(57)【要約】【課題】電解装置に供給するための電力を自然エネルギーから供給されるものとし、完全自立してなる自然エネルギー利用水電解システムを提供する。【解決手段】本実施例にかかる自然エネルギー利用水電解システムは、水を電気分解して水素と酸素を発生させる水電解装置１０と、該水電解装置を駆動する電流・電圧を制御する電流・電圧制御装置８０と、自然エネルギーにより電気を得る例えば風力発電装置５０等の自然エネルギー発電装置とを具備する。自然エネルギーとして風力発電装置５０等の自然エネルギーを用いて水電解装置１０により水素を発生させることができる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水を電気分解して水素と酸素を発生させる水電解装置と、
該水電解装置を駆動する電流・電圧を制御する電流・電圧制御装置と、
自然エネルギーにより電気を得る自然エネルギー発電装置とを具備することを特徴とする自然エネルギー利用水電解システム。
【請求項２】
請求項１において、
更に、自然エネルギー発電装置からの電気を蓄電する二次電池を具備することを特徴とする自然エネルギー利用水電解システム。
【請求項３】
請求項１又は２において、
自然エネルギー発電装置が風力発電装置、太陽光発電装置、水力発電装置、波力発電装置、地熱発電装置、海洋温度差発電装置のいずれか一種又はこれらの組合せであることを特徴とする自然エネルギー利用水電解システム。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一つにおいて、
前記水電解装置に供給する供給水を太陽光温水器により加熱してなることを特徴とする自然エネルギー利用水電解システム。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一つにおいて、
前記水電解装置が、
容器本体内に設けられ、循環する循環水を浄化する浄化層と、
前記容器本体の頂部から垂下し、容器本体内を第１の部屋と第２の部屋とに分離する仕切り板と、
前記容器本体の外部に設けられ、循環水を電気分解して水素と酸素を発生する水電解スタックと、
該水電解スタックに浄化した循環水を供給する水供給管と、
前記水電解スタックから循環水に同伴されてなる水素／水・二層流を容器本体の第１の部屋に送給する第１の送給管と、
前記水電解スタックから循環水に同伴されてなる酸素／水・二層流を容器本体の第２の部屋に送給する第２の送給管と、
前記第１の部屋から水素を排出する水素排出部と、
前記第２の部屋から酸素を排出する酸素排出部とを具備してなり、
水電解スタックに供給する循環水を浄化しつつ自然循環してなることを特徴とする自然エネルギー利用水電解システム。
【請求項６】
請求項５において、
前記容器本体が耐圧容器であることを特徴とする自然エネルギー利用水電解システム。
【請求項７】
請求項１乃至４のいずれか一つにおいて、
前記水電解装置が、
耐圧容器本体内に設けられ、循環する循環水を浄化する浄化層と、
前記耐圧容器本体の頂部から垂下し、容器本体内を第１の部屋と第２の部屋とに分離する仕切り板と、
前記耐圧容器の本体下部に設けられ、浄化した循環水を電気分解して水素と酸素を発生する水電解スタックと、
該水電解スタックに浄化した循環水を供給する水供給部と、
前記水電解スタックから循環水に同伴されてなる水素／水・二層流を容器本体の第１の部屋に送給する第１の送給管と、
前記水電解スタックから循環水に同伴されてなる酸素／水・二層流を容器本体の第２の部屋に送給する第２の送給管と、
前記第１の部屋から水素を排出する水素排出部と、
前記第２の部屋から酸素を排出する酸素排出部とを具備してなり、
水電解スタックに供給する循環水を浄化しつつ自然循環してなることを特徴とする自然エネルギー利用水電解システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子電解質膜を隔膜として用いて水を電気分解して酸素及び水素を製造する水電解装置に供給するための電力を自然エネルギーから供給されるものとし、完全自立してなる自然エネルギー利用水電解システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
クリーンなシステムとして注目されている燃料電池や、水素エンジンには、水素ガスあるいは酸素ガスが必要である。水の電気分解（以下、「水電解」と記す）により水素ガス及び酸素ガスを製造する水電解装置としてのガス発生装置（固体高分子電解質膜を用いた装置）は、比較的容易に無公害で水素ガス及び酸素ガスを製造することが可能である。ガス発生装置と何らかの発電設備を組み合わせることにより、ガス発生システムとすることが出来る。
【０００３】
しかし、従来の技術での水電解用の電源は、電力会社の系統電力を用いる場合が多い。この電力を用いて水電解で水素ガス及び酸素ガスを製造し、それらのガスを用いて燃料電池で発電した場合、全体としてのシステム効率は低くなる。夜間電力などの低コストな電力を用いる方法もあるが、その場合には使用時間が深夜だけに限定され、利便性の面で問題がある。このため、低コストで高い効率の電力の供給源が望まれる。また、時間の制約が少ない電力の供給源が望まれる。
【０００４】
このため、従来では、例えば水素を燃料として走行する特定数の車両に対して水素を供給する水素補給システムであって、該車両に着脱自在で該車両に水素を供給する水素充填容器と、該水素充填容器に充填する水素を発生させる水電解装置と、該水電解装置に電力を供給するために商用電力からの電力を供給する電力供給手段と、前記商用電力の電力コスト及び前記水素充填容器への水素充填量に応じて前記水電解装置の運転を制御するコントローラを備えてなる水素補給システムが提案されている（特許文献１）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１８４４１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、水の電気分解に系統電力を用いるには、系統電力が水電解装置まで到達していることが前提となり、例えば離島や山間部等の電力孤立地域においては、水素を有効利用することができない、という問題がある。特許文献１においては自然エネルギーとして太陽光発電を提案しているが、系統電力の代替手段として用いており、自然エネルギーを用いた完全自立型の水素供給設備の出現が望まれている。
【０００７】
また、現在の燃料電池の水素源は化石燃料から改質して得ているが、この際ＣＯ2の排出があるという問題がある。世界的なＣＯ2低減の問題からＣＯ2の全く発生することなく水素を得ることができる効率的なシステムの出現が望まれている。
【０００８】
本発明は、前記問題に鑑み、水電解装置に供給するための電力を自然エネルギーから供給されるものとし、完全自立してなる自然エネルギー利用水電解システム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】
上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、水を電気分解して水素と酸素を発生させる水電解装置と、該水電解装置を駆動する電流・電圧を制御する電流・電圧制御装置と、自然エネルギーにより電気を得る自然エネルギー発電装置とを具備することを特徴とする自然エネルギー利用水電解システムにある。
【００１０】
第２の発明は、第１の発明において、更に、自然エネルギー発電装置からの電気を蓄電する二次電池を具備することを特徴とする自然エネルギー利用水電解システムにある。
【００１１】
第３の発明は、第１又は２の発明において、自然エネルギー発電装置が風力発電装置、太陽光発電装置、水力発電装置、波力発電装置、地熱発電装置、海洋温度差発電装置のいずれか一種又はこれらの組合せであることを特徴とする自然エネルギー利用水電解システムにある。
【００１２】
第４の発明は、第１乃至３のいずれか一つの発明において、前記水電解装置に供給する供給水を太陽光温水器により加熱してなることを特徴とする自然エネルギー利用水電解システムにある。
【００１３】
第５の発明は、第１乃至４のいずれか一つの発明において、前記水電解装置が、容器本体内に設けられ、循環する循環水を浄化する浄化層と、前記容器本体の頂部から垂下し、容器本体内を第１の部屋と第２の部屋とに分離する仕切り板と、前記容器本体の外部に設けられ、循環水を電気分解して水素と酸素を発生する水電解スタックと、該水電解スタックに浄化した循環水を供給する水供給管と、前記水電解スタックから循環水に同伴されてなる水素／水・二層流を容器本体の第１の部屋に送給する第１の送給管と、前記水電解スタックから循環水に同伴されてなる酸素／水・二層流を容器本体の第２の部屋に送給する第２の送給管と、前記第１の部屋から水素を排出する水素排出部と、前記第２の部屋から酸素を排出する酸素排出部とを具備してなり、水電解スタックに供給する循環水を浄化しつつ自然循環してなることを特徴とする自然エネルギー利用水電解システムにある。
【００１４】
第６の発明は、第５の発明において、前記容器本体が耐圧容器であることを特徴とする自然エネルギー利用水電解システムにある。
【００１５】
第７の発明は、第１乃至４のいずれか一つの発明において、前記水電解装置が、耐圧容器本体内に設けられ、循環する循環水を浄化する浄化層と、前記耐圧容器本体の頂部から垂下し、容器本体内を第１の部屋と第２の部屋とに分離する仕切り板と、前記耐圧容器の本体下部に設けられ、浄化した循環水を電気分解して水素と酸素を発生する水電解スタックと、該水電解スタックに浄化した循環水を供給する水供給部と、前記水電解スタックから循環水に同伴されてなる水素／水・二層流を容器本体の第１の部屋に送給する第１の送給管と、前記水電解スタックから循環水に同伴されてなる酸素／水・二層流を容器本体の第２の部屋に送給する第２の送給管と、前記第１の部屋から水素を排出する水素排出部と、前記第２の部屋から酸素を排出する酸素排出部とを具備してなり、水電解スタックに供給する循環水を浄化しつつ自然循環してなることを特徴とする自然エネルギー利用水電解システムにある。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、自然エネルギーを用いて自己完結で水素の供給を行うことができる。
この結果、例えば山間部や離島等の系統電源がないような電気孤立地域においても、常に安定して水素及び酸素を供給することができる。
【００１７】
また、自然エネルギーは風力発電装置、太陽光発電装置、水力発電装置、波力発電装置、地熱発電装置、海洋温度差発電装置のいずれかを用いることにより水素を安定して供給することができる。また、太陽光温水器を用いて供給水を加温することで、水電解装置の熱的自立に寄与することができる。
【００１８】
また、水電解装置を容器本体内で自然循環により循環水を水電解スタックに供給するので、従来のような循環水を循環させるポンプが不要となり、装置が簡略化すると共に水素単価を安価にすることができる。また、水素同伴水と酸素同伴水を浄化層で浄化した後、一体化するので、従来のようなポンプを用いて余剰水を供給する必要がなくなり、設備のコンパクト化を図ることができ、水素単価を安価にすることができる。また、耐圧容器として容器本体内に水電解スタックを配置することで、例えば３００ａｔａ以上と超高圧とすることができ、水素貯蔵タンクへの水素充填に際してコンプレッサ等が不要となり、水素単価を更に安価にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。
【実施例】
【００２０】
本発明による実施例に係る自然エネルギー利用水電解システムの概要を図１に示す。図１に示すように、本実施例にかかる自然エネルギー利用水電解システムは、水を電気分解して水素と酸素を発生させる水電解装置１０と、該水電解装置を駆動する電流・電圧を制御する電流・電圧制御装置８０と、自然エネルギーにより電気を得る例えば風力発電装置５０等の自然エネルギー発電装置とを具備するものである。
【００２１】
本実施例によれば、自然エネルギーとして風力発電装置５０を用い、該風力発電により得られた電力を水電解装置に供給することにより水素を発生させることができる。よって、電力会社による系統電源を用いることなく自己完結で水素の供給を行うことができることになる。
【００２２】
この結果、例えば山間部や離島等の系統電源がないような場所においても、常に安定して水素及び酸素を供給することができる。
【００２３】
ここで、本発明で自然エネルギー発電装置としては、上述した風力発電装置以外に、図１に示すような太陽光６１を利用した太陽光発電装置６０を挙げることができる。この太陽光発電装置６１は夜間は電気を供給することができないので、例えば二次電池７０等の蓄電装置に昼間に蓄電し、電流・電圧制御装置８０を用いて、水電解装置１０に一定の電圧及び電流を制御するようにしている。
【００２４】
また、自然エネルギーとして、上述した風力発電装置や太陽光発電装置以外としては、例えば水力発電装置、波力発電装置、地熱発電装置、海洋温度差発電装置を例示することができる。
【００２５】
また、上述した自然エネルギー装置は、その設置する地理的要因により、単独又は複数を組み合わせて用いることができ、これらを適宜組み合わせて自然エネルギーを効率的に利用して水素を安定して供給することができる。
【００２６】
また、図１に示すように、太陽光温水器９０を用いて供給水を加温し、供給管９１により水電解装置１０に供給することにより、水電解装置１０における熱的自立に寄与することができる。
【００２７】
また、水電解装置の水素発生によるジュール熱により、循環水が所定温度以上に加温された場合には、外部からの水を別途供給し、共生的に循環水を排出するようにすることで、解消することができる。
【００２８】
この結果、電力会社による系統電力がないような山間部や離島等の電気孤立地域において、自然エネルギーを用いた完全自立型の水素供給システムを提供することができる。
【００２９】
本発明は自然エネルギーを利用し、水から水素と酸素を発生させているので、現在の燃料電池の水素源は化石燃料から改質する際に発生するようなＣＯ2の排出が皆無であり、本来の意味でのクリーンエネルギーを利用した水素供給システムであり、このシステムを用いて水素ステーション等のインフラの整備を図ることができる。これにより、電気孤立地域においても水素を利用した例えば燃料電池へのクリーンな設備により安定供給を図ることができる。
【００３０】
また、本発明は電気孤立地域において特に効果を発揮するが、電力会社からの系統電源と併用することを妨げるものでない。特に、深夜電力を効率的に利用して蓄電することで、より安定した水素の供給を図ることができる。
【００３１】
ここで、本発明に適用する水電解装置は、公知の水電解装置であれば使用することができ、特に限定されるものではない。
【００３２】
さらに、自然エネルギーを効率的に活用する水電解システムについて、特に好ましく適用することができる水電解装置を図２乃至図６を用いて説明する。
図２は、本実施例に係る水電解装置を示す概略斜視図であり、図３はその縦断面図（図５のＡ―Ａ矢視断面図）、図４はその正面図、図５は図４のＢ−Ｂ矢視図、図６は超高圧型の水電解装置を示す概略図である。
これらの図面に示すように、本実施例に係る水電解装置１０は、容器本体１１内の下端面から所定間隔を有して設けられ、循環する循環水１２を浄化する浄化層１３と、容器本体１１の頂部１１ａから垂下し、容器本体１１内を第１の部屋１４−１と第２の部屋１４−２とに分離する仕切板２５と、容器本体１１の外部に設けられ、循環水を電気分解して水素と酸素を発生する水電解スタック１５と、該水電解スタック１５に浄化した循環水１６を供給する水供給管１７と、水電解スタック１５から循環水に同伴されてなる水素／水・二層流１８−１を容器本体１１の第１の部屋１４−１に送給する第１の送給管１９−１と、水電解スタック１５から循環水に同伴されてなる酸素／水・二層流１８−２を容器本体１１の第２の部屋１４−２に送給する第２の送給管１９−２と、第１の部屋１４−１から水素を排出する水素排出部２０と、第２の部屋１４−２から酸素を排出する酸素排出部２１とを具備してなり、水電解スタック１１に供給する循環水１２を浄化しつつ自然循環してなるものである。
図３中、符号３０は保温材、３１はヒータ等による加熱部である。
【００３３】
ここで、本実施例では、前記容器本体１１を仕切る仕切板２５により容器本体内を第１の部屋１４−１と第２の部屋１４−２とに分離しているが、前記仕切板２５は少なくとも浄化層に接するようにすることが望ましい。これは第１の部屋１４−１で発生する水素と第２の部屋１４−２で発生する酸素との接触を防止する必要があるからである。よって、より望ましくは仕切り板が浄化層１３の下方部まで垂下しているほうがよい。
【００３４】
また、発生する水素と酸素とが接触することがないように、水素／水・二層流１８−１を第１の部屋１４−１に送給する第１の送給管１９−１に連結された水素発生管１９−１ａと、酸素／水・二層流１８−２を第２の部屋１４−２に送給する第２の送給管１９−２に連結された酸素発生管１９−２ａの出口部分の周囲をかこむように例えばセラミックスや焼結材料等で覆い、下方側へ水素又は酸素の移動を防止するようにしてもよい。この場合には、水素と酸素が交わることがないので、仕切板２５は浄化層１３まで到達していなくてもよい。
【００３５】
また、容器本体内の水面を一定にするように図示しない圧力計により、各部屋の圧力を測定し、各部屋が均圧となるように調整するようにしている。
【００３６】
このため、水素ガスの水素排出部２０には水素ガス排出管２０ａが接続され、バルブ２０ｂの開閉により適宜調整している。同様に、酸素ガスの酸素排出部２０には酸素ガス排出管２１ａが接続され、バルブ２１ｂの開閉により適宜調整している。
【００３７】
また、図３に示すように、水電解により水が消費されるので、容器本体１１には水レベル計４３を設置し、ボールタップ４１等により所定量の水が給水管を介して給水４２されるようにしている。
【００３８】
本実施例では容器本体１１内を加圧しているが、本発明はこれに限定されず、常圧であってもよい。なお、外部に電解スタックを設置する場合には、セルのシール性から数から数１０圧とするのが好ましい。これにより、高圧の水素ガスを得ることができる。
【００３９】
また、図６に示すように容器本体を耐圧容器７１として、数気圧〜８００気圧とするようにしてもよい。
この場合には、容器本体７１内に支持部１５ａにより支持された電解スタック１５を浄化層１３の下部に設置している。そして、電解スタック１５下側に設けた各々設けた水供給口に酸素側循環水及び水素側循環水を供給している。また、循環水の流れをクロスするように供給することにより、電解スタック１５内部に熱の片寄りを是正し、均温化を図ることができる。
【００４０】
この結果、高圧の水素を得ることができるので、コンプレッサ等を用いることなくそのまま例えば水素自動車等の燃料タンクに供給することができる。よって、高い高圧容器内部に水電解スタック１５を配設すると共に、該水電解スタック１５に供給する電解水を自然循環とすることができるので、コンパクトを図ると共に所内効率がさらに向上する。
【００４１】
ここで、本実施例の浄化層１３は例えば直径数ｍｍ程度のイオン交換樹脂から構成されている。イオン交換樹脂を充填するために、容器本体１１の下端面から所定の距離で網又は細孔を有する支持部材１３ａが設けられおり、この支持部材１３ａにイオン交換樹脂を充填している。この充填量は循環水を効率よく浄化する量とすればよく、またその厚さは後述する循環水の圧力損失に繋がるので、圧力損失がバランスするような所定の厚さとすればよい。
【００４２】
この浄化層１３の例えばイオン交換樹脂等を循環水が通過することにより循環水中の不純物を除去し、水電解効率の向上を図ることができる。すわなち、供給した外部からの水や水電解時により発生する不純物が水電解時において膜の表面に付着すると膜での電解効率が低減するのが、浄化層１３を通過させることでこれを解消することができる。
【００４３】
ここで、前記イオン交換樹脂としては、例えば「ダウエックス＊マラソン＊Ｃ６００」（商品名：ダウ・ケミカル日本社製）、「ダイヤイオンＴＳＡ１２００」（商品名：三菱化学社製）、又は「ダイヤイオンＳＡＴ１２００＆ＳＭＴ１２００」（商品名：三菱化学社製）を例示することができるが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００４４】
また、図３に示すように、本実施例では容器本体１１の周囲を保温材３０により保温するようにしている。これは、水電解により発生した熱（投入される電力のうち水電解に使用される以外の電力はほとんど熱に変換する。）を外部に逃がすのを防止し、熱的自立の完全化を図るためである。この結果、循環水を約８０℃で長期間に亙って安定して循環することができる。
なお、発熱により循環水の温度が所定の温度よりも高くなるような場合には、外部から給水量を調節して温度を調整するようにすればよい。
【００４５】
また、本実施例では加熱部３１を容器本体１１の下方側に設けている。この加熱部３１は例えばヒータ等を用いることができるが、本装置により発生した酸素と水素を燃料源としたボイラを用いるようにしてもよい。
【００４６】
ここで、加熱部３１は起動時において使用すれば、その後は電解時におけるジュール熱により熱的自立を図ることができる。
【００４７】
また、本実施例では、浄化した循環水１６を水電解スタック１５に供給する際に、酸素側と水素側の両方に供給するようにしているが、本発明はこれに限定されるものではなく、少なくとも酸素側の水供給路側のみに供給するようにすればよい。
この酸素側の水供給路側のみとする場合には、循環する水量を酸素側のみで低減でき、容器本体の直径を小さくすることが可能となり、コンパクト化を図ることができる。
【００４８】
また、その供給方法も水素側水供給口と酸素側水供給口とを、ガスの出口である水素／水・二層流１８−１の出口と、酸素／水・二層流１８−２の出口とをクロスする位置となるようにし、水電解スタック１５内を通過する循環水の流れがクロスするようにし、均温化を図るようにしている。
【００４９】
また、水電解スタック１５を構成するセルにおいても循環水の圧力損失が低下せず、しかも固体高分子膜とは接触率が良好な水を供給する水供給路を兼ねた給電体を用いるようにしている。
【００５０】
このセルは、一対のセパレータと、該セパレータの間に設けられた固体高分子電解質膜と、該固体電解質膜とセパレータの間に介装され、水の流動抵抗が小さく（圧力損失が小さい）、しかも電気抵抗が小さい給電体とから構成されている。本実施例では給電体は固体高分子膜側から順次そのメッシュの目開きを大きくしている。
なお、本実施例ではメッシュの目開きの大きさにより、傾斜機能を発揮させているが、本発明はこれに限定されるものではなく、循環水の通水性及び電気特性を兼ね備えたものとすればよい。前記電解スタック１５は上述したセルを複数枚積層してなるものであり、その能力及び大きさに応じて積層枚数を適宜設定している。
【００５１】
ここで、循環水が自然循環する作用について説明する。
浄化層１３を通過する際に水の圧力損失が生じる。この流量が大きい場合には圧力損失が増大する。また電解スタック１５においても圧力損失が生じ、流量が多くなると圧力損失が増大する。一方、電解スタック１５及び送給管の内部においては一定電流でガスの発生が一定であれば循環流量が大きい場合ボイド率が低下し、循環力が低下する。よって、バランスする適量が存在する。
【００５２】
本実施例では、以下の設計条件に対して行った。
容器本体内の圧力（Ｐ）を７ａｔａ、電流密度（I）を１Ａ／ｃｍ2、温度（Ｔ）を８０℃とした。また、浄化層１３における酸素側の循環水の水流量を０．５Ｌ／ｍｉｎ／セルとした。
【００５３】
試験の結果、酸素側の浄化層における圧力損失（ΔＰｆ）が７７．５（ｍｍＨ2Ｏ）であり、水電解スタックの圧力損失（ΔＰｓ）が８９．５（ｍｍＨ2Ｏ）であり、総合圧力損失が１６７．１（ｍｍＨ2Ｏ）である。
一方、循環力（ΔＰｋ）は１６７．１であり、循環水はバランスするように回ることになる。また、循環力をつけるために、ヘッド差ΔＨを大きくするようにすればよい。
【００５４】
なお、酸素側の循環計算よりヘッド差ΔＨは１ｍ最低必要である。また、容器本体の内径は０．８ｍとし、浄化層１３の厚さを０．６５ｍmとした。なお、ヘッド差を可変可能とするように水素／水・二層流１８−１を容器本体１１の第１の部屋１４−１に送給する第１の送給管１９−１と連結する継手１９−１ｂを介して任意の長さの上昇配管１９−１ａを繋ぐことができるようにしている。また、酸素側のヘッド差を可変可能とするように、酸素／／水・二層流１８−２を容器本体１１の第２の部屋１４−２に送給する第２の送給管１９−２と連結する継手１９−２ｂを介して任意の長さの上昇配管１９−２ａを繋ぐことができるようにしている。
【００５５】
このように、容器本体１１内を循環水が自然循環するので、従来のようなポンプが不要となり、所内効率が向上する。
【００５６】
次に、水電解装置を運転して循環水が自然循環に循環すると共に、循環の途中において浄化層１３により浄化される作用について説明する。
【００５７】
先ず、容器本体１１内に浄化層１３を充填し、次いで給水を開始する。その後、容器本体内を加圧して、所定圧（７ａｔａ）とする。次に、加熱部３１により浄化した循環水１６を加熱し、所定温度（８０℃）とする。その後水電解スタック１５に給電し、水電解を開始する。この水電解により水電解スタック１５内において水素／水二層流１８−１と酸素／水二層流１８−２が形成され、水素と酸素との気体が各々上昇する。この上昇流が形成されるにつれて循環が開始される。その後、上述したようにバランスがとれると自然循環となり、水電解スタックからの水素／水二層流１８−１と酸素／水二層流１８−２が各々第１の送給管１９−１と第２の送給管１９−２を介して、第１の部屋１４−１及び第２の部屋１４−２にそれぞれ水素と酸素とを送り、ここで、気液分離が開始される。
【００５８】
すなわち、第１の部屋１４−１に導入された水素／水二層流１８−１から水素が気体となって分離される。水は下層の浄化層１３側へ流れ、ここで、浄化される。また、第２の部屋１４−２に導入された酸素／水二層流１８−２から酸素が気体となって分離される。分離された循環水１２は容器下側に位置する浄化層１３側へ流れ、ここで、浄化されて浄化した循環水１６となる。
このように、本実施例による水電解装置１０は、容器本体１１が気液分離部と浄化部とを一体に兼ね備えたものとなり、水素と酸素を分離した水は浄化層１３を通過することで、不純物が除去される。その後、浄化した循環水１６として水電解スタック１５に供給するようにしている。
【００５９】
また、分離された水素と酸素とは各々容器本体頂部に設けられた第１の部屋１４−１から水素を排出する水素排出部２０と、第２の部屋１４−２から酸素を排出する酸素排出部２１とにより外部へ排出され、各々利用される。
【００６０】
この結果、本実施例によれば、容器本体内部に浄化部と気液分離部とを兼ね備えていると共に、循環水を自然循環により循環するようにしているので、従来のような設備におけるポンプ及び浄化装置等を外部に設置する必要がなく、しかも配管の取りまわしも少ないので、コンパクトで且つ簡易な構成の水電解装置を提供することができる。この結果、所内効率の大幅な向上を図ることができる。
【００６１】
図１に示すように、自然エネルギーとして例えば風力発電装置５０及び太陽光発電装置６０を用い、太陽光温水器９０を用いて、供給する水を加温するようにすることにより、容器本体（高さ：約２ｍ、直径：０．８ｍ）内の圧力（Ｐ）を０．７ＭＰａ（７ａｔａ）、電流密度（I）を１Ａ／ｃｍ2、温度（Ｔ）を８０℃とし、浄化層１３における酸素側の循環水の水流量を０．５Ｌ／ｍｉｎ／セルとする場合、２．６Ｎｍ3／ｈｒの水素を製造することができた。
燃料電池を用いた車両で使用する水素の使用燃料量は１日１台当たり、３０Ｎｍ3／日であるので、本実施例の水電解装置においても、一日２台の車両の燃料を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
以上のように、本発明にかかる自然エネルギー利用水電解システムは、例えば風力発電装置や太陽光発電装置等の自然エネルギーを活用して水電解装置を駆動して、自然エネルギーを用いた自己完結で水素の供給を行うことができ、水素を効率的に製造することに用いて適している。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】実施例に係る自然エネルギー利用水電解システムを示す概略斜視図である。
【図２】実施例に係る水電解装置を示す概略斜視図である。
【図３】図５のＡ―Ａ矢視断面図である。
【図４】図２の正面図である。
【図５】図４のＢ−Ｂ矢視図である。
【図６】実施例に係る超高圧の水電解装置を示す概略図である。
【符号の説明】
【００６４】
１０  水電解装置
１１  容器本体
１２  循環水
１３  浄化層
１４−１  第１の部屋
１４−２  第２の部屋
１６  浄化した循環水
１７  水供給管
１８−１  水素／水・二層流
１８−２  酸素／水・二層流
１９−１  第１の送給管
１９−２  第２の送給管
２０  水素排出部
２１  酸素排出部
２５  仕切板
５０  風力発電装置
６０  太陽光発電装置
７０  二次電池
８０  電流・電圧制御装置
９０  太陽光温水器
【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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