(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の固体高分子電解質膜（２）と、該第１の固体高分子電解質膜（２）の両側に相対向して設けられたカソード側給電体（３）及びアノード側給電体（４）と、各給電体（３，４）に積層されたカソード側セパレータ（５）及びアノード側セパレータ（６）と、各セパレータ（５，６）に設けられ各給電体（３，４）が露出する流体通路（８，１０）とを備え、該アノード側セパレータ（６）の流体通路（１０）に水を供給すると共に各給電体（３，４）に通電することにより、該アノード側セパレータ（６）の流体通路（１０）に供給された水を電気分解し、該カソード側セパレータ（５）の流体通路（８）に高圧の水素ガスを得る水電解セル（１３）を備える高圧水素製造装置（１）において、
該水電解セル（１３）を収容する第１室（１５）と、該水電解セル（１３）のアノード側で該第１室（１５）に連通する第２室（１８）とを備える高圧容器（１４）と、
該第１室（１５）と該第２室（１８）との境界に設けられ両室（１５，１８）を水密に遮断すると共に、該第２室（１８）の内壁に沿って該水電解セル（１３）方向に進退自在に備えられた遮断部材（１９）と、
該水電解セル（１３）と該遮断部材（１９）との間に設けられ、第２の固体高分子電解質膜（２０）と、該第２の固体高分子電解質膜（２０）の両側に相対向して設けられたカソード側給電体（２２）及びアノード側給電体（２１）と、各給電体（２２，２１）に積層されたカソード側セパレータ（２４）及びアノード側セパレータ（２３）と、各セパレータ（２４，２３）に設けられ各給電体（２２，２１）が露出する流体通路（２９，２７）とを備え、前記水電解セル（１３）のカソード側セパレータ（５）の流体通路（８）に得られた高圧の水素ガスの一部を分取し、該アノード側セパレータ（２３）の流体通路（２７）に、該高圧の水素ガスの一部を供給すると共に各給電体（２２，２１）に通電することにより、該高圧の水素ガスをイオン化して該固体高分子電解質膜（２０）を透過せしめ、該カソード側セパレータ（２４）の流体通路（２９）にさらに高圧の水素ガスを得る水素膜ポンプ（２５）である水素ガス圧縮手段と、
該水素ガス圧縮手段で圧縮されたさらに高圧の水素ガスを該第２室（１８）に案内する水素ガス案内路（３０）とを備え、
該水素ガス案内路（３０）を介して案内されたさらに高圧の水素ガスにより該遮断部材（１９）を該水電解セル（１３）方向に押圧することを特徴とする高圧水素製造装置。
【請求項２】
前記水素膜ポンプ（２５）は、前記アノード側セパレータ（２３）が絶縁部材（１７）を介して前記水電解セル（１３）の前記アノード側セパレータ（６）に積層されており、該水素膜ポンプ（２５）のアノード側セパレータ（２３）の流体通路（２７）は該絶縁部材（１７）を貫通して、水電解セル（１３）のカソード側セパレータ（５）の流体通路（８）に接続されていることを特徴とする請求項１記載の高圧水素製造装置。
【請求項３】
前記高圧容器（１４）は、前記水電解セル（１３）のカソード側セパレータ（５）の流体通路（８）に得られた高圧の水素ガスと水とを気液分離する第３室（３３）を備え、該第３室（３３）は該流体通路（８）から高圧の水素ガスを取り出す水素取出路（９）を介して前記第１室（１５）に連通していることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の高圧水素製造装置。
【請求項４】
前記遮断部材（１９）は、前記水電解セル（１３）の水素生成領域の面積より大きな横断面積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項記載の高圧水素製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水の電気分解により高圧の水素ガスを製造する高圧水素製造装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、図４に示す高圧水素製造装置４１のように、固体高分子電解質膜２と、その両側に相対向して設けられたカソード側給電体３、アノード側給電体４と、各給電体３，４に積層されたカソード側セパレータ５、アノード側セパレータ６とを備える水電解セル７を単セルとし、複数の水電解セル７を積層したものが知られている。水電解セル７において、固体高分子電解質膜２は両面に図示しない触媒電極層を備えている。
【０００３】
前記積層された水電解セル７は、両側から絶縁部材４２，４２を介してエンドプレート４３，４３に挟持されており、エンドプレート４３，４３に挿通されたボルト４４にナット４５を螺着して締め付けることにより固定されている。この結果、各給電体３，４と、各セパレータ５，６とが固体高分子電解質膜２に押圧されている。
【０００４】
高圧水素製造装置４１では、各給電体３，４と、各セパレータ５，６とが固体高分子電解質膜２に押圧されている状態で、アノード側セパレータ６の流体通路１０に給水口１１から水を供給すると共に、給電体３，４に通電すると、流体通路１０に供給された水が固体高分子電解質膜２のアノード側の触媒電極層で電気分解され、水素イオン、電子、酸素ガスが生成する。生成した水素イオンは、給電体３，４の電位差により固体高分子電解質膜２を透過してカソード側に移動し、カソード側の触媒電極層から電子を受け取ることにより水素ガスを生成する。前記水素ガスは多孔質の給電体３を通ってカソード側セパレータ５の流体通路８に移動し、流体通路８に高圧の水素ガスを得ることができる。
【０００５】
前記高圧の水素ガスは、流体通路８に連通する水素取出路９から取出される。尚、固体高分子電解質膜２のアノード側で生成した酸素は、流体通路１０に連通する排水口１２から水と共に排出される。
【０００６】
ところで、高圧水素製造装置４１では、カソード側セパレータ５の流体通路８で生成する水素ガスの圧力が高くなると、固体高分子電解質膜２とアノード側給電体４とがアノード側セパレータ６方向に圧縮され、カソード側給電体３と固体高分子電解質膜２との間に間隙ができるおそれがある。前記間隙ができると、カソード側給電体３と固体高分子電解質膜２との接触抵抗が増大して電解電圧が増大したり、該間隙から前記水素ガスがリークしたりして、電解効率が低下する。
【０００７】
そこで、高圧水素製造装置４１のアノード側にシリンダ室（図示せず）を設け、該シリンダ室内に配設されたピストン（図示せず）を、該シリンダ室内に導入される流体の圧力により水電解セル７方向に押圧して、カソード側給電体３と固体高分子電解質膜２との離間を防止するようにしたものが知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００８】
しかしながら、前記構成では、前記シリンダ室内に配設されたピストンを水電解セル７方向に押圧するためには、前記シリンダ内に導入される流体の圧力を、カソード側セパレータ５の流体通路８で生成する水素ガスの圧力以上としなければならず、該流体の圧力を高圧にするための装置を別途必要とするという不都合がある。
【特許文献１】特開２００３−１６０８９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、かかる不都合を解消して、高圧の水素ガスによる固体高分子電解質膜とカソード側給電体との離間を防止して、優れた電解効率を得ることができる簡単な構成の高圧水素製造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
かかる目的を達成するために、本発明は、固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜の両側に相対向して設けられたカソード側給電体と、アノード側給電体と、各給電体に積層されたカソード側セパレータと、アノード側セパレータと、各セパレータに設けられ各給電体が露出する流体通路とを備え、該アノード側セパレータの流体通路に水を供給すると共に各給電体に通電することにより、該アノード側セパレータの流体通路に供給された水を電気分解し、該カソード側セパレータの流体通路に高圧の水素ガスを得る水電解セルを備える高圧水素製造装置において、該水電解セルを収容する第１室と、該水電解セルのアノード側で該第１室に連通する第２室とを備える高圧容器と、該第１室と該第２室との境界に設けられ両室を水密に遮断すると共に、該第２室の内壁に沿って該水電解セル方向に進退自在に備えられた遮断部材と、該水電解セルと該遮断部材との間に設けられ該カソード側セパレータの流体通路に得られた高圧の水素ガスの一部を分取し、該水素ガスを圧縮してさらに高圧の水素ガスを得る水素ガス圧縮手段と、該水素ガス圧縮手段で圧縮されたさらに高圧の水素ガスを該第２室に案内する水素ガス案内路とを備え、該水素ガス案内路を介して案内されたさらに高圧の水素ガスにより該遮断部材を該水電解セル方向に押圧することを特徴とする。
【００１１】
本発明の高圧水素製造装置では、前記高圧容器内の第１室に収容された前記水電解セルにおいて、アノード側セパレータの流体通路に水を供給すると共に各給電体に通電し、該アノード側セパレータの流体通路に供給された水を電気分解することにより、水素イオン、電子、酸素ガスが生成する。生成した水素イオンは、両給電体間の電位差により前記固体高分子電解質膜をカソード側に透過し、カソード側で電子を受け取ることにより水素ガスを生成する。この結果、前記水電解セルのカソード側セパレータの流体通路に高圧の水素ガスを得ることができる。
【００１２】
ここで、前記高圧容器は、前記水電解セルを収容する第１室と、該水電解セルのアノード側で該第１室に連通する第２室とを備え、両室の境界には両室を水密に遮断すると共に、前記第２室の内壁に沿って前記水電解セル方向に進退自在とされた前記遮断部材を備えている。また、前記水電解セルと前記遮断部材との間には、前記水素ガス圧縮手段が設けられている。
【００１３】
そこで、前記水電解セルのカソード側セパレータの流体通路に得られた高圧の水素ガスの一部を分取して、前記水素ガス圧縮手段で圧縮し、圧縮された水素ガスを、前記水素ガス案内路を介して、前記第２室に案内する。前記第２室に案内された水素ガスの圧力は、前記水素ガス圧縮手段により圧縮されるために、前記水電解セルのカソード側セパレータの流体通路に得られる水素ガスの圧力よりも高くなっている。この結果、前記第２室に案内された水素ガスは、前記水電解セルのカソード側セパレータの流体通路に得られる水素ガスの圧力に抗して、前記遮断部材を該水電解セル方向に押圧することができる。
【００１４】
上述のように、本発明の高圧水素製造装置によれば、別途高圧の流体を生成する装置を備えることなく、前記高圧容器内に設けられた前記水素ガス圧縮手段により、前記水電解セルのカソード側セパレータの流体通路に得られる水素ガスの一部を分取して圧縮するという簡単な構成により、前記遮断部材を該水電解セル方向に押圧することができる。従って、生成した水素ガスの圧力が高くなっても、固体高分子電解質膜とカソード側給電体との間に間隙が生じることがなく、電解電圧が増大したり、生成した水素ガスがリークしたりすることを防止して、優れた電解効率を得ることができる。
【００１５】
本発明の高圧水素製造装置において、前記水素ガス圧縮手段は、固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜の両側に相対向して設けられたカソード側給電体と、アノード側給電体と、各給電体に積層されたカソード側セパレータと、アノード側セパレータと、各セパレータに設けられ各給電体が露出する流体通路とを備え、該アノード側セパレータの流体通路に、前記水電解セルのカソード側セパレータの流体通路に得られた高圧の水素ガスの一部を供給すると共に各給電体に通電することにより、該高圧の水素ガスをイオン化して該固体高分子電解質膜を透過せしめ、該カソード側セパレータの流体通路にさらに高圧の水素ガスを得る水素膜ポンプであることを特徴とする。
【００１６】
前記水素膜ポンプによれば、前記アノード側セパレータの流体通路に、前記水電解セルのカソード側セパレータの流体通路に得られた高圧の水素ガスの一部を供給すると共に各給電体に通電すると、前記水素ガスがイオン化し、生成した水素イオンが、両給電体間の電位差により固体高分子電解質膜をカソード側に透過する。そして、前記水素イオンは、カソード側で電子を受け取ることにより再び水素ガスを生成する。この結果、前記水素膜ポンプでは、前記アノード側セパレータの流体通路に供給された高圧の水素ガスよりもさらに高圧の水素ガスを、カソード側セパレータの流体通路に得ることができる。
【００１７】
前記水素膜ポンプは、前記アノード側セパレータが絶縁部材を介して前記水電解セルの前記アノード側セパレータに積層されていることが好ましい。このようにすることにより、前記水素膜ポンプのアノード側セパレータが前記水電解セル側に配設されて両者の位置が近接する。また、前記水素膜ポンプのカソード側セパレータが前記第２室側に配設されて両者の位置が近接する。
【００１８】
従って、前記水電解セルのカソード側セパレータの流体通路に得られた高圧の水素ガスの一部を分取して、前記水素膜ポンプのアノード側セパレータの流体通路に供給し、該水素膜ポンプのカソード側セパレータの流体通路に得られた水素ガスを前記第２室に案内する構成を簡略化することができる。
【００１９】
ところで、前記水電解セルでは、前記アノード側セパレータの流体通路に供給された水の電気分解により生成した水素イオンは、水分子を伴って、前記固体高分子電解質膜を透過するので、前記水電解セルのカソード側セパレータの流体通路に得られる高圧の水素ガスは水分を含んでいる。この結果、前記水素ガスを工業的に利用するためには、該水素ガスと水とを気液分離する必要がある。
【００２０】
そこで、本発明の高圧水素製造装置において、前記高圧容器は、前記水電解セルのカソード側セパレータの流体通路に得られた高圧の水素ガスと水とを気液分離する第３室を備え、該第３室は該流体通路から高圧の水素ガスを取り出す水素ガス取出路を介して前記第１室に連通していることを特徴とする。前記気液分離は、前記高圧の水素ガスを、前記水電解セルのカソード側セパレータの流体通路から高圧水素製造装置の外部に取り出して行うようにしてもよいが、前記高圧容器内に気液分離を行う第３室を備えることにより、装置構成を簡略化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
次に、添付の図面を参照して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は本実施形態の高圧水素製造装置の構成を示す説明的断面図、図２は高圧水素製造装置で得られる水素ガスの圧力と電解電圧との関係を示すグラフ、図３は高圧水素製造装置で定常的に電解を行ったときの電解電圧の経時変化を示すグラフである。
【００２２】
図１に示すように、本実施形態の高圧水素製造装置１は、固体高分子電解質膜２と、その両側に相対向して設けられたカソード側給電体３、アノード側給電体４と、各給電体３，４にそれぞれ積層されたカソード側セパレータ５、アノード側セパレータ６とからなる水電解セル７を備えている。水電解セル７において、カソード側給電体３、カソード側セパレータ５は固体高分子電解質膜２の上側に、アノード側給電体４、アノード側セパレータ６は固体高分子電解質膜２の下側に、それぞれ積層されている。そして、カソード側セパレータ５は、カソード側給電体３が露出する流体通路８と、流体通路８に連通する水素取出路９とを備え、アノード側セパレータ６は、アノード側給電体４が露出する流体通路１０と、流体通路１０の一方の端部に連通する給水口１１と、流体通路１０の他方の端部に連通する排水口１２とを備えている。
【００２３】
高圧水素製造装置１では、水電解セル７を単セルとして、２つの水電解セル７が積層されて２層構成の水電解スタック１３を形成しており、水電解スタック１３では一方の水電解セル７のカソード側セパレータ５に、他方の水電解セル７のアノード側セパレータ６が積層されている。各給電体３，４は、それぞれセパレータ５，６を介して通電されるようになっているが、前述のように、一方の水電解セル７のカソード側セパレータ５に、他方の水電解セル７のアノード側セパレータ６が積層されていることにより、各水電解セル７，７が直列に接続されることになるので有利である。
【００２４】
水電解スタック１３は、高圧容器１４の内部に形成されたスタック室（本発明の第１室に相当する）１５に、上下に絶縁体１６，１７を介して収容されており、給水口１１と排水口１２とはそれぞれ高圧容器１４の側壁を貫通して外部に連絡している。
【００２５】
高圧容器１４内で、スタック室１５の下方にはシリンダ室（本発明の第２室に相当する）１８が連通しており、スタック室１５とシリンダ室１８との境界には、両室１５，１８を水密に遮断する遮断部材としてのピストン１９が、水電解スタック１３方向に進退自在に配設されている。一方、水電解スタック１３とピストン１９との間には、固体高分子電解質膜２０と、その両側に相対向して設けられたアノード側給電体２１、カソード側給電体２２と、各給電体２１，２２にそれぞれ積層されたアノード側セパレータ２３、カソード側セパレータ２４とを備える水素膜ポンプ２５が、絶縁体１７，２６を介して積層されている。
【００２６】
水素膜ポンプ２５において、アノード側給電体２１、アノード側セパレータ２３は固体高分子電解質膜２０の上側（水電解スタック１３側）に、カソード側給電体２２、カソード側セパレータ２４は固体高分子電解質膜２０の下側（水電解スタック１３と反対側）に、それぞれ積層されている。尚、絶縁体２６は、ピストン１９とカソード側セパレータ２４との間に配設されている。
【００２７】
前記アノード側セパレータ２３は、アノード側給電体２１が露出する流体通路２７と、流体通路２７に連通する水素導入路２８とを備え、水素導入路２８は絶縁体１７を貫通して、水電解スタック１３の水素取出路９に接続されている。また、カソード側セパレータ２４は、カソード側給電体２２が露出する流体通路２９と、流体通路２９に連通する水素案内路３０とを備え、水素案内路３０は絶縁体２６、ピストン１９を貫通して、シリンダ室１８に開口している。尚、シリンダ室１８は水素排出口３１を備えており、水素排出口３１は図示しない開閉弁を介して大気開放されている。
【００２８】
また、高圧容器１４は、スタック室１５の上方に隔壁３２を介して気液分離室（本発明の第３室に相当する）３３を備えており、気液分離室３３は隔壁３２を貫通して設けられた水素取出路９を介してスタック室１５に連通している。気液分離室３３には、高圧容器１４の上壁を貫通して水素取出口３４が設けられており、水素取出口３４は図示しない開閉弁を開くことにより気液分離室３３内の高圧の水素ガスが取出自在とされている。また、気液分離室３３には、高圧容器１４の側壁を貫通して気液分離水排水口３５が設けられており、気液分離水排水口３５は図示しない開閉弁を開くことにより気液分離室３３内の気液分離水Ｗが排水自在とされている。
【００２９】
高圧水素製造装置１において、固体高分子電解質膜２，２０は陽イオン透過膜であり、例えばＮａｆｉｏｎ（登録商標、デュポン社製）、Ａｃｉｐｌｅｘ（商品名、旭化成株式会社製）等を用いることができる。固体高分子電解質膜２，２０は、アノード側には例えばＲｕＩｒＦｅＯＸ触媒を含む電極触媒層（図示せず）を備え、カソード側には例えば白金触媒を含む電極触媒層（図示せず）を備えている。
【００３０】
カソード側給電体３，２２、アノード側給電体４，２１は、例えば、チタン粉末焼結体からなる多孔質体により形成されている。また、カソード側セパレータ５，２４、アノード側セパレータ６，２３は、例えば、チタンプレートにより形成されている。
【００３１】
次に、本実施形態の高圧水素製造装置１の作動について説明する。
【００３２】
高圧水素製造装置１は、初期状態では、水電解スタック１３の各給電体３，４と、各セパレータ５，６とが固体高分子電解質膜２に押圧されて密着した状態とされている。この状態で、アノード側セパレータ６の流体通路１０に給水口１１から水を供給すると共に、給電体３，４に通電すると、流体通路１０に供給された水が固体高分子電解質膜２のアノード側の触媒電極層で電気分解され、水素イオン、電子、酸素ガスを生成する。前記水素イオンは、給電体３，４の電位差により固体高分子電解質膜２を透過してカソード側に移動し、カソード側の触媒電極層から電子を受け取って水素ガスとなる。前記水素ガスは給電体３を通ってカソード側セパレータ５の流体通路８に移動し、流体通路８に高圧の水素ガスが得られる。
【００３３】
ところで、前記電気分解が進行すると、各水電解セル７のカソード側セパレータ５の流体通路８に得られる水素ガスの圧力が次第に高くなり、固体高分子電解質膜２とアノード側給電体４とがアノード側セパレータ６方向に圧縮されて、カソード側給電体３と固体高分子電解質膜２との間に間隙ができることが懸念される。
【００３４】
このとき、高圧水素製造装置１では、流体通路８に得られた高圧の水素ガスの一部が分取されて、水素取出路９に接続された水素導入路２８から、水素膜ポンプ２５のアノード側セパレータ２３に設けられた流体通路２７に導入される。水素膜ポンプ２５では、給電体２１，２２に通電することにより、流体通路２７に供給された水素が固体高分子電解質膜２０のアノード側の触媒電極層でイオン化され、生成した水素イオンが給電体２１，２２の電位差により固体高分子電解質膜２０を透過してカソード側に移動する。前記水素イオンは、カソード側の触媒電極層から電子を受け取って水素ガスとなることにより、カソード側セパレータ２４の流体通路２９に、各水電解セル７のカソード側セパレータ５の流体通路８に得られる水素ガスよりもさらに高圧の水素ガスを得ることができる。流体通路２９に得られた前記高圧の水素ガスは、水素案内路３０を介してシリンダ室１８に案内される。
【００３５】
流体通路２９に得られた高圧の水素ガスは上述のように水電解スタック１３で得られる水素ガスよりもさらに高圧であるので、該水素ガスがシリンダ室１８に案内されると、ピストン１９が水電解スタック１３側に押圧される。そこで、水電解スタック１３では各水電解セル７の各給電体３，４と、各セパレータ５，６とが、各水電解セル７のカソード側セパレータ５の流体通路８に得られる水素ガスの圧力に抗して固体高分子電解質膜２に押圧されることとなり、固体高分子電解質膜２に密着した状態が保持される。
【００３６】
この結果、高圧水素製造装置１では、前記電気分解が進行して各水電解セル７のカソード側セパレータ５の流体通路８に得られる水素ガスの圧力が高くなっても、カソード側給電体３と固体高分子電解質膜２との間に間隙ができることがない。従って、高圧水素製造装置１では、電解電圧が増大したり、水素ガスが該間隙からリークしたりすることを防止して、優れた電解効率を得ることができる。
【００３７】
高圧水素製造装置１では、水電解スタック１３の各給電体３，４のための電解電源と、水素膜ポンプ２５の各給電体２１，２２のための水素膜ポンプ電源とをそれぞれ独立に設けることが好ましい。この場合、前記電解電源を任意に制御する一方、各水電解セル７のカソード側セパレータ５の流体通路８に得られる水素ガスの圧力と、シリンダ室１８内の水素ガスの圧力とを検知することにより、水素膜ポンプ電源の電圧を調整する。
【００３８】
このようにすることにより、各水電解セル７のカソード側セパレータ５の流体通路８に得られる水素ガスの圧力より、シリンダ室１８内の水素ガスの圧力が高くなるようにすることができる。高圧水素製造装置１では、シリンダ室１８内の水素ガスの圧力が、各水電解セル７のカソード側セパレータ５の流体通路８に得られる水素ガスの圧力より２〜１５ＭＰａ高くなるようにすることが好ましく、さらに５〜１０ＭＰａ高くなるようにすることが好ましい。
【００３９】
このとき、水素ガスをアノード側からカソード側に移動するために要する水素膜ポンプ電源の電圧Ｅは、次式（１）で表される。
【００４０】
Ｅ＝（ＲＴ／２Ｆ）ｌｎ（ｐ１／ｐ２）  ＋  抵抗損失電圧      ・・・（１）
式（１）中、Ｒは気体定数（８．３１４５Ｊ／Ｋ・ｍｏｌ）、Ｔは水電解スタック１３の温度（Ｋ）、Ｆはファラデー定数（９６４８５Ｃ／ｍｏｌ）、ｐ１は高圧側（シリンダ室１８側）圧力、ｐ２は低圧側（水電解スタック１３側）圧力である。式（１）から明らかなように、水電解スタック１３で得られる水素ガスの圧力が高くなるほど、水素ガスをアノード側からカソード側に移動するために要する水素膜ポンプ電源の電圧Ｅが小さくなるので有利である。
【００４１】
一方、各水電解セル７では、アノード側セパレータ６の流体通路１０で生成した前記水素イオンは水分子を伴って固体高分子電解質膜２を透過するので、カソード側セパレータ５の流体通路８に得られた高圧の水素ガスは水分を含んでいる。そこで、高圧水素製造装置１では、前記水素ガスを流体通路８に連通する水素取出路９を介して気液分離室３３に導入して気液分離する。気液分離室３３に導入された前記水素ガスは、重力の作用により気液分離され、気液分離室３３の底部に気液分離水Ｗが貯留される一方、気液分離水Ｗの上方には高圧の水素ガスが貯留される。尚、このとき、水素取出口２１、気液分離水排水口２２に設けられている開閉弁（図示せず）は、いずれも閉じられている。
【００４２】
高圧水素製造装置１では、気液分離室３３がスタック室１５の上方に設けられているので、気液分離水Ｗは、重力により、水素取出口９を介して各水電解セル７のカソード側セパレータ５の流体通路８に供給される。そして、前記気液分離水Ｗは、流体通路８に露出しているカソード側給電体３に浸透し、固体高分子電解質膜２のカソード側の表面を水層（図示せず）で被覆する。この結果、カソード側セパレータ５の流体通路８で生成した水素ガスは、前記水層により妨げられて固体高分子膜２に接触することができなくなり、該水素ガスが固体高分子膜２を介してアノード側へリークすることを防止することができる。
【００４３】
高圧水素製造装置１では、水の電気分解が進行してカソード側セパレータ５の流体通路８で得られる水素ガスの圧力が高くなっている状態で該電気分解を停止するときには、シリンダ室１８内の水素ガスの圧力も、カソード側セパレータ５の流体通路８で得られる水素ガスの圧力より高い状態が維持される。一方、シリンダ室１８内の水素ガスの圧力が開放されたときには、水素取出口２１に設けられている開閉弁（図示せず）を開弁することにより、気液分離室３３に貯留されている高圧の水素ガスが製品として取出される。
【００４４】
次に、高圧水素製造装置１で、常圧から水の電気分解を開始して、カソード側セパレータ５の流体通路８で得られる水素ガスの圧力を次第に昇圧させるときに、水素膜ポンプ２５を作動させる場合（実施例）と、作動させない場合（比較例）とで、電解電圧の変化を測定した。水素膜ポンプ２５を作動させる場合には、シリンダ室１８内の水素ガスの圧力が、水電解スタック１３で得られる水素ガスの圧力より５ＭＰａ高くなるように、水素膜ポンプ電源の電圧を制御した。結果を図２に示す。
【００４５】
図２から、水素膜ポンプ２５を作動させないときには、カソード側セパレータ５の流体通路８で得られる水素ガスの圧力が大になるにつれて電解電圧が急峻に上昇するのに比較して、水素膜ポンプ２５を作動させるときには、電解電圧の上昇を抑制することができることが明らかである。
【００４６】
次に、水電解スタック１３の温度を３０℃、給電体３，４における電流密度を１Ａ／ｃｍ２として、カソード側セパレータ５の流体通路８で得られる水素ガスの圧力が３５ＭＰａとなる定常状態で、シリンダ室１８内の水素ガスの圧力が４０ＭＰａとなるように水素膜ポンプ電源の電圧を制御して、水の電気分解を行って、電解電圧の経時変化を測定した。このとき、水素膜ポンプ電源の電圧は約１００ｍＶであった。結果を図３に示す。
【００４７】
図３から、前記定常状態では、水素膜ポンプ２５を作動させることにより、電解電圧を略一定に維持することができることが明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の高圧水素製造装置の一実施形態を示す説明的断面図。
【図２】高圧水素製造装置で得られる水素ガスの圧力と電解電圧との関係を示すグラフ。
【図３】高圧水素製造装置で定常的に電解を行ったときの電解電圧の経時変化を示すグラフ。
【図４】従来の高圧水素製造装置の一構成例を示す説明的断面図。
【符号の説明】
【００４９】
１…高圧水素製造装置、  ２，２０…固体高分子電解質膜、  ３，２２…カソード側給電体、  ４，２１…アノード側給電体、  ５，２４…カソード側セパレータ、  ６，２３…アノード側セパレータ、  ７…水電解セル、  ８，１０，２７，２９…流体通路、  ９…水素取出路、  １４…高圧容器、  １５…第１室、  １８…第２室、  １９…遮断部材、  ２５…水素ガス圧縮手段（水素膜ポンプ）、  ３３…第３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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