JP2006348326A - ガス発生貯蔵装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電解セルを保護した状態で、水素ガスと酸素ガスを生成し、高圧で貯蔵する。
【解決手段】タンク１３に純水Ｗ１を貯留する。タンク１４の純水Ｗ１中に電解セル１０１を設置する。電解セル１０１の第１の電極部（電極２−１側）にタンク１３内の純水Ｗ１を通し、第２の電極部（電極２−２側）にタンク１３内の純水Ｗ１を通す。すると、第１の電極部から酸素ガスが得られ、第２の電極部から水素ガスが得られる。通路Ｌ２から排出される純水から酸素ガスを分離し、タンク１３の室１７に貯蔵する。通路Ｌ３から排出される純水から水素ガスを分離し、タンク１３の室１８に貯蔵する。室１７と１８の容積比は１：２とする。室１７の液面に蓋２７を被せる。室１８の液面に蓋２８を被せる。
【選択図】 図５

Description

この発明は、固体高分子電解質膜を用いて水素ガスや酸素ガスなどのガスを生成し貯蔵するガス発生貯蔵装置に関するものである。

従来より、この種のガス発生貯蔵装置として、純水より水素ガスを生成するＨＨＥＧ（high-compressed hydrogen energy generator ）と呼ばれる装置が考えられている（非特許文献１参照）。このＨＨＥＧは、水を電気分解して水素を製造する機能と、発生した水素を圧縮する機能の両方を備えており、圧縮機を用いることなく圧縮水素を取り出せるので、装置コストを安くできるという利点に加え、昇圧するために必要な動力費を低減することができるという利点を有している。

なお、上述した非特許文献１には、ＨＨＥＧにより、１００ＭＰａ以上の高圧水素を製造することも可能である旨、記載されている。また、このＨＨＥＧにより製造された高圧水素を、次世代の燃料電池車へ使用しようすることが示唆されている。

〔電解セル〕
図１３にこのＨＨＥＧに用いられている電解セルの構造を示す。同図において、１はＰＥＭと呼ばれる厚さが０．１ｍｍ程度の固体高分子電解質膜（パーフルオロカーボンスルホン酸膜）であり、ＰＥＭ膜１の両面にはＰｔ（白金）触媒電極２−１，２−２が無電解メッキで形成され、これを多孔質給電体３−１，３−２で挟み込んだ構造とされている。また、多孔質給電体３−１が設けられたＰｔ触媒電極２−１側（第１の電極部側）にセルケース４−１を設け、多孔質給電体３−２が設けられたＰｔ触媒電極２−２側（第２の電極部側）にセルケース４−２を設け、セルケース４−１と４−２とでＰＥＭ膜１を挟み込み、この挟まれたＰＥＭ膜１の周囲の空間部にシール５を充填している。セルケース４−１には多孔質給電体３−１を介してＰｔ触媒電極２−１に通ずる通路Ｌ１とＬ２が設けられ、セルケース４−２には多孔質給電体３−２を介してＰｔ触媒電極２−２に通ずる通路Ｌ３が設けられている。

この電解セル１００において、Ｐｔ触媒電極２−１を陽極とし、Ｐｔ触媒電極２−２を陰極とし、このＰｔ触媒電極２−１，２−２間に直流電圧を印加した状態で、通路Ｌ１から多孔質給電体３−１を通してＰｔ触媒電極２−１に純水を送ると、Ｐｔ触媒電極２−１触媒層で水が電気分解して、酸素（Ｏ₂ ）とプロトン（Ｈ⁺ ）と電子が発生する（２Ｈ₂ Ｏ→Ｏ₂ ＋４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- ）。プロトンは、ＰＥＭ膜１を透過し、Ｐｔ触媒電極２−２側に移動する。陽極では、純水が酸化され（電子が引き離され）、酸素が発生する。陰極では、陽子がＰＥＭ膜１から引き剥がされ、Ｐｔ触媒電極２−２からの電子を得て、水素（Ｈ₂ ）が発生する（４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- →２Ｈ₂ ）。これにより、Ｐｔ触媒電極２−１で生成された酸素ガス（Ｏ₂ ）を含む純水が通路Ｌ２から排出され、Ｐｔ触媒電極２−２で生成された水素ガス（Ｈ₂ ）が通路Ｌ３から排出される。

〔ＨＨＥＧ〕
図１４はこの電解セル１００を用いたＨＨＥＧの構成図である。同図において、６は第１のタンク（高圧容器）、７は第２のタンク（高圧容器）であり、第１のタンク６内に電解セル１００を設け、第２のタンク７に純水を貯留している。また、第１のタンク６と第２のタンク７との間にポンプ８を設け、第２のタンク７に貯留されている純水を第１のタンク６内の電解セル１００の通路Ｌ１へ送り、電解セル１００の通路Ｌ２から排出される純水と酸素ガスを第２のタンク７に戻すようにしている。

これにより、第１のタンク６には、電解セル１００の通路Ｌ３から排出される水素ガスとともに、ＰＥＭ膜１を透過した純水が貯まる。なお、第１のタンク６には、そのタンク６内に貯蔵される水素ガスを必要に応じて放出するためのバルブ１１が設けられている。また、第２のタンク７には、そのタンク７内に貯まる酸素ガスを放出するためのバルブ１２が設けられている。

第１のタンク６の底部と第２のタンク７の底部とは、差圧解消センサ９を介してつながれている。差圧解消センサ９には、一方の圧力導入路９−１に、第１のタンク６内の純水を介してタンク６内の水素ガスの圧力Ｐｈが与えられ、他方の圧力導入路９−２に、第２のタンク７内の純水を介してタンク７内の酸素ガスの圧力Ｐｏが与えられる。差圧解消センサ９は、この水素ガスの圧力Ｐｈと酸素ガスの圧力Ｐｏとの差に応じた信号（差圧信号）を開閉制御部１０へ送る。開閉制御部１０は、差圧解消センサ９から送られてくる差圧信号を零とするように、バルブ１２の開閉を制御し、第２のタンク７内の酸素ガスの圧力を調整する。

これにより、電解セル１００のシール部５に加わる圧力と、ＰＥＭ膜１のＰｔ触媒電極２−１側（第１の電極部側）に加わる圧力と、ＰＥＭ膜１のＰｔ触媒電極２−２側（第２の電極部側）に加わる圧力とが等しくなり、ＰＥＭ膜１やシール部５に加わる圧力差がなくなる。したがって、タンク６内に貯蔵される水素ガスが高圧となっても、電解セル１００が圧力破損する虞れがなくなる。このようにして、非特許文献１に示されたＨＨＥＧでは、電解セル１００を保護した状態で、水素ガスが生成され、タンク６内に高圧で貯蔵されて行く。

NIKKEI ELECTRONICS ２００４．１０．１１、１２９〜１３５頁、「高圧水素を水の電気分解だけで製造」、原田宙幸、戸嶋健介。

しかしながら、上述した非特許文献１に示されたガス発生貯蔵装置（ＨＨＥＧ）によると、第２のタンク７内に貯まる酸素ガスを捨てて圧力の調整を行うようにしており、酸素ガスを積極的に貯蔵する構成とはなっていない。また、圧力を調整するために差圧解消センサ９などを必要とし、高コストとなる。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、差圧解消センサなどを設けることなく、また生成された酸素ガスを捨てることなく、電解セルを保護した状態で、水素ガスや酸素ガスなどのガスを生成し、高圧で貯蔵することが可能なガス発生貯蔵装置を提供することにある。

このような目的を達成するために本発明は、固体高分子電解質膜と、この固体高分子電解質膜を挾んで設けられた第１の電極部および第２の電極部とを有し、第１の電極部と第２の電極部との間に直流電圧を印加した状態で第１の電極部に通される液体から第１のガスと第２のガスを生成し、生成した第１のガスを第１の電極部から、生成した第２のガスを第２の電極部から排出する電解セルと、液体が貯留されたタンクと、電解セルの第１の電極部にタンクに貯留された液体を通す手段と、電解セルの第２の電極部にタンクに貯留された液体を通す手段と、電解セルの第１の電極部に通された液体に含まれる第１のガスを分離する第１の気液分離手段と、電解セルの第２の電極部に通された液体に含まれる第２のガスを分離する第２の気液分離手段とを設け、タンクは、第１の気液分離手段によって分離された第１のガスが貯蔵される第１の室と、第２の気液分離手段によって分離された第２のガスが貯蔵される第２の室とを有するものとし、タンクの第１の室と第２の室を、そのタンクに貯留された液体の液面をその室の内壁面の一部とし、その室に貯蔵されるガスが他の室のガスと混ざらないように分離された空間とし、タンクに貯留された液体中に電解セルを設置するようにしたものである。

例えば、本発明では、タンクに純水を貯留し、タンクに貯留された純水中に電解セルを設置する。そして、電解セルの第１の電極部と第２の電極部との間に直流電圧を印加した状態で、第１の電極部にタンクに貯留された純水を通し、第２の電極部にタンクに貯留された純水を通す。すると、電解セルでの電気分解により、第１の電極部から酸素ガスが得られ、第２の電極部から水素ガスが得られる。第１の電極部から得られる酸素ガスは、第１の電極部に通された純水とともに排出され、純水と酸素ガスとに分離され、分離された酸素ガスがタンクの第１の室に貯蔵される。第２の電極部から得られる水素ガスは、第２の電極部に通された純水とともに排出され、純水と水素ガスとに分離され、分離された水素ガスがタンクの第２の室に貯蔵される。

純水を電気分解すると、１モルの酸素ガスに対し、２モルの水素ガスが生成される（２Ｈ₂ Ｏ→２Ｈ₂ ＋Ｏ₂ ）。したがって、この発明において、タンクの第１の室に酸素ガスが１モル貯蔵されると、タンクの第２の室には２モルの水素ガスが貯蔵されることになる。ここで、タンクの第１の室と第２の室との容積比をほゞ１：２とすると、第１の室に酸素ガスが１モル貯蔵される毎に、第２の室には水素ガスが２モルずつ貯蔵されるので、第１の室に貯蔵される酸素ガスの圧力（Ｐ１ｏ）と第２の室に貯蔵される水素ガスの圧力（Ｐ１ｈ）とがほゞ等しくなり、タンク内の純水に作用するガス圧（タンク内のガス圧）Ｐ１はＰ１≒Ｐ１ｏ≒Ｐ１ｈとなる。これにより、第１の室の液面と第２の室の液面とをほゞ同じ高さに保ちつつ、第１の室に酸素ガスが貯蔵されて行き、第２の室に水素ガスが貯蔵されて行く。また、電解セルのシール部に加わる圧力と、固体高分子電解質膜の第１の電極部側に加わる圧力と、固体高分子電解質膜の第２の電極部側に加わる圧力ととがほゞ等しくなり、圧力差がなくなる。

なお、本発明では、１つのタンクに貯留された純水中へ電解セルを設置することによって、電解セルのシール部に加わる圧力と、固体高分子電解質膜の第１の電極部側に加わる圧力と、固体高分子電解質膜の第２の電極部側に加わる圧力とは必然的に同じとなる。すなわち、この発明において、タンクに貯留された純水中への電解セルの設置は、電解セルのシール部に加わる圧力と、固体高分子電解質膜の第１の電極部側に加わる圧力と、固体高分子電解質膜の第２の電極部側に加わる圧力とを同じとするために、意図的に行われるものである。この意図からすれば、タンクの第１の室と第２の室との容積比は、必ずしも１：２にしなくてもよい。しかし、容積比を１：２にしないと、ガスを貯蔵するに連れ、第１の室の液面の高さと第２の室の液面の高さとがずれ、第１の室と第２の室とを仕切る仕切板の下端よりも液面が低下してしまうなどの虞れが生じる。

本発明では、第１の室や第２の室にガスが貯蔵されて行くが、ガス圧が高圧となると、そのガスがタンク内の液体中に溶け込んで行く虞れがある。この場合、生成したガスが無駄となるし、水素ガスが液体中に溶け込むと、水素脆性による金属の腐食などの問題も生じる。そこで、本発明では、第１の室の液面にこの液面とともに上下動する第１の蓋を被せ、第２の室の液面にこの液面とともに上下動する第２の蓋を被せる。例えば、第１の室の液面に、この液面の全面を覆うように第１の蓋を浮かばせ、第２の室の液面に、この液面の全面を覆うように第２の蓋を浮かばせる。これにより、第１の蓋を介して第１の室の液面が押し下げられ、第２の蓋を介して第２の室の液面が押し下げられ、第１の室に貯蔵されるガスが第１の室の液面と直接接触しなくなり、また第２の室に貯蔵されるガスが第２の室の液面と直接接触しなくなり、貯留された液体中へのガスの溶け込みが防止される。

なお、第１の室の液面に第１の蓋を被せたり、第２の室の液面に第２の蓋を被せる代わりに、第１の室にこの室の内壁面を覆う第１の膜を設けたり、第２の室にこの室の内壁面を覆う第２の膜を設けたりしてもよい。第１の膜や第２の膜は、例えばポリエチレンの膜とし、第１の膜で囲まれた内部空間に第１の室へのガス（酸素ガス）を貯蔵し、第２の膜で囲まれた内部空間に第２の室へのガス（水素ガス）を貯蔵する。これにより、第１の室に貯蔵されるガスが第１の室の内壁面（液面を含む）と直接接触しなくなり、また第２の室に貯蔵されるガスが第２の室の内壁面（液面を含む）と直接接触しなくなり、貯留された液体中へのガスの溶け込みが防止される。
また、本発明においては、第１の電極部と第２の電極部との間に直流電圧を印加するが、この直流電圧は半波整流したものであってもよいし、全波整流したものであってもよい。

本発明によれば、電解セルをタンクに貯留された液体中に設置し、この電解セルの第１の電極部にタンクに貯留された液体を通し、第２の電極部にタンクに貯留された液体を通し、第１の電極部から第１のガス（例えば、酸素ガス）を、第２の電極部から第２のガス（例えば、水素ガス）を得るようにし、第１の電極部に通された液体に含まれる第１のガスを分離してタンクの第１の室に貯蔵するようにし、第２の電極部に通された液体に含まれる第２のガスを分離してタンクの第２の室に貯蔵するようにしたので、差圧解消センサなどを設けることなく、また生成された第１のガスを捨てることなく、電解セルのシール部に加わる圧力と、固体高分子電解質膜の第１の電極部側に加わる圧力と、固体高分子電解質膜の第２の電極部側に加わる圧力とを意図的に等しくし、電解セルを保護した状態で、酸素ガスや水素ガスなどのガスを生成し、高圧で貯蔵することが可能となる。

以下、本発明を図面に基づいて詳細に説明する。
〔実施の形態１〕
図１はこの発明の一実施の形態を示すガス発生貯蔵装置の構成図である。
同図において、タンク（高圧容器）であり、タンク１３には純水Ｗ１が貯留され、タンク１３の純水Ｗ１中には電解セル１０１が設置されている。また、タンク１３の純水Ｗ１の液面とこのタンク１３の内壁面とで囲まれた空間１５は、仕切板１６によって第１の室１７と第２の室１８とに分けられている。

図２に図１におけるタンク１３をＡ方向から見た図を示す。この図からも分かるように、タンク１３内を径方向に２つに分割する仕切板１６が設けられており、この仕切板１６の下端面よりも純水Ｗ１の液面を上方に位置させることによって、純水Ｗ１の液面をその室の内壁面の一部とし、その室に貯蔵されるガスが他の室のガスと混ざらないように分離された第１の室１７と第２の室１８とがタンク１３内に形成されている。本実施の形態において、第１の室１７と第２の室１８とは、仕切板１６の位置によって、その容積比が１：２とされている。

図３はタンク１３の純水Ｗ１中に設置された電解セル１０１の構造を示す図である。この電解セル１０１は、図１３に示した従来の電解セル１００とその基本構造は同じであるが、Ｐｔ触媒電極２−２への純水の供給路として通路Ｌ４をセルケース４−２に設けている点が異なる。なお、図３には、図１における電解セル１０１の配置に合わせ、図１３に示した電解セル１００とはその構造を左右反対として示している。

また、この構造において、ＰＥＭ膜１を挟んで向かい合う第１の電極部における純水の通路（この例では、多孔質給電体３−１）と第２の電極部における純水の通路（この例では、多孔質給電体３−２）は、その向かい合う面の形状および位置が同一とされている。すなわち、多孔質給電体３−１の長さＬＧ１と多孔質給電体３−２の長さＬＧ２とを同一とし、この同一長さの多孔質給電体３−１と３−２とを正対させている。なお、この例において、多孔質給電体３−１，３−２は直方体とされているが、必ずしも直方体でなくてもよい。

電解セル１０１の通路Ｌ１には、ポンプＰＭ１につながれたパイプＰＬ１を介してタンク１３内の純水Ｗ１を送るようにしている。また、電解セル１０１の通路Ｌ４には、ポンプＰＭ２につながれたパイプＰＬ２を介してタンク１３内の純水Ｗ１を送るようにしている。なお、ポンプＰＭ１，ＰＭ２のポンプ圧は、電解セル１０１内を通過する純水の流れができればよく、最小限のポンプ圧とすることが望まれる。このポンプ圧を高くすると、Ｐｔ触媒電極２−１への純水Ｗ１の圧力とＰｔ触媒電極２−２への純水Ｗ１の圧力との均衡が崩れ、ＰＥＭ膜１に圧力差が生じる虞れがある。

電解セル１０１の通路Ｌ２に対しては、パイプＰＬ３を介して気液分離器２０を設けており、通路Ｌ２から排出される純水に含まれる酸素を気液分離器２０で分離し、分離した酸素ガスをパイプＰＬ５を介して第１の室１７へ送る一方、酸素ガスが分離された純水をタンク１３内の純水Ｗ１に戻すようにしている。

また、電解セル１０１の通路Ｌ３に対しては、パイプＰＬ４を介して気液分離器２１を設けており、通路Ｌ３から排出される純水に含まれる水素ガスを気液分離器２１で分離し、分離した水素ガスをパイプＰＬ６を介して第２の室１８へ送る一方、酸素ガスが分離された純水をタンク１３内の純水Ｗ１に戻すようにしている。

このガス発生貯蔵装置２００では、次のようにして酸素ガスと水素ガスが生成され、生成された酸素ガスがタンク１３の第１の室１７に、生成された水素ガスがタンク１３の第２の室１８に貯蔵されて行く。

なお、図示してはいないが、本実施の形態では、タンク１３内の純水Ｗ１、タンク１３の第１の室１７に貯蔵される酸素ガス、タンク１３の第２の室１８に貯蔵される水素ガスの温度をほゞ同じ温度にするような工夫がされている。

〔ガスの生成〕
Ｐｔ触媒電極２−１を陽極とし、Ｐｔ触媒電極２−２を陰極とし、このＰｔ触媒電極２−１，２−２間に直流電圧を印加する。そして、ポンプＰＭ１，ＰＭ２を駆動し、タンク１３内の純水Ｗ１を通路Ｌ１から多孔質給電体３−１を通してＰｔ触媒電極２−１に送り、タンク１３内の純水Ｗ１を通路Ｌ４から多孔質給電体３−２を通してＰｔ触媒電極２−２に送る。

電解セル１０１内では、Ｐｔ触媒電極２−１を陽極とし、Ｐｔ触媒電極２−２を陰極とし、このＰｔ触媒電極２−１，２−２間に直流電圧を印加した状態で、通路Ｌ１から多孔質給電体３−１を通してＰｔ触媒電極２−１に純水を送ると、Ｐｔ触媒電極２−１の触媒層で水が電気分解して、酸素（Ｏ₂ ）とプロトン（Ｈ⁺ ）と電子が発生する（２Ｈ₂ Ｏ→Ｏ₂ ＋４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- ）。プロトンは、ＰＥＭ膜１を透過し、Ｐｔ触媒電極２−２側に移動する。陽極では、純水が酸化され（電子が引き離され）、酸素が発生する。陰極では、陽子がＰＥＭ膜１から引き剥がされ、Ｐｔ触媒電極２−２からの電子を得て、水素（Ｈ₂ ）が発生する（４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- →２Ｈ₂ ）。これにより、Ｐｔ触媒電極２−１で生成された酸素ガス（Ｏ₂ ）を含む純水が通路Ｌ２から排出され、Ｐｔ触媒電極２−２で生成された水素ガス（Ｈ₂ ）を含む純水が通路Ｌ３から排出される。

〔ガスの貯蔵〕
通路Ｌ２から排出された酸素ガスを含む純水はパイプＰＬ３を介して気液分離器２０へ送られる。気液分離器２０は、送られてくる純水から酸素ガスを分離し、分離した酸素ガスをパイプＰＬ５を介して第１の室１７へ送る。また、酸素ガスが分離された純水をタンク１３内の純水Ｗ１に戻す。

通路Ｌ３から排出された水素ガスを含む純水はパイプＰＬ４を介して気液分離器２１へ送られる。気液分離器２１は、その純水から水素ガスを分離し、分離した水素ガスをパイプＰＬ６を介して第２の室１８へ送る。また、水素ガスが分離された純水をパイプＰＬ７を介してタンク１３内の純水Ｗ１に戻す。

純水を電気分解すると、１モルの酸素ガスに対し、２モルの水素ガスが生成される（２Ｈ₂ Ｏ→２Ｈ₂ ＋Ｏ₂ ）。すなわち、本実施の形態において、タンク１３の第１の室１７に酸素ガスが１モル貯蔵されると、タンク１３の第２の室１８には２モルの水素ガスが貯蔵されることになる。

ここで、タンク１３の第１の室１７と第２の室１８との容積比は１：２とされており、容積比が「１」とされた第１の室１７に酸素ガスが１モル貯蔵される毎に、容積比が「２」とされた第２の室１８に水素ガスが２モルずつ貯蔵されるので、第１の室１７に貯蔵される酸素ガスの圧力Ｐ１ｏと第２の室１８に貯蔵される水素ガスの圧力Ｐ１ｈとが等しくなり、タンク１３内の純水Ｗ１に作用するガス圧（タンク内のガス圧）Ｐ１はＰ１＝Ｐ１ｏ＝Ｐ１ｈとなる。

これにより、第１の室１７における純水Ｗ１の液面と第２の室１８における純水Ｗ１の液面とを同じ高さに保ちつつ、第１の室１７に酸素ガスが貯蔵されて行き、第２の室１８に水素ガスが貯蔵されて行く。また、タンク１３の純水Ｗ１中に設置された電解セル１０１のシール部５に加わる圧力と、ＰＥＭ膜１のＰｔ触媒電極２−１側（第１の電極部側）に加わる圧力と、ＰＥＭ膜１のＰｔ触媒電極２−２側（第２の電極部側）に加わる圧力とが等しくなり、圧力差がなくなる。したがって、タンク１３内のガス圧Ｐ１が高圧となっても、電解セル１０１が圧力破損する虞れがない。このようにして、本実施の形態では、差圧解消センサなどを設けることなく、また生成された酸素ガスを捨てることなく、電解セル１０１を保護した状態で、水素ガスと酸素ガスを生成し、高圧で貯蔵して行くことができるようになる。

なお、この構成において、電解セル１０１のシール部５に加わる圧力と、ＰＥＭ膜１のＰｔ触媒電極２−１側（第１の電極部側）に加わる圧力と、ＰＥＭ膜１のＰｔ触媒電極２−２側（第２の電極部側）に加わる圧力とは必然的に同じとなる。すなわち、この構成において、タンク１３に貯留された純水Ｗ１中への電解セル１０１の設置は、電解セル１０１のシール部５に加わる圧力と、ＰＥＭ膜１のＰｔ触媒電極２−１側（第１の電極部側）に加わる圧力と、ＰＥＭ膜１のＰｔ触媒電極２−２側（第２の電極部側）に加わる圧力とを同じとするために、意図的に行われているものである。

この意図からすれば、タンク１３の第１の室１７と第２の室１８との容積比は、必ずしも１：２にしなくてもよい。しかし、容積比を１：２にしないと、ガスを貯蔵するに連れ、第１の室１７におけるガス圧Ｐ１ｏと第２の室１８におけるガス圧Ｐ１ｈとの差により、第１の室１７の液面の高さと第２の室１８の液面の高さとがずれ、第１の室１７と第２の室１８とを仕切る仕切板１６の下端よりも液面が低下してしまうなどの虞れが生じる。

また、この構成において、多孔質給電体３−１の長さＬＧ１と多孔質給電体３−２の長さＬＧ２とは同一とされ、この同一長さの多孔質給電体３−１と３−２とが正対している。すなわち、第１の電極部における純水Ｗ１の通路と第２の電極部における純水Ｗ１の通路は、ＰＥＭ膜１を挟んで向かい合う面の形状および位置が同一とされている。したがって、第１の電極部における純水Ｗ１の通路に面するＰＥＭ膜１の膜面と第２の電極部における純水Ｗ１の通路に面するＰＥＭ膜１の膜面の全てにおいて、その膜面間の圧力差が零となり、ＰＥＭ膜１の膜面間にアンバランスな圧力が加わることがない。

なお、多孔質給電体３−１は、その内部にポンプＰＭ１からの純水Ｗ１が行き渡るので、通路Ｌ１，Ｌ２の位置に拘わらず、第１の電極部における純水Ｗ１の通路となる。多孔質給電体３−２も同様に、その内部にポンプＰＭ２からの純水Ｗ１が行き渡るので、通路Ｌ３，Ｌ４の位置に拘わらず、第２の電極部における純水Ｗ１の通路となる。

〔貯蔵した酸素ガス、水素ガスの取り出し〕
タンク１３や１４に貯蔵した酸素や水素を燃料などとして使用する場合、このタンク１３や１４に貯蔵された酸素や水素を取り出すが、この場合には注意を必要とする。すなわち、第１の室１７内のガス圧Ｐ１ｏと第２の室１８内のガス圧Ｐ１ｈとを同じ値にして取り出すために、水素ガスと酸素ガスとのモル比を２：１の比率を保った状態で取り出さなければならない。この条件下で、第１の室１７内のガス圧Ｐ１ｏと第２の室１８内のガス圧Ｐ１ｈとが同じ値となる。

このような取り出し方をするために、図４に示すガス発生貯蔵装置２０１では、タンク１３の第１の室１７に貯蔵された酸素ガスを気体圧力調整弁２５を介して取り出すようにし、タンク１３の第２の室１８に貯蔵された水素ガスを気体圧力調整弁２６を介して取り出すようにしている。このガス発生貯蔵装置２０１では、例えば水素ガスと酸素ガスを燃料電池に供給するような場合、タンク１３の第１の室１７内のガス圧Ｐ１ｏと第２の室１８内のガス圧Ｐ１ｈとが同じになるように、気体圧力調整弁２５，２６の弁開度を制御する。

〔実施の形態２〕
実施の形態１では、第１の室１７に酸素ガスが、第２の室１８に水素ガスが貯蔵されて行くが、ガス圧が高圧となると、そのガスがタンク内の純水中に溶け込んで行く虞れがある。この場合、生成した酸素ガスや水素ガスが無駄となるし、水素ガスが純水中に溶け込むと、水素脆性による金属の腐食などの問題も生じる。

そこで、実施の形態２では、図５に示すように、第１の室１７の液面にこの液面とともに上下動する第１の蓋２７を被せ、第２の室１８の液面にこの液面とともに上下動する第２の蓋２８を被せている。すなわち、第１の室１７の液面に、この液面の全面を覆うように第１の蓋２７を浮かばせ、第２の室１８の液面に、この液面の全面を覆うように第２の蓋２８を浮かばせている。

これにより、第１の蓋２７を介して第１の室１７の液面が押し下げられ、第２の蓋２８を介して第２の室１８の液面が押し下げられ、第１の室１７内の酸素ガスが第１の室１７の液面と直接接触しなくなり、第２の室１８内の水素ガスが第２の室１８の液面と直接接触しなくなり、貯留された純水Ｗ１中への酸素ガスや水素ガスの溶け込みが防止される。なお、第１の蓋２７および第２の蓋２８は、高圧の酸素ガスや水素ガスを通さなければよく、金属製に限らず、樹脂製としてもよい。

なお、蓋２７，２８を設けた場合、蓋２７が第１の室１７の内壁面の一部をなし、蓋２８が第２の室１８の内壁面の一部をなすが、本発明では、タンクに貯留された液体の液面の定義として、この液体の液面に浮かばせた蓋も含むものとする。

〔実施の形態３〕
実施の形態２では、第１の室１７の液面に第１の蓋２７を被せたり、第２の室１８の液面に第２の蓋２８を被せたりしたが、図６に示すように、第１の室１７にその室の内壁面を覆う第１の膜２９を設けたり、第２の室１８にその室の内壁面を覆う第２の膜３０を設けたりしてもよい。この実施の形態３では、膜２９，３０をポリエチレンの膜とし、第１の膜２９で囲まれた内部空間に第１の室１７への酸素ガスを貯蔵するようにし、第２の膜３０で囲まれた内部空間に第２の室１８への水素ガスを貯蔵するようにしている。

これにより、第１の１７室に貯蔵される酸素ガスが第１の室１７の内壁面（液面を含む）と直接接触しなくなり、また第２の室１８に貯蔵される水素ガスが第２の室１８の内壁面（液面を含む）と直接接触しなくなり、タンク１３に貯留された純水Ｗ１中への酸素ガスや水素ガスの溶け込みが防止される。なお、第１の膜２９や第２の膜３０は、高圧の酸素ガスや水素ガスを通さず、かつ伸縮性があればよく、ポリエチレンに限らす、ゴムなどの膜としてもよい。

〔実施の形態４〕
実施の形態１〜３では、タンク１３に貯留された純水Ｗ１中にＰＥＭ膜１の膜面を重力方向とほゞ平行にして電解セル１０１を置いたが、図７に示すように、ＰＥＭ膜１の膜面を重力方向とほゞ垂直にして電解セル１０１をタンク１３に貯留された純水Ｗ１中に置くようにしてもよい。以下、ＰＥＭ膜１の膜面を重力方向とほゞ平行にして電解セル１０１を置いたタイプを縦置きタイプ、ＰＥＭ膜１の膜面を重力方向とほゞ垂直にして電解セル１０１を置いたタイプを横置きタイプと呼ぶ、

縦置きタイプでは、電解セル１０１のＰＥＭ膜１の膜面に高さの差が生じるので、ＰＥＭ膜１の膜面の上下に圧力差が生じる。この圧力差は、電解セル１０１の大きさが小さい場合には、あまり問題とはならない。しかし、電解セル１０１が大きくなると、ＰＥＭ膜１の膜面の上下の圧力差によって、ＰＥＭ膜１が破損してしまう虞れがある。

これに対し、横置きタイプでは、ＰＥＭ膜１の膜面に高さの差が生じないので、縦置きタイプのような上下の圧力差（左右の圧力差）がＰＥＭ膜１の膜面に生じることはない。したがって、電解セル１０１が大きくなっても、ＰＥＭ膜１が破損してしまう虞れがなく、より大きな電解セル１０１を使用することが可能となる。

〔実施の形態５〕
また、上述した実施の形態１〜４では、タンク１３に貯留された純水Ｗ１中に電解セル１０１を１つだけ設置するものとしたが、複数の電解セル１０１を設置するようにしてもよい。例えば、実施の形態１〜３において、図８（ａ）に示すように、電解セル１０１−１〜１０１−ｎを縦方向（水深方向）に積み重ね、これら電解セル１０１−１〜１０１−ｎから水素ガスと酸素ガスとを得るようにしてもよい。また、実施の形態４において、図９（ａ）に示すように、電解セル１０１−１〜１０１−ｎを横方向に連ね、これら電解セル１０１−１〜１０１−ｎから水素ガスと酸素ガスとを得るようにしてもよい。

この場合、電解セル１０１−１〜１０１−ｎ毎に、独立して純水の供給および酸素ガス，水素ガスの取り出しを行うようにしてもよいが、縦置きタイプの場合、図８（ｂ）に示すように、隣接する電解セル１０１の通路Ｌ１とＬ２、通路Ｌ３とＬ４とを継ぎ、最下段の電解セル１０１−１の通路Ｌ１から純水を供給することにより最上段の電解セル１０１−ｎの通路Ｌ２から酸素ガスを取り出すようにし、最下段の電解セル１０１−１の通路Ｌ４から純水を供給することにより最上段の電解セル１０１−ｎの通路Ｌ３から水素ガスを取り出すようにしてもよい。

同様に、横置きタイプの場合、図９（ｂ）に示すように、隣接する電解セル１０１の通路Ｌ１とＬ２、通路Ｌ３とＬ４とを継ぎ、最左端の電解１０１−１の通路Ｌ１から純水を供給することにより最右端の電解セル１０１−ｎの通路Ｌ２から酸素ガスを取り出すようにし、最左端の電解セル１０１−１の通路Ｌ４から純水を供給することにより最右端の電解セル１０１−ｎの通路Ｌ３から水素ガスを取り出すようにしてもよい。この場合、電解セル１０１−１〜１０１−ｎのＰＥＭ膜１の膜面には高さの差が生じないので、全ての電解セル１０１においてそのＰＥＭ膜１の膜面の左右の圧力差が生じず、電解セル１０１−１〜１０１−ｎのＰＥＭ膜１を一体化することも可能である。

また、図１０（ａ）に示すように円筒状の電解セルとしたり、図１０（ｂ）に示すように半円柱状の電解セルとしたり、図１０（ｃ）に示すように半円柱状の電解セルを積み重ねたりするなどとしてもよい。なお、図１０において、太線はＰＥＭ膜を示している。

また、上述した実施の形態１〜５では、電解セル１０１を用いて純水から水素ガスと酸素ガスを生成するようにしたが、同様の原理で他の液体から他のガスを生成できるような場合にも適用することが可能である。すなわち、本発明において、液体は純水に限られるものではなく、生成するガスも水素ガスや酸素ガスに限られるものではない。この場合、生成するガスのモル比に合わせて、タンク１３の第１の室１７と第２の室１８との容積比を１：ｎとする。また、取り出した水素ガスや酸素ガスは、燃料電池用としての使用に限られるものではなく、生成した酸素を医療用として使用するようにしてもよい。

〔ガス発生貯蔵装置の応用例〕
本発明に係るガス発生貯蔵装置の応用として新エネルギー（風量発電や太陽光発電）とのハイブリット化を考えることができる。

〔応用例１：パラレル的なハイブリット化〕
風力発電は、風量に依存するので、定常的な発電は望めない。そこで、図１１に示すように、風力発電機３０３によって余剰に発電した電気（余剰発電量）を本発明に係るガス発生貯蔵装置２００に与え、酸素ガスと水素ガスとして高圧で貯蔵する。ガス発生貯蔵装置２００の後段には燃料電池４００を接続し、風力発電量が少なくなった時に、加算器５００により燃料電池による発電を風力発電による発電に加算することで、風力発電の安定化を図る。

〔応用例２：シリアル的なハイブリット化〕
風力発電は、風量に依存するので、定常的な発電は望めない。そこで、図１２に示すように、風力発電機３００によって発電した電気を本発明に係るガス発生貯蔵装置２００に与え、酸素ガスと水素ガスとして高圧で貯蔵する。ガス発生貯蔵装置２００の後段には燃料電池４００を接続し、必要に応じてガス発生貯蔵装置２００から燃料電池５００へ水素と酸素を供給し、発電を行う。

この構成では、風量発電がメインではなく、燃料電池５００による発電が主となる。風力発電から見ると、パラレル的なハイブリッド化ではなく、シリアル的なハイブリット化となる。なお、燃料電池５００において生じる排熱は、給湯などに使用することができる。また、ガス発生貯蔵装置２００における酸素ガスと水素ガスとの貯蔵には、風力発電機３００からの電力に加え、夜間電力を利用するようにしてもよい。

本発明の一実施の形態（実施の形態１）を示すガス発生貯蔵装置の構成図である。 図１におけるタンクをＡ方向から見た図である。 このガス発生貯蔵装置に用いる電解セルの構造図である。 酸素ガスと水素ガスの取り出し方に工夫を加えたガス発生貯蔵装置の構成図である。 本発明の他の実施の形態（実施の形態２）を示すガス発生貯蔵装置の構成図である。 本発明の他の実施の形態（実施の形態３）を示すガス発生貯蔵装置の構成図である。 本発明の他の実施の形態（実施の形態４）を示すガス発生貯蔵装置の構成図である。 電解セルを縦方向（水深方向）に積み重ねた例を示す図である。 電解セルを横方向に連ねた例を示す図である。 電解セルの他の例を示す図である。 本発明に係るガス発生貯蔵装置の応用例１を示す図である。 本発明に係るガス発生貯蔵装置の応用例２を示す図である。 従来のガス発生貯蔵装置（ＨＨＥＧ）に用いられている電解セルの構造図である。 従来のガス発生貯蔵装置（ＨＨＥＧ）の構成図である。

符号の説明

１…ＰＥＭ膜（固体高分子電解質膜）、２−１，２−２…Ｐｔ触媒電極、３−１，３−２…多孔質給電体、４−１，４−２…セルケース、５…シール、Ｌ１〜Ｌ４…通路、１３…タンク、１６…仕切板、１７…第１の室、１８…第２の室、ＰＬ１〜ＰＬ６…パイプ、２０，２１…気液分離器、２５，２６…気体圧力調整弁、２７…第１の蓋、２８…第２の蓋、２９…第１の膜、３０…第２の膜、１０１（１０１−１〜１０１−ｎ）…電解セル、２００〜２０４…ガス発生貯蔵装置。

Claims (6)

1. 固体高分子電解質膜と、この固体高分子電解質膜を挾んで設けられた第１の電極部および第２の電極部とを有し、前記第１の電極部と前記第２の電極部との間に直流電圧を印加した状態で前記第１の電極部に通される液体から第１のガスと第２のガスを生成し、生成した第１のガスを前記第１の電極部から、生成した第２のガスを前記第２の電極部から排出する電解セルと、
   前記液体が貯留されたタンクと、
   前記電解セルの第１の電極部に前記タンクに貯留された液体を通す手段と、
   前記電解セルの第２の電極部に前記タンクに貯留された液体を通す手段と、
   前記電解セルの第１の電極部に通された液体に含まれる前記第１のガスを分離する第１の気液分離手段と、
   前記電解セルの第２の電極部に通された液体に含まれる前記第２のガスを分離する第２の気液分離手段とを備え、
   前記タンクは、
   前記第１の気液分離手段によって分離された第１のガスが貯蔵される第１の室と、
   前記第２の気液分離手段によって分離された第２のガスが貯蔵される第２の室とを有し、
   前記タンクの第１の室と第２の室は、そのタンクに貯留された液体の液面をその室の内壁面の一部とし、その室に貯蔵されるガスが他の室のガスと混ざらないように分離された空間とされ、
   前記電解セルは、前記タンクに貯留された液体中に設置されている
   こと特徴とするガス発生貯蔵蔵置。
2. 請求項１に記載されたガス発生貯蔵蔵置において、
   前記タンクの第１の室と第２の室とはその容積比がほゞ１：ｎとされている
   ことを特徴とするガス発生貯蔵蔵置。
3. 固体高分子電解質膜と、この固体高分子電解質膜を挾んで設けられた第１の電極部および第２の電極部とを有し、前記第１の電極部と前記第２の電極部との間に直流電圧を印加した状態で前記第１の電極部に通される純水から酸素ガスと水素ガスを生成し、生成した酸素ガスを前記第１の電極部から、生成した水素ガスを前記第２の電極部から排出する電解セルと、
   前記純水が貯留されたタンクと、
   前記電解セルの第１の電極部に前記タンクに貯留された純水を通す手段と、
   前記電解セルの第２の電極部に前記タンクに貯留された純水を通す手段と、
   前記電解セルの第１の電極部に通された純水に含まれる前記酸素ガスを分離する第１の気液分離手段と、
   前記電解セルの第２の電極部に通された純水に含まれる前記水素ガスを分離する第２の気液分離手段とを備え、
   前記タンクは、
   前記第１の気液分離手段によって分離された酸素ガスが貯蔵される第１の室と、
   前記第２の気液分離手段によって分離された水素ガスが貯蔵される第２の室とを有し、
   前記タンクの第１の室と第２の室は、そのタンクに貯留された純水の液面をその室の内壁面の一部とし、その室に貯蔵されるガスが他の室のガスと混ざらないように分離された空間とされ、
   前記電解セルは、前記タンクに貯留された純水中に設置されている
   ことを特徴とするガス発生貯蔵蔵置。
4. 請求項３に記載されたガス発生貯蔵蔵置において、
   前記タンクの第１の室と第２の室とはその容積比がほゞ１：２とされている
   ことを特徴とするガス発生貯蔵蔵置。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載されたガス発生貯蔵装置において、
   前記第１の室の液面にこの液面とともに上下動する第１の蓋が被せられ、
   前記第２の室の液面にこの液面とともに上下動する第２の蓋が被せられている
   ことを特徴とするガス発生貯蔵蔵置。
6. 請求項１〜４の何れか１項に記載されたガス発生貯蔵装置において、
   前記第１の室にこの室の内壁面を覆う第１の膜が設けられ、
   前記第２の室にこの室の内壁面を覆う第２の膜が設けられ、
   前記第１の膜で囲まれた内部空間に前記第１の室へのガスが貯蔵され、
   前記第２の膜で囲まれた内部空間に前記第２の室へのガスが貯蔵される
   ことを特徴とするガス発生貯蔵蔵置。
   

Images