JP7093079B2 - 水素及び酸素生成システム並びに水素及び酸素生成方法 - Google Patents

水素及び酸素生成システム並びに水素及び酸素生成方法 Download PDF

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Description

本発明は、水素及び酸素生成システム並びに水素及び酸素生成方法に関する。
水素及び酸素を生成する方法には、水の電気分解が知られている。水を電気分解するシステムとしては、電極部において隔膜で分離されたアノード室とカソード室とを有し、アノード室から液体の水を含まない酸素が得られ、供給される水が存在するカソード室から水素が得られる形態が知られている（例えば特許文献１）。
特開２００６－１３１９５７号公報
特許文献１に記載のシステムでは、水素の生成反応がカソードの表面で起こるため、生成した水素の気泡がカソードの表面に堆積し、カソードと供給水の接触面積が減少することで、電気分解の効率が低下する可能性があることに鑑み、供給水を循環させ、流れを作ることで膜表面から水素を剥離・除去している。また、特許文献１に記載のシステムでは、供給水中に生成した水素が存在する可能性があるため、電気分解の逆反応が生じてしまうことで、電気分解の効率が低下する可能性があることに鑑み、遠心分離による水素と供給水の気液分離をしている。このため、特許文献１に記載のシステムは、供給水の循環設備並びに遠心分離設備により、肥大になってしまうという問題があった。
また、特許文献１に記載のシステムでは、水素及び酸素の生成量が少ない場合、必要な供給水量が小さくなり、水を供給するポンプが断続的に起動と停止を繰り返す状態となることで、水の送液に脈動が生じ、水の供給が不安定となり、システム制御が困難となる可能性があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、供給水の循環設備並びに遠心分離設備により肥大化することを低減し、なおかつ、水の供給の不安定さを低減することができる水素及び酸素生成システム並びに水素及び酸素生成方法を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、水素及び酸素生成システムは、供給された水を電気分解して水素及び酸素を生成し、生成された水素及び酸素をそれぞれ別々の生成ガスとして排出する電解セルと、水を貯留する水貯留室及び蓄圧ガスが供給されるガス室が弾性体膜で隔てられて設けられ、前記水貯留室に貯留した水を前記ガス室における前記蓄圧ガスの圧力に応じた移送圧力で前記電解セルに向けて移送するアキュミュレータと、前記水貯留室に水を供給する水供給部と、前記ガス室に前記蓄圧ガスを供給するガス供給部と、を含むことを特徴とする。
この構成によれば、供給された水を電気分解して水素及び酸素を生成し、生成された水素及び酸素をそれぞれ別々の生成ガスとして排出する電解セルを用いるため、水素の気泡がカソードの表面に堆積したり、供給された水に水素が残存した状態となったりすることが大幅に低減されるので、供給水の循環設備並びに遠心分離設備を必要としなくなり、システムの肥大化を低減することができる。また、アキュミュレータにより供給する水の移送圧力を制御するため、水の送液に脈動が生じることが低減されるので、水の供給の不安定さを低減することができる。
この構成において、前記ガス供給部は、前記電解セルで水を電気分解して生成したいずれか一方の前記生成ガスを、前記蓄圧ガスとして前記ガス室に供給することが好ましい。この構成によれば、生成ガスの資源を有効に活用することができる。
ガス供給部が生成ガスを蓄圧ガスとして供給する構成において、前記ガス供給部は、前記ガス室から排気された前記蓄圧ガスを、前記ガス室に供給していた前記生成ガスの送気配管へ合流させることが好ましい。この構成によれば、生成ガスの資源をさらに有効に活用することができる。
一方、ガス供給部が生成ガスを蓄圧ガスとして供給しない構成において、前記ガス供給部は、備蓄ガスを、前記蓄圧ガスとして前記ガス室に供給することが好ましい。この構成によれば、生成ガスを蓄圧ガスとして供給することが困難な場合や、生成ガスを蓄圧ガスとして供給することを望まない場合においても、肥大化することが低減でき、なおかつ、水の供給の不安定さを低減することができる形態を好適に使用することができる。
ガス供給部が備蓄ガスを蓄圧ガスとして供給する構成において、前記備蓄ガスは、窒素であり、前記ガス供給部は、前記ガス室から排気された窒素を、前記電解セルで水を電気分解して生成した酸素の送気配管へ合流させることが好ましい。この構成によれば、備蓄ガスの資源を有効に活用することができる。
これらの構成において、前記アキュミュレータの前記水貯留室と前記電解セルとの間の水の移送配管に配設され、前記アキュミュレータから移送された水を前記電解セルに向けて移送する移送ポンプをさらに含み、前記移送ポンプは、水の入口と出口とを接続するケーシングと、前記ケーシングの内部に配設された羽根車とを有し、前記ケーシングの内壁と前記羽根車の先端との間隙距離を所定の距離とすることで、水の移送圧力の上限を所定の圧力としたことが好ましい。この構成によれば、移送圧力に上限を設定することで、水の送液に脈動が生じることがより低減されるので、水の供給の不安定さをより低減することができる。
これらの構成において、前記電解セルのインピーダンスを計測するインピーダンス計測器をさらに含み、前記インピーダンス計測器が計測した前記インピーダンスに基づいて、前記電解セルに移送する水の移送圧力を変更することが好ましい。この構成によれば、水の供給の不安定さをさらに低減することができるとともに、電解セルの劣化を抑制することができ、水素及び酸素の生成に係る消費エネルギーの増大を抑制することができる。
これらの構成において、前記電解セルが生成した前記生成ガスを除湿する除湿器をさらに含むことが好ましい。この構成によれば、生成ガスに含まれる飽和蒸気圧分の水蒸気を除去することで、温度が低下した際に結露して水滴が発生することを抑制することができる。
また、上述した課題を解決し、目的を達成するために、水素及び酸素生成方法は、アキュミュレータにおいて蓄圧ガスが供給されるガス室と弾性体膜で隔てられて設けられた水を貯留する水貯留室に、水供給部から水を供給することにより、前記水貯留室に水を貯留する水貯留ステップと、前記ガス室に、ガス供給部から蓄圧ガスを供給することにより、前記ガス室における蓄圧ガスの圧力を調整するガス圧力調整ステップと、前記ガス圧力調整ステップで調整した蓄圧ガスの圧力に応じた移送圧力で、前記水貯留ステップで貯留した水を電解セルに向けて移送し、前記電解セルに供給された水を前記電解セルで電気分解して水素及び酸素を生成し、生成された水素及び酸素をそれぞれ別々の生成ガスとして排出する電気分解ステップと、を有することを特徴とする。
この構成によれば、アキュミュレータにおいて実行する水貯留ステップ及びガス圧力調整ステップにより、供給する水の移送圧力を制御するため、水の送液に脈動が生じることが低減されるので、水の供給の不安定さを低減することができる。また、電解セルにおいて実行する電気分解ステップにより、供給された水を電気分解して水素及び酸素を生成し、生成された水素及び酸素をそれぞれ別々の生成ガスとして排出するため、水素の気泡がカソードの表面に堆積したり、供給された水に水素が残存した状態となったりすることが大幅に低減されるので、供給水の循環設備並びに遠心分離設備を必要としなくなり、システムの肥大化を低減することができる。
この構成において、前記電解セルのインピーダンスを計測し、計測した前記インピーダンスに基づいて前記移送圧力を変更する移送圧力変更ステップと、をさらに有することが好ましい。この構成によれば、水の供給の不安定さをさらに低減することができるとともに、電解セルの劣化を抑制することができ、水素及び酸素の生成に係る消費エネルギーの増大を抑制することができる。
図１は、第１の実施形態に係る水素及び酸素生成システムの一例を示す概略構成図である。 図２は、図１の水素及び酸素生成システムの制御ブロック図である。 図３は、第１の実施形態に係る水素及び酸素生成方法のフローの一例を示すフローチャートである。 図４は、第２の実施形態に係る水素及び酸素生成システムの一例を示す概略構成図である。 図５は、図４の水素及び酸素生成システムの制御ブロック図である。 図６は、第３の実施形態に係る水素及び酸素生成システムの一例を示す概略構成図である。 図７は、図６の水素及び酸素生成システムの移送ポンプの一例を示す概略構成図である。 図８は、図６の水素及び酸素生成システムの制御ブロック図である。
以下に、本発明に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。
［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る水素及び酸素生成システム１０の一例を示す概略構成図である。水素及び酸素生成システム１０は、図１に示すように、電解セル２０と、アキュミュレータ３０と、水供給部４０と、ガス供給部５０を、を含む。
電解セル２０は、図１に示すように、触媒膜２１と、第１ガス拡散電極２２と、第２ガス拡散電極２３と、水供給室２４と、第１生成ガス排出室２５と、第２生成ガス排出室２６と、調温器２７と、インピーダンス計測器２８と、を備える。
触媒膜２１は、電解質を有する触媒が膜状に形成されたものであり、一方の面のうち第１ガス拡散電極２２が設けられていない領域に設けられた水供給室２４から水が供給され、供給された水を触媒において電気分解して水素（Hydrogen、Ｈ２）及び酸素（Oxygen、Ｏ２）を生成し、それぞれ別々の生成ガスとして排出する。水供給室２４は、水の移送配管１１によりアキュミュレータ３０の水貯留室３３と連通されており、水の移送配管１１を介してアキュミュレータ３０の水貯留室３３から水が供給される。水供給室２４は、図１では上下に分離して描かれているが、具体的には、触媒膜２１の一方の面の外周部にループして設けられており、このため、水の移送配管１１を介して供給された水が、水供給室２４を循環して、場所に依る温度差を低減することができる。
第１ガス拡散電極２２は、触媒膜２１の一方の面の一部に設けられており、水を電気分解する際にカソードとして機能し、電気分解によって生成された生成ガスの一方である水素を、液体の水を含まない状態で、第１ガス拡散電極２２の触媒膜２１とは反対側に設けられた第１生成ガス排出室２５に向けて排出する。第１生成ガス排出室２５は、第１ガスである水素の送気配管１２が連通されており、水素の送気配管１２を通って第１生成ガス排出室２５から排出先または再利用先に向けて水素が送られる。
第２ガス拡散電極２３は、触媒膜２１の他方の面の全体に設けられており、水を電気分解する際にアノードとして機能し、電気分解によって生成された生成ガスの他方である酸素を、液体の水を含まない状態で、第２ガス拡散電極２３の触媒膜２１とは反対側に設けられた第２生成ガス排出室２６に向けて排出する。第２生成ガス排出室２６は、第２ガスである酸素の送気配管１３が連通されており、酸素の送気配管１３を通って第２生成ガス排出室２６から排出先または再利用先に向けて酸素が送られる。
触媒膜２１において、図１で（１）で示されているカソードとして機能する第１ガス拡散電極２２側の領域では、以下の式（１）に従う電気分解反応に基づき、水素を生成する。また、触媒膜２１において、図１で（２）で示されているアノードとして機能する第２ガス拡散電極２３側の領域では、以下の式（２）に従う電気分解反応に基づき、水素を生成する。
２Ｈ＋＋２ｅ－→Ｈ２ ・・・ 式（１）
Ｈ２Ｏ→（１／２）Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ－ ・・・ 式（２）
調温器２７は、水供給室２４に向けて設けられており、水供給室２４、第１生成ガス排出室２５及び第２生成ガス排出室２６を形成する電解セル２０の筐体２９を通じて、水供給室２４に供給された水の温調を行うことができ、これにより、場所に依る温度差を低減することができる。調温器２７は、ペルチェ式等のチラーまたはヒーターが例示されるが、その他の加熱器及び冷却器の組み合わせも、適宜用いることができる。なお、電解セル２０が、水の電気分解の吸熱エネルギーと、水の電気分解時に発生する発熱エネルギーと、のバランスが等しくなるような条件下で運転することで、調温器２７は、省略または最小化することができる。
電解セル２０は、所々に温度を計測する熱電対２０ａ（図２参照）を挿入する図示しない穴が設けられている。このため、電解セル２０は、各部の温度をリアルタイムで計測することができる。調温器２７により水供給室２４に供給された水の調温を行う際には、これらの計測される各部の温度の情報が、適宜用いられる。
インピーダンス計測器２８は、電解セル２０の触媒膜２１に対して設けられ、電解セル２０の触媒膜２１のインピーダンスを計測することができる。インピーダンス計測器２８は、触媒膜２１が、供給された水の含有量が少なくなればなるほど、インピーダンスが上昇する性質を有するので、触媒膜２１における水の含有量を間接的に測定することができる。
水の移送配管１１は、電解セル２０の水供給室２４とアキュミュレータ３０の水貯留室３３との間を連通し、アキュミュレータ３０の水貯留室３３から電解セル２０の水供給室２４に向けて水を移送して供給する。水の移送配管１１は、図１に示すように、流量調整弁１４と、真空排気ライン１５と、圧力計１６と、が設けられている。
流量調整弁１４は、水の移送配管１１の内部を開放した状態と閉鎖した状態とを切り替えることにより、水の移送配管１１を通って水を移送する状態と、水の移送を停止した状態とを切り替える。流量調整弁１４は、また、水の移送配管１１の内部における流量調整弁１４の開放度合いを変更することにより、水の移送配管１１を通って水を移送する圧力を変更する。
真空排気ライン１５は、水の移送配管１１から枝分かれして設けられ、水の移送配管１１と連通するか否かを切り替え可能な排気弁１５ａと、内部を通過するガスから水蒸気を除去することで除湿する除湿器１５ｂとが設けられており、例えば、初期起動の際の装置内部への水の真空充填、水の電気分解を停止した状態下で、水の移送配管１１の内部を真空にして清浄化する際等に使用される。除湿器１５ｂは、内部の回転部に水滴を捕捉するドラッグポンプ、または、水滴を捕捉する吸着材を詰め込んだ筐体等が例示される。圧力計１６は、水の移送配管１１の内部の水圧または気圧を計測する。
水素の送気配管１２は、図１に示すように、第１生成ガス排出室２５に連通して設けられており、触媒膜２１において水を電気分解して生成した水素を送気する。水素の送気配管１２は、水素の排出先または再利用先と連通している。水素の送気配管１２は、内部を通過する水素を主とする生成ガスから水蒸気を除去することで除湿する、図示しない除湿器が設けられていても良い。水素の送気配管１２に設けられる除湿器は、上記した除湿器１５ｂと同様に、ドラッグポンプまたは吸着材を詰め込んだ筐体等が例示される。
酸素の送気配管１３は、図１に示すように、第２生成ガス排出室２６に連通して設けられており、触媒膜２１において水を電気分解して生成した酸素を送気する。酸素の送気配管１３は、酸素の排出先または再利用先と連通している。酸素の送気配管１３は、水素及び酸素生成システム１０が宇宙空間で利用される場合、例えば、キャビンへ向けて生成した酸素を放出するように設けられる。酸素の送気配管１３は、窒素ガス供給部１３ａと、水素センサ１３ｂと、除湿器１３ｃと、蓄圧ガス供給調整弁１７と、蓄圧ガス排気部１８と、が設けられている。
窒素ガス供給部１３ａは、窒素（Nitrogen、Ｎ２）を供給する窒素ガス源と酸素の送気配管１３とを連通するか否かを切り替えることができ、これにより、酸素の送気配管１３へ窒素ガスを供給する状態と窒素ガスの供給を停止した状態とを切り替える。窒素ガス供給部１３ａは、酸素の送気配管１３の内部を通過する酸素を主とする生成ガスにおける水素濃度が閾値より高い場合等の緊急時に、酸素と水素との間で起こり得る燃焼反応を抑制するために、酸素の送気配管１３に窒素ガスを供給する。
水素センサ１３ｂは、酸素の送気配管１３の内部を通過する酸素を主とする生成ガスに含まれる水素を検知することで、この生成ガスの水素濃度を計測する。除湿器１３ｃは、酸素の送気配管１３の内部を通過する酸素を主とする生成ガスから水蒸気を除去することで除湿するものであり、ドラッグポンプまたは吸着材を詰め込んだ筐体等が例示される。
水素及び酸素生成システム１０は、第１の実施形態では、ガス供給部５０が、電解セル２０で水を電気分解して生成した酸素を、蓄圧ガスとしてアキュミュレータ３０のガス室３４に供給する形態である。このため、酸素の送気配管１３は、第１の実施形態では、蓄圧ガス供給調整弁１７を介してガス供給部５０のガス供給配管５１が接続されており、蓄圧ガス排気部１８を介してガス供給部５０のガス排気配管５２が接続されている。
蓄圧ガス供給調整弁１７は、酸素の送気配管１３の内部を開放した状態と閉鎖した状態とを切り替えることにより、酸素の送気配管１３を通って酸素を主とする生成ガスを送気する状態と、酸素を主とする生成ガスの送気を停止した状態とを切り替える。蓄圧ガス供給調整弁１７は、また、酸素の送気配管１３とガス供給配管５１とを連通するか否かを切り替えることができ、これにより、酸素の送気配管１３からガス供給配管５１へ蓄圧ガスとして酸素を主とする生成ガスを供給する状態と、酸素を主とする生成ガスの供給を停止した状態とを切り替える。蓄圧ガス供給調整弁１７は、さらに、酸素の送気配管１３からガス供給配管５１へ向けた蓄圧ガス供給調整弁１７の開放度合いを変更することにより、酸素の送気配管１３からガス供給配管５１へ向けた酸素を主とする生成ガスを送気する圧力を変更する。
蓄圧ガス排気部１８は、酸素の送気配管１３において蓄圧ガス供給調整弁１７よりも下流側に設けられており、元々酸素を主とする生成ガスである、ガス排気配管５２から排気された蓄圧ガスを、酸素の送気配管１３へ合流させる。
なお、水素及び酸素生成システム１０は、第１の実施形態では、ガス供給部５０が、電解セル２０で水を電気分解して生成した酸素を、蓄圧ガスとしてアキュミュレータ３０のガス室３４に供給する形態であるが、本発明はこれに限定されず、ガス供給部５０が、電解セル２０で水を電気分解して生成した水素を、蓄圧ガスとしてアキュミュレータ３０のガス室３４に供給する形態であってもよい。この場合、酸素の送気配管１３に代えて、水素の送気配管１２が、ガス供給部５０のガス供給配管５１及びガス排気配管５２と接続する形態となる。ガス供給部５０が電解セル２０で水を電気分解して生成した水素を蓄圧ガスとしてアキュミュレータ３０のガス室３４に供給する形態は、水素が還元雰囲気を作り出すため、ガス供給部５０の各配管及びアキュミュレータ３０のガス室３４の酸化を抑制することができる。
アキュミュレータ３０は、図１に示すように、楕円球状の本体３１と、弾性体膜３２と、を備えており、本体３１の内部空間に弾性体膜３２で隔てられてそれぞれ形成された水貯留室３３と、ガス室３４と、水体積センサ３５を備える。
水貯留室３３は、水を貯留する空間であり、貯留する水が供給される入口３３ａと、貯留された水を移送する出口３３ｂとを、それぞれアキュミュレータ３０の本体３１に備えている。ガス室３４は、蓄圧ガスが供給される空間であり、蓄圧ガスが供給される入口３４ａと、供給された蓄圧ガスを排気する出口３４ｂとを、それぞれアキュミュレータ３０の本体３１に備えている。アキュミュレータ３０は、水貯留室３３に貯留した水を、ガス室３４における蓄圧ガスの圧力に応じた移送圧力で電解セル２０に向けて移送する。
水貯留室３３は、入口３３ａで水供給部４０の水供給配管４１が接続されており、水供給部４０から水が供給される。水貯留室３３は、出口３３ｂで水の移送配管１１により電解セル２０の水供給室２４と連通されており、水の移送配管１１を介して電解セル２０の水供給室２４へ水を移送し、供給する。
ガス室３４は、入口３４ａでガス供給部５０のガス供給配管５１により酸素の送気配管１３と連通されており、酸素の送気配管１３からガス供給配管５１を介して、蓄圧ガスとして酸素の送気配管１３を通過していた酸素を主とする生成ガスが供給される。ガス室３４は、出口３４ｂでガス供給部５０のガス排気配管５２により酸素の送気配管１３と連通されており、ガス排気配管５２を介して酸素の送気配管１３へ蓄圧ガスを排気する。
水貯留室３３に供給された水の貯留量、及び、ガス室３４に供給された蓄圧ガスの蓄積量に応じて、弾性体膜３２が伸縮することで、水貯留室３３の体積及びガス室３４の体積は変化する。水体積センサ３５は、アキュミュレータ３０の本体３１に設けられており、弾性体膜３２が伸縮することによって変化する水貯留室３３の体積を検出することで、水貯留室３３に貯留された水の体積を検出する。
水供給部４０は、図１に示すように、水供給配管４１と、水供給源４２と、脱塩塔４３と、フィルタ４４と、ポンプ４５と、水供給弁４６とを備え、水貯留室３３に水を供給する。水供給配管４１は、水供給源４２とアキュミュレータ３０の水貯留室３３の入口３３ａとを連通している。水供給配管４１は、水供給源４２から入口３３ａに向かって順次、脱塩塔４３と、フィルタ４４と、ポンプ４５と、水供給弁４６とが設けられている。
脱塩塔４３は、水供給源４２から供給される水に含まれる塩を除去することで、水の純度を高めて、電解セル２０で塩が分解される反応を低減する。フィルタ４４は、水供給源４２から供給される水に含まれる不純物等を除去することで、水の純度を高める。ポンプ４５は、電源のオンオフを切り替えることで、水供給源４２からアキュミュレータ３０の水貯留室３３の入口３３ａへ向けて水を送液する状態と、水の送液を停止した状態とを切り替える。水供給弁４６は、水供給配管４１の内部を開放した状態と閉鎖した状態とを切り替えることにより、水供給配管４１を通って水供給源４２からアキュミュレータ３０の水貯留室３３の入口３３ａへ水を供給する状態と、水の供給を停止した状態とを切り替える。
ガス供給部５０は、図１に示すように、ガス供給配管５１と、ガス排気配管５２と、圧力計５３と、排気弁５４と、リリーフ弁５５とを備え、ガス室３４に蓄圧ガスを供給する。ガス供給部５０は、ガス供給配管５１が蓄圧ガス供給調整弁１７を介して酸素の送気配管１３と接続されており、ガス排気配管５２が蓄圧ガス排気部１８を介して酸素の送気配管１３と接続されている。
ガス供給配管５１は、酸素の送気配管１３とアキュミュレータ３０のガス室３４の入口３４ａとを連通している。圧力計５３は、ガス供給配管５１に設けられており、ガス供給配管５１の内部の気圧、すなわちアキュミュレータ３０のガス室３４の蓄圧ガスの圧力を計測する。
ガス排気配管５２は、酸素の送気配管１３とアキュミュレータ３０のガス室３４の出口３４ｂとを連通している。排気弁５４とリリーフ弁５５とは、ガス排気配管５２に並列に設けられている。排気弁５４は、ガス排気配管５２の内部を開放した状態と閉鎖した状態とを切り替えることにより、ガス排気配管５２を通って蓄圧ガスを排気する状態と、蓄圧ガスの排気を停止した状態とを切り替える。リリーフ弁５５は、ガス排気配管５２の内部のアキュミュレータ３０のガス室３４の出口３４ｂ側に過大圧力が発生した場合に、自動的に圧力を開放する弁であり、ガス室３４が過大圧力となることを防止する。
水素及び酸素生成システム１０は、図１に示すように、水素及び酸素生成システム１０を構成する上述した各構成要素をそれぞれ制御する制御部１９を備える。すなわち、制御部１９は、本発明の第１の実施形態に係る水素及び酸素生成方法を水素及び酸素生成システム１０に実行させるものである。制御部１９は、ＣＰＵ（central processing unit）のようなマイクロプロセッサを有する演算処理装置と、ＲＯＭ（read only memory）又はＲＡＭ（random access memory）のようなメモリを有する記憶装置と、入出力インタフェース装置とを有し、コンピュータプログラムを実行可能なコンピュータである。制御部１９の機能は、演算処理装置がＲＯＭに記憶されているコンピュータプログラムをＲＡＭ上で実行すること、並びに、実行した結果等を記憶装置に記憶することにより、実現される。
図２は、図１の水素及び酸素生成システム１０の制御ブロック図である。制御部１９は、図２に示すように、水素の送気配管１２と、酸素の送気配管１３と、窒素ガス供給部１３ａと、水素センサ１３ｂと、除湿器１３ｃと、流量調整弁１４と、排気弁１５ａと、除湿器１５ｂと、圧力計１６と、蓄圧ガス供給調整弁１７と、電解セル２０に所々に取り付けられた熱電対２０ａと、調温器２７と、インピーダンス計測器２８と、水体積センサ３５と、水供給源４２と、脱塩塔４３と、フィルタ４４と、ポンプ４５と、水供給弁４６と、圧力計５３と、排気弁５４と、それぞれ情報通信可能に電気的に接続されている。
制御部１９は、水素の送気配管１２に接続して設けられた圧力計等の計測器を制御するとともに、この計測器から、生成された水素の圧力及び体積等の情報を取得する。制御部１９は、酸素の送気配管１３に接続して設けられた圧力計等の計測器を制御するとともに、この計測器から、生成された酸素の圧力及び体積等の情報を取得する。
制御部１９は、水素センサ１３ｂを制御するとともに、水素センサ１３ｂから、酸素の送気配管１３の内部を通過する酸素を主とする生成ガスの水素濃度の情報を取得する。制御部１９は、水素センサ１３ｂから取得したこの水素濃度の情報に基づいて窒素ガス供給部１３ａを制御し、この水素濃度が閾値より高い場合等の緊急時に、酸素と水素との間で起こり得る燃焼反応を抑制するために、酸素の送気配管１３に窒素ガスを供給させるとともに、窒素ガス供給部１３ａから、窒素ガスの供給に関する情報を取得する。
制御部１９は、除湿器１３ｃとして内部の回転部に水滴を捕捉するドラッグポンプが用いられている場合、除湿器１３ｃを制御することで、除湿器１３ｃが内部の回転部に捕捉する水滴量を制御するとともに、除湿器１３ｃから、この捕捉した水滴量に関する情報を取得する。制御部１９は、除湿器１３ｃとして水滴を捕捉する吸着材を詰め込んだ筐体が用いられている場合、除湿器１３ｃから、除湿器１３ｃが捕捉した水滴量に関する情報を取得する。制御部１９は、除湿器１５ｂについても、除湿器１３ｃについてと同様の制御をしたり、同様の情報を取得したりする。
制御部１９は、圧力計１６を制御するとともに、圧力計１６から、水の移送配管１１の内部の水の移送圧力の情報を取得する。制御部１９は、圧力計１６から取得したこの水の移送圧力の情報に基づいて流量調整弁１４を制御し、流量調整弁１４の開放及び閉鎖を切り替えることで、水の移送配管１１を通じた水の移送の状態を切り替えるとともに、流量調整弁１４から、流量調整弁１４の開放及び閉鎖に関する情報を取得し、水の移送配管１１を通じた水の移送に関する情報を取得する。また、制御部１９は、流量調整弁１４を制御して、水の移送配管１１の内部における流量調整弁１４の開放度合いを変更することで、水の移送配管１１を通じた水の移送圧力を変更する。
制御部１９は、排気弁１５ａを制御することで、真空排気ライン１５を連通するか否かを切り替えるとともに、排気弁１５ａから、真空排気ライン１５が連通しているか否かの情報を取得する。制御部１９は、排気弁１５ａを切り替えて真空排気ライン１５を連通している場合、除湿器１５ｂを制御したり、除湿器１５ｂからの情報を取得したりする。
制御部１９は、電解セル２０に所々に取り付けられた熱電対２０ａを制御するとともに、各熱電対２０ａから、電解セル２０の各部の温度の情報を取得する。制御部１９は、各熱電対２０ａから取得した電解セル２０の各部の温度の情報に基づいて、調温器２７を制御し、水供給室２４に供給された水の調温を制御するとともに、調温器２７から、水の調温に関する情報を取得する。
制御部１９は、圧力計５３を制御するとともに、圧力計５３から、ガス供給配管５１の内部の気圧の情報、すなわちアキュミュレータ３０のガス室３４の蓄圧ガスの圧力の情報を取得する。制御部１９は、圧力計５３から取得したこのアキュミュレータ３０のガス室３４の蓄圧ガスの圧力の情報に基づいて、蓄圧ガス供給調整弁１７及び排気弁５４を制御して、アキュミュレータ３０のガス室３４の蓄圧ガスの圧力を制御する。
すなわち、制御部１９は、圧力計５３から取得したこのアキュミュレータ３０のガス室３４の蓄圧ガスの圧力の情報に基づいて、蓄圧ガス供給調整弁１７を制御し、酸素の送気配管１３とガス供給配管５１とを連通するか否かを切り替えることで、酸素の送気配管１３からガス供給配管５１への蓄圧ガスとして酸素を主とする生成ガスの供給の状態を切り替えるとともに、蓄圧ガス供給調整弁１７から、酸素の送気配管１３とガス供給配管５１とを連通するか否かに関する情報を取得し、蓄圧ガスの供給に関する情報を取得する。また、制御部１９は、蓄圧ガス供給調整弁１７を制御して、酸素の送気配管１３からガス供給配管５１へ向けた蓄圧ガス供給調整弁１７の開放度合いを変更することで、酸素の送気配管１３からガス供給配管５１へ向けた酸素を主とする生成ガスの送気の圧力を変更する。
加えて、制御部１９は、圧力計５３から取得したこのアキュミュレータ３０のガス室３４の蓄圧ガスの圧力の情報に基づいて、排気弁５４を制御し、排気弁５４の開放及び閉鎖を切り替えることで、ガス排気配管５２を通じた蓄圧ガスの排気の状態を切り替えるとともに、排気弁５４から、排気弁５４の開放及び閉鎖に関する情報を取得し、ガス排気配管５２を通じた蓄圧ガスの排気に関する情報を取得する。
また、制御部１９は、蓄圧ガス供給調整弁１７を制御して、酸素の送気配管１３の内部における蓄圧ガス供給調整弁１７の開放及び閉鎖を切り替えることで、酸素の送気配管１３を通じた酸素を主とする生成ガスの送気の状態を切り替えるとともに、蓄圧ガス供給調整弁１７から、酸素の送気配管１３の内部における蓄圧ガス供給調整弁１７の開放及び閉鎖に関する情報を取得し、酸素の送気配管１３を通じた酸素を主とする生成ガスの送気に関する情報を取得する。
制御部１９は、水体積センサ３５を制御するとともに、水体積センサ３５から、アキュミュレータ３０の水貯留室３３に貯留された水の体積の情報を取得する。制御部１９は、水体積センサ３５から取得したこのアキュミュレータ３０の水貯留室３３に貯留された水の体積の情報に基づいて、ポンプ４５及び水供給弁４６を制御して水供給源４２から水貯留室３３への水の供給量を制御することで、アキュミュレータ３０の水貯留室３３に貯留される水の体積を制御する。
すなわち、制御部１９は、水体積センサ３５から取得したこのアキュミュレータ３０の水貯留室３３に貯留された水の体積の情報に基づいて、ポンプ４５を制御してポンプ４５の電源のオンオフを切り替えることで、水供給源４２からアキュミュレータ３０の水貯留室３３の入口３３ａへ向けての水の送液の状態を切り替えるとともに、ポンプ４５から、ポンプ４５の電源のオンオフに関する情報を取得し、この水の送液の状態に関する情報を取得する。
加えて、制御部１９は、水体積センサ３５から取得したこのアキュミュレータ３０の水貯留室３３に貯留された水の体積の情報に基づいて、水供給弁４６を制御して水供給弁４６の開放及び閉鎖を切り替えることで、水供給配管４１を通じた水供給源４２からアキュミュレータ３０の水貯留室３３の入口３３ａへの水の供給の状態を切り替えるとともに、水供給弁４６から、水供給弁４６の開放及び閉鎖に関する情報を取得し、この水の供給の状態に関する情報を取得する。
制御部１９は、インピーダンス計測器２８を制御するとともに、インピーダンス計測器２８から、触媒膜２１のインピーダンスの情報を取得する。制御部１９は、インピーダンス計測器２８から取得した触媒膜２１のインピーダンスの情報に基づいて、電解セル２０に移送する水の移送圧力を変更する。
制御部１９は、水供給源４２から供給可能な水量等に関する情報を取得する。制御部１９は、脱塩塔４３が捕捉して除去した塩の量等の塩に関する情報を取得する。制御部１９は、フィルタ４４が捕捉して除去した不純物等の量の情報を取得する。
本発明の第１の実施形態に係る水素及び酸素生成システム１０の作用について以下に説明する。図３は、第１の実施形態に係る水素及び酸素生成方法のフローの一例を示すフローチャートである。水素及び酸素生成システム１０によって実行される処理方法である本発明の第１の実施形態に係る水素及び酸素生成方法について、図３を用いて説明する。本発明の第１の実施形態に係る水素及び酸素生成方法は、水貯留ステップＳ１０と、ガス圧力調整ステップＳ２０と、移送圧力変更ステップＳ３０と、電気分解ステップＳ４０と、を有する。
水貯留ステップＳ１０は、アキュミュレータ３０において蓄圧ガスが供給されるガス室３４と弾性体膜３２で隔てられて設けられた水を貯留する水貯留室３３に、水供給部４０から水を供給することにより、水貯留室３３に水を貯留するステップである。水貯留ステップＳ１０は、図３に示すように、水体積検出ステップＳ１１と、水供給ステップＳ１２と、水供給停止ステップＳ１３と、を有する。
水体積検出ステップＳ１１は、制御部１９が、水体積センサ３５を制御して、アキュミュレータ３０の水貯留室３３に貯留された水の体積を検出して、この水の体積が所定の水補給閾値に到達しているか否かを判定するステップである。水体積検出ステップＳ１１は、制御部１９が、水貯留ステップＳ１０を終了するまで、適宜繰り返し実行する。
水供給ステップＳ１２は、水体積検出ステップＳ１１においてＮＯ、すなわち、制御部１９が、この水の体積が所定の水補給閾値に到達していないと判定した場合、水供給弁４６を制御して開放状態とし、ポンプ４５を制御してオンにすることで、水供給源４２から水貯留室３３へ水を供給するステップである。
水供給停止ステップＳ１３は、水体積検出ステップＳ１１においてＹＥＳ、すなわち、制御部１９が、この水の体積が所定の水補給閾値に到達していると判定した場合、水供給弁４６を制御して閉鎖状態とし、ポンプ４５を制御してオフにすることで、水供給源４２から水貯留室３３への水の供給を停止するステップである。
水貯留ステップＳ１０では、最後に、制御部１９が、この際のアキュミュレータ３０の水貯留室３３に貯留された水の体積を水体積センサ３５から取得し、これに基づいてアキュミュレータ３０の水貯留室３３に貯留された水の圧力を算出する。本発明の第１の実施形態に係る水素及び酸素生成方法は、水貯留ステップＳ１０を終了すると、すなわち、水体積検出ステップＳ１１、水供給ステップＳ１２及び水供給停止ステップＳ１３を終了すると、ガス圧力調整ステップＳ２０に進む。
ガス圧力調整ステップＳ２０は、ガス室３４に、ガス供給部５０から蓄圧ガスを供給することにより、ガス室３４における蓄圧ガスの圧力を調整するステップである。ガス圧力調整ステップＳ２０は、図３に示すように、第１蓄圧ガス圧力検出ステップＳ２１と、蓄圧ガス供給ステップＳ２２と、蓄圧ガス供給停止ステップＳ２３と、第２蓄圧ガス圧力検出ステップＳ２４と、蓄圧ガス排気ステップＳ２５と、蓄圧ガス排気停止ステップＳ２６と、を有する。
第１蓄圧ガス圧力検出ステップＳ２１は、制御部１９が、圧力計５３を制御して、ガス供給配管５１の内部の気圧、すなわちアキュミュレータ３０のガス室３４の蓄圧ガスの圧力を計測して、この蓄圧ガスの圧力が、アキュミュレータ３０の水貯留室３３に貯留された水の圧力と比較して、第１の所定の圧力規定範囲に到達しているか否かを判定するステップである。第１蓄圧ガス圧力検出ステップＳ２１では、制御部１９が、この蓄圧ガスの圧力から水側の圧力を差し引いた値が第１の所定の圧力規定範囲より大きいか否かを判定する。第１蓄圧ガス圧力検出ステップＳ２１は、制御部１９が、ガス圧力調整ステップＳ２０において蓄圧ガス供給停止ステップＳ２３を終了するまで、適宜繰り返し実行する。
蓄圧ガス供給ステップＳ２２は、第１蓄圧ガス圧力検出ステップＳ２１においてＮＯ、すなわち、制御部１９が、この蓄圧ガスの圧力が、水側の圧力と比較して第１の所定の圧力規定範囲に到達していないと判定した場合、蓄圧ガス供給調整弁１７を制御して、酸素の送気配管１３とガス供給配管５１とを連通することで、酸素の送気配管１３からガス供給配管５１へ蓄圧ガスとして酸素を主とする生成ガスを供給するステップである。蓄圧ガス供給ステップＳ２２では、これに代えて、もしくは、これに併せて、制御部１９が、蓄圧ガス供給調整弁１７を制御して、酸素の送気配管１３からガス供給配管５１へ向けた蓄圧ガス供給調整弁１７の開放度合いを増加させる方向へ変更することで、酸素の送気配管１３からガス供給配管５１へ向けた酸素を主とする生成ガスの送気の圧力を変更してもよい。
なお、蓄圧ガス供給ステップＳ２２では、制御部１９が、蓄圧ガスの圧力を増加させることに代えて、水側の圧力を減少させてもよく、例えば、流量調整弁１４を制御して、流量調整弁１４を開放したり、流量調整弁１４の開放度合いを増加させる方向へ変更したりすることで、水の移送配管１１を通じて水を電解セル２０に向けて移送しても良い。この場合には、蓄圧ガス供給ステップＳ２２では、制御部１９が、改めてアキュミュレータ３０の水貯留室３３に貯留された水の圧力を算出し直す。
蓄圧ガス供給停止ステップＳ２３は、第１蓄圧ガス圧力検出ステップＳ２１においてＹＥＳ、すなわち、制御部１９が、この蓄圧ガスの圧力が、水側の圧力と比較して第１の所定の圧力規定範囲に到達していると判定した場合、蓄圧ガス供給調整弁１７を制御して、酸素の送気配管１３からガス供給配管５１へ向けた蓄圧ガス供給調整弁１７の開放度合いを減少させる方向へ変更することで、酸素の送気配管１３からガス供給配管５１へ向けた酸素を主とする生成ガスの送気の圧力を定常状態へ移行させるステップである。
なお、蓄圧ガス供給停止ステップＳ２３では、制御部１９が、蓄圧ガス供給ステップＳ２２において蓄圧ガスの圧力を増加させることに代えて水側の圧力を減少させていた場合、蓄圧ガス供給ステップＳ２２とは逆に、流量調整弁１４を制御して、流量調整弁１４を閉鎖したり、流量調整弁１４の開放度合いを減少させる方向へ変更したりすることで、水の移送配管１１を通じた電解セル２０に向けた水の移送を定常状態へ移行させても良い。この場合にも、蓄圧ガス供給停止ステップＳ２３では、制御部１９が、改めてアキュミュレータ３０の水貯留室３３に貯留された水の圧力を算出し直す。
第２蓄圧ガス圧力検出ステップＳ２４は、制御部１９が、圧力計５３を制御して、ガス供給配管５１の内部の気圧、すなわちアキュミュレータ３０のガス室３４の蓄圧ガスの圧力を計測して、この蓄圧ガスの圧力が、アキュミュレータ３０の水貯留室３３に貯留された水の圧力と比較して、第２の所定の圧力規定範囲に収まっているか否かを判定するステップである。第２蓄圧ガス圧力検出ステップＳ２４では、制御部１９が、この蓄圧ガスの圧力から水側の圧力を差し引いた値が第２の所定の圧力規定範囲より小さいか否かを判定する。第２蓄圧ガス圧力検出ステップＳ２４は、制御部１９が、ガス圧力調整ステップＳ２０において蓄圧ガス排気停止ステップＳ２６を終了するまで、適宜繰り返し実行する。
蓄圧ガス排気ステップＳ２５は、第２蓄圧ガス圧力検出ステップＳ２４においてＮＯ、すなわち、制御部１９が、この蓄圧ガスの圧力が、水側の圧力と比較して第２の所定の圧力規定範囲に収まっていないと判定した場合、排気弁５４を制御して、排気弁５４を開放状態とすることで、ガス排気配管５２を通じて蓄圧ガスを排気するステップである。蓄圧ガス排気ステップＳ２５では、これに代えて、もしくは、これに併せて、制御部１９が、蓄圧ガス供給調整弁１７を制御して、酸素の送気配管１３からガス供給配管５１へ向けた蓄圧ガス供給調整弁１７の開放度合いを減少させる方向へ変更することで、酸素の送気配管１３からガス供給配管５１へ向けた酸素を主とする生成ガスの送気の圧力を変更してもよい。
蓄圧ガス排気停止ステップＳ２６は、第２蓄圧ガス圧力検出ステップＳ２４においてＹＥＳ、すなわち、制御部１９が、この蓄圧ガスの圧力が、水側の圧力と比較して第２の所定の圧力規定範囲に収まっていると判定した場合、排気弁５４を制御して、排気弁５４を閉鎖状態とすることで、ガス排気配管５２を通じた蓄圧ガスの排気を停止するステップである。
本発明の第１の実施形態に係る水素及び酸素生成方法は、水貯留ステップＳ１０及びガス圧力調整ステップＳ２０を実行することで、アキュミュレータ３０のガス室３４の蓄圧ガスの圧力に応じた移送圧力で、アキュミュレータ３０の水貯留室３３に貯留した水を電解セル２０に向けて定常的に移送することが可能な状態を形成することができる。このため、本発明の第１の実施形態に係る水素及び酸素生成方法は、制御部１９が、水を電解セル２０に向けて定常的に移送するに際し、適宜、水貯留ステップＳ１０及びガス圧力調整ステップＳ２０を繰り返し実行することで、水の移送圧力を所望の範囲内に制御することが好ましい。
本発明の第１の実施形態に係る水素及び酸素生成方法は、ガス圧力調整ステップＳ２０を終了すると、すなわち、第１蓄圧ガス圧力検出ステップＳ２１、蓄圧ガス供給ステップＳ２２、蓄圧ガス供給停止ステップＳ２３、第２蓄圧ガス圧力検出ステップＳ２４、蓄圧ガス排気ステップＳ２５及び蓄圧ガス排気停止ステップＳ２６を終了すると、移送圧力変更ステップＳ３０に進む。
移送圧力変更ステップＳ３０は、電解セル２０のインピーダンスを計測し、計測したインピーダンスに基づいて水の移送圧力を変更するステップである。移送圧力変更ステップＳ３０は、図３に示すように、インピーダンス判定ステップＳ３１と、圧力規定範囲更新ステップＳ３２と、を有する。
インピーダンス判定ステップＳ３１は、制御部１９が、インピーダンス計測器２８を制御して、電解セル２０の触媒膜２１のインピーダンスを計測して、この触媒膜２１のインピーダンスが所定の規定範囲内に収まっているか否かを判定するステップである。
圧力規定範囲更新ステップＳ３２は、インピーダンス判定ステップＳ３１においてＮＯ、すなわち、制御部１９が、触媒膜２１のインピーダンスが所定の規定範囲内に収まっていないと判定した場合、電解セル２０に移送する水の移送圧力の設定を変更し、これに伴い、アキュミュレータ３０の水貯留室３３に貯留する水の体積の設定値（所定の水補給閾値）及びアキュミュレータ３０のガス室３４の蓄圧ガスの圧力の設定に関する値（第１及び第２の所定の圧力規定範囲）を変更するステップである。
圧力規定範囲更新ステップＳ３２では、制御部１９が、触媒膜２１のインピーダンスが所定の規定範囲内に対して高い方向に外れていると判定した場合、電解セル２０の触媒膜２１における水の含有量を増加させた方が好ましいと判断して、電解セル２０に移送する水の移送圧力の設定を低くなる方向に変更する。一方、圧力規定範囲更新ステップＳ３２では、制御部１９が、触媒膜２１のインピーダンスが所定の規定範囲内に対して低い方向に外れていると判定した場合、電解セル２０の触媒膜２１における水の含有量を減少させた方が好ましいと判定して、電解セル２０に移送する水の移送圧力の設定を高くなる方向に変更する。
なお、本発明の第１の実施形態に係る水素及び酸素生成方法は、移送圧力変更ステップＳ３０を必須としておらず、飛ばしても構わない。また、本発明の第１の実施形態に係る水素及び酸素生成方法は、移送圧力変更ステップＳ３０を実行した結果、電解セル２０に移送する水の移送圧力の設定を変更した場合、変更した設定下で、再び水貯留ステップＳ１０及びガス圧力調整ステップＳ２０を実行することが好ましい。
本発明の第１の実施形態に係る水素及び酸素生成方法は、移送圧力変更ステップＳ３０を終了すると、すなわち、インピーダンス判定ステップＳ３１及び圧力規定範囲更新ステップＳ３２を終了すると、電気分解ステップＳ４０に進む。
電気分解ステップＳ４０は、ガス圧力調整ステップＳ２０で調整した蓄圧ガスの圧力に応じた移送圧力で、水貯留ステップＳ１０で貯留した水を電解セル２０に向けて移送し、電解セル２０に供給された水を電解セル２０の触媒において電気分解して水素及び酸素を生成し、生成された水素及び酸素をそれぞれ別々の生成ガスとして排出するステップである。
第１の実施形態に係る水素及び酸素生成システム１０は、供給された水を電気分解して水素及び酸素を生成し、生成された水素及び酸素をそれぞれ別々の生成ガスとして排出する電解セル２０を用いるため、水素の気泡がカソードの表面に堆積したり、供給された水に水素が残存した状態となったりすることが大幅に低減されるので、供給水の循環設備並びに遠心分離設備を必要としなくなり、システムの肥大化を低減することができる。また、第１の実施形態に係る水素及び酸素生成システム１０は、アキュミュレータ３０により供給する水の移送圧力を制御するため、水の送液に脈動が生じることが低減されるので、水の供給の不安定さを低減することができる。
また、第１の実施形態に係る水素及び酸素生成システム１０は、ガス供給部５０が、電解セル２０で水を電気分解して生成したいずれか一方の生成ガスを、蓄圧ガスとしてガス室３４に供給している。このため、第１の実施形態に係る水素及び酸素生成システム１０は、生成ガスの資源を有効に活用することができる。また、このため、第１の実施形態に係る水素及び酸素生成システム１０は、水の電気分解量に応じて、アキュミュレータ３０のガス室３４に供給する生成ガスの量が増え、これに伴い、アキュミュレータ３０の水貯留室３３から供給する水の量が増える仕組みが形成されるので、電解セル２０に供給される水の量を一定に保持することが容易となる。第１の実施形態に係る水素及び酸素生成システム１０は、さらに、ガス供給部５０が、ガス室３４から排気された蓄圧ガスを、ガス室３４に供給していた生成ガスの送気配管１３へ合流させている。このため、第１の実施形態に係る水素及び酸素生成システム１０は、生成ガスの資源をさらに有効に活用することができる。
また、第１の実施形態に係る水素及び酸素生成システム１０は、電解セル２０のインピーダンスを計測するインピーダンス計測器２８をさらに含み、インピーダンス計測器２８が計測したインピーダンスに基づいて、電解セル２０に移送する水の移送圧力を変更している。このため、第１の実施形態に係る水素及び酸素生成システム１０は、水の供給の不安定さをさらに低減することができるとともに、電解セル２０の劣化を抑制することができ、水素及び酸素の生成に係る消費エネルギーの増大を抑制することができる。
第１の実施形態に係る水素及び酸素生成システム１０は、電解セル２０が生成した生成ガスを除湿する除湿器１３ｃをさらに含んでいる。このため、第１の実施形態に係る水素及び酸素生成システム１０は、生成ガスに含まれる飽和蒸気圧分の水蒸気を除去することで、温度が低下した際に結露して水滴が発生することを抑制することができる。
また、この水素及び酸素生成システム１０による第１の実施形態に係る水素及び酸素生成方法は、アキュミュレータ３０において実行する水貯留ステップＳ１０及びガス圧力調整ステップＳ２０により、供給する水の移送圧力を制御するため、水の送液に脈動が生じることが低減されるので、水の供給の不安定さを低減することができる。また、この第１の実施形態に係る水素及び酸素生成方法は、電解セル２０において実行する電気分解ステップＳ４０により、供給された水を電気分解して水素及び酸素を生成し、生成された水素及び酸素をそれぞれ別々の生成ガスとして排出するため、水素の気泡がカソードの表面に堆積したり、供給された水に水素が残存した状態となったりすることが大幅に低減されるので、供給水の循環設備並びに遠心分離設備を必要としなくなり、システムの肥大化を低減することができる。
また、この第１の実施形態に係る水素及び酸素生成方法は、電解セル２０のインピーダンスを計測し、計測したインピーダンスに基づいて移送圧力を変更する移送圧力変更ステップＳ３０と、をさらに有している。このため、この第１の実施形態に係る水素及び酸素生成方法は、水の供給の不安定さをさらに低減することができるとともに、電解セル２０の劣化を抑制することができ、水素及び酸素の生成に係る消費エネルギーの増大を抑制することができる。
［第２の実施形態］
図４は、第２の実施形態に係る水素及び酸素生成システム６０の一例を示す概略構成図である。図５は、図４の水素及び酸素生成システム６０の制御ブロック図である。第２の実施形態に係る水素及び酸素生成システム６０は、図４及び図５に示すように、第１の実施形態に係る水素及び酸素生成システム１０において、電解セル２０で水を電気分解して生成した酸素ガスを蓄圧ガスとしてガス室３４に供給するガス供給部５０を、備蓄ガスを蓄圧ガスとしてガス室３４に供給するガス供給部７０に変更したものである。第２の実施形態の説明では、第１の実施形態と同様の構成に第１の実施形態と同一の符号群を用い、その詳細な説明を省略する。
第２の実施形態に係る水素及び酸素生成システム６０は、図４及び図５に示すように、第１の実施形態に係る水素及び酸素生成システム１０において、蓄圧ガス供給調整弁１７を、生成ガス調整弁１７ａに変更している。生成ガス調整弁１７ａは、蓄圧ガス供給調整弁１７においてガス供給配管５１の接続が除去されており、これに伴い、酸素の送気配管１３とガス供給配管５１とを連通するか否かを切り替える機能、及び、酸素の送気配管１３からガス供給配管５１へ向けた蓄圧ガス供給調整弁１７の開放度合いを変更する機能が除去されたものとなっている。
ガス供給部７０は、図４に示すように、ガス供給配管７１と、ガス排気配管５２と、蓄圧ガス供給調整弁７２と、圧力計７３と、窒素を供給する備蓄ガス源７４と、排気弁５４と、リリーフ弁５５とを備える。ガス供給配管７１は、備蓄ガス源７４とアキュミュレータ３０のガス室３４の入口３４ａとを連通している。ガス供給配管７１は、備蓄ガス源７４から入口３４ａに向かって順次、蓄圧ガス供給調整弁７２と、圧力計７３とが設けられている。
ガス供給部７０は、ガス排気配管５２、排気弁５４及びリリーフ弁５５については、第１の実施形態と同様の構成となっている。このため、ガス供給部７０は、ガス室３４から排気された備蓄ガスを、電解セル２０で水を電気分解して生成した酸素の送気配管１３へ合流させている。水素及び酸素生成システム６０は、宇宙空間で利用される場合、酸素の送気配管１３が、例えば、キャビンへ向けて生成した酸素を放出するように設けられており、窒素と混合して利用される場合が多いため、ガス供給部７０から排気される備蓄ガスとしての窒素を、酸素の送気配管１３へ合流させることで有効活用している。
蓄圧ガス供給調整弁７２は、ガス供給配管７１の内部を開放した状態と閉鎖した状態とを切り替えることにより、ガス供給配管７１を通って備蓄ガス源７４からアキュミュレータ３０のガス室３４の入口３４ａへ蓄圧ガスとしての備蓄ガスを供給する状態と、備蓄ガスの供給を停止した状態とを切り替える。圧力計７３は、ガス供給配管７１に設けられており、ガス供給配管７１の内部の気圧、すなわちアキュミュレータ３０のガス室３４の蓄圧ガスの圧力を計測する。
第２の実施形態に係る制御部１９は、図５に示すように、第１の実施形態に係る制御部１９において、蓄圧ガス供給調整弁１７及び圧力計５３に代えて、生成ガス調整弁１７ａ、蓄圧ガス供給調整弁７２及び圧力計７３が、それぞれ情報通信可能に電気的に接続されたものである。
制御部１９は、圧力計７３を制御するとともに、圧力計７３から、ガス供給配管７１の内部の気圧の情報、すなわちアキュミュレータ３０のガス室３４の蓄圧ガスの圧力の情報を取得する。制御部１９は、圧力計７３から取得したこのアキュミュレータ３０のガス室３４の蓄圧ガスの圧力の情報に基づいて、蓄圧ガス供給調整弁７２及び排気弁５４を制御して、アキュミュレータ３０のガス室３４の蓄圧ガスの圧力を制御する。制御部１９は、排気弁５４の制御等については、第１の実施形態と同様に実行する。
すなわち、制御部１９は、圧力計７３から取得したこのアキュミュレータ３０のガス室３４の蓄圧ガスの圧力の情報に基づいて、蓄圧ガス供給調整弁７２を制御し、ガス供給配管７１の内部における蓄圧ガス供給調整弁７２の開放及び閉鎖を切り替えることで、備蓄ガス源７４からガス供給配管７１への蓄圧ガスとして備蓄ガスの供給の状態を切り替えるとともに、蓄圧ガス供給調整弁７２から、蓄圧ガス供給調整弁７２の開放及び閉鎖に関する情報を取得し、蓄圧ガスの供給に関する情報を取得する。また、制御部１９は、蓄圧ガス供給調整弁７２を制御して、ガス供給配管７１の内部における蓄圧ガス供給調整弁７２の開放度合いを変更することで、備蓄ガス源７４からガス供給配管７１へ向けた備蓄ガスの送気の圧力を変更する。
また、制御部１９は、生成ガス調整弁１７ａを制御して、酸素の送気配管１３の内部における生成ガス調整弁１７ａの開放及び閉鎖を切り替えることで、酸素の送気配管１３を通じた酸素を主とする生成ガスの送気の状態を切り替えるとともに、生成ガス調整弁１７ａから、酸素の送気配管１３の内部における生成ガス調整弁１７ａの開放及び閉鎖に関する情報を取得し、酸素の送気配管１３を通じた酸素を主とする生成ガスの送気に関する情報を取得する。
本発明の第２の実施形態に係る水素及び酸素生成システム６０の作用について以下に説明する。水素及び酸素生成システム６０によって実行される処理方法である本発明の第２の実施形態に係る水素及び酸素生成方法は、本発明の第１の実施形態に係る水素及び酸素生成方法において、アキュミュレータ３０のガス室３４に供給する蓄圧ガスを、酸素を主とする生成ガスから備蓄ガスに変更したものである。本発明の第２の実施形態に係る水素及び酸素生成方法は、蓄圧ガス以外のその他の部分については、本発明の第１の実施形態に係る水素及び酸素生成方法と同様であるので、その詳細な説明を省略する。
第２の実施形態に係る水素及び酸素生成システム６０は、ガス供給部７０が、備蓄ガスを、蓄圧ガスとしてガス室３４に供給している。このため、第２の実施形態に係る水素及び酸素生成システム６０は、生成ガスを蓄圧ガスとして供給することが困難な場合や、生成ガスを蓄圧ガスとして供給することを望まない場合においても、肥大化することが低減でき、なおかつ、水の供給の不安定さを低減することができる形態を好適に使用することができる。第２の実施形態に係る水素及び酸素生成システム６０は、さらに、備蓄ガスが窒素であり、ガス供給部７０が、ガス室３４から排気された窒素を、電解セル２０で水を電気分解して生成した酸素の送気配管１３へ合流させている。このため、第２の実施形態に係る水素及び酸素生成システム６０は、備蓄ガスの資源を有効に活用することができる。
［第３の実施形態］
図６は、第３の実施形態に係る水素及び酸素生成システム８０の一例を示す概略構成図である。図７は、図６の水素及び酸素生成システム８０の移送ポンプ９０の一例を示す概略構成図である。図８は、図６の水素及び酸素生成システム８０の制御ブロック図である。第３の実施形態に係る水素及び酸素生成システム８０は、図６及び図８に示すように、第１の実施形態に係る水素及び酸素生成システム１０において、水の移送配管１１に移送ポンプ９０を追加して設けたものである。第３の実施形態の説明では、第１の実施形態と同様の構成に第１の実施形態と同一の符号群を用い、その詳細な説明を省略する。
移送ポンプ９０は、図６に示すように、アキュミュレータ３０の水貯留室３３と電解セル２０との間の水の移送配管１１に配設され、アキュミュレータ３０から移送された水を電解セル２０に向けて移送する。移送ポンプ９０は、図７に示すように、水の入口９４と出口９５とを接続するケーシング９１と、ケーシング９１の内部に配設された羽根車９２とを有し、ケーシング９１の内壁と羽根車９２の先端との間隙距離９３を所定の距離とすることで、水の移送圧力の上限を所定の圧力としたものである。この間隙距離９３は、短ければ短いほど水の移送圧力が高圧になるため、下限を設定することで、水の移送圧力の上限を設定している。
移送ポンプ９０は、図８に示すように、第３の実施形態に係る制御部１９と、情報通信可能に電気的に接続されている。このため、制御部１９は、移送ポンプ９０を制御することで、移送ポンプ９０の電源のオンオフを切り替えることで、水の移送配管１１において所定の水の移送圧力以下で水を移送するとともに、移送ポンプ９０から、移送ポンプ９０の作動に関する情報を取得する。
本発明の第３の実施形態に係る水素及び酸素生成システム８０の作用について以下に説明する。水素及び酸素生成システム８０によって実行される処理方法である本発明の第３の実施形態に係る水素及び酸素生成方法は、本発明の第１の実施形態に係る水素及び酸素生成方法において、蓄圧ガス供給ステップＳ２２、蓄圧ガス供給停止ステップＳ２３及び電気分解ステップＳ４０を変更したものである。
本発明の第３の実施形態に係る水素及び酸素生成方法における蓄圧ガス供給ステップＳ２２では、制御部１９が、水側の圧力を減少させる場合、流量調整弁１４を制御して流量調整弁１４を開放することに併せて、移送ポンプ９０を制御して移送ポンプの電源をオンにして、水の移送配管１１を通じて水を電解セル２０に向けて移送しても良い。この場合には、蓄圧ガス供給ステップＳ２２では、第１の実施形態と同様に、制御部１９が、改めてアキュミュレータ３０の水貯留室３３に貯留された水の圧力を算出し直す。
また、本発明の第３の実施形態に係る水素及び酸素生成方法における蓄圧ガス供給停止ステップＳ２３では、制御部１９が、蓄圧ガス供給ステップＳ２２において蓄圧ガスの圧力を増加させることに代えて水側の圧力を減少させていた場合、蓄圧ガス供給ステップＳ２２とは逆に、流量調整弁１４を制御して、流量調整弁１４を閉鎖したり、アキュミュレータ３０による移送圧力のみが有効となるように移送ポンプ９０を制御して移送ポンプの電源をオフにしたりして、水の移送配管１１を通じた電解セル２０に向けた水の移送を定常状態へ移行させても良い。この場合にも、蓄圧ガス供給停止ステップＳ２３では、第１の実施形態と同様に、制御部１９が、改めてアキュミュレータ３０の水貯留室３３に貯留された水の圧力を算出し直す。
また、本発明の第３の実施形態に係る水素及び酸素生成方法における電気分解ステップＳ４０では、制御部１９が、移送ポンプ９０を制御して移送ポンプの電源をオンにして、水の移送配管１１を通じて水を電解セル２０に向けて移送しても良い。本発明の第３の実施形態に係る水素及び酸素生成方法は、その他の部分については、本発明の第１の実施形態に係る水素及び酸素生成方法と同様であるので、その詳細な説明を省略する。
第３の実施形態に係る水素及び酸素生成システム８０は、アキュミュレータ３０の水貯留室３３と電解セル２０との間の水の移送配管１１に配設され、アキュミュレータ３０から移送された水を電解セル２０に向けて移送する移送ポンプ９０をさらに含み、移送ポンプ９０は、水の入口９４と出口９５とを接続するケーシング９１と、ケーシング９１の内部に配設された羽根車９２とを有し、ケーシング９１の内壁と羽根車９２の先端との間隙距離９３を所定の距離とすることで、水の移送圧力の上限を所定の圧力としている。このため、第２の実施形態に係る水素及び酸素生成システム８０は、移送圧力に上限を設定することで、水の送液に脈動が生じることがより低減されるので、水の供給の不安定さをより低減することができる。
１０，６０，８０ 水素及び酸素生成システム
１１ 水の移送配管
１２ 水素の送気配管
１３ 酸素の送気配管
１３ａ 窒素ガス供給部
１３ｂ 水素センサ
１３ｃ 除湿器
１４ 流量調整弁
１５ 真空排気ライン
１５ａ 排気弁
１５ｂ 除湿器
１６ 圧力計
１７，７２ 蓄圧ガス供給調整弁
１７ａ 生成ガス調整弁
１８ 蓄圧ガス排気部
１９ 制御部
２０ 電解セル
２０ａ 熱電対
２１ 触媒膜
２２ 第１ガス拡散電極
２３ 第２ガス拡散電極
２４ 水供給室
２５ 第１生成ガス排出室
２６ 第２生成ガス排出室
２７ 調温器
２８ インピーダンス計測器
２９ 筐体
３０ アキュミュレータ
３１ 本体
３２ 弾性体膜
３３ 水貯留室
３３ａ，３４ａ，９４ 入口
３３ｂ，３４ｂ，９５ 出口
３４ ガス室
３５ 水体積センサ
４０ 水供給部
４１ 水供給配管
４２ 水供給源
４３ 脱塩塔
４４ フィルタ
４５ ポンプ
４６ 水供給弁
５０，７０ ガス供給部
５１，７１ ガス供給配管
５２ ガス排気配管
５３ 圧力計
５４ 排気弁
５５ リリーフ弁
７３ 圧力計
７４ 備蓄ガス源
９０ 移送ポンプ
９１ ケーシング
９２ 羽根車
９３ 間隙距離

Claims (11)

  1. 供給された水を電気分解して水素及び酸素を生成し、生成された水素及び酸素をそれぞれ別々の生成ガスとして排出する電解セルと、
    水を貯留する水貯留室及び蓄圧ガスが供給されるガス室が弾性体膜で隔てられて設けられ、前記水貯留室に貯留した水を前記ガス室における前記蓄圧ガスの圧力に応じた移送圧力で前記電解セルに向けて移送するアキュミュレータと、
    前記水貯留室に水を供給する水供給部と、
    前記ガス室に前記蓄圧ガスを供給するガス供給部と、
    を含むことを特徴とする水素及び酸素生成システム。
  2. 前記ガス供給部は、前記電解セルで水を電気分解して生成したいずれか一方の前記生成ガスを、前記蓄圧ガスとして前記ガス室に供給することを特徴とする請求項１に記載の水素及び酸素生成システム。
  3. 前記ガス供給部は、前記ガス室から排気された前記蓄圧ガスを、前記ガス室に供給していた前記生成ガスの送気配管へ合流させることを特徴とする請求項２に記載の水素及び酸素生成システム。
  4. 前記ガス供給部は、備蓄ガスを、前記蓄圧ガスとして前記ガス室に供給することを特徴とする請求項１に記載の水素及び酸素生成システム。
  5. 前記備蓄ガスは、窒素であり、
    前記ガス供給部は、前記ガス室から排気された窒素を、前記電解セルで水を電気分解して生成した酸素の送気配管へ合流させることを特徴とする請求項４に記載の水素及び酸素生成システム。
  6. 前記アキュミュレータの前記水貯留室と前記電解セルとの間の水の移送配管に配設され、前記アキュミュレータから移送された水を前記電解セルに向けて移送する移送ポンプをさらに含み、
    前記移送ポンプは、水の入口と出口とを接続するケーシングと、前記ケーシングの内部に配設された羽根車とを有し、前記ケーシングの内壁と前記羽根車の先端との間隙距離を所定の距離とすることで、水の移送圧力の上限を所定の圧力としたことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の水素及び酸素生成システム。
  7. 前記電解セルのインピーダンスを計測するインピーダンス計測器をさらに含み、
    前記インピーダンス計測器が計測した前記インピーダンスに基づいて、前記電解セルに移送する水の移送圧力を変更することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の水素及び酸素生成システム。
  8. 前記電解セルが生成した前記生成ガスを除湿する除湿器をさらに含むことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の水素及び酸素生成システム。
  9. 前記アキュミュレータの前記水貯留室と前記電解セルとの間の水の移送配管に配設され、前記移送配管の内部を真空にする真空排気ラインをさらに含むことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の水素及び酸素生成システム。
  10. アキュミュレータにおいて蓄圧ガスが供給されるガス室と弾性体膜で隔てられて設けられた水を貯留する水貯留室に、水供給部から水を供給することにより、前記水貯留室に水を貯留する水貯留ステップと、
    前記ガス室に、ガス供給部から蓄圧ガスを供給することにより、前記ガス室における蓄圧ガスの圧力を調整するガス圧力調整ステップと、
    前記ガス圧力調整ステップで調整した蓄圧ガスの圧力に応じた移送圧力で、前記水貯留ステップで貯留した水を電解セルに向けて移送し、前記電解セルに供給された水を前記電解セルで電気分解して水素及び酸素を生成し、生成された水素及び酸素をそれぞれ別々の生成ガスとして排出する電気分解ステップと、
    を有することを特徴とする水素及び酸素生成方法。
  11. 前記電解セルのインピーダンスを計測し、計測した前記インピーダンスに基づいて前記移送圧力を変更する移送圧力変更ステップと、
    をさらに有することを特徴とする請求項１０に記載の水素及び酸素生成方法。
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