JP3676282B2 - ガス発生装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水の電気分解を用いたガス発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水の電気分解（以下、「水電解」と記す）により、水素ガスと酸素ガスとを製造するガス発生装置は、高効率かつ無公害で水素ガス及び酸素ガスを製造することが可能である。特に、太陽光や風力などの自然エネルギーを用いれば、環境汚染物質を排出せずにガスの製造を行なうことが可能であり、環境に優しいガス発生装置とすることが出来る。
【０００３】
従来の技術でのガス発生装置では、一般に固体高分子電解質膜のような電解質膜と、その両面（表面及び裏面）に設けられた触媒層を有する負極及び正極からなるセルを単位とする。そして、ガス発生装置は、セルをセパレータにより挟んで水電解セルとし、それを積層した構造である水電解スタックを有する。
【０００４】
水電解は、セルの両端に電圧を印加すると共に純水を正極側に供給する。電気化学反応により、水が酸素イオンと水素イオンとに分解する。酸素イオンは、正極にて他の酸素イオンと結合し、酸素分子を生成する。そして、未反応の純水と共に水電解セルから送出される。また、水素イオンは、電解質中を移動し、負極にて同様に移動してきた水素イオンと結合し、水素分子を生成する。そして、電解質中を移動してきた純水と共に水電解セルから送出される。
【０００５】
水電解セルの電解質膜の設置の方向として、水平面に対して垂直に電解質膜を設置する場合と、水平面に対して平行に電解質膜を設置する場合とがある。
垂直に設置する場合には、水電解スタックの全ての水電解セルにかかる荷重が同じであり、生成したガスが上方に抜け易い。しかし、純水が、各水電解セルの下半分に溜まり易くセル全面で一様に水電解を行なわせるのは容易ではない。
一方、水平に設置する場合には、純水は、各水電解セルの全面に行き渡り、セル全面で一様に水電解を行なわせるのが容易である。しかし、水電解スタックの水電解セルにかかる荷重が下部ほど高く、また、生成したガスが電極近傍に残り易く、ガスの抜けが悪い。
【０００６】
水電解セルの電解質膜の設置の方向として、水平面に対して平行に電解質膜を設置する場合を考えると、水電解スタックの水電解セルにかかる荷重が下部ほど高いのは、セルの面積を大きくしスタックする水電解セルの数を減らすことや、セパレータの重量を低減することにより解決可能である。しかし、生成した負極側の水素ガスが電極近傍に残り易く、ガスの抜けが進まない点を解決する必要がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、水電解により発生する水素ガス及び酸素ガスを、特別な機器を用いることなく効果的に水電解スタックの外部へ送出することが可能なガス発生装置を提供することである。
【０００８】
また、本発明の別の目的は、水電解により発生する水素ガス及び酸素ガスを、低コストで水電解スタックの外部へ送出することが可能なガス発生装置を提供することである。
【０００９】
また、本発明の更に別の目的は、水電解により発生する水素ガス及び酸素ガスを、正極側及び負極側の差圧の発生を抑制しつつ、水電解スタックの外部へ送出することが可能なガス発生装置を提供することである。
【００１０】
また、本発明の更に別の目的は、水電解の効率を向上させることが可能なガス発生装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
以下に、［発明の実施の形態]で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明の実施の形態］との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【００１２】
従って、上記課題を解決するための本発明のガス発生装置は、水を電気分解して水素と酸素を製造する水電解部（１）と、前記水電解部（１）を水平面に対して傾きを有した状態で保持する保持部（１０２）とを具備する。
【００１３】
また、本発明のガス発生装置は、前記水電解部（１）が、固体高分子電解質膜（６）を用いたセル（３）と、前記セル（３）を挟むように積層されるセパレータ（２２）とを具備し、前記セパレータ（２２）は、一方の面に、前記水素と前記固体高分子電解質膜（６）を透過した前記水が通過する第１通路（４）を有し、前記水電解部（１）は、概ね前記第１通路（４）が走る方向に前記傾きを有する。
【００１４】
更に、本発明のガス発生装置は、前記水電解部（１）は、前記水電解部（１）の前記水素を送出する水素出口（１０）を更に具備し、前記水素出口（１０）は、前記傾きを有する前記水電解部（１）の高所側にある。
【００１５】
更に、本発明のガス発生装置は、前記セパレータ（２２）は、前記第１通路（４）を有する面の裏面に、前記酸素と前記水が通過する第２通路（５）を更に有し、前記第１通路（４）と前記第２通路（５）とが概ね平行である。
【００１６】
更に、本発明のガス発生装置は、前記水電解部（１）は、前記水電解部（１）の前記酸素を送出する酸素出口（１１）を更に具備し、前記酸素出口（１１）は、前記傾きを有する前記水電解部（１）の高所側にある。
【００１７】
更に、本発明のガス発生装置は、前記傾きの水平面からの角度θは、０°＜θ＜４５°である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明であるガス発生装置の実施の形態について、添付の図面を用いて説明する。本実施例において、水電解により製造した水素ガス及び酸素ガスを同時に同圧で貯蔵する装置を例に示して説明するが、他の電解質膜を用いる電気化学セルにおいても適用可能である。
【００１９】
本発明であるガス発生装置の実施の形態について説明する。
本発明であるガス発生装置の実施の形態における構成について、図１〜図４を参照して説明する。
図１は、ガス発生装置の実施の形態に関わる水電解部１の構成を示す図である。図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は側面図である。
ガス発生装置の水電解部１は、水電解スタック２、セル３、水入口９、水素／水出口１０、酸素／水出口１１、水供給部Ａ１６、水供給部Ｂ１７、水素／水送出部Ａ１８、水素／水送出部Ｂ１９、酸素／水送出部２０、酸素／水送出部２１、支持部Ａ１００、支持部Ｂ１０１、保持部１０２を具備する。また、図１（ｂ）のＨで示すラインは、水平面を示す。角度θは、水平面と水電解部１（の支持部Ａ１００、セル３など）とが成す角である。
【００２０】
本発明のガス発生装置では、その水電解部１に具備されるセルは、水平面に対して、ある角度θを成すように傾けて設置される。その傾きにより、セルにおいて発生するガスが傾きに沿って上方へ移動し易くなる。それにより、θ＝０とする従来の場合に起きていた、電極近傍のガスの滞留しガスが抜け難い、という事態を解消できる。そして、膜表面において水電解の妨げとなるガス滞留が無くなり、セルの電解質膜全体が水電解に使用され、水電解の効率を向上することが可能となる。
【００２１】
図１の各構成について、以下に説明する。
水電解部１は、電力と純水の供給を受けて、水電解（電気化学反応）により水素ガスと酸素ガスを２：１の割合で製造する。固体高分子電解質を用い、負極側で水素ガス、正極側で酸素ガスを発生する。水素ガス及び酸素ガス発生時は、固体高分子電解質及び触媒層での抵抗損等により、発熱する。水平面に対して、角度θだけ傾いている。詳細は後述する。
【００２２】
水電解スタック２は、水電解セルを複数個積層した構造を有する。支持体Ａ１００と支持体Ｂ１０１とに強く挟まれて、保持されている。ここで、水電解セルは、固体高分子電解質膜６（後述）を用いたセル３（後述）と、セル３を両側から挟むようにしてセル３と共に積層されるセパレータ２２（後述）とを具備する。
【００２３】
セル３は、電解質として固体高分子電解質膜６を用い、その一方の面に負極触媒層１４（後述）を含む負極１２（後述）を有し、反対の面に正極触媒層１５（後述）を含む正極１３（後述）を有する。正極−負極間に電力を投入され、且つ正極側に純水の供給を受けて、電気化学反応により正極側に酸素ガスを、負極側に水素ガスを発生させる。
【００２４】
水入口９は、純水を水電解部１へ供給するための供給口である。水入口９は、傾き（角度θ）を有する水電解部１の低所側にある。
水素出口としての水素／水出口１０は、水電解セル内で製造された水素ガスと、電気化学反応の際、正極側から負極側へ電解質を浸透した純水とを水電解スタック２から送出するための送出口である。水素／水出口１０は、傾き（角度θ）を有する水電解部１の高所側にある。
酸素出口としての酸素／水出口１１は、製造された酸素ガスと、電気化学反応の際、反応に使用されなかった残余の純水とを水電解スタック２から送出するための送出口である。酸素／水出口１１は、傾き（角度θ）を有する水電解部１の高所側にある。
【００２５】
水素／水送出部Ａ１８及び水素／水送出部Ｂ１９は、セル３で製造された水素ガスと、電気化学反応の際、正極側から負極側へ電解質を浸透した純水とを集め、水素／水出口１０へ送るための管を形成するセパレータ２２（後述）中の孔である。隣接するセル３からの水素ガスと純水も併せて送る。
酸素／水送出部２０及び酸素／水送出部２１は、セル３で製造された酸素ガスと、電気化学反応の際、反応に使用されなかった残余の純水とを集め、酸素／水出口１１へ送るための管を形成するセパレータ２２（後述）中の孔である。隣接するセル３からの酸素ガスと純水も併せて送る。
水供給部Ａ１６及び水供給部Ｂ１７は、水入口９から供給された純水を水電解スタック２中の各セル３へ分配、供給するための管を形成するセパレータ２２（後述）中の孔である。隣接するセル３へ供給する純水も併せて送る。
【００２６】
支持部Ａ１００及び支持部Ｂ１０１は、複数の水電解セルを有する水電解スタック２を一方の面とそれと対向する他方の面とで挟み、水電解スタック２を強く締め付けている治具である。図示しない締め付け治具を使用し、セル３の全面に出来るだけ等しい圧力がかかるようにする。全面に出来るだけ等しい圧力をかけることにより、膜全体に均一に電流が流れ、膜全体が等しく水電解に寄与することが可能となる。
【００２７】
保持部１０２は、支持部Ａ１００及び支持部Ｂ１０１で挟まれた水電解スタック２を一定の傾き（角度θ）で保持する楔形形状の治具である。ただし、このような形状の治具に限られるものではなく、水電解スタック２を一定の傾きに保持することが可能な機能を有しているものであれば良い。例えば、保持部１０２が無く、支持体Ａ１００が傾きを有していてもよい。
【００２８】
図１（ｂ）に示すように、本発明のガス発生装置に関わる水電解部１は、水平面Ｈと角度θを成して設置されている。一方、水電解部１は、セル３の固体高分子電解質膜６の面と、支持体Ａ１００の表面とが平行である。従って、セル３は、水平面Ｈに対して角度θだけ傾いている。純水は、図１（ｂ）で水電解スタック２の左方から供給される。そして、セル３で発生する水素ガス及び酸素ガスは、水電解スタック２の右方へ移動する。その際、負極及び正極では純水と各ガスが存在するが、この傾きと液体の純水との比重差により、右方（水素／水送出部Ａ１８及び水素／水送出部Ｂ１９、あるいは、酸素／水送出部２０及び酸素／水送出部２１）へ、移動し易くなる。すなわち、セル３のガス抜けが容易となる。
【００２９】
角度θの大きさの範囲としては、次のようになる。
セル３が、水平面Ｈから少しでも傾ければ、その効果が現れることから、下限は０度より大きい値であれば良い。その一方で、傾けすぎると、原料である純水が、各水電解セルの下部に溜まり易くなり、セル３全面で一様に水電解を行うことが困難になる。従って、上限は４５度となる。すなわち、０°＜θ＜４５°である。より好ましくは、５°＜θ＜３０°である。
【００３０】
図２を参照して、水電解セルについて説明する。
図２は、本発明のガス発生装置の実施の形態に関わる水電解セルの構成を示す図である。
水電解セルは、負極触媒層１４及び負極１２と固体高分子電解質膜６と正極触媒層１５及び正極１３とを有するセル３、負極溝４及び正極溝５を有するセパレータ２２の溝部７及び溝部８を具備する。
【００３１】
固体高分子電解質膜６は、電力の供給と正極側への純水の供給により生じる水電解の反応に電解質として寄与する固体高分子の膜である。例えば、フッ素系イオン交換膜であるパーフルオロスルホン酸膜（ｐｅｒｆｌｕｏｒｏｓｕｌｆｏｎｉｃ ａｃｉｄ ｍｅｍｂｒａｎｅ）である。本実施例では、ナフィオン膜（登録商標：Ｄｕ Ｐｏｎｔ社）を用いる。正極側では、純水が分解して水素イオンと酸素イオンを生成する。水素イオンは、固体高分子電解質膜６の中をＨ^＋＋ｎＨ_２Ｏの形で負極へ移動する。そして、負極側において、他の水素イオンと結合し、水素ガスとなる。正極では、酸素イオンが他の酸素イオンと結合し、酸素ガスとなる。
【００３２】
正極触媒層１５は、供給される純水を電気エネルギーを利用して酸素イオンと水素イオンとに分解するとともに、酸素イオン同士を結合させ酸素ガスを生成する。固体高分子電解質膜６と正極１３とを電気的に接続する機能も有する。
正極１３は、セパレータ２２の溝部８（後述）と正極触媒層１５（及び固体高分子電解質膜６）とを電気的に接続する導体である。
負極触媒層１４は、固体高分子電解質膜６を浸透してくる水素イオン同士を結合させ水素ガスを生成する。固体高分子電解質膜６と負極１２とを電気的に接続する機能も有する。
負極１２は、セパレータ２２の溝部７（後述）と負極触媒層１４（及び固体高分子電解質膜６）とを電気的に接続する導体である。また、溝部７を介して供給される純水を負極触媒層１４へ均一に分布を少なくして供給する機能を有する。
【００３３】
セパレータ２２（後述）の溝部７は、セパレータ２２における、純水や水素ガス、酸素ガスを通過させる機能とセル３同士を電気的に接合する機能とを有する部分である。一つのセパレータ２２は、一組の第１通路としての負極溝４（一方の面）及び第２通路としての正極溝５（その裏面）を有する。負極溝４と正極溝５の溝の走る方向は、概ね同一の方向（平行）である。すなわち、両面のガスは平行流である。各溝（凹部）を形成する凸部は、隣接するセル３同士を電気的に接続している。図２における溝部７の負極側は、生成された水素ガスと浸透した純水を、負極溝４に通す。
セパレータ２２の溝部８も、溝部７と同様である。図２では、セル３に対して正極側のセパレータ２２の溝部を溝部８とし、負極側の溝部を溝部７としている。図２における溝部８の正極側は、正極溝５に純水を通し、生成した酸素ガスと残余の純水を通す。
溝部７及び溝部８は、一つのセル３を挟むように、それぞれ正極側及び負極側に存在する。
【００３４】
セパレータ２２における溝の方向は、負極溝４（一方の面）及び正極溝５（その裏面）のどちらも同じ方向である。そして、本発明では、水電解スタックを、その溝の方向に傾ける。すなわち、図１において水入口９（水供給部Ａ１６及び水供給部Ｂ１７）のある側（溝の一端側）を相対的に低い位置にし、水素／水出口１０及び酸素／水出口１１（水素／水送出部Ａ１８、水素／水送出部Ｂ１９、酸素／水送出部２０及び酸素／水送出部２１）のある側（溝の他端側）を相対的に高い位置にする。それにより、導入された水が電気分解して発生するガスは、傾きを有する溝に沿って相対的に高い方向へ移動することになる。溝中に存在する流体は、ガスの他はほぼ純水であるので、ガスと純水との比重差から、ガスは容易に水平な溝中を水素／水出口１０及び酸素／水出口１１へ向けて移動することが出来る。
【００３５】
但し、負極溝４（一方の面）及び正極溝５（その裏面）の方向は、必ずしも全く同じ方向である必要は無い。それぞれの溝の方向が互いに成す角φの許容範囲は、０°≦φ≦４５°である。より好ましくは、０°≦φ≦１０°である。
また、上記φが概ね０°の場合でも、水電解スタックを両溝の方向（基準方向と記す）に傾ける際、左右にぶれても、その効果を得ることが出来る。その範囲は、基準方向を中心として±４５°である。
【００３６】
次に、図３を参照して、セパレータ２２について説明する。
図３は、本発明のガス発生装置の実施の形態に関わるセパレータの構成を示す図である。
セパレータ２２は、負極溝４を有する溝部７、正極溝５を有する溝部８、水供給部Ａ１６、水供給部Ｂ１７、水素／水送出部Ａ１８、水素／水送出部Ｂ１９、酸素／水送出部２０、酸素／水送出部２１、水供給ヘッダＡ２６、水供給ヘッダＢ２７、酸素／水ヘッダＡ２８、酸素／水ヘッダＢ２９、水素／水ヘッダＡ３０、水素／水ヘッダＢ３１を具備する。
【００３７】
セパレータ２２は、セル３同士を分離し、相互にガスが流通し無いようにする。そして、隣り合うセル３同士を電気的に接続する。一つのセル３を挟むように、それぞれ正極側及び負極側に存在する。
水供給ヘッダＡ２６及び水供給ヘッダＢ２７は、それぞれ水供給部Ａ１６及び水供給部Ｂ１７から供給される純水の一部をセル３に供給するために、純水を正極溝５へ導入する溝型の通路である。
酸素／水ヘッダＡ２８及び酸素／水ヘッダＢ２９は、セル３の正極側で生成された酸素ガス及び残余の純水を、それぞれ酸素／水送出部２０及び酸素／水送出部２１へ送出する溝型の通路である。
水素／水ヘッダＡ３０及び水素／水ヘッダＢ３１は、セル３の負極側で生成された水素ガス及び電解質を浸透した純水を、それぞれ水素／水送出部Ａ１８及び水素／水送出部Ｂ１９へ送出する溝型の通路である。
【００３８】
水電解部１の傾き（角度θ）により、水供給ヘッダＡ２６及び水供給ヘッダＢ２７の高さ（鉛直方向の位置）は、酸素／水ヘッダＡ２８、酸素／水ヘッダＢ２９、水素／水ヘッダＡ３０及び水素／水ヘッダＢ３１の高さ（鉛直方向の位置）に比較して、低い位置にある。従って、製造された水素ガス及び酸素ガスは、純水中において、その比重の違いから、相対的に高い位置にある酸素／水ヘッダＢ２９、水素／水ヘッダＡ３０及び水素／水ヘッダＢ３１へ容易に移動することが出来る。
【００３９】
なお、負極溝４を有する溝部７及び正極溝５を有する溝部８は、図２の説明の通りなので、その説明を省略する。
また、水供給部Ａ１６及び水供給部Ｂ１７、水素／水送出部Ａ１８及び水素／水送出部Ｂ１９、酸素／水送出部２０及び酸素／水送出部２１は、図１での説明の通りなので、その説明を省略する。
【００４０】
次に、図４を参照してガス発生装置について説明する。
図４は、本発明であるガス発生装置の実施の形態における構成を示している。ガス発生装置は、保持部１０２を有する水電解部１、水素貯蔵タンク４１、酸素貯蔵タンク４２、純水製造部４３、純水ポンプＡ４４、純水供給弁４５、循環水ポンプ４６、第１給水弁４７、第２給水弁４８、純水給水弁４９、純水ポンプＢ５０、第１排水弁Ａ５１、第２排水弁Ａ５２、第１排水弁Ｂ５３、第２排水弁Ｂ５４、酸素生成ラインＡ５５−１、酸素生成ラインＢ５５−２、酸素生成ラインＣ５５−３、水素生成ライン５６、第１排水ラインＡ５７−１、第１排水ラインＢ５７−２、第１排水ラインＣ５７−３、第２排水ラインＡ５８−１、第２排水ラインＢ５８−２、第２排水ラインＣ５８−３、給水ラインＡ５９−１、給水ラインＢ５９−２、給水ラインＣ５９−３、給水ラインＤ５９−４、給水ラインＥ５９−５、給水ラインＦ５９−６、純水供給ラインＡ６０−１、純水供給ラインＢ６０−２、純水供給ラインＣ６０−３、第１液面計６１、第２液面計６２、水素圧力計６３、酸素圧力計６４、純水導入ライン６５、制御部６６を具備する。
【００４１】
図４の各構成について、以下に説明する。
制御部６６は、水素圧力計６３からの出力である水素圧力測定値と、酸素圧力計６４からの出力である前記酸素圧力測定値とを継続的に監視する。そして、水素圧力測定値と酸素圧力測定値との間に差が発生した場合、その差を無くすように、第１排水弁５１、第２排水弁５２、第１給水弁４７及び第２給水弁４８の開閉を制御する。例えば、水素圧力測定値＞酸素圧力測定値の場合には、第１排水弁５１を開き、水素貯蔵タンク４１内の純水を適量排出して水素貯蔵タンク４１内を減圧する、あるいは、第２給水弁４８を開き、酸素貯蔵タンク４２内に外部から純水を適量供給して酸素貯蔵タンク４２内を昇圧することにより、両貯蔵タンク間の圧力の差を無くす。
また、第１液面計６１からの出力である第１水位と、第２液面計６２からの出力である第２水位とを継続的に監視する。そして、第１水位が、予め設定された第１水位の許容範囲である第１許容水位範囲にあるように、また、第２水位が、予め設定された第２水位の許容範囲である第２許容水位範囲にあるように、上述の圧力差を無くす制御を行なう。
【００４２】
保持部１０２を有する水電解部１は、既述の通りなので、その説明を省略する。
【００４３】
水素貯蔵タンク４１は、水電解部１により製造された水素ガスを貯蔵する。水電解の際、一部の原料水が固体高分子電解質を負極側へ浸透するため、その純水（第１純水）もまた、水素ガスと共に水素貯蔵タンク４１に貯蔵される。水電解で発生するガスの体積比が、水素ガス：酸素ガス＝２：１であることから、概ね、水素貯蔵タンク４１の容積：酸素貯蔵タンク４２の容積＝２：１とする。
第１液面計６１は、水素貯蔵タンク４１内に設置され、水素貯蔵タンク４１内の純水の水位を計測する。そして、計測結果である第１水位を、制御部６６へ出力する。
水素圧力計６３は、水素貯蔵タンク４１に設置され、水素貯蔵タンク４１内の気体の圧力を測定する。そして、測定結果である水素圧力測定値を、制御部６６へ出力する。
【００４４】
酸素貯蔵タンク４２は、水電解部１により製造された酸素ガスを貯蔵する。また、純水製造部４で製造された純水を、水電解の原料として貯蔵する。そして、水電解部１へ供給された原料水の内、水電解されなかった残余の純水（第２純水）もまた還流され、製造された酸素ガスと共に酸素貯蔵タンク３に貯蔵される。第２液面計６２は、酸素貯蔵タンク４２内に設置され、酸素貯蔵タンク４２内の純水の水位を計測する。そして、計測した計測結果である第２水位を、制御部６６へ出力する。
酸素圧力計６４は、酸素貯蔵タンク４２に設置され、酸素貯蔵タンク４２内の気体の圧力を測定する。そして、測定した測定結果である酸素圧力測定値を、制御部６６へ出力する。
循環水ポンプ４６は、酸素貯蔵タンク４２の純水を水電解部１へ送出する。
【００４５】
第１排水弁Ａ５１及び第１排水弁Ｂ５３は、水素貯蔵タンク４１内の圧力を低下させるために蓄積した純水を排出するための配管に設けられた弁である。制御部６６（後述）により、その開閉及び開度を制御される。
第２排水弁Ａ５２及び第２排水弁Ｂ５４は、酸素貯蔵タンク４２内の圧力を低下させるために蓄積した水を排出するための配管にもうけられた弁である。制御部６６（後述）により、その開閉及び開度を制御される。
【００４６】
純水製造部４３は、外部からの市水等の供給により、水電解の原料や、水素貯蔵タンク４１及び酸素貯蔵タンク４２の圧力調整等に使用される純水を製造する。また、圧力調整等のために水素貯蔵タンク４１及び酸素貯蔵タンク４２から送出される純水を受け入れる。給水タンクの機能も有する。
純水ポンプＡ４４は、純水製造部４３の純水を酸素貯蔵タンク４２へ供給する。常圧の純水を酸素貯蔵タンク４２の圧力に昇圧可能である。
純水供給弁４５は、純水ポンプＡ４４により酸素貯蔵タンク４２へ純水を供給する配管に設けられた弁である。
第１給水弁４７は、水素貯蔵タンク４１内の圧力を上昇させるために、水素貯蔵タンク４１へ純水を供給する配管（給水ライン５９）に設けられた弁である。制御部６６により、その開閉及び開度を制御される。
第２給水弁４８は、酸素貯蔵タンク４２内の圧力を上昇させるために、酸素貯蔵タンク４２へ純水を供給する配管（給水ライン５９）に設けられた弁である。制御部６６により、その開閉及び開度を制御される。
純水給水弁４９は、水素貯蔵タンク４１及び酸素貯蔵タンク４２へ純水を供給する配管（給水ライン５９）に設けられた弁である。制御部６６により、その開閉及び開度を制御される。
純水ポンプＢ５０は、水素貯蔵タンク４１及び酸素貯蔵タンク４２の圧力調整のため、純水製造部４３の純水を水素貯蔵タンク４１及び酸素貯蔵タンク４２へ送出する。
【００４７】
次に、上記各構成を接続する配管について説明する。
純水導入ライン６５は、外部の市水等の供給部から市水等を純水製造部４３へ供給する配管である。
純水供給ラインＡ６０−１〜純水供給ラインＣ６０−３は、純水製造部４３で製造された純水を酸素貯蔵タンク４２へ供給するための配管である。
純水供給ラインＡ６０−１は、一端部を純水製造部４３に、他端部を純水ポンプＡ４４に接続している。純水供給ラインＢ６０−２は、一端部を純水ポンプＡ４４に、他端部を純水供給弁４５に接続している。純水供給ラインＣ６０−３は、一端部を純水供給弁４５に、他端部を酸素貯蔵タンク４２に接続している。
【００４８】
酸素生成ラインＡ５５−１〜酸素生成ラインＣ５５−３は、水電解に必要な純水を酸素貯蔵タンク４２から水電解部１へ供給し、生成した酸素ガスと残余の純水を酸素貯蔵タンク４２へ還流するための配管である。酸素生成ラインＡ５５−１は、一端部を酸素貯蔵タンク４２に、他端部を循環水ポンプ４６に接続している。酸素生成ラインＢ５５−２は、一端部を循環水ポンプ４６に、他端部を水電解部１に接続している。酸素生成ラインＣ５５−３は、一端部を水電解部１に、他端部を酸素貯蔵タンク４２に接続している。
水素生成ライン５６は、水電解で製造された水素ガス及び電解質を浸透した純水を水素貯蔵タンク４１へ供給するための配管である。一端部を水電解部１に、他端部を水素貯蔵タンク４１に接続している。
【００４９】
第１排水ラインＡ５７−１〜第１排水ラインＣ５７−３は、水素貯蔵タンク４１の純水を外部へ排出するための配管である。第１排水ラインＡ５７−１は、一端部を水素貯蔵タンク４１に、他端部を第１排水弁Ａ５１に接続している。第１排水ラインＢ５７−２は、一端部を第１排水弁５１に、他端部を第１排水弁Ｂ５３に接続している。第１排水ラインＣ５７−３は、一端部を第１排水弁Ｂ５３に、他端部を純水製造部４３に接続している。
第２排水ラインＡ５８−１〜第２排水ラインＣ５８−３は、酸素貯蔵タンク４２の純水を外部へ排出するための配管である。第２排水ラインＡ５８−１は、一端部を酸素貯蔵タンク４２に、他端部を第２排水弁Ａ５２に接続している。第２排水ラインＢ５８−２は、一端部を第２排水弁Ａ５２に、他端部を第２排水弁Ｂ５４に接続している。第２排水ラインＣ５８−３は、一端部を第２排水弁Ｂ５４に、他端部を純水製造部４３に接続している。
【００５０】
給水ラインＡ５９−１〜給水ラインＦ５９−６は、純水製造部４３の純水を、水素貯蔵タンク４１又は酸素貯蔵タンク４２へ供給するための配管である。
給水ラインＡ５９−１は、一端部を水素貯蔵タンク４１に、他端部を第１給水弁４７に接続している。給水ラインＢ５９−２は、一端部を第１給水弁４７に、他端部を純水ポンプＢ５０に接続している。給水ラインＣ５９−３は、一端部を酸素貯蔵タンク４２に、他端部を第２給水弁４８に接続している。給水ラインＤ５９−４は、一端部を第２給水弁４８に、他端部を給水ラインＢ５９−２の途中に接続している。給水ラインＥ５９−５は、一端部を純水ポンプＢ５０に、他端部を純水給水弁４９に接続している。給水ラインＦ５９−６は、一端部を純水給水弁４９に、他端部を純水製造部４３に接続している。
【００５１】
次に、本発明のガス発生装置の実施の形態における動作について、図面を参照して説明する。
図４において、ガス発生装置の運転中、すなわち水電解中において、水電解部１は、酸素貯蔵タンク４２より純水を供給されている。そして、水電解部１は、電源により電力を投入され、水電解により負極側に水素ガス、正極側に酸素ガスを製造する。負極側では、製造された水素ガスと電解質を浸透して来た純水とは、水電解部１から送出され、水素貯蔵タンク４１に貯蔵される。また、正極側では、製造された酸素ガスと水電解されなかった純水とが水電解部１から送出され、酸素貯蔵タンク４２に貯蔵される。
【００５２】
図１において、水電解部１に供給された純水は、水入口９を経由して水電解スタック２に入る。そして、各セパレータ２２で構成された水供給部Ａ１６及び水供給部Ｂ１７−各セパレータ２２の水供給ヘッダＡ２６及び水供給ヘッダＢ２７を経由で、各セル３へ供給される。
各セル３上において水電解が行なわれ水素ガス及び酸素ガスが製造される。負極側の水素ガス及び負極側に浸透した純水は、傾斜した負極溝４をその溝に沿って斜め上方へ進み、水素／水ヘッダＡ３０及び水素／水ヘッダＢ３１−水素／水送出部Ａ１８及び水素／水送出部Ｂ１９経由で、水素／水出口１０から送出される。正極側の酸素ガス及び水電解されなかった残余の純水は、傾斜した正極溝５をその溝に沿って斜め上方へ進み、酸素／水ヘッダＡ２８及び酸素／水ヘッダＢ２９−酸素／水送出部２０及び酸素／水送出部２１経由で、酸素／水出口１１から送出される。
【００５３】
この時、水電解部１が水平面Ｈに対して、ある角度θだけ傾斜して設置されているので、製造された酸素ガス及び水素ガスは、各セル３の各電極周辺に滞留することが無く、速やかに各溝を、その溝に沿って斜め上方へ進むことになる。従って、各ガスが水電解の妨げになることが無くなり、各セルの固体高分子電解質膜６の全体で均質に水電解が可能となる。電解質が無駄にならず、効率の改善を図ることも可能となる。
【００５４】
また、ガスが速やか、且つスムーズに水電解部１の外へ送出されるので、圧力の変化が急激にならず、連続的になる。従って、圧力変化に対応した制御を行なう場合、制御が容易になり信頼性を向上させることが出来る。
【００５５】
一方、水電解中に負極側に浸透する水の量が一定しないなどの理由により、水素貯蔵タンク４１の圧力（水電解部１の負極側と同圧）と、酸素貯蔵タンク４２の圧力（水電解部１の正極側と同圧）とは、同じ値になるとは限らない。それをそのまま放置すると、負極側と正極側との圧力差が大きくなり、水電解部１の固体高分子電解質膜が破損することになる。
【００５６】
これを回避するために、制御部６６は、以下の制御を行なう。
ただし、第１許容水位範囲は、水素貯蔵タンク４１内に存在が許容される純水の上限量と下限量とから求められる水位の範囲である。純水量が多過ぎると水素ガスの貯蔵量が少なくなり過ぎ、純水量が少なすぎると水素ガスの圧力調整が困難になる（出来るだけ純水の排水により圧力調整を行なうことが望ましい）ために設定される。制御部６６の図示しない記憶部に保持される。
第２許容水位範囲は、酸素貯蔵タンク４２内に存在が許容される純水の上限量と下限量とから求められる水位の範囲である。制御部６６の図示しない記憶部に保持される。趣旨は第１許容水位範囲と同様である。
また、許容し得る水素圧力測定値と酸素圧力測定値との差を示す予め設定された基準値Ｄは、使用する固体高分子電解質の膜の強度に基づいて決定する。すなわち、基準値Ｄで示される圧力差が膜に生じても、膜が損傷しない最大の圧力である。ただし、安全率を考慮し、それ以下の値に設定する場合もある。例えば、膜が損傷しない最大の圧力差の１／２に基準値Ｄを設定する。
【００５７】
制御部６６の水素貯蔵タンク４１と酸素貯蔵タンク４２との差圧を無くす制御を説明する。
（１）ステップ１：制御部６６は、水素圧力計からの出力である水素圧力測定値（Ａ）と、酸素圧力計からの出力である酸素圧力測定値（Ｂ）とを継続的に取得する。
（２）ステップ２：制御部６６は、水素圧力測定値（Ａ）と酸素圧力測定値（Ｂ）との差（Ｃ＝Ａ−Ｂ）を計算する。そして、予め設定された基準値Ｄ（例えば、Ｄ＝０．０１気圧）に対して、Ｃ＞Ｄの場合、ステップ３へ進む。Ｃ＜−Ｄの場合、ステップ８へ進む。｜Ｃ｜≦Ｄの場合、ステップ１３へ進む。
（３）ステップ３：制御部６６は、水素圧力測定値（Ａ）が大き過ぎることから、（ａ）第１排水弁５１を開き水素貯蔵タンク４１の純水を抜く、（ｂ）第２給水弁４８を開き酸素貯蔵タンク４２へ純水を供給する、（ｅ）水素ガスを排出する（供給量を増やす）のいずれかを行う。ただし、（ｅ）（水素ガスを排出する方法）は、水素の使用量や貯蔵機器（例えばバッファタンク）の有無に依存するため、通常、（ａ）（純水を抜く方法）を優先させる。そのために、第１水位が第１許容水位範囲にあるかどうかを確認する。第１許容水位範囲内であればステップ４へ進む。第１許容水位範囲内でなければステップ５へ進む。
（４）ステップ４：制御部６６は、水素圧力測定値（Ａ）が大き過ぎることから、上記（ａ）（純水を抜く方法）を行なうことにより、その圧力を低下させる。そして、ステップ１へ戻る。
（５）ステップ５：制御部６６は、第１排水弁５１の閉止を確認する。開いている場合には、閉止する。ステップ６へ進む。
（６）ステップ６：制御部６６は、第１水位が第１許容水位範囲に無いので、（ｂ）（純水を供給する方法）を行なうために、まず、第２水位が第２許容水位範囲にあるかどうかを確認する。第２許容水位範囲内であればステップ７へ進む。第２許容水位範囲内でなければステップ１５へ進む。
（７）ステップ７：制御部６６は、水素圧力測定値（Ａ）が大き過ぎることから、（ｂ）（純水を供給する方法）を行なうことにより、その圧力Ｐ２を上昇させる。そして、ステップ１へ戻る。
（８）ステップ８：制御部６６は、酸素圧力測定値（Ｂ）が大き過ぎることから、（ｃ）第２排水弁５２を開き酸素貯蔵タンク４２の純水を抜く、（ｄ）第１給水弁４７を開き水素貯蔵タンク４１へ純水を供給する、（ｆ）酸素ガスを排出する（排出量を増やすのいずれかを行う。但し、（ｆ）（酸素ガスを排出する方法）は、酸素の使用量や貯蔵機器（例えばバッファタンク）の有無に依存するため、通常、（ｃ）（純水を抜く方法）を優先させる。そのために、第２水位が第２許容水位範囲にあるかどうかを確認する。第２許容水位範囲内であればステップ９へ進む。第２許容水位範囲内でなければステップ１０へ進む。
（９）ステップ９：制御部６６は、酸素圧力測定値（Ｂ）が大きいことから、（ｃ）（純水を抜く方法）を行うことにより、その圧力を低下させる。そして、ステップ１へ戻る。
（１０）ステップ１０：制御部６６は、第２排水弁５２の閉止を確認する。開いている場合には、閉止する。ステップ１１へ進む。
（１１）ステップ１１：制御部は、第２水位が第２許容水位範囲に無いので、（ｄ）（純水を供給する方法）を行なうために、まず、第１水位が第１許容水位範囲にあるかどうかを確認する。第１許容水位範囲内であればステップ１２へ進む。第１許容水位範囲内でなければステップ１５へ進む。
（１２）ステップ１２：制御部６６は、酸素圧力測定値（Ｂ）が大き過ぎることから、（ｄ）（純水を供給する方法）を行なうことにより、その圧力Ｐ１を上昇させる。そして、ステップ１へ戻る。
（１３）ステップ１３：制御部６６は、水素圧力測定値（Ａ）と酸素圧力測定値（Ｂ）との間の圧力差の絶対値が、基準値Ｄ以下であることから、圧力を調整する必要無しと判断する。第１排水弁５１、第２排水弁５２、第１給水弁４７及び第２給水弁４８の内、開いている弁があれば閉止する。ステップ１４へ進む。
（１４）ステップ１４：制御部６６は、水電解部１において、水電解が継続中かどうかを確認する。水電解が継続中の場合には、ステップ１へ戻る。水電解が終了している場合には、圧力制御を終了する。
（１５）ステップ１５：制御部は、第１水位が第１許容水位範囲に無く、且つ第２水位が第２許容水位範囲に無いため、水量の増減では圧力の制御を行なうことが不可能であると判断し、（ｅ）もしくは（ｆ）のガスを排出する方法が適用できない場合は全ての弁（第１排水弁５１、第２排水弁５２、第１給水弁４７４８及び第２給水弁）を閉止する。ステップ１６へ進む。（ｅ）もしくは（ｆ）のガスを排出する方法が適用できる場合は、ガスの排出にて圧力を基準値に戻す。
（１６）ステップ１６：警報を出力し、運転者あるいは管理者等へ知らせる。また、必要に応じて、水電解の運転を停止する。
【００５８】
排水の場合、制御部６６は、排水弁の開度を小さくし、圧力測定値の値の変化を確認しながら排水する。両貯蔵タンク内の圧力は常圧以上であり、排水弁が開くと自然に排水される。また、給水の場合、制御部６６は、給水弁の開度を小さくし、圧力測定値の値の変化を確認しながら純水ポンプＢ５０により給水する。両貯蔵タンク内の圧力は常圧以上であり、その圧力以上に純水を昇圧して給水を行なう。
そして、水素圧力測定値と酸素圧力測定値との間の圧力差の絶対値が基準値Ｄ以下になった時点で、排水弁又は給水弁を閉止する。これにより、圧力計、液面計、排水弁及び給水弁で圧力差の制御を行うことが出来る。
【００５９】
本発明のガス発生装置では、水電解部１を傾けた状態で運転するので、製造したガスの移動がスムーズとなる。従って、ガスが水電解の邪魔にならず、水電解部１のガス製造能力を最大限発揮させることが可能となる。
【００６０】
本発明のガス発生装置では、排水による圧力制御だけではなく、給水による圧力制御を行なうことも可能なので、純水不足による圧力制御不能の事態が発生する危険性がほとんど無い。従って、長期間安定的に純水だけによる圧力制御を行なうことが可能となる。
【００６１】
本発明のガス発生装置では、基準値Ｄの値を変化させることにより、固体高分子電解質の膜の強度に併せた制御が可能となる。強い膜を使用するのであれば基準値Ｄを大きくすることにより圧力制御がより容易となる。基準値Ｄは、図示しない制御部６６内の記憶部に保持される。
【００６２】
また、本発明のガス発生装置における水素貯蔵タンク４１及び酸素貯蔵タンク４２の純水（液相）のレベルを制御することにより、水素側と酸素側との圧力差を制御することが可能となる。従って、製造した水素ガス及び酸素ガスを無駄にせず、有効に使用することが出来る。
【００６３】
【発明の効果】
本発明により、水電解により発生する水素ガス及び酸素ガスを、特別な機器を用いることなく効果的に水電解スタックの外部へ送出することができ、正極側及び負極側の差圧の発生を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）本発明のガス発生装置の実施の形態に関わる水電界部の構成を示す平面である。
（ｂ）本発明のガス発生装置の実施の形態に関わる水電界部の構成を示す側面図である。
【図２】（ａ）本発明のガス発生装置の実施の形態に関わる水電解セルの構成を示す斜投射図である。
（ｂ）本発明のガス発生装置の実施の形態に関わる水電解セルの構成を示す断面図である。
【図３】本発明のガス発生装置の実施の形態に関わる水電界セルのセパレータの構成を示す図である。
【図４】本発明のガス発生装置のの実施の形態の構成を示す図である。
【符号の説明】
１ 水電解部
２ 水電解スタック２
３ セル
４ 負極溝４
５ 正極溝５
６ 固体高分子電解質膜
７ 溝部
８ 溝部
９ 水入口
１０ 水素／水出口
１１ 酸素／水出口
１２ 負極
１３ 正極
１４ 負極触媒層
１５ 正極触媒層
１６ 水供給部Ａ
１７ 水供給部Ｂ
１８ 水素／水送出部Ａ
１９ 水素／水送出部Ｂ
２０ 酸素／水送出部
２１ 酸素／水送出部
２２ セパレータ
２６ 水供給ヘッダＡ
２７ 水供給ヘッダＢ
２８ 酸素／水ヘッダＡ
２９ 酸素／水ヘッダＢ
３０ 水素／水ヘッダＡ
３１ 水素／水ヘッダＢ
４１ 水素貯蔵タンク
４２ 酸素貯蔵タンク
４３ 純水製造部
４４ 純水ポンプＡ
４５ 純水供給弁
４６ 循環水ポンプ
４７ 第１給水弁
４８ 第２給水弁
４９ 純水給水弁
５０ 純水ポンプＢ
５１ 第１排水弁Ａ
５２ 第２排水弁Ａ
５３ 第１排水弁Ｂ
５４ 第２排水弁Ｂ
５５−１ 酸素生成ラインＡ
５５−２ 酸素生成ラインＢ
５５−３ 酸素生成ラインＣ
５６ 水素生成ライン
５７−１ 第１排水ラインＡ
５７−２ 第１排水ラインＢ
５７−３ 第１排水ラインＣ
５８−１ 第２排水ラインＡ
５８−２ 第２排水ラインＢ
５８−３ 第２排水ラインＣ
５９−１ 給水ラインＡ
５９−２ 給水ラインＢ
５９−３ 給水ラインＣ
５９−４ 給水ラインＤ
５９−５ 給水ラインＥ
５９−６ 給水ラインＦ
６０−１ 純水供給ラインＡ
６０−２ 純水供給ラインＢ
６０−３ 純水供給ラインＣ
６１ 第１液面計
６２ 第２液面計
６３ 水素圧力計
６４ 酸素圧力計
６５ 純水導入ライン
６６ 制御部
１００ 支持部Ａ
１０１ 支持部Ｂ
１０２ 保持部

Claims (5)

1. 水を電気分解して水素と酸素を製造する水電解部と、
   前記水電解部を水平面に対して傾きを有した状態で保持する保持部と
   を具備し、
   前記水電解部は、
   固体高分子電解質膜を用いたセルと、
   前記セルを挟むように積層されるセパレータと
   を備え、
   前記水素を送出する水素出口と前記酸素を送出する酸素出口とを有し、
   前記セパレータは、
   一方の面に、前記水素と前記固体高分子電解質膜を透過した水が通過する第１通路を有し、
   他方の面に、前記酸素と前記水が通過する第２通路を有し、
   前記水電解部は、概ね前記第１通路と前記第２通路とが走る方向に前記傾きを有し、
   前記水素出口及び前記酸素出口は、前記傾きを有する前記水電解部の高所側にあり、
   前記第１通路の方向と前記第２通路とは所定の角度範囲で交わる
   ガス発生装置。
2. 前記所定の角度φの範囲は、０°≦φ≦４５°である
   請求項１に記載のガス発生装置。
3. 前記第１通路の方向と前記第２通路の方向とが概ね平行である
   請求項２に記載のガス発生装置。
4. 前記傾きの水平面からの角度θは、０°＜θ＜４５°である
   請求項１乃至３のいずれか一項に記載のガス発生装置。
5. 前記セルは、陽極が下面側に、陰極が上面側にある
   請求項１乃至４のいずれか一項に記載のガス発生装置。

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