JP3039457U - 水素発生用電解セル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 水素吸蔵性金属のパイプからなるカソードの
使用効率を向上させると共に、腐食や漏れ、穴を生じさ
せず、長期間にわたって連続使用が可能な水素発生用の
電解セルを提供することである。 【解決手段】 電解槽２１内部にアルカリ水溶液２２、
及び電源の陰極と接続される水素吸蔵性金属からなる電
極２３、並びに、電解槽２１又はその内部に電源の陽極
と接続される金属製電極２４を有する水素発生用電解セ
ルにおいて、電極２３はパイプ状であり、この電極２３
の所定本数を電解槽２１の底部付近にそれぞれ配置し、
電極２３の両端を電解槽２１の側壁を貫通させて電解槽
２１外部に設けられた水素回収部２５に連通してなる。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【考案の属する技術分野】

この考案は、水素発生装置用の電解セルに関し、詳しくは、電源の陰極と接続 される、電極として水素吸蔵性金属を用いた水素発生装置用の電解セルに関する 。

【０００２】

【従来の技術】

一般に、電源の陰極と接続される電極、すなわち、カソードとして使用される 電極にパラジウム金属等の水素吸蔵性金属を用いた水素発生用の電解セルは、図 ７に示すような電解セルが知られており、電解槽１として縦長の円筒体が用いら れる。

【０００３】 この電解槽１は金属製であり、図７及び図８に示すように、下端は閉塞される と共に上端は開放されており、この上端部では、ここに設けたつば部で蓋２と接 合することによって電解槽１内部を密閉している。この蓋２及び接合部材は金属 性であることから、蓋２に端子３を設けて電源の陽極に接続することにより、電 解槽１自体をアノードとして使用することができる。

【０００４】 また、図８に示すように、上記の電解槽１の内部には、カソード４としてパラ ジウム金属製のパイプが垂直に挿入されており、それらが電解槽１の上端部分と 蓋２との間にシール部材５及び６を介して設置されたカソード支持板７に接合さ れている。このカソード支持板７には、電源の陰極に接続するための端子８が設 けられている。

【０００５】 カソード支持板７には所定数の孔が設けられており、この孔にカソード４を挿 入して銀溶接等の溶接をすることにより、カソード支持板７とカソード４が接合 されている。また、カソード４の上記カソード支持板７と接合する端部と反対側 の端部は、銀溶接等の溶接により閉塞されている。

【０００６】 電解槽１内部には水酸化ナトリウム等のアルカリ水溶液９が注入されており、 端子３を電源の陽極と接続し、端子８を電源の陰極と接続して電流を流すと、電 解槽１内で水の加水分解がおこる。カソード４として水素吸蔵性のパラジウム金 属を使用することから、カソード４外周面で生じた水素はカソード４内部に吸蔵 され、カソード４内周面を通ってパルプの中空部に放出される。次いで、端部が 開放されているカソード支持板７側へ移動し、カソード支持板７と蓋２との間に 形成された水素回収部１０に回収される。水素回収部１０に回収された水素は蓋 ２内部に設けられた水素排出路１１を通って電解セルから排出され、分析機器等 用の水素として使用される。

【０００７】 また、電極の陽極と接続された電解槽１はアノードとなり、この表面で酸素が 発生する。この酸素は、アルカリ水溶液９と電解槽１の上端との間の気相部１２ に集められ、ここの壁面に設けられた酸素排出口１３から排出される。

【０００８】 加水分解によって、電解槽１中のアルカリ水溶液の水が減少するので、電解槽 １の下端部側壁に設けた水注入口１４より水が補給され、電解槽１中のアルカリ 水溶液の界面はほぼ一定に保たれる。

【０００９】

【考案が解決しようとする課題】

しかしながら、加水分解反応が始まると、カソード４のパラジウム金属内に多 量の水素が吸蔵されるため、カソード４はかなりの熱量を保有する。このとき、 このカソード４が酸素に触れると、カソード４表面が酸化等の反応が生じ、カソ ード４の水素吸蔵機能を阻害する。このため、水の電気分解で生じた水素のカソ ード４中空部への移動が阻害される。

【００１０】 したがって、図８の水素発生用の電解セルの場合は、気相部１２に配されるカ ソード４の部分は、この気相部１２に含まれる酸素によって、水素吸蔵機能が阻 害され、高価なパラジウム等の水素吸蔵性金属の使用効率を低下させる。

【００１１】 また、カソード４下端の溶接部１５は、アルカリ水溶液９中にあるため、電池 反応等により腐食を生じやすい。

【００１２】 さらに、溶接部１５の溶接金属は、水素を吸蔵機能を有さないため、この部分 のカソード４に吸蔵された水素は、カソード４とこの溶接金属との境界に蓄積さ れる。このため、溶接部分１５の発生水素ガスによる変形が生じやすく、カソー ド４と溶接金属に間隙ができて漏れを生じやすい。

【００１３】 さらにまた、水素吸蔵により生じる発熱によって、カソード４に曲がりが生じ やすい。カソード４が曲がると、アノードとカソード４との距離が均一でなくな るため、カソード４の部位によって水素発生量が相違が生じ、全体として水素発 生量が低下する。また、水素発生量の特に多いカソード４の部位は、水素吸蔵量 が増大して結晶格子の変化等のより割れが生じやすくなり、微粉化して穴があき やすい。

【００１４】 そこで、この考案の課題は、水素吸蔵性金属のパイプからなるカソードの使用 効率を向上させると共に、腐食や漏れ、穴を生じさせず、長期間にわたって連続 使用が可能な水素発生用の電解セルを提供することである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】

上記の課題を解決するため、この考案は、電解槽内部にアルカリ水溶液、及び 電源の陰極と接続される水素吸蔵性金属からなる電極、並びに、電解槽又はその 内部に電源の陽極と接続される金属製電極を有する水素発生用電解セルにおいて 、上記の電源の陰極と接続される電極はパイプ状であり、この電極の所定本数を 上記電解槽の底部付近にそれぞれ配置し、上記電極の両端を上記電解槽の側壁を 貫通させて上記電解槽外部に設けられた水素回収部に連通してなる構成を採用し たのである。

【００１６】 また、上記の水素発生用電解セルの上記電極が貫通する上記電解槽の側壁部分 に、シール部材を装着することができる。

【００１７】 カソードとなる水素吸蔵性金属からなるパイプを電解槽底部付近に、その両端 が電解槽の側壁を貫通させて配置したので、このカソード全体が完全にアルカリ 水溶液中に浸漬される。このため、このパイプを酸素から遮断することができる ので、カソード全体を有効に使用することができる。

【００１８】 また、カソードを溶接によって電解槽側壁部分と接合せず、シール部材によっ てシールしながら保持したときは、アルカリ水溶液との直接接触による溶接の腐 食や溶接部におこる漏れを防ぐことができる。

【００１９】

【考案の実施の形態】

以下、この考案の実施形態を図面を参照して説明する。

【００２０】 この考案にかかる水素発生用電解セルは、図１〜図４に示すように、電解槽２ １、この内部に電源の陰極と接続される電極、すなわちカソード２３、及び、電 源の陽極と接続される電極、すなわちアノード２４、及び水素回収部２５、２５ ’から構成される。

【００２１】 上記電解槽２１は、任意の形状を採用することができるが、図１〜図４に示す ように、机上に設置することができるよう、底面が平坦であることが好ましく、 また、電解槽として使用することからその内部にアルカリ水溶液２２を注入して 保持することができることが必要である。さらに、上記カソード２３及びアノー ド２４は、図１〜図４に示すように、この電解槽２１の底部付近に設けられてお り、上記カソード２３の最上部のものと、アルカリ水溶液の界面との間に、所定 幅の水層を有している。したがって、この電解槽２１は、カソード２３及びアノ ード２４を有する電気分解部と、アルカリ水溶液をこの電気分解部に水を供給す るための上記水層からなる水タンク部の両方を一体に有する構造となっている。

【００２２】 この電解槽２１は、上記水タンク部を有するので、電気分解によりかなりの水 が使用されても、カソード２３がアルカリ水溶液２２の界面上に浮上することを 防止できる。この水タンク部の高さは、１週間程度外部から水を供給せずに電気 分解反応を行っても、アルカリ水溶液２２の界面が、上記カソード２３の最上部 のものより下回らないような高さを有することが好ましい。また、電解槽２１の 上面部に設けられた穴３６より水面検知器を入れ、規定以上の水面降下を生じた ときに、水供給口３７より水を供給することにより、電解槽２１中のアルカリ水 溶液２２の量が一定に保たれる。

【００２３】 また、この電解槽２１の電気分解部の側壁には、カソード２３の両端を貫通さ せるためのカソード穴３９が、カソード２３の本数に合わせて設けられている。 カソード２３は、このカソード穴３９を通ってその端部が電解槽２１の外部に突 き出ているが、このカソード穴３９からアルカリ水溶液２２が漏出するおそれが ある。これを防ぐため、この電解槽２１の電気分解部の側壁にシールが施される 。

【００２４】 このシールは、溶接等任意のシール方法を採用することができる。溶接をする 場合は、例えば銀溶接を採用することができる。ただ、この溶接される部分は、 アルカリ水溶液２２と接触することから、カソード２３に使用される金属と溶接 に使用する金属とが異なる場合は、両者の間で電池反応が生じ、溶接部分が腐食 される場合がある。これを防ぐために、金属で溶接するのではなく、耐アルカリ 性を有する高分子樹脂を用いてシールすることがより好ましい。これにより、カ ソード２３と電解槽２１の側壁の間をシールすることができる。

【００２５】 この高分子樹脂としては、ブタジエンゴム、クロロプレンゴム、ニトリルゴム 、エチレン−プロピレンゴム（ＥＰＲ）、スチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ） 、アクリルゴム、ポリエーテルウレタンゴム、ポリエステル−ウレタンゴム等が あげられる。また、上記シール部材の形状としては、特に限定されるものではな いが、例えばＯリング等をあげることができる。

【００２６】 上記シール部材は、電解槽２１の電気分解部のうちカソード２３が貫通するカ ソード穴３９に装着すればよい。また、このカソード穴３９に直接シール部材を 設けにくい場合は、図３や図５に示すように、カソード穴３９の外面に、カソー ド２３が貫通すると共に、シール部材２９を装着できるシール補助部材２８を設 けることができる。このシール部材２９をシール補助部材２８に装着すると共に 、このシール部材２９が電解槽２１の側壁のカソード穴３９円周部と密着するよ うにシール補助部材２８を電解槽２１側壁に設置することにより、シール部材２ ９によるカソード２３と電解槽２１側壁との間のシールを容易に実現することが でき、また、シール部材２９の取付けが容易となる。

【００２７】 上記電解槽２１の材料としては、後述するように、電解槽２１自体をアノード とする場合は後述の金属が用いられるが、金属を用いない場合は、アルカリ水溶 液２２に耐性を有する材料であれば特に限定されない。このような例として、ポ リプロピレン樹脂やポリ塩化ビニル樹脂等の合成樹脂があげられる。

【００２８】 上記アルカリ水溶液２２は、アルカリ金属水酸化物の水溶液である。このアル カリ金属水酸化物としては、特に限定されるものではなく、水酸化ナトリウム、 水酸化カリウム等の任意のものを使用できる。また、アルカリ水溶液２２中のア ルカリ金属水酸化物の濃度は、特に限定されるものではなく、水の電気分解によ り発生させる水素の量に合わせて調整すればよい。なお、電気分解されるのは水 であることから、アルカリ金属水酸化物は残存する。このため、水供給口３７か らイオン交換水等の水を供給すれば、アルカリ水溶液２２の濃度は一定に保たれ る。

【００２９】 上記アノード２４は、金属製であり、電解槽２１又はその内部に設けられる。 電解槽２１自体を金属製とすれば、内部に特に別のアノードを設けなくてもよい 。ただ、電解槽２１の底面をも金属製とすると、ここから発生した酸素が浮上す る際にカソードと接触する場合が生じやすく、カソードの水素吸蔵機能を阻害さ せることがある。このため、電解槽２１自体をアノードとする場合は、底面以外 の部分、例えば、両側面や両端面を金属製にすることが好ましい。

【００３０】 また、電解槽２１と共に、又は電解槽２１とは別に、その内部にアノード２４ を設けてもよい。電解槽２１内部へのアノード２４の配置方法は、任意の方法を 採用することができるが、水の電気分解反応時に発生する酸素が浮上する際に、 カソード２３と接触するのを防ぐため、アノード２４の上方にカソード２３が配 置されないようにすることが好ましい。例えば、図４に示すように、カソード２ ３のパイプを所定間隔に縦横に並べ、アノード２４の板を垂直にたてて、カソー ド２３のパイプの間に介在させ、カソード２３のパイプの縦列とアノード２４の 板を交互に配列することができる。このとき、全てのアノード２４をアノード連 絡棒２６で連結し、その一端を電解槽２１から外部に突出させれば、この突出部 分を電源の陽極と接続しうる端子２７として取り扱うことができる。

【００３１】 このように、カソード２３を縦横に並べると共にアノード板２４をカソード２ ３間に垂直にたてて、アノード板２４とカソード２３を交互に配列すると、カソ ード２３が水素吸蔵により生じる熱で曲がっても、曲がる方向は鉛直方向となる ため、アノード板２４とカソード２３の距離に変化は生じない。このため、カソ ード２３が熱で曲がってもカソード２３の部位による水素発生量の偏りが生ぜず 、局部的な水素吸蔵の増大によるカソード２３の割れが生じにくく、微粉化して カソードに穴があくことを防止できる。

【００３２】 アノード２４に使用される金属としては、特に限定されるものではなく、ニッ ケル等を例としてあげることができる。

【００３３】 上記カソード２３は、水素吸蔵性の金属からなり、パイプ状である。このカソ ード２３の所定本数が電解槽２１の底部付近、すなわち、上記電気分解部にそれ ぞれ配置されており、カソード２３の両端は、電解槽２１の側壁を貫通させて電 解槽２１外部に設けられた水素回収部２５、２５’に連通される。カソード２３ の配置は、電解槽２１の側壁を貫通させれば特に限定されないが、例えば、水平 に配することができ、また、必要に応じて電解槽２１の底面に対して所定の角度 を有して配してもよい。

【００３４】 上記水素吸蔵性金属としては、水素吸蔵機能を有すれば特に限定されるもので はなく、例えば、パラジウム等をあげることができる。また、上記水素吸蔵性金 属の純度は、１００％が最も好ましいが、これに限られる必要はなく、水素吸蔵 機能に影響を与えなければ、不純物が含まれていてもよい。水素吸蔵機能の点か ら、上記水素吸蔵性金属の含有量は６０％以上が好ましく、８５％以上がより好 ましい。

【００３５】 上記カソード２３の電解槽２１を貫通して外部に突き出た端部に、金属製の端 子引き出し板３１が設けられる。この端子引き出し板３１の側面には、端子３２ が設けられており、ここに電源の陰極と接続される。

【００３６】 上記各カソード２３の電解槽２１を貫通して外部に突き出た両端縁は、図３又 は図５に記載のように、水素回収部２５、２５’に連通している。電気分解で発 生した水素は、カソード２３に吸蔵され、パイプの中空部に放出されて、この水 素回収部２５、２５’に集められる。水素回収部２５、２５’に集められた水素 は、ここから外部に導出される。

【００３７】 この水素回収部２５、２５’は、各カソード２３の両端縁が配されるように配 置すれば、その配置方法については特にされるものではないが、例えば、図３や 図５に示すように、電解槽２１の側壁に接して設けてもよい。

【００３８】 端子引き出し板３１及び水素回収部２５を電解槽２１の側壁に接して設けた場 合の例として、図３や図５に示す構成があげられる。これは、電解槽２１のシー ル補助部材２８に接して端子引き出し板３１を設け、そして、この端子引き出し 板３１に接して水素回収部２５を設けたものである。シール補助部材２８と端子 引き出し板３１はＯリング等のシール部材４１によって両者間をシールすると共 に、カソード２３を支持しており、また、端子引き出し板３１と水素回収部２５ 、２５’の水素回収部材３３、３３’とはシール部材３４や４１によってシール されて、回収された水素の漏れを防止する。

【００３９】 電解槽２１のシール補助部材２８、端子引き出し部材３１、水素回収部材３３ 又は３３’、及びシール部材２９、４１、３４を電解槽２１の側壁に直接取り付 ける場合は、図６に示すように、各部品を所定の配列に並べ、ビスによって一体 的に電解槽２１の側壁に接合することができる。このようにすれば、各部品が単 独で移動することが防止され、カソード２３の損傷を防ぐことができる。また、 各部品に設けられるカソード２３貫通穴も、カソード２３の動きに合わせて必要 以上に大きくする必要がなくなり、シールも容易となる。

【００４０】 また、水素回収部材３３、３３’に設けられる凹部、すなわち、水素を回収す る部分の大きさも、カソード２３の配置にあわせて小さくすることができるので 、水素回収部２５全体の大きさも、コンパクト化することができる。

【００４１】 上記水素回収部２５には、回収した水素を電解セルの外部へ導出するためのジ ョイント部３５が設けられている。また、水素回収部２５’は、他方の水素回収 部２５で、水素を外部へ導出することができることから、水素を外部へ導出する ためのジョイント部は設けられていない。この水素回収部２５’から水素を外部 へ導出する場合は、水素回収部２５と同様のジョイント部を設ければよい。

【００４２】 カソード２３の両端部のシール部材が配される部分は、シール部材による圧力 で変形が生じる場合がある。これを防ぐため、図３や図５に示すように、シール 部材２９、３２、３４等が配される部分のカソード２３のパイプの中空部に真鍮 等の保護管４２を挿入してもよい。

【００４３】 次に、この水素発生用電解セルを用いた水の加水分解反応を説明する。

【００４４】 まず、電解槽２１内にアルカリ水溶液を注入し、端子３２に電源の陰極をつな いで、端子２７に電源の陰極をつなぐ。次いで、電源を入れる。電気が流れると 、アノード２４から酸素が発生する。この酸素はアルカリ水溶液内を浮上し、電 解槽２１の上面部付近の気相部４０に達する。そして、酸素排出口３８より導出 され、大気に拡散する。

【００４５】 また、カソード２３の外周面に水素が発生する。この水素はカソード２３に吸 蔵され、カソード２３の中空部に放出される。そして、水素回収部２５に誘導さ れる。その後、ジョイント部３５を経由して電解槽２１外部に導出される。

【００４６】 カソード２３に使用される水素吸蔵性金属は、水素のみを吸蔵し、他の気体や 液体を吸蔵しない性質を有する。このため、得られる水素ガスは高純度となり、 分析機器用等の高純度の水素を要求する機器に使用することができる。

【００４７】

【実施例】

水素発生用電解セルとして、図１〜図４に記載のセルを使用した。すなわち、 ポリプロピレン製の電解槽２１の内部に、パラジウム金属製のパルプからなるカ ソード２３を縦３列、横３列配置し、ニッケル板からなるアノード２４を電解槽 ２１の両側面内側に沿わせると共に、カソード２３間に垂直にたてて配置し、電 解槽２１内部に水酸化ナトリウム水溶液を所定量挿入した。また、シール部材２ ９として、エチレン−プロピレンゴム製のＯリングを使用してシールした。さら に、穴３６から水面検知器を差し込み、水供給口３７に水供給装置をつないで、 電解槽２１内の水量を一定に保持した。

【００４８】 水の電気分解反応は、端子３２に電源の陰極をつないで、端子２７に電源の陽 極をつないで行った。なお、水の電気分解における詳細条件は、次の通りである 。 電圧 ：２．６〜２．９Ｖ 直流電流：３０Ａ 水酸化ナトリウム水溶液：ＮａＯＨ／Ｈ₂ Ｏ＝１０ｇ／１リットル 使用パラジウムパルプ：φ３ｍｍ×２００ｍｍ、９本 電気分解時間：２年 発生した水素はジョイント部３５から取り出し、発生量を測定した。水素発生 量は、２２０ｃｃ／ｍｉｎであった。約１年経過後、水素発生量が２００ｃｃ／ ｍｉｎに低下した。これは、水酸化ナトリウムが空気中の二酸化炭素と反応し、 水酸化ナトリウム水溶液の濃度が低下したためであると考えられる。

【００４９】

【考案の効果】

この考案によれば、カソードとなる水素吸蔵性の金属からなるパイプを電解槽 底部付近に、その両端が電解槽の両側壁を貫通するように配置したので、このカ ソード全体が完全にアルカリ水溶液中に浸漬される。このため、このパイプを酸 素から遮断することができるので、カソード全体を有効に使用することができる 。

【００５０】 また、カソードを溶接によって電解槽側壁部分と接合せず、シール部材によっ てシールしながら保持した場合は、アルカリ水溶液との接触による溶接の腐食や 、溶接部に生じる漏れを防止することができる。さらに、カソード管の１本が破 損した場合でも、カソード管全体を交換するのではなく、破損した１本のカソー ド管のみの交換で、継続的に使用することが出来る。

【００５１】 さらにまた、カソードを縦横に並べると共にアノード板をカソード間に垂直に たてて、アノード板とカソードを交互に配列した場合、カソードが水素吸蔵によ り生じる熱で曲がっても、曲がる方向は鉛直方向となるため、アノード板とカソ ードの距離に変化は生じない。このため、カソードが熱で曲がってもカソードの 部位による水素発生量の偏りが生じず、局部的な水素吸蔵によるカソードの微粉 化によりカソードに穴が開くことを防止できる。

【００５２】 また、この電解槽は、電気分解部と水タンク部を一体化させたので、水供給タ ンクを含めた水素発生電解セルとして、余分な配管等を省略することができると 共に、水素発生電解セル全体をコンパクトにすることができる。従って、これに 電源等の必要な装置を装備した水素発生装置全体としても、コンパクトにまとめ ることができる。このため、分析機器に隣接して設置したときでも、場所を取ら ず、分析機器全体としてコンパクト化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この考案にかかる水素発生用電解セルの例を示
す斜視図

【図２】図１の一部切欠縦断面図

【図３】図１の縦断正面図

【図４】図１の縦断側面図

【図５】図３の一部拡大断面図

【図６】この考案にかかる水素発生用電解セルのシール
補助部材及び水素回収部の例を示す分解斜視図

【図７】従来の水素発生用電解セルを示す斜視図

【図８】図７の縦断面図

【符号の説明】

１ 電解槽 ２ 蓋 ３ 端子 ４ カソード ５ シール部材 ６ シール部材 ７ カソード支持板 ８ 端子 ９ アルカリ水溶液 １０ 水素回収部 １１ 水素排出口 １２ 気相部 １３ 酸素排出口 １４ 水注入口 １５ 溶接部 １６ 溶接部 ２１ 電解槽 ２２ アルカリ水溶液 ２３ カソード ２４ アノード ２５、２５’ 水素回収部 ２６ アノード連結棒 ２７ 端子 ２８ シール補助部材 ２９ シール部材 ３１ 端子引き出し板 ３２ 端子 ３３、３３’ 水素回収部材 ３４ シール部材 ３５ ジョイント部 ３６ 穴 ３７ 水供給口 ３８ 酸素排出口 ３９ カソード穴 ４０ 気相部 ４１ シール部材 ４２ 保護管

Claims (2)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 電解槽内部にアルカリ水溶液、及び電源
   の陰極と接続される水素吸蔵性金属からなる電極、並び
   に、電解槽又はその内部に電源の陽極と接続される金属
   製電極を有する水素発生用電解セルにおいて、 上記の電源の陰極と接続される電極はパイプ状であり、
   この電極の所定本数を上記電解槽の底部付近にそれぞれ
   配置し、上記電極の両端を上記電解槽の側壁を貫通させ
   て上記電解槽外部に設けられた水素回収部に連通してな
   る水素発生用電解セル。
2. 【請求項２】 上記電源の陰極と接続される電極が貫通
   する上記電解槽の側壁部分に耐アルカリ性の高分子樹脂
   からなるＯリングを装着することにより、上記電極と上
   記側壁の間をシールする請求項１に記載の水素発生用電
   解セル。