(57)【要約】      （修正有）【課題】簡単な構成により、気体生成装置に対する安定的な給水を実現することのできる水素発生装置を提供する。【解決手段】電圧が印加されることにより、水を電気分解する固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜にて電気分解されるべき水を、固体高分子電解質膜のプラス極側に接するように貯水する酸素極側プレート１０１であって、外部から給水される水をプラス極側カバー内に吐き出す水吐出口１０１ｗｅと、該水吐出口１０１ｗｅよりも高い高さ位置に設けられ固体高分子電解質膜のプラス極側にて発生する酸素を排気するために取り込む酸素取込口１０１ａｅとが形成されている酸素極側プレート１０１を有する水素発生装置。【選択図】図３
2009114498.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水を電気分解させて水素を生成する水素生成装置であって、
電圧を印加されることにより、水を電気分解する電解質膜と、
前記電解質膜にて電気分解されるべき水を、前記電解質膜のプラス極側に接するように貯水するプラス極側カバーであって、外部から給水される水を前記プラス極側カバー内に吐き出す水吐出口と、該水吐出口よりも高い高さ位置に設けられ前記電解質膜のプラス極側にて発生する酸素を排気するために取り込む酸素取込口とが形成されているプラス極側カバーと、
を備えてなる水素生成装置。
【請求項２】
水を電気分解させて水素を生成する水素生成装置であって、
電圧を印加されることにより、水を電気分解する電解質膜と、
前記電解質膜にて電気分解されるべき水を、前記電解質膜のプラス極側に接するように貯水するプラス極側カバーであって、外部から給水される水を前記プラス極側カバー内に吐き出す水吐出口と、該水吐出口よりも広い開口面積を有し前記電解質膜のプラス極側にて発生する酸素を排気するために取り込む酸素取込口とが形成されているプラス極側カバーと、
を備えてなる水素生成装置。
【請求項３】
水を電気分解させて水素を生成する水素生成装置であって、
電圧を印加されることにより、水を電気分解する電解質膜と、
前記電解質膜にて電気分解されるべき水を、前記電解質膜のプラス極側に接するように貯水するプラス極側カバーであって、外部から給水される水を前記プラス極側カバー内に吐き出す水吐出口と、前記電解質膜のプラス極側にて発生する酸素を排気するために取り込む酸素取込口とが形成されているプラス極側カバーとを備え、
前記プラス極側カバーの内壁は、酸素取込口近傍が水吐出口近傍よりも高くなるように形成されている水素生成装置。
【請求項４】
水を電気分解させて水素を生成する水素生成装置であって、
電圧を印加されることにより、水を電気分解する電解質膜と、
前記電解質膜にて電気分解されるべき水を、前記電解質膜のプラス極側に接するように貯水するプラス極側カバーであって、外部から給水される水を前記プラス極側カバー内に吐き出す水吐出口と、前記プラス極側カバーの貯水空間における最上位置に位置し、前記電解質膜のプラス極側にて発生する酸素を排気するために取り込む酸素取込口とが形成されているプラス極側カバーと、
を備えてなる水素生成装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４の内いずれか１項に記載の水素生成装置において、
前記電解質膜のマイナス極側に配置され、前記電解質膜のプラス極側からマイナス極側へ該電解質膜を透過する水を貯水する気液分離部であって、前記気液分離部の貯水空間における最上位置に位置し、前記電解質膜のマイナス極側にて発生する水素を排気するために取り込む水素取込口が形成されている気液分離部を備える水素生成装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５の内いずれか１項に記載の水素生成装置において、
前記電解質膜を挟むように配置され該電解質膜に電圧を印加するための電極であって、該電極にて電力供給を受けるための端子が、前記水素生成装置側面に位置するように形成されている電極を備える水素生成装置。
【請求項７】
請求項６に記載の水素生成装置において、
前記電極の端子は、前記水素生成装置側面における上下方向中央位置よりも上側に位置するように形成されている水素生成装置。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７の内いずれか１項に記載の水素生成装置において、
前記プラス極側カバー上方に配置される給水タンクであって、前記水吐出口へ向けて該給水タンク内の水を供給するための第１の穴部と、前記酸素取込口から排気される酸素を該給水タンク内に取り込むための第２の穴部とが形成された給水タンクを備える水素生成装置。
【請求項９】
電圧を印加される電解質膜により水を電気分解させて水素を生成する水素生成装置における該電解質膜のプラス極側に装着可能なプラス極側カバーであって、
前記電解質膜にて電気分解されるべき水を、前記電解質膜のプラス極側に接するように貯水する貯水部と、
外部から給水される水を前記貯水部内に吐き出す水吐出口部と、
該水吐出口部よりも高い高さ位置に設けられ前記電解質膜のプラス極側にて発生する酸素を排気するために取り込む酸素取込口部と、
を備えてなるプラス極側カバー。
【請求項１０】
電圧を印加される電解質膜により水を電気分解させて水素を生成する水素生成装置における該電解質膜のプラス極側に装着可能なプラス極側カバーであって、
前記電解質膜にて電気分解されるべき水を、前記電解質膜のプラス極側に接するように貯水する貯水部と、
外部から給水される水を前記貯水部内に吐き出す水吐出口部と、
該水吐出口部よりも広い開口面積を有し前記電解質膜のプラス極側にて発生する酸素を排気するために取り込む酸素取込口部と、
を備えてなるプラス極側カバー。
【請求項１１】
電圧を印加される電解質膜により水を電気分解させて水素を生成する水素生成装置における該電解質膜のプラス極側に装着可能なプラス極側カバーであって、
前記電解質膜にて電気分解されるべき水を、前記電解質膜のプラス極側に接するように貯水する貯水部と、
外部から給水される水を前記貯水部内に吐き出す水吐出口部と、
前記電解質膜のプラス極側にて発生する酸素を排気するために取り込む酸素取込口部とを備え、
前記貯水部の内壁は、酸素取込口部近傍が水吐出口部近傍よりも高くなるように形成されているプラス極側カバー。
【請求項１２】
電圧を印加される電解質膜により水を電気分解させて水素を生成する水素生成装置における該電解質膜のプラス極側に装着可能なプラス極側カバーであって、
前記電解質膜にて電気分解されるべき水を、前記電解質膜のプラス極側に接するように貯水する貯水部と、
外部から給水される水を前記貯水部内に吐き出す水吐出口部と、
前記貯水部の貯水空間における最上位置に位置し、前記電解質膜のプラス極側にて発生する酸素を排気するために取り込む酸素取込口部と、
を備えてなるプラス極側カバー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水を電気分解することにより、所望の気体を生成させる技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、水を電気分解させることにより、所望の気体を生成させる気体生成技術が知られる。
【０００３】
上記従来技術において、電気分解される水は燃料に相当するものであり、上記気体生成処理を安定的に行うためには、当該気体生成処理を行う装置に対して安定的に水を供給する必要がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
もちろん、センサや流量計等を用いる複雑な構成を採用すれば、装置に対して安定的に水を供給することは可能であるが、低コスト化および装置の小型化の観点から好ましいとは言えない。
【０００５】
本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、簡単な構成により、気体生成装置に対する安定的な給水を実現することのできる技術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】
【０００６】
上述した課題を解決するため、本発明に係る水素生成装置は、水を電気分解させて水素を生成する水素生成装置であって、電圧を印加されることにより、水を電気分解する電解質膜と、前記電解質膜にて電気分解されるべき水を、前記電解質膜のプラス極側に接するように貯水するプラス極側カバーであって、外部から給水される水を前記プラス極側カバー内に吐き出す水吐出口と、該水吐出口よりも高い高さ位置に設けられ前記電解質膜のプラス極側にて発生する酸素を排気するために取り込む酸素取込口とが形成されているプラス極側カバーと、を備えてなることを特徴とすることができる。
【０００７】
また、本発明に係る水素生成装置は、水を電気分解させて水素を生成する水素生成装置であって、電圧を印加されることにより、水を電気分解する電解質膜と、前記電解質膜にて電気分解されるべき水を、前記電解質膜のプラス極側に接するように貯水するプラス極側カバーであって、外部から給水される水を前記プラス極側カバー内に吐き出す水吐出口と、該水吐出口よりも広い開口面積を有し前記電解質膜のプラス極側にて発生する酸素を排気するために取り込む酸素取込口とが形成されているプラス極側カバーと、を備えてなることを特徴とすることができる。
【０００８】
また、本発明に係る水素生成装置は、水を電気分解させて水素を生成する水素生成装置であって、電圧を印加されることにより、水を電気分解する電解質膜と、前記電解質膜にて電気分解されるべき水を、前記電解質膜のプラス極側に接するように貯水するプラス極側カバーであって、外部から給水される水を前記プラス極側カバー内に吐き出す水吐出口と、前記電解質膜のプラス極側にて発生する酸素を排気するために取り込む酸素取込口とが形成されているプラス極側カバーとを備え、前記プラス極側カバーの内壁は、酸素取込口近傍が水吐出口近傍よりも高くなるように形成されていることを特徴とすることができる。
【０００９】
また、本発明に係る水素生成装置は、水を電気分解させて水素を生成する水素生成装置であって、電圧を印加されることにより、水を電気分解する電解質膜と、前記電解質膜にて電気分解されるべき水を、前記電解質膜のプラス極側に接するように貯水するプラス極側カバーであって、外部から給水される水を前記プラス極側カバー内に吐き出す水吐出口と、前記プラス極側カバーの貯水空間における最上位置に位置し、前記電解質膜のプラス極側にて発生する酸素を排気するために取り込む酸素取込口とが形成されているプラス極側カバーと、を備えてなることを特徴とすることができる。
【００１０】
また、上述のような構成の水素生成装置において、前記電解質膜のマイナス極側に配置され、前記電解質膜のプラス極側からマイナス極側へ該電解質膜を透過する水を貯水する気液分離部であって、前記気液分離部の貯水空間における最上位置に位置し、前記電解質膜のマイナス極側にて発生する水素を排気するために取り込む水素取込口が形成されている気液分離部を備えることを特徴とすることができる。
【００１１】
また、上述のような構成の水素生成装置において、前記電解質膜を挟むように配置され該電解質膜に電圧を印加するための電極であって、該電極にて電力供給を受けるための端子が、前記水素生成装置側面に位置するように形成されている電極を備えることを特徴とすることができる。
【００１２】
また、上述のような構成の水素生成装置において、前記電極の端子は、前記水素生成装置側面における上下方向中央位置よりも上側に位置するように形成されていることを特徴とすることができる。
【００１３】
また、上述のような構成の水素生成装置において、前記プラス極側カバー上方に配置される給水タンクであって、前記水吐出口へ向けて該給水タンク内の水を供給するための第１の穴部と、前記酸素取込口から排気される酸素を該給水タンク内に取り込むための第２の穴部とが形成された給水タンクを備えることを特徴とすることができる。
【００１４】
また、本発明に係るプラス極側カバーは、電圧を印加される電解質膜により水を電気分解させて水素を生成する水素生成装置における該電解質膜のプラス極側に装着可能なプラス極側カバーであって、前記電解質膜にて電気分解されるべき水を、前記電解質膜のプラス極側に接するように貯水する貯水部と、外部から給水される水を前記貯水部内に吐き出す水吐出口部と、該水吐出口部よりも高い高さ位置に設けられ前記電解質膜のプラス極側にて発生する酸素を排気するために取り込む酸素取込口部と、を備えてなることを特徴とすることができる。
【００１５】
また、本発明に係るプラス極側カバーは、電圧を印加される電解質膜により水を電気分解させて水素を生成する水素生成装置における該電解質膜のプラス極側に装着可能なプラス極側カバーであって、前記電解質膜にて電気分解されるべき水を、前記電解質膜のプラス極側に接するように貯水する貯水部と、外部から給水される水を前記貯水部内に吐き出す水吐出口部と、該水吐出口部よりも広い開口面積を有し前記電解質膜のプラス極側にて発生する酸素を排気するために取り込む酸素取込口部と、を備えてなることを特徴とすることができる。
【００１６】
また、本発明に係るプラス極側カバーは、電圧を印加される電解質膜により水を電気分解させて水素を生成する水素生成装置における該電解質膜のプラス極側に装着可能なプラス極側カバーであって、前記電解質膜にて電気分解されるべき水を、前記電解質膜のプラス極側に接するように貯水する貯水部と、外部から給水される水を前記貯水部内に吐き出す水吐出口部と、前記電解質膜のプラス極側にて発生する酸素を排気するために取り込む酸素取込口部とを備え、記貯水部の内壁は、酸素取込口部近傍が水吐出口部近傍よりも高くなるように形成されていることを特徴とすることができる。
【００１７】
また、本発明に係るプラス極側カバーは、電圧を印加される電解質膜により水を電気分解させて水素を生成する水素生成装置における該電解質膜のプラス極側に装着可能なプラス極側カバーであって、前記電解質膜にて電気分解されるべき水を、前記電解質膜のプラス極側に接するように貯水する貯水部と、外部から給水される水を前記貯水部内に吐き出す水吐出口部と、前記貯水部の貯水空間における最上位置に位置し、前記電解質膜のプラス極側にて発生する酸素を排気するために取り込む酸素取込口部と、を備えてなることを特徴とすることができる。
【発明の効果】
【００１８】
以上に詳述したように本発明によれば、簡単な構成により、気体生成装置に対する安定的な給水を実現することのできる技術を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
【００２０】
（第１の実施の形態）
まず、本発明の第１の実施の形態による水素生成装置について説明する。本実施の形態による水素生成装置は、固体高分子電解質であるイオン交換膜（電解質膜）を電解質として純水を電気分解する「ＳＰＥ（Solid Polymer Electrolyte）電解法」を用いて水を電気分解するものである。
【００２１】
図１は、本発明の第１の実施の形態による水素生成装置の分解斜視図であり、図２は、本発明の第１の実施の形態による水素生成装置をｘ軸方向において図１とは反対方向から見た分解斜視図である。
【００２２】
また、図３は、本発明の第１の実施の形態による水素生成装置を組み立てた状態における正面図であり、図４は、本発明の第１の実施の形態による水素生成装置を組み立てた状態における平面図であり、図５は、本発明の第１の実施の形態による水素生成装置を組み立てた状態における側面図であり、図６は、本発明の第１の実施の形態による水素生成装置を組み立てた状態における背面図である。ここで、図１〜図６におけるｚ軸の矢印方向が、当該水素生成装置使用時における上方に相当するものとする。
【００２３】
具体的に、本実施の形態による水素生成装置１は、酸素極側プレート１０１、ガスケット１０２、セパレータ１０３、ガスケット１０４、ＭＥＡ１０５、ガスケット１０６、セパレータ１０７、ガスケット１０８および水素極側プレート１０９を備えてなる構成となっている。これら水素生成装置１の構成部材である酸素極側プレート１０１〜水素極側プレート１０９は、図１および図２に示す位置関係で、ボルトＢと水素極側プレート１０９に形成されているメネジ１０９ｂとによって締結される。また、後述の水吐出用穴１０１ｗおよび酸素取込用穴１０１ａには、装置内へのゴミ等の侵入を防止するための栓Ｓを装着可能となっている。
【００２４】
以下、本実施の形態による水素生成装置１を構成する各構成要素の機能について詳細に説明する。
【００２５】
まず、酸素極側プレート１０１（プラス極側カバーに相当）は、水素生成装置１のプラス極側における最も外側に配置され、水素生成装置１のプラス極側のカバーとしての役割を有している。図７は、酸素極側プレート１０１の正面図であり、図８は、酸素極側プレート１０１の背面図であり、図９は、酸素極側プレート１０１の平面図であり、図１０は、酸素極側プレート１０１の側面図である。
【００２６】
具体的に、酸素極側プレート１０１は、貯水部１０１ｄ、水吐出用穴１０１ｗおよび酸素取込用穴１０１ａを備えている。
【００２７】
ここで、貯水部１０１ｄは、後述の固体高分子電解質膜１０５ａにて電気分解されるべき水を、固体高分子電解質膜１０５ａのプラス極側に接するように貯水するための機能を有している。
【００２８】
水吐出用穴１０１ｗは、外部から給水される水を酸素極側プレート１０１の貯水部１０１ｄの貯水空間内に吐き出すための給水路としての役割を有している。
【００２９】
酸素取込用穴１０１ａは、電解質膜のプラス極側にて発生する酸素を装置外に排気するための排気路としての役割を有している。なお、これら水吐出用穴１０１ｗおよび酸素取込用穴１０１ａの断面形状は、ここでは円形となっているが、水の搬送または気体の排気が可能であればよく、その断面形状は問わない。
【００３０】
貯水部１０１ｄは、ｘ軸方向を中心軸とするような丸穴形状の凹部を、酸素極側プレート１０１の固体高分子電解質膜１０５ａと対向する側の面に形成することにより設けられている。
【００３１】
電圧が印加された固体高分子電解質膜１０５ａは、供給された水の電気分解を行い、そのプラス極側で酸素を発生させ、マイナス極側で水素を発生させる。よって、連続的な水素の生成を行うためには、固体高分子電解質膜１０５ａのプラス極側に安定的に純水を供給するとともに、当該プラス極側にて発生する酸素を効率的に装置外（少なくとも貯水部１０１ｄの外側）に排気する必要がある。
【００３２】
そこで、本実施の形態では、酸素取込用穴１０１ａの貯水部１０１ｄに臨む酸素取込口（酸素取込口部）１０１ａｅが、水吐出用穴１０１ｗの貯水部１０１ｄに臨む水吐出口（水吐出口部）１０１ｗｅよりも高さＮだけ高い高さ位置となるような構成としている。プラス極側で発生する酸素は、貯水部１０１ｄに給水された水の中を重力方向上側に上昇してゆくため、酸素取込口１０１ａｅを水吐出口１０１ｗｅよりも高い位置に配置することにより、酸素取込口１０１ａｅに酸素が入り込む確率（酸素取込口１０１ａｅから酸素が排出される確率）を水吐出口１０１ｗｅに酸素が入り込む確率よりも高めることができる。
【００３３】
また、酸素取込口１０１ａｅは、貯水部１０１ｄの貯水空間内における最も高い位置（丸穴形状の凹部の頂点位置）に位置するように形成されている。一般に、密閉された空間内で発生した気体は、その空間の内壁に沿って、より上に移動しようとする。よって、貯水部の最上位置に酸素取込口１０１ａｅを配置することにより、プラス極側にて発生する酸素をより効率的に酸素取込口１０１ａｅに導くことができる。
【００３４】
外部と通じる穴が１つしかない貯水空間に対して、当該穴から給水する場合、当該穴は貯水空間への給水路としての機能を有するとともに、当該貯水空間内に存在する気体を排出するための排気路としての機能も併せ持つことになる。このような場合、給水される水と排気される気体とが当該穴内でしばしば衝突し、貯水空間への給水および貯水空間からの排気は不安定なものとなりやすい。このような給水や排気の不安定化は、水素生成装置における水素の生成性能の安定性にも影響を及ぼすおそれがある。
【００３５】
一般に、外部と通じる穴が２つ以上ある貯水空間において、これら複数の穴の内いずれか１つから空気の排出が安定的に開始されると、他の穴からの給水が安定的に開始される現象が知られる。本実施の形態のように、貯水空間と外部を繋ぐように設けられた複数の穴の内いずれかを給水用穴として機能させ、他の穴（気体が排気され易い構成とした穴）を排気用穴として機能させることにより、貯水空間内部（固体高分子電解質膜１０５ａ表面付近）における水の流れを安定させることができ、水素生成装置としての水素生成処理の安定化に寄与することができる。
【００３６】
また、貯水空間と外部を繋ぐように設けられた複数の穴の内の特定の穴から安定的に給水を行うことができるようになることで、排気される気体により給水される水の流れが妨げられることがなく、単位時間あたりに貯水空間に給水する水量を安定させることができる。
【００３７】
ガスケット１０２は、酸素極側プレート１０１とセパレータ１０３との間に配置され、ボルトＢ締め付け時における水密性と気密性を確保するためのシーリング部材である。なお、水素極側プレート１０９とセパレータ１０７との間に配置されるガスケット１０８もガスケット１０２と同様の構成および機能を有するため、説明は割愛する。図１１は、ガスケット１０２の正面図である。
【００３８】
セパレータ１０３は、後述の酸素発生側電極１０５ｅおよびプラス極給電体１０５ｆと協働して、固体高分子電解質膜１０５ａに対して電圧を印加する役割を有している。図１２は、セパレータ１０３の正面図である。ここでは、セパレータ１０３、酸素発生側電極１０５ｅおよびプラス極給電体１０５ｆにより電極が構成されている。
【００３９】
また、セパレータ１０３は、電極にて電力供給を受けるための端子１０３ｔが、水素生成装置１側面における上下方向（Ｚ方向）中央位置よりも上側に位置するように形成されている。このように、電力供給を受ける端子を装置の上側に設けることにより、操作性の向上および漏水に起因する漏電の防止に寄与することができる。また、電極の端子を装置側面に設ける形状としたことにより、装置上側からの純水の給水を行い易くすることができる。
【００４０】
なお、セパレータ１０７もセパレータ１０３と同様の構成および機能を有している。本実施の形態では、セパレータ１０３、酸素発生側電極１０５ｅ（後述）およびプラス極給電体１０５ｆ（後述）からなる電極と、セパレータ１０７、水素発生側電極１０５ｄ（後述）およびマイナス極給電体１０５ｂ（後述）からなる電極とにより固体高分子電解質膜１０５ａ（後述）を挟み、両電極によって該電解質膜に電圧を印加する。
【００４１】
なお、本実施の形態におけるセパレータ１０３および１０７は、例えば、カーボン、膨張黒鉛、金属、導電性セラミックおよび導電性ポリマーの内少なくともいずれかから形成されていることが好ましい。
【００４２】
ガスケット１０４は、セパレータ１０３とＭＥＡ１０５との間に配置され、ボルトＢ締め付け時における水密性と気密性を確保するためのシーリング部材である。図１３は、ガスケット１０４の正面図である。なお、ＭＥＡ１０５とセパレータ１０７との間に配置されるガスケット１０６もガスケット１０４と同様の構成および機能を有するため、説明は割愛する。
【００４３】
ＭＥＡ(Membrane Electrode Assembly)１０５は、電極触媒層と固体電解質材料の膜を接合させた発電ユニットである。図１４は、ＭＥＡ１０５の正面図であり、図１５は、ＭＥＡ１０５の背面図である。また、図１６は、ＭＥＡ１０５の積層状態について説明するための分解図であり、図１７は、酸素発生側電極１０５ｅの正面図であり、図１８は、固体高分子電解質膜１０５ａの正面図であり、図１９は、水素発生側電極１０５ｄの正面図である。
【００４４】
具体的に、ＭＥＡ１０５は、固体高分子電解質膜１０５ａ（電解質膜に相当）、マイナス極給電体１０５ｂ、ガス拡散層１０５ｃ、水素発生側電極１０５ｄ、酸素発生側電極１０５ｅ（拡散層付）、プラス極給電体１０５ｆを、熱圧着させることにより得られる。ここで、ＭＥＡ１０５の熱圧着処理の処理条件としては、例えば、温度を常温〜約１５０度の範囲とし、圧力を０．１ＭＰａ〜１０ＭＰａ程度とし、加圧時間が数秒間から数時間の範囲とすることが好ましい。
【００４５】
このように、電極とイオン交換膜を熱圧着させた構成とすることにより、電極とイオン交換膜をボルト締め付け等によって圧接させる構成（例えば、水素生成量１．４〜２．１ｍｌ／ｍｉｎ）に比べて、水素発生量を大幅に増加させることができる（例えば、水素生成量１１．２ｍｌ／ｍｉｎ）。
【００４６】
ここで、酸素発生側電極１０５ｅの電極としては、白金族（ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウムおよび白金など）の金属やその合金、あるいはその酸化物などを採用可能である。また、本実施の形態では、酸素発生側電極１０５ｅのガス拡散電極として金属のメッシュ状のものを採用しているが、繊維状のものや多孔質状のものも採用可能であり、材質についても金属に制限されるものではない。
【００４７】
また、本実施の形態において採用される固体高分子電解質膜１０５ａは、フッ素系のイオン交換膜を採用しているが、これに限られるものではなく、例えば炭化水素系のイオン交換膜を採用することもできる。
【００４８】
また、ここでのマイナス極給電体１０５ｂおよびプラス極給電体１０５ｆには、カーボンを採用している。もちろん、これに限られるものではなく、イオン交換膜までの流水路があり、金属等のように電気を通すものであれば材質は問わない。また、その形態についても、メッシュ状、繊維状、多孔質性状および中空構造などを選択可能であるが、上記機能を満たすものであれば、これらの形態以外を採用することも可能である。
【００４９】
図２０は、水素極側プレート１０９の正面図である。水素極側プレート１０９（マイナス極側カバーに相当）は、ＭＥＡ１０５のマイナス極側に配置される。
【００５０】
具体的に、水素極側プレート１０９は、排気穴１０９ｈおよび貯水部１０９ｄを備えている。ここでは、これら水素取込穴１０９ｈおよび貯水部１０９ｄが気液分離部に相当する。
【００５１】
貯水部１０９ｄは、固体高分子電解質膜１０５ａのプラス極側からマイナス極側へ固体高分子電解質膜１０５ａを透過する水を貯水する役割を有している。
【００５２】
また、水素取込穴１０９ｈの水素取込口は、貯水部１０９ｄの貯水空間におけるｚ軸方向での最上位置に位置するように形成されており、固体高分子電解質膜１０５ａのマイナス極側にて発生する水素を装置外部に排気するために取り込む役割を有している。
【００５３】
なお、酸素極側プレート１０１および水素極側プレート１０９は、例えばアクリル等の透明な絶縁材料から構成することが望ましい。このようにすることで、プラス極側に供給されている水の残量、プラス極側において発生する酸素の発生状況および排気状況、プラス極側から電解質膜を透過してマイナス極側にしみ出している水の量、マイナス極側における水素の発生状況および排気状況などを水素生成装置外部から視認することが可能となる。
【００５４】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。
本実施の形態は、上述の第１の実施の形態の変形例である。以下、本実施の形態において、第１の実施の形態にてすでに説明した部分と同様な機能を有する部分には同一符号を付し、説明は割愛する。本実施の形態と第１の実施の形態とは、酸素取込口と水吐出口との関係が異なる。
【００５５】
図２１は、本発明の第２の実施の形態による水素生成装置における酸素極側プレート１０１’の正面図である。
【００５６】
本実施の形態における酸素極側プレート１０１’には、外部から給水される水を貯水部１０１ｄ内に吐き出す水吐出用穴１０１ｗと、該水吐出用穴１０１ｗよりも広い開口面積を有し固体高分子電解質膜１０５ａのプラス極側にて発生する酸素を装置外に排気するために取り込む酸素取込用穴１０１ａ’とが形成されている。同図に示すように、水吐出用穴１０１ｗの直径をＤｗとし、酸素取込用穴１０１ａの直径をＤａとするとき、Ｄｗ＜Ｄａとなっている。
【００５７】
このように、貯水部１０１ｄ内から装置外への酸素の排気を行うための酸素取込用穴１０１ａ’の開口面積を水吐出用穴１０１ｗの開口面積よりも広く設定することにより、貯水部１０１ｄ内で発生して上昇する酸素が酸素取込用穴１０１ａ’に入り易くすることができ、結果として第１の実施の形態と同様な効果を奏することができる。
【００５８】
なお、本実施の形態では、水吐出用穴の流路の断面積よりも酸素取込用穴の流路の断面積が広い構成を例示したが、必ずしも流路全体の断面積が水吐出用穴よりも大きい必要はなく、少なくとも、水吐出用穴の水吐出口よりも酸素取込用穴の酸素取込口の開口面積が大きければよい。
【００５９】
（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。
本実施の形態は、上述の第１の実施の形態の変形例である。以下、本実施の形態において、第１の実施の形態にてすでに説明した部分と同様な機能を有する部分には同一符号を付し、説明は割愛する。本実施の形態と第１の実施の形態とは、酸素極側プレートにおける貯水空間の内壁の形状が異なる。
【００６０】
図２２は、本発明の第２の実施の形態による水素生成装置における酸素極側プレート１０１”の正面図である。
【００６１】
本実施の形態における酸素極側プレート１０１”には、外部から給水される水を貯水部１０１ｄ’内に吐き出す水吐出用穴１０１ｗと、固体高分子電解質膜１０５ａのプラス極側にて発生する酸素を装置外に排気するために取り込む酸素取込用穴１０１ａとが形成されている。
【００６２】
また、本実施の形態における貯水部１０１’の貯水空間は、酸素取込口近傍の内壁部分１０１ｄａが水吐出口近傍の内壁部分１０１ｄｗ近傍よりも高さ方向（ｚ軸方向）において高くなるように形成されている。
【００６３】
このような構成とすることにより、貯水部１０１ｄ’内で発生して貯水部内の水中を上昇する酸素を壁面によって酸素取込用穴１０１ａ付近に導き、酸素取込用穴１０１ａに入り易くすることができ、結果として上述の各実施の形態と同様な効果を奏することができる。
【００６４】
なお、本実施の形態では、貯水部の貯水空間がなめらかな曲線を描く内壁形状である例を示したが、これに限られるものではなく、例えば階段状に内壁形状が変化していてもよい。
【００６５】
続いて、上述の各実施の形態による水素生成装置に対する給水方法の一例について説明する。
【００６６】
図２３は、本発明の第２の実施の形態による水素生成装置１’に対して給水タンク２を装着した状態を示す斜視図であり、図２４は、本発明の第２の実施の形態による水素生成装置１’に対して給水タンク２を装着した状態を示す正面図であり、図２５は、本発明の第２の実施の形態による水素生成装置１’に対して給水タンク２を装着した状態を示す側面図であり、図２６は、本発明の第２の実施の形態による水素生成装置１’に対して給水タンク２を装着した状態を示す背面図であり、図２７は、本発明の第２の実施の形態による水素生成装置１’に対して給水タンク２を装着した状態を示す平面図である。また、図２８は、給水タンク２の正面図であり、図２９は、給水タンク２の側面図であり、図３０は、給水タンク２の平面図である。
【００６７】
給水タンク２は、内部に純水を貯水するための貯水空間を有する円柱形状となっており、その貯水量を視認し易いようにアクリル等の透明部材によって形成されている。
【００６８】
また、本実施の形態における給水タンク２は、酸素極側プレートの上方に位置するように、水素生成装置１’に対して装着されるようになっている。給水タンク２の底面には、第１の穴部２０１ｗおよび第２の穴部２０１ａが形成されている。これら第１の穴部２０１ｗおよび第２の穴部２０１ａは、例えばクイックコネクタ等を用いて、水素生成装置１’における水吐出用穴１０１ｗおよび酸素取込用穴１０１ａ’と連結される。
【００６９】
給水タンク２内に貯水される純水は、その自重によって落下することによって水素生成装置１’に供給される。ここでの第１の穴部２０１ｗは、水吐出用穴１０１ｗの水吐出口へ向けて給水タンク２内の水を供給する役割を有しており、第２の穴部２０１ａは、酸素取込用穴１０１ａの酸素取込口から装置外に排気される酸素を給水タンク２内に取り込む役割を有している。
【００７０】
なお、ここでは第２の実施の形態による水素生成装置に給水タンクを装着する例を示したが、これに限られるものではなく、第１および第３の実施の形態による水素生成装置に対しても同様に適用可能であることは言うまでもない。このように、水素生成装置上部に装着される給水タンクから重力を利用して給水する方式を採用することにより、簡単な構成によって安定的な給水を行うことができる。また、上述の各実施の形態のような構成とすることにより、給水タンク２に形成された二つの穴の内一方からの給水を安定的に行わせることができ、ひいては給水タンク２からの単位時間辺りの給水量を安定させることができる（図２４参照）。
【００７１】
また、ここでは１つの給水タンクから１つの水素生成装置に対して給水する構成を例示したが、これに限られるものではなく、例えば複数の水素生成装置に対して１つの給水タンクから給水するような構成において本発明を適用することにより、給水タンクにおける水排出口からの排水（単位時間辺りの給水量）を安定させることができ、複数の水素生成装置それぞれへの単位時間辺りの給水量もばらつきの無いものとすることができる。
【００７２】
続いて、上述の実施の形態による水素生成装置の発電システムへの適用例について説明する。
【００７３】
図３１は、本発明の第１の実施の形態による水素生成装置１に対して太陽光発電装置３から電力供給を行うシステム例を示す図である。同図に示すシステムでは、まず、太陽光発電装置３から電力供給を受けた水素生成装置１にて、給水タンク２から供給される水が電気分解される。水素生成装置１からは出力として水素が排気される。ここでは、水素生成装置１にて生成された水素の量は、流量モニタ装置４によって視認できるようになっている。流量モニタ装置４を経由した水素は、燃料電池５へと供給され、燃料電池５にて発生した電気によって負荷６が駆動される。
【００７４】
図３２は、本発明の第１の実施の形態による水素生成装置１に対して手回し発電装置７から電力供給を行うシステム例を示す図である。同図に示すシステムでは、まず、手回し発電装置７から電力供給を受けた水素生成装置１にて、水が電気分解される。水素生成装置１からは出力として水素が排気される。ここでは、水素生成装置１にて生成された水素は、風船８に注入されるようになっている。使用者は、このときの風船８の膨らみ方によって水素生成装置１における水素生成量を視認することができる。そして、風船８内に蓄えられた水素は、燃料電池５へと供給され、燃料電池５にて発生した電気によって負荷６が駆動される。
【００７５】
図３３は、本発明の第１の実施の形態による水素生成装置１に対して手回し発電装置７から電力供給を行う他のシステム例を示す図である。同図に示すシステムでは、まず、手回し発電装置７から電力供給を受けた水素生成装置１にて、給水タンク２から供給される水が電気分解される。水素生成装置１からは出力として水素が排気される。ここでは、水素生成装置１にて生成された水素は、風船８に注入されるようになっている。使用者は、このときの風船８の膨らみ方によって水素生成装置１における水素生成量を視認することができる。そして、風船８内に蓄えられた水素は、燃料電池５へと供給され、燃料電池５にて発生した電気によって負荷６が駆動される。
【００７６】
もちろん、図３１〜図３３にて示したシステムには、上述の第２および第３の実施の形態による水素生成装置も適用可能であることは言うまでもない。
【００７７】
また、上述の各実施の形態では、電解質膜のプラス極側に水を供給し、マイナス極側にて発生する水素を出力とする水素生成装置を例示したが、本発明の適用例はこれに限られるものではなく、例えば、電解質膜のマイナス極側に水を供給し、プラス極側にて発生する酸素を出力とする酸素生成装置に適用することも可能である。
【００７８】
具体的に、本発明の実施の形態による酸素生成装置は、水を電気分解させて酸素を生成する酸素生成装置であって、電圧を印加されることにより、水を電気分解する電解質膜と、前記電解質膜にて電気分解されるべき水を、前記電解質膜のマイナス極側に接するように貯水するマイナス極側カバーであって、外部から給水される水を前記マイナス極側カバー内に吐き出す水吐出口と、該水吐出口よりも高い高さ位置に設けられ前記電解質膜のマイナス極側にて発生する水素を排気するために取り込む水素取込口とが形成されているマイナス極側カバーと、を備えてなることを特徴とすることができる。
【００７９】
また、本発明の他の実施の形態による酸素生成装置は、水を電気分解させて酸素を生成する酸素生成装置であって、電圧を印加されることにより、水を電気分解する電解質膜と、前記電解質膜にて電気分解されるべき水を、前記電解質膜のマイナス極側に接するように貯水するマイナス極側カバーであって、外部から給水される水を前記マイナス極側カバー内に吐き出す水吐出口と、該水吐出口よりも広い開口面積を有し前記電解質膜のマイナス極側にて発生する水素を排気するために取り込む水素取込口とが形成されているマイナス極側カバーと、を備えてなることを特徴とすることができる。
【００８０】
また、本発明の他の実施の形態による酸素生成装置は、水を電気分解させて酸素を生成する酸素生成装置であって、電圧を印加されることにより、水を電気分解する電解質膜と、前記電解質膜にて電気分解されるべき水を、前記電解質膜のマイナス極側に接するように貯水するマイナス極側カバーであって、外部から給水される水を前記マイナス極側カバー内に吐き出す水吐出口と、前記電解質膜のマイナス極側にて発生する水素を排気するために取り込む水素取込口とが形成されているマイナス極側カバーとを備え、前記マイナス極側カバーの内壁は、水素取込口近傍が水吐出口近傍よりも高くなるように形成されていることを特徴とすることができる。
【００８１】
また、本発明の他の実施の形態による酸素生成装置は、水を電気分解させて酸素を生成する酸素生成装置であって、電圧を印加されることにより、水を電気分解する電解質膜と、前記電解質膜にて電気分解されるべき水を、前記電解質膜のマイナス極側に接するように貯水するマイナス極側カバーであって、外部から給水される水を前記マイナス極側カバー内に吐き出す水吐出口と、前記マイナス極側カバーの貯水空間における最上位置に位置し、前記電解質膜のマイナス極側にて発生する水素を排気するために取り込む水素取込口とが形成されているマイナス極側カバーと、を備えてなることを特徴とすることができる。
【００８２】
また、上述のような構成の酸素生成装置において、前記電解質膜のプラス極側に配置され、前記電解質膜のマイナス極側からプラス極側へ該電解質膜を透過する水を貯水する気液分離部であって、前記気液分離部の貯水空間における最上位置に位置し、前記電解質膜のプラス極側にて発生する酸素を排気するために取り込む酸素取込口が形成されている気液分離部を備えることを特徴とすることができる。
【００８３】
また、上述のような構成の酸素生成装置において、前記電解質膜を挟むように配置され該電解質膜に電圧を印加するための電極であって、該電極にて電力供給を受けるための端子が、前記酸素生成装置側面に位置するように形成されている電極を備えることを特徴とすることができる。
【００８４】
また、上述のような構成の酸素生成装置において、前記電極の端子は、前記酸素生成装置側面における上下方向中央位置よりも上側に位置するように形成されていることを特徴とすることができる。
【００８５】
また、上述のような構成の酸素生成装置において、前記マイナス極側カバー上方に配置される給水タンクであって、前記水吐出口へ向けて該給水タンク内の水を供給するための第１の穴部と、前記水素取込口から排気される水素を該給水タンク内に取り込むための第２の穴部とが形成された給水タンクを備えることを特徴とすることができる。
【００８６】
また、本発明の実施の形態によるマイナス極側カバーは、電圧を印加される電解質膜により水を電気分解させて酸素を生成する酸素生成装置における該電解質膜のマイナス極側に装着可能なマイナス極側カバーであって、前記電解質膜にて電気分解されるべき水を、前記電解質膜のマイナス極側に接するように貯水する貯水部と、外部から給水される水を前記貯水部内に吐き出す水吐出口部と、該水吐出口よりも高い高さ位置に設けられ前記電解質膜のマイナス極側にて発生する水素を排気するために取り込む水素取込口部と、を備えてなることを特徴とすることができる。
【００８７】
また、本発明の他の実施の形態によるマイナス極側カバーは、電圧を印加される電解質膜により水を電気分解させて酸素を生成する酸素生成装置における該電解質膜のマイナス極側に装着可能なマイナス極側カバーであって、前記電解質膜にて電気分解されるべき水を、前記電解質膜のマイナス極側に接するように貯水する貯水部と、外部から給水される水を前記貯水部内に吐き出す水吐出口部と、該水吐出口部よりも広い開口面積を有し前記電解質膜のマイナス極側にて発生する水素を排気するために取り込む水素取込口部と、を備えてなることを特徴とすることができる。
【００８８】
また、本発明の他の実施の形態によるマイナス極側カバーは、電圧を印加される電解質膜により水を電気分解させて酸素を生成する酸素生成装置における該電解質膜のマイナス極側に装着可能なマイナス極側カバーであって、前記電解質膜にて電気分解されるべき水を、前記電解質膜のマイナス極側に接するように貯水する貯水部と、外部から給水される水を前記貯水部内に吐き出す水吐出口部と、前記電解質膜のマイナス極側にて発生する水素を排気するために取り込む水素取込口部とを備え、前記貯水部の内壁は、水素取込口部近傍が水吐出口部近傍よりも高くなるように形成されていることを特徴とすることができる。
【００８９】
また、本発明の他の実施の形態によるマイナス極側カバーは、電圧を印加される電解質膜により水を電気分解させて酸素を生成する酸素生成装置における該電解質膜のマイナス極側に装着可能なマイナス極側カバーであって、前記電解質膜にて電気分解されるべき水を、前記電解質膜のマイナス極側に接するように貯水する貯水部と、外部から給水される水を前記貯水部内に吐き出す水吐出口部と、前記貯水部の貯水空間における最上位置に位置し、前記電解質膜のマイナス極側にて発生する水素を排気するために取り込む水素取込口部と、を備えてなることを特徴とすることができる。
【００９０】
また、上述した（１）水吐出口よりも気体取込口の高さを高くする構成、（２）水吐出口よりも気体取込口の開口面積を大きくする構成および（３）水吐出口よりも気体取込口近傍の内壁を高くする構成は、必ずしもそれぞれを個別に採用する必要はなく、これら構成を任意に組み合わせて採用することが可能であることは言うまでもない。
【００９１】
本発明を特定の態様により詳細に説明したが、本発明の精神および範囲を逸脱しないかぎり、様々な変更および改質がなされ得ることは、当業者には自明であろう。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】本発明の第１の実施の形態による水素生成装置の分解斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態による水素生成装置をｘ軸方向において図１とは反対方向から見た分解斜視図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態による水素生成装置を組み立てた状態における正面図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態による水素生成装置を組み立てた状態における平面図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態による水素生成装置を組み立てた状態における側面図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態による水素生成装置を組み立てた状態における背面図である。
【図７】酸素極側プレート１０１の正面図である。
【図８】酸素極側プレート１０１の背面図である。
【図９】酸素極側プレート１０１の平面図である。
【図１０】酸素極側プレート１０１の側面図である。
【図１１】ガスケット１０２の正面図である。
【図１２】セパレータ１０３の正面図である。
【図１３】ガスケット１０４の正面図である。
【図１４】ＭＥＡ１０５の正面図である。
【図１５】ＭＥＡ１０５の背面図である。
【図１６】ＭＥＡ１０５の積層状態について説明するための分解図である。
【図１７】酸素発生側電極１０５ｅの正面図である。
【図１８】固体高分子電解質膜１０５ａの正面図である。
【図１９】水素発生側電極１０５ｄの正面図である。
【図２０】水素極側プレート１０９の正面図である。
【図２１】本発明の第２の実施の形態による水素生成装置における酸素極側プレート１０１’の正面図である。
【図２２】本発明の第２の実施の形態による水素生成装置における酸素極側プレート１０１”の正面図である。
【図２３】本発明の第２の実施の形態による水素生成装置１’に対して給水タンク２を装着した状態を示す斜視図である。
【図２４】本発明の第２の実施の形態による水素生成装置１’に対して給水タンク２を装着した状態を示す正面図である。
【図２５】本発明の第２の実施の形態による水素生成装置１’に対して給水タンク２を装着した状態を示す側面図である。
【図２６】本発明の第２の実施の形態による水素生成装置１’に対して給水タンク２を装着した状態を示す背面図である。
【図２７】本発明の第２の実施の形態による水素生成装置１’に対して給水タンク２を装着した状態を示す平面図である。
【図２８】給水タンク２の正面図である。
【図２９】給水タンク２の側面図である。
【図３０】給水タンク２の平面図である。
【図３１】本発明の第１の実施の形態による水素生成装置１に対して太陽光発電装置３から電力供給を行うシステム例を示す図である。
【図３２】本発明の第１の実施の形態による水素生成装置１に対して手回し発電装置７から電力供給を行うシステム例を示す図である。
【図３３】本発明の第１の実施の形態による水素生成装置１に対して手回し発電装置７から電力供給を行う他のシステム例を示す図である。
【符号の説明】
【００９３】
１０１  酸素極側プレート、１０１ｄ  貯水部、１０１ｗ  水吐出用穴、１０１ａ  酸素取込用穴、１０２  ガスケット、１０３  セパレータ、１０４  ガスケット、１０５  ＭＥＡ、１０６  ガスケット、１０７  セパレータ、１０８  ガスケット、１０９  水素極側プレート。
【図１】
2009114498.tif 000003
【図２】
2009114498.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2009114498.tif 000008
【図７】
2009114498.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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