特許 7257931 水電解装置および水電解方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-04-06

(45)【発行日】2023-04-14

(54)【発明の名称】水電解装置および水電解方法

(51)【国際特許分類】

   C25B 15/08 20060101AFI20230407BHJP

   C25B 1/04 20210101ALI20230407BHJP

   C25B 9/00 20210101ALI20230407BHJP

【ＦＩ】

C25B15/08 304

C25B1/04

C25B9/00 A

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2019186997

(22)【出願日】2019-10-10

(65)【公開番号】P2021063244

(43)【公開日】2021-04-22

【審査請求日】2022-01-07

(73)【特許権者】

【識別番号】000005119

【氏名又は名称】日立造船株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000338

【氏名又は名称】弁理士法人 ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ

(72)【発明者】

【氏名】八巻 昌宏

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 祐介

(72)【発明者】

【氏名】熊谷 直和

【審査官】池ノ谷 秀行

(56)【参考文献】

【文献】特開昭５８－１８９３８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－１７３７８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－３０７８７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－２０６９８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－２３１２１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－００２３４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０３９９８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１４１７９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１９／１８１６６２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許第０５５１０２０２（ＵＳ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１１００５５５４７（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ２５Ｂ １／００ － １５／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

高分子電解質膜を用いて水を電解し、水素および酸素を発生させる水電解槽と、
前記水電解槽にて発生した酸素と水とを分離する酸素気液分離器と、
前記水電解槽にて電解される水を蓄える貯水タンクと、
前記酸素気液分離器に接続され、該酸素気液分離器にて分離された酸素を排気する酸素排気ラインと、
前記酸素気液分離器にて分離された酸素の一部を、前記貯水タンクまたは前記貯水タンクの上流へ導入する、前記酸素排気ラインから分岐している酸素導入ラインと、
前記酸素導入ラインに配置され、該酸素導入ラインを流れる酸素に含まれる二酸化炭素を吸着する吸着部と、
前記吸着部の上流に配置され、前記吸着部に導入される酸素を除湿する除湿部と、を備えることを特徴とする水電解装置。

【請求項2】

高分子電解質膜を用いて水を電解し、水素および酸素を発生させる水電解槽と、
前記水電解槽にて発生した酸素と水とを分離する酸素気液分離器と、
前記水電解槽にて電解される水を蓄える貯水タンクと、
前記酸素気液分離器にて分離された酸素の一部を、前記貯水タンクの上流へ導入する酸素導入ラインと、
前記酸素気液分離器から水電解槽へ水を供給することにより水を循環させる水循環ラインと、
前記水循環ラインから分岐し、前記水循環ラインを流れる循環水の一部を取り出してイオン交換器による処理後に前記貯水タンクへ供給する分岐ラインと、
前記イオン交換器の上流に配置され、前記分岐ラインを流れる循環水に含まれる二酸化炭素を脱気する二酸化炭素脱気筒と、を備え、
前記酸素導入ラインは、前記二酸化炭素脱気筒内の液相部に酸素が供給されるように、前記二酸化炭素脱気筒に接続されることを特徴とする水電解装置。

【請求項3】

前記酸素導入ラインは、前記貯水タンクに接続されることを特徴とする請求項１に記載の水電解装置。

【請求項4】

高分子電解質膜を用いて水を電解し、水素および酸素を発生させる水電解工程と、
前記水電解工程にて発生した酸素と水とを酸素気液分離器によって分離する気液分離工程と、
前記気液分離工程にて分離した酸素を、前記酸素気液分離器に接続された酸素排気ラインを介して排気する酸素排気工程と、
前記気液分離工程にて分離した酸素の一部を、前記酸素排気ラインから分岐している酸素導入ラインを介して、前記水電解工程にて電解される水を蓄える貯水タンクまたは貯水タンクの上流へ導入する酸素導入工程と、
前記酸素導入ラインに配置され、該酸素導入ラインを流れる酸素に含まれる二酸化炭素を吸着部によって吸着する吸着工程と、
前記吸着部の上流で、前記吸着部に導入される酸素を除湿する除湿工程と、を含むことを特徴とする水電解方法。

【請求項5】

高分子電解質膜を用いて水を水電解槽によって電解し、水素および酸素を発生させる水電解工程と、
前記水電解工程にて発生した酸素と水とを酸素気液分離器によって分離する気液分離工程と、
前記気液分離工程にて分離した酸素の一部を、前記水電解工程にて電解される水を蓄える貯水タンクの上流へ導入する酸素導入工程と、
前記酸素気液分離器から前記水電解槽へ水循環ラインを介して水を供給することにより水を循環させる水循環工程と、
前記水循環ラインを流れる循環水の一部を前記水循環ラインから分岐した分岐ラインへ取り出して、イオン交換器による処理後に前記貯水タンクへ供給するイオン交換工程と、
前記イオン交換器の上流で、前記分岐ラインを流れる循環水に含まれる二酸化炭素を二酸化炭素脱気筒によって脱気する二酸化炭素脱気工程と、を含み、
前記酸素導入工程にて、前記二酸化炭素脱気筒内の液相部に酸素を供給することを特徴とする水電解方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、水を電解して水素と酸素とを発生させる水電解装置および水電解方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、自然エネルギーを一次エネルギーとする水素の製造技術が開発されており、その１つに、水を電解（電気分解）して酸素と水素とを発生させる水電解装置が実用化されている。この種の水電解装置では、空気成分などが水に不純物として混入することにより、発生する酸素および水素の純度が低くなることが知られている。

【0003】

上記不純物を除去する方法として、特許文献１には、水電解槽にて発生した水素を用いて貯水タンクをパージし、不純物のない純水を水電解槽へ供給するアルカリ水電解装置が提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００６－２０６９８９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、上記従来の技術のように水素を用いて貯水タンクをパージする構成では、安全性に問題がある。すなわち、水素は、燃焼範囲が広く、極めて小さなエネルギーで着火する特性を有する。そのため、水素を用いて貯水タンクをパージする構成では、貯水タンクに水素が滞留し爆発する危険性がある。特に高分子電解質膜を用いて水を電解する固体高分子型水電解装置では、貯水タンクが酸素気液分離器に連通している場合があり、上記危険性がさらに高まる。

【0006】

本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであって、水電解装置に用いられる水に含まれる不純物の量を安全に低減することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る水電解装置は、高分子電解質膜を用いて水を電解し、水素および酸素を発生させる水電解槽と、前記水電解槽にて発生した酸素と水とを分離する酸素気液分離器と、前記水電解槽にて電解される水を蓄える貯水タンクと、前記酸素気液分離器にて分離された酸素の一部を、前記貯水タンクまたは前記貯水タンクの上流へ供給する酸素導入ラインと、を備えることを特徴とする。

【0008】

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る水電解方法は、高分子電解質膜を用いて水を電解し、水素および酸素を発生させる水電解工程と、前記水電解工程にて発生した酸素と水とを酸素気液分離器によって分離する気液分離工程と、前記気液分離工程にて分離した酸素の一部を、前記水電解工程にて電解される水を蓄える貯水タンクまたは貯水タンクの上流へ導入する酸素導入工程と、を含むことを特徴とする。

【発明の効果】

【0009】

本発明の一態様によれば、水電解装置に用いられる水に含まれる不純物の量を安全に低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の実施形態１に係る水電解装置を示すブロック図である。

【図2】図１に示される水電解装置の要部構成を示す模式図である。

【図3】図２に示される水電解装置の変形例を示す模式図である。

【図4】本発明の実施形態２に係る水電解装置を示すブロック図である。

【図5】図４に示される水電解装置の要部構成を示す模式図である。

【図6】図５に示される水電解装置の変形例を示す模式図である。

【図7】本発明の実施形態３に係る水電解装置を示すブロック図である。

【図8】図７に示される水電解装置の要部構成を示す模式図である。

【図9】図８に示される水電解装置の変形例を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

〔実施形態１〕
以下、本発明の一実施形態について、図１から図３に基づいて説明する。本実施形態では、酸素気液分離器にて分離された酸素の一部を貯水タンクへ供給することによって水に含まれる不純物である二酸化炭素（炭酸イオン）を除去する水電解装置の一例について説明する。ただし、本発明は、水に含まれる二酸化炭素以外の不純物（例えば窒素、アルゴンなど空気成分）の除去に適用することも可能である。

【0012】

（水電解装置の構成）
図１は、本実施形態に係る水電解装置１００の概略構成を示すブロック図である。図１に示すように、水電解装置１００は、水電解槽２０と、水素気液分離器２１と、酸素気液分離器２２と、供給水イオン交換器２４と、貯水タンク２５と、循環水イオン交換器４３（イオン交換器）とを含む。

【0013】

水電解槽２０は、高分子電解質膜を用いて水を電解（電気分解）し、陽極に酸素、陰極に水素を発生させる固体高分子型水電解装置である。水電解槽２０の陰極において発生した水素は、電解されずに残った水とともに気液混合水の状態で、水電解槽２０から水素気液分離器２１へ供給される。また、水電解槽２０の陽極において発生した酸素は、電解されずに残った水とともに気液混合水の状態で、水電解槽２０から酸素気液分離器２２へ供給される。

【0014】

水素気液分離器２１は、水電解槽２０から供給される水素を含んだ気液混合水を、水素と水とに気液分離する。水素気液分離器２１にて気液分離された水は、水素ブロー水ライン３３を通って貯水タンク２５へ供給される。一方、水素気液分離器２１にて気液分離された水素（水素ガス）は、水分を多く含んだ湿潤水素である。そのため、気液分離後の水素は、水素冷却器３２が配置された水素供給ライン３１を通って図示しない除湿装置などへ供給され、水分が除去されて製品ガスとなる。

【0015】

酸素気液分離器２２は、水電解槽２０から供給される酸素を含んだ気液混合水を、酸素と水とに気液分離する。酸素気液分離器２２にて気液分離された水は、酸素気液分離器２２から水電解槽２０へ水（循環水）を供給する水循環ライン２３へ流入する。一方、酸素気液分離器２２にて気液分離された酸素（酸素ガス）は、酸素を大気放出する酸素排気ライン３４へ流入する。

【0016】

水循環ライン２３には、水電解槽２０へ水を送るための循環ポンプ２７と、酸素気液分離器２２からの循環水を水電解槽２０へ供給する前に冷却する第１循環水冷却器２８とが配置される。また、水循環ライン２３には、水電解槽２０に供給される循環水の一部を取り出し、循環水イオン交換器４３にて処理した後、貯水タンク２５へ供給する分岐ライン４１が接続される。

【0017】

分岐ライン４１は、循環ポンプ２７と第１循環水冷却器２８との間で、水循環ライン２３から分岐する。水循環ライン２３に接続される分岐ライン４１の上流端部の近傍には、流量調整弁２９が配置される。この流量調整弁２９の開閉を制御することによって、水循環ライン２３の循環水の一部が分岐ライン４１へ流入する。流量調整弁２９の開閉は、水循環ライン２３に配置された電気伝導度コントローラ３０によって、循環水の電気伝導度に応じて制御される。

【0018】

また、分岐ライン４１には、水循環ライン２３から取り出した循環水を冷却する第２循環水冷却器４２と、冷却後の水を処理する循環水イオン交換器４３とが配置される。循環水イオン交換器４３にて処理された循環水は、分岐ライン４１の下流端部に接続された貯水タンク２５へ供給される。

【0019】

貯水タンク２５は、水電解槽２０にて電解される水を蓄える。貯水タンク２５には、供給水（市水）が供給水イオン交換器２４にて処理された水（純水）が補給される。貯水タンク２５に蓄えられた水は、予め設定しておいた酸素気液分離器２２の水位設定値に合わせて、供給ポンプ２６によって酸素気液分離器２２へ送られる。

【0020】

一方、酸素気液分離器２２にて気液分離された酸素が流入する酸素排気ライン３４には、気液分離された酸素を冷却することで除湿する酸素冷却器３５と、水素系と酸素系との差圧を調整する差圧調整弁３６とが配置される。また、酸素排気ライン３４には、酸素排気ライン３４の酸素の一部を取り出して貯水タンク２５へ導入する酸素導入ライン３７が接続される。

【0021】

酸素導入ライン３７は、上流端部が酸素排気ライン３４に接続され、下流端部が貯水タンク２５に接続される。具体的には、酸素導入ライン３７は、酸素冷却器３５と差圧調整弁３６との間で酸素排気ライン３４から分岐して貯水タンク２５へ繋がる。酸素排気ライン３４に接続される酸素導入ライン３７の上流端部の近傍には、酸素導入ライン３７へ流入する酸素量を制御する流量調整弁３８が配置される。この流量調整弁３８の開閉を制御することにより、酸素導入ライン３７の酸素の一部が、酸素導入ライン３７を通って貯水タンク２５へ導入される。貯水タンク２５に酸素を導入することにより、貯水タンク２５内の水に含まれる二酸化炭素が酸素によって脱気される。脱気された二酸化炭素は、脱気ガス排出ライン３９を通って酸素排気ライン３４へ流入する。

【0022】

脱気ガス排出ライン３９は、上流端部が貯水タンク２５に接続され、下流端部が酸素排気ライン３４に接続される。具体的には、脱気ガス排出ライン３９は、貯水タンク２５から延伸し、差圧調整弁３６の下流で酸素排気ライン３４に繋がる。脱気ガス排出ライン３９には、逆流を防止する逆止弁４０が配置される。貯水タンク２５にて脱気された二酸化炭素は、脱気ガス排出ライン３９を通って酸素排気ライン３４へ流入して大気放出される。

【0023】

（水電解装置の動作）
図２は、水電解装置１００の要部構成を示す模式図である。図２に示すように、水電解装置１００では、水電解槽２０の陽極にて発生した酸素は（水電解工程）、酸素気液分離器２２に送られ、水と酸素とに気液分離される（気液分離工程）。酸素気液分離器２２にて気液分離された水は、水循環ライン２３へ流入し、酸素気液分離器２２と水電解槽２０との間を循環する。このとき、循環水の電気伝導度に応じて水循環ライン２３の循環水の一部が取り出され、分岐ライン４１へ流入する。分岐ライン４１へ流入した循環水は、循環水イオン交換器４３にて電気伝導度が例えば０．５μＳ／ｃｍ以下になるように処理された後、貯水タンク２５へ供給される。このように、循環水の一部を取り出して循環水イオン交換器４３にて処理することにより、循環水中の不純物含有量を抑えることができる。

【0024】

ここで、循環水には、二酸化炭素（炭酸イオン）が含まれることがある。循環水に二酸化炭素が含まれる主な原因は以下の２つが挙げられる。

【0025】

１つ目の原因として、大気由来の二酸化炭素（炭酸イオン）が水に混入することが挙げられる。例えば、水が貯水タンク内に蓄えられている間に空気と接触することで、空気中の二酸化炭素が純水に溶解し得る。例えば水素気液分離器にて気液分離された水（水素ブロー水）を貯水タンクへ供給する場合、溶存水素を含む水が貯水タンクに混入することがある。水素は燃焼範囲が広く、極めて小さなエネルギーで着火する危険性があるため、安全のために貯水タンク内の水素を希釈する必要性がある。そこで、従来では、貯水タンクへ計装空気（すなわち外気）を導入し、貯水タンク内の水素の希釈していた。この計装空気計中の二酸化炭素が純水と接触して溶解することで、水に二酸化炭素（炭酸イオン）が混入すると考えられる。

【0026】

また、２つ目の原因として、装置内機器由来の二酸化炭素（炭酸イオン）が水に混入することが挙げられる。貯水タンクには、通常、供給水（市水）を供給水イオン交換器にて処理することで不純物が除去された純水が補給される。この純水の補給時に供給水イオン交換器にて除去しきれなかった不純物（二酸化炭素）が水循環過程で濃縮されることで、二酸化炭素（炭酸イオン）濃度が上昇すると考えられる。

【0027】

炭酸イオンは陰イオンであり、従来、水電解槽の性能悪化（劣化）には寄与しないと考えられていた。しかし、循環水に含まれる炭酸イオンは、水電解装置の性能悪化に間接的に寄与する可能性がある。例えば、循環水に含まれる炭酸イオンは、貯水タンクの上流に配置された循環水イオン交換器にて、陽イオンとともに吸着される。しかし、循環水イオン交換器は、吸着可能容量を超えると吸着していたイオンを離脱させるため、循環水のイオン濃度が増加する（陽イオンが多ければｐＨはアルカリ性となり、陰イオンが多ければｐＨは酸性となる。）。循環水のイオン濃度の増加に伴い循環水の電気伝導度が上昇し、この電気伝導度の上昇が水電解槽２０の性能悪化（腐食、電解電圧の上昇など）の要因となる。このように、循環水に含まれる炭酸イオンは、循環水イオン交換器の交換時期を早め、水電解装置の性能悪化に間接的に寄与する。そのため、循環水に含まれる炭酸イオンを除去する必要性がある。

【0028】

そこで、水電解装置１００では、酸素気液分離器２２にて分離された酸素の一部を貯水タンク２５へ導入することにより（酸素導入工程）、水に含まれる二酸化炭素（炭酸イオン）の量を低減している。具体的には、酸素気液分離器２２にて気液分離された酸素は、酸素排気ライン３４へ流入し、酸素冷却器３５にて除湿される。そして、除湿後の酸素の一部が、酸素導入ライン３７を介して貯水タンク２５へ導入される。

【0029】

本実施形態では、貯水タンク２５の気相部２５ａおよび液相部２５ｂのうちの気相部２５ａへ酸素が導入される。換言すれば、貯水タンク２５に蓄えられた水の液面Ｌ１よりも上方に酸素が導入される。貯水タンク２５の気相部２５ａへ酸素を導入することにより、貯水タンク２５内の気体を酸素に置換する。これにより、水に含まれる二酸化炭素が脱気され、水中から二酸化炭素が除去される。貯水タンク２５内で脱気された二酸化炭素は、脱気ガス排出ライン３９を介して酸素排気ライン３４へ流入して大気放出される。

【0030】

このように、水電解装置１００では、水電解槽２０で発生した酸素を用いて水に含まれる二酸化炭素を脱気することにより、水から二酸化炭素を除去することが可能となる。したがって、水電解装置１００によれば、従来のように水素を用いて貯水タンクをパージする構成に比べて、水に含まれる不純物（二酸化炭素）の量を安全に低減することができる。また、水電解装置１００によれば、貯水タンク２５にて不純物（二酸化炭素）が除去されるため、循環水イオン交換器４３にて除去される不純物の量が低減し、循環水イオン交換器４３を長寿命化することができる。

【0031】

なお、水電解装置１００では、酸素導入ライン３７は酸素排気ライン３４から分岐している。したがって、従来排気されていた酸素の一部を用いて、水に含まれる不純物（二酸化炭素）の量を低減することができる。

【0032】

また、水電解装置１００では、酸素冷却器３５にて除湿された後の酸素が貯水タンク２５へ導入される。そのため、酸素による二酸化炭素の脱気効率を高めることができる。

【0033】

さらに、水電解装置１００では、酸素導入ライン３７の下流端部が、貯水タンク２５に接続される。そのため、貯水タンク２５内で二酸化炭素が脱気される。したがって、二酸化炭素脱気筒を別途設けることなく、貯水タンク２５を二酸化炭素脱気筒として機能させることができる。

【0034】

（変形例）
上述した実施形態では、酸素気液分離器２２にて分離された酸素を貯水タンク２５の気相部２５ａへ導入した。しかし、酸素気液分離器２２にて気液分離された酸素を貯水タンク２５の液相部２５ｂへ導入してもよい。

【0035】

図３は、図２に示される水電解装置１００の変形例を示す模式図である。図３に示すように、酸素気液分離器２２にて分離された酸素の一部を貯水タンク２５の液相部２５ｂへ導入してもよい。換言すれば、貯水タンク２５に蓄えられた水の液面Ｌ１よりも下方に酸素を導入してもよい。

【0036】

貯水タンク２５の液相部２５ｂへ酸素を導入することにより、水中に酸素を送り込んで、水中で酸素をバブリングさせる。これにより、貯水タンク２５内の水に溶け込んでいる二酸化炭素が、酸素とともに貯水タンク２５の気相部２５ａに追い出されることで脱気され、水から二酸化炭素を効率的に除去することができる。

【0037】

また、上述した実施形態では、貯水タンク２５へ酸素を直接導入している。しかし、貯水タンク２５の上流（流入側）に酸素を導入してもよい。例えば、分岐ライン４１の循環水イオン交換器４３と貯水タンク２５との間であって、貯水タンク２５へ循環水が流入する前に酸素を導入してもよい。この場合であっても、貯水タンク２５内で水に含まれる二酸化炭素を脱気することが可能である。

【0038】

また、上述した実施形態では、酸素導入ライン３７の上流端部を酸素気液分離器２２に接続し、酸素排気ライン３４の酸素の一部を貯水タンク２５へ導入している。しかし、酸素導入ライン３７の上流端部を酸素気液分離器２２に接続してもよい。或いは、酸素を大気放出せずに製品ガスとして利用する場合、製品ガスである酸素を供給する酸素供給ラインから分岐した酸素導入ライン３７を介して酸素の一部を貯水タンク２５へ導入してもよい。

【0039】

〔実施形態２〕
本発明の他の実施形態について、図４から図６に基づいて説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。

【0040】

（水電解装置の構成）
図４は、本実施形態に係る水電解装置１０１の概略構成を示す模式図である。図４に示すように、水電解装置１０１は、酸素導入ライン３７に二酸化炭素吸着部４４が配置される点で上記水電解装置１００とは異なる。

【0041】

二酸化炭素吸着部（吸着部）４４は、二酸化炭素を吸着する吸着剤を含む。二酸化炭素吸着部４４は、酸素導入ライン３７に配置され、酸素導入ライン３７を流れる酸素に含まれる二酸化炭素を吸着剤で吸着する。二酸化炭素吸着部４４は、流量調整弁３８と貯水タンク２５との間に配置される。

【0042】

図５は、水電解装置１０１の要部構成を示す模式図である。図５に示すように、水電解装置１０１では、二酸化炭素吸着部４４にて二酸化炭素が吸着された酸素が、貯水タンク２５の気相部２５ａへ導入される。

【0043】

ここで、酸素気液分離器２２にて気液分離された酸素には、二酸化炭素が含まれている可能性がある。そのため、二酸化炭素吸着部４４にて、酸素に含まれる二酸化炭素を吸着することが好ましい。二酸化炭素が吸着された後の酸素を貯水タンク２５の気相部２５ａへ導入することにより、貯水タンク２５内を効果的に置換処理し、二酸化炭素の脱気効率を高めることができる。

【0044】

また、水電解装置１０１では、二酸化炭素吸着部４４の上流に酸素冷却器３５が配置され、酸素冷却器３５にて除湿された酸素が二酸化炭素吸着部４４へ流入する。二酸化炭素吸着部４４に含まれる吸着剤は吸湿することで溶け出し、水を汚染する可能性がある。したがって、二酸化炭素吸着部４４の上流で酸素を除湿することにより、上述した汚染を低減することができる。

【0045】

（変形例）
上述した実施形態では、二酸化炭素吸着部４４にて二酸化炭素が吸着された後の酸素を貯水タンク２５の気相部２５ａへ酸素を導入した。しかし、二酸化炭素を吸着した後の酸素を貯水タンク２５の液相部２５ｂへ導入してもよい。

【0046】

図６は、図５に示される水電解装置１０１の変形例を示す模式図である。図６に示すように、二酸化炭素吸着部４４にて二酸化炭素が吸着された後の酸素を貯水タンク２５の液相部２５ｂへ酸素を導入してもよい。これにより、貯水タンク２５内での二酸化炭素の脱気効率を高めることができる。

【0047】

〔実施形態３〕
本発明の他の実施形態について、図７から図９に基づいて説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。

【0048】

（水電解装置の構成）
図７は、本実施形態に係る水電解装置１０２の概略構成を示す模式図である。図７に示すように、水電解装置１０２は、酸素気液分離器２２にて気液分離された酸素が、分岐ライン４１に配置された二酸化炭素脱気筒４５へ導入される点で上記水電解装置１０１とは主に異なる。

【0049】

二酸化炭素脱気筒４５は、循環水イオン交換器４３の上流に配置され、分岐ライン４１を流れる循環水に含まれる二酸化炭素を脱気する。酸素導入ライン３７は、酸素気液分離器２２にて気液分離された酸素が二酸化炭素脱気筒４５へ供給されるように、酸素排気ライン３４から分岐して二酸化炭素脱気筒４５へ繋がる。

【0050】

図８は、水電解装置１０２の要部構成を示す模式図である。図８に示すように、水電解装置１０２では、二酸化炭素脱気筒４５の気相部４５ａおよび液相部４５ｂのうちの液相部４５ｂへ酸素が導入される。具体的には、酸素導入ライン３７が二酸化炭素脱気筒４５の底部に接続され、二酸化炭素脱気筒４５内の水の液面Ｌ２よりも下方に酸素が導入される。

【0051】

二酸化炭素脱気筒４５の液相部４５ｂへ酸素を導入することにより、水中に酸素を送り込み、水中で酸素をバブリングさせる。これにより、二酸化炭素脱気筒４５内の水に溶け込んでいる二酸化炭素が、酸素とともに二酸化炭素脱気筒４５の気相部４５ａに追い出されることで脱気され、水中から二酸化炭素が効率的に除去される。二酸化炭素脱気筒４５内で脱気された二酸化炭素は、二酸化炭素脱気筒４５の上部に設けられたベント弁４６を介して脱気ガス排出ライン４７へ流入し、大気放出される。

【0052】

このように、水電解装置１０２では、循環水イオン交換器４３の上流に配置された二酸化炭素脱気筒４５内で水に含まれる二酸化炭素を脱気する。したがって、二酸化炭素が除去された水が循環水イオン交換器４３へ導入されるため、循環水イオン交換器４３を長寿命化することができる。また、二酸化炭素脱気筒４５の液相部４５ｂへ酸素を供給することにより、二酸化炭素脱気筒４５内での二酸化炭素の脱気効率を高めることができる。

【0053】

（変形例）
上述した実施形態では、分岐ライン４１の循環水イオン交換器４３の上流に１つの二酸化炭素脱気筒４５が配置された構成である。しかし、循環水イオン交換器４３の上流に複数の二酸化炭素脱気筒４５が配置された多段構成としてもよい。

【0054】

図９は、図８に示される水電解装置１０２の変形例を示す模式図である。図９に示すように、循環水イオン交換器４３の上流に、第１二酸化炭素脱気筒４５１、第２二酸化炭素脱気筒４５２および第３二酸化炭素脱気筒４５３が上流側からこの順で配置される。第１二酸化炭素脱気筒４５１、第２二酸化炭素脱気筒４５２および第３二酸化炭素脱気筒４５３のそれぞれに、酸素導入ライン３７から酸素が導入される。

【0055】

このように、循環水イオン交換器４３の上流に、第１二酸化炭素脱気筒４５１、第２二酸化炭素脱気筒４５２および第３二酸化炭素脱気筒４５３を配置することにより、各脱気筒内で水に含まれる二酸化炭素が順次脱気される。したがって、二酸化炭素が十分に除去された水が、第３二酸化炭素脱気筒４５３から循環水イオン交換器４３へ導入される。したがって、循環水イオン交換器４３をさらに長寿命化することができる。

【0056】

〔まとめ〕
本発明の態様１に係る水電解装置は、高分子電解質膜を用いて水を電解し、水素および酸素を発生させる水電解槽と、前記水電解槽にて発生した酸素と水とを分離する酸素気液分離器と、前記水電解槽にて電解される水を蓄える貯水タンクと、前記酸素気液分離器にて分離された酸素の一部を、前記貯水タンクまたは前記貯水タンクの上流へ導入する酸素導入ラインと、を備えることを特徴とする。

【0057】

上記の構成では、水電解槽で発生した酸素を用いて水に含まれる不純物を脱気することにより、水から不純物を除去することが可能となる。したがって、上記の構成によれば、水に含まれる不純物の量を安全に低減することが可能な水電解装置を実現することができる。

【0058】

また、本発明の態様２に係る水電解装置では、上記態様１に係る水電解装置において、前記酸素気液分離器に接続され、該酸素気液分離器にて分離された酸素を排気する酸素排気ラインをさらに備え、前記酸素導入ラインは、前記酸素排気ラインから分岐してもよい。

【0059】

上記の構成によれば、従来排気されていた酸素の一部を用いて、水に含まれる不純物の量を低減することができる。

【0060】

また、本発明の態様３に係る水電解装置では、上記態様２に係る水電解装置において、前記酸素導入ラインに配置され、該酸素導入ラインを流れる酸素に含まれる二酸化炭素を吸着する吸着部（二酸化炭素吸着部４４）をさらに備えてもよい。

【0061】

水電解装置で発生した酸素には二酸化炭素が含まれる可能性がある。上記の構成によれば、吸着部によって二酸化炭素を吸着した酸素を不純物の除去に用いるため、不純物（特に二酸化炭素）の除去効率を高めることができる。

【0062】

また、本発明の態様４に係る水電解装置では、上記態様３に係る水電解装置において、前記吸着部の上流に配置され、前記吸着部に導入される酸素を除湿する除湿部（酸素冷却器３５）をさらに備えてもよい。

【0063】

吸着部に含まれる吸着剤は吸湿することで溶け出し、水を汚染する可能性がある。上記の構成によれば、吸着部の上流で酸素を除湿するため、上述した汚染を低減することができる。

【0064】

また、本発明の態様５に係る水電解装置では、上記態様１から４のいずれかに係る水電解装置において、前記酸素気液分離器から水電解槽へ水を供給することにより水を循環させる水循環ラインと、前記水循環ラインから分岐し、前記水循環ラインを流れる循環水の一部を取り出してイオン交換器による処理後に前記貯水タンクへ供給する分岐ラインをさらに備えてもよい。

【0065】

上記の構成によれば、循環水の一部が取り出されて循環水イオン交換器にて処理にて処理される、循環水中の不純物含有量を抑えることができる。

【0066】

また、本発明の態様６に係る水電解装置では、上記態様１から５のいずれかに係る水電解装置において、前記酸素導入ラインは、前記貯水タンクに接続されてもよい。

【0067】

上記の構成によれば、貯水タンク内で不純物を脱気するため、貯水タンクを脱気筒として機能させることができる。

【0068】

また、本発明の態様７に係る水電解装置では、上記態様５に係る水電解装置において、前記イオン交換器の上流に配置され、前記分岐ラインを流れる循環水に含まれる二酸化炭素を脱気する二酸化炭素脱気筒をさらに備え、前記酸素導入ラインは、前記二酸化炭素脱気筒内の液相部に酸素が供給されるように、前記二酸化炭素脱気筒に接続されてもよい。

【0069】

上記の構成では、イオン交換器の上流に配置された二酸化炭素脱気筒内で水に含まれる二酸化炭素（不純物）を脱気する。上記の構成によれば、二酸化炭素が除去された水がイオン交換器へ導入されるため、イオン交換器を長寿命化することができる。また、二酸化炭素脱気筒の液相部へ酸素を供給することにより、二酸化炭素脱気筒内での二酸化炭素の脱気効率を高めることができる。

【0070】

本発明の態様８に係る水電解方法は、高分子電解質膜を用いて水を電解し、水素および酸素を発生させる水電解工程と、前記水電解工程にて発生した酸素と水とを酸素気液分離器によって分離する気液分離工程と、前記気液分離工程にて分離した酸素の一部を、前記水電解工程にて電解される水を蓄える貯水タンクまたは貯水タンクの上流へ導入する酸素導入工程と、を含むことを特徴とする。

【0071】

上記の方法では、水電解槽で発生した酸素を用いて不純物を脱気することにより、水から不純物を除去することが可能となる。したがって、上記の方法によれば、水に含まれる不純物の量を安全に低減することが可能な水電解方法を実現することができる。

【0072】

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0073】

１ 水電解装置
２０ 水電解槽
２２ 酸素気液分離器
２３ 水循環ライン
３４ 酸素排気ライン
３５ 酸素冷却器（除湿部）
３７ 酸素導入ライン
４１ 分岐ライン
４３ 循環水イオン交換器（イオン交換器）
４４ 二酸化炭素吸着部（吸着部）
４５ 二酸化炭素脱気筒
４５１ 第１二酸化炭素脱気筒（二酸化炭素脱気筒）
４５２ 第２二酸化炭素脱気筒（二酸化炭素脱気筒）
４５３ 第３二酸化炭素脱気筒（二酸化炭素脱気筒）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】