水電解装置及び水電解装置の動作方法
【課題】安全性をより向上させた水電解装置を提供する。
【解決手段】水電解装置は、水電解スタック４と第１水供給排出部５０と第２水供給排出部６０と容器９とを具備する。水電解スタック４は、水の電気分解を行い酸素と水素とを生成する。第１水供給排出部５０は、水電解スタック４の陽極に水の供給及び酸素と余剰水の排出を行う。第２水供給排出部６０は、水電解スタック４の陰極に水の供給及び水素と余剰水の排出を行う。容器９は、水電解スタック４を水没させて格納する。第２水供給排出部６０と容器９とは均圧化されている。水電解スタック４が停止するとき、第１水供給排出部５０は、水電解スタック４に対して水の供給及び排出を行う配管を遮断する。遮断された箇所より容器９側を容器９と均圧化する。
【解決手段】水電解装置は、水電解スタック４と第１水供給排出部５０と第２水供給排出部６０と容器９とを具備する。水電解スタック４は、水の電気分解を行い酸素と水素とを生成する。第１水供給排出部５０は、水電解スタック４の陽極に水の供給及び酸素と余剰水の排出を行う。第２水供給排出部６０は、水電解スタック４の陰極に水の供給及び水素と余剰水の排出を行う。容器９は、水電解スタック４を水没させて格納する。第２水供給排出部６０と容器９とは均圧化されている。水電解スタック４が停止するとき、第１水供給排出部５０は、水電解スタック４に対して水の供給及び排出を行う配管を遮断する。遮断された箇所より容器９側を容器９と均圧化する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水電解装置及び水電解装置の動作方法に関し、特に安全性を向上させた水電解装置及び水電解装置の動作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
水を電気分解して酸素（ガス）と水素（ガス）とを生成する水電解装置が知られている。水電解装置では、支燃性ガスである酸素と可燃性ガスである水素とが同時に比較的高純度で生成される。そのため、水電解装置は、故障や異常事態が発生しても、それらガスによる燃焼や爆発を起こさないような高い安全性が要求されている。特に、近年の水素需要の高まりから、比較的高い圧力で運転される水電解装置が増加しており、安全性の更なる向上が望まれている。
【０００３】
水電解装置において、過去に発生した事故に関する報告が、非特許文献１（九州大学水素ステーション事故調査／報告書（第３報）要約版）及び非特許文献２（高圧ガス事故概要報告２００５−４１５水素ステーション実証試験設備の爆発）に開示されている。非特許文献１及び非特許文献２において、事故の過程は概ね次のように報告されている。（１）事故は、電解セルの異常により高温高圧が発生して安全弁が作動した過程（第一段階）と、これに伴って発生した高温高圧と物質移動（配管を通じた水、ガス、異物の移動）により最終的に酸素側配管で燃焼と破裂が起きた過程（第二段階）とに分けて整理できる。（２）第一段階：電解セル内のある一部におけるチタン電極の発熱反応、又は、酸素と水素の混合気の発熱反応等により、電解セルの一部で異常反応が開始した。その後、圧力の異常が検知されて、電流が停止された。しかし、電解を停止した後も異常反応は続いた。電解セルの異常反応によって、高温、高圧が発生した。それにより、水素配管、酸素配管において安全弁が作動し、圧力は一旦降下した。（３）第二段階：電解セルの異常反応が続いたため再び系全体の圧力が上昇した。一方、電解セルで異常反応が生じた直後から、反応生成物、電解セルの破壊で生じた破片及び水素が循環水に運ばれ、酸素分離タンクに達し、更に安全弁に至る酸素配管にまで到達した。これらが酸素雰囲気中で燃焼することにより局所的な過大圧力を発生した。さらには圧力波が、先端が閉じた配管内に伝わり急激な圧縮を生じて局所的な過大圧力を発生した。その結果、酸素配管の延性破壊をもたらした。
【０００４】
関連する技術として、特許文献１（特開２０１０−１２１１４６号公報）に固体高分子型水電解装置が開示されている。この固体高分子型水電解装置は、水電解槽と、水素気液分離器と、酸素気液分離器と、水循環ラインと、水素取出しラインと、酸素取出しラインと、水素排出ラインと、酸素排出ラインとを備えている。水電解槽は、高分子電解質膜を用いて水を電解し、陽極に酸素、陰極に水素を発生させる。水素気液分離器は、水電解槽の陰極にて発生した水素と水を分離する。酸素気液分離器は、水電解槽の陽極にて発生した酸素と水を分離する。水循環ラインは、水電解槽の陽極側へ水を供給するように水を循環させる循環ポンプを含む。水素取出しラインは、水電解槽と水素気液分離器との間に設けられている。酸素取出しラインは、水電解槽と酸素気液分離器との間に設けられている。水素排出ラインは、水素気液分離器に設けられている。酸素排出ラインは、酸素気液分離器に設けられている。この固体高分子型水電解装置において、水電解槽内の状態を検知するための少なくとも１つの計測機器と、水循環ライン、水素取出しラインおよび酸素取出しラインにそれぞれ設けられた遮断弁と、計測機器からの信号を処理して異常時に遮断弁の閉鎖信号を出力する制御手段とをさらに備えている。
【０００５】
また、気体の水素及び酸素を製造する技術として特許文献２（特開２００５−３３０５１４号公報）に水電解装置及び方法が開示されている。この水電解装置は、浄化層と、仕切り板と、水電解スタックと、水供給管と、第１の送給管と、第２の送給管と、水素排出部と、酸素排出部とを具備してなる。浄化層は、容器本体内に設けられ、循環する循環水を浄化する。仕切り板は、容器本体の頂部から垂下し、容器本体内を第１の部屋と第２の部屋とに分離する。水電解スタックは、容器本体の外部に設けられ、循環水を電気分解して水素と酸素を発生する。水供給管は、水電解スタックに浄化した循環水を供給する。第１の送給管は、水電解スタックから循環水に同伴されてなる水素／水・二層流を容器本体の第１の部屋に送給する。第２の送給管は、水電解スタックから循環水に同伴されてなる酸素／水・二層流を容器本体の第２の部屋に送給する。水素排出部は、第１の部屋から水素を排出する。酸素排出部は、第２の部屋から酸素を排出する。水電解スタックに供給する循環水を浄化しつつ自然循環してなる。すなわち、この水電解装置は、水の電気分解により気体の水素を製造している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−１２１１４６号公報
【特許文献２】特開２００５−３３０５１４号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】「九州大学水素ステーション事故調査 報告書（第３報）要約版」、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｋｙｕｓｈｕ−ｕ．ａｃ．ｊｐ／ｎｅｗｓ／ｈｙｄｒｏｇｅｎ／ｈｙｄｒｏｇｅｎｓｕｍｍａｒｙ０３３０．ｐｄｆ
【非特許文献２】「高圧ガス事故概要報告２００５−４１５水素ステーション実証試験設備の爆発」、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｋｈｋ．ｏｒ．ｊｐ／ａｃｔｉｖｉｔｉｅｓ／ｉｎｃｉｄｅｎｔ＿ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ／ｈｐｇ＿ｉｎｃｉｄｅｎｔ／ｐｄｆ／２００５−４１５．ｐｄｆ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、安全性を向上させた水電解装置及び水電解装置の動作方法を提供することにある。
【０００９】
本発明の他の目的は、故障や異常事態が発生しても、より安全に停止することが可能な水電解装置及び水電解装置の動作方法を提供することにある。
【００１０】
この発明のこれらの目的とそれ以外の目的と利益とは以下の説明と添付図面とによって容易に確認することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
以下に、発明を実施するための形態で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、特許請求の範囲の記載と発明を実施するための形態との対応関係を明らかにするために括弧付きで付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、特許請求の範囲に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【００１２】
本発明の水電解装置は、水電解スタック（４）と、第１水供給排出部（５０）と、第２水供給排出部（６０）と、容器（９）とを具備している。水電解スタック（４）は、水の電気分解を行い酸素と水素とを生成する。第１水供給排出部（５０）は、水電解スタック（４）の陽極に対して水の供給及び酸素と余剰水の排出を行う。第２水供給排出部（６０）は、水電解スタック（４）の陰極に対して水の供給及び水素と余剰水の排出を行う。容器（９）は、水電解スタック（４）を水没させて格納する。第２水供給排出部（６０）と容器（９）とは均圧化されている。水電解スタック（４）が停止するとき、第１水供給排出部（５０）は、水電解スタック（４）に対して水の供給及び排出を行う配管を遮断する。遮断された箇所より容器（９）側を容器（９）と均圧化する。
【００１３】
上記の水電解装置において、第１水供給排出部（５０）は、第１配管（１１）と、第１弁（Ｖ２１）と、第２配管（１２）と、第２弁（Ｖ２２）と、第３配管（１３）と、第３弁（Ｖ２３）とを備えていることが好ましい。第１配管（１１）は、水電解スタック（４）の陽極に水を供給する。第１弁（Ｖ２１）は、第１配管（１１）の途中に設けられている。第２配管（１２）は、陽極の余剰水及び酸素を水電解スタック（４）から排出する。第２弁（Ｖ２２）は、第２配管（１２）の途中に設けられている。第３配管（１３）は、第１弁（Ｖ２１）よりも容器（９）側の第１配管（１１ａ）又は第２弁（Ｖ２２）よりも容器（９）側の第２配管（１２ａ）と容器（９）とを接続する。第３弁（Ｖ２３）は、第３配管（１３）の途中に設けられている。水電解スタック（４）が停止するとき、第１弁（Ｖ２１）及び第２弁（Ｖ２２）を閉止し、閉止後に第３弁（Ｖ２３）を開放し、第１弁（Ｖ２１）よりも容器（９）側の第１配管（１１）及び第２弁（Ｖ２２）よりも容器（９）側の第２配管（１２）を、容器（９）と均圧化することが好ましい。
【００１４】
上記の水電解装置において、第２水供給排出部（６０）は、第４配管（１５）と、第５配管（１６）と、水素気液分離部（３）と、第６配管（１８）とを備えていることが好ましい。第４配管（１５）は、水電解スタック（４）の陰極に水を供給する。第５配管（１６）は、陰極の余剰水及び水素を水電解スタック（４）から排出する。水素気液分離部（３）は、第４配管（１５）と第５配管（１６）とに接続され、余剰水と水素とを気液分離する。第６配管（１８）は、水素気液分離部（３）と容器（９）とを接続する。記第６配管（１８）を介して第２水供給排出部（６０）と容器（９）とは均圧化されることが好ましい。
【００１５】
上記の水電解装置において、第２水供給排出部（６０）は、第４弁（Ｖ１１）と、第５弁（Ｖ１２）と、第６弁（Ｖ１４）と、第７配管（１７）と、第７弁（Ｖ１３）とを備えていることが好ましい。第４弁（Ｖ１１）は、第４配管（１５）の途中に設けられている。第５弁（Ｖ１２）は、第５配管（１６）の途中に設けられている。第６弁（Ｖ１４）は、第６配管（１８）の途中に設けられている。第７配管（１７）は、第４弁（Ｖ１１）よりも容器（９）側の第４配管（１５ａ）又は第２弁（Ｖ１２）よりも容器（９）側の第５配管（１６ａ）と容器（９）とを接続する。第７弁（Ｖ１３）は、第７配管（１７）の途中に設けられている。水電解スタック（４）が停止するとき、第４弁（Ｖ１１）、第５弁（Ｖ１２）及び第６弁（Ｖ１４）を閉止し、閉止後に第７弁（Ｖ１３）を開放することが好ましい。
【００１６】
上記の水電解装置において、容器（９）内の水を循環させる容器内水循環部（４１、４２）を更に具備していることが好ましい。
【００１７】
上記の水電解装置において、第２水供給排出部（６０）は、第４配管（１５、１５ｂ）と、第６配管（１８ｂ）と、第５配管（１６）と、水素気液分離部（３）とを備えていることが好ましい。第４配管（１５、１５ｂ）は、容器（９）に水を供給する。第６配管（１８ｂ）は、容器（９）の水を水電解スタック（４）の陰極に供給する。第５配管（１６）は、陰極の余剰水及び水素を水電解スタック（４）から排出する。水素気液分離部（３）は、第４配管（１５）と第５配管（１６）とに接続され、余剰水と水素とを気液分離する。第４配管（１５、１５ｂ）又は第６配管（１８ｂ）と水電解スタック（４）の陰極から第５配管（１６）を介して第２水供給排出部（６０）と容器（９）とは均圧化されることが好ましい。
【００１８】
上記の水電解装置において、第２水供給排出部（６０）は、第４配管（１５ｂ）の途中に設けられた第４弁（Ｖ１１）と、第５配管（１６）の途中に設けられた第５弁（Ｖ１２）とを備えていることが好ましい。水電解スタック（４）が停止するとき、第４弁（Ｖ１１）及び第５弁（Ｖ１２）を閉止することが好ましい。
【００１９】
上記の水電解装置において、第２水供給排出部（６０）は、第４配管（１５）と、第５配管（１６）と、水素気液分離部（３）と、第７配管（１７ｃ）と、第６配管（１８ｃ）とを備えていることが好ましい。第４配管（１５）は、水電解スタック（４）の陰極に水を供給する。第５配管（１６）は、陰極の余剰水及び水素を水電解スタック（４）から排出する。水素気液分離部（３）は、第４配管（１５）と第５配管（１６）とに接続され、余剰水と水素とを気液分離する。第７配管（１７ｃ）は、第４配管（１５）と容器（９）とを接続する。第６配管（１８ｃ）は、水素気液分離部（３）と容器（９）とを接続する。第６配管（１８ｃ）又は第７配管（１７ｃ）を介して第２水供給排出部（６０）と容器（９）とは均圧化されることが好ましい。
【００２０】
上記の水電解装置において、第２水供給排出部（６０）は、第４弁（Ｖ１１）と、第５弁（Ｖ１２）と、第６弁（Ｖ１４）とを備えていることが好ましい。第４弁（Ｖ１１）は、第４配管（１５ａ）の途中に設けられている。第５弁（Ｖ１２）は、第５配管（１６）の途中に設けられている。第６弁（Ｖ１４）は、第６配管（１８ｃ）の途中に設けられている。水電解スタック（４）が停止するとき、第４弁（Ｖ１１）、第５弁（Ｖ１２）及び第６弁（Ｖ１４）を閉止することが好ましい。
【００２１】
上記の水電解装置において、第２水供給排出部（６０）及び容器（９）のうちの一方若しくは両方に設けられ、第２水供給排出部（６０）及び容器（９）の圧力を降下させる圧力降下弁（ＲＶ）を更に具備することが好ましい。
【００２２】
本発明の水電解装置の動作方法において、水電解装置は、水電解スタック（４）と、水電解スタック（４）の陽極に対して水の供給及び酸素と余剰水の排出を行う第１水供給排出部（５０）と、水電解スタック（４）の陰極に対して水の供給及び水素と余剰水の排出を行う第２水供給排出部（６０）と、水電解スタック（４）を水没させて格納する容器（９）とを具備し、第２水供給排出部（６０）と容器（９）とは均圧化されている。水電解装置の動作方法は、水電解スタック（４）が停止するとき、第１水供給排出部（５０）が、水電解スタック（４）に対して水の供給及び排出を行う配管を遮断するステップと、第１水供給排出部（５０）が、遮断された箇所より容器（９）側を容器（９）と均圧化するステップとを具備している。
【発明の効果】
【００２３】
本発明により、水電解装置の安全性を向上させることができる。また、本発明により、水電解装置に故障や異常事態が発生しても、その水電解装置を安全に停止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、本発明の第１の実施の形態に係る水電解装置の構成を模式的に示すブロック図である。
【図２】図２は、本発明の第１の実施の形態に係る水電解装置の動作方法を示すフローチャートである。
【図３】図３は、本発明の第２の実施の形態に係る水電解装置の構成を模式的に示すブロック図である。
【図４】図４は、本発明の第３の実施の形態に係る水電解装置の構成を模式的に示すブロック図である。
【図５】図５は、本発明の第４の実施の形態に係る水電解装置の構成を模式的に示すブロック図である。
【図６】図６は、本発明の第５の実施の形態に係る水電解装置の構成を模式的に示すブロック図である。
【図７】図７は、本発明の第６の実施の形態に係る水電解装置の構成を模式的に示すブロック図である。
【図８】図８は、本発明の第７の実施の形態に係る水電解装置の構成を模式的に示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態に係る水電解装置及び水電解装置の動作方法に関して、添付図面を参照して説明する。
【００２６】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る水電解装置の構成について説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係る水電解装置の構成を模式的に示すブロック図である。水電解装置１は、水を電気分解して気体の水素及び気体の酸素を生成する。水電解装置１は、水電解スタック４と、第１水供給排出部５０と、第２水供給排出部６０と、容器９と、電力供給部７と、制御部８とを具備している。
【００２７】
水電解スタック４は、水を電気分解して酸素と水素とを生成する。例えば直列接続された、複数の水電解セルを備えている。水電解セルは、電解質膜と、その一方の面に設けられた陽極（＋極又はアノード）と、他方の面に設けられた陰極（−極又はカソード）とを備えている。電解質膜は、固体高分子電解質膜であり、パーフルオロスルホン酸膜のようなフッ素系電解質膜に例示される。陽極及び陰極は、その電解質膜に適した公知の材料を用いることができる。水電解スタック４は、各水電解セルの陽極と陰極との間に、電力供給部７からの電圧を印加する。それにより、各水電解セルにおいて、陽極側に供給された水が電気分解されて、陽極側に酸素が生成され、陰極側に水素が生成される。各水電解セルの陽極側の酸素と未反応の水（余剰水）とは、第１水供給排出部５０へ送出される。各水電解セルの陰極側の水素と電解質膜を透過した水及び供給された水（余剰水）とは、第２水供給排出部６０へ送出される。
【００２８】
第１水供給排出部５０は、水電解スタック４の（水電解セルの）陽極に対して水を供給し、及び、生成した酸素と余剰水とを陽極から排出する。第１水供給排出部５０は、第１配管１１と、第１弁Ｖ２１と、第２配管１２と、第２弁Ｖ２２と、第３配管１３と、第３弁Ｖ２３と、酸素気液分離部２と、ポンプ５とを備えている。第１配管１１は、酸素気液分離部２と水電解スタック４（陽極側）とを接続している。水電解スタック４の（水電解セルの）陽極に水を供給する。第１弁Ｖ２１は、第１配管１１の途中に設けられている。通常の運転時には開放され、（緊急）停止時に閉止される。第２配管１２は、水電解スタック４（陽極側）と酸素気液分離部２とを接続している。陽極の酸素及び余剰水を水電解スタック４から排出する。第２弁Ｖ２２は、第２配管１２の途中に設けられている。通常の運転時には開放され、（緊急）停止時に閉止される。第３配管１３は、第１弁Ｖ２１よりも容器９側の第１配管１１ａ又は第２弁Ｖ２２よりも容器９側の第２配管１２ａと、容器９とを接続している。容器９に接続された第１配管１１ａ又は第２配管１２ａと容器９とを均圧化するために使用する。図１では、第１弁Ｖ２１よりも容器９側の第１配管１１ａと、容器９とを接続している。第３弁Ｖ２３は、第３配管１３の途中に設けられている。通常の運転時には閉止され、（緊急）停止時に開放される。酸素気液分離部２は、水供給装置（図示されず）から水電解用の水を供給され、貯蔵する。その水は、水電解スタック４の各水電解セルの陽極側に第１配管１１を介して供給される。酸素気液分離部２は、水電解スタック４の各水電解セルで生成された酸素と余剰水とを第２配管１２を介して受け取る。そして、生成された酸素を水から分離する。分離された酸素は、外部へ送出される。ポンプ５は、第１配管１１の途中に設けられている。第１配管１１を介して、酸素気液分離部２の水を受け取り、水電解スタック４の陽極側へ供給する。
【００２９】
第２水供給排出部６０は、水電解スタック４の（水電解セルの）陰極に対して水を供給し、及び、生成した水素と余剰水とを陰極から排出する。第２水供給排出部６０は、第４配管１５と、第５配管１６と、水素気液分離部３と、ポンプ６と、第６配管１８と、気液分離部２１とを備えている。第４配管１５は、水素気液分離部３と水電解スタック４（陰極側）とを接続している。水電解スタック４の（水電解セルの）陰極に水を供給する。第５配管１６は、水電解スタック４（陰極側）と水素気液分離部３とを接続している。陰極の水素及び余剰水を前記水電解スタック４から排出する。水素気液分離部３は、水供給装置（図示されず）から水電解用の水を供給され、貯蔵する。その水は、水電解反応に直接的には寄与しないが、水電解スタック４の各水電解セルの陰極側に第４配管１５を介して供給される。水素気液分離部３は、水電解スタック４の各水電解セルで生成された水素と余剰水とを第５配管１６を介して受け取る。そして、生成された水素を水から分離する。分離された水素は、外部へ送出される。ポンプ６は、第４配管１５の途中に設けられている。第４配管１５を介して、水素気液分離部３の水を受け取り、水電解スタック４の陰極側へ供給する。第６配管１８は、水素気液分離器３と容器９とを接続している。気液分離部２１は、第６配管１８の途中に設けられ、第６配管１８中の気液を分離する。第６配管１８を介して、第２水供給排出部６０と容器９とは均圧化されている。
【００３０】
なお、気液分離器２１もしくは水素気液分離部３には、圧力降下弁ＲＶが設けられていることが好ましい。図１では、水素気液分離部３に、当該圧力降下弁が設けられている。この圧力降下弁ＲＶは、容器９（耐圧容器）の安全弁（圧力逃がし弁）として機能する。ただし、容器９の本体に直接設けられていても良い。
【００３１】
容器９は、内部に貯蔵した純水中に水電解スタック４を水没させて格納している。すなわち、水電解スタック４は外部を純水で覆われている。このとき、上述のように、その純水は第６配管１８を介して第２水供給排出部６０と均圧化されている。よって容器９の内部は大気圧よりも高い圧力であり、発生する水素ガスと等しい圧力となっている。
【００３２】
電力供給部７は、水電解スタック４の各水電解セルの陽極と陰極との間に印加される水電解用の電圧を、水電解スタック４へ供給する。また、電力供給部７は、水電解スタック４の電圧及び電流（及び各水電解セルの電圧及び電流）を計測可能である。
【００３３】
制御部８は、ポンプ５、ポンプ６及び電力供給部７の運転動作や停止動作などを制御する情報処理装置であり、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ：ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｌｏｇｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）に例示される。ＰＬＣは内蔵するメモリーに書き込まれた、本実施の形態に係る水電解装置の動作方法を記述したシーケンスラダープログラムを実行し、計測や演算を実施してポンプ５やポンプ６や電力供給部７や第１弁Ｖ２１、第２弁Ｖ２２、第３弁Ｖ２３のようなハードウエアを制御する。
【００３４】
以上のように、第１水供給排出部５０内の水は、酸素気液分離部２−第１配管１１−水電解スタック４（の各水電解セルの陽極）−第２配管１２−酸素気液分離部２の循環経路をポンプ５により循環する。この経路及び水を酸素系の循環経路及び水ともいう。また、第２水供給排出部６０内の水は、水素気液分離部３−第４配管１５−水電解スタック４（の各水電解セルの陰極）−第５配管１６−水素気液分離部３の循環経路をポンプ６により循環する。この経路及び水を水素系の循環経路及び水ともいう。各循環経路には適宜、流量や圧力を調整する弁を設けても良い。両循環経路は、電解質膜への影響を考慮して、概ね同圧になるように制御されることが好ましい。
【００３５】
次に、本発明の第１の実施の形態に係る水電解装置の動作方法に関して説明する。図２は、本発明の第１の実施の形態に係る水電解装置の動作方法を示すフローチャートである。
【００３６】
水電解装置１は、通常の運転動作では、水を電気分解して気体の水素及び気体の酸素を生成する。具体的には、以下の動作を行う。酸素気液分離部２の水は、制御部８の制御に基づくポンプ５の運転により、水電解スタック４へ所定の流量で第１配管１１を介して供給される。それにより、水電解スタック４の各水電解セルの陽極に水が供給される。一方、水素気液分離部３の水は、制御部８の制御に基づくポンプ６の運転により、水電解スタック４へ所定の流量で第４配管１５を介して供給される。それにより、水電解スタック４の各水電解セルの陰極に水が供給される。陽極側に供給された水は、水電解スタック４の各水電解セルにおいて、制御部８の制御に基づき電力供給部７から供給され、陽極と陰極との間に印加された電圧により電気分解される。それにより、各水電解セルの陽極側に酸素（ガス）が生成し、陰極側に水素（ガス）が生成される。このとき、各水電解セルの陽極側の酸素は、未反応の水（余剰水）の循環に伴って、酸素気液分離部２へ第２配管１２を介して送出される。各水電解セルの陰極側の水素は、電解質膜を透過した水及び供給された水（余剰水）の循環に伴って、水素気液分離部３へ第５配管１６を介して送出される。余剰水中の酸素は、酸素気液分離部２により余剰水から分離され、外部へ送出される。余剰水中の水素は、水素気液分離部３により余剰水から分離され、外部へ送出される。
【００３７】
水電解装置１は、停止（緊急停止を含む）の運転動作では、水の電気分解を停止するとともに、以下の停止動作を行う。
制御部８は、ユーザによる入力や、各種センサ（例示：各配管や容器９に設けられた圧力センサ、各配管の近傍や容器９に設けられたガスセンサ、各配管や容器９や水電解セルに設けられた温度センサ、水電解セルの電流や電圧を計測する電流計や電圧計；以上、図示されず）の値を参照して、水電解装置１を停止するか否か判定する（ステップＳ０１）。例えば、所定の閾値を超えるような、異常な圧力や温度や電流・電圧を検出した場合や、ガス漏れを検知した場合などにおいて、水電解装置１を停止すべき状態であると判定する。水電解装置１を停止すると判定した場合、電力供給部７は、制御部８の制御に基づいて、水電解スタック４への電力の供給を停止する（ステップＳ０２）。それにより、水の電気分解が停止される。
【００３８】
水の電気分解が停止して所定の時間経過後、ポンプ５及びポンプ６は、制御部８の制御に基づいて、運転を停止する（ステップＳ０３）。水の電気分解が停止しても、ポンプ５及びポンプ６を所定の時間だけ運転することで、陽極近傍の酸素及び陰極近傍の水素を水電解セルから強制的に除去することができる。この場合、できるだけ早期に酸素及び水素を除去するために、水の流量を一時的に大きくするように、ポンプ５及びポンプ６を制御しても良い。
【００３９】
次に、第１水供給排出部５０において、制御部８の制御により、第１弁Ｖ２１及び第２弁Ｖ２２（酸素系循環経路の配管遮断用の弁）が閉止される（ステップＳ０４）。これにより、酸素気液分離部２、第１弁Ｖ２１よりも酸素気液分離部２側の第１配管１１、及び第２弁Ｖ２２よりも酸素気液分離部２側の第２配管１２が、水電解スタック４から切り離される。すなわち、酸素系の循環経路（酸素気液分離部２を含む）を水電解スタック４から切り離すことができる。その結果、もし仮に水電解スタック４において燃焼反応などが発生した場合であっても、第１配管１１や第２配管１２を通じた水電解スタック４から酸素系の循環経路への水、ガス、焼損物質などの移動を停止させることができる。
【００４０】
続いて、第１水供給排出部５０において、制御部８の制御により、第１弁Ｖ２１及び第２弁Ｖ２２の閉止後に第３弁Ｖ２３（均圧化用の弁）が開放される（ステップＳ０５）。これにより、第１弁Ｖ２１よりも容器９側の第１配管１１ａ及び第２弁Ｖ２２よりも容器９側の第２配管１２ａを、容器９と均圧化する。すなわち、第１弁Ｖ２１及び第２弁Ｖ２２よりも容器９側の酸素系の循環経路（酸素気液分離部２を含む）と水素系の循環経路との差圧発生を防止する。その結果、水素系の循環経路から酸素系の循環経路への水、ガス、焼損物質などの移動を停止することができる。また、第１弁Ｖ２１及び第２弁Ｖ２２よりも容器９側の酸素系の循環経路で高圧が発生した場合でも、その高圧を、第１配管１１ａ、第２配管１２ａ及び水電解スタック４の各水電解セルの陽極に閉止することなく、純水で満たされた容器９内に逃がすことができ、かつ水電解セルの陽極と均圧化を図ることができる。
【００４１】
以上のようにして、本発明の第１の実施の形態に係る水電解装置の動作方法が実行される。
【００４２】
上記の動作方法において、水電解スタック４及び／又は水素系の循環経路から酸素系の循環経路への水、ガス、焼損物質などの移動を停止する緊急性が高い場合には、（すなわち膜の損傷が生じた兆候すなわち、スタック・セルに関する各部温度上昇、過大な圧力上昇、電圧・電流の急変を検知した場合には、）ステップＳ０３における所定の時間経過を待たずに直ちにポンプを停止して、ステップＳ０４へ移行しても良い。それにより、極めて早期に、水電解スタック４及び／又は水素系の循環経路から酸素系の循環経路への水、ガス、焼損物質などの移動を停止することができる。また、ステップＳ０４とステップＳ０５とは、停止の完了を速めるために、ほぼ同時に行われることが好ましい。
【００４３】
本実施の形態では、（緊急）停止時に、酸素系の循環経路（酸素気液分離部２を含む）を水電解スタック４から切り離すことができる。それにより、もし仮に水電解スタック４において異常が発生した場合であっても、水電解スタック４から酸素系の循環経路への水、ガス、焼損物質などの移動を停止させることができる。さらに、配管遮断用の弁（閉止済み）よりも容器９側の酸素系の循環経路（水電解スタック４の各水電解セルの陰極を含む）と水素系の循環経路との差圧発生を防止することができる。それにより、もし仮に水電解スタック４において異常が発生した場合であっても、差圧による破損の拡大や、水素系の循環経路から酸素系の循環経路への水、ガス、焼損物質などの移動を停止することができる。特に酸素側への物質移動は、非特許文献１、２にあるように、大きな事故につながる場合がある。従って、酸素系循環経路への物質移動が防止された本実施の形態により、故障や異常事態が発生しても、より安全に水電解装置を停止することが可能となる。
【００４４】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係る水電解装置の構成について説明する。図３は、本発明の第２の実施の形態に係る水電解装置の構成を模式的に示すブロック図である。本実施の形態に係る水電解装置１ａは、第１の実施の形態の水電解装置１（図１）と比較して、容器９内の水（純水）を循環する構成を更に具備している点で相違している。以下、第１の実施の形態の水電解装置１と相違する点について主に説明する。
【００４５】
水電解装置１ａは、更に、容器用配管４１と、容器用ポンプ４２とを具備している。容器用配管４１は、気液分離器２１と容器９とを接続している。容器用ポンプ４２は、容器用配管４１の途中に設けられている。容器用ポンプ４２は制御部８に制御される。容器９内の水は、気液分離器２１−容器用配管４１（容器用ポンプ４２）−容器９−第６配管１８（途中まで）−気液分離器２１の循環経路を循環する。この第６配管１８（、気液分離器２１）、容器用配管４１、容器用ポンプ４２は、容器９内の水を循環させる容器内水循環部と見ることができる。
【００４６】
次に、本発明の第２の実施の形態に係る水電解装置の動作方法に関して説明する。本実施の形態に係る水電解装置の動作方法については、通常の運転動作では、上記容器内水循環部を動作させる点、及び、停止（緊急停止を含む）の運転動作では上記容器内水循環部を停止させる点（停止させるタイミングは、ステップＳ０１より後であれば可）、以外は第１の実施の形態の場合と同様である。
【００４７】
本実施の形態についても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
更に、このような容器内水循環部を設けることで、水電解スタック４からガス（酸素又は水素）の微小リークがあった場合、容器９の内部にガス溜まりが出来るのを防止することができる。それにより、予期せぬ燃焼反応等をより確実に防止することができる。また、この容器内水循環部に不純物除去装置（例示：イオン交換樹脂）を設ければ、水電解スタック４を覆う水（純水）の純度を保つことができる。それにより、容器９内の機器や各配管の腐食等をより確実に防止し、安全をより向上させることができる。
【００４８】
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態に係る水電解装置の構成について説明する。図４は、本発明の第３の実施の形態に係る水電解装置の構成を模式的に示すブロック図である。本実施の形態に係る水電解装置１ｂは、第１の実施の形態の水電解装置１（図１）と比較して、容器９内の水（純水）を循環するようにしている点、水電解セルの陰極に供給する水と容器９内の水とが共通である点で相違している。それに伴い、第２水供給排水部６０の構成が第１の実施の形態と相違している。以下、第１の実施の形態の水電解装置１と相違する点について主に説明する。
【００４９】
第２水供給排出部６０は、水電解スタック４の（水電解セルの）陰極に対して水を供給し、及び、生成した水素と余剰水とを陰極から排出する。第２水供給排出部６０は、第４配管１５、１５ｂと、第６配管１８ｂと、第５配管１６と、水素気液分離部３と、ポンプ６とを備えている。第４配管１５、１５ｂは、水素気液分離部３と容器９とを接続し、容器９に水を供給する。第６配管１８ｂは、容器９と水電解スタック４（陰極側）とを接続し、水電解スタック４の（水電解セルの）陰極に水を供給する。第５配管１６は、水電解スタック４（陰極側）と水素気液分離部３とを接続し、陰極の水素及び余剰水を水電解スタック４から排出する。水素気液分離部３は、水供給装置（図示されず）から水電解用の水を供給され、貯蔵する。その水は、水電解反応に直接的には寄与しないが、水電解スタック４の各水電解セルの陰極側に、第４配管１５、１５ｂ−容器９−第６配管１８ｂの経路を介して供給される。水素気液分離部３は、水電解スタック４の各水電解セルで生成された水素と余剰水とを第５配管１６を介して受け取る。そして、生成された水素を水から分離する。分離された水素は、外部へ送出される。ポンプ６は、第４配管１５の途中に設けられている。第４配管１５を介して、水素気液分離部３の水を受け取り、容器９へ供給する。第４配管１５、１５ｂ又は第６配管１８ｂと水電解スタック４の陰極側と第５配管１６を介して、第２水供給排出部６０と容器９とは均圧化されている。この場合、水素系循環経路の配管内に水電解スタック４を配置していると見ることもできる。
【００５０】
以上のように、第２水供給排出部６０内の水は、水素気液分離部３−第４配管１５、１５ｂ−容器９−第６配管１８ｂ−水電解スタック４（の各水電解セルの陰極）−第５配管１６−水素気液分離部３の循環経路をポンプ６により循環する。この経路及び水を水素系の循環経路及び水ともいう。酸素系の循環経路及び水については、第１の実施の形態等同様である。各循環経路には適宜、流量や圧力を調整する弁を設けても良い。両循環経路は、電解質膜への影響を考慮して、概ね同圧になるように制御されることが好ましい。
【００５１】
次に、本発明の第３の実施の形態に係る水電解装置の動作方法に関して説明する。本実施の形態に係る水電解装置の動作方法については、通常の運転動作において、上述した容器９を含む水素系の循環経路の水を水電解スタック４の（各水電解セルの）陰極に供給する点、以外は第１の実施の形態の場合と同様である。
【００５２】
本実施の形態についても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
更に、このような水素系の循環経路を設けることで、この水素系の循環経路に不純物除去装置（例示：イオン交換樹脂）を設ければ、水電解スタック４を覆う水（純水）及び陰極に供給される水の純度を保つことができる。それにより、ポンプの数量を増やすことなく、容器９内の機器や各配管の腐食等や陰極や電解質膜の劣化等をより確実に防止し、安全をより向上させることができる。
【００５３】
（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施の形態に係る水電解装置の構成について説明する。図５は、本発明の第４の実施の形態に係る水電解装置の構成を模式的に示すブロック図である。本実施の形態に係る水電解装置１ｃは、第１の実施の形態の水電解装置１（図１）と比較して、容器９内の水（純水）を循環するようにしている点、水電解セルの陰極に供給する水と容器９内の水とが共通である点で相違している。それに伴い、第２水供給排水部６０の構成が第１の実施の形態と相違している。以下、第１の実施の形態の水電解装置１と相違する点について主に説明する。
【００５４】
第２水供給排出部６０は、水電解スタック４の（水電解セルの）陰極に対して水を供給し、及び、生成した水素と余剰水とを陰極から排出する。第２水供給排出部６０は、第４配管１５、１５ａと、第６配管１８ｃと、第７配管１７ｃ、第５配管１６と、水素気液分離部３と、ポンプ６とを備えている。第４配管１５、１５ａは、水素気液分離部３と水電解スタック４（陰極側）とを接続し、水電解スタック４の（水電解セルの）陰極に水を供給する。第７配管１７ｃは、第４配管１５ａの途中から分岐して容器９に接続され、容器９に水を供給する。第６配管１８ｃは、容器９と水素気液分離部３とを接続し、容器９の水を水素気液分離部３へ送出している。第５配管１６は、水電解スタック４（陰極側）と水素気液分離部３とを接続し、陰極の水素及び余剰水を水電解スタック４から排出する。水素気液分離部３は、水供給装置（図示されず）から水電解用の水を供給され、貯蔵する。その水は、水電解反応に直接的には寄与しないが、水電解スタック４の各水電解セルの陰極側に第４配管１５、１５ａを介して供給される。水素気液分離部３は、水電解スタック４の各水電解セルで生成された水素と余剰水とを第５配管１６を介して受け取る。そして、生成された水素を水から分離する。分離された水素は、外部へ送出される。更に、容器９の水を第６配管１８ｃから受け取る。ポンプ６は、第４配管１５の途中に設けられている。第４配管１５を介して、水素気液分離部３の水を受け取り、水電解スタック４（陰極側）及び容器９へ供給する。第６配管１８ｃ又は第７配管１７ｃを介して、第２水供給排出部６０と容器９とは均圧化されている。
【００５５】
以上のように、第２水供給排出部６０内の水は、水素気液分離部３−第４配管１５、１５ａ−水電解スタック４（の各水電解セルの陰極）−第５配管１６−水素気液分離部３、及び、水素気液分離部３−第４配管１５−第７配管１７ｃ−容器９−第６配管１８ｃ−水素気液分離部３、という二つの並列の循環経路（第４配管１５，１５ａを途中まで共用）をポンプ６により循環する。この経路及び水を水素系の循環経路及び水ともいう。酸素系の循環経路及び水については、第１の実施の形態等同様である。各循環経路には適宜、流量や圧力を調整する弁を設けても良い。両循環経路は、電解質膜への影響を考慮して、概ね同圧になるように制御されることが好ましい。
【００５６】
次に、本発明の第４の実施の形態に係る水電解装置の動作方法に関して説明する。本実施の形態に係る水電解装置の動作方法については、通常の運転動作において、上述した二つの並列した水素系の循環経路の水を水電解スタック４の（各水電解セルの）陰極及び容器９に供給する点、以外は第１の実施の形態の場合と同様である。
【００５７】
本実施の形態についても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
更に、このような水素系の循環経路を設けることで、この水素系の循環経路に不純物除去装置（例示：イオン交換樹脂）を設ければ、水電解スタック４を覆う水（純水）及び陰極に供給される水の純度を保つことができる。それにより、ポンプの数量を増やすことなく容器９内の機器や各配管の腐食等や陰極や電解質膜の劣化等をより確実に防止し、安全をより向上させることができる。
【００５８】
（第５の実施の形態）
本発明の第５の実施の形態に係る水電解装置の構成について説明する。図６は、本発明の第５の実施の形態に係る水電解装置の構成を模式的に示すブロック図である。本実施の形態に係る水電解装置１ｄは、第２の実施の形態の水電解装置１ａ（図３）と比較して、水素系の循環経路にも弁が設けられている点で相違している。それに伴い、第２水供給排水部６０の構成が第２の実施の形態と相違している。以下、第２の実施の形態の水電解装置１ａと相違する点について主に説明する。
【００５９】
第２水供給排出部６０は、水電解スタック４の（水電解セルの）陰極に対して水を供給し、及び、生成した水素と余剰水とを陰極から排出する。第２水供給排出部６０は、第４配管１５、１５ａと、第４弁Ｖ１１と、第５配管１６、１６ａと、第５弁Ｖ１２と、第７配管１７と、第７弁Ｖ１３と、水素気液分離部３と、ポンプ６と、第６配管１８と、第６弁Ｖ１４と、気液分離部２１とを備えている。第４弁Ｖ１１は、第４配管１５の途中に設けられている。通常の運転時には解放され、（緊急）停止時に閉止される。第５弁Ｖ１２は、第５配管１６の途中に設けられている。通常の運転時には解放され、（緊急）停止時に閉止される。第７配管１７は、第４弁Ｖ１１よりも容器９側の第４配管１５ａ又は第５弁Ｖ１２よりも容器９側の第５配管１６ａと、容器９とを接続している。容器９に接続された第４配管１５ａ又は第５配管１６ａと容器９とを均圧化するために使用される。図６では、第４弁Ｖ１１よりも容器９側の第４配管１５ａと、容器９とを接続している。第７弁Ｖ１３は、第７配管１７の途中に設けられている。通常の運転時には閉止され、（緊急）停止時に開放される。第６弁Ｖ１４は、第６配管１８の途中に設けられている。通常の運転時には解放され、（緊急）停止時に閉止される。第４弁Ｖ１１、第５弁Ｖ１２、第７弁Ｖ１３及び第６弁Ｖ１４は、制御部８に制御される。第４配管１５、第５配管１６、第６配管１８、水素気液分離部３、ポンプ６、気液分離部２１については、第２の実施の形態と同様である。第６配管１８を介して、第２水供給排出部６０と容器９とは均圧化されている。なお、本実施の形態では、圧力降下弁ＲＶが、気液分離部２１に設けられている。
【００６０】
次に、本発明の第５の実施の形態に係る水電解装置の動作方法に関して説明する。本実施の形態に係る水電解装置の動作方法については、以下の点以外は第２の実施の形態の場合と同様である。すなわち、通常の運転動作では、第４弁Ｖ１１、第５弁Ｖ１２、第６弁Ｖ１４及び第７弁Ｖ１３が存在し、第４弁Ｖ１１、第５弁Ｖ１２及び第６弁Ｖ１４が開放され、第７弁Ｖ１３が閉止している点である。停止（緊急停止を含む）の運転動作では、ステップＳ０４において、更に第４弁Ｖ１１、第５弁Ｖ１２及び第６弁Ｖ１４（水素系循環経路の配管遮断用の弁）が閉止され、ステップＳ０５において、第７弁Ｖ１３（均圧化用の弁）が開放される点である。
【００６１】
上記ステップＳ０４の追加の動作により、水素気液分離部３、第４弁Ｖ１１よりも水素気液分離部３側の第４配管１５、及び第５弁Ｖ１２よりも水素気液分離部３側の第５配管１６が、水電解スタック４から切り離される。すなわち、水素系の循環経路を水電解スタック４から切り離すことができる。その結果、もし仮に水電解スタック４において燃焼反応などが発生した場合であっても、第４配管１５や第５配管１６を通じた水電解スタック４から水素系の循環経路（水素気液分離部３を含む）への水、ガス、焼損物質などの移動を停止させることができる。
【００６２】
上記ステップＳ０５の動作では、第１弁Ｖ２１よりも容器９側の第１配管１１及び第２弁Ｖ２２よりも容器９側の第２配管１２も、容器９と均圧化する。すなわち、第４弁Ｖ１１及び第５弁Ｖ１２よりも容器９側の水素系の循環経路と酸素系の循環経路との差圧発生を防止する。その結果、差圧による破損の拡大を防止することができる。また、第４弁Ｖ１１及び第５弁Ｖ１２よりも容器９側の水素系の循環経路で高圧が発生した場合でも、第４配管１５ａ、第５配管１６ａ及び水電解スタック４の各水電解セルの陰極に閉止することなく、その高圧を、純水で満たされた容器９内に逃がすことができる。
【００６３】
本実施の形態についても、第２の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
酸素系の循環管路だけでなく、更、水素系の循環管路も水電解スタック４や容器９から遮断されるので、水電解装置１ｄの安全性をより高めることができる。
【００６４】
（第６の実施の形態）
本発明の第６の実施の形態に係る水電解装置の構成について説明する。図７は、本発明の第６の実施の形態に係る水電解装置の構成を模式的に示すブロック図である。本実施の形態に係る水電解装置１ｅは、第３の実施の形態の水電解装置１ｂ（図４）と比較して、水素系の循環経路にも弁が設けられている点で相違している。それに伴い、第２水供給排水部６０の構成が第３の実施の形態と相違している。以下、第３の実施の形態の水電解装置１ｂと相違する点について主に説明する。
【００６５】
第２水供給排出部６０は、水電解スタック４の（水電解セルの）陰極に対して水を供給し、及び、生成した水素と余剰水とを陰極から排出する。第２水供給排出部６０は、第４配管１５、１５ｂと、第４弁Ｖ１１と、第６配管１８ｂと、第５配管１６と、第５弁Ｖ１２と、水素気液分離部３と、ポンプ６とを備えている。第４弁Ｖ１１は、第４配管１５、１５ｂの途中に設けられている。通常の運転時には解放され、（緊急）停止時に閉止される。第５弁Ｖ１２は、第５配管１６の途中に設けられている。通常の運転時には解放され、（緊急）停止時に閉止される。第４弁Ｖ１１と第５弁Ｖ１２は、制御部８に制御される。第４配管１５、１５ｂ、第６配管１８ｂ、第５配管１６、水素気液分離部３及びポンプ６については、第３の実施の形態と同様である。第４配管１５、１５ｂ又は第６配管１８ｂと水電解スタック４の陰極側と第５配管１６を介して、第２水供給排出部６０と容器９とは均圧化されている。この場合、水素系循環経路の配管内に水電解スタック４を配置していると見ることもできる。なお、本実施の形態では、圧力降下弁ＲＶが容器９（耐圧容器）の本体に直接設けられていている。
【００６６】
次に、本発明の第６の実施の形態に係る水電解装置の動作方法に関して説明する。本実施の形態に係る水電解装置の動作方法については、以下の点以外は第３の実施の形態の場合と同様である。すなわち、通常の運転動作では、第４弁Ｖ１１及び第５弁Ｖ１２が存在し、第４弁Ｖ１１及び第５弁Ｖ１２が開放されている点である。停止（緊急停止を含む）の運転動作では、ステップＳ０４において、更に第４弁Ｖ１１及び第５弁Ｖ１２（水素系循環経路の配管遮断用の弁）が閉止される点である。
【００６７】
上記ステップＳ０４の追加の動作により、水素気液分離部３、第４弁Ｖ１１よりも水素気液分離部３側の第４配管１５、及び第５弁Ｖ１２よりも水素気液分離部３側の第５配管１６が、水電解スタック４から切り離される。すなわち、水素系の循環経路（水素気液分離部３を含む）を水電解スタック４から切り離すことができる。その結果、もし仮に水電解スタック４において燃焼反応などが発生した場合であっても、第４配管１５や第５配管１６を通じた水電解スタック４から水素系の循環経路への水、ガス、焼損物質などの移動を停止させることができる。容器９側の水素系の循環経路で高圧が発生した場合は、一旦、耐圧性の容器９内に満たされた純水中に圧力が放出された後に、圧力降下弁ＲＶから排出できる。
【００６８】
本実施の形態についても、第３の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
酸素系の循環管路だけでなく、更、水素系の循環管路も水電解スタック４や容器９から遮断されるので、水電解装置１ｅの安全性をより高めることができる。
【００６９】
（第７の実施の形態）
本発明の第７の実施の形態に係る水電解装置の構成について説明する。図８は、本発明の第７の実施の形態に係る水電解装置の構成を模式的に示すブロック図である。本実施の形態に係る水電解装置１ｆは、第４の実施の形態の水電解装置１ｃ（図５）と比較して、水素系の循環経路にも弁が設けられている点で相違している。それに伴い、第２水供給排水部６０の構成が第４の実施の形態と相違している。以下、第４の実施の形態の水電解装置１ｃと相違する点について主に説明する。
【００７０】
第２水供給排出部６０は、水電解スタック４の（水電解セルの）陰極に対して水を供給し、及び、生成した水素と余剰水とを陰極から排出する。第２水供給排出部６０は、第４配管１５、１５ａと、第４弁Ｖ１１と、第５配管１６と、第５弁Ｖ１２と、第６配管１８ｃと、第６弁Ｖ１４と、第７配管１７ｃと、水素気液分離部３と、ポンプ６とを備えている。第４弁Ｖ１１は、第４配管１５の途中に設けられている。通常の運転時には解放され、（緊急）停止時に閉止される。第５弁Ｖ１２は、第５配管１６の途中に設けられている。通常の運転時には解放され、（緊急）停止時に閉止される。第６弁Ｖ１４は、第６配管１８ｃの途中に設けられている。通常の運転時には解放され、（緊急）停止時に閉止される。第４弁Ｖ１１、第５弁Ｖ１２及び第６弁Ｖ１４は、制御部８に制御される。第４配管１５、１５ａ、第５配管１６、第６配管１８ｃ、第７配管１７ｃ、水素気液分離部３及びポンプ６については、第４の実施の形態と同様である。第６配管１８ｃ又は第７配管１７ｃを介して、第２水供給排出部６０と容器９とは均圧化されている。
【００７１】
次に、本発明の第７の実施の形態に係る水電解装置の動作方法に関して説明する。本実施の形態に係る水電解装置の動作方法については、以下の点以外は第４の実施の形態の場合と同様である。すなわち、通常の運転動作では、第４弁Ｖ１１、第５弁Ｖ１２及び第６弁Ｖ１４が存在し、第４弁Ｖ１１、第５弁Ｖ１２及び第６弁Ｖ１４が開放されている点である。停止（緊急停止を含む）の運転動作では、ステップＳ０４において、更に第４弁Ｖ１１、第５弁Ｖ１２及び第６弁Ｖ１４（水素系循環経路の配管遮断用の弁）が閉止される点である。
【００７２】
上記ステップＳ０４の追加の動作により、水素気液分離部３、第４弁Ｖ１１よりも水素気液分離部３側の第４配管１５ａ、第５弁Ｖ１２よりも水素気液分離部３側の第５配管１６、第６弁Ｖ１４よりも水素気液分離部３側の第６配管１８ｃが、水電解スタック４から切り離される。すなわち、水素系の循環経路（水素気液分離部３を含む）を水電解スタック４から切り離すことができる。その結果、もし仮に水電解スタック４において燃焼反応などが発生した場合であっても、第４配管１５や第５配管１６や第６配管１８ｃを通じた水電解スタック４から水素系の循環経路への水、ガス、焼損物質などの移動を停止させることができる。
【００７３】
本実施の形態についても、第４の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
酸素系の循環管路だけでなく、更、水素系の循環管路も水電解スタック４や容器９から遮断されるので、水電解装置１ｆの安全性をより高めることができる。
【００７４】
以上説明されたように、本発明の実施の形態は以下の効果を有する。
本発明の第１〜４の実施の形態では、酸素系の循環管路にのみ遮断弁（第１弁Ｖ２１、第２弁Ｖ２２、第３弁Ｖ２３）が設けられている。そのため、酸素系の循環管路の遮断弁を閉鎖することによって、支燃性が高く物質を選ぶことなく燃焼させる危険な酸素を含む酸素系の循環管路を、水電解スタック４や水素系の循環管路から遮断することができる。
【００７５】
加えて、ポンプ５（酸素側）により酸素系の循環管路に水を循環させておくことによって、ガス保有量の少ない水電解スタック４近傍のみで第３弁Ｖ２３を「開」とし、その酸素系の循環管路を水素系の循環管路へ均圧させて、損傷しやすい電解質膜を差圧から保護することが可能となる。ガス保有量が少ない理由はポンプ５で常に発生したガス（酸素）を水電解スタック４近傍から押出しているためである。
【００７６】
更に、上記の通り水素側に圧力降下弁ＲＶを設けている。水電解スタック４近傍にて圧力が上昇した場合には比較的安全な水素側から、且つ、一箇所から減圧できる。酸素側から減圧することは、支燃性が高く物質を選ぶことなく燃焼させる危険な酸素を含む酸素系の循環経路中への損傷物の流入などを招き危険である。そのおそれが無い水素側からの減圧により安全性が向上する。また、一系統から減圧することで、水素系と酸素系との差圧発生を防止でき、安全性が向上する。これにより、損傷しやすい電解質膜を差圧から保護することが可能となると同時に、減圧後の差圧による酸素側への焼損物流入も防止できる。
【００７７】
本発明の第５〜７の実施の形態では、酸素系の循環管路だけでなく水素系の循環管路にも遮断弁（第４弁Ｖ１１、第５弁Ｖ１２、第７弁Ｖ１３、第６弁Ｖ１４）が設けられている。すなわち、更に水素系の循環管路の気相と遮断する第４弁Ｖ１１、第５弁１２が遮断した後、第５の実施の形態であれば「開」とした第７弁Ｖ１３を介して、第６の実施の形態であれば第６配管１８ｂを介して、第７の実施の形態であれば、第７配管１７ｃを介して、水素系の循環管路の水電解スタック４近傍（ここもガス保有量は極少）が水に満たされた耐圧容器内に均圧化される。それによって、水電解スタック４近傍にて圧力が上昇した場合に、圧縮されたガスが少なくほとんどが非圧縮性の水で満たされた部位＝水電解スタック４近傍の水素系及び酸素系循環管路や耐圧性の容器９内部から減圧すればよく、容器９に設けた圧力降下弁ＲＶからすばやく安全に減圧することができる。
【００７８】
本発明は上記各実施の形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施の形態は適宜変形又は変更され得ることは明らかである。各実施の形態の技術は、技術的に矛盾の発生しない限り相互に適用可能である。
【符号の説明】
【００７９】
Ｖ２１ 第１弁
Ｖ２２ 第２弁
Ｖ２３ 第３弁
Ｖ１１ 第４弁
Ｖ１２ 第５弁
Ｖ１３ 第７弁
Ｖ１４ 第６弁
ＲＶ 圧力降下弁
１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ 水電解装置
２ 酸素気液分離部
３ 水素気液分離部
４ 水電解スタック
５ ポンプ
６ ポンプ
９ 容器
１１ 第１配管
１２ 第２配管
１３ 第３配管
１５、１５ａ、１５ｂ 第４配管
１６、１６ａ 第５配管
１７、１７ｃ 第７配管
１８、１８ｂ、１８ｃ 第６配管
２１ 気液分離部
４１ 容器用配管
４２ 容器用ポンプ
５０ 第１水供給排出部
６０ 第２水供給排出部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水電解装置及び水電解装置の動作方法に関し、特に安全性を向上させた水電解装置及び水電解装置の動作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
水を電気分解して酸素（ガス）と水素（ガス）とを生成する水電解装置が知られている。水電解装置では、支燃性ガスである酸素と可燃性ガスである水素とが同時に比較的高純度で生成される。そのため、水電解装置は、故障や異常事態が発生しても、それらガスによる燃焼や爆発を起こさないような高い安全性が要求されている。特に、近年の水素需要の高まりから、比較的高い圧力で運転される水電解装置が増加しており、安全性の更なる向上が望まれている。
【０００３】
水電解装置において、過去に発生した事故に関する報告が、非特許文献１（九州大学水素ステーション事故調査／報告書（第３報）要約版）及び非特許文献２（高圧ガス事故概要報告２００５−４１５水素ステーション実証試験設備の爆発）に開示されている。非特許文献１及び非特許文献２において、事故の過程は概ね次のように報告されている。（１）事故は、電解セルの異常により高温高圧が発生して安全弁が作動した過程（第一段階）と、これに伴って発生した高温高圧と物質移動（配管を通じた水、ガス、異物の移動）により最終的に酸素側配管で燃焼と破裂が起きた過程（第二段階）とに分けて整理できる。（２）第一段階：電解セル内のある一部におけるチタン電極の発熱反応、又は、酸素と水素の混合気の発熱反応等により、電解セルの一部で異常反応が開始した。その後、圧力の異常が検知されて、電流が停止された。しかし、電解を停止した後も異常反応は続いた。電解セルの異常反応によって、高温、高圧が発生した。それにより、水素配管、酸素配管において安全弁が作動し、圧力は一旦降下した。（３）第二段階：電解セルの異常反応が続いたため再び系全体の圧力が上昇した。一方、電解セルで異常反応が生じた直後から、反応生成物、電解セルの破壊で生じた破片及び水素が循環水に運ばれ、酸素分離タンクに達し、更に安全弁に至る酸素配管にまで到達した。これらが酸素雰囲気中で燃焼することにより局所的な過大圧力を発生した。さらには圧力波が、先端が閉じた配管内に伝わり急激な圧縮を生じて局所的な過大圧力を発生した。その結果、酸素配管の延性破壊をもたらした。
【０００４】
関連する技術として、特許文献１（特開２０１０−１２１１４６号公報）に固体高分子型水電解装置が開示されている。この固体高分子型水電解装置は、水電解槽と、水素気液分離器と、酸素気液分離器と、水循環ラインと、水素取出しラインと、酸素取出しラインと、水素排出ラインと、酸素排出ラインとを備えている。水電解槽は、高分子電解質膜を用いて水を電解し、陽極に酸素、陰極に水素を発生させる。水素気液分離器は、水電解槽の陰極にて発生した水素と水を分離する。酸素気液分離器は、水電解槽の陽極にて発生した酸素と水を分離する。水循環ラインは、水電解槽の陽極側へ水を供給するように水を循環させる循環ポンプを含む。水素取出しラインは、水電解槽と水素気液分離器との間に設けられている。酸素取出しラインは、水電解槽と酸素気液分離器との間に設けられている。水素排出ラインは、水素気液分離器に設けられている。酸素排出ラインは、酸素気液分離器に設けられている。この固体高分子型水電解装置において、水電解槽内の状態を検知するための少なくとも１つの計測機器と、水循環ライン、水素取出しラインおよび酸素取出しラインにそれぞれ設けられた遮断弁と、計測機器からの信号を処理して異常時に遮断弁の閉鎖信号を出力する制御手段とをさらに備えている。
【０００５】
また、気体の水素及び酸素を製造する技術として特許文献２（特開２００５−３３０５１４号公報）に水電解装置及び方法が開示されている。この水電解装置は、浄化層と、仕切り板と、水電解スタックと、水供給管と、第１の送給管と、第２の送給管と、水素排出部と、酸素排出部とを具備してなる。浄化層は、容器本体内に設けられ、循環する循環水を浄化する。仕切り板は、容器本体の頂部から垂下し、容器本体内を第１の部屋と第２の部屋とに分離する。水電解スタックは、容器本体の外部に設けられ、循環水を電気分解して水素と酸素を発生する。水供給管は、水電解スタックに浄化した循環水を供給する。第１の送給管は、水電解スタックから循環水に同伴されてなる水素／水・二層流を容器本体の第１の部屋に送給する。第２の送給管は、水電解スタックから循環水に同伴されてなる酸素／水・二層流を容器本体の第２の部屋に送給する。水素排出部は、第１の部屋から水素を排出する。酸素排出部は、第２の部屋から酸素を排出する。水電解スタックに供給する循環水を浄化しつつ自然循環してなる。すなわち、この水電解装置は、水の電気分解により気体の水素を製造している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−１２１１４６号公報
【特許文献２】特開２００５−３３０５１４号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】「九州大学水素ステーション事故調査 報告書（第３報）要約版」、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｋｙｕｓｈｕ−ｕ．ａｃ．ｊｐ／ｎｅｗｓ／ｈｙｄｒｏｇｅｎ／ｈｙｄｒｏｇｅｎｓｕｍｍａｒｙ０３３０．ｐｄｆ
【非特許文献２】「高圧ガス事故概要報告２００５−４１５水素ステーション実証試験設備の爆発」、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｋｈｋ．ｏｒ．ｊｐ／ａｃｔｉｖｉｔｉｅｓ／ｉｎｃｉｄｅｎｔ＿ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ／ｈｐｇ＿ｉｎｃｉｄｅｎｔ／ｐｄｆ／２００５−４１５．ｐｄｆ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、安全性を向上させた水電解装置及び水電解装置の動作方法を提供することにある。
【０００９】
本発明の他の目的は、故障や異常事態が発生しても、より安全に停止することが可能な水電解装置及び水電解装置の動作方法を提供することにある。
【００１０】
この発明のこれらの目的とそれ以外の目的と利益とは以下の説明と添付図面とによって容易に確認することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
以下に、発明を実施するための形態で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、特許請求の範囲の記載と発明を実施するための形態との対応関係を明らかにするために括弧付きで付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、特許請求の範囲に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【００１２】
本発明の水電解装置は、水電解スタック（４）と、第１水供給排出部（５０）と、第２水供給排出部（６０）と、容器（９）とを具備している。水電解スタック（４）は、水の電気分解を行い酸素と水素とを生成する。第１水供給排出部（５０）は、水電解スタック（４）の陽極に対して水の供給及び酸素と余剰水の排出を行う。第２水供給排出部（６０）は、水電解スタック（４）の陰極に対して水の供給及び水素と余剰水の排出を行う。容器（９）は、水電解スタック（４）を水没させて格納する。第２水供給排出部（６０）と容器（９）とは均圧化されている。水電解スタック（４）が停止するとき、第１水供給排出部（５０）は、水電解スタック（４）に対して水の供給及び排出を行う配管を遮断する。遮断された箇所より容器（９）側を容器（９）と均圧化する。
【００１３】
上記の水電解装置において、第１水供給排出部（５０）は、第１配管（１１）と、第１弁（Ｖ２１）と、第２配管（１２）と、第２弁（Ｖ２２）と、第３配管（１３）と、第３弁（Ｖ２３）とを備えていることが好ましい。第１配管（１１）は、水電解スタック（４）の陽極に水を供給する。第１弁（Ｖ２１）は、第１配管（１１）の途中に設けられている。第２配管（１２）は、陽極の余剰水及び酸素を水電解スタック（４）から排出する。第２弁（Ｖ２２）は、第２配管（１２）の途中に設けられている。第３配管（１３）は、第１弁（Ｖ２１）よりも容器（９）側の第１配管（１１ａ）又は第２弁（Ｖ２２）よりも容器（９）側の第２配管（１２ａ）と容器（９）とを接続する。第３弁（Ｖ２３）は、第３配管（１３）の途中に設けられている。水電解スタック（４）が停止するとき、第１弁（Ｖ２１）及び第２弁（Ｖ２２）を閉止し、閉止後に第３弁（Ｖ２３）を開放し、第１弁（Ｖ２１）よりも容器（９）側の第１配管（１１）及び第２弁（Ｖ２２）よりも容器（９）側の第２配管（１２）を、容器（９）と均圧化することが好ましい。
【００１４】
上記の水電解装置において、第２水供給排出部（６０）は、第４配管（１５）と、第５配管（１６）と、水素気液分離部（３）と、第６配管（１８）とを備えていることが好ましい。第４配管（１５）は、水電解スタック（４）の陰極に水を供給する。第５配管（１６）は、陰極の余剰水及び水素を水電解スタック（４）から排出する。水素気液分離部（３）は、第４配管（１５）と第５配管（１６）とに接続され、余剰水と水素とを気液分離する。第６配管（１８）は、水素気液分離部（３）と容器（９）とを接続する。記第６配管（１８）を介して第２水供給排出部（６０）と容器（９）とは均圧化されることが好ましい。
【００１５】
上記の水電解装置において、第２水供給排出部（６０）は、第４弁（Ｖ１１）と、第５弁（Ｖ１２）と、第６弁（Ｖ１４）と、第７配管（１７）と、第７弁（Ｖ１３）とを備えていることが好ましい。第４弁（Ｖ１１）は、第４配管（１５）の途中に設けられている。第５弁（Ｖ１２）は、第５配管（１６）の途中に設けられている。第６弁（Ｖ１４）は、第６配管（１８）の途中に設けられている。第７配管（１７）は、第４弁（Ｖ１１）よりも容器（９）側の第４配管（１５ａ）又は第２弁（Ｖ１２）よりも容器（９）側の第５配管（１６ａ）と容器（９）とを接続する。第７弁（Ｖ１３）は、第７配管（１７）の途中に設けられている。水電解スタック（４）が停止するとき、第４弁（Ｖ１１）、第５弁（Ｖ１２）及び第６弁（Ｖ１４）を閉止し、閉止後に第７弁（Ｖ１３）を開放することが好ましい。
【００１６】
上記の水電解装置において、容器（９）内の水を循環させる容器内水循環部（４１、４２）を更に具備していることが好ましい。
【００１７】
上記の水電解装置において、第２水供給排出部（６０）は、第４配管（１５、１５ｂ）と、第６配管（１８ｂ）と、第５配管（１６）と、水素気液分離部（３）とを備えていることが好ましい。第４配管（１５、１５ｂ）は、容器（９）に水を供給する。第６配管（１８ｂ）は、容器（９）の水を水電解スタック（４）の陰極に供給する。第５配管（１６）は、陰極の余剰水及び水素を水電解スタック（４）から排出する。水素気液分離部（３）は、第４配管（１５）と第５配管（１６）とに接続され、余剰水と水素とを気液分離する。第４配管（１５、１５ｂ）又は第６配管（１８ｂ）と水電解スタック（４）の陰極から第５配管（１６）を介して第２水供給排出部（６０）と容器（９）とは均圧化されることが好ましい。
【００１８】
上記の水電解装置において、第２水供給排出部（６０）は、第４配管（１５ｂ）の途中に設けられた第４弁（Ｖ１１）と、第５配管（１６）の途中に設けられた第５弁（Ｖ１２）とを備えていることが好ましい。水電解スタック（４）が停止するとき、第４弁（Ｖ１１）及び第５弁（Ｖ１２）を閉止することが好ましい。
【００１９】
上記の水電解装置において、第２水供給排出部（６０）は、第４配管（１５）と、第５配管（１６）と、水素気液分離部（３）と、第７配管（１７ｃ）と、第６配管（１８ｃ）とを備えていることが好ましい。第４配管（１５）は、水電解スタック（４）の陰極に水を供給する。第５配管（１６）は、陰極の余剰水及び水素を水電解スタック（４）から排出する。水素気液分離部（３）は、第４配管（１５）と第５配管（１６）とに接続され、余剰水と水素とを気液分離する。第７配管（１７ｃ）は、第４配管（１５）と容器（９）とを接続する。第６配管（１８ｃ）は、水素気液分離部（３）と容器（９）とを接続する。第６配管（１８ｃ）又は第７配管（１７ｃ）を介して第２水供給排出部（６０）と容器（９）とは均圧化されることが好ましい。
【００２０】
上記の水電解装置において、第２水供給排出部（６０）は、第４弁（Ｖ１１）と、第５弁（Ｖ１２）と、第６弁（Ｖ１４）とを備えていることが好ましい。第４弁（Ｖ１１）は、第４配管（１５ａ）の途中に設けられている。第５弁（Ｖ１２）は、第５配管（１６）の途中に設けられている。第６弁（Ｖ１４）は、第６配管（１８ｃ）の途中に設けられている。水電解スタック（４）が停止するとき、第４弁（Ｖ１１）、第５弁（Ｖ１２）及び第６弁（Ｖ１４）を閉止することが好ましい。
【００２１】
上記の水電解装置において、第２水供給排出部（６０）及び容器（９）のうちの一方若しくは両方に設けられ、第２水供給排出部（６０）及び容器（９）の圧力を降下させる圧力降下弁（ＲＶ）を更に具備することが好ましい。
【００２２】
本発明の水電解装置の動作方法において、水電解装置は、水電解スタック（４）と、水電解スタック（４）の陽極に対して水の供給及び酸素と余剰水の排出を行う第１水供給排出部（５０）と、水電解スタック（４）の陰極に対して水の供給及び水素と余剰水の排出を行う第２水供給排出部（６０）と、水電解スタック（４）を水没させて格納する容器（９）とを具備し、第２水供給排出部（６０）と容器（９）とは均圧化されている。水電解装置の動作方法は、水電解スタック（４）が停止するとき、第１水供給排出部（５０）が、水電解スタック（４）に対して水の供給及び排出を行う配管を遮断するステップと、第１水供給排出部（５０）が、遮断された箇所より容器（９）側を容器（９）と均圧化するステップとを具備している。
【発明の効果】
【００２３】
本発明により、水電解装置の安全性を向上させることができる。また、本発明により、水電解装置に故障や異常事態が発生しても、その水電解装置を安全に停止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、本発明の第１の実施の形態に係る水電解装置の構成を模式的に示すブロック図である。
【図２】図２は、本発明の第１の実施の形態に係る水電解装置の動作方法を示すフローチャートである。
【図３】図３は、本発明の第２の実施の形態に係る水電解装置の構成を模式的に示すブロック図である。
【図４】図４は、本発明の第３の実施の形態に係る水電解装置の構成を模式的に示すブロック図である。
【図５】図５は、本発明の第４の実施の形態に係る水電解装置の構成を模式的に示すブロック図である。
【図６】図６は、本発明の第５の実施の形態に係る水電解装置の構成を模式的に示すブロック図である。
【図７】図７は、本発明の第６の実施の形態に係る水電解装置の構成を模式的に示すブロック図である。
【図８】図８は、本発明の第７の実施の形態に係る水電解装置の構成を模式的に示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態に係る水電解装置及び水電解装置の動作方法に関して、添付図面を参照して説明する。
【００２６】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る水電解装置の構成について説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係る水電解装置の構成を模式的に示すブロック図である。水電解装置１は、水を電気分解して気体の水素及び気体の酸素を生成する。水電解装置１は、水電解スタック４と、第１水供給排出部５０と、第２水供給排出部６０と、容器９と、電力供給部７と、制御部８とを具備している。
【００２７】
水電解スタック４は、水を電気分解して酸素と水素とを生成する。例えば直列接続された、複数の水電解セルを備えている。水電解セルは、電解質膜と、その一方の面に設けられた陽極（＋極又はアノード）と、他方の面に設けられた陰極（−極又はカソード）とを備えている。電解質膜は、固体高分子電解質膜であり、パーフルオロスルホン酸膜のようなフッ素系電解質膜に例示される。陽極及び陰極は、その電解質膜に適した公知の材料を用いることができる。水電解スタック４は、各水電解セルの陽極と陰極との間に、電力供給部７からの電圧を印加する。それにより、各水電解セルにおいて、陽極側に供給された水が電気分解されて、陽極側に酸素が生成され、陰極側に水素が生成される。各水電解セルの陽極側の酸素と未反応の水（余剰水）とは、第１水供給排出部５０へ送出される。各水電解セルの陰極側の水素と電解質膜を透過した水及び供給された水（余剰水）とは、第２水供給排出部６０へ送出される。
【００２８】
第１水供給排出部５０は、水電解スタック４の（水電解セルの）陽極に対して水を供給し、及び、生成した酸素と余剰水とを陽極から排出する。第１水供給排出部５０は、第１配管１１と、第１弁Ｖ２１と、第２配管１２と、第２弁Ｖ２２と、第３配管１３と、第３弁Ｖ２３と、酸素気液分離部２と、ポンプ５とを備えている。第１配管１１は、酸素気液分離部２と水電解スタック４（陽極側）とを接続している。水電解スタック４の（水電解セルの）陽極に水を供給する。第１弁Ｖ２１は、第１配管１１の途中に設けられている。通常の運転時には開放され、（緊急）停止時に閉止される。第２配管１２は、水電解スタック４（陽極側）と酸素気液分離部２とを接続している。陽極の酸素及び余剰水を水電解スタック４から排出する。第２弁Ｖ２２は、第２配管１２の途中に設けられている。通常の運転時には開放され、（緊急）停止時に閉止される。第３配管１３は、第１弁Ｖ２１よりも容器９側の第１配管１１ａ又は第２弁Ｖ２２よりも容器９側の第２配管１２ａと、容器９とを接続している。容器９に接続された第１配管１１ａ又は第２配管１２ａと容器９とを均圧化するために使用する。図１では、第１弁Ｖ２１よりも容器９側の第１配管１１ａと、容器９とを接続している。第３弁Ｖ２３は、第３配管１３の途中に設けられている。通常の運転時には閉止され、（緊急）停止時に開放される。酸素気液分離部２は、水供給装置（図示されず）から水電解用の水を供給され、貯蔵する。その水は、水電解スタック４の各水電解セルの陽極側に第１配管１１を介して供給される。酸素気液分離部２は、水電解スタック４の各水電解セルで生成された酸素と余剰水とを第２配管１２を介して受け取る。そして、生成された酸素を水から分離する。分離された酸素は、外部へ送出される。ポンプ５は、第１配管１１の途中に設けられている。第１配管１１を介して、酸素気液分離部２の水を受け取り、水電解スタック４の陽極側へ供給する。
【００２９】
第２水供給排出部６０は、水電解スタック４の（水電解セルの）陰極に対して水を供給し、及び、生成した水素と余剰水とを陰極から排出する。第２水供給排出部６０は、第４配管１５と、第５配管１６と、水素気液分離部３と、ポンプ６と、第６配管１８と、気液分離部２１とを備えている。第４配管１５は、水素気液分離部３と水電解スタック４（陰極側）とを接続している。水電解スタック４の（水電解セルの）陰極に水を供給する。第５配管１６は、水電解スタック４（陰極側）と水素気液分離部３とを接続している。陰極の水素及び余剰水を前記水電解スタック４から排出する。水素気液分離部３は、水供給装置（図示されず）から水電解用の水を供給され、貯蔵する。その水は、水電解反応に直接的には寄与しないが、水電解スタック４の各水電解セルの陰極側に第４配管１５を介して供給される。水素気液分離部３は、水電解スタック４の各水電解セルで生成された水素と余剰水とを第５配管１６を介して受け取る。そして、生成された水素を水から分離する。分離された水素は、外部へ送出される。ポンプ６は、第４配管１５の途中に設けられている。第４配管１５を介して、水素気液分離部３の水を受け取り、水電解スタック４の陰極側へ供給する。第６配管１８は、水素気液分離器３と容器９とを接続している。気液分離部２１は、第６配管１８の途中に設けられ、第６配管１８中の気液を分離する。第６配管１８を介して、第２水供給排出部６０と容器９とは均圧化されている。
【００３０】
なお、気液分離器２１もしくは水素気液分離部３には、圧力降下弁ＲＶが設けられていることが好ましい。図１では、水素気液分離部３に、当該圧力降下弁が設けられている。この圧力降下弁ＲＶは、容器９（耐圧容器）の安全弁（圧力逃がし弁）として機能する。ただし、容器９の本体に直接設けられていても良い。
【００３１】
容器９は、内部に貯蔵した純水中に水電解スタック４を水没させて格納している。すなわち、水電解スタック４は外部を純水で覆われている。このとき、上述のように、その純水は第６配管１８を介して第２水供給排出部６０と均圧化されている。よって容器９の内部は大気圧よりも高い圧力であり、発生する水素ガスと等しい圧力となっている。
【００３２】
電力供給部７は、水電解スタック４の各水電解セルの陽極と陰極との間に印加される水電解用の電圧を、水電解スタック４へ供給する。また、電力供給部７は、水電解スタック４の電圧及び電流（及び各水電解セルの電圧及び電流）を計測可能である。
【００３３】
制御部８は、ポンプ５、ポンプ６及び電力供給部７の運転動作や停止動作などを制御する情報処理装置であり、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ：ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｌｏｇｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）に例示される。ＰＬＣは内蔵するメモリーに書き込まれた、本実施の形態に係る水電解装置の動作方法を記述したシーケンスラダープログラムを実行し、計測や演算を実施してポンプ５やポンプ６や電力供給部７や第１弁Ｖ２１、第２弁Ｖ２２、第３弁Ｖ２３のようなハードウエアを制御する。
【００３４】
以上のように、第１水供給排出部５０内の水は、酸素気液分離部２−第１配管１１−水電解スタック４（の各水電解セルの陽極）−第２配管１２−酸素気液分離部２の循環経路をポンプ５により循環する。この経路及び水を酸素系の循環経路及び水ともいう。また、第２水供給排出部６０内の水は、水素気液分離部３−第４配管１５−水電解スタック４（の各水電解セルの陰極）−第５配管１６−水素気液分離部３の循環経路をポンプ６により循環する。この経路及び水を水素系の循環経路及び水ともいう。各循環経路には適宜、流量や圧力を調整する弁を設けても良い。両循環経路は、電解質膜への影響を考慮して、概ね同圧になるように制御されることが好ましい。
【００３５】
次に、本発明の第１の実施の形態に係る水電解装置の動作方法に関して説明する。図２は、本発明の第１の実施の形態に係る水電解装置の動作方法を示すフローチャートである。
【００３６】
水電解装置１は、通常の運転動作では、水を電気分解して気体の水素及び気体の酸素を生成する。具体的には、以下の動作を行う。酸素気液分離部２の水は、制御部８の制御に基づくポンプ５の運転により、水電解スタック４へ所定の流量で第１配管１１を介して供給される。それにより、水電解スタック４の各水電解セルの陽極に水が供給される。一方、水素気液分離部３の水は、制御部８の制御に基づくポンプ６の運転により、水電解スタック４へ所定の流量で第４配管１５を介して供給される。それにより、水電解スタック４の各水電解セルの陰極に水が供給される。陽極側に供給された水は、水電解スタック４の各水電解セルにおいて、制御部８の制御に基づき電力供給部７から供給され、陽極と陰極との間に印加された電圧により電気分解される。それにより、各水電解セルの陽極側に酸素（ガス）が生成し、陰極側に水素（ガス）が生成される。このとき、各水電解セルの陽極側の酸素は、未反応の水（余剰水）の循環に伴って、酸素気液分離部２へ第２配管１２を介して送出される。各水電解セルの陰極側の水素は、電解質膜を透過した水及び供給された水（余剰水）の循環に伴って、水素気液分離部３へ第５配管１６を介して送出される。余剰水中の酸素は、酸素気液分離部２により余剰水から分離され、外部へ送出される。余剰水中の水素は、水素気液分離部３により余剰水から分離され、外部へ送出される。
【００３７】
水電解装置１は、停止（緊急停止を含む）の運転動作では、水の電気分解を停止するとともに、以下の停止動作を行う。
制御部８は、ユーザによる入力や、各種センサ（例示：各配管や容器９に設けられた圧力センサ、各配管の近傍や容器９に設けられたガスセンサ、各配管や容器９や水電解セルに設けられた温度センサ、水電解セルの電流や電圧を計測する電流計や電圧計；以上、図示されず）の値を参照して、水電解装置１を停止するか否か判定する（ステップＳ０１）。例えば、所定の閾値を超えるような、異常な圧力や温度や電流・電圧を検出した場合や、ガス漏れを検知した場合などにおいて、水電解装置１を停止すべき状態であると判定する。水電解装置１を停止すると判定した場合、電力供給部７は、制御部８の制御に基づいて、水電解スタック４への電力の供給を停止する（ステップＳ０２）。それにより、水の電気分解が停止される。
【００３８】
水の電気分解が停止して所定の時間経過後、ポンプ５及びポンプ６は、制御部８の制御に基づいて、運転を停止する（ステップＳ０３）。水の電気分解が停止しても、ポンプ５及びポンプ６を所定の時間だけ運転することで、陽極近傍の酸素及び陰極近傍の水素を水電解セルから強制的に除去することができる。この場合、できるだけ早期に酸素及び水素を除去するために、水の流量を一時的に大きくするように、ポンプ５及びポンプ６を制御しても良い。
【００３９】
次に、第１水供給排出部５０において、制御部８の制御により、第１弁Ｖ２１及び第２弁Ｖ２２（酸素系循環経路の配管遮断用の弁）が閉止される（ステップＳ０４）。これにより、酸素気液分離部２、第１弁Ｖ２１よりも酸素気液分離部２側の第１配管１１、及び第２弁Ｖ２２よりも酸素気液分離部２側の第２配管１２が、水電解スタック４から切り離される。すなわち、酸素系の循環経路（酸素気液分離部２を含む）を水電解スタック４から切り離すことができる。その結果、もし仮に水電解スタック４において燃焼反応などが発生した場合であっても、第１配管１１や第２配管１２を通じた水電解スタック４から酸素系の循環経路への水、ガス、焼損物質などの移動を停止させることができる。
【００４０】
続いて、第１水供給排出部５０において、制御部８の制御により、第１弁Ｖ２１及び第２弁Ｖ２２の閉止後に第３弁Ｖ２３（均圧化用の弁）が開放される（ステップＳ０５）。これにより、第１弁Ｖ２１よりも容器９側の第１配管１１ａ及び第２弁Ｖ２２よりも容器９側の第２配管１２ａを、容器９と均圧化する。すなわち、第１弁Ｖ２１及び第２弁Ｖ２２よりも容器９側の酸素系の循環経路（酸素気液分離部２を含む）と水素系の循環経路との差圧発生を防止する。その結果、水素系の循環経路から酸素系の循環経路への水、ガス、焼損物質などの移動を停止することができる。また、第１弁Ｖ２１及び第２弁Ｖ２２よりも容器９側の酸素系の循環経路で高圧が発生した場合でも、その高圧を、第１配管１１ａ、第２配管１２ａ及び水電解スタック４の各水電解セルの陽極に閉止することなく、純水で満たされた容器９内に逃がすことができ、かつ水電解セルの陽極と均圧化を図ることができる。
【００４１】
以上のようにして、本発明の第１の実施の形態に係る水電解装置の動作方法が実行される。
【００４２】
上記の動作方法において、水電解スタック４及び／又は水素系の循環経路から酸素系の循環経路への水、ガス、焼損物質などの移動を停止する緊急性が高い場合には、（すなわち膜の損傷が生じた兆候すなわち、スタック・セルに関する各部温度上昇、過大な圧力上昇、電圧・電流の急変を検知した場合には、）ステップＳ０３における所定の時間経過を待たずに直ちにポンプを停止して、ステップＳ０４へ移行しても良い。それにより、極めて早期に、水電解スタック４及び／又は水素系の循環経路から酸素系の循環経路への水、ガス、焼損物質などの移動を停止することができる。また、ステップＳ０４とステップＳ０５とは、停止の完了を速めるために、ほぼ同時に行われることが好ましい。
【００４３】
本実施の形態では、（緊急）停止時に、酸素系の循環経路（酸素気液分離部２を含む）を水電解スタック４から切り離すことができる。それにより、もし仮に水電解スタック４において異常が発生した場合であっても、水電解スタック４から酸素系の循環経路への水、ガス、焼損物質などの移動を停止させることができる。さらに、配管遮断用の弁（閉止済み）よりも容器９側の酸素系の循環経路（水電解スタック４の各水電解セルの陰極を含む）と水素系の循環経路との差圧発生を防止することができる。それにより、もし仮に水電解スタック４において異常が発生した場合であっても、差圧による破損の拡大や、水素系の循環経路から酸素系の循環経路への水、ガス、焼損物質などの移動を停止することができる。特に酸素側への物質移動は、非特許文献１、２にあるように、大きな事故につながる場合がある。従って、酸素系循環経路への物質移動が防止された本実施の形態により、故障や異常事態が発生しても、より安全に水電解装置を停止することが可能となる。
【００４４】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係る水電解装置の構成について説明する。図３は、本発明の第２の実施の形態に係る水電解装置の構成を模式的に示すブロック図である。本実施の形態に係る水電解装置１ａは、第１の実施の形態の水電解装置１（図１）と比較して、容器９内の水（純水）を循環する構成を更に具備している点で相違している。以下、第１の実施の形態の水電解装置１と相違する点について主に説明する。
【００４５】
水電解装置１ａは、更に、容器用配管４１と、容器用ポンプ４２とを具備している。容器用配管４１は、気液分離器２１と容器９とを接続している。容器用ポンプ４２は、容器用配管４１の途中に設けられている。容器用ポンプ４２は制御部８に制御される。容器９内の水は、気液分離器２１−容器用配管４１（容器用ポンプ４２）−容器９−第６配管１８（途中まで）−気液分離器２１の循環経路を循環する。この第６配管１８（、気液分離器２１）、容器用配管４１、容器用ポンプ４２は、容器９内の水を循環させる容器内水循環部と見ることができる。
【００４６】
次に、本発明の第２の実施の形態に係る水電解装置の動作方法に関して説明する。本実施の形態に係る水電解装置の動作方法については、通常の運転動作では、上記容器内水循環部を動作させる点、及び、停止（緊急停止を含む）の運転動作では上記容器内水循環部を停止させる点（停止させるタイミングは、ステップＳ０１より後であれば可）、以外は第１の実施の形態の場合と同様である。
【００４７】
本実施の形態についても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
更に、このような容器内水循環部を設けることで、水電解スタック４からガス（酸素又は水素）の微小リークがあった場合、容器９の内部にガス溜まりが出来るのを防止することができる。それにより、予期せぬ燃焼反応等をより確実に防止することができる。また、この容器内水循環部に不純物除去装置（例示：イオン交換樹脂）を設ければ、水電解スタック４を覆う水（純水）の純度を保つことができる。それにより、容器９内の機器や各配管の腐食等をより確実に防止し、安全をより向上させることができる。
【００４８】
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態に係る水電解装置の構成について説明する。図４は、本発明の第３の実施の形態に係る水電解装置の構成を模式的に示すブロック図である。本実施の形態に係る水電解装置１ｂは、第１の実施の形態の水電解装置１（図１）と比較して、容器９内の水（純水）を循環するようにしている点、水電解セルの陰極に供給する水と容器９内の水とが共通である点で相違している。それに伴い、第２水供給排水部６０の構成が第１の実施の形態と相違している。以下、第１の実施の形態の水電解装置１と相違する点について主に説明する。
【００４９】
第２水供給排出部６０は、水電解スタック４の（水電解セルの）陰極に対して水を供給し、及び、生成した水素と余剰水とを陰極から排出する。第２水供給排出部６０は、第４配管１５、１５ｂと、第６配管１８ｂと、第５配管１６と、水素気液分離部３と、ポンプ６とを備えている。第４配管１５、１５ｂは、水素気液分離部３と容器９とを接続し、容器９に水を供給する。第６配管１８ｂは、容器９と水電解スタック４（陰極側）とを接続し、水電解スタック４の（水電解セルの）陰極に水を供給する。第５配管１６は、水電解スタック４（陰極側）と水素気液分離部３とを接続し、陰極の水素及び余剰水を水電解スタック４から排出する。水素気液分離部３は、水供給装置（図示されず）から水電解用の水を供給され、貯蔵する。その水は、水電解反応に直接的には寄与しないが、水電解スタック４の各水電解セルの陰極側に、第４配管１５、１５ｂ−容器９−第６配管１８ｂの経路を介して供給される。水素気液分離部３は、水電解スタック４の各水電解セルで生成された水素と余剰水とを第５配管１６を介して受け取る。そして、生成された水素を水から分離する。分離された水素は、外部へ送出される。ポンプ６は、第４配管１５の途中に設けられている。第４配管１５を介して、水素気液分離部３の水を受け取り、容器９へ供給する。第４配管１５、１５ｂ又は第６配管１８ｂと水電解スタック４の陰極側と第５配管１６を介して、第２水供給排出部６０と容器９とは均圧化されている。この場合、水素系循環経路の配管内に水電解スタック４を配置していると見ることもできる。
【００５０】
以上のように、第２水供給排出部６０内の水は、水素気液分離部３−第４配管１５、１５ｂ−容器９−第６配管１８ｂ−水電解スタック４（の各水電解セルの陰極）−第５配管１６−水素気液分離部３の循環経路をポンプ６により循環する。この経路及び水を水素系の循環経路及び水ともいう。酸素系の循環経路及び水については、第１の実施の形態等同様である。各循環経路には適宜、流量や圧力を調整する弁を設けても良い。両循環経路は、電解質膜への影響を考慮して、概ね同圧になるように制御されることが好ましい。
【００５１】
次に、本発明の第３の実施の形態に係る水電解装置の動作方法に関して説明する。本実施の形態に係る水電解装置の動作方法については、通常の運転動作において、上述した容器９を含む水素系の循環経路の水を水電解スタック４の（各水電解セルの）陰極に供給する点、以外は第１の実施の形態の場合と同様である。
【００５２】
本実施の形態についても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
更に、このような水素系の循環経路を設けることで、この水素系の循環経路に不純物除去装置（例示：イオン交換樹脂）を設ければ、水電解スタック４を覆う水（純水）及び陰極に供給される水の純度を保つことができる。それにより、ポンプの数量を増やすことなく、容器９内の機器や各配管の腐食等や陰極や電解質膜の劣化等をより確実に防止し、安全をより向上させることができる。
【００５３】
（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施の形態に係る水電解装置の構成について説明する。図５は、本発明の第４の実施の形態に係る水電解装置の構成を模式的に示すブロック図である。本実施の形態に係る水電解装置１ｃは、第１の実施の形態の水電解装置１（図１）と比較して、容器９内の水（純水）を循環するようにしている点、水電解セルの陰極に供給する水と容器９内の水とが共通である点で相違している。それに伴い、第２水供給排水部６０の構成が第１の実施の形態と相違している。以下、第１の実施の形態の水電解装置１と相違する点について主に説明する。
【００５４】
第２水供給排出部６０は、水電解スタック４の（水電解セルの）陰極に対して水を供給し、及び、生成した水素と余剰水とを陰極から排出する。第２水供給排出部６０は、第４配管１５、１５ａと、第６配管１８ｃと、第７配管１７ｃ、第５配管１６と、水素気液分離部３と、ポンプ６とを備えている。第４配管１５、１５ａは、水素気液分離部３と水電解スタック４（陰極側）とを接続し、水電解スタック４の（水電解セルの）陰極に水を供給する。第７配管１７ｃは、第４配管１５ａの途中から分岐して容器９に接続され、容器９に水を供給する。第６配管１８ｃは、容器９と水素気液分離部３とを接続し、容器９の水を水素気液分離部３へ送出している。第５配管１６は、水電解スタック４（陰極側）と水素気液分離部３とを接続し、陰極の水素及び余剰水を水電解スタック４から排出する。水素気液分離部３は、水供給装置（図示されず）から水電解用の水を供給され、貯蔵する。その水は、水電解反応に直接的には寄与しないが、水電解スタック４の各水電解セルの陰極側に第４配管１５、１５ａを介して供給される。水素気液分離部３は、水電解スタック４の各水電解セルで生成された水素と余剰水とを第５配管１６を介して受け取る。そして、生成された水素を水から分離する。分離された水素は、外部へ送出される。更に、容器９の水を第６配管１８ｃから受け取る。ポンプ６は、第４配管１５の途中に設けられている。第４配管１５を介して、水素気液分離部３の水を受け取り、水電解スタック４（陰極側）及び容器９へ供給する。第６配管１８ｃ又は第７配管１７ｃを介して、第２水供給排出部６０と容器９とは均圧化されている。
【００５５】
以上のように、第２水供給排出部６０内の水は、水素気液分離部３−第４配管１５、１５ａ−水電解スタック４（の各水電解セルの陰極）−第５配管１６−水素気液分離部３、及び、水素気液分離部３−第４配管１５−第７配管１７ｃ−容器９−第６配管１８ｃ−水素気液分離部３、という二つの並列の循環経路（第４配管１５，１５ａを途中まで共用）をポンプ６により循環する。この経路及び水を水素系の循環経路及び水ともいう。酸素系の循環経路及び水については、第１の実施の形態等同様である。各循環経路には適宜、流量や圧力を調整する弁を設けても良い。両循環経路は、電解質膜への影響を考慮して、概ね同圧になるように制御されることが好ましい。
【００５６】
次に、本発明の第４の実施の形態に係る水電解装置の動作方法に関して説明する。本実施の形態に係る水電解装置の動作方法については、通常の運転動作において、上述した二つの並列した水素系の循環経路の水を水電解スタック４の（各水電解セルの）陰極及び容器９に供給する点、以外は第１の実施の形態の場合と同様である。
【００５７】
本実施の形態についても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
更に、このような水素系の循環経路を設けることで、この水素系の循環経路に不純物除去装置（例示：イオン交換樹脂）を設ければ、水電解スタック４を覆う水（純水）及び陰極に供給される水の純度を保つことができる。それにより、ポンプの数量を増やすことなく容器９内の機器や各配管の腐食等や陰極や電解質膜の劣化等をより確実に防止し、安全をより向上させることができる。
【００５８】
（第５の実施の形態）
本発明の第５の実施の形態に係る水電解装置の構成について説明する。図６は、本発明の第５の実施の形態に係る水電解装置の構成を模式的に示すブロック図である。本実施の形態に係る水電解装置１ｄは、第２の実施の形態の水電解装置１ａ（図３）と比較して、水素系の循環経路にも弁が設けられている点で相違している。それに伴い、第２水供給排水部６０の構成が第２の実施の形態と相違している。以下、第２の実施の形態の水電解装置１ａと相違する点について主に説明する。
【００５９】
第２水供給排出部６０は、水電解スタック４の（水電解セルの）陰極に対して水を供給し、及び、生成した水素と余剰水とを陰極から排出する。第２水供給排出部６０は、第４配管１５、１５ａと、第４弁Ｖ１１と、第５配管１６、１６ａと、第５弁Ｖ１２と、第７配管１７と、第７弁Ｖ１３と、水素気液分離部３と、ポンプ６と、第６配管１８と、第６弁Ｖ１４と、気液分離部２１とを備えている。第４弁Ｖ１１は、第４配管１５の途中に設けられている。通常の運転時には解放され、（緊急）停止時に閉止される。第５弁Ｖ１２は、第５配管１６の途中に設けられている。通常の運転時には解放され、（緊急）停止時に閉止される。第７配管１７は、第４弁Ｖ１１よりも容器９側の第４配管１５ａ又は第５弁Ｖ１２よりも容器９側の第５配管１６ａと、容器９とを接続している。容器９に接続された第４配管１５ａ又は第５配管１６ａと容器９とを均圧化するために使用される。図６では、第４弁Ｖ１１よりも容器９側の第４配管１５ａと、容器９とを接続している。第７弁Ｖ１３は、第７配管１７の途中に設けられている。通常の運転時には閉止され、（緊急）停止時に開放される。第６弁Ｖ１４は、第６配管１８の途中に設けられている。通常の運転時には解放され、（緊急）停止時に閉止される。第４弁Ｖ１１、第５弁Ｖ１２、第７弁Ｖ１３及び第６弁Ｖ１４は、制御部８に制御される。第４配管１５、第５配管１６、第６配管１８、水素気液分離部３、ポンプ６、気液分離部２１については、第２の実施の形態と同様である。第６配管１８を介して、第２水供給排出部６０と容器９とは均圧化されている。なお、本実施の形態では、圧力降下弁ＲＶが、気液分離部２１に設けられている。
【００６０】
次に、本発明の第５の実施の形態に係る水電解装置の動作方法に関して説明する。本実施の形態に係る水電解装置の動作方法については、以下の点以外は第２の実施の形態の場合と同様である。すなわち、通常の運転動作では、第４弁Ｖ１１、第５弁Ｖ１２、第６弁Ｖ１４及び第７弁Ｖ１３が存在し、第４弁Ｖ１１、第５弁Ｖ１２及び第６弁Ｖ１４が開放され、第７弁Ｖ１３が閉止している点である。停止（緊急停止を含む）の運転動作では、ステップＳ０４において、更に第４弁Ｖ１１、第５弁Ｖ１２及び第６弁Ｖ１４（水素系循環経路の配管遮断用の弁）が閉止され、ステップＳ０５において、第７弁Ｖ１３（均圧化用の弁）が開放される点である。
【００６１】
上記ステップＳ０４の追加の動作により、水素気液分離部３、第４弁Ｖ１１よりも水素気液分離部３側の第４配管１５、及び第５弁Ｖ１２よりも水素気液分離部３側の第５配管１６が、水電解スタック４から切り離される。すなわち、水素系の循環経路を水電解スタック４から切り離すことができる。その結果、もし仮に水電解スタック４において燃焼反応などが発生した場合であっても、第４配管１５や第５配管１６を通じた水電解スタック４から水素系の循環経路（水素気液分離部３を含む）への水、ガス、焼損物質などの移動を停止させることができる。
【００６２】
上記ステップＳ０５の動作では、第１弁Ｖ２１よりも容器９側の第１配管１１及び第２弁Ｖ２２よりも容器９側の第２配管１２も、容器９と均圧化する。すなわち、第４弁Ｖ１１及び第５弁Ｖ１２よりも容器９側の水素系の循環経路と酸素系の循環経路との差圧発生を防止する。その結果、差圧による破損の拡大を防止することができる。また、第４弁Ｖ１１及び第５弁Ｖ１２よりも容器９側の水素系の循環経路で高圧が発生した場合でも、第４配管１５ａ、第５配管１６ａ及び水電解スタック４の各水電解セルの陰極に閉止することなく、その高圧を、純水で満たされた容器９内に逃がすことができる。
【００６３】
本実施の形態についても、第２の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
酸素系の循環管路だけでなく、更、水素系の循環管路も水電解スタック４や容器９から遮断されるので、水電解装置１ｄの安全性をより高めることができる。
【００６４】
（第６の実施の形態）
本発明の第６の実施の形態に係る水電解装置の構成について説明する。図７は、本発明の第６の実施の形態に係る水電解装置の構成を模式的に示すブロック図である。本実施の形態に係る水電解装置１ｅは、第３の実施の形態の水電解装置１ｂ（図４）と比較して、水素系の循環経路にも弁が設けられている点で相違している。それに伴い、第２水供給排水部６０の構成が第３の実施の形態と相違している。以下、第３の実施の形態の水電解装置１ｂと相違する点について主に説明する。
【００６５】
第２水供給排出部６０は、水電解スタック４の（水電解セルの）陰極に対して水を供給し、及び、生成した水素と余剰水とを陰極から排出する。第２水供給排出部６０は、第４配管１５、１５ｂと、第４弁Ｖ１１と、第６配管１８ｂと、第５配管１６と、第５弁Ｖ１２と、水素気液分離部３と、ポンプ６とを備えている。第４弁Ｖ１１は、第４配管１５、１５ｂの途中に設けられている。通常の運転時には解放され、（緊急）停止時に閉止される。第５弁Ｖ１２は、第５配管１６の途中に設けられている。通常の運転時には解放され、（緊急）停止時に閉止される。第４弁Ｖ１１と第５弁Ｖ１２は、制御部８に制御される。第４配管１５、１５ｂ、第６配管１８ｂ、第５配管１６、水素気液分離部３及びポンプ６については、第３の実施の形態と同様である。第４配管１５、１５ｂ又は第６配管１８ｂと水電解スタック４の陰極側と第５配管１６を介して、第２水供給排出部６０と容器９とは均圧化されている。この場合、水素系循環経路の配管内に水電解スタック４を配置していると見ることもできる。なお、本実施の形態では、圧力降下弁ＲＶが容器９（耐圧容器）の本体に直接設けられていている。
【００６６】
次に、本発明の第６の実施の形態に係る水電解装置の動作方法に関して説明する。本実施の形態に係る水電解装置の動作方法については、以下の点以外は第３の実施の形態の場合と同様である。すなわち、通常の運転動作では、第４弁Ｖ１１及び第５弁Ｖ１２が存在し、第４弁Ｖ１１及び第５弁Ｖ１２が開放されている点である。停止（緊急停止を含む）の運転動作では、ステップＳ０４において、更に第４弁Ｖ１１及び第５弁Ｖ１２（水素系循環経路の配管遮断用の弁）が閉止される点である。
【００６７】
上記ステップＳ０４の追加の動作により、水素気液分離部３、第４弁Ｖ１１よりも水素気液分離部３側の第４配管１５、及び第５弁Ｖ１２よりも水素気液分離部３側の第５配管１６が、水電解スタック４から切り離される。すなわち、水素系の循環経路（水素気液分離部３を含む）を水電解スタック４から切り離すことができる。その結果、もし仮に水電解スタック４において燃焼反応などが発生した場合であっても、第４配管１５や第５配管１６を通じた水電解スタック４から水素系の循環経路への水、ガス、焼損物質などの移動を停止させることができる。容器９側の水素系の循環経路で高圧が発生した場合は、一旦、耐圧性の容器９内に満たされた純水中に圧力が放出された後に、圧力降下弁ＲＶから排出できる。
【００６８】
本実施の形態についても、第３の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
酸素系の循環管路だけでなく、更、水素系の循環管路も水電解スタック４や容器９から遮断されるので、水電解装置１ｅの安全性をより高めることができる。
【００６９】
（第７の実施の形態）
本発明の第７の実施の形態に係る水電解装置の構成について説明する。図８は、本発明の第７の実施の形態に係る水電解装置の構成を模式的に示すブロック図である。本実施の形態に係る水電解装置１ｆは、第４の実施の形態の水電解装置１ｃ（図５）と比較して、水素系の循環経路にも弁が設けられている点で相違している。それに伴い、第２水供給排水部６０の構成が第４の実施の形態と相違している。以下、第４の実施の形態の水電解装置１ｃと相違する点について主に説明する。
【００７０】
第２水供給排出部６０は、水電解スタック４の（水電解セルの）陰極に対して水を供給し、及び、生成した水素と余剰水とを陰極から排出する。第２水供給排出部６０は、第４配管１５、１５ａと、第４弁Ｖ１１と、第５配管１６と、第５弁Ｖ１２と、第６配管１８ｃと、第６弁Ｖ１４と、第７配管１７ｃと、水素気液分離部３と、ポンプ６とを備えている。第４弁Ｖ１１は、第４配管１５の途中に設けられている。通常の運転時には解放され、（緊急）停止時に閉止される。第５弁Ｖ１２は、第５配管１６の途中に設けられている。通常の運転時には解放され、（緊急）停止時に閉止される。第６弁Ｖ１４は、第６配管１８ｃの途中に設けられている。通常の運転時には解放され、（緊急）停止時に閉止される。第４弁Ｖ１１、第５弁Ｖ１２及び第６弁Ｖ１４は、制御部８に制御される。第４配管１５、１５ａ、第５配管１６、第６配管１８ｃ、第７配管１７ｃ、水素気液分離部３及びポンプ６については、第４の実施の形態と同様である。第６配管１８ｃ又は第７配管１７ｃを介して、第２水供給排出部６０と容器９とは均圧化されている。
【００７１】
次に、本発明の第７の実施の形態に係る水電解装置の動作方法に関して説明する。本実施の形態に係る水電解装置の動作方法については、以下の点以外は第４の実施の形態の場合と同様である。すなわち、通常の運転動作では、第４弁Ｖ１１、第５弁Ｖ１２及び第６弁Ｖ１４が存在し、第４弁Ｖ１１、第５弁Ｖ１２及び第６弁Ｖ１４が開放されている点である。停止（緊急停止を含む）の運転動作では、ステップＳ０４において、更に第４弁Ｖ１１、第５弁Ｖ１２及び第６弁Ｖ１４（水素系循環経路の配管遮断用の弁）が閉止される点である。
【００７２】
上記ステップＳ０４の追加の動作により、水素気液分離部３、第４弁Ｖ１１よりも水素気液分離部３側の第４配管１５ａ、第５弁Ｖ１２よりも水素気液分離部３側の第５配管１６、第６弁Ｖ１４よりも水素気液分離部３側の第６配管１８ｃが、水電解スタック４から切り離される。すなわち、水素系の循環経路（水素気液分離部３を含む）を水電解スタック４から切り離すことができる。その結果、もし仮に水電解スタック４において燃焼反応などが発生した場合であっても、第４配管１５や第５配管１６や第６配管１８ｃを通じた水電解スタック４から水素系の循環経路への水、ガス、焼損物質などの移動を停止させることができる。
【００７３】
本実施の形態についても、第４の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
酸素系の循環管路だけでなく、更、水素系の循環管路も水電解スタック４や容器９から遮断されるので、水電解装置１ｆの安全性をより高めることができる。
【００７４】
以上説明されたように、本発明の実施の形態は以下の効果を有する。
本発明の第１〜４の実施の形態では、酸素系の循環管路にのみ遮断弁（第１弁Ｖ２１、第２弁Ｖ２２、第３弁Ｖ２３）が設けられている。そのため、酸素系の循環管路の遮断弁を閉鎖することによって、支燃性が高く物質を選ぶことなく燃焼させる危険な酸素を含む酸素系の循環管路を、水電解スタック４や水素系の循環管路から遮断することができる。
【００７５】
加えて、ポンプ５（酸素側）により酸素系の循環管路に水を循環させておくことによって、ガス保有量の少ない水電解スタック４近傍のみで第３弁Ｖ２３を「開」とし、その酸素系の循環管路を水素系の循環管路へ均圧させて、損傷しやすい電解質膜を差圧から保護することが可能となる。ガス保有量が少ない理由はポンプ５で常に発生したガス（酸素）を水電解スタック４近傍から押出しているためである。
【００７６】
更に、上記の通り水素側に圧力降下弁ＲＶを設けている。水電解スタック４近傍にて圧力が上昇した場合には比較的安全な水素側から、且つ、一箇所から減圧できる。酸素側から減圧することは、支燃性が高く物質を選ぶことなく燃焼させる危険な酸素を含む酸素系の循環経路中への損傷物の流入などを招き危険である。そのおそれが無い水素側からの減圧により安全性が向上する。また、一系統から減圧することで、水素系と酸素系との差圧発生を防止でき、安全性が向上する。これにより、損傷しやすい電解質膜を差圧から保護することが可能となると同時に、減圧後の差圧による酸素側への焼損物流入も防止できる。
【００７７】
本発明の第５〜７の実施の形態では、酸素系の循環管路だけでなく水素系の循環管路にも遮断弁（第４弁Ｖ１１、第５弁Ｖ１２、第７弁Ｖ１３、第６弁Ｖ１４）が設けられている。すなわち、更に水素系の循環管路の気相と遮断する第４弁Ｖ１１、第５弁１２が遮断した後、第５の実施の形態であれば「開」とした第７弁Ｖ１３を介して、第６の実施の形態であれば第６配管１８ｂを介して、第７の実施の形態であれば、第７配管１７ｃを介して、水素系の循環管路の水電解スタック４近傍（ここもガス保有量は極少）が水に満たされた耐圧容器内に均圧化される。それによって、水電解スタック４近傍にて圧力が上昇した場合に、圧縮されたガスが少なくほとんどが非圧縮性の水で満たされた部位＝水電解スタック４近傍の水素系及び酸素系循環管路や耐圧性の容器９内部から減圧すればよく、容器９に設けた圧力降下弁ＲＶからすばやく安全に減圧することができる。
【００７８】
本発明は上記各実施の形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施の形態は適宜変形又は変更され得ることは明らかである。各実施の形態の技術は、技術的に矛盾の発生しない限り相互に適用可能である。
【符号の説明】
【００７９】
Ｖ２１ 第１弁
Ｖ２２ 第２弁
Ｖ２３ 第３弁
Ｖ１１ 第４弁
Ｖ１２ 第５弁
Ｖ１３ 第７弁
Ｖ１４ 第６弁
ＲＶ 圧力降下弁
１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ 水電解装置
２ 酸素気液分離部
３ 水素気液分離部
４ 水電解スタック
５ ポンプ
６ ポンプ
９ 容器
１１ 第１配管
１２ 第２配管
１３ 第３配管
１５、１５ａ、１５ｂ 第４配管
１６、１６ａ 第５配管
１７、１７ｃ 第７配管
１８、１８ｂ、１８ｃ 第６配管
２１ 気液分離部
４１ 容器用配管
４２ 容器用ポンプ
５０ 第１水供給排出部
６０ 第２水供給排出部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水の電気分解を行い酸素と水素とを生成する水電解スタックと、
前記水電解スタックの陽極に対して水の供給及び前記酸素と余剰水の排出を行う第１水供給排出部と、
前記水電解スタックの陰極に対して水の供給及び前記水素と余剰水の排出を行う第２水供給排出部と、
前記水電解スタックを水没させて格納する容器と
を具備し、
前記第２水供給排出部と前記容器とは均圧化され、
前記水電解スタックが停止するとき、前記第１水供給排出部は、
前記水電解スタックに対して水の供給及び排出を行う配管を遮断し、
前記遮断された箇所より前記容器側を前記容器と均圧化する
水電解装置。
【請求項２】
請求項１に記載の水電解装置において、
前記第１水供給排出部は、
前記水電解スタックの陽極に水を供給する第１配管と、
前記第１配管の途中に設けられた第１弁と、
前記陽極の余剰水及び前記酸素を前記水電解スタックから排出する第２配管と、
前記第２配管の途中に設けられた第２弁と、
前記第１弁よりも前記容器側の前記第１配管又は前記第２弁よりも前記容器側の前記第２配管と前記容器とを接続する第３配管と、
前記第３配管の途中に設けられた第３弁と
を備え、
前記水電解スタックが停止するとき、
前記第１弁及び前記第２弁を閉止し、
前記閉止後に前記第３弁を開放して、
前記第１弁よりも前記容器側の前記第１配管及び前記第２弁よりも前記容器側の前記第２配管を、前記容器と均圧化する
水電解装置。
【請求項３】
請求項２に記載の水電解装置において、
前記第２水供給排出部は、
前記水電解スタックの陰極に水を供給する第４配管と、
前記陰極の余剰水及び前記水素を前記水電解スタックから排出する第５配管と、
前記第４配管と前記第５配管とに接続され、前記余剰水と前記水素とを気液分離する水素気液分離部と、
前記水素気液分離部と前記容器とを接続する第６配管と
を備え、
前記第６配管を介して前記第２水供給排出部と前記容器とは均圧化される
水電解装置。
【請求項４】
請求項３に記載の水電解装置において、
前記第２水供給排出部は、
前記第４配管の途中に設けられた第４弁と、
前記第５配管の途中に設けられた第５弁と、
前記第６配管の途中に設けられた第６弁と、
前記第４弁よりも前記容器側の前記第４配管又は前記第２弁よりも前記容器側の前記第５配管と前記容器とを接続する第７配管と、
前記第７配管の途中に設けられた第７弁と
を備え、
前記水電解スタックが停止するとき、
前記第４弁、前記第５弁及び前記第６弁を閉止し、
前記閉止後に前記第７弁を開放する
水電解装置。
【請求項５】
請求項２乃至４のいずれか一項に記載の水電解装置において、
前記容器内の水を循環させる容器内水循環部を更に具備する
水電解装置。
【請求項６】
請求項２に記載の水電解装置において、
前記第２水供給排出部は、
前記容器に水を供給する第４配管と、
前記容器の水を前記水電解スタックの陰極に供給する第６配管と、
前記陰極の余剰水及び前記水素を前記水電解スタックから排出する第５配管と、
前記第４配管と前記第５配管とに接続され、前記余剰水と前記水素とを気液分離する水素気液分離部と
を備え、
前記第４配管又は前記第６配管を介して前記第２水供給排出部と前記容器とは均圧化される
水電解装置。
【請求項７】
請求項６に記載の水電解装置において、
前記第２水供給排出部は、
前記第４配管の途中に設けられた第４弁と、
前記第５配管の途中に設けられた第５弁と
を備え、
前記水電解スタックが停止するとき、
前記第４弁及び前記第５弁を閉止する
水電解装置。
【請求項８】
請求項２に記載の水電解装置において、
前記第２水供給排出部は、
前記水電解スタックの陰極に水を供給する第４配管と、
前記陰極の余剰水及び前記水素を前記水電解スタックから排出する第５配管と、
前記第４配管と前記第５配管とに接続され、前記余剰水と前記水素とを気液分離する水素気液分離部と、
前記第４配管と前記容器とを接続する第７配管と、
前記水素気液分離部と前記容器とを接続する第６配管と
を備え、
前記第６配管又は前記第７配管を介して前記第２水供給排出部と前記容器とは均圧化される
水電解装置。
【請求項９】
請求項８に記載の水電解装置において、
前記第２水供給排出部は、
前記第４配管の途中に設けられた第４弁と、
前記第５配管の途中に設けられた第５弁と、
前記第６配管の途中に設けられた第６弁と
を備え、
前記水電解スタックが停止するとき、
前記第４弁、前記第５弁及び前記第６弁を閉止する
水電解装置。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか一項に記載の水電解装置において、
前記第２水供給排出部及び前記容器のうちの一方若しくは両方に設けられ、前記第２水供給排出部及び前記容器の圧力を降下させる圧力降下弁を更に具備する
水電解装置。
【請求項１１】
水電解装置の動作方法であって、
ここで、水電解スタックと、
前記水電解スタックの陽極に対して水の供給及び前記酸素と余剰水の排出を行う第１水供給排出部と、
前記水電解スタックの陰極に対して水の供給及び前記水素と余剰水の排出を行う第２水供給排出部と、
前記水電解スタックを水没させて格納する容器と
を具備し、
前記第２水供給排出部と前記容器とは均圧化され、
前記水電解装置の動作方法は、
前記水電解スタックが停止するとき、
前記第１水供給排出部が、前記水電解スタックに対して水の供給及び排出を行う配管を遮断するステップと、
前記第１水供給排出部が、前記遮断された箇所より前記容器側を前記容器と均圧化するステップと
を具備する
水電解装置の動作方法。
【請求項１】
水の電気分解を行い酸素と水素とを生成する水電解スタックと、
前記水電解スタックの陽極に対して水の供給及び前記酸素と余剰水の排出を行う第１水供給排出部と、
前記水電解スタックの陰極に対して水の供給及び前記水素と余剰水の排出を行う第２水供給排出部と、
前記水電解スタックを水没させて格納する容器と
を具備し、
前記第２水供給排出部と前記容器とは均圧化され、
前記水電解スタックが停止するとき、前記第１水供給排出部は、
前記水電解スタックに対して水の供給及び排出を行う配管を遮断し、
前記遮断された箇所より前記容器側を前記容器と均圧化する
水電解装置。
【請求項２】
請求項１に記載の水電解装置において、
前記第１水供給排出部は、
前記水電解スタックの陽極に水を供給する第１配管と、
前記第１配管の途中に設けられた第１弁と、
前記陽極の余剰水及び前記酸素を前記水電解スタックから排出する第２配管と、
前記第２配管の途中に設けられた第２弁と、
前記第１弁よりも前記容器側の前記第１配管又は前記第２弁よりも前記容器側の前記第２配管と前記容器とを接続する第３配管と、
前記第３配管の途中に設けられた第３弁と
を備え、
前記水電解スタックが停止するとき、
前記第１弁及び前記第２弁を閉止し、
前記閉止後に前記第３弁を開放して、
前記第１弁よりも前記容器側の前記第１配管及び前記第２弁よりも前記容器側の前記第２配管を、前記容器と均圧化する
水電解装置。
【請求項３】
請求項２に記載の水電解装置において、
前記第２水供給排出部は、
前記水電解スタックの陰極に水を供給する第４配管と、
前記陰極の余剰水及び前記水素を前記水電解スタックから排出する第５配管と、
前記第４配管と前記第５配管とに接続され、前記余剰水と前記水素とを気液分離する水素気液分離部と、
前記水素気液分離部と前記容器とを接続する第６配管と
を備え、
前記第６配管を介して前記第２水供給排出部と前記容器とは均圧化される
水電解装置。
【請求項４】
請求項３に記載の水電解装置において、
前記第２水供給排出部は、
前記第４配管の途中に設けられた第４弁と、
前記第５配管の途中に設けられた第５弁と、
前記第６配管の途中に設けられた第６弁と、
前記第４弁よりも前記容器側の前記第４配管又は前記第２弁よりも前記容器側の前記第５配管と前記容器とを接続する第７配管と、
前記第７配管の途中に設けられた第７弁と
を備え、
前記水電解スタックが停止するとき、
前記第４弁、前記第５弁及び前記第６弁を閉止し、
前記閉止後に前記第７弁を開放する
水電解装置。
【請求項５】
請求項２乃至４のいずれか一項に記載の水電解装置において、
前記容器内の水を循環させる容器内水循環部を更に具備する
水電解装置。
【請求項６】
請求項２に記載の水電解装置において、
前記第２水供給排出部は、
前記容器に水を供給する第４配管と、
前記容器の水を前記水電解スタックの陰極に供給する第６配管と、
前記陰極の余剰水及び前記水素を前記水電解スタックから排出する第５配管と、
前記第４配管と前記第５配管とに接続され、前記余剰水と前記水素とを気液分離する水素気液分離部と
を備え、
前記第４配管又は前記第６配管を介して前記第２水供給排出部と前記容器とは均圧化される
水電解装置。
【請求項７】
請求項６に記載の水電解装置において、
前記第２水供給排出部は、
前記第４配管の途中に設けられた第４弁と、
前記第５配管の途中に設けられた第５弁と
を備え、
前記水電解スタックが停止するとき、
前記第４弁及び前記第５弁を閉止する
水電解装置。
【請求項８】
請求項２に記載の水電解装置において、
前記第２水供給排出部は、
前記水電解スタックの陰極に水を供給する第４配管と、
前記陰極の余剰水及び前記水素を前記水電解スタックから排出する第５配管と、
前記第４配管と前記第５配管とに接続され、前記余剰水と前記水素とを気液分離する水素気液分離部と、
前記第４配管と前記容器とを接続する第７配管と、
前記水素気液分離部と前記容器とを接続する第６配管と
を備え、
前記第６配管又は前記第７配管を介して前記第２水供給排出部と前記容器とは均圧化される
水電解装置。
【請求項９】
請求項８に記載の水電解装置において、
前記第２水供給排出部は、
前記第４配管の途中に設けられた第４弁と、
前記第５配管の途中に設けられた第５弁と、
前記第６配管の途中に設けられた第６弁と
を備え、
前記水電解スタックが停止するとき、
前記第４弁、前記第５弁及び前記第６弁を閉止する
水電解装置。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか一項に記載の水電解装置において、
前記第２水供給排出部及び前記容器のうちの一方若しくは両方に設けられ、前記第２水供給排出部及び前記容器の圧力を降下させる圧力降下弁を更に具備する
水電解装置。
【請求項１１】
水電解装置の動作方法であって、
ここで、水電解スタックと、
前記水電解スタックの陽極に対して水の供給及び前記酸素と余剰水の排出を行う第１水供給排出部と、
前記水電解スタックの陰極に対して水の供給及び前記水素と余剰水の排出を行う第２水供給排出部と、
前記水電解スタックを水没させて格納する容器と
を具備し、
前記第２水供給排出部と前記容器とは均圧化され、
前記水電解装置の動作方法は、
前記水電解スタックが停止するとき、
前記第１水供給排出部が、前記水電解スタックに対して水の供給及び排出を行う配管を遮断するステップと、
前記第１水供給排出部が、前記遮断された箇所より前記容器側を前記容器と均圧化するステップと
を具備する
水電解装置の動作方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−２３７１７（Ｐ２０１３−２３７１７Ａ）
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５７９５３（Ｐ２０１１−１５７９５３）
【出願日】平成２３年７月１９日（２０１１．７．１９）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月１９日（２０１１．７．１９）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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