(57)【要約】    【課題】  運転コストの上昇を抑制しつつ、異なる圧力の水素ガスを供給し得る水素ガス発生装置ならびにその運転方法を提供することにある。    【解決手段】  水素ガス発生装置であって、一つの水素分離タンクにおいて分離された水を、該水素分離タンクよりも低い圧力において気液分離を行う他の水素分離タンクに導入することにより、該水素分離タンクにおいて前記水に溶存する水素ガスを放出させ得るように圧力の異なる二以上の水素分離タンクを備えたことを特徴とする水素ガス発生装置とその運転方法とを提供する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
陽電極を備えた陽極部と、陰電極を備えた陰極部と、前記陽極部と前記陰極部とを分離する固体電解質膜とを有し、水を電気分解して陽極部にて酸素ガスを発生させ、陰極部にて水素ガスを発生させる水電解セルを備え、
前記陰極部にて発生させた水素ガスを加圧状態で取り出し得るように、前記陰極部に連通され、前記陰極部の水素ガスと水とを導入して加圧状態で気液分離する水素分離タンクを備える水素発生装置であって、
一つの水素分離タンクにおいて分離された水を、該水素分離タンクよりも低い圧力において気液分離を行う他の水素分離タンクに導入することにより、該水素分離タンクにおいて前記水に溶存する水素ガスを放出させ得るように圧力の異なる二以上の水素分離タンクを備えたことを特徴とする水素ガス発生装置。
【請求項２】
前記水電解セルが圧力容器内に収容されている請求項１記載の水素ガス発生装置。
【請求項３】
前記圧力容器を前記水素分離タンクとして用い得るように、前記陰極部と前記水電解セル外部とが連通されている請求項２記載の水素ガス発生装置。
【請求項４】
前記圧力容器を前記酸素ガスを加圧状態で気液分離する酸素分離タンクとして用い得るように、前記陽極部と前記水電解セル外部とが連通されている請求項２記載の水素ガス発生装置。
【請求項５】
前記水電解セルが一台である請求項１乃至４の何れかに記載の水素ガス発生装置。
【請求項６】
前記水電解セルが二台以上備えられ、各水電解セルには、水素分離タンクが少なくとも一つ以上備えられている請求項１乃至４の何れかに記載の水素ガス発生装置。
【請求項７】
陽電極を備えた陽極部と、陰電極を備えた陰極部と、前記陽極部と前記陰極部とを分離する固体電解質膜とを有する水電解セルを用いて、水を電気分解して陽極部にて酸素ガスを発生させ、陰極部にて水素ガスを発生させ、
前記陰極部にて発生させた水素ガスを加圧状態で取り出し得るように、前記陰極部の水素ガスと水とを水素分離タンクに導入して加圧状態で気液分離する水素ガス発生装置の運転方法であって、
圧力の異なる二以上の水素分離タンクを用い、一つの水素分離タンクにおいて分離された水を、該水素分離タンクよりも低い圧力において気液分離を行う他の水素分離タンクに導入して、該水素分離タンクにおいて前記水に溶存する水素ガスを放出させることを特徴とする水素ガス発生装置の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素ガス発生装置とその運転方法に関し、より詳しくは、水の電気分解により水素ガスを発生させる水素ガス発生装置とその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境意識の高まりから、クリーンエネルギーが求められるようになっており、水素ガスなどが前記クリーンエネルギーとして広く用いられている。
このような、水素ガスを製造する手段としては、固体高分子電解質膜水電解法、アルカリ水電解法などの水を電気分解する方法が知られている。これらの方法を利用した水素ガス発生装置は、水の電気分解を行う水電解セルを用いることで、発生する水素ガスを自動的に昇圧させることができ、加圧状態の水素ガスを比較的容易に得られることから広く用いられている（下記特許文献１参照）。
【０００３】
また、このような水素ガス発生装置は、水電解セルの陰極側から電気分解により発生した水素ガスと水とを水素分離タンクに導入して静置するなどして気液分離を行っている。該気液分離により得られた気体の水素ガスは、除湿工程などを経て使用されるが、分離された水に溶存している水素は、水と共に廃棄されるか、あるいは、水を水電解セルに戻して再利用する途中でガススクラバなどにより大気放出されている。すなわち、水を再利用する際には、分離タンクの水がそのまま循環されると、溶存している水素により系内に不具合を引き起こす可能性があることから、一度減圧され、溶存している水素が除去されて循環されている。
【０００４】
ところで、このような水素ガス発生装置は、通常、０．４〜１ＭＰａの何れかの圧力で水素ガスを供給しているが、近年、水素ガスの用途が多様化し、水素ガスの供給圧力も種々に求められるようになってきており、異なる圧力の水素ガスを複数供給することが求められている。特に、水素ガス供給時間を短縮させ得る点、水素ガスを高充填させ得る点などから高圧化の要望も多く、例えば、燃料電池自動車への水素チャージなどとして数十ＭＰａの高い圧力で水素ガスを供給することも要望されている。
このことに対し、求められる圧力の内、最も低い圧力で気液分離を行い、得られた水素ガスを昇圧ポンプなどにより高圧化させることも考え得るが、その場合は、ポンプの動力など水素ガス発生装置の運転コストを増大させてしまうおそれがある。また、最も高い圧力で気液分離を行い得られた水素ガスを減圧弁などにより所望の圧力に減圧することも考え得るが、この場合は、分離タンクが高い圧力となるため、より多くの水素ガスを水中に溶存させてしまうこととなり廃棄される水素ガスの量を増大させ水素ガス発生装置の運転コストを増大させることとなる。即ち、従来の水素ガス発生装置は、運転コストの上昇を抑制しつつ異なる圧力の水素ガスを供給することが困難であるという問題を有している。
【０００５】
【特許文献１】特開平８−１９３２８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、上記問題点に鑑み、運転コストの上昇を抑制しつつ、異なる圧力の水素ガスを供給し得る水素ガス発生装置ならびにその運転方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決すべく、請求項１記載の発明は、陽電極を備えた陽極部と、陰電極を備えた陰極部と、前記陽極部と前記陰極部とを分離する固体電解質膜とを有し、水を電気分解して陽極部にて酸素ガスを発生させ、陰極部にて水素ガスを発生させる水電解セルを備え、前記陰極部にて発生させた水素ガスを加圧状態で取り出し得るように、前記陰極部に連通され、前記陰極部の水素ガスと水とを導入して加圧状態で気液分離する水素分離タンクを備える水素発生装置であって、一つの水素分離タンクにおいて分離された水を、該水素分離タンクよりも低い圧力において気液分離を行う他の水素分離タンクに導入することにより、該水素分離タンクにおいて前記水に溶存する水素ガスを放出させ得るように圧力の異なる二以上の水素分離タンクを備えたことを特徴とする水素ガス発生装置を提供する。
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において水電解セルが圧力容器内に収容されていることを特徴としている。
また、請求項３記載の発明は、請求項２記載の発明において圧力容器を前記水素分離タンクとして用い得るように、前記陰極部と前記水電解セル外部とが連通されていることを特徴としている。
また、請求項４記載の発明は、請求項２記載の発明において圧力容器を前記酸素ガスを加圧状態で気液分離する酸素分離タンクとして用い得るように、前記陽極部と前記水電解セル外部とが連通されていることを特徴としている。
また、請求項５記載の発明は、請求項１乃至４の何れかに記載の発明において水電解セルが一台であることを特徴としている。
また、請求項６記載の発明は、請求項１乃至４の何れかに記載の発明において水電解セルが二台以上備えられ、各水電解セルには、水素分離タンクが少なくとも一つ以上備えられていることを特徴としている。
また、水素ガス発生装置の運転方法にかかる請求項７記載の発明は、陽電極を備えた陽極部と、陰電極を備えた陰極部と、前記陽極部と前記陰極部とを分離する固体電解質膜とを有する水電解セルを用いて、水を電気分解して陽極部にて酸素ガスを発生させ、陰極部にて水素ガスを発生させ、前記陰極部にて発生させた水素ガスを加圧状態で取り出し得るように、前記陰極部の水素ガスと水とを水素分離タンクに導入して加圧状態で気液分離する水素ガス発生装置の運転方法であって、圧力の異なる二以上の水素分離タンクを用い、一つの水素分離タンクにおいて分離された水を、該水素分離タンクよりも低い圧力において気液分離を行う他の水素分離タンクに導入して、該水素分離タンクにおいて前記水に溶存する水素ガスを放出させることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
請求項１記載の発明によれば、圧力の異なる二以上の水素分離タンクを備えることから異なる圧力の水素ガスを供給することができ、一つの水素分離タンクにて分離された水を該水素分離タンクよりも低い圧力において気液分離を行う他の水素分離タンクに導入することにより、該水素分離タンクにおいて前記水に溶存する水素ガスを放出させ得る。したがって、廃棄する水素ガスの量を低減させ得ることから、運転コストの増大を抑制し得る。
また、請求項２記載の発明によれば、水電解セルが圧力容器に収容されているため、前記水電解セルにおいてより高い圧力で、水素ガス（および酸素ガス）を発生させる場合においても、圧力容器の内圧を高めて、水電解セル内外の圧力差を小さなものとし得る。
したがって、水電解セルの破損を抑制しつつ、より高い圧力の水素ガスを発生させ得る。
また、請求項３記載の発明によれば、圧力容器を前記水素分離タンクとして用い得るように、前記陰極部と前記水電解セル外部とが連通されているため、装置の部品点数を減少させて製造コストを低減させ得る。
さらに、陰極部と水電解セル外部とが連通されているため、特別な制御手段を用いることなく、電解セル内外の圧力差をほぼ等しい状態とし得る。したがって、水電解セルの破損をさらに抑制しつつ、より高い圧力の水素ガスを発生させ得る。
また、請求項４記載の発明によれば、圧力容器を前記酸素ガスを加圧状態で気液分離する酸素分離タンクとして用い得るように、前記陽極部と前記水電解セル外部とが連通されているため、特別に、酸素ガス用の気液分離手段を備えることなく酸素ガスを加圧状態で取り出すことができ、さらに、陽極部と水電解セル外部とが連通されているため、特別な制御手段を用いることなく、電解セル内外の圧力差をほぼ等しい状態とし得る。したがって、水電解セルの破損をさらに抑制しつつ、より高い圧力の水素ガスを発生させ得る。
また、請求項５記載の発明によれば、水電解セルを一台とすることから、設備コストをより削減し得る。
また、請求項６記載の発明によれば、水電解セルが複数備えられていることから水素ガスの供給量の変動にあわせて運転台数を調節したり、あるいは、供給する水素ガスの圧力に合わせて、異なる圧力で水電解セルを運転させたりすることができ、水素ガスの供給量変動、供給圧力の多様化を行いつつも装置制御方法が煩雑となることを抑制し得る。
また、請求項７記載の発明によれば、圧力の異なる二以上の水素分離タンクを用いることから異なる圧力の水素ガスを供給することができ、しかも、一つの水素分離タンクにて分離された水を該水素分離タンクよりも低い圧力において気液分離を行う他の水素分離タンクに導入することにより、該水素分離タンクにおいて前記水に溶存する水素ガスを放出させることから廃棄する水素ガスの量を低減させることができ、水素ガス発生装置の運転方法をより効率の高いものとし得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に、本発明の好ましい実施の形態の水素ガス発生装置について図１に示す概略的な系統図に基づき説明する。
本実施形態において、水素ガス発生装置は、水電解セル１を中心として、この水電解セル１に純水を供給するための純水タンク３、および水電解セル１にて発生された水素を異なる圧力にて供給するための２台の水素分離タンク４，４０とを備えている。
該２台の水素分離タンク４，４０は、一方が例えば、０．４〜１ＭＰａの圧力にて気液分離する低圧の水素分離タンク４０とされ、他方が例えば、１Ｍ〜数十ＭＰａの圧力にて気液分離する高圧の水素分離タンク４とされる。
【００１０】
本実施形態に係る水素ガス発生装置においては、水電解セル１を備えた酸素分離タンク（電解タンク）２に対して、純水を供給すべく、純水供給配管部５を介して純水タンク３が接続されている。また、純水供給配管部５には、純水タンク３に貯留された純水を電解タンク２に補給（供給）すべく、補給水ポンプ６が設けられている。純水タンク３には、純水タンク３内の純水貯留量を検知する純水タンク水位計３Ｌが設けられており、この純水タンク水位計３Ｌで得られた検知信号は、純水タンク３に純水を供給すべく設けられた純水供給部の純水供給バルブ３Ａに送られる。そして、純水タンク３内の純水貯留量は、純水タンク水位計３Ｌの検知信号に基づいて、純水供給バルブ３Ａを調整することにより、適宜制御される。電解タンク２内には、電解タンク２内の純水貯留量を検知する電解タンク水位計２Ｌが設けられており、この電解タンク水位計２Ｌで得られた検知信号は、補給水ポンプに送られる。そして、電解タンク２内の純水貯留量は、電解タンク水位計２Ｌの検知信号に基づいて、補給水ポンプ６の駆動状態を適宜調整することによって制御される。
【００１１】
また、電解タンク２には、電解タンク２内の純水を循環して再利用すべく、純水循環配管部７が設けられており、この純水循環配管部７は、電解タンク２内の純水を電解タンク２外に取り出した後に、再び、水電解セル１（を構成する電解セル）の純水供給孔（後述する）に供給可能であるように、配管構成されている。そして、この純水循環配管部７には、純水を循環させるための循環水ポンプ８、純水の熱交換を行うため（純水の温度を低下させるため）の熱交換器９、純水の純度を高めるためのポリシャ（ｐｏｌｉｓｈｅｒ）１０、および純水の濾過等を行うためのフィルタ１１等が設けられている。ポリシャ１０としては、例えば、イオン交換樹脂が用いられる。さらに、この純水循環配管部７には、純水循環配管部７中の純水の水質（電気伝導度）を監視して、必要な場合（所定の電気伝導度（例えば、０．２μＳ／ｃｍ）を超えた場合等）には警報を発する水質警報手段１２、および純水循環配管部７中の純水の温度を監視して、必要な場合（所定の温度範囲（例えば、４０〜９０℃）を超えた場合等）には警報を発する水温警報手段１３が設けられている。また、この純水循環配管部７を循環される純水は、酸素ガスを溶存した純水であるため、純水中から純水循環配管部７中に溶存酸素が排出される場合がある。このように、酸素ガスが排出されると、純水循環配管部７に設けられている循環水ポンプ８、ポリシャ１０、あるいはフィルタ１１等に酸素ガスが溜まり、斯かる酸素ガスが純水の循環に不具合を生じさせるおそれがある。そこで、本実施形態においては、循環水ポンプ８、ポリシャ１０、およびフィルタ１１の少なくともいずれかの箇所にガス抜きが設けられている。
【００１２】
電解タンク２内の水電解セル１は、供給する水素ガスのうち最も高い圧力の水素ガスを発生させるよう運転され、生成された高圧の水素ガスは、若干の純水と共に、水素ガス搬送配管部１４を介して、高圧水素分離タンク４に送られる。また、この水素ガス搬送配管部１４から分岐した分岐配管４１を及び該分岐配管４１に備えられた減圧弁４１Ａにより所望の圧力に減圧された水素ガスならびに若干の純水が低圧の水素分離タンク４０に送られる。また、水素ガス搬送配管部１４には、バルブ１８が設けられると共に、水素ガス搬送配管部１４上のバルブ１８を迂回すべく、バイパス配管部１９が設けられている。そして、このバイパス配管部１９には、逆止弁２０が設けられている。
【００１３】
また、高圧水素分離タンク４と低圧水素分離タンク４０とは、前記高圧の水素分離タンク４の水を低圧の水素分離タンク４０に導入し得るように、各水素分離タンク４，４０の底部を通水配管４２によって連通されており、該通水配管４２には、通水制御バルブ４２Ａが備えられている。また、水素分離タンク４，４０には水素分離タンク内の純水貯留量を検知する水素分離タンク水位計４Ｌ，４０Ｌが設けられており、これらの水素分離タンク水位計４Ｌ，４０Ｌで得られた検知信号は、水素分離タンク４０から純水タンク３に対して純水を戻すべく（純水を排出して再利用すべく）設けられた純水戻り配管部１５の純水排出バルブ４０Ａならびに前記通水制御バルブ４２Ａに送られる。
即ち、高圧水素分離タンク４の純水は、通水制御バルブ４２Ａが開状態となることで通水配管４２を通り、低圧水素分離タンク４０に導入され、溶存していた水素ガスを低圧水素分離タンク４０に放出し廃棄される水素ガス量を抑制する。また、低圧水素分離タンク４０の純水は、純水排出バルブ４０Ａが開状態となることで純水戻り配管部１５により純水タンク３に戻される。
このとき、低圧水素分離タンク４０の純水は、純水戻り配管部１５に配されたガススクラバ１６により残りの溶存水素を、水素放出配管部１７を介して大気に放出し、水素が適当に除去された状態で純水タンク３に戻される。
また、高圧水素分離タンク４には、前記純水戻り配管部１５に連通する予備配管４４を備えており、前記通水制御バルブ４２Ａに不具合が生じたときも、純水を純水戻り配管部１５により純水タンク３に戻し得るようになっている。そしてこの予備配管４４には、予備バルブ４４Ａが備えられている。
【００１４】
水素分離タンク４，４０に貯留されている水素ガスは、水素ガスの使用箇所（図示省略）に対して、水素ガス供給配管部２１，２１’を介して搬送供給される。そして、これら水素ガス供給配管部２１，２１’には、水素ガスの供給量を各分離タンクの圧力に応じて調整する水素ガス供給バルブ２２，２２’と、水素ガスを除湿するための水素ガス除湿手段２３，２３’と、水素ガスの流量を定格流量に維持するための水素ガス流量制御手段２４，２４’とが設けられている。この水素ガス流量制御手段２４，２４’は、水素ガス供給バルブ２２，２２’を介して水素ガス供給配管部２１，２１’を流通している水素ガスの流量を検知する流量検知手段２４Ａ，２４Ａ’と、この流量検知手段２４Ａ，２４Ａ’で得られた検知信号に基づいて制御可能な定格流量制御バルブ２４Ｂ，２４Ｂ’とを用いて構成されている。ここで、水素ガス除湿手段２３，２３’は、例えば、中空糸膜等を用いて構成されている。そして、これら水素ガス除湿手段２３，２３’においては、中空糸膜の内部に水素ガスを流通させ、中空糸膜の外部に乾燥空気を流通させることによって、水素ガスの除湿を行っている。なお、図１には特に示していないが、より高純度（例えば６Ｎ（９９．９９９９）以上）の水素ガスを得ようとする場合には、水素ガス除湿手段２３，２３’の後流側、または水素ガス除湿手段の換わりに、ゼオライト、活性アルミナ等のモレキュラシーブを用いて構成された精製器を設ける構成が好ましい。本実施形態は、中空糸膜等を用いた水素ガス除湿手段２３，２３’（あるいは精製器）によって水素ガスの除湿を行う構成であるので、従来技術において必要であったパラジウム精製器等を用いる必要がなくなる。要すれば、これら精製器を組み合わせて使用することもできる。また、水素ガス供給バルブ２２は、後述すべく、高圧の水素分離タンク４の圧力に基づいて制御される。このために、高圧の水素分離タンク４には、第一の圧力検知手段２５が設けられている。
【００１５】
さらに、高圧水素分離タンク４及び低圧水素分離タンク４０には、分離タンク内部の圧力が所定以上となって水素ガスの供給を受ける機器を破損させたり、分離タンク自身が損傷したりすることを低下させ得るように、第一のリリーフ弁２６，２６’を有する第一のリリーフ配管部２７，２７’が設けられている。これらの内、高圧水素分離タンク４に備えられた第一のリリーフ弁２６は、後述すべく、電解タンク２の圧力と、高圧水素分離タンク４の圧力とに基づいて制御されるように構成されている。
また、低圧水素分離タンク４０に備えられた第一のリリーフ弁２６’は、高圧水素分離タンク４から低圧水素分離タンク４０に水が導入された場合に、該水中に溶存している高圧の水素ガスが低圧側の水素分離タンク４０内に放出された場合などにおいても、装置の破損を防止することができる。
【００１６】
また、電解タンク２内の水電解セル１にて生成された酸素ガスは、電解タンク２の上部に貯留され、酸素ガスの使用箇所（図示省略）に対して、酸素ガス供給配管部３１を介して搬送供給される。そして、この酸素ガス供給配管部３１には、酸素ガスの供給量を調整する酸素ガス供給バルブ３２と、酸素ガスを除湿するための酸素ガス除湿手段３３と、酸素ガス供給配管部３１を流通している酸素ガス中の水素濃度を検出するための水素ガス検出手段３４とが設けられている。ここで、酸素ガス供給バルブ３２は、後述すべく、電解タンク２の圧力に基づいて制御される。このために、電解タンク２には、第二の圧力検知手段３５が設けられている。また、酸素ガス除湿手段３３は、例えば、中空糸膜等を用いて構成されている。そして、この酸素ガス除湿手段３３においては、中空糸膜の内部に酸素ガスを流通させ、中空糸膜の外部に乾燥空気を流通させることによって、酸素ガスの除湿を行っている。また、図示しないが、水素ガスと同様に酸素ガスの流路にも調整バルブなどの流量制御手段を設けた構造としてもよい。
【００１７】
さらに、電解タンク２には、第二のリリーフ弁３６を有する第二のリリーフ配管部３７が設けられている。そして、この第二のリリーフ弁３６は、後述すべく、電解タンク２の圧力と、高圧水素分離タンク４の圧力とに基づいて制御されるように構成されている。
【００１８】
また、本実施形態においては、第一の圧力検知手段２５の検知値と第二の圧力検知手段３５の検知値とを比較して、所定の信号を種々のバルブ２６，３６に送り得る差圧検知手段４５が設けられている。さらに、本実施形態においては、第一の圧力検知手段２５からの圧力検知信号を受けて、水電解セル１に対して適切な電流を供給する電流値制御手段２８が設けられている。
なお、要すれば、前記差圧検知手段４５で得られた信号をバルブ２２，３２の制御に用いることもできる。
また、本実施形態においては、それぞれの分離タンク内の圧力を検出し、該圧力が所定以上の場合に供給バルブ２２，２２’，３２が開状態となるよう制御されている。該制御により、それぞれの分離タンク内の圧力が必要以上に低下することを防止でき、したがって、供給するガスの圧力を所定に維持し得る。
【００１９】
以上のように、本実施形態に係る水素ガス発生装置は、水電解セル１を用いて構成されており、この水電解セル１は、純水と所定の電流とを供給することによって水素および酸素を生じさせ得る、電解セルを用いて構成されている。次に、この電解セルの構造を図面に基づいて説明する。
【００２０】
図２は、水電解装置を構成する水電解セルの一例の概略断面図である。図２において、５２は電極板であり、５３は固体電解質膜である。５４は多孔質給電体であり、５５はガスケット、５６は保護シートである。また５７は水素ガス取り出し経路、５７ａは水素ガス取り出し通路、５８は酸素ガス取り出し経路、５８ａは酸素ガス取り出し通路である。
【００２１】
５９、５９は端板である。この図では純水供給経路は示されていないが、酸素ガス取り出し経路５８と同様の構成によって形成されている。上記のような各部品類をボルト６０によって絶縁板６１を介して、両端板５９、５９間で挟持するように締結することによって、電解セル（水電解装置１）が形成されているのである。尚、多孔質給電体５４の部分が陽極部（酸素発生室Ａ）及び陰極部（水素発生室Ｃ）となる。
【００２２】
固体電解質膜５３としては、固体高分子電解質を膜状に形成したものを両面に貴金属、特に白金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電解質膜を使用するのが好ましい。固体高分子電解質としては、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、たとえばデュポン社製「ナフィオン１１７」が好ましい。
【００２３】
本実施形態においては、上述のように、図２に示す電解セルにて構成された水電解装置１を用いて水素・酸素発生装置が形成されている。従って、図１に示すべく、電解タンク２内に設けられた水電解装置１においては、電解タンク２内の純水が、純水供給経路を介して酸素発生室Ａに供給される。純水は、Ｏリング等によって、水素発生室Ｃへの流入が阻止される。
【００２４】
酸素発生室で発生した酸素ガスは、酸素ガス取り出し通路５８ａ及び酸素ガス取り出し経路５８を介して電解タンク２中に放出され、電解タンク２中から酸素ガス供給配管部３１等を介して酸素ガス使用箇所等に供給される。水電解装置１中において、酸素ガスは、Ｏリング等によって、水素発生室Ｃへの流入が阻止される。
【００２５】
また、水素発生室で発生した水素ガスは、水電解装置１（電解セル）内の水素ガス取り出し通路５７ａ、水素ガス取り出し経路５７、及び水素ガス搬送配管部１４を介して、高圧水素分離タンク４に搬送される。水素ガスは、Ｏリング等によって、酸素発生室Ａへの流入が阻止される。
【００２６】
本実施形態に係る水素ガス発生装置は、上述した図１および図２に示すべく構成されており、斯かる装置においては、適切に、純水供給制御、電流値制御等が行われている。
【００２７】
図３は、本実施形態に係る水素ガス発生装置を運転する際のフローチャートを示したものである。以下、図３等の必要な図面を用いて、制御方法を具体的に説明する。
【００２８】
図３に示すように、本実施形態に係る水素ガス発生装置は、まず、ステップ６０１において、電解タンク２に対する純水の供給が行われる。具体的には、補給水ポンプ６を駆動させて、純水タンク３から電解タンク２に対して純水を供給する。
【００２９】
次に、ステップ６０２においては、電解タンク２内の純水の貯留量（水位）が、電解タンク水位計２Ｌを用いて検知される。
【００３０】
次に、ステップ６０３においては、ステップ６０２における水位検知信号に基づいて、電解タンク２内の水位が所定量であるか否かの判断が行われる。そして、ここで、水位が所定量に達している場合には（ステップ６０３にて「Ｙｅｓ」と判断された場合には）、次いでステップ６０４の処理が行われる。また、水位が所定量に達していない場合には（ステップ６０３にて「Ｎｏ」と判断された場合には）、補給水ポンプ６を駆動させた状態で、再度ステップ６０２以降の処理が行われる。
【００３１】
次に、ステップ６０４においては、ステップ６０３の判断に基づいて、純水タンク３から電解タンク２に対する給水が停止される。すなわち、補給水ポンプ６を停止させる。次に、ステップ６０５においては、水電解セル１へ供給される循環水量の検知が行われる。すなわち、このステップ６０５においては、水電解セル１に対する通電前に、循環水ポンプ８を駆動させ、水電解セル１に対して純水を供給しているので、その循環水量を検知する。
【００３２】
次に、ステップ６０６においては、ステップ６０５における循環水量検知信号に基づいて、電解セル１に対して、所定水量が供給されているか否かの判断が行われる。そして、ここで、循環水量が所定量に達している場合には（ステップ６０６にて「Ｙｅｓ」と判断された場合には）、次いでステップ６０７の処理が行われる。また、循環水量が所定量に達していない場合には（ステップ６０６にて「Ｎｏ」と判断された場合には）、ステップ６０７に進むことなく、再度ステップ６０５以降の処理が行われる（すなわち、循環水ポンプ８の駆動および循環水量の検知等が継続して行われる）。
【００３３】
次に、ステップ６０７においては、水電解セル１に対する通電が開始される。すなわち、本実施形態に係る水素ガス発生装置においては、水電解セル１内に所定量の純水が循環された状態になってから、はじめて、水電解セル１に対する電流の供給が開始される。このように、循環水流量を確認した後に通電を開始するのは、水電解セル１に対して純水が十分に補給されていない状態で通電を行うと、水電解セル１を構成する固体電解質膜５３が破損する可能性があるからである。つまり、本実施形態においては、固体電解質膜５３を保護するために、純水の循環量を確認した後に、水電解セル１に対して通電を行っている。また、ここで、水電解セル１に対する電流の供給は、０％（０Ａ）から１００％（例えば、６００Ａ）の電流値にあげるまでに、所定の時間（例えば、３０秒程度）を要するべく行う。このように電流の供給を行うことによって、固体電解質膜５３に対して、徐々に電流が付加されることとなるため、固体電解質膜５３の保護を図ることが可能となる。すなわち、水電解セル１に対する供給電流が急激に変動すると、オーバーシュートして過大電流が電解セルに加わり、固体電解質膜を損傷させる可能性があるが、上述した本実施形態に係る電流供給手段（段階的な電流供給手段）によれば、斯かる問題を効果的に解決することができる。
【００３４】
次に、ステップ６０８においては、図１に示された水素ガス発生装置による連続した水素・酸素供給工程が行われる。具体的には、適切な純水供給制御、および電流値制御等が行われる。これらの制御については、後に、具体的に説明する。
【００３５】
次に、ステップ６０９においては、水素・酸素供給工程を終了するか否かの判断が行われる。そして、ここで、水素・酸素供給工程を終了すると判断された場合には（ステップ６０９にて「Ｙｅｓ」と判断された場合には）、次いでステップ６１０の処理が行われる。また、水素・酸素供給工程を終了しないと判断された場合には（ステップ６０９にて「Ｎｏ」と判断された場合には）、再度、ステップ６０８以降の処理が行われる。
【００３６】
次に、ステップ６１０においては、ステップ６０９における水素・酸素供給工程の終了の判断に基づいて、水電解セル１に対する通電を終了させる。
また、この図３のフローチャートには特に示していないが、ステップ６１０においては、水電解セル１が純水に十分満たされた状態で、通電を終了させる。具体的には、水電解セル１に対する通電を停止してから、数秒（３０秒程度）後に循環水ポンプ８を停止している。このように通電停止後に所定時間循環ポンプを運転することにより、水電解セル内に酸素ガスが滞留することを防止でき、したがって、固体電解質膜５３に対して余計な負荷をかけることを防止することができる。
なお、ステップ６０７において通電が開始された後においても、ステップ６０３、６０６の電解タンク２の水量検知、循環水の水量検知を随時行って、ステップ６０１〜６０４あるいは、ステップ６０５〜６０６を実施する構成としても良い。
【００３７】
以上、図３におけるステップ６０１からステップ６１０までの工程に基づいて、本実施形態に係る水素ガス発生装置の運転が制御される。しかしながら、上述した図３のフローチャートにおいては、水素・酸素供給工程の説明が不充分であるため、次に、ステップ６０８で行われる水素・酸素供給工程を具体的に説明する。
【００３８】
ステップ６０８にて行われる水素・酸素供給工程の中には、電解タンク２に対する純水供給制御、および水電解セル１に対する電流値制御等があげられる。以下、詳細に説明する。
【００３９】
図４は、本実施形態に係る純水供給制御の一態様のフローチャートを示したものである。
【００４０】
図４に示すように、本実施形態においては、まず、ステップ７０１において、電解タンク２内の純水貯水量の検知が行われる。ここでは、電解タンク水位計２Ｌを用いて、電解タンク２内の純水の貯留量（水位）が検知される。
【００４１】
次に、ステップ７０２においては、ステップ７０１における水位検知信号に基づいて、電解タンク２内の水位が所定値以下であるか否かの判断が行われる。そして、ここで、水位が所定値以下であると判断された場合には（ステップ７０２にて「Ｙｅｓ」と判断された場合には）、次いでステップ７０３の処理が行われる。また、水位が所定値以下でない場合には（ステップ７０２にて「Ｎｏ」と判断された場合には）、再度、ステップ７０１以降の処理が行われる。
【００４２】
次に、ステップ７０３においては、ステップ７０２の判断に基づいて、補給水ポンプ６の駆動が開始される。すなわち、補給水ポンプ６を駆動させて、純水供給配管部を介して、純水タンク３から電解タンク２に対して純水を補給する。
【００４３】
次に、ステップ７０４においては、電解タンク２内の純水貯水量の検知が行われる。ここでは、ステップ７０１と同様に、電解タンク水位計２Ｌを用いて、電解タンク２内の純水の貯留量（水位）が検知される。
【００４４】
次に、ステップ７０５においては、ステップ７０４における水位検知信号に基づいて、電解タンク２内の水位が所定範囲内にあるか否かの判断が行われる。そして、ここで、水位が所定範囲内にあると判断された場合には（ステップ７０５にて「Ｙｅｓ」と判断された場合には）、次いでステップ７０６の処理が行われる。また、水位が所定範囲内にないと判断された場合には（ステップ７０５にて「Ｎｏ」と判断された場合には）、補給水ポンプ６を駆動させた状態で、再度、ステップ７０４以降の処理が行われる。
【００４５】
次に、ステップ７０６においては、ステップ７０５の判断に基づいて、純水タンク３から電解タンク２に対する給水が停止される。すなわち、補給水ポンプ６を停止させる。そして、このステップ７０６の後は、再度、ステップ７０１以降の処理が行われる。
【００４６】
以上のステップ７０１からステップ７０６の工程が、本実施形態に係る水素ガス発生装置における、基本的な純水供給（補給）制御である。なお、この図４では特に示さなかったが、本実施形態においては、電解タンク２内の純水が、電解タンク２に対して閉回路として設けられた純水循環配管部７を介して、循環されつつ、水電解セル１に供給されるべく構成されている。
【００４７】
具体的には、本実施形態においては、純水循環配管部７に設けられた循環水ポンプ８によって、電解タンク２内の純水が循環させられ、純水循環配管部７に設けられた熱交換器９、ポリシャ１０、およびフィルタ１１を介して、水電解セル１の純水用孔１１５，１１６に純水が供給される。なお、この純水循環配管部７には、水質警報手段１２、水温警報手段１３、および循環水量警報手段も設けられている。
【００４８】
本実施形態においては、このように種々の要素を設けた閉回路たる純水循環配管部７を介して、水電解セル１に純水が供給されるので、適切な性状を有する純水の供給が可能となる。すなわち、熱交換器９を設けたことにより、水電解セル１の発熱によって温度が上昇した純水の熱交換を行うことが可能となるので、効率よく水電解セル１を駆動させることができる。また、ポリシャ１０を設けたことにより、純水の純度を高めた状態で、水電解セル１に対して純水を供給可能となる。また、フィルタ１１を設けたことにより、純水中に含まれた不純物を除去して、水電解セル１に対して純水を供給することができる。さらに、本実施形態においては、水質警報手段１２および水温警報手段１３が設けられているので、上述した熱交換器９、ポリシャ１０、およびフィルタ１１に何等かの不具合が生じた（あるいは生じそうであった）としても、その旨を検知して、不適切な（純度が低いあるいは不純物が多い等の）純水が供給される前に、熱交換器９、ポリシャ１０、あるいはフィルタ１１を交換可能である。また、本実施形態においては、循環水量警報手段が設けられているので、循環水量が処理量（所定の処理量）を下回って、水電解セルが損傷するのを防止している。つまり、水電解セルへの供給水量が不足すると、水電解セル内での水の流れが不均一となり、局部的な発熱によって固体電解質膜が損傷するおそれがあるが、本実施形態は、循環水量警報手段を設けることによって、循環水量の低下を事前に察知して、斯かる問題を効果的に解決することができる。したがって、本実施形態によれば、継続的に、適切な性状を有する純水を水電解セル１に対して供給することができる。また、本実施形態においては、先に述べたように、純水循環配管部７の適切な箇所にガス抜きを設けているので、純水循環配管部７中の酸素ガスが純水の循環に不具合を生じさせないように、必要に応じて、適宜、ガス抜きを行うことができる。
【００４９】
このように、本実施形態においては、純水の水質や温度を制御して、適切な性状を有する純水を水電解セル１に供給しているので、固体電解質膜５３の寿命をのばすことが可能となると共に、水電解セル１における電解効率をも向上させることができる。
【００５０】
また、本実施形態においては、水素分離タンク４，４０にて水素ガスと分離された純水についても、純水戻り配管部１５（および純水タンク３等）を介して、再利用可能（水電解セル１に対して供給可能）であるべく構成されている。なお、本実施形態においては、上述したように、純水タンク３と電解タンク２とが純水供給配管部５にて接続され、電解タンク２中の水電解セル１と高圧水素分離タンク４とが水素ガス搬送配管部１４にて接続され、高圧水素分離タンク４と低圧水素分離タンク４０とが通水配管４２により接続され、低圧水素分離タンク４０と純水タンク３とが純水戻り配管部１５にて接続されている。
【００５１】
すなわち、純水タンク３、電解タンク２、および水素分離タンク４，４０は、純水供給配管部５、水素ガス搬送配管部１４、通水配管４２、および純水戻り配管部１５によって、閉じた回路として構成されている。水素分離タンク４，４０から純水タンクに返送される純水には、水素が溶存されており、もし、この閉回路中の循環を連続して繰り返すとすれば、その溶存率は高まる一方となり、装置構成上好ましくない。つまり、水素分離タンク４，４０から排出される純水中には、水素発生圧力下での溶存水素が含まれており、これをそのまま純水タンク（補給水タンク）３に戻した場合、圧力が大気圧に開放されるため、減圧に伴い、差圧分の溶存水素がガス化して放出される。そうすると、純水タンク３内で水素と空気とが混合し、徐々に水素濃度が上昇して、種々の不具合を生ずる可能性がある。そこで、本実施形態に係る水素ガス発生装置は、斯かる純水戻り配管部１５の所定箇所にガススクラバ１６を配し、上述した不具合を解消すべく、水素放出配管部１７を介して溶存水素を廃棄している。しかし、高圧水素分離タンク４の純水は、低圧水素分離タンク４０を経由して純水戻り配管部１５に導入されることから、低圧水素分離タンク４０で減圧された分だけ溶存している水素ガスを低圧水素分離タンク４０で有効に利用でき、廃棄される水素ガスの量を抑制することができる。
【００５２】
また、ガススクラバ１６により水から除去された水素ガスを廃棄することなく、酸素ガスの圧力を利用した増圧弁などにより増圧して利用することができる。このように、水素ガスを廃棄することなく利用することでさらに運転コストを低減させることができる。
【００５３】
次に、水電解セル１に対する電流値制御について説明する。図５は、本実施形態に係る電流値制御の一態様のフローチャートを示したものである。
【００５４】
図５に示すように、本実施形態においては、まず、ステップ８０１において、高圧水素分離タンク４に設けられた第一の圧力検知手段２５を用いて、水素ガスの圧力を検知する。ここで、高圧水素分離タンク４内の水素ガスの圧力は、水素ガス生成量（水電解セル１で生成され、水素ガス搬送配管部１４を介して水素分離タンク４に搬送される水素ガス量）と、水素ガス供給量（水素ガス供給配管部２１を介して、高圧水素分離タンク４から水素ガス使用箇所に供給される水素ガス量）とのバランスによって変動するものである。
【００５５】
次に、ステップ８０２においては、ステップ８０１における圧力検知信号に基づいて、高圧水素分離タンク４内の水素ガス圧力が所定値以下であるか否かの判断が行われる。水素ガス圧力が所定値以下になると、必要とされる水素ガスの供給が困難となるからである。そして、ここで、水素ガス圧力が所定値以下であると判断された場合には（ステップ８０２にて「Ｙｅｓ」と判断された場合には）、次いでステップ８０３の処理が行われる。また、水素ガス圧力が所定値以下ではないと判断された場合には（ステップ８０２にて「Ｎｏ」と判断された場合には）、再度、ステップ８０１以降の処理が行われる。
【００５６】
次に、ステップ８０３においては、ステップ８０２の判断に基づいて、第一の圧力検知手段２５から電流値制御手段２８に対して圧力検知信号を送り、この圧力検知信号に基づいて、電流値制御手段２８から水電解セル１に対して適切な値の電流が供給される。ここで、供給する電流は、必要とする供給水素ガス量（あるいは水素ガス圧等）、および水素ガス圧変動率（単位時間当たりの水素ガス圧変動量）等によって、適宜、適切な値が選択されて水電解セル１に供給される。
【００５７】
次に、ステップ８０４においては、高圧水素分離タンク４に設けられた第一の圧力検知手段２５を用いて、水素ガスの圧力を検知する。
【００５８】
次に、ステップ８０５においては、ステップ８０４における圧力検知信号に基づいて、水素分離タンク４内の水素ガス圧力が所定範囲内にあるか否かの判断が行われる。そして、ここで、水素ガス圧力が所定範囲内にあると判断された場合には（ステップ８０５にて「Ｙｅｓ」と判断された場合には）、次いでステップ８０６の処理が行われる。また、水素ガス圧力が所定範囲内にないと判断された場合には（ステップ８０５にて「Ｎｏ」と判断された場合には）、再度、ステップ８０３以降の処理が行われる。
【００５９】
次に、ステップ８０６においては、ステップ８０５の判断に基づいて、水電解セル１に対する電流値制御手段２８からの電流の供給が停止される。そして、このステップ８０６の後は、再度、ステップ８０１以降の処理が行われる。
【００６０】
本実施形態においては、上述したように、ステップ８０１からステップ８０６の工程に示すべく、水電解セル１に対して、電流が供給される。すなわち、本実施形態においては、水素ガス生成量と水素ガス供給量とのバランスを第一の圧力検知手段２５を用いて検知し、この検知信号を電流値制御手段２８に送って、検知信号に応じた（圧力変動に応じた）電流値が水電解セル１に供給されている。なお、本実施形態においては、電流値制御手段２８としては、整流器等が用いられる。すなわち、本実施形態においては、整流器等を用いて、整流器ＰＩＤ制御が行われる。
【００６１】
水電解装置に対する電流の供給は、常時一定電流を供給する定電流制御、あるいは、ＯＮ／ＯＦＦ制御などを用いて制御機構が煩雑となることを抑制し、よりメンテナンスし易いものとすることも可能である。
【００６２】
前記ＰＩＤ制御によれば水素ガスの必要な圧力に対応すべく、水素ガスを貯留するための大きいタンク（すなわち、使用圧力の下限値から上限値にまで対応可能なタンク）が必要となることを防止し得る。そして、使用される水素ガス圧力の変動に対応するために、あらかじめ、斯かるタンク内に所定量の水素ガスを貯留する必要があり、使用される水素ガス圧力が、上限値側から下限値側に移行する場合には、水素ガスを大気開放等して、必要とされる水素ガス圧力に対応することが必要となることも防止し得る。すなわち、使用される水素ガス圧力が、上限値側に移行する場合には、上記のような整流器ＰＩＤ制御を用いることで他の電流供給方法（常時一定あるいはＯＮ／ＯＦＦ制御）等に比べ、迅速な対応（必要な水素ガス圧力の上昇に応じた水素ガスの生成）し得る。そのため、タンク内に常に所定量（例えば１００％運転で３０分〜２時間分のガス発生量）の水素ガスを貯留しておく必要がなくなるという効果をも奏する。さらに、本実施形態の電解装置は、アルカリ水電解に比べて装置の出力が低下（例えば１５％以下）した場合でも、陰極側と陽極側との圧力を均一に維持することができ、水素と酸素とが隔膜を通過して混合してしまうおそれを防止し得る。このため、装置停止／再起動時には、装置内のガスをＮ2パージして追い出すという作業を必要としないという効果をも奏する。
【００６３】
しかも、本実施形態に係る水素ガス発生装置は、上述したように、水素ガスの使用量に応じて、電流値制御手段２８から水電解セル１に対し適切な電流が供給される構成であるため、生成される水素ガス、および水電解セル１に供給される電流について、無駄をなくすことが可能となる。また、本実施形態に係る水素ガス発生装置においては、閉回路たる純水循環配管部７を介して、水電解セル１に対して純水が供給されるため、水電解セル１および電解タンク２は、比較的高い密閉性を維持することができる。つまり、水電解セル１を駆動させなくとも、所定の水素ガス圧力を得ることができる。よって、水素ガスの圧力に特に変動がない場合（水素ガスが使用されていない場合）には、水電解セル１に対する電流の供給を停止することも可能である。したがって、本実施形態に係る水素ガス発生装置においては、適切な圧力の水素等の供給を行いつつ、水電解セル１を０〜１００％の範囲で駆動させることが可能となる。
【００６４】
また、本実施形態に係る水素ガス発生装置においては、第一の圧力検知手段２５によって高圧水素分離タンク４内の水素ガスの圧力を検知し、第二の圧力検知手段３５によって電解タンク２内の酸素ガスの圧力を検知して、それぞれの検知信号が差圧検知手段４５に送られる。そして、この差圧検知手段４５で得られる水素ガス圧力と酸素ガス圧力との差圧信号に基づいて、水素ガス供給バルブ２２、第一のリリーフ弁２６、酸素ガス供給バルブ３２、および第二のリリーフ弁３６が、適宜調整される。本実施形態に係る水素ガス発生装置においては、固体電解質膜を通して酸素ガスが水素ガスに混入することを防止し、得られる水素ガスの純度を高くし得る点において水素ガス圧力を酸素ガス圧力よりも若干高く設定している。すなわち、本実施形態においては、上述した差圧信号に基づいて、水電解セル１内にて、酸素ガス圧力よりも水素ガス圧力の方が若干高くなるよう、各バルブ２６，３６の調整が行われている。
【００６５】
なお、要すれば、逆に酸素ガスの圧力を水素ガスに比べて若干高いものにすることもできる。このように、水素ガスと酸素ガスとの間に設ける若干の圧力差としては、固体電解質膜に加わる負荷を抑制し得る点から、通常、０．０５〜１ＭＰａとされ、好ましくは、０．０５〜０．４ＭＰａさらに好ましくは、０．０５〜０．１ＭＰａである。
【００６６】
さらに、本実施形態においては、上述した各リリーフ弁２６，３６が、インターロックとしても機能することとなる。すなわち、差圧検知手段４５で得られる差圧信号に何等かの異常が生じた場合には、固体電解質膜５３等を保護するために、各リリーフ弁２６，３６を適切に調整して、水素ガスおよび酸素ガスの少なくとも一方を各リリーフ配管部２７，３７を介して放出する。なお、リリーフ弁２６，３６を用いたインターロックは、上述した構成に限定されるものではない。したがって、例えば、各リリーフ弁２６，３６としては、ばね逃がし弁等を用いることが可能であり、各リリーフ配管部２７，３７内の圧力が、所定の圧力を超えた場合には、各リリーフ弁２６，３６が適切に開放されるべく構成されていてもよい。
【００６７】
また、本実施形態に係る水素ガス発生装置においては、電解タンク２から酸素使用箇所（図示省略）に対して酸素ガスを供給するために設けられた酸素ガス供給配管部３１に、水素ガス検出手段３４が設けられている。この水素ガス検出手段３４は、酸素ガス中の水素濃度を検出すべく、熱伝導率式、密度式等のオンラインガス分析計等を用いて構成されている。本実施形態によれば、この酸素ガス供給配管部３１において酸素ガス中の水素ガス濃度を検出することによって、固体電解質膜５３におけるピンホールの発生等を検知することができる。すなわち、本実施形態によれば、上述したように、水電解セル１内の圧力は、酸素ガス発生側（酸素発生室Ａ側）よりも水素ガス発生側（水素発生室Ｃ側）の方が、高くなるように構成されているため、固体電解質膜５３にピンホール等が発生すれば、水素発生室Ｃから酸素発生室Ａに対して水素ガスが混入し、水素ガスが混入した酸素ガスが、酸素ガス供給配管部３１を介して供給されることとなる。したがって、本実施形態によれば、図１に示すべく、酸素ガス供給配管部３１に水素ガス検出手段３４を設けて、酸素ガス中の水素ガス濃度を監視することによって、固体電解質膜５３の破損（ピンホール）等を早期に発見して、装置の保守管理を効果的に行うことが可能となる。なお、前記水素ガス検出手段の設置場所については、酸素ガス供給配管部３１に限定されるものではなく、例えば、電解タンク２に濃度測定用の取り出し配管を設けて、該取り出し配管に設ける構成としてもよい。
【００６８】
さらに、本実施形態に係る水素ガス発生装置においては、水素分離タンク４，４０から水素使用箇所（図示省略）に対して水素ガスを供給するために設けられた水素ガス供給配管部２１，２１’に、水素ガス流量制御手段２４，２４’が設けられている。この水素ガス流量制御手段２４，２４’は、上述したように、流量検知手段２４Ａ，２４Ａ’と定格流量制御バルブ２４Ｂ，２４Ｂ’とを用いて構成されている。そして、この流量検知手段２４Ａ，２４Ａ’は、水素ガス供給配管部２１中を流れる水素ガスの流量を常時監視して、この水素ガスの流量に応じて、定格流量制御バルブ２４Ｂ，２４Ｂ’に対し適切な制御信号を送信すべく構成されている。すなわち、本実施形態によれば、水素ガス供給配管部２１，２１’の後流側にて（すなわち、水素ガス使用箇所にて）大量の水素ガスが使用されたとしても、水素ガス供給配管部２１，２１’中を流れる水素ガスが定格流量を超える前に、流量検知手段２４Ａ，２４Ａ’から定格流量制御バルブ２４Ｂ，２４Ｂ’に対して制御信号が送られ、定格流量以上の水素ガスが流れないように、定格流量制御バルブ２４Ｂ，２４Ｂ’が調整される。
【００６９】
したがって、本実施形態によれば、水素ガス供給配管部２１，２１’の後流側における水素ガス使用量がどのように変動したとしても、水素ガス供給配管部２１，２１’にて定格流量以上の水素ガスが流れることはないので、水素ガスの品質を一定に維持することができる。このような水素ガス流量制御手段２４，２４’を有する構成によれば、ユーザがバッファタンク等を用いる場合における不具合を効果的に防止可能である。
【００７０】
具体的には、バッファタンクを用いるケースでは、水素の使用量が平常時とピーク時とで大きく変動する場合がある。このような場合、ピーク時の使用量に合わせて水素ガス発生装置を構成すると、大容量のものとなり、稼働率が低下し、経済性も悪い。このため、バッファタンクの圧力に幅をもたせて使用している（例えば、０．９ＭＰａから０．４ＭＰａの幅で使用している）。この間は、水電解セル１の定格発生量以上のガスを使用することになる。このような構成において、水電解セル１を定格運転するためには、本実施形態に示すべく、定格以上のガスが流れないように、流量制御を行う必要がある。これにより、水電解セル１が安定して稼動を続けると共に、後段の除湿器入口のガス性状（圧力等）も一定に制御でき、供給ガス品質を一定に維持することができる。また、このような構成であれば、水電解セル１の性能以上の使用をも防止することが可能となるので、装置の長寿命化を図ることもできる。
【００７１】
また、本実施形態に係る水素ガス発生装置においては、水電解セル１と高圧水素分離タンク４との間に設けられた水素ガス搬送配管部１４には、バルブ１８が設けられており、さらに、水素ガス搬送配管部１４上の搬送バルブ１８を迂回すべく、バイパス配管部１９が設けられている。そして、このバイパス配管部１９には、逆止弁２０が設けられている。ここで、逆止弁２０は、所定値以上の圧力が作用しない場合には開放せず、水電解セル１から水素分離タンク４に対して水素ガスが流通しないように構成されている。
【００７２】
すなわち、本実施形態は、所定値以上（例えば、０．１ＭＰａ以上）の圧力が作用したときに、はじめて逆止弁２０が開放されて、バイパス配管部１９を介して、水電解セル１から高圧水素分離タンク４に対して水素ガスが流通すべく構成されている。したがって、本実施形態に係る水素ガス発生装置によれば、バイパス配管部１９に所定値以上の圧力が作用した場合には、逆止弁２０を介して、水素ガスの搬送が行われることとなる。よって、逆止弁２０が開いて、水素ガス搬送配管部１４、バイパス配管部１９、および逆止弁２０を介して、水素ガスを適切に流通させることが可能となるので、水電解セル１を構成する固体電解質膜５３の破損等を効果的に防止することができる。また、前記バルブ１８を、通常時には閉止させて、前記バイパス配管部１９を通じて水素ガスを搬送するようにした場合には、前記バルブ１８が閉止しているため、運転停止時などにおいても水素ガス分離タンクから水素ガスが水電解セルに逆流して水電解セル１を構成する固体電解質膜５３の破損することをさらに防止することができる。
【００７３】
さらに、本実施形態に係る水素ガス発生装置は、種々の検知手段等を用いて、ガス圧力および各タンク２，４，４０内の水位をそれぞれ所定値となるべく制御可能に構成されている。具体的には、電解タンク２は、第二の圧力制御手段３５、差圧検知手段４５、および第二のリリーフ弁３６等を用いてタンク内圧力が所定値となるべく制御されており、また、電解タンク水位計２Ｌおよび補給水ポンプ６を用いてタンク内水位が所定値となるべく制御されている。そして、高圧水素分離タンク４は、第一の圧力制御手段２５、差圧検知手段４５、および第一のリリーフ弁２６等を用いてタンク内圧力が所定値となるべく制御されており、また、水素分離タンク水位計４Ｌ，４０Ｌおよび純水排出バルブ４０Ａを用いてタンク内水位が所定値となるべく制御されている。
【００７４】
さらに、水電解セル１内における酸素発生室Ａと水素発生室Ｃとの圧力についても、先に述べたように、適切に所定値となるべく制御されている。本実施形態においては、以上のように、各ガス圧力および各タンク２，４，４０内の水位をそれぞれ所定値となるべく制御可能である。すなわち、本実施形態に係る水素ガス発生装置は、一定の条件に基づいて、運転可能に構成されている。したがって、本実施形態に係る水素ガス発生装置は、基本的に、一定の条件に基づいて運転させることが可能であるため、高品質のガス（特に高純度の水素ガス）を得ることができる。また、一定の条件にて運転可能であるため、装置を構成している各要素に対して、ストレスが生じにくくなり、各構成要素は勿論のこと、装置全体としても、寿命を延ばすことが可能となる。なお、上述したように、本実施形態においては、ガス圧制御のみではなく、水位制御も合わせて行っているため、ガス圧制御のみを行う場合よりも、容易にガス圧制御を行うことが可能となる。
【００７５】
なお、本実施形態においては、水電解セル１を一つ用いて水素ガス発生装置を構成する場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されるものではなく、例えば、複数の水電解セル１を用いて水素ガス発生装置を構成してもよい。この際、各水電解セル１については、それぞれ電解タンク２等を設けて、各水電解セル１をブロック化して、水素ガス発生装置を構成してもよい。斯かる構成によれば、装置全体はもとより、各ブロック毎についても、水電解セル１等の不具合を検知可能であるため、装置のいずれかの箇所に故障等が発生した場合であっても、その故障したブロックのみを停止させて交換等を行うことができる。したがって、このようなブロック化を実現した水素ガス発生装置であれば、水電解セル１等に故障が発生した場合であっても、装置全体を停止させる必要がないので、安定したガス供給を実現可能な装置とすることができる。
【００７６】
また、本実施形態においては、図１に記載の一台の水電解セル１に対し、２台の水素分離タンクを備える水素ガス発生装置、すなわち図６（ａ）の略図に示す構成のものを例示したが、本発明においては、図６（ｂ）に示すように、例えば、低圧水素分離タンク４０と高圧水素分離タンク４との中間の圧力の中圧水素分離タンク４００などを備える構成とするなど、水素ガスの供給圧力をより多様化させて、供給時に水素ガスの圧力を調整する装置ならびにその作業を簡略化させ得るように、さらに多く水素分離タンクを用いて、異なる圧力の水素ガスを所望の数だけ供給することもできる。また、図６（ｃ）に示すように、水素ガスの供給量の変動にあわせて運転台数を調節したり、あるいは、供給する水素ガスの圧力に合わせて、異なる圧力で水電解セルを運転させたりすることができ、水素ガスの供給量変動、供給圧力の多様化を行いつつも装置制御方法が煩雑となることを抑制し得るように水電解セル１，１’を複数台用いることも可能である。
【００７７】
また、本発明においては、水素ガス発生装置として異なる圧力の水素ガスを供給し得るように水と分離する気液分離装置を複数備えるものであれば水電解セルも特に限定されるものではない。
例えば、図７に示すように、それぞれ水電解セルと水素ガス分離タンクを備える２つの別個の装置（装置Ａ、装置Ｂ）を用い、圧力の異なる水素ガスを発生させ、圧力の高い水素ガスを発生させる装置の水素ガス分離タンクの水を圧力の低い水素ガスを発生させる装置の水素ガス分離タンクに導入するよう構成することも本発明の意図する範囲である。
【００７８】
また、図７に示す各装置が、それぞれ、図６（ａ）〜（ｃ）に示すように、一台以上の水電解セルと二台以上の分離タンクとにより構成されている場合も、本発明の意図する範囲である。
即ち、本発明においては、ある圧力の気液分離装置における水を、該圧力よりも低い圧力の気液分離装置に導入して、溶存している水素ガスを有効に利用し得るものであれば、装置を構成する設備、部材の種類や形態などを限定するものではない。
【００７９】
また、本実施形態に係る水素ガス発生装置については、各要素を接続するための配管部については特に説明しなかったが、本発明においては、酸素ガスを多く有する流体を搬送させる配管部（Ｏ2リッチライン）と、水素ガスを多く有する流体を搬送させる配管部（Ｈ2リッチライン）とに対して、それぞれ適切な特性を有する配管を用いて、水素ガス発生装置を構成してもよい。具体的に、例えば、Ｏ2リッチラインは、ステンレス鋼表面に電解研磨処理を施した後、酸化性雰囲気中で加熱することにより、鉄系酸化物を主とする金属酸化物の着色酸化被膜が表面に形成されたステンレス鋼（特開平１０−１４０３２２号公報参照）を用いて構成することが好ましい。このようなステンレス鋼は、酸素ガスを多く有する流体に対する金属イオンの溶出量が極めて少ないという特性を有する。したがって、このようなステンレス鋼を用いてＯ2リッチラインを構成すれば、酸素ガス中に対する不必要な金属イオンの溶出を効果的に防止可能な装置を実現することができる。
【００８０】
また、例えば、Ｈ2リッチラインは、ステンレス鋼表面を清浄化処理した後、酸化性雰囲気中で加熱処理して清浄化処理面上に着色酸化被膜を形成し、その後にこの着色酸化被膜を溶解除去したステンレス鋼（特開平１０−２５５６１号公報参照）を用いて構成することが好ましい。このようなステンレス鋼は、水素ガスを多く有する流体に対する金属イオンの溶出量が極めて少ないという特性を有する。したがって、このようなステンレス鋼を用いてＨ2リッチラインを構成すれば、水素ガス中に対する不必要な金属イオンの溶出を効果的に防止可能な装置を実現することができる。
【００８１】
さらに、本実施形態においては、上述した配管部のみならず、各タンク２，４についても、電解タンク２は、Ｏ2リッチラインと同様のステンレス鋼を用いて構成し、水素分離タンクは、Ｈ2リッチラインと同様のステンレス鋼を用いて構成することが好ましい。この好ましい構成によれば、各タンク２，４についても、金属イオンの溶出を防止することが可能となるので、斯かるタンクを用いれば、純度の高いガスを供給可能な装置を実現することができる。
【００８２】
また、本発明においては、自らの装置にて生成した酸素ガスを用いて、純水タンク３内の純水をバブリングすべく構成することが好ましい。本実施形態に係る水素ガス発生装置においては、空気（中の特に窒素）が唯一の不純物であり、斯かる空気は主に純水タンク３を介して装置中に混入する。したがって、斯かる空気を排除すれば、さらに高い純度の水素あるいは酸素を得ることが可能となる。そこで、本発明においては、斯かる不純物たる空気を排除するために、純水タンク３中を酸素ガスにてバブリングする構成とすることが好ましい。この際、バブリングには、本来リリーフされるはずの酸素ガス等を用いることが可能である。斯かる構成によれば、本来リリーフされるべき酸素ガス等を用いることによって、特に新たな設備等を用いることなく、純度の高い水素ガスあるいは酸素ガスを得ることが可能な水素ガス発生装置を実現することができる。
【００８３】
また、本実施形態においては、水電解セルを酸素分離タンク内に収容する構成としたが、酸素分離タンクに代えて水素分離タンク内に収容することも可能で、別の圧力容器内に収容することも可能ある。
なお、水電解セルを酸素分離タンク内に収容する構成とした場合においては、水電解セル内外の圧力差を小さいものとし水電解セルの破損を抑制しつつ、より高い圧力の水素ガスを発生させ得る。さらに、水素分離タンク内に収容した場合に比べて、部材の水素脆化を低減させる。また、水電解セルに不具合が生じても、水素分離タンク内の水素ガスの純度低下を低減し得る。なお、部材の水素脆化を低減させる点、水電解セルに不具合が生じても水素分離タンク内の水素ガスの純度低下を低減し得る点においては、水電解セルを別途圧力容器内に収容して該圧力容器内を窒素ガスなどのガスにより加圧しても同様の効果を得ることができるが、水電解セルを酸素分離タンク内に収容する場合は、別途圧力容器を用いることでの装置の部品点数が増加し、製造コストが増大することを抑制し得る。さらに、窒素ガスなどの圧力制御などにより運転コストが増大することも抑制し得る。
【００８４】
また、本実施形態においては、水電解セル全体を均一にかつすばやく冷却し、局所的に高温となって不具合が生じることを防止し得る点から、水電解セルを酸素分離タンク内に水中に水没させた状態で収容しているが、本発明においては、酸素分離タンク内に台座を設けるなどして、水電解セルを水面上に露出させて収容しても良い。純水、なかでも超純水と呼ばれる純水は、高圧となることで、金属などを溶解させるおそれがあることから前述のように水電解セルを水面上に露出させて収容することで水電解セルの劣化を抑制しつつ、より高い圧力の水素ガスを発生させ得る。
【００８５】
また、本実施形態においては純水循環配管部にポリシャ、フィルタなどを配した構成としたが、このようなポリシャ、フィルタなどを純水循環配管部に設けずに補給水ポンプと純水タンクとの間の純水供給配管部に配して純水循環配管部の耐圧性を高めて、発生させる水素ガスおよび酸素ガスの圧力をより高圧のものとすることもできる。
なお、このようにポリシャ、フィルタなどを純水供給配管部に配する場合には、電解セルに供給される水の純度が、前述のごとく、溶解された金属などにより低下することを抑制し得る点から、水電解セルを前述のごとく水面上に露出させることが好ましく、さらに、純水循環配管部の水の一部を純水タンクに戻し、その分、ポリシャ、フィルタなどを通過して補給される水量を増量させることが好ましい。
【００８６】
また、本実施形態においては、低圧水素分離タンクと高圧分離タンクとを備えているため、例えば、燃料電池自動車の水素タンクなどへ水素ガスを充填するのに際し、一旦、低圧水素分離タンクから水素ガスを供給し、その後、高圧水素分離タンクの水素ガスを供給することで素早く水素ガスの充填を行い得る。水素分離タンクは、水素ガスの供給にともない内部の圧力を低下し、しかも、燃料電池自動車の水素タンクは、水素ガスが充填されるにしたがい圧力が高くなるため、水素分離タンクと燃料電池自動車の水素タンクとの圧力差が水素ガスの供給にともない小さくなり、水素ガスの供給を鈍化させることとなる。ここで、当初、水素ガスの供給を低圧水素分離タンクを用い、該低圧水素タンクの水素ガスの供給が鈍化してきた場合に高圧水素分離タンクから水素ガスを供給するよう、水素ガスの供給路を切り替えることで、素早く水素ガスの充填を行い得るのである。すなわち、一旦、燃料電池自動車の水素タンクに低圧水素分離タンクから水素ガスが供給されることにより、高圧水素分離タンクの圧力低下を抑制し水素ガスの供給を鈍化させることを抑制し得る。また、本実施形態においては、前記高圧分離タンクの水を前記低圧水素分離タンクに導入し得るように通水配管を備えていることから、低圧水素分離タンクで燃料電池自動車の水素タンクに水素ガスを供給している間に、高圧水素分離タンクの水を低圧水素分離タンクに導入して、前記水に溶存している水素ガスを低圧水素分離タンクにて放出して、低圧水素分離タンクの圧力低下を抑制することもでき、さらに、水素ガスの供給鈍化を抑制し得る。
したがって、水素分離タンクの圧力低下を防止するために、より容量の大きな水素分離タンクを備えたり、より高い圧力で水素の気液分離を行ったりすることを防止することができ、設備コストや運転コストが向上することを抑制し得る。
【００８７】
また、水素ガスを昇圧させるコンプレッサーなどの手段を別途設けることを防止でき、設備コストや運転コストが向上することを抑制し得る。
なお、本明細書中において、「所定値」とは、定められたある値を示す場合のみならず、定められたある範囲（ある範囲内の値、あるいは範囲内の複数の値）を示す場合も含む概念である。
【実施例】
【００８８】
以下に本発明の実施例について説明する。
（装置運転状況）
温度：２５℃
水素ガス圧力：０．４ＭＰａ（低圧）、４０ＭＰａ（高圧）
水素ガス供給量：低圧、高圧それぞれ常温常圧換算で２４０Ｌ／ｈ
循環水（純水）量：１４４Ｌ／ｈ
水素分離タンクへの純水導入量：低圧、高圧それぞれ１．８Ｌ／ｈ
（廃棄水素ガス量）
２５℃、１気圧、０．４ＭＰａ、４０ＭＰａにおける１．８Ｌの水への水素溶存量は、それぞれ、常温常圧換算で０．０３２Ｌ、０．１３Ｌ、１２．６Ｌである。
従来の水素ガス発生装置のごとく４０ＭＰａの水素ガスを常温常圧換算で４８０Ｌ／ｈ製造し、減圧弁により水素の圧力を調節して４０ＭＰａと０．４ＭＰａとの水素ガス２４０Ｌ／ｈ（常温常圧換算）とし、分離タンクの水はガススクラバに導入され大気圧下に置かれることで溶存する水素ガス量を除去されるため廃棄される水素ガスの量は次の通りとなる。
（１２．６−０．０３２）×２＝２５．２Ｌ／ｈ
一方、本発明のごとく異なる圧力の分離タンクを用いる場合、例えば、高圧（４０ＭＰａ）水素分離タンクと低圧（０．４ＭＰａ）水素分離タンクとの異なる圧力の分離タンクを備え、高圧水素分離タンクの水を低圧水素分離タンクに導入後ガススクラバを用いて溶存する水素ガス量を１気圧時まで低下させる複数分離タンクの場合とにおいて廃棄水素ガス量を比較すると次のようになる。
（０．１３−０．０３２）×２＝０．２０Ｌ／ｈ
【００８９】
上記にて求められた廃棄水素ガス量からもわかるように、分離タンクを１台だけ用いて、最も高い圧力で運転させた場合においては、低圧ならびに高圧の水素ガスをそれぞれ２４０Ｌ／ｈ（合計４８０Ｌ／ｈ）供給するのに２５．２Ｌ（およそ５％に相当）もの廃棄水素ガスを生じていたのに対し、一つの水素分離タンクにおいて分離された水を、該水素分離タンクよりも低い圧力において気液分離を行う他の水素分離タンクに導入することにより、該水素分離タンクにおいて前記水に溶存する水素ガスを放出させ得るように圧力の異なる水素分離タンクを備えた場合においては、従来の１００分の１以下の廃棄水素ガス量となり、運転コストの上昇を抑制しつつ異なる圧力の水素ガスを供給し得るものとなることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】本発明の実施形態に係る水素ガス発生装置の概略的な系統図
【図２】図１に係る水素ガス発生装置を構成する水電解セルの一例を示す概略図
【図３】本実施形態に係る水素ガス発生装置を運転する際のフローチャート
【図４】本実施形態に係る純水供給制御の一態様を示すフローチャート
【図５】本実施形態に係る電流値制御の一態様を示すフローチャート
【図６】（ａ）一実施形態を示す概略装置構成図、（ｂ）他実施形態を示す概略装置構成図、（ｃ）他実施形態を示す概略装置構成図
【図７】他実施形態を示す概略装置構成図
【符号の説明】
【００９１】
１…水電解セル、２…電解タンク、２Ｌ…電解タンク水位計、３…純水タンク、３Ａ…純水供給バルブ、３Ｌ…純水タンク水位計、４…高圧水素分離タンク、４Ａ，４０Ａ…純水排出バルブ、４Ｌ，４０Ｌ…水素分離タンク水位計、５…純水供給配管部、６…補給水ポンプ、７…純水循環配管部、８…循環水ポンプ、９…熱交換器、１０…ポリシャ、１１…フィルタ、１２…水質警報手段、１３…水温警報手段、１４…水素ガス搬送配管部、１５…純水戻り配管部、１６…ガススクラバ、１７…水素放出配管部、１８…バルブ、１９…バイパス配管部、２０…逆止弁、２１，２１’…水素ガス供給配管部、２２，２２’…水素ガス供給バルブ、２３，２３’…水素ガス除湿手段、２４，２４’…水素ガス流量制御手段、２４Ａ，２４Ａ’…流量検知手段、２４Ｂ，２４Ｂ’…定格流量制御バルブ、２５…第一の圧力検知手段、２６，２６’…第一のリリーフ弁、２７，２７’…第一のリリーフ配管部、２８…電流値制御手段、３１…酸素ガス供給配管部、３２…酸素ガス供給バルブ、３３…酸素ガス除湿手段、３４…水素ガス検出手段、３５…第二の圧力検知手段、３６…第二のリリーフ弁、３７…第二のリリーフ配管部、４０…低圧水素分離タンク、４１…分岐配管、４１Ａ…減圧弁、４２…通水配管、４２Ａ…通水制御バルブ、４４…予備配管、４４Ａ…予備バルブ、４５…差圧検知手段、５２…電極板、５３…固体電解質膜、５４…多孔質給電体、５５…ガスケット、５６…保護シート、５７…水素ガス取り出し経路、５７ａ…水素ガス取り出し通路、５８…酸素ガス取り出し経路、５８ａ…酸素ガス取り出し通路、５９…両端板、６０…ボルト、６１…絶縁板、４００，４００’…中圧水素分離タンク
Ａ…酸素発生室、Ｃ…水素発生室
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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