(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
純水を電気分解して水素と酸素を製造する水電解部と、
前記水電解部から送出された純水である第１純水と前記水素とを貯蔵する水素貯蔵タンクと、
を具備し、
前記水電解部は、前記水素貯蔵タンク内に水没している、
ガス発生装置。
【請求項２】
前記水素貯蔵タンクの圧力を測定し水素圧力測定値を出力する水素圧力計と、
前記第１純水の水位である第１水位を計測する第１液面計と、
前記水電解部から送出された純水である第２純水と前記酸素とを貯蔵する酸素貯蔵タンクと、
前記酸素貯蔵タンクの圧力を測定し酸素圧力測定値を出力する酸素圧力計と、
前記水素圧力測定値と前記酸素圧力測定値と前記第１水位とに基づいて、前記水電解部の負極側の圧力である第１圧力と正極側の圧力である第２圧力との差を無くすように、前記第１純水の水位である第１水位及び前記第２純水の水位である第２水位の内、少なくとも一方を制御する制御部と、
を更に具備する、
請求項１に記載のガス発生装置。
【請求項３】
前記第１純水を排出可能な第１排水弁と、
前記第２純水を排出可能な第２排水弁と、
を更に具備し、
前記制御部は、前記第１水位を前記第１排水弁で制御し、前記第２水位を前記第２排水弁で制御する、
請求項２に記載のガス発生装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記第１圧力と前記第２圧力との差の絶対値を、予め設定された基準値以下にするように前記第１水位及び前記第２水位の内、少なくとも一方を制御する、
請求項２又は３に記載のガス発生装置。
【請求項５】
前記水素貯蔵タンクへ純水を供給可能な第１給水弁と、
を更に具備し、
前記制御部は、更に、前記第１排水弁に加えて、前記第１給水弁で前記第１水位を制御する、
請求項２乃至４に記載のガス発生装置。
【請求項６】
前記酸素貯蔵タンクへ純水を供給可能な第２給水弁と、
を更に具備し、
前記制御部は、更に、前記第２排水弁に加えて、前記第２給水弁で前記第２水位を制御する、
請求項２乃至４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】
水の電気分解（以下、「水電解」と記す）により、水素ガスと酸素ガスとを製造するガス発生装置は、高効率かつ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、環境汚染物質を排出せずにガスの製造を行なうことが可能であり、環境に優しいガス発生装置とすることが出来る。
【０００３】
ガス発生装置の効率を更に高くするのに、水電解を行なう水電解セルの運転時のセル内の圧力（運転圧）を高くする方法がある。しかし、運転圧のみを高くすると、異常時に、水電解セル内部のガスや水が外部に吹き出す危険性があり、安全上問題がある。従って、通常、水電解セルを加圧容器に封入し、運転圧だけでなく周囲の圧力も含めて高圧にする。その時、運転圧及び周囲の圧力は概ね同圧とする。高圧用の媒体としては窒素ガスを用いることが多い。しかし、大きな加圧容器を用意する必要があり、システムが巨大になり、スペース的に問題がある。また、コストアップの要因となる。
【０００４】
関連する技術として、特開２０００-１０４１９１号公報において、水素・酸素発生装置の技術が開示されている。ここでは、加圧容器の代わりに、製造された酸素ガスを貯蔵する酸素貯蔵タンクが用いられる。すなわち、酸素貯蔵タンクは、酸素ガスの貯蔵及び水電解セルの加圧容器として利用される。また、水素貯蔵タンク及び酸素貯蔵タンク内の水の制御は、水位計により水位がＬレベルに達した場合、又は、Ｈレベルに達した場合に対して行なわれる。従って、水位を一定の範囲（Ｌレベル〜Ｈレベル）で維持することが出来る。
【０００５】
特開平８−２３９７８９号公報において、水素・酸素発生装置の技術が開示されている。この技術では、加圧容器に水電解に使用する純水を満たし、加圧用の不活性ガス及び関連機器等を削減している。また、水電解を行なうセルの負極側と正極側の圧力調整を、水素側基液分離タンクと酸素側気液分離タンクにおいて、内部のガスを抜き、外部の貯蔵タンクへ送出することにより行なう。
【０００６】
また、水素ガスの空気中の爆発限界（常温、常圧）の濃度は、下限４％、上限７５％といわれている。これらの数値から、（Ａ）酸素ガス中に水素ガスがリークする場合と、（Ｂ）水素ガス中に酸素ガスがリークする場合とでは、リークの速度が同じであれば、（Ａ）の方が、混合ガス（酸素ガス＋水素ガス）の濃度が速く危険な範囲（爆発限界）に入ることが予測される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、加圧容器等の付加的な容器を用いずに、水電解セルを加圧する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、水電解セルの加圧に関わる機器やガスを削減し、低コスト化を図ることが可能なガス発生装置を提供することである。
【０００９】
また、本発明の更に別の目的は、水電解セルをより均一に加圧することが可能であるガス発生装置を提供することである。
【００１０】
また、本発明の更に別の目的は、水電解セル内の圧力差の発生を装置内で調整可能なガス発生装置を提供することである。
【００１１】
また、本発明の更に別の目的は、水電解セルをより安全に加圧することが可能であるガス発生装置を提供することである。
【００１２】
また、本発明の更に別の目的は、水電解の効率を向上させることが可能なガス発生装置を提供することである。
【００１３】
また、水電解により発生する水素ガス及び酸素ガスを、特別な機器を用いることなく効果的に水電解スタックの外部へ送出することが可能なガス発生装置を提供することである。
【００１４】
【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。
【００１５】
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、純水を電気分解して水素と酸素を製造する水電解部（１）と、前記水電解部から送出された純水である第１純水と前記水素とを貯蔵する水素貯蔵タンク（２）とを具備する。そして、前記水電解部（１）は、前記水素貯蔵タンク（２）内に水没している。
【００１６】
また、本発明のガス発生装置は、前記水素貯蔵タンク（２）の圧力を測定し水素圧力測定値を出力する水素圧力計（６）と、前記第１純水の水位である第１水位を計測する第１液面計（８）と、前記水電解部（１）から送出された純水である第２純水と前記酸素とを貯蔵する酸素貯蔵タンク（３）と、前記酸素貯蔵タンク（３）の圧力を測定し酸素圧力測定値を出力する酸素圧力計（７）とを更に具備する。それに加えて、前記水素圧力測定値と前記酸素圧力測定値と前記第１水位とに基づいて、前記水電解部（１）の負極側の圧力である第１圧力と正極側の圧力である第２圧力との差を無くすように、前記第１純水の水位である第１水位及び前記第２純水の水位である第２水位の内、少なくとも一方を制御する制御部（１９）とを更に具備する。
【００１７】
更に、本発明のガス発生装置は、前記第１純水を排出可能な第１排水弁（１２）と、前記第２純水を排出可能な第２排水弁（１３）とを更に具備する。そして、前記制御部（１９）は、前記第１水位を前記第１排水弁（１２）で制御し、前記第２水位を前記第２排水弁（１３）で制御する。
【００１８】
更に、本発明のガス発生装置は、前記制御部（１９）が、前記第１圧力と前記第２圧力との差の絶対値を、予め設定された基準値以下にするように前記第１水位及び前記第２水位の内、少なくとも一方を制御する。
【００１９】
更に、本発明のガス発生装置は、前記水素貯蔵タンク（２）へ純水を供給可能な第１給水弁（１０）とを更に具備し、前記制御部（１９）は、更に、前記第１排水弁（１２）に加えて、前記第１給水弁（１０）で前記第１水位を制御する。
【００２０】
更に、本発明のガス発生装置は、前記酸素貯蔵タンク（３）へ純水を供給可能な第２給水弁（１１）とを更に具備し、前記制御部（１９）は、更に、前記第２排水弁（１３）に加えて、前記第２給水弁（１１）で前記第２水位を制御する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明であるガス発生装置の実施の形態について、添付の図面を用いて説明する。本実施例において、水電解セルの加圧を、ガス貯蔵タンク内に水電解セルを入れることにより行なうが、他の電気化学セルにおいても適用可能である。
【００２２】
（実施例１）
本発明であるガス発生装置の第一の実施の形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明であるガス発生装置の第一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、水素／水出口５を有する水電解部１、水素貯蔵タンク２、酸素貯蔵タンク３、純水製造部４、水素圧力計６、酸素圧力計７、第１液面計８、第２液面計９、第１給水弁１０、第２給水弁１１、第１排水弁Ａ１２、第２排水弁Ａ１３、循環水ポンプ１４、純水ポンプＢ１５、第１排水弁Ｂ１６、第２排水弁Ｂ１７、純水給水弁１８、制御部１９、純水供給弁２８、純水ポンプＡ２９、酸素生成ラインＡ２０−１、酸素生成ラインＢ２０−２、酸素生成ラインＣ２０−３、給水ラインＡ２４−１、給水ラインＢ２４−２、給水ラインＣ２４−３、給水ラインＤ２４−４、給水ラインＥ２４−５、給水ラインＦ２４−６、第１排水ラインＡ２５−１、第１排水ラインＢ２５−２、第１排水ラインＣ２５−３、第２排水ラインＡ２６−１、第２排水ラインＢ２６−２、第２排水ラインＣ２６−３、純水導入ライン２７、純水供給ラインＡ３０−１、純水供給ラインＢ３０−２、純水供給ラインＣ３０−３を具備する。
【００２３】
本発明のガス発生装置では、その水電解部１は、純水を有する水素貯蔵タンク２内にある。そして、純水中に水没している。すなわち、水電解部１は、水素貯蔵タンク２内で、その純水により加圧され高圧化されている。従って、余分な加圧容器を用いず水電解部１を加圧することが可能である。また、純水（液体）中で加圧するので、圧力をより均一に水電解部１全体にかけることが出来る。更に、水素貯蔵タンク２内で水電解部１から酸素ガスが漏れる方が、酸素貯蔵タンク３内に水電解部１を置き水素ガスが漏れる場合よりも、混合ガス（水素ガス＋酸素ガス）の濃度が危険な範囲（爆発限界）に入る速度が遅い（ただし、ガスのリーク速度を同一とした場合）。
【００２４】
図１の各構成について、以下に説明する。
制御部１９は、水素圧力計６からの出力である水素圧力測定値と、酸素圧力計７からの出力である酸素圧力測定値と、第１液面計の第１水位を継続的に監視する。水素圧力測定値と第１水位とに基づいて、水電解部１の負極側の圧力を算出する。同時に、酸素圧力測定値に基づいて正極側の圧力を算出する。そして、負極側の圧力と正極側の圧力との間に差が発生した場合、その差を無くすように、第１排水弁１２、第２排水弁１３、第１給水弁１０及び第２給水弁１１の開閉を制御する。例えば、負極側の圧力＞正極側の圧力の場合には、第１排水弁１２を開き、水素貯蔵タンク２内の純水を適量排出して水素貯蔵タンク２内を減圧する、あるいは、第２給水弁１１を開き、酸素貯蔵タンク３内に外部から純水を適量供給して酸素貯蔵タンク３内を昇圧することにより、両貯蔵タンク間の圧力の差を無くす。
また、第１液面計８からの出力である第１水位と、第２液面計９からの出力である第２水位とを継続的に監視する。そして、第１水位が、予め設定された第１水位の許容範囲である第１許容水位範囲にあるように、また、第２水位が、予め設定された第２水位の許容範囲である第２許容水位範囲にあるように、上述の圧力差を無くす制御を行なう。
【００２５】
水電解部１は、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。水素貯蔵タンク２内の純水中に水没して、その底面上に設置されている。水電解部１には、水素貯蔵タンク２の圧力がそのままかかっている。製造された水素ガスは、水素／水出口５から水素貯蔵タンク２内の純水中へ送出される。そして、水素ガスは、水素貯蔵タンク２内の水電解部１が水没している純水の上部の水素ガス溜まりで貯蔵される。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。
【００２６】
水素貯蔵タンク２は、水電解部１により製造された水素ガスを貯蔵する。水電解の際、一部の原料水が固体高分子電解質を負極側へ浸透するため、その純水（第１純水）もまた、水素ガスと共に水素貯蔵タンク２に貯蔵される。それに加えて、水電解部１本体が内部に設置される。水電解部１は、常時水没している必要があるため、その分の純水を常時貯蔵している。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、概ね、水素貯蔵タンク２の容積（水電解部１の水没用純水の容積を含まず）：酸素貯蔵タンク３の容積＝２：１とする。
水素圧力計６は、水素貯蔵タンク２に設置され、水素貯蔵タンク２内の気体の圧力を測定する。そして、測定結果である水素圧力測定値を、制御部１９へ出力する。
第１液面計８は、水素貯蔵タンク２内に設置され、水素貯蔵タンク２内の純水の水位を計測する。そして、計測結果である第１水位を、制御部１９へ出力する。
【００２７】
酸素貯蔵タンク３は、純水製造部４で製造された純水を貯蔵し、水電解部１での水電解に使用する。そして、水電解部１により製造された酸素ガスを貯蔵する。また、水電解部１へ供給された原料水の内、水電解されなかった残余の純水（第２純水）も還流され、製造された酸素ガスと共に酸素貯蔵タンク３に貯蔵される。
第２液面計９は、酸素貯蔵タンク３内に設置され、酸素貯蔵タンク３内の純水の水位を計測する。そして、計測した計測結果である第２水位を、制御部１９へ出力する。
酸素圧力計７は、酸素貯蔵タンク３に設置され、酸素貯蔵タンク３内の気体の圧力を測定する。そして、測定した測定結果である酸素圧力測定値を、制御部１９へ出力する。
循環水ポンプ１４は、酸素貯蔵タンク３の純水を水電解部１へ送出する。
【００２８】
第１排水弁Ａ１２及び第１排水弁Ｂ１６は、水素貯蔵タンク２内の圧力を低下させるために蓄積した純水を排出するための配管に設けられた弁である。制御部１９により、その開閉及び開度を制御される。
第２排水弁Ａ１３及び第２排水弁Ｂ１７は、酸素貯蔵タンク３内の圧力を低下させるために蓄積した水を排出するための配管にもうけられた弁である。制御部１９により、その開閉及び開度を制御される。
【００２９】
純水製造部４は、外部からの市水等の供給により、水電解の原料や、水素貯蔵タンク２及び酸素貯蔵タンク３の圧力調整等に使用される純水を製造する。また、圧力調整等のために水素貯蔵タンク２及び酸素貯蔵タンク３から送出される純水を受け入れる。給水タンクの機能も有する。
純水ポンプＡ２９は、純水製造部４の純水を酸素貯蔵タンク３へ供給する。常圧の純水を酸素貯蔵タンク３の圧力に昇圧可能である。
純水供給弁２８は、純水ポンプＡ２９により酸素貯蔵タンク３へ純水を供給する配管に設けられた弁である。
第１給水弁１０は、水素貯蔵タンク２内の圧力を上昇させるために、水素貯蔵タンク２へ純水を供給する配管（給水ライン２４）に設けられた弁である。制御部１９により、その開閉及び開度を制御される。
第２給水弁１１は、酸素貯蔵タンク３内の圧力を上昇させるために、酸素貯蔵タンク３へ純水を供給する配管（給水ライン２４）に設けられた弁である。制御部１９により、その開閉及び開度を制御される。
純水給水弁１８は、水素貯蔵タンク２及び酸素貯蔵タンク３へ純水を供給する配管（給水ライン２４）に設けられた弁である。制御部１９により、その開閉及び開度を制御される。
純水ポンプＢ１５は、水素貯蔵タンク２及び酸素貯蔵タンク３の圧力調整のため、純水製造部４の純水を水素貯蔵タンク２及び酸素貯蔵タンク３へ送出する。
【００３０】
次に、上記各構成を接続する配管について説明する。
純水導入ライン２７は、外部の市水等の供給部から市水等を純水製造部４へ供給する配管である。
純水供給ラインＡ３０−１〜純水供給ラインＣ３０−３は、純水製造部４で製造された純水を酸素貯蔵タンク３へ供給するための配管である。
純水供給ラインＡ３０−１は、一端部を純水製造部４に、他端部を純水ポンプＡ２９に接続している。純水供給ラインＢ３０−２は、一端部を純水ポンプＡ２９に、他端部を純水供給弁２８に接続している。純水供給ラインＣ３０−３は、一端部を純水供給弁２８に、他端部を酸素貯蔵タンク３に接続している。
【００３１】
酸素生成ラインＡ２０−１〜酸素生成ラインＣ２０−３は、水電解に必要な純水を酸素貯蔵タンク３から水電解部１へ供給し、生成した酸素ガスと残余の純水を酸素貯蔵タンク３へ還流するための配管である。酸素生成ラインＡ２０−１は、一端部を酸素貯蔵タンク３に、他端部を循環水ポンプ１４に接続している。酸素生成ライン２０−２は、一端部を循環水ポンプ１４に、他端部を水電解部１に接続している。酸素生成ラインＣ２０−３は、一端部を水電解部１に、他端部を酸素貯蔵タンク３に接続している。
【００３２】
第１排水ラインＡ２５−１〜第１排水ラインＣ２５−３は、水素貯蔵タンク２の純水を外部へ排出するための配管である。第１排水ラインＡ２５−１は、一端部を水素貯蔵タンク２に、他端部を第１排水弁Ａ１２に接続している。第１排水ラインＢ２５−２は、一端部を第１排水弁１２に、他端部を第１排水弁Ｂ１６に接続している。第１排水ラインＣ２５−３は、一端部を第１排水弁Ｂ１６に、他端部を純水製造部４に接続している。
第２排水ラインＡ２６−１〜第２排水ラインＣ２６−３は、酸素貯蔵タンク３の純水を外部へ排出するための配管である。第２排水ラインＡ２６−１は、一端部を酸素貯蔵タンク３に、他端部を第２排水弁Ａ１３に接続している。第２排水ラインＢ２６−２は、一端部を第２排水弁Ａ１３に、他端部を第２排水弁Ｂ１７に接続している。第２排水ラインＣ２６−３は、一端部を第２排水弁Ｂ１７に、他端部を純水製造部４に接続している。
【００３３】
給水ラインＡ２４−１〜給水ラインＦ２４−６は、純水製造部４の純水を、水素貯蔵タンク２又は酸素貯蔵タンク３へ供給するための配管である。
給水ラインＡ２４−１は、一端部を水素貯蔵タンク２に、他端部を第１給水弁１０に接続している。給水ラインＢ２４−２は、一端部を第１給水弁１０に、他端部を純水ポンプＢ１５に接続している。給水ラインＣ２４−３は、一端部を酸素貯蔵タンク３に、他端部を第２給水弁１１に接続している。給水ラインＤ２４−４は、一端部を第２給水弁１１に、他端部を給水ラインＢ２４−２の途中に接続している。給水ラインＥ２４−５は、一端部を純水ポンプＢ１５に、他端部を純水給水弁１８に接続している。給水ラインＦ２４−６は、一端部を純水給水弁１８に、他端部を純水製造部４に接続している。
【００３４】
次に、本発明のガス発生装置の第一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。
図１において、水電解部１は、水素貯蔵タンク２内の純水中に水没している（水中に完全に入っている）。そして、ガス発生装置の運転中、すなわち水電解中において、水電解部１は、酸素貯蔵タンク３から循環水ポンプ１４により酸素生成ラインＡ２０−１、酸素生成ラインＢ２０−２経由で純水を供給されている。同時に、水電解部１は、電源（図示せず）により電力を投入されている。それらにより水電解を行ない、負極側に水素ガス、正極側に酸素ガスを製造する。
【００３５】
負極側では、製造された水素ガスと電解質を浸透して来た純水が、水電解部１の水素／水出口５から送出される。送出された純水は、水電解部１の周囲の純水に混ざり貯蔵される。また、送出された水素は、水素貯蔵タンク２内の純水の上部を占めるように貯蔵される。また、正極側では、製造された酸素ガスと水電解されなかった純水とが水電解部１から送出され、酸素生成ラインＣ２０−３経由で、酸素貯蔵タンク３に貯蔵される。水素貯蔵タンク２及び酸素貯蔵タンク３は、ガス発生（ガス貯蔵）に伴い徐々に圧力が上昇する。
【００３６】
水素貯蔵タンク２における純水の水位（第１水位）について説明する。
水素貯蔵タンク２内の水電解部１の負極側にかかる圧力Ｐ１は、Ｐ１＝水素ガスの圧力＋水電解部１の代表水深分の水圧  である。ただし、水電解部１内に複数あるセルの間で水深が異なるので、水電解部１の深さ方向の中心の水深を代表水深とする。従って、水電解部１の正極側にかかる圧力Ｐ２もＰ１と同等の圧力である必要がある。すなわち、水電解部１の運転圧Ｐ０は、Ｐ０＝Ｐ１＝Ｐ２であることが、固体高分子電解質膜の保護の観点から望ましい。Ｐ２は、酸素貯蔵タンク３の酸素ガスの圧力である。
【００３７】
以上から、運転圧＝水素ガスの圧力＋水電解部１の代表水深分の水圧＝酸素ガスの圧力  となる。水素ガスの圧力は、水素圧力計６で測定される水素圧力測定値である。水電解部１の代表水深分の水圧は、第１液面計８で得られる水素貯蔵タンク２内の純水の水位である第１水位Ｓ１と水電解部１の厚みｄ（の１／２）とから計算できる（＝Ｓ１−ｄ／２）。また、酸素ガスの圧力は、酸素圧力計７で測定される酸素圧力測定値である。従って、第１水位は、この関係を満たすように決定される。
実際には、制御部１９により、水素ガスの圧力、酸素ガスの圧力、第１水位の３つをコントロールして制御する。ただし第１水位は水電解部１を水没させる範囲内でコントロールする（水面上に出さない）
【００３８】
制御部１９の制御について、以下に説明する。
ただし、第１許容水位範囲は、水素貯蔵タンク２内に存在が許容される純水の上限量と下限量とから求められる水位の範囲である。純水量が多過ぎると水素ガスの貯蔵量が少なくなり過ぎ、純水量が少なすぎると水電解部１が水面から出てしまう他、水素ガスの圧力調整が困難になる（出来るだけ純水の排水により圧力調整を行なうことが望ましい）ために設定される。制御部１９の図示しない記憶部に保持される。
第２許容水位範囲は、酸素貯蔵タンク３内に存在が許容される純水の上限量と下限量とから求められる水位の範囲である。制御部１９の図示しない記憶部に保持される。趣旨は第１許容水位範囲と同様である（水電解部１が水面から出ることを除く）。
また、許容し得る上記Ｐ１とＰ２との差を示す予め設定された基準値Ｄは、使用する固体高分子電解質の膜の強度に基づいて決定する。すなわち、基準値Ｄで示される圧力差が膜に生じても、膜が損傷しない最大の圧力である。ただし、安全率を考慮し、それ以下の値に設定する場合もある。例えば、膜が損傷しない最大の圧力差の１／２に基準値Ｄを設定する。
【００３９】
（１）ステップ１：制御部１９は、水素圧力計６からの出力である水素圧力測定値（Ａ）と、酸素圧力計７からの出力である酸素圧力測定値（Ｂ）と、第１液面計８の出力である第１水位Ｓ１とを継続的に取得する。そして、Ｐ１＝水素ガスの圧力＋水電解部１の代表水深分の水圧、及び、Ｐ２＝酸素ガスの圧力  を求める。ただし、水素ガスの圧力＝Ａ、水電解部１の代表水深分の水圧＝水深（Ｓ１−ｄ／２）での水圧、酸素ガスの圧力＝Ｂ  である。
（２）ステップ２：制御部１９は、Ｐ１とＰ２との差（Ｃ＝Ｐ１−Ｐ２）を計算する。そして、予め設定された基準値Ｄ（例えば、Ｄ＝０．０１気圧）に対して、Ｃ＞Ｄの場合、ステップ３へ進む。Ｃ＜−Ｄの場合、ステップ８へ進む。｜Ｃ｜≦Ｄの場合、ステップ１３へ進む。
（３）ステップ３：制御部１９は、Ｐ１が大き過ぎることから、（ａ）第１排水弁１２を開き水素貯蔵タンク２の純水を抜くか、（ｂ）第２給水弁１１を開き酸素貯蔵タンク３へ純水を供給するか、（ｅ）水素ガスを排出する（供給量を増やす）のいずれかを行う。ただし（ｅ）（水素ガスを排出する方法）は水素の使用量や貯蔵機器（例えばバッファタンク）の有無に依存するため、通常、（ａ）（純水を抜く方法）を優先させる。そのために、第１水位が第１許容水位範囲にあるかどうかを確認する。第１許容水位範囲内であればステップ４へ進む。第１許容水位範囲内でなければステップ５へ進む。
（４）ステップ４：制御部１９は、Ｐ１が大き過ぎることから、上記（ａ）（純水を抜く方法）を行なうことにより、その圧力を低下させる。そして、ステップ１へ戻る。
（５）ステップ５：制御部１９は、第１排水弁１２の閉止を確認する。開いている場合には、閉止する。ステップ６へ進む。
（６）ステップ６：制御部１９は、第１水位が第１許容水位範囲に無いので、（ｂ）（純水を供給する方法）を行なうために、まず、第２水位が第２許容水位範囲にあるかどうかを確認する。第２許容水位範囲内であればステップ７へ進む。第２許容水位範囲内でなければステップ１５へ進む。
（７）ステップ７：制御部１９は、Ｐ１が大き過ぎることから、（ｂ）（純水を供給する方法）を行なうことにより、その圧力Ｐ２を上昇させる。そして、ステップ１へ戻る。
（８）ステップ８：制御部１９は、Ｐ２が大き過ぎることから、（ｃ）第２排水弁１３を開き酸素貯蔵タンク３の純水を抜くか、（ｄ）第１給水弁１０を開き水素貯蔵タンク２へ純水を供給するか、（ｆ）酸素ガスを排出する（排出量を増やす）のいずれかを行う。ただし（ｆ）（酸素ガスを排出する方法）は酸素の使用量や貯蔵機器（例えばバッファタンク）の有無に依存するため、通常、（ｃ）（純水を抜く方法）を優先させる。そのために、第２水位が第２許容水位範囲にあるかどうかを確認する。第２許容水位範囲内であればステップ９へ進む。第２許容水位範囲内でなければステップ１０へ進む。
（９）ステップ９：制御部１９は、Ｐ２が大きいことから、（ｃ）（純水を抜く方法）を行うことにより、その圧力を低下させる。そして、ステップ１へ戻る。
（１０）ステップ１０：制御部１９は、第２排水弁１３の閉止を確認する。開いている場合には、閉止する。ステップ１１へ進む。
（１１）ステップ１１：制御部１９は、第２水位が第２許容水位範囲に無いので、（ｄ）（純水を供給する方法）を行なうために、まず、第１水位が第１許容水位範囲にあるかどうかを確認する。第１許容水位範囲内であればステップ１２へ進む。第１許容水位範囲内でなければステップ１５へ進む。
（１２）ステップ１２：制御部１９は、Ｐ２が大き過ぎることから、（ｄ）（純水を供給する方法）を行なうことにより、その圧力Ｐ１を上昇させる。そして、ステップ１へ戻る。
（１３）ステップ１３：制御部１９は、Ｐ１とＰ２との間の圧力差の絶対値が、基準値Ｄ以下であることから、圧力を調整する必要無しと判断する。第１排水弁１２、第２排水弁１３、第１給水弁１０及び第２給水弁１１の内、開いている弁があれば閉止する。ステップ１４へ進む。
（１４）ステップ１４：制御部１９は、水電解部１において、水電解が継続中かどうかを確認する。水電解が継続中の場合には、ステップ１へ戻る。水電解が終了している場合には、圧力制御を終了する。
（１５）ステップ１５：制御部１９は、第１水位が第１許容水位範囲に無く、且つ第２水位が第２許容水位範囲に無いため、水量の増減では圧力の制御を行なうことが不可能であると判断し、（ｅ）もしくは（ｆ）のガスを排出する方法を適用する。その場合、水素貯蔵タンク２の有する水素ガス排出弁（図示せず）又は酸素貯蔵タンク３の有する酸素ガス排出弁（図示せず）を制御部１９が適量開くことで行なう。ガスの排出にて圧力を基準値Ｄ内に戻し、ステップ１に戻る。
しかし、それらの方法が適用できない場合は全ての弁（第１排水弁１２、第２排水弁１３、第１給水弁１０及び第２給水弁１１）を閉止する。ステップ１６へ進む。
（１６）ステップ１６：警報を出力し、運転者あるいは管理者等へ知らせる。また、必要に応じて、水電解の運転を停止する。
【００４０】
排水の場合、制御部１９は、排水弁の開度を小さくし、圧力測定値の値の変化を確認しながら排水する。両貯蔵タンク内の圧力は常圧以上であり、排水弁が開くと自然に排水される。また、給水の場合、制御部１９は、給水弁の開度を小さくし、圧力測定値の値の変化を確認しながら純水ポンプＢ１５により給水する。両貯蔵タンク内の圧力は常圧以上であり、その圧力以上に純水を昇圧して給水を行なう。そして、水電解部１の代表水深分の水圧を、純水の排水及び給水による第１水位の変化に合わせて、制御部１９で随時計算し、Ｐ１（水素ガスの圧力＋水電解部１の代表水深分の水圧）を求め、Ｐ２（酸素ガスの圧力）と比較する。
そして、Ｐ１とＰ２との間の圧力差の絶対値が基準値Ｄ以下になった時点で、排水弁又は給水弁を閉止する。これにより、圧力計、液面計、排水弁及び給水弁で圧力差の制御を行うことが出来る。
【００４１】
本発明により、水電解部１を水素貯蔵タンク２に入れて水電解を行なうので、加圧容器が不要となる。従って、省スペース化が図れ、コストも低減することが可能となる。また、水電解時に発生する負極側（水素ガス側）と正極側（酸素ガス側）との圧力差を、一定の値以下に抑えることができるので、水電解部１の電解質を損傷することなく水電解を行なうことが出来る。従って、信頼性が向上し、長期に運転を行なうことが可能となる。
【００４２】
本発明のガス発生装置では、排水による圧力制御だけではなく、給水による圧力制御を行なうことも可能なので、純水不足による圧力制御不能の事態が発生する危険性がほとんど無い。従って、長期間安定的に純水だけによる圧力制御を行なうことが可能となる。
【００４３】
また、本発明では、水電解部１が、多量の水中に存在するため、セル温度の上昇を抑制することが可能となる。必要に応じて、純水製造部４の純水を給水し、水素貯蔵タンク２の純水を排出することにより、さらに温度を低く抑えることが出来る。また、必要に応じて、水素貯蔵タンク２に純水の熱を逃がす放熱部を付加することも可能である。そして、水電解部１の温度コントロールが容易となる。
【００４４】
また、加圧を純水により行なうので、窒素ガス及び窒素ガス関連の配管、供給機器等が不要な為、加圧が容易でありコストも低減することが出来る。更に、配管や使用機器を減らすことで故障率が下がり、信頼性・安全性が向上できる。
【００４５】
また、酸素ではなく、水素貯蔵タンク２に水電解部１を入れることにより、ガスがリーク（この場合、酸素ガスが水素ガス中にリーク）した場合の安全性が、酸素貯蔵タンク３に水電解部１を入れた場合に比較して、向上するとが予測できる（ただし、同じガスリーク速度の場合）。それは、以下の理由による。
水素ガスの空気中の爆発限界（常温、常圧）の濃度は、下限４％、上限７５％といわれている。従って、空気中に水素ガスをリークした場合の方が、水素ガス中に空気をリークした場合よりも、混合ガス（空気＋水素ガス）の濃度が速く危険な範囲（爆発限界）に入ると考えられるからである。
【００４６】
本発明のガス発生装置では、基準値Ｄの値を変化させることにより、固体高分子電解質の膜の強度に併せた制御が可能となる。強い膜を使用するのであれば基準値Ｄを大きくすることにより圧力制御がより容易となる。基準値Ｄは、図示しない制御部１９内の記憶部に保持される。
【００４７】
（実施例２）
次に、本発明であるガス発生装置の第二の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。
図２は、本発明であるガス発生装置の第二の実施の形態における構成を示している。
ガス発生装置は、水素／水出口５と酸素／水出口４１と水入口４２とを備える水電解部１、保持部４４、水素貯蔵タンク２、酸素貯蔵タンク３、純水製造部４、水素圧力計６、酸素圧力計７、第１液面計８、第２液面計９、第１給水弁１０、第２給水弁１１、第１排水弁Ａ１２、第２排水弁Ａ１３、循環水ポンプ１４、純水ポンプＢ１５、第１排水弁Ｂ１６、第２排水弁Ｂ１７、純水給水弁１８、制御部１９、純水供給弁２８、純水ポンプＡ２９、酸素生成ラインＡ２０−１、酸素生成ラインＢ２０−２、酸素生成ラインＣ２０−３、給水ラインＡ２４−１、給水ラインＢ２４−２、給水ラインＣ２４−３、給水ラインＤ２４−４、給水ラインＥ２４−５、給水ラインＦ２４−６、第１排水ラインＡ２５−１、第１排水ラインＢ２５−２、第１排水ラインＣ２５−３、第２排水ラインＡ２６−１、第２排水ラインＢ２６−２、第２排水ラインＣ２６−３、純水導入ライン２７、純水供給ラインＡ３０−１、純水供給ラインＢ３０−２、純水供給ラインＣ３０−３を具備する。また、図２の角度θは、水平面（水素貯蔵タンク２の底面）と水電解部１（の底面、セル３など）とが成す角である。
【００４８】
本発明のガス発生装置では、その水電解部１に具備されるセルは、水平面に対して、ある角度θを成すように傾けて設置される点が実施例１と異なる。その傾きにより、セルにおいて発生するガスが傾きに沿って上方へ移動し易くなる。それにより、θ＝０の場合に比較して、より電極近傍のガスが抜け易くなる。そして、膜表面において水電解の妨げとなるガス滞留が起き難く、セルの電解質膜全体が水電解に使用され、水電解の効率を向上することが可能となる。
【００４９】
図２の各構成について、以下に説明する。
各構成の内、水電解部１及び保持部４４以外は実施例１と同様であるので、その説明を省略する。水電解部１については、図３を参照して説明する。
【００５０】
図３は、本発明のガス発生装置の第二の実施の形態に関わる水電解部１と保持部４４の構成図である。
図３（ｂ）は、水電解部１の斜投影図である。図３（ａ）は、水電解部１の水電解セル４３の構成図である。まず、図３（ｂ）を参照して、水電解部１を説明する。
水電解部１は、水素／水出口５と酸素／水出口４１と水入口４２と水電解セル４３とを具備する。そして、水電解部１は、保持部４４により、水平面Ｈ（水素貯蔵タンク２の底面）に対して角度θで傾いた状態で水素貯蔵タンク２に設置されている。水電解部１では、複数の水電解セル４３が、水電解部１の上面（あるいは底面）と平行に積層されている。図３（ｂ）において、水電解部１の厚みは、ｄであり、その水素貯蔵タンク２の底面から角度θで延びる辺の方向の長さは、ａである。その他の説明は実施例１と同様である。
【００５１】
水入口４２は、純水を水電解部１へ供給するための供給口である。供給された水は、水電解部１の内部において、各水電解セル４３へ分配・供給される。水入口４２は、傾き（角度θ）を有する水電解部１の低所側にある。
水素／水出口５は、各水電解セル４３内で製造された水素ガスと、電気化学反応の際、正極側から負極側へ電解質を浸透した純水とを集め、水電解部１から送出するための送出口である。水素／水出口５は、傾き（角度θ）を有する水電解部１の高所側にある。
酸素／水出口４１は、各水電解セル４３内で製造された酸素ガスと、電気化学反応の際、反応に使用されなかった残余の純水とを集め、水電解部１から送出するための送出口である。酸素／水出口４１は、傾き（角度θ）を有する水電解部１の高所側にある。
保持部４４は、水電解部１を一定の傾き（角度θ）で保持する楔形形状の治具である。水電解部１にボルトのような固定部品で取り付けられている。ただし、このような形状の治具に限られるものではなく、水電解部１を一定の傾きに保持することが可能な機能を有しているものであれば良い。
【００５２】
図３（ｂ）に示すように、本発明のガス発生装置に関わる水電解部１は、水平面Ｈ（水素貯蔵タンク２の底面）と角度θを成して設置されている。すなわち、水電解部１の水電解セル４３は、水平面Ｈに対して角度θだけ傾いている。純水は、水入口４２から各水電解セル４３へ供給される。そして、各水電解セル４３の傾斜を登りつつ、水電解セル４３での電気化学反応により水素ガス及び酸素ガスに変換される。それらの水素ガスや酸素ガス及び純水は、水電解セル４３の傾斜を登り切り、負極側の水素ガス及び純水は水素／水出口５から、正極側の酸素ガス及び純水は酸素／水出口４１から送出される。その際、負極及び正極では純水と各ガスが存在するが、この傾きと液体の純水との比重差により、出口方向（水素／水送出部Ａ１８及び水素／水送出部Ｂ１９、あるいは、酸素／水送出部２０及び酸素／水送出部２１）へ、移動し易くなる。すなわち、水電解セル４３のガス抜けが容易となる。
【００５３】
角度θの大きさの範囲としては、次のようになる。
水電解セル４３が、水平面Ｈから少しでも傾ければ、その効果が現れることから、下限は０度より大きい値であれば良い。その一方で、傾けすぎると、原料である純水が、各水電解セルの下部に溜まり易くなり、セル３全面で一様に水電解を行うことが困難になる。従って、上限は４５度となる。すなわち、０°＜θ＜４５°である。より好ましくは、５°＜θ＜３０°である。
【００５４】
図３（ａ）を参照して、水電解セル４３を説明する。水電解セル４３は、正極側溝３３と負極側溝３４とを有するセパレータ溝部３２、セル３１、正極側溝３３と負極側溝３４とを有するセパレータ溝部３５を備える。
【００５５】
セル３１は、電解質として固体高分子電解質膜３６を用い、その一方の面に負極触媒層３８（後述）を含む負極３７（後述）を有し、反対の面に正極触媒層３９（後述）を含む正極４０（後述）を有する。正極−負極間に電力を投入され、且つ正極側に純水の供給を受けて、電気化学反応により正極側に酸素ガスを、負極側に水素ガスを発生させる。
【００５６】
固体高分子電解質膜３６は、電力の供給と正極側への純水の供給により生じる水電解の反応に電解質として寄与する固体高分子の膜である。例えば、フッ素系イオン交換膜であるパーフルオロスルホン酸膜（ｐｅｒｆｌｕｏｒｏｓｕｌｆｏｎｉｃ  ａｃｉｄ  ｍｅｍｂｒａｎｅ）である。正極側では、純水が分解して水素イオンと酸素イオンを生成する。水素イオンは、固体高分子電解質膜６の中をＨ＋＋ｎＨ２Ｏの形で負極へ移動する。そして、負極側において、他の水素イオンと結合し、水素ガスとなる。正極では、酸素イオンが他の酸素イオンと結合し、酸素ガスとなる。
【００５７】
正極触媒層３９は、供給される純水を電気エネルギーを利用して酸素イオンと水素イオンとに分解するとともに、酸素イオン同士を結合させ酸素ガスを生成する。固体高分子電解質膜３６と正極４０とを電気的に接続する機能も有する。
正極４０は、セパレータ溝部３５（後述）と正極触媒層３９（及び固体高分子電解質膜３６）とを電気的に接続する導体である。また、セパレータ溝部３５を介して供給される純水を正極触媒層３９へ均一に分布を少なくして供給する機能を有する。
負極触媒層３８は、固体高分子電解質膜３６を浸透してくる水素イオン同士を結合させ水素ガスを生成する。固体高分子電解質膜３６と負極３７とを電気的に接続する機能も有する。
負極３７は、セパレータ溝部３２（後述）と負極触媒層３８（及び固体高分子電解質膜３６）とを電気的に接続する導体である。また、セパレータ溝部３２を介して供給される純水を負極触媒層３８へ均一に分布を少なくして供給する機能を有する。
【００５８】
セパレータ溝部３２は、セパレータにおける、純水や水素ガス、酸素ガスを通過させる機能とセル３１同士を電気的に接合する機能とを有する部分である。一つのセパレータ溝部３２は、一組の負極溝３４（一方の面）及び正極溝３３（その裏面）を有する。負極溝３４と正極溝３３の溝の走る方向は、同一の方向（平行）である。すなわち、両面のガスは平行流である。各溝（凹部）を形成する凸部は、隣接するセル３１同士を電気的に接続している。図３におけるセパレータ溝部３２の負極側は、生成された水素ガスと浸透した純水を、負極溝３４に通す。
セパレータ溝部３５も、セパレータ溝部３４と同様である。図３におけるセパレータ溝部３５の正極側は、正極溝３３に純水を通し、生成した酸素ガスと残余の純水を通す。
セパレータ溝部３５及びセパレータ溝部３２は、一つのセル３１を挟むように、それぞれ正極側及び負極側に存在する。
【００５９】
セパレータ溝部３２及びセパレータ溝部３５の溝の方向は、負極溝３４（一方の面）及び正極溝３３（その裏面）のどちらも同じ方向である。そして、本発明では、水電解セル４３を、その溝の方向に傾ける。すなわち、図３において水入口４２のある側（溝の一端側）を相対的に低い位置にし、水素／水出口５及び酸素／水出口４１のある側（溝の他端側）を相対的に高い位置にする。それにより、導入された水が電気分解して発生するガスは、傾きを有する溝に沿って相対的に高い方向へ移動することになる。溝中に存在する流体は、ガスの他はほぼ純水であるので、ガスと純水との比重差から、ガスは容易に水平な溝中を水素／水出口５及び酸素／水出口４１へ向けて移動することが出来る。
【００６０】
但し、負極溝３４（一方の面）及び正極溝３３（その裏面）の方向は、必ずしも全く同じ方向である必要は無い。それぞれの溝の方向が互いに成す角φの許容範囲は、０°≦φ≦６０°である。より好ましくは、０°≦φ≦１０°である。
また、上記φが概ね０°の場合でも、水電解セル４３を両溝の方向（基準方向と記す）に傾ける際、多少左右にぶれても、その効果を得ることが出来る。その範囲は、基準方向を中心として±４５°である。
【００６１】
本発明のガス発生装置の第二の実施の形態における動作については、水電解部１が傾斜して水素貯蔵タンク２に設置されている以外は実施例１と同様であるので、その説明を省略する。
ただし、水電解部１の代表水深分の水圧＝水深（Ｓ１−ａ・ｓｉｎθ＋ｄ・ｃｏｓθ）での水圧  である。ここで、ａ・ｓｉｎθ＋ｄ・ｃｏｓθは、水電解部１における厚み方向ｄ／２、水素貯蔵タンク２の底面から角度θで延びる辺の方向ａ／２の位置の、水素貯蔵タンク２の底面からの高さである。
【００６２】
本発明のガス発生装置では、水電解部１を傾けた状態で運転するので、製造した水素ガス及び酸素ガスの移動がスムーズとなる。従って、水素ガス及び酸素ガスが水電解の邪魔にならず、水電解部１のガス製造能力を最大限発揮させることが可能となる。
【００６３】
【発明の効果】
本発明により、加圧容器を用いることなく、水電解部を液体（水）で加圧するこが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガス発生装置の第一の実施の形態の構成を示す面である。
【図２】本発明のガス発生装置の第二の実施の形態の構成を示す図である。
【図３】（ａ）（ｂ）本発明のガス発生装置の第二の実施の形態に関わる水電解部の構成を示す図である。
【符号の説明】
１    水電解部
２    水素貯蔵タンク
３    酸素貯蔵タンク
４    純水製造部
５    水素／水出口
６    水素圧力計
７    酸素圧力計
８    第１液面計
９    第２液面計
１０    第１給水弁
１１    第２給水弁
１２    第１排水弁Ａ
１３    第２排水弁Ａ
１４    循環水ポンプ
１５    純水ポンプＢ
１６    第１排水弁Ｂ
１７    第２排水弁Ｂ
１８    純水給水弁
１９    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
２４−１  給水ラインＡ
２４−２  給水ラインＢ
２４−３  給水ラインＣ
２４−４  給水ラインＤ
２４−５  給水ラインＥ
２４−６  給水ラインＦ
２５−１  第１排水ラインＡ
２５−２  第１排水ラインＢ
２５−３  第１排水ラインＣ
２６−１  第２排水ラインＡ
２６−２  第２排水ラインＢ
２６−３  第２排水ラインＣ
２７  純水導入ライン
２８    純水供給弁
２９    純水ポンプＡ
３０−１  純水供給ラインＡ
３０−２  純水供給ラインＢ
３０−３  純水供給ラインＣ
３１    セル
３２    セパレータ溝部
３３    正極側溝
３４    負極側溝
３５    セパレータ溝部
３６    固体高分子電解質膜
３７    負極
３８    負極触媒層
３９    正極触媒層
４０    正極
４１    酸素／水出口４１
４２    水入口
４３    水電解セル
４４    保持部
【図１】
0004052426.tif 000002
【図２】
0004052426.tif 000003
【図３】
0004052426.tif 000004