JPH10265989A

JPH10265989A - 水素・酸素発生装置

Info

Publication number: JPH10265989A
Application number: JP9069456A
Authority: JP
Inventors: Akiko Miyake; 明子三宅; Seiji Hirai; 清司平井; Shinichi Yasui; 信一安井; Hiroko Kobayashi; 宏子小林; Teruyuki Morioka; 輝行森岡
Original assignee: Shinko Pantec Co Ltd
Current assignee: Shinko Pantec Co Ltd
Priority date: 1997-03-24
Filing date: 1997-03-24
Publication date: 1998-10-06
Anticipated expiration: 2017-03-24
Also published as: JP3228887B2

Abstract

(57)【要約】【課題】低電流で運転された場合でも電解セル１内の
陽極室の内圧を低下させて固体電解質膜ユニットの陰極
室と陽極室とで圧力差を生じさせてしまうことが少な
く、固体電解質膜を損傷させたり劣化させてしまうおそ
れが少ない水素・酸素発生装置の提供。【解決手段】純水製造ユニットＡで製造される純水を
電解セル１の固体電解質膜ユニットの陽極室と同程度の
加圧状態とし酸素ガス溶解度を高水準に維持して、陽極
室に供給する。これにより酸素発生量の少ない低電流負
荷率運転時でも陽極室から取り出される水の酸素ガス溶
解度を高水準とし、酸素分離タンク５内で水に溶解する
酸素ガスの量を抑え、陽極室の内圧低下を抑える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体電解質膜を備
えた電解セルに電流を通電し、純水を電気分解して水素
ガスと酸素ガスとを製造する水素・酸素発生装置に関す
るものであり、特に通常よりも低電流で運転を行った場
合でも酸素ガスの発生効率が高く、しかも固定電解質膜
の破損や劣化が少なく寿命の長い水素・酸素発生装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】水を電気分解して純度の高い水素ガスや
酸素ガスを多量に製造する装置として、従来例えば図３
に示す電解セル１を備えた水素・酸素発生装置が用いら
れている。図３の電解セル１は多数の固体電解質膜ユニ
ット１０を並列させたものであり、両端に通電用の端部
電極板１７、１７を備えている。

【０００３】固体電解質膜ユニット１０は、主として固
体電解質膜１１と、その固体電解質膜１１の両面に添設
される多孔質給電体１２、１２と、その多孔質給電体１
２、１２の外側に配設される複極式電極板１３、１３と
から構成される。固体電解質膜１１はイオン導電性材料
からなる膜である。多孔質給電体１２としては、例えば
白金族金属等でメッキされたチタン等からなる多孔質で
メッシュ状のものが用いられる。複極式電極板１３は、
通電により片面が陰極に、他面が陽極になるものであ
る。１つの複極式電極板１３をとってみれば、それは左
右両側の固体電解質膜ユニット１０、１０に共通の構成
部材となっている。

【０００４】図４には、１つの固体電解質膜ユニット１
０の分解断面図が示されている。固体電解質膜１１の両
側には、この固体電解質膜１１と複極式電極板１３、１
３と環状のガスケット２３で囲まれてシールされた空間
が形成され、このそれぞれが後述の陰極室Ｃ及び陽極室
Ｄ（図４中二点鎖線で示される）となる。この陰極室Ｃ
及び陽極室Ｄのそれぞれに多孔質給電体１２が収容され
ている。

【０００５】両端部電極板１７、１７間に図３中左側が
陽極、右側が陰極となるように電流を通電すると、各複
極式電極板１３は左側に陰極、右側に陽極を生じさせ
る。このため、１つの複極式電極板１３はその複極式電
極板１３の図中左側の固体電解質膜ユニット１０では陰
極側１８の構成部材となり、図中右側の固体電解質ユニ
ット１０では陽極側１９の構成部材となる。こうして１
つの固体電解質膜ユニット１０には固体電解質膜１１よ
りも右側の陰極室Ｃと固体電解質膜１１よりも左側の陽
極室Ｄとが形成される。

【０００６】この状態で純水供給経路１４を通じて純水
を陽極室Ｄに供給すれば、陽極室Ｄでは、２Ｈ₂Ｏ → Ｏ₂ ＋４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- の反応が起こり、酸素ガスが発生する。陽極室Ｄで発生
した水素イオンはイオン導電性である固体電解質膜１１
内を少量の水を伴って移動し、陰極室Ｃに到達する。陰
極室Ｃではこの到達した水素イオンに、４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- → ２Ｈ₂ の反応が起こり、水素ガスが発生する。なお、この反応
中水素分離タンク４、酸素分離タンク５、水素分離タン
ク５と連結された陰極室Ｃ及び酸素分離タンク５と連結
された陽極室Ｄの内圧は、発生するガスをそのユースポ
イントに輸送するため、又はユースポイントで必要とさ
れる範囲である程度加圧状態とされている。しかもこれ
ら水素分離タンク４、酸素分離タンク５、陰極室Ｃ及び
陽極室Ｄの内圧はほぼ同等とされており、これにより固
定電解質膜１１の左右で差圧がほとんど生じない状態で
水素・酸素発生装置の運転がなされる。

【０００７】このような電解セル１を備えた水素・酸素
発生装置の経路図が図５に示されている。図５の水素・
酸素発生装置は、主として純水製造ユニットＡとガス発
生ユニットＢとからなる。

【０００８】純水製造ユニットＡは、主として純水タン
ク６０とポンプ７と熱交換ユニット８とイオン交換器９
とからなる。純水タンク６０には後述するようにガス発
生ユニットＢから環流経路２を通じて環流させられて再
利用される環流水と、水補給経路３を通じて補給される
純水とが蓄えられている。環流水はガス発生ユニットＢ
において熱を受けて高温であるため、この環流水を含む
純水タンク６０中の水もある程度高温となっている。こ
の水はポンプ７によりまず熱交換ユニット８に送られ、
ここで熱交換が行われて水が冷却される。冷却された水
はイオン交換樹脂が充填されたイオン交換器９に送ら
れ、ガス発生ユニットＢで生じたイオンが除去される。
このようにして純水製造ユニットＡにて冷却、清浄され
た純水が、ガス発生ユニットＢへ供給される。なお、装
置の冷却のため、ガス発生ユニットＢへは電気分解され
る量よりも多い量の水が送られる。

【０００９】ガス発生ユニットＢは、主として図３に示
すような電解セル１と水素分離タンク４と酸素分離タン
ク５とスクラバー２０とからなる。純水製造ユニットＡ
から供給された純水は純水供給経路１４（図３参照）を
通じて電解セル１内の固体電解質膜ユニット１０の陽極
室Ｄに供給され、上記したようにこの固体電解質膜ユニ
ット１０内で水が電気分解され、水素ガスと酸素ガスと
が発生する。

【００１０】陰極室Ｃで発生した水素ガスは、水素イオ
ンに伴って固体電解質膜１１を移動してきた比較的少量
の水とともに（すなわち水素ガス中に水が含まれた状態
で）水素ガス取出経路１５を通じて水素分離タンク４に
送られ、ここで水素ガスと水とが分離されて水素ガスが
取り出される。陽極室Ｄで発生した酸素ガスは、比較的
多量の冷却用の水とともに（すなわち水の中に酸素ガス
が含まれた状態で）酸素ガス取出経路１６を通じて酸素
分離タンク５に送られ、ここで酸素ガスと水とが分離さ
れて酸素ガスが取り出される。水素分離タンク４及び酸
素分離タンク５でそれぞれガスと分離された水は廃棄さ
れる場合もあるし、図５に示すように環流経路２を通じ
て純水製造ユニットＡの純水タンク６０に環流されて再
利用される場合もある。なお、水素分離タンク４から環
流させられる水は防爆処理のためスクラバー２０で残存
水素ガスを除去された後、酸素分離タンク５から環流さ
せられる水と混合される。

【００１１】このような水素・酸素発生装置では、電解
セル１に通電される電流値が充分高い場合には陽極室Ｄ
で多量の酸素ガスが発生し、この酸素ガスと酸素ガスが
溶解して飽和状態となった水とが酸素分離タンク５に送
られる。

【００１２】このような水素・酸素発生装置は様々な規
模のものが実用化されているが、例えば固体電解質膜ユ
ニット１０の陽極室Ｄ及び酸素分離タンク５の内圧が４
ｋｇ／ｃｍ²Ｇ（ゲージ圧）で、陽極室Ｄに供給される
純水の量が電解セル１全体で４５Ｌ／ｍｉｎ（リッター
／分）で、電解セル１に通電される電流が最大で数百ア
ンペアで、このときの水素ガス発生量が１０Ｎｍ³／ｈ
（ノルマル立方メートル／時間）であるタイプのもの
（以下標準タイプと称する）等が知られている。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記した水
素・酸素発生装置は最大負荷電流に対して０％から１０
０％の範囲の電流負荷率での運転が可能であるという長
所を有しており、例えば夜間や休日等ガスの使用量が少
量で足りる場合には、ガスの発生量を少量とするため電
流負荷率を最大負荷電流の１０％以下（例えば２％程
度）に設定して運転されることがある。このようにガス
発生量が少ない場合、たとえ大気圧下で酸素ガス飽和状
態の純水が固体電解質膜ユニット１０に供給されたとし
ても、この固体電解質膜ユニット１０内は加圧状態であ
るため、陽極室Ｄの水は酸素ガス不足により酸素ガス不
飽和状態となる。例えば上記の標準タイプの水素・酸素
発生装置において、電解セル１全体で４５Ｌ／ｍｉｎ供
給される摂氏２０度の純水を飽和させるには１８ｍｏｌ
／ｈ（モル／時間）の酸素ガスが必要であるのに対し、
電流負荷率が２％の通電では酸素ガスは４．５ｍｏｌ／
ｈしか発生せず、陽極室Ｄの水は酸素ガス不飽和状態と
なる。

【００１４】このため、発生した酸素ガスとともに酸素
ガス不飽和状態の水が酸素分離タンク５に送られると、
固体電解質膜ユニット１０の陽極室Ｄとほぼ同圧となっ
ている（すなわち加圧状態となっている）酸素分離タン
ク５内では水に酸素ガスが溶解し、酸素ガスの発生効率
を低下させてしまうという問題がある。

【００１５】また、多量の酸素ガスを溶解した酸素分離
タンク５内の水は、例えば水面レベルコントロール等の
手段により定期的に排出され、環流又は廃棄されるの
で、この水が酸素分離タンク５内の酸素を外部に持ち出
すことととなる。このため酸素分離タンク５の内圧が徐
々に低下し、酸素分離タンク５と連結された電解セル１
内の陽極室Ｄの内圧も徐々に低下する。この結果、固体
電解質膜ユニット１０の右左（つまり陰極室Ｃと陽極室
Ｄ）に圧力差が生じ、この圧力差が大きくなると固体電
解質膜１１を損傷させたり、固体電解質膜１１の劣化を
促進し寿命を短くしてしまうおそれがある。

【００１６】なお、酸素分離タンク５から排出された水
を廃棄せずに純水タンク６０に環流させて再利用するタ
イプの水素・酸素発生装置（図５に示したタイプ）であ
っても、低電流負荷率で運転された場合に酸素分離タン
ク５の内圧が低下することは避けられない。すなわち、
このタイプの水素・酸素発生装置においては純水タンク
６０は大気と連通されておりこの純水タンク６０の内圧
は大気圧となっているため、加圧状態でかつ酸素ガスが
多量に溶解した環流水がこの純水タンク６０内に移動さ
せられると、圧力低下によってこの水が酸素ガス過飽和
となり、この過飽和の酸素がガスとして発生して大気中
に放出される。このように大気圧下で平衡状態となった
水が再び加圧されて再利用され、酸素ガス発生量の少な
いガス発生ユニットＢ内では酸素ガス飽和状態に達せら
れないまま酸素分離タンク５に送られ、この水に酸素分
離タンク５内で酸素ガスが再度溶解する。このサイクル
を繰り返すうちに、このタイプの水素・酸素発生装置に
おいてもやはり酸素ガスの溶解により酸素分離タンク５
内の内圧が徐々に低下し、固体電解質膜ユニット１０の
右左で圧力差が生じ、固体電解質膜１１を損傷させた
り、固体電解質膜１１の劣化を促進し寿命を短くしてし
まうおそれがある。

【００１７】本発明は上記した問題に鑑みてなされたも
のであり、低電流で運転された場合でも酸素ガスの発生
効率を低下させることがなく、しかも固体電解質膜ユニ
ット１０内の陽極室Ｄの内圧が低下して陰極室Ｃと陽極
室Ｄとで圧力差が生じてしまうことが少なく、従って固
体電解質膜１１を損傷させたり劣化させてしまうおそれ
が少ない水素・酸素発生装置を提供することをその目的
とするものである。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記した問題を解決する
ため本発明は、純水製造ユニットと、ガス発生ユニット
と、そのガス発生ユニット内に配設される電解セルと、
その電解セル内に配設され略中央に固体電解質膜を備え
た固体電解質膜ユニットとを備えており、固体電解質膜
ユニット内に固体電解質膜を挟んで位置する陰極室と陽
極室とを加圧状態とし、陽極室に純水製造ユニットで製
造された純水を供給して電気分解し、陰極室で水素ガス
を発生させて取り出し、陽極室で酸素ガスを発生させて
この酸素ガスと水とを取り出す水素・酸素発生装置にお
いて、その純水製造ユニットは、製造される純水が陽極
室の内圧と同程度の加圧状態とされその純水に溶解する
酸素ガス量が高水準とされるように構成されていること
を特徴とする水素・酸素発生装置、を提供するものであ
る（請求項１）。

【００１９】本発明によれば、陽極室の内圧と同程度の
加圧状態とされて溶解する酸素ガス量が高水準に維持さ
れた純水が陽極室に供給されるため、低電流運転時にお
いて陽極室で発生する酸素ガスが少量であっても陽極室
から取り出される水をほぼ飽和状態とすることができ
る。従って低電流運転時でも酸素分離タンク内で水に溶
解する酸素ガスの量を抑えることができ、酸素分離タン
ク及び固体電解質ユニットの陽極室の内圧の低下を抑え
ることができる。このため、酸素ガスの発生効率低下を
防ぐとともに固体電解質膜の損傷や劣化を防止すること
が可能となる。

【００２０】本発明において純水製造ユニットで製造さ
れる純水を陽極室の内圧と同程度の加圧状態としてその
純水に溶解する酸素ガス量を高水準に維持するには、純
水製造ユニットの系内を大気から密閉されたものとすれ
ばよい（請求項２）。こうすれば、純水製造ユニットで
製造される水を容易に加圧状態でかつ溶解する酸素ガス
量が高水準なものとすることができる。具体的には、従
来大気と連通されていた純水タンクを大気から密閉され
たものとし、純水タンクに蓄えられる水を加圧状態とす
ればよい。また、純水タンクを設けないことにより純水
製造ユニットの系内を大気から密閉されたものとしても
よい。

【００２１】ガス発生ユニットから取り出された水を純
水製造ユニットに環流させて再利用するタイプの水素・
酸素発生装置の場合、ガス発生ユニットから取り出され
る環流水は加圧状態でしかも溶解する酸素ガスの量が高
水準であるため、この加圧状態と溶解する酸素ガス量の
水準とが維持されたまま環流水が再利用されるように純
水製造ユニットを構成すればよい（請求項３）。こうす
れば、新たな加圧手段を設けなくとも製造される純水を
加圧状態でかつ溶解する酸素ガス量が高水準なものとす
ることができ、効率的である。具体的には、上記と同様
純水タンクを大気から密閉されたものとしたり、純水タ
ンクを設けないことにより純水製造ユニットの系内を大
気から密閉されたものとすればよい。

【００２２】上記のように、陽極室から取り出され酸素
ガスと分離された水は廃棄させられる場合と再利用され
る場合がある。この水が廃棄される場合は大量の補給水
を純水製造ユニットに補給する必要がある。また、この
水が再利用される場合でも、電気分解に用いられた量に
相当する水を純水製造ユニットに補給する必要がある。
このように補給水を補給する場合、補給水をあらかじめ
加圧状態でかつ高水準な酸素ガス溶解量のものとしてか
ら補給し得るような水補給ユニットを設けるのが好まし
い（請求項４）。これにより、純水製造ユニットで製造
される純水を容易に加圧状態で高水準の酸素ガス溶解量
とすることができる。陽極室から取り出されて酸素ガス
と分離された水が廃棄されるタイプの水素・酸素発生装
置においては多量の補給水が純水製造ユニットに補給さ
れるので、水補給ユニットで補給水を加圧することが特
に好ましい。

【００２３】なお、後述のように高純度のガスを効率よ
く取り出すために固体電解質膜を固体高分子電解質膜と
することが好ましいが、この固体高分子電解質膜は高分
子であるが故に強度が充分でないため、陰極室と陽極室
との圧力差を低減できる本発明を適用することにより、
顕著にその寿命を延ばすことが可能となる（請求項
５）。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ本発明を
詳説する。

【００２５】図１は本発明の水素・酸素発生装置の一実
施形態を表す経路図である。本水素・酸素発生装置は主
として純水製造ユニットＡとガス発生ユニットＢとから
構成される。ガス発生ユニットＢの構成は、図５に示し
た従来の水素・酸素発生装置のガス発生ユニットと同様
であり、例えば図３に示したような電解セル１が用いら
れる。純水製造ユニットＡは、図５に示した従来の純水
製造ユニットの純水タンク６０を大気から密閉された純
水タンク６に置き換えることにより純水製造ユニットＡ
の系内を大気から密閉したものである。

【００２６】酸素分離タンク５から排出された水は陽極
室Ｄと同程度の加圧状態であり、その酸素ガス溶解量は
高水準なものである。この水が環流経路２を通じて純水
タンク６に環流させられる。純水タンク６は上記のよう
に大気から密閉されているため、環流水は加圧状態と高
水準の酸素ガス溶解量を維持したまま純水タンク６内に
蓄えられる。そしてこの加圧状態でかつ酸素ガス溶解量
が高水準である水が、ポンプ７により熱交換ユニット８
とイオン交換器９とを経て電解セル１の陽極室Ｄ（図３
参照）に供給される。

【００２７】電解セル１に通電される電流の電流負荷率
が小さくて固体電解質膜ユニット１０の陽極室Ｄで発生
する酸素ガスの量が少量であるときでも、ここに供給さ
れる純水に溶解する酸素ガス量は上記のようにもともと
高水準であるため、陽極室Ｄから取り出されて酸素分離
タンク５に蓄えられる水はほぼ酸素ガス飽和状態とな
る。従って酸素分離タンク５内で水に溶解する酸素ガス
の量を抑えることができ、酸素分離タンク５及び固体電
解質膜ユニット１０の陽極室Ｄの内圧低下を抑えること
ができる。この結果、低電流負荷率での運転時でも酸素
ガスの発生効率低下を防ぐことができるとともに、固体
電解質膜１１の損傷や劣化を防止することが可能とな
る。

【００２８】このように、本水素・酸素発生装置では環
流水の加圧状態と溶解する酸素ガス量とをそのまま維持
させているので、新たな加圧手段等が不必要であり、低
コストで効率的な運転を行うことができる。

【００２９】なお、このように陽極室Ｄから取り出され
た水を再利用するタイプの水素・酸素発生装置であって
も、電気分解によって消費された量に相当する水は系内
に補給される必要がある。図１に示した水素・酸素発生
装置では、水補給ユニット（（図示せず）から水補給経
路３を通じて純水タンク６に補給水が補給される。この
水補給ユニットにおいて、補給水をあらかじめ陽極室Ｄ
と同程度の加圧状態でかつ溶解する酸素ガス量を高水準
とすることが好ましい。これにより、純水タンク６内で
補給水と環流水とが混合された水の酸素ガス溶解度の低
下を防ぐことができる。

【００３０】本水素・酸素発生装置において、陽極室Ｄ
から取り出されて酸素ガスと分離された水を環流させず
に廃棄してもよい。この場合、純水製造ユニットＡにお
いては補給された補給水のみから純水が製造されること
となる。従って、この補給水をあらかじめ陽極室Ｄと同
程度の加圧状態でかつ溶解する酸素ガス量を高水準なも
のとすることが特に好ましい。これにより、純水製造ユ
ニットＡ内には水に溶解する酸素ガス量を高める手段を
設ける必要がなくなる。もちろん、補給水を加圧状態で
かつ溶解する酸素ガス量を高水準なものとせずとも、純
水タンク６内で補給水と空気又は酸素ガス（好ましくは
酸素ガス）とを一緒に存在させてこの純水タンク６の内
圧を高めること等により、水に溶解する酸素ガス量を高
めても良い。

【００３１】なお、純水製造ユニットＡで製造され陽極
室Ｄに供給される純水に溶解する酸素ガス量は陽極室内
圧と同圧のもとで飽和状態であるのが理想であるが、そ
れに近い状態であってもよく、本発明ではこの飽和状態
かそれに近い状態をもって「「溶解する酸素ガス量が高
水準」な状態としている。一般的には、陽極室の内圧と
同圧のもとでの酸素ガス溶解量が飽和状態の溶解量の７
０％以上となるように加圧状態を制御して運転を行えば
よい。

【００３２】図１に示した水素・酸素発生装置では、水
補給経路３を通じて純水タンク６に補給水を補給してい
るが、補給経路３の位置はここには限られない。例えば
純水タンク６の上流、純水タンク６とポンプ７との間、
ポンプ７と熱交換ユニット８との間、熱交換ユニット８
とイオン交換器９との間、イオン交換器９の下流等に水
補給経路を設けても良い。また、この水素・酸素発生装
置において純水タンク６、ポンプ７、熱交換ユニット
８、イオン交換器９、水素分離タンク４又は酸素分離タ
ンク５が省略されることもある。また、本水素・酸素発
生装置では純水製造ユニットＡの経路内を加圧状態の水
が通過するため、純水製造ユニットＡを構成する純水タ
ンク６、ポンプ７、熱交換ユニット８、イオン交換器９
等を耐圧性に優れるものとするのが好ましい。

【００３３】本水素・酸素発生装置の電解セル１に用い
られる固体電解質膜１１としては、固体高分子電解質を
膜状に成形したものの両面に貴金属、特に白金族金属か
らなる多孔質層を化学的に無電解メッキによって形成し
た固体高分子電解質膜を使用するのが好ましい。前記固
体高分子電解質膜としては、カチオン交換膜（フッ素樹
脂系スルフォン酸カチオン交換膜であり、例えばデュポ
ン社製「ナフィオン１１７」）が好ましい。また、この
場合前記多孔質メッキ層としては白金族金属のうち白金
が好ましく、特に白金とイリジウムとからなる二層構造
とすれば、８０゜Ｃにおいて２００Ａ／ｄｍ²の高電流
密度で四年間の長期にわたって電気分解をすることが可
能である。なお、前記イリジウムの他に、二種類以上の
白金族金属をメッキした多層構造の固体電解質膜１１も
使用することができる。ちなみに例えば電極を物理的に
イオン交換膜に接触させた構造の固体電解質膜１１で
は、その電流密度は５０〜７０Ａ／ｄｍ²程度でしかな
い。

【００３４】また、以上のごとく構成された固体電解質
膜１１では固体高分子電解質と多孔質メッキ層との間に
は水は存在しないので、溶液抵抗やガス抵抗を少なくす
ることができる。従って、固体高分子電解質と両多孔質
メッキ層との間の接触抵抗を低くすることができ、電圧
降下を少なくでき、電流分布を均一とできる。その結
果、高電流密度化、高温水電解、高圧水電解が可能とな
り、高純度の水素ガス及び酸素ガスを効率よく得ること
が可能となる。

【００３５】なお、固体電解質膜１１として上記した固
体高分子電解質膜の他に、例えばセラミック膜等の他の
固体電解質膜１１を使用することも可能である。

【００３６】本水素・酸素発生装置の電解セル１は図３
に示すように複数個の固体電解質膜ユニット１０を積層
させたものであるが、積層させる固体電解質膜ユニット
１０の数は、必要とされるガス発生量等に応じて１又は
２以上の任意の積層数から適宜選択される。

【００３７】図２には本発明の水素・酸素発生装置の他
の実施形態の経路図が表されている。この水素・酸素発
生装置は図５に示した従来の水素・酸素発生装置から大
気と連通している純水タンク６０を取り除いたものであ
る。従って純水製造ユニットＡの系内が大気から密閉さ
れている。

【００３８】酸素分離タンク５から排出された水は陽極
室Ｄと同程度の加圧状態であり、溶解する酸素ガス量は
高水準なものである。この水が環流経路２を通じて純水
製造ユニットＡに環流させられる。純水製造ユニットＡ
の系内は上記のように大気から密閉されているため、環
流水は加圧状態と高水準の酸素ガス溶解量とを維持した
ままポンプ７により熱交換ユニット８とイオン交換器９
とを経て電解セル１の陽極室Ｄに供給される。

【００３９】電解セル１に通電される電流の電流負荷率
が小さくて固体電解質膜ユニット１０の陽極室Ｄで発生
する酸素ガスの量が少量であるときでも、ここに供給さ
れる純水に溶解する酸素ガス量は上記のようにもともと
高水準であるため、陽極室Ｄから取り出されて酸素分離
タンク５に蓄えられる水はほぼ酸素ガス飽和状態とな
る。従って酸素分離タンク５内で水に溶解する酸素ガス
の量を抑えることができ、酸素分離タンク５及び固体電
解質膜ユニット１０の陽極室Ｄの内圧低下を抑えること
ができる。この結果、低電流負荷率での運転時でも酸素
ガスの発生効率低下を防ぐことができるとともに、固体
電解質膜の損傷や劣化を防止することが可能となる。

【００４０】このように、本水素・酸素発生装置では環
流水の加圧状態と溶解する酸素ガス量とをそのまま維持
させているので、新たな加圧手段等が不必要であり、低
コストで効率的な運転を行うことができる。また、本水
素・酸素発生装置では図１に示された水素・酸素発生装
置のような純水タンク６が設けられておらず、しかもこ
れに付随するバルブ、センサー等も不要となるので、水
素・酸素発生装置のコンパクト化を図ることができる。
さらに、純水タンク６を省略することにより、制御の簡
素化を図ることもできる。

【００４１】なお、このように陽極室Ｄから取り出され
た水を再利用するタイプの水素・酸素発生装置であって
も、電気分解によって消費された量に相当する水は系内
に補給される必要がある。図２に示した水素・酸素発生
装置では、水補給ユニット（（図示せず）から水補給経
路３を通じて純水製造ユニットＡに補給水が補給され
る。この水補給ユニットにおいて、補給される補給水を
あらかじめ陽極室Ｄと同程度の加圧状態でかつ溶解する
酸素ガス量が高水準なものとすることが好ましい。これ
により、純水製造ユニットＡで補給水と環流水とが混合
された水の酸素ガス溶解度の低下を防ぐことができる。

【００４２】本水素・酸素発生装置において陽極室Ｄか
ら取り出され酸素ガスと分離された水を環流させずに廃
棄してもよい。この場合は純水製造ユニットＡにおいて
補給水のみから純水が製造されることとなる。従って、
補給水をあらかじめ陽極室Ｄと同程度の加圧状態でかつ
溶解する酸素ガス量が高水準なものとすることが必要で
ある。なお、補給水の酸素ガス溶解量を高水準なものと
せずとも純水製造ユニットＡの経路内のいずれかにタン
クを設け、ここで水と空気又は酸素ガス（好ましくは酸
素ガス）とを一緒に存在させてこのタンクの内圧を高め
ること等により、水に多量の酸素ガスを溶解させても良
い。

【００４３】この水素・酸素発生装置においても、純水
タンク６、ポンプ７、熱交換ユニット８、イオン交換器
９、水素分離タンク４又は酸素分離タンク５が省略され
ることがある。端的には、環流経路２のみから純水製造
ユニットＡを構成し、酸素分離タンク５から排出された
水をそのまま電解セル１に供給してもよい。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば低
電流で運転された場合でも酸素ガスの発生効率を低下さ
せることがなく、しかも固体電解質膜ユニット内の陽極
室の内圧が低下して固体電解質膜ユニットの陰極室と陽
極室とで圧力差が生じてしまうことが少なく、従って固
体電解質膜を損傷させたり劣化により寿命を低下させた
りするおそれが少ない水素・酸素発生装置を得ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態にかかる水素・酸素発生装
置を表す経路図である。

【図２】本発明の他の実施形態にかかる水素・酸素発生
装置を表す経路図である。

【図３】図１及び図２の水素・酸素発生装置に用いられ
る電解セルの一例を示す断面図である。

【図４】図３に示された電解セルの固体電解質膜ユニッ
トの分解された断面図である。

【図５】従来の水素・酸素発生装置を表す経路図であ
る。

【符号の説明】

１・・・電解セル２・・・環流経路３・・・水補給経路４・・・水素分離タンク５・・・酸素分離タンク６、６０・・・純水タンク７・・・ポンプ８・・・熱交換ユニット９・・・イオン交換器１０・・・固体電解質膜ユニット１１・・・固体電解質膜１２・・・多孔質給電体１３・・・複極式電極板１４・・・純水供給経路１５・・・水素取出経路１６・・・酸素取出経路１７・・・端部電極板１８・・・陰極側１９・・・陽極側２０・・・スクラバーＡ・・・純水製造ユニットＢ・・・ガス発生ユニットＣ・・・陰極室Ｄ・・・陽極室

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者森岡輝行兵庫県加古川市平岡町土山934−４

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】純水製造ユニットと、ガス発生ユニットと、そのガス発生ユニット内に配設される電解セルと、その電解セル内に配設され略中央に固体電解質膜を備え
た固体電解質膜ユニットとを備えており、固体電解質膜ユニット内に固体電解質膜を挟んで位置す
る陰極室と陽極室とを加圧状態とし、陽極室に純水製造
ユニットで製造された純水を供給して電気分解し、陰極
室で水素ガスを発生させて取り出し、陽極室で酸素ガス
を発生させてこの酸素ガスと水とを取り出す水素・酸素
発生装置において、その純水製造ユニットは、陽極室の内圧と同程度の加圧
状態とされその純水に溶解する酸素ガス量が高水準とさ
れるように構成されていることを特徴とする水素・酸素
発生装置。
【請求項２】製造される純水を陽極室の内圧と同程度
の加圧状態とし得るように、上記純水製造ユニットの系
内が大気から密閉されている請求項１に記載の水素・酸
素発生装置。
【請求項３】上記ガス発生ユニットから取り出された
加圧状態でかつ溶解する酸素ガス量が高水準の水が純水
製造ユニットに環流させられ、その水の加圧状態と溶解
する酸素ガス量とが維持されたまま再利用されるように
構成されている請求項１又は２に記載の水素・酸素発生
装置。
【請求項４】上記陽極室の内圧と同程度の加圧状態と
され溶解する酸素ガス量が高水準とされた補給水が純水
製造ユニットに補給されるように構成された水補給ユニ
ットをさらに備えた請求項１から３のいずれかに記載の
水素・酸素発生装置。
【請求項５】上記固体電解質膜が固体高分子電解質膜
である請求項１から４のいずれかに記載の水素・酸素発
生装置。