高压氢气制造设备和制造方法

专利名称：高压氢气制造设备和制造方法
技术领域：
本发明涉及一种直接制造氢能源利用所需的高压氢气(压缩氢气)的系统及方法，而无需使用任何机械式加压装置，例如压缩机，由此使用高分子电解质膜(下文中称为PEM)电解纯水，例如去离子水、蒸馏水及过滤后的纯净水等。本发明属于与清洁氢能源相关的技术。
背景技术：
近年来，使用矿物燃料(例如煤及汽油)作为主要燃料所释放的二氧化碳被认为是导致全球温室效应的主要因素。此外，由燃烧矿物燃料所排放的氮氧化物及硫氧化物也是损害人类健康和造成森林破坏的酸雨的主要因素。此外，存在矿物燃料的矿藏估测量有限的基本问题，并且这些矿物燃料迟早会耗尽。
为了避免发生这些问题，急需开发新的技术，使矿物燃料的消耗减少或不再使用，并利用可以代替矿物燃料而且可以再生的清洁自然能源。
作为矿物能源代替品的最充裕的自然能源为太阳能。每小时由地球接收的太阳能相当于或者大于全人类一年所消耗的能量。仅使用太阳能来满足人类的总能量需求并不是梦，而且已经提出了许多利用太阳能的技术，例如太阳能发电机。
在利用自然能源的代表性方法中，例如本领域中熟知的太阳能发电机、风力发电机及水力发电机等，自然能源是以电能的形式取得并利用的。
储存并传输电能本身是很困难的，而且通常通过对电池进行充电来储存电能。然而，电池很笨重，并且电荷在没有使用的储存期间会通过自放电而消耗掉。
未来能源最关键的问题是避免上述问题，或者是能量能够易于储存和运输，并随时随地都能使用。氢气是产生满足上述条件的能源的一个选择。
氢气易于储存，并能够以电能再生其能量，作为能源既方便又有效。因此，人们期待通过电解水有效地将由自然能源所获得的电能转换成清洁氢能源，并期待使用氢气作为传统能源(例如石油)的替代品的能源。人们希望使用氢气作为能源的氢气经济社会可以在21世纪内实现。
为了实现这种氢气经济社会，使用氢气为燃料的燃料电池(聚合电解质燃料电池，在下文中简称为PEFC)的开发，作为有效利用氢气作为能源的方法已经有了积极的发展。此外，也已考虑在汽车及家用发电机中使用氢气。当上述方法广为流传，以使由自然能源所产生的氢气得以广泛利用时，就可以实现氢气经济社会，而不必担忧由二氧化碳产生的温室效应。
上述的这种社会是基于使用自然能源(尤其是太阳能)有效地产生氢气的关键性问题已被解决的假设之上。
利用氢气作为能源的最重要的问题在于如何将气态氢安全地运输和储存在压缩容器中。
为了解决上述问题，已尝试将气态氢气转换成液态氢，或者使氢气吸留在吸留合金中。然而，这些方法都无法解决自然蒸发与吸留容量不足的问题。近年来已开发出重量轻并高度耐压的贮气瓶，高压氢气的安全性已受到重新估量。因此，氢气常常以350个大气压或更高压力的压缩氢气的形式填充在贮气瓶中储存和运输。这种方法作为合适于氢气经济社会的技术被广泛关注。
当氢气如上所述被使用燃料电池的燃料电池交通工具利用时，应使用压力高达350个大气压的压缩氢气。否则，该氢气贮气瓶的体积不得不很大，而且客舱的空间就要减小。在另一方面，当氢气贮气瓶体积小时，行驶的距离太短以致于几乎不能接受。因此，将当前社会转换成氢气经济社会的关键点是将用作能源的氢气转换成350个大气压或更高压力的高度压缩氢气。
虽然长期以来都是通过电解水碱性溶液来产生氢气，该水碱性溶液是通过将诸如氢氧化钾(KOH)的碱性电解质溶解于水中来备制的，但是近年来，作为聚合电解质燃料电池(PEFC)发展的结果，使用高分子电解质膜的电解(下文中简称为PEM电解)已受到关注，通过这种电解可以直接将纯水电解成氢气和氧气，其中使用PEM进行PEFC的逆反应来电解水。
由于诸如氢氧化钾的碱会通过碱与杂质(例如，在本领域中众所周知的水碱性溶液电解过程中，溶解在水中的二氧化碳)的反应而在电极上形成沉积物，所以水性电解电池必须常常清理，以除去沉积物。也需要用于除去与氢气一同产生的碱雾的净化装置。
由于产生的氢气和氧气通过多孔分隔膜(例如，透气性石棉)彼此分开，所以它们之间的混合率随着产生的气体量的减少而增加，并且通过该多孔膜的氢气或者氧气的比例相对增加。因此，该混合气体变成有爆炸危险的爆炸气体，使得难于任意地停止或开始产生气体。通过使用太阳光或者空气动力这样经常变化的自然能源所产生的电能来电解水碱性溶液以产生氢气并不容易。此外，由于通过电解水碱性溶液所产生的氢气压低，所以需要使用气体压缩机以便制备高度压缩的氢气。
相反，在PEM电解法中，直接电解纯水得到高纯度的氢气，同时使用只能透过质子的PEM将氢气与氧气分开。因此，当电解突然停止时，氢气和氧气不象电解水碱溶液那样彼此混合，而且可以随意地反复开始或停止电解。因此，PEM电解法对于将由自然能源产生的经常变化的电能转换为氢气来说是优异的。
因为液体到气体的转换，也就是小体积到大体积，通过PEM电解来制造高压氢气的方法很自然地便能够产生高压氢气和氧气，原则上不需需使用诸如压缩机的机械增压装置。最终，高达1000个大气压或更高压力的氢气可能只有通过电解才能得到。与机械增压的装置相比，由于没有涉及可机械移动的零件，所以不需要频繁检查和更换消耗品的定期性维护工作。因此，能够实现长时间的免维护和无人自动工作，使自然能源转换成氢气变得实用。此外，与使用诸如压缩机的机械增压装置的方法相比较，由于该PEM电解法具有更高的压缩效率，所以PEM电解法的优点是需要较少的压缩动力，通过PEM电解产生高压氢气以进行能量转换已被寄以厚望。
通过PEM电解产生氢气的系统包括电解电池，该电解电池由多个单元电池层叠而成，该单元电池具有如下结构，在该结构中，具有催化电极(例如在其两个表面形成的铂)的PEM夹在多孔电极中间，纯水和气体能够通过该多孔电极渗透。由于各个电池在具有上述结构的电解电池中层叠，所以分隔各个单元电池的电极被称为双极电极，因为该电极既作为阴极也作为阳极。包括层叠的单元电池的PEM电解电池可以称为双极多层型电解电池。期望着出现由使用PEM的双极多层型电解电池来高压氢气制造系统。
然而，由使用PEM的电解电池进行电解的现存问题在于电解电池的封密构件及PEM的耐压低到大约4个大气压。即使稍做改进，也只能在上述电解电池中产生具有几个到至多几十个大气压的压力的氢气和氧气，并且不能产生能源转换所需的具有350个大气压或更高压力的氢气。因此，必须使用气体压缩机压缩氢气以便有效地储存和运输。
为了不使用气体压缩机来获得高压氢气，可以将液态氢蒸发以转换成高压氢气，并且将氢气充进贮气瓶中。然而，这是一种不利的方法，因为氢气的液化需要大量的能量，而且液态氢气在运输与储存时会因蒸发而消耗。此外，液化器需要定期或是频繁地维护，并且难于在遥远地区无人自动工作来生产液态氢。
至于能量损失，与使用压缩氢气相比较，在液态氢气的生产中能量转换效率更低，因为在这种情况下需要大量能量。虽然本国每年售出三亿立方米的氢气，但是只要百分之十的家用汽车使用氢气作为燃料的话，估计会消耗几十倍的氢气。液化如此巨大量的氢气所需的能量将会超过现今市场上可用的氢能源。
虽然可以建造足够用来液化如此巨大量氢气的液化机，但是额外建造的液化机只消耗能量却不会产生额外的能量，并消耗更多的能量。
因此，对于能量传换效率来说，使用液化氢做能源是不利的，并且不得不建造不产生额外能量的设施以实现该液化氢的使用。
因此，使用液化氢作为高压氢气源或者作为能源是有限制的，并且很难想象在未来的氢气经济社会中使用液态氢作为主要能源。
在另一方面，气体压缩机涉及到如前所述的零件磨损的问题。此外，用来产生具有350个大气压或更高压力的高压氢气的机械增压装置(如气体压缩机)本身也是开发的主题。目前还没有具有令人满意的功能的装置。例如，已商品化的往复式压缩机不能产生超过200个大气压的气体，而膜片式压缩机每1000小时需要换一次膜片，而且其生产能力最高仅为30N/m3。目前没有生产能力为300N/m3的气体压缩机，而且由气体压缩机本身导致的氢气污染也是另一个不能忽视的问题。
当作为使用PEM燃料电池将氢气转换成电能的燃料的氢气的纯度不够时，电极会被污染以致电池输出能量降低，引起电池使用寿命缩短的问题。因此，氢气污染是一个致命的缺点。
通过压缩氢气来实现作为主要能源的能量的最有效的利用，通过压缩氢气将氢气的体积在高压下进行压缩，以使氢气便于储存和运输。当用作为能源的氢气通过减小体积转换成高压氢气以便于储存与运输时，它可以用作为矿物燃料的替代品。已经对各种PEM电解法进行了研究，作为仅通过电解而不使用气体压缩机来产生高压氢气的合适方法。也已经提出了与只通过电解产生利用氢气作为能源所需的高压氢气的各种装置有关的方法，尤其为了解决电解电池的低耐压问题的方法。
例如，在日本专利公开No.3220607(USP 5690797)中可以注意到，作用在双极多层型电解电池的PEM上的力是产生于阴极中的氢气与产生于阳极中的氧气之间的的压力差，并且作用在电池的密封构件上的力是电池中的氢气和氧气的合压力与电池外部压力的压力差。因此，把该电池浸没在用于储存纯水和氧气的高压容器中的纯水里，以便控制储存氢气的高压容器中的压力，使它与储存氧气的高压容器的压力相等。作用在电池的PEM和密封构件上的压力差被控制在该电池的耐压范围之内。因此，甚至在氢气和氧气产生的合压力超过该电池的耐压时，也只有在该电池的耐压范围内的压力差作用在该电池上，由此能够产生高压氢气。
然而，还应该考虑在产生氢气和氧气的装置中的金属零件的腐蚀。当在高压容器中储存阳极所产生的氧气时，通过把电解电池容纳在该高压容器中来将其浸没在纯水中。因此，具有电极的电解电池被密封在含有高压氧气的环境中，当压力增加时，该高压氧气容易同时导致金属和水的腐蚀。
此外，在PEM耐热许可范围内，当温度增高时，容易发生诸如电极的金属零件的腐蚀。此外，由于其中浸有PEM电解电池的纯水的电阻率降低，所以也不能忽视泄漏电流。当通过使用热交换器来冷却其中浸有PEM电解电池的纯水，以解决温度升高的问题时，电池不得不在40摄氏度或更低的温度下工作，在这个温度下电池效率变低，而且该工作条件对热的有效利用不利。
因此，本申请涉及有待解决的内在问题，例如，由氧气引起的电解腐蚀，以及纯水电阻率降低引起的泄漏电流，以便产生利用氢气作为能源所需的高压氢气。
当发生异常情况时，例如，隔离电解电池阳极室和阴极室的PEM破裂，或者电解电池的密封件破裂时，大量的氢气和氧气在容纳电解电池的高压容器中混合，导致产生爆炸气体的危险。因此，对此危险也需要防范措施。
因此，虽然理论上可以在产生氢气和氧气的装置中产生具有几百个大气压或更高压力的高压氢气，但是该装置目前仅可应用于产生具有几十个大气压的压力的氢气，产生被认为是使用氢气作为能源所需的几百个大气压的高压氢气是不容易的。
即使解决了金属腐蚀的问题，因为浸没电解电池的纯水的电阻率降低，在电解电池中流动的电流的一部分流该纯水中，由此会因导致电能损失而使电解效率降低。此外，由于离子交换树脂的耐压性和耐热性低，会出现另外一个问题在高压容器中，由纯水纯度降低所导致的降低的电阻率不能通过使用离子交换树脂将已受污染的纯水再生为纯水来恢复其原始高电阻率。特别是因为要通过将温度增加到大约80摄氏度或更高来提高电解效率，这是一个严重的问题。
在提高纯水温度以降低电阻率时，由于容器壁物质会加速溶解到纯水中，所以必须不停地使用离子交换树脂来再生纯水，但是因为离子交换树脂在高压下处理纯水会破裂，所以电池的压力受到限制。因此，难于产生使用氢气作为能源所需的高压氢气。
为了解决这些问题，日本专利申请公开No.2001-130901提出了一种氢能量馈送装置，即使在很高的电解温度下也不会危及电绝缘的安全，其中通过电解产生的氢气和氧气被储存在分开的高压箱中，同时将电解电池密封地浸没在专用高压容器中的电绝缘液中，以防止由于在高温和高压下氧气和水的共存而引起的金属(例如，电极)腐蚀。
此方法不仅同时解决了电解腐蚀与纯水电阻率降低的问题，而且也能够防止爆炸气体的产生，因为即使在电解电池破损时纯水也可以将氢气与氧气隔离，从而大大提高电池的安全性。
然而，该方法仍然难于实际应用，因为目前还没有找到实际可用的电绝缘液用来将电解电池浸没在高压容器中。
需要大量的电绝缘液来满足用于产生氢气的装置的需求，该装置用于产生足够用来转换成预计要消耗的大量能量的氢气。然而，化学合成并使用大量的电绝缘液而对环境不造成任何负担是很困难的，而环境，尤其是地下水和土壤，很容易由泄漏而污染。此外，该液体还必须是不燃性的并且是化学稳定的，以使得该液体不会与电解电池泄漏的微小量的氧气和氢气进行反应，同时即使在高压容器中泄漏大量氧气时，也不会由与氧气进行反应而引起爆炸的危险。能够满足这些条件的电绝缘液还没有真正找到。
例如，虽然PCB是具有优异性能的阻燃液体，但是从公害与环境污染的观点来看，其产生与使用是被禁止的。因此，目前所有可用的绝缘油都是易燃的，并且当氧气泄漏时有爆炸的潜在危险。
此外，纯水很难使用，因为如上所述，虽然纯水本身作为绝缘液非常优异，但是纯水的电阻率会随时间变化。
因为纯水具有溶解所有物质的潜能，所以当纯水密封在高压容器中时，纯水的电阻率逐渐降低。该电阻率的降低不仅会由于产生泄漏电流而使电池的效率降低，而且在容纳该电解电池的高压容器中由泄漏的电能所产生的氢气和氧气会使压力增加。此压力的增加可能引起电解电池最终被压力压坏或者氢气和氧气的混合气体可能爆炸的潜在危险。因此，必须为这些潜在危险提供防范措施。

发明内容
因此，考虑上述状况，本发明的目的是提供一种高压氢气制造系统及方法，其中，可以有效地产生高压氢气，尤其是利用氢气作为能源所需的具有350个大气压或更高压力的氢气，而不需使用任何气体压缩机。这种氢气可以只通过使用由经常变化的自然能源(如阳光)所产生的电能进行电解来稳定并且安全地产生。
因此，可以发现，高压氢气可以仅通过电解来产生，该电解包括以下步骤在氢气氛下的高压容器中提供使用PEM的电解电池；使用该电解电池电解纯水；把阴极产生的氢气储存在容纳电解电池的高压容器中；以及把阳极产生的氧气储存在一同储存电解纯水与回流纯水的高压容器中。因此，建立了一种用于产生具有350个大气压或更高压力的高压压缩氢气的系统与方法，该高压压缩氢气是利用氢能源所需的。
在上述的制造系统和方法中，使用电解电池电解纯水，同时调节储存氢气的高压容器的压力与储存氧气及电解纯水的高压容器的压力之间的压力差，使其低于构成电解电池的PEM的耐压。将获得的氢气和氧气储存起来，并且在使用热交换器冷却纯水后，将该纯水供应给电解电池的氧气侧。此外，在电解电池中所产生的氢气在使用设置在高压容器外部的热交换器冷却后，回流到高压容器中。可以发现，以上的过程使得电解电池能更稳定地工作，因为防止了在电解过程中所损失的能量对电解电池加热。
在PEM电解法中，温度越高时，电解效率越高。虽然用于PEM电解的PEM由聚合体材料制成，与传统塑料相比，该聚合体材料具有相对高的耐热性，但是当温度超过100摄氏度时，其机械强度降低，并且在120摄氏度或更高温度时，会快速降低。由于操作电解电池所需的温度为80摄氏度或更低，在PEM电解电池工作时除去由电解水导致的电能损失所产生的热量。此外，可以发现，通过将热交换器中的氢气和氧气管路以及加热介质的管路形成为分支的细管，以便使用宽阔的热传导区域来提高热传导率，这样可以有效并精确地控制PEM电解系统中的温度，由此确保足够高的耐压性和热传导性。这对于在规定温度(最好约在80摄氏度)下通过由作为未来清洁能源的太阳能所产生的电能进行电解是有利的。此方法另一优点为，当通过电解水来产生氢气的电解电池的工作在寒冷地区或冬季的夜晚停止时，可以防止电池中纯水的温度下降到低于水的结冰温度0摄氏度。
另外，还发明了一种用于密封将细管从厚的高压容器中拉出的通孔的新方法。
为了将作用在电解电池上的力抑制在该电解电池耐压范围内，应该将作用在电解电池上的氢气和氧气的压力差控制在该电解电池耐压范围内。然而，由于电解电池耐压有限，当作用在电解电池上的氢气和氧气的压力增加时，如下所示，需要更高的精度来控制该压力。传统的压力控制方法，或通过氢气与氧气的转移来进行的压力控制，可能变得不能满足需要。相应的，可以发现，通过使容纳在储存氢气和氧气的高压容器中的纯水从压力较高的容器转移到压力较低的容器可以有效地控制压力，而代替将氢气和氧气以气体的形式转移的压力控制，或者两种方法一同使用。
适用于该压力控制方法的压力控制器也已开发出来。
以下的方程(1)适用于压力差的控制精度S(％)、电解电池的耐压Ps以及在电解电池中所产生的氢气(或氧气)压力P。此方程意味着在高压氢气制造系统与方法中需要很高的压力控制精度。
S≥(Ps/P)×100 (1)上式(1)表示，需要提高Ps或压力差的控制精度S(％)，或是提高Ps和S，以便提高产生的氢气或氧气的压力P。然而，由于压力差的控制精度S目前受到限制，所以可用的氢气或氧气的压力P最终是由电解电池的耐压Ps来决定的。
目前可用的电解电池的许可耐压通常约为4个大气压，当产生的氢气或氧气的压力约为10大气压时，该压力的控制精度可以在4/10以内，或者40％以内。因此，可以使用传统的压力控制方法，而不会有破坏电解电池的危险。因此，使用氢气作为能源所需的大约350个大气压的压力可以应用在目前的传统电解电池中。
然而，需要具有4/400或更高精度，或者1％或更高精度的高精度压力控制，以使用电解电池在350个大气压的压力下，或者在任何产生氢气和氧气所需的压力下，例如约400个大气压的压力，稳定并安全地产生氢气。该精度通过传统的压力控制方法几乎无法达到，而且需要更严格的压力控制，因为在未来需要在700个大气压的压力下压缩的氢气。
发明者已研究出一种消除降低电解电池的耐压的因素的方法，以及通过转移纯水来控制压力的方法，并且发现具有以下将描述的新颖结构的电解电池对提高电解电池的耐压性很有效。该结构允许容纳电解电池的高压容器的直径变小。此外，该高压容器可以由尽量薄的壁形成，虽然以前要求该壁的厚度必须要厚以适应所产生的压力，或者要求该高压容器的厚度在压力越高时要越大，或者该厚度需要与该容器的直径的平方成比例。因此，该结构的改善使得该容器的产生与处理更容易，使该容器在其产生成本上变得有利。
可以发现，以下的结构在体现上述效果上颇为有效(1)通过压缩构件的压缩压力将双极多层型电解电池压紧；(2)通过在双极电极的侧壁提供与阴极相通的排放口，使得在阴极产生的氢气和渗透的纯水直接从电池的各个阴极排放到高压氢气容器中；(3)通过由设置在电池中心的孔所形成的纯水供应通路来供应待电解的纯水。
通过利用气体(例如氧气)与纯水之间的电导性的巨大差异还开发了水位计，以便解决在存在高压气体的情况下测量容器中的水位时所遇到的下列问题，并用于提高压力的控制精度。
虽然用作电解材料的纯水以及电解产生的氧气一起储存在高压容器中，但是通常可以推测在该容器中，水储存于下半部分，而氧气储存于上半部分，因为氧气的密度在标准条件(0摄氏度和1个大气压)下小到1.429×10-3g/cc。
然而，假设氧气为理想气体，从1/(1.429×10-3)＝700的计算可以得到在700个大气压下氧气的密度与水的密度相同。这意味着在高于700大气压时，水浮在氧气上，并且气体比水轻的经验法则是无效的。
幸运的是，考虑到氧气分子的大小与氧气分子间的力，这种密度的颠倒并不会发生，除非压力为1000个大气压或者更高。然而，由于当水与氧气之间密度的差异不大时，由于水流或其他因素导致的浮标的不稳定运动，使得曾广泛使用的浮标型水位计并不能准确地检测水面。此外，因为用于浮标型水位计的浮标必须具有明显小于1的比重，所以也应该考虑在浮标型水位计中使用的浮标在承受压力下的耐用性。因此，产生在氢能源的使用所需的压力下耐用的浮标，被认为很困难。
为了解决这些问题，发明者已开发了一种可以在高压下稳定工作的水位计，以便稳定和广泛地实施根据本发明的高压氢气制造方法。
上述已完成的发明提供了一种高压氢气制造系统，该系统包括设置在高压容器中的电解电池，该高压容器也用作为所产生的氢气的储存容器。该电解电池包括用于通过电解纯水来产生氢气和氧气的高分子电解质膜。
本发明也提供了一种高压氢气制造系统，该系统包括两个高压容器，一个高压容器用来储存产生的氢气，另一个高压容器用来储存电解纯水和产生的氧气；电解电池，该电解电池包括用于通过电解产生氢气和氧气的高分子电解质膜，该电解电池被设置在用于储存所产生的氢气的高压容器中，并且用于储存电解纯水和产生的氧气的高压容器与电解电池相通。
优选的是，该高压氢气制造系统具有压力控制装置，用来控制储存氢气的高压容器的内部压力与储存氧气的高压容器的内部压力之间的压力差，使之低于电解电池的耐压。
优选的是，该高压氢气制造系统具有压力控制装置，用来测量相应高压容器的压力，并且，通过将氢气或氧气经由设置在相应高压容器上的根据该测量值开关的阀进行排放来调节压力差，使该压力差低于电解电池的耐压。
优选的是，该高压氢气制造系统具有压力控制装置，用于通过开关各个容器中连接在与相应高压容器中的纯水相通的管路上的阀，使纯水转移来调节压力差，使该压力差低于电解电池的耐压。
优选的是，该高压氢气制造系统具有压力控制装置，该压力控制装置设置在与填充在相应高压容器中的纯水相通的管线中，并且通过该压力控制装置控制压力，该压力控制装置具有滑块，该滑块依靠各个高压容器中的纯水的压力差来滑动。
优选的是，该高压氢气制造系统中的电解电池是双极多层型电池，该电池包括多个层叠的双极电极，该双极电极在其两个表面上都具有催化层，并且该电解电池被放置在高压容器中的安装台上，使用来自该安装台上方的压紧夹具来压紧电解电池。
本发明还提供了一种制造高压氢气的方法，其中，将包括高分子电解质膜的电解电池设置在高压容器中，并且通过使用该电解电池电解纯水来产生氢气和氧气。把所产生的氢气储存在容纳该电解电池的高压容器中，并且把氧气储存在一同储存电解纯水和回流纯水的高压容器中。
优选的是，产生的氢气先行冷却，然后再储存在容纳电解电池的高压容器中。
优选的是，在电解过程中，储存氢气的高压容器的内部压力与储存氧气和纯水的高压容器的内部压力之间的压力差被调节到低于构成该电解电池的高分子电解质膜的耐压。最好通过从这些容器中排放氢气和氧气及/或在这些容器中转移纯水，来调节相应高压容器中的氢气压力和氧气压力，以控制该压力。


图1为一示意图，显示了根据本发明的用于高压氢气制造系统的示例的总体结构；图2为管路的示例，该管路设置为增强图1中高压氢气制造系统中的冷却效果；图3为进水泵的剖面图，作为图1中进水泵的示例，该进水泵由感应电机来供应动力；图4为一示意图，说明用于将大电流供给电解电池的电流导入端子的示例；图5为一示意图，说明用于将小电流供给进水泵和水位计的电流导入端子的示例；图6为一示意图，说明水位计的一个示例；图7为一示意图，说明进水泵的另一个示例；图8为一示意图，说明一种用于密封在高压容器侧壁上形成的通孔的方法的示例；图9为一示意图，显示了根据本发明的用于高压氢气制造系统的另一个示例的总体结构；图10是显示图9中压力差传感器的结构的部分剖面图；图11A是显示图9中放气阀的结构的剖面图；图11B是显示图9中放气阀的结构的侧视图；图12是显示图9中水位计的结构的剖面图；图13为一示意图，显示了根据本发明的用于高压氢气制造系统的第三个示例的总体结构；图14A显示了图13中压力控制器的部分剖面图；图14B显示了图14A中压力控制器沿直线A-A’的剖面图；图15显示了另一个压力控制器的示例的部分剖面图；图16显示了一个不同的压力控制器的部分剖面图；图17是显示根据本发明的电解电池的结构和附件的剖面图；图18显示了图17中的电解电池的分解透视图；以及图19显示了图17中所示的电解电池阳极上的纯水的流型。
具体实施例方式
根据本发明的用于高压氢气制造系统的优选实施例将在下文中详细说明。
本发明主要提供了一种用于通过使用电解电池直接电解纯水产生氢气与氧气的系统和方法，其中，该电解电池包括使用分隔膜(例如高分子电解质膜)彼此隔开的阳极室和阴极室。
如上面的详细说明，本发明使用通过改进传统系统而开发的用于产生氢气和氧气的系统，使高压氢气能够安全并稳定地产生，而不须使用气体压缩机。构成该制造系统的各个构件与本领域中所熟知的构件大体上相同。
图1为一示意图，显示了根据本发明的高压氢气制造系统的示例的总体结构。标号1代表电解电池，该电解电池被放置在高压容器10(也称为储存氢气的高压容器，因为它也用作为储存氢气的容器，以下将会说明)中。该电解电池包括由高分子电解质膜(PEM)隔开的阳极室和阴极室(没有示出)，在该PEM两端都具有电极。电解所用的纯水通过纯水供应管路3供应给电解电池1的阳极室。该电解电池构造成通过阴极线路5和阳极线路7从电源9供电，使氧气和氢气分别在电解电池1的阳极室与阴极室中产生。
在阳极室中产生的氧气被送入高压容器31(也称为电解纯水箱或者储存氧气的高压容器)，并储存在氧气池31a中，其中，该高压容器31用于同时储存通过回流管路4的电解纯水和一部分从纯水供应管路3供应的纯水，该氧气池31a位于电解纯水箱31的上部，具有较小的底面积。
在电解电池1的阴极室中产生的氢气可以直接排到高压容器10中，并储存在高压容器10中。然而，由于产生的氢气在电解过程中由于电能损失而被加热，所以当氢气没有冷却就排入高压容器10时，容纳在高压容器10中的电解电池1会被氢气的热量加热，并且PEM可能最终会被该热量破坏。
为了防止PEM被该热量破坏，将电解电池1中产生的氢气通过管路引入高压容器10外部的外部热交换器25b进行冷却，并且氢气通过氢气排放管路2排入高压容器10中，最好是排入其底部或者其底部附近。因此，由电解电池1的电能损失所产生的热量被冷却，并且氢气保持在适合操作电解电池的温度。
使用温度计28a与29b分别测量流入与流出热交换器25b的氢气的温度，并且通过控制送入热交换器25b的冷水的温度和体积来控制氢气的温度。
因为通过使用热交换器25b冷却从氢气排放管路2排放的氢气，使其由于温度比储存在高压容器10中的氢气的温度低而变得更重，所以冷的氢气被收集在高压容器10的底部。然而，该氢气被从氢气排放管路2流入的氢气升高，并且当通过与电解电池1接触使其温度上升时，其比重降低而升起。该升起的氢气将热量通过阀15和针阀16从高压容器10带出，并且电解电池1被有效地冷却。
当通过将已经过热交换器25a冷却的纯水供应给阳极侧，来使用纯水将电解电池1冷却至特定程度时，与本领域所熟知的浸没在纯水中的PEM电解系统的电解电池相比较，该纯水的冷却能力不足。因此，在将电解电池1容纳在储存氢气的高压容器10中的结构中，希望电解电池1中产生的氢气经过冷却之后再返回到容纳该电解电池1的高压容器中。
虽然可以通过冷却高压容器本身来直接将氢气排入高压容器10中，但是由于热量是分布在高压容器10中的，所以需要很宽的热传导区域用于冷却。此外，在压力升高时，因为高压容器10的壁必需要厚，所以该容器的热传导率变差。因此，该方法在冷却效率上被认为并不优异。
因为氢气的温度不会耗散到别的地方，所以可以通过排放在如上所述的电解电池1中产生的氢气来有效地冷却电解电池。由于氢气可以通过细管排放，该细管具有与高压容器10相比更薄厚度的壁，所以不会损害热传导率，并且提高了冷却效率。
因此，在本发明中可以产生高压氢气，而不必将电解电池1置于水与氧气共存的腐蚀性环境中，同时由电解电池1的自发增压功能使得冷却氢气能够通过热交换器25b从氢气排放管路2排放，而不需要使用泵。
此外，氢气的热传导率随高压容器10中压力的增大而增加，并且冷却电解电池1的能力也得到提高。
本发明能够稳定并有效地产生高压氢气也是很明显的。根据本发明，特别地，通过将在热交换器25b中冷却的氢气返回到高压容器10的底部，使由电解电池1所加热的氢气上升并到达该高压容器10的上半部，连同所吸收的热量一起通过阀15和针阀16释放。因此，该电解电池的冷却效率高，使得能够设计用于产生高压氢气的高效系统。
在如上所述的电解电池1中所产生的氢气从氢气排放管路2排入高压容器10中，并被收集和储存在高压容器10中。
当通过阴极线路5和阳极线路7将电能连续地从电源9供应给电解电池1时，纯水被连续地电解以产生氧气和氢气。氧气被收集在电解纯水箱31的氧气池31a中，同时氢气被收集在高压容器10中，并且该电解纯水箱和高压容器的压力升高。
氧气和氢气的压力分别由压力计39a和39b来测量，该压力计分别设置在电解纯水箱31和高压容器10处。使用单独提供的控制器(没有示出)对所测量的值进行相互比较。例如，当氧气的压力高于氢气的压力时，阀36通过来自该控制器的信号自动打开，并且通过针阀38将氧气释放到空气中或者收回到容器中。在另一方面，当氧气的压力等于氢气的压力时，通过操作该控制器来关闭针阀36。针阀38的孔依据氧气和氢气之间的压力差的大小，由该控制器自动控制。
在电解电池1中通过电解纯水，以2∶1比例的体积产生氢气与氧气。当通过关闭与氧气池31a相通的阀36和37，并关闭与高压容器10相通的阀14与15，从而不向外排放氢气和氧气，使纯水连续地电解时，高压容器10中的氢气的压力以及在电解纯水箱31中形成的氧气池31a中的氧气的压力上升。
由于本发明是针对作为氢能源的高压氢气的控制，所以最好对收集在氧气池31a中的氧气的体积进行控制，以通过观察水位33a使得其体积为高压容器10的体积的4％或更少，以便安全地备制高压氢气。多余的氧气通过针阀38释放，而且对其压力也进行控制，以使氧气压力始终等于氢气的压力，或者控制氧气的压力稍微高于氢气的压力，使得氧气和氢气之间的压力差至少在电解电池的耐压范围内，或者在2个大气压之内。
当氢气和氧气的压力达到相应的规定压力时，该控制器自动停止从电源9将电能供应给电解电池1，并且电解停止，同时压力停止上升。
分别如上所述控制的高压容器10和氧气池31a中的氢气和氧气的压力总是控制在一致的压力上，其中，氧气的压力稍微高一些，并且控制氧气和氢气之间的压力差至少在电解电池的耐压范围内。因此，电解电池1内部与外部之间的压力差，以及作用在隔离电解电池1的阳极室与阴极室的分隔膜(在PEM上具有铂电极的膜)上的压力，都被控制在膜的耐压范围内。因此，该分隔膜不会破损，同时氢气和氧气不会泄漏。
该分隔膜偶尔也可能会破损，或者电解电池1的密封构件的一部分可能会因特定原因而偶尔破坏。然而，通过将与电解电池1连接的纯水供应管路3与回流管路4两者连接到电解纯水箱31的底部，使电解纯水箱31中小体积的纯水可以流入高压容器10中，并且通过控制氧气池31a中的氧气压力，使之稍微高于高压容器10中的氢气压力，可以使氧气的压力与氢气的压力平衡。因此，防止了多余的纯水流入高压容器中，并且不会形成氢气和氧气的混合气体，因而使该过程变得相当安全。
此外，当在氧气池31a中的氢气的体积被抑制在高压容器10体积的4％或更低时，甚至在任何可预期的破损状况下，也可以预料电解纯水箱31中的氧气与高压容器10中的氢气不会混合。
假设氧气池31a中的氧气与高压容器10中的氢气意外地混合，但是氢气的浓度决不会超过爆炸的下限4％，因而决不会发生气体爆炸。
以上说明仅在没有维持水的正常电解的情况下才有效。通常，电源的安全OFF模式(见Realize Co.公司1993年出版，Harada等所著的《Handbook of Safety Precautions and Control in Manufacture ofSemiconductors(半导体制造中的安全措施与控制手册)》一书)会在控制器检测到异常电流或异常电压时立即工作，停止该制造系统的操作以确保安全。
通过至少防止由氢气和氧气混合所引起的爆炸，不会发生除电解电池1破损以外的损害。
由于电解电池1的异常状态所引起的氧气和氢气的混合(该混合的程度不能通过监测控制器的电流和电压来检测)可以由氧气传感器10a和氢气传感器31b检测到，并且紧急停止电解电池的操作。因此，可以安全地产生使用氢气作为能源所需的高压氢气。
由于电解电池1、用于对该电解电池供应电能的阴极线路5和阳极线路7，以及电极端子6和8都被置于高压氢气环境中，所以可以避免电解腐蚀的问题。
当使用氢气时，通过操作该控制器打开连接在高压容器10上的阀15，并且通过调节针阀16的开口而控制氢气慢慢地流出。
高压容器10中的压力降低立即由压力计39b检测到，并且在该控制器的控制下，电流从电源9流到电解电池1，以在电解电池1中开始进行电解。因此，产生了体积与通过阀15和针阀16排放的氢气体积相同的氢气，并且氢气压力恢复其初始压力。
由于通过慢慢地增大针阀16开口，使通过阀15和针阀16流出的氢气体积增加，所以氢气的压力降低。然而，该压力降低立即被压力计39a检测到，并且通过操作该控制器，使从电源9流过电解电池1的电流量增加，由此恢复初始压力。
当通过保持氢气压力大致为常量来逐渐增加通过阀15与针阀16所释放的氢气体积时，即使在氢气消耗量达到氢气产生量时，通过增大针阀16的开口，压力也不会进一步增加。结果，从电源9流到电解电池1的电流停止增加。
在另一方面，当氢气消耗量超过可以从电解电池1中产生的最大氢气量时，产生的氢气量在从电源9流到电解电池1的电流达到最大后，就不能再增加，并且针阀16的开口不再增大。因此，不能供应超过可以从电解电池1产生的最大氢气量的氢气需求量。
当高压容器10的压力保持在规定压力时，当高压容器10中的压力必须在紧急情况下紧急降低时，阀14和37打开，并且紧急排放高压容器10中的氢气和电解纯水箱31的氧气池31a中的氧气。
当由于释放氢气而使氢气和氧气之间的压力差增大时，通过自动操作该控制器打开阀36。通过针阀38排放氧气，以使高压容器10中的氢气压力与在电解纯水箱31的氧气池31a中的氧气压力平衡，使得氢气和氧气之间的压力差至少落在电解电池的耐压范围内，同时氧气压力稍微高于氢气压力。
虽然以上说明给人一种印象，也就是针阀16和38的开口以及从电源9流到电解电池1的电流控制得太慢，其实它们都由计算机高速控制。由于控制速度与自然能源的变化速度相比是足够高的，所以该控制器可以跟踪自然能源的变化。因此，使用根据本发明的高压氢气制造系统，即使使用由经常变化的自然能源所产生的电能，在产生氢气上也不会有问题。
当氢气从氢气排放管路2排入高压容器10中时，所排放的氢气含有少量的水，并且水被收集到高压容器10底部的水池11中。
水的量始终由水位计12监测，并且当收集到规定量的水时，阀17打开以将水通过针阀18排放到储水器20中。当水位下降到规定的水位时，阀17关闭，水停止排放。
由于氢气会溶解在从高压容器10排放的水中，所以氢气也被收集在储水器20中。由针阀23控制流速的氮气通过过滤器22从管路24供应到储水器20中，并且氮气通过过滤器19排放到空气中。由于储水器设计成由过滤器19使其与空气隔开，所以微生物决不会混入到储水器20中。
虽然电解电池1的纯水供应不受特别限制，但是在图1中所示的实施例中，纯水是通过电解纯水箱31中的进水泵32供应到电解电池中的。
该进水泵32包括集成为一个单元的感应电机和螺旋桨型进水泵，其细节将在下文中参照

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从进水泵32所排放的纯水经过设置在进水管路3的中间的热交换器25a冷却后被送入电解电池1中，使用与热交换器25a一同工作的温度计28a与29a测量供应给热交换器25a以及从热交换器25a释放的纯水的温度。电解电池1被设计成通过使用控制器控制由冷却水供应管路26a从致冷器(没有示出)供应的冷却水量，使其能够在希望的温度下电解。
由于收集在电解纯水箱31中的纯水通过在电解电池1中电解成氢气和氧气而被消耗，所以使用水位计33连续监测水面，并且考虑到氧气池31a中的氧气体积最好在高压容器10中氢气体积的4％范围内，所以从纯水补充箱44对纯水进行补充。
纯水的补充由控制器来控制，由于电解纯水箱31与纯水储存箱48通过给水管路51a和回流管路51b连通，所以设置在电解纯水箱31与纯水补充箱41之间的阀40和42开始是关闭的。
然后，给水管路51a的阀41和回流管路51b的阀43打开，并且通过操作泵47使纯水按照通过离子交换塔46、过滤器45、纯水补充箱44、回流管路51b以及纯水储存箱48的顺序循环。当由设置在纯水补充箱44中的电阻率计49a所测量的纯水的电阻率显示规定的电阻率时，阀41与43关闭，并且泵47停止工作，从而使用具有高电阻率且不含有任何气泡的纯水来填充纯水补充箱44。
然后，通过打开阀40和42使与纯水补充箱相通的电解纯水箱31的氧气池31a中的氧气压力对纯水补充箱44加压。然而，由于充满纯水的纯水补充箱44中没有气体成分的存在，所以基本上观察不到体积变化，同时压力变化也可以忽略。因此，纯水补充箱44中的纯水会因重力而自发地落到电解纯水容器31中，并且电解纯水箱31中的高压氧气替代纯水而进入纯水补充箱44中。
通过确认纯水补充箱44中的纯水已流入电解纯水箱31中，并且使用水位计33确认水位33a已回到其原始水位，从而关闭阀40与42。当阀43关闭时，纯水储存容器48中的高压氧气通过过滤器50排放到空气中，并且纯水补充箱44的压力回复到大气压力。
接着，阀41打开，而且通过启动泵47使纯水循环，以填充纯水补充箱44中的纯水，从而再次使用纯水补充电解纯水箱31。
由于纯水储存箱48通过给水管路51与水箱56连通，所以当纯水储存箱48的水位因补充纯水至纯水补充箱44中而降低时，泵55自动工作。通过设置在给水管路51中间的离子交换塔54、过滤器53和阀52将补充水(如城市用水)转化为纯水供应到纯水储存箱48中。
图2显示了系统主要部分中的管路，该管路显示了增强冷却效果的管路的示例。
在此示例中，所产生的氢气通过多个细管2a、2b等等引入高压容器10的外部，这些细管通过设置在高压容器10上部的分支管路60从氢气排放管路2中分支出来。在使其通过设置在这些细管中间的热交换器25b后，氢气被再次从压力容器10的底部排放到高压容器10中。使用这些细管可以使热传导面积增加，同时提高管路本身的耐压性。
当氢气排放管路2从高压容器10分支为细管2a、2b等时，保持密封性是很重要的。因此，在本发明中使用了一种新颖的方法，其中，细管2a、2b等插入穿透高压容器10壁的通孔，该通孔从高压容器10的内部形成锥形的形状，并且以楔形芯密封这些锥形孔来将这些细管气密地密封起来，而不需要焊接。
流入和流出热交换器25b的氢气的温度是通过连接在细管2a、2b等在热交换器25b入口边的温度计28b，以及连接在细管2a、2b等在热交换器25b出口边的温度计29b来测量的。氢气的温度是通过控制送入热交换器25b的冷却水的温度和流速来控制的。
也可以将冷却水通过高压容器10中的细管，来利用冷却水冷却高压容器10中的氢气，以防止电解电池1和水池11中的纯水在停止期间冻结。
冷却水的温度通常在大约10到20摄氏度的范围内，并且冷却水是使用泵从冷却水箱供应的。冷却水可以在电解电池1通过电解水产生热量时，用来将电解电池1冷却到例如80摄氏度或更低的温度，而在电解电池1停止期间担心电解电池1冻结时，用来将电解电池1加温到0摄氏度或更高。
电解纯水箱31中的纯水通过热交换器25a冷却后，可以供应到电解电池1的阳极侧。回流管路4也在设置在图2中所示的高压容器10的上部的分支管64处分支成多个细管4a、4b等，以便与在氢气排放管路2中一样控制电解电池1的温度。纯水的温度和所产生的氧气的温度由温度计和热交换器25c来控制，并且纯水被供应到电解纯水箱31的底部，并储存在那里。
受控的温度不仅用于电解电池1的温度控制，而且也用于防止电解电池1、电解纯水箱31与细管4a、4b等中的纯水冻结。
例如，当大气温度在停工期间的夜间降到0摄氏度以下时，控制器(没有示出)使用设置在细管4a、4b等处的温度计(在附图中以记号o表示)检测到温度下降，并且通过操作高压泵32使纯水流入回流管路4中，以使电解电池1、电解纯水箱31和细管4a、4b等中的纯水即使在电解电池1停止期间也不会冻结，其中，该回流管路4用于纯水和氧气，并且包括纯水供应管路3和多个细管4a、4b等。
所使用的冷却水的温度通常在10到20摄氏度的范围内，并且纯水是使用泵从冷却水箱(没有示出)供应的。冷却水可以在电解电池1发电时，用来将电解电池1冷却到80摄氏度或更低的温度，而在电解电池1的停止期间担心电解电池1冻结时，用来将电解电池1加温到0摄氏度或更高。
在本发明中，将包括多个细管64a、64b等的冷却管路64设置在电解纯水箱31中，用于冷却电解纯水箱31中的纯水。因此，电解电池1的温度可以更容易地控制，同时有效地防止电解纯水箱31中的纯水冻结。
图3为一剖面视图，显示了由感应电机驱动的给水泵的示例，作为给水泵32的代表性示例。在图中，标号71表示电解纯水箱31的底部，标号72表示纯水出口，标号73表示给水叶片，标号74表示旋转轴，标号75表示转子，该转子由叠片铁芯制成，该叠片铁芯包括硅钢板的多层叠片与笼形铜线圈，并涂有树脂，标号76表示驱动线圈，该驱动线圈通过将线圈缠绕在多层铁芯上并涂上树脂来制备，标号76a与76b表示导线，用于为驱动线圈供应电流，标号77表示旋转感应线圈，标号77c表示旋转感应磁铁，标号77a与77b表示旋转感应线圈的导线，标号78a至78c表示轴承，标号79表示螺母，标号80表示螺栓，以及标号81表示轴承构件。
导线76a、76b、77a与77b通过涂上树脂来电绝缘，并且通过电绝缘地穿透底部71的电流导入端子引导到电解纯水箱31的外部。
对于上述结构的给水泵32，通过从电解纯水箱31外部的电源将电能供给驱动线圈76而开始转动转子75，同时固定在转子75上的旋转轴74也一起转动。因此，叶片73也同时旋转，电解纯水箱31中的纯水从纯水出口72供应到给水管路3。
嵌入在旋转轴74中的磁铁77c与旋转轴74一起旋转，以使交流感应电流流过线圈77，并且控制器可以从交流电流的循环数来监测旋转速度。
图4为一示意图，说明了将大电流供应给构成高压氢气制造系统的电解电池1的电流导入端子的示例。在该图中，标号90表示铜导体，标号90a表示内部导线，标号91表示树脂绝缘体，标号92a与92b及93a与93b表示密封O形圈，标号94表示树脂盘，标号95a与95b表示金属盘，标号96表示接线端子，标号97表示螺母，标号98表示压板，标号99表示螺栓，标号100表示螺母，以及标号101表示高压容器10的容器壁。由于导体90通过与电解纯水箱31电绝缘的方式穿透该容器壁，所以电流可以从外部传送到电解纯水箱31的内部。
图5为一示意图，说明了将小电流供应给构成根据本发明的高压氢气制造系统的进水泵32和水位计33的电流导入端子的示例。在该图中，标号110表示电解纯水箱31的容器壁，标号111表示以树脂(例如，可固化环氧树脂)填充的绝缘体，以及标号112表示具有搪瓷覆层的铜线。这种结构允许很多电线导入到电解纯水箱31中。
图6为一示意图，说明了本发明中使用的水位计的示例。在该图中，标号120表示电解纯水箱31的容器壁，标号121和124表示固定螺栓，标号122表示具有搪瓷覆层的铜线，标号123表示压板，标号125a至125c表示搪瓷覆层剥落后的镀金电极，以及标号126表示托架。由于如上所述结构的水位计33在容器壁120与电极125a之间的电阻率在电极125a浸在水中与不浸在纯水中时不同，所以浸在纯水中的电极125a可以与不浸在水中的电极125a区别出来，使得能够确定它是在水面上或者水面下。
因此，可以确定水面33a是否在电极125a与125b之间，或者在125b与125c之间，还是在电极125c上方，使该组电极能够用作为水位计。
图7显示了由设置在电解纯水箱31外部的电源供应电力的进水泵的示例，该进水泵与设置在电解纯水箱31中的进水泵32不同。一对电机128与一对磁铁129以相对于进水旋转叶片127对称的方式设置。泵主单元和旋转叶片127，以及环板130由非磁性材料制成，例如不锈钢，并且使用薄分隔壁131将固定在旋转叶片127上的磁铁129与固定在电机128轴上的磁铁129分隔开，该薄分隔壁131由耐热塑料制成，例如聚醚醚酮树脂(PEEK)。
通过使用上述结构，旋转叶片127上的磁铁129吸引电机128上的磁铁129，并且旋转叶片127悬浮并固定在空中。
该叶片127随电机128的旋转而旋转。纯水流入与旋转叶片127侧相连的电解纯水箱31的底部，而氧气流入与电机128侧相连的电解纯水箱31的上部。然而，由于这些部分在同一电解纯水箱中，所以它们具有相同的压力，并且没有压力差作用在分隔板131上。
当把电解纯水箱31中的纯水送入电解电池1的阳极侧时，如图4所示，电流经由通过电流导入端子穿入到进水泵的主单元中的电线供应给电机128。
图8为一示意图，显示了密封在高压容器10或电解纯水箱31的侧壁上形成的通孔的方法的示例。在该图中，标号141表示高压容器10或纯水及氧气容器31的侧壁，X表示容器的内部，而Y表示该容器的外部，标号140表示管路，标号142表示芯，标号143表示垫圈，标号144表示固定螺栓，标号145表示该固定螺栓的柄。
当通过夹住固定螺栓的柄145从X方向旋紧固定螺栓144时，上述结构使芯142压在侧壁141上，以通过压力装配管路140。通过容器中在紧固方向上的高压压住该固定螺栓144，以使芯142被紧固，并且该管路被完全密封在该通孔中。
在图8的描述中，虽然芯142被构造成通过插入侧壁141而固定的结构，但是也可以使用锥形螺栓将商品化的连接器固定在侧壁141的通孔中，并且管路140可以使用如图8中所描述的相同的芯142密封。
图9为一示意图，显示了根据本发明的高压氢气制造系统的另一个示例的总体结构。该高压氢气制造系统基本上与图1所示的系统相同，并且包括高压氢气容器202，该高压氢气容器202被构造成使电解电池201容纳在所产生的氢气环境中；高压氧气容器262，用来储存回流的纯水和所产生的氧气；纯水管路216a与216b，通过该管路使高压氢气容器202中的纯水与高压氧气容器262中的纯水连通；以及压力差传感器253，用来检测高压氢气容器202中的氢气压力与高压氧气容器262中的氧气压力之间的压力差，以便控制该压力差。
在图9中所示的高压氢气制造系统中，使用泵207将待电解的纯水从高压氧气容器262送入电解电池201中，并且通过从电源261供应电解所需的电能来电解纯水。氢气和纯水从氢气排放口203排入高压容器202中，并且产生的氧气和未电解的纯水通过回流管路204送入高压氧气容器262中，并且氧气被储存在位于高压容器262上部的氧气池252中。
通过产生氢气和氧气，高压氢气容器202中的压力与氧气容器262的压力分别升高到规定压力，例如，400个大气压。当不需要氢气时，该系统通过停止电解以在该压力下等待。在另一方面，当需要氢气时，将阀257打开，并且将针阀256缓慢打开，以从氢气供应口255供应氢气。
在供应氢气后，当使用压力计254检测到高压氢气容器202中的压力降低时，通过与压力计254一起工作的控制器(没有示出)的指令使电源261重新开始，将电能供应给电解电池201，并且在由压力计254所测量的压力回复其原始值之前一直供应该电能。
当通过增加来自电源261的电能而恢复由压力计254测量的压力时，针阀256的开口进一步增大，直到由压力计254所测量的压力恢复其原始值。通过保持针阀的开口和来自电源的电能使氢气的供应连续，直到增大针阀的开口压力也不再降低，或者从电源261供应的电能达到最大许可功率。
在电解和氢气的供应过程中，使用压力差传感器253(其示例在下面的实施例中显示)来测量储存于氧气池252中的氧气压力与高压氢气容器202中的氢气压力之间的压力差。通常，控制器(没有示出)控制阀244的开关和针阀243的开口，并且控制从氧气排放口245排放的氧气量，使得没有压力差信号从压力差传感器253发送出来。
电解纯水，同时控制高压氢气容器202中的压力，使其与纯水及高压氧气容器262中的压力相等，并且从氢气供应口255供应氢气。
在图1所示的高压氢气制造系统中，通过氧气和氢气的排放来控制高压氧气容器262与高压氢气容器202之间的压力差，尤其是通过氧气的排放来进行控制。然而，由于电解电池201的耐压所要求的许可压力通常为4个大气压，所以使用电解电池201来产生400个大气压或更高压力的氢气和氧气需要例如高达1％或者更高精度的压力控制。
由连接到供应氢气的氢气供应口255的系统所消耗的氢气量的变化所引起的压力控制扰动，或者通过从电源261供应的电能的变化，可以产生超过电解电池201的许可耐压的压力差。因此，在系统中提供了开关阀208与217，以避免由压力控制的扰动而产生超过电解电池许可耐压的压力差。这些开关阀分别连接到纯水管路216a与216b，用于将高压氢气容器202中的纯水与高压氧气容器262中的纯水连通，并且根据该压力差进行操作。
因此，当高压氢气容器202中的氢气压力降低至低于高压氧气容器262中氧气压力时，并且当它们之间的压力差超过电池201的许可压力时，高压氧气容器262中的纯水通过开关阀208排放到高压氢气容器202中。因此，在高压氧气容器262中的纯水体积减少，而氧气池252中的氧气体积增加，从而降低高压氧气容器262中的压力，同时增加高压氢气容器202中的压力，以保持低于许可耐压的压力差。
假设高压氢气容器202中的氢气体积为20公升，高压氧气容器262中的氧气体积为0.4公升(氢气体积的2％)，并且所产生的氢气的压力为400个大气压。然后，4毫升的纯水(为0.4公升的氧气的1％)流出高压氧气容器262并流入高压氢气容器202中。因此，氧气压力降低4个大气压(为400个大气压的1％)，并且氢气压力增加0.08个大气压。因此，可以仅仅通过转移4毫升的水而有效地降低4.08个大气压的压力差，使其低于电池的耐压。
控制高压氧气容器262中的水面251，对产生氢气来说是至关紧要的，尤其对于350个大气压或更高压力的氢气。在此发明中，水位计250被设置在高压氧气容器262中，以始终监测水面251，并且当水面251从规定水位降低时，通过打开阀238利用重力使高压纯水供应箱241中的纯水流入高压氧气容器262中。从高压纯水供应箱241将纯水流入高压氧气容器262中使得相同体积的氧气可以通过阀239流入高压纯水供应箱241中。
将高压纯水供给箱241放置在比高压氧气容器262更高的水平面上，并且将用于补充纯水到高压纯水供应箱241中的纯水供应箱240放置在与高压纯水供应箱241相同或者更高的水平面上是至关重要的，以便利用重力使高压纯水供应箱241中的纯水流入高压氧气容器262中。
通过关闭阀238与239，并且打开阀236与237，将纯水补充到高压纯水供应箱241中。通过关闭阀238与239来隔离高压氧气容器262，并且使用泵232通过离子交换塔233和过滤器234将纯水供应箱240中的纯水送入高压纯水供应容器中。
由电阻率计235测量纯水的电阻率。由于当纯水的电阻率高时，电解电池201的催化电极被污染，并且电解电池201的使用寿命缩短，所以将纯水通过离子交换塔233进行循环，以进行离子交换处理直到电阻率变得高于规定值。
当纯水供应箱240被放置在比高压纯水供应箱241高的位置时，高压纯水供应箱241内部充满纯水，从而可以去除气泡。因此，当阀236与237关闭并且阀238与239打开时，压力变化仅取决于纯水的体积变化，该压力变化基本上可以忽略。
由于使用泵232使纯水在大气压下循环，所以泵232、离子交换塔233、过滤器234和电阻率计235都在大气压下工作。
通过泵232进行的纯水循环的终止取决于由电阻率计235所测量的纯水电阻率。
当提供了与高压纯水供应箱241相同性能的辅助箱时，通过使它们中的任何一个始终准备就绪，可以不延误高压氧气箱262的纯水供应。
将高压氧气容器262中的纯水送入电解电池201中用作电解材料。相应的，当纯水长时间停留并且水质降低，例如电阻率为6兆欧姆/平方厘米或更低时，电解电池201的催化电极可能会被污染并且电解电池201的使用寿命可能缩短。因此，希望经常以新鲜纯水来置换一部分纯水，以防止高压氧气容器262中的纯水变质。
通过打开阀218使高压氧气容器262中的纯水流入纯水排放箱219中，通过关闭阀218并打开阀221，将纯水排放箱219中的纯水排放到储水器223中，并从高压纯水供应箱241补充体积与所排放的水的体积相对应的新鲜纯水，来交换高压氧气容器262中的纯水。
虽然纯水排放箱219的体积取决于纯水的使用量，但是为了降低纯水交换工作中的压力变化，纯水排放箱219的体积最好约为氧气池252的体积的1％，并且交换纯水的频率可以为大约一天10次(约10％)。
从电解电池201的阳极渗入阴极的纯水与产生的氢气一起从氢气排放口203排入高压氢气容器202中，并且纯水被收集在高压氢气容器202的底部。
纯水的储存体积最好约为高压氧气容器262的氧气池252体积的两倍。该体积通过使用水位计210检测水面209来进行控制，并且当纯水体积增加到超过规定体积时，打开阀211使纯水流入纯水储存器212中。确定纯水储存器212的体积，使得打开阀211和使纯水流入纯水储存器212所引起的压力变化不超过由电解电池201的耐压所确定的许可耐压。
例如，假设高压氢气容器202中所产生的氢气的最大压力为400个大气压，所储存的氢气的体积为20公升，并且电解电池201的许可压力为4个大气压，在操作中，通过打开阀211使纯水流入纯水储存器212的操作中的压力变化，在纯水储存器的体积为0.2公升(所储存的氢气体积的1％)的约束条件下，计算得400个大气压×0.01＝4个大气压。
即使当由一些因素的积累而产生超过4个大气压的压力差时，开关阀208和217的动作也不会产生超过电解电池的耐压许可值的压力差。
在图9中，标号205表示热交换器，用来冷却由电解所产生的热量，标号206表示热交换器，用于将供应给电解电池201的纯水调节到需要的温度，标号213表示电阻型水位计，标号215表示纯水排放管路，标号220表示电阻型水位计，标号224表示浮标型水位计，标号225表示进水口，标号227表示泵，标号228表示离子交换塔，标号229表示过滤器，标号230表示纯水电阻率计，标号231表示浮标型水位计，标号246表示紧急氧气排放口，标号247表示紧急氧气排放口，标号248表示压力计，标号249表示气体泄漏传感器，用来检测氧气中的氢气浓度，标号258表示紧急氢气排放阀，标号259表示紧急氢气排放口，以及标号260表示气体泄漏传感器，用来检测氢气中的氧气浓度。
图10为部分剖面视图，显示了本发明中使用的压力差传感器的结构。如图中所示，压力差传感器253包括主单元300，该主单元300具有缸体301，该缸体301的两端用波纹管306与307密封，通过高压氢气容器202或高压氧气容器262的压力使波纹管306与307能够在纵向伸展，并且波纹管306和307中充满了惰性液体；内部磁体304，该内部磁体304与缸体301的内表面紧密接触地沿轴线方向自由滑动；外部磁体305，该外部磁体305与缸体301的外表面紧密接触以与内部磁体304一起运动，从而可以滑动；以及传感器320，用来与可以通过波纹管306和307的伸展而滑动的外部磁体305一起检测压力差。
传感器320包括遮光板319，该遮光板319可与外部磁体305一起运动；显示板316，该显示板316包括被遮光板319遮蔽的开口317和318；以及光电计(没有示出)，用来将透过开口317和318的透射光能转换成电信号。
在图10所示的压力差传感器253中，通过氢气管路312将高压氢气容器202中的氢气送入氢气压力室310中，并且通过氧气管路将高压氧气容器262中的氧气送入氧气压力室311中，这些压力室中的压力分别转移到波纹管306和307中。
由于在波纹管306和307、以及缸体301中充满了液体，例如机油，所以其体积基本上不随压力变化。因此，波纹管306和307在从氢气管路312和氧气管路313传送的氧气和氢气的高压的作用下不会被压坏。
当从氢气管路312传送的氢气压力等于从氧气管路313传送的氧气压力时，由于从氢气压力室310和氧气压力室311分别施加在波纹管306和307上的力相等，所以内部磁体304在缸体301中心保持静止。
然而，当从氢气管路312传送的氢气压力大于从氧气管线313传送的氧气压力时，压力差使弹簧314拉伸而弹簧315压缩，并且通过固定杆302和303将内部磁体304推到压力差分别与弹簧314和315的拉伸和压缩产生的力平衡的位置，内部磁体304移动到氧气压力室311侧。
由于内部磁体304和外部磁体305通过施加在它们之间的磁力而磁耦合，所以外部磁体305响应于内部磁体304的位移随固定在外部磁体305上的遮光板319一起移动，从而覆盖氧气侧的开口318的一部分。因此，通过开口318的光能减少，而通过开口317的光能保持不变。
相反地，当从氢气管路312传送的氢气压力低于从氧气管路313传送的氧气压力时，氢气侧开口317的一部分受到遮光板319的覆盖，通过开口317的光能减少。
从氢气管路312传送的氢气压力和从氧气管路313传送的氧气压力哪一个高，或者它们之间的压力差，都可以由测量通过开口317和318的光能来确定。因此，通过控制例如图9中所示的阀244和针阀243的开关来控制氧气的排放量，可以将压力差调节为零。
虽然以上说明了通过测量光能来检测内部磁体的位置的方法，但是该测量还可以使用滑动电阻器来进行。滑块固定在外部磁体305上，并且使该滑块在滑动电阻器上与和外部磁体305集成在一起的滑块的位移一致地滑动，从而测量内部磁体304的位移距离。
图11A与11B分别为显示系统中所使用的放气阀208或217的剖面图和侧视图。如图中所示，放气阀208或217包括排放口332，该排放口332设置在阀330的圆柱形主单元处；缸体331，该缸体331设置在柱形阀内；与缸体331联锁的弹簧333，该弹簧333使用螺栓335和固定螺母336固定，以便能够调节弹簧弹力；连接至纯水管路216a或216b的连接管路338，用于使高压氢气容器202或高压氧气容器262中的纯水转移；以及排气口337。
提供放气阀208与217以便通过松开固定螺母336以转动螺栓头334来调节弹簧333的压力。接着，由通过连接管路338转移的纯水的压力顶起的缸体331位于排放口332上方，并且使连接管路338中的纯水能够以所需的压力(由电池的许可压力所确定的压力)从排放口332排放。也可以旋紧固定螺母336，以使设置不会被改变。
当容纳阀的主单元330的环境中的压力高于连接管路338中的纯水的压力时，由于施加了压力差，缸体331通过弹簧333的压缩开始向上移动。当连接管路338中的纯水的压力进一步增加时，缸体331的水平面位置超过排放口332的水平面位置，以使连接管路338中的纯水从排放口332排放，因此降低了连接管路338中的压力。当排放口332形成为倒三角形时，在压力差大时纯水的排放量减少，而在压力差小时其排放量增加，用于迅速缓解压力差。
图12为水位计的剖面视图，该水位计利用了气体(例如氧气)与纯水之间导电性的巨大差异，并且该水位计被用作为图9中的水位计250。该水位计包括主电极350，该主电极350具有杆状中央电极350a和设置在中央电极350a外部的同心外部电极350b；以及次电极351，该次电极351具有杆状中央电极351a(除了电极顶端外，该杆状中央电极351a由绝缘圆柱体保护)以及设置在该中央电极351a外部的同心外部电极351b。
在图中，标号352表示纯水的水面；标号353a及353b表示排气口；标号354a与354b分别表示外部电极350b与351b的连接构件；标号355a与355b分别表示中央电极350a与350b的连接构件；标号356a与356b表示绝缘体；标号357a与357b表示分别用于安装外电极350b与351b的固定夹具；标号358表示连接法兰；标号359a与359b表示分别用于固定固定夹具357a和357b的螺母；标号360a与360b表示绝缘板；标号361a与361b表示垫片；标号362a与362b表示导线；标号363a与363b表示垫片；标号364a与364b表示用于固定中央电极350a与350b的螺母；以及标号365a至367b表示0形圈。
当如上所述结构的水位计250中的中央电极350a及外部电极350b浸没在纯水中时，可以通过连接在导线362a与地之间的电阻计来测量填充在中央电极350a与外部电极350b之间的纯水的电阻Rm。
可以通过测量导线362b与地之间的电阻来测量不受绝缘圆柱体368保护而曝露的中央电极350b的顶端与外部电极351b之间的电阻Rr。
电极351a顶部不受绝缘圆柱体368保护的长度定义为Lr，并且中央电极350a与外部电极350b浸没在水里的各个长度定义为Lx。于是，Lx由以下方程确定；Lx＝Lr (Rr/Rm) (1)以上方程(1)表明了通过计算Lx而确定纯水352的水面高度。
虽然纯水的电阻率在离子交换器树脂塔的出口约为18兆欧姆/平方厘米，但是纯水的电阻率会由于通过溶解纯水容器壁使离子浓度增加而随时间降低。然而，由于通过测量Rr来修正水位，所以始终可以检测到精确的水位，该水位与和时间有关的纯水电阻率变化无关。
由于气体(例如氢气和氧气)为电绝缘体，所以在导线364a与地之间的电阻仅由纯水的电阻确定，其中，中央电极350a与外部电极350b浸在该纯水中，并且氢气和氧气的电阻效应可以忽略。
由于所有的材料以及中央电极350a与外部电极350b在结构和特性方面都具有优异的耐压性，所以可以象传统的浮标型水位计一样地使用水位计250，而不受压力的限制。
虽然当在处于高压氢气和氧气共存的环境中的电极之间加电时，电极的材料会由电解而腐蚀，但是这些问题可以通过脉冲测量，或者使用耐腐蚀的贵金属，如钛或铂，对中央电极350a与351a及外部电极350b与351b进行电镀来避免。此外，由于测量导线364a与地之间的电阻Rr作为纯水的电阻率，所以该测量值可以用来评估纯水的品质，以确定纯水和氧气高压容器262中纯水的交换频率。
图13显示了根据本发明的高压氢气制造系统的另一个示例。与在前面所述的系统中一样，电解电池201被设计成容纳在高压氢气容器202中产生的氢气环境中。虽然该系统也包括高压氧气容器262，用于储存待电解的纯水、回流的纯水和产生的氧气，但是它还包括压力控制器270，用来代替压力差传感器253，同时从中省略了排放阀208和217。
该压力控制器270用于根据高压氧气容器262与高压氢气容器202之间的压力差，使高压氧气容器262与高压氢气容器202之间的纯水从具有较高压力的容器转移到具有较低压力的容器，来缓解压力差。
当高压氧气容器262中的压力变得大于高压氢气容器202中的压力时，高压氧气容器262中的纯水流入压力控制器270中，并且相同体积的纯水从压力控制器270推回到高压氢气容器202中。因此，当纯水的体积随着氧气池252体积增加而减少时，高压氧气容器262中的压力降低，并且当纯水体积增加时，高压氢气容器202中的压力升高，从而缓解压力差。
压力控制器270检测纯水的转移体积，并且使用控制器(没有示出)控制阀244和针阀243的开关。因此，转移到高压氢气容器202侧的纯水回流到高压氧气容器262中。然后，控制从氧气排放口245排放的氧气体积，以便防止纯水的进一步转移，以使压力均衡。
由于控制从电解电池201产生的氢气量，以通过控制从电源261供应给电解电池201的电量将氢气的压力维持在规定压力的方法、补充纯水到高压氧气容器262和从高压氧气容器262排放纯水的方法、以及从高压氢气容器202排放纯水的方法与图9中的系统中的那些描述一样，所以省略其说明。
图14A显示了压力控制器270的部分剖面视图，并且图14B显示了压力控制器沿图14A中的直线A-A’的剖面视图。压力控制器270包括压力控制器的主单元390，该主单元390具有由非磁性材料制成的空心缸体370、与空心缸体370内表面紧密接触地滑动并由磁性材料制成的内部滑块371、以及与空心缸体370外表面紧密接触地滑动并由磁性材料制成的外部滑块372；以及位置传感器400，用来检测外部滑块372的位置。高压氢气容器202中的纯水384被引入到由内部滑块371隔开的空心缸体370的一半中，并且高压氧气容器262中的纯水385被引入另一半。
通过内部滑块371使高压氢气容器202中的纯水384与高压氧气容器262中的纯水385分离。因此，纯水384与纯水385决不会混合。当高压氢气容器202的压力等于高压氧气容器262中的压力时，在两容器间没有压力差，内部滑块371位于空心缸体370的中央位置。
相应地，当高压氧气容器262中的压力变得高于高压氢气容器202中的压力时，高压氧气容器262中的纯水从管路375流入空心缸体370，以降低高压氧气容器262中的压力。因此，推动内部滑块371以通过使纯水流入空心缸体370来增加纯水384的体积，并且由于通过管路376流入纯水及高压氧气容器262的体积减少，所以纯水385溢出，从而因为氧气的压力由于高压氧气容器262中的氧气的体积减少而降低，而自动缓解产生的压力差。
内部滑块371从中央移动到弹簧383侧的位置。由于内部滑块371与外部滑块372磁耦合，所以外部滑块372移动到具有与遮光板377相同位移的相同位置，该遮光板377由固定杆381固定在外部滑块372上，以覆盖开口380的一部分，从而减少通过开口380的光能。
由于通过比较通过开口380透射的光能和通过开口379透射的光能而确定了内部滑块371的位移的长度和方向，所以由控制器(没有示出)控制针阀243的开口，以通过比较通过开口380透射的光能和通过开口379透射的光能使内部滑块371返回到原始中央位置。
用于比较压力控制器270的光能的位置传感器400具有与压力差传感器253的传感器320相同的结构和功能。
如上所述，通过控制针阀243的开口来控制从氧气排放口245所排放的氧气体积，以使得内部滑块371始终停留在中央位置。因此，可以产生高压氢气，而不会对电解电池201施加压力差。
当高压氢气容器202中的压力保持高于高压氧气容器262中的压力，并且即使在上述控制之后，内部滑块371的位移还不能停止时，内部滑块371会撞击弹簧383。由于内部滑块371的移动势必要压缩弹簧383，所以在内部滑块371到达该位置之前，对内部滑块371的运动不加以限制。因此，在此期间基本上没有压力差产生。
然而，当内滑件371撞上弹簧383时，内部滑块371的移动肯定会推动弹簧383。换句话说，无法通过内部滑块371的运动来控制压力差。然而，当提供旁流通路374时，弹簧383压缩以允许高压氢气容器202中的纯水直接通过旁流通路374流到高压氧气容器262中，从而防止压力差增加到超过规定压力。
允许高压氢气容器202中的纯水直接通过旁流通路374流到高压氧气容器262中表示出现了一些异常状态，使之不能仅通过控制器(没有示出)来控制针阀243的开口来控制系统的操作。因此，提供了紧急关闭开关(没有示出)及紧急排放阀247与248，用于在这些异常状态下进行紧急停止，从而使电解电池201的电源261关闭，同时除了阀258外，所有的阀都关闭，并且停止从电解电池201产生氢气和氧气，以便迅速降低高压氢气容器202的压力。
虽然在图13中没有显示，但是同时还提供了氮气管路，用于以氮气排空高压氧气容器262与高压氢气容器202的内部，以便安全地停止该系统。
设定弹簧382和383的强度，以使用于使纯水流入旁流通路373或374(作为内部滑块371压缩弹簧383的结果)的压力差落在电解电池201的许可耐压范围内，是用来保护电解电池201使其不会经受超过耐压的压力而损坏的措施。
当空心缸体370的体积(除了滑块371的体积)调节为与高压容器262中的氧气池252相等时，在操作紧急关闭机械装置之前，可以缓解压力差的±50％。
图15与16显示了压力差控制器270的部分剖面图。在这些图中所示的压力控制器270包括与压力控制器270并联的纯水管路413，该纯水管路413具有中间截流阀420；以及用于开关该截流阀的开关411和412。
在压力控制器270中，当压力差增加到超过由内部滑块371的位移以及由内部滑块371导致的弹簧383压缩所能达到的可控制程度时，内部滑块371通过在两端的开关411与412使截流阀420打开。例如，使高压氢气容器202中的纯水通过纯水管路413直接流入高压氧气容器262中，以使压力差不会增加到超过规定压力。
图17是根据本发明的高压氢气制造系统501中所使用的电解电池的结构与连接的剖面图。
电解电池503为双极多层型电解电池，并在垂直方向上容纳在高压氢气容器502中。
由图17可见，在盘状主阴极504与主阳极505之间，电解电池503包括多个环状的高分子电解质膜506，该高分子电解质膜506在其两面都具有铂催化层；以及多个环状双极电极507，该环状双极电极507由多孔电极511制成，该多孔电极511通过插入相对的多孔电极之间的分隔墙516中而在垂直方向进行层叠。该电解电池安装在位于高压氢气容器502中的安装台517上，并且使用由弹簧构件519所压缩的压缩夹具523将主阳极505向下压紧。
压缩夹具523包括固定在电解电池503上的夹具的圆柱形主单元518；弹簧构件519，该弹簧构件连接在夹具的主单元518中；以及加压螺栓520，该加压螺栓520的一端固定在高压容器502中，以便对弹簧构件519施力。虽然为了便于显示，在图17中仅显示了一组压缩夹具，其实有多组压缩夹具对称排列，以均匀压紧电解电池503。然而，电解电池503也可以通过液压压紧，而不由弹簧构件压紧。
电解电池503通过将多个双极电极507层叠而形成。通过在各个双极电极507的外围上形成渗透孔509，以使该渗透孔在垂直方向上彼此相通来提供氧气和纯水的排放通路A。在各个双极电极507的阳极侧形成氧气和纯水排放口512，以面对气体排放通路A，并且产生的氧气和未电解的纯水通过排放口512、氧气和纯水排放通路A及氧气排放管路542排放到高压容器502的外部。在另一方面，在径向方向形成氢气和纯水排放口510，以便直接将阴极产生的氢气与渗透的纯水排放到高压容器中。
在电解电池503的中央形成纯水供应通路B，用于通过渗透孔508来供应电解纯水，在各个双极电极507的中心形成该渗透孔508，使其在垂直方向彼此相通。该纯水供应通路B连接到纯水供应管路547，用于从高压容器502的外部供应纯水，并且通过在阳极侧形成的、与纯水供应通路B接触的纯水供应口508a将纯水供应给多孔电极511。
用于从外部供应电能的导线532与电解电池503的顶部相连。
虽然对高分子电解质膜506上的压紧力进行调节，以使高分子电解质膜506不会因使用压缩夹具523对它进行压紧而被压坏，但是调节的许可范围很窄，以致于该高分子电解质膜可能被压坏。因此，将密封构件524的环形片设置在高分子电解质膜506的外围的外部，以使高分子电解质膜506即使在被施加过度的压紧力时也不会压坏。
此密封构件524比高分子电解质膜506更薄更硬，并且使用有优异电绝缘性能的材料(例如塑料)形成环状。高分子电解质膜506的厚度与密封构件524的厚度之间的关系应适合于获得密封特性，并可以通过使用双极电极507夹住高分子电解质膜506和密封构件524，并且在规定压力下压紧后通过测量电阻来确定。
当密封特性已确定为不合适时，改变高分子电解质膜506与密封构件524的组合，或者从各自具有不同厚度的多个密封构件524中选择适当厚度的密封材料，以便选择具有所需电阻的组合。
最好在构成纯水供应通道B的通孔508周围提供环形密封构件，以提高纯水供应通路B与电极之间的密封性能。
为了防止高分子电解质膜506与密封构件524片被双极电极507的重量压坏，希望限制层叠的双极电极507的数量，并且将多个层叠的电极设置成阶梯状。
通过使主阴极504与安装台517接触，主阴极504可以与高压氢气容器502电气连接，并且主阳极505可以与高压氢气容器502绝缘。当高压氢气容器502接地(没有示出)时，主阴极504接地，而主阳极505与地电势绝缘。因此，通过在电流导入端子527与地之间连接电源来提供电源给电解电池503。当电解水所需要的电能通过导线532从电流导入端子527供应给主阳极时，纯水通过设置在与纯水供应口B接触的阳极处的各个纯水供应口508a，从纯水供应管路547供应到多孔电极511。由电解纯水所产生的氧气以及没有电解的纯水通过各个排放口512收集到具有多个渗透孔509的氧气和纯水排放通路A，并通过氧气排放管路542回流到用于储存高压氧气的高压容器(没有示出)。
在阴极产生的氢气和渗透的纯水直接从排放口510排放到高压容器502中，并且渗透的纯水从纯水排放管路548排放，并被收集在废水箱中(没有示出)。收集在高压容器502中的氢气从在高压容器502中形成的氢气供应口538取出。
通过控制使得收集氧气的高压容器(没有示出)的氧气压力与高压容器502中的氢气压力相等，可以将作用在高分子电解质膜506两端之间的压力差，以及作用在以高分子电解质膜506密封的双极电极507之间的密封构件524上的压力差减小到零。通常，氢气与氧气间的压力差被控制在电解电池503的耐压范围内，以便即使收集在高压容器502中的氢气压力已超过该电池的耐压的时候，也能保护高分子电解质膜506不被破坏，并且防止氧气从密封构件524泄漏到高压容器502中。
图18显示了图17中的电解电池503的分解透视图。电解电池503由环形高分子电解质膜506、设置在高分子电解质膜外围上的密封构件524的多个环形片、以及具有相同直径的多个环形双极电极507构成。高分子电解质膜、密封构件以及双极电极在垂直方向层叠在主阴极504和主阳极505之间。在各个构件的阳极侧提供了排放口512，用于将产生的氧气和未电解的纯水排出高压容器502，并且在各个构件的阴极侧提供了排放口510，用于直接将产生的氢气和渗透的纯水排放到高压容器502中。
在除主阳极505以外的各个构件的中心提供渗透孔508，用于形成供应电解纯水的纯水供应通路B，并且在各个双极电极507内形成纯水供应口508a，用于供应纯水给阳极。在主阳极505处提供了用于密封纯水供应通路B的终端的密封构件505a、孔和与该孔相连的纯水供应口508a、以及氧气和纯水排放口512。
在各个双极电极507的侧壁提供了排放口510，以便将在阴极产生的氢气和渗透的纯水排放到高压容器502中。
因此，从图18可以明显看出，从主阴极504中央的纯水供应通路B所供应的纯水从纯水供应口508a输送到阳极侧的各个多孔电极511。在阳极产生的氧气和未电解的纯水从氧气和纯水排放口512流入氧气排放通路A，并且通过氧气排放管路542取出到高压容器502的外部。在阴极产生的氢气和渗透的纯水直接从氢气和纯水排放口510排放到高压容器502中。
多孔电极511包括钛金属网，并且其两面通过焊接固定到双极电极507的内壁上。该金属网与高分子电解质膜506(在其两个表面上都形成有铂催化剂)接触的表面被抛光成平滑表面，并且包括由ECR等离子沉积在其表面上形成的碳涂层。
图18中构成电解电池503的各个构件都具有在轴向位于外围处的定位槽522，以方便这些构件的组装。
图19显示了将纯水供应给电解电池的阳极的流型。在图中所示的箭头表示纯水流。纯水从位于纯水供应口508a中央的纯水供应通路B供应，并以360°的角度扩散而流向双极电极507的内周边壁。水流渐渐变细，并且纯水通过对称排列的氧气和纯水排放口512流入包括渗透孔509的氧气排放通路A中。
工业适用性根据本发明的用于产生氢气的系统和方法，可以安全地产生利用氢气作为能源所需的高压氢气，而不需要使用任何气体压缩机。甚至可以利用经常变化的自然能源(例如，太阳能)来产生氢气，从而使本发明在环境保护方面表现出优异的效果，例如，防止由二氧化碳导致的温室效应；消除氮氧化物和硫氧化物对人类健康的不利影响；以及保护森林不受酸雨破坏。
通过本发明产生的高压氢气是方便且有效的，因为该高压氢气可以很容易地存储，并且在需要的时候可以很容易地再次转化为电能。并且，本发明的优异效果还体现在，通过电解纯水使得从自然能源获得的电能可以有效地转化为作为清洁能源(该清洁能源便于运输和储存)的氢气。
至于PEM本身和电解电池的密封构件的耐压性不需要注意。由于在系统中没有使用气体压缩机，所以免除了气体压缩机的拆卸和维修工作，并且消除了氢气的污染。因此，可以防止利用PEM燃料电池将氢气转化为电能而产生的输出功率的降低(这是由于氢气中的杂质使电极受污染以及电池的使用寿命的缩短所导致的)。此外，由于氢气在高压下压缩，所以氢气容器可以是小型的，从而使客舱空间减小(由装载作为燃料电池汽车的燃料箱的氢气容器所导致)和行驶距离缩短的问题能够得到解决。因此，氢气站的建造变得有效。
由于根据本发明的电解电池构造为容纳在氢气环境下的高压容器中，所以诸如电解电池电极的金属部件的腐蚀问题、由于纯水的溶解能力使电阻率降低而导致的泄漏电流问题、以及电绝缘液体导致的污染问题得到了解决。此外，由于氢气和氧气储存在分离的容器中，所以没有产生爆炸气体的危险。通过将氧气体积减小到氢气体积的4％或更少的简单方法可以安全地产生高压氢气。
根据本发明，使用多个在高压容器中分支出来的细管来冷却所产生的氢气和氧气以及纯水。通过扩大热交换的热传递面积，同时通过减小管壁厚度来提高热传导率，可以有效地冷却由电解产生的热量。因此，可以通过保持适当的温度使电解电池工作，从而能够容易并高效地产生高压氢气。
根据本发明，利用如上所述相同的管路，使得系统中的纯水的温度不会降到0摄氏度或以下，尤其是在未来利用太阳能作为清洁能源来电解纯水产生氢气时，可以有效地防止在冬季的夜间电解的停止期间电解电池被冻结。
从高压容器的内部形成锥形通孔，用于使多个细管(该细管用于冷却所产生的氢气和氧气以及纯水)能够穿过高压容器的侧壁，并且使用楔形芯来密封该通孔，以使该通孔能够气密地密封而不用焊接。此外，该细管在高压容器中分支，以减小在分支部分的管路的内部和外部之间的压力差。因此，即使使用薄片也可以保证分支部分的足够的耐压性。然而，在通过焊接来连接这些管路时，可以使用具有最佳焊接厚度的板材，或者可以使用商品化的管路连接部件。
根据本发明，使用细管作为冷却管线可以提高热传递的效果。这种细管可以很容易地处理成无缝蛇管，以便在管线被拉长时也可以在热交换器中紧凑地安装这些细管，从而能够获得优异的热交换特性，而不会导致泄漏的问题。
根据本发明，对容器中的压力进行控制，以利用存在于高压氢气容器和高压氧气容器中的纯水迅速地控制压力，使氢气和氧气之间的压力差不会超过给定的程度(电解电池的许可压力)。此外，可以只通过电解水容易地产生利用氢能源所需的350个大气压或更高的高压氢气，而不需要使用任何压缩机。
作为供给用于生成氧气的阳极的纯水的一部分，用于控制压力的纯水渗透到高压容器中用于生成氢气的阴极侧。因此，纯水被自发的供应，而不需要有目的地供应纯水。由于有效地利用了因为无用而被排放的水，所以不需要用于该目的的特殊装置和操作，从而提供了有效的压力差控制方法，该方法通过排放少量的纯水使压力差得到控制。
由于当氢气和氧气的压力较高时，可以使用更少量的纯水来减小压力差，所以将该方法应用于产生用作为氢能源的高压氢气可以获得最佳效果。
根据本发明，使高压氢气容器中的纯水的体积大于高压氧气容器中存储氧气的部分的体积，并且使高压氧气容器中的纯水的体积大于高压氢气容器中存储氢气的部分的体积。因此，可以可靠地防止氢气和氧气混合产生的爆炸气体。
根据本发明，通过分别在高压氧气容器和高压氢气容器中存储大体积的纯水和少量的氧气以及小体积的纯水和大量的氢气的方式，使氧气的储存体积控制在氢气储存体积的4％或更小，以便即使在氧气和氢气混合时也能够将体积比率控制在爆炸极限以下。此外，该系统(其中，使高压氢气容器中的纯水的体积大于高压氧气容器中存储氧气的部分的体积，并且使高压氧气容器中的纯水的体积大于高压氢气容器中存储氢气的部分的体积)即使在因为系统的故障或一些事故导致高压氧气容器中的压力由于氧气泄漏而降低，并且高压氢气容器中的纯水流入高压氧气容器时，也可以在高压氧气容器中的氧气完全泄漏并且该容器被纯水补充之前，防止高压氢气容器中的氢气流入高压氧气容器。换句话说，由于即使在高压氢气容器中的压力由于氢气的泄漏而降低，并且高压氧气容器中的纯水流入高压氢气容器中时，在高压氢气容器中的氢气完全被高压氧气容器中的纯水替换之前，高压氧气容器中的氧气也决不会流入高压氢气容器中，所以可以避免形成爆炸气体的事故。
在本发明中使用了利用气体(例如，氧气)和纯水之间的导电率的巨大差异的水位计替代传统的浮标型水位计。该水位计即使在高压氧气和纯水的密度差异很小的时候，也可以稳定并精确地检测水位，同时也消除了高压氢气和氧气对浮标的挤压而导致的产生气体压力的限制。
双极层叠电解电池是通过层叠具有在其两个表面上形成的催化层的多对高分子电解质膜构成的，并且，双极电极包括与高分子电解质膜的两个表面接触的多孔馈电体。电解电池的下部放置在高压容器中的安装台上，并且电解电池的上部利用压缩夹具压紧而固定。因此，电池的直径可以减小到小于高压容器本身的直径。特别地，虽然高压容器壁的厚度应该与该容器直径的平方成比例地增加，但是通过消除对拉紧螺栓的需要，电池的直径可以减小到1/1.5到1/2的比例，或者高压容器的直径可以相应地减小。结果，壁厚可以减小到传统容器的壁厚的1/2到1/4。
然而，由于作为电解电池有效功能部分的高分子电解质膜参与电解的部分的面积并没有由于电池直径的减小而减小，电解的效率可以显著提高，而不会降低电解能力。
利用具有加压能力的压缩构件，可以容易地实现将电解电池均匀地拉紧，从而使电池的耐压性能够很高。
换句话说，由于在本发明中使用压缩构件将电解电池的上端向下压，所以电解电池的压紧点向电解电池的中心移动，以使电解电池能够更均匀地压紧，从而避免气体通过密封构件泄漏。
在本发明中，通过设置在电解电池中心的纯水供应通路供应纯水，并且通过双极电极中的阳极侧的在垂直方向上相通的氧气排放通路取走所产生的氧气和未被电解的纯水。因此，从电解电池的中心向其外围形成均匀的纯水流，从而防止PEM被局部加热，并且防止PEM的局部软化而使耐压性降低。
由于在本发明中，在阴极产生的氢气和渗透的水从在双极电极的阴极侧的外围形成的氢气排气口或类似的通道被直接排放到高压容器中。因此，电解电池的直径可以进一步地减小。
由于在本发明中，通过焊接将具有抛光表面的多孔馈电体固定在双极电极中，所以PEM可以被均匀地紧固住，而不会被突出物或台阶损坏。因此，避免了耐压性的降低，并且消除了导致耐压性降低的主要因素，例如，密封特性的破坏。
在本发明中，利用如上所述的电解电池的新颖结构，排除了导致电解电池的耐压性降低的主要因素。因此，可以稳定地产生高压氢气，同时提高该过程的安全性。此外，容纳电解电池的高压容器的直径减小，同时该容器的壁厚也减小，以致本发明可以表现出许多经济和功能效果。
本发明中获得的高压氢气使得能够使用由自然能源产生的电能或在夜间利用剩余的电能电解水，从而能够安全地产生并储存氢气，以便将氢气供应到使用场所。因此，可以在小规模的场所，例如家庭、办公室和加气站，以及在大规模地储存和使用氢能源的场所使用氢气。
在本发明中获得的高压氢气也可以在传统的半导体生产过程中使用氢气形成薄膜或厚膜(例如氧化硅膜、CVD膜和外延生长膜)的各种膜沉积工艺中有效地使用，以及在热处理过程中、防止原子能发电厂的冷却水管路和热电厂的冷却系统的腐蚀、及陶瓷和精细陶瓷工业中有效地使用。
为目前工业应用所需生产的氢气的生产成本必须特别低。由于在本发明中，氢气可以以小体积储存，所以通常使用的用于一般氢气供应的廉价高压气瓶可以安装在狭小的空间，取代需要宽大安装空间的昂贵的贮存箱。因此，可以使用便宜的夜间电能便宜地生产氢气。
以上事实表明，本发明对于高效地利用夜间电能所获得的能源方面是有效的，表明本发明可以有助于改善全球环境，例如，在工业用氢气的生产领域中抑制二氧化碳的排放。
虽然由于消除了卡车运输导致的二氧化碳排放，使在产生场所安装氢气产生器有增加的趋势，但是由于氢气贮存箱的体积和设备变得太大，所以这种安装经常是不可能的，其中氢气贮存箱在由于发电故障而导致氢气的生产意外停止时用于后备。因此，购买用于后备的氢气不可避免，这是阻碍氢气产生器广泛使用的主要因素。但是，由于在本发明中可以产生高压氢气，所以氢气可以储存在通常使用的廉价高压气瓶中，并且不需要任何特殊的后备措施。
虽然在氢气消耗量随时间变化很大时，需要用于使消耗量变化均匀的缓冲箱，但是当需要很大的安装空间时，这种缓冲箱是昂贵的。然而，由于在本发明中，用于供应普通氢气的廉价高压气瓶可以用作为缓冲箱，所以可以大大减少安装成本。本发明的效果不限于用作能源的氢气的生产，并且在工业应用的氢气的生产方面也具有许多优点。
权利要求
1.一种高压氢气制造系统，该系统利用包括高分子电解质膜的电解电池直接电解纯水而产生高压氢气，其中电解电池位于高压容器中，该高压容器也用作为所产生的氢气的储存箱。
2.一种高压氢气制造系统，该系统利用包括高分子电解质膜的电解电池直接电解纯水产生高压氢气，其中电解电池位于一个高压容器中，该高压容器也用作为所产生的氢气的储存箱，并且电解纯水储存在另一个高压容器中，该高压容器与电解电池相通，并用作为所产生的氧气的储存箱。
3.根据权利要求2所述的高压氢气制造系统，包括压力控制装置，用于控制所述储存氢气的高压容器的内部压力与所述储存氧气的高压容器的内部压力之间的压力差，使其低于所述电解电池的耐压。
4.根据权利要求3所述的高压氢气制造系统，其中提供所述压力控制装置以调节所述储存氢气的高压容器的内部压力，使其稍微低于所述储存氧气的高压容器的内部压力。
5.根据权利要求3或4所述的高压氢气制造系统，其中提供所述压力控制装置以测量相应的高压容器的压力，并通过位于相应高压容器处的根据测量值而开关的阀来排放氢气或氧气以调节压力差，使其低于电解电池的耐压。
6.根据权利要求3或4所述的高压氢气制造系统，其中提供所述压力控制装置以通过开关各个容器中连接在与相应高压容器中的纯水相通的管路上的阀来使纯水转移以调节压力差，使其低于电解电池的耐压。
7.根据权利要求6所述的高压氢气制造系统，其中所述与高压容器中的纯水相通的管路包括两条管路，其中，一条管路具有位于储存氢气的高压容器中的阀，并且另一条管路具有位于储存氧气的高压容器中的阀。
8.根据权利要求7所述的高压氢气制造系统，其中所述的阀具三角形的排放口。
9.根据权利要求6所述的高压氢气制造系统，其中该压力控制装置具有压力差计，该压力差计包括非磁性材料的缸体，该缸体的两端使用弹性波纹管密封，该波纹管由于相应高压容器的压力而处于轴线方向上，并且其中充满惰性液体；主单元，该主单元包括与该缸体的内表面紧密接触的内部磁体，以及与该缸体的外表面紧密接触的外部磁体；以及传感器，用于根据由波纹管的弹性变形所引起的该外部磁体的位置变化来检测压力差。
10.根据权利要求9所述的高压氢气制造系统，其中该传感器包括遮光板，该遮光板与该外部磁体联锁；开口板，该开口板具有被遮光板屏蔽的开口；以及光电计，该光电计将通过该开口透射的光能转换成电信号。
11.根据权利要求9所述的高压氢气制造系统，其中该传感器包括滑块，该滑块作为组成元件，通过与该外部磁体联锁而在电阻器上滑动。
12.根据权利要求3或4所述的高压氢气制造系统，其中压力控制装置位于与相应高压容器中的纯水相通的管路中，并使用包含滑块的压力控制器来调节容器的压力，该滑块响应于相应高压容器中的纯水的压力差而滑动。
13.根据权利要求12所述的高压氢气制造系统，其中该压力控制器具有主单元和用于检测外部滑块的位置的位置传感器，并且通过使相应高压容器中的纯水移动来调节高压容器的压力，并且该主单元包括空心缸体，该空心缸体由非磁性材料制成，该空心缸体的一端与储存氢气的高压容器中的纯水相通，并且另一端与储存氧气的高压容器中的纯水相通；内部滑块，该内部滑块由磁性材料制成，用于阻挡纯水，并且与空心缸体的内表面紧密接触地滑动；以及外部滑块，该外部滑块由磁性材料制成，并且与空心缸体的外表面紧密接触地滑动。
14.根据权利要求13所述的高压氢气制造系统，其中该空心缸体具有缓冲装置以及在其两端的流路，该缓冲装置用于在内部滑块滑动到缸体两端之一时，使纯水流过该流路。
15.根据权利要求13所述的高压氢气制造系统，其中该空心缸体具有缓冲装置，以及在其两端的开关，用于在内部滑块滑动到缸体两端之一时，开关位于管路中的截流阀使纯水流动。
16.根据权利要求13所述的高压氢气制造系统，其中该空心缸体具有这样的净体积，该净体积等于或小于储存氢气的高压容器的氢气体积或者储存氧气的高压容器的氧气体积两者中较小的体积。
17.根据权利要求1到3中任何一项所述的高压氢气制造系统，包括热交换器，该热交换器位于高压容器的外部，用于冷却所产生的氢气。
18.根据权利要求17所述的高压氢气制造系统，其中储存氢气的高压容器和位于该高压容器外部的热交换器通过氢气冷却管路连接，该氢气冷却管路包括在该高压容器中分支的多个细管。
19.根据权利要求2或3所述的高压氢气制造系统，包括热交换器，该热交换器位于将电解纯水供应给电解电池的管路的通路中和/或位于从电解电池回流纯水的管路的通路中，并且这些热交换器用于控制供应给电解电池的纯水和/或从电解电池回流的纯水的温度，或者防止纯水冻结。
20.根据权利要求19所述的高压氢气制造系统，其中用于回流纯水的管路包括在储存氢气的高压容器中分支的多个细管。
21.根据权利要求2或3所述的高压氢气制造系统，其中用于控制所储存的氢气和/或氧气及纯水的温度，或者用于防止纯水冻结的该多个冷却细管位于储存氢气的高压容器和/或储存氧气的高压容器内。
22.根据权利要求18、20或21所述的高压氢气制造系统，其中各个细管固定并保持在各个芯的中心，该芯密封地固定在从构成相应高压容器的侧壁内部向外呈锥形的通孔中。
23.根据权利要求2或3所述的高压氢气制造系统，其中储存氧气的高压容器容纳有进水泵，用于将储存在该容器中的电解纯水供应给电解电池；以及电机，用于驱动该进水泵。
24.根据权利要求2或3所述的高压氢气制造系统，其中储存氧气的高压容器具有体积控制装置，用于控制储存在该高压容器中的纯水的体积，使其高于储存氢气的高压容器的体积，并且用于控制氧气的体积，使其为储存氢气的高压容器的体积的4％或者更低。
25.根据权利要求2或3所述的高压氢气制造系统，其中储存氧气的高压容器具有纯水补充装置，该纯水补充装置由循环系统构成，该循环系统包括用于补充被消耗的纯水的纯水储存箱、离子交换塔及纯水补充箱。
26.根据权利要求25所述的高压氢气制造系统，其中该纯水补充装置包括纯水补充箱、进水管路及用于回流氧气和纯水的管路，设置该纯水补充箱以使储存在其中的纯水能够通过重力作用供应给储存氧气的高压容器，并使其能够接受储存氧气的高压容器中的氧气，在该纯水储存箱与该纯水补充箱之间设置该进水管路以使该纯水储存箱中的纯水通过该离子交换器塔供应给纯水补充箱，以及在该纯水储存箱与该纯水补充箱之间设置该用于回流氧气和纯水的管路以使该纯水箱中的高压氧气能够通过该纯水补充箱中的过滤器排放，使该纯水补充箱中的纯水流通直到纯水恢复预定电阻率。
27.根据权利要求24所述的高压氢气制造系统，其中该体积控制装置至少包括水位计，用于测量填充在储存氧气的高压容器中的纯水的水面；以及针阀，该针阀与该水位计联锁，并且该水位计用于控制纯水的水面，以使收集在储存氧气的高压容器的氧气的体积为储存氢气的高压容器的体积的4％或更低。
28.根据权利要求27所述的高压氢气制造系统，其中该水位计包括多个金属电极，这些金属电极彼此电绝缘并固定在托架上；以及电阻计，用于测量该电极与高压容器之间的电阻。
29.根据权利要求27所述的高压氢气制造系统，其中该水位计包括圆柱形电极，该圆柱形电极在中心具有杆状电极。
30.根据权利要求29所述的高压氢气制造系统，其中该水位计还包括杆状参考电极，该杆状参考电极除其顶部外，由电绝缘的缸体保护；以及圆柱形参考电极，该杆状参考电极位于该圆柱形参考电极的中心。
31.根据权利要求1到3中任何一项所述的高压氢气制造系统，其由该电解电池为双极多层型电解电池，由多个包括高分子电解质膜和多孔电极的双极电极层叠而成，该高分子电解质膜在其两个表面上形成有催化层，该多孔电极与该高分子电解质膜的两个表面接触，该双极电解电池位于高压容器中的安装台上，由该安装台上方的压缩夹具压紧。
32.根据权利要求31所述的高压氢气制造系统，其中该电解电池为双极多层型电解电池，该双极多层型电解电池具有双极电极，该双极电极包括在该双极电极的中心形成的纯水供应通路。
33.根据权利要求31所述的高压氢气制造系统，该电解电池为双极多层型电解电池，该双极多层型电解电池包括在该双极电极的中心形成的纯水供应通路，同时，在各个双极电极的阳极侧具有氧气和纯水的排放口，并且在阴极侧形成了用于直接将氢气和纯水排放到该高压容器中的排放口，并且在各个双极电极的外围垂直地形成氧气和纯水排放通路，与该氧气和纯水排放口接触。
34.根据权利要求31所述的高压氢气制造系统，其中该双极电极的形状为盘状。
35.根据权利要求31所述的高压氢气制造系统，其中通过设置在高分子电解质膜外围的密封构件片来将该高分子电解质膜固定在该双极电极上。
36.根据权利要求35所述的高压氢气制造系统，其中该密封构件片由比高分子电解质膜薄且硬的材料形成。
37.根据权利要求31所述的高压氢气制造系统，其中该压紧的双极多层型电解电池被设置为形成阶梯状。
38.根据权利要求31所述的高压氢气制造系统，其中用于安装该电解电池的安装台包括纯水供应口，用于将纯水供应给该纯水供应通路。
39.根据权利要求31所述的高压氢气制造系统，其中该压缩夹具的一端被固定并保持在该高压容器的内壁上。
40.根据权利要求31所述的高压氢气制造系统，其中该压缩夹具包括该夹具的主单元，该夹具的主单元固定在该电解电池的上部；弹簧，该弹簧容纳在该夹具的主单元内；以及加压螺栓，该加压螺栓一端固定在该高压容器中，以便对该弹簧施力。
41.根据权利要求31所述的高压氢气制造系统，其中该双极电极在垂直方向上层叠，其顶面用作为阳极，并且底面用作为阴极。
42.根据权利要求31所述的高压氢气制造系统，其中该多孔电极通过焊接固定在该电解电池内。
43.根据权利要求31所述的高压氢气制造系统，其中该电解电池包括该多孔电极，该多孔电极具有与该高分子电解质膜接触的抛光表面。
44.一种制造高压氢气的方法，包括以下步骤使用电解电池通过电解纯水来产生氢气和氧气，该电解电池包括高分子电解质膜，并且位于高压容器中；将产生的氢气储存在电解电池所在的高压容器中；以及将氧气储存在用于一同储存纯水和回流纯水的高压容器中。
45.根据权利要求44所述的高压氢气制造方法，包括冷却所产生的氢气的步骤。
46.根据权利要求44所述的高压氢气制造方法，包括以下步骤通过管路将产生的氢气排出该高压容器；以及利用热交换器将氢气冷却之后，使氢气回流到该高压容器中来储存氢气。
47.根据权利要求44所述的高压氢气制造方法，包括以下步骤通过管路将氧气和回流的纯水排出该高压容器；以及利用热交换器控制氧气和回流纯水的温度之后，将氧气和回流纯水储存在储存电解纯水的高压容器中。
48.根据权利要求46或47所述的高压氢气制造方法，其中各个管路包括在该高压容器中分支的多个细管，至少所产生的氢气从该高压容器底部回流到其内部。
49.根据权利要求44所述的高压氢气制造方法，其中通过调节储存氢气的高压容器的内部压力与储存氧气和纯水的高压容器的内部压力之间的压力差，使之低于构成该电解电池的高分子电解质膜的耐压，从而电解纯水。
50.根据权利要求49所述的高压氢气制造方法，其中通过调节储存氢气的高压容器的内部压力，使之稍低于储存氧气和纯水的高压容器的压力来电解纯水，并且该纯水循环系统包括该电解电池。
51.根据权利要求49或50所述的高压氢气制造方法，其中通过控制相应高压容器中的氢气压力和氧气压力及/或转移该容器中的纯水来调节该压力差。
52.根据权利要求51所述的高压氢气制造方法，其中通过开关位于连接在各个高压容器之间的纯水管路中的阀来转移纯水。
53.根据权利要求51所述的高压氢气制造方法，其中通过开关各个容器中的连接在连接相应高压容器的纯水管路上的阀来转移纯水。
54.根据权利要求53所述的高压氢气制造方法，其中各个阀在浸没在高压容器中的纯水中的状态下进行开关。
55.根据权利要求51所述的高压氢气制造方法，其中这些阀由位于连接各个高压容器的纯水管路中的压力控制器来自动开关。
56.根据权利要求49或50所述的高压氢气制造方法，其中控制储存在储存氢气的高压容器中的纯水的体积，使之大于储存氧气的高压容器中所储存的氧气的体积；并且控制储存在储存氧气的高压容器中的纯水的体积，使之大于储存氢气的高压容器中所储存的氢气的体积。
57.根据权利要求49或50所述的高压氢气制造方法，其中控制储存在储存氧气的高压容器中的氧气的体积，使之在储存氢气的高压容器中的氢气体积的4％范围之内。
58.根据权利要求44到47中任何一项所述的高压氢气制造方法，其中使用进行去离子处理后具有高电阻率，并且进行去泡沫后包含少量气泡的纯水进行电解。
59.根据权利要求58所述的高压氢气制造方法，其中使用进水泵和位于存储纯水的高压容器中的泵驱动电机从存储纯水的高压容器供应用于电解的纯水。
全文摘要
本发明提供了一种高压氢气制造系统及方法，其能够只通过电解水，甚至只利用由经常变化的天然能源(如阳光)所产生的电能，高效并安全地产生氢气，而不需使用任何压缩机。该系统包括使用高分子电解质膜的电解电池，特别地，具有特定结构的双极多层型电解电池位于用来储存所产生的氢气的容器中，最好位于用来在高压氢气环境下储存经冷却的氢气的容器中。利用压力差传感器和压力控制器抑制施加到该电池上的压力，使之低于该电池的耐压，来使用电解电池电解纯水产生氢气。
文档编号C25B9/06GK1514890SQ0380034
公开日2004年7月21日 申请日期2003年1月16日 优先权日2002年1月29日
发明者原田宙幸 申请人:三菱商事株式会社