JP2003129266A - ガス発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ガス発生装置において、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。 【解決手段】水を電気分解して水素と酸素を製造する水
電解部１と、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とを具備し、水電解部１
が、固体高分子電解質膜６を用いたセル３と、セル３を
挟むように積層されるセパレータとを具備し、前記セパ
レータは、一方の面に、前記水素と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、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
有するガス発生装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【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（１
０）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（１
１）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１
０、酸素／水出口１１、水供給部Ａ１６、水供給部Ｂ１
７、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Ａ１０
０、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Ｂ１０
１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１
５（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Ａ１
６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（ｐｅ
ｒｆｌｕｏｒｏｓｕｌｆｏｎｉｃ ａｃｉｄ ｍｅｍｂ
ｒａｎｅ）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２
２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Ｂ
３１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４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Ｂ３
１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Ｂ１
７、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Ａ４
４、純水供給弁４５、循環水ポンプ４６、第１給水弁４
７、第２給水弁４８、純水給水弁４９、純水ポンプＢ５
０、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Ｂ５
８−２、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４
９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Ａ６
０−１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Ｂ
５３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Ａ
２６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５
１、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 (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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、 を具備する、 ガス発生装置。
2. 【請求項２】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具備
   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前記水が通過する第１通路を有
   し、 前記水電解部は、概ね前記第１通路が走る方向に前記傾
   きを有する、 請求項１に記載のガス発生装置。
3. 【請求項３】前記水電解部は、前記水電解部の前記水素
   を送出する水素出口を更に具備し、 前記水素出口は、前記傾きを有する前記水電解部の高所
   側にある、 請求項２に記載のガス発生装置。
4. 【請求項４】前記セパレータは、前記第１通路を有する
   面の裏面に、前記酸素と前記水が通過する第２通路を更
   に有し、前記第１通路と前記第２通路とが概ね平行であ
   る、 請求項２又は３に記載のガス発生装置。
5. 【請求項５】前記水電解部は、前記水電解部の前記酸素
   を送出する酸素出口を更に具備し、 前記酸素出口は、前記傾きを有する前記水電解部の高所
   側にある、 請求項２乃至４のいずれか一項に記載のガス発生装置。
6. 【請求項６】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５に記載のガス発生装置。