(57)【要約】    【課題】本発明は、簡便に窒素ガスを供給できる水素・酸素発生装置を提供する。    【解決手段】本発明は、水を電気分解することにより、水素ガス及び酸素ガスを発生させる水素・酸素発生部と、空気から窒素ガスを生成する窒素ガス生成部と、前記窒素ガスを前記水素・酸素発生部に供給する窒素ガス供給経路とを備える、水素・酸素発生装置である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水を電気分解することにより、水素ガス及び酸素ガスを発生させる水素・酸素発生部と、
空気から窒素ガスを生成する窒素ガス生成部と、
前記窒素ガスを前記水素・酸素発生部に供給する窒素ガス供給経路とを備える、水素・酸素発生装置。
【請求項２】
前記窒素ガス生成部が窒素富化膜を有する、請求項１に記載の水素・酸素発生装置。
【請求項３】
空気を加圧して加圧空気を排出するエアコンプレッサを備え、
前記窒素ガス生成部が、前記加圧空気から加圧状態の前記窒素ガスを生成するよう構成されており、
前記エアコンプレッサは、前記加圧空気を貯留するエアタンクと、該エアタンクの圧力が規定値を超えたときに該エアタンクから空気を放出して前記圧力を規定値以下に調整する安全弁とを備え、前記安全弁が作動する前記規定値が０．９ＭＰａ以下である請求項１又は２に記載の水素・酸素発生装置。
【請求項４】
前記水素・酸素発生部は、空気を加圧して加圧空気を排出するエアコンプレッサと、
該水素・酸素発生部の駆動状態を制御する制御システムとを備え、
前記加圧空気が該制御システムで利用される計装用空気として用いられ、
前記窒素ガス生成部では、前記エアコンプレッサにより生成される前記加圧空気から前記窒素富化膜を通じて加圧状態の前記窒素ガスが生成される請求項２に記載の水素・酸素発生装置。
【請求項５】
前記窒素ガス生成部で生成された前記窒素ガスを加圧状態で貯留する窒素ガス貯留タンクを備え、該窒素ガス貯留タンクの内容積が０．０４ｍ３未満である請求項１乃至４の何れか１項に記載の水素・酸素発生装置。
【請求項６】
前記窒素ガス生成部で生成された前記窒素ガスを加圧状態で貯留する窒素ガス貯留タンクを備え、該窒素ガス貯留タンクの内容積が０．０３ｍ３以下である請求項１乃至５の何れか１項に記載の水素・酸素発生装置。
【請求項７】
前記電気分解に利用する電力の一部又は全部が再生可能エネルギーから得られる電力である請求項１乃至６の何れか１項に記載の水素・酸素発生装置。
【請求項８】
前記窒素ガス貯留タンクにおける窒素ガス貯留量を検知する窒素ガス量検知装置をさらに備えている請求項５又は６記載の水素・酸素発生装置。
【請求項９】
前記窒素ガス生成部が、純度が９９体積％以上となるように前記窒素ガスを生成する第１の状態と、純度が９５体積％以上９９体積％未満となるように前記窒素ガスを生成する第２の状態とに切り替え可能である請求項１乃至８の何れか１項に記載の水素・酸素発生装置。
【請求項１０】
水を電気分解することにより、水素ガス及び酸素ガスを発生させる水素・酸素発生部と、
空気から窒素ガスを生成する窒素ガス生成部と、
前記窒素ガスを前記水素・酸素発生部に供給する窒素ガス供給経路とを備える、水素・酸素発生装置を用いて前記水素ガスを製造し、
前記水素・酸素発生部での前記電気分解を停止する際には、該水素・酸素発生部に前記窒素ガスを供給し、前記水素・酸素発生部に存在している前記水素ガスと前記酸素ガスとの内の少なくとも一方を前記水素・酸素発生装置から排出させる水素ガスの製造方法。
【請求項１１】
前記窒素ガス生成部で生成された前記窒素ガスを加圧状態で貯留する窒素ガス貯留タンクが備えられ、該窒素ガス貯留タンクにおける窒素ガス貯留量を検知する窒素ガス量検知装置がさらに備えられている前記水素・酸素発生装置を用い、
前記窒素ガス量検知装置で前記窒素ガス貯留量の検知を行う窒素ガス量検知工程が実施される請求項１０記載の水素ガスの製造方法。
【請求項１２】
前記水の前記電気分解を開始する際に前記窒素ガス量検知工程を実施する請求項１１記載の水素ガスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素・酸素発生装置および水素ガスの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、太陽光発電で得られた再生可能エネルギーを水素ガスとして貯留する等の目的で、水を電気分解することにより水素ガス及び酸素ガスを発生させる水電解モジュールを備えた水素・酸素発生装置が用いられている（例えば、特許文献１、２）。
前記水電解モジュールは、水素ガスを発生させる陰極室と、酸素ガスを発生させる陽極室と、該陽極室と該陰極室との間を仕切る固体高分子電解質膜とを有する。
この種の水素・酸素発生装置では、電気分解される水量よりも過剰な水を前記陽極室に供給し、陽極側から電気分解されずに残った水と酸素ガスとを含む気液混合状態の流体を排出させ、該流体を分離タンクで気液分離するように構成されたものが知られている。
また、水素・酸素発生装置としては、該分離タンクで分離された水を、前記水電解モジュールで電気分解させるための水として陽極室に供給して再利用するタイプのものが知られている。
【０００３】
陽極室では、下記式（１）の反応により酸素ガスが生成される。
２Ｈ２Ｏ  →  Ｏ２  ＋  ４Ｈ＋  ＋  ４ｅ−  ・・・（１）
そして、陽極室で生成された水素イオン（Ｈ＋）は、少量の水とともに固体高分子電解質膜を通じて陰極室へと移動して、下記式（２）の反応で水素ガスとなる。
４Ｈ＋  ＋  ４ｅ−  →  ２Ｈ２  ・・・（２）
上記（１）、（２）式より、全体としての反応式は（３）式のとおりとなる。
２Ｈ２Ｏ  →  ２Ｈ２  ＋  Ｏ２  ・・・（３）
上記（３）式からわかるように、陽極室で発生する酸素ガスの２倍の体積量で水素ガスが陰極室で発生する。
【０００４】
水の電気分解により発生する水素ガスと酸素ガスの圧力差により、固体高分子電解質膜を介して圧力の高いガスが圧力の低いガス側へ透過する。
また、圧力差が大きいほど、ガスの透過量が多くなる。
水素・酸素発生装置が運転中の時は、水の電気分解により、発生するガスの入れ替わりがあるため、固体高分子電解質膜を介して透過するガスが濃度に及ぼす影響は小さくなる。
一方、装置が停止中のときは、ガスの入れ替わりがないためガスの透過の影響が大きくなるため、透過したガスの濃度が上昇しやすくなる。
また、水電解モジュールでの異常が発生すると、透過したガスの濃度上昇の傾向が顕著になる。
該水素・酸素発生装置の場合、水素ガスの純度を高めるために、水素ガス圧力が酸素ガス圧力よりも高く設定されており、固体高分子電解質膜を介して酸素ガス中に水素ガスが透過しやすい状況となる。
【０００５】
ところで、エネルギー源である太陽光の日射量が一定量より少ない時や、日射量のない時（例えば、夜間、早朝、夕刻、雲天時、雨天時など）には、水素・酸素発生装置での電気分解が停止する。
また、水素・酸素発生装置のメンテナンス時には、水素・酸素発生装置での電気分解を停止させる。
もし、何らかの原因で水電解モジュールの異常が発生し水素ガスの透過量が増え、酸素ガス中の水素ガス濃度が、水素の爆発限界濃度である４〜７５容量％（空気中）の範囲内となり、近傍に着火源が存在すると、水素と酸素の混合ガスが爆発する危険性がある。
このため、安全性を考慮し、水素・酸素発生装置が停止時に、水素ガスと酸素ガスの混合を防止するため、装置の停止後に水電解モジュールの酸素側（陽極室）を窒素パージし、水素ガスの混入の可能性がある酸素ガスを装置外に排出する対策が取られることがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４３４７９７２号公報
【特許文献２】特開平０８−３３３６９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来、窒素ガスの供給には、窒素ガスボンベを用いている。
しかし、従来、水素・酸素発生装置を停止する度に窒素パージ用の窒素ガスを消費するため、窒素ガスボンベを頻繁に交換する必要があること、またボンベを設置する際にはボンベ保管量によって届出が必要な場合があること、などといった手間がかかっている。
【０００８】
上記のような点に関し、例えば、窒素ガスを低圧で蓄えることも考えられるが、その場合には、必要となり得る量の窒素ガスタンクを蓄えておくために大容量の貯留タンクが必要になり、設備が大掛かりになってしまうおそれがある。
そこで、本発明は、簡便に窒素ガスを供給できる水素・酸素発生装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る水素・酸素発生装置は、水を電気分解することにより、水素ガス及び酸素ガスを発生させる水素・酸素発生部と、
空気から窒素ガスを生成する窒素ガス生成部と、
前記窒素ガスを前記水素・酸素発生部に供給する窒素ガス供給経路とを備える。
【００１０】
本発明に係る水素ガスの製造方法では、水を電気分解することにより、水素ガス及び酸素ガスを発生させる水素・酸素発生部と、
空気から窒素ガスを生成する窒素ガス生成部と、
前記窒素ガスを前記水素・酸素発生部に供給する窒素ガス供給経路とを備える、水素・酸素発生装置を用いて前記水素ガスを製造し、
前記水素・酸素発生部での前記電気分解を停止する際には、該水素・酸素発生部に前記窒素ガスを供給し、前記水素・酸素発生部に存在している前記水素ガスと前記酸素ガスとの内の少なくとも一方を前記水素・酸素発生装置から排出させる。
【００１１】
斯かる手段によれば、窒素ガス生成部で得られた窒素ガスを水素・酸素発生部に供給することにより、簡便に窒素ガスを供給することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、簡便に窒素ガスを供給し得る。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】一実施形態に係る水素・酸素発生装置の概略図。
【図２】一実施形態に係る水素・酸素発生装置の一部の構成を示した概略図。
【図３】水素・酸素発生装置の運転開始時のフローを示した概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の一実施形態について説明する。
【００１５】
図１に示すように、本実施形態に係る水素・酸素発生装置１は、水を電気分解することにより、水素ガス及び酸素ガスを発生させる水素・酸素発生部２と、空気から窒素ガスを得る窒素ガス生成部３と、前記窒素ガスを前記水素・酸素発生部２に供給する窒素ガス供給経路４とを備える。
【００１６】
前記水素・酸素発生部２は、水を電気分解して水素ガスと酸素ガスとを発生させる水電解モジュール２１を備える。
【００１７】
該水電解モジュール２１は、水素ガスを発生させる陰極室（図示せず）と、酸素ガスを発生させる陽極室（図示せず）とを有する。
また、前記水電解モジュール２１は、固体高分子電解質膜（図示せず）を有する。前記陽極室と前記陰極室は、前記固体高分子電解質膜によって仕切られている。
【００１８】
さらに、前記水電解モジュール２１は、水が供給される水供給口２１ａを前記陽極室に有する。
また、前記水電解モジュール２１は、前記陽極室から排出される気液混合状態の流体として、酸素ガスを含む水を排出する第１排出口２１ｂと、水素ガスを陰極室から排出する第２排出口２１ｃとを有する。
前記第１排出口２１ｂから排出される前記流体に含まれる水は、前記水電解モジュール２１に供給された水のうち、水電解に寄与しなかった分であり、前記水電解モジュール２１で発生した酸素ガスと共に排出される。
即ち、本実施形態の前記水素・酸素発生部２は、電気分解に必要な水の量に対して過剰な量の水が陽極室に供給されるように構成されている。
前記水素・酸素発生部２は、斯かる構成により、発生した酸素ガスを陽極室から素早く排出できる。
また、前記水素・酸素発生部２は、斯かる構成により、運転中の発熱により高温となる水電解モジュール２１を冷却できる。
前記第２排出口２１ｃから排出される水素ガスは、陽極室から固体高分子電解質膜を介して透過する水を含んでおり、湿潤状態の水素ガスとなっている。
【００１９】
前記水素・酸素発生部２は、前記水電解モジュール２１に供給するための水を貯留する貯留タンク２２と、前記貯留タンク２２から前記水電解モジュール２１の前記陽極室に水を供給する供給経路２３と、前記気液混合状態の流体を前記貯留タンク２２に返送する返送経路２４とをさらに備える。
前記供給経路２３は、前記貯留タンク２２から前記水電解モジュール２１へと至り、これらを連通させる管などによって構成され得る。
前記返送経路２４は、前記水電解モジュール２１から前記貯留タンク２２へと至り、これらを連通させる管などによって構成され得る。
【００２０】
前記水素・酸素発生部２は、前記水電解モジュール２１の前記陰極室から排出された湿潤状態の水素ガスを気液分離して水素ガスから液体状態の水を取り除く分離タンク２５と、該分離タンク２５で湿潤状態の水素ガスと吸湿剤（例えば、シリカゲル、ゼオライト等）とを接触させて、水素ガス中にミストや水蒸気となって含まれている水分を水素ガスから取り除く除湿部２６とをさらに有する。
【００２１】
また、前記水素・酸素発生部２は、前記分離タンク２５から前記除湿部２６に水素ガス移送する水素ガス移送経路２８と、該水素ガス移送経路２８を開閉する弁２９とをさらに有する。
さらに、前記水素・酸素発生部２は、該水素・酸素発生部２の駆動状態を制御する制御システム８０と、該制御システム８０で利用される計装用空気としての加圧空気を生成するエアコンプレッサ８１と、該エアコンプレッサ８１で生成された計装用空気としての加圧空気を貯留する空気貯留タンク８２とをさらに有する。
前記弁２９は、前記計装用空気で駆動する弁である。
前記水素・酸素発生部２は、前記制御システム８０からの指令により前記計装用空気を前記弁２９に供給することにより、前記弁２９を駆動させ前記水素ガス移送経路２８を開閉する水素・酸素発生部である。
【００２２】
さらに、前記水素・酸素発生部２は、前記分離タンク２５で分離された水を前記貯留タンク２２に移送する水素・酸素発生部である。
【００２３】
前記貯留タンク２２は、気液分離により前記流体から酸素ガスを分離する気液分離器として機能するものである。
本実施形態での前記貯留タンク２２内は、大気圧状態となっている。
前記貯留タンク２２は、大気圧に対してわずかな加圧状態（例えば、ゲージ圧で０ＭＰａを超え０．０１ＭＰａ以下）になっていてもよい。
前記貯留タンク２２は、気液混合状態の流体から分離した酸素ガスを大気に放出する貯留タンクである。
【００２４】
前記供給経路２３は、前記貯留タンク２２から前記水電解モジュール２１に水を供給するためのポンプ２３ａを有する。
前記水素・酸素発生部２は、前記ポンプ２３ａの動力を用いて、前記貯留タンク２２と前記水電解モジュール２１との間で水を循環させる水素・酸素発生部となっている。
なお、前記ポンプ２３ａは、前記エアコンプレッサ８１から供給された加圧状態の空気たる計装エアで駆動するポンプであってもよい。すなわち、前記水素・酸素発生部２は、前記制御システム８０からの指令により前記計装用空気を前記ポンプ２３ａに供給することにより、前記ポンプ２３ａを駆動させ前記貯留タンク２２から前記水電解モジュール２１に水を供給する水素・酸素発生部であってもよい。
【００２５】
前記窒素ガス生成部３は、窒素富化膜を有する。
前記窒素富化膜は、加圧状態の空気から加圧状態の窒素ガスを得る膜である。
該窒素富化膜は、酸素ガスが選択的に透過しやすく、且つ、窒素ガスが透過し難い膜である。
該窒素富化膜としては、シリコン系膜、ポリオレフィン系膜、ポリスルフォン系膜、ポリアミド系膜、酢酸セルロース系膜、ポリイミド系膜などが挙げられる。
また、該窒素富化膜としては、平膜、スパイラル膜、チューブラー膜、中空糸膜などが挙げられる。
【００２６】
前記窒素ガス生成部３は、前記エアコンプレッサ８１により生成された前記加圧空気から前記窒素富化膜を通じて加圧状態の窒素ガスを生成する窒素ガス生成部である。
前記窒素ガス生成部３は、前記空気貯留タンク８２に貯留された加圧空気から前記窒素富化膜を通じて加圧状態の窒素ガスを生成する窒素ガス生成部であってもよい。
水素・酸素発生装置１は、前記エアコンプレッサ８１及び前記空気貯留タンク８２と、前記窒素ガス生成部３とを接続し、前記エアコンプレッサ８１と前記空気貯留タンク８２との内の少なくとも一方から前記窒素ガス生成部３へ加圧空気を供給するための空気供給経路６２を備えている。
斯かる水素・酸素発生装置１は、窒素富化膜に供給する加圧状態の空気を前もってエアコンプレッサで生成することができる。
その結果、加圧状態の空気を窒素富化膜に安定的に供給することができる。
【００２７】
前記窒素ガス供給経路４は返送経路２４に接続されており、前記貯留タンク２２の水面下に窒素ガスを供給する窒素ガス供給経路である。
本実施形態に係る水素・酸素発生装置１は、斯かる構成を有することにより、電気分解を停止した後に前記貯留タンク２２から酸素ガスを排出させるために前記窒素ガス供給経路４から前記貯留タンク２２に窒素ガスが供給するなどした際には貯留タンク２２内の水が窒素ガスによってバブリングされることになり、前記貯留タンク２２内の水に溶存している酸素ガスを水から分離させやすくなる。
その結果、水から分離した前記貯留タンク２２内の酸素ガスを大気に放出しやすくなる。
すなわち、本実施形態に係る水素・酸素発生装置１は、窒素ガス生成部３で得た窒素ガスによって、酸素ガスを装置外（大気）に排出させる装置である。
また、本実施形態に係る水素・酸素発生装置１は、窒素ガス生成部３で得た窒素ガスによって、水を装置外に排出させる装置であってもよい。
【００２８】
本実施形態の窒素ガスは、水素・酸素発生装置１が日常の運転を停止する際に酸素ガスや水素ガスを水素・酸素発生装置１から外部に放出させるために用いられる他に、装置の一部を分解して装置内に外気が入り込むような状況で装置内の各所の点検・修理などが行われるのに際して事前に酸素ガスや水素ガスを外部に放出させるためにも用いられ得る。
日常の運転を停止する際に用いる窒素ガスは純度が高い方が好ましいものの分解点検における窒素ガスは過度に高純度である必要はない。
日常の運転を停止する際に用いる窒素ガスは、純度が９９体積％以上であることが好ましい。
解体点検に際して用いる窒素ガスは、純度が９５体積％以上であることが好ましい。
窒素富化膜を用いて窒素ガスを作製する場合、より高純度な窒素ガスを得ようとすると単位時間あたりに製造できる量が低減し、投入するエネルギーに対して得られるガス量を低減させることにもなり得る。
そのため、本実施形態の窒素ガス生成部３は、純度が９９体積％以上となるように前記窒素ガスを生成する第１の状態と、純度が９５体積％以上９９体積％未満となるように前記窒素ガスを生成する第２の状態とに切り替え可能であることが好ましい。
【００２９】
本実施形態においては、前記供給経路２３に加圧状態の窒素ガスを供給するようにしてもよいが、その場合、窒素ガスが水電解モジュール２１の陽極室を通過することになる。
本実施形態においては、上記のように水素・酸素発生装置１の運転時における水の流通方向において前記水電解モジュール２１よりも下流側となる位置（返送経路２４）に窒素ガスが供給されるため、窒素ガスによって陽極室に異物が導入されることが抑制されるとともに窒素ガスの圧力が直接的に高分子固体電解質膜に加わることも抑制される。
しかも、本実施形態においては、前記貯留タンク２２の内圧が大気圧状態となるように制御されているため、前記返送経路２４に供給した窒素ガスの圧力が高分子固体電解質膜に悪影響を及ぼすことをより一層抑制し得る。
【００３０】
上記のような効果をより顕著に発揮させるべく、窒素ガスの供給地点と前記水電解モジュール２１との間において前記返送経路２４に管内の流体の移動を遮断する遮断弁を設け、前記窒素ガスを前記返送経路２４に供給する際には当該遮断弁を閉状態にし、窒素ガスの圧力が前記水電解モジュール２１へと伝わることを防ぐとともに窒素ガスが異物を含んでいた場合に当該異物が水電解モジュール２１へと移動することを防ぐようにしてもよい。
【００３１】
上記のような機能をより顕著に発揮させる上において、前記窒素ガスの元となる加圧空気を生成する前記エアコンプレッサ８１は、排出する該加圧空気の圧力（ゲージ圧）が規定値を超えないように規制する規制部材を備えていることが好ましい。
前記規定値は、１ＭＰａ未満の何れかの値に設定されることが好ましく、０．９ＭＰａ以下の何れかの値に設定されることがより好ましい。
但し、窒素ガスの生成量を一定以上確保する上において、前記エアコンプレッサ８１は、排出する前記加圧空気の圧力が０．１ＭＰａ以上となるように設定されることが好ましい。
【００３２】
該規制部材としては、エアコンプレッサ８１のエアタンクの圧力の上限を規制する安全弁などが挙げられる。
即ち、本実施形態において用いられるエアコンプレッサ８１としては、空気を加圧する圧縮器と、該圧縮器から吐出された加圧空気を貯留するエアタンクとを備え、該エアタンクの圧力が規定値を超えたときにエアタンクから空気を放出して前記圧力を規定値以下に調整する安全弁とを備え、前記安全弁の作動する前記規定値が０．９ＭＰａ以下であることが好ましい。
該安全弁の作動する前記規定値は、０．１ＭＰａ以上であることが好ましい。
【００３３】
前記エアコンプレッサ８１から加圧空気を取り出す際の圧力制御を行うレギュレーターも前記規制部材として利用可能である。
前記エアコンプレッサ８１は、前記圧縮器から吐出する加圧空気の圧力が０．１ＭＰａ以上０．９ＭＰａ以下となるように構成されていることがより好ましい。
このようにしてエアコンプレッサ８１から排出される加圧空気の圧力が規制されることにより、何らかの原因で加圧空気の圧力が直接的に水電解モジュール２１に伝わることがあっても当該水電解モジュール２１に大きな損傷が起きてしまうことを抑制することができる。
【００３４】
前記エアコンプレッサ８１は、異物の導入を防ぐ意味においてオイルフリータイプであってもよい。
本実施形態においては前記エアコンプレッサ８１から排出される加圧空気を通過させて該加圧空気から異物を除去するためのフィルターを設けるようにしてもよい。
【００３５】
本実施形態の前記窒素ガス供給経路４は、前記窒素ガス生成部３の前記窒素富化膜で得られた加圧状態の窒素ガスを貯留する窒素ガス貯留タンク４１を有する。
【００３６】
本実施形態においては、前記エアコンプレッサ８１と前記貯留タンク２２との間に前記窒素ガス貯留タンク４１が設けられ、該窒素ガス貯留タンク４１から窒素ガスを供給するようになっているため、エアコンプレッサ８１の圧力が直接的に水電解モジュール２１に伝わることが抑制され得る。
本実施形態においては、前記エアコンプレッサ８１と同様に、該窒素ガス貯留タンク４１などにも安全弁を設けるようにしてもよい。
即ち、本実施形態においては、窒素ガス貯留タンク４１に貯留されている窒素ガス、及び、該窒素ガス貯留タンク４１から前記貯留タンク２２へと至る経路を流通する窒素ガスの何れかの窒素ガスの圧力が規定値以上となった場合に該窒素ガスを系外に放出するよう作動する安全弁がさらに設けられていてもよく、当該安全弁の作動する前記規定値が０．９ＭＰａ以下に設定されていてもよい。
当該安全弁の作動する規定値は、エアコンプレッサ８１と同様に、０．１ＭＰａ以上であることが好ましい。
【００３７】
前記窒素ガス貯留タンク４１は、内容積が０．０４ｍ３未満であることが好ましく、０．０３ｍ３以下であることがより好ましい。
前記窒素ガス貯留タンク４１は、内容積が０．０４ｍ３未満であれば、その形状について内径を２００ｍｍ未満とするか、又は、長さを１０００ｍｍ未満とすることで第２種圧力容器としての点検義務を負うことが無くなり、メンテナンスに要する手間を簡略化することができる。
前記窒素ガス貯留タンク４１は、内容積が０．０３ｍ３以下であれば、第２種圧力容器に該当することはなく、点検義務を負うことが無くなり、メンテナンスに要する手間を簡略化することができる。
また、窒素ガス貯留タンク４１を第２種圧力容器に該当させないようにする場合、内容積が０．０３ｍ３以下の方が圧力の高い状態で窒素ガスを貯留することができることになるため、ノルマル立米換算では０．０３ｍ３を超える内容積のものよりも多くの量の窒素ガスを貯留し得る。
即ち、窒素ガス貯留タンク４１を０．０３ｍ３以下の内容積とすることで効率良く装置の省スペース化が行われることになる。
【００３８】
本実施形態においては、メンテナンスの手間の削減を図る上において、エアコンプレッサ８１に設けられたエアタンクや、エアコンプレッサ８１で生成された加圧空気を貯留する空気貯留タンク８２も第２種圧力容器に該当しないことが好ましい。
即ち、本実施形態の水素・酸素発生装置１は、加圧状態の気体を蓄えるタンクが１又は２以上設けられている場合、少なくとも１つが上記のような要件を満たしていることが好ましく、全てのタンクが上記のような要件を満たしていることがより好ましい。
【００３９】
本実施形態の水素・酸素発生装置１は、前記窒素ガス貯留タンク４１における窒素ガス貯留量を検知する窒素ガス量検知装置をさらに備えていることが好ましい。
本実施形態の窒素ガス貯留タンク４１は、図２に示すように、窒素ガスを貯留するタンク本体４１１と、該タンク本体４１１の内部のガス圧を検知するための窒素ガス量検知装置である圧力計４１２とを備えている。
即ち、本実施形態における窒素ガス貯留タンク４１は、内部のガス圧が測定されることによって窒素ガスの貯留量が把握され得るように構成されている。
【００４０】
本実施形態の水素・酸素発生装置１は、圧力計４１２で検知された窒素ガス貯留タンク４１での窒素ガス貯留量に基づいてエアコンプレッサ８１の運転状況や、水電解モジュール２１の運転状況を制御し得るように構成されており、該制御を行う制御器ＣＢを有している。
本実施形態の水素・酸素発生装置１は、圧力計４１２で得られた情報を制御器ＣＢに伝達するための第１の信号ラインＳＬ１と、該情報に基づいて決定されたエアコンプレッサ８１の運転条件を伝達するための第２の信号ラインＳＬ２と、前記情報に基づいて決定された水電解モジュール２１の運転条件を伝達するための第３の信号ラインＳＬ３とを備えている。
【００４１】
本実施形態における第１の信号ラインＳＬ１、第２の信号ラインＳＬ２、及び、第３の信号ラインＳＬ３のそれぞれは、有線方式である必要はなく、無線方式であってもよい。
【００４２】
本実施形態に係る水素・酸素発生装置１は、上記のように構成されているので、以下の利点を有するものである。
【００４３】
即ち、本実施形態に係る水素・酸素発生装置１は、水を電気分解することにより、水素ガス及び酸素ガスを発生させる水素・酸素発生部２と、空気から窒素ガスを生成する窒素ガス生成部３と、前記窒素ガスを前記水素・酸素発生部２に供給する窒素ガス供給経路４とを備える。
本実施形態に係る水素・酸素発生装置１は、窒素ガス生成部３で得られた窒素ガスを水素・酸素発生部２に供給することにより、簡便に水素・酸素発生部２に窒素ガスを供給することができる。
【００４４】
本実施形態に係る水素・酸素発生装置１では、前記窒素ガス生成部３が窒素富化膜を有する。
斯かる水素・酸素発生装置１は、窒素ガス生成部３が窒素富化膜を有することにより、簡便に窒素ガスを生成することができる。
【００４５】
作製された窒素ガスは、例えば、水素・酸素発生装置１が前記水素・酸素発生部２での前記電気分解を停止して次の電気分解が開始されるまでの休転状態となっている間に装置内部で水素ガスと酸素ガスとの両方を含む気体が形成されることを防止すべく用いられ得る。
即ち、窒素ガスは、前記水素ガスと前記酸素ガスとの内の少なくとも一方を前記水素・酸素発生装置１から排出させるべく用いられ得る。
【００４６】
上記のように、本実施形態では、水を電気分解することにより、水素ガス及び酸素ガスを発生させる水素・酸素発生部２と、空気から窒素ガスを生成する窒素ガス生成部３と、前記窒素ガスを前記水素・酸素発生部２に供給する窒素ガス供給経路４とを備える、水素・酸素発生装置１を用いて前記水素ガスを製造し、前記水素・酸素発生部２での前記電気分解を停止する際には、該水素・酸素発生部２に前記窒素ガスを供給し、前記水素・酸素発生部２に存在している前記水素ガスと前記酸素ガスとの内の少なくとも一方を前記水素・酸素発生装置１から排出させる水素ガスの製造方法が実施されるため、簡便な方法で安全性を確保しつつ水素ガスを製造することができる。
【００４７】
本実施形態の水素・酸素発生装置１を利用した水素ガスの製造方法では、前記電気分解を停止する際に、前記水素ガスと前記酸素ガスとの内の少なくとも一方を前記水素・酸素発生装置１から素早く排出させるために前記窒素ガス貯留タンク４１から加圧状態の窒素ガスを水素・酸素発生部２に供給することが好ましい。
具体的には、該窒素ガスの圧力（ゲージ圧）は０．１ＭＰａ以上であることが好ましい。
しかし、窒素ガスの圧力を過度に高くしても水素ガスや酸素ガスの排出スピードが上がり難くなるとともに高い圧力によって水素・酸素発生装置に備えられている機器にダメージが生じることにもなりかねない。
そこで、酸素ガスや水素ガスを水素・酸素発生装置１から外部に放出させる際には、前記装置内での圧力（ゲージ圧）が０．２ＭＰａとなるように圧力が調整された窒素ガスを用いることが好ましい。
即ち、窒素ガス貯留タンク４１から窒素ガス供給経路４に供給される窒素ガスは、レギュレーターなどによって０．１ＭＰａ以上０．２ＭＰａ以下に調整されることが好ましい。
【００４８】
窒素ガス貯留タンク４１から水素・酸素発生部２への窒素ガスの供給は、予め定めた量を一度に連続的に供給してもよい。
窒素ガス貯留タンク４１から水素・酸素発生部２への窒素ガスの供給は、ガスの供給と停止とを繰り返して複数回にわたって実施されてもよい。
【００４９】
本実施形態においては、水素・酸素発生装置１が不測の事態において予期せぬ停止をしなければならなくなった場合に備え、前記圧力計４１２によって窒素ガス貯留タンク４１での窒素ガス貯留量をモニタリングすることが好ましい。
このようなモニタリングを行うことで、余分な窒素ガスを蓄えることが防止され、窒素ガス貯留タンク４１をより小型化させ得る。
即ち、本実施形態における水素ガスの製造方法では、前記窒素ガス生成部３で生成された前記窒素ガスを加圧状態で貯留する窒素ガス貯留タンク４１が備えられ、該窒素ガス貯留タンク４１における窒素ガス貯留量を検知する窒素ガス量検知装置（圧力計４１２）がさらに備えられている前記水素・酸素発生装置１を用い、前記窒素ガス量検知装置で前記窒素ガス貯留量の検知を行う窒素ガス量検知工程が実施されることが好ましい。
【００５０】
窒素ガス貯留タンク４１における窒素ガス貯留量は、水の電気分解を開始する時点で十分確保されていることが好ましい。
したがって、本実施形態における水素ガスの製造方法では、水の前記電気分解を開始する際に前記窒素ガス量検知工程を実施することが好ましい。
【００５１】
水の電気分解を開始する際の前記水素・酸素発生装置１の動作について、図３を参照しつつ説明する。
本実施形態の水素ガス製造方法では、まず、装置を起動する起動ステップＳＴＰ１が実施され、それによって水素・酸素発生部２での水の電気分解を開始する電解開始ステップＳＴＰ２が実施される。
そして、この起動ステップＳＴＰ１と電解開始ステップＳＴＰ２との間に並行動作として、電気分解に必要な水が準備できているかなどの水素・酸素発生部２での準備状況を確認する電解準備確認ステップＳＴＰ１１と、窒素ガス貯留タンク４１での窒素ガス貯留量が予め定めた基準値以上に確保できているかを前記窒素ガス量検知工程によって確認する窒素ガス量確認ステップＳＴＰ２２とが実施される。
本実施形態においては、窒素ガス量確認ステップＳＴＰ２２の前段にエアコンプレッサ８１を起動するコンプレッサ起動ステップＳＴＰ２１を設けており、窒素ガス量確認ステップＳＴＰ２２で窒素ガス貯留タンク４１での窒素ガス貯留量が予め定めた基準値に満たない場合は、前記窒素ガス生成部３で窒素ガスを製造して窒素ガス貯留タンク４１に蓄える窒素ガス貯留ステップＳＴＰ２３が実施される。
そして、本実施形態においては、電解準備確認ステップＳＴＰ１１により水素・酸素発生部２での準備が整い、且つ、窒素ガス貯留タンク４１が基準値以上の窒素ガスを貯留していることが確認された時点で起動ステップＳＴＰ１から電解開始ステップＳＴＰ２へと移行することとなる。
【００５２】
本実施形態においては、このような形で水素・酸素発生装置１が起動されることにより、安全性が確保された状態で水素ガスを製造できる。
尚、水素・酸素発生装置１が起動して水の電気分解が開始された後も窒素ガス貯留タンク４１の窒素ガス貯留量は前記圧力計４１２などによってモニタリングされることが好ましい。
【００５３】
本実施形態に係る水素・酸素発生装置１では、空気を加圧して加圧空気を排出するエアコンプレッサ８１を備え、前記窒素ガス生成部３が、前記加圧空気から加圧状態の前記窒素ガスを生成するよう構成されており、前記エアコンプレッサ８１は、加圧空気を貯留するエアタンクと、該エアタンクの圧力が規定値を超えたときにエアタンクから空気を放出して前記圧力を規定値以下に調整する安全弁とを備え、前記安全弁が作動する前記規定値が０．９ＭＰａ以下である。
斯かる水素・酸素発生装置１では、前記エアコンプレッサ８１から排出される加圧空気が前記水電解モジュール２１を損傷するおそれを低減できる。
【００５４】
本実施形態に係る水素・酸素発生装置１では、前記水素・酸素発生部２は、空気を加圧して加圧空気を排出するエアコンプレッサと、該水素・酸素発生部２の駆動状態を制御する制御システム８０とを備え、前記加圧空気が該制御システム８０で利用される計装用空気として用いられる。
前記窒素ガス生成部３では、前記エアコンプレッサ８１により生成された前記加圧空気から前記窒素富化膜を通じて加圧状態の前記窒素ガスが生成される。
斯かる水素・酸素発生装置１は、制御システム８０で利用される計装用空気としての加圧空気を生成するエアコンプレッサ８１を用いて、窒素富化膜に供給するための加圧空気を生成できるため、水素・酸素発生装置１を簡素化できる。
【００５５】
本実施形態に係る水素・酸素発生装置１では、前記窒素ガス供給経路４が、前記加圧状態の窒素ガスを貯留する窒素ガス貯留タンク４１を有する。
斯かる水素・酸素発生装置１は、前記窒素ガス供給経路４が、前記加圧状態の窒素ガスを貯留する窒素ガス貯留タンク４１を有することにより、水素・酸素発生部２に供給する加圧状態の窒素ガスを前もって窒素富化膜で生成することができる。その結果、窒素ガスを水素・酸素発生部２に安定的に供給することができる。
【００５６】
なお、本発明に係る水素・酸素発生装置は、上記実施形態に限定されるものではない。また、本発明に係る水素・酸素発生装置は、上記した作用効果によって限定されるものでもない。さらに、本発明に係る水素・酸素発生装置は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００５７】
例えば、本実施形態に係る水素・酸素発生装置では、酸素ガスを窒素ガスで装置外に排出させることを例示しているが、本発明に係る水素・酸素発生装置は、酸素ガスの代わりに、水素ガス及び水の少なくとも何れか一方を窒素ガスで装置外に排出させる装置となっていてもよく、また、酸素ガスに加えて、水素ガス及び水の少なくとも何れか一方も窒素ガスで装置外に排出させる装置となっていてもよい。
【００５８】
本実施形態の水素・酸素発生装置は、太陽光、風力、潮力、地熱などの再生可能エネルギーによって得られた電力を用いて水の電気分解を実施してもよい。
尚、本実施形態の水素・酸素発生装置は、水の電気分解のエネルギー源の一部、又は、全部が一般的な外部系統電力であってもよい。
【００５９】
再生可能エネルギーは、市街地から離れたところで得られることが多い。
本実施形態の水素・酸素発生装置は、窒素ガスを生成する窒素ガス生成部を有するため、ガスボンベに充填されて市販されているような窒素ガスを当該装置まで運搬する必要性が低い。
本実施形態での好ましい態様によれば、生成された窒素ガスを貯留する窒素ガス貯留タンク４１が所定以下の圧力で用いられたり所定以下の容積とされたりすることからメンテナンス回数も減らすことができる。
このように本実施形態の水素・酸素発生装置は、市街地からのアクセスが至便とはいえないような環境に設置されることでむしろその効果を顕在化させ易く、再生可能エネルギーを有効活用し易い。
そして、本実施形態の水素・酸素発生装置は、例えば、再生可能エネルギーによる発電設備に併設されることで、電力ケーブルでの電気抵抗などによるエネルギーロスの抑制効果も発揮する。
【００６０】
再生可能エネルギーは安定した入手が困難で、外部系統電力を利用する場合に比べて水電解モジュールを停止する機会が多い。
そのため水の電気分解が停止した後に貯留タンク２２（気液分離器）に窒素ガスを供給して酸素ガスを貯留タンク２２から排出させるのは、電気分解の停止直後に開始してもよいが、タイマー制御などによって電気分解の停止後に一定の時間（例えば、０．５分〜３０分）が経過した後に開始するようにしてもよい。
例えば、デイタイムに太陽光発電によって得た電気エネルギーで水の電気分解を行っている最中に突然の日照不足が生じて電気分解を停止しなければならなくなったような場合、比較的、短時間に日射が回復して電気分解が再開可能な状態になることがある。
本実施形態においては、そのような場合においてまで貯留タンク２２から酸素ガスを排出させるには及ばない。
そのため、電気分解を停止させた後、直ぐに窒素ガスを貯留タンク２２に供給するのではなく、予め定めた設定時間（例えば、０．５分〜３０分）が経過するまで待っても電気分解が再開可能な状態にならない場合に窒素ガスを貯留タンク２２に供給させるようにしてもよい。
この点に関しては他の再生可能エネルギーで電気分解を行う場合も同じである。
【００６１】
再生可能エネルギーによって生じた電力は、電気分解以外にも、例えば、ポンプ２３ａ、エアコンプレッサ８１などの動力源や除湿部２６での吸湿剤の再生のための熱源などとしても利用し得る。
即ち、本実施形態における水素・酸素発生装置は、運転に必要な電力の一部又は全部が再生可能エネルギーによって賄われてもよい。
【００６２】
本実施形態における水素・酸素発生装置は、前記貯留タンク２２で分離された酸素ガスに含まれている水素ガスの濃度を計測するための水素ガス濃度計を設け、該水素ガス濃度計での測定結果（貯留タンク２２収容されている酸素ガス中の水素ガス濃度）に基づいて貯留タンク２２への窒素ガスの供給を行うようにしてもよい。
具体的には、水の電気分解が停止した後の前記貯留タンク２２への窒素ガスの供給は、前記電気分解を停止する前、又は、前記電気分解を停止した後の少なくとも一方において前記水素ガス濃度計で計測される水素濃度が予め定めた規定値未満の場合に実施せず、該水素濃度が前記規定値以上の場合に実施するようにしてもよい。
本実施形態における水素・酸素発生装置は、このような例示に限らず、各種の態様で利用され得る。
【符号の説明】
【００６３】
１：水素・酸素発生装置、２：水素・酸素発生部、３：窒素ガス生成部、４：窒素ガス供給経路、
２１：水電解モジュール、２１ａ：水供給口、２１ｂ：第１排出口、２１ｃ：第２排出口、２２：貯留タンク、２３：供給経路、２３ａ：ポンプ、２４：返送経路、２５：分離タンク、２６：除湿部、２８：水素ガス移送経路、２９：弁、８０：制御システム、８１：エアコンプレッサ、８２：空気貯留タンク、
４１：窒素ガス貯留タンク。
【図１】
2020193390.tif 000003
【図２】
2020193390.tif 000004
【図３】
2020193390.tif 000005