WO2003064727A1

WO2003064727A1 - High-pressure hydrogen producing apparatus and producing method

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Description

明細書高圧水素の製造装置及び製造方法技術分野

この発明は、固体高分子電解質膜 (以下 P E Mともいう。）を用いて、イオン交換水、蒸留水、濾過精製水などの純水を電気分解することにより、コンプレッサ一等の機械的昇圧装置を用いることなく、水素のエネルギー利用等で必要とされている高圧水素 (圧縮水素）を、直接製造する高圧水素の製造装置及びその製造方法に関するものであって、水素クリーンエネルギー関連技術に属するものである。背景技術

現在エネルギーの主流となっている石炭や石油などの化石燃料は、その使用に伴って排出される二酸化炭素が地球温暖化の主因とされており、加えて、化石燃料の燃焼で排出される窒素酸化物やィォゥ酸化物が人の健康を損ねたり、森林を破壊する酸性雨を降らせたりする原因ともなっているものである。その上、化石燃料には、埋蔵量に限りがあり、早晩、枯渴するというより根本的な問題も存在している。これらの問題の発生を抑えるために、化石燃料の消費を抑え又は止め、その代りとして、化石燃料の代替が可能で、且つ、再生も可能なクリーンな自然エネルギ一を利用するための技術開発が求められている。化石燃料の代替としての自然エネルギーとしては、その最大なものとして太陽エネルギーがあり、太陽から地球が受ける 1時間分のエネルギーは、人類が今日消費している 1年分以上のエネルギーに匹敵し、太陽エネルギーは、それだけで人類のエネルギー需要を賄うことも夢ではないものであり、太陽光発電など太陽エネルギーの利用技術に関する種々の提案もなされている。また、自然エネルギーの代表的な利用方法としては、太陽光発電や風力発電、水力発電等が良く知られているように、自然エネルギーは電力として取り出され利用されている。

しかしながら、電力は、そのままでは貯蔵したり、持ち運んだりすることが難しく、例えば、電力を貯蔵する方法として、電池に充電して貯蔵して利用する方法がよく行われているが、電池は重く、自己放電により使用していない間にも消耗する等の問題を有しているものである。このような問題のない、すなわち、貯蔵したり、持ち運ぶことが容易で、必要な時に必要な所で幅広く利用できるということは、これからのエネルギーにとり最重要事項であり、それらを満足するエネルギーとして水素がある。

水素は、貯蔵も容易であり、必要に応じて燃料電池等で、再度、電力に戻すことができ、便利で、効率的であるため、自然エネルギーで得た電力を水の電気分解（水電解）によりクリーンな水素エネルギーに効率よく変換し貯蔵できるようにし、この水素を従来の石油等に代わるエネルギーとして使用することが考えられており、 2 1世紀は、水素をエネルギーとして使用する水素経済社会になるとも云われている。

このような水素経済社会にするために、水素をエネルギーとして効率良く使用するための手段として、水素を燃料とする燃料電池（以下、 P E F Cという。）についても開発が盛んに進められており、さらに、これを自動車や家庭用自家発電に使用することも検討されており、これらの方法が普及し、自然エネルギーで製造した水素が広く利用されるようになると、二酸化炭素による地球温暖化の心配の無い水素経済社会が実現できると考えられている。そのためには、その前提条件として、自然エネルギー、特に太陽エネルギーで効率良く水素を製造することが重要課題であるとされている。また、水素を、エネルギーとして利用する際の最大の課題は、気体である水素を如何にして安全に、しかもコンパクトにして持ち運び（輸送）したり、貯蔵したりするかにある。

その課題に対処するために、気体である水素を液体水素にすることや吸蔵合金に吸蔵させる手法が検討されてきたが、自然蒸発や吸蔵量等、それぞれに解決できない問題があり、最近では、軽量で高耐圧のボンベが開発されたこともあり、高圧水素の安全性が見直されて、水素を 3 5 0気圧又はそれ以上の高圧に圧縮した圧縮水素として、ボンべ等に充填して貯蔵及び輸送する方法が採用される機会が増えてきており、水素経済社会を構成する技術として広く注目されるようになつてきている。特に、前記したように、燃料電池を用いた電気自動車（燃料電池自動車）等に用いられるためには、 3 5 0気圧程度又はそれ以上の高圧の圧縮水素にしないと、自動車に搭載する水素ボンベの容積を大きくせざるを得ず、その分だけ乗車空間が狭くなり、水素ボンベの容積が小さいと、走行距離が短くなり実用的といえず、採用され難いものであり、エネルギーとして利用する水素を 3 5 0気圧程度又はそれ以上の高圧の圧縮水素にすることは、水素経済社会への移行のキ一ポイントとなるものである。水素を製造するための水電解としては、水に苛性カリ（K O H) 等のアルカリ電解質を溶解させて電気分解するアル力リ水電解が古くから知られているが、最近では、固体高分子電解質型燃料電池（P E F C)の開発に伴って、プロトン（水素イオン）伝導性を有する固体高分子電解質膜（以下、「P E M」という。）を用い P E F Cの逆反応で、純水を水素と酸素に直接電気分解する P E M水電解（以下、「P E M水電解」という。）が効率よく水素を製造する方法として注目されている。すなわち、従来から広く知られているアルカリ水電解においては、苛性カリ等のアルカリが、水に溶解している二酸化炭素等の不純物と反応して電極に堆積物が生成されるので、この堆積物を除去するために、定期的に水電解セルを分解し清掃することが必要で、また、生成した水素に随伴するアルカリミストを除去する精製装置も必要としている。

しかも、生成した水素と酸素は、ガス透過性のあるアスベスト等の多孔質隔膜で分離されているため、発生量が減少すると、多孔質隔膜を通過する水素と酸素の割合が相対的に増えるので、それらの混合比率が増し、爆鳴気が生じて爆発する危険性があるため、起動停止が自由に行えず、変動の激しい自然エネルギーである太陽光や風力で発電した電力を用いて、アルカリ水電解により水素を発生させるのは容易なことではなく、さらに、アルカリ水電解による水素発生圧力は低いので、高圧の圧縮水素とするためには、ガス圧縮機を用いなければならないという問題点も有している。これに対して、 P E M水電解は、純水を直接電気分解し、高純度な水素が得られる上、水素と酸素は、プロトンしか透過しない P E Mで分離されているので、水電解を急に停止して放置しておいても、アルカリ水電解のように水素と酸素が混合することが無く、起動停止を自由に繰り返すことが可能であるため、自然ェネルギ一で発電した変動の激しい電力でも水素に効率よく変換することができる手法として優れたものである。

P E M水電解による高圧水素の製法に関していえば、 P E M水電解は、体積の小さい液体の水を、体積の大きい気体の水素と酸素に分解するので、それ自身で高圧の水素及び酸素を発生できる昇圧能力を有しており、原理的には、コンプレッサ一等の機械的昇圧装置を用いないで、電気分解だけで千気圧以上の高圧水素を発生することも夢ではないものである。しかも、機械的に昇圧するのと異なり、可動部が無いため、定期的に、かつ頻繁に点検して、消耗部品を取替える等の保守作業の必要がなく、自然エネルギーを水素に変換するのに必要とされている長期間の無保守無人自動運転が実現でき、さらに、コンプレッサー等の機械的昇圧機を用いる場合に比べて昇圧効率が高いので、圧縮動力が少なくて済む等多くの利点があり、その点からも、 P E M水電解によるエネルギー用高圧水素発生に多くの期待が集まっている。

P E M水電解による水素発生装置は、両面に白金等の触媒電極を形成した固体高分子電解質膜（P E M) を、純水やガスの通り道が確保できる多孔質給電体で挟み込んだ構造のュニットセルを複数個積層した水電解セルで構成される。このような構造の水電解セルは、各ユニットセルが積層されるので、各ユニットセルを仕切る電極板は、陽極であると共に次のセルの陰極をも兼ねるので複極と呼ばれ、これを積層して構成される P E M水電解セルは、複極式積層型水電解セルと呼ぶことができ、近年、このような P E Mを用いた複極式積層型水電解セルによる高圧水素製造装置の出現に多くの期待が集まってきている。しかしながら、 P E Mを用いた水電解セルによる電気分解にも、現状、問題点として、 P E M膜及び水電解セルのシール部の耐圧が、いずれも 4気圧程度と耐圧性が低いということがあり、それらの耐圧を増す工夫を施しても、そのような水電解セルでは数気圧〜数十気圧程度の水素や酸素の発生がせいぜいであり、ェネルギ一利用で必要とされる 3 5 0気圧又はそれ以上の高圧の水素を発生することはできず、効率的に貯蔵したり、輸送したりするためには、ガス圧縮機を用い水素を圧縮することを必要としている。ガス圧縮機を用いずに高圧水素を得る方法としては、液体水素を気化させて高圧水素にして、水素ボンベに充填するという方法も考えられているが、液体水素の生成に多量のエネルギーを必要とし、そのうえ、液体水素は輸送、貯蔵に際し蒸発してロスを生じるのでエネルギ一損失の大きい方法である。しかも、水素の液化機は頻繁に保守する必要があり、僻地でエネルギー用水素を製造するに必要な無人自動運転の難しいものである。特にエネルギー損失について付言すれば、液化水素の製造には、圧縮して使用する場合に比べて、多くのエネルギーを必要とするため、エネルギー利用効率が低くなるのであり、今日、国内で年間販売される水素は、 3億立方メートル程度であるが、国内にある自動車の 1割程度が水素を燃料とするだけで、この数十倍以上の水素が消費されることになり、このような大量の水素を液体水素にすると、その液化に必要なエネルギーだけで、今日市販されている水素が有するエネルギ —以上のエネルギーが消費されることになる。

しかも、そのような大量の液体水素を液化できるだけの液化機は、新たに建設しなければならないが、建設しても、液化機は、エネルギーを消費するだけで、新たなエネルギーを生むものではない。このように、液体水素をエネルギーとして使用するのは、エネルギー利用効率の悪い使い方である上に、それを実現するためには、エネルギーを生まない設備を建設し、エネルギーをより大量に消費しなければならなくなる。

したがって、液体水素を高圧水素源として、すなわちエネルギー源として使用することがあったとしても、限定的で、これからの水素経済社会での主要エネルギ一になるとは考え難いものである。一方、ガス圧縮機にも上記した部品の摩耗というような問題があるうえ、このような高い圧力、 3 5 0気圧程度又はそれ以上の高圧水素を発生させるガス圧縮機等の機械的昇圧装置は、それ自身が開発テーマとされており完全に機能的に満足し得るものがない。例えば、実績のあるレシプロ機は 2 0 0気圧までしか対応できない。また、ダイアフラム式は 1 0 0 0時間毎にダイアフラムを交換する必要があり、容量も最大で 3 O Nm ³ /時程度であり、必要とされる 3 0 0 Nm ³ Z時の容量のコンプレッサーがないのが実情である。さらにはガス圧縮機自体による水素の汚染が無視できないのである。

特に、 P E M型燃料電池を用いて水素を電力に変換する際は、燃料とする水素の純度が悪いと、電極が被毒して出力が低下し、寿命が短くなるという問題が発生するので、水素の汚染は致命的である。以上のように、水素を高圧状態に圧縮して容積を小さくし、輸送 ·貯蔵を可能にする圧縮水素は、主要エネルギーとしては、最も効率の良いエネルギー利用形態のものであり、エネルギーとして利用する水素を、高圧水素にして、体積を小さくし、貯蔵及び輸送に便利なようにし、化石燃料の代替とするために、しかも、ガス圧縮機を用いずに水電解だけで、高圧の圧縮水素（高圧水素）を製造する方法に適したものとして、 P E M水電解について、種々検討がなされ、これまでに幾つかの提案、特に、水電解セルの低耐圧性の問題を解決して、電気分解だけで水素のエネルギー利用に必要とされる高圧水素を発生できる高圧水素発生装置についての提案がなされてきた。たとえば、特許第 3 , 2 2 0 , 6 0 7号（米国においては特許 5 , 6 9 0 , 7 9 7号）では、複極式積層型水電解セルの P E M膜に作用する力が陰極に発生する水素と陽極に発生する酸素との差圧であること、また、セルのシール部に作用する力がセル内の水素及び酸素の圧力とセルの外の圧力との差圧であることに着目し、純水と酸素を貯留する高圧容器内の純水中にセルを浸漬し、水素を貯留する高圧容器内の圧力と、セルを貯留する高圧容器内の圧力とを等しくなるように制御することにより、 P E M膜及びセルのシール部に作用する差圧を、各々、セルの耐圧以内に制御し、セルの耐圧以上の高圧の水素及び酸素を発生しても、セルには、セルの耐圧以内の差圧しか作用しないようにして、高圧の水素の発生を可能にしたものである。しかしながら、この水素 ·酸素装置では、水電解セルを高圧容器内に収納して純水に浸けるとともに、陽極で発生した酸素を高圧容器内に溜めるため、高圧にすればする程、金属腐食を起こし易い高圧の酸素と水とが共存した環境に、電極を有する水電解セルを封入することになるので、金属腐食に対する配慮が必要となる。しかも、 P E Mの耐熱性が許す範囲で、水電解セルの温度を高くすればする程、水電解効率が向上するにもかかわらず、温度を高くすると電極等の金属腐食がさらに起こり易くなるうえに、 P E M水電解セルが浸漬している純水の比抵抗が低下し、リーク電流が問題となるため、水電解セルが浸漬している純水を熱交換器で冷却することで電力ロスによる発熱の問題を解決し、効率の悪い、熱の有効利用に不利な温度 4 0 °C以下での運転を強いられるものである。

このように、この提案で、エネルギー利用で必要な高圧の水素を発生させるには、酸素による電解腐食や、純水比抵抗低下による漏電等の解決すべき問題が存在しているのである。

また、水電解セルの陽極室と陰極室を分離している P E Mが破損したり、水電解セルのシール部が破損したりするなどの異常が発生した場合、水電解セルを収納している高圧容器内の酸素に水素が大量に混合されて、爆鳴気が発生する危険性もあり得るので、その対策も必要なものである。

したがって、この水素，酸素装置では、原理的には、数百気圧以上の高圧水素の製造が可能であるが、現状では数十気圧以下の水素の製造にしか適さず、エネルギ一利用で必要とされる数百気圧以上の高圧水素を発生させることが容易なものではない。しかも、金属腐食の問題が解決されたとしても、純水の比抵抗が低下すると、水電解セルに印加される電力の一部が、水電解セルが浸漬されている純水中を流れ、その分、電力ロスが発生して水電解効率が悪くなるが、イオン交換樹脂の耐圧性及び耐熱性が低いので、高圧容器内の純水の純度低下に伴う比抵抗低下を、イオン交換樹脂で再生して比抵抗の高い純水に戻すことができないという問題がある。特に、電解に際して、温度 8 0 °C程度又はそれ以上にして電解効率を高める際には、この問題が深刻な問題となる。

すなわち、純水は温度の上昇により比抵抗が低下するが、それに加えて、純水に対する容器壁等の溶出が早くなるため、常時、イオン交換樹脂で純水を再生する必要があるが、処理される純水が高圧であるとィォン交換樹脂粒が破壊するということからも、発生させる圧力には限界があり、水素のエネルギー利用で必要とする高圧水素発生は困難であった。このような問題を解決するために、特開 2 0 0 1— 1 3 0 9 0 1号公報においては、水電解で発生する水素及び酸素を、おのおの専用の高圧タンクに溜め、水電解セルは専用の高圧容器内の電気絶縁性液体中に浸漬密封して、高温高圧の酸素と水の共存による電極等の金属腐食を防止するとともに、電解温度を高くしても、電気絶縁性が損なわれることのないように構成された水素エネルギー供給装置が提案されている。

この方法は、電解腐食や純水比抵抗低下の問題を一気に解決しただけでなく、水電解セルが破損しても純水が酸素と水素を隔離する働きをも兼ねて、爆鳴気の生ずることを防止できる等、安全性を飛躍的に進歩させたものである。

しかしながら、高圧容器内において水電解セルを浸漬させるための電気絶縁性液体として、実用的なものが現状では見当たらないため、この方法は実用的には採用し難い方法である。

すなわち、大量に使用されることが想定されるエネルギー用の水素製造装置に対する需要を賄うには、電気絶縁性液体も膨大な量が必要で、環境に負荷を与えないで、かつ漏洩により容易に環境、特に地下水や土壌を汚染しないように、多量の電気絶縁性液体を化学的に合成したり、使用したりすること自体が難しいうえ、水電解セルから微量に漏洩する酸素や水素と化学反応を起こさないだけでなく、不慮の事故で、酸素が高圧容器内に大量に漏洩した場合にも、酸素と反応して爆発する等の危険性のない、不燃性で化学的な安定性が求められ、それらの条件を満足する電気絶縁性液体は事実上存在しないのである。

例えば、電気絶縁性液体として、 P C Bは難燃性であり、性能的には優れているが公害等の問題から製造も使用も禁止されているものであり、現在、使用できる絶縁油等は、全て、可燃性であり、酸素が漏洩すると爆発する危険性があるものである。

さらに、純水は絶縁性液体として優れているものであるが、純水には先に述べたように比抵抗の経時変化等の問題があり、その使用が困難なものである。すなわち、純水は全ての物質を溶解する能力があるので、純水を高圧容器に封入すると、高圧容器壁を溶解して純水の比抵抗が徐々に低下し、漏洩電流が生じ効率が低下するだけでなく、漏洩電力で純水が電気分解されて、水電解セルが収納されている高圧容器内で水素と酸素が生成して圧力が増し、ついには、水電解セルを押し潰したり、水素と酸素の混合気が爆発したりする危険性をも有しており、それに対する対策を必要とするものである。発明の開示

以上のような状況に鑑み、発明者は、エネルギーとして利用される水素に求められる高圧、特には 3 5 0気圧程度又はそれ以上の高圧水素を効率よく、ガス圧縮機を用いることなく、'太陽光等の変動の激しい自然エネルギーで発電した電力によっても、水電解だけで安定して、また安全に発生させることのできる高圧水素の製造装置及び製造方法を提供することを目的として検討を行ったのである。その結果、 P E Mを用いた水電解セルを水素雰囲気下の高圧容器内に設置し、当該水電解セルを用いて純水を電気分解し、陰極で発生した水素を水電解セルの設置してある高圧容器に貯蔵し、陽極で発生した酸素を戻り純水と共に電解用純水貯留用の高圧容器に貯蔵することによって、高圧水素を水電解だけで安定して、また安全に発生させることができることを見出し、 3 5 0気圧又はそれ以上の水素エネルギー利用で求められている高圧の圧縮水素を、 P E M水電解で製造する高圧水素の製造装置及びその製造方法を確立したのである。また、上記製造装置及びその製造方法において、水素を貯蔵する高圧容器の圧力と、酸素と純水を貯蔵する電解用純水貯留用の高圧容器の圧力との差圧を、水電解セルを構成する P E Mの耐圧以下の圧力に調整しながら、水電解セルを用いて純水を電気分解することによって、さらに、得られた水素及び酸素を貯蔵すると共に、水電解セルの酸素側に供給する純水を熱交換器で冷却して供給するだけでなく、水電解セルで発生した水素を、前期高圧容器の外に配置した熱交換器で冷却してから前記高圧容器内に戻すようにすることで、水電解セルが水電解時の電力ロスで加熱されることを防ぎ、より安定して稼動できることを見出したのである。また、 P E M水電解においては、水電解効率は温度が高くなればなるほど向上するが、 P E M水電解に用いられる P E Mは、プラスチック等と類似な高分子材料であって、高分子材料としては耐熱性に優れた材料ではあるが、温度 1 0 0 °C を超えると機械的強度が弱くなり、温度 1 2 0 °C以上に高くなると急激に弱くなるため、温度 8 0 °C以下での使用が望ましいことから、高圧水素をより効率的に発生させるために、 P E M水電解セルの運転において、水の電気分解に伴って発生する電力ロスによる発熱を除去すると共に、所定の電解温度、好ましくは温度 8 0で程度で効率よく電解するために、また、寒冷地や冬場に水電解を停止している際に、特に、将来のクリーンエネルギーとされている太陽光発電により、水を電気分解して水素を生成する場合における夜間の水電解停止の際に、系内の純水の凍結を防止するために、純水が氷結温度の 0 °C以下にならないようにするためには、上記した熱交換器における水素や酸素の配管、さらには、熱媒体の配管を分岐した細管とすることによって、熱伝導性を高くすると共に、伝熱面積を広くして、充分な耐圧性と高い熱伝導性を確保し、 P E M水電解装置系内の温度を、効率よく正確に温度を管理できることを見出したのである。

また、その際に付随して発生した、肉厚の高圧容器から肉薄の細い管を取り出す場合の貫通孔の封止方法についても、新しい方法を見出したのである。さらに、水電解セルに作用する力を水電解セルの耐圧以内にするには、水電解セルに作用する水素と酸素の圧力の差を水電解セルの耐圧以内に制御するのであるが、水電解セルの耐圧は一定であるので、水電解セルに作用する水素及び酸素の圧力が増せば増すほど、以下に示されるように、高い圧力制御精度が求められることになるため、従来の圧力制御方法、すなわち、水素や酸素の気体の移動による圧力制御では、その要求に応じられないことがあり、そのためには、水素や酸素の気体の移動による圧力制御の代わりに又はそれと併用して、水素や酸素を貯留する高圧容器の内部に存在する純水を、圧力の高い方から低い方に移動させて圧力を制御することが有効であることを見いだしたのである。また、その圧力制御方法に適用される圧力調整器を開発したのである。高圧水素製造装置及び製造方法に、高い圧力制御精度が求められるのは、差圧制御精度を S (%)とすると、水電解セルの耐圧を Ps、水電解セルから発生する水素 (又は酸素）の圧力を Pとの間には、以下の式（1 ) に示される関係が存在するからである。

S ≥ (Ps/P) X 1 0 0 … · ( 1 ) すなわち、上記式（1 ) から明らかなように、発生圧力 Pを高くするには、 P sを大きくするか、差圧制御精度 Sをより高精度化するかのどちらか、又は、両方が必要となることが分かる。しかし、現状、差圧制御精度 Sには限度があるので、発生できる水素（又は酸素）の圧力 Pは、結局は、水電解セルの耐圧 Psで定まることになる。

従って、現状、一般の水電解セルの許容耐圧は 4気圧であるので、水素及び酸素の発生圧力が 1 0気圧程度の場合は、圧力制御精度は 4 Z 1 0、すなわち、 4 0 %以内であればよいので、通常の圧力制御手法により、水電解セルを破損させることなく対応が可能であり、当面、水素をエネルギーとして利用する場合に必要とされている 3 5 0気圧程度の水素発生は、一般の水電解セルでも原理的には可能である。

しかしながら、より安定して安全に 3 5 0気圧の水素を発生させるためには、さらには今後、必要とされる圧力、例えば、この水電解セルを用いて 4 0 0気圧の水素と酸素を発生する場合を考えると、 4ノ4 0 0、すなわち、 1 %以上の精密高精度圧力制御が求められ、通常の圧力制御手法では達成が困難であり、将来的には、 7 0 0気圧程度の水素が求められることが考えられるために、より厳しい圧力制御精度が求められることになるのである。さらに、発明者は、上記した純水の移動による圧力制御方法に加えて、水電解セルの耐圧を低下させている要因を排除するための検討を行い、下記に示される新規な構造の水電解セルが耐圧を向上させることに有効であり、また、この構造を採用すれば、水電解セルを収容する高圧容器の容器径を小さくすることができ、発生圧力に応じて、すなわち圧力が高くなると、高圧容器の壁厚を厚く、しかも容器径の二乗に比例して厚くする必要がある壁厚を、可及的に薄くでき、容器の加工や取扱を容易にし、コスト的にも有利なることを見出したのである。

すなわち、上記のような効果を奏するためには水電解セルの構造を下記のようにすることが有効であることを見出したのである。

( 1 ) 複極式積層型水電解セルの締め付け固定が、挟持部材の加圧力による圧締めで行う。

( 2 ) 陰極で発生する水素と透過純水との取り出しを、複極側壁に陰極に連通する放出口を設けて、セルの各陰極から直接水素高圧容器内に放出することにより行う。

( 3 ) 電解する純水の供給をセル中央に設けられた孔により形成された純水供給経路から行う。また、この発明に用いられる水面計として、特に、高圧気体の共存下の容器内の水面を測定する際の下記のような問題を解消し、圧力制御精度を向上させる水面計として、酸素等の気体と純水との電気伝導率特性が大きく異なっていることを利用した水面計を開発したのである。

すなわち、高圧容器内には、電気分解の原料となる純水と、水電解で発生した酸素と共に高圧容器に貯留されるが、標準状態（O 、 1気圧）の酸素の密度は、 1 . 4 2 9 X 1 0 — ³ g Z c cであり、非常に軽く、容器中では、水が下に、酸素が上になる常識が通用する。しかし、酸素を理想気体と仮定すると、 1 Z 1 . 4 2 9 X 1 0 ^{_ 3} = 7 0 0から、 7 0 0気圧の酸素は水と同じ密度になる。このことは、 7 0 0気圧以上では、水が酸素に浮くことになり、ガスは水より軽いとする通常の経験則が通用しなくなる。

幸いなことに、このような密度の逆転は、酸素分子の大きさや分子間力を考慮すると、千気圧以上でないと起こらないが、従来広く採用されているフロート式の水面計では、水と酸素の密度差が小さくなると、水流等によりその動作が不安定となり、水面を正確に検知できなくなる。これに加えて、フロート式水面計に使用するフロートは、見かけの比重を 1以下に軽く製造しなければならないので、耐圧性に問題があり、水素のエネルギー利用で必要とされるような圧力に充分耐えうるフロートの製作が困難とされている。

このような問題を解決でき、高圧下で安定に作動する水面計を、この発明の高圧水素の製造方法を幅広く、且つ安定に実施するために、新たに水面計を開発したのである。以上のようにして成された本発明は、生成した水素の貯留槽を兼ねる高圧容器内に純水の電気分解により水素と酸素を発生させる固体高分子電解質膜からなる水電解セルが配置されていることを特徴とする高圧水素の製造装置に関するものである。

また、本発明は、内部に電気分解により水素と酸素を発生させる固体高分子電解質膜からなる水電解セルが配置され、生成した水素を貯留する高圧容器と水電解セルと連通し、電気分解用の純水と生成した酸素を貯留する高圧容器とから構成されていること特徴とする高圧水素の製造装置に関するものである。

また、本発明は内部に電気分解により水素と酸素を発生させる固体高分子電解質膜からなる水電解セルが配置され、生成した水素を貯留する高圧容器と水電解セルと連通し、電気分解用の純水と生成した酸素を貯留する高圧容器とから構成されて、水素を貯留する高圧容器の内圧と酸素を貯留する高圧容器の内圧の差を、水電解セルの耐圧以下の圧力に調整する圧力制御手段を有することを特徴とする高圧水素の製造装置に関するものである。

また、本発明は、前記高圧水素の製造装置に関する発明における圧力制御手段が、それぞれの高圧容器の圧力を測定し、当該測定値に基づいて、それぞれの高圧容器に設けられたバルブを開閉し、水素又は酸素を抜き出すことによって、前記差圧を水電解セルの耐圧以下の圧力に調整するものであることを特徴とする高圧水素の製造装置に関するものである。

また、本発明は、前記高圧水素の製造装置に関する発明における圧力制御手段が、それぞれの高圧容器内に存在する純水に連通する配管に設けられた容器内の純水中のバルブを開閉し、純水を移動することによって、圧力調整するものであることを特徴とする高圧水素の製造装置に関するものである。

また、本発明は、前記高圧水素の製造装置に関する発明における圧力制御手段が、それぞれの高圧容器内に存在する純水に連通する配管に設けられ、それぞれの高圧容器における純水の圧力差に応じて摺動する摺動子を内部に有する圧力調整器によって、圧力調整するものであることを特徴とする高圧水素の製造装置に関するものである。

また、本発明は、前記高圧水素の製造装置に関する発明における水電解セルが、触媒層を両面に形成した固体高分子電解質膜とその両面に接する多孔質給電体からなる複極式電極を複数積層した複極式積層型であり、高圧容器内の載置台上に、上部から押え治具による圧締状態で、配置されていることを特徴とする高圧水素の製造装置に関するものである。さらに、本発明は、高圧容器内に固体高分子電解質膜からなる水電解セルを配置し、この水電解セルによって純水を電気分解して水素と酸素を発生させ、生成した水素は水電解セルを配置した高圧容器内に貯蔵し、酸素は戻り純水と共に電気分解用純水を貯留する高圧容器に貯蔵することを特徴とする高圧水素の製造方法に関するものである。

また、この発明は、高圧容器内に固体高分子電解質膜からなる水電解セルを配置し、この水電解セルによって純水を電気分解して水素と酸素を発生させ、生成した水素は冷却し、水電解セルを配置した高圧容器内に貯蔵し、酸素は戻り純水と共に電気分解用純水を貯留する高圧容器に貯蔵することを特徴とする高圧水素の製造方法に関するものである。

また、この発明は、前記高圧水素の製造方法において、電気分解を、水素を貯蔵する高圧容器の内圧と、酸素と純水を貯蔵する高圧容器の圧力の差圧を、水電解セルを構成する高分子電解質膜の耐圧以下の圧力に調整しながら行うこと、さらには、その圧力の調整を、それぞれの高圧容器の水素圧、酸素圧の調整及び/ 又は容器内に存在する純水の移動により制御することを特徴とする高圧水素の製造方法に関するものである。図面の簡単な説明

第 1図は、この発明に係る高圧水素の製造装置の一実施例の全体構成を示す概略説明図である。

第 2図は、第 1図における高圧水素の製造装置において、冷却効果を高めた配管例を示す説明図である。

第 3図は、第 1図における送水ポンプの一例である誘導モータによる送水電動ポンプの断面図である。

第 4図は、水電解セルに大電流を送電するための電流導入端子の一例を示す概略説明図である。

第 5図は、送水ポンプ及び水面計などに小電流を送電するための電流導入端子の一例を示す概略説明図である。

第 6図は、この発明で用いられる水面計の一例を示す概略説明図である。第 7図は、送水ポンプの他の例を示す概略説明図である。

第 8図は、高圧容器の側壁に形成された貫通孔の封止例を示す概略説明図である。

第 9図は、この発明に係る高圧水素の製造装置の他の実施例の全体構成を示す概略説明図である。

第 1 0図は、第 9図における差圧検知器の構造を示す部分断面図である。第 1 1図は、第 9図における開放弁の構造を示す断面図（a ) と側面図（b ) である。

第 1 2図は、第 9図における水面計の構造を示す断面図である。

第 1 3図は、この発明に係る高圧水素の製造装置の第三の実施例の全体構成を示す概略説明図である。

第 1 4図は、第 1 3図における圧力調整器の部分断面図（a ) とその A— A ' 断面図（b ) である。

第 1 5図は、他の圧力調整器の例の部分断面図である。

第 1 6図は、他の圧力調整器の例の部分断面図である。

第 1 7図は、この発明にかかる水電解セルの構造と取付状態の一例を示す縦断面図である。

第 1 8図は、第 1 7図における水電解セルの分解斜視図である。

第 1 9図は、第 1 7図における水電解セルの陽極における純水流を示す説明図である。発明を実施するための最良の形態

以下、この発明の高圧水素の製造装置にかかる好ましい実施の形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。

この発明は、基本的には、固体高分子電解質等の隔膜によって分離された陽極室と陰極室とを有する水電解セルを使用して、純水を直接電気分解させて水素と酸素とを発生させる水素'酸素の製造装置及びその製造方法に関するものである。そして、この発明は、前記に詳細に説明したように、公知の水素 '酸素の製造装置を改良し、ガス圧縮機を用いることなく、安全に、しかも安定して、高圧水素の製造を可能としたもので、製造装置を構成する各部材は、原則的に公知のものと同様である。第 1図は、この発明にかかる高圧水素の製造装置の概略的な全体構成を示す説明図であって、 1は高圧容器 1 0内（以下に説明するように水素の貯留を兼ねるので水素貯留用高圧容器ともいう。）に配置される水電解セルを示し、図示しないが P E Mの両端に電極を形成した水電解膜によって陽極室と陰極室（いずれも図示せず）に区画された構造を有するもので、水電解セル 1の陽極室に純水供給管 3を介して電解用の純水を供給し、電源 9から負電極線 5及び正電極線 7を通じて電気を供給すると、水電解セル 1の陽極室に酸素が、陰極室に水素がそれぞれ発生するよう構成されているものである。

前記の陽極室で発生した酸素は、純水供給管 3から供給された電解用の純水の一部と共に戻り管 4を介して電解用の電解用純水貯留用の高圧容器（電解用純水槽又は酸素貯留用高圧容器という。） 3 1に送られ、この電解用純水槽 3 1の上部に設けられた底面積の小さな酸素貯留部 3 1 aに貯蔵される。

一方、水電解セル 1の陰極室で発生した水素は、そのまま高圧容器 1 0内に放出し、高圧容器 1 0内に貯蔵してもよいが、生成した水素は、水電解時の電力口スにより加熱されるので、それを冷却しないで高圧容器 1 0内に放出すると、高圧容器 1 0内に収納されている水電解セル 1がその熱で加熱され、終には、その熱で P E Mが破損するおそれがある。

かかる熱による P E Mの破損を防止するためには、水電解セル 1で発生した水素を配管により高圧容器 1 0の外部に配置された熱交換器 2 5 bに導いて冷却してから、再度配管により高圧容器 1 0内に戻し、水素放出管 2から高圧容器 1 0 の内部、好ましくは底部又はその近傍に放出することにより、水電解セル 1の電力ロスで発生する発熱を冷却し、水電解セル 1の動作に最適な温度を保つことができる。

熱交換器 2 5 bに流入及び流出する水素の温度は、各々、温度計 2 8 a及び 2 9 bで計測され、熱交換器 2 5 bに送られる冷水の温度及びその水量を制御することで制御される。水素放出管 2から放出される水素は、熱交換器 2 5 bで冷却されると、高圧容器 1 0内にあった水素より温度が低くなつて重いので、高圧容器 1 0内の底部に溜まるが、水素放出管 2から水素が流入してくるので押し上げられ、水電解セル 1に接触して温度が高くなると、軽くなつて上昇し、バルブ 1 5及びニードルバルブ 1 6を通って高圧容器 1 0から熱を持って出て行くので、水電解セル 1を効率よく冷却することができる。

また、水電解セル 1は、熱交換器 2 5 aで冷却された純水が陽極側に供給されので、純水によってある程度は冷却可能であるが、公知の P E M水電解装置の水電解セルが純水に浸漬されているのに比べると、これだけでは冷却能力が充分ではないので、この発明のように水電解セル 1を水素の高圧容器 1 0内に収納する構成では、水電解セル 1で発生した水素を冷却してから水電解セル 1が収納されている高圧容器 1 0に戻すことが望ましい。

高圧容器 1 0そのものを冷却することで、高圧容器 1 0内に、水素を直接放出することも考えられるが、熱が高圧容器 1 0内に分散するので、冷却には、広い伝熱面積が必要となると共に、高圧になる程、高圧容器 1 0の壁が厚くなり、熱伝導が悪くなるので、冷却効率の面からは優れているものとはいえない。

上記のように、水電解セル 1で発生した水素だけを取り出す場合は、水素の温度が他に分散しないので、冷却が効率的に行える。また、細い配管で取り出すことができるので、管壁の厚さが高圧容器 1 0に比べ充分に薄く、熱伝導が損なわれないので、その分、効率的に冷却できる。

このようにして、この発明においては、水と酸素の共存した、電解腐食の発生しゃすい環境に水電解セル 1を置かなくても高圧の水素を発生できるようにし、しかも、水電解セル 1の自己昇圧作用により、ポンプを使用しなくても、熱交換器 2 5 bを通して、水素放出管 2から冷却した水素を放出することができる。しかも、高圧容器 1 0内の水素の圧力が高くなるほど、水素の熱伝導率が大きくなり、水電解セル 1を冷却する能力が向上する。

また、この発明においては、高圧の水素を安定して効率良く製造できることが分かる。特に、この発明では、熱交換器 2 5 bで冷却された水素を、高圧容器 1 0の底部に戻すことによって、水電解セル 1で温められた水素は上昇して高圧容器 1 0の上部に達し、バルブ 1 5及び二一ドルバルブ 1 6を通って水電解セル 1 から奪った熱と共に取り出されるので、冷却効率が高く、その分、効率の良い圧縮水素製造装置となる。このようにして、水電解セル 1で作られた水素は、水素放出管 2から高圧容器 1 0内に放出され、高圧容器 1 0内に溜まり貯蔵される。

前記電源 9から負電極線 5及び正電極線 7を通じて、水電解セル 1に電気を連続して供給すると、純水が連続的に電気分解されて酸素と水素が発生し、酸素は電解用純水槽 3 1の酸素貯留部 3 1 aに、水素は高圧容器 1 0に溜まり、それぞれの圧力が上昇する。

酸素及び水素の圧力は、電解用純水槽 3 1及び高圧容器 1 0にそれぞれ設置された圧力計 3 9 a及び 3 9 bで計測され、その計測値は別途配設された制御装置 (図示せず）で比較され、例えば、酸素の圧力が高いときには、制御装置の制御信号でバルブ 3 6が自動的に開かれ、酸素がニードルバルブ 3 8を介して抜き出され大気に放出又は回収され、酸素の圧力と水素の圧力が等しくなれば、制御装置が作動してバルブ 3 6を閉じるもので、ニードルバルブ 3 8の開度は、酸素と水素の差圧の大きさに比例して、制御装置が自動制御する。水電解セル 1で純水が電気分解されると、水素と酸素は各々 2 ： 1の割合で発生し、酸素貯留部 3 1 aと連通するバルブ 3 6 , 3 7及び高圧容器 1 0と連通するバルブ 1 4， 1 5を閉にし、水素及び酸素を系外に抜き出すことなく、上記のようにして電気分解を続けると、高圧容器 1 0内の水素、及び電解用純水槽 3 1 に形成された酸素貯留部 3 1 a内の酸素の圧力が上昇する。

この発明は、水素エネルギとしての高圧水素の調製が主目的であるので、安全に高圧水素を調製するために、酸素貯留部 3 1 aに溜まる酸素を、その容積を高圧容器 1 0の容積の 4 %以下になるように水面 3 3 aを用いて制御することが好ましく、過剰の酸素は、二一ドルバルブ 3 8から抜き出され、常時、酸素の圧力と水素の圧力を等しく、少なくともその差圧を水電解セルの耐圧以内の圧力、通常 2気圧以内で、酸素の圧力を水素の圧力より若干高めに調整する制御が行われる。

かくして水素ならびに酸素の圧力があらかじめ設定された所定の圧力に達すると、制御装置が、電源 9から水電解セル 1への電力供給を自動的に停止させるので、電気分解が停止し、圧力の上昇は停止する。このようにして調製される高圧容器 1 0内及び前記酸素貯留部 3 1 a内の高圧の水素及び酸素は、それらの圧力が常に均圧に、又は酸素の圧力をやや高めに、そしてその差圧が、少なくも水電解セル 1の耐圧以内に制御されているので、水電解セル 1の内部と外部間の圧力差及び水電解セル 1内の陽極室と陰極室を分離している隔膜（この場合は、 P E Mに白金系電極を形成した膜）に作用する圧力は、それらの耐圧以内に制御されることになるので、隔膜を破損することがなく、水素及び酸素を漏洩させることはない。

万一、何らかの原因で、隔膜に損傷が生じ、あるいは水電解セル 1のシール部に破損が生じたとしても、水電解セル 1に接続している純水供給管 3及び戻り管 4を、ともに電解用純水槽 3 1の底部に接続せしめ、常に、前記酸素貯留部 3 1 a内の酸素の圧力を、高圧容器 1 0内の水素の圧力より高めに制御するようにすることによって、高圧容器 1 0内に電解用純水槽 3 1内の純水が少し流入すると、圧力がバランスし、それ以上の純水流入が起こらず、水素と酸素の混合気体が発生せず、きわめて安全である。

さらに、酸素貯留部 3 1 a内の水素の容積を、高圧容器 1 0の容積の 4 %以下とすれば、考えうる如何なる破損状況を考慮しても、電解用純水槽 3 1内の酸素と高圧容器内 1 0の水素が混合することは、通常では考えられないが、仮に、そのような事態が発生し、酸素貯留部 3 1 a内の酸素と高圧容器 1 0内の水素が混合したとしても、水素の爆発下限 4 %を超えることはなく、ガス爆発が起こることはない。

以上は、水電解セル 1が破損して、水の電気分解が正常に維持できない場合であって、通常は、制御装置が異常電流又は異常電圧を検知した場合は、直ちに、公知の電源 O F F安全モ一ド（参照：原田宙幸他、編著「半導体製造における安全対策 ·管理ハンドブック」、平成 5年リアライズ社発行）を機能させ、製造装置の運転を安全に停止するように構成されて安全が図られている。水素と酸素が混合することによって惹起される爆発を防止できさえすれば、水電解セル 1が破損する以上の被害は発生しない。

また、制御装置が電流又は電圧の監視から異常を検知できない程度の、水電解セル 1の異状による酸素又は水素の混合は、酸素濃度計 1 0 a及び水素濃度計 3 l bにより検知され、運転が緊急に停止されるよう構成されているので、この発明においては、水素をエネルギとして利用するのに必要とされる高圧の水素を安全に製造することができる。

また、水電解セル 1及びそれに電気を供給する負電極線 5，正電極線 7 , 電極導入端子 6及び 8の何れもが、高圧の水素内にあるので、水分のある酸素中で問題となる、電解腐食の心配がない。水素を使用するときは、制御装置を作動させて高圧容器 1 0に付設したバルブ 1 5を開にして、二一ドルバルブ 1 6の開度を調整して徐々に水素が流出するように制御される。

その際、高圧容器 1 0内の圧力低下は直ちに圧力計 3 9 bによって検知され、制御装置を介して電源 9.から水電解セル 1に通電され、水電解セル 1で水電解が起こり、バルブ 1 5及びニードルバルブ 1 6から抜き出された水素と同じ量の水素が発生し、水素の圧力低下が回復する。

ニードルバルブ 1 6の開度を徐々に大きくすると、それに連れてバルブ 1 5及びニードルバルブ 1 6を通って流出する水素量が増加するので、圧力が低下するが、その圧力低下は、直ちに、圧力計 3 9 aにより検知され、電源 9から水電解セル 1に通電される電流量が制御装置の働きで増やされ水素の発生量が増えるので、圧力が元の値に戻る。

このようにして、圧力をほぼ一定に保って、バルブ 1 5及び二一ドルバルブ 1 6を通って取り出される水素量が徐々に増やされるが、その量が水電解セル 1で発生できる最大水素量に達すると、ニードルバルブ 1 6の開度を増やしても圧力が増えなくなり、電源 9から水電解セル 1に通電される電流の増大は停止する。また、消費される水素量が水電解セル 1から発生できる最大量を上回って要求された場合は、電源 9から水電解セル 1に通電される電流値が電源 9の最大許容値に達したところで、水素の発生量はそれ以上増えなくなり、ニードルバルブ 1 6の開度もそれ以上開かないので、水電解セル 1から発生できる最大量以上の水素を供給することはない。高圧容器 1 0の圧力は、予め定められている所定の圧力を保ち、異常事態が発生して、高圧容器 1 0内の圧力を緊急に下げる必要のある場合は、バルブ 1 4及びバルブ 3 7を開にして、高圧容器 1 0内の水素及び電解用純水槽 3 1の酸素貯留部 3 1 aの酸素を緊急放出する。

この時、水素の取出しによって酸素との差圧が大きくなると、制御装置が自動的に作動してバルブ 3 6を開き、二一ドルバルブ 3 8を介して酸素を抜き出し、高圧容器 1 0内の水素圧力と電解用純水槽 3 1内の酸素貯留部 3 1 aの酸素圧力とが均圧か、少なくとも水電解セル 1の耐圧以内、さらには若干酸素圧力を高めになるよう制御される。以上の説明においては、ニードルバルブ 1 6及び 3 8の開度の調整や電源 9から水電解セル 1への通電電流の調整が非常に緩慢に制御されるような印象を与えるが、これらの制御は、全て、コンピュータで高速に制御されるもので、自然ェネルギの変動速度に比べると充分高速であり、追随できる。したがって、変動が激しいとされている自然エネルギで発電された電力によっても、この発明の高圧水素の製造装置により水素を製造するのに支障は無い。高圧容器 1 0内には、水素放出管 2から水素が放出されるが、放出される水素には少量の水が含まれているので、その水は高圧容器 1 0の底面部に配置されている水溜部 1 1に溜まる。

この水の量は、常に水面計 1 2で監視され、ある一定量が溜まると、制御装置が働き、バルブ 1 7を開放し、ニードルバルブ 1 8を介して受水槽 2 0に排出されるもので、水面が所定の位置まで下がると、バルブ 1 7が閉められ、排水が停止する。

前記の高圧容器 1 0から排出される水には、水素が溶存しているので、受水槽 2 0には、その水素が溜まるので、あらかじめ設定した量の水素が溜まると、パィプ 2 4からニードルバルブ 2 3で流量を調整された窒素が、フィルタ 2 2を通つて受水槽 2 0に供給され、フィルタ 1 9を通って大気に放出されるもので、この受水槽 2 0は、フィル夕 1 9で大気から隔離するよう構成されているので、受水槽 2 0内に雑菌が混入することはない。水電解セル 1への純水の供給には特段の限定はないが、第 1図に示す実施の形態においては、電解用純水槽 3 1内に配置した送水ポンプ 3 2によって行われる。

この送水ポンプ 3 2は、インダクションモータとプロペラ型送水ポンプを一体化させて構成したもので、その詳細は、後で図面を用いて説明する。

送水ポンプ 3 2から送り出される純水は、純水供給管 3の途中に配置された熱交換器 2 5 aで冷やされたのち、水電解セル 1に送られる。

その際、前記熱交換器 2 5に連動させて設けた温度計 2 8 a及び 2 9 aで、熱交換器 2 5 aに供給される純水及び送り出される純水の温度を計測して、別途設けた冷却機（図示せず）から冷水供給管 2 6 aで送られる冷水量を制御装置が制御して、水電解セル 1が所望の温度で水電解するよう構成されている。

電解用純水槽 3 1内に貯留された純水は、水電解セル 1で水素と酸素に分解して消費されるので、水面計 3 3で常時水面を監視し、純水の純水補給槽 4 4から、好ましくは酸素貯留部 3 1 aの酸素の容積が高圧容器 1 0内の水素量の 4 %以内にすることも考慮して、補給される。前記の純水の補給は、制御装置によってコントロールされるものであるが、前記電解用純水槽 3 1は、供給管 5 1 a及び戻り管 5 1 bを介して純水貯留槽 4 8 と連通しているので、先ず、電解用純水槽 3 1と純水補給槽 4 1との間に設けられているバルブ 4 0及び 4 2を閉にする。

ついで、供給管 5 1 aのバルブ 4 1と、戻り管 5 1 bのバルブ 4 3を開状態にし、ポンプ 4 7を作動させて、純水を、純度を高めるためのイオン交換装置 4 6 —フィル夕 4 5→純水補給槽 4 4→戻り管 5 1 b→純水貯留槽 4 8間を循環させ、純水補給槽 4 4内に設けた比抵抗計 4 9 aで計測した純水の比抵抗が所定の比抵抗になると、バルブ 4 1及び 4 3を閉止し、ポンプ 4 7を停止すると、純水補給槽 4 4は気泡のない比抵抗の高い純水で満たされた状態となる。

つぎに、バルブ 4 0及び 4 2を開けると、連通する電解用純水槽 3 1の酸素貯留部 3 1 aの酸素圧力で純水補給槽 4 4内が加圧されるが、純水補給槽 4 4が純水で満たされて気体成分が存在しないので、体積変化がほとんど生ぜず、圧力の変動も無視できる状態で純水補給槽 4 4の純水が、その自重で電解用純水槽 3 1 内に落ち、代わって、電解用純水槽 3 1内の高圧の酸素が純水補給槽 4 4内に入る。

純水補給槽 4 4内の純水が電解用純水槽 3 1に流入し、液面計 3 3により水面 3 3 aが所定の位置に戻ったことを確認すると、バルブ 4 0及び 4 2を閉止し、バルブ 4 3を閉にすると、純水貯留槽 4 8内の高圧の酸素は、フィルタ 5 0から大気に放出され、純水貯留槽 4 4は大気圧になる。

つづいて、バルブ 4 1を開け、ポンプ 4 7を起動して純水を循環させると、再び、純水補給槽 4 4は純水で満たされるので、先に説明した手順で、電解用純水槽 3 1にさらに純水を補給することができる。

前記純水貯留槽 4 8は、補給管 5 1を介して水槽 5 6と連通しているので、純水補給槽 4 4への純水の補給によって純水貯留槽 4 8の水位が低下すると、自動的にポンプ 5 5が作動し、水道水などの補給水が、補給管 5 1の途中に設けられたイオン交換装置 5 4—フィルタ 5 3→バルブ 5 2を通って純水に変換されながら純水補給槽 4 8に供給される。第 2図は同製造装置の主要部における配管で、熱交換、すなわち冷却効果を高めた配管の一例を示す説明図である。

この例によれば、発生した水素を、高圧容器 1 0内の上部に配置した分岐管 6 0によって、水素放出管 2を分岐させた複数の細管 2 a， 2 b · · 'にて高圧容器 1 0外に引出し、途中の配置された熱交換器 2 5 b内を通過させたのち、再び高圧容器 1 0の底部から高圧容器 1 0内に放出されるよう構成するもので、細管を使用することにより、伝熱面積を広げると共に、配管自体の耐圧性を高めることができる。なお、高圧容器 1 0から水素放出管 2を細管 2 a , 2 b · · ·に分岐させて取り出す場合、如何に気密性を保持するかがきわめて重要であるため、この発明においては、後述する新規な貫通孔の封止方法、すなわち、高圧容器 1 0壁を貫通する細管 2 a， 2 b · · ·が通る孔を、高圧容器 1 0内部からテーパー形状の孔に加工し、それを楔状のコアで封止する構造とすることで、溶接せずに封止する方法を採用している。

熱交換器 2 5 bに流入及び流出する水素の温度は、各細管 2 a , 2 b · · ·の熱交換器 2 5 b入口側に付設された温度計 2 8 b、および熱交換器 2 5 b出口側に付設された温度計 2 9 bでそれぞれ計測され、熱交換器 2 5 bに送られる冷却水の温度及びその水量を制御することで達成される。また、冷却水を高圧容器 1 0内に設けられた、細管を通すことによって、高圧容器 1 0内の水素の冷却に利用することもでき、運転停止時の水電解セル 1内、特に水溜部 1 1内の純水の凍結防止にも利用されるものである。

冷却水としては、通常、温度 1 0〜2 O t:程度の水が用いられ、図示されていない冷却水槽からポンプで供給されるもので、水電解セル 1が水を電気分解して発熱している場合、例えば、温度 8 0 °C以下に冷却するために使用できると共に、水電解セル 1が停止中に、水電解セル 1が凍結する心配がある場合は、温度 0 "C 以上に暖める機能を発揮する。電解用純水槽 3 1の純水も、上記した様に、熱交換器 2 5 aなどで冷却されて水電解セル 1の陽極側に供給されるが、水電解セル 1の温度管理のために、水素放出管 2と同様に戻り管 4が、第 2図に示したように、高圧容器 1 0内の上部に配置された分岐管 6 4で複数の細管 4 a， 4 b · · · 'に分岐され、途中に配置された温度計及び熱交換器 2 5 cで、発生した酸素と共にその温度が制御されて、電解用純水槽 3 1内の底部に供給され、貯蔵される。温度の制御は、水電解セル 1の温度管理のため以外に、水電解セル 1内、電解用純水槽 3 1内及び各配管 4 a， 4 b · · ·内の、純水の凍結防止のためにも行われるものである。

例えば、夜間の運転停止時に気温が温度以下に下がると、各細管 4 a , 4 b ■ · ·に設けられた温度計（図中〇で示した）により、制御装置（図示せず）が作動して温度低下を検知し、水電解セル 1が停止していても、高圧ポンプ 3 2 を作動させて純水を、純水供給管 3及び複数の細管 4 a， 4 b · · ·から構成される純水酸素戻り管 4内に流すことにより、水電解セル 1内、電解用純水槽 3 1 内及び各配管 4 a， 4 b · · ·内の純水の凍結防止が図られる。

冷却水としては、通常、温度 1 0〜2 0 °C程度の水が用いられ、図示されていない冷却水槽からポンプで供給されるもので、水電解セル 1が水を電気分解して発熱している場合、例えば、温度 8 0 °C以下に冷却するために使用できると共に、水電解セル 1が停止中に、水電解セル 1が凍結する心配がある場合は、温度 0 以上に暖める機能を発揮する。また、この発明において、電解用純水槽 3 1内の純水を冷却するために、複数の細管 6 4 a， 6 4 b · · ·からなる冷却用配管 6 4が、電解用純水槽 3 1内に設けることにより、水電解セル 1の温度の維持管理をより一層容易にするとともに、電解用純水槽 3 1内の、純水の凍結防止のためにも有効である。第 3図は、先に述べた送水ポンプ 3 2として示される、誘導モータによる送水電動ポンプの一例を示す断面図であって、図中 7 1は電解用純水槽 3 1の底部、 7 2は純水出口、 7 3は送水用のブレード、 7 4は回転軸、 7 5は珪素鋼板を多層に積層した積層鉄心と銅製かご型巻き線を一体化させ樹脂でコーティングした口一夕、 7 6は多層鉄心にコイルを巻き樹脂を被覆した駆動コイル、 7 6 a及び

7 6 bは駆動コイルに電流を供給するリード線、 7 7は回転検出コイル、 7 7 c は回転検出用のマグネット、 7 7 a及び 7 7 bは回転検出コイルのリード線、 7

8 a〜 7 8 cはベアリング、 7 9はナット、 8 0はネジ、 8 1は軸受部を示す。前記リード線 7 6 a , 7 6 b , 7 7 a , 7 7 bは、それぞれ樹脂で被覆され電気的に絶縁されているもので、前記の底部 7 1を電気的に絶縁して貫通する電流導入端子によって、電解用純水槽 3 1の外部に取出される。

かかる構成からなる送水ポンプ 3 2は、電解用純水槽 3 1の外部の電源から電力を駆動コイル 7 6に供給すると、ロー夕 7 5が回転を始め、このロータ 7 5に固定されている回転軸 7 4も回転を始めるので、ブレード 7 3も同時に回転し、電解用純水槽 3 1内の純水が純水出口 7 2から供給管 3に供給される。

前記の回転軸 7 4が回転すると、この回転軸 7 4に埋め込まれている磁石 7 7 cも回転し、検出コイル 7 7に交流誘導電流が流れるので、そのサイクル数から制御装置は、回転を監視することができる。第 4図は、この発明の高圧水素の製造装置を構成する水電解セル 1に大電流を送電するための電流導入端子の一例を示す概略説明図で、図中 9 0は銅製の導体、

9 0 aはその内部リード線、 9 1は樹脂製の絶縁体、 9 2 a， 9 2 b及び 9 3 a，

9 3 bはシール用の 0リング、 9 4は樹脂製の円盤、 9 5 a， 9 5 bは金属製の円盤、 9 6は電線端子、 9 7はナツト、 9 8は押さえ板、 9 9ネジ、 1 0 0はナット、 1 0 1は高圧容器 1 0の容器壁を示し、銅製の導体 9 0を電解用純水槽 3 1と電気的に絶縁された状態で容器壁に貫通させているので、高圧容器 1 0内の水素を漏らすことなく、電解用純水槽 3 1の外部から内部に電気を送ることがでさる。第 5図は、この発明の高圧水素の製造装置を構成する送水ポンプ 3 2及び水面計 3 3などに小電流を送電するための電流導入端子の一例を示す概略説明図であつて、図中 1 1 0は電解用純水槽 3 1の容器壁、 1 1 1は反応硬化性エポキシ樹脂等の樹脂で穴埋めして形成した絶縁体、 1 1 2はエナメル被覆銅線を示し、このように構成することによって、多数の電線を電解用純水槽 3 1内に導入することを可能としたものである。第 6図は、この発明で用いられる水面計の一例を示す概略説明図で、図中 1 2 0は電解用純水槽 3 1の容器壁、 1 2 1及び 1 2 4は固定用のネジ、 1 2 2はェナメルを被覆した銅線、 1 2 3は押さえ板、 1 2 5 a〜 1 2 5 cはエナメル被覆を剥離して金メッキを施した電極、 1 2 6は支柱を示し、水面計 3 3をかかる構成としたので、例えば、電極 1 2 5 aが純水に浸かっている場合と、浸かっていない場合における容器壁 1 2 0と電極 1 2 5 aとの間の電気抵抗が異なることから、電極 1 2 5 aが純水に浸かっているか否かを判別することができ、その結果、水面が電極 1 2 5 aより上にあるか、下にあるのかが分かる。

このようにして、水面 3 3 aが電極 1 2 5 aより下か、電極 1 2 5 aと電極 1 2 5 bの間か、あるいは電極 1 2 5 bと電極 1 2 5 cの間か、電極 1 2 5 cよりも上にあるかが分かり、水面計として機能するものである。第 7図は、第 2図で示した電解用純水槽 3 1内に配置する送水ポンプ 3 2とは異なり.、電解用純水槽 3 1の外側に配置する外置き型の電動送水ポンプの例を示し、送水用の回転ブレード 1 2 7に対して一対のモータ 1 2 8及びマグネット 1 2 9を対称的に配置して構成したもので、ポンプ本体と回転ブレード 1 2 7、及びリング板 1 3 0は、いずれもステンレス等の非磁性材料で形成され、回転ブレード 1 2 7に固定されているマグネット 1 2 9と、モータ 1 2 8の軸に固定されているマグネット 1 2 9との間は、ポリエ一テルエ一テルケトン樹脂（p e e k ) のような耐熱性のプラスチックからなる薄い区画板 1 3 1で隔離されている。かかる構成を採用することによって、回転ブレード 1 2 7のマグネット 1 2 9 と、モ一夕 1 2 8側のマグネット 1 2 9が引き合い、回転ブレード 1 2 7は中空に浮かんで固定される。

また、モータ 1 2 8が回転すると、回転ブレード 1 2 7も回転し、回転ブレ一ド 1 2 7の側は、電解用純水槽 3 1の底部に接続され純水が流入し、モ一夕 1 2 8のある側は、電解用純水槽 3 1の上部に接続され、酸素が流入するが、それらは同じ電解用純水槽 3 1にあるので、等圧であり、区画板 1 3 1には差圧は作用しない。

以上述べたようにして、電解用純水槽 3 1の純水を水電解セル 1の陽極側に送水するものであるが、モ一夕 1 2 8への通電は、図 4の電流導入端子により電線を送水ポンプ 3 2の本体内に貫通させて配線して行うものである。第 8図は、この発明で使用される高圧容器 1 0及び純水酸素容器 3 1等の側壁に形成される貫通孔の封止に関する一例を示し、図中、 1 4 1は水素高圧容器 1 又は純水酸素容器 3 1等の容器の側壁で、 Xは容器内を、 Yは容器外を示し、 1 4 0は配管、 1 4 2はコア、 1 4 3はリング、 1 4 4は固定ネジ、 1 4 5は固定ネジ掴み部である。

このような構造であるので、固定ネジ掴み部 1 4 5を掴んで固定ネジ 1 4 4を X方向から締め付けると、コア 1 4 2が側壁 1 4 1に押し付けられて配管 1 4 0 を抑え付け、配管 1 4 0が側壁 1 4 1にしつかりと固定され封止されるもので、その際、コア 1 0 2は、容器内が高圧なため、その圧力によっても、固定ネジ 1 0 4は締め付ける方向に押し付けられるので、完璧に封止される。第 8図においては、側壁 1 4 1の内部にコア 1 4 2を挿入して固定する構造に加工する例について説明したが、市販されている金属製コネクターを側壁 1 4 1 の貫通孔にテーパーネジ等で固定して、配管 1 4 0を第 8図と同様なコア 1 4 2 で封止することによつても目的を達することができる。第 9図は、この発明の高圧水素製造装置の他の一例を示す概略説明図であって、この高圧水素製造装置は、基本的には、第 1図に示されるものと同じであって、水電解セル 2 0 1が発生した水素雰囲気中に収まるように配設された水素高圧容器 2 0 2と、電解される原料純水と、戻り純水及び発生した酸素を貯留する酸素高圧容器 2 6 2、水素高圧容器 2 0 2内の純水と、酸素高圧容器 2 6 2内の純水を連通する純水配管 2 1 6 a , 2 1 6 b及び水素高圧容器 2 0 2と酸素高圧容器 2 6 2内の水素と酸素の圧力差を感知し、その圧力差を制御するための差圧検知器 2 5 3とで構成されるものである。

第 9図に示される高圧水素製造装置において、電解される純水は、酸素高圧容器 2 6 2からポンプ 2 0 7により水電解セル 2 0 1に送られ、電源 2 6 1から水電解に必要な電力を供給すると、純水が電気分解して、水素放出口 2 0 3から水素と純水が水素高圧容器 2 0 2内に放出され、発生した酸素と未分解の純水は、戻り管 2 0 4を通って酸素高圧容器 2 6 2に送られる。

水素高圧容器 2 0 2内及び酸素高圧容器 2 6 2内は、それぞれ発生した水素及び酸素により昇圧し、所定の圧力、例えば、 4 0 0気圧の状態になるが、水素の需要の無い時は、この状態で電解を中止して待機しているもので、水素を必要とする時は、弁 2 5 7を開放し、ニードル弁 2 5 6を徐々に開くことによって、水素供給口 2 5 5から水素が供給される。

水素の供給によって、水素高圧容器 2 0 2内の圧力が低下することが圧力計 2 5 4で計測されると、圧力計 2 5 4に連動する制御装置（図示せず）からの指令で、電源 2 6 1から水電解セル 2 0 1に電力の供給が再開され、圧力計 2 5 4の圧力が再び元の値に戻るまで電力が供給される。

圧力計 2 5 4の圧力が回復すると、二一ドル弁 2 5 6の開度をさらに増し、圧力計 2 5 4の圧力が回復するまで電源 2 6 1の電力を増す。このようにして、二一ドル弁 2 5 6の開度を増しても圧力が低下しなくなるか、または電源 2 6 1の供給電力が許容最高電力になれば、その状態を維持して水素の供給を続ける。純水の電解で水素と共に、水電解セル 2 0 1で発生する酸素は、酸素高圧容器 2 6 2上部の酸素貯留部 2 5 2に溜められる。

この酸素貯留部 2 5 2に溜められた酸素の圧力と、水素高圧容器 2 0 2内の水素の圧力との差圧は、電解中及び水素供給中、下記に具体例の一例が示される差圧検知器 2 5 3で計測され、この計測信号により、通常、制御装置（図示せず）が弁 2 4 4の開閉及び二一ドル弁 2 4 3の開度を制御し、差圧検知器 2 5 3からの差圧信号が 0になるように酸素放出口 2 4 5からの酸素放出量を制御する。このようにして、水素高圧容器 2 0 2内の圧力と、純水酸素高圧容器 2 6 2内の圧力が等しいように制御されながら、電解が行われ、水素供給口 2 5 5からの水素供給が行われる。第 1図に示される高圧水素製造装置においては、上記のように、酸素高圧容器 2 6 2と水素高圧容器 2 0 2の差圧は、酸素及び水素、特に酸素の放出により調整している力一般に、水電解セル 2 0 1の耐圧から期待できる許容圧力は、 4 気圧程度であるので、前記したように、この水電解セル 2 0 1を用いて、例えば、 4 0 0気圧の水素と酸素を発生させる場合は、 1 %以上の高精度の圧力制御が求められる。

そのために、この装置においては、水素供給口 2 5 5に接続され、水素供給を受けている装置の水素消費量の変動や、電源 2 6 1の供給電力の変動等による圧力制御乱れにより、差圧が水電解セル 2 0 1の許容耐圧を超える、すなわち、圧力制御乱れによる水電解セル 2 0 1の許容耐圧以上の差圧発生を回避するため、水素高圧容器 2 0 2内の純水と、酸素高圧容器 2 6 2内の純水を連通する純水配管 2 1 6 a , 2 1 6 bと、純水配管 2 1 6 a , 2 1 6 bにそれぞれ接続され、差圧に基づいて作動する開放弁 2 0 8及び 2 1 7が設けられている。

したがって、水素高圧容器 2 0 2内の水素圧力が、酸素高圧容器 2 6 2内の酸素圧力より低くなつて、その差圧が、セル 2 0 1の許容圧力値を超えるおそれが出てきた場合には、開放弁 2 0 8から酸素高圧容器 2 6 2内の純水が、水素高圧容器 2 0 2内に放出され、これにより酸素高圧容器 2 6 2内の純水容積が減少し、酸素貯留部 2 5 2の酸素容積が増え、酸素高圧容器 2 6 2内の酸素圧力が低下すると共に、水素高圧容器 2 0 2内の圧力は高くなつて、許容耐圧以下に差圧が維持される。

その際、水素高圧容器 2 0 2内の水素容積が 2 0 L、酸素高圧容器 2 6 2内の酸素容積が 0 . 4 L (水素の 2 %) とし、発生圧力が 4 0 0気圧とすると、 0 . 4 Lの 1 %である 4 c cの純水が、酸素高圧容器 2 6 2から流出し、水素高圧容器 2 0 2に流入し、酸素圧力は、 4 0 0気圧の 1 %である 4気圧減少し、水素圧力は、 0 . 0 8気圧増加するので、合計で 4. 0 8気圧の差圧を、僅か 4 c じの純水の流出入で効率よく解消させることができる。酸素高圧容器 2 6 2内の水面 2 5 1を制御することは、特に 3 5 0気圧以上での水素発生に際しては重要で、この発明においては、後述するような水面計 2 5 0を酸素高圧容器 2 6 2内に配置し、常時水面 2 5 1を計測し、水面 2 5 1が所定の位置より低下すると、弁 2 3 8を開いて高圧純水供給槽 2 4 1内の純水を、その重力を利用して酸素高圧容器 2 6 2内に流し込み、高圧純水供給槽 2 4 1から酸素高圧容器 2 6 2に純水が流入すると、同時に同じ量の酸素が、弁 2 3 9を通って高圧純水供給槽 2 4 1に流れ込む。

高圧純水供給槽 2 4 1内の純水を、酸素高圧容器 2 6 2内に重力を利用して流し込むには、高圧純水供給槽 2 4 1を酸素高圧容器 2 6 2より高い位置に、また、高圧純水供給槽 2 4 1に純水を補給する純水補給槽 2 4 0も、同位置又はさらに高い位置に設置することが肝要である。

高圧純水供給槽 2 4 1への純水補給は、弁 2 3 8と 2 3 9を閉止して、弁 2 3 6と 2 3 7を開放して行われる。すなわち、弁 2 3 8と 2 3 9を閉にして酸素高圧容器 2 6 2と分離し、弁 2 3 6及び 2 3 7を開にして、純水補給槽 2 4 0の純水を、ポンプ 2 3 2によりイオン交換樹脂筒 2 3 3及びフィル夕 2 3 4を通して行う。

その際、純水の比抵抗が比抵抗計 2 3 5により計測され、比抵抗値が低いと、水電解セル 2 0 1の触媒電極等が被毒し、水電解セル 2 0 1の寿命を縮めるので、純水を循環させて、比抵抗値が所定値以上に高くなるまで、イオン交換樹脂筒 2 3 3を複数回通過させ、イオン交換処理を行う。純水補給槽 2 4 0が高圧純水供給槽 2 4 1の上方に設置されていると、高圧純水供給槽 2 4 1内は、純水で満たされ、気泡等も除去できるので、弁 2 3 6及び 2 3 7を閉止して、弁 2 3 8及び 2 3 9を開にした時の圧力変動は、純水の体積変化だけで、ほとんど無視できる。

ポンプ 2 3 2による純水の循環は、常圧で行われるので、ポンプ 2 3 2、ィォン交換樹脂筒 2 3 3、フィルタ 2 3 4及び比抵抗計 2 3 5は、全て、常圧で動作する。

このポンプ 2 3 2による純水循環の終了は、比抵抗計 2 3 5により計測される純水比抵抗値により決められる。

また、高圧純水供給槽 2 4 1と同じ機能を有する予備槽を設けることによって、どちらか一方を常に待機させれば、酸素高圧容器 2 6 2への純水供給に滞りが生ずることはない。酸素高圧容器 2 6 2内の純水は、水電解セル 2 0 1に送られて水電解の原料となるので、長期に貯留して純水比抵抗が、例えば、 6 Μ Ω Ζ c m ²以下というように、水質が低下すると、水電解セル 2 0 1の触媒電極等が被毒し、水電解セル 2 0 1の寿命を縮めることがあるので、酸素高圧容器 2 6 2内の純水の水質低下を防ぐためには、随時、純水の一部を新鮮な純水と交換することが望ましい。酸素高圧容器 2 6 2内の純水の交換は、弁 2 1 8を開いて純水排出槽 2 1 9に純水酸素高圧容器 2 6 2内の純水を流し込み、弁 2 1 8を閉じ、弁 2 2 1を開き、純水排出槽 2 1 9内の純水を受水槽 2 2 3に排出し、その分の純水を、高圧純水供給槽 2 4 1から補給することで行われる。

その際、純水交換操作での圧力変動を少なくするため、純水排出槽 2 1 9の容積は、酸素貯留部 2 5 2の 1 %程度にすることがよく、純水の交換頻度は、純水の使用量にもよるが、 1日当たり 1 0回程度（1 0 %程度）で問題ない。水素高圧容器 2 0 2には、発生した水素と共に、水電解セル 2 0 1の陽極から陰極への浸透純水が水素放出口 2 0 3から放出され、水素高圧容器 2 0 2内の底部に溜まる。

この純水の貯留量は、酸素高圧容器 2 6 2の酸素貯留部 2 5 2容積の 2倍程度以上にするのがよく、その量の制御は、水面計 2 1 0により水面 2 0 9を検知し、所定量以上に純水が増えると、弁 2 1 1を開にして純水受槽 2 1 2に流し込む。純水受槽 2 1 2の容積は、弁 2 1 1を開にし、純水受槽 2 1 2に純水を流し込む操作での圧力変動が水電解セル 2 0 1の耐圧で定まる許容耐圧以下になるように定める。

例えば、水素高圧容器 2 0 2内の水素の最高発生圧を 4 0 0気圧、貯留される水素容積を 2 0リットル、水電解セル 2 0 1の許容圧を 4気圧とした場合、純水受槽 2 1 2の容積を 0 . 2リットル（1 %) 以下にすると、弁 2 1 1を開にして純水を純水受槽 2 1 2に流入させる操作での水素圧力変動は、最大でも 4 0 0 X 1 % = 4気圧となる。その際、何らかの要因が重なって、この操作で 4気圧以上の差圧が発生することがあっても、開放弁 2 0 8及び 2 1 7の作用で、水電解セル 2 0 1の耐圧の許容値を超える差圧は発生しない。なお、第 9図において、 2 0 5は水の電気分解で発生した熱を冷却するための熱交換器、 2 0 6は水電解セル 2 0 1に供給する純水を所望の温度にするための爇交換器、 2 1 3は電気抵抗式の水面計、 2 1 5は純水排出管、 2 2 0は電気式の水面計、 2 2 4はフロート式の水面計、 2 2 5は水供給口、 2 2 7はポンプ、

2 2 8はイオン交換筒、 2 2 9はフィルタ、 2 3 0は純水比抵抗を計測するための純水比抵钪計、 2 3 1はフロート式の水面計、 2 4 6は酸素緊急放出口、 2 4

7は酸素緊急放出弁、 2 4 8は圧力計、 2 4 9は酸素中の水素濃度を検知するガス漏洩検知器、 2 5 8は水素緊急放出弁、 2 5 9は水素緊急放出口、 2 6 0は水素中の酸素濃度を計測する漏洩検知器である。第 1 0図は、この発明に使用される差圧検知器の一例を示す部分断面図で、図に示されるように、この差圧検知器 2 5 3は、水素高圧容器 2 0 2又は酸素高圧容器 2 6 2の圧力で、軸方向に伸縮するべローズ 3 0 6， 3 0 7で両端が封止され、内部に非活性流体が充満された非磁性材料の円筒 3 0 1と、円筒 3 0 1の内面に密着して軸方向にスライド自在に設けられた内部磁性体 3 0 4と、円筒 3 0 1の外面に密着し、かつ前記内部磁性体 3 0 4と連動し、軸方向にスライド自在に配置された外部磁性体 3 0 5からなる装置主体 3 0 0と、前記べローズ 3 0 6 ,

3 0 7の伸縮によりスライド移動する外部磁性体 3 0 5と連動して差圧を検知する検出器 3 2 0から構成されている。

なお、この検出器 3 2 0は、外部磁性体 3 0 5に連動して動く遮光板 3 1 9と、遮光板 3 1 9で遮光される開口部 3 1 7 , 3 1 8を有する表示板 3 1 6と、開口部 3 1 7， 3 1 8を透過した透過光量を電気信号に変換する光電計（図示せず）から構成されるものである。第 1 0図で示される差圧検知器 2 5 3では、水素配管 3 1 2で水素高圧容器 2 0 2内の水素が水素圧力室 3 1 0に送られ、酸素配管 3 1 3から酸素高圧容器 2 6 2内の酸素が酸素圧力室 3 1 1に送られると、それらの圧力が、各々、ベローズ 3 0 6及び 3 0 7に伝えられる。

ベローズ 3 0 6と 3 0 7及び円筒 3 0 1内には、機械油等の流体が充満されているので、圧力を受けても体積が殆ど変化せず、ベロ一ズ 3 0 6及び 3 0 7が水素配管 3 1 2及び酸素配管 3 1 3により送られる高圧の水素及び酸素から圧力を受けても、その圧力で押し潰されることはない。

水素配管 3 1 2及び酸素配管 3 1 3により送られる水素と酸素の圧力が等しい場合は、ベローズ 3 0 6と 3 0 7が水素圧力室 3 1 0及び酸素圧力室 3 1 1から押される力が等しいため、内部磁性体 3 0 4は、円筒 3 0 1の中央に停止した状態を維持する。

しかしながら、水素配管 3 1 2で送られる水素の圧力が、酸素配管 3 1 3で送られる酸素の圧力より高い場合は、その差圧によりスプリング 3 1 4が伸び、スプリング 3 1 5が縮み、差圧とスプリング 3 1 4及び 3 1 5の伸び縮みによる力がバランスする位置まで、酸素圧力室 3 1 1側に内部磁性体 3 0 5が固定棒 3 0 2及び 3 0 3で押されて移動する。内部磁性体 3 0 4と外部磁性体 3 0 5は、互いに磁気力を及ぼしあって磁気結合しているので、内部磁性体 3 0 4の移動に伴って外部磁性体 3 0 5が移動し、外部磁性体 3 0 5に固定されている遮光板 3 1 9が移動し、酸素側の開口部 3 1 8の一部を覆い、開口部 3 1 7を透過する光量は変化しないが、開口部 3 1 8を透過する光量が減少する。

逆に、水素配管 3 1 2で送られる水素の圧力が、酸素配管 3 1 3から送られる酸素の圧力より低い場合は、水素側の開口部 3 1 7の一部が遮光板 3 1 9で覆われ、開口部 3 1 7を透過する光量が減少する。

したがって、開口部 3 1 7及び 3 1 8を透過する光量を計測することで、水素配管 3 1 2で送られる水素の圧力と、酸素配管 3 1 3から送られる酸素の圧力との差圧の大きさと、どちらが高くてどちらが低いかが分かるので、例えば、図 9 の弁 2 4 4とニードル弁 2 4 3の開閉を制御して、酸素の放出量を制御することにより、開口部 3 1 7及び 3 1 8を透過する光量に差が無いようにし、差圧を 0 にすることができる。以上の説明においては、光量計測で内部磁性体 3 0 4の位置を計測する手法を説明したが、計測はスライド抵抗を用いても行える。すなわち、外部磁性体 3 0 5に摺動子を固定し、外部磁性体 3 0 5と一体の滑動子の動きに合わせてスライド抵抗上を摺動子が動くようにすることで、内部磁性体 3 0 4の移動量を計測することもできる。第 1 1図は、この装置で用いた開放弁 2 0 8及び 2 1 7の構造を示す断面図 ( a ) と側面図（b ) であって、図示されるように、この開放弁 2 0 8 , 2 1 7 は、円筒状の弁主体 3 3 0に、純水放出のための放出口 3 3 2を設けるとともに、その内部にシリンダー 3 3 1と、このシリンダー 3 3 1と連動するスプリング 3 3 3とを設け、前記スプリング 3 3 3を、その付勢力が調整可能なようにネジ 3 3 5と固定ナツト 3 3 6で固定し、水素高圧容器 2 0 2内又は酸素高圧容器 2 6 2内の純水を移動させる純水配管 2 1 6 a又は 2 1 6 bとの接続配管 3 3 8と、通気口 3 3 7を有するものである。この開放弁 2 0 8， 2 1 7は、固定^ット 3 3 6を緩めてネジ頭 3 3 4を回転させ、スプリング 3 3 3の押える強さを調整することによって、接続配管 3 3 8 により伝えられた純水の圧力で押上げられるシリンダー 3 3 1が、放出口 3 3 2 より上方に位置し、接続配管 3 3 8の純水が放出口 3 3 2より放出する圧力を、所望の圧力（セルの耐圧で定まる許容圧）に設定することが可能なもので、固定ナット 3 3 6を締めて、設定が変わらないようにすることも可能なものである。シリンダー 3 3 1は、弁主体 3 3 0が置かれている雰囲気の圧力が接続配管 3 3 8内の純水圧力より高くなると、その差圧でスプリング 3 3 3が縮み、シリンダ一 3 3 1が上方に移動を開始し、接続配管 3 3 8内の純水の圧力がさらに増すと、シリンダー 3 3 1が放出口 3 3 2を越え、放出口 3 3 2から接続配管 3 3 8 内の純水が放出されるため、接続配管 3 3 8内の圧力が低下するものであるが、 · 放出口 3 3 2の形状を逆三角形の形状とすることで、放出される純水量は、差圧が少ない時は少なく、差圧が大きくなると多くなり、差圧が速やかに解消できる。第 1 2図は、酸素等の気体と、純水との電気伝導率特性が大きく異なっていることを利用した水面計の断面図で、第 9図における水面計 2 5 0であり、棒状の中心電極 3 5 0 aと、この中心電極 3 5 0 aの外側に、同心円上に配置された外部電極 3 5 0 bとからなるメイン電極 3 5 0と、先端部以外を電気絶縁性円筒で覆った棒状の中心電極 3 5 1 aと、この中心電極 3 5 1 aの外側に、同心円上に配置された外部電極 3 5 1 bとからなるサブ電極 3 5 1とで構成されている。なお、図中、 3 5 2は純水水面、 3 5 3 a及び 3 5 3 bは通気口、 3 5 4 a及び 3 5 4 bは外部電極 3 5 0 b, 3 5 1 bの取付け部、 3 5 5 a及び 3 5 5 bは中心電極 3 5 0 a, 3 5 0 bの取付け部、 3 5 6 a及び 3 5 6 bは絶縁碍子、 3 5 7 a及び 3 5 7 bは外部電極 3 5 0 b, 3 5 1 bの取付け用の固定治具、 3 5 8は取付け用のフランジ、 3 5 9 a及び 3 5 9 bは固定治具 3 5 7 a及び 3 5 7 bを固定するためのナツト、 3 6 0 a及び 3 6 0 bは絶縁板、 3 6 1 a及び 3 6 l bは座金、 3 6 2 a及び 3 6 2 bはリード線、 3 6 3 a及び 3 6 3 bは座金、 3 6 4 a及び 3 6 4 bは中心電極 3 5 0 a, 3 5 0 bを固定するためのナツト、 3 6 5 a〜3 6 7 bは〇リングである。かかる構成の水面計 2 5 0において、中心電極 3 5 0 aと外部電極 3 5 0 bが純水中に浸漬されると、中心電極 3 5 0 aと外部電極 3 5 0 間を浸漬している純水の抵抗が、リード線 3 6 2 aとアース間に、電気抵抗計を接続すると計測できるので、この抵抗値を Rmとする。

一方、リード線 3 6 2 bとアース間の電気抵抗を計測すると、絶縁円筒 3 6 8 で覆われないで露出している中心電極 3 5 0 bの先端部と、外部電極 3 5 1 b間の純水の抵抗が計測できるので、この抵抗値を R rとする。

中心電極 3 5 1 aが、絶縁円筒 3 6 8で覆われていない先端部の長さを L rとし、中心電極 3 5 0 aと外部電極 3 5 0 bが、純水で浸漬されている長さを L x とすると、 L xは、下記式（1 ) により求めることができる。

L x = L r ( R r /Rm) ( 1 ) 上記式（1 ) により L xが求まると、純水水面 3 5 2の位置が分かる。純水比抵抗は、イオン交換樹脂筒を出たところでは、 1 8 M Q / c m ²程度であるが、時間の経過にしたがって、純水容器壁等を溶解してイオン濃度が増えると共に減少するが、純水比抵抗が経時変化しても、その都度、 R rを計測して補正するので、常に正確な水面位置を検知できる。

酸素及び水素等のガスは、電気的に絶縁性であるので、リ一ド線 3 6 4 aとァース間の電気抵抗は、中心電極 3 5 0 aと外部電極 3 5 0 bが浸漬している純水の電気抵抗だけで定まり、酸素又は水素の電気抵抗による影響は無視できる。また、中心電極 3 5 0 aや外部電極 3 5 0 bをはじめ、全て、耐圧性に優れた構造としているので、材料的にも耐圧性の高い材料が使用可能で、従来のフロート式水面計のような圧力制限を受けることはない。

さらに、水面計 2 5 0において、高圧の酸素と水が共存する雰囲気で、電極間に電気を印可するのは、電解腐食を発生させるおそれがあるが、計測をパルス的に行ったり、中心電極 3 5 0 a, 3 5 1 a及び外部電極 3 5 0 b, 3 5 1 b等を、電解腐食に強いチタンや白金等の貴金属メツキを施す等により、それらの問題は回避することができ、さらに、リード線 3 6 4 aとアース間の電気抵抗 R rの計測は、純水比抵抗の計測であるため、純水水質の評価データとしても利用でき、純水酸素高圧容器 2 6 2内の純水を交換する頻度も求めることができる。第 1 3図は、この発明にかかる高圧水素製造装置の他の例で、上記装置と同様に、水電解セル 2 0 1は、水素高圧容器 2 0 2内に発生した水素雰囲気中に収まるように配設され、電解される原料純水と、戻り純水及び発生した酸素を貯留する酸素高圧容器 2 6 2をも同様に具備しているが、差圧検知器 2 5 3の代わりに、圧力調整器 2 7 0を具備したもので、開放弁 2 0 8及び 2 1 7は除かれている。

この圧力調整器 2 7 0は、酸素高圧容器 2 6 2と水素高圧容器 2 0 2との間の純水の圧力差により、両者間の純水を、圧力の高い方から低い方に移動させ、差圧を解消させる機能を有するものである。

すなわち、酸素高圧容器 2 6 2内の圧力が水素高圧容器 2 0 2内の圧力より高くなると、酸素高圧容器 2 6 2内の純水が、圧力調整器 2 7 0に流入すると共に、同じ量の純水が圧力調整器 2 7 0から水素高圧容器 2 0 2内に押し戻されるので、酸素高圧容器 2 6 2内の圧力は純水量が減少し、酸素貯留部 2 5 2の容積が増えるので低下し、一方の水素高圧容器 2 0 2内は純水量が増えるので圧力が上がつて、差圧が解消される。また、圧力調整器 2 7 0は、純水の移動量を検知し、弁 2 4 4とニードル弁 2 4 3の開閉を制御装置（図示せず）で制御して、水素高圧容器 2 0 2側に移動した純水を、酸素高圧容器 2 6 2に戻すと共に、このような移動が起こらないように、酸素放出口 2 4 5から放出する酸素量を調整して、圧力を均等にする機能も有するものである。

水電解セル 2 0 1から発生する水素の発生量を、圧力計 2 5 4で測定する圧力が、所定の圧力になるよう電源 2 6 1から水電解セル 2 0 1に供給する電流量を制御して行うこと、酸素高圧容器 2 6 2への純水補給及び排水と、水素高圧容器 2 0 2からの排水については、第 9図における装置と同じ方法であるので、説明は省略する。第 1 4図（a ) は、上記の装置で用いられる具体的な圧力調整器 2 7 0の部分断面図で、第 1 4図（b ) は第 1 4図（a ) における A— A ' に沿った断面図で、この圧力調整器 2 7 0は、非磁性材料で作られた中空円筒 3 7 0と、中空円筒 3 7 0の内面に密着して滑動する、磁性材料からなる内部滑動子 3 7 1と、中空円筒 3 7 0の外面に密着して滑動する、磁性材料で作られた外部滑動子 3 7 2からなる装置主体 3 9 0と、外部滑動子 3 7 2の位置を検出する位置検出器 4 0 0から構成されるもので、前記の内部滑動子 3 7 1で二分された中空円筒 3 7 0の一方には、水素高圧容器 2 0 2内の純水 3 8 4が導入され、他方には酸素高圧容器 2 6 2内の純水 3 8 5が導入されるものである。水素高圧容器 2 0 2からの純水 3 8 4と、酸素高圧容器 2 6 2からの純水 3 8 5は、内部滑動子 3 7 1によって隔離され、分離されているため、純水 3 8 4と純水 3 8 5とが入り交じることは無く、水素高圧容器 2 0 2内の圧力と、酸素高圧容器 2 6 2内の圧力が等しく、それらの間に差圧が発生しない状態では、内部滑動子 3 7 1は、中空円筒 3 7 0の中央に位置するように設定する。

したがって、水素高圧容器 2 0 2内の圧力が、酸素高圧容器 2 6 2内の圧力より高くなつたとすると、配管 3 7 5から水素高圧容器 2 0 2内の純水が、中空円筒 3 7 0に流入して水素高圧容器 2 0 2内の圧力を下げると共に、内部滑動子 3 7 1が押されて、中空円筒 3 7 0に純水が流入して純水 3 8 4の容積が増え、押されて容積が減った純水 3 8 5は配管 3 7 6を通って、純水酸素高圧容器 2 6 2 に流入して、酸素高圧容器 2 6 2内の酸素の容積を小さくするので酸素の圧力が増し、発生した差圧は自動的に解消される。

この時、内部滑動子 3 7 1は、中心から緩衝機構であるスプリング 3 8 3側にズレた位置に移動し、内部滑動子 3 7 1と外部滑動子 3 7 2は磁力で結合しているので、外部滑動子 3 7 2も同じ位置に移動し、外部滑動子 3 7 2に固定棒 3 8 1で固定されている遮光板 3 7 7も同じように移動して開口部 3 8 0の一部を覆い、開口部 3 8 0を透過する光量が減少する。

したがって、開口部 3 8 0と開口部 3 7 9とを透過する光量を比較することで、内部滑動子 3 7 1がどちらに、どれだけ移動したかが分かるので、この開口部 3 8 0と開口部 3 7 9の透過光量比較により、内部滑動子 3 7 1を元の中央位置に戻すようにニードル弁 2 4 3の開度を制御装置（図示せず）で制御する。

なお、圧力調整器 2 7 0の光量比較のための位置検出器 4 0 0は、差圧検知器 2 5 3の検出器 3 2 0と同様の構成と機能を有するものである。このようにして、内部滑動子 3 7 1が、常に、中央位置にあるようにニードル弁 2 4 3の開度を制御して、酸素放出口 2 4 5から放出する酸素量を調整することで、水電解セル 2 0 1に差圧をかけること無く、高圧の水素が発生できる。以上のように制御しても、水素高圧容器 2 0 2内の圧力が酸素高圧容器 2 6 2 内の圧力よりも高い状態が続き、内部滑動子 3 7 1の移動が止められない場合は、内部滑動子 3 7 1がスプリング 3 8 3に当たり、スプリング 3 8 3を押さないと、それ以上内部滑動子 3 7 1が動けなくなるので、内部滑動子 3 7 1がこの位置まで動く間は、内部滑動子 3 7 1の動きに対する制限が無いので、差圧は殆ど発生しない。しかしながら、内部滑動子 3 7 1がスプリング 3 8 3に当たると、内部滑動子 3 7 1がスプリング 3 8 3を押さない限り、それ以上動けなくなる。すなわち、内部滑動子 3 7 1の移動による差圧調整はできないが、バイパス流路 3 7 4を設けることにより、それ以上に、差圧が大きくなると、スプリング 3 8 3が縮んで、水素高圧容器 2 0 2内の純水がバイパス流路 3 7 4を経由して、直接、酸素高圧容器 2 6 2内に流入し、差圧が一定以上には大きくなることはない。水素高圧容器 2 0 2内の純水がバイパス流路 3 7 4を経由して、直接、酸素高圧容器 2 6 2内に流入するようなことは、何らかの異常が発生し、制御装置（図示せず）によるニードル弁 2 4 3の開度制御だけでは、制御できなくなった異常事態を示すので、かかる異常事態の際には、緊急停止して、水電解セル 2 0 1の電源 2 6 1を遮断すると共に、弁 2 5 8を除いて全て閉にし、水電解セル 2 0 1 からの水素及び酸素の発生を停止させ、水素高圧容器 2 0 2の圧力を急速に低下させるよう、緊急遮断スィッチ（図示せず）や緊急放出弁 2 4 7、 2 5 8が設けてある。

また、第 1 3図には示されていないが、装置を安全に停止するためには、酸素高圧容器 2 6 2及び水素高圧容器 2 0 2内を、窒素ガスによる置換が行われるよう窒素配管が設けられている。また、内部滑動子 3 7 1がスプリング 3 8 3を押して、バイパス流路 3 7 3又は 3 7 4に純水が流入する差圧を、水電解セル 2 0 1の許容耐圧以内になるようにスプリング 3 8 2及び 3 8 3の強さを設定することも、このような緊急停止においても、水電解セル 2 0 1が耐圧以上の圧力を受けて破損することを防止する一つの手段である。

また、中空円筒 3 7 0の容積を、内部滑動子 3 7 1の体積を除いて酸素高圧容器 2 6 2内の酸素貯留部 2 5 2の容積に等しくすると、緊急遮断が作動するまでに、土 5 0 %の差圧の解消ができる。第 1 5図及び第 1 6図は、他の圧力調整器 2 7 0の部分断面図で、これらの図で示される圧力調整器 2 7 0は、先の圧力調整器 2 7 0のバイパス流路 3 7 3又は 3 7 4の代わりに、圧力調整器 2 7 0と並行し、中間に遮断弁 4 2 0を有する純水配管 4 1 3と、その開閉を操作するスィッチ 4 1 1 , 4 1 2が設けられているものである。

これらの圧力調整器 2 7 0においては、差圧が内部滑動子 3 7 1の移動による調整可能以上に大きくなり、内部滑動子 3 7 1がスプリング 3 8 3を縮ませた場合、内部滑動子 3 7 1が、末端に設けてあるスィッチ 4 1 1， 4 1 2により、遮断弁 4 2 0を開放させ、例えば水素高圧容器 2 0 2内の純水を純水配管 4 1 3経由させて、直接、酸素高圧容器 2 6 2内に流入させ、差圧が一定以上には大きくすることはないよう機能するものである。第 1 7図は、この発明の高圧水素製造装置 5 0 1に用いられる水電解セルの構造及び取付状態の一例を示す断面図である。

水電解セル 5 0 3は水素貯留用高圧容器 5 0 2に収納されており、複極式で積層型の水電解セル 5 0 3であり、水素高圧容器 5 0 2内に、上下方向に配置されている。この水電解セル 5 0 3は、第 1 7図で明らかなように、円盤状の陰極主電極 5 0 4と陽極主電極 5 0 5との間に、両面に白金からなる触媒層が形成されたリング状の固体高分子電解質膜 5 0 6、及び多孔質給電体 5 1 1からなるリング状の複極電極 5 0 7 , 5 0 7 · · · ·の複数を、上下方向において相対する多孔質給電体 5 1 1間に分離壁 5 1 6を介在させながら積層して構成したもので、水素高圧容器 5 0 2内に設けられた載置台 5 1 7上に載置するとともに、陽極主電極 5 0 5を、パネ体 5 1 9による加圧力を有する押え治具 5 2 3によって下方に圧締している。

なお、前記の押え治具 5 2 3は、水電解セル 5 0 3の上部に固定される筒状の治具主体 5 1 8と、この治具主体 5 1 8内に装着されるバネ体 5 1 9と、このバネ体 5 1 9を付勢する、一端が高圧容器 5 0 2内に保持される押えネジ 5 2 0とで構成されているもので、第 1 7図においては、便宜上 1つのみ表示しているが、実際は、複数個を対称的に配置し、水電解セル 5 0 3を均一に押え、圧締めしているもので、水電解セル 5 0 3の圧締めは、パネ体 5 1 9による加圧力以外にも、油圧などで行なうこともできる。複数の複極電極 5 0 7を積層することによって形成される水電解セル 5 0 3には、各複極電極 5 0 7の外周部上に、上下方向において相互に連通するよう透孔 5 0 9， 5 0 9 · · ·を形成して酸素等排出路 Aを設けるとともに、この酸素等排出路 Aに面して各複極電極 5 0 7の陽極側に、酸素等の排出口 5 1 2を形成し、発生した酸素と電気分解しなかった純水を、排出口 5 1 2→酸素等排出路 →酸素排出管 5 4 2を通じて高圧容器 5 0 2外に排出し、陰極側には、水素等の排出口 5 1 0を径方向に形成し、陰極から発生した水素と透過する純水を、高圧容器 5 0 2内に直接排出するよう構成されたものである。さらに、水電解セル 5 0 3の中央には、各複極電極 5 0 7の中心部に、上下方向に互いに連通するよう形成された透孔 5 0 8， 5 0 8 · · ·によって電解用の純水を供給する純水供給路 Bが形成され、この純水供給路 Bには、高圧容器 5 0 2外から純水を供給する純水供給管 5 4 7を接続し、この純水供給路 Bに接する陽極側に形成された純水供給口 5 0 8 aを介し、純水が多孔質給電体 5 1 1に供給される。

さらにまた、水電解セル 5 0 3の上部には、外部から電力を供給するためのリ —ド線 5 3 2が結合されている。前記の固体高分子電解質膜 5 0 6は、押え治具 5 2 3で圧締する際、固体高分子電解質膜 5 0 6が押し潰されないように加圧力を調整するが、その調整で許容される範囲が狭く、固体高分子電解質膜 5 0 6を押し潰すおそれがあるので、固体高分子電解質膜 5 0 6の外周外側にリング状に形成されたシート状のシール材 5 2 4を配置し、過大な圧締力が加わっても、固体高分子電解質膜 5 0 6が押し潰されないようにし、良好なシール特性が得られるようにしてある。このシール材 5 2 4は、固体高分子電解質膜 5 0 6より薄くかつ硬いもので、電気的に良好な絶縁性を有するプラスチックのような材料で、リング状に形成されたもので、固体高分子電解質膜 5 0 6とシ一ル材 5 2 4の厚さ関係が、シール特性を得るために適切になっているか否かは、複極電極 5 0 7で固体高分子電解質膜 5 0 6とシール材 5 2 4を挟み、所定の圧力で圧締めして、その時の電気抵抗を測定することにより確認できる。この測定によって不適切であるとされる時は、固体高分子電解質膜 5 0 6とシ —ル材 5 2 4の組合せを変更するか、厚さの異なるシール材 5 2 4を用意しておき、それらから適当な厚さのものを選択して用いることにより、良好な電気抵抗値を有する組合せが選び出すことができる。

また、シール材は、純水供給路 Bを形成する透孔 5 0 8の回りにもリング状に設けるのが好ましく、それにより、純水供給路 Bとのシール性が向上する。さらに、固体高分子電解質膜 5 0 6やシート状のシール材 5 2 4が、複極電極 5 0 7の重みで押し潰されことを防止するために、複極電極 5 0 7の積層数を制限した水電解セルとし、その複数を多段状態に配置することが望ましい。陰極主電極 5 0 4は、載置台 5 1 7との接触により水素高圧容器 5 0 2と同通し、陽極主電極 5 0 5を高圧容器 5 0 2から絶縁した状態とすることができ、高圧容器 5 0 2をアース（図示せず）に接続すると、陰極主電極 5 0 4はアース電位となり、陽極主電極 5 0 5はアース電位から絶縁された状態となり、電流導入端子 5 2 7とアース間に電源を接続すると、水電解セル 5 0 3に電力が供給される。電流導入端子 5 2 7からリード線 5 3 2を介して陽極主電極 5 0 5に水の電気分解に必要な電力を供給し、純水供給管 5 4 7から純水を供給すると、純水供給路 Bに接する陽極に設けられた各純水供給口 5 0 8 aから多孔質給電体 5 1 1に純水が供給され、純水の電気分解で発生した酸素と、電気分解しなかった純水が、排出口 5 1 2を介して複数の透孔 5 0 9 , 5 0 9 · · ·からなる酸素等排出路 A に集まり、酸素排出管 5 4 2を経て、図示しない酸素貯留高圧容器（図示せず）に戻される。

また、陰極に発生する水素及び透過純水は、排出口 5 1 0から高圧容器 5 0 2 内に直接放出され、透過純水は純水排出管 5 4 8から排出され、排水槽（図示せず）に集められ、高圧容器 5 0 2に貯留された水素は、高圧容器 5 0 2に形成された水素供給口 5 3 8から取り出される。酸素貯留高圧容器（図示せず）の酸素圧と、高圧容器 5 0 2内の水素の圧が同じ圧になるように制御すると、固体高分子電解質膜 5 0 6の両端に作用する差圧、及び固体高分子電解質膜 5 0 6でシールされる複極電極 5 0 7間のシール部 5 2 4に作用する差圧を 0にすることも可能で、通常運転に際しては、水電解セル 5 0 3の耐圧以内に水素と酸素の差圧を制御することにより、高圧容器 5 0 2に貯留される水素の圧力が、セル耐圧以上に高くなつても、固体高分子電解質膜 5 0 6が破損したり、シール部 5 2 4から酸素が高圧容器 5 0 2内に漏洩したりすることはない。第 1 8図は、第 1 7図に示した水電解セル 5 0 3の分解斜視図であって、水電解セル 5 0 3は、陰極主電極 5 0 4と陽極主電極 5 0 5との間に、リング状の固体高分子電解質膜 5 0 6と、その外周部に設けられたリング状に形成されたシート状のシ一ル材 5 2 4の複数と、同径でリング状の複極電極 5 0 7の複数とを、上下方向に積層して構成したものであって、各部材の陽極側には、発生した酸素及び電気分解しなかった純水を高圧容器 5 0 2外に排出するための排出口 5 1 2 が、また、陰極側には、発生した水素と透過する純水とを、高圧容器 5 0 2内に直接排出するための排出孔 5 1 0がそれぞれ形成されている。

また、陽極主電極 5 0 5を除いて、各部材の中央部には、電解用の純水を供給するための純水供給路 Bを形成する透孔 5 0 8が設けられ、複極電極 5 0 7の内部には、陽極に純水を供給する純水供給口 5 0 8 aが形成され、陽極主電極 5 0 5には、純水供給路 Bの末端を封止するための封止部 5 0 5 aと、孔とそれに接続する純水供給口 5 0 8 aと、酸素等の排出口 5 1 2が設けられている。

さらに、各複極電極 5 0 7の側壁には、陰極で発生した水素と、透過してきた純水を、高圧容器 5 0 2内に排出するための陰極に連通する水素等の排出口 5 1 0が設けられている。したがって、第 1 8図からも明らかであるが、陰極主電極 5 0 4の中央に形成された純水供給路 Bから供給された純水は、純水供給口 5 0 8 aから陽極の多孔質給電体 5 1 1に分配され、陽極で発生した酸素及び未分解の純水は、酸素等の排出口 5 1 2から酸素排出路 Aに流入し、酸素排出管 5 4 2を通って、高圧容器 5 0 2外に取り出され、陰極で発生した水素と透過純水は、水素等の排出口 5 1 0から、直接、高圧容器 5 0 2内へ放出される。多孔質給電体 5 1 1はチタンメッシュなどからなるもので、複極電極 5 0 7の内壁面に、その端面が熔接により固定され、両面に白金触媒が形成された固体高分子電解質膜 5 0 6と接触する面は、研磨して平滑に仕上げられ、その表面に E C Rプラズマ堆積方法で形成されたカーボン皮膜が施されている。

また、第 1 8図において、水電解セル 5 0 3を構成する各部材には、組立てを容易にするため、外周部に軸方向に沿って位置決め用の溝 5 2 2が設けられている。第 1 9図は、陽極に供給した純水の水流の様子を表す説明図で、図中、矢印は純水水流を示し、純水は、中央部に設けられた純水供給路 Bから純水供給口 5 0 8 aに供給され、 3 6 0 ° の広がりを持って、複極電極 5 0 7の内周壁に向かつて流れ、テーパー状に形成され、対称に設けられた酸素等の排出口 5 1 2を通つて、透孔 5 0 9によって形成される酸素排出路 Aに流入する。産業上の利用分野

この発明の水素の製造装置及びその製造方法によれば、エネルギとして利用される水素に求められる高圧水素を効率よく、安全に、しかもガス圧縮機を用いることなく調製することができ、太陽光等の変動の激しい自然エネルギで発電した電力を用いても調製でき、二酸化炭素による地球温暖化の防止や、窒素酸化物やィォゥ酸化物による人への影響をなくし、酸性雨による森林等の損傷を防ぐなど環境保全に優れた効果を奏するものである。この発明によれば、得られる高圧水素は貯蔵も容易であり、必要に応じて燃料電池で、再度電力に戻すことができ、便利で、効率的であるとともに、自然エネルギで得た電力を、純水の電気分解によりクリーンで貯蔵及び持ち運びに便利なエネルギとしての水素に効率よく変換するなど優れた効果が奏されるのである。しかも、 P E M自体の耐圧性、水電解セルのシール部の耐圧性を気にすることなく、ガス圧縮機を用いるものではないため、ガス圧縮機の使用に伴う、分解保守や水素の汚染が軽減され、 P E M型燃料電池を用いて水素を電力に変換する際の水素の不純物による電極の被毒による出力の低下、寿命の短縮化が防止でき、さらに高圧であるため容器を小型化でき、燃料電池自動車の燃料などに積載する際の問題点、乗車空間に狭小化、走行距離の短縮化などを解消することができ、水素ステーション建設に有効である。この発明によれば、水電解セルを水素雰囲気の高圧容器内に収納するよう構成しているので、水電解セルの電極等の金属腐食や、純水の溶解性に基づく比抵抗の低下による漏洩電流の問題、電気絶縁性液体による公害発生の惧れがなく、水素と酸素を分離貯蔵するため、爆鳴気が発生する惧れが少なく、酸素の容積を水素の容積の 4 %以下にするという簡単な手段で、安全に高圧水素を調製することができる。この発明によれば、生成した水素、酸素及び純水の冷却を、高圧容器内で分岐させた複数の細管を用いて行うことにより、熱交換のための伝熱面積を広くすると共に、管の厚さも薄くして熱伝導性を向上させることにより、電気分解で発生する熱が分岐された複数の配管でより効率良く冷却でき、水電解セルを、常に、最適な温度に保って運転でき、高圧水素の調製をより容易に且つ効率よく行うことができる。この発明によれば、水電解を停止している際、特に、将来のクリーンエネルギ一とされている太陽光発電により、水を電気分解して水素を生成する場合は、冬の夜間での水電解を停止している際の凍結防止が、同じ配管を使用することにより、系内の純水の温度を °C以下にしないことで、効果的に行うことができる。また、生成した水素、酸素及び純水の冷却に使用する前記複数の径の細い配管を、高圧容器の側壁から貫通させるに際し、高圧容器内部からテーパー状の貫通孔を形成し、貫通孔を楔状のコアで封止する構造とすることで、溶接することなく封止できるようにし、細管への分岐を、高圧容器内で行うことにしたため、分岐部における配管内外の圧力差が小さいため、薄い板材を用いても分岐部の耐圧が充分確保でき、溶接で接続する場合、溶接に最適な板厚材が使用でき、また、一般に市販されている配管接続部品が使用できる。この発明によれば、冷却用配管を細管として伝熱効果を高めることができるうえ、このような細い管は、シームレスで螺旋状等に加工することが容易で、配管長を長くしてもコンパクトに熱交換機などに収めることができ、しかも、漏洩の心配がない等、優れた熱交換特性が得られるのである。この発明によれば、水素高圧容器と酸素高圧容器内のどちらにも存在する純水を用いることにより、水素と酸素の差圧が所定の値（水電解セルの耐圧許容圧）を超えないように容器内の圧力を調整するため、圧力制御を容易にするとともに、コンプレッサーを用いること無く、水の電気分解だけで、水素のエネルギー利用に必要な 3 5 0気圧以上の高圧水素の製造を極めて容易にするのである。

しかも、圧力調整に使用される純水は、水素高圧容器内に、酸素が発生する陽極側に供給した純水の一部が、水素を発生する陰極側に浸透してくるものであるため、特別に純水を供給しなくても自然に純水が供給されるもので、従来、不要なものとして、処理されていたものを有効に利用するもので、そのために特に格別な装置、操作を必要とするものではなく、しかも、少しの純水放出で効率よく差圧制御ができる効果的な差圧制御手段となる。

さらに、発生する水素及び酸素の圧力が高いほど、少ない純水量で差圧を下げることができるので、水素のエネルギー利用で必要な高圧の水素製造に応用して最適な効果が期待できる。この発明によれば、水素高圧容器内の純水量を、酸素高圧容器内の酸素が貯留されている部分の容積より多くし、また、酸素高圧容器内の純水量を水素高圧容器内の水素が貯留される部分の容積より多くすることにより、水素と酸素が混合し、爆鳴気が発生することも確実に防止できるのである。この発明によれば、酸素の貯留量を水素の貯留量の 4 %以下にして、例え混合しても、爆発下限以下にすることも可能で、酸素高圧容器に大量の純水と少量の酸素を、水素高圧容器に少量の純水と大量の水素を、各々貯留することによって、また、水素高圧容器内の純水量を、酸素高圧容器内の酸素が貯留されている部分の容積より多くし、また、酸素高圧容器内の純水量を、水素高圧容器内の水素が貯留される部分の容積より多くすることにより、装置の故障や何らかの不都合の発生によって、酸素高圧容器側の酸素が漏洩して圧力が低下し、水素高圧容器内の純水が酸素高圧容器に流れ込む事故が発生しても、酸素高圧容器内の酸素が、全部漏洩して純水で置換されてからでないと、水素高圧容器内の水素が純水酸素容器内に流入することは起こず、逆に、水素が漏洩して水素高圧容器内の圧力が低下し、酸素高圧容器内の純水が流入しても、水素高圧容器内の水素が全て酸素高圧容器内の純水で置換された後でないと、酸素高圧容器内の酸素が水素高圧容器内に流入することはないので、爆鳴気が生成される事故が回避できる。この発明において、従来のフロート式水面計に代えて、酸素等の気体と純水との電気伝導率特性が大きく異なっていることを利用し、水面を検知する水面計を使用することにより、高圧酸素と純水の密度差が小さくなつても、水面を安定に高精度に検知できるようにすると共に、フロートが高圧力の水素や酸素で押し潰されることによる発生圧力の限界を無くした。この発明において、触媒層が両面に形成された固体高分子電解質膜と、その両面に接する多孔質給電体からなる複極電極の複数を積層して複極式で積層型の水電解セルを構成し、この水電解セルの下部を高圧容器内に設けた載置台上に設け、その上部を高圧容器内に配置した押え治具によって、圧締状態で保持することにより、セル径が小さくし、高圧容器自体の直径をより小さくすることができ、特に、壁厚を容器自体の直径の 2乗に比例して厚くしなければならない高圧容器において、この発明のように締め付けポルトを不要とすることによって、セル径を 1 / 1 . 5〜 1 / 2に小さくできるので、それに応じて高圧容器の直径を小さくでき、その結果として壁厚を、従来に比べ 1 Z 2〜1 Z 4に薄くできるといった優れた効果が奏される。また、セル径が小さくなつても、水電解セルの実効的能力である固体高分子電解質膜の水電解に寄与する部分の面積を減少させるものではないので、水電解の能力を低下させることがなく、水電解効率を格段に向上させるものである。

さらに、この発明においては、加圧力を有する押え部材の使用によって、水電解セルの締め付けの均一化を容易にし、その結果として、セル耐圧を高くすることができるのである。

換言すると、この発明では、押え部材を用いて水電解セル両の上端部を下方に圧締しているので、水電解セルを締め付ける力点が水電解セル中央部に移動し、水電解セルをより均一に締め付けることができ、シール部からの漏洩がない。また、この発明では、純水の供給を、水電解セルの中央に設けた純水供給路から行い、発生した酸素と未分解の純水の取り出しを、複極電極の内部の陽極側に上下方向に連通させて設けた酸素排出路を通じて行なうようにしたので、水電解セルの中央部から外周部に向かう均一な純水流が形成でき、 P E Mの局所的加熱を防止し、 P E Mが局所的軟化を起こして、耐圧が低下することが防止できる。また、この発明では、陰極で発生した水素と透過純水は、複極電極の陰極側の外周部に形成した水素等の排出口から、高圧容器内に直接放出されるので、水電解セル径をより小さくできるという効果も奏されるのである。

また、この発明では、複極電極内に多孔質給電体を熔接などにより固定し、その表面を研磨しているので、 P E Mが均一に締め付けられると共に、突起や段差で傷つけられることがなく、耐圧を低下させ、あるいはシール特性を阻害させるなどの耐圧低下の要因が除去される。

この発明において、以上のような新規な水電解セル構造の採用により、水電解セルの耐圧の劣化要因を排除し、安定して高圧の水素を発生させることができ、安全性も向上し、しかも、水電解セルを収納する高圧容器の径を小さくでき、容器壁厚も薄くできるなど性能的にも、経済的にも多くの効果が奏される。この発明で得られる高圧水素は、自然エネルギによって発電した電力や、夜間余剰電力等により水を電気分解し、安全に水素を発生させ、かつ貯蔵して使用個所へ供給することを可能とし、一般家庭やオフィス、工場、ガソリンスタンド等の比較的小規模な場所においても、大規模にエネルギを貯蔵し使用する場所においても使用可能なものである。さらに、この発明によって得られる高圧水素は、従来、水素が使用されていた半導体製造過程においてシリコン酸化膜や各種 C V D膜、ェピ夕キシャル成長膜などの薄膜、厚膜を生成させるための各種成膜工程、あるいは熱処理工程、さらには原子力発電装置の冷却水配管系の腐食防止や火力発電装置冷却用、また窯業やファインセラミックス工業などにおいても、有効に使用されるものである。このような今日必要とされる工業的使用のための水素製造では、特に、製造原価を安くする必要があり、この発明では、水素の容積を小さくして貯蔵できるので、高価で広い設置面積を必要とするホールドタンクの替わりに、通常の水素供給に使用されている安価な高圧ボンべを使用して狭い面積の用地にも設置できるため、廉価な深夜電力で非常に安価に水素を製造することができる。

このことは、この発明が深夜電力利用によるエネルギの有効利用に効果的であることを示すものでもあり、この発明が工業使用のための水素製造の分野においても二酸化炭素の排出抑制等の地球環境改善に貢献できることが分かる。また、水素発生装置を工場敷地内に設置すると、トラック輸送による二酸化炭素排出を無くすことができるために、採用が増える傾向にあるが、停電や装置故障等で、水素の発生が不用意に停止した場合、バックアップのための水素貯蔵タンクがあまりに大きくなり過ぎるため設置できない場合が多く、バックアツプのための水素購入ができる必要があり、このことが水素発生装置の普及を拒む大きな要因であつたが、この発明では、高圧の水素を発生できるので、通常使用されている安価な高圧ボンベに水素を貯蔵でき、バックアップに対する特別な対応が必要なくなる。さらに、水素消費量が大きく時間変動する場合は、消費量の変動を平準化するためのバッファータンク設備が必要であるが、高価であると共に広い用地を必要としたが、この発明では、通常の水素供給で使用されている安価な高圧ボンべをバッファータンクとして使用できるため、設備コス卜が非常に安くできるなど、この発明の効果は、エネルギ用水素の製造分野に留まらず、広く、工業分野の水素の製造においても計り知れないほどの大きいことが分かる。

Claims

請求の範囲

1 . 生成した水素の貯留槽を兼ねる高圧容器内に純水の電気分解により水素と酸素を発生させる固体高分子電解質膜からなる水電解セルが配置されていることを特徴とする高圧水素の製造装置。

2 . 内部に電気分解により水素と酸素を発生させる固体高分子電解質膜からなる水電解セルが配置され、生成した水素を貯留する高圧容器と、水電解セルと連通し電気分解用の純水と生成した酸素を貯留する高圧容器とから構成されていること特徴とする高圧水素の製造装置。

3 . 水素を貯留する高圧容器の内圧と酸素を貯留する高圧容器の内圧の差を、水電解セルの耐圧以下の圧力に調整する圧力制御手段を有することを特徴とする請求項 2記載の高圧水素の製造装置。

4 . 前記圧力制御手段が、水素を貯留する高圧容器の内圧を、酸素を貯留する高圧容器の内圧より低めに調整するものであることを特徴とする請求項 3に記載の高圧水素の製造装置。

5 . 前記圧力制御手段が、それぞれの高圧容器の圧力を測定し、当該測定値に基づいて、それぞれの高圧容器に設けられたバルブを開閉し、水素又は酸素を抜き出すことによって、前記差圧を水電解セルの耐圧以下の圧力に調整するものであることを特徴とする請求項 3又は 4に記載の高圧水素の製造装置。

6 . 前記圧力制御手段が、それぞれの高圧容器内に存在する純水に連通する配管に設けられた容器内の純水中のバルブを開閉し、純水を移動することによって、圧力調整するものであることを特徴とする請求項 3又は 4に記載の高圧水素の製

7 . 前記高圧容器内に存在する純水に連通する配管が、水素を貯留する高圧容器内にバルブを設けた配管と、酸素を貯留する高圧容器内にバルブを設けた配管の 2本からなることを特徴とする請求項 6記載の高圧水素の製造装置。

8 . 前記バルブが三角形状の放出口を有していることを特徴とする請求項 Ίに記載の高圧水素の製造装置。

9 . 前記圧力計が、それぞれの高圧容器の圧力で、軸方向に伸縮するべローズで両端が封止され、内部に不活性流体が充満された非磁性材料の円筒と、前記円筒内面に密着して設けられた内部磁性体と、外面に密着して設けられた外部磁性体からなる本体と、ベローズの伸縮により変化した前記外部磁性体の位置に基づいて差圧を検知する検出器から構成される差圧計であることを特徴とする請求項 6 記載の高圧水素の製造装置。

1 0 . 前記検出器が、外部磁性体に連動して動く遮光板と、遮光板で遮光される開口部を有する開口板と、開口部を透過した透過光量を電気信号に変換する光電計から構成されるものであることを特徴とする請求項 9に記載の高圧水素の製造

1 1 . 前記検出器が、外部磁性体に連動して電気抵抗体上を摺動する摺動子を構成要素に有するものであることを特徴とする請求項 9に記載の高圧水素の製造装

1 2 . 前記圧力制御手段が、それぞれの高圧容器内に存在する純水に連通する配管に設けられ、それぞれの高圧容器における純水の圧力差に応じて摺動する摺動子を内部に有する圧力調整器によって、圧力調整するものであることを特徴とする請求項 3又は 4に記載の高圧水素の製造装置。

1 3 . 前記圧力調整器が、一端が水素を貯留する高圧容器内純水に連通し、他端が酸素を貯留する高圧容器内純水に連通する非磁性材料で作られた中空円筒と、両純水を遮断すると共に、中空円筒内面に密着して滑動する磁性材料で作られた内部滑動子と、中空円筒外面に密着して滑動する磁性材料で作られた外部滑動子からなる本体と、外部滑動子の位置を検出する位置検出器から構成され、それぞれの高圧容器内に存在する純水を移動することによって、圧力調整するものであることを特徴とする請求項 1 2に記載の高圧水素の製造装置。

1 4 . 前記中空円筒が、両端に緩衝機構を有すると共に、内部滑動子が端部まで滑動した際に、純水を流通させる流路を両端に有するものであることを特徴とする請求項 1 3に記載の高圧水素の製造装置。

1 5 . 前記中空円筒が、両端に緩衝機構を有すると共に、内部滑動子が端部まで滑動した際に、純水を流通させる配管に設けてある遮断弁を開閉するスィツチを両端に有するものであることを特徴とする請求項 1 3に記載の高圧水素の製造装

1 6 . 前記中空円筒が、水素を貯留する高圧容器内に貯留される水素量と酸素を貯留する高圧容器内に貯留される酸素量とのどちらかの少ないほうの容積と等量、もしくはそれ以下の実質容積を有するものであることを特徴とする請求項 1 3に記載の高圧水素の製造装置。

1 7 . 生成した水素を冷却する熱交換器を前記高圧容器外に具備していることを特徴とする請求項 1乃至 3記載の高圧水素の製造装置。

1 8 . 水素を貯留する高圧容器と高圧容器外に設けられた熱交換器が、高圧容器内で分岐された複数の細管からなる水素冷却用配管で連結されていることを特徴とする請求項 1 7記載の高圧水素の製造装置。

1 9 . 水電解セルへの電気分解用純水供給配管及び水電解セルからの戻り純水配管のいずれか一方又は双方の配管経路中に、水電解セルに供給する純水又は戻り純水の一方、又は双方の温度の制御又は凍結を防止する熱交換器を有することを特徴とする請求項 2又は 3記載の高圧水素の製造装置。

2 0 . 前記戻り純水配管が、水素貯留用高圧容器内で分岐された複数の細管からなることを特徴とする請求項 1 9に記載の高圧水素の製造装置。

2 1 . 前記水素貯留用高圧容器及び酸素貯留用高圧容器のいずれか一方又は双方の内部に、貯蔵された水素及び Z又は酸素及び純水の温度の制御又は凍結防止のために、冷却用の複数の細管が配置されていることを特徴とする請求項 2又は 3 に記載の高圧水素の製造装置。

2 2 . 前記細管が、それぞれの高圧容器を構成する側壁の内側から外側に向かつて形成されたテーパー状の貫通孔に、気密状態に固定されるコアの中心に保持され、配管されていることを特徴とする請求項 1 8、 2 0又は 2 1に記載の高圧水

2 3 . 前記酸素貯留用高圧容器が、容器内に貯留する電気分解用純水を水電解セルに供給するための送水ポンプと、この送水ポンプを駆動するためのモータを収納したものであることを特徴とする請求項 2又は 3記載の高圧水素の製造装置。

2 4. 酸素貯留用高圧容器が、内部に貯留される純水の容積を水素貯留用高圧容器の容積より大きく、酸素の容積を水素貯留用高圧容器の容積の 4 %以下に制御することができる容積制御手段を付帯していることを特徴とする請求項 2又は 3 記載の'高圧水素の製造装置。

2 5 . 酸素貯留用高圧容器に、消費された純水を補給するための純水貯留槽、ィォン交換装置、純水補給槽からなる循環系から構成される純水補給設備が付帯していることを特徴とする請求項 2又は 3記載の高圧水素の製造装置。

2 6 . 前記純水補給設備が、内部に貯蔵する純水を、その自重で酸素貯留用高圧容器に供給可能なように配置されるとともに、酸素貯留用高圧容器内の酸素を受入れ可能な純水補給槽と、前記純水貯留槽と純水補給槽との間に配置され、純水貯留槽内の純水をイオン交換装置を介して純水補給槽に供給する供給管と、前記純水貯留槽と純水補給槽との間に配置され、純水槽内の高圧の酸素を純水補給槽に設けたフィル夕から抜き出し可能で、かつ純水補給槽内の純水を所定の比抵抗値になるまで純水を循環させることが可能な酸素 ·純水の戻り管とから構成されていることを特徴する請求項 2 5に記載の高圧水素の製造装置。

2 7 . 前記容積制御手段が、少なくとも酸素貯留用高圧容器内に配置された純水の水面を測定するための水面計と、この水面計と連動するニードルバルブで構成され、前記水面計によって、酸素貯留用高圧容器内に溜まる酸素量を、水素貯留用高圧容器の容積の 4 %以下になるよう水面を制御するものであることを特徴とする請求項 2 4に記載の高圧水素の製造装置。

2 8 . 前記水面計が、互いに電気的に絶縁されて支柱に固定された金属電極と、この電極と高圧容器間との間の電気抵抗を計測する抵抗計とで構成されたものであることを特徴とする請求項 2 7に記載の高圧水素の製造装置。

2 9 . 前記水面計が、棒状電極と該棒状電極を中心にした円筒状電極とで構成されたものであることを特徴とする請求項 2 7に記載の高圧水素の製造装置。

3 0 . 前記水面計が、先端部以外を電気絶縁性円筒で覆った棒状参照電極と、棒状参照電極を中心にした円筒状参照電極をも有するものであることを特徴とする請求項 2 9に記載の高圧水素の製造装置。

3 1 . 前記水電解セルが、触媒層を両面に形成した固体高分子電解質膜とその両面に接する多孔質給電体からなる複極式電極を複数積層した複極式積層型であり、高圧容器内の載置台上に、上部から押え治具による圧締状態で、配置されていることを特徴とする請求項 1乃至 3に記載の高圧水素の製造装置。

3 2 . 前記水電解セルが、複極電極の中央部に純水供給経路が形成されている複極式積層型であることを特徴とする請求項 3 1に記載の高圧水素の製造装置。

3 3 . 前記水電解セルが、各複極電極の中央部に、純水供給路を形成するとともに、各複極電極の陽極側に酸素等の排出口を設け、これら酸素等の排出口に接するように各複極電極の外周部に上下方向に酸素排出路を形成し、陰極側には、水素等を高圧容器へ直接排出するための排出口が設けられている複極式積層型であることを特徴とする請求項 3 1に記載の高圧水素の製造装置。

3 4 . 前記複極式電極の形状が円板状であることを特徴とする請求項 3 1に記載の高圧水素の製造装置。

3 5 . 前記固体高分子電解質膜がその外周に設けられたシート状シール材を介して複極式電極に固定されていることを特徴とする請求項 3 1に記載の高圧水素の

3 6 . 前記シート状シール材が、固体高分子電解質膜より薄く、固体高分子電解質膜より硬い材質のもので調製されていることを特徴とする請求項 3 5に記載の高圧水素の製造装置。

3 7 . 前記圧締状態にある複極式積層型水電解セルが、多段状態に配置されていることを特徴とする請求項 3 1に記載の高圧水素の製造装置。

3 8 . 前記水電解セルの載置台が、純水を、前記純水供給路に供給する純水供給口を有することを特徴とする請求項 3 1に記載の高圧水素の製造装置。

3 9 . 前記押え治具が、その一端が高圧容器の内壁部に固定維持されていることを特徵とする請求項 3 1に記載の高圧水素の製造装置。

4 0 . 前記押え治具は、水電解セルの上部に固定される治具主体と、この治具主体内に装着されるパネ体と、このパネ体を付勢する、一端が高圧容器内に保持される押えネジとで構成されていることを特徴とする請求項 3 1に記載の高圧水素

4 1 . 前記複極式電極は上下方向に積層され、上面が陽極、下面が陰極とされていることを特徴とする請求項 3 1に記載の高圧水素の製造装置。

4 2 . 前記多孔質給電体は、水電解セルの内部に熔接により固定されていることを特徴とする請求項 3 1に記載の高圧水素の製造装置。

4 3 . 前記水電解セルは、固体高分子電解質膜に接する多孔質給電体の表面が研磨されていることを特徴とする請求項 3 1に記載の高圧水素製造装置。

4 4 . 高圧容器内に固体高分子電解質膜からなる水電解セルを配置し、この水電解セルによって純水を電気分解して水素と酸素を発生させ、生成した水素は水電解セルを配置した高圧容器内に貯蔵し、酸素は戻り純水と共に電気分解用純水を貯留する高圧容器に貯蔵することを特徴とする高圧水素の製造方法。

4 5 . 前記生成した水素を冷却することを特徴とする請求項 4 4記載の高圧水素の製造方法。

4 6 . 前記生成した水素を、高圧容器内から配管を介して外部に取り出し、熱交換器で冷却したのち、高圧容器内に戻して貯蔵することを特徴とする請求項 4 4 記載の高圧水素の製造方法。

4 7 . 前記酸素と戻り純水を、高圧容器内から配管を介して外部に取り出し、熱交換器で温度を制御したのち、電気分解用純水を貯留する高圧容器内に貯蔵することを特徴とする請求項 4 4記載の高圧水素の製法。

4 8 .前記配管は、いずれも前記高圧容器内で分岐された複数の細管で構成され、少なくとも発生した水素は、高圧容器の下部から内部に戻すことを特徴とする請求項 4 6又は 4 7に記載の高圧水素の製法。

4 9 . 前記電気分解は、水素を貯蔵する高圧容器の内圧と、酸素と純水を貯蔵する高圧容器の圧力の差圧を、水電解セルを構成する高分子電解質膜の耐圧以下の圧力に調整しながら行うことを特徴とする請求項 4 4に記載の高圧水素の製造方法。

5 0 . 前記電気分解は、水素を貯蔵する高圧容器の内圧を、 '酸素と純水を貯蔵する高圧容器及び水電解セルを含む純水循環系の圧力より低めに調整しながら行なうことを特徴とする請求項 4 9に記載の高圧水素の製造方法。

5 1 . 前記圧力の調整は、それぞれの高圧容器の水素圧、酸素圧の調整及び Z又は容器内に存在する純水の移動により制御することを特徴とする請求項 4 9又は 5 0記載の高圧水素の製造方法。

5 2 . 前記純水の移動が、それぞれの高圧容器を結合する純水配管に設けられた弁の開閉操作により行われることを特徴とする請求項 5 1記載の高圧水素の製造方法。

5 3 . 前記純水の移動が、それぞれの高圧容器を結合する純水配管に接続され、且つそれぞれの容器内に設けられた弁の開閉操作により行われることを特徴とする請求項 5 1記載の高圧水素の製造方法。

5 4 . 前記弁の開閉操作が、弁を高圧容器内の純水中に浸漬させた状態で行われることを特徴とする請求項 5 3記載の高圧水素の製造方法。

5 5 . 前記純水の移動が、それぞれの高圧容器を結合する純水配管に設けられた圧力調整器により自動的に行われることを特徴とする請求項 5 1記載の高圧水素の製造方法。

5 6 . 前記水素を貯蔵する高圧容器内に貯留する純水容積を、酸素を貯蔵する高圧容器内に貯留する酸素容積以上に、また酸素を貯蔵する高圧容器内に貯留する純水容積を水素を貯蔵する高圧容器内に貯留する水素容積以上に制御しながら行うことを特徴とする請求項 4 9又は 5 0記載の高圧水素の製造方法。

5 7 . 前記酸素を貯蔵する高圧容器内の酸素の容積を、水素を貯蔵する高圧容器内の水素の容積の 4 %以内に制御しながら行うことを特徴とする請求項 4 9又は 5 0に記載の高圧水素の製造方法。

5 8 . 前記電気分解は、脱イオン処理及び脱泡処理が施された高い比抵抗値と、残留気泡の少ない純水を用いて行うことを特徴とする請求項 4 4乃至 4 7のいずれかに記載の高圧水素の製造方法。

5 9 . 前記電気分解は、純水を貯留する高圧容器から、その容器内に設けられた送水ポンプ及びその駆動用のモー夕により供給された純水を用いて行うことを特徴とする請求項 5 8に記載の高圧水素の製造方法。