JP7336254B2 - 水素・酸素発生装置及び水素ガスの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、水素・酸素発生装置及び水素ガスの製造方法に関し、より詳しくは、水を電気分解して水素ガスと酸素ガスとを発生させる水電解モジュールを備えた水素・酸素発生装置及び該水素・酸素発生装置を用いて水素ガスを製造する水素ガスの製造方法に関する。

近年、クリーンなエネルギー源として水素ガスを利用する機会が拡大している。
このような水素ガスを製造するための装置としては、固体電解質膜などによって隔てられた陰極室と陽極室とを備えた水電解モジュールを用い、該水電解モジュールで水の電気分解が行われる水素・酸素発生装置が知られている。
電気分解では陽極側や陰極側が加圧状態であっても水素ガスや酸素ガスが生成可能であるためこの種の水素・酸素発生装置では、加圧状態の水素ガスを製造することができる。

この種の水素・酸素発生装置では、通常、前記陰極室からは水を含んだ状態で水素ガスが排出される。
水素・酸素発生装置で製造される水素ガスは、一般的に純度を向上させることが要望されており、水分などの不純物の含有量を低減させることが求められている。
水素ガスの温度低下や圧力上昇に際して水分の凝集が生じることを抑制する意味においても水素ガス中の水分量は、低減されることが望ましい。
そのため水素・酸素発生装置の陰極側には、陰極室から排出された湿潤状態の水素ガスを気液分離するための気液分離器が設けられている（下記特許文献１参照）。
さらには、従来の水素・酸素発生装置の陰極側には、気液分離器と陰極室との間を連通する経路に水素ガスを冷却して凝縮水を生じさせるための熱交換器が設けられたりもしている。

特許第４３４７９７２号公報

固体電解質膜などを用いる場合に限らず、水の電気分解においては、通常、水素ガスが酸素ガスの２倍の量で生成される。
さらに、従来の水素・酸素発生装置では、商品価値の高い水素ガスの純度を保つ意味において陰極側から陽極側へガスが移動することがあっても陽極側から陰極側へのガスの移動が抑制されるような運転条件が採用されていることがある。

このような水素・酸素発生装置では、電気分解が盛んに行われている状況下においては僅かな量の水素が陽極側に移動しても実質的な問題にはなり難いが、電気分解が停止すると新たな酸素ガスが発生しないことから陽極側での酸素ガス中の水素ガス濃度が電気分解の行われている状況下に比べて上昇し易いという問題を有する。

上記のような問題の発生を防止する方法としては、電気分解が停止する際に陰極側で水素ガスを放出して陰極室のガス圧を低下させることが考えられる。
しかし、その場合は、陰極室のガス圧を低下させるために水素ガスを系外に放出してしまうことになり、水素・酸素発生装置の運転効率を低下させるおそれがある。
また、水素ガスを放出して陰極室のガス圧を低下させてしまうと、次に電気分解を再開した際に水素ガスの圧力が回復するまでに時間を要してしまうことにもなるため、この点においても水素・酸素発生装置の運転効率を低下させるおそれがある。

そのため、このような水素・酸素発生装置を使って水素ガスを製造する際には水素ガスの製造効率を十分向上させることが難しいという問題を有する。
そこで、本発明は、このような問題を解決することを課題としている。

上記のような課題を解決すべく本発明は、
水を電気分解して水素ガスと酸素ガスとを発生させる水電解モジュールを備え、
該水電解モジュールが、水素ガスを発生させる陰極室と、酸素ガスを発生させる陽極室とを有し、該陰極室から水を含んだ状態の前記水素ガスを排出するように構成されており、
前記水を含んだ状態の前記水素ガスから該水を分離するための気液分離器を備え、
該気液分離器が前記陰極室と連通し、
前記気液分離器の水量を調整することにより前記陰極室のガス圧を調整する水量調整機構をさらに備える、水素・酸素発生装置、を提供する。

上記のような課題を解決すべく本発明は、また、
水素・酸素発生装置によって水素ガスを製造する水素ガスの製造方法であって、
前記水素・酸素発生装置が、
水を電気分解して水素ガスと酸素ガスとを発生させ、前記水素ガスを発生させる陰極室と前記酸素ガスを発生させる陽極室とを備えた水電解モジュールと、
前記陰極室と連通し、前記陰極室から排出される前記水素ガスに含まれている水を該水素ガスから分離する気液分離器と、を備えており、
前記水電解モジュールによる前記電気分解の停止時に前記気液分離器から排水して前記陰極室のガス圧を低下させる減圧操作と、
前記水電解モジュールによる前記電気分解の開始時に前記気液分離器に給水して前記陰極室のガス圧を上昇させる昇圧操作との少なくとも一方を実施する水素ガスの製造方法、を提供する。

本発明によれば、電気分解の停止時に気液分離器の水量を減少させて陰極室のガス圧を低下させることができるため、ガス圧を低下させるために水素ガスを放出する必要性を低減でき水素・酸素発生装置の運転効率の低下を抑制させ得る。
また、本発明によれば、電気分解の再開時に気液分離器の水量を回復させて陰極室のガス圧を高めることができるため、所定圧の水素ガスをいち早く供給することが可能となり、水素・酸素発生装置の運転効率の低下が抑制され得る。

一実施形態に係る水素・酸素発生装置の概略図。 一実施形態に係る水素・酸素発生装置の運転開始時の操作の一例を示したフロー図。 一実施形態に係る水素・酸素発生装置の運転停止時の操作の一例を示したフロー図。

以下に本発明の実施の形態について説明する。
まず、水素・酸素発生装置について説明する。
本実施形態の水素・酸素発生装置は、太陽光、風力、潮力、地熱などの再生可能エネルギーによって得られた電力を用いて水の電気分解を実施すべく構成されている。
尚、本実施形態の水素・酸素発生装置は、水の電気分解のエネルギー源の一部、又は、全部が一般的な外部系統電力であってもよい。

本実施形態の水素・酸素発生装置は、水を電気分解して陰極側に水素ガスを発生させるとともに陽極側に酸素ガスを発生させるように構成されている。
図１に示すように、本実施形態の水素・酸素発生装置１は、前記電気分解が行われる水電解モジュール２を備えている。
本実施形態の前記水電解モジュール２は、固体高分子電解質膜を介して隣接された陽極室と陰極室とを有し、それぞれに配された電極板と前記固体高分子電解質膜とが１ユニットとされた固体高分子電解質膜ユニットを複数備えている。

本実施形態における水素・酸素発生装置１は、水電解モジュール２の陽極側に水を循環供給するよう構成されており、電気分解に必要な量よりも過剰な水を前記水電解モジュール２の陽極側に供給し、電気分解がされずに残った水と酸素ガスとを含む気液混合状態の流体を水電解モジュール２から排出させるとともに該流体に含まれている水を再び前記水電解モジュール２の陽極側に供給するように構成されている。

本実施形態における前記水素・酸素発生装置１は、前記水電解モジュール２の陽極側に供給する水を貯留する給水タンク３を備えており、該給水タンク３と前記水電解モジュール２との間に水を循環させるための循環経路１００が形成されている。
本実施形態における前記水素・酸素発生装置１は、前記水電解モジュール２での電気分解によって消費された水を前記給水タンク３に補給するための純水タンク３１をさらに備えている。

本実施形態における前記給水タンク３は、前記水電解モジュール２から排出される前記流体から酸素ガスを気液分離して該酸素ガスを大気中に排出する気液分離器としても機能している。
後述するように本実施形態における前記水素・酸素発生装置１は、陰極側にも気液分離器を備えている。
本実施形態において陽極側で気液分離器（以下「陽極側気液分離器」ともいう）として利用される前記給水タンク３は、前記循環経路１００を満たすのに十分な水を貯留することから陰極側での気液分離器４（以下「陰極側気液分離器４」ともいう）に比べて大容量となっている。

本実施形態の水素・酸素発生装置１は、前記給水タンク３から前記水電解モジュール２の前記陽極室に前記水を供給するための給水経路５を備えている。
本実施形態の水素・酸素発生装置１は、前記水電解モジュール２の陽極室から排出された気液混合状態の流体を前記給水タンク３に返送する返送経路６を備えている。
即ち、本実施形態における水素・酸素発生装置の循環経路１００は、給水タンク３、給水経路５、水電解モジュール２、及び、返送経路６を備えている。
前記循環経路１００の前記給水経路５には給水ポンプ５１がさらに備えられており、本実施形態の水素・酸素発生装置１は、該給水ポンプ５１を駆動することにより前記循環経路１００を通じた水の循環流が形成されるようになっている。
前記給水経路５には、前記給水ポンプ５１と前記水電解モジュール２との間の水の移動を規制する循環水遮断弁５２がさらに設けられている。

前記循環経路１００の前記給水経路５には、前記給水ポンプ５１を通過した水から不純物を除去するためのイオン交換樹脂５３とフィルター５４とがさらに備えられている。
尚、該イオン交換樹脂５３やフィルター５４は、その必要性が認められないような場合には、必ずしも本実施形態の水素・酸素発生装置１に設けなくてもよい。

本実施形態の水素・酸素発生装置１の陰極側には、前記の通り前記陰極側気液分離器４が備えられている。
前記水電解モジュール２は、前記陽極室に水が供給されて電気分解を実施する際に水素イオンを含んだ少量の水が固体高分子電解質膜を通じて陰極室に移動し、該陰極室で前記水素イオンが水素ガスとなって発生するとともに前記水を陰極室から排出し得るように構成されている。
そこで、本実施形態の水素・酸素発生装置１には、水を含んだ状態で陰極室より排出された前記水素ガスから水を分離するために陰極側気液分離器４が備えられている。

本実施形態の水素・酸素発生装置１は、前記水電解モジュール２の陰極側から排出される水素ガスを前記陰極側気液分離器４に移送する第１水素ガス移送経路７を備えている。

本実施形態における前記陰極側気液分離器４は、前記第１水素ガス移送経路７を介して前記水電解モジュール２の陰極室に連通しており、水電解モジュール２が電気分解を行っている状況下においては前記陰極室と同じく加圧状態になっており、且つ、陰極室から排出される水を貯留した状態となっている。

本実施形態の水素・酸素発生装置１は、前記水電解モジュール２で発生した水素の流通方向での陰極側気液分離器４の下流側に、該陰極側気液分離器４である程度の水が取り除かれた後の水素ガスをさらに除湿するための除湿器１０を備えており、該除湿器１０で十分な乾燥状態となった水素ガスを製品ガスとして供給し得るように構成されている。
本実施形態の水素・酸素発生装置１は、前記製品ガスを貯留する水素ガスタンク１１を必要に応じて備えていてもよい。

本実施形態における水素・酸素発生装置１は、前記陰極側気液分離器４から前記除湿器１０を通じて前記水素ガスタンク１１に水素ガスを移送する第２水素ガス移送経路１２を有している。
本実施形態における水素・酸素発生装置１は、前記除湿器１０よりも上流側で前記第２水素ガス移送経路１２に接続された第３水素ガス移送経路１３をさらに備えている。
該第３水素ガス移送経路１３は、本実施形態の水素・酸素発生装置１の陰極側から大気中に水素ガスを放出するように設けられている。

前記第１水素ガス移送経路７は、前記水電解モジュール２と前記陰極側気液分離器４との間の水素ガスの移動を規制するための第１ガス遮断弁７ａを備えている。
前記第２水素ガス移送経路１２は、前記第３水素ガス移送経路１３との接続箇所となる分岐部１２ａと前記除湿器１０との間での水素ガスの移動を規制するための第２ガス遮断弁１２ｂを備えている。
前記第３水素ガス移送経路１３は、当該第３水素ガス移送経路１３での水素ガスの移動を規制するための第３ガス遮断弁１３ａを備えている。

本実施形態における水素・酸素発生装置１は、前記陰極側気液分離器４の水量を調整する水量調整機構２００を備えている。
該水量調整機構２００は、前記陰極側気液分離器４の水量を調整して陰極側気液分離器４のガス圧を調整するだけでなく当該陰極側気液分離器４と連通している前記陰極室のガス圧も調整できるように構成されている。

前記水量調整機構２００は、前記陰極側気液分離器４に給水して前記陰極側気液分離器４の水量を増加させるための給水装置と、前記陰極側気液分離器４からの排水を実施して前記陰極側気液分離器４の水量を低減させるための排水装置とを備えている。
本実施形態における水量調整機構２００は、前記給水ポンプ５１を前記給水装置として利用できるように構成されている。
具体的には、前記水量調整機構２００は、前記給水経路５と前記陰極側気液分離器４とを繋ぐ繋ぎ経路９を備えており、より詳しくは、一端部が前記給水ポンプ５１と前記循環水遮断弁５２との間で前記給水経路５に接続されているとともに他端部が前記陰極側気液分離器４の底部に接続されている前記繋ぎ経路９を備えている。
該繋ぎ経路９には、前記給水経路５との接続箇所となる分岐部９ａと前記陰極側気液分離器４との間での水の移動を規制するための給水遮断弁９３が備えられている。

前記水量調整機構２００は、該繋ぎ経路９を備えているため、前記給水タンク３の水を前記給水ポンプ５１で前記陰極側気液分離器４に供給し得る。
前記水量調整機構２００は、前記給水ポンプ５１を前記陰極側気液分離器４の水量を低減させるための排水装置としても利用できるように構成されている。
即ち、前記水量調整機構２００は、該繋ぎ経路９を備えているため、前記陰極側気液分離器４の水を前記給水タンク３に移送し得る。
尚、上記のように前記給水ポンプ５１は、前記水量調整機構２００の給水装置と排水装置との兼用となる給排水装置として用い得るが、本実施形態においては、前記陰極側気液分離器４から水を系外に排出するための排水弁（図示せず）と、該排水弁の開閉を制御する制御器（図示せず）とを備えた排水装置が設けられている。

本実施形態における前記水量調整機構２００は、前記陰極側気液分離器４のガス圧を検知するガス圧検知器４４と、前記陰極側気液分離器４の水位を測定する水量検知器４５とをさらに備えている。
前記ガス圧検知器４４は、前記陰極側気液分離器４のガス圧を測定することで、前記陰極室のガス圧を間接的に把握すべく設けられている。

前記水量調整機構２００は、前記陰極側気液分離器４への給水を行う給水装置と、前記陰極室の前記ガス圧を検知するガス圧検知器とを備え、前記水電解モジュール２が電気分解を開始する時には前記陰極側気液分離器４への前記給水を実施し、且つ、前記給水装置による前記給水の量を前記ガス圧検知器４４で検知される前記ガス圧によって調整するように構成されている。
本実施形態における水素・酸素発生装置１は、このように構成されているため、前記水電解モジュール２の運転開始時に給水装置で前記陰極側気液分離器４への給水が行われ、前記陰極室の圧力を前記給水によって上昇させることができ、電気分解によって発生する水素ガスの圧力をいち早く規定値以上に到達させることができる。
しかも、本実施形態における水素・酸素発生装置１は、前記ガス圧検知器４４で検知される前記ガス圧によって前記給水の量を調整可能であるため、必要以上に給水が行われる
ことを抑制し得る。

本実施形態における水素・酸素発生装置１では、水を電気分解するためのエネルギー源として再生可能エネルギーが好ましく用いられ得る。
再生可能エネルギーは、安定した量を継続的に得ることが比較的難しい。
そのため、本実施形態における水素・酸素発生装置１は、水の電気分解を開始した後、短時間しか運転していないにもかかわらず水の電気分解に十分なエネルギー量が確保できなくなって電気分解を停止することにもなり得る。
その場合、前記水電解モジュール２の運転開始時における水量調整機構２００による陰極側気液分離器４への給水を水の電気分解の開始前や開始直後に実施すると陰極側気液分離器４に供給した水をすぐに排出させることになってしまうおそれがある。
そこで本実施形態における水素・酸素発生装置１は、前記水電解モジュール２の運転開始時における水量調整機構２００による陰極側気液分離器４の水量調整をタイマー制御によって実施してもよい。
即ち、水量調整機構２００による陰極側気液分離器４の水量調整は、電気分解を開始した後に一定時間（例えば、０．５分～３０分）経過してから（一定量以上の再生可能エネルギーが一定時間確保できてから）実施してもよい。
このことにより、本実施形態においては前述のような事態になることを回避し得る。

前記水量調整機構２００は、前記陰極側気液分離器４からの排水を行う排水装置と、前記陰極室の前記ガス圧を検知するガス圧検知器４４とを備え、前記水電解モジュール２が電気分解を停止する時には前記陰極側気液分離器４から前記排水弁を通じて系外への水の排水を実施し、且つ、前記排水装置による前記排水の量を前記ガス圧検知器４４で検知される前記ガス圧によって調整するように構成されている。
本実施形態における水素・酸素発生装置１は、このように構成されているため、前記水電解モジュール２の運転停止時に排水装置で前記陰極側気液分離器４からの排水が行われ、前記陰極室の圧力を前記排水によって低減させることができ、前記陰極室の圧力を所定の値に低下させるために前記製品ガスとなり得る水素ガスの系外への放出量を削減させることができる。
しかも、本実施形態における水素・酸素発生装置１は、前記ガス圧検知器４４で検知される前記ガス圧によって前記排水の量を調整可能であるため、必要以上に排水が行われる
ことを抑制し得る。

本実施形態における水素・酸素発生装置１は、前記ガス圧検知器４４を有することから、排水だけではガス圧の低下が不十分であるかどうかを検知することもでき、ガス圧の低下が不十分であると判断される場合には前記第３水素ガス移送経路１３を通じて系外に水素ガスを排出させることもできる。
そして、本実施形態における水素・酸素発生装置１は、前記ガス圧検知器４４を有することから、前記第３水素ガス移送経路１３を通じて系外に排出する水素ガスの量を最低限に留めることができる。

前記水電解モジュール２の運転開始時においてタイマー制御を導入する利点は、前記水電解モジュール２の運転停止時においても発揮され得る。
即ち、前記水電解モジュール２の運転停止時における陰極側気液分離器４からの排水を水の電気分解の停止前や停止直後に開始すると排出した水をすぐに陰極側気液分離器４に戻さなければならなくなる事態になりかねないがタイマー制御を導入することでこのような事態になることが回避され得る。
このように本実施形態の水素・酸素発生装置１は、水の電気分解を開始してから前記陰極側気液分離器４への給水を開始するまでの時間、及び、水の電気分解を停止してから前記陰極側気液分離器４からの排水を開始するまでの時間の少なくとも一方を制御するためのタイマーを備えていてもよい。

本実施形態における前記水量調整機構２００は、前記陰極側気液分離器４の水量を検知する水量検知器４５をさらに備え、前記ガス圧検知器４４で検知される前記陰極側気液分離器４のガス圧と前記水量検知器４５で検知される前記陰極側気液分離器４の水量とによって、前記給水の量と前記排水の量との少なくとも一方を調整するように構成されている。
従って、本実施形態における水素・酸素発生装置１は、運転開始時に前記陰極側気液分離器４を満水状態にしてしまったり、運転停止時に前記陰極側気液分離器４の水が無くなって前記陰極側気液分離器４から直接的に水素ガスが放出されてしまったりすることを抑制することができる。

本実施形態の水素・酸素発生装置１には、上記において直接的に明示していない各種の装置や計器が適宜設けられ得る。
また、本実施形態に係る水素・酸素発生装置１は、上記に例示したような態様のものに限定されるものでもない。

次いで、上記のような水素・酸素発生装置１によって水素ガスを製造する方法について説明する。
上記のような水素・酸素発生装置１によって水素ガスを製造する際には、前記水量調整機構２００を有することで効率良く水素ガスを製造することができる。
本実施形態の水素ガスの製造方法においては、前記水電解モジュール２による前記電気分解の停止時に前記陰極側気液分離器４から排水して前記陰極室のガス圧を低下させる減圧操作と、前記水電解モジュール２による前記電気分解の開始時に前記気液分離器４に給水して前記陰極室のガス圧を上昇させる昇圧操作との少なくとも一方が実施される。

本実施形態の水素ガスの製造方法においては、前記水電解モジュール２による前記電気分解を停止する時には予め設定された規定値まで前記陰極室のガス圧を低下させ、前記減圧操作で前記陰極室のガス圧が前記規定値に到達しない場合に陰極側の何れかから水素ガスを放出して前記ガス圧を前記規定値に到達させてもよい。

本実施形態の水素ガスの製造方法における装置の運転開始時と運転停止時との具体的なステップについて図２、図３を参照しつつ説明する。

本実施形態の水素ガスの製造方法では、陰極側気液分離器４のガス圧に関する第１の規定値（Ｈ１：（ＭＰａ）、以下「第１ガス圧」ともいう）と、該第１の規定値（Ｈ１：（ＭＰａ））よりも圧力の高い第２の規定値（Ｈ２：（ＭＰａ）、以下「第２ガス圧」ともいう）とが予め設定された状態で運転開始の操作が行われる。
また、本実施形態の水素ガスの製造方法では、前記陰極側気液分離器４の水量（水位）に関する第１の規定値（ｈ１：（ｃｍ）、以下「第１水位」ともいう）と、前記給水ポンプ５１によって循環経路１００に形成される循環流の流量（Ｖ：（ｌ／ｍｉｎ）、以下「ポンプ流量」ともいう）とが予め設定された状態で運転開始の操作が行われる。

本実施形態の水素ガスの製造方法では、陰極側気液分離器４のガス圧に関する第３の規定値（Ｈ３：（ＭＰａ）、以下「第３ガス圧」ともいう）と、前記陰極側気液分離器４の水量（水位）に関する第２の規定値（ｈ２：（ｃｍ）、以下「第２水位」ともいう）とが予め設定された状態で運転停止の操作が行われる。

尚、上記の第２水位ｈ２は、通常、前記第１水位ｈ１に比べて小さな値が設定される。
前記第１水位ｈ１は、陰極側気液分離器４が満水となることを防止するために、満水手前の値になるよう設定される。
一方で、第２水位ｈ２は、陰極側気液分離器４から水が無くなってしまうことを防止するために設定され、ゼロに近い値（１～２ｃｍ程度）で設定される。

まず、図２を参照しつつ水素・酸素発生装置１の運転開始時の操作について説明する。
前記のように本実施形態においては太陽光などの再生可能エネルギーによって得られた電力を用いて水の電気分解を実施する。
そのため、本実施形態の水素ガスの製造方法では、例えば、日射が十分確保できた時点で運転操作を開始するステップ（Ｓ１０）が設けられる。
運転開始時は、運転開始操作のステップに続いて以下のような（Ｓ１１）～（Ｓ１９）に示したようなステップが順に実施される。

（Ｓ１０）運転開始操作を行うこと（該運転開始操作では、前記循環水遮断弁５２を閉状態とし、前記給水遮断弁９３を開状態にすること）、
（Ｓ１１）前記給水装置（給水ポンプ５１）を用いて陰極側気液分離器４への給水を開始すること、
（Ｓ１２）給水開始後の陰極側気液分離器４のガス圧力が第１ガス圧（Ｈ１）以上になっているかを前記ガス圧検知器４４で確認すること、
（Ｓ１３）給水開始後の陰極側気液分離器４のガス圧力が第１ガス圧（Ｈ１）に達していない場合に陰極側気液分離器４の水位が第１水位（ｈ１）以上になっているかを水量検知器４５で確認すること、
（Ｓ１４）給水開始後の陰極側気液分離器４のガス圧力が第１ガス圧（Ｈ１）に達しているか、又は、陰極側気液分離器４の水位が第１水位（ｈ１）以上になっているかの何れかの条件を満足する場合に前記給水遮断弁９３を閉状態にし、前記循環水遮断弁５２を開状態として水の流れを切り替えること、
（Ｓ１５）前記給水ポンプ５１を使って循環経路１００に水を循環させること、
（Ｓ１６）前記給水ポンプ５１での水の循環量が規定のポンプ流量（Ｖ）に達しているかを確認すること、
（Ｓ１７）水電解モジュール２に通電を開始して水の電気分解を開始すること、
（Ｓ１８）陰極側気液分離器４のガス圧が第２ガス圧（Ｈ２）以上になっているかを前記ガス圧検知器４４で確認すること、
（Ｓ１９）前記第２ガス遮断弁１２ｂを開状態にし、除湿器１０などを通じてユースポイントへの水素ガスの供給を開始すること。

前記給水装置を用いて陰極側気液分離器４への給水を開始すること（Ｓ１１）では、給水ポンプ５１によって給水タンク３の水が陰極側気液分離器４に給水されて前記陰極室のガス圧を上昇させる昇圧操作が行われる。

前記昇圧操作で前記給水タンク３の水を陰極側気液分離器４に導入すると、該水に溶存している酸素が陰極側気液分離器４でガス化する可能性がある。
酸素ガスが発生して水素ガスに混在してしまうという問題を回避する意味においては、陰極側気液分離器４に水素と酸素との反応触媒を配置するようにしてもよい。
例えば、給水装置によって陰極側気液分離器４に水が導入される箇所に反応触媒を設置し、前記給水を行った際に陰極側気液分離器４に持ち込まれる水が反応触媒と接するようにすれば、上記のような問題を回避させ得る。

前記給水タンク３に純水を補給するための純水タンク３１が陽極側の循環経路外に設けられているため、前記陰極側気液分離器４への補給は当該純水タンク３１から行ってもよい。

前記昇圧操作は、給水ポンプ５１を用いて実施しなくてもよい。
即ち、陰極側気液分離器４と同等か又は陰極側気液分離器４以上の容積の水を収容可能な水タンクを給水タンク３とは別に用意し、この水タンクから陰極側気液分離器４に水を供給して前記昇圧操作を実施してもよい。
後述する減圧操作においても、水を系外に排出するのではなく、このような水タンクへ陰極側気液分離器４の水を排出し、排出した水を前記昇圧操作に再利用できるようにしてもよい。

ユースポイントへの水素ガスの供給を開始後は、必要に応じて前記陰極側気液分離器４からの排水を実施し、陰極側気液分離器４の水位を第１水位（ｈ１）よりも低位になるように操作してもよい。

次いで、図３を参照しつつ水素・酸素発生装置１の運転停止時の操作について説明する。
本実施形態では、前記のように太陽光などの再生可能エネルギーによって得られた電力を用いて水の電気分解が実施される。
従って、予定通りの運転終了のタイミングとは別に、急な日の陰りなどによって水素・酸素発生装置１を停止させる必要が生じる。
このような場合以下の（Ｓ２０）～（Ｓ２Ａ）に示したようなステップが順に実施されて水素・酸素発生装置１の運転が停止される。

（Ｓ２０）運転停止操作を行うこと、
（Ｓ２１）水電解モジュール２の通電を停止して水の電気分解を停止すること、
（Ｓ２２）陰極側気液分離器４に溜まっている水を排水装置で排水すること、
（Ｓ２３）排水開始後の陰極側気液分離器４のガス圧力が第２ガス圧（Ｈ３）以下になっているかを前記ガス圧検知器４４で確認すること、
（Ｓ２４）排水開始後の陰極側気液分離器４のガス圧力が第２ガス圧（Ｈ３）以下になっている場合には、陰極側気液分離器４からの排水を終了すること、
（Ｓ２５）排水開始後の陰極側気液分離器４のガス圧力が第２ガス圧（Ｈ３）以下になっていない場合には、陰極側気液分離器４の水位が第２水位（ｈ２）以下になっているかを水量検知器４５で確認すること、
（Ｓ２６）排水開始後の陰極側気液分離器４のガス圧力が第２ガス圧（Ｈ３）以下になっていなくても陰極側気液分離器４の水位が第２水位（ｈ２）以下になっている場合は陰極側気液分離器４からの排水を終了すること、
（Ｓ２７）陰極側気液分離器４の水位が第２水位（ｈ２）以下になっていて、且つ、ガス圧力が第２ガス圧（Ｈ３）を超えている場合は、第３ガス遮断弁１３ａｂを開状態とし、陰極側気液分離器４の水素ガスを大気中に放出すること、
（Ｓ２８）水素ガスの大気放出により陰極側気液分離器４のガス圧力が第２ガス圧（Ｈ３）以下になっているかどうかをガス圧検知器４４で確認すること、
（Ｓ２９）水素ガスの大気放出により陰極側気液分離器４のガス圧力が第２ガス圧（Ｈ３）以下になったことが確認できた時点で第３ガス遮断弁１３ａｂを閉状態として、陰極側気液分離器４のガス圧力の低下を完了すること、
（Ｓ２Ａ）水素・酸素発生装置１の運転を停止すること。

水電解モジュール２の通電を停止して水の電気分解を停止すること（Ｓ２１）においては、このタイミングに併せて第２ガス遮断弁１２ｂを閉状態にしてもよい。
尚、上記の運転停止操作では、前記水電解モジュール２による前記電気分解の停止時に前記陰極側気液分離器４から排水して前記陰極室のガス圧を低下させる減圧操作が行われる。
この減圧操作では、陰極側気液分離器４から排出させる水の量を多く確保できる方が、減圧効果が高くなり、第３ガス遮断弁１３ａｂを開けて水素ガスを大気中に放出する必要性を低下させることができる。
そのため、少なくとも水素・酸素発生装置１が運転停止の動作に入る直前の段階では陰極側気液分離器４に一定以上の水が蓄えられていることが好ましい。

本実施形態における水素・酸素発生装置１は、太陽光発電などで得られるような再生可能エネルギーを電気分解に利用している。
そのため、急な日の陰り、驟雨、夜間などにおいては電気分解を停止させる操作が必要になり、停止操作を行うタイミングが不定期に訪れる。
したがって、水素・酸素発生装置１が運転停止することを予測して陰極側気液分離器４に水を貯えることは難しい。
そこで、水素・酸素発生装置１は、陰極側気液分離器４での貯水量を運転期間中安定的に確保しておくことが好ましい。
例えば、水素・酸素発生装置１は、陰極側気液分離器４の水の収容容積をＶ_０（Ｌ）としたときに、運転期間中の陰極側気液分離器４での平均貯水量Ｖ_ave（Ｌ）の前記収容容積Ｖ_０（Ｌ）に対する割合（Ｖ_ave／Ｖ_０×１００％）が３０％以上となるよう運転されることが好ましく、４０％以上となるよう運転されることがより好ましく、５０％以上となるように運転されることがさらに好ましい。
尚、該平均貯水量は、前記水量検知器４５と前記排水装置とで調整することができる。

本実施形態に係る水素ガスの製造方法で用いられる水素・酸素発生装置１は、前記気液分離器４の水量を調整する水量調整機構２００を備えている。
斯かる水素・酸素発生装置１によれば、電気分解の停止時に気液分離器４の水量を減少させて陰極室のガス圧を低下させることができるため、ガス圧を低下させるために水素ガスを放出する必要性を低減でき水素・酸素発生装置１の運転効率の低下を抑制させ得る。
また、斯かる水素・酸素発生装置１によれば、電気分解の再開時に気液分離器４の水量を回復させて陰極室のガス圧を高めることができるため、所定圧の水素ガスをいち早く供給することが可能となり、水素・酸素発生装置１の運転効率の低下が抑制され得る。

なお、本発明に係る水素・酸素発生装置は、上記実施形態に限定されるものではない。また、本発明に係る水素・酸素発生装置は、上記した作用効果によって限定されるものでもない。さらに、本発明に係る水素・酸素発生装置は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

１：水素・酸素発生装置、２：水電解モジュール、３：給水タンク（陽極側気液分離器）、４：気液分離器（陰極側気液分離器）、５：給水経路、６：返送経路、７：第１水素ガス移送経路、８：水移送経路、９：繋ぎ経路、１０：除湿器、１１：水素ガスタンク、１２：第２水素ガス移送経路、１３：第３水素ガス移送経路、４４：ガス圧検知器、４５：水量検知器、：５１：給水ポンプ、５３：イオン交換樹脂、５４：フィルター、１００：循環経路、２００：水量調整機構

Claims (6)

1. 水素・酸素発生装置によって水素ガスを製造する水素ガスの製造方法であって、
   前記水素・酸素発生装置が、
   水を電気分解して水素ガスと酸素ガスとを発生させ、前記水素ガスを発生させる陰極室と前記酸素ガスを発生させる陽極室とを備えた水電解モジュールと、
   前記陰極室と連通し、前記陰極室から排出される前記水素ガスに含まれている水を該水素ガスから分離する気液分離器と、を備えており、
   前記水電解モジュールによる前記電気分解の停止時に前記気液分離器から排水して前記陰極室のガス圧を低下させる減圧操作と、
   前記水電解モジュールによる前記電気分解の開始時に前記気液分離器に給水して前記陰極室のガス圧を上昇させる昇圧操作との少なくとも一方を実施する水素ガスの製造方法。
2. 前記停止時には予め設定された規定値まで前記陰極室のガス圧を低下させ、前記減圧操作で前記陰極室のガス圧が前記規定値に到達しない場合に前記気液分離器の水素ガスを放出して前記ガス圧を前記規定値に到達させる請求項１に記載の水素ガスの製造方法。
3. 水を電気分解して水素ガスと酸素ガスとを発生させる水電解モジュールを備え、
   該水電解モジュールが、水素ガスを発生させる陰極室と、酸素ガスを発生させる陽極室とを有し、該陰極室から水を含んだ状態の前記水素ガスを排出するように構成されており、
   前記水を含んだ状態の前記水素ガスから該水を分離するための気液分離器を備え、
   該気液分離器が前記陰極室と連通し、
   前記気液分離器の水量を調整することにより前記陰極室のガス圧を調整する水量調整機構をさらに備え、
   前記水量調整機構は、前記気液分離器からの排水を行う排水装置と、前記陰極室の前記ガス圧を検知するガス圧検知器と、を備え、前記電気分解の停止時には前記ガス圧が減少するように前記気液分離器からの前記排水を実施し、且つ、前記排水装置による前記排水の量を前記ガス圧検知器で検知される前記ガス圧によって調整する、水素・酸素発生装置。
4. 前記水量調整機構が前記気液分離器の水量を検知する水量検知器をさらに備え、
   前記水量調整機構は、
   前記ガス圧と前記水量検知器で検知される前記気液分離器の水量とによって、前記排水の量を調整する請求項３に記載の水素・酸素発生装置。
5. 前記水量調整機構は、前記気液分離器への給水を行う給水装置をさらに備え、前記電気分解の開始時には前記ガス圧が上昇するように前記気液分離器への前記給水を実施し、且つ、前記給水装置による前記給水の量を前記ガス圧検知器で検知される前記ガス圧によって調整する、請求項３又は請求項４に記載の水素・酸素発生装置。
6. 前記水量調整機構が前記気液分離器の水量を検知する水量検知器をさらに備え、
   前記水量調整機構は、
   前記ガス圧と前記水量検知器で検知される前記気液分離器の水量とによって、前記給水の量を調整する請求項５に記載の水素・酸素発生装置。