JP3626282B2

JP3626282B2 - 水素酸素発生装置

Info

Publication number: JP3626282B2
Application number: JP14264296A
Authority: JP
Inventors: 清司平井; 明子三宅; 信一安井; 宏子小林; 輝行森岡
Original assignee: Kobelco Eco Solutions Co Ltd
Current assignee: Shinko Pantec Co Ltd
Priority date: 1996-06-05
Filing date: 1996-06-05
Publication date: 2005-03-02
Anticipated expiration: 2016-06-05
Also published as: JPH09324288A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は水素酸素発生装置に関する。さらに詳しくは、除湿器に導入される気体に含まれた液分を予め除去しておくことによって健全な除湿機能の維持を可能とし、十分に乾燥したガスを得ることのできる水素酸素発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、水の電気分解によって高純度の水素ガスおよび酸素ガスを得るための水素酸素発生装置では、発生した前記ガスに多量の水分を含むため、一般にこの水分を除去する機構を備えている。
【０００３】
図４に示すのは高圧型の水素酸素発生装置５１であり、純水電解セル（以下、単に電解セルという）５２が収容された水素酸素発生タンク（以下、単に純水タンクという）５３と、この純水タンク５３に純水Ｗを供給するための純水供給タンク５４と、発生した水素ガスＨ_２から液分（水分）を除去するための水素ガス用気液分離タンク５５と、酸素ガス用除湿器５６と、水素ガス用除湿器５７とを主要構成機器としている。酸素ガス用気液分離タンクが設けられていないのは、酸素ガスは純水タンク５３内の純水中を通過してから一旦気相（酸素ガス）を通って取り出されるため、純水タンク５３内で水分が除去されるからである。５８は純水製造装置である。
【０００４】
なお、前記電解セル５２は、正負両電極板のあいだに電解質膜によって仕切られた酸素発生室と水素発生室とを有し、周囲をガスケット等の部材によって囲まれたものである。
【０００５】
図５に示すのは低圧型の水素酸素発生装置６１であり、純水タンクは設けられていない。電解セル６２が一個の容器を構成し、そこに供給された純水が電気分解され、発生した酸素ガスおよび水素ガスはともに電解セル６２からガス取り出し管６３によって直接気液分離タンク６４に導かれる。両ガスはそこで水分が除去された後、ともに除湿器６５で除湿され、収集される。６６は純水タンクであり、６７は純水製造装置である。
【０００６】
叙上のごとく、いずれの装置５１、６１にあっても、ガスは最初に気液分離タンク等によって予め水分が除去され、ついで、除湿器によって湿分（水蒸気）が除去される。これは、発生したガス中に湿分が多く残存していると、かかるガスを使用する各種装置に悪影響を及ぼすおそれがあるため、十分に除湿しておく必要があるからである。気液分離タンクでは、タンク内上部に網状部材またはハニカム状部材等が配設されており、当該部材に接した気体中の水分が当該部材に付着してタンク内底部に落下することにより除去される。もちろん、かかる部材を備えないものも用いられる。
【０００７】
一方、除湿器としては膜除湿式、シリカゲルモレキュラーシーブまたは活性炭等を用いる吸湿剤式等の公知のものが用いられる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前記高圧型水素酸素発生装置５１の純水タンク５３は、その内圧が１０ｋｇ／ｃｍ^２近くにまで上昇し、また、電解セル５２による水の電気分解作用に起因して純水タンク５３内の純水は８０°Ｃ程度にまで上昇する。一方、低圧型水素酸素発生装置６１においても、電解セル６２から取り出される水分が混合したガスは８０°Ｃ程度にまで温度上昇している。
【０００９】
叙上のごとく、水素酸素発生装置においては、純水タンクから取り出されたガスおよび気液分離タンクから取り出されたガスはともに高温多湿であり、除湿器は高温多湿という条件下で用いられる。かかる水素酸素発生装置において、従来では除湿器は配管によって気液分離タンク（図５）または純水タンク（図４における酸素ガス経路）に直接接続されている。したがって、気液分離タンクまたは純水タンクから除湿器へ至る配管内において、搬送される前記ガスが冷却されてしまい、水分が顕在化することが多い。たとえ前記配管の外周に断熱材を施していても前記配管内に水分が顕在することがあり、さらに、除湿器内で液化することもある。
【００１０】
その場合、除湿器内に水分が導入されたり除湿器内で水分が発生して、除湿器の機能が著しく低下する。すなわち、膜除湿式の除湿器にあっては、液体は膜を透過することができないばかりか、膜表面に水滴が付着すると当該膜における水蒸気の透過部分が減少してしまう。そうすれば、装置から得られた水素ガスおよび酸素ガスには多くの湿分が残存することになり、これらガスを使用する各種装置の機能低下、寿命短縮化等の問題を引き起こすこととなる。
【００１１】
一方、吸湿剤を用いた除湿器にあっては、多くの湿分が混入すると吸湿剤の機能しうる期間が短くなって吸湿剤の再生頻度が高くなってしまい、運転コストが大幅に上昇する結果となる。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本願発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、水素酸素発生装置において、除湿器に液滴除去器を配設することにより、除湿器に導入される気体からほぼ完全に液分を除去し、除湿器自体の機能低下を防止するものである。そうすることにより、十分乾燥したガスを得ることが可能となる。また、従来は除湿器単体、または気液分離タンクと除湿器とから構成されていた液分除去機構に液滴除去器を組み合わせることにより、より効果的に液分を除去することを可能にした。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の水素酸素発生装置は、
正負の両電極間に電解質膜によって仕切られた水素発生室と酸素発生室とを有する電解セルと、発生したガスから液分を除去するための液分除去機構とが備えられた水素酸素発生装置であって、
前記液分除去機構が、除湿器本体と、該除湿器本体における被除湿気体が導入される入口に近接して配設された液滴除去器とを備えており、
該液滴除去器の内部の上部には、その内部に流入したガスを回転させるためのベーンが固設されている。
【００１４】
かかる構成にって本発明の水素酸素発生装置においては、
液滴除去器によって予め被除湿気体から液分が除去されており、この被除湿気体が液滴除去器からすぐに除湿器本体に導入されるため、導入された被除湿気体に含まれるのはほぼ水蒸気のみであり、除湿器を通して得られる気体に液分が混在することがない。また、除湿器本体の除湿機能部に液分が付着することがないため、除湿器本体の機能が低下することもない。その結果、十分に乾燥したガスが得られ、当該ガスを使用する装置の機能を損なうことがない。
【００１５】
また、かかる水素酸素発生装置において、
前記液分除去機構に対し、前記液滴除去器における被除湿気体の流れに関する上流側に接続される気液分離タンクをさらに備え、前記液滴除去器の下部にはドレン排出管を接続し、このドレン排出管を前記気液分離タンクに接続するのが、水素酸素発生装置によって製造される気体が高温多湿であっても、その液分除去機構の機能低下が防止され、乾燥したガスを得ることが可能となる。
【００１６】
ここで、除湿器本体および液滴除去器としては、前記除湿器に用いられるのと同じものを採用することができ、気液分離タンクとしては、内蔵物を有しないタンクをはじめ、網状部材、ハニカム状部材、近接配列された多数枚のくの字状断面の板材等からなる衝突部材を内蔵したタンク等を採用することができる。
【００１７】
【実施例】
つぎに、添付図面に示された実施例を参照しつつ本発明の水素酸素発生装置を説明する。
【００１８】
図１は本発明の水素酸素発生装置に適用される液分除去機構の一実施例を示す断面図、図２は本発明の水素酸素発生装置に適用される液分除去機構の他の実施例を示す断面図、図３は本発明の水素酸素発生装置に用いられる電解セルの一例を示す断面図である。
【００１９】
本発明の水素酸素発生装置は、その全体構成は図４および図５に示すものと同一であるが、図４および図５に示されていない除湿器の詳細な構成は従来の水素酸素発生装置と異なっている。
【００２０】
図１に示す液分除去機構（以下、水分除去機構という）１は、除湿器本体２および水滴除去器３からなる除湿器４と、気液分離タンク５とを主要構成機器としている。
【００２１】
図示のごとく、除湿器本体２における、被除湿ガス（酸素ガスおよび／または水素ガス）Ｇが導入される入口６に水滴除去器３が設置されており、水滴除去器３の上流側に接続配管５ａを介して気液分離タンク５が接続されている。
【００２２】
水滴除去器３はその下部がドレントラップ３ａとして形成されたものであり、ドレントラップ３ａの底部にはドレン排出管７が接続されている。
【００２３】
ここで、水分が混在したガスＧは気液分離タンク５に導入されて水分が除去され、ついで、接続配管５ａを通って水滴除去器３に導入される。ガスＧには接続配管５ａ内で水蒸気が凝縮して生じた水分が混在している可能性がある。かかるガスＧは水滴除去器３において水滴が除去されたうえで除湿器本体２に導入される。水滴は除湿器本体２下部のドレントラップ３ａに貯水され、適宜純水Ｗの戻り配管７を通して排出される。気液分離タンク５内の純水Ｗは図示しない配管を通って適宜純水供給タンクまたは純水タンク（ともに図示せず）に戻される。
【００２４】
前記除湿器本体２としては、膜除湿式のものが用いられている。たとえば、透過膜から形成された細いチューブが多数本束ねられた機能部材８と、この機能部材８をその周囲にスペースＳを置いて収容するハウジング９とから構成されたものがある。前記多数本のチューブ内を被除湿ガスを通過させ、前記スペースＳ内に乾燥空気Ａを流通させるものである。そして、チューブ内の水蒸気はチューブ内外の蒸気圧の差によってチューブを構成する膜を通してチューブ外に透過逸散するものである。その結果、除湿器本体からは乾燥したガスが得られる。
【００２５】
水滴除去器３としては、サイクロン式のものが用いられている。これは、たとえば、傾斜羽根形状を呈するベーン１１と、このベーン１１が内部に固設されたケーシング１２とから構成されたものがある。水滴除去器３に導入された、水滴を含んでいる可能性のあるガスＧは、前記ベーン１１を通過するときにベーン１１の傾斜によって回転させられ、ケーシング１２の内壁面に沿って渦を巻く上下方向流れとされる。その結果、ガスＧの回転に起因する遠心力により、その質量差に基づいて水滴のみがケーシング１２の内壁面に付着し、下方に滴下してドレントラップ３ａに蓄積される。このようにして水滴が除去されたガスＧは、水滴除去器３の出口に直結された前記除湿器本体２へ送られる。
【００２６】
ドレントラップ３ａとしては、球状フロート１３が収容された、水滴除去器３と一体のケーシング１２と、前記ドレン排出管７に接続されたドレン排出口部材１４とから構成されているものがある。ドレン（純水）が溜まるとフロート１３が浮き上がって（図中、二点鎖線で示す）ドレン排出口部材１４が開口し、ドレンはドレン排出管７を通って排出される。また、ドレンが排出されてしまうとフロート１３がドレントラップ３ａ底部に至り（図中、実線で示す）、ドレン排出口部材１４を閉塞してガスの漏洩を防止する。
【００２７】
ドレントラップは図示のフロート式のものに限らず他の公知のものも用いることができる。
【００２８】
気液分離タンク５としては、その内部上方に衝突部材としてメッシュ部材１５が配設されたものが用いられている。気液分離タンク５の入口１６から導入された水分を含むガスＧが前記メッシュ部材１５を通過するときに、水分がメッシュ部材１５に付着して下方に落下する。その結果、ガスＧは水分を除去されて水滴除去器３に送られるため、水滴除去器３の負荷が低減する。一方、気液分離タンク５に溜まった純水Ｗは図示しない配管を通して適宜純水タンクまたは純水供給タンク（ともに図示せず）に戻される。
【００２９】
図２に示される水分除去機構２１は、その水滴除去器２３にドレントラップが形成されていない点で図１の水分除去機構１と異なる。ドレントラップが除去されることによって全体の構成が簡素化されるので好ましい。さらに本水分除去機構２１の場合、ドレン排出管２７は気液分離タンク５に接続されており、ドレン（純水）は気液分離タンク５に直接戻される。このように、気液分離タンク５と水滴除去器２３とは、前記接続配管５ａとドレン排出管２７とによって接続されているため、互いの内圧が低下するおそれがなく、また、ガスが系外に漏出するおそれもない。
【００３０】
なお、叙上の実施例（図１および図２）では、除湿器本体２と水滴除去器３、２３とが一体に形成されていたが、本発明ではとくに一体に形成したものに限定されることはなく、除湿器本体２と水滴除去器３、２３とを配管で接続したものでもよい。要するに、除湿器本体２に導入される気体中の湿分が、除湿器本体２に至る過程において配管等の内部で凝縮することを防止するために、除湿器本体２と水滴除去器３、２３とが近接した状態で配設されておればよい。
【００３１】
叙上の如く構成された水素酸素発生装置について、比較例を用いてその作用効果を詳細に説明する。
【００３２】
（実施例）
図１に示すサイクロン式の水滴除去器３と膜除湿式の除湿器本体２とから実施例の除湿器を構成した。この除湿器に、大気圧下換算の露点が−８°Ｃとなる水蒸気を含んだ水素ガスを流量９．２Ｎｍ^２で通過させた。この水素ガスの供給圧力を４ｋｇ／ｃｍ^２とした。また、除湿器本体２に流通させる除湿用の乾燥空気の露点は大気圧下換算で−１０°Ｃとし、その流量を１０．５Ｎｍ^２とした。そして、除湿器を通過した水素ガスについて、一時間後にその露点を測定すると、大気圧下換算で−２４°Ｃであった。また、圧力は４ｋｇ／ｃｍ^２であった。
【００３３】
（比較例）
図１に示す除湿器４からサイクロン式の水滴除去器３を取り除き、除湿器本体２のみから比較例の除湿器を構成した。そして、この除湿器に、前記実施例におけると同一条件の水素ガスを通過させ、且つ同一条件の除湿用の乾燥空気を除湿器に流通させた。そして、一時間後に前記と同一の露点計によって測定した除湿器通過後の水素ガスの露点は、大気圧下換算で−８°Ｃであった。また、圧力は４ｋｇ／ｃｍ^２であった。
【００３４】
以上の結果から、比較例では一時間で除湿機能が低下して全く除湿しえなくなったのに比べて、水滴除去器３を備えた本実施例では同一条件の湿り水素ガスからさらに湿分を除去することがができた。したがって、水滴除去器３を設けることによって除湿器の機能低下が防止されたことは明らかである。
【００３５】
つぎに、図３を参照しつつ、本実施例の水素酸素発生装置において水素ガスおよび酸素ガスを発生させる電解セル３１を説明する。
【００３６】
図示の電解セル３１は水素酸素発生装置の主要構成機器であり、本例のものは円柱形を呈している。図中、３２は電極板であり、３３は固体電解質膜である。３４は多孔質給電体であり、３５はガスケット、３６は保護シートである。そして、３７は水素ガス取り出し経路、３７ａは水素ガス取り出し通路、３８は酸素ガス取り出し経路、３８ａは酸素ガス取り出し通路である。３９ａおよび３９ｂは端板である。本図では純水供給経路は表されていないが、水素ガス取り出し経路３７と同様の構成によって形成されている。叙上の各部品類をボルト４０によって両端板３９ａ、３９ｂ間で挟持するように締結すれば電解セル３１となる。なお、多孔質給電体３４の部分が酸素ガス発生室および水素ガス発生室となる。
【００３７】
前記固体電解質膜としては、固体高分子電解質を膜状に形成したものの両面に貴金属、とくに白金族金属からなる多孔質層を化学的に無電解メッキによって形成した固体高分子電解質膜を使用するのが好ましい。前記固体高分子電解質としては、カチオン交換膜（フッ素樹脂系スルフォン酸カチオン交換膜であり、たとえば、デュポン社製「ナフィオン１１７」）が好ましい。また、この場合、前記多孔質メッキ層としては白金族金属のうち白金が好ましく、とくに白金とイリジウムとからなる二層構造とすれば、８０°Ｃにおいて２００Ａ／ｄｍ^２の高電流密度で四年間の長期にわたって電気分解することが可能である。ちなみに、たとえば従来の、電極を物理的にイオン交換膜に接触させた構造の固体電解質膜では５０〜７０Ａ／ｄｍ^２程度の電流密度である。前記イリジウムの他に、二種類以上の白金族金属をメッキした多層構造の固体電解質膜も使用することができる。また、叙上のごとく構成された固体電解質膜では、固体高分子電解質と多孔質メッキ層とのあいだには水が存在しないので、溶液抵抗やガス抵抗が少ない。したがって、固体高分子電解質と両多孔質メッキ層とのあいだの接触抵抗が低くなり、電圧が低くなり、電流分布が均一となる。その結果、高電流密度化、高温水電解、高圧水電解が可能となり、高純度の酸素ガスおよび水素ガスを効率よく得ることが可能となる。なお、前記固体高分子電解質膜の他、セラミック膜等の他の固体電解質膜を使用することも可能である。
【００３８】
【発明の効果】
本発明の水素酸素発生装置によれば、高温多湿の発生ガスに対しても除湿機能の低下が防止され、所望の乾燥気体が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の除湿器および液分除去機構の一実施例を示す断面図である。
【図２】本発明の水素酸素発生装置に適用される液分除去機構の他の実施例を示す断面図である。
【図３】本発明の水素酸素発生装置に用いられる電解セルの一例を示す断面図である。
【図４】液分除去機構が備えられた高圧型水素酸素発生装置の一例を示す系統図である。
【図５】液分除去機構が備えられた低圧型水素酸素発生装置の一例を示す系統図である。
【符号の説明】
１、２１・・・水分除去機構
２・・・除湿器本体
３、２３・・・水滴除去器
３ａ・・ドレントラップ
４・・・除湿器
５・・・気液分離タンク

Claims

正負の両電極間に電解質膜によって仕切られた水素発生室と酸素発生室とを有する電解セルと、発生したガスから液分を除去するための液分除去機構とが備えられた水素酸素発生装置であって、
前記液分除去機構が、除湿器本体と、該除湿器本体における被除湿気体が導入される入口に近接して配設された液滴除去器とを備えており、
該液滴除去器の内部の上部には、その内部に流入したガスを回転させるためのベーンが固設されてなる水素酸素発生装置。
前記液分除去機構が、前記液滴除去器における被除湿気体の流れに関する上流側に接続される気液分離タンクをさらに備えており、
前記液滴除去器の下部にはドレン排出管が接続され、該ドレン排出管が前記気液分離タンクに接続されてなる請求項１記載の水素酸素発生装置。