JP3126047U - 水の電気分解装置を用いた酸素ガス処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水素ガスのための貯蔵槽を備えることなく、水素ガスとともに高分子電解質膜を通過してきた水を直接外部に排出可能にした酸素ガス処理装置を提供する。
【解決手段】固体高分子電解質膜１、酸素極２、水素極、水および発生したガスの通路を有する集電板をなすセパレータ板４、水およびガスを導く連通孔を具えた固定板６、酸素極および水素極を固体高分子電解質膜に対して押し付けるとともに、流路を具備する押し付け素材５を有するユニット水電気分解セルを含み、水および発生した酸素ガスを貯蔵するための貯蔵槽２０を備えた水の電気分解装置２００を備え、該水の電気分解装置からの酸素ガスの処理部を有する酸素ガス処理装置であって、酸素ガスの処理部には前記酸素ガスの貯蔵槽が直接接続されていて、水素極側において発生した水素ガスを前記連通孔を介して直接回収するとともに、固体高分子電解質膜を透過した水を連通孔を介して直接排出する。
【選択図】図１

Description

本考案は、水素ガスおよび酸素ガスを得ることができる水の電気分解装置を用いた酸素ガス処理装置に係り、特に、コンパクトな構造を有した固体高分子膜型水電気分解装置を酸素供給源として用いた酸素ガス処理装置に関する。

水素、酸素ガスを得るために固体高分子膜を用いた水の電気分解装置には、教育あるいはデモンストレーション用のものとして、図７に示すような装置がある。この電気分解装置は、固体高分子電解質膜１を酸素極２、水素極３で挟み、これらの酸素極２と水素極３との外側に、発生したガスを通す通路を有したセパレータ板４を設け、さらに、セパレータ板４の外側に固定板６を設けて一体にされた固体高分子膜型電気分解セル１００を有すると共に、固定板６にはセパレータ板４の通路に連通するよう設けられた複数の貫通路６２が設けられ、これらの貫通路６２に連通するように、酸素極２側には、水タンク２２からの水を貯蔵するとともに酸素ガスを貯蔵し酸素ガス排出孔２４から取り出すための酸素貯蔵槽２０が接続ホース２６を介して、そして、水素極３側には、水タンク３２からの水を貯蔵するとともに水素ガスを貯蔵して水素ガス排出孔３４から取り出すための水素貯蔵槽３０が接続ホース３６を介して接続されて設けられたものがある。

また、水の電気分解による酸素・水素ガスの発生装置としては、特許文献１に記載されているような、イオン交換膜を用いたものがあり、この装置は、イオン交換膜の両側に箱状隔壁を設け、その内側に金属被膜処理が施された金属被覆面とイオン交換膜を保持するための桟が設けられていて、その上方にガス排出孔が設けられた電解セルとして形成されている。この装置では、電源装置の陽極と接続された隔壁において、隔壁とイオン交換膜とで形成された室において酸素ガスが発生し、電源装置と陰極と接続された隔壁とイオン交換膜で形成された室では水素ガスを発生して、隔壁の頂部から取り出されるようになっている。

さらに、特許文献２に記載されているように、燃料電池を兼用した水の電気分解装置として、固体高分子電解質膜、この固体高分子電解質膜の両側に酸素極と水素極とを接合した水の電気分解用膜・電極接合体を使用したものが提案されている。この膜・電極接合体の酸素極側には、酸素流路板、セパレータ板、およびエンドプレートを重ねて配置すると共に、水素極側には、セパレータ板およびエンドプレートを重ねて配置して一体化されたものを、水槽内に水に浸すように設けたものである。
特開平９−１４３７７８号公報 特開２００４−３５３０３３号公報

図７に示すような水の電気分解装置では、この装置により生成された水素、酸素は、ガス貯蔵槽２０，３０において、ほぼ大気圧の圧力で貯蔵されるが、酸素極側貯蔵槽内の水によって電気分解が行われるために、水素極側の水素貯蔵槽３０においては、水素の発生とともに、水の濃度差による固体高分子膜中を通過した水とプロトンを水素極側に移動させた水が水素貯蔵槽３０内に溜まるために、この溜まった水を定期的に排出する必要があった。

このように問題は、特許文献１に記載された酸素・水素ガス発生装置においては、イオン交換膜を使用したものであるために、ガス室が細分化されているために、ガスをスムーズに取り出すことが容易でないだけでなく、酸素ガスも、水素ガスも同等の条件で発生したものを気液分離タンクでガスと水を分離する装置を必要とした。

また、特許文献２に記載された水の電気分解装置においては、装置の主要部が水中に浸されるために、装置自体のサイズが制限され、上記従来例のように貯蔵のためには別に貯蔵タンクを設ける必要があるだけでなく、固体高分子電解質膜を通過した水が水素流路に溜まることになり、定期的に溜まった水を取出す必要があった。

上記従来例を始め、これまでに水素については、水の電気分解装置と構造を同じくする燃料電池の燃料として利用することにより有効利用されていたが、酸素ガスについては、他の貯蔵槽に蓄える必要があったが、その用途として、種々用途のある殺菌装置に使用可能なオゾンの生成が注目され、それまで、空気からの直接の生成のため、効率が悪く、窒素酸化物の生成も伴うために、その安全性、環境面からも、問題にされていた。

さらに、酸素に関しては、現在、酸素を溶存した酸素水が注目されているが、その効率的な生成のためには空気を使用せざるをえないが、その場合、空気中の酸素割合が低いために、十分な酸素を溶存させることができず、図６に示すように、所定の溶存酸素量を得るには時間を要するために、純度の高い酸素ガスが要求されているが、そのためには多大な施設、環境が要求されることになる。

本考案は、上記問題に鑑みてなされたものであり、水の電気分解装置からの酸素ガスを使用するためにオゾン発生装置あるいは酸素水生成装置のような酸素ガス処理装置が組み合わされた水の電気分解装置を用いた酸素ガス処理装置を提供することを目的とするものである。
本考案のさらに他の目的は、水素ガスのための貯蔵槽を備えることなく、水素ガスとともに高分子電解質膜を通過してきた水を直接外部に排出可能にした水の電気分解装置を用いた酸素ガス処理装置を提供することである。

本考案の目的を達成するための水の電気分解装置を用いた酸素ガス処理装置は、固体高分子電解質膜、該固体高分子電解質膜の一方側に接して設けた酸素極、前記固体高分子電解質膜の他方側に接して設けた水素極、前記酸素極および水素極の外側に隣接して設けられかつ水および発生したガスの通路を有する集電板をなすセパレータ板、該セパレータ板の外側に配置されかつ前記水およびガスを導く連通孔を具えた非導電素材からなる固定板、および該固定板に内蔵されかつ前記酸素極および水素極を前記固体高分子電解質膜に対して押し付けるとともに、流路を具備する押し付け素材を有するユニット水電気分解セルを少なくとも１個含み、前記ユニット水電気分解セルの前記酸素極側の固定板の外側に配置されかつ水および発生した酸素ガスを貯蔵するための貯蔵槽を備えた固体高分子膜型水電気分解装置を備え、該水電気分解装置からの酸素ガスの処理部を有する酸素ガス処理装置であって、
前記酸素ガスの処理部には前記酸素ガスの貯蔵槽が直接接続されていて、
前記水素極側において発生した水素ガスを前記連通孔を介して直接回収するとともに、前記固体高分子電解質膜を透過した水が前記連通孔を介して直接排出するようにしたことを特徴とする。

この水の電気分解装置を用いた酸素ガス処理装置においては、前記酸素ガス処理装置が前記酸素の貯蔵槽の水面より上の位置に設けられた酸素取出しパイプを介して接続されているオゾンを発生するためのオゾン発生装置であることを特徴とする。

また、この水の電気分解装置を用いた酸素ガス処理装置においては、前記酸素ガス処理装置が前記酸素の貯蔵槽の水面より上の位置に設けられた酸素取出しパイプを介して接続されている純酸素を水中に溶存させる酸素水生成装置であることを特徴とする。

このような酸素ガス処理装置においては、前記酸素極は、イリジウムめっきされた多孔質シート状カーボン素材に、カーボンおよび固体高分子電解質膜樹脂を含む混合物をコーティングし、その後さらにＰｔ（合金）粉末および固体高分子膜電解質膜用樹脂を含む混合物をコーティングすることにより形成されていることを特徴とする。

このような酸素ガス処理装置においては、前記水素極は、多孔質シート状カーボン素材に対してカーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物をコーティングし、さらにＰｔ（合金）および／またはＰｔ（合金）担持カーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物がコーティングすることにより形成されていることを特徴とする。

このような酸素ガス処理装置においては、前記セパレータ板が、Ｎｉ、ステンレス、Ｔｉ製の金属板、またはＰｔあるいはＡｕによってコーティングされた金属板に複数の貫通孔を設けた材料から形成されていることを特徴とする。

このような酸素ガス処理装置前記セパレータ板に接触する前記固定板に内蔵された押し付け素材が、弾力性を有するナイロン系のポーラスプラスチック材からなることを特徴とする。

この酸素ガス処理装置においては、前記固定板には、水または発生したガスの流路となる孔および溝の貫通孔が形成され、前記ガスの流路となる孔に逆止弁が設けられていることを特徴とする。

また、上記のような水の電気分解装置を用いた酸素ガス処理装置においては、前記ユニット水電気分解セルが複数個設けられ、
前記複数のユニット水電気分解セルが前記貯蔵槽、前記固定板の外側から前記固体高分子電解質膜、酸素極、セパレータ板および固定板を一緒に挟むことにより、タイボルトによって一体にされ、さらに、
前記貯蔵槽は、前記それぞれのユニット水電気分解セルにおいて水の電解レベルの位置よりも高い位置に設けられた水の補給孔を有するとともに、発生したガスを放出するための放出孔を有し、
前記各ユニット電気分解セルから導かれた酸素がガス用連通孔を介して前記貯蔵槽に、水素が別のガス用連通孔を介して前記水の電気分解装置の外側に導かれるとともに、前記酸素極の前記貯蔵槽からの水が水連通孔を介して前記電気分解装置の外側に導かれることを特徴とする。

この酸素ガス処理装置においては、前記ガス用連通孔は、前記水素極および前記酸素極からのガスをそれぞれ導く二つの連通孔が前記固体高分子電解質膜の部分に相当する電解部より上方に前記貯蔵槽等に連通するように設けられていることを特徴とする。

また、この酸素ガス処理装置においては、前記水連通孔は、前記固体高分子電解質膜の部分に相当する電解部より下方に位置されて前記水素極および前記酸素極からそれぞれ独立して前記貯蔵槽等に連通するように設けられていることを特徴とする。

さらに、前記ガス連通孔は、前記ユニット水電気分解セルに逆止弁を介して接続されていることを特徴とする。

上記のような本考案による水の電気分解装置を用いた酸素ガス処理装置は、固体高分子電解質膜、該固体高分子電解質膜の一方側に接して設けた酸素極、固体高分子電解質膜の他方側に接して設けた水素極、酸素極および水素極の外側に隣接して設けられかつ水および発生したガスの通路を有する集電板をなすセパレータ板、該セパレータ板の外側に配置された非導電素材からなる固定板、および、固定板が酸素極および水素極を固体高分子電解質膜に対して押し付けるための押し付け素材を内蔵し、かつこの素材には流路を具備した少なくとも１個のユニット水電気分解セルを含み、さらに、該固定板の酸素極側の外側に配置されかつ水および発生したガスを貯蔵するための貯蔵槽を有する固体高分子型水電気分解装置を備え、さらに貯蔵槽からの酸素ガスを処理する処理部を有し、この処理部には酸素ガスの貯蔵槽が直接接続されているので、純度の高い酸素ガスを種々の用途に用いることができ、水素極側に発生した水素ガスを貯蔵槽に溜めることなく、直接使用することができ、そのために構造をコンパクトにすることができるだけでなく、また、固体高分子電解質膜を透過した水を直接排出することができ、そのためのメンテナンス必要がない。

また、この水の電気分解装置を用いた酸素ガス処理装置は、前記酸素ガス処理装置が前記酸素の貯蔵槽の水面より上の位置に設けられた酸素取出しパイプを介して接続されているオゾンを発生するためのオゾン発生装置にすることができるので、発生した純酸素が種々の方式でオゾンに効率よく窒素酸化物を生じることなく変えることができ、このオゾンを用いた殺菌装置等の用途に適用することができる。

また、この水の電気分解装置を用いた酸素ガス処理装置は、前記酸素ガス処理装置が前記酸素の貯蔵槽の水面より上の位置に設けられた酸素取出しパイプを介して接続されている純酸素を水中に溶存させる酸素水生成装置として用いることができるので、従来の空気それ自体による水中への酸素溶存化に対して格段の量の酸素を溶存した酸素水の生成をすることができる。

また、酸素極は、イリジウムめっきされた多孔質シート状カーボン素材に、カーボンおよび固体高分子電解質膜樹脂を含む混合物をコーティングし、その後さらにＰｔ（合金）粉末および固体高分子膜電解質膜用樹脂を含む混合物をコーティングすることにより形成されていて、また、水素極は、多孔質シート状カーボン素材に対してカーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物をコーティングし、さらにＰｔ（合金）および／またはＰｔ（合金）担持カーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物がコーティングされているので、このような固体高分子膜型水電気分解装置として、純水を使用した、低電圧による電気分解が酸素ガス処理装置のために有効に行うことができる。

また、上記構成の装置においては、セパレータ板が、ＰｔまたはＡｕによってコーティングされた金属板に複数の貫通孔を設けた材料から形成されているので、貫通孔を介して生成された酸素ガスを問題なく貯蔵槽へと流通させることができ、また、水素ガスを直接回収できる。

また、上記構成の装置においては、セパレータ板の貫通孔を有する部分に対して固定板に内蔵された弾力性を有するポーラスプラスチック材からなる押し付け素材によって、酸素極あるいは水素極に対するセパレータ板の押圧がなされ、それらに密着力を与えることができるだけでなく、ガスの流通も得ることができる。

また、上記のような水の電気分解装置を用いた酸素ガス処理装置においては、前記ユニット水電気分解セルが複数個設けられ、前記複数のユニット水電気分解セルが前記貯蔵槽、前記固定板の外側から前記固体高分子電解質膜、酸素極、セパレータ板および固定板を一緒に挟むことにより、タイボルトによって一体にされ、さらに、前記貯蔵槽は、前記それぞれのユニット水電気分解セルにおいて水の電解レベルの位置よりも高い位置に設けられた水の補給孔を有するとともに、発生したガスを放出するための放出孔を有し、各ユニット電気分解セルから導かれた酸素がガス用連通孔を介して前記貯蔵槽に、水素が別のガス用連通孔を介して水の電気分解装置の外側に導かれるとともに、酸素極の前記貯蔵槽からの水が水連通孔を介して前記電気分解装置の外側に導かれるので、酸素極、水素極およびセパレータ板を固定板とともに一緒に挟むことにより、タイボルトによって一体にされているので、耐密性のある構造で酸素を貯蔵するためのタンクを設けることができ、全体の構造がコンパクトになり、移動、保管に好都合な水の電気分解装置を用いた酸素ガス処理装置を得ることができる。

また、上記酸素ガス処理装置においては、水の電気分解装置において、固定板は、水または発生したガスの流路となる孔および溝の貫通孔が形成され、さらに、酸素極側に設けられた貯蔵槽には、水の補給孔および発生したガスの通路に加えて、底部またはその近傍に設けられた水抜きのためのメンテナンス孔を有しているので、剛性を要求される固定板にもガス流路となる貫通孔が設けられていて、発生したガスの貯蔵槽への流れをスムーズに行わせ、また、貯蔵槽には水抜き孔も有しているので、内部の清浄も容易に行うことができる。

また、この酸素ガス処理装置においては、前記ガス用連通孔は、前記水素極および前記酸素極からのガスをそれぞれ導く二つの連通孔が前記固体高分子電解質膜の部分に相当する電解部より上方に前記貯蔵槽等に連通するように設けられ、水連通孔は、前記固体高分子電解質膜の部分に相当する電解部より下方に位置されて前記水素極および前記酸素極からそれぞれ独立して前記貯蔵槽等に連通するように設けられ、さらに、ガス連通孔は、ユニット水電気分解セルに逆止弁を介して接続されているので、発生した酸素ガスを各ユニット水電気分解セルから貯蔵槽あるいは各種装置へと効率よく導くことができ、発生した水素ガスを貯蔵槽に溜めることなく直接使用でき、固体高分子膜を通過した水は、直接外部に導くことができる。

さらに、本考案の新規な特徴および構成、効果に関しては、以下の説明に関連する添付図面からさらに理解することができる。なお、図面において、同じ符号は同じ構成部材を示している。

以下、本考案の一実施の形態を図１を参照して説明する。
図１は、本考案の実施の形態による固体高分子膜型の水の電気分解装置を用いた酸素ガス処理装置の説明断面図である。この固体高分子膜型の水の電気分解装置２００は、パーフルオロカーボンスルフォン酸ポリマー材等からなる固体高分子電解質膜１、この固体高分子電解質膜１の一方の面に配置され、多孔質シート状カーボン素材にイリジウムめっきされ、カーボンおよび固体高分子電解質膜樹脂を含む混合物をコーティングし、その後さらにＰｔ（合金）粉末および固体高分子膜電解質膜用樹脂を含む混合物をコーティング層として形成した酸素極２、同じ固体高分子電解質膜１の他方の面に配置され、多孔質シート状カーボン素材の表面にカーボンと固体高分子膜用樹脂の混合物をコーティングし、さらにその表面にＰｔ（合金）および／またはＰｔ（合金）担持カーボンと固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物をコーティングして形成され水素極３、これらの酸素極２と水素極３との外側に隣接して配置され、水およびガスの流路となる貫通孔を設けた集電板となるステンレス製のセパレータ板４、４’、およびこれらセパレータ板４、４’の外側に配置された樹脂製の固定板６、６’からなる固体高分子膜型のユニット電気分解セル１００を有している。さらに好ましくは、セパレータ板４、４’にＰｔまたはＡｕをコーティングすることにより、耐食性が向上し、長期にわたり安定した水の電気分解反応を確保することが可能となる。

この固体高分子膜型のユニット電気分解セル１００の固定板６、６’には、固体高分子電解質膜１に対して酸素極２と水素極３を押し付ける押し付け素材５、５’が酸素極２と水素極３とに接触する部分に内蔵するように設けられ、押し付け素材５、５’は水およびガスの流路を有する非導電素材からなり、その背後に水および発生したガスの貫通孔６２が適宜の数だけ外側に貫通して設けられている。さらに、固体高分子膜型のユニット電気分解セル１００には、固定板６の外側に隣接するように、内部に水および発生した酸素ガスを貯蔵するための内部タンク２８を有する酸素ガス貯蔵槽２０が一体に設けられている。酸素ガス貯蔵槽２０は、固体高分子膜型のユニット電気分解セル１００全体を貫通する孔に通された複数本のタイボルトおよびナット（図示せず）により締め付け、一体に固定されている。固定板６、６’と酸素貯蔵槽２０との間にはパッキンを挟んでそこに発生したガスが大気圧以上になっても漏れないように密封構造にされている。

この酸素貯蔵槽２０においては、水の電解レベルよりも高い位置に、例えば、図２Ａに示されるように、固体高分子膜型のユニット電気分解セル１００の上面に開口するように、酸素ガス排出パイプ８を接続する孔、水の補給バルブとなる水の補給バルブ７を備えたパイプを取り付ける孔等の少なくとも２個の孔が設けられている。酸素ガス排出パイプ８には、安全弁、逆止弁等（図示せず）が取り付けられ、発生ガスの圧力を調整することができるようになっている。水の補給には、必要に応じた水の補給を行うために、水の補給バルブ７が設けられ、貯蔵されたガスが大気圧以上になっても水の排出を防ぐようになっている。また、これらの酸素貯蔵槽２０には、水抜き等のために、底部近くに外部と内部タンク２８とが連通するメンテナンス用バルブ１０が通常は閉じられるように設けられている。

上記酸素ガス処理装置においては、酸素ガスの処理部として、オゾン発生装置４０が設けられ、水の電気分解装置２００において発生した酸素ガスが、酸素ガス排出パイプ８の端部に接続されたこのオゾン発生装置４０に供給され、酸素貯蔵槽２０に溜まった酸素ガスを供給することができる。このオゾン発生装置４０は、紫外線照射式あるいは放電処理式の処理によって発生した純酸素をオゾンに変えることができる。

このオゾン発生装置４０は、発生したオゾンを供給することにより、その用途に応じて水耕栽培用殺菌装置として用いることができ、また、養殖魚用殺菌装置として用いることができる。その際、オゾン装置としては、効率がよく、安全性、環境の面ものからも問題の少ない装置を提供することができる。

また、このような酸素ガス処理装置においては、酸素ガスの処理部として、図５に示されるように、酸素水生成装置５０が水の電気分解装置２００の酸素ガス排出パイプ８に接続されて設けられてもよい。この酸素水生成装置５０は、水への酸素を溶存するための装置であり、水の電気分解装置２００からの純酸素を底部に設けた活性炭等からなるフィルター５２を通して内部の水に酸素を溶存させることができるものである。

このような酸素水生成装置５０では、通常、図６に示すように、１００ｍｌの水道水に対して２０ｍｌ／分の酸素を吹き込んだときの溶存酸素量（ｍｇ／ｌ）およびＰＨの関係が得られることから、溶存酸素量を４０ｍｇ／ｌ程度得るためには３０分以上要することから、従来の空気から酸素水を得ることに比べると非常に短時間で酸素溶存量の高い酸素水が得られることになる。

上記構成の本考案の一実施の形態による水の電気分解装置を用いた酸素ガス処理装置は、水の電気分解装置２００において、酸素貯蔵槽２０に水の補給バルブ７を介して水が注入されて満され、固体高分子電解質膜１まで、固定板６の貫通孔６２を通り、押し付け素材５、セパレータ板４の流路を経て、酸素極２の孔を介し水が達した状態で、セパレータ板４，４’の端部に直流電源が接続される（図示しない）。この状態で、酸素極２および水素極３は、固体高分子電解質膜１に対して、固定板６、６の押し付け素材５によってセパレータ板４、４’を介して押し付けられて、密着されているので、酸素極２において電流を流すことにより、イリジウムめっき及び/又はPｔ（合金）の触媒作用により、水が酸素イオンと水素イオンに分離し、酸素イオンは、電子を取られて、酸素分子となる。水素イオンは固体高分子電解質膜１を通過し、水素極３側に移動後、Ｐｔ触媒の作用により電子を受け取り水素ガスとなる。

上記のように、酸素極２および水素極３において発生した酸素および水素ガスは、セパレータ板４の通路、押し付け素材５内部の流路を経て、固定板６の貫通孔６２を通って、酸素貯蔵層２０の内部タンク２８、水素ガス用の貫通孔６２を通って外部に排出されるように導かれる。これらの発生したガスの流動は、そのまま継続されると、固体高分子電解質膜１に達する水が存在する限り、酸素貯蔵槽２０には酸素が継続して貯蔵され、酸素ガス排出パイプ８に設けた安全弁、逆止弁等（図示せず）および水の補給バルブ７により圧力調整されて、ガスが保持されれば、蓄積される酸素ガスは次第に大気圧より高い状態になる。

このように、蓄積された酸素ガスは、圧力を高くして貯蔵されているので、酸素ガス排出バルブ８を介して酸素ガスの処理部へと外部の用途に応じた酸素ガス処理装置の処理部、それもかなり遠隔の場所への酸素ガスを導くことができる。

また、水素極側の固定版６’には、水素ガスの貯蔵槽が設けられていないので、底部の水排出用貫通孔６２および水素ガス排出用の貫通孔６２が複数個設けられていて、直接固体高分子電解質膜１中を通過した水が水素極側連貫通孔６２から常時排出され、また、水素ガスが収集されて、種々の用途箇所に導くことができる。したがって、水素極側の排出水の管理が不要になり、メンテナンスに都合のよい装置として提供することができる。

上記のような固体高分子膜型の水の電気分解装置を用いた酸素ガス処理装置では、１個の固体高分子膜型のユニット電気分解セル１００を用いたものとして説明したが、この固体高分子膜型のユニット電気分解セル１００を複数個（ｎ個）設けてもよく、その例を図２、図３および図４を参照して以下に説明する。

図２に示す水の電気分解装置２００においては、各ユニット水電気分解セル１００_１、１００_２、１００_３、・・・１００_{（ｎ−１）}、１００_ｎが、固体高分子電解質膜１_１、１_２、１_３、・・・１_{（ｎ−１）}、１_ｎ、その両側に酸素極２_１、２_２、２_３、・・・２_{（ｎ−１）}、２_ｎおよび水素極３_１、３_２、３_３、・・・３_{（ｎ−１）}、３_ｎが配置され、さらにこれらの外側に配置されたセパレータ板４_１、４_２、４_３、・・・４_{（ｎ−１）}、４_ｎ、４’_１、４’_２、４’_３、・・・４’_{（ｎ−１）}、４’_ｎ、これらのセパレータ板に対してそれらの外側に位置された押し付け部材５_１、５_２、５_３、・・・５_{（ｎ−１）}５_ｎ、５’_１、５’_２、５’_３、・・・５’_{（ｎ−１）}、５’_ｎこれらの押し付け部材を内蔵する固定板６_１、６_２、６_３、・・・６_{（ｎ−１）}、６_ｎ、・・・６’_１、６’_２、６’_３、・・・６’_{（ｎ−１）}、６’_ｎを備えていて、最も外側の固定板６_１、６’₀には水、酸素ガス、水素ガスが通過するための連通孔６２が設けられていて、さらに酸素極側の固定板６_１には酸素貯蔵槽２０が貫通孔６２に連通するように設けられている。この酸素貯蔵槽２０には、図１に示す装置と同様に、酸素ガス排出パイプ８を介してオゾン発生装置４０が接続され、酸素ガス処理装置の処理部を備えている。

これらのユニット水電気分解セル１００_１、１００_２、１００_３、・・・１００_{（ｎ−１）}、１００_ｎ、からの酸素ガスを酸素貯蔵槽２０に導くための酸素ガス流路貫通孔６６、水素ガス流路貫通孔７６、酸素極側の水を酸素貯蔵槽２０に導く水流路貫通孔８２、水素極側の水を排出するための水流路貫通孔８４は、図３および図４に示すように配置されて設けられている。図３および図４は、図２における同じ固体高分子膜型の水の電気分解装置２００において、線３Ａ−３Ａにおいて矢印３Ａ方向にみた固定板６_１を示す図３（Ａ）、線３Ｂ−３Ｂにおいて矢印３Ｂ方向にみた固定板６’_ｎを示す図３（Ｂ）、ユニット水電気分解セル１００_３における固定板６_３、６’_３において、線４Ａ−４Ａ、線４Ｂ−４Ｂにおいて矢印４Ａ、４Ｂ方向にそれぞれみた図４（Ａ）および図４（Ｂ）に示されるように、上部電解レベル９４_１と下部電解レベル９４_２との間の電解部９４の上下に位置するように、酸素ガス流路貫通孔６６が上方に、水流路貫通孔８２が下方に設けられている。水素極側の固定板６’_ｎにおいては、図３（Ｂ）に示すように、水素ガスの外部排出用の水素ガス流路７６が上方に、水流路貫通孔８４が下方に設けられている。
さらに、図４（Ａ）および図（Ｂ）に示すように、中間の位置した固定板６_３、６’_３においては、図４（Ａ）に示す酸素極側固定板６_３においては、上部においては酸素ガス流路貫通孔６６が酸素極側電解部９４に連通され、下部においては水流路貫通孔８２が電解部９４に連通され、さらに、図４（Ｂ）に示す水素極側固定板６’_３においては、上部において水素ガス流路７６が電解部に連通され、下部において水流路貫通孔８４が電解部に連通するようにされている。

また、固体高分子膜型のユニット電気分解セル１００と酸素貯蔵槽２０とは、図示しないタイボルトおよびナットによって全体を一体に締め付け固定されので、コンパクトな水素、酸素発生装置が得られるだけでなく、高い耐圧性の装置が得られるので、移動、保管に好都合な装置が提供され、発生したガスの遠方への供給が可能となる。

さらに、上記構成の酸素ガス処理装置においては、酸素極２と水素極３がセパレータ板４、４’と直接接触され、さらに、セパレータ板４、４’の外側から弾性を有したポーラスプラスチック材からなる押し付け素材５を挟んで、適宜配置された貫通孔６２を有する固定板６によって、セパレータ板４、４’と酸素極２および水素極３の密着力が向上されるだけでなく、ガス流路が確保されるので、水の電気分解を効率よく行うことができる。

また、上記のような水の電気分解装置を用いた酸素ガス処理装置によって、電源さえあれば、どのような場所においても、必要なときに水素、酸素を発生させ供給することができるので、水素あるいは酸素ガスをボンベ等の重量容器に貯蔵して運搬する必要もないので、装置の運搬における規制を受けないので、水素、酸素発生装置をポータブルタイプの装置として提供することができる。

以上述べたように、本考案による水の電気分解装置を用いた酸素ガス処理装置は、上記実施の形態に限定されることなく、実用新案登録請求の範囲に記載された技術範囲において実施し得ることは明らかである。

本考案の一実施の形態による固体高分子膜型水電気分解装置を用いた酸素ガス処理装置の説明断面図である。 本考案の一実施の形態による複数個の水の電気分解セルを含む固体高分子膜型水電気分解装置を用いた酸素ガス処理装置の説明断面図である。 （Ａ）は、図２に示す酸素ガス処理装置における線３Ａ−３Ａに沿って矢印３Ａ方向にみた水の電気分解装置の断面図であり、（Ｂ）は同様に図２における線３Ｂ−３Ｂに沿って矢印３Ｂ方向にみた水の電気分解装置の断面図である。 （Ａ）は、図２に示す酸素ガス処理装置における線４Ａ−４Ａに沿って矢印４Ａ方向にみた水の電気分解装置の断面図であり、（Ｂ）は同様に図２における線４Ｂ−４Ｂに沿って矢印４Ｂ方向にみた水の電気分解装置の断面図である。 本考案による酸素ガス処理装置の他の実施の形態による酸素生成装置の説明図である。 水道水に酸素を吹き込んだ時の溶存酸素量およびＰＨを示すグラフである。 従来の固体高分子膜型水電気分解装置の概略断面図である。

符号の説明

１ 固体高分子電解質膜
２ 酸素極
３ 水素極
４ セパレータ板
５ 押し付け素材
６ 固定板
７ 水の補給バルブ
８ 酸素ガス排出パイプ
９ 水の排出用バルブ
１０ メンテナンス用バルブ
２０ 酸素貯蔵槽
２２ 水タンク
２４ 酸素ガス排出孔
２６ 接続ホース
２８ 内部タンク
３０ 水素貯蔵槽
３２ 水タンク
３４ 水素ガス排出孔
３６ 接続ホース
３８ 内部タンク
４０ オゾン発生装置
５０ 酸素水生成装置
５２ フィルター
６２ 貫通孔
６６ 酸素ガス流路貫通孔
７６ 水素ガス流路
８２ 水流路貫通孔
８４ 水流路貫通孔
９２ 逆止弁
９４ 電解部
９４_１ 上部電解レベル
９４_２ 下部電解レベル
１００ 固体高分子膜型のユニット電気分解セル
２００ 水の電気分解装置

Claims (12)

1. 固体高分子電解質膜、該固体高分子電解質膜の一方側に接して設けた酸素極、前記固体高分子電解質膜の他方側に接して設けた水素極、前記酸素極および水素極の外側に隣接して設けられかつ水および発生したガスの通路を有する集電板をなすセパレータ板、該セパレータ板の外側に配置されかつ前記水およびガスを導く連通孔を具えた非導電素材からなる固定板、および該固定板に内蔵されかつ前記酸素極および水素極を前記固体高分子電解質膜に対して押し付けるとともに、流路を具備する押し付け素材を有するユニット水電気分解セルを少なくとも１個含み、前記ユニット水電気分解セルの前記酸素極側の固定板の外側に配置されかつ水および発生した酸素ガスを貯蔵するための貯蔵槽を備えた固体高分子膜型水電気分解装置を備え、該水電気分解装置からの酸素ガスの処理部を有する酸素ガス処理装置であって、
   前記酸素ガスの処理部には前記酸素ガスの貯蔵槽が直接接続されていて、
   前記水素極側において発生した水素ガスが前記連通孔を介して回収されるとともに、前記固体高分子電解質膜を透過して水素極側に導かれた水を前記水素極側固定板の連通孔を介して直接排出するようにしたことを特徴とする水の電気分解装置を用いた酸素ガス処理装置。
2. 前記酸素ガス処理装置が前記酸素の貯蔵槽の水面より上の位置に設けられた酸素取出しパイプを介して接続されているオゾンを発生するためのオゾン発生装置であることを特徴とする請求項１に記載された水の電気分解装置を用いた酸素ガス処理装置。
3. 前記酸素ガス処理装置が前記酸素の貯蔵槽の水面より上の位置に設けられた酸素取出しパイプを介して接続されている純酸素を水中に溶存させる酸素水生成装置であることを特徴とする請求項１に記載された水の電気分解装置を用いた酸素ガス処理装置。
4. 前記酸素極は、イリジウムめっきされた多孔質シート状カーボン素材に、カーボンおよび固体高分子電解質膜樹脂を含む混合物をコーティングし、その後さらにＰｔ（合金）粉末および固体高分子膜電解質膜用樹脂を含む混合物をコーティングすることにより形成されていることを特徴とする請求項１に記載された水の電気分解装置を用いた酸素ガス処理装置。
5. 前記水素極は、多孔質シート状カーボン素材に対してカーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物をコーティングし、さらにＰｔ（合金）および／またはＰｔ（合金）担持カーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物がコーティングすることにより形成されていることを特徴とする請求項１に記載された水の電気分解装置を用いた酸素ガス処理装置。
6. 前記セパレータ板が、Ｎｉ、ステンレス、Ｔｉ製の金属板、またはＰｔあるいはＡｕによってコーティングされた金属板に複数の貫通孔を設けた材料から形成されていることを特徴とする請求項１に記載された水の電気分解装置を用いた酸素ガス処理装置。
7. 前記セパレータ板に接触する前記固定板に内蔵された押し付け素材が、弾力性を有するナイロン系のポーラスプラスチック材からなることを特徴とする請求項１に記載された水の電気分解装置を用いた酸素ガス処理装置。
8. 前記固定板には、水または発生したガスの流路となる孔および溝の貫通孔が形成され、前記ガスの流路となる孔に逆止弁が設けられていることを特徴とする請求項１に記載された水の電気分解装置を用いた酸素ガス処理装置。
9. 前記ユニット水電気分解セルが複数個設けられ、
   前記複数のユニット水電気分解セルが前記貯蔵槽、前記固定板の外側から前記固体高分子電解質膜、酸素極、セパレータ板および固定板を一緒に挟むことにより、タイボルトによって一体にされ、さらに、
   前記貯蔵槽は、前記それぞれのユニット水電気分解セルにおいて水の電解レベルの位置よりも高い位置に設けられた水の補給孔を有するとともに、発生したガスを放出するための放出孔を有し、
   前記各ユニット電気分解セルから導かれた酸素がガス用連通孔を介して前記貯蔵槽に、水素が別のガス用連通孔を介して前記水の電気分解装置の外側に導かれるとともに、前記酸素極の前記貯蔵槽からの水が水連通孔を介して前記電気分解装置の外側に導かれることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載された水の電気分解装置を用いた酸素ガス処理装置。
10. 前記ガス用連通孔は、前記水素極および前記酸素極からのガスをそれぞれ導く二つの連通孔が前記固体高分子電解質膜の部分に相当する電解部より上方に前記貯蔵槽等に連通するように設けられていることを特徴とする請求項９に記載された水の電気分解装置を用いた酸素ガス処理装置。
11. 前記水連通孔は、前記固体高分子電解質膜の部分に相当する電解部より下方に位置されて前記水素極および前記酸素極からそれぞれ独立して前記貯蔵槽等に連通するように設けられていることを特徴とする請求項９に記載された水の電気分解装置を用いた酸素ガス処理装置。
12. 前記ガス連通孔は、前記ユニット水電気分解セルに逆止弁を介して接続されていることを特徴とする請求項９に記載された水の電気分解装置を用いた酸素ガス処理装置。