(57)【要約】【課題】回収された純水を容易に再利用できる水電解装置を提供する。【解決手段】触媒層１２，１３に挟持された電解質膜１１を備え、純水の電解により一方の触媒層から水素を取り出し、他方触媒層から酸素と純水との気液混合物を取り出す水電解手段１と、前記気液混合物から純水７を分離する気液分離手段２と、分離された純水７を水電解手段１に還流させる還流手段８とを備える。気液分離手段２を水電解手段１から前記気液混合物が取り出される取出口３に直接接続させて設け、該気液混合物は取出口３を介して気液分離手段２に直接流入する。還流手段８により還流される純水をイオン交換樹脂により精製する精製手段９を備え、精製された純水を水電解手段１に還流させる。精製手段９は、水電解手段１に隣接して備えられる。気液分離手段２は、未使用の純水の取入口４を備える。気液分離手段２は、酸素と純水とを分離するフィルター５を備える。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１対の触媒層と、両触媒層に挟持された電解質膜とを備え、該触媒層に供給された純水の電解を行って、一方の触媒層から水素を取り出し、他方触媒層から酸素と純水との気液混合物を取り出す水電解手段と、該水電解手段から取り出された酸素と純水との気液混合物から純水を分離する気液分離手段と、該気液分離手段により分離された純水を該水電解手段に還流させる還流手段とを備える水電解装置において、
該気液分離手段を、該水電解手段から酸素と純水との気液混合物が取り出される取出口に直接接続させて設け、該気液混合物は該取出口を介して該気液分離手段に直接流入することを特徴とする水電解装置。
【請求項２】
前記還流手段により還流される純水をイオン交換樹脂により精製する精製手段を備え、該精製手段により精製された純水を前記水電解手段に還流させることを特徴とする請求項１記載の水電解装置。
【請求項３】
前記精製手段は、前記水電解手段に隣接して備えられることを特徴とする請求項２記載の水電解装置。
【請求項４】
前記気液分離手段は、前記水電解手段に供給される未使用の純水の取入口を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の水電解装置。
【請求項５】
前記気液分離手段は、酸素と純水とを分離するフィルターを備えることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の水電解装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水の電解により水素を製造する水電解セルに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、水の電解により水素を製造する水電解装置として、固体高分子電解質膜を１対の触媒層で挟持し、各触媒層の上にそれぞれ多孔質給電体を積層した構成を備える水電解セルを複数積層した水電解セルスタックを備えるものが知られている。前記水電解装置では、各水電解セルの前記触媒層と多孔質給電体とに、８０℃程度に加熱された純水を供給し、各多孔質給電体に電圧を印加する。このようにすると、各水電解セルの陽極側では次式（１）のように水の電解が起きて酸素と水素イオンとが生成し、電子が電極に与えられる。前記水素イオンは、前記固体高分子電解質膜を透過して陰極側に移動し、陰極側の電極から電子を与えられる。この結果、各水電解セルの陰極側では次式（２）のように水素が生成する。
【０００３】
【化１】
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そこで、前記水電解装置では、各水電解セルの前記陰極側に生成した水素を取り出して、所定の用途に供給する。前記水素は、例えば燃料電池の燃料として使用される。
【０００４】
一方、前記水電解装置では、各水電解セルの前記陽極側に生成した酸素は、純水との気液混合物として取り出される。このとき、前記純水は高価であるので、気液分離装置により酸素と分離、回収して、再利用に供することが行われている（例えば、特許文献１参照。）。前記従来の水電解装置では、前記気液分離装置は、前記水電解セルスタックとは独立に設けられ、配管を介して該水電解セルスタックに接続されている。
【０００５】
しかしながら、前記従来の水電解装置では、回収された純水は水としての純度の低下が避けられず、そのままでは再利用に供することが難しいという不都合がある。
【０００６】
【特許文献１】特開平８−２６０１７６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、かかる不都合を解消して、回収された純水を容易に再利用に供することができる水電解装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために、本発明の水電解装置は、１対の触媒層と、両触媒層に挟持された電解質膜とを備え、該触媒層に供給された純水の電解を行って、一方の触媒層から水素を取り出し、他方触媒層から酸素と純水との気液混合物を取り出す水電解手段と、該水電解手段から取り出された酸素と純水との気液混合物から純水を分離する気液分離手段と、該気液分離手段により分離された純水を該水電解手段に還流させる還流手段とを備える水電解装置において、該気液分離手段を、該水電解手段から酸素と純水との気液混合物が取り出される取出口に直接接続させて設け、該気液混合物は該取出口を介して該気液分離手段に直接流入することを特徴とする。
【０００９】
本発明の水電解装置では、前記気液分離手段を、前記水電解手段から酸素と純水との気液混合物が取り出される取出口に直接接続し、前記取出口から前記気液混合物が、該気液分離手段に直接流入するようにしたので、該気液分離手段は配管を介して該水電解手段に接続する必要がない。この結果、前記水電解手段に供給された純水は、電解に供された後、前記酸素との気液混合物として該気液分離手段に直接流入することになるので、温度の低下と、水としての純度の低下を抑制することができる。
【００１０】
従って、本発明の水電解装置によれば、回収された純水を容易に再利用に供することができる。また、本発明の水電解装置によれば、回収された純水の温度の低下が抑制されるので、該純水を加熱するヒーター等の加熱手段を用いる必要がなく、エネルギー効率を向上させることができる。
【００１１】
また、本発明の水電解装置は、前記還流手段により還流される純水をイオン交換樹脂により精製する精製手段を備え、該精製手段により精製された純水を前記水電解手段に還流させることが好ましい。本発明の水電解装置によれば、回収された純水は、前述のように水としての純度の低下が抑制されている。従って、回収された純水は、前記還流手段により前記水電解手段に還流する際に、前記イオン交換樹脂のような簡易な手段を用いて精製すればよく、前記電解に必要とされる純度を容易に回復することができる。また、このようにすることにより、新たに純水を製造するためのエネルギーを低減することができる。前記精製手段は、前記水電解手段に隣接して備えられることにより、配管を低減して、回収された純水の温度、水としての純度の低下を抑制することができる。
【００１２】
また、本発明の水電解装置は、前記気液分離手段が、前記水電解手段に供給される未使用の純水の取入口を備えることが好ましい。このようにすることにより、未使用の純水は前記取入口から前記気液分離手段に供給され、該気液分離手段内で前記回収された純水と合流して、前記水電解手段に供給される。従って、前記回収された純水の還流手段と、未使用の純水を前記水電解手段に供給するための供給手段とが共通化され、装置構成を簡略化することができる。
【００１３】
また、前記気液分離手段は、酸素と純水とを分離するフィルターを備えることが好ましい。前記気液分離手段は、前記フィルターを備えることにより、少ない容積で効率よく酸素と純水とを分離することができる。前記フィルターとしては、例えば、ステンレス製の網を用いることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。図１は本実施形態の水電解装置の説明的断面図であり、図２は図１に示す水電解装置の要部を拡大して示す説明的断面図である。
【００１５】
本実施形態の水電解装置は、図１に示すように、水電解セルスタック１と、水電解セルスタック１の一側面に接して、配管を介することなく直接接続された気液分離装置２とを備えている。気液分離装置２は、水電解セルスタック１との間に、水電解セルスタック１から酸素と純水との気液混合物が取り出される気液取出口３を備えている。
【００１６】
また、気液分離装置２は、未使用の純水を取り入れる純水取入口４、前記気液混合物を酸素と純水とに分離するフィルター５、分離された酸素を大気中に放出する酸素放出口６を備えている。また、フィルター５はステンレス網からなる。
【００１７】
本実施形態の水電解装置は、さらに、気液分離装置２の下方にポンプ８を備えている。ポンプ８は、水電解セルスタック１と気液分離装置２との底部に沿って設けられた導管８ａを介して、前記気液混合物から分離された純水７を水電解セルスタック１に還流する。そして、導管８ａの途中に、ポンプ８により還流される純水をイオン交換樹脂により精製する精製装置９が介装され、水電解セルスタック１に隣接して設けられている。
【００１８】
水電解セルスタック１は、酸素取出口３を備える一方、電解により精製した水素を取り出す水素取出口１０を備えている。また、水電解セルスタック１は、図２に示すように、固体高分子電解質膜１１が１対の触媒層１２，１３に挟持され、さらに触媒層１２，１３上に多孔質給電体１４，１５を備える水電解セル１６が、気液通路を兼ねるセパレータ１７を介して、複数積層された構成となっている。
【００１９】
前記水電解セル１６において、触媒層１２，１３は、例えば、固体高分子電解質膜１１と同一成分からなる電解質を溶解した電解質溶液に所定量の触媒粉末を分散させてペースト状にしたものをポリテトラフルオロエチレン製シートにスクリーン印刷することにより形成されている。そして、前記シートの触媒層１２，１３が形成された面で固体高分子電解質膜１１を挟持した状態でホットプレスすることにより、触媒層１２，１３が固体高分子電解質膜１１側に転写され、固体高分子電解質膜１１と接合されている。
【００２０】
次に、本実施形態の水電解装置の作動について説明する。
【００２１】
本実施形態の水電解装置では、まず、８０℃程度に加熱された未使用の純水が気液分離装置２の純水取入口４から供給され、ポンプ８により精製装置９を介して水電解セルスタック１に供給され、電解される。この結果、水電解セルスタック１を構成する各水電解セル１６の陰極側からは水素が生成し、水電解セルスタック１の水素取出口１０から外部に取り出される。一方、各水電解セル１６の陽極側からは酸素が生成し、該酸素は純水と気液混合物を形成して、気液取出口３から気液分離装置２に直接流入する。
【００２２】
このとき、前記気液混合物に含まれる純水は、水電解セルスタック１から気液取出口３を介して直接気液分離装置２に流入するので、温度の低下が殆どなく、水としての純度の低下も殆どない。
【００２３】
次に、前記気液混合物は、気液分離装置２内でステンレス網からなるフィルター５により酸素と純水とに分離される。そして、前記酸素は酸素放出口６から大気中に放出され、前記純水はフィルター５下方の気液分離装置２内に蓄えられる。尚、気液分離装置２内に蓄えられた純水７は、ここで純水取入口４から供給された未使用の純水と合流せしめられる。
【００２４】
次に、気液分離装置２内に蓄えられた純水７は、ポンプ８により気液分離装置２から取り出されて精製装置９に送られ、イオン交換樹脂により精製されることにより、未使用の純水と同等の純度を回復する。そして、精製装置９から水電解セルスタック１に供給され、再び電解に供される。
【００２５】
従って、本実施形態の水電解装置によれば、水電解セルスタック１で生成した気液混合物から回収された純水を、容易かつ有効に再利用に供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の水電解装置の説明的断面図。
【図２】図１に示す水電解装置の要部を拡大して示す説明的断面図。
【符号の説明】
１…水電解手段、　２…気液分離手段、　３…流入口、　４…取入口、　５…フィルター、　８…還流手段、　９…精製手段、　１１…電解質膜、　１２，１３…触媒層。
【図１】
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【図２】
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