JP2008013830A - 電解槽の電極構造および電解槽 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構造で、効率よく水素と酸素との混成ガスを発生させることができる電解槽の電極構造および電解槽を提供する。
【解決手段】一対とすることで箱状に形成され、内部が電解液を貯留する電解室Ｒとなるケーシング２と、電解室Ｒに設けられ、それぞれのケーシング２に形成された電源端子を介して電源電圧が印加される一対の電極部４とを備え、電極部４は、ベース板４１に電極板４２を平行に配列して導電接続することで櫛歯状に形成され、一対の電極部４は、互いの櫛歯が噛み合うように配置されている。このように櫛歯状に電極部４を形成することで、低電力で、かつ効率よく混成ガスを発生させることができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、電気分解によりブラウンガスと呼ばれる水素と酸素との混成ガスを発生する電解槽の電極構造および電解槽に関するものである。

ブラウンガスと呼ばれる水素と酸素との混成ガスは、燃焼させると、融点が３４８０℃のタングステンでも、アセチレンバーナーよりも早く、数秒で孔を開けることができるので、これから益々、用途の範囲が拡大するものと思われる。

このようなブラウンガスを発生させる従来の電解槽として、特許文献１，２に記載されたものがある。特許文献１に記載の可燃性混合ガス発生装置は、複数の平板状の電極板に間に絶縁ガスケットを重ねて一対とすることで、電解液が満たされる複数の単位電解室が装備され、両外側の電極板に設けられた電源連結端子に直流電源を導電することで、内側の各電極板が帯電して電解液から水素および酸素の混成ガスを発生させるものである。

また、特許文献２に記載の水素・酸素混合ガス発生装置は、複数の円筒形電極板を、間隔をおいて同心円状に配置した上部電極および下部電極が、隙間を設けて対向するように挿着して、円筒状のケーシング内に収納して電解槽を形成したものである。
特開平１１−３０２８８５号公報 特開２００５−２４８２４４号公報

しかし、特許文献１に記載の可燃性混合ガス発生装置は、両外側の電極板に電圧を印加することで帯電した内側の電極板により混成ガスを発生させているので、大きな電力が必要であり、非効率的である。

特許文献２に記載の水素・酸素混合ガス発生装置は、各円筒形電極板の上下方向に設けられたスリットを通じて、円筒形電極板に囲まれた中心部から発生した混成ガスを排出しているので、上部電極の円筒形電極板と下部電極の円筒形電極板とが対向する面積が減少してしまう。従って、混成ガスの発生に寄与する面積が減少してしまうので、高い効率が望めない。また、円筒形電極板を同心円状に配置しているので、電解槽の中心にある円筒形電極板から外側方向に位置する円筒形電極板まで、精度よく作製する必要があり、構造が複雑である。

そこで本発明は、簡単な構造で、効率よく水素と酸素との混成ガスを発生させることができる電解槽の電極構造および電解槽を提供することを目的とする。

本発明の電解槽の電極構造は、電解液から酸素と水素とを含む混成ガスを発生させる電解槽の電極構造において、電極板を平行に配列して導電接続することで櫛歯状に形成された電極部が一対設けられ、前記一対の電極部は、互いの櫛歯が噛み合うように配置されていることを特徴とする。

本発明の電極構造は、電極板を平行に並べて導電接続したことで櫛歯状に形成された電極部が一対設けられたものである。その一対の電極部は、互いの櫛歯が噛み合うように配置されている。この一対の電極部に正電圧および負電圧を印加することで、噛み合うように配置されたそれぞれの電極板の間で混成ガスが発生する。従って、電極板の電極面全体が混成ガスの発生に寄与する。そして、それぞれの電極板に直接電圧を印加することで、それぞれの電極板の間を均一な電位の状態とすることができるので、両外側の電極板のみに電圧を印加して、内側の電極板のそれぞれに帯電させるより、低電力で発生させることができる。また、電極板を平行に並べることで電極部を櫛歯状としているので、同じ大きさの電極板を所定枚数ほど作製すればよく、その所定枚数の電極板を櫛歯状に並べて、互いの櫛歯が噛み合うように配置すればよいので、構造が簡単である。

前記電極部は、前記電極板が、鉛直方向に対して平行となるように配置されているのが望ましい。電極面に気泡が付着した状態では、電極面が電解液と接触しない状態となるため、混成ガスの発生が阻害され、効率が低下してしまう。しかし、電極板を、鉛直方向と平行となるように配置することで、電極板の電極面で発生した混成ガスの気泡は、それぞれの電極板に浮上を阻害されることなく上方へ移動することができる。従って、より効率よく混成ガスを発生させることができると共に、電極板の上方で混成ガスを集めれば、効率よく混成ガスを収集することができる。

前記電極板には、隣接する電極板との間を確保するスペーサが設けられ、前記スペーサは、前記電極板の先部に向かって徐々に薄くなるように形成されているのが望ましい。一対の電極部を、互いの櫛歯が噛み合うように配置すると、それぞれの電極板が接触して短絡するおそれがある。従って、隣接する電極板との間を確保するスペーサを設け、このスペーサを電極板の先部に向かって徐々に薄くなるように形成していれば、それぞれの電極板が接触することを防止できるだけでなく、一対の電極部を配置する際に、スペーサと電極板の先端とが接触しても、抵抗なく電極板を噛み合わせることができる。

更に、前記電極板には、電解液が通過する貫通孔が設けられているのが望ましい。電解が進むと電解液が加熱される。加熱が進むと電解液が水蒸気となって混成ガスに混じってしまう。電極板に貫通孔を設けることで、それぞれの電極板の間で電解液が通過して温度の均一化を図ることができるので、それぞれの電極板の間での温度上昇の偏りを抑制することができる。

また、本発明の電解槽は、一対とすることで内部に電解液を貯留する電解室が形成される導電性のケーシングと、前記電解室に設けられ、それぞれのケーシングに形成された電源端子を介して電圧が印加される一対の電極部とを備え、前記電極部は、電極板を平行に配列して導電接続することで櫛歯状に形成され、前記一対の電極部は、互いの櫛歯が噛み合うように配置されていることを特徴とする。

この電解槽にあっては、前記電極部は、前記電解室に貯留された電解液が、前記電極板の上方および下方を流動可能なように前記電解室に設けられているのが望ましい。電解液が加熱されると対流が発生するが、電極板の上方および下方を電解液が流動可能なように、電極部が電解室に設けられていることで、電解液の対流が電極板によって完全に遮断されることがない。従って、電極板の上方および下方を電解液が広がるように対流したり、電極板の電極面に沿って対流したりして電解液が循環することで、温度の均一化が向上するので、温度の偏りを抑制することができる。

本発明によれば、それぞれの電極板に直接電圧を印加して混成ガスを発生させているので、低電力で効率よく水素と酸素との混成ガスを発生させることができる。また、同じ形状の電極板を櫛歯状に並べて、互いの櫛歯が噛み合うように配置すればよいので、構造が簡単である。

本発明の実施の形態に係る電解槽を図面に基づいて説明する。まずは、本実施の形態に係る電解槽の構成を図１から図４に基づいて説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る電解槽を示す正面図である。図２は、図１に示す電解槽の右側面図である。図３は、図１に示す電解槽の平面図である。図４は、図１に示す電解槽の水平断面図である。図５は、図１に示す電解槽の垂直断面図である。

図１から図５に示すように、電解槽１は、正負電圧を印加することで、水素と酸素との混成ガスを発生させるものである。電解槽１は、ケーシング２と、ガスケット３と、電極部４とを備えている。

ケーシング２は、側部が開口している箱状体に形成され、一対とすることで電解液を貯留する電解室Ｒが形成される。ケーシング２は、開口に沿って額縁状のフランジ部２１が形成されている。このフランジ部２１には、台形状に形成された電源端子２２がフランジ部２１から突出するように設けられている。底部には、基台部２３が設けられている。

ケーシング２には、様々な目的のためにソケット２４（２４ａ〜２４ｉ）が設けられている。一方のケーシング２の上面部には、電解室Ｒで発生した混成ガスを取り出すガス取出ソケット２４ａがニップルＮを装着した状態で上部に設けられている。前面部には、液面計５となるガラス管を連通する液面計用上部ソケット２４ｂと、液面計用下部ソケット２４ｃとが設けられている。背面部のほぼ中央には、電解液の温度を監視する温度計を取り付けるための温度計用ソケット２４ｄが設けられている。背面部の下部には、電解室Ｒに貯留される電解液を循環させるための給排出用ソケット２４ｅが設けられている。底面部には、電解液を排出するためのドレイン用ソケット２４ｆが設けられている。

他方のケーシングの上面部には、電解室Ｒ内が異常なほど高圧になったときにガス抜きを行う安全弁を取り付けるために安全弁用ソケット２４ｇが設けられている。背面部の上部には、電解室Ｒ内の圧力を監視する圧力計を取り付けるための圧力計用ソケット２４ｈが設けられている。そして背面部のほぼ中央には、電解液の循環のための給排出用ソケット２４ｉが設けられている。

本実施の形態では、このケーシング２およびこれらのソケット２４が、ステンレスで形成されているが、電解液に対して高い耐腐食性を有するものであれば、他の金属で形成してもよい。

ガスケット３は、電解液に対して耐腐食性を有する絶縁性ゴムを額縁状に形成したもので、ケーシング２同士を合わせたときにフランジ部２１の間に位置するように配置されている。ケーシング２同士を、このガスケット３を挟んでナットとボルトで電解液が漏れないように連結することで、一方のケーシング２と他方のケーシング２とを絶縁状態としている。

電極部４は、ケーシング２の内側面に取り付けられることで、電解室Ｒに設けられており、ベース板４１と、複数の電極板４２と、スペーサ４３とを備えている。ここで電極部４について、図６から図９に基づいて詳細に説明する。図６は、電極部４の平面図である。図７は、電極部４を電極板４２の先部から見た図である。図８は、電極板４２を示す図である。図９は、スペーサ４３を示す斜視図である。

図６から図９に示すように、電極部４は、電極板４２が平行となるように配列し、ベース板４１に電極板４２の基部を溶接することで、ベース板４１と電極板４２とを導電接続して、櫛歯状に形成したものである。

ベース板４１は、矩形状に形成されたステンレス製の板で、ケーシング２の内側面に取り付けるためのネジ孔４１ａが両側部に、４ヵ所ずつ、計８ヵ所設けられている。

電極板４２は、矩形状に形成されたステンレス製の板で、先部の上部、中央部および下部に、スペーサ４３を取り付けるための切欠部４２ａが設けられている。また、切欠部４２ａから基部側に寄った位置には、電解液が通過するための貫通孔である循環孔４２ｂが設けられている。本実施の形態では、電極板４２をステンレス製としたが、導電性を有し、電解液に対して耐腐食性を有する金属であれば使用することができる。

スペーサ４３は、電極板４２同士が接触して電気的に短絡してしまうことを防止するためのもので、平板状に形成された第１スペーサ部４３ａと、電極板４２の先部に向かって徐々に薄くなるように、断面が三角形状に形成された第２スペーサ部４３ｂとが連結部４３ｃとで連結されたものである。スペーサ４３は、連結部４３ｃを電極板４２の切欠部４２ａ（図８参照）に嵌め込むことで取り付けられる。

図４および図５に示すように、このように形成される電極部４は、一対のケーシング２の内側面にそれぞれベース板４１が取り付けられ、ガスケット３を挟んでケーシング２を合わせることで、互いの櫛歯が噛み合うように配置される。

電極部４同士を噛み合わせるように配置するときに、電極板４２の先端がスペーサ４３に接触してしまうことがある。しかし、本実施の形態のスペーサ４３は、第２スペーサ部４３ｂが、電極板４２の先部に向かって徐々に薄くなるように、断面が三角形状に形成されているため、第２スペーサ部４３ｂの傾斜面に電極板４２の先端が接触しても、先端を傾斜面に摺動させながら進行させることができるので、抵抗なく電極板４２を噛み合わせることができる。

以上のように構成される本発明の実施の形態に係る電解槽１の使用状態について図面に基づいて説明する。

図１から図５に示すように、まず、電解槽１にて混成ガスを発生させるときには、この電解槽１の給排出用ソケット２４ｅ，２４ｉに、図示しない電解液を供給する電解液タンクを接続する。また、電源端子２２に電源を接続する。作業者は、液面計５を監視しながら、図１から図３に示す液面Ｌとなるまで電解液を注入すると共に、電解室Ｒ内の電解液を、給排出用ソケット２４ｅから排出し、給排出用ソケット２４ｉから注入するように、図示しない液送ポンプを駆動する。そして、電源からの正負電圧を、電源端子２２のそれぞれに印加する。液面Ｌは、電極部４が電解液に浸漬して、電極部４の上方を電解液が流動可能なような高さに設定されている。この電解液は、例えば、水酸化ナトリウム水溶液や、水酸化カリウム水溶液などとすることができる。

電源端子２２に電圧が印加されると、両側のケーシング２とベース板４１とを介して電極板４２にそれぞれ電圧が印加される。電極板４２に電圧が印加されることで、噛み合うように配置されたそれぞれの電極板４２の間で混成ガスが発生する。それぞれの電極板４２に直接電圧を印加することで、それぞれの電極板４２の間を均一な電位の状態とすることができるので、低電力で効率よく発生させることができる。

発生した混成ガスは、気泡となって電極板４２の間を上昇する。混成ガスの気泡は、上昇して電解室Ｒの気相部に達した後に、ガス取出ソケット２４ａから排出される。

電極板４２の電極面に混成ガスの気泡が付着した状態では、電極面が電解液と接触しない状態となるため、混成ガスの発生が阻害されるので、効率が低下してしまう。しかし、電極板４２は、鉛直方向と平行となるようにベース板４１に配置されているので、電極板４２の電極面で発生した混成ガスの気泡は、それぞれの電極板４２に浮上を阻害されることなく上方へ移動することができる。従って、より効率よく混成ガスを発生させることができると共に、ガス取出ソケット２４ａから効率よく混成ガスを排出させることができる。

混成ガスを発生させていると、電解室Ｒ内の電解液は加熱される。加熱が進むと電解液が蒸気となって混成ガスに混じった状態で、ガス取出ソケット２４ａから排出されてしまう。従って、過剰な電解液の加熱は抑止する必要がある。本実施の形態に係る電解槽１は、電解室Ｒに貯留された電解液が、電極板４２の上方および下方を、水平方向に流動可能なので、電解液の対流が電極板４２によって完全に遮断されることはない。従って、電極板４２の上方および下方を電解液が広がるように対流したり、電極板４２の電極面に沿って対流したりして電解液が循環することで、温度の均一化が向上するので、温度の偏りを抑制することができる。

また、電解室Ｒ内の電解液が、給排出用ソケット２４ｅから排出され、給排出用ソケット２４ｉから注入されることで、外部に設けた電解液タンクと循環しているので、更に温度の均一化を図ることができると共に、電解液の温度の上昇を抑制することができる。そして、電解液が排出される給排出用ソケット２４ｉは高い位置にあり、電解液が注入される給排出用ソケット２４ｉは低い位置にあることで、加熱して上昇した液面Ｌ近くの電解液を、給排出用ソケット２４ｉから排出させやすいので、電解液の急激な温度上昇を抑止することができる。循環は、それぞれの電極板４２の間の電解液が電極板４２に設けた循環孔４２ｂを流動することでも行われるので、更に温度の偏りの発生を抑制することができる。

電解室Ｒ内の電解液の温度が、過度に上昇してしまうことが懸念される場合には、電解液タンクまたは電解槽１と電解液タンクとを接続する管路を、冷却装置により冷却してもよい。

作業者は、温度計用ソケット２４ｄに取り付けられた温度計や、圧力計用ソケット２４ｈに取り付けられた圧力計を監視しながら、混成ガスを発生させる作業を行う。

このように、櫛波状に形成された電極部４によって電解液から混成ガスを発生させることで、低電力で、かつ効率よく発生させることができる。

本発明は、電気分解によりブラウンガスと呼ばれる水素と酸素との混成ガスを発生する電解槽の電極構造および電解槽に好適である。

本発明の実施の形態に係る電解槽を示す正面図である。 図１に示す電解槽の右側面図である。 図３は、図１に示す電解槽の平面図である。 図４は、図１に示す電解槽の水平断面図である。 図１に示す電解槽の垂直断面図である。 電極部の平面図である。 電極部を電極板の先部から見た図である。 電極板を示す図である。 スペーサを示す斜視図である。

符号の説明

１ 電解槽
２ ケーシング
２１ フランジ部
２２ 電源端子
２３ 基台部
２４ ソケット
２４ａ ガス取出ソケット
２４ｂ 液面計用上部ソケット
２４ｃ 液面計用下部ソケット
２４ｄ 温度計用ソケット
２４ｅ 給排出用ソケット
２４ｆ ドレイン用ソケット
２４ｇ 安全弁用ソケット
２４ｈ 圧力計用ソケット
２４ｉ 給排出用ソケット
３ ガスケット
４ 電極部
４１ ベース板
４１ａ ネジ孔
４２ 電極板
４２ａ 切欠部
４２ｂ 循環孔
４３ スペーサ
４３ａ 第１スペーサ部
４３ｂ 第２スペーサ部
４３ｃ 連結部
５ 液面計
Ｎ ニップル
Ｒ 電解室

Claims (6)

1. 電解液から酸素と水素とを含む混成ガスを発生させる電解槽の電極構造において、
   電極板を平行に配列して導電接続することで櫛歯状に形成された電極部が一対設けられ、
   前記一対の電極部は、互いの櫛歯が噛み合うように配置されていることを特徴とする電解槽の電極構造。
2. 前記電極部は、前記電極板が、鉛直方向に対して平行となるように配置されていることを特徴とする請求項１記載の電解槽の電極構造。
3. 前記電極板には、隣接する電極板との間を確保するスペーサが設けられ、
   前記スペーサは、前記電極板の先部に向かって徐々に薄くなるように形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の電解槽の電極構造。
4. 前記電極板には、電解液が通過する貫通孔が設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれかの項に記載の電解槽の電極構造。
5. 一対とすることで内部に電解液を貯留する電解室が形成される導電性のケーシングと、
   前記電解室に設けられ、それぞれのケーシングに形成された電源端子を介して電圧が印加される一対の電極部とを備え、
   前記電極部は、電極板を平行に配列して導電接続することで櫛歯状に形成され、
   前記一対の電極部は、互いの櫛歯が噛み合うように配置されていることを特徴とする電解槽。
6. 前記電極部は、前記電解室に貯留された電解液が、前記電極板の上方および下方を流動可能なように前記電解室に設けられていることを特徴とする請求項５記載の電解槽。

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