JP5893637B2 - 水素−酸素ガス発生装置 - Google Patents
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Description
本発明は、電気分解により水素および酸素ガスを発生させるための装置に係り、更に詳細には、水素および酸素の混合ガスを、コンパクトなサイズで、効率良く発生させることのできる装置に係るものである。
水素および酸素の混合ガスを発生させる装置としては、水を電気分解して水素及び酸素を生産する装置が知られている。 陽極電極および陰極電極が設置された電解槽内に少量の電解物質が添加された水を供給して、直流電圧を印加することによって無公害エネルギー源である水素および酸素の混合ガス(一般的に、「ブラウンガス」とも呼ばれている)を発生する。この際、発生される水素ガスと酸素ガスは２:１のモル比で発生され、陰極電極表面に気泡状に生成される。このように生成された水素ガスと酸素ガスは混合されて混合ガス形態になり電解槽内の電解液上方に集められる。このようにして生成された水素ガスと酸素ガスの混合ガスを電解槽内から取り出すことにより、燃焼時に汚染物質を生成しない、環境にやさしいエネルギー源として利用することが可能となる。
このような水素-酸素ガス発生装置の先行技術として、特許文献1(特開2000-129480)がある。 特許文献1に開示された水素-酸素ガス発生装置は、以下のような構成を有している。 すなわち、
基台1上に等間隔で形成されている締結溝2に下部固定具3を結合し、下部固定具3に形成された挿着溝3cに矩形状の電極板4, 5を立設して、上部には底面に挿着溝が形成された上部固定具6を結合して、基台1と下部固定具3及び上部固定具6の両側に形成されている通孔3d, 6dにステーボルト8を結合して一体に形成された電極ユニットAを整合した電解装置10と、ガス上昇管11と電解液下降管12の一定長さを蛇行状にベンディングした冷却部13の両側にフィンチューブ14を結合し、内部中央に冷却ファン15を設置した電解液冷却装置20と、内部に水位センサ21を具え、一方側下部には電解装置10と連結されるガス上昇管11と、上部には給水タンク30と連結されるガス排気管26とを設置し、他方側底部には給水管28の一定部位に連結される電解液下降管12が固定されている下広上狭状のガス捕集タンク25と、上部にはガス排気管26とガス排出管27が固定され、底部には下部電解液タンク40に結合する給水管28が取り付けられている左狭右広状の給水タンク30とから構成されている。(図5参照)
基台1上に等間隔で形成されている締結溝2に下部固定具3を結合し、下部固定具3に形成された挿着溝3cに矩形状の電極板4, 5を立設して、上部には底面に挿着溝が形成された上部固定具6を結合して、基台1と下部固定具3及び上部固定具6の両側に形成されている通孔3d, 6dにステーボルト8を結合して一体に形成された電極ユニットAを整合した電解装置10と、ガス上昇管11と電解液下降管12の一定長さを蛇行状にベンディングした冷却部13の両側にフィンチューブ14を結合し、内部中央に冷却ファン15を設置した電解液冷却装置20と、内部に水位センサ21を具え、一方側下部には電解装置10と連結されるガス上昇管11と、上部には給水タンク30と連結されるガス排気管26とを設置し、他方側底部には給水管28の一定部位に連結される電解液下降管12が固定されている下広上狭状のガス捕集タンク25と、上部にはガス排気管26とガス排出管27が固定され、底部には下部電解液タンク40に結合する給水管28が取り付けられている左狭右広状の給水タンク30とから構成されている。(図5参照)
特許文献1に開示された発明の水素-酸素ガス発生装置は、下部電解液タンク40の上に電解装置10を配置し、電解装置10の上に電解液冷却装置20を配置し、そして電解液冷却装置20の上に更にガス捕集タンク25を設けるという複雑な構造にすることにより、電解液を重力により自然循環させ、その結果電解液を自然冷却しながら、水素-酸素ガス発生装置を運転するという方法を採用していた。
したがって、水素-酸素ガス発生装置全体が大きく、その上、電解液を冷却しているとはいえ、電解液が自然対流により電解装置から電解液冷却装置に流入し、冷却されることになり、電解液温度を特定の温度範囲に制御するために冷却することはできず、水素-酸素ガスの発生効率も十分なものとは言えなかった。
したがって、水素-酸素ガス発生装置全体が大きく、その上、電解液を冷却しているとはいえ、電解液が自然対流により電解装置から電解液冷却装置に流入し、冷却されることになり、電解液温度を特定の温度範囲に制御するために冷却することはできず、水素-酸素ガスの発生効率も十分なものとは言えなかった。
特許文献１: 特開２０００−１２９４８０号公報
本発明は、かかる観点からなされたものであり、水素-酸素ガス発生装置の小型化を図り、かつ水素-酸素ガスの発生効率を向上させることにより、装置の単位容積当たりの水素-酸素ガス発生量を最大化することを目的とするものである。
上述したような課題を解決するために、第1の観点にかかる発明では、
水素-酸素ガス発生装置であって、
水素および酸素の混合ガスを電気分解により発生させる電解槽と、
電解槽に接続され、電解槽に供給するための純水を保存するための純水補給タンクと、
電解槽に接続され、電解槽内の電解液を強制循環させることにより、電解液温度を所定温度範囲に制御するための放熱装置と、
水素-酸素ガス発生装置を制御するための制御装置とから成り、
電解槽は、電解槽容器と、電解槽容器内に収納された電解液と、当該電解液中に直接対向することなく配置された平板構造の陽極電極および平板構造の陰極電極と、当該電解液中の陽極電極および陰極電極の間に配置されたジャマ板と、当該電解液中の陽極電極および陰極電極にそれぞれ対向して配置された第1のプレートと第2のプレートとから成り、当該第1のプレートと第2のプレートが当該ジャマ板を跨いで連結されている対向電極と、電解槽容器に取付けられ、電解液温度を測定するための温度センサーと、電解槽容器に設けられ、発生した水素および酸素の混合ガスを取り出すための出口ポートから構成され、
放熱装置は、配管を介して電解槽に連結され、電解槽と放熱装置との間の配管途中には電解液を強制循環するためのポンプを備え、
制御装置は、少なくとも、温度センサーにより測定された電解液温度に基づき、ポンプの運転を制御することにより、電解液温度を所定温度範囲に制御する構成の水素-酸素ガス発生装置とした。
水素-酸素ガス発生装置であって、
水素および酸素の混合ガスを電気分解により発生させる電解槽と、
電解槽に接続され、電解槽に供給するための純水を保存するための純水補給タンクと、
電解槽に接続され、電解槽内の電解液を強制循環させることにより、電解液温度を所定温度範囲に制御するための放熱装置と、
水素-酸素ガス発生装置を制御するための制御装置とから成り、
電解槽は、電解槽容器と、電解槽容器内に収納された電解液と、当該電解液中に直接対向することなく配置された平板構造の陽極電極および平板構造の陰極電極と、当該電解液中の陽極電極および陰極電極の間に配置されたジャマ板と、当該電解液中の陽極電極および陰極電極にそれぞれ対向して配置された第1のプレートと第2のプレートとから成り、当該第1のプレートと第2のプレートが当該ジャマ板を跨いで連結されている対向電極と、電解槽容器に取付けられ、電解液温度を測定するための温度センサーと、電解槽容器に設けられ、発生した水素および酸素の混合ガスを取り出すための出口ポートから構成され、
放熱装置は、配管を介して電解槽に連結され、電解槽と放熱装置との間の配管途中には電解液を強制循環するためのポンプを備え、
制御装置は、少なくとも、温度センサーにより測定された電解液温度に基づき、ポンプの運転を制御することにより、電解液温度を所定温度範囲に制御する構成の水素-酸素ガス発生装置とした。
第2の観点にかかる発明では、第1の観点にかかる水素-酸素ガス発生装置において、
電解槽は、電解槽容器に配置され、陽極電極および陰極電極にそれぞれ連結された陽極端子と陰極端子を更に備え、
陽極端子と陰極端子の間には、直流電流が入力されるようになっている構成とした。
電解槽は、電解槽容器に配置され、陽極電極および陰極電極にそれぞれ連結された陽極端子と陰極端子を更に備え、
陽極端子と陰極端子の間には、直流電流が入力されるようになっている構成とした。
第3の観点にかかる発明では、第1又は第2の観点のいずれかにかかる水素-酸素ガス発生装置において、
電解槽は、電解槽容器に配置され、電解槽容器内の圧力を逃がすためのリリーフポートを更に備えている構成とした。
電解槽は、電解槽容器に配置され、電解槽容器内の圧力を逃がすためのリリーフポートを更に備えている構成とした。
本発明においては、上述したような構成の水素-酸素ガス発生装置とすることにより、水素-酸素ガス発生装置の小型化を図り、かつ水素-酸素ガスの発生効率を向上させることにより、装置の単位容積当たりの水素-酸素ガス発生量を最大化した水素-酸素ガス発生装置を提供することが可能となった。
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。 なお、ここで説明する本発明の実施の形態は、本発明を例示するものであって、これらによって発明の範囲が限定されるものではない。
図1は本発明に係る水素-酸素ガス発生装置のダイヤグラムを示したものである。 本発明に係る水素-酸素ガス発生装置1は、電解槽10、放熱装置30、純水補給タンク40、制御装置50から構成され、更に水素-酸素ガス発生装置1には外部の電源60から電力が供給されるようになっている。
電解槽10には、図1に示すように、電源から供給される電力を受け入れるための陽極端子12-1および陰極端子12-2、電解槽10内部に貯留された電解液温度を測定するための熱電対19、電解槽10内圧力が所定圧力より上昇した場合に圧力を逃がすためのリリーフポート21と、電解槽10内に純水を供給するための純水供給ポート22が設けられている。
更に、電解槽10には電解槽10内で発生した水素および酸素の混合ガスを取り出すための混合ガス取り出しポート23が備えられている。
更に、電解槽10には電解槽10内で発生した水素および酸素の混合ガスを取り出すための混合ガス取り出しポート23が備えられている。
次に、図2に基づき、電解槽10について更に詳細に説明する。 図2は、電解槽10の1つの実施例を示したものであって、電解槽10の平面図を示したものである。 なお、図2には、熱電対19、リリーフポート21、純水供給ポート22、混合ガス取り出しポート23については、図示せず省略している。
電解槽10は、更に、電解槽容器11と、電解槽容器内に収納された電解液18と、電解液18中に配置された陽極電極14-1、および陰極電極14-2と、陽極電極14-1および陰極電極14-2にそれぞれ接続された陽極端子12-1、および陰極端子12-2と、陽極電極14-1と陰極電極14-2の間に配置されたジャマ板24と、陽極電極14-1および陰極電極14-2と対向し、ジャマ板24を跨いで配置されたコモン電極13と、陽極電極14-1、陰極電極14-2、およびコモン電極13の下方を保持する下電極支持板16、16と、陽極電極14-1、陰極電極14-2、およびコモン電極13の上方を保持する上電極支持板17、17とから構成されている。
電解槽10は、更に、電解槽容器11と、電解槽容器内に収納された電解液18と、電解液18中に配置された陽極電極14-1、および陰極電極14-2と、陽極電極14-1および陰極電極14-2にそれぞれ接続された陽極端子12-1、および陰極端子12-2と、陽極電極14-1と陰極電極14-2の間に配置されたジャマ板24と、陽極電極14-1および陰極電極14-2と対向し、ジャマ板24を跨いで配置されたコモン電極13と、陽極電極14-1、陰極電極14-2、およびコモン電極13の下方を保持する下電極支持板16、16と、陽極電極14-1、陰極電極14-2、およびコモン電極13の上方を保持する上電極支持板17、17とから構成されている。
電解槽容器11は、内部に電解液18を収納するため水密構造をなし、更に電気の漏えいを防ぐため、非導電性の材料で構成されている。 本実施例では、ポリ塩化ビニル(PVC)製の円筒部材と上下プレートを水密構造となるように接合した構造を採用しているが、ステンレス鋼板の表面をポリ塩化ビニルで被覆したような材料を使用することにより、容器の強度、耐久性を向上させることもできる。
電解液18中に配置された陽極電極14-1、および陰極電極14-2は、図3に示すように、矩形状の平板構造をなし、ステンレス鋼板等の導電性材料で構成されている。 陽極電極14-1、および陰極電極14-2の間には、図3に示すようにポリ塩化ビニル等の非導電性材料からできたジャマ板24が配置されており、陽極電極14-1と陰極電極14-2は電解溶液中に、直接対向することなく配置されている。 そのため、陽極電極14-1と陰極電極14-2に対向してコモン電極13が配置されている。 コモン電極13は、図4に示すように、第1のプレート13-1と第2のプレート13-2、並びに第1のプレート13-1と第2のプレート13-2を連結する連結部13-3から構成さている。 そしてこの連結部13-3がジャマ板24を跨ぐようにして配置されている。
したがって、コモン電極13の第1のプレート13-1と陽極電極14-1、コモン電極13の第2のプレート13-2と陰極電極14-2とがそれぞれが対向するように配置されている。 このコモン電極13はステンレス鋼板等の導電性材料で構成されている。
なお、コモン電極13と陽極電極14-1との間、およびコモン電極13と陰極電極14-2との間の抵抗を調整するために、各々の間に中間電極(図示せず)をそれぞれ配置するようにしても良い。 この場合の中間電極も、ステンレス鋼板等の導電性材料で構成することができる。
なお、コモン電極13と陽極電極14-1との間、およびコモン電極13と陰極電極14-2との間の抵抗を調整するために、各々の間に中間電極(図示せず)をそれぞれ配置するようにしても良い。 この場合の中間電極も、ステンレス鋼板等の導電性材料で構成することができる。
上述した陽極電極14-1、陰極電極14-2、コモン電極13は、下電極支持板16、16と上電極支持板17、17によって上下から挟み込むようにして保持されるようになっている(図2、3、4参照)。
また、上述した陽極電極14-1、陰極電極14-2は、電解槽容器11に固定された陽極端子12-1、および陰極端子12-2にそれぞれ連結されており、陽極端子12-1、および陰極端子12-2に連結された外部の電源60から電力の供給を受けることができるようになっている。
電解槽容器11内に収納された電解液18としては、KOHやNaOH等の電解質水溶液を使用することができるが、本実施例では、純水(蒸留水)に電解質NaOHを6重量%溶解した水溶液を使用した。 なお、電解液の濃度については、6重量%に限定されるものではなく、使用条件等により適宜選択できるものである。
また、電解槽10は、リリーフポート21を備えている。 このリリーフポート21は、電解槽10内の圧力が所定圧力より上昇した場合に圧力を逃がすために設けられているものである。
このリリーフポート21には配管が接続されており、配管の途中には電磁弁25が設けられている。 この電磁弁25は後述する制御装置50に電気的に接続されており、圧力センサ(図示せず)等により検出された電解槽10内の圧力に基づき、制御装置50が電磁弁25を開閉するようになっている。 これにより、電解槽10内の圧力を所定圧力以下に維持できるようになっている。 なお、ここでは、リリーフポート21に電磁弁が接続されているとして説明したが、これに限定されるものではなく、一般に使用されるリリーフバルブを備えるようにしても良い。
このリリーフポート21には配管が接続されており、配管の途中には電磁弁25が設けられている。 この電磁弁25は後述する制御装置50に電気的に接続されており、圧力センサ(図示せず)等により検出された電解槽10内の圧力に基づき、制御装置50が電磁弁25を開閉するようになっている。 これにより、電解槽10内の圧力を所定圧力以下に維持できるようになっている。 なお、ここでは、リリーフポート21に電磁弁が接続されているとして説明したが、これに限定されるものではなく、一般に使用されるリリーフバルブを備えるようにしても良い。
また電解槽10は、混合ガス取り出しポート23を備えている。 混合ガス取り出しポート23は、電解槽10内で発生した水素および酸素の混合ガスを取り出すために設けられているものである。
この混合ガス取り出しポート23には配管が接続されており、配管の途中にはチェックバルブが設けられており、水素および酸素の混合ガスの逆流を防止できるようになっている。
この混合ガス取り出しポート23には配管が接続されており、配管の途中にはチェックバルブが設けられており、水素および酸素の混合ガスの逆流を防止できるようになっている。
本発明に係る水素-酸素ガス発生装置1は、純水補給タンク40を備えている。 この純水補給タンク40は、電解槽10における電解液18が減少した場合に、純水(蒸留水)を電解槽10に補給するために、純水(蒸留水)を貯留しておくものである。 純水補給タンク40は電解槽10の純水供給ポート22に配管により連結されており、配管の途中には電磁弁26が設けられている。 この電磁弁26は後述する制御装置50に電気的に接続され、レベルセンサ(図示せず)等により検出された電解槽10内の電解液18の液面位置に基づき、制御装置50が電磁弁26を開閉することにより純水(蒸留水)を電解槽10に補給するようになっている。
また、本発明に係る水素-酸素ガス発生装置1は、放熱装置30を備えている。 この放熱装置は、電解槽10内の電解液18の温度を所定温度範囲内に維持するために使用するものである。
特に、水素-酸素ガス発生装置の小型化を図り、かつ水素-酸素ガスの発生効率を向上させることにより、装置の単位容積当たりの水素-酸素ガス発生量を最大化させるためには、水素-酸素ガス発生装置1を運転する間、電解液18の温度を好ましくは70℃以下に、更に好ましくは60℃以下に維持することが極めて重要である。
特に、水素-酸素ガス発生装置の小型化を図り、かつ水素-酸素ガスの発生効率を向上させることにより、装置の単位容積当たりの水素-酸素ガス発生量を最大化させるためには、水素-酸素ガス発生装置1を運転する間、電解液18の温度を好ましくは70℃以下に、更に好ましくは60℃以下に維持することが極めて重要である。
この放熱装置30は、水素-酸素ガス発生装置1の運転中の電解液18の温度を、上記温度範囲に維持するために使用される。
この放熱装置30は、電解槽10と2本の配管で接続されており、配管の途中には、ポンプ31が配置されている。 このポンプ31は後述する制御装置50に電気的に接続され、電解槽容器11に設けられた熱電対19(温度センサー)によって計測された電解液温度に基づき、制御装置50がポンプ31の駆動を制御するようになっている。
この放熱装置30は、電解槽10と2本の配管で接続されており、配管の途中には、ポンプ31が配置されている。 このポンプ31は後述する制御装置50に電気的に接続され、電解槽容器11に設けられた熱電対19(温度センサー)によって計測された電解液温度に基づき、制御装置50がポンプ31の駆動を制御するようになっている。
ポンプ31が駆動されると、電解槽10内の電解液18は放熱装置へ強制循環され、放熱装置30において放熱冷却され、所定温度に制御されるようになっている。
放熱装置30は、多数の放熱フィンを備えたプレート中に電解液が循環するようにパイピングされた構造のものを使用することができるが、このようなものに限定されるものではない。
放熱装置30は、多数の放熱フィンを備えたプレート中に電解液が循環するようにパイピングされた構造のものを使用することができるが、このようなものに限定されるものではない。
また、本発明に係る水素-酸素ガス発生装置1は、制御装置50を備えている。 制御装置50は、電解液18の温度に基づいて放熱装置30のポンプ31の駆動制御を行なったり、電解槽10における電解液18の液面位置に基づいて純水補給タンク40に接続された電磁弁26を開閉して、電解槽10に純水(蒸留水)を供給したり、あるいは、電解槽10内の圧力に基づいてリリーフポート21に接続された電磁弁25を開閉して電解槽10内の圧力を所定圧力以内に収まるように制御することができるようになっている。
なお、本発明に係る水素-酸素ガス発生装置1とは別に設けられた外部の電源60は、水素-酸素ガス発生装置1に電力を供給するためのものであり、電源60の陽極および陰極の端子は、前述した電解槽10の陽極端子12-1および陰極端子12-2にそれぞれ接続される。
本実施例においては、電源60が電解槽10に供給する電力は、DC12V、19〜22Aであるが、これに限定されるものではない。
なお、前述した制御装置50によって、電源60の出力電流等を制御することもできる。
本実施例においては、電源60が電解槽10に供給する電力は、DC12V、19〜22Aであるが、これに限定されるものではない。
なお、前述した制御装置50によって、電源60の出力電流等を制御することもできる。
1 水素-酸素ガス発生装置
10 電解槽
11 電解槽容器
12-1 陽極端子
12-2 陰極端子
13 コモン電極
13-1 第1のプレート
13-2 第2のプレート
13-3 連結部
14-1 陽極電極
14-2 陰極電極
16 下電極支持板
17 上電極支持板
18 電解液
19 熱電対(温度センサー)
21 リリーフポート
22 純水供給ポート
23 混合ガス取り出しポート
24 ジャマ板
25 電磁弁
26 電磁弁
30 放熱装置
31 ポンプ
40 純水補給タンク
50 制御装置
60 電源
10 電解槽
11 電解槽容器
12-1 陽極端子
12-2 陰極端子
13 コモン電極
13-1 第1のプレート
13-2 第2のプレート
13-3 連結部
14-1 陽極電極
14-2 陰極電極
16 下電極支持板
17 上電極支持板
18 電解液
19 熱電対(温度センサー)
21 リリーフポート
22 純水供給ポート
23 混合ガス取り出しポート
24 ジャマ板
25 電磁弁
26 電磁弁
30 放熱装置
31 ポンプ
40 純水補給タンク
50 制御装置
60 電源
Claims (3)
- 水素-酸素ガス発生装置であって、
水素および酸素の混合ガスを電気分解により発生させる電解槽と、
当該電解槽に接続され、当該電解槽に供給するための純水を保存するための純水補給タンクと、
当該電解槽に接続され、電解槽内の電解液を強制循環させることにより、電解液温度を所定温度範囲に制御するための放熱装置と、
水素-酸素ガス発生装置を制御するための制御装置とから成り、
当該電解槽は、
電解槽容器と、
電解槽容器内に収納された電解液と、
当該電解液中に直接対向することなく配置された平板構造の陽極電極および平板構造の陰極電極と、
当該電解液中の陽極電極および陰極電極の間に配置されたジャマ板と、
当該電解液中の陽極電極および陰極電極にそれぞれ対向して配置された第1のプレートと第2のプレートとから成り、当該第1のプレートと第2のプレートが当該ジャマ板を跨いで連結されている対向電極と、
電解槽容器に取付けられ、電解液温度を測定するための温度センサーと、
電解槽容器に設けられ、発生した水素および酸素の混合ガスを取り出すための出口ポート
から構成され、
当該放熱装置は、配管を介して当該電解槽に連結され、電解槽と放熱装置との間の配管途中には電解液を強制循環するためのポンプを備え、
当該制御装置は、少なくとも、温度センサーにより測定された電解液温度に基づき、当該ポンプの運転を制御することにより、電解液温度を所定温度範囲に制御する
ことを特徴とする水素-酸素ガス発生装置。 - 請求項1に記載された水素-酸素ガス発生装置であって、
前記電解槽は、電解槽容器に配置され、陽極電極および陰極電極にそれぞれ連結された陽極端子と陰極端子を更に備え、
当該陽極端子と陰極端子の間には、直流電流が入力されるようになっていることを特徴とする水素-酸素ガス発生装置。 - 請求項1又は2のいずれかに記載された水素-酸素ガス発生装置であって、
前記電解槽は、電解槽容器に配置され、電解槽容器内の圧力を逃がすためのリリーフポートを更に備えている
ことを特徴とする水素-酸素ガス発生装置。
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