JP2007284729A

JP2007284729A - 単体槽

Info

Publication number: JP2007284729A
Application number: JP2006111455A
Authority: JP
Inventors: Bunshi Cho; 文士張
Original assignee: STAR ENERGY KK; Toray Engineering Co Ltd
Current assignee: STAR ENERGY KK; Toray Engineering Co Ltd
Priority date: 2006-04-14
Filing date: 2006-04-14
Publication date: 2007-11-01

Abstract

【課題】水素ガスと酸素ガスの生成能力をより向上させ、また、密封性の良いアルカリ電解水の電気分解を行う単体槽を提供する。
【解決手段】単体槽において、隔膜１３２にポリプロピレン繊維の織布を採用し、これに伴い、水素ガスと酸素ガスと電解水の各連通孔１４１，１４２，１４３を隔膜固定リング１３３の外側に位置するように、セルフレーム１３１外周部に形成した。また、連通孔は扁平な断面を有し、水素ガスの連通孔１４２の大きさは、酸素ガスの連通孔１４１の２倍とした。さらに、連通孔のあるセルフレーム１３１上の周りに突起状の遮断線１６１ａ〜１６１ｆを設け、ガスが混合しないように密封性を高めた。
【選択図】図１

Description

本発明は、アルカリ電解水の電気分解を行う単体槽の構造に係り、より詳しくは、水素ガスと酸素ガスの生成能力をより向上させる単体槽の改良に関する。

一般に、水の電気分解は、直流電源を使用して、電解槽、電解水、陽極、隔膜、陰極からなる装置を使って行なわれる。電解水には、電気伝導度が大きい水酸化カルシウムまたは水酸化ナトリウム（苛性ソーダとも呼ぶ）溶液が使用される。そのため、アルカリ電解水とも呼ばれる。

隔膜は、２つの電極間に配置されて、イオンを通過させ、各電極に発生した水素ガスと酸素ガスとを隔てるものである。陰極側に水素ガスが、陽極側に酸素ガスが発生する。水素ガスと酸素ガスが発生するのは、電解水中のイオンの作用による。電解水の中では、例えば、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）は、ナトリウムイオン（Ｎａ＋）と水酸基イオン（ＯＨ−）に分かれ、水（Ｈ_２Ｏ）は、水素イオン（Ｈ＋）と水酸基イオン（ＯＨ−）に分かれる。そして、陰極にはナトリウムイオン（Ｎａ＋）と水素イオン（Ｈ＋）が引き寄せられるが、Ｎａ＋は安定で、水素イオン２つがマイナス電子を受け取って結びつき水素ガス（Ｈ_２）となる。一方、陽極には水酸基イオン（ＯＨ−）が集まるが、陽極に電子を渡して、水酸基イオン４つから水（Ｈ_２Ｏ）と酸素（Ｏ_２）が生成される。

２つの電極間の理論的な電圧は、１．１２５Ｖ程度とされる。普通は、１．４Ｖ〜２．４Ｖの粗電圧で調整される。

このような原理を利用して、アルカリ電解水を電気分解して大量の水素ガスと酸素ガスを作る装置として、複数の単位槽を積層した構造の電解槽が知られている。（特許文献１参照）

図３に示すように、このような単体槽３０は、セルフレーム３１と、隔膜３２と、隔膜固定リング３３と、電極３５と、電極を前後に挟むガスケット３４Ａ、３４Ｂで構成される。各構成要素は、隔膜３２と電極３５が円形板状のもので、セルフレーム３１、隔膜固定リング３３、ガスケット３４Ａ、３４Ｂが中空のリング状のものである。そして、隔膜３２、隔膜固定リング３３、ガスケット３４Ａ、電極３５、ガスケット３４Ｂの順番で、セルフレーム３０に組み込まれる。この単位槽が多数積層されて１つの電解槽が構成される。
電極３５とガスケット３４Ａ、３４Ｂの径（Ｌ１）は、隔膜３２や隔膜固定リング３３の径（Ｌ２）より大きく、単体槽が積層された状態では、ガスケットがセルフレームの内部を密封するように作用する。
また、単体槽が積層されると、図３の左側の電極３５とセルフレーム３１の右側に重ねられる電極の間に電解室が形成され、この電解室は隔膜３３で左右２つに隔てられる。

図４（ａ）は、図３のセルフレーム３１をＡ−Ａ方向から見たもので、下面図である。図４（ａ）に示すように、セルフレーム３１は、円形のリング状をしており、強化樹脂で作られている。連通孔４１は、単体槽が積層されると、連通されて１本の酸素ガス管になる。連通孔４２も、同様に連通されて１本の水素ガス管になる。連通孔４３は、電解水の供給管になる。切開溝５１ａ、５１ｂ、５１ｃは、セルフレームに形成された電解室の隔膜で隔てられた一方の電解室に発生した水素ガスを、連通孔４２に排出する通り道である。切開溝５２ａ、５２ｂ、５２ｃは、水素ガスが発生する電解室へ電解水を供給する連通孔４３からの通り道である。

図４（ｂ）は、図３のセルフレーム３１をＢ−Ｂ方向から見たもので、正面図である。図４（ｂ）に示すように、図４（ａ）とは、連通孔４１、４２の位置が逆になる。連通孔４１には、開口部５３ａ、５３ｂ、５３ｃが形成されている。同様に、連通孔４３には開口部５４ａ、５４ｂ、５４ｃが形成されている。

図４（ｃ）は、図３の隔膜固定リング３３をＣ−Ｃ方向から見た正面図である。
隔膜固定リング３３と隔膜３２の径（Ｌ２）は、電極３５の径（Ｌ１）よりも小さい。そして、セルフレームのＢ―Ｂ側から隔膜３２、隔膜固定リング３３の順に装填される。図４（ｃ）に示すように、隔膜固定リング３３の連通孔４１の切開溝５５ａ、５５ｂ、５５ｃが、図４（ｂ）の連通孔４１の開口部５３ａ、５３ｂ、５３ｃに接続される。同様に、連通孔４３の切開溝５６ａ、５６ｂ、５６ｃが図４（ｂ）の連通孔４３の開口部５４ａ、５４ｂ、５４ｃに接続される。
従って、切開溝５６ａ、５６ｂ、５６ｃは、セルフレームに形成された電解室の隔膜で隔てられた他方の電解室に発生した酸素ガスを、連通孔４１に排出する通り道である。切開溝５２ａ、５２ｂ、５２ｃは、酸素ガスが発生する電解室へ電解水を供給する連通孔４３からの通り道である。

このような単体槽の構造は、隔膜をより柔らかい高性能の繊維で構成するような場合、合せて改善される必要がある。隔膜の素材としては、これまでポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）が使用されていた。この繊維は強度があって硬い。
図４（ｃ）に示すように、連通孔４１、４２、４３は、隔膜固定リングの内側に形成されている。電解槽は全体が左右からボルト締めされるが、隔膜が柔らかい素材でできているため変形すると、その上に乗っている隔膜固定リングが動き、隔膜固定リングの連通孔４１、４２、４３周りのガスケットの押えが緩くなるおそれがある。そのため水素ガスと酸素ガスを密閉する構造を改善する必要がある。

また、連通孔の形状が円形となっているが、単位槽の形状を大きくして性能を出すような場合、そのまま大きくすると電解室の面積を狭めてしまう。さらに、連通孔が水素ガスと酸素ガスで同じ寸法では、水素ガスは酸素ガスの倍の量が生成されるので、局部的な圧力差を生じさせることになる。
特開２００２−３３２５８６号公報

本発明は上記のような問題点を解決するために創出されたもので、本発明の目的は、水素ガスと酸素ガスの生成能力をより向上させ、また、密封性の良いアルカリ電解水の電気分解を行う単体槽を提供することにある。

本発明による単体槽は、セルフレームと隔膜と隔膜固定リングと電極と電極を前後に挟むガスケットとからなり、アルカリ電解水の電気分解を行う単体槽において、前記隔膜が、イオン透過性及びガス遮断性を有するポリプロピレン繊維の織布によって形成されると共に、水素ガスの連通孔と酸素ガスの連通孔と電解水の連通孔とが、前記隔膜固定リングの外側に位置する前記セルフレーム外周部に形成されたことを特徴とする。

前記連通孔は扁平な断面を有し、前記水素ガスの連通孔の大きさが、前記酸素ガスの連通孔の２倍になるように形成されることが好ましい。

前記ガスケットが接する前記セルフレームの接触面に、前記セルフレームの内部を囲い込むように設けられた突起状の閉ループ遮断線と、切開溝を持たない前記水素ガスの連通孔または前記酸素ガスの連通孔の周りを囲い込むように設けられた突起状の閉ループ遮断線と、切開溝を持つ連通孔と電解室を囲むように設けられた突起状の閉ループ遮断線とを有することが好ましい。

前記隔膜が設置される前記セルフレームの段差部に複数の棒状の突出体が設けられと共に、前記隔膜の前記棒状の突出体に対応する位置に孔が穿設され、前記隔膜固定リングの前記棒状の突出体に対応する位置からずれた位置に通孔が形成され、前記隔膜が前記隔膜固定リングによって、前記セルフレームの段差部に留め置かれることが好ましい。

本発明によれば、隔膜にポリプロピレン繊維の織布を採用したので、織布上の多数の微細な隙間によって、良好なイオン通過性とガス遮断性が得られ、効率よく水素ガスと酸素ガスを発生させることができる。
また、水素ガス、酸素ガス、電解水の各連通孔が、隔膜固定リングの内側ではなく、隔膜固定リングの外側に位置して、セルフレームの外周部に設けた。これによって、柔らかい隔膜を挟み込まないで電解槽の両側から締め付けることができるから、単体槽の密封性をより向上されることができる。
各連通孔は、扁平な断面としたので、水素ガスと酸素ガスを生成する領域をより大きくすることができる。また、水素ガスの連通孔の大きさを、酸素ガスの連通孔の倍としたので、圧力差が発生しないようにできる。
ガスケットが接するセルフレームの接触面に、３種類の閉ループ遮断線を設けたので、電極板が蓋で突起状の遮断線がオーリングのように作用して、単体槽の密封性をより向上させることができる。
隔膜が設置されるセルフレームの段差部に複数の棒状の突出体を設けて、この棒状の突出体に隔膜に穿孔された孔を合せて留め置き、その上から、棒状の突出体の位置より内側にずれた位置に通孔を有する隔膜固定リングを留め置くので、きつめの嵌合によって確実に隔膜を固定することができる。これにより、隔膜と隔膜固定リングとを電極で押して固定する必要がなくなる。従って、セルフレームの電極の段差部より隔膜固定リングが突出しないから、突起状の閉ループ遮断線のガスケットを押す力を邪魔することがなく、密封性を向上できる。

以下、本発明の好ましい実施例を、図面を参照して説明する。

本発明による単体槽のセルフレームと隔膜固定リングの構造を図１に示す。
これまでの単体槽のセルフレームと対比できるように、図１（ａ）は、セルフレームの下面図で、図４（ａ）に対応している。図１（ｂ）は、セルフレームの正面図で、図４（ｂ）に対応している。図１（ｃ）は、隔膜固定リングの正面図で、図４（ｃ）に対応している。

図１（ａ）に示すように、セルフレーム１３１の直径をＬとしている。酸素ガスの連通孔１４１、水素ガスの連通孔１４２、電解水の連通孔１４３を、セルフレーム１３１の外周部に寄せて配置している。各連通孔の形状は扁平として、セルフレームの真中中央部の中空部分を広くするようにしている。この部分が電解室となり、その面積が水素ガスと酸素ガスの発生量を決めるからである。なお、セルフレーム１３１は、厚さが８〜１０ｍｍ、直径（Ｌ１）が２５０〜３５０ｍｍ程度である。

水素ガスの連通孔１４２の断面積は、酸素ガスの連通孔１４１の断面積と比較して２倍の大きさになるように形成している。これは、水素ガスの発生は酸素ガスの２倍の量であることによる。断面積が同じだと圧力差が生じて流れが阻害されるからである。また、水素ガスが酸素ガスの方に混じる可能性がある。図１（ａ）の手前側に積層される電極をマイナス電極とすると、ここには水素ガスが発生する。この水素ガスは、水平な天井面に形成された切開溝１５１ａ、１５１ｂを通って連通孔１４２に出てゆく。なお、電解水は連通孔１４３から切開溝１５２ａを通って、このマイナス電極と接する電解室に供給され、切開溝１５１ａ、１５１ｂを通って連通孔１４２を満たすように供給される。水素ガスは電解水の中を通って出てゆく。

図１（ｂ）に示すように、セルフレーム１３１の背面側には、Ｌ２と記した長さの段差部１３６があり、ここに隔膜１３２が、さらに重ねるように隔膜固定リング１３３が設置される。また、Ｌ１と記した長さの段差部１３７があり、ガスケット１３４Ａ、電極１３５、ガスケット１３４Ｂが、この順に設置される。

図１（ｃ）に示すように、隔膜固定リング１３３は、リング状のもので、図４（ｃ）に示すような連通孔はない。切開溝１５５ａ、１５５ｂが切開溝１５３ａ、１５３ｂに繋がる。電解水の切開溝１５６ａは切開溝１５２ａに繋がる。

図１（ｂ）のセルフレーム１３１の図面手前側に積層される電極をプラス電極とすると、電極の内側面には電極酸素ガスが発生する。この酸素ガスは、切開溝１５５ａと１５３ａまたは切開溝１５５ｂと１５５ｂを通って酸素ガスの連通孔１４１に出てゆく。
なお、電解水は連通孔１４３から切開溝１５４ａと隔膜固定リング１３３の切開溝１５４ａを通って、このプラス電極と接する電解室に供給され、切開溝１５５ａと１５３ａまたは切開溝１５５ｂと１５５ｂを通って酸素ガスの連通孔１４１に出てゆく。

図２は、単体槽１３１を２つが積層されたときの、酸素ガスの連通孔１４１周辺の断面図である。図２に示すように、電極１３５の右側の面がプラスに帯電されるので、この面で発生した酸素ガスは、連通孔１４１に集められる。電極１３５の左側の面はマイナスに帯電されるので、水素ガスが発生する。この水素ガスは、図示はしないが、同様にして連通管１４２に集められる。

図２の引き出し円ｃ１は隔膜１３２の拡大図である。隔膜は、太さ２０〜３０μｍのポリプロピレン繊維を複数本束ねて、縦糸１７１と横糸１７２とし、これを織ったものである。この織布の厚さは０．２ｍｍから３．５ｍｍである。ポリプロピレン繊維の束ねる本数で厚さを調節することができる。織り方は例えば平畳織りとできる。この織り方は、横糸１７２の間に隙間がなく、横糸１７２が縦糸１７１を表面から裏面にくぐる箇所と、裏面から表面に出てくる箇所に微小な隙間ができる。この隙間は、水素ガスと酸素ガスの遮断性と電解水の水素ガスを隔て、ナトリウムイオンと水酸基イオンの通過性にはプラスに作用する。

図２の引き出し円ｃ２は、セルフレーム１３１の裏面（図１（ａ）参照）上の、酸素ガスの連通孔１４１の周りに設けられた突起状の閉ループ遮断線１６１ｄを示したものである。これにより、同じ面上にある水素ガスの連通孔１４２からの水素ガスが完全に遮断される。また、セルフレーム１３１の裏面上には、水素ガスの連通孔１４２と内部の中空部分と電解水の連通孔１４３とを囲む突起状の閉ループ遮断線１６１ｆが設けられる。このループの形状が大きいのは切開溝１５１ａ、１５１ｂ、１５２ａがあるからである。
同様に、図１（ｂ）に示すセルフレーム１３１表面上の、水素ガスの連通孔１４２の周りにも突起状の閉ループ遮断線１６１ｃが形成されている。これにより、同じ面上にある酸素ガスの連通孔１４１からの酸素ガスが完全に遮断される。また、セルフレーム１３１の表面上には、酸素ガスの連通孔１４１と内部の中空部分と電解水の連通孔１４３とを囲む突起状の閉ループ遮断線１６１ｅが設けられる。このループの形状が大きいのは切開溝１５３ａ、１５３ｂ、１５４ａがあるからである。

図２の引き出し円ｃ３は、セルフレームの表面側と裏面側の外周部に形成された突起状の閉ループ遮断線１６１ａ、１６１ｂを示したものである。図１（ａ）（ｂ）にも突起状の閉ループ遮断線１６１ａ、１６１ｂを示す。これにより、内部と外部とが完全に遮断される。なお、ガスケット１３４Ａ、１３４Ｂは、耐薬品性のある合成樹脂のゴム、例えばＥＤＰＭで出来ており、突起状で線状の凸部がガスケット１３４Ａ、１３４Ｂを電極１３５に押しつけることで遮断を行っている。

図１（ｂ）のセルフレーム１３１の段差部１３６には、５個の棒状の突出体１６２が設けられる。ここに、穿孔された隔膜の孔１６４が合せられて隔膜１３２が留め置かれる。図１（ｃ）の隔膜固定リング１３３には、棒状の突出体１６２の位置に対応して、通孔１６３が設けられている。通孔１６３の各々の位置は、隔膜固定リングの中心軸方向にわずかにずれて設けられている。棒状の突出体１６２に合せられて隔膜固定リング１３３が、隔膜１３２に重ねて留め置かれる。通孔１６３の位置がずれているので、隔膜固定リング１３３を広げるように装着するから堅固な隔膜固定ができる。

図２の引き出し円Ｃ４は、セルフレーム１３１の段差部１３６に設けられた棒状の突出体１６２に、隔膜１３２と隔膜固定リング１３３が留め置かれる箇所の断面図である。これにより、Ｃ４の左側に配置されるガスケット１３４Ｂまたは電極１３５によって、隔膜固定リング１３３と隔膜１３２をＣ４の右側方向に押して固定する必要はない。隔膜固定リング１３３と隔膜１３２を合せた高さは、セルフレーム１３１の段差部１３７に等しいか小さくできる。すなわち、隔膜固定リング１３３が段差部１３７より突出することがないから、段差部１３７に設けられた突起状の閉ループ遮断線のガスケット１３４Ｂとの密封作用を邪魔しないようにできる。

本発明は、アルカリ電解水を電気分解して大量の水素ガスと酸素ガスを発生する電解槽を構成する多数の単体槽に適用できる。

本発明による実施例で、単体槽を構成するセルフレームと隔膜固定リングの図面である。（ａ）は、セルフレームの下面図である。（ｂ）は、セルフレームの正面図である。（ｃ）は、隔膜固定リングの正面図である。図１の単体槽が積層された時の、酸素ガスの連通孔周辺の断面図である。従来の単体槽の構成図である。従来の単体槽を構成するセルフレームと隔膜固定リングの図面である。（ａ）は、セルフレームの下面図である。（ｂ）は、セルフレームの正面図である。（ｃ）は、隔膜固定リングの正面図である。

符号の説明

３０単体槽
３１セルフレーム
３２隔膜
３３隔膜固定リング
３４Ａ、３４Ｂガスケット
３５電極
４１酸素ガスの連通孔
４２水素ガスの連通孔
４３電解水の連通孔
５１ａ、５１ｂ、５１ｃ切開溝
５２ａ、５２ｂ、５２ｃ切開溝
５３ａ、５３ｂ、５３ｃ切開溝
５４ａ、５４ｂ、５４ｃ切開溝
５５ａ、５５ｂ、５５ｃ切開溝
５６ａ、５６ｂ、５６ｃ切開溝
１３１セルフレーム
１３２隔膜
１３３隔膜固定リング
１３４Ａ、１３４Ｂガスケット
１３５電極
１３６、１３７段差部
１４１酸素ガスの連通孔
１４２水素ガスの連通孔
１４３電解水の連通孔
１５１ａ、１５１ｂ切開溝
１５２ａ切開溝
１５３ａ、１５３ｂ切開溝
１５４ａ切開溝
１５５ａ、１５５ｂ切開溝
１５６ａ切開溝
１６１ａ、１６１ｂ内側を密封する突起状の閉ループ遮断線
１６１ｃ、１６１ｄ連通孔を密封する突起状の閉ループ遮断線
１６１ｅ、１６１ｆ他の突起状の閉ループ遮断線
１６２棒状の突出体
１６３隔膜固定リングに設けられた通孔
１６４隔膜に穿孔された孔
１７１縦糸
１７２横糸

Claims

セルフレームと隔膜と隔膜固定リングと電極と電極を前後に挟むガスケットとからなり、アルカリ電解水の電気分解を行う単体槽において、
前記隔膜が、イオン透過性及びガス遮断性を有するポリプロピレン繊維の織布によって形成されると共に、水素ガスの連通孔と酸素ガスの連通孔と電解水の連通孔とが、前記隔膜固定リングの外側に位置する前記セルフレーム外周部に形成されたことを特徴とする単体槽。
前記連通孔は扁平な断面を有し、前記水素ガスの連通孔の大きさが、前記酸素ガスの連通孔の２倍になるように形成されたことを特徴とする請求項１に記載の単体槽。
前記ガスケットが接する前記セルフレームの接触面に、前記セルフレームの内部を囲い込むように設けられた突起状の閉ループ遮断線と、切開溝を持たない前記水素ガスの連通孔または前記酸素ガスの連通孔の周りを囲い込むように設けられた突起状の閉ループ遮断線と、切開溝を持つ連通孔と電解室を囲むように設けられた突起状の閉ループ遮断線とが設けられたことを特徴とする請求項１に記載の単体槽。
前記隔膜が設置される前記セルフレームの段差部に複数の棒状の突出体が設けられと共に、前記隔膜の前記棒状の突出体に対応する位置に孔が穿設され、前記隔膜固定リングの前記棒状の突出体に対応する位置からずれた位置に通孔が形成され、前記隔膜が前記隔膜固定リングによって、前記セルフレームの段差部に留め置かれることを特徴とする請求項１に記載の単体槽。