JP6500227B2 - ガス生成装置とガス生成方法 - Google Patents

Description

本発明は、水素酸素生成装置と水素酸素生成方法に関する。特に、水を電気分解して水素と酸素を生成する装置とその方法に関するものである。

半導体の洗浄工程の水素を使用する装置、医療用機器や溶接機などで酸素を使用する装置、燃料電池のように水素と酸素を共に使用する装置では、水素や酸素に含まれる水蒸気の露点は、用途に適合した値であることが必要である。

このため供給される水素や酸素の水蒸気露点は、例えば−４０℃程度の極めて低露点にした後に、水素や酸素を使用する装置ごとに、前工程にて加湿して水蒸気の露点を調節することが一般的に行われる。

従って、従来の水を電気分解して水素や酸素を発生回収する水素酸素発生装置においては、発生する水素や酸素に含まれる水分や気体としての水蒸気を一端除去して水蒸気の露点を低下することが必要である。このため、気液分離装置や除湿器を備えていることが一般的である。

以下、図８の模式図により、従来の水素酸素発生装置８１について説明する。従来の水素酸素発生装置８１は、気体の水素や酸素の原料となる純水を製造する純水製造装置１と、純水を溜めておくための水素側および酸素側の純水タンク２ａ、２ｂと、純水の電気分解によって気体の水素と酸素を発生させる電解セル３と、気体の水素や酸素と液体の純水を分離する水素側および酸素側の気液分離装置４ａ、４ｂと、気体の水素や酸素から水滴や気体としての水蒸気を除去する水素側および酸素側の除湿器５ａ、５ｂと、水分や水蒸気が除去された気体の水素や酸素を溜めるための水素側および酸素側の貯蔵タンク６ａ、６ｂとから構成される。

図８の従来の水素酸素発生装置８１においては、水素や酸素を発生させる前に、水素側および酸素側の流路に流水状態（流水状態とは、水が循環する状態をいう）の純水を充満させる準備作業が必要である。

つまり、水素側では、水素側の純水タンク２ａからポンプ１２ａによって電解セル３の水素側流路と水素側の気液分離装置４ａの下部を純水で充満させる。同様に、酸素側では、酸素側の純水タンク２ｂからポンプ１２ｂによって電解セル３の酸素側流路と酸素側の気液分離装置４ｂの下部を純水で充満させる。なお、純水タンク２ａ、２ｂの水位は、水位センサー７ａ、７ｂとコントローラ８ａ、８ｂで制御された供給ポンプ１０ａ、１０ｂとバルブ９ａ、９ｂ、または、排水バルブ１１ａ、１１ｂによって上下限の間に維持される。

同様に、気液分離装置４ａ、４ｂの水位も、水位センサー７ｃ、７ｄとコントローラ８ｃ、８ｄで制御されたバルブ９ｃ、９ｄによって上下限の間に維持される。

このようにして、電解セル３の水素側と酸素側の流路を流水状態の純水で充満させたあと、電源装置（図示せず）によって、電解セル３の正極負極間に直流電圧をかけると負極側流路から水素が、正極側流路から酸素が発生し、発生した水素や酸素は純水とともに気液分離装置４ａ、４ｂに侵入する。気液分離装置４ａ、４ｂでは、純水中の液体部分が下部に溜まり、水素や酸素の気体部分は上部に充満する。その後、水素側および酸素側の除湿器５ａ、５ｂを通過する際に水分や気体としての水蒸気が除去され、さらに、水素側および酸素側の貯蔵タンク６ａ、６ｂにおいて貯蔵される。しかしながら、上記の従来の水素酸素発生装置８１においては、下記の問題がある。

上記の従来の水素酸素発生装置８１では、除湿器５ａ、５ｂによって水素や酸素から除去された水分が除湿器５ａ、５ｂの除湿可能上限量に近づくにつれて、除湿器５ａ、５ｂの除湿性能が低下する。このため、除湿器５ａ、５ｂから外部に水分を逃がす再生作業が必要である。そのためには、たとえば、除湿性能が低下すると電解セル３への電圧印加を停止し除湿器５ａ、５ｂを他の未使用の除湿器に交換することが必要である。

または、除湿器５ａおよび５ｂを複数個接続してバルブの作用によって１個だけを使用する状態にし、除湿可能上限量に近づくと他の未使用の除湿器１個を使用する状態にバルブを切り替えるなどの構造が必要となる。

このように、除湿器５ａ、５ｂの除湿性能維持のため大掛かりな設備を必要としたり、運用上の停止交換期間を必要とし、稼動率を向上する際の制約となる。

そこで、除湿器５ａおよび５ｂを不要とするために、気液分離装置４ａ、４ｂを冷却式にし、気液分離装置４ａ、４ｂ内で気液を分離し、かつ、水蒸気の露点を低下させる水素酸素発生装置８２が提案されている。（特許文献１）
図９の模式図に基づいて、特許文献１の水素酸素発生装置８２について説明する。
図９の水素酸素発生装置８２は、電解セル３より下流（図では上方）の構成が図８の水素酸素発生装置８１と異なっている。つまり、気液分離装置１７ａ、１７ｂの構造と、気液分離装置１７ａ、１７ｂの下流に、図８にあるような除湿器５ａ、５ｂが設置されておらず直接、貯蔵タンク６ａ、６ｂに接続されている点である。

電解セル３で発生した水素や酸素は、気液分離装置１７ａ、１７ｂの第１室１３ａ、１３ｂに充満した純水の中に送り込まれ、純水中を上昇することによって気体が分離される。この純水は、冷却装置１５ａ、１５ｂによって低温に維持されているので、純水中を上昇する間に水素や酸素内の水蒸気の露点が低下する。さらに、第１室１３ａ、１３ｂの上部空間には、冷却装置１６ａ、１６ｂが設置される。そこを通過する水素や酸素がこの冷却装置によって冷やされる。そのため、水蒸気の露点が下がる。この状態の水素および酸素が貯蔵タンク６ａ、６ｂに貯蔵される。なお、第１室１３ａ、１３ｂが満水になると純水は隔壁α、βを越えて第２室１４ａ、１４ｂに入り、さらに純水タンク２ａ、２ｂに戻される。このような特許文献１の水素酸素発生装置８２によれば、水素や酸素に含まれる水蒸気の露点を低下させるための除湿器５ａ、５ｂを設置する必要がないので、設備の大型化・煩雑さを克服し、運用上の停止交換期間が必要なくなる。

特許第３３３５５５号公報

しかしながら、上記のような特許文献１の水素酸素発生装置８２で発生させた水素や酸素を燃料電池に供給して発電させる場合には、以下のような課題がある。
・ 図９において、水素酸素発生装置８２に通電を開始した直後は、装置系内、たとえば配管７７ａ、７７ｂ、気液分離装置１７ａ、１７ｂ、貯蔵タンク６ａ、６ｂなどに空気が残留しており、貯蔵タンク６ａ、６ｂに貯蔵する水素や酸素の濃度が低下する。
・ 図９の水素側の流路において、上記のように、空気と混合した水素を燃料電池の燃料ガスとして負極に供給すると、負極内に部分電池が形成され、正極側の電位が異常に上昇して触媒が急激に劣化することが知られている。

水素ガスと空気の混合を防止するためには、例えば、図９に示すように、ハンドバルブ６７を開いて供給源６６から窒素などの不活性ガスを水素酸素発生装置８２の水素側流路に、通電事前にパージしておくことが必要である。つまり、気液分離装置１７ａや配管７７ａや貯蔵タンク６ａに残存する空気を窒素などの不活性ガスで追い出す必要がある。しかしながら、このために高濃度の窒素ガスと窒素ガスパージのための設備が必要である。さらに、水素側の流路を窒素ガスでパージできたとしても、水電解反応初期に発生した水素を貯蔵して燃料電池に供給するとパージされた窒素によって水素の濃度が低下し、純水素を燃料ガスとして使用した場合に比べて燃料電池の出力が低下する。
・ 図９の酸素側の流路において、気液分離装置１７ｂや配管７７ｂや貯蔵タンク６ｂに残存する空気によって、酸素の濃度が低下し、純酸素を酸化剤ガスとして使用した場合に比べて燃料電池の出力が低下する。

よって、本願発明の課題は、水電解反応開始直後から反応終了に至るまで、水蒸気は一定量を含むが、水素や酸素以外の気体は含まない高濃度の水素や酸素を供給できる水素酸素生成装置と水素酸素生成方法を提供することである。

上記課題を解決するため、水を電気分解し水素と酸素を生成する電解セルと、電解セルと連結され、水を供給する水タンクと、電解セルと連結され、水と、水素又は酸素とを受け取る気液分離装置と、を含む水素または酸素を発生するガス発生装置であって、気液分離装置は、第１室と第２室を有し、第１室と第２室とは隔壁によって隔てられ、第１室の下部と第２室の下部は連通しているガス発生装置を用いる。

隔壁によって第１室と第２室とに隔てられた気液分離装置のうち、第１室と第２室の下方、および、水素または酸素を貯蔵する貯蔵タンクとを水で満たし、第２室の上部に空気を閉じ込める水導入工程と、電解セルからの水素または酸素を含む水を、第１室で受け取り、第１室の上部と貯蔵タンクの上部とに水素または酸素を補集する受け取り工程と、水素または酸素で、貯蔵タンクを満たす充填工程と、を含むガス発生方法を用いる。

本発明によれば、電解セルから発生した水素および酸素は、第１室の上部と、第１室に接続した水素および酸素の貯蔵タンクの上部に捕集され、捕集された気体の容積に相当する純水が気液分離装置の第２室に移動し、第２室に予め残されていた空気を圧縮することにより、第１室および貯蔵タンク上部の水素および酸素を昇圧できる。従って、電解セルの水電解反応初期から水蒸気以外の気体を含まない純水素および純酸素を大気圧以上の圧力で貯蔵可能である。また、このように貯蔵された純水素および純酸素に含まれる水蒸気の露点は、電解セルを通過する純水の温度と同一となるので、純水の温度を適切に調節すれば、燃料電池システム内で水素や酸素を改めて加湿して使用する必要がなくなる。

本発明の実施例１のおける、水素酸素発生装置の模式図 本発明の実施例における、水素酸素発生装置内の気液分離装置の詳細図 （ａ）〜（ｇ）本発明の実施例における、水素酸素発生装置内の気液分離装置の状態遷移図 燃料電池スタックの評価装置の模式図 （ａ）〜（ｃ）ガス（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）を燃料電池評価装置に供給した場合の、ガス供給開始から電圧比安定までの経時変化を示すグラフ 本発明の実施例２のおける水素酸素発生装置の模式図 実施の形態１のガス（Ｃ）と実施の形態２のガス（Ｄ）を燃料電池評価装置に供給した場合の、ガス利用率耐性を示すグラフ 従来の、水素酸素発生装置の模式図 先行技術文献１における、水素酸素発生装置の模式図

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１における水素酸素発生装置８３の模式図である。
＜全体構成＞
図１において、実施の形態１における水素酸素発生装置８３は、特許文献１の水素酸素発生装置８２と比べ、電解セル３より下流の構成（図では上方）が異なる。また、純水タンク２ａ、２ｂに図１にあるような、純水製造装置１と供給ポンプ１０ａ、１０ｂが接続されないことが異なる。なお、説明しないものは、従来の図１，２と同様である。

つまり、実施の形態１における水素酸素発生装置８３は、主に、純水タンク２ａ、２ｂと、電解セル３と、気液分離装置１８ａ、１８ｂと、から構成される。なお、貯蔵タンク３６ａ、３６ｂは、気液分離装置１８ａ、１８ｂと一体となっている。
＜全体プロセス＞
図１において、貯蔵タンク３６ａ、３６ｂから注入された純水は、気液分離装置１８ａ、１８ｂと配管７８ａ、７８ｂを通って純水タンク２ａ、２ｂに至り、ポンプ１２ａ、１２ｂの働きによって電解セル３、さらに、配管７９ａ、７９ｂを通って気液分離装置１８ａ、１８ｂに戻される。

つまり、純水は、電解セル３と気液分離装置１８ａ、１８ｂと純水タンク２ａ、２ｂを循環する。このように純水が循環した状態で電解セル３の正負極に、電源装置（図示せず）によって直流電圧を印加すれば、電解セル３の正負極からそれぞれ酸素と水素が発生する。この酸素と水素は純水に内包されながら純水の流れとともに配管７９ａ、７９ｂを通って気液分離装置１８ａ、１８ｂに運ばれる。

＜気液分離装置１８ａ、１８ｂ＞
図２は、図１の実施の形態１の水素酸素発生装置８３における気液分離装置１８（１８ａ、１８ｂ）の詳細断面図である。気液分離装置１８において、第１室３２と第２室３４は隔壁３５によって、一部分が隔てられているが、下部は連通している。貯蔵タンク３６は、気液分離装置１８の第１室３２と、上部接続部と下部接続部の２箇所で接続金具３７を介して接続されている。

接続部にはＯリングが設置され、水素や酸素や純水が外部に漏れるのを防いでいる。第１室３２の下部には電解セル３から水素や酸素を含んだ純水が流入する入口配管３８が設置され、入口配管３８の上端は、第１室３２と第２室３４を隔てる隔壁３５の下端よりも鉛直上方に位置する。第２室３４には上部に圧力計３９とハンドバルブ４０、側面に水位目視用の水位管４１、下部にニードル弁４８とハンドバルブ５２を直列配置した枝配管７４を含む出口配管４５がとりつけられる。第１室３２の入口配管３８は、図１の電解セル３の水素側または酸素側出口と接続され、第２室３４の出口配管４５は、図１の純水タンク２ａ、２ｂの上部の配管と接続される。

＜プロセス＞
図３（ａ）〜図３（ｇ）は、図１の本発明の実施の形態１の水素酸素発生装置８３に使用される気液分離装置１８（１８ａおよび１８ｂ）の反応準備作業開始から、水素および酸素を貯める貯蔵タンク３６の満杯交換、さらに再び反応開始可能状態までの状態遷移図である。

（１）電解セル３の水電解反応事前の準備作業開始
図３（ａ）を説明する。図３（ａ）で、ハンドバルブ４０，４２，４３，４４，４６，４７を開、ニードル弁４８とハンドバルブ５２を閉とする。この状態で、貯蔵タンク３６の入口５１から純水を注入する。以下、ハンドバルブは○が開、●が閉を表す。注入した純水は気液分離部の第１室３２から第２室３４へ流れ、第２室３４の出口配管４５から図１の純水タンク２ａ、２ｂに流れる。図１の純水タンク２ａ、２ｂの上部のハンドバルブ６９ａ、６９ｂは開の状態で注入を続け、ハンドバルブ６９ａ、６９ｂを越えた時点で閉にする。

次に、図１のポンプ１２ａ、２ｂを作動させると、純水は、純水タンク２ａ、２ｂからポンプ１２ａ、１２ｂの動作により電解セル３の水素流路および酸素流路に流れ、電解セル３の各流路およびマニホールドを純水で充満させる。その後、電解セル３から気液分離装置１８（１８ａ、１８ｂ）に、図３（ａ）の入口配管３８から入り、入口配管３８の上端から溢れるようになる。

第１室３２と第２室３４の共通水面がラインＬ０まで来ると、ハンドバルブ４０を閉にして、図３（ａ）の注入作業を継続する。

図３（ｂ）を説明する。図３（ｂ）に示すように、上記の注入作業を継続して純水がハンドバルブ４４を超えて溢れるようになれば、注入作業を中止してハンドバルブ４４を閉にする。この時、第１室３２および貯蔵タンク３６に溜まった水の水頭とバランスするように第２室３４の水面はラインＬ０からラインＬ１まで上昇する。以上の操作により、第２室３４のラインＬ１より上部には空気が取り残され、装置内のほかの純水流通可能範囲は全て流水状態の純水で満水状態となる。この状態が、水電解反応を開始する状態（電解セル３の稼働）である。

（２）電解セル３の水電解反応中
図３（ｃ）を説明する。図３（ｃ）は、水電解反応（電解セル３の稼働）によって発生した水素や酸素が捕集されつつある途中の状態を示す。つまり、上記の水電解反応を開始する状態で、図１の電解セル３の正負両極間に直流電圧をかけると、電解セル３内で純水の水電解反応が生じ、負極側および正極側に各々水素と酸素が発生する。図１の電解セル３の各々の極側の純水は、水電解反応によって発生した水素および酸素を内包し、出口から排出される。純水と純水に内包された水素および酸素は電解セル３から気液分離装置１８（１８ａ、１８ｂ）に入口配管３８から入り、その上端に達すると、気体の水素や酸素は浮力によって上昇し、第１室３２と貯蔵タンク３６の連結部５０内の中空部を通って貯蔵タンク３６の上部に溜まる。

この際、純水は第１室３２や第２室３４の下部の純水と混じりあう。第２室３４内の純水は、図１のポンプ１２ａ、１２ｂの動作によって、第２室３４の出口配管４５を通って図１の純水タンク２ａ、２ｂに向かい、さらに、純水タンク２ａおよび２ｂからポンプ１２ａおよび１２ｂ自身を通過して再び図１の電解セル３へと循環する。

以降、反応が継続するにつれ、貯蔵タンク３６の上部および第１室３２の上部に溜まった水素および酸素の気相部分の体積が増加し、純水の水面が下降する。気相は貯蔵タンク３６の上から下へと拡大すると同時に連結部５０を通って第１室３２にも拡大する。これと同時に前記気相部の体積に相当する純水は第２室３４に回りこみ第２室３４の上部に取り残されていた空気相を押し縮める。つまり、水素および酸素の捕集量が増加するとともに、水素や酸素自身の圧力と空気相の圧力は上昇していく。

・ 水素および酸素の取り出し
図３（ｄ）に示すように、さらに反応が継続して、第１室３２の水素および酸素の気相下部の水面がラインＬ０に達すると、図１の電解セル３への直流電圧印加を中断して以下のような、貯蔵タンク３６の交換作業に入る。まず、ハンドバルブ４２，４３，４６，４７を閉じた状態で接続金具３７を解除してから水素および酸素が満杯となった貯蔵タンク３６をとりはずす。

図３（ｅ）に示すように、次ぎにハンドバルブ４４，４３，４６が開の状態の空の貯蔵タンク３６を第１室３２に接続し接続金具３７をセットする。さらに、入口５１から純水を注入し、水面がハンドバルブ４４を少し超えたところでハンドバルブ４４を閉にする。

（４）再び水電解反応可能開始状態へ
図３（ｆ）に示すように、この状態からハンドバルブ４２，４７を開にすると第１室３２の上部の気相と貯蔵タンク３６下部の純水が入れ替わり、第１室３２と貯蔵タンク３６の水面が同一高さとなる。この水面は、第２室３４の空気相の水面とは必ずしも同一高さではない。以上の一連の操作に亘って、貯蔵タンク３６の上部や第１室３２の上部に残された水素および酸素の圧力と、第２室３４の空気の圧力はお互いに等しく、かつ、大気よりも高い状態を維持している。

図３（ｇ）に示すように、その後、ニードル弁４８で流量を制限した状態でハンドバルブ５２を開くと、貯蔵タンク３６の上部や第１室３２の上部の高圧に維持された残留水素および酸素や、第２室３４の高圧の空気によって純水が外部へ排出され、第２室３４の純水の水面がラインＬ０になるとハンドバルブ５２を閉にして排水を停止する。

この状態が、２個目以降の貯蔵タンク３６に交換した以降の反応開始状態となる。この状態から上記の操作を繰り返せば、水素や酸素を継続的に貯蔵タンク３６に捕集することができる。また、電気分解反応によって消費される純水は、上記の図３（ｅ）の純水注入量と図３（ｇ）排水量の差によって補填される。

（５）終業作業
水素酸素生成装置の作業終了時には、図１の電解セル３への直流電圧印加を中止して、図３（ｆ）の状態で、貯蔵タンク３６の入口５１に、大気圧以下に保たれた排気専用配管（図示せず）に連通する排気ホース（図示せず）を接続し、ハンドバルブ４４を開にする。この操作により、貯蔵タンク３６や気液分離装置１８の第１室３２の上部に残存した高圧の水素や酸素は、排気ホースを通過して排気専用配管に達する。このようにして残留する水素と酸素が十分排気された後、貯蔵タンク３６と、上記排気ホースをはずし、第２室のハンドバルブ４０を開にし、さらに図１のハンドバルブ６８ａおよび６８ｂを開にすることで純水タンク２ａおよび２ｂの下部から純水流通可能範囲の純水を全部排水することができる。再び水素および酸素の生成を開始する場合は図３（ａ）の操作から開始する。

＜評価＞
図４は、燃料電池スタックの評価装置の模式図である。この評価装置で、上記実施の形態１の水素酸素生成装置を評価する。

下記の３パターンのガスを供給して発電を実施した。つまり、同一の燃料電池スタックに、３つのパターンのガスを供給して性能の違いを明らかにした。
ガス（Ａ）比較例：負極ガスとして２５％二酸化炭素を含む水素、正極ガスとして８０％の窒素を含む酸素を供給する。
ガス（Ｂ）比較例：負極ガスとして純水素、正極ガスとして純酸素を供給する。
ガス（Ｃ）実施例：負極ガスとして実施の形態１の水素酸素生成装置で生成した水素、正極ガスとして実施の形態１の水素酸素生成装置で生成した酸素を供給する。

なお、ガス（Ｃ）は、水の電解反応初期の状態に発生した水素や酸素を貯蔵タンク３６に捕集し使用した。水電解反応中においては、図１の純水タンク２ａ、２ｂのヒーター３３ａ、３３ｂを８０℃に設定した。８０℃に設定した理由は、電解セルの特性として、効率が最も高くなる温度のためである。

＜評価装置の構成＞
図４は、ガス（Ａ）からガス（Ｃ）を供給して燃料電池の性能を評価するための評価装置８５と、ガス（Ａ）の負極ガスを供給する供給装置８６ａと、ガス（Ａ）の正極ガスを供給する供給装置８６ｂと、ガス（Ｂ）の負極ガスを供給する供給装置８７ａと、ガス（Ｂ）の正極ガスを供給する供給装置８７ｂと、ガス（Ｃ）の負極ガスを供給する供給装置８８ａと、ガス（Ｃ）の正極ガスを供給する供給装置８８ｂ、とからなる。

評価装置８５は、燃料電池スタック５４と、燃料電池スタック５４から電流を取り出すインバーター５５と電流取り出し時の電圧を測定する電圧計５６と、燃料電池スタック５４から発生した熱を回収し、かつ、燃料電池スタック５４の温度を一定に保つための冷却水タンク７２および冷却水ポンプ７３と、一定の負極ガスおよび正極ガスを燃料電池スタック５４に供給するマスフローコントローラ６１ａ、６１ｂと、で構成されている。

ガス（Ａ）の負極ガスの供給装置８６ａおよび正極ガスの供給装置８６ｂは、各ガスが封入された貯蔵タンク５７ａおよび５７ｂと、各ガスを加湿する加熱バブリング式加湿器５９ａおよび５９ｂで構成した。

ガス（Ｂ）の負極ガスの供給装置８７ａ、正極ガスの供給装置８７ｂは、各ガスが封入された貯蔵タンク５８ａおよび５８ｂと、各ガスを加湿する加熱バブリング式加湿器５９ａおよび５９ｂで構成した。

ガス（Ｃ）の負極ガスの供給装置８８ａ、正極ガスの供給装置８８ｂは、実施の形態１の装置である。実施の形態１の装置の一部である、各ガスが封入された貯蔵タンク３６ａ、３６ｂとヒーター６０ａ、６０ｂとで構成した。

＜評価装置のプロセス＞
ガス（Ａ）〜ガス（Ｃ）を評価装置８５に導入するには、接続口Ａａ、Ｂａ，Ｃａをそれぞれ接続口Ｆａへ接続し、接続口Ａｂ、Ｂｂ、Ｃｂをそれぞれ接続口Ｆｂへ接続して燃料電池スタック５４に負極ガスおよび正極ガスを供給した。

この内、ガス（Ａ）とガス（Ｂ）を評価装置８５に供給する時は、加熱バブリング式加湿器５９ａ、５９ｂを６５℃まで加熱して加湿した。また、ガス（Ｃ）を評価装置８５に供給するときは、ヒーター６０ａ、６０ｂを６５℃まで加熱した。また、マスフローコントローラ６１ａ、６１ｂは、ヒーター６２ａ、６２ｂで９０℃まで加熱した。マスフローコントローラ６１ａ、６１ｂを加熱するのは、供給するガスの露点よりも高い温度に加熱し、マスフローコントローラ６１ａ、６１ｂ内部での結露による故障を防止するためである。

上記のような状態でガス（Ａ）〜ガス（Ｃ）を供給すると、燃料電池スタック５４は、開回路状態（ＯＣＶと呼ばれている）となり、その後、インバーター５５によって電流を取り出す。その際、所要の電流値になるまで段階的の電流を増加させる。この時、燃料電池スタック５４の特性として、取り出す電流の増加とともに電圧は降下する（ＩＶ特性と呼ばれる）が、最終の電流値に至って電圧値が経時的に安定すると、その電圧値が、燃料電池スタックの性能を評価する指標となる。また、発電中の燃料電池スタック５４の電圧を安定させるためには、燃料電池スタック５４の中の冷却水経路を流れる冷却水の温度を安定させる必要がある。そこで、燃料電池スタック５４への冷却水が、入り口温度６０℃、出口温度７０℃になるように、図４の熱交換器７０の設定温度と冷却水ポンプ７３の流量設定値を調節した。

＜結果＞
結果を図５（ａ）〜図５（ｃ）に示す。ガス（Ａ）〜ガス（Ｃ）を、図４の燃料電池スタック５４に供給して発電させた時の燃料電池スタック５４によって発生する電圧比を縦軸、経過時間比を横軸にとってプロットした曲線を曲線６３Ａ，６３Ｂ，６３Ｃに示す。電圧、時間とも、基準に対して、比を計算している。

各曲線において、経過時間比Ｔ０はガス流通開始点、経過時間比Ｔ１は開回路電圧（ＯＣＶとよばれる）点、であり、経過時間比Ｔ１から図４のインバーター５５による電流取り出し量を段階的に増加させ、経過時間比Ｔ２で安定電流に達している。電圧比が経過時間比Ｔ１から経過時間比Ｔ２に亘って段階的に低下しているのはこのためである。経過時間比Ｔ２以降の安定した電圧比が燃料電池スタック５４の出力比を表す。

曲線６３Ａの安定な電圧比は、約７５であるのに対し、曲線６３Ｂの安定な電圧比は約８１である。これは、ガス（Ａ）では負極に２５％二酸化炭素を含む水素を、正極に８０％の窒素を含む酸素が供給されるのに対し、ガス（Ｂ）では負極に純水素、正極に純酸素が供給されるためであり、ゲイン電圧と呼ばれる出力改善効果が現れているためである。

一方、曲線６３Ｃで示すガス（Ｃ）の曲線における安定な電圧比も約８１であり、曲線６３Ｂのものとほぼ一致している。従って、ガス（Ｃ）は、負極ガスが純水素、正極ガスが純酸素であったと考えられる。よって、本発明の実施の形態１の水素酸素発生装置によれば、電解セルの反応初期からほぼ１００％の水素と酸素を捕集できることがわかる。
（実施の形態２）
図６は本発明の実施の形態２における水素酸素発生装置８４の模式図である。
＜全体構成＞
図６に示す実施の形態２は、図１に示す実施の形態１に比べて、電解セル３と、水素側の気液分離装置１８ａ、酸素側の気液分離装置１８ｂの間に、熱交換器７５ａ、７５ｂが接続されていることが異なる。

つまり、熱交換器７５ａ、７５ｂと、チラー７６ａ、７６ｂによって電解セル３で発生した水素や酸素を内包する純水の温度を下げることで、水素や酸素自身の温度も下げてこれらの気体内に含まれる水蒸気を結露させて純水と同一化できる。

これにより、熱交換器７５ａ、７５ｂの設定温度を調整して貯蔵タンク３６ａ、３６ｂ内の水素および酸素に含まれる水蒸気の露点を、水素や酸素を利用しようとする設備で求められる値、例えば家庭用燃料電池スタックの発電反応を最適化する水蒸気の露点に合わせることができる。

＜プロセス＞
実施の形態２においては、図６の熱交換器７５ａ、７５ｂの設定温度を６５℃に設定することにより、今回用いた燃料電池スタック５４の発電反応に最適な水蒸気露点に調整した。その他、プロセスは、実施の形態１と同じであるので略する。

＜評価＞
図７は、実施の形態１で発生したガス（Ｃ）、および、実施の形態２で発生したガス（Ｄ）を用いて図４の評価装置８５で評価した結果である。

実施の形態１でガス（Ｃ）を発生させる時は、図１のヒーター３３ａ、３３ｂを８０℃に設定し、これを燃料電池スタック５４に供給する時は図４のヒーター６０ａ、６０ｂを８５℃に設定した。８０℃は、実施の形態１で効率よく水素、酸素を生成できる温度であり、８５℃は、燃料電池スタックに供給する以前に供給ガスの結露することを防止するため、８０℃から５℃上昇させるためである。

実施の形態２でガス（Ｄ）を発生させる時は図６のヒーター３３ａおよび３３ｂを８０℃に設定し、熱交換器７５ａ、７５ｂを６５℃に設定した。６５℃は、今回用いた燃料電池スタック５４の発電に最適な水蒸気露点である。

また、これを図４の燃料電池スタック５４に供給する時はヒーター６０ａ、６０ｂを８５℃に設定した。上記のいずれの場合も、図４の燃料電池スタック５４の冷却水は、入り口温度６０℃、出口温度７０℃になるように冷却水量を調整して発電を実施した。

図７において、曲線６４と曲線６５は、実施の形態１のガス（Ｃ）と実施の形態２のガス（Ｄ）を使用した場合の、横軸（経過時間比）と縦軸（電圧比）の関係であり、時間経過とともにガスの利用率を変化させた。

ここでガスの利用率とは、燃料電池で消費されるガス量と供給するガス量の比のことである。利用率８５％とは、発電に必要なガス量より１５％多いガスを供給するということである。利用率が高いということは、ガス供給量が少ないので流速が低下し、フラッディング耐性は低くなるが、利用率が高い状態でも運転可能であり、高性能といえる。

同じ利用率の８５％における曲線６４の振動幅と曲線６５のグラフの振動幅を比べると、曲線６５の振動幅が小さくなっている。

曲線６４の振動幅が大きいのは、実施の形態１のガスの水蒸気露点は８０℃であり、燃料電池スタック５４の発電温度（冷却水出入り口温度の平均値６５℃）においては相対湿度が１００％以上になり、燃料電池スタック５４の流路内で結露してフラッディングが発生して部分的かつ一時的なガス閉塞が発生しているためと考えられる。

これに対して、曲線６５の振動幅が小さいのは、実施の形態２のガスの水蒸気露点は熱交換器７５ａ、７５ｂの働きによって６５℃になっており、燃料電池スタック５４の発電温度６５℃で１００％に近い相対湿度にコントロールされているので、実施の形態１のガスと比べて結露水が少なく、フラッディングによるガス閉塞が発生しにくくなっているためと考えられる。

＜なお書き＞
なお、本発明の水素酸素発生装置は、気液分離装置を構成する２つの容器が上部では隔壁で隔てられ、下部では連通するので、一方の容器は純水で充満させ、他方は大気中の空気を密閉するように純水を供給できる。従って、純水で充満させたほうの容器の上部に電解セル３で発生した水素および酸素を捕集すれば、その容積分の純水で他方の空気を圧縮できる。従って、電解セル３の水電解反応が進むにつれて捕集された水素や酸素の圧力は上昇し、昇圧された水素や酸素を容易に脱着可能な貯蔵タンク３６に溜め、水素や酸素を使用する設備に持ち運ぶことができる。

また、電解セル３で発生した水素や酸素は、電解セル３を通過する純水の温度と同一の水蒸気露点を有するので、例えば、供給する水素や酸素が水蒸気を含むことが要求される燃料電池スタックに供給する際に改めて加湿する必要がなくなる。さらに、水素や酸素の水蒸気を減じる必要がある場合でも対応可能である。従って、水素や酸素を使用する設備に水素や酸素を供給するための水素酸素発生装置として最適なものとなる。

なお、水素、酸素両方を発生させる場合だけでなく、どちらか１方のみ発生させる装置、方法でもよい。この場合、上記装置において、水素または酸素の発生部分の機構は不要である。

本発明の水素酸素発生装置は、水素、または、酸素を供給する装置として利用できる。

１ 純水製造装置
２ａ、２ｂ 純水タンク
３ 電解セル
４ａ、４ｂ 気液分離装置
５ａ、５ｂ 除湿器
６ａ、６ｂ 貯蔵タンク
７ａ、７ｃ 水位センサー
８ａ、８ｃ コントローラ
９ａ、９ｃ バルブ
１０ａ 供給ポンプ
１１ａ 排水バルブ
１２ａ、１２ｂ ポンプ
１３ａ 第１室
１４ａ 第２室
１５ａ 冷却装置
１６ａ 冷却装置
１７ａ、１７ｂ 気液分離装置
１８、１８ａ、１８ｂ 気液分離装置
３２ 第１室
３３ａ ヒーター
３４ 第２室
３５ 隔壁
３６、３６ａ 貯蔵タンク
３７ 接続金具
３８ 入口配管
３９ 圧力計
４０ ハンドバルブ
４１ 水位管
４２、４４、５２ ハンドバルブ
４５ 出口配管
４８ ニードル弁
５０ 連結部
５１ 入口
５４ 燃料電池スタック
５５ インバーター
５６ 電圧計
５７ａ、５８ａ 貯蔵タンク
５９ａ 加熱バブリング式加湿器
６０ａ ヒーター
６１ａ マスフローコントローラ
６２ａ ヒーター
６３Ａ 曲線
６３Ｂ 曲線
６３Ｃ 曲線
６４、６５ 曲線
６６ 供給源
６７ ハンドバルブ
６８ａ、６９ａ ハンドバルブ
７０ 熱交換器
７２ 冷却水タンク
７３ 冷却水ポンプ
７４ 枝配管
７５ａ 熱交換器
７６ａ チラー
７７ａ、７７ｂ、７８ａ、７９ａ 配管
８１、８２、８３、８４ 水素酸素発生装置
８５ 評価装置
８６ａ、８６ｂ、８７ａ、８７ｂ、８８ａ、８８ｂ 供給装置
Ａａ 接続口
Ａｂ 接続口
Ｆａ 接続口
Ｆｂ 接続口
Ｌ０ ライン
Ｌ１ ライン
Ｔ０ 経過時間比
Ｔ１ 経過時間比
Ｔ２ 経過時間比

Claims (5)

1. 「水を電気分解し水素と酸素を生成する電解セルと、
   前記電解セルと連結され、前記水と、前記水素又は前記酸素とを受け取る気液分離装置と、を含む水素または酸素を発生するガス発生装置であって、
   前記気液分離装置は、第１室と第２室を有し、
   前記第１室と前記第２室とは隔壁によって隔てられ、前記第１室の下部と前記第２室の下部は連通し、
   前記電解セルと前記第１室とを連通する第１配管において、
   前記第１配管の上端が、前記第１室の下部と前記第２室の下部との連通部分よりも上方に位置し、
   さらに、水素または酸素を貯蔵する貯蔵タンクを備え、
   前記貯蔵タンクは、前記第１室の上下方向の２箇所の接続部で、前記第１室に連通し、
   前記貯蔵タンクの頂上と、前記貯蔵タンクの２箇所の接続部とには、それぞれ、バルブが配置されているガス発生装置。
2. 前記第２室の下部には、前記水タンクへ前記水を送る第２配管が位置する請求項１に記載のガス発生装置。
3. 前記第２室の上部には、外部へ開放されるバルブを有する請求項１または２に記載のガス発生装置。
4. 第１室と第２室とが隔壁によって隔てられ、前記第１室の下部と前記第２室の下方が連通している気液分離装置のうち、前記第１室と前記第２室の下方、および、水素または酸素を貯蔵する貯蔵タンクとを水で満たし、前記第２室の上部に空気を閉じ込める水導入工程と、
   電解セルと前記第１室とを連通する第１配管があり、前記第１配管の上端が、前記第１室の下部と前記第２室の下部との連通部分よりも上方に位置し、前記第１配管により、前記電解セルからの水素または酸素を含む水を、前記第１室で受け取り、前記第１室の上部と、前記第１室と上下２箇所で連通する貯蔵タンクの上部と、に前記水素または前記酸素を補集する受け取り工程と、
   前記水素または前記酸素で、前記貯蔵タンクを満たす充填工程と、を含むガス発生方法。
5. 前記受け取り工程では、
   前記水素または前記酸素が、前記第１室の上部および前記貯蔵タンクの上部に捕集され、捕集された前記水素または前記酸素の体積増加により、前記水を介して、前記空気を圧縮し、前記第１室の上部および前記貯蔵タンクの上部の前記水素または前記酸素を昇圧する請求項４記載のガス発生方法。

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