JP2006518812A - 電解槽装置及び水素を製造する方法 - Google Patents

Abstract

水を電気分解する電解セル１０は管形の陰極１２を備えている。陰極内には管形の分離膜１４によって陰極１２と分離された陽極１６が配置されている。分離膜は電解液室１５を陽極側副室１５ａと陰極側副室１５ｂとに分割する。電解槽装置３６は、個々のセル１０の配列３８を備えている。ＤＣ発電機４０によって、電気リード線４２ａ、４２ｂを経由して、各セルを横切る方向に電位が印加される。セル１０内で、電解液１８から生成された水素ガスは、水素ガス排出管路２０と水素マニホールド管路２１とを介して除去される。副生成物である酸素は、酸素ガス排出管路２２と酸素マニホールド管路２３とによってセル１０から除去される。電解槽装置３６は、回分式又は連続電解液循環式のいずれの形態で操作されてもよく、いずれも生成物である水素を圧縮するためのガス圧縮器を必要とすることなく、例えば１００００ｐｓｉｇまでの高圧で高純度の水素を生成する。

Description

本発明は、別途に圧縮装置を必要とすることなく、水の電気分解により、１００００ｐｓｉｇ（６．９×１０^７Ｎ／ｍ^２）までの圧力又はこれを超える圧力で高圧の水素を生成するための方法と電解槽装置（electrolyzer apparatus）とに関するものである。このような直接の電気分解による高圧の水素（及び副生成物である酸素）の生成は、本発明を実施することにより達成することができる。

電気分解による水素の生成は、もちろん、特許文献１（「水素を製造するための電解装置」）、特許文献２（「電解方法」）、特許文献３（「電解装置」）及び特許文献４（「加圧水のカプセル化による個別化された電解槽」）に開示されているように、よく知られている。
米国特許第５，６６５，２１１号明細書 米国特許第６，０３３，５４９号明細書 米国特許第６，０７１，３８６号明細書 米国特許第６，１５３，０８３号明細書

電解液を用いて水素を生成する既知の電解装置（electrolytic equipment）は、以下のように操作される。なお、本明細書では、これを「電解槽（electrolyzer）」ということがある。すなわち、水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液などの電解液の浴中に２つの電極が配置される。広範囲の濃度の水酸化カリウム溶液を用いることができるが、約２５〜２８重量％の濃度のＫＯＨ溶液を用いるのが最適である。電極は、液体は流通させるがガスは流通させない選択的な分離膜によって互いに孤立させられている。電極を横切る方向に電圧（約２ボルト）が印加されたときに、電解液を通って両電極間に電流が流れる。水素ガスは陰極で生成され、酸素は陽極で生成される。分離膜は、生成された気泡が電解液中を上昇する際に、水素と酸素とを互いに分離された状態に維持する。気密障壁によって２つの個別の区域に分離されている互いに分離された２つの区域又は２つの分離室に収容された電解液上には離脱スペースが存在する。ここで、一方の室又は区域は水素を受け入れ、他方の室又は区域は酸素を受け入れる。２つのガスは、離脱スペースの各区域から個別に取り出され、貯蔵又は放出される。

一般的に、本発明によれば、別途に圧縮ステップを必要とすることなく、装置から直接、加圧された水素及び副生成物である酸素を生成する方法と電解装置（electrolytic apparatus）とが提供される。通常は「電解槽（electrolyzer）」と呼ばれる電解装置は、その内部に棒状（rod-like）の陽極が配置されている管状の陰極を有している。そして、陰極と陽極との間には電解液室が画成されている。陰極と陽極との間には管状の分離膜が配置されている。この分離膜は、電解液室を、陽極側副室と陰極側副室とに分割する。特定の実施態様においては、陽極と分離膜と陰極とは同軸状であり、その結果、陽極側副室と陰極側福室とは同心円状の環状形となっている。２つの電解液副室は、それぞれ、各別のガス／液分離器に、ガスの流動が可能な態様で連通するように接続されている。これにより、互いに分離された水素区域と酸素区域とから、生成された２つのガスが個別に取り出される。

とくに、本発明によれば、互いに背向する第１及び第２の端部を有する、水を電気分解するための電解セル（electrolyzer cell）が提供される。この電解セルは、以下の部品を備えている。管形状の陰極は、直流電力源に接続可能であり、かつ、陰極活性内表面と陰極外表面とを有する。陽極は、直流電力源に接続可能であり、陽極活性外表面を有し、かつ、陰極の内側に配置されて該陰極とともに、陰極内表面と陽極外表面との間に位置する環状の電解液室を画成する。管形状の分離膜は、陰極と陽極との間の電解液室の内部に配置され、電解液室を、陽極側副室と陰極側副室とに分割する。この分離膜は、ガスの流通を阻止する機能を有する。第１及び第２の気密シール部は、それぞれ、セルの背向する第１及び第２の端部に配置されている。ガス排出接続部は、液体及びガスの流動が可能な態様で電解液室と連通し、電解液室内で生成されたガスをセルから除去する。

本発明のもう１つの態様においては、ガス排出接続部は、陰極側副室内で生成されたガスを、陽極側副室内で生成されたガスと個別に排出するように寸法及び形状が設定されている。

本発明のもう１つの態様においては、陰極と分離膜と陽極とがすべて互いに同軸状に配置され、かつ、陰極内表面と陽極外表面と分離膜とがそれぞれ横断面でみれば環形状となっている。

本発明の他の態様は、陰極の外表面を取り囲んで該外表面と接触する、該外表面とは別体である圧力容器をさらに含んでいる電解セルを提供する。また、これに代えて、陰極自体が圧力容器を含んでいてもよい。いずれの場合においても、本発明の１つの態様では、圧力容器は、少なくとも約１０ｐｓｉｇ（６．９×１０^４Ｎ／ｍ^２）である高められた圧力でガスを収容することができる。ある場合には、高められた圧力は、約１００００ｐｓｉｇ（６．９×１０^７Ｎ／ｍ^２）以下、例えば５０００ｐｓｉｇ（３．５×１０^７Ｎ／ｍ^２）以下である。

本発明のさらにもう１つの態様においては、気密シール部のうちの少なくとも１つが、陽極の一端に隣接して該陽極に付加された陽極シールカラーと、茶碗状（cup-shaped）に形成されその内部に陽極収容カラーを収容する凹部を有する電気絶縁套管（electrical isolation bushing）とを備えている。この電気絶縁套管は、陽極シールカラーと陽極の一端との間で陽極に付加され、かつ、陽極シールカラーと係合している。さらに、気密シール部は、電気絶縁套管と係合するとともに、陰極の一端で該陰極に気密シールを施す端部接続部（end fitting）とを備えている。

本発明のもう１つの態様は、上記の電解セルを複数備えるとともに、複数のセルの各陰極側副室と第１のガス収集器との間に液体及びガスの流動が可能な態様で両者を連通させるように接続された第１のガス流れ通路と、複数のセルの陽極側副室と第２のガス収集器との間に液体及びガスの流動が可能な態様で両者を連通させるように接続された第２のガス流れ通路とを備えた電解槽を提供する。

本発明のもう１つの方法態様によれば、１つ又は複数の電解セルを含んでいる電解槽を用いて水の電気分解を行い、圧縮された水素及び酸素を水から生成する方法が提供される。各セルは、それぞれ、（ｉ）その内部に棒状の陽極が配置されている管形状の陰極であって、陰極と陽極との間に環形状の電解液室を画成する陰極と、（ｉｉ）陰極と陽極との間において電解液室中に配置され、電解液室を陽極側副室と陰極側副室とに分割するとともに、両副室間のガスの流通を阻止する管形状の分離膜とを含んでいる。この方法は、以下のステップを含んでいる。（ａ）電解液室の両副室内に、例えば水酸化カリウム水溶液などの電解質水溶液を導入するステップ。（ｂ）セルの各陽極と各陰極とを横切る方向に直流電圧（DC voltage drop）を印加して水を分解し、陰極に水素を生じさせるとともに陽極に酸素を生じさせるステップ。（ｃ）１つ又は複数の電解セルから水素と酸素とを個別に排出するステップ。

本発明のもう１つの方法態様においては、セルが圧力容器をさらに含み、少なくとも約１０ｐｓｉｇ（６．９×１０^４Ｎ／ｍ^２）である高められた圧力で水素と酸素とが生成される。高められた圧力は、約１００００ｐｓｉｇ（６．９×１０^７Ｎ／ｍ^２）以下又は約５０００ｐｓｉｇ（３．５×１０^７Ｎ／ｍ^２）以下である。

本発明の方法態様は、以下の１つ又は複数の特徴を、単独で、又は適切に組み合わせて含んでいる。セルから取り出される水素と酸素と間の圧力差は、約０．２５ｐｓｉｇ（１７００Ｎ／ｍ^２）以下、好ましくは約０．２ｐｓｉｇ（１４００Ｎ／ｍ^２）以下、より好ましくは約０．１７ｐｓｉｇ（１２００Ｎ／ｍ^２）以下に維持される。

電解液と、生成物である水素とが水素分離器に流入させられ、電解液と副生成物である酸素とが酸素分離器に流入させられ、水素分離器中及び酸素分離器中の電解液の各液位が検出される。セルから取り出された水素と酸素との間の圧力差が約０．２ｐｓｉｇ（１４００Ｎ／ｍ^２）以下に維持されるよう上記液位が制御される。

電解液は、必要的ではないが、連続操作で電解槽を循環させてもよい。

図１、図１Ａ及び図１Ｂには、外側閉込外套としても機能する、陰極１２と分離膜１４（図１Ｂ）と陽極１６とを備えたガス生成セル１０が示されている。陰極１２は内表面１２ａを有し、陽極１６は外表面１６ａを有している。これらの表面１２ａ及び表面１６ａは活性電極表面であり、電解液１８に露出されて接触している。電解液は、ガス生成セル１０の電解液室１５内に収容されている。電解液室１５は、表面１２ａと表面１６ａとの間のスペースに形成されている。図１Ｂに示すように、分離膜１４は、電解液室１５を、電解液１８の陽極側の部分１８ａを収容している陽極側副室１５aと、電解液１８の陰極側の部分１８ｂを収容している陰極側副室１５ｂとに分割している。陽極１６と陰極１２と分離膜１４とは同軸状に配置されている。ここで、管状の分離膜１４は管状の陰極１２内に同軸状に配置され、棒状の陽極１６は分離膜１４内に同軸状に配置されている。図１Ｂに示すように、陰極１２と分離膜１４とは、横断面でみれば環形状であり、これにより陽極側副室１５ａ及び陰極側副室１５ｂが同様の環形の横断面を備えている。陰極１２は陽極１６と分離され、高圧に耐えるようにシール部１３によって一端でシールされている（図１及び図１ａ）。気密シール部１２ｂ（図１Ｄ）はセル１０の他端を閉じている。気密シール部１２ｂは、図を簡略化するために、単純化された模式的な形態で示されている。その構造は、図１Ｄに示す気密シール部１３と同様であるが、陽極１６がそれを通って突出せず、それよりも短くなっている点で異なる。１対のガス排出管路２０、２２は、気密シール部１２を通って突出し、後で説明するように、ガス生成セル１０の内部と液体及びガスの流動が可能な態様で連通している。陰極１２は水素生成電極として機能し、陽極１６は酸素生成電極として機能する。図に示された形態のセル１０は、電解液１８を、陽極側の電解液部分１８ａと陰極側の電極液部分１８ｂとに分離している。電解液は、例えば、電解液室１５内、すなわち分離膜１４の両側の両電極１２、１６間に収容された２５重量％から２８重量％までのＫＯＨ水溶液であってもよい。このように形成された複数の個々のガス生成セルは、後で説明するように、電解槽で用いるために配列して組み付けられてもよい。

陰極１２と陽極１６とを横切るように、典型的には約１．５から３ボルト、好ましくは約２ボルトの直流（「ＤＣ」）電圧を印加すると、電解液室１５の陰極側副室１５ｂ内の陰極１２で水素ガスが生成され、電解液室１５の陽極側副室１５ａ内の陽極１６で酸素ガスが生成される。

陰極の部品は、必要的ではないが、電解セルの圧力境界壁として機能するものであってもよい。すなわち、いくつかの実施の形態では、陰極は閉込容器又は圧力容器としても機能する。一方、他の実施の形態では同軸状に配置された陽極、分離膜及び陰極は、全て圧力容器内に収容され、陰極の壁構造を陽極と同様に薄くすることができる。

陰極が圧力容器としても機能する場合における高圧の生成においては、陰極１２の壁の厚さＤ、ひいてはセル１０の外直径Ｄは、所望の生成圧力によって、降伏強さや、陰極１２を形成している金属の電気伝導度などの材料特性によって、そして陰極１２の壁の厚さを制限する実際的な考察によって決定される。前に説明したように、陰極１２はセル１０の閉込容器として機能するものであってもよい。水素脆化の制約に合致する安価なスチール製又はその他の適切な金属製のチューブ材料又はパイプ材料を用いるために、個々のセルの直径Ｄについては、１００００ｐｓｉｇ（６．９×１０^７Ｎ／ｍ^２）の生成の場合は実際的な制約が存在する。これらの実際的な制約は、陰極１２の壁の厚さＴについての実際的な制約によって決定され、結果的には約２から３．５インチまで（約５．１から８．９ｃｍまで）の範囲の直径Ｄとなる。一般に、壁の厚さＴは、約１／４から５／８インチ（約０．６４から８．５９ｃｍまで）まで変化するであろう。個々のセル１０の長さＬは、所望のガス生成速度、生成圧力及び環状流れのギャップ（間隔）によって決定される。典型的には、セル２０の長さＬは約２から６フィートまで（約０．６１から１．８３メートルまで）である。環状流れのギャップは、図１Ｂ中に、半径方向の寸法線ｇ_ｃ（陰極の環状流れのギャップ）及びｇ_ａ（陽極の環状流れのギャップ）で示されている。陰極の環状流れのギャップｇ_ｃについての典型的な寸法は約３／１６から３／８インチまで（約０．４８から０．９６ｃｍまで）であり、陽極の環状流れのギャップｇ_ａについての典型的な寸法は約１／８から１／４インチまで（約０．３２から０．６４ｃｍまで）である。

図１Ｄに示す単純な構造は、個々のセル１０内の分離膜１４を横切る圧力のバランスを、水柱で２インチ内（０．１ｐｓｉｇ未満）に維持するために用いられる。このような圧力バランスを維持することにより、生成物（水素）の純度を維持することができる。なぜなら、分離膜１４は、水柱で数インチを超える圧力差によるガスの漏れをシールすることができないからである。気密シール部１２ｂは、その内側に円形のフランジ１１を有している。フランジ内には、溝（参照番号なし）が形成されている。溝内には、分離膜１４の端部が受け入れられ、陰極の離脱スペース１９ａと陽極の離脱スペース１９ｂとの間に気密シールを形成する。同様の溝つきフランジ構造がシール部１３（図１及び図１ａ）の内部に設けられて分離膜１４の反対側の端部をシールするようにしてもよく、またシールしなくてもよい。

ガス排出管路２０は、電解液１８の陰極側の電解液部分１８ｂの液位ｌより上の、セル１０内の陰極の離脱スペース１９ａ（図１Ｄ）内の水素ガスを輸送する、ガス排出管路２２は、電解液１８の陽極側の電解液部分１８ａの液位ｌ’より上の、セル１０内の陽極の離脱スペース１９ｂ内の酸素ガスを輸送する。水素及び酸素の各離脱スペースは、気密圧力隔壁構造（図示せず）によって、互いに孤立させられている。

図１Ｃは、本発明の第２の実施の形態を示している。この図において、図１Ｂに示す実施の形態の構成部分と同一又は類似の構成部分については、図１Ｂで用いられている参照番号に１００を加えた参照番号が付されている。しかしながら、後で説明するように１つの点で相違することを除けば、図１Ｃに示すセル１１０の部品及びそれらの機能は、図１Ｂに示す実施の形態に対応する部品と同一であるということが注目されるので、それらの構成及び機能についての説明は繰り返さない。セル１１０において、陽極１１２は、セル１１０の操作圧力に耐えるような仕様とはされていない。それゆえ、圧力容器１１３が設けられている。この圧力容器は、陰極１１２の外表面（参照番号なし）とは分離されているが、該外表面を取り込んでこれに当接している。圧力容器１１３は端部（図示せず）を有し、この端部はセル１１０の第１及び第２の端部を収容して、セル１１０のための有効な圧力容器を形成している。

図示された形態のセル１０は、陰極及び陽極の電極面積を最適化することを可能にする。陰極におけるガス生成速度（水素）は陽極におけるガス生成速度（酸素）の２倍であるので、陰極内表面１２ａの表面積と、陽極外表面１６ａの表面積とは、任意の寸法のセルに対するガス生成速度を最大にすることを可能にするために、理想的には２：１の比であるべきであるか、または少なくともこの比の近傍であるべきである。ガス生成速度は、通常、任意の材料及び表面状態に対する陰極の表面積１２ａによって決定される。電極の形態が平行な平板である従来技術においては、陽極と陰極とは表面積が同一であり、陽極の表面積には無駄な過剰部分が存在する。これとは対照的に、本発明に係る同軸形態の電極では、陽極の直径は、内表面１２ａにおける陰極の直径よりも小さい。それゆえ、陽極（外側）の表面積は、陰極の内表面積よりも小さい。陽極（外側）の表面及び陰極の内表面は電解液と接触する表面であり、それゆえ活性電極表面である。電極の直径及び環状流れのギャップは、それぞれ、陰極と陽極との活性表面の面積比が最適値である２：１又はこの値の近傍となるように設定される。

通常、図１Ｂに示す分離膜１４及び図１Ｃに示す分離膜１１４は、副室１５ｂ、１１５ｂの体積が、それぞれこれらに対応する各副室１５a、１１５aの体積のほぼ２倍となるように、寸法及び形状が設定される。個々のセル１０は、陽極１６と、陰極１２によって該陰極の各端部に設けられた閉込容器との間にシール部を設けることによりシールされる。このシール部は、陽極と陰極との間に低電圧（２ボルト以下）の電気絶縁部を形成するとともに、約１００００ｐｓｉｇ（６．９×１０^７Ｎ／ｍ^２）又はこれより高圧のセル内圧により液がセル１２から漏れるのをシールしなければならない。図２は、単純で有効な仕様形態を示している。

シール部１３は、４つの基本的な部品で構成されている。陽極シールカラー２４は金属でつくられ、陰極１２（図１）の下端部と並ぶような適切な位置で陽極１６に溶接されている。あるいは、これに代えて、カラー２４は、該カラー２４及び陽極１６が単一の一体構造物となるように、大径の棒部材から陽極１６を機械加工することによりつくられてもよい。シールカラー２４の下端面（参照番号なし）には、Ｏリング２４ｂを収容するためのＯリング溝２４ａが機械加工により形成されている。電気絶縁套管２６は茶碗状であって、誘電体材料でつくられ、陽極１６が通る電気絶縁部材を形成している。套管２６は非導電性材料でつくられ、その周縁周りに形成された、Ｏリング２６ａを収容するためのＯリング溝（参照番号なし）を有している。高圧端部接続部材２８は金属でつくられ、陽極が通る端部部材を形成し、ねじ込み又は溶接により陰極１２の下端部をシールしている。端部接続部材２８の外径部にはねじが切られ、陰極１２によって設けられた閉込容器壁の内表面１２ａ（図１Ｂ）の両端部に設けられた内径ねじ部（図示せず）と係合する外ねじ２８ａが形成されている。端部接続部は陰極の下端部に溶接されてもよい。いずれの構造でも、陰極１２内に生成された高いガス圧に対してシールを施す。

電気絶縁スリーブ３０は、これを通って伸びるスリーブ穴３３を有し、高圧端部接続部材２８を通って伸びる端部接続部材穴（参照番号なし）の内部に配置されている。陽極１６はスリーブ穴３３の内部に収容されている。かくして、電気絶縁スリーブ３０は、陽極１６と、陰極１２内の加圧された領域外の陰極１２との間に電気絶縁を維持する機能を有する。スリーブ３０はまた、ナット３２を電気的に絶縁する端部フランジ３０ａも有している。このナットは、陽極１６の端部又はその近傍に形成されたねじ１７の部位で陽極１６にねじ込まれている。そしてこのナットは、組み立て体全体をプレロードして保持するのに用いられる。ナット３２と端部フランジ３０ａとの間には、ワッシャ３４が介設されている。

種々の部品、すなわち陽極シールカラー２４、電気絶縁套管２６及び端部接続部材２８が、陰極１２と陽極１６との間に形成された電解液室１５（図１Ｂ）の中心に陽極１６を位置決めして維持するように、寸法及び形状が設定されるということが理解されるであろう。同様に、分離膜１４を、陽極１６及び陰極１２に対して同心円状に所定の適切な位置に位置決めして保持する構造物が設けられている。これは、分離膜１４を所定の適切な位置に位置決めして維持するように寸法及び形状が設定された１つ又は複数の適切な位置決め部材によって実現されることができる。

また、図３に示すように、電解槽装置３６は個々のセル１０からなるセル配列３８を備えている。図示された実施の形態ではＤＣ発電機４０からなる電気エネルギー源によって、各セルを横切る方向に電位が印加される。発電機４０からセル１０までの電気配線は、電気リード線４２ａ、４２ｂとして模式的に示されている。電解槽装置３６の任意の水素生成容量は、個々のセル１０を適切な寸法とすることと、後で説明するように共通のマニホールドシステムに接続するこのようなセルの数を適切に選択することとにより達成される。使用時において、水素（副生成物である酸素とともに）を生成する方法は、前記の電解層装置を用いて実施され、１平方インチ（６．４５ｃｍ^２）あたり１００００ポンド（４４５００Ｎ）のゲージ圧（「ｐｓｉｇ」）までの高められた圧力、例えば約０から約１００００ｐｓｉｇ（６．９×１０^７Ｎ／ｍ^２）までの圧力範囲で水素（及び副生成物である酸素）を生成する。この圧力範囲（約５０００ｐｓｉｇ（３．５×１０^７Ｎ／ｍ^２）から約１００００ｐｓｉｇ（６．９×１０^７Ｎ／ｍ^２）までの範囲）の上限は、水素ベースの燃料電池自動車又はその他の自己推進車両、あるいは携帯式又は固定式の装置の高圧貯蔵容器における貯蔵のために直接水素燃料を供給するのにとくに適している。約０から約１００００ｐｓｉｇ（６．９×１０^７Ｎ／ｍ^２）までの任意の圧力範囲の用いることができるのはもちろんである。このような中間的な範囲の典型例は、約３０００ｐｓｉｇ（２．１×１０^７Ｎ／ｍ^２）より高い圧力、例えば約３０００ｐｓｉｇ（２．１×１０^７Ｎ／ｍ^２）から約１００００ｐｓｉｇ（６．９×１０^７Ｎ／ｍ^２）までの圧力、約３５００ｐｓｉｇ（２．４×１０^７Ｎ／ｍ^２）から約８０００ｐｓｉｇ（）までの圧力、及び、約３５００ｐｓｉｇ（５．５×１０^７Ｎ／ｍ^２）から約１００００ｐｓｉｇ（６．９×１０^７Ｎ／ｍ^２）までの圧力である。１００００ｐｓｉｇ（６．９×１０^７Ｎ／ｍ^２）より高い圧力での水素の生成は、本発明のある態様では実行可能である。このような水素の生成は、このような高圧に耐えることができる圧力容器及び関連装置を設ければ、経済的かつ実用的に利用することができることが予定されている。

水素及び酸素を生成するために電解により分解された水を補給するために、補給水ポンプ４８によって、水処理・貯蔵ゾーン４６から補給水が電解液容器４４に供給される。電解液は電解液容器４４から取り出され、供給配管４５によって電解液補給ポンプ５０に供給される。電解液は、このポンプから電解液供給管路を経由して電解液マニホールド５２に輸送される。電解液マニホールドは電解液を、電解液供給管路５４を経由して個々のセル１０に供給する。

セル１０内で電解液１８（図１Ｂ）から生成された水素ガスは、ガス排出管路２０及び水素マニホールド管路２１を経由して水素分離器５６に排出される。水素分離器では電解液１８（図１Ｂ）が水素ガスから分離される。水素分離器５６内の水素生成物は水素排出管路６０を経由して流れ、チェックバルブ６２を自由に流れ、水素貯蔵タンク６３に流入し、使用され、又はさらに処理される。分離された電解液は、水素分離器５６内に液体シールを形成する。水素が固定的な体積の貯蔵タンク６３に供給されるのに伴って、水素の圧力は上昇し続けるであろう。同様に、酸素及び電解液１８は、ガス排出管路２２と、これに続く酸素マニホールド管路２３とによってセル１０から排出される。酸素ガス及び電解液１８は、管路２３を経由して酸素分離器６４に流入する。酸素分離器内で電解液は酸素から分離される。分離された酸素は、酸素排出管路６８を経由して、酸素圧力調整器７０によって制御された速度で酸素貯蔵タンク（図示せず）に流入し、放出され、使用され、又はさらに処理される。分離された電解液は酸素分離器６４内に液体シールを形成する。酸素の流速は、分離器６４内の液位が分離器５６内の液位と同一レベルに維持されるように制御される。同様の操作機能を有する手段が、分離器６４内の圧力が分離器５６内の圧力と同一レベルに維持することにより、設けられてもよい。これは、個々のセル１０が、フラッディング状態で操作されることを可能にする。このように生成された気泡は、各セルからガス排出管路２０、２２を通って、分離器５６、６４及び共通容器４４に流れる。このような形態の操作においては、図１Ｄに示す電解液１８の液位ｌ、ｌ′は図３に示す装置内でより高いレベルに維持される。この場合、電解液１８は、セル１０、ガス排出管路２０、２２、水素マニホールド管路２１及び酸素マニホールド管路２３内でフラッディングを起こす。この場合の、電解液表面の液位は図４に示すレベルとなる。

分離器５６、６４は、電解液の持ち去り及び水酸化カリウムの逸失を防止又は大幅に低減する液体トラップとして機能するように、その断面の寸法が設定されている。水酸化カリウムの補給が必要な場合は、例えば定期的なメンテナンスのためのシャットダウン期間中に手動でシステムに供給されてもよい。さらに、酸素分離器を出る酸素ガスは、電解液容器中の液体の上のガス空間に接続されて、容器内の圧力をセル圧力の近傍に維持するようにしてもよい。これは、電解液供給ポンプが低差圧循環器として動作することを可能にする。容器（図示せず）内の液位センサが容器に液体を補充する必要があることを示しているときには、電解液容器に補給水だけが供給される。

セル１０内の水素ガスの圧力が管路６０、例えば水素貯蔵タンク６３内の圧力より高いときには、チェックバルブ６２は、生成物である水素ガスが管路６０を通って貯蔵タンクに流入することを許容し、又は、さらに処理又は使用されることを許容する。水素貯蔵タンク６３内の最大設計圧力に到達したときには、圧力センサ（図示せず）は、電解槽装置３６への電流の供給を自動的に停止するように動作する。

図４に示すように、水素分離器５６内の液位は、水素分離器５６に取り付けられた単純な液位検出装置によって検出される。液位検出装置７２は、電気的に絶縁された１対の（又はこれより多い）プローブ（探針）７４、７６を備えている。これらのプローブは、それぞれプローブ先端部７４ａ、７６ａまで、分離器５６内の電解液１８の所望の最高液位及び最低液位ｌを規定する長さで分離器５６内に伸びている。電気絶縁シールは、基本的には前記の陰極／陽極シール部１３（図１及び図１a）と同様の仕様である。典型的には約１．５ボルトより低電圧である低電圧源７８は、電気リード線８０、８２によってプローブ７４、７６に接続され、かつ、電気アースリード線８４によって分離器５６にアースされている。プローブ７４、７６と分離器５６の外套との間の電気導通がチェックされる。電解液の液位が最低液位よりも低下した場合、すなわち両プローブが電気導通しなくなった場合、電解液供給ポンプ５０が駆動され、電解液がセルに輸送される。両プローブ７４、７６で電気導通が検出されたときには、電解液は最高液位に到達しているので、電解液供給ポンプ５０は停止され、電解液はこれ以上セルに輸送されない。導電性の電解液が２つのプローブ先端部の高さの間にある場合、すなわち１つのプローブだけが電気導通している場合、上記の２つの状態のうちの１つが生じるまでは、補給水ポンプ４８の状態は、そのオン又はオフにかかわらず、変化しないままである。

酸素の流れは、両分離器間（したがって、ダイアフラムを横切る方向）の圧力差を最小にするために、次の２つのいずれかの方法で容易に制御することができる。一方は差圧の検出であり、他方は液位の検出である。

差圧を検出する技術形態においては、酸素分離器６４からの流れは、空気力学的に駆動される圧力調整バルブ７０によって制御される。この場合、バルブ７０の駆動ダイヤフラム（図示せず）は、管路（図示せず）により接続され、酸素分離器６４内のガスと水素分離器５６内のガスとの間の圧力差を検出し、設定された圧力差を維持するように酸素分離器６４のガススペースを放出するために開く。この圧力差はほぼ０、例えば約０．１７ｐｓｉｇ（１２００Ｎ／ｍ^２）から約０．２ｐｓｉｇ（１４００Ｎ／ｍ^２）の差圧に設定される。その結果、圧力バランスは、２つの分離器５６、６４内の液位を本来の値に安定して保ち、設定された差圧以内に維持する。

液位を直接検出する技術形態においては、図４に示す液位検出センサと同様の液位センサが、酸素分離器６４内の装置７２に搭載される。この場合、酸素分離器６４からのガスの流れを調整するバルブ７０は、高い設定値と低い設定値（又はオンとオフ）との間を行き来する。この単純な液位制御形態は、セル１０の操作にとっては満足のゆくものである。バルブ７０の設定状態は、以下で説明するように、分離器６４内の電解液の液位によって決定される。バルブ７０が大流量の設定状態にあり、酸素分離器６４内の液位が上昇して高液位の接触部（図４のプローブ先端部７４ａに類似する）到達したときには、バルブ７０は、適切な電子制御装置（図示せず）によってその低流速位置に切り替えられる。バルブ７０が、小流量の設定状態にあり、液位が低下して低液位の接触部（図４のプローブ先端部７６ａに類似する）に到達したときには、バルブ７０は、適切な御装置によってその高流速位置に切り替えられる。

本発明の異なる実施の形態においては、電解液は連続循環操作で循環させられる。この連続操作を行う実施の形態は、高圧水素の生成において、任意のセルに対してその長さ、ひいては生成速度を可能な限り増加させることを可能にする。前記のバッチ式の実施の形態においては、個々のセルの長さは、セルの寸法（流れのギャップ）、ガスの体積生成速度及び気泡の上昇速度の組み合わせによって制限される。本発明の連続循環式の実施の形態において適切な速度でセルを通して上向きに電解液を循環させることは、引きずり現象（entrainment）により気泡の上昇速度を増加させ、その他の場合において同様の寸法をもつセルの場合よりも、陰極及び電極の長さを長くすることを可能にする。この循環方式を実施するために、分離容器（図３中の構成要素５６、６４）は、電解液が分離器５６、６４から電解液容器（図３中の構成要素４４）に戻るような戻り通路を付加することにより変更される。図３に模式的に示された装置の残りの部分の構成、及び、バッチ式の実施の形態に対する前記の基本的な制御システムは、電解液を循環させる連続循環式の実施の形態でも大幅な変更はない。

本発明は、従来技術に対して、少なくとも以下のような利点を備えている。

１． 同軸状の陽極／陰極の配置形態は、陰極１２によって形成される閉込容器における従来の材料の実用的な壁の厚さでもって、非常に高圧の水素を生成することを可能にする。さらに、本発明の価値は、高められた圧力で実用的なより大きい個々のセルをつくることを可能にする、複合構造物などの進歩的な圧力閉込材料を用いることにより、さらに高められる。同軸状の形態はまた、前記のとおり、陽極１６及び陰極１２の表面積を最適にすることを可能にする。

２． 独立したガス／液体分離容器（例えば、分離器５６、６４）が、水素生成側及び酸素生成側のそれぞれで用いられる。これは、複数のガス生成セル１０が共通のガス／液体分離容器（例えば、５６、６４）に接続されることを可能にするとともに、１つの電解液の液位制御システムの利用を可能にする。

３． 陽極１６をガス生成セル１０内に収容するための新規で低コストの圧力シール仕様は、合理的なコストでもって、高圧及び電気絶縁についての要求を満足させることを可能にする。

４． 本発明は、電解液１８の液位の自動制御、あるいは両分離器（５６、６４）間の差圧及び生成された水素ガス及び酸素ガスの放出の自動制御を含み、水素の生成時にほぼ手放しの操作を行うことができる単純で安価な制御形態を提供し、これにより高純度のガス生成物を得ることができる。

１００００ｐｓｉｇ（６．９×１０^７Ｎ／ｍ^２）までの圧力又はこれより高い圧力の水素（及び酸素）の生成を可能にする本発明に係る装置及び方法の能力は、従来知られている電解槽で達成可能であると報告されている最高の直接生成圧力である約３０００ｐｓｉｇ（２．１×１０^７Ｎ／ｍ^２）を超えるものである。本発明に係る装置及び方法は、生成物である水素を圧縮するための別途の圧縮器を必要とすることなく、このように高圧の水素を生成することができる。１００００ｐｓｉｇ（６．９×１０^７Ｎ／ｍ^２）の水素を製造することは、水素を用いる燃料電池式車両又は内燃機関式車両に圧縮された水素ガスを供給する上で、極めて重要な要素である。この場合、搭載型貯蔵器として許容しうる体積−重量比の単一のタンクでもって、ガソリンを動力源とする車両と同等の走行領域を得ることができる。本発明は、高圧水素の生成を、部品のコスト及びシステムの複雑さを低減する独特の方法で実施することを可能にする。その結果、該装置は、通勤用車両で帰宅するのに必要な燃料、及び、小型フリート（small fleet）の燃料を、人々が容易に手ごろな価格で入手することを可能にするものである。本発明は、水素の生成容量に応じて任意にスケールを拡張・縮小することができる。また、燃料電池式の車両及び装置に水素を販売するためのサービスステーションにも実用的に応用することができる。

本発明に係る装置及び方法は、水素燃料電池式の自動車のためのサービスステーションなどの現場において、圧縮水素を生成するためにも利用することができる。このような現場としては、サービスステーション、金物屋／家庭用大工道具店、高圧容器で水素燃料を小売りする地域的なエネルギー供給者などが挙げられる。また、エネルギー貯蔵現場及び／又は燃料セルの使用現場としては、住居、工場及び事務所建物が挙げられる。さらに、内燃機関型の可搬式電力供給現場としては、家庭、庭、又はその他の応用電気製品（appliance applications）が挙げられる。

本発明は、その特定の実施の形態により詳細な説明が行われているが、当業者であれば、本発明がその他の実施の形態にも利用することができることが理解するであろう。圧力検出装置、流速検出装置、バルブ及びポンプを操作するための制御装置などの従来知られている装置及びその使用方法は、この技術分野ではよく知られているので、その説明はこの明細書では大幅に省略されている。

本発明の１つの実施の形態に係るガス生成セルの立面図である。 図１に示すガス生成セルの、一部分が除去された斜視図である。 図１よりも拡大された、図１のＩ−Ｉ線に沿って切断された横断面図であり、セル内に収容されている電解液を示しているが、電解液の主部は図の明瞭性を高めるために削除されている。 本発明の第２の実施の形態に係るガス生成セルを示す、図１Ｂに対応する図であるが、図１Ｂに示すガス生成セルに対応する電解液は削除されている。 図１よりも拡大された、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿って切断された縦断面図である。 図１に示すガス生成セルの部品として利用することができる、図１よりも拡大された、本発明の実施の形態に係るシール部材の縦断面図である。 本発明の１つの実施の形態に係る電解槽装置を示す模式的な流れ図であり、図１から図１Ｂまでに示すタイプの複数のガス生成セルの配列を含んでいる。 図３に示す電解槽装置の１つの実施の形態で利用することができる液体レベルセンサの模式的な断面図である。

符号の説明

１０ ガス生成セル、１２ 陰極、１３ 気密シール、１４ 分離膜、１５ 電解液室、１６ 陽極、１８ 電解液、２０ 水素ガス排出管路、２２ 酸素ガス排出管路、３６ 電解装置、３８ セル配列。

Claims (23)

1. 互いに背向する第１及び第２の端部を有する、水を電気分解するための電解セルであって、
   直流電力源に接続可能であり、かつ、陰極活性内表面と陰極外表面とを有する管形状の陰極と、
   直流電力源に接続可能であり、陽極活性外表面を有し、かつ、陰極の内側に配置されて該陰極とともに、陰極内表面と陽極外表面との間に位置する環状の電解液室を画成する陽極と、
   陰極と陽極との間の電解液室の内部に配置され、電解液室を陽極側副室と陰極側副室とに分割するとともに、ガスの流通を阻止する管形状の分離膜と、
   それぞれ該セルの背向する第１及び第２の端部に配置される第１及び第２の気密シール部と、
   ガスの流動が可能な態様で電解液室と連通する、電解液室内で生成されたガスを該セルから排出するためのガス排出接続部とを含んでいる電解セル。
2. ガス排出接続部が、陰極側副室内で生成されたガスを、陽極側副室内で生成されたガスと個別に排出するように、その寸法及び形状が設定されている、請求項１に記載の電解セル。
3. 陰極と分離膜と陽極とがすべて互いに同軸状に配置され、かつ、陰極内表面と陽極外表面と分離膜とがそれぞれ横断面でみれば環形状である、請求項１に記載の電解セル。
4. 陰極内表面と陽極外表面の比が、およそ２：１である、請求項１、２又は３に記載の電解セル。
5. 陰極側副室と陽極側副室の体積比がおよそ２：１である、請求項１、２又は３に記載の電解セル。
6. 陰極の外表面を取り囲んで該外表面と接触する、該外表面とは別体である圧力容器をさらに含んでいる、請求項１に記載の電解セル。
7. 陰極自体が圧力容器を含んでいる、請求項１に記載の電解セル。
8. 圧力容器が、少なくとも約１０ｐｓｉｇでありかつ約１００００ｐｓｉｇ以下である高められた圧力でガスを収容することができるようになっている、請求項６又は７に記載の電解セル。
9. 上記気密シール部のうちの少なくとも１つが、
   陽極の一端に隣接して該陽極に付加された陽極シールカラーと、
   陽極シールカラーと陽極の上記一端との間において陽極に付加され、陽極シールカラーと係合する電気絶縁套管と、
   電気絶縁套管と係合するとともに、陰極の一端で該陰極に気密シールを施す端部接続部とを含んでいる、請求項１、２又は３に記載の電解セル。
10. 電気絶縁套管が茶碗状に形成され、その内部に陽極収容カラーを収容する凹部を有していて、
    端部接続部が該端部接続部を通って伸びる縦穴を有し、電気絶縁套管と陽極の上記一端とが、縦穴内に収容されて端部接続部に付加されている、請求項９に記載の電解セル。
11. （ａ）互いに背向する第１及び第２の端部を有する電解セルを複数含んでいる電解槽であって、各電解セルが、
    （ｉ）直流電力源に接続可能であり、かつ、陰極活性内表面と陰極外表面とを有する管形状の陰極と、
    （ｉｉ）直流電力源に接続可能であり、陽極活性外表面を有し、かつ、陰極の内側に配置されて該陰極とともに、陰極内表面と陽極外表面との間に位置する環状の電解液室を画成する陽極と、
    （ｉｉｉ）陰極と陽極との間に配置され、電解液室を陽極側副室と陰極側副室とに分割するとともに、ガスの通り抜けを阻止する管形状の分離膜と、
    （ｉｖ）それぞれ該セルの背向する第１及び第２の端部に配置される第１及び第２の気密シール部と、
    （ｖ）電解液室内で生成されたガスを該セルから排出するためのガス排出接続部とを含んでいて、
    該電解槽がさらに、
    （ｂ）各陰極側副室と第１のガス収集器との間に、ガスの流動が可能な態様で両者を連通させるように接続された第１のガス流れ通路と、
    （ｃ）陽極側副室と第２のガス収集器との間に、ガスの流動が可能な態様で両者を連通させるように接続された第２のガス流れ通路とを含んでいる電解槽。
12. 各セルの陰極上の第１の電気コネクタと、各セルの陽極上の第２の電気コネクタとをさらに含み、
    第１及び第２の電気コネクタが、セルを直流電力源に接続して、各セルの陽極と陰極とを横切る方向に電圧降下を生成するようになっている、請求項１１に記載の電解槽。
13. なし。
14. １つ又は複数の電解セルを含んでいる電解槽を用いて水の電気分解を行い、圧縮された水素及び酸素を水から生成する方法であって、上記セルが、それぞれ、（ｉ）その内部に棒状の陽極が配置されている管形状の陰極であって、陰極と陽極との間に環形状の電解液室を画成する陰極と、（ｉｉ）陰極と陽極との間において電解液室中に配置され、電解液室を陽極側副室と陰極側副室とに分割するとともに、両副室間のガスの流通を阻止する管形状の分離膜とを含んでいて、
    該方法が、
    （ａ）電解液室の両副室内に電解質水溶液を導入するステップと、
    （ｂ）セルの各陽極と各陰極とを横切る方向に直流電圧を印加して水を分解し、陰極に水素を生じさせるとともに陽極に酸素を生じさせるステップと、
    （ｃ）１つ又は複数の電解セルから水素と酸素とを個別に排出するステップとを含んでいる方法。
15. セルが圧力容器をさらに含み、少なくとも約１０ｐｓｉｇである高められた圧力で水素と酸素とを生成するようになっている、請求項１４に記載の方法。
16. 高められた圧力が約１００００ｐｓｉｇ以下である、請求項１５に記載の方法。
17. 高められた圧力が約５０００ｐｓｉｇ以下である、請求項１５に記載の方法。
18. セルから取り出される水素と酸素と間の圧力差を約０．２５ｐｓｉｇ以下に維持するステップをさらに含んでいる、請求項１４、１５又は１６に記載の方法。
19. 上記圧力差を約０．１７ｐｓｉｇ以下に維持する、請求項１８に記載の方法。
20. 電解液と生成物である水素とを水素分離器に流入させるステップと、電解液と副生成物である酸素とを酸素分離器に流入させるステップと、水素分離器中及び酸素分離器中の電解液の各液位を検出するステップと、セルから取り出された水素と酸素との間の圧力差が約０．２ｐｓｉｇ以下に維持されるよう上記液位を制御するステップとをさらに含んでいる、請求項１４、１５又は１６に記載の方法。
21. 電解液を、連続操作により電解槽を循環させるようになっている、請求項１４、１５又は１６に記載の方法。
22. 電解質水溶液が水酸化カリウム水溶液である、請求項１４、１５又は１６に記載の方法。
23. 電解槽が複数の電解セルを含んでいる、請求項１４、１５又は１６に記載の方法。

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