JP4440035B2 - 電解セル - Google Patents

Description

本発明は、酸水素ガス発生装置等に用いられる電解セルに関するものである。

従来から、水等を電気分解して酸素ガスと水素ガスとの混合ガス（酸水素ガス）を発生させ、この酸水素ガスを、溶断用，ろう付け用等の燃焼ガス等として利用することが行われている。このような燃焼ガス等のガス発生装置は、通常、図１０に示すように、水を電気分解する電解セル５１と、この電解セル５１に接続されるガス生成室５２と、上記電解セル５１で生成した酸素ガスと水素ガスとの混合ガスＡを上記ガス生成室５２に送給する送給管５３と、上記ガス生成室５２内に液化石油ガスＢを導入する導入管５４と、上記ガス生成室５２内で製造した燃焼ガスＣを外部に導出する導出管５５等を備えている。そして、電解セル５１を電源５６に接続し、電解セル５１へ電解圧力を加えることにより、水を電気分解して酸素ガスと水素ガスとの混合ガスＡを生成し、この混合ガスＡを送給管５３を介してガス生成室５２に送給している。また、上記混合ガスＡの生成中に、ガス生成室５２内に液化石油ガスＢを導入管５４から導入し、上記混合ガスＡのガス成分を爆発範囲外に保持している。このようにして得られた燃焼ガスＣを導出管５５から取り出し、例えば、直接溶断トーチに供給するようにしている（例えば、特許文献１参照）。図において、Ｄはガス生成室５２内の電解液である。

上記のようなガス発生装置に用いられる電解セルとして、図１１に示すようなものが提案されている。この電解セル５８では、多数配列された電極板の間にそれぞれスペーサ６０が、上記各電極板５９ａ，５９ｂに穿設された複数の貫通穴６１に上記各スペーサ６０に突設された複数の突起部６２を嵌入させた状態で、配設されており、上記各スペーサ６０は、これを挟む２枚の電極板５９ａ，５９ｂの全周に当接している（例えば、特許文献２参照）。図において、６３は上記各スペーサ６０に穿設されたボルト６４挿通用の貫通穴であり、６５が締め付け用のナットである。ところが、上記各スペーサ６０は、これを挟む２枚の電極板５９ａ，５９ｂの全周に面接触しているため、上記各スペーサ６０と両電極板５９ａ，５９ｂとの間のシール性に劣り、上記各スペーサ６０と両電極板５９ａ，５９ｂとの間から電解液やガスが漏れ出すのを確実に防止できないという問題がある。

そこで、電解液やガスの漏れ出しをより確実に防止するため、図１２に示すように、電解セル６７を構成する、電極６８と絶縁部材６９とを交互に積層してなる積層体７０において、上記絶縁部材６９に形成した開口部の内周縁にＯリング等のシール部材７１を配設したものが提案されている。このものでは、シール部材７１が電極６８に線接触状に当接しているため、電極６８とシール部材７１との間のシール性に優れ、電極６８とシール部材７１との間から電解液やガスが漏れ出すのを確実に防ぐことができる。このような電解セル６７を組み立てる場合には、各電極６８に絶縁部材６９を外側にシール部材７１を内側に配設しながら、多数の電極６８と多数の絶縁部材６９，シール部材７１とを交互に積層し、つぎに、この積層体７０の両端部に端部支持部材７２（一方の端部支持部材７２しか図示せず）を配設したのち、これら両端部支持部材７２間を貫通ボルト７３および締付ナット７４，７５からなる締付手段（１つの締付手段しか図示せず）により締め付けることを行う（例えば、特許文献３参照）。図において、７６は上記各電極６８の上部に穿設されたガス流通孔である。また、上記各電極６８の下部には電解液流通孔（図示せず）が穿設されている。
特開２００３−１２９０７２号公報 特開平１１−５０２９１号公報 特開２００１−３４８６９１号公報

しかしながら、図１２に示す電解セル６７では、各電極６８間で電解液（水）が電気分解して発生する酸素ガスと水素ガスとの混合ガスは、爆発性気体であるため、各電極６８間での爆発（内爆）を防止することが困難である。この内爆が起こると、この内爆が起こった電極６８間で、混合ガスが急に水に戻って大きな負圧を生じるため、シール部材７１が座屈して内側へ曲がり、電解液の流通の妨げになったり、電解液の漏洩が起こったりする。しかも、組み立て時に各電極６８に絶縁部材６９を外側にシール部材７１を内側に配設しながら、多数の電極６８と多数の絶縁部材６９，シール部材７１とを交互に積層しなければならず、組み立て作業に手間がかかり、長時間を要する。しかも、電極６８以外に多数の絶縁部材６９，シール部材７１を用いているため、部品点数が多く、在庫管理等が煩雑化する。

本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、シール部材が座屈して内側へ曲がることがなく、しかも、組み立て作業に手間がかからず、しかも、部品点数が少ない電解セルの提供をその目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明の電解セルは、電解液流通孔とガス流通孔とが穿設された電極板が所定の間隔をあけて多数並列状に配設され、上記各電極板間に形成される密閉空間内に電解液が上記各電解液流通孔を介して外部から導入され、上記各電極板に通電することにより上記各密閉空間内に酸水素ガスが生成され上記各ガス流通孔を介して外部に取り出されるように構成された電解セルであって、上記各電極板が円盤形状に形成され、上記各電極板の両側面にそれぞれ、それ自体の外周面が上記各電極板の外周面に沿う形状に形成された電気的絶縁性および弾性を有する環状被覆層が、電解液流通孔とガス流通孔とを取り囲む状態で一体的に接合され、上記各電極板およびその両環状被覆層に、これらを貫通する複数のボルト挿通孔が所定のピッチで穿設され、上記各電極板の一側面の環状被覆層の、上記各ボルト挿通孔より内側の部分から、電気的絶縁性および弾性を有する環状凸部が一体的に突設され、隣り合う両電極板の一方の一側面の環状被覆層と他方の他側面の環状被覆層との間に、上記環状凸部の突出高さより低い複数のスペーサを介して上記各電極板を並列状に配設し、その状態で上記各電極板のボルト挿通孔に締め付けボルトを挿通して締め付けることにより、上記各スペーサが上記両環状被覆層に当接し、かつ、上記一側面の環状被覆層の環状凸部が上記他側面の環状被覆層に密閉状に圧接しているという構成をとる。

すなわち、本発明の電解セルでは、円盤形状に形成された各電極板の両側面に、それ自体の外周面が上記各電極板の外周面に沿う形状に形成された電気的絶縁性および弾性を有する環状被覆層が一体的に接合されており、これら両側面の環状被覆層のうち、一側面の環状被覆層から、電気的絶縁性および弾性を有する環状凸部が一体的に突設されている。このため、上記各電極板間で内爆が起こり、この内爆が起こった電極板間で、混合ガスが急に水に戻って大きな負圧を生じても、環状凸部が座屈等して内側へ曲がることがなく、電解液の流通が妨げられたり、電解液の漏洩が起こったりすることがない。しかも、組み立て時において、隣り合う両電極板の一方（の電極板）の一側面の環状被覆層と他方（の電極板）の他側面の環状被覆層との間に、複数のスペーサを配設した状態で上記各電極板を並列状に配設し、その状態で上記各電極板のボルト挿通孔に締め付けボルトを挿通して締め付けるだけでよく、組み立て作業に手間がかからず、長時間を要さない。しかも、電極板以外に多数のスペーサを用いているだけであるため、部品点数が少なく、在庫管理等が簡単化する。しかも、電極板と環状被覆層との接合が悪くなり、電極板と環状被覆層との間に隙間ができて電解液が浸入しても、上記環状被覆層の径方向の長さがながく、上記浸入を上記環状被覆層の途中で阻止することができ、電解液が外部に漏れ出す恐れが少ない。

また、上記各電極板の両側面に一体的に接合された両環状被覆層が、上記各電極板の外周面に一体的に接合された連結用環状被覆層で連結されていると、隣り合う両電極板の一方（の電極板）と、その両側面の環状被覆層との接合、および上記一方（の電極板）の外周面と連結用環状被覆層との接合が悪く、上記一方（の電極板）の両側面，外周面と環状被覆層，連結用環状被覆層との間に隙間ができ、この隙間を電解液が通って、上記一方（の電極板）の他側面の環状被覆層の内周縁部から流れ出すことがあっても、この電解液は上記隣り合う両電極板の他方（の電極板）の一側面の環状凸部内に流れ出るため、外部には漏れ出ない。

また、上記スペーサが、電気的絶縁性材料からなる筒状体で構成され、この筒状体の貫通孔に締め付けボルトが挿通された状態で、上記筒状体の一端部がボルト挿通孔に内嵌固定されていると、上記スペーサを締め付けボルト，ボルト挿通孔を利用して位置決めすることができる。

つぎに、本発明の実施の形態を図面にもとづいて詳しく説明する。

図１〜図３は本発明の電解セルの一実施の形態を示している。これらの図において、１は電解セルで、２は左右に多数（この実施の形態では、５０枚）並列される電極板であり、図４〜図６に示すように、円板状に形成された金属製（例えば、ステンレス製）の基板１１と、この基板１１の左右両側面１１ａ，１１ｂの外周部に形成された絶縁性ゴム（例えば、ＥＰＤＭゴム）製の被覆層（環状被覆層）１２と、この被覆層１２の一側面部（この実施の形態では、左側面部）の内周縁部近傍から一体的に突設された１本の弾性凸部（環状凸部）１３とを備えており、上記被覆層１２，弾性凸部１３が、上記基板１１の左右両側面１１ａ，１１ｂの外周部に加硫接着成形されて一体的に接合されている。

上記基板１１には、図７に示すように、その中央上部に、各電極板２間で発生する酸素ガスと水素ガスとの混合ガスを通す１個のガス流通孔１４が穿設されており、その中央下部に（すなわち、ガス流通孔１４の真下に）、各電極板２間に水等の電解液を通す１個の電解液流通孔１５が穿設されている。また、上記基板１１には、その外周縁部（上記両流通孔１４，１５より外側の部分）に、仮想円周上に等間隔で複数個（この実施の形態では、８個）の外周貫通孔１６が穿設されている。

上記被覆層１２は、上記基板１１の左右両側面１１ａ，１１ｂの外周部に（上記両流通孔１４，１５より外側の部分であって、上記各外周貫通孔１６を含む部分に）、上記基板１１の左右両側面１１ａ，１１ｂの外周部，外周面１１ｃおよび上記各外周貫通孔１６の内周面を被覆するようにして一体的に接合されている。そして、上記各外周貫通孔１６の内周面を被覆した部分が、後述するスペーサ３を保持する保持孔１８（図６参照）に形成されている。また、上記被覆層１２の左右両側面部の内周縁部はそれぞれ、（上記基板１１の中心を中心とする）略同径の同心円形状に形成されている。したがって、上記両内周縁部は、上記基板１１を挟んで、上下に相対向する位置に形成されている。また、上記弾性凸部１３は、半球状であり、上記被覆層１２の左側面部に円環状に突設されている。図６において、１２ａは上記基板１１の外周面１１ｃを被覆する連結用被覆層（連結用環状被覆層）である。

３は剛性を有する絶縁性樹脂（例えば、ジュラコン）製のスペーサであり、図８に示すように、その中央部に、後述する締め付けボルト７ａを挿通するボルト挿通孔３ａが穿設されている。このスペーサ３は、多数並列される各電極板２間を所定の間隔に保持する円環状平板部２０（この円環状平板部２０の高さは、弾性凸部１３の高さより低く形成されている）と、この円環状平板部２０の一側面（この実施の形態では、右側面）の内周縁部から突設される円筒状凸部２１（この円筒状凸部２１の高さは、保持孔１８の高さと同じに形成されている）とからなっており、上記円環状平板部２０を上記各電極板２の被覆層１２の左側面部に当接させるとともに、上記円筒状凸部２１を上記各電極板２の各保持孔１８に内嵌状に挿入した状態で、配列されている。そして、この配列状態で、左右に隣り合うスペーサ３同士が当接する（すなわち、一方のスペーサ３の円筒状凸部２１の右側面が他方のスペーサ３の円環状平板部２０の左側面の内周縁部に当接する）ようにしている（図３参照）。

５は多数並列された電極板２の一端側（この実施の形態では、左端側）に上記スペーサ３を介して配設される第１フランジであり、この第１フランジ５の左側面に、ナット２３ｂを備えたねじ棒２３ａ（端子として利用される）が突設されている。６は多数並列された電極板２の他端側（この実施の形態では、右端側）に配設される第２フランジであり、この第２フランジ６の右側面に、ナット２４ｂを備えたねじ棒２４ａ（端子として利用される）が突設されている。また、上記第２フランジ６の左側面には、上記被覆層１２の右側面部の内周縁部より大径の凹部６ａが形成されており、上記左側面の、上記凹部６ａの外側部分が上記被覆層１２の右側面部およびスペーサ３に当接するようにしている。このような両フランジ５，６には、上記基板１１の各外周貫通孔１６に対応する部分に、フランジ用スペーサ２５，２６を嵌合，固定する貫通孔２７，２８が穿設されており、上記両フランジ用スペーサ２５，２６の中央部に、上記締め付けボルト７ａを挿通するボルト挿通孔２５ａ，２６ａが穿設されている。７は締め付け手段であり、上記各ボルト挿通孔３ａ，２５ａ，２６ａに挿通される締め付けボルト７ａと、この締め付けボルト７ａの左右両端部に設けたナット７ｂとからなっている。

図１において、２９は上記被覆層１２の右側面部に対応する上記第２フランジ６の内面の部分に形成された円環状溝部であり、ここにＯリング２９ａが収容されている。３０，３１は上記両フランジ５，６の下部に取り付けられた下側連結金具であり、電解液供給管を介して電解液供給手段（ともに図示せず）に連結されている。そして、上記電解液供給手段から電解液を電解液供給管、下側連結金具３０，３１および各電解液流通孔１５を介して上記各電極板２間に供給するようにしている。３２，３３は上記両フランジ５，６の上部に取り付けられた上側連結金具であり、ガス送給管を介してガス生成室（ともに図示せず）に連結されている。そして、上記各電極板２間で発生する酸素ガスと水素ガスとの混合ガスを各ガス流通孔１４、上側連結金具３２，３３およびガス送給管を介してガス生成室に送給するようにしている。

上記の構成において、電解セル１を組み立てる場合には、まず、電極板２の各保持孔１８にスペーサ３を嵌合，固定した状態で、上記電極板２の弾性凸部１３が左側を向くようにして多数並列させ、ついで、この並列構造体の左右に、それ自体の貫通孔２７，２８にフランジ用スペーサ２５，２６を嵌合，固定した第１および第２のフランジ５，６を配設し、その状態で、上記各スペーサ３および各フランジ用スペーサ２５，２６に穿設したボルト挿通孔３ａ，２５ａ，２６ａに締め付けボルト７ａを挿通し、この締め付けボルト７ａの両端部をナット７ｂで所定の締め付け力で締め付けることを行う。これにより、上記各弾性凸部１３が、これに対向する各電極板２の被覆層１２に密閉状に（気密状および液密状に）当接してシールし、内部に密閉空間が形成されるようになる。

上記のように、この実施の形態では、電解セル１を構成する各電極板２の基板１１に１本の弾性凸部１３を設けているため、上記各電極板２間で内爆が起こり、この内爆が起こった電極板２間で大きな負圧を生じることがあっても、弾性凸部１３が座屈等して内側へ曲がることがなく、電解液の流通が妨げられたり、電解液の漏洩が起こったりすることがない。しかも、組み立て時において、上記各電極板２を多数並列させる際には、上記各電極板２の各保持孔１８にそれぞれスペーサ３を嵌合，固定し、その状態で、上記電極板２を並列させればよく、組み立て作業に手間がかからず、長時間を要さない。しかも、部品点数が少なく、在庫管理等が簡単化する。しかも、電極板２と弾性凸部１３との接合が悪くなり、弾性凸部１３の下方で隙間ができて電解液が浸入しても、この浸入を、上記被覆層１２の、弾性凸部１３より外側の部分で阻止することができる。しかも、上記各電極板２の各弾性凸部１３が、これに対向する他の電極板２の被覆層１２の右側面部に気密状および液密状に当接しているため、シール性が非常に良い。しかも、上記電極板２と被覆層１２との接合が悪くてその間に隙間ができ、この隙間を電解液が通って、上記被覆層１２の右側面部の内周縁部から流れ出すことがあっても、この電解液は、上記電極板２の右側にある電極板２の弾性凸部１３内に流れ出るため、外部には漏れ出ることがない。

図９は上記電極板２の変形例を示している。この例では、被覆層１２は、基板１１の左右両側面１１ａ，１１ｂの外周部にだけ設けられており、基板１１の外周面１１ｃを被覆する連結用被覆層１２ａは設けられていない。それ以外の部分は、上記実施の形態に用いる電極板２と同様であり、同様の部分には同じ符号を付している。

なお、上記実施の形態では、電極板２に１本の弾性凸部１３を設けているが、これに限定するものではなく、複数本の弾性凸部１３を設けてもよい。また、上記実施の形態では、弾性凸部１３を被覆層１２の一側面部の内周縁部近傍から一体的に突設しているが、上記一側面部の内周縁部から一体的に突設してもよく、保持孔１８の内側であれば、どの箇所から一体的に突設してもよい。また、上記実施の形態では、電極板２に被覆層１２，弾性凸部１３を加硫接着成型により一体的に接合しているが、接着剤で接着することにより一体的に接合してもよい。

また、被覆層１２および弾性凸部１３を構成する材料として、ＥＰＤＭ（エチレン・プロピレン・ジエン共重合体），ＣＲ（クロロプレンゴム），ＩＩＲ（ブチルゴム），ＦＤＭＱ（フロロシリコーンゴム）等の各種のゴム材料を用いることができる。このようなゴム材料は、耐電解溶液性を考慮し、例えばＥＰＤＭが望ましく、そのゴム硬さは弾性凸部１３によるシール性からＨｓ５０°〜６５°（ＪＩＳ Ｋ６３０１）が望ましい。また、弾性凸部１３によるシール性を保持するためには、弾性凸部１３に対する圧縮率（代）は、弾性凸部１３の高さに対し２０〜３０％が望ましい。また、被覆層１２の厚みは、被覆層１２で覆われた部分の基板１１の電解腐食（痩せ）を防止できれば足り、１ｍｍあれば充分であり、あまり厚くすると、弾性凸部１３の頂面との当接にあたり、剛性が低下してシール性を損なうおそれがあり、５ｍｍ以下にすることが望ましい。

また、上記弾性凸部１３に補強部材として、金属製，樹脂製等の帯状体（例えば、ワイヤ，ピアノ線，６ナイロン）等を内蔵させるようにしてもよい。この場合には、上記弾性凸部１３を補強することができ、へたり等が少なくなる。また、上記実施の形態において、スペーサ３と被覆層１２とを接着等により一体化してもよい。この場合には、部品点数がさらに少なくなる。また、上記実施の形態では、スペーサ３を電極板２の保持孔１８に嵌合，固定しているが、隣り合う両電極板２の被覆層１２の間であれば、どこに配設してもよい。

本発明の電解セルの一実施の形態を示す説明図である。 上記電解セルの正面図である。 上記電解セルの要部の断面図である。 電極板の正面図である。 上記電極板の側面図である。 上記電極板の要部の断面図である。 上記電極板の基板の正面図である。 スペーサの正面図である。 上記電極板の変形例の要部を示す断面図である。 従来例を示す説明図である。 他の従来例を示す断面図である。 さらに他の従来例の要部を示す断面図である。

符号の説明

２ 電極板
３ スペーサ
３ａ ボルト挿通孔
７ａ 締め付けボルト
１２ 被覆層
１３ 弾性凸部
１５ 電解液流通孔

Claims (3)

1. 電解液流通孔とガス流通孔とが穿設された電極板が所定の間隔をあけて多数並列状に配設され、上記各電極板間に形成される密閉空間内に電解液が上記各電解液流通孔を介して外部から導入され、上記各電極板に通電することにより上記各密閉空間内に酸水素ガスが生成され上記各ガス流通孔を介して外部に取り出されるように構成された電解セルであって、上記各電極板が円盤形状に形成され、上記各電極板の両側面にそれぞれ、それ自体の外周面が上記各電極板の外周面に沿う形状に形成された電気的絶縁性および弾性を有する環状被覆層が、電解液流通孔とガス流通孔とを取り囲む状態で一体的に接合され、上記各電極板およびその両環状被覆層に、これらを貫通する複数のボルト挿通孔が所定のピッチで穿設され、上記各電極板の一側面の環状被覆層の、上記各ボルト挿通孔より内側の部分から、電気的絶縁性および弾性を有する環状凸部が一体的に突設され、隣り合う両電極板の一方の一側面の環状被覆層と他方の他側面の環状被覆層との間に、上記環状凸部の突出高さより低い複数のスペーサを介して上記各電極板を並列状に配設し、その状態で上記各電極板のボルト挿通孔に締め付けボルトを挿通して締め付けることにより、上記各スペーサが上記両環状被覆層に当接し、かつ、上記一側面の環状被覆層の環状凸部が上記他側面の環状被覆層に密閉状に圧接していることを特徴とする電解セル。
2. 上記各電極板の両側面に一体的に接合された両環状被覆層が、上記各電極板の外周面に一体的に接合された連結用環状被覆層で連結されている請求項１記載の電解セル。
3. 上記スペーサが、電気的絶縁性材料からなる筒状体で構成され、この筒状体の貫通孔に締め付けボルトが挿通された状態で、上記筒状体の一端部がボルト挿通孔に内嵌固定されている請求項１または２記載の電解セル。