(57)【要約】      （修正有）【課題】圧力の高い水電解装置へ低い圧力で水を供給可能にする。【解決手段】水電解装置１は、イオン水溶液を電気分解して酸素および水素を生成する水電解スタック４と、イオン水溶液よりもイオン濃度が低く、圧力が低い補給水を供給する水供給部５と、水供給部５からの補給水を水電解スタック４からのイオン水溶液へ混合する水混合部６とを具備する。水混合部６は、補給水が流入する第１領域と、イオン水溶液が流入する第２領域と、両領域を隔てる隔膜とを備える。第２領域のイオン水溶液は、隔膜を浸透して供給された補給水の水分と混合されて、水電解スタック４等へ送出される。【選択図】図２
2014118619.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン水溶液を電気分解して、酸素ガスおよび水素ガスを生成する基本水電解部と、
前記イオン水溶液よりもイオン濃度が低く、前記イオン水溶液よりも圧力が低い水溶液としての補給水を供給する水供給部と、
前記水供給部から供給された前記補給水と、前記基本水電解部から送出された前記イオン水溶液とを受け取り、前記補給水の水分を前記イオン水溶液に混合する水混合部と
を具備し、
前記水混合部は、
前記補給水が流入する第１領域と、
前記イオン水溶液が流入する第２領域と、
前記第１領域と前記第２領域とを隔てる隔膜と
を備え、
前記第２領域の前記イオン水溶液は、前記隔膜を浸透して供給された前記補給水の水分と混合されて、基本水電解部へ送出される
水電解装置。
【請求項２】
請求項１に記載の水電解装置において、
前記基本水電解部は、
前記イオン水溶液を電気分解して、前記酸素および前記水素を生成する水電解スタックと、
前記水電解スタックから前記酸素を含む前記イオン水溶液を受け取り、前記酸素と前記イオン水溶液とを気液分離する酸素気液分離部と、
前記水電解スタックから前記水素を含む水を受け取り、前記水素と当該水とを気液分離する水素気液分離部と
を備え、
前記水混合部は、前記水供給部からの前記補給水と、前記酸素気液分離部からの前記イオン水溶液とを受け取り、前記補給水の水分を前記イオン水溶液に混合し、
前記第２領域の前記イオン水溶液は、前記隔膜を浸透して供給された前記補給水の水分と混合されて、水電解スタックへ、または、前記酸素気液分離部を介して水電解スタックへ送出される
水電解装置。
【請求項３】
請求項２に記載の水電解装置において、
前記酸素気液分離部と前記水混合部とをつなぐ配管に設けられた第１ポンプをさらに具備する
水電解装置。
【請求項４】
請求項２または３に記載の水電解装置において、
前記水供給部と前記水混合部とをつなぐ配管に設けられた第２ポンプをさらに具備する
水電解装置。
【請求項５】
請求項２乃至４のいずれか一項に記載の水電解装置において、
前記酸素気液分離部と前記水電解スタックとをつなぐ配管に設けられた第３ポンプをさらに具備し、
前記水混合部から送出される前記イオン水溶液は、前記酸素気液分離部を介して水電解スタックへ送出される
水電解装置。
【請求項６】
請求項２乃至５のいずれか一項に記載の水電解装置において、
前記イオン水溶液は、酸性水溶液を含み、
前記水電解スタックの固体高分子電解質膜は、陽イオン交換樹脂膜を含み、
前記隔膜は、陽イオン交換樹脂膜を含む
水電解装置。
【請求項７】
請求項１に記載の水電解装置において、
前記基本水電解部は、
前記イオン水溶液を電気分解して、前記酸素および前記水素を生成する水電解スタックと、
前記水電解スタックから前記酸素を含む水を受け取り、前記酸素と当該水とを気液分離する酸素気液分離部と、
前記水電解スタックから前記水素を含む前記イオン水溶液を受け取り、前記水素と前記イオン水溶液とを気液分離する水素気液分離部と
を備え、
前記水混合部は、前記水供給部からの前記補給水と、前記水素気液分離部からの前記イオン水溶液とを受け取り、前記補給水の水分を前記イオン水溶液に混合し、
前記第２領域の前記イオン水溶液は、前記隔膜を浸透して供給された前記補給水の水分と混合されて、水電解スタックへ、または、前記水素気液分離部を介して水電解スタックへ送出される
水電解装置。
【請求項８】
請求項７に記載の水電解装置において、
前記水素気液分離部と前記水混合部とをつなぐ配管に設けられた第１ポンプをさらに具備する
水電解装置。
【請求項９】
請求項７または８に記載の水電解装置において、
前記水供給部と前記水混合部とをつなぐ配管に設けられた第２ポンプをさらに具備する
水電解装置。
【請求項１０】
請求項７乃至９のいずれか一項に記載の水電解装置において、
前記水素気液分離部と前記水電解スタックとをつなぐ配管に設けられた第３ポンプをさらに具備し、
前記水混合部から送出される前記イオン水溶液は、前記水素気液分離部を介して水電解スタックへ送出される
水電解装置。
【請求項１１】
請求項７乃至１０のいずれか一項に記載の水電解装置において、
前記イオン水溶液は、アルカリ水溶液を含み、
前記水電解スタックの固体高分子電解質膜は、陰イオン交換樹脂膜を含み、
前記隔膜は、陰イオン交換樹脂膜を含む
水電解装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水電解装置に関し、特に消費電力を低減させた水電解装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水を電気分解して酸素（ガス）と水素（ガス）とを生成する水電解装置が知られている。図１は、典型的な水電解装置の構成を模式的に示すブロック図である。水電解装置１０１は、酸素気液分離部１０２と、水素気液分離部１０３と、水電解スタック１０４と、ポンプ１０５とを具備している。なお、水電解スタック１０４に電力を供給する機器については記載を省略している。酸素気液分離部１０２は、水供給装置（図示されず）から配管１１３を介して水電解用の水を供給され、また、水電解スタック１０４から配管１１２を介して生成された酸素と余剰水とを受け取る。そして、生成された酸素を水から分離する。分離された酸素は、外部へ送出される。水素気液分離部１０３は、水電解スタック１０４から配管１１７を介して生成された水素と余剰水とを受け取る。そして、生成された水素を水から分離する。分離された水素は、外部へ送出される。ポンプ１０５は、酸素気液分離部１０２から配管１１１を介して水を受け取り、水電解スタック１０４へ供給する。水電解スタック１０４は、複数の水電解セル（図示されず）を備えている。水電解セルは、隔膜としての電解質膜と、その一方の面に設けられた陽極（＋極またはアノード）と、他方の面に設けられた陰極（−極またはカソード）とを備えている。ただし、電解質膜は固体高分子電解質膜である。水電解スタック１０４は、水電解セルの陽極と陰極との間に電圧を印加し、陽極側に供給された水を電気分解して、陽極側に酸素を生成し、陰極側に水素を生成する。陽極側の酸素と余剰水とは酸素気液分離部１０２へ送出される。陰極側の水素と隔膜を透過した余剰水とは水素気液分離部１０３へ送出される。水素気液分離部１０３の水は、配管１１６を介して水電解スタック１０４の陰極側へ供給されても良い。
【０００３】
高圧の酸素や水素を生成する水電解装置では、電解面は高圧である。そのため、例えば配管１１３を介して酸素気液分離部１０２へ水を供給するためには、高圧給水ポンプを準備し、それを作動させなければならない。その結果、水電解装置の設備コストが増加するともに、その消費電力が増加してしまう。設備コストおよび消費電力を低減可能な高圧用の水電解装置が望まれている。
【０００４】
関連する技術として、特許文献１（特開２０１２−８２４９６号公報：ＵＳ２０１２０９０９８９（Ａ１））に水電解システムが開示されている。その水電解システムは、水電解装置と、低圧側気液分離器と、高圧側気液分離器とを備える。水電解装置は、水を電気分解して酸素と前記酸素よりも高圧な高圧水素とを発生させる。低圧側気液分離器は、前記水電解装置のアノード側から排出される前記酸素および前記水が導入されて気液分離されるとともに、分離された前記水を前記水電解装置に循環供給する。高圧側気液分離器は、前記水電解装置のカソード側から排出される前記高圧水素および前記アノード側から透過した透過水が導入されて気液分離される。前記高圧側気液分離器と前記低圧側気液分離器とを連通し、該高圧側気液分離器から該低圧側気液分離器に前記水を戻す水配管を備えるとともに、前記水配管には、前記高圧側気液分離器から排出される前記水を減圧させる減圧水供給装置が配設される。
【０００５】
また、特許文献２（特開２００９−１３６８５１号公報）に除水装置およびこれを利用する燃料電池発電システムが開示されている。この除水装置は、ガスに水が混在する混合体からから当該水を取り除く。その除水装置は、隔離体と、混合体流通手段と、水溶液流通手段とを備えている。隔離体は、陽イオン交換樹脂または陰イオン交換樹脂からなる。混合体流通手段は、前記隔離体の一方側に前記混合体を接触させるように流通させる。水溶液流通手段は、前記隔離体の他方側に除水用水溶液を接触させるように流通させる。前記隔離体が陽イオン交換樹脂からなるとき、前記除水用水溶液が陽イオンとしてプロトンを生じる化合物を含有する。前記隔離体が陰イオン交換樹脂からなるとき、前記除水用水溶液が陰イオンとしてヒドロキシイオンを生じる化合物を含有する。
【０００６】
また、特許文献３（特許第３０３７１２１号公報）に水素・酸素発生装置が開示されている。この水素・酸素発生装置は、水素・酸素発生器と、補給水タンクと、純水タンクとを備えている。水素・酸素発生器は、固体高分子電解質膜等の電解質膜を隔膜として用いて、陽極側と陰極側とに分離して、純水を陽極側に供給しながら純水を電気分解して、陽極側から酸素ガスを、陰極側から水素ガスをそれぞれ発生するように構成されている。且つ純水容器内に収容された水電解セルを備えている。補給水タンクは、水素・酸素発生器の純水容器内に純水を補給するために補給水経路を介して水素・酸素発生器の純水容器に接続されている。純水タンクは、補給水タンクに純水を供給するために、純水供給経路を介して補給水タンクに接続されている。純水容器内の純水を純水タンクに循環する純水循環経路を設けるとともに、該純水循環経路に純水容器からの純水を減圧する減圧装置と、冷却装置と、浄化装置とを接続している。
【０００７】
また、関連する技術として、特許文献４（特許第３０３７１２４号公報）に水素・酸素発生装置及びその運転方法が開示されている。また、特許文献５（特許第３１６９０５０号公報）に水素・酸素発生装置及びその運転方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１２−８２４９６号公報
【特許文献２】特開２００９−１３６８５１号公報
【特許文献３】特許第３０３７１２１号公報
【特許文献４】特許第３０３７１２４号公報
【特許文献５】特許第３１６９０５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、消費電力を低減可能な高圧用の水電解装置を提供することにある。本発明の他の目的は、設備コストを低減可能な高圧用の水電解装置を提供することにある。本発明の他の目的は、高圧給水ポンプが不要な高圧用の水電解装置を提供することにある。
【００１０】
この発明のこれらの目的とそれ以外の目的と利益とは以下の説明と添付図面とによって容易に確認することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
以下に、発明を実施するための形態で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、特許請求の範囲の記載と発明を実施するための形態との対応関係を明らかにするために括弧付きで付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、特許請求の範囲に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【００１２】
本発明の水電解装置は、基本的な構成要素として、酸素気液分離部（２）と、水素気液分離部（３）と、水電解スタック（４）とを具備している。以後、これらを基本的な要素が組み合わされた部分を基本水電解部（２、３、４）と呼ぶこととする。さらに、水供給部（５）と、水混合部（６）とを具備している。基本水電解部（２、３、４）は、イオン水溶液を電気分解して、酸素ガスおよび水素ガスを生成する。水供給部（５）は、イオン水溶液よりもイオン濃度が低く、イオン水溶液よりも圧力が低い水分としての補給水を供給する。水混合部（６）は、水供給部（５）から供給された補給水と、基本水電解部（２、３、４）から送出されたイオン水溶液とを受け取り、補給水の水分をイオン水溶液に混合する。水混合部（６）は、第１領域（３１ａ）と、第２領域（３２ａ）と、隔膜（３２）とを備えている。第１領域（３１ａ）は、補給水が流入する。第２領域（３２ａ）は、イオン水溶液が流入する。隔膜（３２）は、第１領域（３１ａ）と第２領域（３２ａ）とを隔てる。第２領域（３２ａ）のイオン水溶液は、隔膜（３２）で隔てられた補給水を浸透透過させる効果（引き付ける効果）を発揮し、補給水と混合されて、基本水電解部（２、３、４）へ送出される。
【００１３】
上記の水電解装置において、基本水電解部（２、３、４）は、水電解スタック（４）と、酸素気液分離部（２）と、水素気液分離部（３）とを備えていることが好ましい。水電解スタック（４）は、イオン水溶液を電気分解して、酸素および水素を生成する。酸素気液分離部（２）は、水電解スタック（４）から酸素を含むイオン水溶液または水を受け取り、酸素と当該イオン水溶液または水とを気液分離する。水素気液分離部（３）は、水電解スタック（４）から水素を含む水またはイオン水溶液を受け取り、水素と当該水またはイオン水溶液とを気液分離する。水混合部（６）は、水供給部（５）からの補給水と、酸素気液分離部（２）または水素気液分離部（３）からのイオン水溶液とを受け取り、補給水の水分をイオン水溶液に混合することが好ましい。第２領域（３２ａ）のイオン水溶液は、隔膜（３２）を浸透して供給された補給水の水分と混合されて、水電解スタック（４）へ、または、酸素気液分離部（２）もしくは水素気液分離部（３）を介して水電解スタック（４）へ送出されることが好ましい。
【００１４】
上記の水電解装置において、酸素気液分離部（２）または前記水素気液分離部（３）と水混合部（６）とをつなぐ配管（１１）に設けられた第１ポンプ（２１）をさらに具備していることが好ましい。
【００１５】
上記の水電解装置において、水供給部（５）と水混合部（６）とをつなぐ配管（１３）に設けられた第２ポンプ（２３）をさらに具備していることが好ましい。
【００１６】
上記の水電解装置において、酸素気液分離部（２）または前記水素気液分離部（３）と水電解スタック（４）とをつなぐ配管（１１ａ）に設けられた第３ポンプ（２２）をさらに具備していることが好ましい。水混合部（６）から送出されるイオン水溶液は、酸素気液分離部（２）または前記水素気液分離部（３）を介して水電解スタック（４）へ送出されることが好ましい。
【００１７】
上記の水電解装置において、イオン水溶液が、酸性水溶液を含む場合には、水電解スタック（４）の固体高分子電解質膜は、陽イオン交換樹脂膜を含むように構成され、隔膜（３２）は、陽イオン交換樹脂膜を含むように構成されることが好ましい。
【００１８】
上記の水電解装置において、イオン水溶液が、アルカリ水溶液を含む場合には、水電解スタック（４）の固体高分子電解質膜は、陰イオン交換樹脂膜を含むように構成され、隔膜（３２）は、陰イオン交換樹脂膜を含むように構成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の高圧用の水電解装置により、消費電力を低減することが可能となる。また、設備コストを低減することが可能となる。また、高圧給水ポンプが不要となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、典型的な水電解装置の構成を模式的に示すブロック図である。
【図２】図２は、本発明の第１の実施の形態に係る水電解装置の構成を模式的に示すブロック図である。
【図３】図３は、実施の形態に係る水混合部の構成の一例を示す斜視図である。
【図４】図４は、本発明の第２の実施の形態に係る水電解装置の構成を模式的に示すブロック図である。
【図５】図５は、本発明の第３の実施の形態に係る水電解装置の構成を模式的に示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態に係る水電解装置に関して、添付図面を参照して説明する。
【００２２】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る水電解装置の構成について説明する。図２は、本発明の第１の実施の形態に係る水電解装置の構成を模式的に示すブロック図である。なお、本図において、水電解スタック４に電力を供給する機器等については記載を省略している。水電解装置１は、水を電気分解して気体の水素および気体の酸素を生成する。本実施の形態の水電解装置１は、特に、高圧のイオン水溶液中の水分を電気分解して、高圧の酸素および水素を生成する。高圧の酸素および水素は、ガスの貯蔵の面で、その容積を小さくできて好ましい。また、エネルギー貯蔵の面で、高密度でエネルギーが貯蔵できて好ましい。また、ガスを移送する場合には、高い圧力を利用して、パイプラインで移送することが可能であり、送出ポンプ動力が必要なくて好ましい。水電解装置１は、酸素気液分離部２と、水素気液分離部３と、水電解スタック４と、水供給部５と、水混合部６と、ポンプ２１、２２、２３、２４とを具備している。
【００２３】
酸素気液分離部２は、イオン水溶液を貯蔵している。酸素気液分離部２は、イオン水溶液を、配管１１ａを介してポンプ２２により水電解スタック４の各水電解セル（後述）の陽極（＋極またはアノード）側へ供給する。酸素気液分離部２は、水電解スタック４の各水電解セルで生成された酸素を含む余剰のイオン水溶液を受け取る。そして、生成された酸素をイオン水溶液から分離する。分離された酸素は、外部へ送出される。すなわち、イオン水溶液は、酸素気液分離部２と水電解スタック４との間で循環している。
【００２４】
イオン水溶液では、水電解スタック４で水分が消費されて、水分の割合が減少する。すなわち、イオン水溶液は高濃度になる。そのため、酸素気液分離部２は、ポンプ２１により配管１１ｂを介してイオン水溶液を水混合部６へ送出し、水混合部６が水分を補給したイオン水溶液を受け取る。すなわち、イオン水溶液は低濃度になる。そして、酸素気液分離部２において、水電解スタック４からのイオン水溶液と水混合部６からのイオン水溶液とが混合される。すなわち、酸素気液分離部２は、イオン水溶液を介して水混合部６から水電解用の水分を常時補給されていると見ることができる。そして、酸素気液分離部２から水電解スタック４へ供給されるイオン水溶液の濃度は概ね一定に保たれる。水混合部６がイオン水溶液に水分を補給する方法については後述される。
【００２５】
ポンプ２２は、酸素気液分離部２と水電解スタック４とを接続する配管１１ａの途中に設けられている。配管１１ａを介して、酸素気液分離部２のイオン水溶液を受け取り、水電解スタック４の陽極側へ供給する。ポンプ２２は、酸素系（水電解スタック４の陽極）のイオン水溶液を、配管１１ａを介して強制的に循環させる。ポンプ２１は、酸素気液分離部２と水混合部６とを接続する配管１１ｂの途中に設けられている。配管１１ｂを介して、酸素気液分離部２のイオン水溶液を受け取り、水混合部６へ供給する。ポンプ２１は、水分を補給する系のイオン水溶液を、配管１１ｂを介して強制的に循環させる。
【００２６】
水素気液分離部３は、水供給装置（図示されず）から循環用の水を供給され、貯蔵する。その水は、水電解反応に直接的には寄与しない。水素気液分離部３は、その水を、配管１６を介してポンプ２４により水電解スタック４の各水電解セル（後述）の陰極（−極またはカソード）側に供給する。水素気液分離部３は、水電解スタック４の各水電解セルで生成された水素と供給された循環用の水と隔膜を透過した余剰水とを受け取る。そして、生成された水素を水から分離する。分離された水素は、外部へ送出される。増加した余剰水は他の利用のために送出される（これらの配管類は図示されず）。また、この循環用の水は酸素気液分離器２と同じイオン水溶液を含んでいてもよい。
【００２７】
ポンプ２４は、水素気液分離部３と水電解スタック４とを接続する配管１６の途中に設けられている。配管１６を介して、水素気液分離部３の水を受け取り、水電解スタック４の陰極側へ供給する。ポンプ２４は、水素系（水電解スタック４の陰極）の水を強制的に循環させる。
【００２８】
水電解スタック４は、例えば直列接続された、複数の水電解セル（図示されず）を備えている。水電解セルは、隔膜としての電解質膜（例示：固体高分子電解質膜）と、その一方の面に設けられた陽極（＋極またはアノード）と、他方の面に設けられた陰極（−極またはカソード）とを備えている。電解質膜は、固体高分子電解質膜であり、本実施の形態では、陽イオン交換樹脂膜またはプロトン導電体膜（カチオン膜）である。固体高分子電解質膜は、パーフルオロスルホン酸膜のようなフッ素系電解質膜に例示される。具体例としては、米国デュポン社製「ナフィオン（登録商標）」や旭硝子株式会社製「フレミオン（登録商標）」等がある。その場合、イオン水溶液は、酸性の水溶液であり、硫酸水溶液や、燐酸水溶液や、硝酸水溶液や、酢酸水溶液に例示される。陽極および陰極は、その電解質膜に適した公知の材料を用いることができる。
【００２９】
水電解スタック４では、各水電解セルの陽極と陰極との間に電圧が印加される。それにより、各水電解セルにおいて、陽極側に供給されたイオン水溶液中の水分が電気分解されて、陽極側に酸素が生成され、陰極側に水素が生成される。各水電解セルの陽極側の酸素と未反応のイオン水溶液水（余剰のイオン水溶液）とは、配管１２を介して、酸素気液分離部２へ送出される。各水電解セルの陰極側の水素と隔膜を透過した水および供給された水（余剰水）とは、配管１７を介して水素気液分離部３へ送出される。
【００３０】
例えば、イオン水溶液が硫酸水溶液の場合、硫酸水溶液中の水分は酸素極でプロトン（Ｈ＋）と酸素原子と電子とに分離する。酸素極では、酸素原子が結合して酸素が発生する。プロトンは、陽イオン交換樹脂膜中を浸透拡散し、水素極に到達する。水素極では、プロトンと電子とが結合して水素が発生する。そのとき、陰イオンである硫酸イオンは陽イオン交換樹脂膜を透過できない。そのため、硫酸水溶液は、水分のみを消費されて濃縮されていく。すなわち、水電解により、硫酸水溶液の濃度は高くなっていく。
【００３１】
以上のように、酸素側のイオン水溶液は、酸素気液分離部２−配管１１ａ−水電解スタック４（の各水電解セルの陽極）−配管１２−酸素気液分離部２の循環経路をポンプ２２により循環する。また、酸素気液分離部２−配管１１ｂ−水混合部６−配管１１ｂ−酸素気液分離部２の循環経路をポンプ２１により循環する。一方、水素側の水は、水素気液分離部３−配管１６−水電解スタック４（の各水電解セルの陰極）−配管１７−水素気液分離部３の循環経路をポンプ２４により循環する。これらのイオン水溶液、酸素、水素および水の圧力は、いずれも高圧（例示：１０ＭＰａ）である。各循環経路には適宜、流量や圧力を調整する弁を設けても良い。両循環経路は、電解質膜への影響を考慮して、概ね同圧になるように制御されることが好ましい。
【００３２】
水供給部５は、ポンプ２３により配管１３を介して、補給水を水混合部６へ供給する。補給水は、酸素気液分離部２のイオン水溶液よりもそのイオン濃度が低い水溶液である。例えば、イオン水溶液が硫酸水溶液の場合、補給水の硫酸イオン濃度は、イオン水溶液の硫酸イオン濃度よりも低い。さらに、濃度差（浸透圧）により水分をイオン水溶液へ補給する観点から、補給水の硫酸イオン濃度は、より低いことが好ましく、ゼロであること（水溶液は硫酸イオンを含まない水であること）がより好ましい。補給水の圧力は、そのイオン水溶液よりも圧力が低い（例示：常圧（約０．１ＭＰａ））。また、水供給部５は、水混合部６の余剰の補給水を受け取る。すなわち、補給水は、水供給部５−配管１３−水混合部６−配管１３−水供給部５の循環経路をポンプ２３により循環する。循環経路には適宜、流量や圧力を調整する弁を設けても良い。この両循環経路は、既述のように、イオン水溶液の循環経路よりも低圧である。なお、水供給部５への補給水の補給は他の供給装置（図示されず）から行う。
【００３３】
水混合部６は、水供給部５から供給された補給水と、酸素気液分離部２から送出されたイオン水溶液とを受け取り、補給水をイオン水溶液に混合する。水混合部６は、余剰の補給水を水供給部５へ送出し、補給水を混合されたイオン水溶液を酸素気液分離部２へ送出する。
【００３４】
図３は、本実施の形態に係る水混合部６の構成の一例を示す斜視図である。水混合部６は、容器３１と、複数の補給管３２と、供給ヘッダ３３と、回収ヘッダ３４とを備えている。
【００３５】
容器３１は、筒型の容器である。その内側は補給水が流入する第１領域３１ａである。容器３１の一方の端面寄りの周面の導入口には、配管１３およびポンプ２３を介して水供給部５が連結されている。容器３１の他方の端面寄りの周面の送出口には、配管１３を介して水供給部５が連結されている。容器３１には、低圧の低濃度のイオン水溶液（イオン濃度ゼロの水の場合を含む）が流通するが、導入口と送出口との圧力差は、流通に必要な圧力差程度でよく、大きくする必要はない。
【００３６】
複数の補給管３２は、容器３１内に設けられている。各補給管３２は、隔膜として機能する固体高分子電解質膜の管である。その内側はイオン水溶液が流入する第２領域３２ａである。固体高分子電解質膜としては、本実施の形態では、陽イオン交換樹脂またはプロトン導電体膜（カチオン膜）であり、パーフルオロスルホン酸膜のようなフッ素系電解質膜に例示される。各補給管３２は、一端を容器３１の一端面に連結され、他端を容器３１の他端面に連結されている。各補給管３２には、高圧の高濃度のイオン水溶液が流通するが、両端の圧力差は、流通に必要な圧力差程度でよく、大きくする必要はない。
【００３７】
供給ヘッダ３３は、容器３１の一端面の外部に結合され、複数の補給管３２の一端と連通する。供給ヘッダ３３は、配管１１ｂおよびポンプ２１を介して酸素気液分離部２に接続されている。回収ヘッダ３４は、容器３１の他端面の外部に結合され、複数の補給管３２の他端と連通する。回収ヘッダ３４は、配管１１ｂを介して酸素気液分離部２に接続されている。
【００３８】
第２領域３２ａには、高圧の高濃度のイオン水溶液が供給される。一方、第１領域３１ａには、低圧の低濃度のイオン水溶液（イオン濃度ゼロの水の場合を含む）である補給水が供給される。その場合、隔膜としての補給管３２の周面の両側でイオン濃度の差が生じている。その結果、その濃度差で生じる浸透圧により、第１領域３１ａ側から補給水中の水分がその隔膜を浸透して第２領域３２ａ側に向かって移動する。そして、第２領域３２ａのイオン水溶液は、隔膜を浸透して供給された補給水の水分と混合されて、水分の量が増加し、そのイオン濃度が低下する。すなわち、イオン水溶液は、浸透圧により、水電解用の水分を補給される。その後、そのイオン水溶液は、酸素気液分離部２へ送出される。この隔膜（補給管３２）は、半透膜ということもできる。
【００３９】
この浸透圧π［Ｐａ］は次の式で表される。
π＝ＭＲＴ
ただし、Ｍは溶液のモル濃度［ｍｏｌ・ｍ−３］、Ｒは気体定数：８．３１×１０３［Ｐａ・ｍ３・Ｋ−１・ｍｏｌ−１］、Ｔは溶液の温度［Ｋ］である。モル濃度は容積モル濃度を用いる。ここで、イオン水溶液の容積モル濃度を４×１０３［ｍｏｌ・ｍ−３］、温度を３００［Ｋ］とする。その場合、浸透圧πは、以下のようになる。
π＝４×１０３［ｍｏｌ・ｍ−３］×８．３１［Ｐａ・ｍ３・Ｋ−１・ｍｏｌ−１］×３００［Ｋ］
＝１０×１０６［Ｐａ］
＝１０ＭＰａ
すなわち、浸透圧は、１０ＭＰａとなる。したがって、この浸透圧により、低圧（例示：０．１ＭＰａ）側の第１領域３１ａの水分は、高圧（例示：１０ＭＰａ）側の第２領域３２ａのイオン水溶液へ向かって隔膜（半透膜）中を拡散することができる。浸透圧については、例えば、イオン水溶液の濃度の高低により調整可能である。水分量については、例えば、隔膜の面積を増減すること、すなわち補給管３２の本数や太さを増減することで、調節可能である。
【００４０】
例えば、イオン水溶液が硫酸水溶液の場合、硫酸水溶液の硫酸イオンの濃度は、水電解により高くなって行く。ここで、その硫酸水溶液を水混合部６の隔膜（補給管３２）の内側の第２領域３２ａへ供給し、例えば水を水混合部６の隔膜（補給管３２）の外側の第１領域３１ａへ供給すると、隔膜の両側で硫酸イオンの濃度の差が生じる。その結果、その濃度差で生じる浸透圧により、第１領域３１ａ側から補給水中の水分がその隔膜を浸透して第２領域３２ａ側に向かって移動する。そして、第２領域３２ａの硫酸水溶液は、隔膜を浸透して供給された補給水の水分と混合されて、水分の量が増加し、そのイオン濃度が低下する。すなわち、硫酸水溶液は、浸透圧により、水電解用の水分を補給される。その後、その硫酸水溶液は、酸素気液分離部２へ送出される。
【００４１】
なお、補給管３２の内側と外側との圧力差が大きいため、補給管３２が破損する可能性が考えられる。そのような場合には、補給管３２の外側を強固に保持し、かつ補給水を流通可能とする多孔性の部材（円筒状）を、補給管３２の外側に密接して配設することが好ましい。そのような多孔性の部材としては、多孔性の金属体や多孔性のセラミックス体が例示される。
【００４２】
以上のように、イオン水溶液の水分は、水電解スタック４で消費され、水混合部６により補給される。このとき、水混合部６において、低圧側に供給されるイオン水溶液のイオン濃度は、高圧側に供給されるイオン水溶液のイオン濃度と比較して、極めて小さくしておく。例えば、低圧側には水を供給する。そのようにすると、低圧側の水分を高圧側のイオン水溶液へ浸透圧により供給することができる。すなわち、隔膜である補給管３２へ低圧の水を供給するだけで、高圧のイオン水溶液に水分を供給することができる。そのため、水供給部５の水を水混合部６へ供給するポンプ２３の動力は極めて小さくすることができる。それにより、ポンプ２３として、高圧用の給水ポンプを用いる必要が無くなる。よって、消費電力を低減することが可能となる。また、設備コストを低減することが可能となる。
【００４３】
次に、本発明の第１の実施の形態に係る水電解装置の動作方法に関して説明する。以下では、水電解スタック４へ供給するイオン水溶液として硫酸水溶液を用い、水供給部５が供給するイオン水溶液として水を用い、水素気液分離部３の水が硫酸水溶液である例について説明する。
【００４４】
水電解装置１は、硫酸水溶液中の水分を電気分解して気体の水素および気体の酸素を生成する。具体的には、以下の動作を行う。酸素気液分離部２の硫酸水溶液は、ポンプ２２の運転により、所定の流量で配管１１ａを介して水電解スタック４へ供給される。それにより、水電解スタック４の各水電解セルの陽極に硫酸水溶液が供給される。一方、水素気液分離部３の硫酸水溶液は、ポンプ２４の運転により、所定の流量で配管１６を介して水電解スタック４へ供給される。それにより、水電解スタック４の各水電解セルの陰極に硫酸水溶液が供給される。陽極側に供給された硫酸水溶液中の水分は、水電解スタック４の各水電解セルにおいて、陽極と陰極との間に印加された電圧により電気分解される。それにより、各水電解セルの陽極側に酸素（ガス）が生成し、陰極側に水素（ガス）が生成される。このとき、各水電解セルの陽極側の酸素は、未反応の水分を含む硫酸水溶液（余剰水溶液）の循環に伴って、配管１２を介して酸素気液分離部２へ送出される。各水電解セルの陰極側の水素は、電解質膜を透過した水分および供給された硫酸水溶液（余剰硫酸水溶液）の循環に伴って、配管１７を介して水素気液分離部３へ送出される。余剰水溶液中の酸素は、酸素気液分離部２により余剰水溶液（硫酸水溶液）から分離され、外部へ送出される。余剰水中の水素は、水素気液分離部３により余剰水溶液（硫酸水溶液）から分離され、外部へ送出される。
【００４５】
酸素気液分離部２の硫酸水溶液は、水電解スタック４で水分を消費されているので、その水分が減少して硫酸イオン濃度が高くなる。そのため、その硫酸水溶液の一部が、ポンプ２１により、配管１１ｂを介して水混合部６（の補給管３２の内側）へ供給される。その硫酸水溶液は高圧（例示：約１０ＭＰａ）である。このとき、ポンプ２１を通過するイオン水溶液は高圧であるが、ポンプ２１の入口と出口との圧力差は大きくないので、ポンプ２１の消費電力はそれほど大きくない。一方、水供給部５の水が、ポンプ２３により、配管１３を介して水混合部６（の補給管３２の外側）へ供給される。その水は低圧（例示：約０．１ＭＰａ）である。このとき、ポンプ２３を通過する水は低圧であり、ポンプ２３の入口と出口との圧力差は大きくないので、ポンプ２３の消費電力はそれほど大きくない。
【００４６】
硫酸水溶液は、水混合部６における補給管３２の内部（第２領域３２ａ）へ、その補給管３２の内面と接触するように供給される。一方、水は、水混合部６における容器３１の内部かつ補給管３２の外部（第１領域３１ａ）へ、その補給管３２の外面と接触するように供給される。その結果、内部（第２領域３２ａ）に硫酸水溶液を流通させ、外部（第１領域３１ａ）に水を流通させている補給管３２の内側と外側との浸透圧差によって、水分が補給管３２の内部に取り込まれ、硫酸水溶液に水分が補給される。そして、硫酸水溶液のイオン濃度が低下する。このとき、補給管３２内を流通する硫酸水溶液の硫酸イオンは、陰イオンであるため、陽イオン交換樹脂膜である補給管３２を透過できない。そのため、硫酸イオンが補給管３２内から漏出することなく、硫酸水溶液は補給管３２内を流通する。このように、水分を補給された硫酸水溶液は酸素気液分離部２へ循環する。その結果、酸素気液分離部２内の硫酸水溶液の濃度が概ね一定に保たれる。
【００４７】
以上のようにして、本発明の第１の実施の形態に係る水電解装置が動作する。
【００４８】
上記の動作方法において、補給水である水を流通させるポンプ２３は、水混合部６の容器３１での水の流通を行わせればよく、容器３１の導入口と送出口との圧力差は大きくないため、極めて小さな電力で動作できる。また、イオン水溶液である硫酸水溶液を流通させるポンプ２１は、水混合部６の補給管３２での硫酸水溶液の流通を行わせればよく、補給管３２の入口と出口との圧力差は大きくないため、小さな電力で動作できる。このとき、高圧のイオン水溶液へ低圧の水を供給する手段として浸透圧を用いているので、ポンプ２３として高圧用の給水ポンプを用いる必要が無くなる。よって、消費電力を低減することが可能となる。また、設備コストを低減することが可能となる。
【００４９】
上記実施の形態では、補給管３２の内部に硫酸水溶液（イオン水溶液）を供給し、容器３１の内部かつ補給管３２の外部に水（補給水）を供給することにより、硫酸水溶液へ水分を供給しているが、本実施の形態はその例に限定されるものではない。例えば、補給管３２の内部に水を供給し、容器３１の内部かつ補給管３２の外部に硫酸水溶液を供給することにより、硫酸水溶液へ水分を供給することも可能である。そのとき、補給管３２の内側と外側との圧力差が大きく、補給管３２が破損する可能性が考えられる場合には、多孔性の金属体や多孔性のセラミックス体のような多孔性の部材（棒状または円筒状）を、補給管３２の内側に密接して配設することが好ましい。
【００５０】
また、上記実施の形態では、イオン水溶液として、硫酸水溶液のような酸性水溶液を適用した場合について説明したが、本実施の形態はその例に限定されるものではない。例えば、陽イオンとしてプロトン（Ｈ＋）を生じる化合物を含有する水溶液であれば、上記実施の形態の場合と同様にイオン水溶液として適用することが可能である。
【００５１】
また、上記実施の形態では、陽イオン交換樹脂膜を用いて水混合部６の補給管３２（隔膜）や水電解スタック４の電解質膜（図示されず）を適用した場合について説明したが、本実施の形態はその例に限定されるものではない。例えば、陰イオン交換樹脂膜またはＯＨ−イオン導電体膜（アニオン膜）を用いて水混合部６の補給管３２（隔膜）や水電解スタック４の電解質膜（図示されず）を適用することも可能である。ただし、この場合には、イオン水溶液として、硫酸水溶液のような酸性水溶液に代えて、陰イオンとしてヒドロキシイオン（ＯＨ−）を生じる化合物を含有する水溶液をイオン水溶液として適用する必要がある。そのようなイオン水溶液としては、水酸化ナトリウム水溶液や水酸化カリウム水溶液のようなアルカリ水溶液に例示される。また、水供給部５および水混合部６は、水素気液分離部３側に設ける方が好ましい。水電解スタック４の陰極側に供給されたイオン水溶液水が電気分解されて、陰極側に水素（ガス）が生成され、電解質膜内を移動したＯＨ−イオンにより陽極側に酸素（ガス）および水が生成されるからである。陰極側の水素は、余剰水溶液とともに配管を介して外部へ送出される。陽極側の酸素および水は、配管を介して外部へ送出される。
【００５２】
また、上記の実施の形態では、水混合部６において、隔膜（半透膜）として、管状の補給管３２を適用した場合について説明したが、本実施の形態はその例に限定されるものではない。例えば、隔膜として、シート状の固体高分子電解質膜を適用し、容器３１の内部を一方側と他方側とに仕切るように当該固体高分子電解質膜を配設する。そして、イオン水溶液を当該固体高分子電解質膜の一方側の面に接触させるように容器３１の一方側に流通させ、補給水を当該固体高分子電解質膜の他方側の面に接触させるように容器３１の他方側に流通させる。それにより、イオン水溶液へ補給水の水分を供給することが可能である。さらに、シート状の固体高分子電解質膜とそれを挟むセパレータとを用いて、水電解スタック４のようにスタック状に構成することも可能である。
【００５３】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係る水電解装置の構成について説明する。本実施の形態では、イオン水溶液の循環を簡略にする点が第１の実施の形態と相違する。以下では、その相違点について主に説明する。
【００５４】
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る水電解装置の構成を模式的に示すブロック図である。なお、本図において、水電解スタック４に電力を供給する機器等については記載を省略している。第１の実施の形態の水電解装置１では、酸素気液分離部２から水電解スタック４へイオン水溶液を供給する循環経路と、酸素気液分離部２から水混合部６へイオン水溶液を供給する循環経路とが別々に設けられている。しかし、本実施の形態に係る水電解装置１ａでは、両循環経路が共通になっている。すなわち、酸素気液分離部２のイオン水溶液は、ポンプ２１により、配管１１を介して水混合部６へ供給され、そこで水分を補給されて、さらに配管１１を介して水電解スタック４へ供給される。水電解スタック４は、イオン水溶液の水分を電気分解して、酸素と余剰のイオン水溶液とを酸素気液分離部２へ、水素と透過した水分とを水素気液分離部３へそれぞれ送出する。
【００５５】
この場合、ポンプ２１は、酸素系（水電解スタック４の陽極）および水分を補給する系のイオン水溶液を、配管１１を介して強制的に循環させる。その結果、ポンプ２２が不要になり、配管１１ａと配管１１ｂとが配管１１に統合される。
【００５６】
この場合にも、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
加えて、ポンプ２２が不要になることや、配管１１ａと配管１１ｂとが配管１１に統合されることなどから、消費電力が低減され、設備コストが低減される。
【００５７】
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態に係る水電解装置の構成について説明する。本実施の形態では、水供給部５の補給水用のポンプ２３を不要とする点が第２の実施の形態と相違する。以下では、その相違点について主に説明する。
【００５８】
図５は、本発明の第３の実施の形態に係る水電解装置の構成を模式的に示すブロック図である。なお、本図において、水電解スタック４に電力を供給する機器等については記載を省略している。第２の実施の形態の水電解装置１ａでは、水供給部５から水混合部６へ補給水を供給するためにポンプ２３を用いている。しかし、本実施の形態に係る水電解装置１ｂでは、そのポンプ２３を省略している。その水電解装置１ｂでは、水供給部５を配置する高さを、水混合部６の配置する高さよりも高くする。それにより、水供給部５の補給水の位置エネルギーで、補給水を水混合部６へ供給する。すなわち、重力で、水供給部５の補給水を水混合部６へ供給する。第１、第２の実施の形態のポンプ２３に必要な動力は極めて小さいので、補給水の位置エネルギー（または重力）で代替できるからである。
【００５９】
この場合にも、第２の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
加えて、ポンプ２３が不要になることなどから、消費電力が低減され、設備コストが低減される。
【００６０】
本発明は上記各実施の形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施の形態は適宜変形または変更され得ることは明らかである。また、各実施の形態に示された技術は、技術的に矛盾の発生しない限り相互に適用可能である。
【符号の説明】
【００６１】
１、１ａ、１ｂ    水電解装置
２    酸素気液分離部
３    水素気液分離部
４    水電解スタック
５    水供給部
６    水混合部
２１、２２、２３    ポンプ
１１、１１ａ、１１ｂ、１２、１３、１６、１７    配管
【図１】
2014118619.tif 000003
【図２】
2014118619.tif 000004
【図３】
2014118619.tif 000005
【図４】
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【図５】
2014118619.tif 000007