(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
気液混合体を受け、気体を分離する気液分離器と、
供給される純水から酸素と水素を発生し、前記酸素と残余の前記純水とを前記気液混合体として前記気液分離器へ戻す水電解セルと、
前記気液分離器から前記水電解セルへ前記純水を供給し、前記純水の温度に基づいて、前記純水の一部について冷却処理を行ない前記気液分離器へ戻す循環水管理部と、
を具備する、
ガス発生装置。
【請求項２】
気液混合体を受け、気体を分離する気液分離器と、
供給される純水から酸素と水素を発生し、前記酸素と残余の前記純水とを前記気液混合体として前記気液分離器へ戻す水電解セルと、
前記気液分離器から前記水電解セルへ前記純水を供給し、温度に応じて変化する前記純水の導電率に基づいて、前記純水の一部について冷却処理を行ない前記気液分離器へ戻す循環水管理部と、
を具備する、
ガス発生装置。
【請求項３】
前記循環水管理部は、更に、前記純水の前記導電率に基づいて、前記純水の一部について純水再精製処理を行ない前記気液分離器へ戻す、
請求項１又は２に記載のガス発生装置。
【請求項４】
前記気液分離器は、
内部に有する純水の温度を測定する温度センサ、
を具備し、
前記循環水管理部は、
前記気液分離器から前記水電解セルへ前記純水を供給する冷却ポンプと、
前記純水の一部を冷却可能な冷却器と、
前記純水の一部を前記冷却器へ供給する流量を制御可能な冷却バルブと、
を具備する、
請求項１乃至３のいずれか一項に記載のガス発生装置。
【請求項５】
前記冷却ポンプは、前記気液分離器から前記水電解セルへ向かう第１配管の途中に接続され、
前記冷却器は、前記第１配管の前記冷却ポンプよりも前記水電解セルに近い側から前記気液分離器へ向かう第２配管の途中に接続され、
前記冷却バルブは、前記第２配管の前記冷却器と前記気液分離器との間に接続される、
請求項４に記載のガス発生装置。
【請求項６】
前記循環水管理部は、前記気液分離器内の純水の温度が所定温度以下になるように、前記冷却処理を行なう、
請求項４又は５に記載のガス発生装置。
【請求項７】
前記気液分離器は、
内部に有する純水の導電率を測定する純水センサ、
を具備し、
前記循環水管理部は、
前記気液分離器から前記水電解セルへ前記純水を供給する純水ポンプと、
前記純水の一部を純水再精製処理することが可能な純水精製器と、
前記純水の一部を前記純水精製器へ供給する流量を制御可能な純水バルブと、
を具備する、
請求項１乃至６のいずれか一項に記載のガス発生装置。
【請求項８】
前記純水ポンプは、前記気液分離器から前記水電解セルへ向かう第３配管の途中に接続され、
前記純水製造器は、前記第３配管の前記純水ポンプよりも前記水電解セルに近い側から前記気液分離器へ向かう第４配管の途中に接続され、
前記純水バルブは、前記第４配管の前記純水精製器と前記気液分離器との間に接続される、
請求項７に記載のガス発生装置。
【請求項９】
前記循環水管理部は、前記気液分離器内の純水の導電率が基準値以上の場合に、前記純水再精製処理を行なう、
請求項７又は８に記載のガス発生装置。
【請求項１０】
前記気液分離器の酸素を前記気液分離器から取り出す配管に接続され、前記酸素を冷却する酸素放熱部を更に具備する、
請求項１乃至９のいずれか一項に記載のガス発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水の電気分解を用いたガス発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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。特に、太陽光や風力などの自然エネルギーを用いれば、環境に負荷を与えないガス発生装置とすることが出来る。
【０００３】
従来の技術でのガス発生装置について、添付図面を用いて説明する。
図５は、従来技術でのガス発生装置の構成を示す図である。ガス発生装置は、水電解セル１０１、酸素気液分離器１０２、水素気液分離器１０３、気液冷却器１０７、純水精製器１０９、水素側排水弁１１０、水素排気弁１１１、酸素排気弁１１２、純水供給弁１１３、ヒータ１１５、循環水ポンプ１１７、酸素生成ラインＡ１２０−１〜酸素生成ラインＦ１２０−６、水素生成ライン１２１、酸素排気ラインＡ１２３−１〜酸素排気ラインＢ１２３−２、純水供給ラインＡ１２４−１〜純水供給ラインＢ１２４−２、水素排気ラインＡ１２５−１〜水素排気ラインＢ１２５−２、第１排水ラインＡ１２６−１〜第１排水ラインＢ１２６−２を具備する。
【０００４】
水電解セル１０１は、酸素生成ラインＡ１２０−１〜酸素生成ラインＤ１２０−４経由で、純水を正極側に供給され、電気分解により水素ガス（負極側）及び酸素ガス（正極側）を生成する。固体高分子電解質膜を用いている。負極側では、生成した水素ガスが、浸透した純水と共に水素生成ライン１２１経由で水素気液分離器１０３へ送出される。また、正極側では、生成した酸素ガスが、供給された純水の残りと共に酸素生成ラインＥ１２０−５〜酸素生成ラインＦ１２０−６経由で酸素気液分離器１０２へ送出される。
酸素気液分離器１０２は、酸素生成ラインＦ１２０−６経由で、生成した酸素ガス及び純水を受け取り、貯蔵する。また、純水供給弁１１３を介し、純水供給ラインＡ１２４−１〜純水供給ラインＢ１２４−２経由で純水の補給を受ける。貯蔵された酸素ガスは、酸素排気弁１１２を介し、酸素排気ラインＡ１２３−１〜酸素排気ラインＢ１２３−２経由で外部の設備で利用される。
水素気液分離器１０３は、水素生成ライン１２１経由で、生成した水素ガス及び純水を受け取り、貯蔵する。貯蔵された水素ガスは、水素排気弁１１１を介し、水素排気ラインＡ１２５−１〜水素排気ラインＢ１２５−２経由で外部の設備で利用される。また、内部に溜まった純水は、水素側排水弁１１０を介し、第１排水ラインＡ１２６−１〜第１排水ラインＢ１２６−２経由で外部に排出される。
気液冷却器１０７は、水電解セル１０１で生成された酸素ガス及び残余の純水の温度を低下させる熱交換器である。酸素生成ラインＥ１２０−５と酸素生成ラインＦ１２０−６との間に設置されている。
純水精製器１０９は、酸素気液分離器１０２から水電解セル１０１へ向かう純水に、純水再精製処理を施すことにより、配管等から溶出した内部のイオン等の不純物を除去し、純水としての純度を高める。酸素気液分離器１０２から水電解セル１０１に向かう酸素生成ラインＡ１２０−１〜酸素生成ラインＤ１２０−４の途中に設置されている。
ヒータ１１５は、純水精製器１０９で精製された純水を、水電解セル１０１の運転温度まで加熱高温化する。酸素気液分離器１０２から水電解セル１０１に向かう酸素生成ラインＡ１２０−１〜酸素生成ラインＤ１２０−４の途中に設置されている。
循環水ポンプ１１７は、酸素気液分離器１０２から水電解セル１０１に向かい、再び酸素気液分離器１０２へ戻る純水の還流を形成する。酸素生成ラインＡ１２０−１〜酸素生成ラインＤ１２０−４の途中に設置されている。
【０００５】
従来の技術においては、上述のように、酸素気液分離器１０２と水電解セル１０１とを結ぶ還流を形成する酸素生成ラインＡ１２０−１〜酸素生成ラインＦ１２０−６の途中に、純水精製器１０９、ヒータ１１５、気液冷却器１０７が存在した。純水精製器１０９は、低温の純水でないと処理が出来ないため、気液冷却器１０７で冷却している。
この場合、純水の温度を下げるのに、気液冷却器１０７により純水全量を冷却処理している。更に、酸素ガスも同時に冷却するので、気液冷却器１０７の容量を大きくする必要がある。また、水電解セル１０１へ純水を供給する際、一度冷却した純水全量を運転温度までヒータ１１５で加熱する必要がある。そのため、ヒータ１１５が必要となり、その容量も大きくする必要がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、水電解に利用する純水の還流において、必要に応じて、必要量の純水だけ簡便かつ適切に温度調整を行なうことが可能なガス発生装置を提供することである。
【０００７】
また、本発明の別の目的は、水電解に利用する純水の還流において、必要に応じて、必要量の純水だけ簡便かつ適切に純水再精製処理を行なうことが可能なガス発生装置を提供することである。
【０００８】
また、本発明の別の目的は、水電解に利用する純水の還流において、純水を加熱するする必要が無く、使用する電力容量を低減し、エネルギー効率を改善したガス発生装置を提供することである。
【０００９】
また、本発明の別の目的は、機器の大きさを抑制し、省スペース化、低コスト化が可能であるガス発生装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
以下に、［発明の実施の形態]で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明の実施の形態］との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【００１１】
従って、上記課題を解決するための本発明のガス発生装置は、気液混合体を受け、気体を分離する気液分離器（２）と、供給される純水から酸素と水素を発生し、前記酸素と残余の前記純水とを前記気液混合体として前記気液分離器（２）へ戻す水電解セル（１）と、前記気液分離器（２）から前記水電解セル（１）へ前記純水を供給し、前記純水の温度及び前記純水の導電率の少なくとも一方に基づいて、前記純水の一部について冷却処理を行ない前記気液分離器（２）へ戻す循環水管理部（４０）とを具備する。
【００１２】
また、本発明のガス発生装置は、前記循環水管理部（４０）が、更に、前記純水の前記導電率に基づいて、前記純水の一部について純水再精製処理を行ない前記気液分離器（２）へ戻す。
【００１３】
また、本発明のガス発生装置は、前記気液分離器（２）が、内部に有する純水の温度を測定する温度センサ（４）を具備する。そして、前記循環水管理部（４０）は、前記気液分離器（２）から前記水電解セル（１）へ前記純水を供給する冷却ポンプ（７）と、前記純水の一部を冷却可能な冷却器（８）と、前記純水の一部を前記冷却器（８）へ供給する流量を制御可能な冷却バルブ（６−１、６−２、６−３）とを具備する。
【００１４】
また、本発明のガス発生装置は、前記冷却ポンプ（７）が、前記気液分離器（２）から前記水電解セル（１）へ向かう第１配管（２０−１〜２０−２）の途中に接続されている。また、前記冷却器（８）は、前記第１配管（２０−１〜２０−２）の前記冷却ポンプ（７）よりも前記水電解セル（１）に近い側から前記気液分離器（２）へ向かう第２配管（２２−１〜２２−４、２７−１〜２７−３、２２−１〜２２−４）の途中に接続されている。更に、前記冷却バルブ（６−１、６−２、６−３）は、前記第２配管（２２−１〜２２−４、２７−１〜２７−３、２２−１〜２２−４）の前記冷却器（８）と前記気液分離器（２）との間に接続されている。
【００１５】
更に、本発明のガス発生装置は、前記循環水管理部（４０）が、前記気液分離器（２）内の純水の温度が所定温度（例：１００度以下）になるように、前記冷却処理を行なう。
【００１６】
更に、本発明のガス発生装置は、前記気液分離器（２）が、内部に有する純水の導電率を測定する純水センサ（５）を具備する。そして、前記循環水管理部（４０）は、前記気液分離器（２）から前記水電解セル（１）へ前記純水を供給する純水ポンプ（７）と、前記純水の一部を純水再精製処理することが可能な純水精製器（９）と、前記純水の一部を前記純水精製器（９）へ供給する流量を制御可能な純水バルブ（６−１、６−３、６−４）とを具備する。
【００１７】
更に、本発明のガス発生装置は、前記純水ポンプ（７）が、前記気液分離器（２）から前記水電解セル（１）へ向かう第３配管（２０−１〜２０−２）の途中に接続されている。また、前記純水製造器（９）は、前記第３配管（２０−１〜２０−２）の前記純水ポンプ（７）よりも前記水電解セル（１）に近い側から前記気液分離器（２）へ向かう第４配管（２２−１〜２２−４、２７−１〜２７−２−２８−１〜２８−３、２２−１〜２２−４）の途中に接続されている。更に、前記純水バルブ（６−１、６−３、６−４）は、前記第４配管（２２−１〜２２−４、２７−１〜２７−２−２８−１〜２８−３、２２−１〜２２−４）の前記純水精製器（９）と前記気液分離器（２）との間に接続される。
【００１８】
更に、本発明のガス発生装置は、前記循環水管理部（４０）が、前記気液分離器（２）内の純水の導電率が基準値以上（例：１０−５Ｓ／ｃｍ以上）の場合に、前記純水再精製処理を行なう。
【００１９】
更に、本発明のガス発生装置は、前記気液分離器（２）の酸素を前記気液分離器（２）から取り出す配管（２３−１〜２３−３）に接続され、前記酸素を冷却する酸素放熱部（１４）を更に具備する。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明であるガス発生装置について、添付の図面を用いて説明する。本実施例において、ガス発生装置における水電解セルの温度調整を行なうシステムを例に示して説明するが、他の液体を用いる温度調整システムにおいても適用可能である。
【００２１】
本発明であるガス発生装置の実施の形態について説明する。
本発明であるガス発生装置の実施の形態における構成について、図１を参照して説明する。
図１は、ガス発生装置の実施の形態における構成を示す図である。
ガス発生装置は、水電解セル１、温度センサ４及び純水センサ５を有する酸素気液分離器２、水素気液分離器３、流量制御弁Ａ６−１と循環水ポンプ７と純水冷却器８と純水精製器９とを有する循環水管理部４０、水素側排水弁１０、水素排気弁１１、酸素排気弁１２、純水供給弁１３、酸素冷却器１４、酸素生成ラインＡ２０−１〜酸素生成ラインＣ２０−３、水素生成ライン２１、循環水ラインＡ２２−１〜循環水ラインＤ２２−４、酸素排気ラインＡ２３−１〜酸素排気ラインＣ２３−３、純水供給ラインＡ２４−１〜純水供給ラインＢ２４−２、水素排気ラインＡ２５−１〜水素排気ラインＢ２５−２、第１排水ラインＡ２６−１〜第１排水ラインＢ２６−２を具備する。
【００２２】
本発明のガス発生装置では、酸素気液分離器２に貯蔵された、水電解の原料となる純水の温度を計測し、その結果に基づいて、その純水の一部を純水冷却器８へ送り冷却して、酸素気液分離器２へ戻す。その操作により、水電解セル１で製造した酸素ガスと残余の純水を冷却する図５における気液冷却器１０７も必要がなくなる。また、酸素気液分離器２の純水の温度は、水電解セル１の運転温度に保たれるので、図５におけるヒータ１１５が不要になる。更に、酸素気液分離器２に貯蔵された純水の導電率（又は抵抗率）を計測し、その結果に基づいて、その純水の一部を純水精製器９へ送り再精製して、酸素気液分離器２へ戻す。その操作により、酸素気液分離器２の純水の純度は、高く保たれる。この場合、必要な量だけ純水処理しているので、純水精製器９は、図５における純水精製器１０９のような大容量のものは必要無くなる。
【００２３】
図１の各構成について、以下に説明する。
水電解セル１は、外部電源からの電力と純水の供給を受けて、水電解（電気化学反応）により水素ガスと酸素ガスを２：１の割合で製造する。固体高分子電解質を用い、負極側で水素ガス、正極側で酸素ガスを発生する。水素ガス及び酸素ガス発生時は、固体高分子電解質及び触媒層での抵抗損等により、発熱する。
【００２４】
酸素気液分離器２は、水電解セル１において水電解に使用する純水と、水電解セル１により製造された酸素ガスとを貯蔵する。水電解部１へ供給された純水の一部は、製造された酸素ガスと共に酸素気液分離器２へ還流される。純水の温度を測定する温度センサ４と、純水の導電率又は抵抗率を測定する純水センサ５とを有する。また、図示しない圧力計を有する。
【００２５】
ここで、水電解セル１と酸素気液分離器２との純水の還流に関わる配管について説明する。
酸素生成ラインＡ２０−１は、一端部を酸素気液分離器２に、他端部を循環水ポンプ７に接続している。酸素生成ラインＢ２０−２は、一端部を循環水ポンプ７に、他端部を水電解セル１（の正極側）に接続している。酸素生成ラインＣ２０−３は、一端部を水電解セル１（の正極側）に、他端部を酸素気液分離器２に接続している。
酸素気液分離器２の純水は、酸素生成ラインＡ２０−１−循環水ポンプ７−酸素生成ラインＢ２０−２−水電解セル１（の正極側）−酸素生成ラインＣ２０−３経由で（一部は水電解により消費）循環している。なお、水電解セル１（の正極側）−酸素生成ラインＣ２０−３においては、水電解セル１で生成された酸素ガスも含まれる。
【００２６】
温度センサ４は、気液分離器２内の純水の温度を測定する。熱電対や抵抗温度計などである。本実施例では、熱電対を用いる。そして、温度に対応した電圧を出力する。測定結果は、流量調整弁Ａ６−１へ出力される。
純水センサ５は、酸素気液分離器２内の純水の導電率又は抵抗率を測定する。液体の導電率又は抵抗率を測定可能な装置である。本実施例では、導電率測定器を用いる。そして、導電率に対応した電圧を出力する。測定結果は、流量調整弁Ａ６−１へ出力される。
【００２７】
冷却バルブあるいは純水バルブとしての流量調整弁Ａ６−１は、温度センサ４の出力、又は、純水センサ５の出力に基づいて、循環水ラインＡ２２−１〜循環水ラインＤ２２−４を通過する純水の量を調整する。弁の開度が大きくなるほど、循環水ラインＡ２２−１〜循環水ラインＤ２２−４を通過する純水の量が多くなる。循環水ラインＡ２２−１〜循環水ラインＤ２２−４には、純水冷却器８及び純水精製器９が設置され、そこを流れる純水の温度を低下させ、また純水の純度を向上する。循環水ラインＡ２２−１〜循環水ラインＤ２２−４に流れ込む純水の量は、酸素生成ラインＡ２０−１〜酸素生成ラインＢ２０−２を流れる純水の量の１／１００〜１／１０とし、水電解セル１へ供給する純水量に影響を及ぼさないようにする。
【００２８】
例えば、温度センサ４の出力電圧の上昇（＝温度の上昇）に対応して、流量制御弁Ａ６−１の弁の開度を大きくし、通過する純水量が多くなるように調整する。それにより、純水冷却器８を通過する純水量が増え、酸素気液分離器２内の純水の温度が低下する。
同様に、純水センサ５の出力電圧の上昇（＝導電率の上昇）に対応して、流量制御弁Ａ６−１の弁の開度を大きくし、通過する純水量が多くなるように調整する。それにより、純水精製器９を通過する純水量が増え、酸素気液分離器２内の純水の純度が向上する。
【００２９】
冷却ポンプあるいは純水ポンプとしての循環水ポンプ７は、酸素気液分離器２中の純水を水電解セル１へ供給し、製造された酸素と残余の純水を再び酸素気液分離器２へ還流させる送液ポンプである。また、水電解セル１へ供給される純水の一部を、純水冷却器８や純水精製器９へも送り出す。
【００３０】
純水冷却器８は、内部を流れる純水の温度を低下させる熱交換器である。低温の媒体により、純水中の熱を奪い、純水の温度を低下させる。奪った熱は外部の他の設備で利用可能である。
純水精製器９は、内部を流れる純水の純度を向上させる。フィルターやイオン交換樹脂等により、純水中の不純物を取り除き、純水を高純度の純水に精製する。なお、純水精製器９は、低い温度（５０℃以下）の純水を処理することが望ましいため、純水冷却器８の後に設置されることが望ましい。
【００３１】
ここで、純水の温度調整及び導電率調整を行なう配管について説明する。
酸素生成ラインＢ２０−２の途中までは、純水の還流と同様である。循環水ラインＡ２２−１は、一端部を酸素生成ラインＢ２０−２の途中に、他端部を純水冷却器８に接続している。循環水ラインＢ２２−２は、一端部を純水冷却器８に、他端部を純水精製器９に接続している。循環水ラインＣ２２−３は、一端部を純水精製器９に、他端部を流量制御弁Ａ６−１に接続している。循環水ラインＤ２２−４は、一端部を流量制御弁Ａ６−１に、他端部を酸素気液分離器２に接続している。
温度調整及び導電率調整を行なう純水（酸素気液分離器２内）は、酸素生成ラインＢ２０−２の途中−循環水ラインＡ２２−１−純水冷却器８−循環水ラインＢ２２−２−純水精製器９−循環水ラインＣ２２−３−流量制御弁Ａ６−１−循環水ラインＤ２２−４経由で循環している。
【００３２】
水素気液分離器３は、水電解セル１により製造された水素ガスを貯蔵する。その際、一部の原料の純水が固体高分子電解質を負極側へ浸透し、水素ガスと共に貯蔵される。図示しない圧力計を有する。水電解で発生するガスの体積比が、水素ガス：酸素ガス＝２：１であることから、水素貯蔵タンク２の容積：酸素貯蔵タンク３の容積は、概ね２：１にする。より正確を期すためには、水素貯蔵タンク２の容積：酸素貯蔵タンク３の容積＝（２＋β）：（１＋α）とする。＋αは、原料の純水の分である。＋βは、負極側に浸透した純水の分である。実験的やシミュレーションなどで決定する。
【００３３】
ここで、水電解セル１で生成した水素ガスを貯蔵する配管について説明する。
水素生成ライン２１は、一端部を水電解セル１（の負極側）に、他端部を水素気液分離器３に接続している。
製造された水素ガス及び負極側に浸透した純水は、水素生成ライン２１経由で、水素気液分離器３へ供給される。
【００３４】
水素側排水弁１０は、水素気液分離器３内の純水を外部に排水する配管（第１排水ラインＡ２６−１〜第１排水ラインＢ２６−２）に接続され、純水の排水を制御する。
水素排気弁１１は、水素気液分離器３内の水素ガスを外部に供給する配管（水素排気ラインＡ２５−１〜水素排気ラインＢ２５−２）に接続され、水素ガスの供給を制御する。
【００３５】
ここで、水素気液分離器３内の純水を排出する配管について説明する。
第１排水ラインＡ２６−１は、一端部を水素気液分離器３に、他端部を水素側排水弁１０に接続している。第１排水ラインＢ２６−２は、一端部を水素側排水弁１０に、他端部を外部の純水利用設備（図示せず）などへ接続している。
水素気液分離器３内の過剰の水は、第１排水ラインＡ２６−１−水素側排水弁１０−第１排水ラインＢ２６−２−経由で、外部の純水利用設備（図示せず）などに排出される。
【００３６】
水素ガスを水素気液分離器３から外部へ供給する配管について説明する。
水素排気ラインＡ２５−１は、一端部を水素気液分離器３に、他端部を水素排気弁１１に接続している。水素排気ラインＢ２５−２は、一端部を水素排気弁１１に、他端部を外部の水素使用設備など（図示せず）に接続している。
水素気液分離器３内の水素ガスは、水素排気ラインＡ２５−１−水素排気弁１１−水素排気ラインＢ２５−２経由で、外部の水素使用設備など（図示せず）に供給される。
【００３７】
酸素排気弁１２は、酸素気液分離器２内の酸素ガスを外部に供給する配管（酸素排気ラインＡ２３−１〜酸素排気ラインＣ２３−３）に接続され、酸素ガスの供給を制御する。
酸素冷却器１４は、酸素気液分離器２内の酸素ガスを外部に供給する配管（酸素排気ラインＡ２３−１〜酸素排気ラインＣ２３−３）に接続され、酸素ガスを冷却する熱交換器である。低温の媒体により、酸素ガス中の熱を奪い、酸素ガスの温度を低下させる。奪った熱は外部の他の設備で利用可能である。送出される酸素ガスのみの冷却なので、冷却器の容量を小さく出来る。
純水供給弁１３は、酸素気液分離器２へ外部の純水供給部（図示せず）から純水を補給する配管（純水供給ラインＡ２４−１〜純水供給ラインＢ２４−２）に接続され、純水の供給を制御する。
【００３８】
ここで、酸素気液分離器２へ純水を供給する配管について説明する。
純水供給ラインＡ２４−１は、一端部を純水の供給部（図示せず）に、他端部を純水供給弁１３に接続している。給水ラインＢ２４−２は、一端部を純水供給弁１３に、他端部を酸素気液分離器２に接続している。
純水は、純水供給ラインＡ２４−１−純水供給弁１３−純水供給ラインＢ２４−２経由で、酸素気液分離器２に貯蔵される。
【００３９】
酸素ガスを酸素気液分離器２から外部へ供給する配管について説明する。
酸素排気ラインＡ２３−１は、一端部を酸素気液分離器２に、他端部を酸素排気弁１２に接続している。酸素排気ラインＢ２３−２は、一端部を酸素排気弁１２に、他端部を酸素冷却器１４に接続している。酸素排気ラインＣ２３−３は、一端部を酸素冷却器１４に、他端部を外部の酸素使用設備など（図示せず）に接続している。
酸素気液分離器２の酸素ガスは、酸素排気ラインＡ２３−１−酸素排気弁１２−酸素排気ラインＢ２３−２−酸素冷却器１４−酸素排気ラインＣ２３−３経由で、外部の酸素使用設備などに供給される。
【００４０】
次に、本発明のガス発生装置の実施の形態における動作について、図面を参照して説明する。
【００４１】
酸素気液分離器２は、水電解セル１へ供給する原料となる純水を貯蔵する貯蔵タンクでもある。純水は、外部の純水の供給部（図示せず）から、純水供給ラインＡ２４−１−純水供給弁１３−純水供給ラインＢ２４−２経由で、酸素気液分離器２に供給され、貯蔵される。
その際、酸素気液分離器２の純水用の液面計（図示せず）により測定された純水の水位が、予め設定された下限値以下の場合に、液面計からの出力信号により純水供給弁１３が開く。そして、純水は、純水供給ラインＡ２４−１−純水供給弁１３−純水供給ラインＢ２４−２経由で、酸素気液分離器２へ供給される。純水の水位が予め設定された上限値に達したら、液面からの出力信号により純水供給弁１３が閉じ、給水が完了する。水電解中も、純水の水位に応じて上記制御を行なう。
【００４２】
酸素気液分離器２の純水は、循環水ポンプ７により、酸素生成ラインＡ２０−１〜酸素生成ラインＢ２０−２経由で水電解セル１（の正極側）へ供給される。水電解セル１は、電源（図示せず）から電力を投入され、供給された純水を用いて水電解を行なう。
水電解により、正極側では酸素ガスが生成される。生成された酸素ガスは、水電解されなかった純水と共に酸素生成ラインＣ２０−３経由で酸素気液分離器２へ送出され、そこで貯蔵される。一方、負極側では、水素ガスが生成される。生成された水素ガスは、水電解中に電解質膜を浸透してきた純水と共に水素生成ライン２１経由で水素気液分離器３へ送出され、そこで貯蔵される。
【００４３】
水電解が進むと、水電解セル１は、抵抗損などにより発熱する。そのため、水電解後に酸素生成ラインＣ２０−３を経由して酸素気液分離器２へ戻る純水及び酸素ガスは、温度が高くなっている。そのまま、純水の冷却を行なわず、水電解セル１へ純水を循環させると、酸素気液分離器２内の純水の温度は、継続的に上昇する。そして、その上昇した純水を使用する水電解セル１は、熱のため劣化や損傷が起きることになる。
【００４４】
それに対処するために、本発明のガス発生装置では、以下のような冷却処理を行なう。
酸素気液分離器２に設置された温度センサ４は、酸素気液分離器２内の純水の温度を常時測定している。そして、その測定結果を示す出力信号（例えば、温度と共に上昇する電圧信号）を流量制御弁Ａ６−１へ出力している。流量制御弁Ａ６−１は、温度センサ４の出力信号に基づいて、弁の開度を変化させる。例えば、温度が高い場合（例えば、出力信号が電圧のとき、電圧が大きい場合）、その温度に合わせて弁の開度を大きくする。
【００４５】
流量制御弁Ａ６−１の弁が開くと、酸素生成ラインＡ２０−１〜酸素生成ラインＢ２０−２を流れる純水の一部が、循環水ラインＡ２２−１〜循環水ラインＤ２２−４へ流れ込むことが出来るようになる。循環水ラインＡ２２−１〜循環水ラインＤ２２−４へ流れ込んだ純水は、純水冷却器８により温度を低減される。そして、低温化した純水が、酸素気液分離器２へ還流するので、酸素気液分離器２内の純水の温度を低減することが可能となる。また、あまり低くならないようにも制御する。水電解セル１での水電解の効率が低下するからである。
【００４６】
すなわち、酸素気液分離器２内の純水の温度に応じて、流量制御弁Ａ６−１の開度が制御される。温度が非常に高い場合には、弁の開度が大きくなり、冷却され酸素気液分離器２へ還流する純水量が多くなる。温度が少しだけ高い場合には、弁の開度が小さくなり、冷却され酸素気液分離器２へ還流する純水量が少なくなる。温度が十分低い場合には、弁は閉じ、冷却され還流する純水は無くなる。それにより、酸素気液分離器２内の純水を一定温度以下に保つことが出来る。一定の温度としては、１００℃以下である。より好ましくは、９０℃以下である。下限は、６０℃である。より好ましくは７０℃である。水電解セル１の温度が高いほうが、効率が上がるが、高すぎると電解質膜に損傷を与えることになるためである。
【００４７】
一方、水電解が進むと、純水の温度が上昇することや、上記のように一部の純水は酸素生成ラインＡ２０−１〜酸素生成ラインＣ２０−３内を循環することなどにより、配管や水電解セル１から純水へのイオンの溶出や不純物の混入が起こる。酸素気液分離器２内の純水の不純物濃度は、高くなってくる。そのまま、純水の再精製を行なわず、水電解セル１へ純水を供給すると、不純物の影響により水電解効率の低下や、水電解セル１の劣化や損傷が起きることになる。
【００４８】
それに対処するために、本発明のガス発生装置では、以下のような純水処理を行なう。
不純物濃度の上昇は、導電率の上昇で把握できる。酸素気液分離器２に設置された純水センサ４は、酸素気液分離器２内の純水の導電率を常時測定している。そして、その測定結果を示す出力信号（例えば、導電率と共に上昇する電圧信号）を流量制御弁Ａ６−１へ出力している。流量制御弁Ａ６−１は、純水センサ４の出力信号に基づいて、弁の開度を変化させる。例えば、導電率が高い場合（例えば、出力信号が電圧のとき、電圧が大きい場合）、その導電率に合わせて弁の開度を大きくする。
【００４９】
流量制御弁Ａ６−１の弁が開くと、酸素生成ラインＡ２０−１〜酸素生成ラインＢ２０−２を流れる純水の一部が、循環水ラインＡ２２−１〜循環水ラインＤ２２−４へ流れ込むことが出来るようになる。循環水ラインＡ２２−１〜循環水ラインＤ２２−４へ流れ込んだ純水は、純水精製器９により不純物を取り除かれ導電率を低減される。そして、再精製された純水が、酸素気液分離器２へ還流するので、酸素気液分離器２内の純水の不純物濃度（導電率）を低減することが可能となる。
【００５０】
すなわち、酸素気液分離器２内の純水の導電率に応じて、流量制御弁Ａ６−１の開度が制御される。導電率が非常に高い場合には、弁の開度が大きくなり、再精製され酸素気液分離器２へ還流する純水量が多くなる。導電率が少しだけ高い場合には、弁の開度が小さくなり、再精製され酸素気液分離器２へ還流する純水量が少なくなる。温度が十分低い場合には、弁は閉じ、再精製され還流する純水は無くなる。それにより、酸素気液分離器２内の純水を一定の不純物濃度（導電率）以下に保つことが出来る。一定の導電率としては、基準値である。基準値としては１０−１２Ｓ／ｃｍである。より好ましくは、１０−１５Ｓ／ｃｍである。高いと水電解セル壱の効率低下や電解質膜の損傷を招くことになる。
【００５１】
なお、純水センサ５は、抵抗率を測定する場合には、抵抗率＝１／導電率であるから、抵抗率の低下に伴い、流量制御弁Ａ６−１の弁の開度を大きくすることになる。そして、抵抗率を一定の値以上に保つ（＝不純物濃度を一定の値以下に保つ）ように制御する。一定の抵抗率としては、１０１２Ωｃｍである。より好ましくは、１０１５Ωｃｍである。低いと水電解セル１の効率低下や電解質膜の損傷を招くことになる。
【００５２】
循環水ラインＡ２２−１〜循環水ラインＤ２２−４では、純水冷却器８と純水精製器９とが直列に並んでいるので、一方を通せば、他方も通るようになっている。流量制御弁Ａ６−１は、温度センサ４の出力により決まる弁の開度と、純水センサ５の出力により決まる弁の開度とを比較し、弁の開度の大きい方を優先し、弁の開度を決定する。それにより、酸素気液分離器２内の純水の温度及び導電率（不純物濃度）を一定の値以下に抑えることが可能となる。
【００５３】
また、循環水ラインＡ２２−１〜循環水ラインＤ２２−４へ流れ込む純水の量は、１／１００〜１／１０の間で制御する。それにより、水電解セル１へ供給する純水の量が著しく減少するというような水電解への影響を抑えることが出来る。また、流量が小さいため、純水冷却器８及び純水精製器９の容量を小さく抑えることが可能となる。
【００５４】
酸素気液分離器２内の酸素ガスは、酸素排気ラインＡ２３−１〜酸素排気ラインＣ２３−３経由で、酸素利用設備（図示せず）などへ送出される。その際、酸素冷却器１４により、酸素ガスの温度が低減される。この場合、純水が無く酸素ガスだけの冷却なので、容量が小さくて済む。
【００５５】
水素気液分離器３内の水素ガスは、水素排気ラインＡ２５−１〜水素排気ラインＢ２５−２経由で、水素利用設備（図示せず）などへ送出される。必要に応じて、冷却器を通して温度を低減しても良い。
また、水素気液分離器３内の純水は、第１排水ラインＡ２６−１〜第１排水ラインＢ２６−２経由で純水利用設備（図示せず）などへ送出される。
【００５６】
本実施例では、循環水ラインＡ２２−１〜循環水ラインＤ２２−４に純水冷却器８と純水精製器９が接続され、同時に処理を行なっている。そのため、純水温度維持と純水純度維維持とを同時に行なうことが出来、かつ配管が一ラインのため省スペースである。
しかし、配管や水電解セル１からのイオンや不純物の溶出がほとんどない場合には、純水精製器９を省略することも可能である。その場合の構成を示したのが図２である。図２では、各部の構成及び動作は、既述の通りである。ただし、純水センサ５及び純水精製器９が省略されており、温度センサ４の出力信号のみで、流量制御弁Ｂ６−２を制御している。この場合、導電率の増加は非常にゆっくりなので、純水供給ラインＡ２４−１−純水供給弁１３−純水供給ラインＢ２４−２経由で補給される純水により、既存の純水が薄められるだけで、十分に導電率を低く維持可能である。
【００５７】
また、図１に示す構成において、純水冷却器８の後にバイパス弁３０及びバイパスライン２９を設け、導電率を下げる必要の無い場合に、純水精製器９をバイパスさせることも可能である。それを示したのが図３である。例えば、図３では、各部の構成及び動作は、既述の通りである。ただし、循環水ラインＡ２２−２の途中で、三方弁であるバイパス弁３０を接続している。バイパス弁３０の二方は、どちらも循環水ラインＡ２２−２である。残りの一方は、新設のバイパスライン２９の一端部に接続する。バイパスライン２９の他端部は、循環水ラインＣ２２−３の途中に接続している。そして、制御部１６でその制御を行なう。
【００５８】
すなわち、制御部１６は、通常バイパス弁３０を、純水冷却器８−バイパス弁３０−純水精製器９  とつなげ、バイパスライン２９へ純水が行かないように、３つの弁を制御している。そして、温度センサ４の出力により決まる流量制御弁Ｃ６−１の弁の開度と、純水センサ５の出力により決まる流量制御弁Ｃ６−１の弁の開度とを比較し、弁の開度の大きい方を優先し、弁の開度を決定する。しかし、純水の導電率が十分に低く、純水精製器９を通す必要が無い場合、バイパス弁３０を操作して、純水冷却器８−バイパス弁３０−（バイパスライン２９）−流量制御弁Ｃ６−３  とつなげ、純水が純水精製器９をバイパスするように、３つの弁を制御する。そして、その場合には、制御部１６は、純水精製器９の電源を切る。
これにより、純水冷却と純水精製とを別々に独立に制御することが可能となる。そして、純水精製器９を通す純水量を減らし、純水精製器９のフィルタやイオン交換樹脂などの消耗品の寿命を延ばし、また、消費電力も抑えることが可能となる。
【００５９】
また、純水冷却及び純水精製を行なうラインと、純水冷却を行なうラインとを分けることも可能である。図４を参照して、説明する。
図１の場合と比較すると、図１の循環水ラインＡ２２−１〜循環水ラインＤ２２−４が無くなり、その代わりとして、循環水ラインＡ２７−１〜循環水ラインＣ２７−３、及び循環水ラインＡ２８−１〜循環水ラインＣ２８−３が加わっている。
【００６０】
純水冷却器８による、純水冷却を行なうラインは、酸素生成ラインＢ２０−２の途中−循環水ラインＡ２７−１−純水冷却器８−循環水ラインＢ２７−２−流量制御弁Ｂ６−２−循環水ラインＣ２７−３−酸素気液分離器２  となる。温度センサ４の出力信号に基づいて、流量制御弁Ｂ６−２の弁の開度を制御する。
【００６１】
一方、純水精製器９による、純水精製を行なうラインは、酸素生成ラインＢ２０−２の途中−循環水ラインＡ２７−１−純水冷却器８−循環水ラインＢ２７−２の途中−循環水ラインＡ２８−１−純水精製器９−循環水ラインＢ２８−２−流量制御弁Ｄ６−４−循環水ラインＣ２８−３−酸素気液分離器２  となる。純水センサ５の出力信号に基づいて、流量制御弁Ｄ６−４の弁の開度を制御する。その時、流量制御弁Ｄ６−４が少しでも開いている場合には、純水精製器９は電源ＯＮの状態であり、流量制御弁Ｄ６−４が閉じている場合には、純水精製器９は電源ＯＦＦ（又は待ち受け）の状態である。
【００６２】
これにより、純水冷却と純水精製とを別々に独立に制御することが可能となる。そして、純水精製器９を通す純水量を減らし、純水精製器９のフィルタやイオン交換樹脂などの消耗品の寿命を延ばし、また、消費電力も抑えることが可能となる。
【００６３】
本発明において、上記水電解セル１での排熱を、酸素冷却器１４及び純水冷却器８において、熱交換により取り出すことにより、排熱を利用する設備とコンバインしたコジェネレーションシステムを組むことが可能となる。排熱を利用する設備として、ヒートポンプ、吸収式冷凍機、ボイラ、暖房用熱交換器などがある。
【００６４】
【発明の効果】
本発明により、ガス発生装置で使用する純水の温度及び純度（導電率）を省スペース、高効率で維持管理することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガス発生装置の実施の形態における構成を示す図である。
【図２】本発明のガス発生装置の実施の形態における他の構成を示す図である。
【図３】本発明のガス発生装置の実施の形態における更に他の構成を示す図である。
【図４】本発明のガス発生装置の実施の形態における別の構成を示す図である。
【図５】従来技術におけるガス発生装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１    水電解セル
２    酸素気液分離器
３    水素気液分離器
４    温度センサ
５    純水センサ
６−１    流量制御弁Ａ
６−２    流量制御弁Ｂ
６−３    流量制御弁Ｃ
６−４    流量制御弁Ｄ
７    循環水ポンプ
８    純水冷却器
９    純水精製器
１０    水素側排水弁
１１    水素排気弁
１２    酸素排気弁
１３    純水供給弁
１４    酸素冷却器
１６    制御部
２０−１    酸素生成ラインＡ
２０−２    酸素生成ラインＢ
２０−３    酸素生成ラインＣ
２１    水素生成ライン
２２−１    循環水ラインＡ
２２−２    循環水ラインＢ
２２−３    循環水ラインＣ
２２−４    循環水ラインＤ
２３−１    酸素排気ラインＡ
２３−２    酸素排気ラインＢ
２３−３    酸素排気ラインＣ
２４−１    純水供給ラインＡ
２４−２    純水供給ラインＢ
２５−１    水素排気ラインＡ
２５−２    水素排気ラインＢ
２６−１    第１排水ラインＡ
２６−２    第１排水ラインＢ
２７−１    循環水ラインＡ
２７−２    循環水ラインＢ
２７−３    循環水ラインＣ
２８−１    循環水ラインＡ
２８−２    循環水ラインＢ
２２−３    循環水ラインＣ
２９    バイパス弁
３０    バイパスライン
４０    循環管理部
【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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