(57)【要約】【課題】水電解設備のコンパクト化を図り所内効率が向上する水電解装置を提供する。【解決手段】容器本体１１内に設けられ、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、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からの水素／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と、水電解スタック１５からの酸素／水・二層流１８−２を送給する第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１５に供給する循環水１２を浄化しつつ自然循環してなる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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水電解装置。
【請求項２】
請求項１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水電解装置。
【請求項３】
請求項１又は２において、
前記水供給管が水電解スタックの酸素側及び水素側に各々供給するものであることを特徴とする水電解装置。
【請求項４】
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水電解装置。
【請求項５】
請求項４において、
前記水供給部が水電解スタックの酸素側及び水素側に各々供給するものであることを特徴とする水電解装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一つにおいて、
前記浄化層がイオン交換樹脂からなることを特徴とする水電解装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか一つにおいて、
前記容器本体の周囲に保温材が設けられていることを特徴とする水電解装置。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか一つにおいて、
前記浄化した循環水を加温する加温部が設けられていることを特徴とする水電解装置。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか一つにおいて、
前記容器本体内に外部より循環水を補充する給水部が設けられていることを特徴とする水電解装置。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか一つにおいて、
前記水電解スタックを構成するセルが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、該固体高分子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いと共に電気抵抗が小さい給電体とからなることを特徴とする水電解装置。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれか一つの水電解装置を用い、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水電気分解して水素と酸素とを得ることを特徴とする水電解方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば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及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１０を参照して従来の固体高分子膜型水分解装置を説明する。図１０に示すように、固体高分子電解質膜１１１によって内部が陽極室１１２と陰極室１１３に区画された水電解槽１１４と、上記陽極室１１２の固体高分子電解質膜１１１側に電解水１１５を供給する水供給手段と、水電解により発生した酸素（Ｏ2 ）及び水素（Ｈ2 ）を分離する酸素分離手段及び水素分離手段とを具備してなる固体高分子膜型水電解装置であって、上記固体高分子電解質膜１１１が鉛直方向に立設されてなる水電解槽１１４の上方に水供給タンク１２０を設置してなり、水供給タンク１２０からの水を循環水１２１として固体高分子電解質膜１１１に自然循環しつつ供給するようにしている。すなわち、上記電解槽１１４内の固体高分子電解質膜１１１は鉛直軸方向に立設されており、上記陰極室１１３側に循環水１２１を供給する循環水供給手段１２２は、電解槽１１４の上方側に設置してなる水供給タンク１２０と、上記水供給タンク１２０からの循環水１２１を自然落下による降下流を電解質膜の下端側から供給しつつ循環させる降下ライン１２３と、発生した水素（Ｈ2 ）を上昇流として循環水と共に水素（Ｈ2）／水（Ｈ2 Ｏ）の二層流１２４として水素分離手段へ送給する上昇ライン１２５とを備えてなるものである。
【０００３】
一方、酸素側においては、水供給タンク１３２から供給された電解水１１５を約６０℃程度まで冷却する冷却手段１３３と、該冷却手段１３３の下流側に介装され水中の汚染物を除去するフィルタ１３４と、該フィルタ１３４の下流側に介装され電解水を８０℃以上まで加熱する加熱手段１３５と、電解水を循環させる循環ポンプ１３６とを備えてなり、電解水１１５を陽極室１１２内に供給して酸素（Ｏ2 ）／水（Ｈ2 Ｏ）の二層流１３７を形成している。上記水供給タンク１３２は循環水側のタンク１２０と同様に、気水分離機能を有しており、酸素を分離している。
【０００４】
このように、電解質膜１１１で発生する水素が、水電解槽１１４の上方側に設置した水タンク１２０からの自然循環水によって膜の下端側から入流され、膜に沿って上昇する際に、上昇二層流として膜の界面から水素を取り除くことになるので、気泡の抜けが良好となり、電解効率を向上するようにしている。なお、電解効率向上のためには通常膜を立設してなるセルを複数集合させてスタックを構成して多量の酸素及び水素の製造をしている。
この結果、水素側における気泡の抜けが良好となるので固体高分子電解質膜１１１に対しての電流密度を、例えば１〜３Ａ／ｃｍ2 程度と向上させることができる。このときの上昇流の流速としては、０．３〜１．０ｍ／ｓ程度としている。ここで、上記水供給タンク１２０は、水素分離手段を兼用しており、水素を分離する気水分離タンクを構成している（特許文献１）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２８５３６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、水の電気分解により発生した水素が陽極室１１２から陰極室１１３側に移動する際に、水も同伴するので、水素側の水供給タンク１２０内に循環水１２１が溜まるという、問題がある。このため、なお、余剰の水は別途廃棄するか、酸素側の水供給タンク１３２にポンプを介して供給する必要がある。
【０００７】
また、電解水１１５を浄化するために、フィルタを設置しているが、電解水１１５を浄化するために大掛かりな装置となる。
【０００８】
また、特許文献１のような装置では配管が水電解槽１１４の周囲に張り巡らされ、複雑であるとともに、熱効率の損失が大きなものとなるので、コンパクトで且つ熱効率が向上した水電解設備の出現が望まれている。
【０００９】
本発明は、前記問題に鑑み、水電解設備のコンパクト化を図ると共に、長期間に亙って安定して運転することができ、且つ所内効率が大幅に向上する水電解装置及び方法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】
【００１０】
上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、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水電解装置にある。
【００１１】
第２の発明は、第１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水電解装置にある。
【００１２】
第３の発明は、第１又は２の発明において、前記水供給管が水電解スタックの酸素側及び水素側に各々供給するものであることを特徴とする水電解装置にある。
【００１３】
第４の発明は、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水電解装置にある。
【００１４】
第５の発明は、第４の発明において、前記水供給部が水電解スタックの酸素側及び水素側に各々供給するものであることを特徴とする水電解装置にある。
【００１５】
第６の発明は、第１乃至５のいずれか一つの発明において、前記浄化層がイオン交換樹脂からなることを特徴とする水電解装置にある。
【００１６】
第７の発明は、第１乃至６のいずれか一つの発明において、前記容器本体の周囲に保温材が設けられていることを特徴とする水電解装置にある。
【００１７】
第８の発明は、第１乃至７のいずれか一つの発明において、前記浄化した循環水を加温する加温部が設けられていることを特徴とする水電解装置にある。
【００１８】
第９の発明は、第１乃至８のいずれか一つの発明において、前記容器本体内に外部より循環水を補充する給水部が設けられていることを特徴とする水電解装置にある。
【００１９】
第１０の発明は、第１乃至９のいずれか一つの発明において、前記電解スタックを構成するセルが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、該固体高分子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いと共に電気抵抗が小さい給電体とからなることを特徴とする水電解装置にある。
【００２０】
第１１の発明は、第１乃至１０のいずれか一つの水電解装置を用い、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水電気分解して水素と酸素とを得ることを特徴とする水電解方法にある。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、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所内効率の向上を図ることができる。また、容器本体内に浄化層を配設するので、従来のように浄化装置を外部に設置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、透過水の再利用を図ることができる。これらの結果、水電解装置の系統内の簡素化を図ることができるので、熱的自立を確立することができ、長期間に亙って安定して水電解することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
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】
【００２３】
本発明による実施例に係る水電解装置について、図面を参照して説明する。図１は、実施例１に係る水電解装置を示す概略斜視図であり、図２はその縦断面図（図４のＡ―Ａ矢視断面図）、図３はその正面図、図４は図３のＢ−Ｂ矢視図である。
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１５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２中、符号３０は保温材、３１はヒータ等による加熱部である。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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２１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。
【００２８】
また、図２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。
【００２９】
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。
【００３０】
また、図９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。
【００３１】
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。
【００３２】
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が設けられており、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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
また、図２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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
また、その供給方法も図５に示すように、水素側水供給口４１−１と酸素側水供給口４１−２とを、ガスの出口である水素／水・二層流１８−１の出口４２−１と、酸素／水・二層流１８−２の出口４２−２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。
【００４０】
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。
【００４１】
このセルの概略を図６に示す。図６に示すように、セル５０は、一対のセパレータ５２，５３と、該セパレータ５２，５３の間に設けられた固体高分子電解質膜５１と、該固体高分子電解質膜５１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５４とから構成されている。本実施例では給電体５４は固体高分子膜５１側から順次（本実施例では三層５４−１乃至５４−３）そのメッシュの目開きを大きくしている。
【００４２】
この給電体５４は、セパレータ側がメッシュの目開きが大きい給電体５４−３としており、水の通水性を良好なものとしている。一方、固体高分子膜５１側はメッシュの目開きが小さい給電体５４−１としており、電気抵抗が小さくなるように、固体高分子膜５１と給電体５４−１との接触を良好としている。これにより、給電体５４は、循環水の水路機能と給電機能とを併せ持つものとなる。
【００４３】
例えばセパレータ側の目開きの大きな給電体５４−３はメッシュ厚さを例えば０．６ｍｍ、メッシュ数が１０個／インチ、線径６００μｍとしている。また、セパレータ側の目開きの小さな給電体５４−１はメッシュ厚さを例えば０．１ｍｍ、メッシュ数が３６個／インチ、線径１００μｍとしている。そして、線径を変更したり、メッシュの数を多くしたりすることで、その傾斜機能を持たせている。本実施例では、固体高分子膜５１に接触する給電体として、図示しないが厚さ０．１ｍｍとし、フォトエッチングにより微細な孔を形成したものを用いている。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
浄化層１３の圧力損失ΔＰｆについて下記式（１）により求めた。
ΔＰｆ＝(μｕ／ｋ)ｌ  ・・・（１）
ここで、ｋは浸透係数（＝９．７６×１０-11）ｍ2、μは粘性係数（ＰａＳ）、ｕは流速（ｍ／ｓ）、ｌは浄化層厚（ｍ）である。
一方、電解スタック１５の酸素側圧力損失ΔＰｓは以下により求めた。
上記設計条件におけるスタック圧力損失の試験結果を図７に示す。図７の結果を基に下記二次曲線（式（２））で推定した。
ΔＰｓ＝３８０Ｗ2  ・・・（２）
ここで、Ｗは酸素循環流量（ｌ／ｍｉｎ／セル）
【００４８】
次に、循環水の循環力について検討する。
循環力ΔＰｋは、下記式（３）で求めた。尚、電解試験時に得られた酸素のボイド率と質量流量比との関係を図８に示す。
ΔＰｋ＝ΔＨβρ  ・・・（３）
β＝０．１０５２ｌｎ（Ｘ）＋０．７００９  ・・・（４）
ここで、ΔＨはヘッド差（ｍ）であり、βはボイド率（−）、ρは密度（ｋｇ／ｍ3）、Ｘは質量流量比（−）である。
図８から式（４）を求め、式（３）に代入して循環力を求めた。
【００４９】
以上の結果から、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（ｍｍＨ2Ｏ）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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
例えば容器本体（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る。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
以上のように、本発明にかかる水電解装置は、水電解設備のコンパクト化を図ると共に、長期間に亙って安定して運転することができ、且つ効率的が大幅に向上するので、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】
【００５９】
【図１】実施例に係る水電解装置を示す概略斜視図である。
【図２】図４のＡ―Ａ矢視断面図である。
【図３】図２の正面図である。
【図４】図３のＢ−Ｂ矢視図である。
【図５】水電解スタックの水流れを示す模式図である。
【図６】水電解スタックのセルの概略図である。
【図７】設計条件におけるスタック圧力損失の試験結果を示す図である。
【図８】電解試験時に得られた酸素のボイド率と質量流量比との関係を示す図である。
【図９】実施例に係る超高圧の水電解装置を示す概略図である。
【図１０】従来技術に係る水電解装置を示す概略図である。
【符号の説明】
【００６０】
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
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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