JP2002038289A

JP2002038289A - 水素・酸素供給システム

Info

Publication number: JP2002038289A
Application number: JP2000225675A
Authority: JP
Inventors: Jun Hirose; 潤廣瀬; Shinichi Yasui; 信一安井; Hiroko Kobayashi; 宏子小林; Shinji Miyazawa; 慎二宮澤; Teruyuki Morioka; 輝行森岡; Suetaka Nakao; 末貴中尾; Masaru Hosomi; 優細見; Masahiro Kamimura; 全弘上村
Original assignee: Shinko Pantec Co Ltd
Current assignee: Shinko Pantec Co Ltd
Priority date: 2000-07-26
Filing date: 2000-07-26
Publication date: 2002-02-06

Abstract

(57)【要約】【課題】固体電解質膜にて生成され供給されるガス品
質の低下を防止等するために、適宜監視手段等を設け
て、必要に応じてアラーム等を発すべく構成された水素
・酸素供給システムを提供することを課題とする。【解決手段】固体電解質膜によって陽極側と陰極側と
に隔離された電解セル（１）を有し、電解セル（１）の
陽極側に純水を供給して陰極側にて水素が生成され、陽
極側にて酸素が生成されており、水素および酸素の少な
くとも一方が使用箇所に供給可能に構成された水素・酸
素供給システムにおいて、水素を供給するための水素ガ
ス供給配管部（２１）と、酸素を供給するための酸素ガ
ス供給配管部（３１）とが設けられており、酸素ガス供
給配管部（３１）に水素ガス検出手段（３４）が設けら
れたことを特徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、純水を電気分解し
て水素ガスおよび酸素ガスを発生させる水電解装置に関
し、詳しくは、水電解装置を用いて構成された水素・酸
素供給システムに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】水素・酸素供給システムを構成する水電
解装置としては、電解質の役割を果たす部材として固体
電解質膜を備えた電解セルを用いたものが、従来から知
られている。

【０００３】従来技術に係る電解セルは、固体高分子電
解質膜の両面に電極触媒層（陽極側および陰極側触媒
層）が設けられた固体高分子電解質膜／電極接合体膜
（以下、「固体電解質膜」という。）と、この固体電解
質膜を挟持すべく設けられた電極板（陽極側および陰極
側電極板）と、固体電解質膜と電極板との間に設けられ
た給電体（陽極側および陰極側給電体）等を用いて構成
されている。

【０００４】上記従来技術に係る電解セルにおいては、
陽極側に純水を供給して、電極板に対して通電すること
により、主に陽極側触媒層で純水が分解され、酸素ガス
が発生することとなる。そして、酸素ガスと同時に生成
されたＨ⁺イオンは、電場の働きによって固体電解質膜
内を移動するため、陰極側触媒層においては電子を得
て、水素ガスが発生することとなる。

【０００５】すなわち、従来技術においては、上述した
電解セル、電解セルに通電するための制御手段、電解セ
ル（の陽極側）に純水を供給するために設けられた純水
タンク、電解セルで生成された水素ガスを貯留する水素
分離タンク、およびこれらの各要素を接続する配管部等
を用いて、水素・酸素供給システムが構成されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術に係る水素・酸素供給システムにおいては、電解
セルを構成する固体電解質膜が非常に薄く柔らかい部材
であるため、システムの運転状態、あるいはガス供給量
の変動（すなわち、ガス供給量の変動に基づく生成ガス
量の変動）等が生じると、固体電解質膜によってガス生
成を適切に行うことが困難となる（所定の性能を発揮で
きなくなる）。また、上述したようにデリケートな部材
たる固体電解質膜に対して、ストレスが生じる（固体電
解質膜に供給される電流値が急変する、あるいは固体電
解質膜の両面に対して必要以上の圧力差が生じると、所
定の性能を発揮できないばかりか、係るストレス等によ
って、固体電解質膜が破損したり（ピンホール等が発生
したり）、システム全体に不具合が生ずることもある。

【０００７】すなわち、従来技術に係る水素・酸素供給
システムにおいては、種々の原因に起因して、生成ガス
の品質低下や、固体電解質膜の破損等が生じると共に、
場合によっては、システム全体の動きに不具合が生ずる
という問題があった。

【０００８】そこで、本発明は、上記従来技術に係る問
題を解決するためになされたものであって、固体電解質
膜にて生成され供給されるガス品質の低下等を防止する
ために、あるいはシステム全体の動きを効果的に維持す
るために、適宜監視手段等を設けて、必要に応じてアラ
ーム等を発すべく構成された水素・酸素供給システムを
提供することを課題とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】すなわち、上記課題を解
決するための本発明は、固体電解質膜によって陽極側と
陰極側とに隔離された電解セルを有し、前記電解セルに
純水を供給して前記陰極側にて水素が生成され、前記陽
極側にて酸素が生成されており、前記水素および酸素の
少なくとも一方が使用箇所に供給可能に構成された水素
・酸素供給システムにおいて、前記水素を供給するため
の水素ガス供給配管部と、前記酸素を供給するための酸
素ガス供給配管部とが設けられており、前記酸素ガス供
給配管部に水素ガス検出手段が設けられたことを特徴と
している。

【００１０】本発明に係る水素・酸素供給システムによ
れば、前記酸素ガス供給配管部に前記水素ガス検出手段
を設けることによって、前記酸素中における前記水素の
混入量または濃度等を検知することが可能となる。した
がって、本発明に係る水素・酸素供給システムによれ
ば、前記水素ガス検出手段において前記水素混入量（濃
度）の変動等を監視することによって、前記固体電解質
膜におけるピンホールの発生等を検知することが可能と
なり、生成ガスの品質の低下を防止等することができ
る。なお、ここでは、前記水素ガス検出手段にて前記酸
素中の水素を検知した後の制御等は特に示さなかった
が、必要に応じて、適宜アラームを発生するための警報
手段等を設けてもよい。さらに、ここでは、水素を主に
使用する場合における構成（すなわち、高純度の水素を
得るために酸素中の水素濃度を監視する構成）について
説明したが、本発明は、この構成に限定されるものでは
なく、酸素を主に使用する場合においては、上述した構
成と同様の思想に基づいて、高純度の酸素を得るために
水素中の酸素濃度を監視する構成としてもよい。

【００１１】また、本発明に係る水素・酸素供給システ
ムにおいては、前記陰極側が前記陽極側よりも高い圧力
に設定されている構成が好ましい。

【００１２】この好ましい構成においては、前記電解セ
ル内の前記陰極側（水素ガス発生側）は、前記陽極側
（酸素ガス生成側）よりも高い圧力となるべく構成され
ているため、前記固体電解質膜にピンホール等が発生す
れば、直ちに前記陰極側から前記陽極側に対して前記水
素が混入し、前記水素が混入した前記酸素が、前記酸素
ガス供給配管部を介して供給されることとなる。したが
って、この好ましい構成によれば、前記固体電解質膜に
ピンホール等が発生した場合においては、係る破損（ピ
ンホール等）を早期に発見することが可能となるので、
システムの保守管理を効果的に行うことができる。な
お、上述した構成は、水素を主に使用する場合のもので
あって、酸素を主に使用する場合においては、前記陽極
側が前記陰極側よりも高い圧力に設定されている構成が
好ましい。このような構成とすれば、効果的に、水素中
の酸素濃度を監視することが可能となる。

【００１３】さらに、上記課題を解決するための本発明
は、固体電解質膜によって陽極側と陰極側とに隔離され
た電解セルを有し、前記電解セルに純水を供給して前記
陰極側にて水素が生成され、前記陽極側にて酸素が生成
されており、前記水素および酸素の少なくとも一方が使
用箇所に供給可能に構成された水素・酸素供給システム
において、前記水素を搬送し得る水素ガス搬送配管部を
用いて、前記電解セルと、前記水素を貯留可能に構成さ
れた水素分離タンクとが接続され、前記水素ガス搬送配
管部および前記水素分離タンクを介して、前記電解セル
で生成された前記水素が供給されるべく構成されてお
り、前記水素ガス搬送配管部には、水素ガス搬送バルブ
と、前記水素ガス搬送バルブを迂回すべく形成されたバ
イパス配管部とが設けられ、前記バイパス配管部には逆
止弁が設けられており、前記バイパス配管部に対して所
定の圧力が作用した場合に、前記電解セルから前記水素
分離タンクに対して前記水素を流通させるべく前記逆止
弁が開放されることを特徴としている。

【００１４】本発明に係る水素・酸素供給システムにお
いては、前記逆止弁は、所定値以上の圧力が作用した場
合にのみ開放されるため、通常は、前記逆止弁が設けら
れた前記バイパス配管部においては、前記電解セルから
前記水素分離タンクに対して、前記水素は流通しない。
すなわち、本発明においては、所定値以上の圧力が作用
したときに、はじめて前記逆止弁が開放されて、前記バ
イパス配管部を介して、前記電解セルから前記水素分離
タンクに対して前記水素が流通することとなる。したが
って、本発明に係る水素・酸素供給システムによれば、
前記水素ガス搬送バルブに何らかの不具合が生じて、前
記水素が前記水素ガス搬送配管部中を流通し得ない状態
となったとしても、上述したように、前記バイパス配管
部に所定値以上の圧力が作用した場合には、前記逆止弁
を介して、前記水素の搬送が行われることとなる。よっ
て、本発明によれば、前記水素ガス搬送バルブに不具合
が生じたとしても、その際の圧力が前記電解セルに逆流
する前に、前記逆止弁が開いて、前記水素ガス搬送配管
部、前記バイパス配管部、および前記逆止弁を介して、
前記水素を適切に流通させることが可能となるので、前
記電解セルを構成する前記固体電解質膜の破損等を効果
的に防止し、延いては、システム全体の適切な運転状態
を効果的に維持することができる。

【００１５】また、上記課題を解決するための本発明
は、固体電解質膜によって陽極側と陰極側とに隔離され
た電解セルを有し、前記電解セルに純水を供給して前記
陰極側にて水素が生成され、前記陽極側にて酸素が生成
されており、前記水素および酸素の少なくとも一方が使
用箇所に供給可能に構成された水素・酸素供給システム
において、前記水素を搬送し得る水素ガス搬送配管部を
用いて、前記電解セルと、前記水素を貯留可能に構成さ
れた水素分離タンクとが接続され、前記水素分離タンク
中の純水を前記電解セル側に循環させ得るべく、前記水
素分離タンクには純水戻り配管部が接続されており、前
記純水戻り配管部には、水素放出配管部を有したガスス
クラバが設けられていることを特徴としている。

【００１６】本発明に係る水素・酸素供給システムによ
れば、水素圧力下で戻り純水中に溶存している水素ガス
を一旦ガススクラバにて大気圧に開放することによっ
て、安全に系外に放出し、その後、純水タンク（補給水
タンク）に戻すことができる。したがって、純水タンク
（補給水タンク）内において、戻り純水からの溶存水素
の放出を防止し、純水タンク（補給水タンク）内の空気
と水素との混合を防ぐことが可能となる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて、本発明の
実施の形態を説明する。

【００１８】図１は、本発明の実施形態に係る水素・酸
素供給システムの概略的な系統図を示したものである。
本実施形態に係る水素・酸素供給システムは、電解セル
を用いて構成された水電解装置１を中心として、この水
電解装置１に純水を供給するための純水タンク３、およ
び水電解装置１にて発生された水素を貯留して供給する
ための水素分離タンク４等を用いて構成されている。以
下、さらに詳細に説明する。

【００１９】本実施形態に係る水素・酸素供給システム
においては、水電解装置１を備えた酸素分離タンク（電
解タンク）２に対して、純水を供給すべく、純水供給配
管部５を介して純水タンク３が接続されている。また、
純水供給配管部５には、純水タンク３に貯留された純水
を電解タンク２に補給（供給）すべく、補給水ポンプ６
が設けられている。純水タンク３には、純水タンク３内
の純水貯留量を検知する純水タンク水位計３Ｌが設けら
れており、この純水タンク水位計３Ｌで得られた検知信
号は、純水タンク３に純水を供給すべく設けられた純水
供給部の純水供給バルブ３Ａに送られる。そして、純水
タンク３内の純水貯留量は、純水タンク水位計３Ｌの検
知信号に基づいて、純水供給バルブ３Ａを調整すること
により、適宜制御される。電解タンク２内には、電解タ
ンク２内の純水貯留量を検知する電解タンク水位計２Ｌ
が設けられており、この電解タンク水位計２Ｌで得られ
た検知信号は、補給水ポンプに送られる。そして、電解
タンク２内の純水貯留量は、電解タンク水位計２Ｌの検
知信号に基づいて、補給水ポンプ６の駆動状態を適宜調
整することによって制御される。

【００２０】また、電解タンク２には、電解タンク２内
の純水を循環して再利用すべく、純水循環配管部７が設
けられており、この純水循環配管部７は、電解タンク２
内の純水を電解タンク２外に取り出した後に、再び、水
電解装置１（を構成する電解セル）の純水供給孔（後述
する）に供給可能であるように、配管構成されている。
そして、この純水循環配管部７には、純水を循環させる
ための循環水ポンプ８、純水の熱交換を行うため（純水
の温度を低下させるため）の熱交換器９、純水の純度を
高めるためのポリシャ（ｐｏｌｉｓｈｅｒ）１０、およ
び純水の濾過等を行うためのフィルタ１１等が設けられ
ている。ポリシャ１０としては、例えば、イオン交換樹
脂等から成る非再生ポリシャが用いられる。さらに、こ
の純水循環配管部７には、純水循環配管部７中の純水の
水質（電気伝導度）を監視して、必要な場合（所定の電
気伝導度（例えば、０．２μＳ／ｃｍ）を超えた場合
等）には警報を発する水質警報手段１２、および純水循
環配管部７中の純水の温度を監視して、必要な場合（所
定の温度範囲（例えば、４０〜４５℃）を超えた場合
等）には警報を発する水温警報手段１３が設けられてい
る。また、この純水循環配管部７を循環される純水は、
酸素ガスを溶存した純水であるため、純水中から純水循
環配管部７中に溶存酸素が排出される場合がある。この
ように、酸素ガスが排出されると、純水循環配管部７に
設けられている循環水ポンプ８、ポリシャ１０、あるい
はフィルタ１１等に酸素ガスが溜まり、係る酸素ガスが
純水の循環に不具合を生じさせるおそれがある。そこ
で、本実施形態においては、循環水ポンプ８、ポリシャ
１０、およびフィルタ１１の少なくともいずれかの箇所
にガス抜きが設けられている。

【００２１】電解タンク２内の水電解装置１にて生成さ
れた水素ガスは、若干の純水と共に、水素ガス搬送配管
部１４を介して、水素分離タンク４に送られる。この水
素ガス搬送配管部１４には、水素ガス搬送バルブ１８が
設けられると共に、水素ガス搬送配管部１４上の水素ガ
ス搬送バルブ１８を迂回すべく、バイパス配管部１９が
設けられている。そして、このバイパス配管部１９に
は、逆止弁２０が設けられている。

【００２２】水素分離タンク４には、水素分離タンク４
内の純水貯留量を検知する水素分離タンク水位計４Ｌが
設けられており、この水素分離タンク水位計４Ｌで得ら
れた検知信号は、水素分離タンク４から純水タンク３に
対して純水を戻すべく（純水を排出して再利用すべく）
設けられた純水戻り配管部１５の純水排出バルブ４Ａに
送られる。そして、水素分離タンク水位計４Ｌにて、水
素分離タンク４内に所定量以上の純水が貯留されている
と判断されれば、水素分離タンク水位計４Ｌの検知信号
に基づいて、純水排出バルブ４Ａを調整することによ
り、適宜、水素分離タンク４内の純水貯留量が制御され
ることとなる。また、純水戻り配管部１５内を流通する
純水は、若干ではあるが、水素を溶存している。そこ
で、本実施形態においては、純水戻り配管部１５にガス
スクラバ１６を配し、このガススクラバ１６には水素放
出配管部１７が接続されている。したがって、本実施形
態においては、水素分離タンク４から排出される純水に
溶存している水素が、適当に除去されることとなる。

【００２３】水素分離タンク４に貯留されている水素ガ
スは、水素ガスの使用箇所（図示省略）に対して、水素
ガス供給配管部２１を介して搬送供給される。そして、
この水素ガス供給配管部２１には、水素ガスの供給量を
調整する水素ガス供給バルブ２２と、水素ガスを除湿す
るための水素ガス除湿手段２３と、水素ガスの流量を定
格流量に維持するための水素ガス流量制御手段２４とが
設けられている。この水素ガス流量制御手段２４は、水
素ガス供給バルブ２２を介して水素ガス供給配管部２１
を流通している水素ガスの流量を検知する流量検知手段
２４Ａと、この流量検知手段２４Ａで得られた検知信号
に基づいて制御可能な定格流量制御バルブ２４Ｂとを用
いて構成されている。ここで、水素ガス除湿手段２３
は、例えば、中空糸膜等を用いて構成されている。そし
て、この水素ガス除湿手段２３においては、中空糸膜の
内部に水素ガスを流通させ、中空糸膜の外部に乾燥空気
を流通させることによって、水素ガスの除湿を行ってい
る。なお、図１には特に示していないが、より高純度
（例えば７Ｎ（９９．９９９９９）以上）の水素ガスを
得ようとする場合には、水素ガス除湿手段２３の後流
側、または水素ガス除湿手段の換わりに、ゼオライト、
活性アルミナ等のモレキュラシーブを用いて構成された
精製器を設ける構成が好ましい。本実施形態は、中空糸
膜等を用いた水素ガス除湿手段２３（あるいは精製器）
によって水素ガスの除湿を行う構成であるので、従来技
術において必要であったパラジウム精製器等を用いる必
要がなくなる。また、水素ガス供給バルブ２２は、後述
すべく、水素分離タンク４の圧力とに基づいて制御され
る。このために、水素分離タンク４には、第一の圧力検
知手段２５が設けられている。

【００２４】さらに、水素分離タンク４には、第一のリ
リーフ弁２６を有する第一のリリーフ配管部２７が設け
られている。そして、この第一のリリーフ弁２６は、後
述すべく、電解タンク２の圧力と、水素分離タンク４の
圧力とに基づいて制御されるように構成されている。

【００２５】また、電解タンク２内の水電解装置１にて
生成された酸素ガスは、電解タンク２の上部に貯留さ
れ、酸素ガスの使用箇所（図示省略）に対して、酸素ガ
ス供給配管部３１を介して搬送供給される。そして、こ
の酸素ガス供給配管部３１には、酸素ガスの供給量を調
整する酸素ガス供給バルブ３２と、酸素ガスを除湿する
ための酸素ガス除湿手段３３と、酸素ガス供給配管部３
１を流通している酸素ガス中の水素濃度を検出するため
の水素ガス検出手段３４とが設けられている。ここで、
酸素ガス供給バルブ３２は、後述すべく、電解タンク２
の圧力と、水素分離タンク４の圧力とに基づいて制御さ
れる。このために、電解タンク２には、第二の圧力検知
手段３５が設けられている。また、酸素ガス除湿手段３
３は、例えば、中空糸膜等を用いて構成されている。そ
して、この酸素ガス除湿手段３３においては、中空糸膜
の内部に酸素ガスを流通させ、中空糸膜の外部に乾燥空
気を流通させることによって、酸素ガスの除湿を行って
いる。

【００２６】さらに、電解タンク２には、第二のリリー
フ弁３６を有する第二のリリーフ配管部３７が設けられ
ている。そして、この第二のリリーフ弁３６は、後述す
べく、電解タンク２の圧力と、水素分離タンク４の圧力
とに基づいて制御されるように構成されている。

【００２７】また、本実施形態においては、第一の圧力
検知手段２５の検知値と第二の圧力検知手段３５の検知
値とを比較して、所定の信号を種々のバルブ２２，２
６，３２，３６に送り得る差圧検知手段４５が設けられ
ている。さらに、本実施形態においては、第一の圧力検
知手段２５からの圧力検知信号を受けて、水電解装置１
に対して適切な電流を供給する電流値制御手段２８が設
けられている。

【００２８】以上のように、本実施形態に係る水素・酸
素供給システムは、水電解装置１を用いて構成されてお
り、この水電解装置１は、純水と所定の電流とを供給す
ることによって水素および酸素を生じさせ得る、電解セ
ルを用いて構成されている。次に、この電解セルの構造
を図面に基づいて説明する。

【００２９】図２は、図１に係る水素・酸素供給システ
ムを構成する水電解装置を成す電解セルの一例の概略図
を示したものであり、図２（ａ）は電解セルの平面図を
示し、図２（ｂ）は図２（ａ）の一部を断面にしたＩ−
Ｉ線矢視の側面図を示している。また、図３は、図２
（ａ）のII−II線断面のうちの要部を示す断面図であ
る。また、図４は、図２（ａ）のIII−III線断面のうち
の要部を示す断面図である。また、図５は、本実施形態
に係る電解セルを構成する電極板ユニットの分解斜視図
を示したものである。本実施形態においては、この図５
に示した電極板ユニットと固体電解質膜等とを用いて電
解セルが構成されている。

【００３０】図２〜図４に示す電解セル１は、固体高分
子電解質膜の両面に電極触媒層（陽極側および陰極側触
媒層）が設けられた固体電解質膜１０２と電極板ユニッ
ト１０３とを複数積層して構成されている。すなわち、
固体電解質膜１０２を電極板ユニット１０３にて挟持す
るように、固体電解質膜１０２と電極板ユニット１０３
とを所定数積層して構成されている。そして、固体電解
質膜１０２および電極板ユニット１０３が、両端側のそ
れぞれに設けられた端板１２２で挟持され、締付ボルト
１２３によって締め付けられることによって電解セル１
が構成されている。

【００３１】また、本実施形態に係る電解セル１におい
ては、締付ボルト１２３に対し複数の皿バネ１２５を介
してナット１２４が取り付けられている。そして、電解
セルの組立時においては、固体電解質膜１０２および電
極板ユニット１０３等を積層した後に、プレス機で締め
付けた状態で、締付ボルト１２３等による締め付けが行
われている。

【００３２】電極板ユニット１０３は、チタン板製の電
極板１０４の両面側に、多孔質給電体１０５とスペーサ
１０６とシール部材１０７等とが配設して構成されてい
る。また、後述すべく、スペーサ１０６等には、発生し
た酸素ガスを取り出すために用いられる酸素用孔１１
３、発生した水素ガスを取り出すために用いられる水素
用孔１１４、電気分解に供される純水を供給するために
用いられる純水用孔１１５，１１６が形成されている。

【００３３】次に、図５を用いて、電極板１０４および
その周辺の構造を詳細に説明する。

【００３４】電極板１０４は、その内方部分たる板部分
１０４ａと、この板部分１０４ａの外周部に設けられた
周縁部１０４ｂ等とから形成されいる。また、この板部
分１０４ａと周縁部１０４ｂとの間には、外方側突条１
１２ａおよび内方側突条１１２ｂが形成されいている。
すなわち、周縁部１０４ｂの内方縁に沿って、シール部
材１０７用の溝１１１が屈曲によって形成されている。
この溝１１１の外方側および内方側は溝１１１に沿った
突条１１２ａ，１１２ｂとなるように屈曲されている。
また、電極板１０４は、チタン板を型プレスによって成
形することにより得ることができる。さらに、電極板ユ
ニット１０３を積層したときに接触する（および接触す
るおそれがある）電極板１０４の所定部分には、電気的
絶縁のためのコーティングが施されている。例えば、シ
ール部材用溝１１１の底部にはテフロン（登録商標）
（ポリテトラフルオロエチレン）のコーティングが施さ
れている。

【００３５】電極板１０４の両面側には、その中央部に
それぞれ多孔質給電体１０５（Ａ），１０５（Ｃ）が配
置され、多孔質給電体１０５の両側にスペーサ１０６が
それぞれ配置されている。また、このスペーサ１０６
は、内方側突条１１２ｂの存在により、下面側のスペー
サ１０６ｃ，１０６ｄの方が上面側のスペーサ１０６
ａ，１０６ｂよりも大きく形成されている。

【００３６】そして、内方側突条１１２ｂの裏側（下面
側）のデッドスペースには環状のスペーサ１０６ｅが嵌
着されている。電極板１０４およびスペーサ１０６に
は、対応する位置に流体通路孔（酸素用孔１１３、水素
用孔１１４、純水用孔１１５，１１６）が穿設されてい
る。具体的には、図３、図４、および図５に示すべく、
電極板１０４の左方のスペーサ１０６ａ，１０６ｃおよ
び対応する電極板１０４の所定位置に穿設されているは
酸素用孔１１３および水素用孔１１４であり、右方のス
ペーサ１０６ｂ，１０６ｄおよび対応する電極板１０４
の所定位置に穿設されているのは純水用孔１１５，１１
６である。

【００３７】図３、図４、および図５においては、電極
板１０４の上面側のスペースが水素発生室Ｃとなり、下
面側のスペースが酸素発生室Ａとなる。そして、電極板
１０４に屈曲によって形成された溝１１１には、これら
の水素発生室Ｃと酸素発生室Ａとを外部からシールする
ためのシール部材１０７が嵌着される。

【００３８】また、図３、図４、および図５に示すよう
に、電極板１０４の上面左方のスペーサ１０６ａの下面
における酸素用孔１１３の周囲にはＯリング溝１１７が
形成されており、水素用孔１１４から多孔質給電体に対
向する縁まで水素用溝１１８が形成されている。このス
ペーサ１０６ａの上面における酸素用孔１３の周囲にも
Ｏリング溝１１７が形成されている。

【００３９】また、電極板１０４の下面左方のスペーサ
１０６ｃの上面における水素用孔１１４の周囲にはＯリ
ング溝１１７が形成されており、酸素用孔１１３から多
孔質給電体１０５に対向する縁まで酸素用溝１１９が形
成されている。このスペーサ１０６ｃの下面における水
素用孔１１４の周囲にもＯリング溝１１７が形成されて
いる。

【００４０】さらに、電極板１０４の上面右方のスペー
サ１０６ｂの上面および下面ともに、純水用孔１１５，
１１６の周囲には、Ｏリング溝１１７が形成されてい
る。また、電極板１０４の下面右方のスペーサ１０６ｄ
の上面における純水用孔１１５，１１６から多孔質給電
体１０５に対向する縁まで純水用溝１２０が形成されて
いる。また、各Ｏリング溝１１７には、Ｏリング１２１
が嵌着される。

【００４１】下面右方のスペーサ１０６ｄに形成された
純水用溝１２０は、他のスペーサ１０６ａ，１０６ｃに
形成された水素用溝１１８および酸素用溝１１９と異な
る形に形成されている。すなわち、水素用溝１１８およ
び酸素用溝１１９は独立した一本の溝として水素用孔１
１４および酸素用孔１１３からそれぞれ形成されてい
る。しかしながら、純水用溝１２０は、二つの純水用孔
１１５，１１６からこれらの孔に連通する広い凹所１２
０ａと、この凹所１２０ａから多孔質給電体１０５に対
向する縁まで複数本形成された小溝１２０ｂとから構成
されている。純水用溝１２０の凹所１２０ａ、小溝１２
０ｂは略扇状に形成されている。これは、被分解水たる
純水が多孔質給電体１０５にできるだけ均一に行き渡る
ように工夫されたものである。

【００４２】また、本実施形態においては、強度を向上
させる等の目的のために、スペーサ１０６がチタン等の
金属を用いて形成されているため、各スペーサ１０６と
電極板１０４との間には、各スペーサ１０６ａ，１０６
ｂ，１０６ｃ，１０６ｄの大きさに応じた絶縁シート１
０９ａ，１０９ｂ，１０９ｃ，１０９ｄが設けられてい
る。この絶縁シート１０９には、それぞれ所定の位置に
（対応する位置に）、流体通路孔（酸素用孔１１３、水
素用孔１１４、純水用孔１１５，１１６）が穿設されて
いる。また、水素用孔１１４には、図１に示した水素ガ
ス搬送配管部１４が接続されている。

【００４３】さらに、本実施形態に係る電解セル１にお
いては、電極板１０４の一部たる周縁部１０４ｂ（板部
分１０４ａの外周部であって、外方側突条１１２ａの外
周部）に、シム１１０を配設すべく構成されている。

【００４４】本実施形態においては、上述したように、
図２〜図５に示す電解セルにて構成された水電解装置
（電解セル）１を用いて水素・酸素供給システムが形成
されている。したがって、図１に示すべく、電解タンク
２内に設けられた水電解装置１においては、電解タンク
２内の純水が、二つの純水用孔１１５，１１６から純水
用溝１２０を介して、酸素発生室Ａとなる電極板１０４
の下面側の多孔質給電体１０５に純水が供給される。純
水は、Ｏリング１２１によって、水素発生室Ｃへの流入
が阻止される。

【００４５】酸素発生室Ａで発生した酸素ガスは、酸素
用溝１１９から酸素用孔１１３を介して電解タンク２中
に放出され、電解タンク２中から酸素ガス供給配管部３
１等を介して酸素ガス使用箇所等に供給される。水電解
装置１中において、酸素ガスは、Ｏリング１２１によっ
て、水素発生室Ｃへの流入が阻止される。また、水素発
生室Ｃで発生した水素ガスは、水素用溝１１８、水素用
孔１１４、および水素ガス搬送配管部１４を介して、水
素分離タンク４に搬送される。水素ガスは、Ｏリング１
２１によって、酸素発生室Ａへの流入が阻止される。さ
らに、当然のことながら、本実施形態に係る水電解装置
内においては、発生した水素ガスおよび酸素ガスは、シ
ール部材１０７によって、電極板ユニット１０３同士の
間から外部への漏出が防止されている。

【００４６】本実施形態に係る水素・酸素供給システム
は、上述した図１〜図５に示すべく構成されており、係
るシステムにおいては、適切に、純水供給制御、電流値
制御等が行われている。

【００４７】図６は、本実施形態に係る水素・酸素供給
システムを運転する際のフローチャートを示したもので
ある。以下、図６等の必要な図面を用いて、制御方法を
具体的に説明する。

【００４８】図６に示すように、本実施形態に係る水素
・酸素供給システムは、まず、ステップ６０１におい
て、電解タンク２に対する純水の供給が行われる。具体
的には、補給水ポンプ６を駆動させて、純水タンク３か
ら電解タンク２に対して純水を供給する。

【００４９】次に、ステップ６０２においては、電解タ
ンク２内の純水の貯留量（水位）が、電解タンク水位計
２Ｌを用いて検知される。

【００５０】次に、ステップ６０３においては、ステッ
プ６０２における水位検知信号に基づいて、電解タンク
２内の水位が所定量であるか否かの判断が行われる。そ
して、ここで、水位が所定量に達している場合には（ス
テップ６０３にて「Ｙｅｓ」と判断された場合には）、
次いでステップ６０４の処理が行われる。また、水位が
所定量に達していない場合には（ステップ６０３にて
「Ｎｏ」と判断された場合には）、補給水ポンプ６を駆
動させた状態で、再度ステップ６０２以降の処理が行わ
れる。

【００５１】次に、ステップ６０４においては、ステッ
プ６０３の判断に基づいて、純水タンク３から電解タン
ク２に対する給水が停止される。すなわち、補給水ポン
プ６を停止させる。次に、ステップ６０５においては、
電解セル１へ供給される循環水量の検知が行われる。す
なわち、このステップ６０５においては、電解セル１に
対する通電前に、循環水ポンプ８を駆動させ、電解セル
１に対して純水を供給しているので、その循環水量を検
知する。

【００５２】次に、ステップ６０６においては、ステッ
プ６０５における循環水量検知信号に基づいて、電解セ
ル１に対して、所定水量が供給されているか否かの判断
が行われる。そして、ここで、循環水量が所定量に達し
ている場合には（ステップ６０６にて「Ｙｅｓ」と判断
された場合には）、次いでステップ６０７の処理が行わ
れる。また、循環水量が所定量に達していない場合には
（ステップ６０６にて「Ｎｏ」と判断された場合に
は）、ステップ６０７に進むことなく、再度ステップ６
０５以降の処理が行われる（すなわち、循環水ポンプ８
の駆動および循環水量の検知等が継続して行われる）。

【００５３】次に、ステップ６０７においては、水電解
装置１に対する通電が開始される。すなわち、本実施形
態に係る水素・酸素供給システムにおいては、水電解装
置（電解セル）１内に所定量の純水が循環された状態に
なってから、はじめて、水電解装置１に対する電流の供
給が開始される。このように、循環水流量を確認した後
に通電を開始するのは、水電解装置１に対して純水が十
分に補給されていない状態で通電を行うと、水電解装置
１を構成する固体電解質膜１０２が破損する可能性があ
るからである。つまり、本実施形態においては、固体電
解質膜１０２を保護するために、純水の循環量を確認し
た後に、水電解装置１に対して通電を行っている。ま
た、ここで、水電解装置１に対する電流の供給は、０％
（０Ａ）から１００％（例えば、６００Ａ）の電流値に
あげるまでに、所定の時間（例えば、３０秒程度）を要
するべく行う。このように電流の供給を行うことによっ
て、固体電解質膜１０２に対して、徐々に電流が負荷さ
れることとなるため、固体電解質膜１０２の保護を図る
ことが可能となる。すなわち、水電解装置１に対する供
給電流が急激に変動（極端なケースとしてＯＮ／ＯＦ
Ｆ）すると、オーバーシュートして過大電流が電解セル
に加わり、固体電解質膜を損傷させる可能性があるが、
上述した本実施形態に係る電流供給手段（段階的な電流
供給手段）によれば、係る問題を効果的に解決すること
ができる。

【００５４】次に、ステップ６０８においては、図１に
示された水素・酸素供給システムによる連続した水素・
酸素供給工程が行われる。具体的には、適切な純水供給
制御、および電流値制御等が行われる。これらの制御に
ついては、後に、具体的に説明する。

【００５５】次に、ステップ６０９においては、水素・
酸素供給工程を終了するか否かの判断が行われる。そし
て、ここで、水素・酸素供給工程を終了すると判断され
た場合には（ステップ６０９にて「Ｙｅｓ」と判断され
た場合には）、次いでステップ６１０の処理が行われ
る。また、水素・酸素供給工程を終了しないと判断され
た場合には（ステップ６０９にて「Ｎｏ」と判断された
場合には）、再度、ステップ６０８以降の処理が行われ
る。

【００５６】次に、ステップ６１０においては、ステッ
プ６０９における水素・酸素供給工程の終了の判断に基
づいて、水電解装置１に対する通電を終了させる。ま
た、この図６のフローチャートには特に示していない
が、ステップ６１０においては、水電解装置１が純水に
十分満たされた状態で、通電を終了させる。具体的に
は、水電解装置１に対する通電を停止してから、数秒
（３秒程度）後に循環水ポンプ８を停止している。これ
も、固体電解質膜１０２に対して余計な負荷をかけない
ためである。

【００５７】以上、図６におけるステップ６０１からス
テップ６１０までの工程に基づいて、本実施形態に係る
水素・酸素供給システムの運転が制御される。しかしな
がら、上述した図６のフローチャートにおいては、水素
・酸素供給工程の説明が不充分であるため、次に、ステ
ップ６０８で行われる水素・酸素供給工程を具体的に説
明する。

【００５８】ステップ６０８にて行われる水素・酸素供
給工程の中には、電解タンク２に対する純水供給制御、
および水電解装置１に対する電流値制御等があげられ
る。以下、詳細に説明する。

【００５９】図７は、本実施形態に係る純水供給制御の
一態様のフローチャートを示したものである。

【００６０】図７に示すように、本実施形態において
は、まず、ステップ７０１において、電解タンク２内の
純水貯水量の検知が行われる。ここでは、電解タンク水
位計２Ｌを用いて、電解タンク２内の純水の貯留量（水
位）が検知される。

【００６１】次に、ステップ７０２においては、ステッ
プ７０１における水位検知信号に基づいて、電解タンク
２内の水位が所定値以下であるか否かの判断が行われ
る。そして、ここで、水位が所定値以下であると判断さ
れた場合には（ステップ７０２にて「Ｙｅｓ」と判断さ
れた場合には）、次いでステップ７０３の処理が行われ
る。また、水位が所定値以下でない場合には（ステップ
７０２にて「Ｎｏ」と判断された場合には）、再度、ス
テップ７０１以降の処理が行われる。

【００６２】次に、ステップ７０３においては、ステッ
プ７０２の判断に基づいて、補給水ポンプ６の駆動が開
始される。すなわち、補給水ポンプ６を駆動させて、純
水供給配管部を介して、純水タンク３から電解タンク２
に対して純水を補給する。

【００６３】次に、ステップ７０４においては、電解タ
ンク２内の純水貯水量の検知が行われる。ここでは、ス
テップ７０１と同様に、電解タンク水位計２Ｌを用い
て、電解タンク２内の純水の貯留量（水位）が検知され
る。

【００６４】次に、ステップ７０５においては、ステッ
プ７０４における水位検知信号に基づいて、電解タンク
２内の水位が所定範囲内にあるか否かの判断が行われ
る。そして、ここで、水位が所定範囲内にあると判断さ
れた場合には（ステップ７０５にて「Ｙｅｓ」と判断さ
れた場合には）、次いでステップ７０６の処理が行われ
る。また、水位が所定範囲内にないと判断された場合に
は（ステップ７０５にて「Ｎｏ」と判断された場合に
は）、補給水ポンプ６を駆動させた状態で、再度、ステ
ップ７０４以降の処理が行われる。

【００６５】次に、ステップ７０６においては、ステッ
プ７０５の判断に基づいて、純水タンク３から電解タン
ク２に対する給水が停止される。すなわち、補給水ポン
プ６を停止させる。そして、このステップ７０６の後
は、再度、ステップ７０１以降の処理が行われる。

【００６６】以上のステップ７０１からステップ７０６
の工程が、本実施形態に係る水素・酸素供給システムに
おける、基本的な純水供給（補給）制御である。なお、
この図７では特に示さなかったが、本実施形態において
は、電解タンク２内の純水が、電解タンク２に対して閉
回路として設けられた純水循環配管部７を介して、循環
されつつ、水電解装置１に供給されるべく構成されてい
る。

【００６７】具体的には、本実施形態においては、純水
循環配管部７に設けられた循環水ポンプ８によって、電
解タンク２内の純水が循環させられ、純水循環配管部７
に設けられた熱交換器９、ポリシャ１０、およびフィル
タ１１を介して、水電解装置１の純水用孔１１５，１１
６に純水が供給される。なお、この純水循環配管部７に
は、水質警報手段１２、水温警報手段１３、および循環
水量警報手段も設けられている。

【００６８】本実施形態においては、このように種々の
要素を設けた閉回路たる純水循環配管部７を介して、水
電解装置１に純水が供給されるので、適切な性状を有す
る純水の供給が可能となる。すなわち、熱交換器９を設
けたことにより、水電解装置１の発熱によって温度が上
昇した純水の熱交換を行うことが可能となるので、効率
よく水電解装置１を駆動させることができる。また、ポ
リシャ１０を設けたことにより、純水の純度を高めた状
態で、水電解装置１に対して純水を供給可能となる。ま
た、フィルタ１１を設けたことにより、純水中に含まれ
た不純物を除去して、水電解装置１に対して純水を供給
することができる。さらに、本実施形態においては、水
質警報手段１２および水温警報手段１３が設けられてい
るので、上述した熱交換器９、ポリシャ１０、およびフ
ィルタ１１に何等かの不具合が生じた（あるいは生じそ
うであった）としても、その旨を検知して、不適切な
（純度が低いあるいは不純物が多い等の）純水が供給さ
れる前に、熱交換器９、ポリシャ１０、あるいはフィル
タ１１を交換可能である。また、本実施形態において
は、循環水量警報手段が設けられているので、循環水量
が処理量（所定の処理量）を下回って、電解セルが損傷
するのを防止している。つまり、電解セルへの供給水量
が不足すると、電解セル内での水の流れが不均一とな
り、局部的な発熱によって固体電解質膜が損傷するおそ
れがあるが、本実施形態は、循環水量警報手段を設ける
ことによって、循環水量の低下を事前に察知して、係る
問題を効果的に解決することができる。したがって、本
実施形態によれば、継続的に、適切な性状を有する純水
を水電解装置１に対して供給することができる。また、
本実施形態においては、先に述べたように、純水循環配
管部７の適切な箇所にガス抜きを設けているので、純水
循環配管部７中の酸素ガスが純水の循環に不具合を生じ
させないように、必要に応じて、適宜、ガス抜きを行う
ことができる。

【００６９】このように、本実施形態においては、純水
の水質や温度を制御して、適切な性状を有する純水を水
電解装置１に供給しているので、固体電解質膜１０２の
寿命をのばすことが可能となると共に、水電解装置１に
おける電解効率をも向上させることができる。

【００７０】また、本実施形態においては、水素分離タ
ンク４にて水素ガスと分離された純水についても、純水
戻り配管部１５（および純水タンク３等）を介して、再
利用可能（水電解装置１に対して供給可能）であるべく
構成されている。なお、本実施形態においては、上述し
たように、純水タンク３と電解タンク２とが純水供給配
管部５にて接続され、電解タンク２中の水電解装置１と
水素分離タンク４とが水素ガス搬送配管部１４にて接続
され、水素分離タンク４と純水タンク３とが純水戻り配
管部１５にて接続されている。すなわち、純水タンク
３、電解タンク２、および水素分離タンク４は、純水供
給配管部５、水素ガス搬送配管部１４、および純水戻り
配管部１５によって、閉じた回路として構成されてい
る。水素分離タンク４から純水戻り配管部１５を用いて
搬送される純水には、水素が溶存されており、もし、こ
の閉回路中の循環を連続して繰り返すとすれば、その溶
存率は高まる一方となり、システム構成上好ましくな
い。つまり、水素分離タンク４から排出される純水中に
は、水素発生圧力下での溶存水素が含まれており、これ
をそのまま純水タンク（補給水タンク）３に戻した場
合、圧力が大気圧に開放されるため、減圧に伴い、差圧
分の溶存水素がガス化して放出される。そうすると、純
水タンク３内で水素と空気とが混合し、徐々に水素濃度
が上昇して、種々の不具合を生ずる可能性がある。そこ
で、本実施形態に係る水素・酸素供給システムは、係る
純水戻り配管部１５の所定箇所にガススクラバ１６を配
して、上述した不具合を解消すべく構成されている。

【００７１】次に、水電解装置１に対する電流値制御に
ついて説明する。図８は、本実施形態に係る電流値制御
の一態様のフローチャートを示したものである。

【００７２】図８に示すように、本実施形態において
は、まず、ステップ８０１において、水素分離タンク４
に設けられた第一の圧力検知手段２５を用いて、水素ガ
スの圧力を検知する。ここで、水素分離タンク４内の水
素ガスの圧力は、水素ガス生成量（水電解装置１で生成
され、水素ガス搬送配管部１４を介して水素分離タンク
４に搬送される水素ガス量）と、水素ガス供給量（水素
ガス供給配管部２１を介して、水素分離タンク４から水
素ガス使用箇所に供給される水素ガス量）とのバランス
によって変動するものである。

【００７３】次に、ステップ８０２においては、ステッ
プ８０１における圧力検知信号に基づいて、水素分離タ
ンク４内の水素ガス圧力が所定値以下であるか否かの判
断が行われる。水素ガス圧力が所定値以下になると、必
要とされる水素ガスの供給が困難となるからである。そ
して、ここで、水素ガス圧力が所定値以下であると判断
された場合には（ステップ８０２にて「Ｙｅｓ」と判断
された場合には）、次いでステップ８０３の処理が行わ
れる。また、水素ガス圧力が所定値以下ではないと判断
された場合には（ステップ８０２にて「Ｎｏ」と判断さ
れた場合には）、再度、ステップ８０１以降の処理が行
われる。

【００７４】次に、ステップ８０３においては、ステッ
プ８０２の判断に基づいて、第一の圧力検知手段２５か
ら電流値制御手段２８に対して圧力検知信号を送り、こ
の圧力検知信号に基づいて、電流値制御手段２８から水
電解装置１に対して適切な値の電流が供給される。ここ
で、供給する電流は、必要とする供給水素ガス量（ある
いは水素ガス圧等）、および水素ガス圧変動率（単位時
間当たりの水素ガス圧変動量）等によって、適宜、適切
な値が選択されて水電解装置１に供給される。

【００７５】次に、ステップ８０４においては、水素分
離タンク４に設けられた第一の圧力検知手段２５を用い
て、水素ガスの圧力を検知する。

【００７６】次に、ステップ８０５においては、ステッ
プ８０４における圧力検知信号に基づいて、水素分離タ
ンク４内の水素ガス圧力が所定範囲内にあるか否かの判
断が行われる。そして、ここで、水素ガス圧力が所定範
囲内にあると判断された場合には（ステップ８０５にて
「Ｙｅｓ」と判断された場合には）、次いでステップ８
０６の処理が行われる。また、水素ガス圧力が所定範囲
内にないと判断された場合には（ステップ８０５にて
「Ｎｏ」と判断された場合には）、再度、ステップ８０
３以降の処理が行われる。

【００７７】次に、ステップ８０６においては、ステッ
プ８０５の判断に基づいて、水電解装置１に対する電流
値制御手段２８からの電流の供給が停止される。そし
て、このステップ８０６の後は、再度、ステップ８０１
以降の処理が行われる。

【００７８】本実施形態においては、上述したように、
ステップ８０１からステップ８０６の工程に示すべく、
水電解装置１に対して、電流が供給される。すなわち、
本実施形態においては、水素ガス生成量と水素ガス供給
量とのバランスを第一の圧力検知手段２５を用いて検知
し、この検知信号を電流値制御手段２８に送って、検知
信号に応じた（圧力変動に応じた）電流値が水電解装置
１に供給されている。なお、本実施形態においては、電
流値制御手段２８としては、整流器等が用いられる。す
なわち、本実施形態においては、整流器等を用いて、整
流器ＰＩＤ制御が行われる。

【００７９】一方、従来技術においては、水電解装置に
対する電流の供給は、常時一定電流を供給する場合、あ
るいは、ＯＮ／ＯＦＦ制御に基づいて電流を供給する場
合等が一般的であった。このような構成において、適切
な水素ガスの供給を実現しようとすれば、水素ガスの必
要な圧力に対応すべく、水素ガスを貯留するための大き
いタンク（すなわち、使用圧力の下限値から上限値にま
で対応可能なタンク）が必要であった。そして、使用さ
れる水素ガス圧力の変動に対応するために、あらかじ
め、係るタンク内に所定量の水素ガスを貯留する必要が
あり、使用される水素ガス圧力が、上限値側から下限値
側に移行する場合には、水素ガスを大気開放等して、必
要とされる水素ガス圧力に対応していた。また、使用さ
れる水素ガス圧力が、上限値側に移行する場合には、従
来技術における電流供給方法（常時一定あるいはＯＮ／
ＯＦＦ制御）等では、迅速な対応（必要な水素ガス圧力
の上昇に応じた水素ガスの生成）が困難であるため、タ
ンク内には、常に所定量（例えば１００％運転で３０分
〜２時間分のガス発生量）の水素ガスを貯留しておく必
要があった。さらに、アルカリ水電解の場合、電解セル
内の隔膜（陰極室と陽極室との間仕切り）が多孔質体で
あるため、装置の出力が低下すると（１５％以下となる
と）、陰極側と陽極側との圧力を均一に維持できなくな
り、水素と酸素とが隔膜を通過して混合してしまうおそ
れがある。このため、装置停止／再起動時には、装置内
のガスをＮ₂パージして追い出すという作業が必要とな
る。

【００８０】しかしながら、本実施形態に係る水素・酸
素供給システムは、上述したように、水素ガスの使用量
に応じて、電流値制御手段２８から水電解装置１に対し
適切な電流が供給される構成であるため、生成される水
素ガス、および水電解装置１に供給される電流につい
て、無駄をなくすことが可能となる。また、本実施形態
に係る水素・酸素供給システムにおいては、閉回路たる
純水循環配管部７を介して、水電解装置１に対して純水
が供給されるため、水電解装置１および電解タンク２
は、比較的高い密閉性を維持することができる。つま
り、水電解装置１を駆動させなくとも、所定の水素ガス
圧力を得ることができる。よって、水素ガスの圧力に特
に変動がない場合（水素ガスが使用されていない場合）
には、水電解装置１に対する電流の供給を停止すること
も可能である。したがって、本実施形態に係る水素・酸
素供給システムにおいては、適切な圧力の水素等の供給
を行いつつ、水電解装置１を０〜１００％の範囲で駆動
させることが可能となる。

【００８１】また、本実施形態に係る水素・酸素供給シ
ステムにおいては、第一の圧力検知手段２５によって水
素分離タンク４内の水素ガスの圧力を検知し、第二の圧
力検知手段３５によって電解タンク２内の酸素ガスの圧
力を検知して、それぞれの検知信号が差圧検知手段４５
に送られる。そして、この差圧検知手段４５で得られる
水素ガス圧力と酸素ガス圧力との差圧信号に基づいて、
水素ガス供給バルブ２２、第一のリリーフ弁２６、酸素
ガス供給バルブ３２、および第二のリリーフ弁３６が、
適宜調整される。本実施形態に係る水素・酸素供給シス
テムにおいては、水素ガス圧力を酸素ガス圧力よりも若
干（０．０５〜０．１ＭＰａ程度）高く設定して、高純
度の水素ガスを得ることが可能であるように構成されて
いる。したがって、本実施形態においては、上述した差
圧信号に基づいて、水電解装置１内にて、酸素ガス圧力
よりも水素ガス圧力の方が０．０５〜０．１ＭＰａ程度
高くなるべく、各バルブ２２，２６，３２，３６の調整
が行われている。

【００８２】さらに、本実施形態においては、上述した
各リリーフ弁２６，３６が、インターロックとしても機
能することとなる。すなわち、差圧検知手段４５で得ら
れる差圧信号に何等かの異常が生じた場合には、固体電
解質膜１０２等を保護するために、各リリーフ弁２６，
３６を適切に調整して、水素ガスおよび酸素ガスの少な
くとも一方を各リリーフ配管部２７，３７を介して放出
する。なお、リリーフ弁２６，３６を用いたインターロ
ックは、上述した構成に限定されるものではない。した
がって、例えば、各リリーフ弁２６，３６としては、ば
ね逃がし弁等を用いることが可能であり、各リリーフ配
管部２７，３７内の圧力が、所定の圧力を超えた場合に
は、各リリーフ弁２６，３６が適切に開放されるべく構
成されていてもよい。

【００８３】また、本実施形態に係る水素・酸素供給シ
ステムにおいては、電解タンク２から酸素使用箇所（図
示省略）に対して酸素ガスを供給するために設けられた
酸素ガス供給配管部３１に、水素ガス検出手段３４が設
けられている。この水素ガス検出手段３４は、酸素ガス
中の水素濃度を検出すべく、熱伝導率式、密度式等のオ
ンラインガス分析計等を用いて構成されている。本実施
形態によれば、この酸素ガス供給配管部３１において酸
素ガス中の水素ガス濃度を検出することによって、固体
電解質膜１０２におけるピンホールの発生等を検知する
ことができる。すなわち、本実施形態によれば、上述し
たように、水電解装置１内の圧力は、酸素ガス発生側
（酸素発生室Ａ側）よりも水素ガス発生側（水素発生室
Ｃ側）の方が、高くなるように構成されているため、固
体電解質膜１０２にピンホール等が発生すれば、水素発
生室Ｃから酸素発生室Ａに対して水素ガスが混入し、水
素ガスが混入した酸素ガスが、酸素ガス供給配管部３１
を介して供給されることとなる。したがって、本実施形
態によれば、図１に示すべく、酸素ガス供給配管部３１
に水素ガス検出手段３４を設けて、酸素ガス中の水素ガ
ス濃度を監視することによって、固体電解質膜１０２の
破損（ピンホール）等を早期に発見して、システムの保
守管理を効果的に行うことが可能となる。

【００８４】さらに、本実施形態に係る水素・酸素供給
システムにおいては、水素分離タンク４から水素使用箇
所（図示省略）に対して水素ガスを供給するために設け
られた水素ガス供給配管部２１に、水素ガス流量制御手
段２４が設けられている。この水素ガス流量制御手段２
４は、上述したように、流量検知手段２４Ａと定格流量
制御バルブ２４Ｂとを用いて構成されている。そして、
この流量検知手段２４Ａは、水素ガス供給配管部２１中
を流れる水素ガスの流量を常時監視して、この水素ガス
の流量に応じて、定格流量制御バルブ２４Ｂに対し適切
な制御信号を送信すべく構成されている。すなわち、本
実施形態によれば、水素ガス供給配管部２１の後流側に
て（すなわち、水素ガス使用箇所にて）大量の水素ガス
が使用されたとしても、水素ガス供給配管部２１中を流
れる水素ガスが定格流量を超える前に、流量検知手段２
４Ａから定格流量制御バルブ２４Ｂに対して制御信号が
送られ、定格流量以上の水素ガスが流れないように、定
格流量制御バルブ２４Ｂが調整される。したがって、本
実施形態によれば、水素ガス供給配管部２１の後流側に
おける水素ガス使用量がどのように変動したとしても、
水素ガス供給配管部２１にて定格流量以上の水素ガスが
流れることはないので、水素ガスの品質を一定に維持す
ることができる。このような水素ガス流量制御手段２４
を有する構成によれば、ユーザがバッファタンク等を用
いる場合における不具合を効果的に防止可能である。具
体的には、バッファタンクを用いるケースでは、水素の
使用量が平常時とピーク時とで大きく変動する場合があ
る。このような場合、ピーク時の使用量に合わせて水素
・酸素供給システムを構成すると、大容量のものとな
り、稼働率が低下し、経済性も悪い。このため、バッフ
ァタンクの圧力に幅をもたせて使用している（例えば、
０．９ＭＰａから０．４ＭＰａの幅で使用している）。
この間は、水電解装置１の定格発生量以上のガスを使用
することになる。このような構成において、水電解装置
１を定格運転するためには、本実施形態に示すべく、定
格以上のガスが流れないように、流量制御を行う必要が
ある。これにより、水電解装置１が安定して稼動を続け
ると共に、後段の除湿器入口のガス性状（圧力等）も一
定に制御でき、供給ガス品質を一定に維持することがで
きる。また、このような構成であれば、水電解装置（電
解セル）１の性能以上の使用をも防止することが可能と
なるので、システムの長寿命化を図ることもできる。

【００８５】また、本実施形態に係る水素・酸素供給シ
ステムにおいては、水電解装置１と水素分離タンク４と
の間に設けられた水素ガス搬送配管部１４には、水素ガ
ス搬送バルブ１８が設けられており、さらに、水素ガス
搬送配管部１４上の水素ガス搬送バルブ１８を迂回すべ
く、バイパス配管部１９が設けられている。そして、こ
のバイパス配管部１９には、逆止弁２０が設けられてい
る。ここで、逆止弁２０は、所定値以上の圧力が作用し
ない場合には開放せず、水電解装置１から水素分離タン
ク４に対して水素ガスが流通しないように構成されてい
る。すなわち、本実施形態は、所定値以上（例えば、
０．１ＭＰａ以上）の圧力が作用したときに、はじめて
逆止弁２０が開放されて、バイパス配管部１９を介し
て、水電解装置１から水素分離タンク４に対して水素ガ
スが流通すべく構成されている。したがって、本実施形
態に係る水素・酸素供給システムによれば、水素ガス搬
送バルブ１８に何らかの不具合が生じて、水素ガスが水
素ガス搬送配管部１４中を流通しない状態となったとし
ても、上述したように、バイパス配管部１９に所定値以
上の圧力が作用した場合には、逆止弁２０を介して、水
素ガスの搬送が行われることとなる。よって、本実施形
態によれば、水素ガス搬送バルブ１８に不具合が生じた
としても、その際の圧力が水電解装置１に逆流する前
に、逆止弁２０が開いて、水素ガス搬送配管部１４、バ
イパス配管部１９、および逆止弁２０を介して、水素ガ
スを適切に流通させることが可能となるので、水電解装
置１を構成する固体電解質膜１０２の破損等を効果的に
防止することができる。

【００８６】さらに、本実施形態に係る水素・酸素供給
システムは、種々の検知手段等を用いて、ガス圧力およ
び各タンク２，４内の水位をそれぞれ所定値となるべく
制御可能に構成されている。具体的には、電解タンク２
は、第二の圧力制御手段３５、差圧検知手段４５、、お
よび第二のリリーフ弁３６等を用いてタンク内圧力が所
定値となるべく制御されており、また、電解タンク水位
計２Ｌおよび補給水ポンプ６を用いてタンク内水位が所
定値となるべく制御されている。そして、水素分離タン
ク４は、第一の圧力制御手段２５、差圧検知手段４５、
および第一のリリーフ弁２６等を用いてタンク内圧力が
所定値となるべく制御されており、また、水素分離タン
ク水位計４Ｌおよび純水排出バルブ４Ａを用いてタンク
内水位が所定値となるべく制御されている。さらに、水
電解装置１内における酸素発生室Ａと水素発生室Ｃとの
圧力についても、先に述べたように、適切に所定値とな
るべく制御されている。本実施形態においては、以上の
ように、各ガス圧力および各タンク２，４内の水位をそ
れぞれ所定値となるべく制御可能である。すなわち、本
実施形態に係る水素・酸素供給システムは、一定の条件
に基づいて、運転可能に構成されている。したがって、
本実施形態に係る水素・酸素供給システムは、基本的
に、一定の条件に基づいて運転させることが可能である
ため、高品質のガス（特に高純度の水素ガス）を得るこ
とができる。また、一定の条件にて運転可能であるた
め、システムを構成している各要素に対して、ストレス
が生じにくくなり、各構成要素は勿論のこと、システム
全体としても、寿命を延ばすことが可能となる。なお、
上述したように、本実施形態においては、ガス圧制御の
みではなく、水位制御も合わせて行っているため、ガス
圧制御のみを行う場合よりも、容易にガス圧制御を行う
ことが可能となる。

【００８７】なお、本実施形態においては、水電解装置
１を一つ用いて水素・酸素供給システムを構成する場合
について説明したが、本発明はこの構成に限定されるも
のではなく、例えば、複数の水電解装置１を用いて水素
・酸素供給システムを構成してもよい。この際、各水電
解装置１については、それぞれ電解タンク２等を設け
て、各水電解装置１をブロック化して、水素・酸素供給
システムを構成してもよい。係る構成によれば、システ
ム全体はもとより、各ブロック毎についても、水電解装
置１等の不具合を検知可能であるため、システムのいず
れかの箇所に故障等が発生した場合であっても、その故
障したブロックのみを停止させて交換等を行うことがで
きる。したがって、このようなブロック化を実現した水
素・酸素供給システムであれば、水電解装置１等に故障
が発生した場合であっても、システム全体を停止させる
必要がないので、安定したガス供給を実現可能なシステ
ムとすることができる。

【００８８】また、本実施形態においては、水素ガスを
得ること（高純度の水素ガスを得ること）を主目的とす
る水素・酸素供給システムについて説明したが、本発明
はこの構成に限定されるものではなく、必要に応じて、
高純度の酸素ガスを得ることを主目的とするシステムと
してもよい。すなわち、本実施形態においては、水素ガ
ス中に酸素ガスが溶存することを防止するために、水素
ガスの圧力を若干高めに設定しているが、高純度の酸素
ガスを得るために酸素ガスの圧力を若干高めに設定し
て、水素・酸素供給システムを構成してもよい。また、
酸素ガス供給配管部に、流量検知手段、流量制御手段を
設ける構成としてもよい。

【００８９】また、本実施形態に係る水素・酸素供給シ
ステムについては、各要素を接続するための配管部につ
いては特に説明しなかったが、本発明においては、酸素
ガスを多く有する流体を搬送させる配管部（Ｏ₂リッチ
ライン）と、水素ガスを多く有する流体を搬送させる配
管部（Ｈ₂リッチライン）とに対して、それぞれ適切な
特性を有する配管を用いて、水素・酸素供給システムを
構成してもよい。具体的に、例えば、Ｏ₂リッチライン
は、ステンレス鋼表面に電解研磨処理を施した後、酸化
性雰囲気中で加熱することにより、鉄系酸化物を主とす
る金属酸化物の着色酸化被膜が表面に形成されたステン
レス鋼（特開平１０−１４０３２２号公報参照）を用い
て構成することが好ましい。このようなステンレス鋼
は、酸素ガスを多く有する流体に対する金属イオンの溶
出量が極めて少ないという特性を有する。したがって、
このようなステンレス鋼を用いてＯ₂リッチラインを構
成すれば、酸素ガス中に対する不必要な金属イオンの溶
出を効果的に防止可能なシステムを実現することができ
る。また、例えば、Ｈ₂リッチラインは、ステンレス鋼
表面を清浄化処理した後、酸化性雰囲気中で加熱処理し
て清浄化処理面上に着色酸化被膜を形成し、その後にこ
の着色酸化被膜を溶解除去したステンレス鋼（特開平１
０−２５５６１号公報参照）を用いて構成することが好
ましい。このようなステンレス鋼は、水素ガスを多く有
する流体に対する金属イオンの溶出量が極めて少ないと
いう特性を有する。したがって、このようなステンレス
鋼を用いてＨ₂リッチラインを構成すれば、水素ガス中
に対する不必要な金属イオンの溶出を効果的に防止可能
なシステムを実現することができる。

【００９０】さらに、本実施形態においては、上述した
配管部のみならず、各タンク２，４についても、電解タ
ンク２は、Ｏ₂リッチラインと同様のステンレス鋼を用
いて構成し、水素分離タンクは、Ｈ₂リッチラインと同
様のステンレス鋼を用いて構成することが好ましい。こ
の好ましい構成によれば、各タンク２，４についても、
金属イオンの溶出を防止することが可能となるので、係
るタンクを用いれば、純度の高いガスを供給可能なシス
テムを実現することができる。

【００９１】また、本発明においては、自らのシステム
にて生成した酸素ガスを用いて、純水タンク３内の純水
をバブリングすべく構成することが好ましい。本実施形
態に係る水素・酸素供給システムにおいては、空気（中
の特に窒素）が唯一の不純物であり、係る空気は主に純
水タンク３を介してシステム中に混入する。したがっ
て、係る空気を排除すれば、さらに高い純度の水素ある
いは酸素を得ることが可能となる。そこで、本発明にお
いては、係る不純物たる空気を排除するために、純水タ
ンク３中を酸素ガスにてバブリングする構成とすること
が好ましい。この際、バブリングには、本来リリーフさ
れるはずの酸素ガス等を用いることが可能である。係る
構成によれば、本来リリーフされるべき酸素ガス等を用
いることによって、特に新たな設備等を用いることな
く、純度の高い水素ガスあるいは酸素ガスを得ることが
可能な水素・酸素供給システムを実現することができ
る。

【００９２】さらに、本実施形態においては、水電解装
置１を電解タンク（酸素分離タンクとしても機能するタ
ンク）２内に収容した、いわゆる「高圧型」の水素・酸
素供給システムについて説明したが、本発明は、この構
成に限定されるものではなく、必要に応じて、「低圧
型」のシステムとして構成してもよい。具体的には、水
電解装置１を特にタンク等内に収容せずに設置して、水
電解装置１の酸素供給側に、酸素分離タンクを設けるよ
うに構成してもよい。ここで、図９は、水素・酸素供給
システムの「低圧型」の一例を示したものである。この
図９において、図１等を用いて説明した要素と同様のも
のについては、同様の符号を付している。図９に示され
た水素・酸素供給システムは、酸素分離タンク２の外に
設けられた電解セル１に対して、純水循環配管部７を介
して純水が供給され、この電解セルに対しては、図１等
を用いて説明した「高圧型」の水素・酸素供給システム
と同様に、電流値制御手段２８を介して電力（電流）が
供給される。また、電解セル１にて生成された水素ガス
は、水素ガス搬送配管部１４を介して、水素分離タンク
（図示省略）に搬送される。さらに、電解セルにて生成
された酸素ガスは、酸素ガス搬送配管部９４を介して、
酸素分離タンク２に搬送される。図９に示した「低圧
型」の水素・酸素供給システムは、以上のように構成さ
れており、電解セル１がタンク外に設けられている点
（およびこれに伴う酸素ガス搬送配管部９４の存在等）
を除けば、基本的には、図１等を用いて説明した「高圧
型」の水素・酸素供給システムと同様の構成を有してい
る。つまり、この図９に示した「低圧型」についても、
「高圧型」の場合と同様に、種々のセンサ等を設けるこ
とができ、上述した種々の制御等を実現することが可能
となるので、「高圧型」と同様の効果を得ることができ
る。

【００９３】なお、本明細書中において、「所定値」と
は、定められたある値を示す場合のみならず、定められ
たある範囲（ある範囲内の値、あるいは範囲内の複数の
値）を示す場合も含む概念である。

【００９４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
固体電解質膜にて生成され供給されるガス品質の低下等
を防止するために、あるいはシステム全体の動きを効果
的に維持するために、適宜監視手段等を設けて、必要に
応じてアラーム等を発すべく構成された水素・酸素供給
システムを得ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る水素・酸素供給システ
ムの概略的な系統図

【図２】図１に係る水素・酸素供給システムを構成する
水電解装置を成す電解セルの一例を示す概略図

【図３】図２（ａ）のII−II線断面のうちの要部を示す
断面図

【図４】図２（ａ）のIII−III線断面のうちの要部を示
す断面図

【図５】本実施形態に係る電解セルを構成する電極板ユ
ニットの分解斜視図

【図６】本実施形態に係る水素・酸素供給システムを運
転する際のフローチャート

【図７】本実施形態に係る純水供給制御の一態様を示す
フローチャート

【図８】本実施形態に係る電流値制御の一態様を示すフ
ローチャート

【図９】本発明の他の実施形態に係る水素・酸素供給シ
ステムの概略的な系統図の一部を示す図

【符号の説明】

１…水電解装置（電解セル）、２…電解タンク、２Ｌ…
電解タンク水位計、３…純水タンク、３Ａ…純水供給バ
ルブ、３Ｌ…純水タンク水位計、４…水素分離タンク、
４Ａ…純水排出バルブ、４Ｌ…水素分離タンク水位計、
５…純水供給配管部、６…補給水ポンプ、７…純水循環
配管部、８…循環水ポンプ、９…熱交換器、１０…ポリ
シャ、１１…フィルタ、１２…水質警報手段、１３…水
温警報手段、１４…水素ガス搬送配管部、１５…純水戻
り配管部、１６…ガススクラバ、１７…水素放出配管
部、１８…水素ガス搬送バルブ、１９…バイパス配管
部、２０…逆止弁、２１…水素ガス供給配管部、２２…
水素ガス供給バルブ、２３…水素ガス除湿手段、２４…
水素ガス流量制御手段、２４Ａ…流量検知手段、２４Ｂ
…定格流量制御バルブ、２５…第一の圧力検知手段、２
６…第一のリリーフ弁、２７…第一のリリーフ配管部、
２８…電流値制御手段、３１…酸素ガス供給配管部、３
２…酸素ガス供給バルブ、３３…酸素ガス除湿手段、３
４…水素ガス検出手段、３５…第二の圧力検知手段、３
６…第二のリリーフ弁、３７…第二のリリーフ配管部、
４５…差圧検知手段、９４…酸素ガス搬送配管部１０２…固体電解質膜、１０３…電極板ユニット、１０
４…電極板、１０４ａ…板部分（内方部分）、１０４ｂ
…周縁部、１０５…多孔質給電体、１０６，１０６ａ，
１０６ｂ，１０６ｃ，１０６ｄ…スペーサ、１０７…シ
ール部材、１０９，１０９ａ，１０９ｂ，１０９ｃ，１
０９ｄ…絶縁シート、１１０…シム、１１１…溝（シー
ル部材用溝）、１１２ａ…突条（外方側突条）、１１２
ｂ…突条（内方側突条）、１１３…酸素用孔、１１４…
水素用孔、１１５，１１６…純水用孔、１１７…Ｏリン
グ溝、１１８…水素用溝、１１９…酸素用溝、１２０…
純水用溝、１２０ａ…凹所、１２０ｂ…小溝、１２１…
Ｏリング、１２２…端板、１２３…締付ボルト、１２４
…ナット、１２５…皿バネＡ…酸素発生室、Ｃ…水素発生室

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｃ２５Ｂ 15/08 ３０２Ｃ２５Ｂ 9/00 Ｋ (72)発明者宮澤慎二神戸市垂水区高丸７−４Ａ−203 (72)発明者森岡輝行加古川市平岡町土山934−４ (72)発明者中尾末貴大阪市淀川区三津屋南１−４−２ (72)発明者細見優明石市魚住町住吉２−26−３−503 (72)発明者上村全弘加古川市野口町長砂700−８Ｆターム(参考） 4K011 AA04 AA15 AA19 BA06 CA04 DA01 4K021 AA01 BA02 BB05 BC01 CA08 DC01 DC03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固体電解質膜によって陽極側と陰極側と
に隔離された電解セルを有し、前記電解セルに純水を供
給して前記陰極側にて水素が生成され、前記陽極側にて
酸素が生成されており、前記水素および酸素の少なくと
も一方が使用箇所に供給可能に構成された水素・酸素供
給システムにおいて、前記水素を供給するための水素ガ
ス供給配管部と、前記酸素を供給するための酸素ガス供
給配管部とが設けられており、前記酸素ガス供給配管部
に水素ガス検出手段が設けられていることを特徴とする
水素・酸素供給システム。
【請求項２】前記陰極側が前記陽極側よりも高い圧力
に設定されている請求項１に記載の水素・酸素供給シス
テム。
【請求項３】固体電解質膜によって陽極側と陰極側と
に隔離された電解セルを有し、前記電解セルに純水を供
給して前記陰極側にて水素が生成され、前記陽極側にて
酸素が生成されており、前記水素および酸素の少なくと
も一方が使用箇所に供給可能に構成された水素・酸素供
給システムにおいて、前記水素を搬送し得る水素ガス搬
送配管部を用いて、前記電解セルと、前記水素を貯留可
能に構成された水素分離タンクとが接続され、前記水素
ガス搬送配管部および前記水素分離タンクを介して、前
記電解セルで生成された前記水素が供給されるべく構成
されており、前記水素ガス搬送配管部には、水素ガス搬
送バルブと、前記水素ガス搬送バルブを迂回すべく形成
されたバイパス配管部とが設けられ、前記バイパス配管
部には逆止弁が設けられており、前記バイパス配管部に
対して所定の圧力が作用した場合に、前記電解セルから
前記水素分離タンクに対して前記水素を流通させるべく
前記逆止弁が開放されることを特徴とする水素・酸素供
給システム。
【請求項４】固体電解質膜によって陽極側と陰極側と
に隔離された電解セルを有し、前記電解セルに純水を供
給して前記陰極側にて水素が生成され、前記陽極側にて
酸素が生成されており、前記水素および酸素の少なくと
も一方が使用箇所に供給可能に構成された水素・酸素供
給システムにおいて、前記水素を搬送し得る水素ガス搬
送配管部を用いて、前記電解セルと、前記水素を貯留可
能に構成された水素分離タンクとが接続され、前記水素
分離タンク中の純水を前記電解セル側に循環させ得るべ
く、前記水素分離タンクには純水戻り配管部が接続され
ており、前記純水戻り配管部には、水素放出配管部を有
したガススクラバが設けられていることを特徴とする水
素・酸素供給システム。