JPH1112775A

JPH1112775A - 水素酸素発生装置およびその冷却式気液分離器

Info

Publication number: JPH1112775A
Application number: JP9162605A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Yasui; 信一安井; Seiji Hirai; 清司平井; Akiko Miyake; 明子三宅; Hiroko Kobayashi; 宏子小林; Teruyuki Morioka; 輝行森岡
Original assignee: Shinko Pantec Co Ltd
Current assignee: Shinko Pantec Co Ltd
Priority date: 1997-06-19
Filing date: 1997-06-19
Publication date: 1999-01-19
Anticipated expiration: 2017-06-19
Also published as: JP3335555B2

Abstract

(57)【要約】【課題】構成が簡素化され且つ発生ガスから効率的に
水分を除去しうる水素酸素発生装置および冷却式気液分
離器の提供。【解決手段】タンク本体１０と、該タンク本体１０内
の発生ガス用の出口１６が形成された上部空間１１によ
って互いに連通し且つ仕切り板１３によって互いに隔て
られた、発生ガス用入口１４が形成された注水室１２ａ
および取水口１５が形成された貯水室１２ｂと、前記上
部空間１１と前記注水室１２ａとにそれぞれ配設された
冷却器１７ａ、１７ｂとを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は水素酸素発生装置お
よびその冷却式気液分離器（以下、単に気液分離器とい
う）に関する。さらに詳しくは、構成が簡素化され且つ
発生ガスから効率的に水分を除去しうる水素酸素発生装
置およびこの水素酸素発生装置に好適に用いられる気液
分離器に関する。

【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５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Ｈ₂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５
３内で水分が分離されるからである。５８は純水製造装
置である。電解セル５２で発生した水素ガスは純水とと
もに水素ガス用気液分離タンク５５へその上部から注入
される。

【０００４】そして、水素ガス用除湿器５７において除
去された水分は水素ガス用気液分離タンク５５に戻され
るかまたは排水される。また、水素ガス用気液分離タン
ク５５において分離され蓄積される水分は純水供給タン
ク５４に戻されて再使用される。酸素ガス用除湿器５６
において除去された水分は純水供給タンク５４に戻され
て再使用されるかまたは排水される。。

【０００５】なお、前記電解セル５２は、正負両電極板
のあいだに固体電解質膜によって仕切られた陽極室（酸
素発生室）と陰極室（水素発生室）とを有し、この陽極
室と陰極室とがその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。

【０００６】図６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分離
された後、ともに除湿器６５で除湿され、収集される。
６６は純水供給タンクであり、６７は純水製造装置であ
る。

【０００７】そして、各除湿器６５において除去された
水分は各気液分離タンク６４に戻されるかまたは排水さ
れる。また、各気液分離タンク６４において分離され蓄
積される水分は純水供給タンク６６に戻されて再使用さ
れる。

【０００８】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、必要に応じて除湿器によって
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。

【０００９】一方、除湿器としては膜除湿式、冷凍式、
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。

【００１０】

【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および低圧型水素酸素発生装置６１における
気液分離タンクと除湿器とが配管されているものでは、
以下のごとき問題が生じる。すなわち、 (1) 除湿器において発生ガスから除去された水分を系外
に排出する場合には、間欠的または連続的な排水操作が
必要となり、操作が煩雑である。

【００１１】(2) 除湿器において発生ガスから除去され
た水分を気液分離タンクに戻す場合には、除湿器と気液
分離タンクとの圧力バランスをとる必要があるため、制
御がやっかいである。水分の重力によって気液分離タン
クに戻す場合には除湿器を気液分離タンクよりも高い位
置に設置するという制約条件が生じ、装置容積も大きく
なる。

【００１２】(3) 除湿器の設置により、除湿器における
発生ガスの圧力損失が装置負荷となる。また、そのため
にガス発生部の制御が複雑なものになる。

【００１３】(4) 冷凍式の場合、除湿器の効率を上げる
（処理流量を増加せしめる）ために複雑な加工が施され
た冷却フィンが用いられるが、そのために流路が複雑に
なって除湿器におけるガスパージ性が低下する。

【００１４】(5) さらに、一般に発生ガス（水分を含ん
でいる）は電解セルにおける反応熱によって室温より高
くなるが、その結果、気液分離タンクから除湿器へいた
る配管内で冷やされて発生ガス中の水分が凝縮するた
め、配管の腐食の虞が生じる。

【００１５】本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、冷却式の気液分離タンクを備えること
によって除湿器を除去し、その結果、構成が簡素化され
且つ系内の圧力変動やエネルギ損失が低減され、発生ガ
スからの水分除去が効率的になされうる水素酸素発生装
置を提供することを目的としている。さらに本発明は、
かかる水素酸素発生装置に好適に用いられる冷却式の気
液分離器の提供をも目的としている。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明の水素酸素発生装
置は、正負の両電極間に固体電解質膜によって仕切られ
た陰極室と陽極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気液分離手段とが備えられた
水素酸素発生装置であって、前記気液分離手段が、その
内部に冷却機構を備えた気液分離容器から構成されてお
り、該気液分離容器が、電解セルから送られて来る発生
ガスを冷却するとともに該発生ガスから水分を分離する
ように構成されていることを特徴としている。

【００１７】上述のように、気液分離手段として冷却機
構を備えた気液分離容器を用いるため、発生ガスが冷却
されることによって飽和蒸気圧が大幅に低下し、発生ガ
ス中の湿分が凝縮して効果的に除去される。このように
従来の気液分離タンクに比較して除湿効果が大きく向上
するので、従来気液分離タンクと併用されていた除湿器
が不要となる。その結果、気液分離タンクと除湿器とを
接続する配管も不要となるため、システムとしての構造
および制御が簡単になり、装置容積も縮小することがで
きる。さらに、除湿器設置による流体の圧力損失や圧力
変動の心配がなくなる。

【００１８】従来では、水の電気分解時の反応熱によっ
て温度上昇した分離後の純水を別途配設した外部の熱交
換器によって冷却していたが、本水素酸素発生装置によ
れば、前記気液分離手段によって分離後の純水が冷却さ
れるため、従来の外部設置熱交換器の縮小または除去が
可能となる。

【００１９】かかる水素酸素発生装置であって、前記気
液分離容器が容器本体内の上部および下部のそれぞれに
冷却機構を備えたものにあっては、発生ガス中の水分と
気体との両方が冷却されたのち、さらに分離された気体
のみが再度冷却されうるため除湿効果が一層向上する。

【００２０】また、前記気液分離容器の内部が、容器本
体内の上部空間によって互いに連通する二室に画されて
おり、容器本体内の上部空間と前記二室のうちの一室と
にそれぞれ冷却機構を備えており、前記冷却機構を備え
た一室側に発生ガスの入口が形成されてなる水素酸素発
生装置にあっては、発生ガスの入口が形成された一室に
おける、発生ガス流入による水面変動が他の一室には及
ばないため、水位計等によって気液分離容器内の水位を
正確に検知することができる。したがって、気液分離容
器から水分を排出する際の排出弁の開閉等の制御が容易
になる。

【００２１】さらに、如上の水素酸素発生装置におい
て、前記気液分離容器の内部における発生ガスの入口に
散気用のディフューザが配設されたものにあっては、発
生ガスに混在して気液分離容器に流入して蓄積される純
水中に発生ガス中の気体分が分散されるため、前記純水
が冷却されるとともに冷却された純水による気体分の冷
却効果が向上する。その結果、除湿効果も向上する。

【００２２】本発明の水素酸素発生装置用気液分離器
は、容器本体と、該容器本体内の気体出口が形成された
上部空間によって互いに連通する、発生ガス入口が形成
された第一室および水出口が形成された第二室と、前記
上部空間と発生ガス入口が形成された第一室とにそれぞ
れ配設された冷却機構とを備えている。

【００２３】したがって、第一室において分離された純
水が冷却されることにより、発生ガス中の湿分が凝縮し
て効果的に除去されることはもとより、発生ガス中の水
分と気体との両方が冷却されたのち、さらに分離された
気体のみが再度冷却されうるため除湿効果が一層向上す
る。このように従来の気液分離タンクに比較して除湿効
果が大きく向上するので、この気液分離器を用いれば従
来気液分離タンクと併用されていた除湿器が不要とな
る。また、分離後の純水が冷却されるため、従来この分
離後純水を冷却するために外部設置されている熱交換器
の縮小または除去が可能となる。

【００２４】

【発明の実施の形態】つぎに、添付図面に示された実施
形態を参照しつつ本発明の水素酸素発生装置およびその
気液分離器を説明する。

【００２５】図１は本発明の水素酸素発生装置の一実施
形態を示す概略ブロック図、図２は本発明の水素酸素発
生装置に適用される気液分離器の一実施形態を示す断面
図、図３は本発明の水素酸素発生装置の他の実施形態を
示す概略ブロック図、図４は本発明の水素酸素発生装置
に適用される電解セルの一例を示す断面図である。

【００２６】図１に示す水素酸素発生装置１は高圧型の
水素酸素発生装置であり、純水タンク２内の電気分解さ
れるべき純水Ｗが貯水され、この純水Ｗ中に電解セル３
が没入されたものである。純水タンク２に純水を供給す
るための純水供給タンク４、純水供給タンク４に純水を
供給するための純水製造装置５、および電解セル２にお
いて発生した酸素ガスから水分を除去するための酸素ガ
ス用除湿器６が備えられている点は、従来の高圧型水素
酸素発生装置（図５）と同じである。

【００２７】しかし、本水素酸素発生装置１では、従来
の水素ガス用除湿器は備えられておらず、電解セル２に
おいて発生した水素ガスは、電解セル２に接続されて純
水タンク２壁を貫通する水素取り出し管７によって水素
ガス用気液分離タンク８に送られた後ユースポイントに
送られる。そのため、発生水素ガスは前記水素ガス用気
液分離タンク８において十分に水分が除去されるように
構成されている。すなわち、この水素ガス用気液分離タ
ンク８の内部には冷却機構９が装備されており、外部に
設置された冷媒供給装置（図示せず）から冷媒が冷却機
構９に供給されている。そして、水分が混在した発生水
素ガスを水素ガス用気液分離タンク８内で冷却すること
により、水分を凝縮させて除去している。

【００２８】この水素ガス用気液分離タンク８の詳細は
図２に示されている。なお、この図２に示されるタンク
は、後述の低圧型水素酸素発生装置２１（図３）に備え
られた気液分離タンク２５、２６の構造を示したもので
もある。そこで、以下の図２のタンクの説明では、図１
の水素ガス用気液分離タンク８であるとして行う。水素
ガス用気液分離タンク８は、そこに送られてくる発生水
素ガスは多量の純水を含んでいるため、通常、タンクの
本体１０内の上部空間１１が気相となり、その下の下部
空間１２が液相となることを前提としている。すなわ
ち、本体１０内の上部空間１１によって互いに連通され
るように、上部空間１１の下部空間１２が仕切板１３に
よって二室１２ａ、１２ｂに分けられている。一方の部
屋（水素ガスとともに純水が流入しているため、以下、
注水室という）１２ａの下部には発生水素ガス用の入口
１４が形成され、この入口１４に電解セル３から配管さ
れた前記水素ガス取り出し管７が接続されている。前記
入口１４が注水室１２ａの下部に形成されているのは、
後述するように、注入される水素ガスを注水室１２ａに
蓄積されている純水内を上方に通過させることによって
冷却効果を向上せしめるためである。

【００２９】また、他方の部屋（以下、貯水室という）
１２ｂの底部には本体１０内に蓄積される純水を純水供
給タンク４（図１）に戻すための取水口１５が形成され
ている。さらに、前記上部空間１１には除湿された水素
ガスを送りだす出口１６が形成されている。符号Ｌは水
位計である。

【００３０】前記上部空間１１および注水室１２ａには
それぞれ冷却器１７ａ、１７ｂが配設されている。冷媒
は冷水や代替フロンガス等の公知のものであり、外部に
設置された図示しない冷媒供給装置から循環供給されて
いる。図示する冷却器１７ａ、１７ｂはいずれも模式的
に表現しているが、冷却器の形式は公知のものから適宜
選定することができる。

【００３１】前記入口１４には、注水室１２ａ内に向け
て発生水素ガスを散気するためのディフューザ１８が配
設されている。このディフューザ１８によって、注水室
１２ａの純水中に水素ガスが分散されて前記冷却器１７
ｂによる水素ガス冷却効果が向上し、発生水素ガスから
の除湿効果が向上する。それとともに注水室１２ａの純
水も攪拌されて冷却されやすくなる。

【００３２】上部空間１１に至った水素ガスは前記冷却
器１７ａによってさらに冷却され、含まれていた湿分が
凝縮して除去される。なお、貯水室１２ｂは注水室１２
ａから隔てられているため、貯水室１２ｂにおける水面
は安定し、水位計Ｌ等によって気液分離タンク８内の水
位を正確に検知することができる。したがって、気液分
離タンク８から水分を排出する際の排出弁の開閉等の制
御が容易になる。

【００３３】図３に示されるのは低圧型の水素酸素発生
装置２１である。純水タンクは装備されておらず、電解
セル２２に電気分解用の純水が直接供給され、発生酸素
ガスと発生水素ガスとは、直接に電解セル２２から酸素
ガス取り出し管２３および水素ガス取り出し管２４によ
って酸素ガス用気液分離タンク２５および水素ガス用気
液分離タンク２６にそれぞれ送られる点は従来の低圧型
水素酸素発生装置（図６）と同じである。また、電解セ
ル２２に純水を供給するための純水供給タンク２７、お
よび純水供給タンク２７に純水を供給するための純水製
造装置２８が備えられている点も従来の低圧型水素酸素
発生装置（図６）と同じである。

【００３４】しかし、本水素酸素発生装置２１には従来
の酸素ガス用除湿器も水素ガス用除湿器（図６）も装備
されていない点、並びに酸素ガス用気液分離タンク２５
および水素ガス用気液分離タンク２６の構造が従来のも
のとは異なる点で従来の低圧型水素酸素発生装置（図
６）とは相違している。すなわち、両タンク２５、２６
にはいずれも、図１に示した高圧型水素酸素発生装置１
における水素ガス用気液分離タンク８と同様に、冷却機
構２９が内装されている。

【００３５】酸素ガス用気液分離タンク２５および水素
ガス用気液分離タンク２６の構造は、図２に示された前
述の水素ガス用気液分離タンク８と同一であるため、改
めての説明は省略する。

【００３６】このように、本低圧型水素酸素発生装置２
１にも、冷却式の酸素ガス用気液分離タンク２５および
水素ガス用気液分離タンク２６が備えられているため、
発生した酸素ガスおよび水素ガスからの除湿効果が向上
する。

【００３７】如上の実施形態に係る水素酸素発生装置
１、２１では、その気液分離タンク８、２５、２６にそ
れぞれ上下二個の冷却器が備えられていたが、とくに二
個に限定されることはなく、一個でも三個以上でもよ
い。さらに、気液分離タンクの内部はとくに仕切り板に
よって複数室に隔てなくてもよい。

【００３８】なお、本実施形態では気液分離タンク８、
２５、２６を設けたが、これに限定されず、たとえば水
素ガスのみを必要とする場合には水素ガス用気液分離タ
ンク８、２６のみを設けてもよい。要するに、必要なガ
ス（水素ガス、酸素ガスまたは両方）に対して本発明の
気液分離タンクを用いればよい。

【００３９】つぎに、図４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
させる前記電解セル３を説明する。この電解セル３は高
圧型の水素酸素発生装置（図１参照）に用いられるもの
である。

【００４０】図示の電解セル３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、３
６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の部分が陽極室および陰極室となる。

【００４１】前記固体電解質膜３３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２００
Ａ／ｄｍ²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。

【００４２】ところが、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５０〜７０
Ａ／ｄｍ²程度の電流密度である。

【００４３】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。

【００４４】

【発明の効果】本発明の水素酸素発生装置および冷却式
気液分離器によれば、発生ガスが冷却されることによっ
て飽和蒸気圧が大幅に低下し、発生ガス中の湿分が凝縮
して効果的に除去される。このように従来の気液分離タ
ンクに比較して除湿効果が大きく向上するので、従来気
液分離タンクと併用されていた除湿器が不要となる。そ
の結果、気液分離タンクと除湿器とを接続する配管も不
要となるため、システムとしての構造および制御が簡単
になり、装置容積も縮小することができる。さらに、除
湿器設置による流体の圧力損失や圧力変動の心配がなく
なる。

【００４５】また、水の電気分解時の反応熱によって温
度上昇した水分を含んだ発生ガスが効率よく冷却される
ため、分離後純水の冷却用に外部に別途配設している従
来の熱交換器を縮小または除去することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の水素酸素発生装置の一実施形態を示す
概略ブロック図である。

【図２】本発明の水素酸素発生装置に適用される気液分
離器の一実施形態を示す断面図である。

【図３】本発明の水素酸素発生装置の一実施形態を示す
概略ブロック図である。

【図４】本発明の水素酸素発生装置に適用される電解セ
ルの一例を示す断面図である。

【図５】気液分離器が備えられた高圧型水素酸素発生装
置の一例を示す概略ブロック図である。

【図６】気液分離器が備えられた低圧型水素酸素発生装
置の一例を示す概略ブロック図である。

【符号の説明】

１・・・（高圧型）水素酸素発生装置２・・・純水タンク３、２２・・・電解セル４、２７・・・純水供給タンク５、２８・・・純水製造装置６・・・酸素ガス用除湿器７、２４・・・水素ガス取り出し管８、２６・・・水素ガス用気液分離タンク９・・・冷却機構１０・・・タンク本体１１・・・上部空間１２・・・下部空間１３・・・仕切り板１４・・・（発生ガス）入口１５・・・取水口１６・・・（発生ガス）出口１７ａ、１７ｂ・・・冷却器１８・・・ディフューザ２１・・・（低圧型）水素酸素発生装置２３・・・酸素ガス取り出し管２５・・・酸素ガス用気液分離タンク３２・・・電極板３３・・・固体電解質膜３４・・・多孔質給電体３５・・・ガスケット３６・・・保護シート３７・・・水素ガス取り出し経路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者森岡輝行兵庫県加古川市平岡町土山934−４

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】正負の両電極間に固体電解質膜によって
仕切られた陰極室と陽極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気液分離手段とが備
えられた水素酸素発生装置であって、前記気液分離手段が、その内部に冷却機構を備えた気液
分離容器から構成されており、該気液分離容器が、電解
セルから送られて来る発生ガスを冷却するとともに発生
ガスから水分を分離するように構成されていることを特
徴とする水素酸素発生装置。
【請求項２】前記気液分離容器が、容器本体内の上部
および下部のそれぞれに冷却機構を備えてなる請求項１
記載の水素酸素発生装置。
【請求項３】前記気液分離容器の内部が、容器本体内
の上部空間によって互いに連通する二室に画されてお
り、容器本体内の上部空間と前記二室のうちの一室とに
それぞれ冷却機構を備えており、前記冷却機構を備えた
一室側に発生ガスの入口が形成されてなる請求項１記載
の水素酸素発生装置。
【請求項４】前記気液分離容器の内部における発生ガ
スの入口に散気用のディフューザが配設されてなる請求
項１〜３のうちのいずれか一の項に記載の水素酸素発生
装置。
【請求項５】容器本体と、該容器本体内の気体出口が
形成された上部空間によって互いに連通する、発生ガス
入口が形成された第一室および水出口が形成された第二
室と、前記上部空間と発生ガス入口が形成された第一室
とにそれぞれ配設された冷却機構とを備えてなる水素酸
素発生装置用の冷却式気液分離器。