JP5917108B2 - 電解セル - Google Patents
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Description
本発明は電解膜を用いて水を電気分解する電解セル、例えば重水、トリチウム水等の試料水中の純水を固体高分子電解質（Solid Polymer Electrolyte）から成る電解膜を用いて電解し減容して該試料水を濃縮する電解セルに関する。
従来のこの種電解セルは電解膜で隔てられた陽極室及び陰極室を備え、該陽極室及び陰極室にそれぞれ設けられた電極（陽極と陰極）により上記電解膜を挾持して水の電解を行う。その過程で上記陽極室内に酸素ガスが発生し、同時に水素イオンが上記電解膜を通過して上記陰極室内に水素ガスが発生することとなる。
そのため、上記酸素ガス又は水素ガスから成る電解ガスを陽極室及び陰極室からそれぞれ排気する手段が必須となり、この排気手段として従来は下記特許文献１又は特許文献２に示すように、気体と液体を分離するリザーバタンク等の気液分離装置を陽極室と陰極室とに連通するようにそれぞれ設け、該気液分離装置に電解ガスと一緒に被電解水を導き入れ、該気液分離装置内で電解ガスと被電解水とを分離して、該分離した電解ガスを排気している。
従って、従来の電解セルにあっては、上記気液分離装置により大型化、複雑化する問題点を有しており、特に電解セルを多段に並設する場合には各電解セルに気液分離装置を設けねばならず、より大型化、複雑化してしまう問題点を有している。
そのため、被電解水の噴き零れや噴出を防止しつつ簡易構造で気液分離を達成する手段が要望されている。
本発明はリザーバタンク等の気液分離装置を設けることなく、簡易構造で被電解水の吹き零れ又は噴出を有効に防止しつつ電解ガスを安定して排気することができる電解セルを提供する。
要述すると、本発明は電解膜で隔てられた陽極室及び陰極室を画成する凹部を有する一対の金属製のブロック体と、該陽極室内及び陰極室内のそれぞれに配され上記電解膜を挾持する一対の電極又は上記電解膜に直接設けられた一対の電極を備え、上記陽極室内及び上記陰極室内のそれぞれに一面を上記電極に圧接すると共に他面を上記ブロック体の凹部内底面に圧接する整流板を設け、該各整流板は上記一面及び上記他面に垂直方向に延びる隔壁にて隔てられた分流路を形成し、該分流路にて上記一面側に上記電極で発生した電解ガスと被電解水の上昇流路を形成すると共に上記他面側に被電解水の下降流路を形成し、同整流板の上位に上記一面と上記他面間を貫通し且つ上記隔壁にて隔てられた上部切り欠きを形成して上昇流路と下降流路を連通する上部通水口を形成すると共に、同整流板の下位に上記一面と上記他面間を貫通し且つ上記隔壁にて隔てられた下部切り欠きを形成して下降流路と上昇流路を連通する下部通水口を形成し、被電解水を上記上部通水口と上記下部通水口を通じて上記上昇流路と上記下降流路とに循環せしめる構成とし、上記一対のブロック体のそれぞれに上記上部通水口に上記上昇流路を通じて上昇した電解ガスを排気し被電解水を上記下降流路に供する排気管を設けることを特徴とし、電解ガスによる被電解水の乱流を防止し該被電解水の整流を図ると共に、別途に気液分離装置を設けることなく電解セル内で確実に気液分離を行うことができる。又被電解水を効果的に循環させることができる。
又上記一対のブロック体の何れか一方に被電解水の水位を検知する水位センサーを設け、該水位センサーに通電制御手段を付与し、上記水位センサーにより被電解水の水位が上記上部通水口に達しない場合又は同水位が上記上部通水口の上端まで達する場合を検知した際には上記各電極に対する通電をオフ制御する構成とし、気液分離を有効に行うと共に被電解水の噴き零れや噴出を確実に防止することができる。
本発明に係る電解セルは水の電解によって発生した電解ガスによる被電解水の乱流を防止して、該被電解水を所望の方向へ循環させつつ、電解セル内で電解ガスと被電解水との気液分離を確実に達成し該分離した電解ガスを安定して排気することができる。
以下、図１乃至図９に基づき、本発明に係る電解セルの最適な実施例について説明する。
本発明に係る電解セル１は、図１，図２に示すように、内部に固体高分子電解質から成る電解膜２で隔てられた陽極室３及び陰極室４を画成する一対の金属製のブロック体５，６と、該陽極室３内及び陰極室４内のそれぞれに配され上記電解膜２を挾持する電極（陽極）７及び電極（陰極）８を備え、上記陽極室３内及び上記陰極室４内に上記電極７，８と上記ブロック体５，６間に配される整流板９，１０を設ける構成となっている。
換言すると、陽極室３を画成するブロック体５と陽極７間に整流板９を配し、陰極室４を画成するブロック体６と陰極８間に整流板１０を配し、上記整流板９が電解膜２の陽極面２ａ側に陽極７を介して間接的に対面すると共に、上記整流板１０が電解膜２の陰極面２ｂ側に陰極８を介して間接的に対面して設けられる。尚本発明は電解膜２に直接触媒電極を設け、該触媒電極を持つ電解膜の陽極面側及び陰極面側に直接的に上記整流板９，１０を対面して設けることを排除しない。
尚図中１１，１２はゴム等から成るリング状の絶縁体であり、絶縁体１１は内円開口部に上記陽極７を収容し、絶縁体１２は内円開口部に上記陰極８を収容し、両絶縁体１１，１２は上記電解膜２の外周縁部を挾持した状態で上記陽極室３を画成するブロック体５と上記陰極室４を画成するブロック体６により圧接され該ブロック体５とブロック体６間で絶縁しつつ上記陽極室３及び陰極室４からの被電解水の漏れを防止している。
上記各構成部材について詳述すると、上記ブロック体５は内面に断面円形状の凹部５ａを形成し、該凹部５ａにて上記陽極室３を画成すると共に同凹部５ａ内に上記整流板９を収容する。同様に上記ブロック体６は内面に断面円形状の凹部６ａを形成し、該凹部６ａにて上記陰極室４を画成すると共に同凹部６ａ内に上記整流板１０を収容する。
又上記ブロック体５は、図３に示すように、陽極室３内における気液分離により分離された電解ガス（酸素ガス）を排気する排気管１３を上記陽極室３と連通して立設し、好ましくは上記凹部５ａの内底面に上記排気管１３と連通する断面半円状の排気溝５ｂを設け、上記排気管１３を後記する上部通水口１９の下降流路１８側に開口して効率良く電解ガスを排気する。依って上記排気管１３は後記する上昇流路１７を通じて上昇した電解ガスを排気すると共に被電解水を後記する下降流路１８に供し、電解ガスと被電解水との気液分離に貢献する。
同様に上記ブロック体６は、図３に示すように、陰極室４内における気液分離により分離された電解ガス（水素ガス）を排気する排気管１４を上記陰極室４と連通して立設し、好ましくは上記凹部６ａの内底面に上記排気管１４と連通する断面半円状の排気溝６ｂを設け、上記排気管１４を後記する上部通水口１９の下降流路１８側に開口して効率良く電解ガスを排気する。依って上記排気管１４は後記する上昇流路１７を通じて上昇した電解ガスを排気すると共に被電解水を後記する下降流路１８に供し、電解ガスと被電解水との気液分離に貢献する。
更に図１，図２に示すように、上記陽極室３を画成するブロック体５は凹部５ａの最下端に接続される検知管１５を設け、該検知管１５に後記する水位センサー１６を設け、上記陽極室３内の被電解水の水位を制御する構造を有する。尚本実施例では上記陽極室３を画成するブロック体５のみに上記検知管１５及び水位センサー１６を設ける例を示したが、上記陰極室４を画成するブロック体６にも上記検知管１５及び水位センサー１６を設けることも実施に応じ任意である。
上記電極７，８は円板状の多孔質電極であり、多数の孔（空隙）を内在し、通気性及び通水性を有するものである。又上記したように電解膜２に触媒電極を設けた場合には該触媒電極に給電を行う給電部材として機能するようにしても良い。
次に上記陽極室３内に配される整流板９は、図４，図５に示すように、上記ブロック体５の凹部５ａに相似する板状を呈し、上記陽極７を介して上記電解膜２の陽極面２ａ側と対面する一面（内面）９ａと上記ブロック体５の内面、即ち凹部５ａの内底面と対面する他面（外面）９ｂを有し、図２に示すように、上記一面９ａ側に上記陽極７から発生した電解ガスと被電解水の上昇流路１７を形成すると共に、上記他面９ｂ側に被電解水の下降流路１８を形成する。
又上記整流板９は上部に上記一面９ａと上記他面９ｂ間を貫通する上部切り欠き９ｃを有し、図２に示すように、該上部切り欠き９ｃにより当該整流板９の上位に上記上昇流路１７と上記下降流路１８を連通する上部通水口１９を形成し、同下部に上記一面９ａと上記他面９ｂ間を貫通する下部切り欠き９ｄを有し、該下部切り欠き９ｄにより当該整流板９の下位に上記上昇流路１７と上記下降流路１８を連通する下部通水口２０を形成する。
同様に上記陰極室４内に配される整流板１０は、図４，図５に示すように、上記ブロック体６の凹部６ａに相似する板状を呈し、上記陰極８を介して上記電解膜２の陰極面２ｂ側と対面する一面（内面）１０ａと上記ブロック体６の内面、即ち凹部６ａの内底面と対面する他面（外面）１０ｂを有し、図２に示すように、上記一面１０ａ側に上記陰極８から発生した電解ガスと被電解水の上昇流路１７を形成すると共に、上記他面１０ｂ側に被電解水の下降流路１８を形成する。
又上記整流板１０は上部に上記一面１０ａと上記他面１０ｂ間を貫通する上部切り欠き１０ｃを有し、図２に示すように、該上部切り欠き１０ｃにより当該整流板１０の上位に上記上昇流路１７と上記下降流路１８を連通する上部通水口１９を形成し、同下部に上記一面１０ａと上記他面１０ｂ間を貫通する下部切り欠き１０ｄを有し、該下部切り欠き１０ｄにより当該整流板１０の下位に上記上昇流路１７と上記下降流路１８を連通する下部通水口２０を形成する。
上記整流板９，１０は好ましくは一面９ａ，１０ａ及び他面９ｂ，１０ｂに垂直方向に延びる隔壁２１にて隔てられた分流路２２を形成し、該分流路２２にて上記上昇流路１７及び上記下降流路１８を形成し、効率良く被電解水の流れを整えることができる。上記分流路２２は複数であれば特に数を限定しない。
上記のように、整流板９，１０の一面９ａ，１０ａ及び他面９ｂ，１０ｂに分流路２２を形成した場合には、図６に示すように、各隔壁２１の上端面に該隔壁２１によって隔てられた上部切り欠き９ｃ，１０ｃと連通する通気溝２４を形成し、該通気溝２４により上部通水口１９にて分離された電解ガスを効果的に排気管１３，１４に集約し排気することができる。
又は、図７に示すように、上記ブロック体５，６の凹部５ａ，６ａの内周面上端と上記整流板９，１０の隔壁２１の上端間に上部切り欠き９ｃ，１０ｃと連通する連通空間２５を画成し、該連通空間２５により上部通水口１９にて分離された電解ガスを効果的に排気管１３，１４に集約し排気することができる。
尚上記一面９ａ，１０ａ及び他面９ｂ，１０ｂの双方に分流路２２を形成する場合には上記一面９ａ，１０ａ（隔壁２１の一端面）を電極７，８に圧接し、上記他面９ｂ，１０ｂ（隔壁２１の他端面）をブロック体５，６の内面に圧接し、該ブロック体５，６に通電すれば、該ブロック体５，６から電極７，８へ電流を流す導電部材として使用に供することができる。
又上記整流板９，１０の他例として、図８Ａに示すように、一面９ａ，１０ａ及び他面９ｂ，１０ｂに上記分流路２２を形成せず、図８Ｂに示すように、一面９ａ，１０ａを多孔質の電極７，８に当接し、他面９ｂ，１０ｂをブロック体５，６の内面、即ち凹部５ａ，６ａの内底面から間隔２３を介して配置し、上記多孔質電極７，８が有する多数の空隙により上記上昇流路１７を形成すると共に、上記ブロック体５，６と他面９ｂ，１０ｂ間の間隔２３により上記下降流路１８を形成することができる。
又は上記整流板９，１０の一面９ａ，１０ａ又は他面９ｂ，１０ｂの何れかに上記分流路２２を形成することができる。上記一面９ａ，１０ａに分流路２２を形成する場合には他面９ｂ，１０ｂをブロック体５，６の凹部５ａ，６ａの内底面から間隔を置いて配し、該間隔にて上記下降流路１８を形成する。又上記他面９ｂ，１０ｂに分流路２２を形成する場合には、一面９ａ，１０ａを上記多孔質電極７，８に当接し該多孔質電極７，８が有する多数の空隙にて上記上昇流路１７を形成する。
上記の構成の本発明に係る電解セル１による水の電解について詳述すると、図２，図８Ｂに示すように、上記整流板９により電極７（陽極）で発生した電解ガス（酸素ガス）の気泡と該電解ガスの気泡と一緒に上昇する被電解水を上記上昇流路１７を通じて上昇させ、該電解ガスと被電解水を上記上部通水口１９へと導く。即ち図中点線の矢印にて示すように、電解ガスが上記上昇流路１７を通じて上昇すると共に、図中実線の矢印にて示すように、被電解水が上記電解ガスと一緒に上記上昇流路１７を通じて上昇することとなる。
この際には上記上部通水口１９において上記上昇流路１７を通じて上昇した電解ガスと被電解水が気液分離し電解ガスが排気管１３を通じて排気されると共に、被電解水は上記下降流路１８へと導かれる。即ち図中点線の矢印にて示すように、電解ガスが被電解水から上方へ分離し排気管１３へと流れると共に、図中実線の矢印にて示すように、被電解水は上記下降流路１８へと流れ込むこととなる。
次いで、上記下降流路１８を通じて下降した被電解水が上記下部通水口２０を通じて再び上記上昇流路１７へと導かれ、上述の循環を繰り返すと共に被電解水の一部は電解膜２を通じて陰極室４側へ導かれる。即ち図中実線の矢印にて示すように、被電解水が上記下降流路１８及び上記下部通水口２０を流れて再び上記上昇流路１７に導かれて図中左回り方向の循環を繰り返すと共に、被電解水の一部は電解により発生した水素イオンに導かれ随伴水として電解膜２を通じ陰極室４側へ導かれることとなる。
同様に上記整流板１０により電極８（陰極）で発生した電解ガス（水素ガス）の気泡と該電解ガスの気泡と一緒に上昇する被電解水を上記上昇流路１７を通じて上昇させ、該電解ガスと被電解水を上記上部通水口１９へと導く。即ち図中点線の矢印にて示すように、電解ガスが上記上昇流路１７を通じて上昇すると共に、図中実線の矢印にて示すように、被電解水が上記電解ガスと一緒に上記上昇流路１７を通じて上昇することとなる。
この際には上記上部通水口１９において上記上昇流路１７を通じて上昇した電解ガスと被電解水が気液分離し電解ガスが排気管１４を通じて排気されると共に、被電解水は上記下降流路１８へと導かれる。即ち図中点線の矢印にて示すように、電解ガスが被電解水から上方へ分離し排気管１４へと流れると共に、図中実線の矢印にて示すように、被電解水は上記下降流路１８へと流れ込むこととなる。
次いで、上記下降流路１８を通じて下降した被電解水が上記下部通水口２０を通じて上記上昇流路１７へと導かれ、上述の循環を繰り返す。即ち図中実線の矢印にて示すように、被電解水が上記下降流路１８及び上記下部通水口２０を流れて再び上記上昇流路１７に導かれて図中右回り方向の循環を繰り返す。尚電解セル１を多段に並設し電解を連続して行う場合には被電解水の一部はブロック体６に穿設された貫通孔２５を介してチューブ等により次段の電解セル１又は外部タンク等へ導かれる。
更に本発明に係る電解セル１は上記ブロック体５に設けられた水位センサー１６により上記上部通水口１９を流れる被電解水の水位を調整し電解ガスの排気の際に被電解水が排気管１３，１４内へ流入するのを防ぎ、もって被電解水の噴き零れや噴出を防止する。
好ましくは上記水位センサー１６に通電制御手段を付与し、該水位センサー１６により被電解水の水位が上記上部通水口１９に達しない場合、又は同水位が上記上部通水口１９の上端まで達する場合を検知した際には電極７，８に対する通電をオフ制御し確実に被電解水の噴き零れや噴出を防止する。
以上のように、本発明に係る電解セル１は陽極室３内及び陰極室４内の被電解水を、整流板９，１０により形成された上部通水口１９と下部通水口２０を通じて、同整流板９，１０により形成された上昇流路１７と下降流路１８とに循環せしめる構成を有し、該構成により被電解水の乱流を防止して流れを制御し、上記上部通水口１９に電解により生じた電解ガスと被電解水を導いて、該上部通水口１９内で電解ガスと被電解水との分離を確実に達成して該電解ガスを安定排気することができる。
又水位センサー１６により上記上部通水口１９に流れる被電解水の水位を制御し被電解水の噴き零れや噴出を確実に防止して上記電解ガスの排気を行うことができる。
尚本発明において、上記整流板９，１０の形状は陽極室３，陰極室４の内部形状又は電極７，８の極面形状に応じて適宜選択できる。換言すると、本実施例においては陽極室３を画成する凹部５ａの断面形状、陰極室４を画成する凹部６ａの断面形状及び電極７，８の断面形状を円形状として説明したが、これを矩形状、多角形状等にすることを排除しない。
本発明に係る電解セル１は、例えば図９に示すように、トリチウムを含む試料水中の純水を電解し該試料水を濃縮するトリチウム濃縮装置３１に多段に並設し、試料水タンク３２から最前段の電解セル１へ試料水を流入し、該最前段の電解セル１から各段の電解セル１で連続して電解による試料水の濃縮を行い、最後段の電解セル１から濃縮された試料水を濃縮水貯留器３３へ溜めて、該濃縮された試料水にてトリチウムの測定を行うことができる。尚電解セル１はブロック体５，６の貫通孔２５にチューブを接続するか、又は該貫通孔２５を絶縁体を介して突き合わせて各段の電解セル１に試料水が連続して流入するように並設する。
この場合には本発明に係る電解セル１はセル内で確実に気液分離が達成できるため、各電解セル１に気液分離装置を別途設ける必要がなく、トリチウム濃縮装置３１を徒に複雑化、大型化することがない。
１…電解セル、２…電解膜、２ａ…陽極面、２ｂ…陰極面、３…陽極室、４…陰極室、５…ブロック体（陽極側）、６…ブロック体（陰極側）、７…電極（陽極）、８…電極（陰極）、９…整流板（陽極側）、９ａ…整流板の一面（内面）、９ｂ…整流板の他面（外面）、９ｃ…上部切り欠き、９ｄ…下部切り欠き、１０…整流板（陰極側）、１０ａ…整流板の一面（内面）、１０ｂ…整流板の他面（外面）、１０ｃ…上部切り欠き、１０ｄ…下部切り欠き、１１…絶縁体（陽極側）、１２…絶縁体（陰極側）、１３…排気管（陽極側）、１４…排気管（陰極側）、１５…検知管、１６…水位センサー、１７…上昇流路、１８…下降流路、１９…上部通水口、２０…下部通水口、２１…隔壁、２２…分流路、２３…間隔、２４…通気溝、２５…貫通孔、３１…トリチウム濃縮装置、３２…試料水タンク、３３…濃縮水貯留器。
Claims (2)
- 電解膜で隔てられた陽極室及び陰極室を画成する凹部を有する一対の金属製のブロック体と、該陽極室内及び陰極室内のそれぞれに配され上記電解膜を挾持する一対の電極又は上記電解膜に直接設けられた一対の電極を備え、上記陽極室内及び上記陰極室内のそれぞれに一面を上記電極に圧接すると共に他面を上記ブロック体の凹部内底面に圧接する整流板を設け、該各整流板は上記一面及び上記他面に垂直方向に延びる隔壁にて隔てられた分流路を形成し、該分流路にて上記一面側に上記電極で発生した電解ガスと被電解水の上昇流路を形成すると共に上記他面側に被電解水の下降流路を形成し、同整流板の上位に上記一面と上記他面間を貫通し且つ上記隔壁にて隔てられた上部切り欠きを形成して上昇流路と下降流路を連通する上部通水口を形成すると共に、同整流板の下位に上記一面と上記他面間を貫通し且つ上記隔壁にて隔てられた下部切り欠きを形成して下降流路と上昇流路を連通する下部通水口を形成し、被電解水を上記上部通水口と上記下部通水口を通じて上記上昇流路と上記下降流路とに循環せしめる構成とし、上記一対のブロック体のそれぞれに上記上部通水口に上記上昇流路を通じて上昇した電解ガスを排気し被電解水を上記下降流路に供する排気管を設けたことを特徴とする電解セル。
- 上記一対のブロック体の何れか一方に上記上部通水口を流れる被電解水の水位を検知する水位センサーを設け、該水位センサーに通電制御手段を付与し、上記水位センサーにより被電解水の水位が上記上部通水口に達しない場合又は同水位が上記上部通水口の上端まで達する場合を検知した際には上記各電極に対する通電をオフ制御することを特徴とする請求項１記載の電解セル。
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