JP2010090473A - Apparatus for generating oxyhydrogen gas - Google Patents
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この発明は、水を電気分解して酸素ガスと水素ガスを発生させ、それらを混合状態で取り出すようにした酸水素混合ガス発生装置の構成と構造に関するものである。そのガスを燃焼させて、溶接や溶断、溶射加工などを行なうことができる。 The present invention relates to a structure and a structure of an oxyhydrogen mixed gas generating apparatus in which water is electrolyzed to generate oxygen gas and hydrogen gas and take them out in a mixed state. The gas can be burned to perform welding, fusing, thermal spraying, or the like.
水を電気分解して水素と酸素を発生させる方法としては、それぞれのガスを分離した状態で発生させる方法と、それぞれのガスを混合した形態で発生させる方法がある。本発明は、後者の水素と酸素を混合した形態で発生させる酸水素ガス発生装置に関する。 As a method of generating hydrogen and oxygen by electrolyzing water, there are a method of generating each gas in a separated state and a method of generating each gas in a mixed form. The present invention relates to an oxyhydrogen gas generator that generates hydrogen and oxygen in a mixed form.
水素と酸素との混合ガス発生装置としては、従来から、電解槽内部に複数の電極板を積層し、その間にゴム質の絶縁部材を挿入介在させて、それぞれの電極板の間を隔離絶縁した構造のものが広く使用されている。ところが、この電極板相互間の絶縁材料としてゴム質のものを使用することによって、時間の経過とともに、電解液と熱により、ゴム質が劣化し変形して電解液の漏れを生じたり、絶縁不良が発生する等の問題が生じる。また、電解槽の構造上、電極板相互間の間隔が3mm程度と狭く、ゴム質の劣化によって電解液の電気分解効率が落ちるだけでなく、発熱が激しく、また、電力損失が大きくなり、長時間稼動が不可能となる問題もある。 Conventionally, a mixed gas generator of hydrogen and oxygen has a structure in which a plurality of electrode plates are stacked inside an electrolytic cell, and a rubber insulating member is interposed between the electrode plates so that each electrode plate is isolated and insulated. Things are widely used. However, by using a rubber material as the insulation material between the electrode plates, over time, the electrolyte and heat will cause the rubber to deteriorate and deform, causing electrolyte leakage or poor insulation. This causes problems such as In addition, due to the structure of the electrolytic cell, the distance between the electrode plates is as narrow as about 3 mm. Not only does the electrolysis efficiency of the electrolyte decrease due to the deterioration of the rubbery material, but the heat generation is intense and the power loss increases. There is also a problem that time operation is impossible.
また、角型電解槽を用いる場合も多く見られるが、その製作において溶接部が多くなり、信頼性や製作費の点で不利な上、発生させるガス圧力に対して変形しやすいという欠点がある。また電解室内部の寸法精度が悪くなりやく、電極板絶縁支持枠部分の絶縁性に問題が生じやすく、発熱の原因となり、水の電気分解の効率低下を招きやすくなる。また、エポキシ樹脂製の電極板絶縁支持枠を用いる場合もあるが、加工性が悪く、複数部品を組み合わせて作ると、接続部分に隙間を生じやすくなり、漏れ電流が発生しやすく、電気絶縁性に問題を生じ、性能を確保しようとすると電極板絶縁支持枠の加工精度を高くする必要があり、複雑かつ高価となる欠点がある。
本発明は、従来の水素と酸素との混合ガス発生装置におけるこのような問題を解消して、水素・酸素混合ガスを安定的で効率的に発生できる酸水素ガス発生装置を提供するものである。 The present invention provides an oxyhydrogen gas generator capable of solving such a problem in a conventional mixed gas generator of hydrogen and oxygen and generating a hydrogen / oxygen mixed gas stably and efficiently. .
従来では、角型電解槽を用い、電解槽内部に複数の電極板を積層し、その間にゴム質の絶縁部材を挿入介在させて、それぞれの電極板の間を隔離絶縁した構造のものが使用されている。エポキシ樹脂製の電極板絶縁支持枠を用いる場合もあるが、加工性が悪く、複数部品を組み合わせて作ると、電気絶縁性に問題を生じやすく、性能を確保しようとすると高価となる欠点がある。 Conventionally, a prismatic electrolytic cell is used, and a plurality of electrode plates are stacked inside the electrolytic cell, and a rubber-like insulating member is interposed between the electrode plates so that each electrode plate is isolated and insulated. Yes. In some cases, an epoxy resin electrode plate insulating support frame may be used, but the processability is poor, and when it is made by combining multiple parts, there is a problem that it tends to cause problems in electrical insulation, and it is expensive to ensure performance. .
本発明では、アルカリ水溶液を電気分解して酸素ガスと水素ガスを発生させ、それらを混合状態で取り出すようにした酸水素混合ガス発生装置において、水の電気分解を行なう電解槽の構造が、両端がゴム製パッキングを介してステンレス電極円板で封じられたフランジ付き円筒ステンレスであり、その内部がステンレス電極円板で複数室に区切られ、その周囲とステンレス円筒内面とは円筒状耐アルカリ性プラスチックにて電気的に絶縁されており、さらに各ステンレス電極円板はリング状の帯状耐アルカリ性プラスチックに挟まれて密着性よく固定され、電気的に絶縁されていることを特徴とし、これにより効率および信頼性の高い酸水素ガス発生装置を提供するものである。 In the present invention, in an oxyhydrogen mixed gas generator that electrolyzes an alkaline aqueous solution to generate oxygen gas and hydrogen gas and take them out in a mixed state, the structure of the electrolytic cell for electrolyzing water is Is a cylindrical stainless steel with a flange sealed with a stainless steel electrode disc through a rubber packing, the inside of which is divided into a plurality of chambers with a stainless steel electrode disc, and the circumference and the inner surface of the stainless steel cylinder are made of a cylindrical alkali-resistant plastic In addition, each stainless steel electrode disk is sandwiched between ring-shaped strips of alkali-resistant plastic, fixed with good adhesion, and electrically insulated, which makes it efficient and reliable. A highly oxyhydrogen gas generator is provided.
酸水素ガス発生装置は水を電気分解し、水素ガスと酸素ガスの混合ガスを発生させる装置である。水の電気分解は電解液(電解質水溶液・KOH、NaOH、等)に電気を流すことにより起きる電気化学反応である。陽極(+)では水酸イオンOH−が反応、電子を電極に放出して酸素分子O2と水分子が発生する。陰極(−)では水分子が電子を受け取って水酸イオンOH−と水素分子H2が発生する。この様に水が電気によって水素と酸素に分解され、気体(ガス)として取り出される。本装置での酸水素ガス発生装置は、酸素ガスと水素ガスを分離しないで混合ガス状態として燃料ガスとして取り出される。電解液の電解質は電気を流し易くし、水の電気分解を促進する役割をしている。全体としては水(H2O)だけが電気分解によりガスとなって消費され、電解質は分解されることなく残るので、水のみを補給すればよい。商用電源で水を電気分解し酸素と水素を連続的に発生させる装置であるので、わずらわしいガスボンベ等一切不要となり、電源投入ですぐに燃料などに利用できる。酸水素ガス発生装置は水を電気分解し、完全燃焼に必要な酸素自体を含む水素ガス2:酸素ガス1の混合ガスを発生させる装置であり、ガス貯蔵部を設けず、発生させたガスを直ちに利用するので、環境への影響なく、また爆発の危険性なく、安心して使用することができる。 The oxyhydrogen gas generator is an apparatus that electrolyzes water to generate a mixed gas of hydrogen gas and oxygen gas. Electrolysis of water is an electrochemical reaction that occurs when electricity is passed through an electrolytic solution (aqueous electrolyte solution / KOH, NaOH, etc.). At the anode (+), hydroxide ions OH− react to emit electrons to the electrode to generate oxygen molecules O2 and water molecules. At the cathode (-), water molecules receive electrons and generate hydroxide ions OH- and hydrogen molecules H2. In this way, water is decomposed into hydrogen and oxygen by electricity and taken out as a gas. The oxyhydrogen gas generator in this apparatus is taken out as fuel gas in a mixed gas state without separating oxygen gas and hydrogen gas. The electrolyte of the electrolyte serves to facilitate the flow of electricity and promote the electrolysis of water. As a whole, only water (H 2 O) is consumed as gas by electrolysis, and the electrolyte remains without being decomposed, so that only water needs to be replenished. Since it is a device that electrolyzes water with a commercial power source and continuously generates oxygen and hydrogen, there is no need for cumbersome gas cylinders and it can be used as fuel immediately after the power is turned on. The oxyhydrogen gas generator is an apparatus that electrolyzes water and generates a mixed gas of hydrogen gas 2:
本発明の実施例として、電解槽の構造を図1に示す。電解液として水酸化カリウム水溶液(20−30wt%程度)を用いている。図1Aはその断面図であり、1はステンレス製円筒管(SUS304)であり、本実施例では、内径498mm、管の厚さ5mmであり、両端にフランジ2が溶接で取り付けられている。両端部において、3はゴムパッキング(ネオプレンゴム)、4はステンレス円板蓋(SUS304、厚さ15mm)であり、絶縁円筒スリーブを有するボルト、ナットでゴムパッキングを介して電気的に絶縁されて取り付けられている。5はステンレス円板電極(SUS316、厚さ1mm)であり、図では4枚のみ描かれ他は省略されているが、この例では19枚あり、電解槽が20室に分けられている。6はステンレス円筒内部の電解液とステンレスとを絶縁するためのプラスチック絶縁円筒であり、この例ではポリプロピレンを採用した。7は各ステンレス電極円板の位置を固定し、かつ各ステンレス電極円板を電気的に絶縁するための電極板絶縁支持枠であり、幅15mm、厚さ5mmの帯状のポリプロピレンをリング状にして用いている。その斜視図を図1Bに示している。ポリプロピレンは耐アルカリ性に優れ、耐熱性も実用上十分である。ポリプロピレンの代わりにテフロン(フッ化炭素樹脂)を用いることもできる。このような構成を採用することにより、電極板絶縁支持枠部において隙間なく、容易に絶縁性の良い電解槽を実現できる。電解液は上部5分の1を残す程度に満たされている。この図には明示されていないが、各ステンレス電極円板の上部には径15mm程度の穴、下部の斜め下には各ステンレス円板には隣同士左右互い違いに径15mm程度の穴が設けられている。上部の穴は発生したガスの取り出し用であり、下部の穴は電解液の導入用である。各ステンレス電極円板の下部の穴が隣同士互い違いであるのは、電解液中を流れる電流がバイパスしないようにするためである。 As an embodiment of the present invention, the structure of an electrolytic cell is shown in FIG. A potassium hydroxide aqueous solution (about 20-30 wt%) is used as the electrolytic solution. FIG. 1A is a cross-sectional view thereof, and
直流電源が左右のステンレス円板蓋に接続される。左右のステンレス円板蓋が陽極、陰極の役割を果たす。このようにすると各ステンレス電極円板で区切られた電解室が直列接続され、各ステンレス電極円板の表裏が各電解室の陽極と陰極として作用することになる。水の電気分解では各電解室に必要な電圧は2V程度なので、本実施例の20室構成では、40V−50V程度の電圧が必要である。このとき200A程度の電流が流れ、2400リットル毎時程度の酸水素ガスが発生する。 A DC power supply is connected to the left and right stainless steel disc lids. The left and right stainless steel disc lids act as anodes and cathodes. If it does in this way, the electrolytic chamber divided by each stainless steel electrode disk will be connected in series, and the front and back of each stainless steel electrode disk will act as the anode and cathode of each electrolytic chamber. In the electrolysis of water, the voltage required for each electrolysis chamber is about 2V, so the voltage of about 40V-50V is required in the 20-room configuration of this embodiment. At this time, a current of about 200 A flows and oxyhydrogen gas of about 2400 liters per hour is generated.
図1Cは一方のステンレス円板蓋の正面図であって、酸水素ガスの取り出し口11、電解液の液面計12、水の補給口13、電解液の排出口14、直流電源の接続端子15が設けられている。他方のステンレス円板蓋には直流電源の接続端子が設けられている。 FIG. 1C is a front view of one of the stainless steel disc lids, which is an
電極板の表面積を増せば、同一電圧ならば、電流がそれに比例して増加し、発生する酸水素ガスが増加する。また、電流を一定に保てば、電圧が減少し、水電気分解の効率が向上する。電極表面積の増加方法として、表面に凹凸をつける、網目状のものを付加するなどが考えられるが、簡単構造で信頼性を確保できる方法として、図2に示すように、5mm程度の穴を10mm程度の間隔で多数設けた構造の穴あきステンレス円板5Aを、2−3mmの間隙を設けて、溶接などの方法で電極板の両面に固定することが有効である。最両端の電極(ステンレス円板蓋)はもちろん片側のみに付加する。このようにすることにより、約3倍の電極表面積を実現できる。各電極板に複数枚の穴あきステンレス板を付加すれば、電極表面積をさらに増加させることができる。 If the surface area of the electrode plate is increased, the current increases in proportion to the same voltage, and the generated oxyhydrogen gas increases. Further, if the current is kept constant, the voltage is reduced and the efficiency of water electrolysis is improved. As a method for increasing the surface area of the electrode, it is conceivable to add unevenness to the surface or to add a mesh-like one. However, as a method that can ensure reliability with a simple structure, as shown in FIG. It is effective to provide a plurality of perforated stainless steel discs 5A having a structure provided at a certain interval with a gap of 2-3 mm and fix them to both surfaces of the electrode plate by a method such as welding. Of course, the electrodes at the extreme ends (stainless steel disc lids) are added only on one side. By doing so, an electrode surface area of about 3 times can be realized. If a plurality of perforated stainless steel plates are added to each electrode plate, the electrode surface area can be further increased.
図3は、酸水素ガス発生装置の全体を示す。図3Aは平面図、図3Bは正面図である。図3Aの31は電解槽であり、発生した酸水素ガスは、ガスホース配管により、水式の逆火防止器32および水滴フィルター兼乾式逆火防止器33を経て、ガス出力34となる。35は消費した水を補給するための水タンクであり、圧力ポンプ36により電解槽31に水が補給される。電解槽31の液面モニターを用いることのより、自動給水とすることもできる。37は電解槽や直流電源の発熱に対する冷却ファンである。38は商用電源200V,3相、50Aへの接続端子である。 図3Bの39は直流電源であり、スイッチング電源方式のものを採用しており、容量50V,200Aのものを用いている。スイッチング電源方式のものは、小型、軽量で大容量という長所がある。この電源は定電圧定電流制御方式であり、一定ガス発生条件に対しては定電流動作モードを適用でき、使いやすい。40は制御盤であり、電源のON,OFFの操作および電解槽31内のガス圧力をモニターして、設定ガス圧力を維持するように直流電源39を制御する。圧力0−0.5MPaで制御できるようにした。また、電解槽には安全弁を設け、さらに電解槽の温度を監視し、安全動作を確保するようにしている。 FIG. 3 shows the entire oxyhydrogen gas generator. 3A is a plan view and FIG. 3B is a front view. 3A is an electrolytic cell, and the generated oxyhydrogen gas becomes a
以上説明したように、本発明では、アルカリ水溶液を電気分解して酸素ガスと水素ガスを発生させ、それらを混合状態で取り出すようにした酸水素ガス発生装置において、水の電気分解を行なう電解槽の構造が、両端がゴム製パッキングを介してステンレス円板蓋で封じられたフランジ付き円筒ステンレスであり、その内部がステンレス電極円板で複数室に区切られ、その周囲とステンレス円筒とは耐アルカリ性プラスチックにて電気的に絶縁され、さらに各ステンレス電極円板はリング状の帯状耐アルカリ性プラスチックに挟まれて固定されて電気的に絶縁されていることを特徴し、これらにより、効率および信頼性の高い酸水素ガス発生装置を実現するものである。 As described above, in the present invention, an electrolytic cell for electrolyzing water in an oxyhydrogen gas generator that electrolyzes an alkaline aqueous solution to generate oxygen gas and hydrogen gas, and takes them out in a mixed state. The structure is a cylindrical stainless steel with a flange sealed at both ends with a stainless steel disc lid through rubber packing, and the inside is divided into multiple chambers with a stainless steel electrode disc, and the circumference and the stainless steel cylinder are alkali resistant It is electrically insulated with plastic, and each stainless steel electrode disk is sandwiched between ring-shaped and alkali-resistant plastics, and is fixed and electrically insulated. A high oxyhydrogen gas generator is realized.
1 ステンレス円筒
2 ステンレス円筒フランジ
3 ゴムパッキング
4 ステンレス円板蓋
5 ステンレス電極円板
5A 穴あきステンレス円板
6 プラスチック絶縁円筒
7 電極板絶縁支持枠
11 酸水素ガスの取り出し口
12 電解液の液面計
13 水の補給口
14 電解液の排出口
15 直流電源の接続端子
31 電解槽
32 水式の逆火防止器
33 水滴フィルター兼乾式逆火防止器
34 ガス出力
35 水タンク
36 圧力ポンプ
37 冷却ファン
38 電源200V,3相への接続端子
39 直流電源
40 制御盤DESCRIPTION OF
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