(57)【要約】      （修正有）【課題】水電解反前に、水に溶存する空気を除去し、高純度の水素と酸素を捕集できるガス生成装置を提供する。【解決手段】水電解８反応前に、純水を水電解反応の最適温度まで加熱し、かつ、純水と接する空気相を減圧することにより、純水内に溶存している空気を捕集部３１ａ，３１ｂに集め、この空気捕集部３１ａ，３１ｂを純水から遮断することで、純水が、いかなる気体とも接することがない密閉された状態にしたのち、電解を開始するガス生成方法とガス生成装置。【選択図】図２
2017002344.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水を電気分解し水素と酸素を生成する電解セルと、
前記電解セルと連結された空気捕集装置と、
前記電解セルから発生する水素、または、酸素を前記水から分離して捕集する気液分離装置と、
前記電解セルと連結されたバッファシリンダーと、
前記気液分離装置と連結され、前記水素または前記酸素を貯蔵する貯蔵タンクと、
を含むガス生成装置。
【請求項２】
前記バッファシリンダーは、その内容積が変化できる請求項１記載のガス生成装置。
【請求項３】
前記空気捕集装置への水の入り口端が、前記空気捕集装置から外への水の出口よりも鉛直方向上部に位置する請求項１または２記載のガス生成装置。
【請求項４】
前記空気捕集装置の下部において、前記水を加熱するヒーターが設けられ、前記ヒーターによって加熱された水から発生する空気を浮力により前記空気捕集装置の上部に集められるように構成した請求項１から３のいずれか１項に記載のガス生成装置。
【請求項５】
前記空気捕集装置の鉛直方向上部に空気捕集シリンダーが連結された請求項１から４のいずれか１項に記載のガス生成装置。
【請求項６】
前記空気捕集シリンダーの内容積を拡大することにより、捕集した空気を減圧できる請求項５記載のガス生成装置。
【請求項７】
前記空気捕集シリンダーは、内部の空気を外部へ追い出せる機構を有する請求項５または６記載のガス生成装置。
【請求項８】
前記空気捕集シリンダーの連結バルブの操作により、前記水が、いかなる気体とも接しないように密閉できる請求項５〜７のいずれか１項に記載のガス生成装置。
【請求項９】
前記水を、密閉状態で、循環できる請求項１〜８のいずれか１項に記載のガス生成装置。
【請求項１０】
前記電解セルから発生した水素、酸素に相当する体積分の水を、前記バッファシリンダーの内容積が拡大することによって収納できる請求項１〜９のいずれか１項に記載のガス生成装置。
【請求項１１】
前記電解セルは１つであり、
前記電解セルと連結された水素用の前記空気捕集装置と、
前記電解セルから発生した水素を前記水から分離して捕集する水素用の前記気液分離装置と、
前記電解セルと連結された水素用の前記バッファシリンダーと、
前記水素を貯蔵する水素用の前記貯蔵タンクと、
前記電解セルと連結された酸素用の前記空気捕集装置と、
前記電解セルから発生した酸素を前記水から分離して捕集する酸素用の前記気液分離装置と、
前記電解セルと連結された酸素用の前記バッファシリンダーと、
前記水素または前記酸素を貯蔵する酸素用の前記貯蔵タンクと、
を含む請求項１〜１０のいずれか１項に記載のガス生成装置。
【請求項１２】
電解セルと、空気捕集部と、気液分離部と、貯蔵タンクとが連結された装置のそれぞれに水を導入する導入工程と、
前記水を加熱し、前記水の中のガスを前記空気捕集装置で集める空気捕集工程と、
前記電解セルで、前記水を分解し、水素、または、酸素を発生するガス発生工程と、
前記発生した水素、または、酸素を、気液分離装置で、前記水から分離する分離工程と、
前記水素、または、酸素を、前記貯蔵タンクで集め貯める貯蔵工程と、
を含むガス生成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス発生装置とガス生成方法に関する。特に、水の電解による水素または酸素生成装置、水素、または、酸素発生方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体の洗浄工程など水素を使用する装置や、医療用機器や溶接機など酸素を使用する装置や、燃料電池のように水素と酸素を共に使用する装置では、水素、酸素の以外の不純ガスが混入していないことが必要である。
【０００３】
つまり、水素、酸素の純度が極めて高いことが要求される。このため、従来のガス生成装置においては、水素、酸素の純度を高めるため、様々な工夫が成されてきた。
【０００４】
すなわち、水電解によって発生する水素や酸素の高純度化を阻害するものは、水素や酸素の原料となる純水に溶存している窒素、酸素、アルゴン、二酸化炭素などの空気の成分ガスである。
【０００５】
従って、水電解によって水素や酸素が生成された後に、これらの混入気体を除去する方法が一般的である。例えば、各混入気体一種につき１つ以上の吸着式除去装置を配置する方法などが公知である。
【０００６】
しかしながら、このような方法では、除去装置が大型化し、また、その交換を頻繁に行う必要がある。このため、水素や酸素の製造コストを引き下げるための障害となっていた。そこで、水電解を実施する純水に、予め酸素を吹き込み、純水中に溶存する酸素以外の気体を大気中に追い出した後、水電解を実施する方法が提案されている（特許文献１）。
【０００７】
この方法により、酸素だけが溶解、他の気体が溶解しない純水を水電解して、負極側に、酸素と水蒸気のみが混入する水素を発生させ、この混合気体から酸素と水蒸気を除去することによって高純度の水素を得ることができる。
【０００８】
図１で、特許文献１のガス生成装置１について説明する。純水製造装置（図示せず）に接続された純水源２から、貯留槽３に純水を供給する。次に、純水は貯留槽３からポンプ４によって酸素側気液分離装置５に送られる。さらに、ポンプ６によって、電解質膜７によって区画された電解セル８の酸素側流路に送られる。電解セル８に電源装置９によって電圧をかけると電解セル８の中で純水の水電解反応が起こる。
【０００９】
この時、酸素側流路では流水状態の純水中に酸素が発生し、純水とともに配管１０を通って酸素側気液分離装置５の上部気相部１１に送られる。酸素側気液分離装置５の上部気相部１１では、気体の酸素と液体の純水が分離される。このうち、純水は酸素側気液分離装置５の下部液相部１２の純水に合流し、再びポンプ６によって電解セル８に送られる。
【００１０】
また、気体の酸素は、一部は配管１３を通って直接的に酸素側貯蔵タンク１４へ送られる。残りの気体の酸素は、配管１５を通って貯留槽３の下部液相部１６の中の噴出し口１７へ送られる。噴出し口１７から噴出した気体の酸素は、貯留槽３の下部液相部１６の純水内を上昇し、貯留槽３の上部気相部１８へ至り、さらに、配管１９を通って酸素側貯蔵タンク１４へ送られる。上記の貯留槽３内において、下部液相部１６に吹きこまれた酸素は、下部液相部１６の内を浮力で上昇中に、純水内に溶存している空気の構成成分、つまり、窒素、アルゴン、二酸化炭素など酸素以外の気体を純水内から追い出す。
【００１１】
この作用により、貯留槽３の純水は、水電解反応の経過時間とともに、酸素以外の溶存気体が極めて低濃度の状態となる。このような純水が電解セル８の酸素側に送りこまれると、電解質膜７の水素側では、水電解反応によって発生した気体としての水素と、電解質膜７を酸素側から水素側へ透過した未反応の純水が混在した状態となる。この水素と純水の混合物は、電解セル８の水素流路から配管２０を通って水素側気液分離装置２１に送りこまれる。この内、液体の純水は、水素側気液分離装置２１の上部気相部１１から下部液相部１２の純水へと滴下し、さらに配管２２を通って貯留槽３へと戻される。
【００１２】
また、気体の水素は配管２３を通って脱酸素カラム２４、脱水カラム２５へ送られ、そこで水素に含有される微量の酸素と水蒸気を除去されたあと、水素側貯蔵タンク２６へ送られる。このような特許文献１のガス生成装置１によれば、９９．９９９９％の水素が得られると報告されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開昭５８−１８９３８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、上記のような特許文献１のガス生成装置１で発生させた水素や酸素を燃料電池に供給して発電させる場合には、以下のような課題がある。
（１）電解セル８の水電解反応初期においては、酸素側貯蔵タンク１４、配管１３、配管１５、配管１９や貯留槽３の上部気相部１８や、酸素側気液分離装置５の上部気相部１１には空気が残留している。酸素側貯蔵タンク１４には、これらの残留空気が酸素とともに貯蔵されるので、酸素側貯蔵タンク１４の酸素濃度が低下する。従って、このような酸素側貯蔵タンク１４内の酸素を燃料電池に供給して発電を実施すると、純酸素を供給した場合と比べて燃料電池の出力電圧が低下する。
【００１５】
（２）電解セル８の水電解反応初期においては、配管１０や、酸素側気液分離装置５の上部気相部１１や、配管１５には空気が残留しているため、電解セル８から貯留槽３の下部液相部１６へ供給される酸素濃度が低い状態にある。従って、下部液相部１６内での、酸素による純水内の酸素以外の空気成分、つまり窒素、アルゴン、二酸化炭素などの追い出しが十分ではなく、窒素、アルゴン、二酸化炭素などが純水とともに電解セル８に供給される。このような純水が電解セル８に供給されると、電解質膜７を透過する未反応純水となって水素側に現れ、水電解反応によって発生する水素の濃度が下がる。従って、このような水素を燃料電池に供給して発電を実施すると、純水素を供給する場合と比べて燃料電池の出力電圧が低下する。
【００１６】
（３）水電解によって水素や酸素が生成された後に、窒素、アルゴン、二酸化炭素などの混入気体１種ごとに専用の除去カラムを設けて除去する方法に比べ、混入気体を除去するためのカラムは、脱酸素カラム２４の１種類だけである。しかしながら、長時間の水電解反応による高純度水素捕集を継続するには、高価な脱酸素カラム２４を頻繁交換する必要があり、水素の製造コストを引き下げるための障害となる。
【００１７】
よって、本願発明の課題は、水電解反応開始直後から反応終了に至るまで、酸素、または、水素の貯蔵タンクのそれぞれには、水蒸気と酸素、水蒸気と水素以外の気体は含まない高濃度の水素や酸素を貯蔵できるガス生成装置、ガス生成方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記課題を解決するため、水を電気分解し水素と酸素を生成する電解セルと、電解セルと連結された空気捕集装置と、電解セルから発生する水素、または、酸素を水から分離して捕集する気液分離装置と、電解セルと連結されたバッファシリンダーと、水素または酸素を貯蔵する貯蔵タンクと、を含むガス生成装置を用いる。
【００１９】
電解セルと、空気捕集部と、気液分離部とが連結された装置のそれぞれに水を導入する導入工程と、水を加熱し、水中のガスを空気捕集装置で集める空気捕集工程と、電解セルで、水を分解し、水素、または、酸素を発生するガス発生工程と、発生した水素、または、酸素を、気液分離装置で、水から分離する分離工程と、水素、または、酸素を、貯蔵タンクで集め貯める貯蔵工程と、を含むガス生成方法を用いる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、水電解反応の事前に、純水を水電解反応の最適温度まで加熱し、かつ、純水と接する空気相を減圧することにより、純水内に溶存している空気を空気捕集部に顕在化させことができる。
【００２１】
さらに、この空気捕集部を純水から遮断することで、純水が、いかなる気体とも接することがない密閉された状態にすることができる。
【００２２】
その後、水電解反応を開始するので、水電解反応中も捕集すべき水素や酸素以外の気体と接することがない。従って、水電解反応開始直後から反応終了に至るまで、常に、水蒸気と水素、水蒸気と酸素以外の気体は含まない高濃度の水素や酸素を貯蔵できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】特許文献１の水電解水素酸素生成装置の模式図
【図２】実施例１の水電解水素酸素生成装置の模式図
【図３】（ａ）〜（ｆ）実施例の水電解水素酸素生成装置内の状態遷移を示す断面図
【図４】（ａ）〜（ｇ）実施例の水電解水素酸素生成装置内の状態遷移を示す断面図
【図５】（ａ）〜（ｃ）実施例の水電解水素酸素生成装置内の状態遷移を示す断面図
【図６】燃料電池スタックの評価装置の模式図
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図２は、実施の形態１における水電解水素酸素生成装置２７の模式図である。
【００２５】
＜全体構成＞
図２において、実施の形態１における水電解水素酸素生成装置２７は、主に、電解セル８と、気液分離装置２８ａ、２８ｂと、貯蔵タンク２９ａ、２９ｂと、バッファシリンダー３０ａ、３０ｂと、空気捕集部３１ａ、３１ｂと、減圧シリンダー３２ａ、３２ｂ、から構成される。
【００２６】
＜全体プロセス＞
図２において、貯蔵タンク２９ａ、２９ｂから注入された純水は、気液分離装置２８ａ、２８ｂと配管３３ａ、３３ｂを通って空気捕集部３１ａ、３１ｂに至る。
【００２７】
その後、純水は、ポンプ６の働きによって電解セル８、さらに配管３４ａ、３４ｂを通って気液分離装置２８ａ、２８ｂに戻される。
【００２８】
配管３３ａ、３３ｂには、配管側面に接する位置にバッファシリンダー３０ａ、３０ｂが設置される。
【００２９】
また、空気捕集部３１ａ、３１ｂの上部には減圧シリンダー３２ａ、３２ｂが設置されている。上記のように純水の注入を継続すると、水電解水素酸素生成装置２７の純水流通可能範囲に残存していた空気は、全て、減圧シリンダー３２ａ、３２ｂの中空ロッド３５ａ、３５ｂから外部に追い出される。
【００３０】
その後、バルブ３６ａ、３６ｂとバルブ３７ａ、３７ｂを閉じれば、純水は外気と遮断され、残存空気と接するのは、減圧シリンダー３２ａ、３２ｂの内部だけとなる。
【００３１】
この状態で、空気捕集部３１ａ、３１ｂのヒーター３８ａ、３８ｂで純水を加熱すると、純水の空気溶解度が低下し、純水内に溶存していた空気が気体として顕在化する。顕在化した空気は、空気捕集部３１ａ、３１ｂの上部に上昇して、上記の減圧シリンダー３２ａ、３２ｂ内部に捕集される。捕集される空気が増加するとともに中空ロッド３５ａ、３５ｂは押し上げられる。この中空ロッド３５ａ、３５ｂの押し上げが終了すると、次に、減圧シリンダー３２ａ、３２ｂの中空ロッド３５ａ、３５ｂを強制的に引き上げて減圧シリンダー３２ａ、３２ｂ内の容積を増加させ、減圧シリンダー３２ａ、３２ｂ内の残存空気を減圧する。この減圧操作により、純水内の溶存空気をさらに顕在化させ、減圧シリンダー３２ａ、３２ｂ内に捕集する。この状態でバルブ３９ａ、３９ｂを閉じて、純水が、溶存空気が極めて少なく、かつ、いかなる気体とも接しない密閉状態とする。
【００３２】
このような、密閉された状態の純水が循環した状態で、電解セル８の正負極に、電源装置９によって直流電圧を印加すれば、電解セル８の正負極からそれぞれ酸素と水素が発生する。この酸素と水素は純水に内包されながら、純水の流れとともに配管３４ａ、３４ｂを通って気液分離装置２８ａ、２８ｂに運ばれる。この際、発生した水素酸素の体積分の純水は、バッファシリンダー３０ａ、３０ｂのロッド４０ａ、４０ｂが鉛直上方（紙面の上方向）に上昇し、バッファシリンダー３０ａ、３０ｂの内容積が増加することにより吸収される。
【００３３】
＜空気捕集部３１ａ、３１ｂと減圧シリンダー３２ａ、３２ｂ＞
図２において、空気捕集部３１ａ、３１ｂは、純水入口４１ａ、４１ｂと、純水タンク４２ａ、４２ｂと、配管４３ａ、４３ｂと配管４４ａ、４４ｂと、ヒーター３８ａ、３８ｂと、から構成される。
【００３４】
上記純水入口４１ａ、４１ｂの上端は、配管４４ａ、４４ｂより鉛直上方に配置する。減圧シリンダー３２ａ、３２ｂは、バルブ３９ａ、３９ｂと、中空ロッド３５ａ、３５ｂと、バルブ３６ａ、３６ｂ、から構成される。
【００３５】
純水の注入直後は、ポンプ６から送られる純水が、純水入口４１ａ、４１ｂから純水タンク４２ａ、４２ｂに送り込まれ、純水タンク４２ａ、４２ｂ内の空気を、配管４３ａ、４３ｂと中空ロッド３５ａ、３５ｂを通じて外部へ追い出す。
【００３６】
この時、純水自身は配管４４ａ、４４ｂから電解セル８へと循環する。この状態の純水には、大気内の空気の分圧と、大気の温度で決まる溶解度と、に応じた量の空気が溶存している。次に、ヒーター３８ａ、３８ｂにより純水タンク４２ａ、４２ｂ内の純水を加熱すると、純水の空気の溶解度が減少するので、空気が気体として顕在化する。純水内で顕在化した空気は浮力によって純水タンク４２ａ、４２ｂを上昇し、配管４３ａ、４３ｂと中空ロッド３５ａ、３５ｂを通じて外部へ追い出される。
【００３７】
このように、純水が加熱によって溶存空気を除去されたあと、バルブ３６ａ、３６ｂを閉じて中空ロッド３５ａ、３５ｂを外力（図示せず）によって引き上げ、減圧シリンダー３２ａ、３２ｂの内容積を増加させて内部の空気の圧力を下げる。圧力が下がると純水に溶存していた空気はさらに顕在化し、減圧シリンダー３２ａ、３２ｂの内部に捕集される。この状態で、バルブ３９ａ、３９ｂを閉じると、純水は、加熱と減圧の両方によって溶存空気が除去され、かつ、いかなる気体とも接しない密閉状態で循環する状態となる。
【００３８】
上記純水入口４１ａ、４１ｂの上端は、配管４４ａ、４４ｂより鉛直上方に配置する。このことにより、純水は、純水タンク４２ａ、４２ｂ内を経由してから、配管４４ａ、４４ｂへ流れる。純水タンク４２ａ、４２ｂ内で、確実に、ガスを取り除ける。
【００３９】
＜バッファシリンダー３０ａ、３０ｂ＞
図２において、バッファシリンダー３０ａ、３０ｂは、気液分離装置２８ａ、２８ｂより純水の流れ方向（図２の矢印）下流に設置される。純水は、溶存空気を除去され、かつ、いかなる気体とも接しない密閉状態で循環する状態である。この状態で、電源装置９によって電解セル８の正負極に直流電圧をかけると、配管３４ａ、３４ｂから、それぞれ、水素と酸素が発生する。
【００４０】
この水素と酸素は、それぞれ、気液分離装置２８ａ、２８ｂと、貯蔵タンク２９ａ、２９ｂの上部に捕集される。発生した水素や酸素の体積分の純水は、気液分離装置２８ａ、２８ｂや、貯蔵タンク２９ａ、２９ｂの上部から配管３３ａ、３３ｂを通り、バッファシリンダー３０ａ、３０ｂの内部に流れ込む。
【００４１】
この時、流れ込んだ純水は、ロッド４０ａ、４０ｂを押し上げる。電解セル８の水電解反応で発生する水素と酸素のモル数は、２：１である。したがって、気液分離装置２８ａ、２８ｂと、貯蔵タンク２９ａ、２９ｂと、バッファシリンダー３０ａ、３０ｂの容積を２：１とし、捕集される水素と酸素の体積が２：１、よって水素と酸素の圧力を等しくなるようにした。このようにすれば、電解セル８の内部において水素側の流路と酸素側流路を区画する電解質膜７に圧力差が生じないようにして、電解質膜７の圧力差による破損を防止することができる。
【００４２】
＜プロセス＞
図３（ａ）〜図５（ｃ）は、図２の本発明の実施の形態１の水電解水素酸素生成装置２７に使用される気液分離装置２８（２８ａ、２８ｂ）と空気捕集部３１（３１ａ、３１ｂ）の状態遷移図である。つまり、反応準備作業開始から、バッファシリンダー３０（３０ａ、３０ｂ）の水電解反応中の作用と、水電解反応によって発生した水素、酸素を貯める貯蔵タンク２９（２９ａ、２９ｂ）の満杯交換、さらに、再び反応開始可能状態までの状態遷移を表している。
【００４３】
＜プロセス１：開始準備作業＞
図３（ａ）で説明する。図３（ａ）で、ニードルバルブ４５は閉じ、他のバルブは全て開いた状態で（以下、ハンドバルブは、開いた状態を○、閉じた状態を●で表す）、貯蔵タンク２９の入口５４から純水を注入開始する。以下、図３（ｆ）までは、バッファシリンダー３０ａ、３０ｂのロッド４０はブレーキ４６によって固定される。
【００４４】
次工程を、図３（ｂ）で説明する。ポンプ６を動作させながら、上記の純水注入を継続すると、純水の流通可能範囲内の残留空気は、流れる純水によって減圧シリンダー３２の中空ロッド３５を通って外部へと追い出される。その結果、純水の流通可能範囲は全て純水で満たされ、水面は、貯蔵タンク２９のバルブ３７の高さを越えた位置であり、かつ、減圧シリンダー３２内部の中ほどの高さ位置まで来る。この状態で、バルブ３６と３７を閉じる。
【００４５】
次工程を、図３（ｃ）で説明する。ポンプ６を動作させながら、上記の純水が流通可能範囲内を循環した状態でヒーター３８をＯＮにし、空気捕集部３１の内部の純水を加熱する。加熱によって純水の空気溶解度が下がり、溶解していられなくなった気体の空気が泡状に顕在化して浮力で上昇し、配管４３を通って減圧シリンダー３２の内部に捕集される。このとき、減圧シリンダー３２の中空ロッド３５は、バルブ３６が閉じられているので、捕集された空気の体積分に相当する分だけ上昇する。
【００４６】
次工程を、図３（ｄ）で説明する。上記の、減圧シリンダー３２の中空ロッド３５の上昇が終了すると、減圧シリンダー３２の中空ロッド３５を、他の外力（図示せず）によって強制的に引き上げ、減圧シリンダー３２の内容積を増加させて、内部の圧力を下げる。実施の形態１においては、減圧シリンダー３２の内容積が、図３（ｃ）に比べて図３（ｄ）では５倍になるように引き上げた。このことにより、減圧シリンダー３２の内部の圧力は５分の１になり、純水が接する空気の分圧が５分の１に低下する。この減圧操作によって、純水の空気溶解度がさらに低下し、溶解していられなくなった気体としての空気が、泡状にさらに顕在化して浮力で上昇し、配管４３を通って減圧シリンダー３２の内部に捕集される。
【００４７】
次工程を、図３（ｅ）と図３（ｆ）で説明する。上記の溶存空気の顕在化が終了すると、バルブ３９を閉じる。このことで、純水はいかなる気体とも接しない状態で流通可能範囲内に密閉される（図３（ｅ））。次に、バルブ３６を開けて減圧シリンダー３２の内部の圧力を大気圧に復帰し、上昇していた中空ロッド３５を元の位置までさげておく（図３（ｆ））。この操作は、安全性確保のためであり、中空ロッド３５が不用意に動きだすことを防止するためである。これで、電解セル８の水電解反開始準備が完了した状態となる。
【００４８】
＜プロセス２：水電解反応開始から、貯蔵タンク２９の満杯交換まで＞
図４（ａ）を用いて説明する。上記の状態で、電解セル８の正負極間に直流電圧をかけて、バッファシリンダー３０のロッド４０のブレーキ４６を解除する。水電解反応で発生した水素や酸素は純水の循環流れとともに電解セル８から配管３４を通って、気液分離装置２８の内部に運ばれる。水素や酸素は、純水内を浮力によって上昇し、貯蔵タンク２９、気液分離装置２８の上部に捕集される。純水は、流通可能範囲内に密閉され、かつ、非圧縮性である。よって、発生した水素や酸素の体積分の純水は配管３３を通ってバッファシリンダー３０に移動し、バッファシリンダー３０のロッド４０を押し上げ、空間４７に収納される。
【００４９】
その後を、図４（ｂ）で説明する。上記の反応が継続すると、バッファシリンダー３０のロッド４０が上限に達した直後の状態では、貯蔵タンク２９、気液分離装置２８に捕集された水素、酸素の圧力は大気圧に等しい。さらに反応を継続すると水素、酸素の圧力は大気圧以上に上昇していく。本実施の形態１においては、圧力計４８が、１０気圧になるまで反応を継続した。
【００５０】
その後を、図４（ｃ）と図４（ｄ）で説明する。上記の反応が終了すると、バルブ４９、５０、５１、５２を閉じ、金具５３を解除して、水素、酸素が捕集済みの貯蔵タンク２９をとりはずす（図４（ｃ））。次に、空の貯蔵タンク２９を取り付け、バルブ３７と５１と５２を開にしておく（図４（ｄ））。
【００５１】
＜プロセス３：再び水電解反応可能開始状態まで＞
図４（ｅ）で説明する。次に、図３（ｂ）と同様に、貯蔵タンク２９の上部の入口５４から純水を注入し、水面が貯蔵タンク２９の上端のバルブ３７高さを越えた位置まで来るとバルブ３７を閉じる。
【００５２】
その後を、図４（ｆ）で説明する。上記の状態で、バルブ４９と５０を開くと、貯蔵タンク２９の純水と気液分離装置２８の高圧の水素、酸素が入れ代わり、両者の純水の水面が同一高さとなる。
【００５３】
その後を、図４（ｇ）で説明する。ニードルバルブ４５を少しずつ開くと、貯蔵タンク２９の純水と気液分離装置２８の高圧の水素、酸素の圧力で純水が外部に押し出される。それとともに、貯蔵タンク２９の純水と気液分離装置２８の水素、酸素の圧力は低下する。水位管５５により、水面が下限までくると、ニードルバルブ４５を閉じ、排水を停止する。この状態が、貯蔵タンク２９の満杯交換が完了し、再び水電解反応を開始できる状態である。つまり、図４（ｂ）の状態と同様であるが、貯蔵タンク２９の純水と気液分離装置２８の水素、酸素の圧力は、１気圧以上で１０気圧以下の値となる。
【００５４】
＜プロセス４：終業作業＞
図５（ａ）と図５（ｂ）と図５（ｃ）で説明する。水電解水素酸素生成装置２７の作業終了時には、まず、電解セル８への直流電圧印加を中止する。図５（ａ）のように、満杯になった貯蔵タンク２９をとりはずした後、気液分離装置２８の接続口５６に、大気圧以下に保たれた排気専用配管（図示せず）に連通する排気ホース（図示せず）を接続し、バルブ４９を開にする。この操作により、気液分離装置２８の上部に残存した高圧の水素や酸素は、上記排気ホースを通過して排気専用配管に達する。このようにして残留する水素と酸素が十分排気され大気圧程度になった後、上記排気ホースをはずす。次に、ニードルバルブ４５とバルブ３９と５０を開にし、さらにバッファシリンダー３０のロッド４０を外力（図示せず）で押し下げる。
【００５５】
この操作（図５（ｂ））で、純水流通可能範囲の純水を全部排水することができる（図５（ｃ））。再び水素、酸素の生成を開始する場合は、図５（ｃ）の状態で、空の貯蔵タンク２９を接続して図３（ａ）の操作から開始する。
【００５６】
＜評価＞
図６は、燃料電池スタックの評価装置５７の模式図である。この評価装置で、上記実施の形態１の水電解水素酸素生成装置２７を評価する。
【００５７】
下記の４パターンのガスを供給して燃料電池の発電を実施した。つまり、同一の燃料電池スタックに、以下４つのパターンのガスを供給して性能の違いを明らかにした。
【００５８】
ガス（Ａ）：比較例、負極ガスとして２５％二酸化炭素を含む水素、正極ガスとして８０％の窒素を含む酸素を供給する。これは、市販されている家庭用の燃料電池に供給されるガスと同一成分のガスである。
【００５９】
ガス（Ｂ）：比較例、負極ガスとして純水素、正極ガスとして純酸素を供給する。これは、市販されている水素、酸素のボンベの中のガスであり、水素濃度、酸素濃度は９９．９９％以上である。
【００６０】
ガス（Ｃ）：比較例、負極ガスとして特許文献１による水素、正極ガスとして特許文献１による酸素を供給する。
【００６１】
ガス（Ｄ）：実施例、負極ガスとして実施の形態１の水電解水素酸素生成装置で生成した水素、正極ガスとして同様に生成した酸素を供給する。ガス（Ｄ）を生成する際は、水電解反応中においては、図２の空気捕集部３１ａ、３１ｂのヒーター３８ａ、３８ｂを８０℃に設定した。
【００６２】
なお、ガス（Ｃ）とガス（Ｄ）を生成する際、水電解反応初期の状態に発生した水素や酸素を貯蔵タンクに捕集した。
【００６３】
＜評価装置の構成＞
図６は、ガス（Ａ）からガス（Ｄ）を供給して燃料電池の性能を評価するための評価装置５７と、ガス（Ａ）の負極ガスを供給する供給装置５８ａ、ガス（Ａ）の正極ガスを供給する供給装置５８ｂ、ガス（Ｂ）の負極ガスを供給する供給装置５９ａ、ガス（Ｂ）の正極ガスを供給する供給装置５９ｂ、ガス（Ｃ）の負極ガスを供給する供給装置６０ａ、ガス（Ｃ）の正極ガスを供給する供給装置６０ｂ、ガス（Ｄ）の負極ガスを供給する供給装置６１ａ、ガス（Ｃ）の正極ガスを供給する供給装置６１ｂ、とからなる。
【００６４】
評価装置５７は、燃料電池スタック６２と、電流を取り出すインバーター６３と、電圧を測定する電圧計６４と、反応熱を回収する冷却水タンク６５と冷却水ポンプ６６と熱交換器７７と、燃料電池スタック６２に正負極ガスを供給するマスフローコントローラ６７ａ、６７ｂと、で構成されている。
【００６５】
ガス（Ａ）の負極ガスの供給装置５８ａ、正極ガスの供給装置５８ｂは、各ガスが封入された貯蔵タンク６８ａ、６８ｂと、各ガスを加湿する加熱バブリング式加湿器６９ａ、６９ｂで構成した。
【００６６】
ガス（Ｂ）の負極ガスの供給装置５９ａ、正極ガスの供給装置５９ｂは、各ガスが封入された貯蔵タンク７０ａ、７０ｂと、各ガスを加湿する加熱バブリング式加湿器７１ａ、７１ｂで構成した。
【００６７】
ガス（Ｃ）の負極ガスの供給装置６０ａ、正極ガスの供給装置６０ｂは、各ガスが封入された貯蔵タンク７２ａ、７２ｂと、各ガスを加湿する加熱バブリング式加湿器７３ａ、７３ｂで構成した。
【００６８】
ガス（Ｄ）の負極ガスの供給装置６１ａ、正極ガスの供給装置６１ｂは、各ガスが封入された貯蔵タンク７４ａ、７４ｂとヒーター７５ａ、７５ｂで構成した。
【００６９】
＜評価装置のプロセス＞
ガス（Ａ）〜ガス（Ｄ）を評価装置５７に導入する時は、それぞれ接続口Ａａ、Ｂａ、Ｃａ、Ｄａと接続口Ｆａを接続、接続口Ａｂ、Ｂｂ、Ｃｂ、Ｄｂと接続口Ｆｂを接続して燃料電池スタック６２に負極ガス、正極ガスを供給した。
【００７０】
この内、ガス（Ａ）とガス（Ｂ）とガス（Ｃ）を評価装置５７に供給する時は、加熱バブリング式加湿器６９ａ、６９ｂ、７１ａ、７１ｂ、７３ａ、７３ｂを６５℃まで加熱して加湿した。
【００７１】
また、ガス（Ｄ）を評価装置５７に供給する時は、ヒーター７５ａ、７５ｂを６５℃まで加熱した。また、マスフローコントローラ６７ａ、６７ｂはヒーター７６ａ、７６ｂで９０℃まで加熱した。マスフローコントローラ６７ａ、６７ｂを加熱するのは、供給するガスの露点よりも高い温度に加熱し、マスフローコントローラ６７ａ、６７ｂ内部での結露による故障を防止するためである。
【００７２】
上記のような状態でガス（Ａ）〜ガス（Ｄ）を供給すると、燃料電池スタック６２は、開回路状態（ＯＣＶと呼ばれている）となり、その後、インバーター６３によって電流を取り出す。
【００７３】
その際、所要の電流値になるまで段階的の電流を増加させる。この時、燃料電池スタック６２の特性として、取り出す電流の増加とともに電圧は降下する（ＩＶ特性と呼ばれる）が、最終の電流値に至って電圧値が経時的に安定すると、その電圧値が、燃料電池スタック６２の性能を評価する指標となる。また、発電中の燃料電池スタック６２の電圧を安定させるためには、燃料電池スタック６２の中の冷却水経路を流れる冷却水の温度を安定させる必要がある。そこで、燃料電池スタック６２への冷却水が、入り口温度６０℃、出口温度７０℃になるように図６の熱交換器７７の設定温度と冷却水ポンプ６６の流量設定値を調節した。
【００７４】
以上のような評価装置５７で、ガス（Ａ）〜ガス（Ｄ）を供給した場合の燃料電池スタック６２の電圧比は、表１に示すように、ガス（Ｂ）の電圧比を１００として、ガス（Ａ）の電圧比は９０．７、ガス（Ｃ）の電圧比は９９．２、ガス（Ｄ）の電圧比は９９．７であった。
【００７５】
【表１】
2017002344.tif 000003
【００７６】
比較例１の電圧比は９０．７％であるのに対し、比較例２の安定な電圧比は１００％である。これは、比較例１では負極に２５％二酸化炭素を含む水素を、正極に８０％の窒素を含む酸素が供給されるのに対し、比較例２では負極に純水素、正極に純酸素が供給されるためである。これは、ゲイン電圧と呼ばれる出力改善効果が現れているためである。
【００７７】
また、実施例の電圧比も９９．７％であり、比較例２の電圧比とほぼ遜色ない値となっている。よって、本発明の実施の形態１の水電解水素酸素生成装置によれば、電解セルの反応初期からほぼ１００％の水素と酸素を捕集できることがわかる。
【００７８】
一方、比較例３の電圧比は９９．２％であり、実施例の電圧比９９．７％に比べて僅かに小さくなっている。ただし、脱酸素カラム２４を使用している。実施例では、脱酸素カラム２４を使用せずに、上記値となっている。
【００７９】
比較例３の電圧比の低下の原因は、以下の３つが考えられる。
【００８０】
１つ目は、水電解反応開始初期には、酸素側の配管や純水タンクや貯蔵タンクに残留していた空気によって貯蔵タンク内の酸素濃度が、純酸素と比べて低くなったことである。
【００８１】
２つ目は、電解セル８の水電解反応熱によって純水の温度が上昇し、純水内の溶存空気が顕在化し、酸素とともに貯蔵タンクに捕集されたため、貯蔵タンク内の酸素濃度が、純酸素と比べて低くなったことである。
【００８２】
３つ目は、純水内の溶存空気が電解質膜を透過して水素側に達し、発生する水素とともに下流に流され、脱酸素カラムで除去できない二酸化炭素やアルゴンなど酸素以外の気体によって貯蔵タンク内の水素濃度が低下したことである。
【００８３】
実施例では、上記３つの点を解決しており、電圧比が高いと考えられる。
【００８４】
なお、本発明の水電解水素酸素生成装置は、水電解反応の事前に、純水を水電解反応の最適温度まで加熱し、かつ、純水と接する空気相を減圧することにより、純水内に溶存している空気を空気捕集部に顕在化させことができる。
【００８５】
さらに、この空気捕集部を純水から遮断することで、純水が、いかなる気体とも接することがない密閉された状態にすることができる。その後、水電解反応を開始するので、水電解反応中も捕集すべき水素や酸素以外の気体と接することがない。
【００８６】
従って、水電解反応開始直後から反応終了に至るまで、常に、水蒸気と水素、水蒸気と酸素以外の気体は含まない高濃度の水素や酸素を貯蔵できる。従って、水素や酸素を使用する設備に水素や酸素を供給するための水素酸素発生装置として最適なものとなる。
【００８７】
（なお書き）
上記例では、酸素と水素の両方は発生させるものであった。しかし、どちらか１方のみを発生させるものでもよい。つまり、１方のガスは回収せず、他方を上記例で回収、提供するものである。
【００８８】
たとえば、水素発生装置の場合、図２において、水電解水素酸素生成装置２７は、左側の構成のみ必要となる。電解セル８と、水素用の気液分離装置２８ａと、水素用の貯蔵タンク２９ａと、水素用のバッファシリンダー３０ａと、水素用の空気捕集部３１ａと、水素用の減圧シリンダー３２ａから構成される。酸素発生装置の場合は、図２で上記と反対側の各構成部となる。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
本発明の水電解水素酸素生成装置は、水素、または、酸素を供給する装置として利用できる。
【符号の説明】
【００９０】
１  ガス生成装置
２  純水源
３  貯留槽
４  ポンプ
５  酸素側気液分離装置
６  ポンプ
７  電解質膜
８  電解セル
９  電源装置
１１  上部気相部
１２  下部液相部
１０、１３、１５、１９、２０，２２，２３、３３、３３ａ、３４、３４ａ、４３、４３ａ、４４ａ  配管
１４  酸素側貯蔵タンク
１６  下部液相部
１７  噴出し口
１８  上部気相部
２１  水素側気液分離装置
２４  脱酸素カラム
２５  脱水カラム
２６  水素側貯蔵タンク
２７  水電解水素酸素生成装置
２８  気液分離装置
２８ａ  気液分離装置
２９、２９ａ  貯蔵タンク
３０、３０ａ  バッファシリンダー
３１、３１ａ  空気捕集部
３２、３２ａ  減圧シリンダー
３５、３５ａ  中空ロッド
３６、３６ａ、３７、３７ａ、３９、３９ａ  バルブ
３８、３８ａ  ヒーター
４０、４０ａ  ロッド
４１ａ  純水入口
４２ａ  純水タンク
４５  ニードルバルブ
４６  ブレーキ
４７  空間
４８  圧力計
４９  バルブ
５３  金具
５４  入口
５５  水位管
５６  接続口
５７  評価装置
５８ａ、５８ｂ、５９ａ、５９ｂ、６０ａ、６０ｂ、６１ａ、６１ｂ  供給装置
６２  燃料電池スタック
６３  インバーター
６４  電圧計
６５  冷却水タンク
６６  冷却水ポンプ
６７ａ  マスフローコントローラ
６８ａ、７０ａ  貯蔵タンク
６９ａ  加熱バブリング式加湿器
７１ａ、７３ａ  加熱バブリング式加湿器
７２ａ、７４ａ  貯蔵タンク
７５ａ、７６ａ  ヒーター
７７  熱交換器
９９  電圧比
Ａａ、Ａｂ、Ｆａ、Ｆｂ  接続口
【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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