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(In Japanese)水素精製昇圧装置

Patent code P170014003
File No. (S2013-1168-N0)
Posted date Apr 7, 2017
Application number P2015-530909
Patent number P6432842
Date of filing Aug 5, 2014
Date of registration Nov 16, 2018
International application number JP2014070649
International publication number WO2015020065
Date of international filing Aug 5, 2014
Date of international publication Feb 12, 2015
Priority data
  • P2013-162148 (Aug 5, 2013) JP
Inventor
  • (In Japanese)渡辺 政廣
Applicant
  • (In Japanese)国立大学法人山梨大学
Title (In Japanese)水素精製昇圧装置
Abstract (In Japanese)高圧力環境に対しても耐久性を有する水素精製昇圧装置を提供する。
水素含有ガスからその水素含有ガスより高圧高純度の精製水素ガスを生産する水素精製昇圧装置3が提供される。この水素精製昇圧装置3は、複数枚積層されたセル構造8と、そのセル構造8の積層方向に締付応力を加える押圧構造(6、7、9、10)とを備える。この水素精製昇圧装置3では、カソード側セパレータの流路面30bは、固体高分子電解質膜40と平行な面方向において、アノード側セパレータの流路面20bに対して内側に収まる大きさである。
Outline of related art and contending technology (In Japanese)

水素を燃料とする固体高分子形燃料電池(以下、PEFCという。)の開発が進められ、自動車や家庭用自家発電向けに広く開発が進んでいる。家庭用自家発電向けの燃料電池システムはすでに実用化されており、また、燃料電池を搭載した燃料電池自動車も、近い将来に実用化されることが期待されている。家庭用自家発電向けの燃料電池システムと異なり、燃料電池自動車の普及のためには燃料供給インフラを整備する必要がある。すなわち燃料電池自動車の普及に合わせて、各地に水素ステーションを建設していくことが必要である。

水素ステーションにおいては、高純度で高圧な水素を貯蔵し、燃料電池自動車に供給する。そして、水素ステーションに燃料を供給する方法として、他の場所で製造した水素をタンクローリーで輸送する方法と、水素ステーションで水素を製造する方法がある。しかし、水素はエネルギー密度が低いため、ガソリンのようにタンクローリーで輸送することには向かない。このため、水素ステーションにおいて水素を製造して、精製・昇圧を行うことが好ましい。また、燃料電池自動車普及の初期においては、特に小型で低コストの水素ステーションが必要になると考えられる。

従来、水素を製造するプロセスとしては、メタンを主成分とする都市ガスを改質し水素を含んだ改質ガスを生成し、生成された改質ガスを圧力スイング吸着(PSA:Pressure Swing Adsorption)システムにより精製して、生成された水素をコンプレッサにより昇圧するプロセスが知られている。しかし、PSAシステムは大型でコストが高い。また、高純度水素として回収できる割合が通常80%以下で、残りは改質反応の熱源に使わざるを得ない。さらに、水素を水素ステーションで必要な700~1000気圧まで昇圧するには2段コンプレッサを用いるシステムを使用する必要があるが、圧縮効率が60-70%と低く、無駄に電気エネルギーを損失し、またコストが高くなる。
すなわち、従来の水素製造プロセスは大型で高コスト、低エネルギー変換効率であるという課題があった。

このため、水素の精製と昇圧を同時に行うことによって、小型で低コストな水素製造プロセスが開発されてきた。このようなプロセスの例として、特許文献1には、水素を含む改質ガスを精製・昇圧する水素昇圧プロセスが記載されている。このプロセスは、PEFCのセルに外部電力を加える事により、アノード側に供給する改質ガスから、カソード側に精製・昇圧された水素を作るものである。水素の精製と昇圧を同時に行い、電気エネルギーが直接精製・昇圧のエネルギーとして使用されるため、効率が高く、コストが低い。

また、特許文献2には、水の電気分解により水素を生成・昇圧する水電解プロセスが記載されている。このプロセスは、PEFCのセルに外部電力を加える事により、アノード側に供給する水を電気分解することによりカソード側に昇圧された水素を生成するものである。

Field of industrial application (In Japanese)

本発明は、低圧の水素含有ガスから高濃度高圧の精製水素ガスを生成するための水素精製昇圧装置に関するものである。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
水素含有ガスから前記水素含有ガスより高圧高純度の精製水素ガスを生産する水素精製昇圧装置であって、
複数枚積層されたセル構造と、前記セル構造の積層方向に締付応力を加える押圧構造とを備え、
前記セル構造は、
固体高分子電解質膜と、
前記固体高分子電解質膜の一方に積層されるアノード触媒層と、
前記固体高分子電解質膜の他方に積層されるカソード触媒層と、
前記アノード触媒層に対向して、前記アノード触媒層の外側に設けられるアノード側給電体と、
前記カソード触媒層に対向して、前記カソード触媒層の外側に設けられるカソード側給電体と、
前記アノード側給電体に対向して、前記アノード側給電体の外側に設けられ、前記水素含有ガスが供給される流路を備えたアノード側セパレータと、
前記カソード側給電体に対向して、前記カソード側給電体の外側に設けられ、前記精製水素ガスが排出される流路を備えたカソード側セパレータと、を備え、
前記カソード側給電体の流路面は、前記固体高分子電解質膜と平行な面方向において、前記アノード側給電体の流路面に対して内側に収まる大きさである
水素精製昇圧装置。

【請求項2】
 
水素含有ガスから前記水素含有ガスより高圧高純度の精製水素ガスを生産する水素精製昇圧装置であって、
複数枚積層されたセル構造と、前記セル構造の積層方向に締付応力を加える押圧構造とを備え、
前記セル構造は、
固体高分子電解質膜と、
前記固体高分子電解質膜の一方に積層されるアノード触媒層と、
前記固体高分子電解質膜の他方に積層されるカソード触媒層と、
前記アノード触媒層に対向して、前記アノード触媒層の外側に設けられるアノード側給電体と、
前記カソード触媒層に対向して、前記カソード触媒層の外側に設けられるカソード側給電体と、
前記アノード側給電体に対向して、前記アノード側給電体の外側に設けられ、前記水素含有ガスが供給される流路を備えたアノード側セパレータと、
前記カソード側給電体に対向して、前記カソード側給電体の外側に設けられ、前記精製水素ガスが排出される流路を備えたカソード側セパレータと、を備え
前記セル構造の間にシール部分があり、該シール部分は、
ガスケットと、
前記ガスケットを押さえつけるために、前記アノード側セパレータ及び前記カソード側セパレータに形成された互いに対向する一対の平坦部と、
前記一対の平坦部の両方又は一方に形成された一重または近接する多重の環状突部を備え、
前記環状突部が突部間の前記ガスケットを圧縮して押し当てる構造になっている
水素精製昇圧装置。

【請求項3】
 
前記カソード側給電体の流路面は、前記固体高分子電解質膜と平行な面方向において、前記アノード側給電体の流路面に対して内側に収まる大きさである
請求項2に記載の水素精製昇圧装置。

【請求項4】
 
複数枚積層された前記セル構造は、電気的に直列または並列に接続されている
請求項1乃至3のいずれかに記載の水素精製昇圧装置。

【請求項5】
 
前記カソード側給電体と前記カソード側セパレータの間に配置され、
前記セル構造の積層方向に荷重を付与する弾性を有する導電性部材をさらに備える
請求項1~4のいずれかに記載の水素精製昇圧装置。

【請求項6】
 
前記アノード触媒層と前記アノード側給電体との間に、及び/又は、前記カソード触媒層と前記カソード側給電体との間に、多孔質の導電性撥水層が設けられる請求項1~5のいずれかに記載の水素精製昇圧装置。

【請求項7】
 
前記導電性撥水層は、
炭素材料と、界面活性剤と、フッ素樹脂の重合体ディスパージョン希釈体との混合物を、
粉砕・混合したものを前記アノード側給電体及び/又はカソード側給電体に塗装し、乾燥し、ホットプレスすることにより一体形成される
請求項6に記載の水素精製昇圧装置。

【請求項8】
 
前記押圧構造は、ベースプレートと、締付プレートと、前記締付プレートおよび前記セル構造の間に設けられる押え治具とを備え、
前記ベースプレートは、積層された前記セル構造の一端に設けられ、
前記締付プレートは、積層された前記セル構造の他端に設けられ、積層された前記セル構造を挟んで前記ベースプレートに押圧バネの弾性を介して締付けられており、
前記押え治具は、錐体形状であり、前記セル構造側の底面は、前記セル構造の端面に略均等に押圧可能な形状であり、
前記締付プレートおよび前記押え治具は、少なくとも一方が凸部を有することにより1点で接する
請求項1乃至3のいずれかに記載の水素精製昇圧装置。

【請求項9】
 
前記セル構造および前記押圧構造を収納する高圧タンクをさらに備え、
前記高圧タンク内には、ガス媒体が充填されており、
前記ガス媒体の圧力は、前記水素含有ガスの圧力より高く、前記精製水素ガスの圧力よりも低く保たれている、
請求項1~8のいずれかに記載の水素精製昇圧装置。

【請求項10】
 
前記アノード側給電体および前記カソード側給電体は、多孔質の材料によりなる請求項1~9のいずれかに記載の水素精製昇圧装置。

【請求項11】
 
請求項1~10のいずれかに記載の水素精製昇圧装置と、
水素収納タンクと、
水トラップ・ドレイン器と、
を備え、
前記水トラップ・ドレイン器は、前記水素精製昇圧装置と前記水素収納タンクとの間の水素経路上に設置されており、かつ交互に流路切り替えが可能な一対の水トラップを有する、
水素製造システム。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2015530909thum.jpg
State of application right Registered
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