101aに接続された給水配管L1から水を供給し、この供給された水を第1ブロック111に設けられている複数の陽極室13に第1水供給経路131を通じて分配し、該水を陽極室13の一端側から他端側へと通過させる間に酸素ガスと水素イオンとを発生させ、該酸素ガスを第1酸素ガス排出経路141及び酸素ガス排出口102(第1酸素ガス排出口102a)を通じて酸素ガス排出配管L2へと排出するとともに固体高分子電解質膜11を通じて陰極室12に前記水素イオンを移動させて水素ガスを生成させ、当該水素ガスを陰極室12の両端部に配された第1水素ガス排出経路161と第2水素ガス排出経路162とを通じて水素ガス排出口103より水素ガス排出配管L3へと排出し得るように構成されている。 In the electrolysis module 100 of this embodiment, in electrolysis in the first block 111, water is supplied from the water supply pipe L1 connected to the first water supply port 101a provided in the first end plate 121, the supplied water is distributed through the first water supply path 131 to the multiple anode chambers 13 provided in the first block 111, oxygen gas and hydrogen ions are generated while the water passes from one end side to the other end side of the anode chamber 13, the oxygen gas is discharged through the first oxygen gas discharge path 141 and the oxygen gas discharge port 102 (first oxygen gas discharge port 102a) to the oxygen gas discharge pipe L2, and the hydrogen ions are moved to the cathode chamber 12 through the solid polymer electrolyte membrane 11 to generate hydrogen gas, and the hydrogen gas is discharged from the hydrogen gas discharge port 103 to the hydrogen gas discharge pipe L3 through the first hydrogen gas discharge path 161 and the second hydrogen gas discharge path 162 arranged at both ends of the cathode chamber 12.
本実施形態での電気分解モジュール100は、また、第2ブロック112での電気分解において、第2エンドプレート122に設けられた第2水供給口101bに接続された給水配管L1から水を供給し、この供給された水を第2ブロック112に設けられている複数の陽極室13に第2水供給経路132を通じて分配し、該水を陽極室13の一端側から他端側へと通過させる間に酸素ガスと水素イオンとを発生させ、該酸素ガスを第2酸素ガス排出経路142及び酸素ガス排出口102(第2酸素ガス排出口102b)を通じて酸素ガス排出配管L2へと排出するとともに固体高分子電解質膜11を通じて陰極室12に前記水素イオンを移動させて水素ガスを生成させ、当該水素ガスを陰極室12の両端部に配された第1水素ガス排出経路161と第2水素ガス排出経路162とを通じて第1エンドプレート121に設けられた水素ガス排出口103より水素ガス排出配管L3へと排出し得るように構成されている。 The electrolysis module 100 in this embodiment is also configured so that, in electrolysis in the second block 112, water is supplied from the water supply pipe L1 connected to the second water supply port 101b provided in the second end plate 122, the supplied water is distributed through the second water supply path 132 to the multiple anode chambers 13 provided in the second block 112, oxygen gas and hydrogen ions are generated while the water is passed from one end side to the other end side of the anode chamber 13, the oxygen gas is discharged through the second oxygen gas discharge path 142 and the oxygen gas discharge port 102 (second oxygen gas discharge port 102b) to the oxygen gas discharge pipe L2, and the hydrogen ions are moved through the solid polymer electrolyte membrane 11 to the cathode chamber 12 to generate hydrogen gas, and the hydrogen gas can be discharged through the first hydrogen gas discharge path 161 and the second hydrogen gas discharge path 162 arranged at both ends of the cathode chamber 12 to the hydrogen gas discharge pipe L3 from the hydrogen gas discharge port 103 provided in the first end plate 121.
本実施形態での電気分解モジュール100は、例えば、電解セル10で電気分解される以上の量の水が第1水供給口101aや第2水供給口101bから供給され、電気分解によって生じた酸素ガスと電気分解されずに残った水とが気液混合状態となって第1酸素ガス排出口102aと第2酸素ガス排出口102bとのそれぞれから排出されるようになっている。 In the electrolysis module 100 of this embodiment, for example, an amount of water greater than that which is electrolyzed in the electrolysis cell 10 is supplied from the first water supply port 101a and the second water supply port 101b, and the oxygen gas produced by electrolysis and the water that remains unelectrolyzed are discharged in a gas-liquid mixture state from each of the first oxygen gas exhaust port 102a and the second oxygen gas exhaust port 102b.
上記のように本実施形態の電気分解モジュール100では、陽極側の空間が中間板150で分断されて第1ブロック111と第2ブロック112とでそれぞれ独立しているのに対し、陰極側の空間が第1ブロック111と第2ブロック112とで連通されて全体で一纏まりの空間を構成している。水と酸素ガスとのブロック間での移動を規制しつつ両ブロックから排出される水素ガスを両ブロックとも同じ水素ガス排出経路160と水素ガス排出口103とを通じて排出できるように構成されている電気分解モジュール100は、前記陰極室12と前記陽極室13との間に圧力差を生じさせて固体高分子電解質膜11のガス透過性を容易に測定することができ、固体高分子電解質膜11にピンホールなどの異常が生じていないかをブロックごとに確認することができる。 As described above, in the electrolysis module 100 of this embodiment, the anode side space is divided by the intermediate plate 150 and the first block 111 and the second block 112 are independent of each other, while the cathode side space is connected between the first block 111 and the second block 112 to form a single space as a whole. The electrolysis module 100 is configured to restrict the movement of water and oxygen gas between the blocks while allowing hydrogen gas discharged from both blocks to be discharged through the same hydrogen gas discharge path 160 and hydrogen gas discharge port 103 in both blocks. By generating a pressure difference between the cathode chamber 12 and the anode chamber 13, the gas permeability of the solid polymer electrolyte membrane 11 can be easily measured, and it is possible to check for the presence of abnormalities such as pinholes in the solid polymer electrolyte membrane 11 for each block.
前記電気分解モジュール100は、中間板150の材質が電極板と同じで、かつ、中間板150と電極板14の材質が導電性を有する素材であることが好ましく、これらが純チタン、又は、チタン合金であることが好ましい。本実施形態の電気分解モジュール100は、中間板150の設けられている箇所で第1ブロック111の側と第2ブロック112の側とを電気的に絶縁して第1ブロック111での電気分解のための電力を供給する電力系統と、第2ブロック112での電気分解のための電力を供給する電力系統とを別系統としてもよいが一つの電力系統で給電できる構成とすることで、装置構成をシンプルにすることができる。より具体的には、本実施形態の電気分解モジュール100は、第1エンドプレート121と第2エンドプレート122とが対電極となるように第1エンドプレート121に陽極電位を負荷するとともに第2エンドプレート122に陰極電位が負荷されることで第1ブロック111と第2ブロック112とで同時に水の電気分解を実施し得るように構成されている。 In the electrolysis module 100, the material of the intermediate plate 150 is preferably the same as that of the electrode plate, and the material of the intermediate plate 150 and the electrode plate 14 is preferably a conductive material, and these are preferably pure titanium or a titanium alloy. In the electrolysis module 100 of this embodiment, the power system that supplies power for electrolysis in the first block 111 and the power system that supplies power for electrolysis in the second block 112 may be separate systems by electrically insulating the first block 111 side and the second block 112 side at the location where the intermediate plate 150 is provided, but by configuring it so that it can be powered by one power system, the device configuration can be simplified. More specifically, the electrolysis module 100 of this embodiment is configured so that the first end plate 121 and the second end plate 122 are counter electrodes, and an anode potential is applied to the first end plate 121 and a cathode potential is applied to the second end plate 122, so that the first block 111 and the second block 112 can simultaneously perform electrolysis of water.
本実施形態で電気分解に用いられる電力としては、火力発電や原子力発電などによって発電されて送電線によって広域に供給されて常時安定的に利用可能になっている系統電力と称されるものであってもよく、再生可能エネルギーにより発電された電力であってもよい。再生可能エネルギーは、例えば、太陽光、風力、波力、潮力、バイオマス、地熱、流水などであってもよい。系統電力を用いる場合は、安定した電気分解を実施することができる。再生可能エネルギーにより発電された電力を用いる場合は、電力供給が不安定になり易いが休転を余儀なくされた時間を固体高分子電解質膜11の検査のために有効活用し易い。また、再生可能エネルギーにより発電された電力を用いる場合は、電力供給が不安定で固体高分子電解質膜11に与えるストレスが大きい場合も想定される。そのため、最も早期に異常を生じた電解セルによって全ての電解セルの交換時期が決定されることが回避可能な本発明の効果は、そのような電力が安定し難い状況においてより顕著に発揮され得る。 The electric power used for electrolysis in this embodiment may be what is called grid electric power, which is generated by thermal power generation or nuclear power generation, and is supplied over a wide area by a power transmission line, and is constantly and stably available, or may be electric power generated by renewable energy. Renewable energy may be, for example, solar power, wind power, wave power, tidal power, biomass, geothermal power, running water, etc. When grid electric power is used, stable electrolysis can be performed. When electric power generated by renewable energy is used, the power supply is likely to become unstable, but the time during which the operation is forced to be suspended can be easily used effectively for inspecting the solid polymer electrolyte membrane 11. In addition, when electric power generated by renewable energy is used, it is assumed that the power supply is unstable and the stress on the solid polymer electrolyte membrane 11 is large. Therefore, the effect of the present invention, which can avoid the replacement time of all electrolysis cells being determined by the electrolysis cell that has the earliest abnormality, can be more significantly demonstrated in such a situation where the electric power is difficult to stabilize.
本実施形態の電気分解モジュール100は、ピンホールなどの異常が固体高分子電解質膜11に生じたことが検知されたときやそのような異常が疑われる場合には、例えば、電気分解モジュール100の運転を停止した後に給水配管L1と電気分解モジュール100との流通を遮断するとともに電気分解モジュール100と酸素ガス排出配管L2との流通、および、電気分解モジュール100と水素ガス排出配管L3との流通を遮断し、水素・酸素発生装置1において電気分解モジュール100を周囲から縁切りされた状態にして検査を行うことができる。この場合の検査は、電気分解モジュール100を水素・酸素発生装置1に取り付けられたままの状態で実施してもよく、電気分解モジュール100を水素・酸素発生装置1から取り出して実施してもよい。そして、前記のように陰極室12と陽極室13との間に圧力差を生じさせて固体高分子電解質膜11の健全性を検査することができる。検査は、運転停止後の電気分解モジュール100の内部を窒素ガスでパージして大気圧に戻してから開始することができる。 In the electrolysis module 100 of this embodiment, when an abnormality such as a pinhole is detected in the solid polymer electrolyte membrane 11 or when such an abnormality is suspected, for example, the operation of the electrolysis module 100 is stopped, and then the flow between the water supply pipe L1 and the electrolysis module 100 is cut off, and the flow between the electrolysis module 100 and the oxygen gas exhaust pipe L2 and the flow between the electrolysis module 100 and the hydrogen gas exhaust pipe L3 are cut off, and the electrolysis module 100 is isolated from the surroundings in the hydrogen/oxygen generation device 1, and an inspection can be performed. In this case, the inspection may be performed while the electrolysis module 100 is still attached to the hydrogen/oxygen generation device 1, or may be performed after removing the electrolysis module 100 from the hydrogen/oxygen generation device 1. Then, as described above, a pressure difference is generated between the cathode chamber 12 and the anode chamber 13, and the soundness of the solid polymer electrolyte membrane 11 can be inspected. The inspection can be started after the inside of the electrolysis module 100 after the operation is stopped is purged with nitrogen gas and returned to atmospheric pressure.
検査は、そのような場合だけでなく、定期的に実施されてもよい。より具体的には、運転時に、陽極室13から排出されるガス中の水素濃度が上昇してきた場合に、例えば、陰極室12が陽極室13に比べて高い圧力となるように前記水素ガス排出口103より窒素ガスを供給し、前記水供給口101と前記酸素ガス排出口102との内の一方又は両方から排出されるガス量を測定する。ガス量が基準値以上のときは膜にピンホールが生じていると判断する。窒素ガスは、窒素ガスボンベ等から供給することができる。このような検査は、例えば、陽極室から排出されるガスにおける水素ガス濃度が3000ppm以上となった時に実施することができる。 Inspections may be performed periodically, not just in such cases. More specifically, when the hydrogen concentration in the gas discharged from the anode chamber 13 increases during operation, nitrogen gas is supplied from the hydrogen gas outlet 103 so that the cathode chamber 12 is at a higher pressure than the anode chamber 13, and the amount of gas discharged from one or both of the water supply port 101 and the oxygen gas outlet 102 is measured. If the amount of gas is equal to or greater than a reference value, it is determined that a pinhole has occurred in the membrane. Nitrogen gas can be supplied from a nitrogen gas cylinder or the like. Such inspections can be performed, for example, when the hydrogen gas concentration in the gas discharged from the anode chamber becomes 3000 ppm or more.
このような方法により、固体高分子電解質膜11のガス透過性の程度を確認することができ、固体高分子電解質膜11の健全性を評価することができる。供給するガスの圧力は、窒素ガスの場合、使用する電解セル10の圧力許容設計値以下、またはゲージ圧で0.2MPa以上1.0MPa未満である。ガス量の基準値は、膜の種類、供給するガスの圧力によって決められる。 By using this method, the degree of gas permeability of the solid polymer electrolyte membrane 11 can be confirmed, and the soundness of the solid polymer electrolyte membrane 11 can be evaluated. In the case of nitrogen gas, the pressure of the gas supplied is equal to or lower than the allowable design pressure value of the electrolysis cell 10 used, or is equal to or higher than 0.2 MPa and lower than 1.0 MPa in terms of gauge pressure. The standard value of the gas amount is determined by the type of membrane and the pressure of the gas supplied.
上記方法以外では、水素ガス排出口103より陽極室13へ窒素ガスを供給して陰極室12よりも圧力が高い状態とし、陰極室12から水供給口101と前記酸素ガス排出口102との内の一方又は両方から排出されるガス量を測定し、ガス量が基準値以上となったときは膜にピンホールが生じていると判断するようにしても良い。 In addition to the above method, nitrogen gas may be supplied to the anode chamber 13 through the hydrogen gas outlet 103 to create a state in which the pressure is higher than that of the cathode chamber 12, and the amount of gas discharged from the cathode chamber 12 through either the water supply port 101 or the oxygen gas outlet 102 or both may be measured, and if the amount of gas exceeds a reference value, it may be determined that a pinhole has occurred in the membrane.
より確実に固体高分子電解質膜11の健全性を検査するため、固体高分子電解質膜11を通過するガスの量の測定は、一回の検査において2回行ってもよいが、1回でもよい。 To more reliably inspect the integrity of the solid polymer electrolyte membrane 11, the amount of gas passing through the solid polymer electrolyte membrane 11 may be measured twice in one inspection, but it may also be measured once.
また、窒素ガス以外のガスを用いて検査することも可能である。例えば、電気分解モジュール100の運転中にピンホールが疑われるような事態になった場合は、電気分解のための電力供給を停止し、陽極室13の側では水の供給を継続し、第1酸素ガス排出口102aや第2酸素ガス排出口102bから水がそのまま排出される状態にし、陰極室12の側では水素ガスを加圧状態のまま保持させ、第1酸素ガス排出口102aや第2酸素ガス排出口102bから排出される水に同伴されて水素ガスがどの程度排出されるかを測定してピンホールなどの異常の有無を確認するようにしてもよい。即ち、本実施形態では、窒素ガスではなく水素ガスでピンホール検査を行うこともできる。 It is also possible to inspect using gases other than nitrogen gas. For example, if a pinhole is suspected during operation of the electrolysis module 100, the power supply for electrolysis can be stopped, the supply of water can be continued on the anode chamber 13 side, and water can be discharged directly from the first oxygen gas outlet 102a and the second oxygen gas outlet 102b, while hydrogen gas can be kept pressurized on the cathode chamber 12 side, and the amount of hydrogen gas discharged together with the water discharged from the first oxygen gas outlet 102a and the second oxygen gas outlet 102b can be measured to check for abnormalities such as pinholes. That is, in this embodiment, pinhole inspection can also be performed using hydrogen gas instead of nitrogen gas.
検査は、陰極室12を正圧にして実施する必要はなく、陽極室13の側を負圧にして実施することもできる。また、検査は、陽極室13が陰極室12に比べて高い圧力となるようにして行うこともできる。例えば、第1ブロック111の陽極室13を窒素ガスで充満させるようにし、第2ブロック112の陽極室13を酸素ガスで充満させるようにし、陽極室13が陰極室12に比べて高い圧力となるようにし、ピンホールなどが存在する場合に窒素ガスや酸素ガスが陰極室12に移動される状況にして、水素ガス排出経路160を通じて水素ガス排出口103から排出されるガスの量を測定すればブロックごとに固体高分子電解質膜11の健全性を確認することができる。 The inspection does not need to be performed with the cathode chamber 12 under positive pressure, and can be performed with the anode chamber 13 under negative pressure. The inspection can also be performed with the anode chamber 13 under a higher pressure than the cathode chamber 12. For example, the anode chamber 13 of the first block 111 is filled with nitrogen gas, and the anode chamber 13 of the second block 112 is filled with oxygen gas, so that the anode chamber 13 is under a higher pressure than the cathode chamber 12. If a pinhole or the like is present, nitrogen gas or oxygen gas is moved to the cathode chamber 12, and the amount of gas discharged from the hydrogen gas discharge port 103 through the hydrogen gas discharge path 160 is measured, the soundness of the solid polymer electrolyte membrane 11 can be confirmed for each block.
上記のように第1ブロックと第2ブロックとを含む複数のブロックに区切られたセルスタックを有する電気分解モジュールの検査は、各ブロックの検査を同時に並行して実施してもよく、順次実施してもよい。例えば、前記第1ブロックの陽極室に第1のガスを供給し、該第1ブロックの健全性を確認した後で、前記第2ブロックの陽極室に第1のガスと同じか、又は、第1のガスとは異なる第2のガスを供給する方法で実施することができる。 As described above, the inspection of an electrolysis module having a cell stack divided into multiple blocks including a first block and a second block may be performed by simultaneously inspecting each block in parallel or sequentially. For example, the inspection may be performed by supplying a first gas to the anode chamber of the first block, checking the soundness of the first block, and then supplying a second gas, which is the same as the first gas or different from the first gas, to the anode chamber of the second block.
検査によって何れかのブロックにピンホールなどの異常が認められた場合は、当該ブロックの電解セル10を新たなものに交換し、異常が認められなかったブロックについては同じ電解セル10を引き続き使用することができる。このようにして本実施形態の水素・酸素発生装置では、電解セル10の使用期間を長期化することができる。 If an abnormality such as a pinhole is found in any of the blocks during the inspection, the electrolytic cell 10 in that block is replaced with a new one, and the same electrolytic cell 10 can be continued to be used for blocks in which no abnormality is found. In this way, the hydrogen/oxygen generation device of this embodiment can extend the service life of the electrolytic cell 10.
本実施形態の水素・酸素発生装置を用いた水素ガス製造方法では、電気分解モジュール100を運転して水素ガスを製造することと、電気分解モジュール100の運転を停止して前記固体高分子電解質膜11を検査することとを実施し、この検査では、陰極室12と陽極室13との間に圧力差を生じさせて固体高分子電解質膜11のガス透過性を測定することでブロックごとの電解セル10の健全性が容易に確認することができるため、交換用部材の消費を抑制することができ、効率よく水素ガスを製造することができる。 In the hydrogen gas production method using the hydrogen/oxygen generation device of this embodiment, the electrolysis module 100 is operated to produce hydrogen gas, and the operation of the electrolysis module 100 is stopped to inspect the solid polymer electrolyte membrane 11. In this inspection, a pressure difference is generated between the cathode chamber 12 and the anode chamber 13, and the gas permeability of the solid polymer electrolyte membrane 11 is measured, so that the soundness of the electrolysis cell 10 for each block can be easily confirmed. This makes it possible to reduce the consumption of replacement parts and to efficiently produce hydrogen gas.
水素ガス製造方法では、単位時間当たりの水素ガスの製造量を従来に比べて増加させることが要望される場合がある。その場合、セルスタックにおける電解セルの積層数を従来のものに比べて増加させることで対応可能となる。従来の方法の場合、電解セルの積層数を単に増加させただけでは、その内の一つの電解セルが早期に寿命を迎えただけで全ての電解セルを取り換えなければならずハイリスクな状況となってしまいかねない。一方で本実施形態の方法においては、ブロック単位で電解セルを取り換えることができるため水素ガスの製造能力を大容量化しても上記のようなリスクを負い難い。 In the hydrogen gas production method, there is a demand for an increase in the amount of hydrogen gas produced per unit time compared to conventional methods. In such cases, this can be achieved by increasing the number of electrolytic cells stacked in the cell stack compared to conventional methods. In the case of conventional methods, simply increasing the number of electrolytic cells stacked can result in a high-risk situation in which all electrolytic cells must be replaced if one of the electrolytic cells reaches the end of its life prematurely. On the other hand, in the method of this embodiment, the electrolytic cells can be replaced in block units, so the above-mentioned risks are unlikely to occur even if the hydrogen gas production capacity is increased.
前記検査は、より具体的には、図11A、図11B、図11Cに例示の機構を利用して実施することができる。また、検査対象とする各ブロックでの電解セル(固体高分子電解質膜)の数は20以上50以下であることが好ましい。 More specifically, the inspection can be carried out using the mechanisms illustrated in Figures 11A, 11B, and 11C. In addition, it is preferable that the number of electrolytic cells (solid polymer electrolyte membranes) in each block to be inspected is 20 or more and 50 or less.
図11Aに例示の電気分解モジュール100では、接続されている各配管に開閉弁が設けられている。図11Aに例示の電気分解モジュール100には、開閉弁(給水弁V1)を経由することなくモジュール外の空間と第1水供給経路131とを連通させることが可能な分岐経路(以下「給水分岐経路L11」ともいう)が設けられている。また、図11Aに例示の電気分解モジュール100には、開閉弁(水素ガス排出弁V3)を経由することなくモジュール外の空間と水素ガス排出経路160とを連通させることが可能な分岐経路(以下「水素ガス分岐経路L31」ともいう)が設けられている。図11Aに例示の電気分解モジュール100は、それぞれの分岐経路と外部空間との間に、開閉弁が装着されて当該分岐経路の開閉状態を切替可能になっている。尚、開閉弁を設ける方法に替え、密栓などの着脱操作によって分岐経路の開閉状態を切替可能にしてもよい。図11Aには明記していないが、第2エンドプレート122の側にも同様の分岐経路が設けられている。また、このような分岐経路は、第1ブロックや第2ブロックに対してのみ設けられるものではなく、第3番目以降のブロックが設けられる場合においても各ブロックに設けられ得る。 In the electrolysis module 100 illustrated in FIG. 11A, an on-off valve is provided in each of the connected pipes. In the electrolysis module 100 illustrated in FIG. 11A, a branch path (hereinafter also referred to as the "water supply branch path L11") is provided that can communicate the space outside the module with the first water supply path 131 without passing through an on-off valve (water supply valve V1). In addition, in the electrolysis module 100 illustrated in FIG. 11A, a branch path (hereinafter also referred to as the "hydrogen gas branch path L31") is provided that can communicate the space outside the module with the hydrogen gas exhaust path 160 without passing through an on-off valve (hydrogen gas exhaust valve V3). In the electrolysis module 100 illustrated in FIG. 11A, an on-off valve is installed between each branch path and the external space, so that the open/closed state of the branch path can be switched. In addition, instead of providing an on-off valve, the open/closed state of the branch path may be switched by attaching and detaching a seal plug or the like. Although not specified in FIG. 11A, a similar branch path is also provided on the second end plate 122 side. Furthermore, such branch paths do not have to be provided only for the first and second blocks, but can also be provided for each block when a third or subsequent block is provided.
図11Aに例示の電気分解モジュール100は、分岐経路を有することで給水配管L1、酸素ガス排出配管L2、水素ガス排出配管L3を接続したまま検査できるようになっている。 The electrolysis module 100 illustrated in FIG. 11A has a branch path, which allows it to be inspected while the water supply pipe L1, oxygen gas exhaust pipe L2, and hydrogen gas exhaust pipe L3 are connected.
図11Aに例示の電気分解モジュール100は、第1エンドプレート121や第2エンドプレート122の厚さ方向での中間地点で水供給経路130に給水分岐経路L11が接続されており、該給水分岐経路L11がエンドプレートの側面部を通って外部空間と連通するように構成されている。また、図11Aに例示の電気分解モジュール100は、第1エンドプレート121や第2エンドプレート122の厚さ方向での中間地点で水素ガス排出経路160に水素ガス分岐経路L31が接続されており、該水素ガス分岐経路L31がエンドプレートの側面部を通って外部空間と連通するように構成されている。尚、給水分岐経路L11や水素ガス分岐経路L31は、図11Bに示すように第1エンドプレート121の上面側や第2エンドプレートの下面側で外部空間と連通するように形成されてもよい。 11A, the electrolysis module 100 is configured such that the water supply branch path L11 is connected to the water supply path 130 at the midpoint in the thickness direction of the first end plate 121 or the second end plate 122, and the water supply branch path L11 communicates with the external space through the side portion of the end plate. Also, the electrolysis module 100 illustrated in FIG. 11A is configured such that the hydrogen gas branch path L31 is connected to the hydrogen gas exhaust path 160 at the midpoint in the thickness direction of the first end plate 121 or the second end plate 122, and the hydrogen gas branch path L31 communicates with the external space through the side portion of the end plate. Note that the water supply branch path L11 or the hydrogen gas branch path L31 may be formed to communicate with the external space on the upper surface side of the first end plate 121 or the lower surface side of the second end plate as shown in FIG. 11B.
本実施形態においては、図11Aに示した態様のように、分岐経路と外部空間とがエンドプレートの側面部で連通されるように電気分解モジュール100を構成することが好ましい。また、本実施形態においては、図11Aに示した態様のように陰極側に分岐経路を1つ設け、陽極側の分岐経路を各ブロックに1つずつ設けることが好ましい。尚、分岐経路と外部空間との連通箇所は、エンドプレートの側面部でなくてもよい。また、分岐経路は陰極側、陽極側のそれぞれに複数ずつ設けてもよい。以下、図11B、図11Cを参照しつつそのような事例について説明する。 In this embodiment, it is preferable to configure the electrolysis module 100 so that the branch path and the external space are connected at the side of the end plate, as in the embodiment shown in FIG. 11A. Also, in this embodiment, it is preferable to provide one branch path on the cathode side, and one branch path on the anode side in each block, as in the embodiment shown in FIG. 11A. Note that the communication point between the branch path and the external space does not have to be the side of the end plate. Also, multiple branch paths may be provided on each of the cathode side and the anode side. Below, such an example will be described with reference to FIG. 11B and FIG. 11C.
図11Bに例示の電気分解モジュール100は、接続されている各配管に開閉弁が設けられている点において図11Aに例示の電気分解モジュール100と共通する。図11Bに例示の電気分解モジュール100にも、開閉弁(給水弁V1)を経由することなくモジュール外の空間と第1水供給経路131とを連通させることが可能な分岐経路(給水分岐経路L11)が設けられている。また、図11Bに例示の電気分解モジュール100には、開閉弁(酸素ガス排出弁V2)を経由することなくモジュール外の空間と第1酸素ガス排出経路141とを連通させることが可能な分岐経路(以下「酸素ガス分岐経路L21」ともいう)が設けられている。さらに、図11Bに例示の電気分解モジュール100には、開閉弁(水素ガス排出弁V3)を経由することなくモジュール外の空間と水素ガス排出経路160とを連通させることが可能な分岐経路(水素ガス分岐経路L31)が設けられている。図11Bに例示の電気分解モジュール100は、それぞれの分岐経路と外部空間との間に、開閉弁が装着されて当該分岐経路の開閉状態を切替可能になっている。尚、開閉弁を設ける方法に替え、密栓などの着脱操作によって分岐経路の開閉状態を切替可能にしてもよい点については図11Aに例示の電気分解モジュール100と同じである。第2エンドプレート122の側にも同様の分岐経路が設けられているこのような分岐経路は、第1ブロックや第2ブロックに対してのみ設けられるものではなく、第3番目以降のブロックが設けられる場合においても各ブロックに設けられ得る点についても図11Aに例示の電気分解モジュール100と同じである。 The electrolysis module 100 illustrated in FIG. 11B is common to the electrolysis module 100 illustrated in FIG. 11A in that each connected pipe is provided with an on-off valve. The electrolysis module 100 illustrated in FIG. 11B is also provided with a branch path (water supply branch path L11) that can connect the space outside the module to the first water supply path 131 without passing through an on-off valve (water supply valve V1). In addition, the electrolysis module 100 illustrated in FIG. 11B is provided with a branch path (hereinafter also referred to as "oxygen gas branch path L21") that can connect the space outside the module to the first oxygen gas exhaust path 141 without passing through an on-off valve (oxygen gas exhaust valve V2). Furthermore, the electrolysis module 100 illustrated in FIG. 11B is provided with a branch path (hydrogen gas branch path L31) that can connect the space outside the module to the hydrogen gas exhaust path 160 without passing through an on-off valve (hydrogen gas exhaust valve V3). The electrolysis module 100 illustrated in FIG. 11B has an on-off valve between each branch path and the external space, making it possible to switch the on-off state of the branch path. Note that instead of providing an on-off valve, the on-off state of the branch path may be switched by attaching and detaching a seal plug, which is the same as the electrolysis module 100 illustrated in FIG. 11A. A similar branch path is also provided on the second end plate 122 side. This branch path is not only provided for the first block and the second block, but can also be provided for each block when a third or subsequent block is provided, which is the same as the electrolysis module 100 illustrated in FIG. 11A.
図11Cに例示の電気分解モジュール100を備えた水素・酸素発生装置1では、分岐経路を設けることを省略して開閉弁(給水弁V1,酸素ガス排出弁V2,水素ガス排出弁V3)として三方弁を設けている。図11Cに例示の電気分解モジュール100も、給水配管L1、酸素ガス排出配管L2、水素ガス排出配管L3が三方弁を介して電気分解モジュール100に接続され、電気分解モジュール100からの経路を各配管と外部空間とに切替可能になっている。 In the hydrogen/oxygen generation device 1 equipped with the electrolysis module 100 illustrated in FIG. 11C, a branch path is omitted and three-way valves are provided as opening/closing valves (water supply valve V1, oxygen gas exhaust valve V2, hydrogen gas exhaust valve V3). In the electrolysis module 100 illustrated in FIG. 11C, the water supply pipe L1, oxygen gas exhaust pipe L2, and hydrogen gas exhaust pipe L3 are connected to the electrolysis module 100 via three-way valves, and the paths from the electrolysis module 100 can be switched between each pipe and the outside space.
図11Cに例示の電気分解モジュール100を備えた水素・酸素発生装置1では、
第1の出口と第2の出口と第3の出口との三方の出口を備え、
第1の出口と第2の出口との間が連通し、第1の出口と第3の出口との間および第2の出口と第3の出口との間が遮断された第1の状態と、
第1の出口と第3の出口との間が連通し、第1の出口と第2の出口との間および第2の出口と第3の出口との間が遮断された第2の状態とに切替可能な三方弁が備えられ、
該三方弁での第1の出口から第3の出口までの流路が、水搬送経路を構成し、且つ、第1の出口が電気分解モジュール100の側となるように給水配管L1に三方弁が備えられている。
また、図11Cに例示の電気分解モジュール100を備えた水素・酸素発生装置1では、
第1の出口と第2の出口と第3の出口との三方の出口を備え、
第1の出口と第2の出口との間が連通し、第1の出口と第3の出口との間および第2の出口と第3の出口との間が遮断された第1の状態と、
第1の出口と第3の出口との間が連通し、第1の出口と第2の出口との間および第2の出口と第3の出口との間が遮断された第2の状態とに切替可能な三方弁が備えられ、
該三方弁での第1の出口から第3の出口までの流路が、酸素搬送経路を構成し、且つ、第1の出口が電気分解モジュール100の側となるように酸素ガス排出配管L2に三方弁が備えられている。
さらに、図11Cに例示の電気分解モジュール100を備えた水素・酸素発生装置1では、
第1の出口と第2の出口と第3の出口との三方の出口を備え、
第1の出口と第2の出口との間が連通し、第1の出口と第3の出口との間および第2の出口と第3の出口との間が遮断された第1の状態と、
第1の出口と第3の出口との間が連通し、第1の出口と第2の出口との間および第2の出口と第3の出口との間が遮断された第2の状態とに切替可能な三方弁が備えられ、
該三方弁での第1の出口から第3の出口までの流路が、水素搬送経路を構成し、且つ、第1の出口が電気分解モジュール100の側となるように水素ガス排出配管L3に三方弁が備えられている。
そのため、図11Cに例示の電気分解モジュール100を備えた水素・酸素発生装置1では、それぞれの三方弁の第2の出口を固体高分子電解質膜の検査におけるガスの出入り口として利用することができる。
以下にこれらのような電気分解モジュール100での検査の一例を挙げる。
In the hydrogen/oxygen generation device 1 equipped with the electrolysis module 100 illustrated in FIG. 11C,
The device has three outlets, namely, a first outlet, a second outlet, and a third outlet;
a first state in which the first outlet and the second outlet are in communication with each other, and the first outlet and the third outlet and the second outlet and the third outlet are in communication with each other;
a three-way valve capable of switching between a first state in which the first outlet and the third outlet are in communication with each other and a second state in which the first outlet and the second outlet and the second outlet and the third outlet are in communication with each other;
The flow path from the first outlet to the third outlet of the three-way valve constitutes a water transport path, and the three-way valve is provided on the water supply pipe L1 so that the first outlet is on the side of the electrolysis module 100.
In addition, in the hydrogen/oxygen generation device 1 equipped with the electrolysis module 100 illustrated in FIG. 11C,
The device has three outlets, namely, a first outlet, a second outlet, and a third outlet;
a first state in which the first outlet and the second outlet are in communication with each other, and the first outlet and the third outlet and the second outlet and the third outlet are in communication with each other;
a three-way valve capable of switching between a first state in which the first outlet and the third outlet are in communication with each other and a second state in which the first outlet and the second outlet and the second outlet and the third outlet are in communication with each other;
The flow path from the first outlet to the third outlet of the three-way valve constitutes an oxygen transport path, and the three-way valve is provided in the oxygen gas exhaust pipe L2 so that the first outlet is on the side of the electrolysis module 100.
Furthermore, in the hydrogen/oxygen generation device 1 equipped with the electrolysis module 100 illustrated in FIG. 11C,
The device has three outlets, namely, a first outlet, a second outlet, and a third outlet;
a first state in which the first outlet and the second outlet are in communication with each other, and the first outlet and the third outlet and the second outlet and the third outlet are in communication with each other;
a three-way valve capable of switching between a first state in which the first outlet and the third outlet are in communication with each other and a second state in which the first outlet and the second outlet and the second outlet and the third outlet are in communication with each other;
The flow path from the first outlet to the third outlet of the three-way valve constitutes a hydrogen transport path, and a three-way valve is provided on the hydrogen gas exhaust pipe L3 so that the first outlet is on the side of the electrolysis module 100.
Therefore, in the hydrogen/oxygen generation device 1 equipped with the electrolysis module 100 illustrated in FIG. 11C, the second outlet of each three-way valve can be used as a gas inlet/outlet for inspection of the solid polymer electrolyte membrane.
An example of such an inspection of the electrolysis module 100 is given below.
図11Aに例示の電気分解モジュール100は、前記固体高分子電解質膜のガス透過性を測定するのに際し、まず、当該電気分解モジュール100の運転を停止する。
このとき、陽極側での水の循環は継続し、陽極室に残留している酸素ガスをできるだけ追い出すようにしてもよい。
酸素ガスが十分に電気分解モジュール100から排出された後は、電気分解モジュール100への水の供給を一旦停止し、水の還流経路となる給水配管L1と酸素ガス排出配管L2との開閉弁(給水弁V1、酸素ガス排出弁V2)を閉止する。
次いで、給水分岐経路L11にパイプを接続し、別途用意した水槽にこのパイプの先端部を浸漬させる。なお、パイプは特に材質や形状は限定されず、例えばポリテトラフロロエチレンチューブ等の市販品を用いることができる。
次いで、水素ガス排出配管L3の開閉弁を閉止し、水素ガス分岐経路L31を窒素ガスボンベに接続し、陰極室側を所定の加圧状態にする。
検査する際に陰極室側に発生させる圧力は、窒素ガスボンベにレギュレーターなどを設けて調整することができる。
この状態でパイプから規定量を超える気泡が排出されるようであれば、陰極室から陽極室へと通常での量を超えて窒素ガスが透過したとみなすことができ、ピンホール等が存在していて十分な健全性を備えていないと判断することができる。
そして、パイプの先端から放出される気泡(窒素ガス)の単位時間当たりの量を測定することで、各ブロックにおいてどの程度の窒素ガスの漏洩が生じているかを確認することができる。
When measuring the gas permeability of the solid polymer electrolyte membrane of the electrolysis module 100 illustrated in FIG. 11A, first, the operation of the electrolysis module 100 is stopped.
At this time, water may be continued to circulate on the anode side to expel as much oxygen gas as possible remaining in the anode chamber.
After oxygen gas has been sufficiently discharged from the electrolysis module 100, the supply of water to the electrolysis module 100 is temporarily stopped, and the opening/closing valves (water supply valve V1, oxygen gas exhaust valve V2) between the water supply pipe L1 and the oxygen gas exhaust pipe L2, which serve as the water return path, are closed.
Next, a pipe is connected to the water supply branch path L11, and the tip of the pipe is immersed in a separately prepared water tank. The material and shape of the pipe are not particularly limited, and a commercially available product such as a polytetrafluoroethylene tube can be used.
Next, the on-off valve of the hydrogen gas discharge pipe L3 is closed, the hydrogen gas branch path L31 is connected to a nitrogen gas cylinder, and the cathode chamber side is pressurized to a predetermined pressure.
The pressure generated in the cathode chamber during the inspection can be adjusted by providing a regulator on the nitrogen gas cylinder.
If, in this state, more than the specified amount of bubbles are discharged from the pipe, it can be assumed that more nitrogen gas than normal has permeated from the cathode chamber to the anode chamber, and it can be determined that pinholes or the like are present and the pipe is not sufficiently sound.
Then, by measuring the amount of bubbles (nitrogen gas) released from the tip of the pipe per unit time, it is possible to confirm the level of nitrogen gas leakage occurring in each block.
図11Bに例示の電気分解モジュール100は、前記固体高分子電解質膜のガス透過性を測定するのに際し、まず、当該電気分解モジュール100の運転を停止する。
このとき、陽極側での水の循環は継続し、陽極室に残留している酸素ガスをできるだけ追い出すようにしてもよい。
酸素ガスが十分に電気分解モジュール100から排出された後は、電気分解モジュール100への水の供給を一旦停止し、水の還流経路となる酸素ガス排出配管L2の開閉弁を閉止する。
次いで、酸素ガス分岐経路L21にパイプを接続し、別途用意した水槽にこのパイプの先端部を浸漬させる。酸素ガス分岐経路L21は、各ブロックに2つずつ設けられているが、パイプを接続するのは各ブロック1つずつであってもよい。その場合、パイプの接続されていない酸素ガス分岐経路L21では、開閉弁を閉状態にし、パイプの接続されている酸素ガス分岐経路L21の方だけを開閉弁を開状態にする。なお、パイプは特に材質や形状は限定されず、例えばポリテトラフロロエチレンチューブ等の市販品を用いることができる。
尚、パイプは、酸素ガス分岐経路L21に接続せず、各ブロックに2つずつ設けられている給水分岐経路L11の一方に接続してもよい。
検査する際に陰極室側に発生させる圧力は、窒素ガスボンベにレギュレーターなどを設けて調整することができる。
この状態でパイプから規定量を超える気泡が排出されるようであれば、陰極室から陽極室へと通常での量を超えて窒素ガスが透過したとみなすことができ、ピンホール等が存在していて十分な健全性を備えていないと判断することができる。
陰極室から陽極室へと移動した窒素ガスを速やかに排出させるために、給水配管L1による陽極室への水の供給は、検査が終了するまで継続してもよい。
そして、パイプの先端から放出される気泡(窒素ガス)の単位時間当たりの量を測定することで、各ブロックにおいてどの程度の窒素ガスの漏洩が生じているかを確認することができる。
When measuring the gas permeability of the solid polymer electrolyte membrane of the electrolysis module 100 illustrated in FIG. 11B, first, the operation of the electrolysis module 100 is stopped.
At this time, water may be continued to circulate on the anode side to expel as much oxygen gas as possible remaining in the anode chamber.
After oxygen gas has been sufficiently discharged from the electrolysis module 100, the supply of water to the electrolysis module 100 is temporarily stopped, and the on-off valve of the oxygen gas discharge pipe L2, which serves as a water return path, is closed.
Next, a pipe is connected to the oxygen gas branch path L21, and the tip of this pipe is immersed in a water tank prepared separately. Two oxygen gas branch paths L21 are provided in each block, but each block may be connected to one pipe. In this case, the on-off valve of the oxygen gas branch path L21 to which no pipe is connected is closed, and only the on-off valve of the oxygen gas branch path L21 to which the pipe is connected is opened. The material and shape of the pipe are not particularly limited, and a commercially available product such as a polytetrafluoroethylene tube can be used.
The pipe may be connected to one of two water supply branch paths L11 provided in each block, instead of being connected to the oxygen gas branch path L21.
The pressure generated in the cathode chamber during the inspection can be adjusted by providing a regulator on the nitrogen gas cylinder.
If, in this state, more than the specified amount of bubbles are discharged from the pipe, it can be assumed that more nitrogen gas than normal has permeated from the cathode chamber to the anode chamber, and it can be determined that pinholes or the like are present and the pipe is not sufficiently sound.
In order to quickly discharge the nitrogen gas that has moved from the cathode chamber to the anode chamber, the supply of water to the anode chamber through the water supply pipe L1 may be continued until the end of the inspection.
Then, by measuring the amount of bubbles (nitrogen gas) released from the tip of the pipe per unit time, it is possible to confirm the level of nitrogen gas leakage occurring in each block.
図11Cに示した電気分解モジュール100でも上記と同様にピンホールの検査を行うことができる。前記検査で、前記陰極室が前記陽極室に比べて高い圧力となるように前記陰極室に検査用のガスを供給し、陽極室には水を供給して陰極室から陽極室へと移動した検査用のガスを電気分解モジュール100から速やかに排出させてもよい点についても上記と同じである。 The electrolysis module 100 shown in FIG. 11C can also be inspected for pinholes in the same manner as described above. As in the above, in the inspection, inspection gas can be supplied to the cathode chamber so that the cathode chamber is at a higher pressure than the anode chamber, and water can be supplied to the anode chamber to quickly discharge the inspection gas that has moved from the cathode chamber to the anode chamber from the electrolysis module 100.
図2などに例示の電気分解モジュール100では、セルスタック110が2つのブロックに分割されているが、より多くの電解セル10の使用期間を長期化させるべく、図10に示すようにセルスタック110を3つのブロックに分割するようにしてもよい。即ち、前記中間板150は、1枚である必要はなく、図10に示すように複数枚であってもよい。 In the electrolysis module 100 illustrated in FIG. 2 and other figures, the cell stack 110 is divided into two blocks, but in order to extend the service life of more electrolysis cells 10, the cell stack 110 may be divided into three blocks as shown in FIG. 10. In other words, the intermediate plate 150 does not have to be a single sheet, and may be multiple sheets as shown in FIG. 10.
図10に示す態様においては、第1中間板150’と第2中間板150”とを含む複数枚の中間板150を有し、セルスタック110が区切られて出来たブロックが中間板150とエンドプレート120との間だけでなく、第1中間板150’と第2中間板150”との中間板150どうしの間にも形成されている。 In the embodiment shown in FIG. 10, there are multiple intermediate plates 150 including a first intermediate plate 150' and a second intermediate plate 150", and blocks formed by dividing the cell stack 110 are formed not only between the intermediate plates 150 and the end plates 120, but also between the intermediate plates 150, i.e., the first intermediate plate 150' and the second intermediate plate 150".
図10に示す電気分解モジュール100は、第1エンドプレート121と中間板150との間に第1ブロック111を有し、第2エンドプレート122と中間板150との間に第2ブロック112を備えている点においては図2に示した電気分解モジュール100と共通している。図10に示す電気分解モジュール100は、第1エンドプレート121とともに第1ブロック111を画定している第1中間板150’と、第2エンドプレート122とともに第2ブロック112を画定している第2中間板150”との2つの中間板150を備え、該2つの中間板150の間に第3ブロック113を有している点において図2に例示の電気分解モジュール100と異なっている。 The electrolysis module 100 shown in FIG. 10 is the same as the electrolysis module 100 shown in FIG. 2 in that it has a first block 111 between the first end plate 121 and the intermediate plate 150, and a second block 112 between the second end plate 122 and the intermediate plate 150. The electrolysis module 100 shown in FIG. 10 is different from the electrolysis module 100 shown in FIG. 2 in that it has two intermediate plates 150, a first intermediate plate 150' that defines the first block 111 together with the first end plate 121, and a second intermediate plate 150" that defines the second block 112 together with the second end plate 122, and has a third block 113 between the two intermediate plates 150.
隣り合うブロック間に複数枚の中間板150を介装してブロックの固定を行わせることが可能であることは図10におけるような態様においても同じである。即ち、本実施形態においては、隣り合うブロック間を仕切る中間板150として先述の上板150aと下板150bとのような複数枚の中間板150が重ねて備えられており、該中間板150(上板150aや下板150b)と、該中間板150が接するブロックの反対側に設けられた他の中間板150又はエンドプレートとの間をボルト、ナットなどの締結具で締結可能に構成され、電気分解モジュール100の解体時にブロックを固定したまま解体可能に構成されていることで、交換が必要なブロックの取り換えが容易になり得る。そして、この点については、ブロックが3以上設けられている場合も同じである。 The fact that it is possible to fix the blocks by interposing a plurality of intermediate plates 150 between adjacent blocks is the same as in the embodiment shown in FIG. 10. That is, in this embodiment, a plurality of intermediate plates 150 such as the upper plate 150a and the lower plate 150b described above are stacked as intermediate plates 150 that separate adjacent blocks, and the intermediate plates 150 (upper plate 150a and lower plate 150b) are configured to be fastened with fasteners such as bolts and nuts to other intermediate plates 150 or end plates provided on the opposite side of the block to which the intermediate plates 150 contact, and the blocks can be disassembled while being fixed when the electrolysis module 100 is disassembled, which can facilitate the replacement of blocks that need to be replaced. This is also true when three or more blocks are provided.
第1中間板150’と、第2中間板150”とのそれぞれは、ガス非透過性で電極板14と同じであることが好ましい点や純チタン、チタン合金などの導電性を有する素材で構成されることが好ましい点、及び、水素ガス排出経路に対応する位置に通気部を有している点において図2に例示の電気分解モジュール100の中間板150と共通している。 The first intermediate plate 150' and the second intermediate plate 150" are similar to the intermediate plate 150 of the electrolysis module 100 illustrated in FIG. 2 in that they are preferably gas impermeable and the same as the electrode plate 14, are preferably made of a conductive material such as pure titanium or a titanium alloy, and have a vent in a position corresponding to the hydrogen gas exhaust path.
図10に示す電気分解モジュール100でのセルスタック110において、第1ブロック111と第3ブロック113との2つのブロックを区切っている第1中間板150’は、当該第3ブロック113での水供給経路130に連通する水供給口101(第3水供給口101c)と第3ブロック113での酸素ガス排出経路140に連通する酸素ガス排出口102(第3酸素ガス排出口102c)とを備えている点で図2に例示の電気分解モジュール100の中間板150とは相違している。一方で第3ブロック113と第2ブロック112との2つのブロックを区切っている第2中間板150”は、図2に例示の電気分解モジュール100の中間板150と同様の構造を有している。即ち、図10に示す電気分解モジュール100は、陽極側の空間がブロックごとに独立している一方で陰極側の空間がブロック間で連通して全体で一つの空間を形成している点においても図2に例示の電気分解モジュール100と共通している。 In the cell stack 110 in the electrolysis module 100 shown in Figure 10, the first intermediate plate 150' separating the two blocks, the first block 111 and the third block 113, differs from the intermediate plate 150 of the electrolysis module 100 illustrated in Figure 2 in that it is provided with a water supply port 101 (third water supply port 101c) communicating with the water supply path 130 in the third block 113, and an oxygen gas exhaust port 102 (third oxygen gas exhaust port 102c) communicating with the oxygen gas exhaust path 140 in the third block 113. On the other hand, the second intermediate plate 150" that separates the third block 113 and the second block 112 has a structure similar to that of the intermediate plate 150 of the electrolysis module 100 illustrated in FIG. 2. That is, the electrolysis module 100 illustrated in FIG. 10 is also common to the electrolysis module 100 illustrated in FIG. 2 in that the anode side spaces are independent for each block, while the cathode side spaces are connected between the blocks to form a single space overall.
図10に示す第1中間板150’は、前記水供給口101と前記酸素ガス排出口102とを有し、該第1中間板150’に隣接する2つの前記ブロックの内の一方のブロックに水を供給し得るように構成されているとともに該一方のブロックから酸素ガスを排出し得るように構成されている。そのため、例えば、第1中間板150’と第2中間板150”との間に第1中間板150’と同様に水供給口101と酸素ガス排出口102とを備えた第3中間板を更に介挿し、第3ブロック113を更に区切って合計4ブロックとなるようにしても、図10での第3ブロック113を第1ブロック111と第2ブロック112との間に上下に2つ並べて配置したような状態にすることができる。 The first intermediate plate 150' shown in FIG. 10 has the water supply port 101 and the oxygen gas exhaust port 102, and is configured to supply water to one of the two blocks adjacent to the first intermediate plate 150' and to exhaust oxygen gas from the one block. Therefore, for example, even if a third intermediate plate having a water supply port 101 and an oxygen gas exhaust port 102 similar to the first intermediate plate 150' is further inserted between the first intermediate plate 150' and the second intermediate plate 150" and the third block 113 is further divided into a total of four blocks, the third block 113 in FIG. 10 can be arranged in two rows between the first block 111 and the second block 112.
即ち、第1中間板150’は、セルスタック110の途中に介装させるだけで水供給経路130と酸素ガス排出経路140とをそれぞれセルスタック110の積層方向における途中で分断することができ、当該第1中間板150’を介してそれぞれ2つに分断された水供給経路130と酸素ガス排出経路140との一方に連通可能な水供給口101と酸素ガス排出口102とを備えるため、セルスタック110の任意の位置に介装することで一つのブロックを形成することができる。そして、このように3つ以上のブロックが形成される場合も、図2に示すような電気分解モジュール100と同様に陰極室と、陽極室との間に圧力差を生じさせて固体高分子電解質膜の検査を容易に行うことができる。 That is, the first intermediate plate 150' can separate the water supply path 130 and the oxygen gas exhaust path 140 in the stacking direction of the cell stack 110 simply by being inserted in the middle of the cell stack 110, and the first intermediate plate 150' has a water supply port 101 and an oxygen gas exhaust port 102 that can communicate with one of the water supply path 130 and the oxygen gas exhaust path 140 that are each divided into two via the first intermediate plate 150', so that a block can be formed by inserting the first intermediate plate 150' at any position of the cell stack 110. Even when three or more blocks are formed in this way, a pressure difference can be generated between the cathode chamber and the anode chamber in the same way as in the electrolysis module 100 shown in FIG. 2, and the solid polymer electrolyte membrane can be easily inspected.
この第1中間板150’にも給水配管L1や酸素ガス排出配管L2などが接続されるため、分岐経路を設けたり三方弁を介して配管を接続したりすれば、図11A~図11Cに例示の機構を当該第1中間板150’にも付与することができ、各配管を第1中間板150’から取り外すことなく検査を実施することができる。 Since the water supply pipe L1, oxygen gas exhaust pipe L2, etc. are also connected to this first intermediate plate 150', by providing a branch path or connecting the pipes via a three-way valve, the mechanism illustrated in Figures 11A to 11C can be applied to the first intermediate plate 150', and inspection can be performed without removing the pipes from the first intermediate plate 150'.
尚、本実施形態での水素・酸素発生装置や水素ガス製造方法についての上記のような例示は、あくまで限定的な例示に過ぎない。したがって、本発明の水素・酸素発生装置や水素ガス製造方法は、上記例示に何等限定されるものではない。 The above examples of the hydrogen/oxygen generating device and hydrogen gas production method of this embodiment are merely restrictive examples. Therefore, the hydrogen/oxygen generating device and hydrogen gas production method of the present invention are in no way limited to the above examples.
上記のように本明細書においては、以下のような開示を含む。 As stated above, this specification includes the following disclosures:
(1)
水を電気分解して水素ガスと酸素ガスとを発生させる電気分解モジュールを備え、
前記電気分解モジュールが前記酸素ガスを排出する酸素ガス排出口と前記水素ガスを排出する水素ガス排出口とを備え、
該電気分解モジュールには、複数の電解セルが積層されたセルスタックが備えられ、
前記複数の電解セルのそれぞれは、固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜を介して隣り合う陰極室と陽極室とを備え、前記陽極室に水が供給されて該陽極室から前記酸素ガスが排出されるとともに前記陰極室から前記水素ガスが排出されるように構成され、
前記セルスタックには、前記複数の電解セルが積層されている方向に前記電解セルを貫通し、それぞれの前記電解セルの前記陰極室と連通する水素ガス排出経路が備えられ、
前記複数の電解セルのそれぞれの前記陰極室で発生された前記水素ガスが前記水素ガス排出経路を通じて前記水素ガス排出口より排出されるように構成されている水素・酸素発生装置であって、
前記セルスタックの積層方向の一端側と他端側との間に介装された1枚又は複数枚の中間板を更に備え、
該中間板によって前記セルスタックが複数のブロックに区切られ、
前記電気分解モジュールには、前記複数のブロックのそれぞれに前記水を供給するための複数の水供給口と、前記複数のブロックのそれぞれから前記酸素ガスを排出するための複数の前記酸素ガス排出口とが備えられ、
前記中間板が、ガス非透過性の素材で構成され、且つ、前記水素ガス排出経路に対応する位置に前記水素ガスを通過させるための通気部を有しており、
前記水と前記酸素ガスとのブロック間での移動を規制しつつ前記複数のブロックから排出される前記水素ガスを前記水素ガス排出口から排出できるように構成されている、水素・酸素発生装置。
(1)
An electrolysis module is provided for electrolyzing water to generate hydrogen gas and oxygen gas,
The electrolysis module includes an oxygen gas outlet for discharging the oxygen gas and a hydrogen gas outlet for discharging the hydrogen gas,
The electrolysis module includes a cell stack in which a plurality of electrolysis cells are stacked,
each of the plurality of electrolysis cells includes a solid polymer electrolyte membrane, and a cathode chamber and an anode chamber adjacent to each other with the solid polymer electrolyte membrane interposed therebetween, and is configured such that water is supplied to the anode chamber, the oxygen gas is discharged from the anode chamber, and the hydrogen gas is discharged from the cathode chamber;
the cell stack is provided with a hydrogen gas exhaust path that penetrates the electrolytic cells in a direction in which the electrolytic cells are stacked and communicates with the cathode chamber of each of the electrolytic cells;
A hydrogen and oxygen generation device configured so that the hydrogen gas generated in the cathode chamber of each of the plurality of electrolysis cells is discharged from the hydrogen gas discharge port through the hydrogen gas discharge path,
Further comprising one or more intermediate plates interposed between one end side and the other end side of the cell stack in a stacking direction,
The intermediate plate divides the cell stack into a plurality of blocks,
the electrolysis module includes a plurality of water supply ports for supplying the water to each of the plurality of blocks, and a plurality of oxygen gas discharge ports for discharging the oxygen gas from each of the plurality of blocks;
the intermediate plate is made of a gas impermeable material and has a vent portion for passing the hydrogen gas at a position corresponding to the hydrogen gas exhaust path;
A hydrogen and oxygen generating device configured so that the hydrogen gas discharged from the plurality of blocks can be discharged from the hydrogen gas discharge port while restricting the movement of the water and the oxygen gas between the blocks.
(2)
前記電気分解モジュールが第1エンドプレートと第2エンドプレートとの2つのエンドプレートを備え、
該電気分解モジュールでは、前記電解セルが積層されている方向での前記セルスタックの両端部にそれぞれ前記第1エンドプレートと前記第2エンドプレートとが配されており、
前記セルスタックを前記第1エンドプレート側の第1ブロックと前記第2エンドプレート側の第2ブロックとの2つの前記ブロックに区切るべく前記中間板が前記セルスタックの一箇所にのみ介装され、
前記第1ブロックの前記水供給口と前記酸素ガス排出口とが前記第1エンドプレートに開口され、
前記第2ブロックの前記水供給口と前記酸素ガス排出口とが前記第2エンドプレートに開口され、
前記水素ガス排出口が前記第1エンドプレートに開口されている(1)記載の水素・酸素発生装置。
(2)
the electrolysis module comprises two end plates, a first end plate and a second end plate;
In the electrolysis module, the first end plate and the second end plate are disposed at both ends of the cell stack in a direction in which the electrolysis cells are stacked,
the intermediate plate is interposed at only one location of the cell stack to divide the cell stack into two blocks, a first block on the first end plate side and a second block on the second end plate side;
the water supply port and the oxygen gas discharge port of the first block are opened to the first end plate,
the water supply port and the oxygen gas discharge port of the second block are opened to the second end plate,
2. The hydrogen and oxygen generating device according to claim 1, wherein the hydrogen gas exhaust port is opened in the first end plate.
(3)
前記中間板に前記水供給口と前記酸素ガス排出口とが設けられ、該中間板に隣接する2つの前記ブロックの内の一方のブロックに該中間板を通じて水を供給し得るように構成されているとともに該一方のブロックから前記中間板を通じて前記酸素ガスを排出し得るように構成されている(1)記載の水素・酸素発生装置。
(3)
A hydrogen/oxygen generation device as described in (1), in which the water supply port and the oxygen gas exhaust port are provided in the intermediate plate, and the device is configured to supply water to one of the two blocks adjacent to the intermediate plate through the intermediate plate, and to exhaust the oxygen gas from the one block through the intermediate plate.
(4)
前記電気分解モジュールは、前記セルスタックが複極式電解セルで構成され、前記中間板が導電性を有する素材で構成されており、前記複数のブロックに対して一つの電力系統で給電できるように構成されている(1)乃至(3)の何れか1つに記載の水素・酸素発生装置。
(4)
The electrolysis module is configured such that the cell stack is composed of a bipolar electrolytic cell, the intermediate plate is composed of a conductive material, and the multiple blocks can be supplied with power from a single power system.
(5)
水を電気分解して水素ガスと酸素ガスとを発生させる電気分解モジュールを備えた水素・酸素発生装置で水素ガスを製造する水素ガス製造方法であって、
前記水素・酸素発生装置は、
前記電気分解モジュールが前記酸素ガスを排出する酸素ガス排出口と前記水素ガスを排出する水素ガス排出口とを備え、
該電気分解モジュールには、複数の電解セルが積層されたセルスタックが備えられ、
前記複数の電解セルのそれぞれは、固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜を介して隣り合う陰極室と陽極室とを備え、前記陽極室に水が供給されて該陽極室から前記酸素ガスが排出されるとともに前記陰極室から前記水素ガスが排出されるように構成され、
前記セルスタックには、前記複数の電解セルが積層されている方向に前記電解セルを貫通し、それぞれの前記電解セルの前記陰極室と連通する水素ガス排出経路が備えられ、
前記複数の電解セルのそれぞれの前記陰極室で発生された前記水素ガスが前記水素ガス排出経路を通じて前記水素ガス排出口より排出されるように構成されており、
前記セルスタックの積層方向の一端側と他端側との間に介装された1枚又は複数枚の中間板を更に備え、
該中間板によって前記セルスタックが複数のブロックに区切られ、
前記電気分解モジュールには、前記複数のブロックのそれぞれに前記水を供給するための複数の水供給口と、前記複数のブロックのそれぞれから前記酸素ガスを排出するための複数の前記酸素ガス排出口とが備えられ、
前記中間板が、ガス非透過性の素材で構成され、且つ、前記水素ガス排出経路に対応する位置に前記水素ガスを通過させるための通気部を有しており、
当該水素・酸素発生装置が、前記水と前記酸素ガスとのブロック間での移動を規制しつつ前記複数のブロックから排出される前記水素ガスを前記水素ガス排出口から排出できるように構成され、
前記電気分解モジュールを運転して水素ガスを製造することと、
前記電気分解モジュールの運転を停止して前記固体高分子電解質膜を検査することとを実施し、
前記検査では、前記陰極室と前記陽極室との間に圧力差を生じさせて前記固体高分子電解質膜のガス透過性を測定する水素ガス製造方法。
(5)
A hydrogen gas production method for producing hydrogen gas using a hydrogen/oxygen generation device including an electrolysis module that electrolyzes water to generate hydrogen gas and oxygen gas, comprising:
The hydrogen and oxygen generating device comprises:
The electrolysis module includes an oxygen gas outlet for discharging the oxygen gas and a hydrogen gas outlet for discharging the hydrogen gas,
The electrolysis module includes a cell stack in which a plurality of electrolysis cells are stacked,
each of the plurality of electrolysis cells includes a solid polymer electrolyte membrane, and a cathode chamber and an anode chamber adjacent to each other with the solid polymer electrolyte membrane interposed therebetween, and is configured such that water is supplied to the anode chamber, the oxygen gas is discharged from the anode chamber, and the hydrogen gas is discharged from the cathode chamber;
the cell stack is provided with a hydrogen gas exhaust path that penetrates the electrolytic cells in a direction in which the electrolytic cells are stacked and communicates with the cathode chamber of each of the electrolytic cells;
The hydrogen gas generated in the cathode chamber of each of the plurality of electrolysis cells is discharged from the hydrogen gas discharge port through the hydrogen gas discharge path,
Further comprising one or more intermediate plates interposed between one end side and the other end side of the cell stack in a stacking direction,
The intermediate plate divides the cell stack into a plurality of blocks,
the electrolysis module includes a plurality of water supply ports for supplying the water to each of the plurality of blocks, and a plurality of oxygen gas discharge ports for discharging the oxygen gas from each of the plurality of blocks;
the intermediate plate is made of a gas impermeable material and has a vent portion for passing the hydrogen gas at a position corresponding to the hydrogen gas exhaust path;
the hydrogen/oxygen generating device is configured to be able to discharge the hydrogen gas discharged from the plurality of blocks through the hydrogen gas discharge port while restricting the movement of the water and the oxygen gas between the blocks;
operating the electrolysis module to produce hydrogen gas;
and stopping the operation of the electrolysis module to inspect the solid polymer electrolyte membrane.
In the inspection, a pressure difference is generated between the cathode chamber and the anode chamber to measure the gas permeability of the solid polymer electrolyte membrane.
(6)
前記検査では、前記陰極室が前記陽極室に比べて高い圧力となるように前記陰極室に窒素ガスを供給して前記ガス透過性を測定する請求項5記載の水素ガス製造方法。
(6)
6. The method for producing hydrogen gas according to claim 5, wherein in the inspection, the gas permeability is measured by supplying nitrogen gas to the cathode chamber so that the cathode chamber is at a higher pressure than the anode chamber.
以上のような本発明では、水素・酸素発生装置での電解セルの使用期間の長期化を図ることができ、水素ガスの製造効率の向上を図ることができる。 The present invention as described above makes it possible to extend the service life of electrolytic cells in hydrogen/oxygen generating devices and improve the efficiency of hydrogen gas production.
10:電解セル、11:固体高分子電解質膜、12:陰極室、13:陽極室、14:電極板、
100:電気分解モジュール、101:水供給口、102:酸素ガス排出口、103:水素ガス排出口、
110:セルスタック、111:第1ブロック、112:第2ブロック、
120:エンドプレート、130:水供給経路、140:酸素ガス排出経路、
150:中間板、151:通気部、
160:水素ガス排出経路
10: electrolytic cell, 11: solid polymer electrolyte membrane, 12: cathode chamber, 13: anode chamber, 14: electrode plate,
100: electrolysis module, 101: water supply port, 102: oxygen gas outlet, 103: hydrogen gas outlet,
110: cell stack, 111: first block, 112: second block,
120: end plate, 130: water supply path, 140: oxygen gas exhaust path,
150: intermediate plate, 151: ventilation section,
160: Hydrogen gas exhaust path
Claims (6)
前記電気分解モジュールが前記酸素ガスを排出する酸素ガス排出口と前記水素ガスを排出する水素ガス排出口とを備え、
該電気分解モジュールには、複数の電解セルが積層されたセルスタックが備えられ、
前記複数の電解セルのそれぞれは、固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜を介して隣り合う陰極室と陽極室とを備え、前記陽極室に水が供給されて該陽極室から前記酸素ガスが排出されるとともに前記陰極室から前記水素ガスが排出されるように構成され、
前記セルスタックには、前記複数の電解セルが積層されている方向に前記電解セルを貫通し、それぞれの前記電解セルの前記陰極室と連通する水素ガス排出経路が備えられ、
前記複数の電解セルのそれぞれの前記陰極室で発生された前記水素ガスが前記水素ガス排出経路を通じて前記水素ガス排出口より排出されるように構成されている水素・酸素発生装置であって、
前記セルスタックの積層方向の一端側と他端側との間に介装された1枚又は複数枚の中間板を更に備え、
該中間板によって前記セルスタックが複数のブロックに区切られ、
前記電気分解モジュールには、前記複数のブロックのそれぞれに前記水を供給するための複数の水供給口と、前記複数のブロックのそれぞれから前記酸素ガスを排出するための複数の前記酸素ガス排出口とが備えられ、
前記中間板が、ガス非透過性の素材で構成され、且つ、前記水素ガス排出経路に対応する位置に前記水素ガスを通過させるための通気部を有しており、
前記水と前記酸素ガスとのブロック間での移動を規制しつつ前記複数のブロックから排出される前記水素ガスを前記水素ガス排出口から排出できるように構成されている、水素・酸素発生装置。 An electrolysis module is provided for electrolyzing water to generate hydrogen gas and oxygen gas,
The electrolysis module includes an oxygen gas outlet for discharging the oxygen gas and a hydrogen gas outlet for discharging the hydrogen gas,
The electrolysis module includes a cell stack in which a plurality of electrolysis cells are stacked,
each of the plurality of electrolysis cells includes a solid polymer electrolyte membrane, and a cathode chamber and an anode chamber adjacent to each other with the solid polymer electrolyte membrane interposed therebetween, and is configured such that water is supplied to the anode chamber, the oxygen gas is discharged from the anode chamber, and the hydrogen gas is discharged from the cathode chamber;
the cell stack is provided with a hydrogen gas exhaust path that penetrates the electrolytic cells in a direction in which the electrolytic cells are stacked and communicates with the cathode chamber of each of the electrolytic cells;
A hydrogen and oxygen generation device configured so that the hydrogen gas generated in the cathode chamber of each of the plurality of electrolysis cells is discharged from the hydrogen gas discharge port through the hydrogen gas discharge path,
Further comprising one or more intermediate plates interposed between one end side and the other end side of the cell stack in a stacking direction,
The intermediate plate divides the cell stack into a plurality of blocks,
the electrolysis module includes a plurality of water supply ports for supplying the water to each of the plurality of blocks, and a plurality of oxygen gas discharge ports for discharging the oxygen gas from each of the plurality of blocks;
the intermediate plate is made of a gas impermeable material and has a vent portion for passing the hydrogen gas at a position corresponding to the hydrogen gas exhaust path;
A hydrogen and oxygen generating device configured so that the hydrogen gas discharged from the plurality of blocks can be discharged from the hydrogen gas discharge port while restricting the movement of the water and the oxygen gas between the blocks.
該電気分解モジュールでは、前記電解セルが積層されている方向での前記セルスタックの両端部にそれぞれ前記第1エンドプレートと前記第2エンドプレートとが配されており、
前記セルスタックを前記第1エンドプレート側の第1ブロックと前記第2エンドプレート側の第2ブロックとの2つの前記ブロックに区切るべく前記中間板が前記セルスタックの一箇所にのみ介装され、
前記第1ブロックの前記水供給口と前記酸素ガス排出口とが前記第1エンドプレートに開口され、
前記第2ブロックの前記水供給口と前記酸素ガス排出口とが前記第2エンドプレートに開口され、
前記水素ガス排出口が前記第1エンドプレートに開口されている請求項1記載の水素・酸素発生装置。 the electrolysis module comprises two end plates, a first end plate and a second end plate;
In the electrolysis module, the first end plate and the second end plate are disposed at both ends of the cell stack in a direction in which the electrolysis cells are stacked,
the intermediate plate is interposed at only one location of the cell stack to divide the cell stack into two blocks, a first block on the first end plate side and a second block on the second end plate side;
the water supply port and the oxygen gas discharge port of the first block are opened to the first end plate,
the water supply port and the oxygen gas discharge port of the second block are opened to the second end plate,
2. The hydrogen and oxygen generating device according to claim 1, wherein the hydrogen gas exhaust port is opened in the first end plate.
前記水素・酸素発生装置は、
前記電気分解モジュールが前記酸素ガスを排出する酸素ガス排出口と前記水素ガスを排出する水素ガス排出口とを備え、
該電気分解モジュールには、複数の電解セルが積層されたセルスタックが備えられ、
前記複数の電解セルのそれぞれは、固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜を介して隣り合う陰極室と陽極室とを備え、前記陽極室に水が供給されて該陽極室から前記酸素ガスが排出されるとともに前記陰極室から前記水素ガスが排出されるように構成され、
前記セルスタックには、前記複数の電解セルが積層されている方向に前記電解セルを貫通し、それぞれの前記電解セルの前記陰極室と連通する水素ガス排出経路が備えられ、
前記複数の電解セルのそれぞれの前記陰極室で発生された前記水素ガスが前記水素ガス排出経路を通じて前記水素ガス排出口より排出されるように構成されており、
前記セルスタックの積層方向の一端側と他端側との間に介装された1枚又は複数枚の中間板を更に備え、
該中間板によって前記セルスタックが複数のブロックに区切られ、
前記電気分解モジュールには、前記複数のブロックのそれぞれに前記水を供給するための複数の水供給口と、前記複数のブロックのそれぞれから前記酸素ガスを排出するための複数の前記酸素ガス排出口とが備えられ、
前記中間板が、ガス非透過性の素材で構成され、且つ、前記水素ガス排出経路に対応する位置に前記水素ガスを通過させるための通気部を有しており、
当該水素・酸素発生装置が、前記水と前記酸素ガスとのブロック間での移動を規制しつつ前記複数のブロックから排出される前記水素ガスを前記水素ガス排出口から排出できるように構成され、
前記電気分解モジュールを運転して水素ガスを製造することと、
前記電気分解モジュールの運転を停止して前記固体高分子電解質膜を検査することとを実施し、
前記検査では、前記陰極室と前記陽極室との間に圧力差を生じさせて前記固体高分子電解質膜のガス透過性を測定する水素ガス製造方法。 A hydrogen gas production method for producing hydrogen gas using a hydrogen/oxygen generation device including an electrolysis module that electrolyzes water to generate hydrogen gas and oxygen gas, comprising:
The hydrogen and oxygen generating device comprises:
The electrolysis module includes an oxygen gas outlet for discharging the oxygen gas and a hydrogen gas outlet for discharging the hydrogen gas,
The electrolysis module includes a cell stack in which a plurality of electrolysis cells are stacked,
each of the plurality of electrolysis cells includes a solid polymer electrolyte membrane, and a cathode chamber and an anode chamber adjacent to each other with the solid polymer electrolyte membrane interposed therebetween, and is configured such that water is supplied to the anode chamber, the oxygen gas is discharged from the anode chamber, and the hydrogen gas is discharged from the cathode chamber;
the cell stack is provided with a hydrogen gas exhaust path that penetrates the electrolytic cells in a direction in which the electrolytic cells are stacked and communicates with the cathode chamber of each of the electrolytic cells;
The hydrogen gas generated in the cathode chamber of each of the plurality of electrolysis cells is discharged from the hydrogen gas discharge port through the hydrogen gas discharge path,
Further comprising one or more intermediate plates interposed between one end side and the other end side of the cell stack in a stacking direction,
The intermediate plate divides the cell stack into a plurality of blocks,
the electrolysis module includes a plurality of water supply ports for supplying the water to each of the plurality of blocks, and a plurality of oxygen gas discharge ports for discharging the oxygen gas from each of the plurality of blocks;
the intermediate plate is made of a gas impermeable material and has a vent portion for passing the hydrogen gas at a position corresponding to the hydrogen gas exhaust path;
the hydrogen/oxygen generating device is configured to be able to discharge the hydrogen gas discharged from the plurality of blocks through the hydrogen gas discharge port while restricting the movement of the water and the oxygen gas between the blocks;
operating the electrolysis module to produce hydrogen gas;
and stopping the operation of the electrolysis module to inspect the solid polymer electrolyte membrane.
In the inspection, a pressure difference is generated between the cathode chamber and the anode chamber to measure the gas permeability of the solid polymer electrolyte membrane.
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2022
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Patent Citations (1)
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| US20130140171A1 (en) | 2008-07-15 | 2013-06-06 | Next Hydrogen Corporation | Electrolyser module |
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