JPWO2002090621A1 - 水素−酸素ガス発生装置及びそれを用いた水素−酸素ガス発生方法 - Google Patents

Abstract

電解槽（１０Ａ）と、その内部にて交互に配置された陽極及び陰極からなる電極群（２ｘ，２ｙ）と、陽極−陰極間に電圧を印加する電源（３４）と、電解液（１４）の電気分解により発生する水素−酸素ガスを捕集するガス捕集手段とを有する。ガス捕集手段は、電解槽（１０Ａ）に付設された蓋部材（１０Ｂ）と、その水素−酸素ガス取出口（１０Ｂ’）に接続された水素−酸素ガス採取管（１０Ｂ”）とを含む。支持台（１００）により、電解液（１４）を振動撹拌するための振動撹拌手段（１６）が支持されている。電極群（２ｘ，２ｙ）内にて隣接する陽極−陰極間の距離は１ｍｍ〜２０ｍｍの範囲内に設定されている。振動撹拌手段（１６）は、１０Ｈｚ〜２００Ｈｚで振動する振動モータ（１６ｄ）と、それに連係して電解槽（１０Ａ）内で振動する振動棒（１６ｅ）に回転不能に取り付けられた振動羽根（１６ｆ）とを含む。

Description

技術分野
本発明は、電気分解により水素−酸素ガスを発生させるための装置及び方法に関し、特に、高い効率で水素−酸素ガスを発生させることを企図した水素−酸素ガス発生装置及び水素−酸素ガス発生方法に関するものである。
背景技術
ファラデーによって電気分解技術が開発され、これにより水の電気分解生成物として、２：１の比率の水素及び酸素からなる水素−酸素ガスが得られることが知られている。これまでに、水素−酸素ガスの研究はそれなりに続けられてきたが、実用性のある技術は、オーストラリアのブラウン エネルギー システム テクノロジー ピー ティー ワイ社（Ｂｒｏｗｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｙｓｔｅｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＰＴＹ．ＬＴＤ．）のユル・ブラウン博士（Ｄｒ．Ｙｕｌｌ Ｂｒｏｗｎ）の開発に係るガス発生機であり、これに関連する特許文献としては、日本国登録実用新案第３０３７６３３号公報がある。
この技術は、水素−酸素ガスを発生させる電解槽の構造において、四方にボルト孔が形成され、中心の上側及び下側にガス流通長孔と電解液流通長孔とが互いに垂直になるように形成された多数個の電極板と、前記電極板の間に設置され外側に突出されたボルトハウジング孔が形成された多数個のスペーサを相互交番的に結合させ、スペーサの内周縁面にはオーリングでシーリングして電解液充填質を形成するとともに、前記の電極板の両側には電流連結ボルトとガス連結ニップル及び電解液連結ニップルとを持つ電解槽仕上板を装着して、前記電極板のボルト孔、スペーサのボルトハウジング孔及び電解槽仕上板のボルト孔に挟まれたステイボルトにナットを締結して電極板、スペーサ及び電解槽仕上板を相互結合させて構成したものである。
しかしながら、従来方法では、このような電解槽内に設けられた電極板の隣接するものどうしの間には、ショートしないだけの距離として最も短くとも５０ｍｍの間隔をとらねばならない。それより短い距離に接近させると、過電流となり、事故が発生しやすくなる傾向にある。このため、従来の装置及び方法では、電流密度を高めて水素−酸素ガスを高い効率で発生させることには限界があり、十分な効率が得られていなかった。
一方、電解槽の大きさには自ずと上限があるため、一台の水素−酸素ガス発生装置によって生産される水素−酸素ガスの量にも上限がある。しかるに、実用的見地からは、出来るだけ小さな装置によって単位時間当たり出来るだけ多くの量の水素−酸素ガスを生産することが望ましい。この点においても、従来の装置では、装置の小型化と水素−酸素ガスの発生量の向上との双方を満足させることは困難であった。
そこで、本発明は、電解条件を改善して水素−酸素ガス発生の効率を高め、これにより単位時間当たり電極単位面積当たりに発生する水素−酸素ガスの量を増大させ、もって装置の小型化及び装置あたりの水素−酸素ガス発生量の向上を可能となすことにある。
発明の開示
本発明によれば、以上の如き目的を達成するものとして、
電解槽と、該電解槽内にて交互に配置された第１の電極及び第２の電極からなる電極群と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加する電源と、前記電解槽内に収容される電解液の電気分解により発生する水素−酸素ガスを捕集するためのガス捕集手段とを有する水素−酸素ガス発生装置であって、
前記電解槽内に収容される電解液を振動撹拌するための振動撹拌手段を備えており、且つ、前記電極群において隣接する前記第１の電極と前記第２の電極との間の距離が１ｍｍ〜２０ｍｍの範囲内に設定されていることを特徴とする水素−酸素ガス発生装置、
が提供される。
本発明の一態様においては、前記ガス捕集手段は、前記電解槽に付設された蓋部材と、該蓋部材に設けられた水素−酸素ガス取出口に接続された水素−酸素ガス採取管とを含んでなる。
本発明の一態様においては、前記振動撹拌手段は、振動モータを含む振動発生手段と、該振動発生手段に連係して前記電解槽内で振動する振動棒に回転不能に且つ少なくとも一段に取り付けられた振動羽根とを含んでなり、前記振動モータは１０Ｈｚ〜２００Ｈｚの振動数で振動する。本発明の一態様においては、前記振動発生手段は、前記電解槽の上部に振動吸収部材を介して取り付けられている。本発明の一態様においては、前記振動発生手段は、前記電解槽とは別の支持台により支持されている。本発明の一態様においては、前記ガス捕集手段は、前記電解槽に付設された蓋部材と、該蓋部材に設けられた水素−酸素ガス取出口に接続された水素−酸素ガス採取管とを含んでなり、前記振動棒は前記蓋部材を貫通して延びており、該蓋部材と前記振動棒との間には前記振動棒の振動を許容し且つ前記水素−酸素ガスの通過を阻止するためのシール手段が介在している。
本発明の一態様においては、前記第１の電極及び前記第２の電極の少なくとも一方は多孔性のものである。本発明の一態様においては、前記電源は直流パルス電源である。
また、本発明によれば、以上の如き目的を達成するものとして、
上記の様な水素−酸素ガス発生装置を用い、前記電解液として５重量％〜１０重量％の電解質を含み液温２０℃〜７０℃でｐＨ７〜１０のものを用いて、電流密度５Ａ／ｄｍ^２〜２０Ａ／ｄｍ^２となるように前記電解液の電気分解を行なうことを特徴とする水素−酸素ガス発生方法、
が提供される。
本発明の一態様においては、前記電気分解は、前記電解槽に蓋部材を付設した密閉下でなされる。本発明の一態様においては、前記電解質が水溶性のアルカリ金属水酸化物またはアルカリ土類金属水酸化物である。本発明の一態様においては、前記電源として直流パルス電源を用いる。
以上の様な本発明においては、振動撹拌手段の振動羽根により電解液中強力な振動流動が生ぜしめられるので、電解液は電極と十分良好な均一性をもって且つ十分な供給量をもって接触せしめられる。このため、陽極と陰極との間の距離を従来より著しく小さくしても、それらの間に電気分解に必要なイオンを十分に供給することが可能になり、また電極に発生する電解熱を迅速に放熱することができる。従って、高い電流密度で電気分解を行なって、高い効率で水素−酸素ガスを回収することができる。また、以上の様に陽極と陰極との間の距離を小さくすることで、単位容積あたりに配置される電極の有効表面積を十分に高めることができるので、電解槽を小型化しても十分な量の水素−酸素ガスを発生させることができる。
特に、以上の様な振動撹拌手段による電解液の振動撹拌を併用して電気分解を行なう場合には、電極近傍にて発生する水素や酸素が気泡を形成する前に電解液面へと運ばれて気相へと移行するので、電解液中にて生成せしめられた水素や酸素が電極表面に気泡として付着し電気抵抗を増加させるようなことがない。このため、上記の様に容易に高い電流密度での電気分解の実現が可能になるのである。
発明を実施するための最良の形態
以下、図面を参照しながら本発明の具体的な実施の形態を説明する。尚、図面において、同様な機能を有する部材又は部分には同一の符号が付されている。
図１〜図３は本発明による水素−酸素ガス発生方法の実施される水素−酸素ガス発生装置の一実施形態の構成を示す図である。ここで、図１は断面図であり、図２は平面図であり、図３は側面図である。
これらの図において、１０Ａは電解槽であり、該電解槽には電解液１４が収容されている。１６は振動撹拌手段である。該振動撹拌手段１６は、電解槽１０Ａとは別に配置された支持台１００に防振ゴムを介して取り付けられた基台１６ａ、該基台に下端を固定された振動吸収部材としてのコイルバネ１６ｂ、該コイルバネの上端に固定された振動部材１６ｃ、該振動部材に取り付けられた振動モータ１６ｄ、振動部材１６ｃに上端を取り付けられた振動棒（振動伝達ロッド）１６ｅ、該振動棒の下半部において電解液１４に浸漬する位置に回転不能に複数段に取り付けられた振動羽根１６ｆを有する。振動モータ１６ｄ及び振動部材１６ｃを含んで振動発生手段が構成され、該振動発生手段が振動棒１６ｅと連係している。コイルバネ１６ｂ内には、後述の図１６その他に示されているように、棒状のガイド部材を配置することができる。
振動モータ１６ｄは例えばインバータを用いた制御により１０〜２００Ｈｚ、好ましくは２０〜６０Ｈｚで振動する。振動モータ１６ｄで発生した振動は、振動部材１６ｃ及び振動棒１６ｅを介して振動羽根１６ｆに伝達される。振動羽根１６ｆは、電解液１４中で所要の振動数で先端縁が振動する。この振動は、振動羽根１６ｆが振動棒１６ｅへの取り付け部分から先端縁へと「しなる」ように発生する。この振動の振幅及び振動数は、振動モータ１６ｄのものとは異なるが、振動伝達経路の力学的特性及び電解液１４との相互作用の特性などに応じて決まり、本発明では振幅０．１〜１５．０ｍｍで振動数２００〜１０００回／分とするのが好ましい。
図７は振動部材１６ｃへの振動棒１６ｅの取り付け部１１１の拡大断面図である。振動棒１６ｅの上端に形成されたオネジ部に、振動部材１６ｃの上側から振動応力分散部材１６ｇ１及びワッシャ１６ｈを介してナット１６ｉ１，１６ｉ２を適合させており、振動部材１６ｃの下側から振動応力分散部材１６ｇ２を介してナット１６ｉ３，１６ｉ４を適合させている。振動応力分散部材１６ｇ１，１６ｇ２は、振動応力分散手段として用いられており、例えばゴムからなる。振動応力分散部材１６ｇ１，１６ｇ２は、例えば硬い天然ゴム、硬い合成ゴム、合成樹脂等のショアーＡ硬度８０〜１２０、好ましくは９０〜１００の硬質弾性体により構成することができる。とくに、ショアーＡ硬度９０〜１００の硬質ウレタンゴムが耐久性、耐薬品性の点で好ましい。振動応力分散手段を使用することにより、振動部材１６ｃと振動棒１６ｅとの接合部分の近辺への振動応力の集中が防止され、振動棒１６ｅが折れにくくなる。とくに、振動モータ１６ｄの振動周波数を１００Ｈｚ以上に高くした場合の振動棒１６ｅの折れ発生防止の効果は顕著である。
図８は振動部材１６ｃへの振動棒１６ｅの取り付け部１１１の変形例を示す拡大断面図である。この変形例は、図７の取り付け部とは、振動部材１６ｃの上側に振動応力分散部材１６ｇ１を配置しないこと、及び振動部材１６ｃと振動応力分散部材１６ｇ２との間に球面スペーサ１６ｘを介在させたことが異なるのみであり、他は同様である。
図９は振動棒１６ｅへの振動羽根１６ｆの取り付け部の拡大断面図である。振動羽根１６ｆの各々の上下両側には、振動羽根固定部材１６ｊが配置されている。隣接する振動羽根１６ｆどうしの間には固定部材１６ｊを介して振動羽根１６ｆの間隔設定のためのスペーサリング１６ｋが配置されている。尚、最上部の振動羽根１６ｆの上側及び最下部の振動羽根１６ｆの下側には、図１に示されているように、スペーサリング１６ｋを介して又は介することなく、振動棒１６ｅに形成されたオネジに適合するナット１６ｍが配置されている。図９に示されているように、各振動羽根１６ｆと固定部材１６ｊとの間にフッ素系樹脂やフッ素系ゴムなどからなる振動応力分散手段としての弾性部材シート１６ｐを介在させることで、振動羽根１６ｆの破損を防止することができる。弾性部材シート１６ｐは、振動羽根１６ｆの破損防止効果を一層高めるために、固定部材１６ｊから若干はみ出すように配置するのが好ましい。図示されているように、上側の固定部材１６ｊの下面（押圧面）は凸状面とされており、下側の固定部材１６ｊの上面（押圧面）は対応する凹状面とされている。これにより、固定部材１６ｊにより上下方向から押圧される振動羽根１６ｆの部分は湾曲せしめられ、振動羽根１６ｆの先端部は水平面に対して角度αをなしている。この角度αは、例えば−３０°以上３０°以下好ましくは−２０°以上２０°以下とすることができる。特に、角度αは、−３０°以上−５°以下または５°以上３０°以下、好ましくは−２０°以上−１０°以下または１０°以上２０°以下とするのが好ましい。固定部材１６ｊの押圧面を平面とした場合には、角度αは０°である。角度αは、全ての振動羽根１６ｆについて同一である必要はなく、例えば、下方の１〜２枚の振動羽根１６ｆについては−の値（即ち下向き：図９に示される向き）とし、それ以外の振動羽根１６ｆについては＋の値（即ち上向き：図９に示されるものと逆の向き）とすることができる。
図１０〜図１３は、振動羽根１６ｆ及び固定部材１６ｊの変形例を示す平面図である。図１０及び図１１の変形例では、振動羽根１６ｆは短冊状のもの２枚を互いに直交するように重畳させたものでもよいし、１枚の板から図示されているような十字形状に切り出したものでもよい。
振動羽根１６ｆとしては、弾力性のある金属板、合成樹脂板またはゴム板などを用いることができる。振動羽根１６ｆの厚みは、振動条件や電解液１４の粘度などにより好ましい範囲は異なるが、振動撹拌手段１６の作動時に、振動羽根が折れることなく、振動撹拌の効率を高めるように振動羽根１６ｆの先端部分が“フラッター現象”（波打つような状態）を呈するように設定される。振動羽根１６ｆがステンレス鋼板などの金属板からなる場合には、その厚みは０．２〜２ｍｍとすることができる。また、振動羽根１６ｆが合成樹脂板やゴム板からなる場合には、その厚みは０．５〜１０ｍｍとすることができる。振動羽根１６ｆと固定部材１６ｊとを一体成形したものを使用することもできる。この場合は、振動羽根１６ｆと固定部材１６ｊとの接合部に電解液１４が浸入し固形分が固着して洗浄に手間がかかるというような問題を回避することができる。
金属製の振動羽根１６ｆの材質としては、チタン、アルミニウム、銅、鉄鋼、ステンレス鋼、磁性鋼などの磁性金属、これらの合金が挙げられる。合成樹脂製の振動羽根１６ｆの材質としては、ポリカーボネート、塩化ビニル系樹脂、ポリプロピレンなどが挙げられる。
電解液１４内での振動羽根１６ｆの振動に伴って発生する振動羽根の“フラッター現象”の程度は、振動モータ１６ｄの振動の周波数、振動羽根１６ｆの長さ（固定部材１６ｊの先端縁から振動羽根１６ｆの先端縁までの寸法）と厚み、及び電解液１４の粘度や比重などによって変化する。与えられた周波数においてもっともよく“しなる”振動羽根１６ｆの長さと厚みとを選択することができる。振動モータ１６ｄの振動の周波数と振動羽根１６ｆの厚みとを一定にして、振動羽根１６ｆの長さを変化させてゆくと、振動羽根のしなりの程度は図１４に示すようになる。即ち、長さｍが大きくなるに従って、ある段階までは大きくなるが、それをすぎるとしなりの程度Ｆは小さくなり、ある長さのときには殆どしなりがなくなり、さらに振動羽根を長くするとまたしなりが大きくなるという関係をくりかえすことが判った。
振動羽根の長さは、好ましくは、第１回目のピークを示す長さＬ_１か、第２回目のピークを示す長さＬ_２を選択することが好ましい。Ｌ_１にするかＬ_２にするかは、系の振動を強くするか流動を強くするかに応じて適宜選択できる。第３回目のピークを示す長さＬ_３を選択した場合は、振幅が小さくなる傾向にある。
以上のような振動攪拌手段１６としては、以下の文献（これらは本発明者の発明に係る特許出願に関するものである）及び本出願人による特許出願である特願２００１−１３５５２８、特願２００１−３３８４２２に記載されているような振動撹拌機（振動撹拌装置）を使用することが可能である：
特開平３−２７５１３０号公報（特許第１９４１４９８号），
特開平６−２２０６９７号公報（特許第２７０７５３０号），
特開平６−３１２１２４号公報（特許第２７６２３８８号），
特開平８−２８１２７２号公報（特許第２７６７７７１号），
特開平８−１７３７８５号公報（特許第２８５２８７８号）
特開平７−１２６８９６号公報（特許第２９１１３５０号），
特開平９−４０４８２号公報（特許第２９１１３９３号），
特開平１１−１８９８８０号公報（特許第２９８８６２４号），
特開平７−５４１９２号公報（特許第２９８９４４０号），
特開平６−３３０３５号公報（特許第２９９２１７７号），
特開平６−２８７７９９号公報（特許第３０３５１１４号），
特開平６−２８００３５号公報（特許第３２４４３３４号），
特開平６−３０４４６１号公報（特許第３１４２４１７号），
特開平１０−４３５６９号公報，
特開平１０−３６９４５３号公報，
特開平１１−２５３７８２号公報。
本発明において、振動撹拌手段１６は、図１に示されている様に、電解槽の両端部に配置しても良いが、一方の端部のみに配置しても良い。また、振動羽根として両側に対称的に延びているものを使用すれば、振動撹拌手段１６を電解槽の中央に配置し、その両側に後述の様な電極群を配置することも可能である。
なお、本発明において、特開平６−３０４４６１号公報に記載されている様な振動羽根が電解槽の底部に存在するタイプの振動撹拌手段を用いることにより、電解槽内の電極群の配置スペースが広くなり、電解槽の容積あたりのガス発生量を高めることができるとともに、上下方向に沿って電極を配置する場合には電極として後述の多孔性のものを使用する必要がなくなるという利点がある。
再び図１及び図２を参照する。本実施形態では、電解槽１０Ａの両端部にそれぞれ上記の様な振動撹拌手段１６が配置されている。電解槽１０Ａ内には、２つの同様な電極群２ｘ，２ｙが配置されている。電極群２ｘ，２ｙは、図５Ａ及び図５Ｂに示す様な構成を有する。即ち、第１の電極としての陽極７１ａと第２の電極としての陰極７１ｂとを、絶縁体枠７０を介して交互に配置する。図５Ａでは、陽極７１ａ及び陰極７１ｂが１つづつ示されているが、実際には陽極７１ａ及び陰極７１ｂは所要数（例えば２５〜５０個）使用される。図６Ａは絶縁体枠７０を示す図であり、図６Ｂは陽極７１ａを示す図である。
電極の材料としては、通常の水の電気分解に使用されるものを使用することができる。たとえば、陽極７１ａとして二酸化鉛、マグネタイト、フェライト、黒鉛、白金、Ｐｔ−Ｉｒ合金、チタン合金、貴金属被覆チタン（例えば白金被覆チタン）などが例示でき、陰極７１ｂとしてロジウム、ニッケル、ニッケル合金（Ｎｉ−Ｍｏ_２，Ｎｉ−Ｃｏ，Ｎｉ−Ｆｅ，Ｎｉ−Ｍｏ−Ｃｄ，Ｎｉ−Ｓ_ｘ，ラネーニッケル等）、チタン合金等の貴金属が例示できる。絶縁体枠７０の材料としては、天然ゴム、合成ゴム、合成樹脂などを使用することができる。絶縁体枠７０の厚さにより陽極７１ａと陰極７１ｂとの間の距離が設定され、この絶縁体枠７０の厚さは１ｍｍ〜２０ｍｍ、好ましくは１ｍｍ〜２０ｍｍ、更に好ましくは１ｍｍ〜５ｍｍの範囲内である。
電極は板状体であるから、図１に示すように、振動撹拌手段１６の振動羽根１６ｆによる振動撹拌で発生せしめられる電解液１４の流動を遮るように振動羽根１６ｆを向いた方向に対してほぼ直角に設けられる場合には、図５Ｂ及び図６Ｂに示す様に電極（陽極７１ａ及び陰極７１ｂ）に多数の小孔７４を開けた多孔性のものとする必要がある。これにより、小孔７４を通って電解液１４がスムースに流動することができる。孔の形状は円形状でも多角形状でもよく、特に制限はない。また、小孔７４の大きさや数は電極本来の目的と多孔性にする目的との双方のバランスを考えて、適宜設定するのが好ましい。電極における小孔７４の面積割合は、有効面積（即ち電解液１４と接触する面積）で、電極面積が５０％以上となる様にするのが好ましい。多孔性電極は網状であっても良い。
一方、電極が電解液１４の流動の向きに対してほぼ平行に設けられる場合には、電極を多孔性にする必要はないが、その場合には、絶縁体枠７０を環状のものではなく、電極周囲の適宜の数箇所に分散配置したものや電極の上下端部に分割して配置したものとすればよい。
陽極７１ａ及び陰極７１ｂは、それぞれ図２に示されている陽極主ブスバー７１ａ’及び陰極主ブスバー７１ｂ’に接続されており、これら陽極主ブスバー７１ａ’及び陰極主ブスバー７１ｂ’は図１に示されている電源３４に接続されている。
電源３４は、直流を発生するものであればよく、通常の平滑な直流でもよいが、その他の種々の波形の電流を使用することができる。この様な電解電流の波形は、例えば、「電気化学」第２４巻３９８〜４０３頁、同４４９〜４５６頁、１９９６年４月１５日全国鍍金材料組合連合会発行「めっき技術ガイド」３７８〜３８５頁、昭和５８年６月１５日（株）広信社発行「表面技術総覧」３０１〜３０２頁、同５１７〜５２７頁、同１０５０〜１０５３頁、昭和４６年７月２５日日刊工業新聞社発行「めっき技術便覧」３６５〜３６９頁、同６１８〜６２２頁等に記載されている。
本発明では、とりわけ、エネルギー効率の向上の観点から、パルス波形のうちの矩形波パルス波形をのものを使用することが好ましい。この様な電源（電源装置）は、交流電圧から矩形波状電圧を作成することができるものであり、このような電源は例えばトランジスタを用いた整流回路を有するものであり、パルス電源装置として知られている。このような電源装置または整流器としては、トランジスタ調整式電源、ドロッパー方式の電源、スイッチング電源、シリコン整流器、ＳＣＲ型整流器、高周波型整流器、インバータデジタル制御方式の整流器（例えば（株）中央製作所製のＰｏｗｅｒ Ｍａｓｔｅｒ）、（株）三社電機製作所製のＫＴＳシリーズ、四国電機株式会社製のＲＣＶ電源、スイッチングレギュレータ式電源とトランジスタスイッチとからなりトランジスタスイッチがＯＮ−ＯＦＦすることで矩形波状のパルス電流を供給するもの、高周波スイッチング電源（交流をダイオードにて直流に変換した後にパワートランドスタで２０〜３０ＫＨｚの高周波をトランスに加えて再度整流、平滑化し出力を取り出す）、ＰＲ式整流器、高周波制御方式の高速パルスＰＲ電源（例えばＨｉＰＲシリーズ（（株）千代田）などが利用可能である。
各電極にかかる電圧はできる限り均等であることが好ましく、そのため、各電極間にコンデンサを配置することが望ましい。陽極７１ａと陰極７１ｂとの間に印加する電圧は、通常の水の電気分解の場合と同様である。
電解液１４は、電解質を含む水である。電解質としては、水溶性のアルカリ金属水酸化物（ＫＯＨ、ＮａＯＨなど）またはアルカリ土類金属水酸化物（例えばＢａ（ＯＨ）_２、Ｍｇ（ＯＨ）_２、Ｃａ（ＯＨ）_２など）、あるいは第４級アルキルアンモニウムなど、従来公知のものを使用することができる。これらの中でもＫＯＨが好ましい。電解液中の電解質の含有量は、５〜１０％が好ましい。また、電解液のｐＨは、７〜１０であるのが好ましい。
図１〜図２に示されている様に、電解槽１０Ａの上部には蓋部材１０Ｂが付設されている。該蓋部材には、電解により発生する水素−酸素ガスを回収するための水素−酸素ガス取出口１０Ｂ’が設けられている。該取出口１０Ｂ’には、水素−酸素ガス採取管１０Ｂ”が接続されている。これらの蓋部材１０Ｂ及び水素−酸素ガス採取管１０Ｂ”を含んで、水素−酸素ガス捕集手段が構成される。
電解槽１０Ａ及び蓋部材１０Ｂの材質としては、例えばステンレススチール、銅、その他の金属あるいはポリカーボネート等の合成樹脂が例示される。
振動撹拌手段１６の振動棒１６ｅは、蓋部材１０Ｂを上下方向に貫通して延びている。この貫通は、図４に示されている様に、蓋部材１０Ｂに設けられた開口の内端縁に付された固定部材と振動棒１６ｅの外面に付された固定部材との間をゴム板等のフレキシブル部材１０Ｃにより気密にシールしたものとすることができる。あるいは、気密シールのための手段は、振動棒１６ｅにサポートベアリングの内輪を取り付け、該サポートベアリングの外輪を蓋部材１０Ｂの開口の内端縁に取り付け、外輪に対して内輪を上下に適宜のストロークにわたって移動可能にしたものであっても良い。この様なストロークユニットとしては、ＴＨＫ（株）製ＮＳ−Ａ型（商品名）、ＮＳ型（商品名）が例示される。あるいは、蓋部材１０Ｂに設けられた開口に、振動棒１６ｅが通過する部分のみ開口せるゴム板またはその積層体等の気密シール手段を取り付けてもよい。このシール手段としては例えば、ゴム、特に変形性良好な軟らかいゴムが使用できる。振動棒の上下振動の振幅は、通常２０ｍｍ以下、好ましくは１０ｍｍ以下、特に好ましくは５ｍｍ以下であり、その下限は例えば０．１ｍｍ以上、好ましくは０．５ｍｍ以上といった程度であるから、シール部材としてゴムなどを使用することで、追従が可能となり摩擦熱の発生も少なく良好な気密状態が実現される。
電解は、液温２０〜７０℃で、電流密度５〜２０Ａ／ｄｍ^２で行なうのが好ましい。電解により発生する水素−酸素ガスは、図２６に示されて鋳る様に、ガス採取管１０Ｂ”に接続されたシールポット１０Ｂ”’を経て取り出される。シールポット１０Ｂ”’もガス捕集手段を構成する。図２７は、ガス発生装置により回収された水素−酸素ガスを利用するガス燃焼装置の一例を示す図である。水素−酸素ガスは、所要の容量のガス溜め、除湿器及び炎止めを経て燃焼ノズルへと供給される。この燃焼装置は、航空機、自動車、船舶等の動力装置、発電装置、ガス切断機、ボイラー、その他への適用が可能である。
本発明により発生せしめられる水素−酸素ガスは、所謂ブラウンガスとして知られており、その燃焼に際して空気を必要とせず、従って、燃焼により窒素酸化物等の環境汚染物質を生成することがない。
図１５は振動撹拌手段の一変形例を示す断面図である。この例では、基台１６ａは、振動吸収部材４１を介して電解槽１０Ａの上部に取り付けられた取り付け台４０上に固定されている。また、取り付け台４０には、垂直方向に上方へと延びた棒状のガイド部材４３が固定されており、該ガイド部材４３はコイルバネ１６ｂ内に位置している。振動モータ１６ｄとそれを駆動するための電源１３６との間には、振動モータ１６ｄの振動周波数を制御するためのトランジスタ・インバータ３５が介在している。電源１３６は、例えば２００Ｖである。このような振動モータ１６ｄの駆動手段は、上記その他の本発明の実施形態においても使用することができる。
図１６は振動撹拌手段の一変形例を示す断面図である。この例では、振動部材１６ｃに垂直方向に下方へと延びた棒状の上側ガイド部材１４４が固定されており、取り付け台４０に垂直方向に上方へと延びた棒状の下側ガイド部材１４５が固定されており、これらガイド部材１４４，１４５はコイルバネ１６ｂ内に位置している。上側ガイド部材１４４の下端と下側ガイド部材１４５の上端との間には、振動部材１６ｃの振動を許容するような適度の間隙が形成されている。
図１７は振動撹拌手段の一変形例を示す断面図である。この例では、振動モータ１６ｄは、振動部材１６の上側に付設された付加的振動部材１６ｃ’の下側に取り付けられている。また、振動棒１６ｅは、電解槽１０Ａ内において分岐して２つの部分１３４とされており、これら２つのロッド部分１３４の間に振動羽根１６ｆが掛け渡されて取り付けられている。
図１８及び図１９は振動撹拌手段の一変形例を示す断面図である。この例では、最も下側の振動羽根１６ｆが下向きに傾斜しており、その他の振動羽根１６ｆが上向きに傾斜している。このようにすると、電解槽１０Ａの底部に近い部分の電解液１４の振動撹拌を充分に行うことができ、電解槽底部に溜りが発生するのを防止することができる。また、振動羽根１６ｆの全部を下向きに傾斜させることができる。
図２０及び図２１は本発明装置を構成する振動撹拌手段の電解槽への取り付けの他の形態を示す断面図であり、図２２はその平面図である。図２０及び図２１はそれぞれ図２２のＸ−Ｘ’断面及びＹ−Ｙ’断面に相当する。
この形態では、振動吸収部材として上記コイルバネ１６ｂに代えてゴム板２と金属板１，１’との積層体３が用いられている。即ち、積層体３は、電解槽１０Ａの上端縁部に固定された取り付け部材１１８に防振ゴム１１２を介して取り付けられた金属板１’をボルト１３１により固定し、該金属板１’上にゴム板２を配置し、該ゴム板２上に金属板１を配置し、これらをボルト１１６及びナット１１７により一体化することで形成されている。
振動モータ１６ｄは支持部材１１５を介してボルト１３２により金属板１に固定されている。また、振動棒１６ｅの上端部はゴムリング１１９を介して積層体３特に金属板１とゴム板２とに取り付けられている。即ち、上側金属板１は図１その他に記載されている実施形態の振動部材１６ｃの機能をも発揮するものであり、下側金属板１’は図１その他に記載されている実施形態の基台１６ａの機能をも発揮するものである。そして、これら金属板１，１’を含む積層体３（主としてゴム板２）が図１その他に記載されているコイルバネ１６ｂと同様な振動吸収機能を発揮する。
図２３Ａ〜２３Ｃは積層体３の平面図を示す。図２０〜２２の形態に対応する図２３Ａの例では、積層体３には振動棒１６ｅを通すための貫通孔５が形成されている。また、図２３Ｂの例では、積層体３は貫通孔５を通る分割線により２分割された２つの部分３ａ，３ｂからなり、これによれば装置組立の際に振動棒１６ｅを容易に通すことができる。また、図２３Ｃの例では、積層体３は、電解槽１０Ａの上端縁部に対応する環形状をなしており、中央部に開口６が形成されている。
図２３Ａ，２３Ｂの例では、電解槽１０Ａの上部が積層体３により塞がれ、これにより上記の蓋部材１０Ｂと同等の機能が発揮される。
図２４Ａ，２４Ｂは、このような積層体３による電解槽の閉塞（シール）の様子を示す断面図である。図２４Ａの形態では、ゴム板２が貫通孔５において振動棒１６ｅに当接してシールがなされる。また、図２４Ｂの形態では、積層体３の開口部６において該積層体３と振動棒１６ｅとに取り付けられこれらの間の空隙を塞ぐフレキシブルシール部材１３６が設けられている。
図２５Ａ〜２５Ｅに振動吸収部材としての積層体３の例を示す。図２５Ｂの例は上記図２０〜２２の実施形態のものである。図２５Ａの例では、積層体３は金属板１とゴム板２とからなる。図２５Ｃの例では、積層体３は上側金属板１と上側ゴム板２と下側金属板１’と下側ゴム板２’とからなる。図２５Ｄの例では、積層体３は上側金属板１と上側ゴム板２と中間金属板１”と下側ゴム板２’と下側金属板１’とからなる。積層体３における金属板やゴム板の数は、例えば１〜５とすることができる。尚、本発明においては、ゴム板のみから振動吸収部材を構成することも可能である。
金属板１，１’，１”の材質としては、ステンレス鋼、鉄、銅、アルミニウム、その他適宜の合金を使用することができる。金属板の厚さは、例えば１０〜４０ｍｍである。但し、積層体以外の部材に対して直接固定されない金属板（例えば上記中間金属板１”）は０．３〜１０ｍｍと薄くすることができる。
ゴム板２，２’の材質としては、合成ゴム又は天然ゴムの加硫物を使用することができ、ＪＩＳＫ６３８６で規定される防振ゴムが好ましく、更に特に静的剪断弾性率４〜２２ｋｇｆ／ｃｍ^２好ましくは５〜１０ｋｇｆ／ｃｍ^２、伸び２５０％以上のものが好ましい。合成ゴムとしては、クロロプレンゴム、ニトリルゴム、ニトリル−クロロプレンゴム、スチレン−クロロプレンゴム、アクリロニトリル−ブタジエンゴム、イソプレンゴム、エチレン−プロピレン−ジエン共重合体ゴム、エピクロルヒドリン系ゴム、アルキレンオキシド系ゴム、フッ素系ゴム、シリコーン系ゴム、ウレタン系ゴム、多硫化ゴム、フォスファビンゴムを例示することができる。ゴム板の厚さは、例えば５〜６０ｍｍである。
図２５Ｅの例では、積層体３は上側金属板１とゴム板２と下側金属板１’ととからなり、ゴム板２が上側ソリッドゴム層２ａとスポンジゴム層２ｂと下側ソリッドゴム層２ｃとからなる。下側ソリッドゴム層２ａ，２ｃのうちの一方を除去してもよいし、更に複数のソリッドゴム層と複数のスポンジゴム層とを積層したものであってもよい。
図２８は、振動撹拌手段１６の変形例を示す図である。この例では、振動モータ１６ｄが電解槽１０Ａの側方に位置しており、振動部材１６ｃが電解槽１０Ａの上方へと水平に延びている。そして、該振動部材１６ｃに振動棒１６ｃが取り付けられている。この構成によれば、電解槽１０Ａに対する上記蓋部材１０Ｂの着脱が容易になる。
図２９に、蓋部材１０Ｂの変形例を示す。この例では、蓋部材１０Ｂは、図１に示されている電極群２ｘ，２ｙの上方の部分のみにおいて、電解槽１０Ａに付設される。そして、該蓋部材１０Ｂの両端部には、下方へと延びた囲み部材６３が付設されている。この囲み部材６３には、その下部の電解液中に浸漬される部分に該電解液の流通を可能となすための開口６５が形成されている。囲み部材６３には、該開口６５の上部領域の一部を遮蔽する遮蔽板６４を上下位置調節可能に取り付けることができる。この上下位置調節のために、遮蔽板６４に上下方向の長孔６６を形成し、該長孔を介して、囲み部材６３に形成されたネジ穴６８にボルト６７を適合させるようにすることができる。遮蔽板６４の上下位置を調節することで、電極群２ｘ，２ｙの上方の部分の液位を調節することができ、ひいてはガス圧が調節される。
この蓋部材を使用する場合には、振動撹拌手段の振動棒１６ｅは蓋部材を貫通しないが、上記の様な密閉シール構造とすることが、水素−酸素ガスの回収効率向上や電解液の飛散防止等の観点から、好ましい。
また、本発明は、陽極と陰極との間に水素と酸素とを分離する隔膜を配置して、水素と酸素とを分離して回収する方式の電解によるガス発生装置にも適用することができる。この様な分離回収方式のガス発生装置については、例えば、Ｍ．Ｙａｍａｇｕｃｈｉらの“Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ２５００ｃｍ^２ Ｓｏｌｉｄ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｗａｔｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｚｅｒ ｉｎ ＷＥ−ＮＥＴ”と題する報文に記載がある。
以下、実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明は、これにより何ら限定されるものではない。
［実施例１］
図１〜３に関し説明した装置を用い、但し、蓋部材１０Ｂとして図２９に関し説明したものを使用して、以下の条件で水素−酸素ガスを発生させ、回収した。
電解槽及び蓋部材：
ステンレススチール製
２７０ｍｍ×１６６０ｍｍ×３９０ｍｍ（Ｈ）
振動発生手段：
振動モータ：（株）村上精機製作所製ユーラスバイブレータ
（商品名）、２５０Ｗ×３相×２００Ｖ、２軸タイプ
振動羽根：ステンレススチール（ＳＵＳ３０４）製、６枚
振動棒：チタン製、直径１２ｍｍ
スペーサ：チタン製、１２個
振動羽根用固定部材：１２個
振動羽根用パッキング：テフロン（登録商標）製、１２枚
電極群：
陽極：酸化皮膜ができず長期使用可能な白金めっきチタン合金製、
５０枚
陰極：チタン合金製、５０枚
絶縁体枠：合成ゴム製、厚さ５ｍｍ
電解液：蒸留水中に電解質としてＫＯＨを８重量％添加したもの、
温度５５℃、ｐＨ１０
陽極−陰極間の印加電圧：２．０Ｖ（直流）
電流密度：５Ａ／ｄｍ^２
水素−酸素ガスの回収量は、１０００リットル／時であった。
［実施例２］
陽極−陰極間の印加電圧として、「電気化学」第２４巻３９８〜４０３頁、同４４９〜４５６頁に記載のような交流重畳電流を用いること以外は実施例１と同様に実施した。
水素−酸素ガスの回収量は、１２００リットル／時であった。
１か月間にわたって継続運転したところ、実施例１よりも低消費電力で安定して水素−酸素ガスの回収ができた。
［実施例３］
電解槽として２７０ｍｍ×８５０ｍｍ×３４０ｍｍ（Ｈ）のものを使用し、振動モータとして（株）村上精機製作所製ハイフレユーラスＫＨＥ−２−２Ｔ［１００〜１２０Ｈｚ］（商品名）を１台のみ用いたこと以外は実施例１と同様に実施した。
水素−酸素ガスの回収量は、８００リットル／時であった。
［実施例４及び実施例５］
蓋部材１０Ｂの付されていない振動撹拌手段の位置において、図２０〜図２４Ｂに関し説明した密閉シールを施したこと以外は実施例１及び実施例２と同様に実施した。
実施例１と同様に実施した実施例４では、水素−酸素ガスの回収量は、２０００リットル／時であり、実施例２と同様に実施した実施例５では、水素−酸素ガスの回収量は、２５００リットル／時であり、いずれも大幅に向上した。
［実施例６］
陽極−陰極間の印加電圧として、昭和４６年７月２５日日刊工業新聞社発行「めっき技術便覧」３６７〜３６８頁に記載のようなＳＣＲ形６相半波整流のパルス電源から得られるものを用いたこと以外は実施例１と同様に実施した。
実施例１よりもエネルギー消費量が少ないにもかかわらず、水素−酸素ガスの回収量は、２２００リットル／時であった。
［実施例７］
蓋部材１０Ｂとして図１〜図３に関し説明したものを使用したこと以外は実施例１と同様に実施した。
水素−酸素ガスの回収量は、３０００リットル／時であり、実施例１に比べて大幅に向上した。
［実施例８］
電源３４として（株）中央製作所製のインバータデジタル制御方式の多機能型整流器パワーマスターＰＮＤ−１型を使用し、矩形波形のパルス電流（０．０８秒通電、０．０２秒遮断）を用いたこと以外は実施例７と同様に実施した。
エネルギー消費量が少ないにもかかわらず、水素−酸素ガスの回収量は、３５００リットル／時であった。
産業上の利用可能性
（１）驚くべきことに、振動撹拌手段を併用すると、電極間の間隔を２０ｍｍ以下にしても電解が良好に行なわれ、結果として水素−酸素ガスの発生効率を大幅に向上させることができる。
（２）電極間の間隔を低減することが可能になったことに伴い、１つのガス発生装置あたりの水素−酸素ガスの発生量を大幅に向上させることができる。
（３）振動撹拌手段の使用により、電解液中で発生する水素−酸素ガスの泡立ちが大きくならず、電気抵抗が大きくなることはない。
（４）本発明の装置は、深夜の安い電力を利用して、水素−酸素ガスを作り、これを貯蔵することにより、大需要に対する弾力的対応が可能である。電解の電源として直流パルス波形のものを用いれば、一層電力の節約になる。
（５）本発明の装置は、安全で危険のないカセットコンロの燃料供給源とすることができる。
（６）本発明の装置により得られたガスを使用して、従来の蓄熱冷暖房よりも優れた冷暖房装置を提供することができる。
（７）本発明の装置により発生するガスを用いて、小型、中型、大型の都市ゴミや産業廃棄物の焼却炉の燃焼を行なうことができ、これによれば無公害焼却が可能であるとともに経済性が高い。
（８）本発明の装置によれば、ボイラーやガスタービン等への燃料供給が可能である。
（９）都市部における安全で無公害のクリーンなガス発生装置として有用である。
（１０）船舶の燃料製造装置としても有用である。
（１１）ガスのプロペラ撹拌等の特別の手段を施さなくとも、均一性の良好なガスを発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明による水素−酸素ガス発生装置の構成を示す断面図である。
図２は、図１の水素−酸素ガス発生装置の平面図である。
図３は、図１の装置の側面図である。
図４は、図１の装置の部分拡大断面図である。
図５Ａは、電極群の構成を示す斜視図である。
図５Ｂは、電極群の構成を示す正面図である。
図６Ａは、電極群を構成する絶縁体枠を示す正面図である。
図６Ｂは、電極群を構成する電極を示す正面図である。
図７は、図１の装置の振動部材への振動棒の取り付け部の拡大断面図である。
図８は、振動部材への振動棒の取り付け部の変形例を示す拡大断面図である。
図９は、図１の装置の振動棒への振動羽根の取り付け部の拡大断面図である。
図１０は、振動羽根及び固定部材の変形例を示す平面図である。
図１１は、振動羽根及び固定部材の変形例を示す平面図である。
図１２は、振動羽根及び固定部材の変形例を示す平面図である。
図１３は、振動羽根及び固定部材の変形例を示す平面図である。
図１４は、振動羽根の長さとしなりの程度との関係を示すグラフである。
図１５は、振動撹拌手段の変形例を示す断面図である。
図１６は、振動撹拌手段の変形例を示す断面図である。
図１７は、振動撹拌手段の変形例を示す断面図である。
図１８は、振動撹拌手段の変形例を示す断面図である。
図１９は、振動撹拌手段の変形例を示す断面図である。
図２０は、本発明による水素−酸素ガス発生装置を構成する振動撹拌手段の電解槽への取り付けの形態を示す断面図である。
図２１は、図２０に示される装置の断面図である。
図２２は、図２０に示される装置の平面図である。
図２３Ａ〜２３Ｃは、積層体の平面図である。
図２４Ａ，２４Ｂは、積層体による電解槽の閉塞の様子を示す断面図である。
図２５Ａ〜２５Ｅは、積層体の断面図である。
図２６は、本発明による水素−酸素ガス発生装置のガス捕集手段の一部を示す図である。
図２７は、水素−酸素ガス発生装置により回収された水素−酸素ガスを利用するガス燃焼装置の一例を示す模式図である。
図２８は、振動撹拌手段の変形例を示す断面図である。
図２９は、蓋部材の変形例を示す斜視図である。

Claims (12)

1. 電解槽と、該電解槽内にて交互に配置された第１の電極及び第２の電極からなる電極群と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加する電源と、前記電解槽内に収容される電解液の電気分解により発生する水素−酸素ガスを捕集するためのガス捕集手段とを有する水素−酸素ガス発生装置であって、
   前記電解槽内に収容される電解液を振動撹拌するための振動撹拌手段を備えており、且つ、前記電極群において隣接する前記第１の電極と前記第２の電極との間の距離が１ｍｍ〜２０ｍｍの範囲内に設定されていることを特徴とする水素−酸素ガス発生装置。
2. 前記ガス捕集手段は、前記電解槽に付設された蓋部材と、該蓋部材に設けられた水素−酸素ガス取出口に接続された水素−酸素ガス採取管とを含んでなることを特徴とする、請求項１に記載の水素−酸素ガス発生装置。
3. 前記振動撹拌手段は、振動モータを含む振動発生手段と、該振動発生手段に連係して前記電解槽内で振動する振動棒に回転不能に且つ少なくとも一段に取り付けられた振動羽根とを含んでなり、前記振動モータは１０Ｈｚ〜２００Ｈｚの振動数で振動することを特徴とする、請求項１に記載の水素−酸素ガス発生装置。
4. 前記振動発生手段は、前記電解槽の上部に振動吸収部材を介して取り付けられていることを特徴とする、請求項３に記載の水素−酸素ガス発生装置。
5. 前記振動発生手段は、前記電解槽とは別の支持台により支持されていることを特徴とする、請求項３に記載の水素−酸素ガス発生装置。
6. 前記ガス捕集手段は、前記電解槽に付設された蓋部材と、該蓋部材に設けられた水素−酸素ガス取出口に接続された水素−酸素ガス採取管とを含んでなり、前記振動棒は前記蓋部材を貫通して延びており、該蓋部材と前記振動棒との間には前記振動棒の振動を許容し且つ前記水素−酸素ガスの通過を阻止するためのシール手段が介在していることを特徴とする、請求項３に記載の水素−酸素ガス発生装置。
7. 前記第１の電極及び前記第２の電極の少なくとも一方は多孔性のものであることを特徴とする、請求項１に記載の水素−酸素ガス発生装置。
8. 前記電源は直流パルス電源であることを特徴とする、請求項１に記載の水素−酸素ガス発生装置。
9. 請求項１に記載の水素−酸素ガス発生装置を用い、前記電解液として５重量％〜１０重量％の電解質を含み液温２０℃〜７０℃でｐＨ７〜１０のものを用いて、電流密度５Ａ／ｄｍ^２〜２０Ａ／ｄｍ^２となるように前記電解液の電気分解を行なうことを特徴とする水素−酸素ガス発生方法。
10. 前記電気分解は、前記電解槽に蓋部材を付設した密閉下でなされることを特徴とする、請求項９に記載の水素−酸素ガス発生方法。
11. 前記電解質が水溶性のアルカリ金属水酸化物またはアルカリ土類金属水酸化物であることを特徴とする、請求項９に記載の水素−酸素ガス発生方法。
12. 前記電源として直流パルス電源を用いることを特徴とする、請求項９に記載の水素−酸素ガス発生方法。

Images