可制造高压氢的罐式发电装置以及燃料电池车辆的制作方法

本发明涉及一种可制造高压氢的罐式发电装置以及燃料电池车辆。

背景技术：

现有的燃料电池车辆一边在氢站等补充燃料电池用的氢来替代汽油或轻油等，一边行驶。相对于这样的现有型燃料电池车辆，本发明人开发了一种可制造氢的高压氢罐，其不需要氢站，通过装载于燃料电池车辆，就能够在车辆内部制造高压氢并供给给燃料电池(例如，参照专利文献1)。

即，专利文献1记载的可制造氢的高压氢罐具有：可在内部存储高压流体的罐主体、将罐主体的内部分隔为两个区间的分隔部件、供水单元、电解单元以及控制单元，罐主体在一个区间具有供水口和排出口，在另一个区间具有排气口，分隔部件至少在一部分上具有与各区间相接的固体高分子电解质膜，并具有闭塞单元，所述闭塞单元构成为，在另一个区间的内部压力变得比一个区间的内部压力高时，利用其压力差工作，从而闭塞排出口，供水单元设置为，能够从供水口向一个区间以规定压力供给水，电解单元设置为，在固体高分子电解质膜的两面中，在与一个区间相接的面上具有阳极，在与另一个区间相接的面上具有阴极，能够一边通过供水单元向一个区间供给水，一边在阳极与阴极之间外加电压进行电解，以在另一个区间存储氢气，控制单元构成为，在另一个区间的内部压力变高而成为预先设定的设定压力时，停止电解单元的电解以及利用供水单元的水的供给。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第5685748号公报

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

但是，专利文献1记载的可制造氢的高压氢罐需要在阴极使用铂催化剂，会变得与燃料电池相同程度地昂贵。因此，在装载于燃料电池车辆时，与燃料电池合起来，至少需要燃料电池的2倍左右的费用，存在车辆的制造成本增高的问题。

本发明着眼于上述技术问题而完成，其目的在于，提供一种可制造高压氢的罐式发电装置以及燃料电池车辆，所述可制造高压氢的罐式发电装置能够装载于燃料电池车辆等来制造高压氢，并且利用该氢进行发电，不需要另外的燃料电池，能够抑制车辆的制造成本。

(二)技术方案

本发明人通过改良专利文献1记载的可制造氢的高压氢罐而开发了一种装置，用一台该装置来制造高压氢，并且还能够利用该氢进行发电，从而完成了本发明。

即，本发明的可制造高压氢的罐式发电装置的特征在于，具有：罐主体，其可在内部存储高压流体；分隔部件，其将所述罐主体的内部分隔为两个区间；供给单元；电解发电单元；以及控制单元，所述罐主体在一个区间具有第一开口和第二开口，所述一个区间由流路的内部空间形成，所述流路的内部空间从所述第一开口起，在所述罐主体的内部循环，至所述第二开口，另一个区间由所述罐主体内部的所述流路的外部空间形成，所述分隔部件由所述流路的外壁形成，至少在一部分上具有多个与各区间相接的固体高分子电解质膜，并具有闭塞单元，所述闭塞单元构成为，在所述另一个区间的内部压力变得比所述一个区间的内部压力高时，利用其压力差工作，从而闭塞所述第二开口，所述供给单元设置为，能够从所述第一开口向所述一个区间以规定压力供给水，并且，能够从所述第二开口向所述一个区间以比所述另一个区间的内部压力高的压力供给具有氧的气体，并构成为切换供给所述水和所述具有氧的气体，所述流路配置为，在通过所述供给单元从所述第一开口供给所述水时，所述水在各固体高分子电解质膜的位置从下向上流动，所述电解发电单元设置为，在所述固体高分子电解质膜的两面分别具有电极，在通过所述供给单元向所述一个区间供给所述水时，能够在各电极之间外加电压从而电解，以在所述另一个区间存储氢气，并且，在通过所述供给单元向所述一个区间供给所述具有氧的气体时，能够使该气体与所述另一个区间的所述氢气反应，从而发电，所述控制单元构成为，在通过所述电解发电单元的电解，使得所述另一个区间的内部压力变高而成为预先设定的设定压力时，停止所述电解发电单元的电解和利用所述供给单元的所述水的供给。

本发明的可制造高压氢的罐式发电装置通过利用供给单元切换水和具有氧的气体来向一个区间供给，从而能够利用电解发电单元切换进行电解和发电。在利用电解发电单元电解时，能够利用专利文献1记载的可制造氢的高压氢罐的原理，在另一个区间存储设定压力的氢气。并且，在利用电解发电单元发电时，通过使利用供给单元向一个区间供给的气体中的氧与通过电解而存储在另一个区间的氢反应，能够产生电和水。

这样，本发明的可制造高压氢的罐式发电装置能够在电解时制造高压氢，并在发电时利用该氢，从而能够以一台实现氢的制造装置和燃料电池这两个作用。因此，通过装载于燃料电池车辆等，能够利用通过电解发电单元发电的电力行驶，不需要另外的燃料电池，能够抑制车辆的制造成本。

本发明的可制造高压氢的罐式发电装置通过提高利用供给单元供给的水的压力和控制单元的设定压力，能够得到更高压的氢气。另外，为了使控制单元发挥作用，优选供给单元供给的水的压力比控制单元的设定压力高。

在本发明的可制造高压氢的罐式发电装置中，由供给单元向一个区间供给的水不限于纯水，也可以是自来水、河水、海水等。另外，由供给单元向一个区间供给的具有氧的气体可以是具有氧的任意气体，也可以是仅由氧构成的氧气、空气。分隔部件可以一部分由固体高分子电解质膜形成，也可以整体由固体高分子电解质膜形成。闭塞单元只要构成为利用压力差工作来闭塞第二开口即可，可以是任意的结构。

本发明的可制造高压氢的罐式发电装置可以任意设定流路的形状，即一个区间的形状。另外，通过研究流路的形状，能够在罐主体的内部以彼此空出间隙重合的方式配置多张固体高分子电解质膜。由此，能够增加固体高分子电解质膜的总表面积，能够提高基于电解的氢气的产生效率和发电效率。

此外，本发明的可制造高压氢的罐式发电装置在电解时，能够用由供给单元供给的水切实地浸渍各固体高分子电解质膜。另外，在发电时，能够在各固体高分子电解质膜的位置使通过氧与氢的反应所产生的水沿着由供给单元供给的具有氧的气体的流动，向流路的下方流动。另外，能够抵抗闭塞单元地从第二开口供给具有氧的气体。

此外，本发明的可制造高压氢的罐式发电装置优选地，例如，具有转换单元和排出管，所述供给单元具有用于供给所述水和所述具有氧的气体的供给管，所述转换单元构成为，在通过所述供给单元供给所述水时，将所述供给管与所述第一开口连接，并且将所述排出管与所述第二开口连接，在通过所述供给单元供给所述具有氧的气体时，将所述供给管与所述第二开口连接，并且将所述排出管与所述第一开口连接。在该情况下，能够通过转换单元容易地切换供给管和排出管的连接位置。

此外，在该情况下，也可以具有涡轮，所述涡轮以能够利用从所述排出管排出的液体以及/或者气体发电的方式设置于所述排出管。在该情况下，能够利用电解后的排水、发电后的排气等的流动，通过涡轮进行发电，能够提高装置整体的发电效率。

在本发明的可制造高压氢的罐式发电装置中，也可以是，所述供给单元设置为，将所述具有氧的气体以高于1个大气压的压力向所述一个区间供给，所述电解发电单元构成为，在通过所述供给单元向所述一个区间供给所述具有氧的气体时，在将所述另一个区间的氢气维持在高于1个大气压的压力的状态下，使所述具有氧的气体与所述氢气反应，从而发电。在该情况下，在发电时，罐主体的内部变成高压，水的沸点上升，因此能够在高温下发电，能够提高发电效率。

本发明的可制造高压氢的罐式发电装置也可以具有氢存储罐，所述罐主体在所述另一个区间具有排气口，所述氢存储罐构成为，与所述排气口连接，从而与所述另一个区间连通，能够存储通过所述电解发电单元的电解而存储在所述另一个区间的所述氢气，并且能够将所存储的所述氢气向所述另一个区间供给。在该情况下，利用氢存储罐能够增加由电解产生的高压氢气的存储量。因此，在装载于燃料电池车辆时，能够延长其行驶距离。

本发明的燃料电池车辆的特征在于，其构成为，装载本发明的可制造高压氢的罐式发电装置，并能够利用所述电解发电单元发电的电力行驶。

本发明的燃料电池车辆由于装载有本发明的可制造高压氢的罐式发电装置，因此不需要罐的转载、高压氢的填充等操作，能够在罐主体的内部制造高压氢，并且利用该氢发电从而行驶。因此，不需要另外的燃料电池，能够抑制制造成本。本发明的燃料电池车辆能够在家庭中停车时仅通过连接电源和供水软管，就廉价地制造填充高压氢。因此，不需要氢站等填充设施，能够降低高压氢的供给成本。

(三)有益效果

根据本发明，能够提供一种可制造高压氢的罐式发电装置以及燃料电池车辆，所述可制造高压氢的罐式发电装置能够装载于燃料电池车辆等来制造高压氢，并且利用该氢进行发电，不需要另外的燃料电池，能够抑制车辆的制造成本。

附图说明

图1是示出本发明的实施方式的可制造高压氢的罐式发电装置的纵向剖视图。

图2是图1所示的可制造高压氢的罐式发电装置沿罐主体的a-a’线的剖视图。

具体实施方式

以下，基于附图对本发明的实施方式进行说明。

图1和图2示出本发明的实施方式的可制造高压氢的罐式发电装置。

如图1和图2所示，可制造高压氢的罐式发电装置10具有罐主体11、分隔部件12、供给单元13、排出管14、转换单元15、电解发电单元16、控制单元17、涡轮18、排气管19以及氢存储罐(未图示)。

罐主体11形成如下形状：圆筒的一端侧的开口由平板盖11a覆盖，另一端侧的开口由圆顶状盖11b覆盖，该罐主体11构成为可在内部存储高压流体。罐主体以圆筒部分成为横向的方式设置，在平板盖11a上具有第一开口21和第二开口22，在圆顶状盖11b上具有排气口23。

分隔部件12由流路的外壁形成，所述流路从第一开口21起，在罐主体11的内部循环，至第二开口22。分隔部件12将罐主体11的内部分隔为如下两个区间：由流路形成的一个区间24，以及由罐主体11内部的流路的外部空间形成的另一个区间25。一个区间24的流路配置为，从第一开口21向罐主体11内部的上部延伸，并在此处分支成多个支路，各个支路彼此空出间隔，在罐主体11的内部从上向下延伸，并在罐主体11内部的下部再次合流成一路，到达第二开口22。此外，如图2所示，一个区间24的流路中，在罐主体11的内部从上向下延伸的部分形成为向罐主体11内部的左右方向扩散的平面状。在图2所示的具体的一个例子中形成为，该平面部的形状为矩形状，在其侧边与罐主体11的内壁之间空出间隙。

分隔部件12与流路的各分支对应地，具有多个固体高分子电解质膜26。各固体高分子电解质膜26以与一个区间24(流路)和另一个区间25(流路的外部)相接的方式，设置于各分支在罐主体11的内部从上向下延伸的平面状部分的一个表面。在图1所示的具体的一个例子中，固体高分子电解质膜26为2片。另外，分隔部件12在第一开口21以及第二开口22的连接位置分别具有闭塞单元27a、27b。各闭塞单元27a、27b由压力调节阀形成，其构成为，在另一个区间25(流路的外部)的内部压力变得比一个区间24(流路)的内部压力高时，利用其压力差工作，从而分别闭塞第一开口21和第二开口22。

供给单元13构成为切换供给水和具有氧的气体，并具有用于供给它们的供给管28。供给单元13在供给管28上具有高压泵29，以能够施加压力供给水和具有氧的气体。转换单元15由流路转换阀形成，与供给管28、排出管14、第一开口21、第二开口22连接。转换单元15构成为，在通过供给单元13供给水时，将供给管28与第一开口21连接，并且将排出管14与第二开口22连接。此外，转换单元15构成为，在通过供给单元13供给具有氧的气体时，将供给管28与第二开口22连接，并且将排出管14与第一开口21连接。

由此，供给单元13能够从第一开口21向一个区间24以任意压力供给水，并且，能够从第二开口22向一个区间24以任意压力供给具有氧的气体。另外，由此，在通过供给单元13从第一开口21供给水时，该水在各固体高分子电解质膜26的位置从下向上流动，在通过供给单元13从第二开口22供给具有氧的气体时，该气体在各固体高分子电解质膜26的位置从上向下流动。

电解发电单元16在固体高分子电解质膜26的两面分别具有电极30a、30b。电解发电单元16在通过供给单元13向一个区间24供给水时，能够在各电极30a、30b之间外加电压从而电解，以在另一个区间25存储氢气。另外，电解发电单元16在通过供给单元13向一个区间24供给具有氧的气体时，能够使该气体与另一个区间25的氢气发生反应从而发电。此外，另一个区间25侧的电极30a由铂电极形成。

控制单元17具有：控制器31，其配置在罐主体11的平板盖11a的外侧面，具有电力供给功能；测量管32，其与另一个区间25连通；安全阀33，其安装于测量管32；以及氢气传感器34，其安装于测量管32的安全阀33的下游侧。控制器31与电解发电单元16的各电极30a、30b连接，能够根据电解和发电在各电极30a、30b之间外加电压。另外，控制器31也与高压泵29连接，能够向高压泵29供给电力。

安全阀33构成为，在测量管32的内部压力即另一个区间25的内部压力低于预先设定的设定压力时，关闭测量管32，在通过电解发电单元16的电解，另一个区间25的内部压力变高而成为设定压力时，打开测量管32。此外，设定压力设定成比由供给单元13供给的水的压力低的压力。氢气传感器34构成为，在通过安全阀33打开测量管32，检测到氢气从另一个区间25排出时，向控制器31发送检测信号。

控制单元17构成为，在接收到来自氢气传感器34的检测信号时，即在另一个区间25的内部压力变高而成为设定压力时，通过停止控制器31向电解发电单元16和高压泵29的电力供给，来停止电解发电单元16的电解以及利用供给单元13的水的供给。

涡轮18以能够利用从排出管14排出的液体以及/或者气体发电的方式设置于排出管14的末端。排气管19与罐主体11的排气口23连接，并与另一个区间25连通。排气管19具有可调节在内部流动的气体的流向以及其流量的流量调节阀35。氢存储罐与排气管19连接，从而与另一个区间25连通。氢存储罐构成为，通过调节流量调节阀35，能够存储通过电解发电单元16的电解而存储在另一个区间25的氢气，并且能够将所存储的氢气向另一个区间25供给。

下面，对作用进行说明。

可制造高压氢的罐式发电装置10通过利用供给单元13来切换水和具有氧的气体来向一个区间24供给，从而能够利用电解发电单元16切换进行电解和发电。在利用电解发电单元16电解时，首先，一边利用供给单元13向一个区间24供给水，一边利用电解发电单元16进行电解。由此产生的氧气向一个区间24释放，氢离子透过固体高分子电解质膜26向另一个区间25侧移动而成为氢气，并向另一个区间25释放。

虽然通过电解，氢气逐渐存储在另一个区间25、氢存储罐中使得压力上升，但由于供给单元13以比安全阀33的设定压力高的压力向一个区间24供给水，因此，在供给水的期间，一个区间24的内部压力比另一个区间25的内部压力高，第二开口22没有闭塞而打开。因此，向一个区间24的内部释放的氧气、供给的水从第二开口22向外部排出。另外，即使另一个区间25的氢气的压力上升，通过持续流过电流，根据法拉第电解定律，也能够与压力无关地制造氢气。

若氢气存储使得另一个区间25和氢存储罐的内部压力成为安全阀33的设定压力，则通过控制单元17停止电解发电单元16的电解和利用供给单元13的水的供给。由此，由于一个区间24的内部压力下降，因此另一个区间25的内部压力变得比一个区间24的内部压力高，第二开口22由闭塞单元27b堵塞。由此，能够防止从第二开口22排出的氧气、水逆流。此外，由于安全阀33打开，因此另一个区间25内部的氢气通过安全阀33排气。由此，若另一个区间25的内部压力比设定压力低，则安全阀33再次关闭，另一个区间25和氢存储罐密闭。这样，能够在另一个区间25和氢存储罐中存储设定压力的氢气。

另外，在利用电解发电单元16发电时，首先，利用供给单元13向一个区间24供给具有氧的气体。此时，为了抵抗闭塞单元27b地向一个区间24供给气体，以比另一个区间25的内部压力高的压力从第二开口22供给具有氧的气体。通过使供给到一个区间24的气体中的氧与通过电解而存储于另一个区间25的氢反应，电流在各电极30a、30b之间流动产生电。另外，与此同时，氧与氢结合也产生水。

这样，可制造高压氢的罐式发电装置10能够在电解时制造高压氢，并在发电时利用该氢，从而能够以一台实现氢的制造装置和燃料电池这两个作用。因此，通过装载于燃料电池车辆等，能够利用通过电解发电单元16发电的电力行驶，不需要另外的燃料电池，能够抑制车辆的制造成本。此外，在转换发电和电解时，转换单元15、电解发电单元16、高压泵29等的设定优选利用控制单元17自动切换。

可制造高压氢的罐式发电装置10通过提高利用供给单元13供给的水的压力和控制单元17的设定压力，能够得到更高压的氢气。另外，由于以彼此空出间隙重合的方式配置多张固体高分子电解质膜26，因此与固体高分子电解质膜26为1张时相比，能够增加其总表面积，能够提高基于电解的氢气的产生效率和发电效率。

可制造高压氢的罐式发电装置10在电解时，由于在各固体高分子电解质膜26的位置，由供给单元13供给的水从下向上流动，因此能够将各固体高分子电解质膜26切实地浸渍于水中。另外，在发电时，由于在各固体高分子电解质膜26的位置，由供给单元13供给的气体从上向下流动，因此能够使通过氧与氢的反应所产生的水沿着由供给单元13供给的气体的流动，向流路的下方流动。

可制造高压氢的罐式发电装置10通过将由供给单元13向一个区间24供给的水、具有氧的气体的压力调节为各闭塞单元27a、27b的压力调节阀打开程度的压力，能够将该压力与存储于另一个区间25的氢气的压力保持为大致相同的压力，因此能够防止固体高分子电解质膜26破损。

可制造高压氢的罐式发电装置10通过设置于排出管14的涡轮18，能够利用电解后的排水、发电后的排气等的流动进行发电，能够提高装置整体的发电效率。

可制造高压氢的罐式发电装置10能够利用氢存储罐增加由电解产生的高压氢气的存储量。因此，若装载于燃料电池车辆，则能够延长其行驶距离。另外，通过在流量调节阀35关闭的状态下发电，或借助于安全阀33释放氢气，能够降低另一个区间25的氢气的压力。这样，在使另一个区间25的氢气的压力降低后，能够一边通过流量调节阀35将氢气压力保持恒定，一边进行发电。此时，能够使由供给单元13供给的气体为低压，因此能够降低高压泵29的能源消耗。另外，通过供给大量的气体，还能够防止发电时过热。

在可制造高压氢的罐式发电装置10中，由供给单元13向一个区间24供给的水不限于纯水，也可以是自来水、河水、海水等。另外，由供给单元13向一个区间24供给的具有氧的气体可以是具有氧的任意气体，也可以是仅由氧构成的氧气、空气。

另外，可制造高压氢的罐式发电装置10在发电时，也可以以高于1个大气压的压力使具有氧的气体与氢气反应。具体来说，也可以通过供给单元13将具有氧的气体以高于1个大气压的压力向一个区间24供给，并在将另一个区间25的氢气维持在高于1个大气压的压力的状态下，通过电解发电单元16使具有氧的气体与氢气反应，从而发电。在该情况下，在发电时，罐主体11的内部变成高压，水的沸点上升。例如，在5个大气压下，即使在150℃下，也能够使固体高分子电解质膜26的水分不会气化。因此，能够在高温下发电，能够通过提高离子导电性来提高发电效率。另外，此时，由供给单元13供给的气体因发电时的发热而膨胀，因此排出管14的涡轮18高效地旋转，能够提高发电效率。

另外，在可制造高压氢的罐式发电装置10中，由供给单元13供给的水，除了因电解而消耗以外，还存在随着氢离子的移动，通过固体高分子电解质膜26，向另一个区间25浸透的部分。因此，在使用自来水时，为了防止因自来水的杂质浓缩引起的故障，优选供给电解所需要的水量的几倍程度。另外，为了排出存储在另一个区间25的底部的水，优选测量管32以与另一个区间25的底部相接的方式配置。

可制造高压氢的罐式发电装置10既可以独立使用，也可以装载于燃料电池车辆使用。在装载于燃料电池车辆时，不需要罐的转载、高压氢的填充等操作，能够在罐主体11的内部制造高压氢，并且利用该氢发电从而行驶。因此，不需要另外的燃料电池，能够抑制制造成本。另外，能够在燃料电池车辆在家庭中停车时，仅通过连接电源和供水软管，就廉价地制造填充高压氢。因此，不需要氢站等填充设施，能够降低高压氢的供给成本。

附图标记说明

10：可制造高压氢的罐式发电装置；

11：罐主体；

11a：平板盖；

11b：圆顶状盖；

21：第一开口；

22：第二开口；

23：排气口；

12：分隔部件；

24：一个区间；

25：另一个区间；

26：固体高分子电解质膜；

27a、27b：闭塞单元；

13：供给单元；

28：供给管；

29：高压泵；

14：排出管；

15：转换单元；

16：电解发电单元；

30a、30b：电极；

17：控制单元；

31：控制器；

32：测量管；

33：安全阀；

34：氢气传感器；

18：涡轮；

19：排气管；

35：流量调节阀。