WO2017069083A1 - 水素発生装置 - Google Patents

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宏幸 高波
勇作 那須
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三菱重工環境・化学エンジニアリング株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a hydrogen generator.
  • This application claims priority on Japanese Patent Application No. 2015-206216 filed on October 20, 2015, the contents of which are incorporated herein by reference.
  • Patent Document 1 describes an apparatus having a structure in which a cation exchange membrane that allows passage of cations is sandwiched between a cathode and an anode (electrode catalyst) formed of a platinum-based noble metal catalyst, a porous feeder, and a main electrode. ing.
  • the advantage of this device is that the resistance between the electrodes is small, and that the voltage does not rise easily even if the current density is increased.
  • a cation exchange membrane is strongly acidic, it is necessary to use noble metals, such as platinum, as an electrode catalyst, although it was excellent in corrosion resistance. This increases the device cost.
  • an apparatus employing an anion exchange membrane that allows anions to pass through has been developed as an ion exchange membrane.
  • the anion exchange membrane is formed of an alkaline material. Thereby, it is not necessary to use noble metals, such as platinum, as an electrode catalyst, and it can suppress the increase in apparatus cost.
  • the hydrogen generator using an anion exchange membrane has a problem that the members such as the ion exchange membrane, the gasket used for the electrolytic cell, and the packing are easily deteriorated as compared with the device using the cation exchange membrane. was there.
  • An object of the present invention is to provide a hydrogen generator capable of suppressing deterioration of members constituting an electrolytic cell and an anion exchange membrane in a hydrogen generator that generates hydrogen by electrolyzing water.
  • an electrolytic cell an anion exchange membrane that partitions the electrolytic cell into a cathode chamber and an anode chamber, a cathode chamber water supply unit that supplies water to the cathode chamber, and the anode
  • An anode chamber water supply section for supplying water to the chamber; a cathode provided on the cathode chamber side surface of the anion exchange membrane; an anode provided on the anode chamber side surface of the anion exchange membrane;
  • a cathode feeder that is arranged inside the cathode chamber and supplies power to the cathode; an anode feeder that is arranged inside the anode chamber and supplies power to the anode; and in the anode chamber, the anode chamber
  • an active oxygen reducing material that reduces the active oxygen generated in the battery.
  • the members constituting the electrolytic cell and the anion exchange membrane are oxidized and decomposed by the active oxygen. Deterioration can be suppressed.
  • the active oxygen reducing material may include a catalyst that promotes self-decomposition of the active oxygen.
  • active oxygen can be reduced by a chemical reaction by promoting self-decomposition of active oxygen using a catalyst.
  • the anode power supply body has conductivity and has a wire disposed so as to fill the internal space of the anode chamber, and the catalyst may be disposed on the outer surface of the wire.
  • the self-decomposing catalyst can be uniformly distributed in the anode chamber by coating the wire disposed so as to fill the internal space of the anode chamber with the catalyst.
  • the active oxygen reducing material may be supplied from a catalyst supply unit that adds the catalyst to water supplied from the anode chamber water supply unit.
  • the dispersion amount of the self-decomposing catalyst can be increased.
  • positioned can be used as an electric power feeder. Further, the amount of the self-decomposing catalyst can be adjusted according to the generation state of active oxygen.
  • the hydrogen generation apparatus may further include a pressure adjusting unit that makes the internal pressure of the cathode chamber equal to or higher than the internal pressure of the anode chamber.
  • the members constituting the electrolytic cell and the anion exchange membrane are deteriorated by being oxidized and decomposed by the active oxygen. This can be suppressed.
  • the hydrogen generator 1 of 1st embodiment of this invention includes an electrolytic cell 2, a DC power source 3, a hydrogen tank 4 into which hydrogen (H 2 ) generated in the electrolytic cell 2 is introduced, electrolysis And an oxygen tank 5 into which oxygen (O 2 ) generated in the tank 2 is introduced.
  • the hydrogen generator 1 is a device that obtains hydrogen by electrolyzing water (H 2 O pure water) in the electrolytic cell 2.
  • the electrolytic cell 2 is partitioned into a cathode chamber 13 and an anode chamber 14 by an anion exchange membrane 7 (anion exchange membrane, alkaline ion exchange membrane).
  • the upper part of the cathode chamber 13 and the hydrogen tank 4 are connected via a first treated water line 17 into which treated water containing hydrogen is introduced.
  • the upper part of the anode chamber 14 and the oxygen tank 5 are connected via a second treated water line 18 into which treated water containing oxygen is introduced.
  • the lower part of the hydrogen tank 4 and the lower part of the cathode chamber 13 are connected via a first circulation line 15.
  • the first circulation line 15 functions as a cathode chamber water supply unit that supplies water to the cathode chamber 13.
  • the lower part of the oxygen tank 5 and the lower part of the anode chamber 14 are connected via a second circulation line 16.
  • the second circulation line 16 functions as an anode chamber water supply unit that supplies water to the anode chamber 14.
  • the electrolytic cell 2 includes a casing 6, an anion exchange membrane 7, a cathode 9 formed on the surface (the other surface) of the anion exchange membrane 7 on the cathode chamber 13 side, and an anion exchange membrane. 7, the anode 10 formed on the surface on the anode chamber 14 side (one surface), the plate-like main electrode 8 connected to the DC power supply 3, the cathode power supply 11, and the anode power supply 12. I have.
  • the casing 6 has a side wall 22, an upper wall 23 that seals the upper part of the electrolytic cell 2, and a lower wall 24 that seals the lower part of the electrolytic cell 2.
  • the electrolytic cell 2 is partitioned into a cathode chamber 13 and an anode chamber 14 by an anion exchange membrane 7.
  • the lower wall 24 is provided with a water introduction hole 25 for supplying water flowing through the circulation lines 15 and 16 to the cathode chamber 13 and the anode chamber 14.
  • the upper wall 23 is provided with hydrogen discharge holes 26 for discharging hydrogen and water from the cathode chamber 13.
  • An oxygen discharge hole 27 for discharging oxygen and water from the anode chamber 14 is formed in the upper wall 23.
  • the anion exchange membrane 7 is an alkaline (basic) ion exchange membrane (electrolyte membrane) that blocks passage of cations and allows passage of anions.
  • alkaline basic
  • ion exchange membrane electrophilic membrane
  • Neosepta AHA registered trademark manufactured by Astom Co., Ltd. can be used.
  • the cathode 9 is an electrode catalyst having a large number of holes attached to the surface of the anion exchange membrane 7 facing the cathode chamber 13.
  • the anode 10 is an electrode catalyst having a large number of holes attached to the surface of the anion exchange membrane 7 facing the anode chamber 14.
  • the cathode 9 and the anode 10 have a joint surface on the surface of the anion exchange membrane 7 by kneading the catalyst material and the anion exchange membrane material. That is, the anion exchange membrane 7 is sandwiched between the cathode 9 and the anode 10, and the anion exchange membrane 7, the cathode 9, and the anode 10 are integrated.
  • the cathode 9 and the anode 10 are made of a transition metal such as iron, nickel, or cobalt. That is, it is not necessary to use a noble metal such as platinum or iridium as a material for forming the cathode 9 and the anode 10.
  • the main electrode 8 is a plate-like member disposed adjacent to the side wall 22 and is formed of a conductive metal.
  • the cathode power supply 11 is a porous power supply connected to the main electrode 8. As shown in FIG. 3, the cathode power supply 11 is composed of a plurality of conductive wires 20 combined so as to fill the internal space of the cathode chamber 13.
  • the cathode power supply 11 can be formed from a plurality of meshes made of wires 20 combined in a lattice shape and a plurality of wires 20 connecting the meshes.
  • the planar mesh is arranged in parallel with the main electrode 8, and the wire 20 connecting the meshes extends in a direction orthogonal to the main electrode 8.
  • the shape of the cathode power supply 11 is not limited to the shape described above, and may be any porous structure that fills the space of the cathode chamber 13 and allows liquid to pass through.
  • a structure in which wires are entangled in a non-woven shape may be used.
  • what formed the material which has electroconductivity in sponge shape may be used.
  • the shape of the anode feeder 12 is substantially the same as that of the cathode feeder 11. As shown in FIG. 4, at least a part of the outer surface of the wire 20 constituting the anode feeder 12 promotes self-decomposition of active oxygen such as hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) and ozone (O 3 ). It is coated with catalyst 21 (self-decomposing catalyst).
  • the self-decomposing catalyst 21 functions as an active oxygen reducing material that reduces active oxygen generated in the anode chamber 14 in the anode chamber 14.
  • the self-decomposing catalyst 21 can employ transition metals, for example, oxides such as manganese (Mn), molybdenum (Mo), tungsten (W), and tantalum (Ta).
  • the self-decomposing catalyst 21 can employ a rare earth element, for example, an oxide of lanthanum (La). Furthermore, as the self-decomposing catalyst 21, a composite oxide of the above transition metal or rare earth metal can be employed. In consideration of cost, it is not preferable to use platinum (Pt) or iridium (Ir) as a material for forming the self-decomposing catalyst 21.
  • a rare earth element for example, an oxide of lanthanum (La).
  • a composite oxide of the above transition metal or rare earth metal can be employed. In consideration of cost, it is not preferable to use platinum (Pt) or iridium (Ir) as a material for forming the self-decomposing catalyst 21.
  • the self-decomposing catalyst 21 does not need to be uniformly distributed on the wire 20 and may be dispersed on the outer surface of the wire 20 as shown in FIG. That is, the self-decomposing catalyst 21 only needs to cover at least a part of the outer peripheral surface of the wire 20. However, the self-decomposing catalyst 21 is preferably formed uniformly on the outer peripheral surface of the wire 20.
  • the capacity C1 of the hydrogen tank 4 and the capacity C2 of the oxygen tank 5 are such that the internal pressure of the hydrogen tank 4 and the internal pressure of the oxygen tank 5 that change with the generation of hydrogen and oxygen are substantially equal.
  • a reaction represented by the formula (1) occurs as the positive reaction R ⁇ b> 1 (see FIG. 2).
  • hydrogen (H 2 ) and hydroxide ions (anions, OH ⁇ ) are generated by electrolyzing water (H 2 O) in the cathode chamber 13.
  • water and electrons (e ⁇ ) supplied from the cathode power supply 11 react to generate hydrogen.
  • Hydrogen and water generated in the cathode chamber 13 are introduced into the hydrogen tank 4 and separated into gas and liquid. Hydroxide ions, which are anions, pass through the anion exchange membrane and move to the anode chamber 14.
  • the reaction shown in the formula (2) occurs as the positive reaction R1. 4OH ⁇ ⁇ O 2 + 2H 2 O + 2e ⁇ (2) That is, oxygen (O 2 ) and water (H 2 O) are generated from hydroxide ions. Oxygen and water generated in the anode chamber 14 are introduced into the oxygen tank 5 for gas-liquid separation.
  • the anode power feeder 12 of this embodiment is coated with a self-decomposing catalyst 21 that promotes the self-decomposing of active oxygen such as hydrogen peroxide and ozone.
  • a self-decomposing catalyst 21 that promotes the self-decomposing of active oxygen such as hydrogen peroxide and ozone.
  • the anode feeder 12 disposed in the anode chamber 14 is coated with the catalyst 21 that promotes the self-decomposition of active oxygen, so that it is used for the anion exchange membrane 7, the casing 6, and the casing 6. It is possible to suppress the deterioration of the gaskets and packings that are oxidized and decomposed by active oxygen.
  • the anion exchange membrane 7 is mainly made of an organic material, and is easily damaged by the diffusion of active oxygen such as hydrogen peroxide and ozone. Therefore, suppression of the generation of CO by promoting the self-decomposition of active oxygen leads to a long life of the electrode catalyst.
  • CO generated by the oxidation of the organic material disposed inside the electrolytic cell 2 is a poisoning component of the electrode catalyst (cathode 9 and anode 10), and therefore, the effect of promoting the self-decomposition of active oxygen is promoted. Is big.
  • the self-decomposing catalyst 21 can be uniformly distributed in the anode chamber 14 by coating the wire 20 disposed so as to fill the space of the anode chamber 14 with the catalyst 21.
  • the electrode catalyst is pressure-bonded to the anion exchange membrane 7, the electric resistance is small. Thereby, the energy efficiency at the time of hydrogen generation can be improved. Further, by making the capacity of the hydrogen tank 4 larger than the capacity of the oxygen tank 5, the differential pressure between the internal pressure of the cathode chamber 13 and the internal pressure of the anode chamber 14 can be reduced. That is, by reducing the differential pressure between the internal pressure of the hydrogen tank 4 and the internal pressure of the oxygen tank 5, the differential pressure between the internal pressure of the cathode chamber 13 and the internal pressure of the anode chamber 14 communicating with these tanks through the line. Can be reduced.
  • the electrolytic cell 2 can have a structure in which a plurality of cathode chambers 13 and anode chambers 14 are provided in the casing 6.
  • the positive main electrode 8 can be shared by the pair of anode chambers 14 as in the electrolytic cell 2 of the modification of the first embodiment of FIG.
  • the water in the hydrogen tank 4 and the oxygen tank 5 is circulated to the electrolytic cell 2, but the present invention is not limited to this.
  • the water supplied to the electrolytic cell 2 may be supplied from another system. Further, the water in the hydrogen tank 4 may be introduced into the oxygen tank 5.
  • the hydrogen generator of this embodiment includes a catalyst supply unit 28 that adds self-decomposing catalyst powder 21S (self-decomposing catalyst fine particles) to the second circulation line 16.
  • self-decomposing catalyst powder 21S self-decomposing catalyst fine particles
  • water to which the self-decomposing catalyst powder 21 ⁇ / b> S has been added is supplied to the anode chamber 14 via the second circulation line 16.
  • water containing the self-decomposing catalyst powder 21S circulates in the anode chamber 14 and the oxygen tank 5 of the present embodiment.
  • the amount of dispersion of the self-decomposing catalyst can be increased. Further, the amount of the self-decomposing catalyst can be adjusted according to the generation state of active oxygen.
  • the catalyst supply unit 28 is provided in the second circulation line 16, but the present invention is not limited to this, and the self-decomposing catalyst powder 21S may be added to water from the beginning. .
  • the hydrogen generator 1 ⁇ / b> C of this embodiment is provided with a flow rate adjustment valve 29 that adjusts the flow rates of water and hydrogen flowing through the first treated water line 17.
  • the flow rate adjusting valve 29 is a valve capable of adjusting the flow path area of the first treated water line 17. In water electrolysis, a pressure difference is generated because the volume ratio of hydrogen and oxygen generated in the cathode chamber and the anode chamber is different from 2: 1.
  • the flow rate adjusting valve 29 functions as a pressure adjusting unit that makes the internal pressure of the cathode chamber 13 (see FIG. 6) equal to or higher than the internal pressure of the anode chamber 14. That is, the flow rate adjusting valve 29 has a function of adjusting a pressure difference generated in the cathode chamber 13 and the anode chamber 14 and adjusts the pressure in the cathode chamber 13 to be higher than that of the anode chamber 14.
  • the electrolytic cell 2 is provided with a cathode chamber pressure measuring device 30 that measures the internal pressure of the cathode chamber 13 and an anode chamber pressure measuring device 31 that measures the internal pressure of the anode chamber 14.
  • the hydrogen generator 1 ⁇ / b> C of this embodiment includes a control device 32 that adjusts the flow rate adjustment valve 29.
  • the control device 32 receives the internal pressure value of the cathode chamber 13 and the internal pressure value of the anode chamber 14 measured by the cathode chamber pressure measuring device 30 and the anode chamber pressure measuring device 31.
  • the control device 32 adjusts the flow rate adjustment valve 29 so that the internal pressure of the cathode chamber 13 is equal to or higher than the internal pressure of the anode chamber 14.
  • the capacity of the hydrogen tank 4 is larger than the capacity of the oxygen tank 5, the differential pressure between the internal pressure of the cathode chamber 13 and the internal pressure of the anode chamber 14 is small.
  • the flow area of the first treated water line 17 can be reduced by using the flow rate adjusting valve 29.
  • a pressure loss occurs in the first treated water line 17 as the flow area of the first treated water line 17 decreases, so that it is equivalent to the internal pressure anode chamber 14 of the cathode chamber 13 upstream of the flow rate adjustment valve 29, or Can be high.
  • the internal pressure of the cathode chamber 13 By making the internal pressure of the cathode chamber 13 equal to or higher than the internal pressure of the anode chamber 14, water inside the anode chamber 14 containing active oxygen passes through the anion exchange membrane 7 toward the cathode chamber 13, It is possible to prevent the anion exchange membrane 7 from being oxidatively decomposed. Further, the capacity of the hydrogen tank 4 and the capacity of the oxygen tank 5 are set so that the internal pressure of the cathode chamber 13 and the internal pressure of the anode chamber 14 are substantially equal. The pressure difference generated in the cathode chamber 13 and the anode chamber 14 can be easily adjusted.
  • the capacity of the hydrogen tank 4 is larger than the capacity of the oxygen tank 5, and the pressure difference between the internal pressure of the cathode chamber 13 and the internal pressure of the anode chamber 14 is reduced.
  • the present invention is not limited to this. That is, it is not necessary to make the capacity of the hydrogen tank 4 larger than the capacity of the oxygen tank 5, so that the capacity of the hydrogen tank 4 and the capacity of the oxygen tank 5 are made substantially equal. It may be easy to increase.

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Abstract

電解槽（２）と、電解槽（２）を陰極室（１３）と陽極室（１４）とに区画するアニオン交換膜（７）と、陰極室（１３）に水を供給する陰極室水供給部（１５）と、陽極室（１４）に水を供給する陽極室水供給部（１６）と、アニオン交換膜（７）の陰極室側の面に設けられた陰極（９）と、アニオン交換膜（７）の陽極室側の面に設けられた陽極（１０）と、陰極室（１３）の内部に配置されて陰極（９）に電力を供給する陰極給電体（１１）と、陽極室（１４）の内部に配置されて陽極（１０）に電力を供給する陽極給電体（１２）と、陽極室（１４）にて、陽極室（１４）内に発生する活性酸素を減少させる活性酸素減少材（２１）と、を備える水素発生装置を提供する。

Description

水素発生装置
　本発明は、水素発生装置に関する。
　本願は、２０１５年１０月２０日に出願された特願２０１５－２０６２１６号について優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　水を電気分解して水素を発生させる装置としては、イオン交換膜（固体高分子電解質膜）を電解質として用いる装置が知られている。特許文献１には、陽イオンを通過させる陽イオン交換膜を、白金系貴金属触媒で形成された陰極と陽極（電極触媒）、多孔質系給電体、及び主電極で挟む構造の装置が記載されている。この装置の利点は、電極間の抵抗が小さいこと、電流密度を大きくしても電圧上昇が生じにくいこと等である。
　ところで、上記従来の装置においては、陽イオン交換膜が強酸性であるため、電極触媒として耐食性に優れたに白金等の貴金属を用いる必要がある。これにより、装置コストが増大する。
　これに対し、近年、イオン交換膜として、陰イオンを通過させるアニオン交換膜を採用した装置が開発されている。アニオン交換膜は、アルカリ性の材料によって形成されている。これにより、電極触媒として白金等の貴金属を使用する必要がなく、装置コストの増大を抑制することができる。
特公昭５８－１５５４４号公報
　しかしながら、陰イオン交換膜を用いた水素発生装置は、陽イオン交換膜を用いた装置と比較して、イオン交換膜や、電解槽に使用されるガスケット、パッキン等の部材が劣化しやすいという課題があった。
　この発明は、水を電気分解することにより水素を発生させる水素発生装置において、電解槽を構成する部材や、アニオン交換膜が劣化することを抑制することができる水素発生装置を提供することを目的とする。
　本発明の第一の態様によれば、電解槽と、前記電解槽を陰極室と陽極室とに区画するアニオン交換膜と、前記陰極室に水を供給する陰極室水供給部と、前記陽極室に水を供給する陽極室水供給部と、前記アニオン交換膜の前記陰極室側の面に設けられた陰極と、前記アニオン交換膜の前記陽極室側の面に設けられた陽極と、前記陰極室の内部に配置されて前記陰極に電力を供給する陰極給電体と、前記陽極室の内部に配置されて前記陽極に電力を供給する陽極給電体と、前記陽極室にて、前記陽極室内に発生する活性酸素を減少させる活性酸素減少材と、を備える。
　このような構成によれば、陽極室に発生する活性酸素を減少させる活性酸素減少材を設けたことによって、電解槽を構成する部材や、アニオン交換膜が活性酸素により酸化分解されるなどして劣化することを抑制することができる。
　上記水素発生装置において、前記活性酸素減少材は、前記活性酸素の自己分解を促進する触媒を有してよい。
　このような構成によれば、触媒を用いて活性酸素の自己分解を促進させることによって、化学反応により活性酸素を減少させることができる。
　上記水素発生装置において、前記陽極給電体は、導電性を有し、陽極室の内部空間を埋めるように配置されたワイヤを有し、前記触媒は、前記ワイヤの外表面に配置されていてよい。
　このような構成によれば、陽極室の内部空間を埋めるように配置されたワイヤを触媒でコーティングすることによって、陽極室内に自己分解触媒を均一に分布することができる。
　上記水素発生装置において、前記活性酸素減少材は、前記陽極室水供給部から供給される水に前記触媒を添加する触媒供給部から供給してよい。
　このような構成によれば、自己分解触媒の分散量を大きくすることができる。また、給電体として、自己分解触媒が配置されていない通常の触媒を用いることができる。また、活性酸素の発生状況に応じて、自己分解触媒の量を調整することができる。
　上記水素発生装置において、前記陰極室の内部圧力を前記陽極室の内部圧力と同等か、または高圧にする圧力調整部をさらに有してよい。
　このような構成によれば、陰極室の内部圧力を陽極室の内部圧力よりも高くすることにより、活性酸素を含有した陽極室内部の水が陰極室へ向かってアニオン交換膜を通過したり、アニオン交換膜を酸化分解したりするのを防止することができる。
　本発明によれば、陽極室に発生する活性酸素を減少させる活性酸素減少材を設けたことによって、電解槽を構成する部材や、アニオン交換膜が活性酸素により酸化分解されるなどして劣化することを抑制することができる。
本発明の第一実施形態の水素発生装置の概略構成図である。 本発明の第一実施形態の電解槽の断面図である。 本発明の第一実施形態の主電極及び陰極給電体の斜視図である。 本発明の第一実施形態のワイヤの断面図である。 本発明の第一実施形態のワイヤの側面図である。 本発明の第一実施形態の変形例の電解槽の断面図である。 本発明の第二実施形態の電解槽の断面図である。 本発明の第三実施形態の水素発生装置の斜視図である。
（第一実施形態）
　以下、本発明の第一実施形態の水素発生装置１について図面を参照して詳細に説明する。
　図１に示すように、本実施形態の水素発生装置１は、電解槽２と、直流電源３と、電解槽２にて生成された水素（Ｈ２）が導入される水素タンク４と、電解槽２にて生成された酸素（Ｏ２）が導入される酸素タンク５と、を備えている。水素発生装置１は、電解槽２内の水（Ｈ２Ｏ純水）を電気分解することにより、水素を得る装置である。
　電解槽２は、アニオン交換膜７（陰イオン交換膜、アルカリ形イオン交換膜）によって陰極室１３と陽極室１４とに区画されている。
　陰極室１３の上部と水素タンク４とは、水素を含む処理水が導入される第一処理水ライン１７を介して接続されている。陽極室１４の上部と酸素タンク５とは、酸素を含む処理水が導入される第二処理水ライン１８を介して接続されている。
　水素タンク４の下部と陰極室１３の下部とは、第一循環ライン１５を介して接続されている。第一循環ライン１５は、陰極室１３に水を供給する陰極室水供給部として機能する。酸素タンク５の下部と陽極室１４の下部とは、第二循環ライン１６を介して接続されている。第二循環ライン１６は、陽極室１４に水を供給する陽極室水供給部として機能する。
　図２に示すように、電解槽２は、ケーシング６と、アニオン交換膜７と、アニオン交換膜７の陰極室１３側の面（他方の面）に形成されている陰極９と、アニオン交換膜７の陽極室１４側の面（一方の面）に形成されている陽極１０と、直流電源３と接続された板状の主電極８と、陰極給電体１１と、陽極給電体１２と、を備えている。
　ケーシング６は、側壁２２と、電解槽２の上部を封止する上壁２３と、電解槽２の下部を封止する下壁２４と、を有している。
　電解槽２は、アニオン交換膜７によって陰極室１３と陽極室１４とに区画されている。下壁２４には、循環ライン１５，１６を流れる水を陰極室１３及び陽極室１４に供給するための水導入孔２５が設けられている。上壁２３には、陰極室１３から水素及び水を排出するための水素排出孔２６が設けられている。上壁２３には、陽極室１４から酸素及び水を排出するための酸素排出孔２７が形成されている。
　アニオン交換膜７は、陽イオンの通過を阻止し陰イオンを通過させるアルカリ性（塩基性）のイオン交換膜（電解質膜）である。アニオン交換膜７としては、例えば株式会社アストム製、ネオセプタＡＨＡ（登録商標）等を使用することができる。
　陰極９は、アニオン交換膜７の陰極室１３を向く面に貼り付けられている、多数の孔を有する電極触媒である。陽極１０は、アニオン交換膜７の陽極室１４を向く面に貼り付けられている、多数の孔を有する電極触媒である。陰極９及び陽極１０は、アニオン交換膜７の表面に、触媒材料とアニオン交換膜材料が混練されて接合面を有する。即ち、アニオン交換膜７は、陰極９と陽極１０とによって挟まれており、アニオン交換膜７と陰極９と陽極１０とは一体化されている。
　陰極９及び陽極１０は、鉄、ニッケル、コバルト等の遷移金属によって形成されている。即ち、陰極９及び陽極１０を形成するための材料に、白金、イリジウムなどの貴金属を使用する必要はない。
　主電極８は、側壁２２に隣接して配置された板状部材であり、導電性を有する金属によって形成されている。
　陰極給電体１１は、主電極８と接続された多孔質系給電体である。図３に示すように、陰極給電体１１は、陰極室１３の内部空間を埋めるように組み合わせられた複数の導電性のワイヤ２０から構成されている。例えば、陰極給電体１１は、格子状に組み合わされているワイヤ２０からなる複数のメッシュと、メッシュ同士を接続する複数のワイヤ２０と、から形成することができる。面状をなすメッシュは主電極８と平行に配置されて、メッシュ同士を接続するワイヤ２０は主電極８と直交する方向に延在している。
　陰極給電体１１の形状は、上記した形状に限ることはなく、陰極室１３の空間を埋めると共に、液体が通過できる多孔質の構造であればよい。例えば、ワイヤを不織布状に絡み合わせた構造としてもよい。また、導電性を有する材料をスポンジ状に形成したものでもよい。
　陽極給電体１２の形状は、陰極給電体１１と略同様である。
　図４に示すように、陽極給電体１２を構成するワイヤ２０の外表面の少なくとも一部は、過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）やオゾン（Ｏ３）などの活性酸素の自己分解を促進する触媒２１（自己分解触媒）によってコーティングされている。自己分解触媒２１は、陽極室１４にて、陽極室１４内に発生する活性酸素を減少させる活性酸素減少材として機能する。
　自己分解触媒２１は、遷移金属、例えば、マンガン（Ｍｎ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）等の酸化物を採用することができる。又は、自己分解触媒２１は、希土類元素、例えば、ランタン（Ｌａ）の酸化物、を採用することができる。更に、自己分解触媒２１としては、上記遷移金属又は希土類金属の複合酸化物を採用することができる。
　なお、コストを考慮すると、自己分解触媒２１を形成する材料として、白金（Ｐｔ）や、イリジウム（Ｉｒ）を用いることは好ましくない。
　また、自己分解触媒２１は、ワイヤ２０に均一に分布させる必要はなく、図５に示すように、ワイヤ２０の外表面に分散させてもよい。即ち、自己分解触媒２１は、ワイヤ２０の外周面の少なくとも一部を被覆していればよい。ただし、自己分解触媒２１は、ワイヤ２０の外周面に一様に形成されていることが好ましい。
　水素タンク４の容量Ｃ１と酸素タンク５の容量Ｃ２の比は、Ｃ１：Ｃ２＝２±０．５：１となっている。即ち、水素タンク４の容量は、酸素タンク５容量よりも大きくなるように設定されている。
　具体的には、水素タンク４の容量Ｃ１と酸素タンク５の容量Ｃ２は、水素及び酸素の発生に伴い変化する水素タンク４の内部圧力と酸素タンク５の内部圧力とが、略等しくなるように設定されている。
　即ち、陰極９において発生する水素の体積Ｖ１と陽極１０において発生する酸素の体積Ｖ２の比は、Ｖ１：Ｖ２＝２：１である。水素の体積Ｖ１が酸素の体積Ｖ２の約２倍であるため、水素タンク４の容量を大きくすることにより、水素タンク４の内部圧力と酸素タンク５の内部圧力の差圧が小さくなる。
　次に、本実施形態の水素発生装置１の作用について説明する。
　循環ラインから水が供給されて、陰極室１３及び陽極室１４に水が流入した状態において、主電極８に電力を供給すると、陰極室１３内の水が電気分解される。
　陰極室１３においては、正反応Ｒ１（図２参照）として式（１）に示すような反応が起こる。
　４Ｈ２Ｏ　＋　４ｅ－　→　２Ｈ２　＋　４ＯＨ－　・・・（１）
　即ち、陰極室１３において水（Ｈ２Ｏ）が電気分解されることにより、水素（Ｈ２）と水酸化物イオン（陰イオン、ＯＨ－）が発生する。換言すれば、水と陰極給電体１１から供給される電子（ｅ－）とが反応して水素が発生する。陰極室１３にて生成された水素及び水は、水素タンク４に導入されて気液分離される。
　陰イオンである水酸化物イオンは、陰イオン交換膜を通過して陽極室１４に移動する。
　陽極室１４においては、正反応Ｒ１として式（２）に示すような反応が起こる。
　４ＯＨ－　→　Ｏ２　＋　２Ｈ２Ｏ　＋　２ｅ－　・・・（２）
　即ち、水酸化物イオンから酸素（Ｏ２）及び水（Ｈ２Ｏ）が生成される。陽極室１４にて生成された酸素及び水は、酸素タンク５に導入されて気液分離される。
　一方、陽極室１４においては、副反応Ｒ２（図２参照）として式（３）、（４）に示すような反応が起こる。
　２ＯＨ－　→　Ｈ２Ｏ２　＋　２ｅ－　・・・（３）
　２ＯＨ－　＋　Ｏ２　→　Ｏ３　＋　Ｈ２Ｏ　＋　２ｅ－　・・・（４）
　即ち、陽極１０における副生成物質として、過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）、オゾン（Ｏ３）が発生する。
　ここで、本実施形態の陽極給電体１２は、過酸化水素やオゾンなどの活性酸素の自己分解を促進する自己分解触媒２１でコーティングされている。これにより、式（５）、（６）で示す過酸化水素とオゾンの自己分解が促進される。
　２Ｈ２Ｏ２　→　２Ｈ２Ｏ　＋　Ｏ２　・・・（５）
　２Ｏ３　→　３Ｏ２　・・・（６）
　上記実施形態によれば、陽極室１４に配置されている陽極給電体１２が活性酸素の自己分解を促進する触媒２１によってコーティングされていることによって、アニオン交換膜７、ケーシング６、ケーシング６に使用されるガスケット、パッキン類が活性酸素により酸化分解されるなどして劣化することを抑制することができる。
　特に、アニオン交換膜７は、主に有機材料から形成されており、過酸化水素やオゾン等の活性酸素が拡散することによって損傷しやすい。よって、活性酸素の自己分解が促進されることによりＣＯの発生が抑制されることは、電極触媒の長寿命化につながる。
　更に、電解槽２の内部に配置される有機材料の酸化によって発生するＣＯは、電極触媒（陰極９、陽極１０）の被毒成分であるため、活性酸素の自己分解が促進されることによる効果が大きい。
　また、陽極室１４の空間を埋めるように配置されたワイヤ２０を触媒２１でコーティングすることによって、陽極室１４内に自己分解触媒２１を均一に分布することができる。
　また、アニオン交換膜７に電極触媒が圧着されているため、電気抵抗が少ない。これにより、水素発生の際のエネルギー効率を高めることができる。
　また、水素タンク４の容量を酸素タンク５の容量よりも大きくすることによって、陰極室１３の内部圧力と陽極室１４の内部圧力の差圧を小さくすることができる。即ち、水素タンク４の内部圧力と酸素タンク５の内部圧力の差圧を小さくすることにより、これらタンクとラインを通じて連通している陰極室１３の内部圧力と陽極室１４の内部圧力との差圧を小さくすることができる。これにより、陽極／陰極室の電解液が電極ならびにアニオン交換膜を透過し、電流効率の低下（＝発生した水素、酸素が対極室へ移動して逆電解され水に戻る現象）や、アニオン交換膜のダメージ（＝陽極で発生した活性酸素種（Ｈ２Ｏ２，Ｏ３）がアニオン交換膜へ逆流して膜を酸化分解する問題）を制御し易くなる。加えて物理的なアニオン交換膜の変形や損傷を防ぐことが出来る。
　なお、電解槽２は、ケーシング６内に複数の陰極室１３及び陽極室１４を設ける構造とすることができる。例えば、図６の第一実施形態の変形例の電解槽２のように、正の主電極８を一対の陽極室１４で共用する構造とすることができる。
　また、上記実施形態では、水素タンク４及び酸素タンク５内の水を電解槽２に循環させる構成としたがこれに限ることはない。電解槽２に供給する水は、別の系統から供給してよい。また、水素タンク４内の水を酸素タンク５内に導入させてもよい。
（第二実施形態）
　以下、本発明の第二実施形態の水素発生装置を図面に基づいて説明する。なお、本実施形態では、上述した第一実施形態との相違点を中心に述べ、同様の部分についてはその説明を省略する。
　図７に示すように、本実施形態の水素発生装置の陽極給電体１２は、自己分解触媒によってコーディングされていない。
　本実施形態の水素発生装置は、第二循環ライン１６に自己分解触媒粉末２１Ｓ（自己分解触媒の微粒子）を添加する触媒供給部２８を有している。これにより、陽極室１４には、第二循環ライン１６を介して自己分解触媒粉末２１Ｓが添加された水が供給される。換言すれば、本実施形態の陽極室１４と酸素タンク５とには、自己分解触媒粉末２１Ｓを含有する水が循環する。
　上記実施形態によれば、自己分解触媒の分散量を大きくすることができる。
　また、活性酸素の発生状況に応じて、自己分解触媒の量を調整することができる。
　なお、本実施形態の水素発生装置では、第二循環ライン１６に触媒供給部２８を設ける構成としたが、これに限ることはなく、最初から水に自己分解触媒粉末２１Ｓを添加してもよい。
（第三実施形態）
　以下、本発明の第三実施形態の水素発生装置１Ｃを図面に基づいて説明する。なお、本実施形態では、上述した第一実施形態との相違点を中心に述べ、同様の部分についてはその説明を省略する。
　図８に示すように、本実施形態の水素発生装置１Ｃは、第一処理水ライン１７を流れる水及び水素の流量を調整する流量調整バルブ２９が設けられている。流量調整バルブ２９は、第一処理水ライン１７の流路面積を調整可能な弁である。水電解では陰極室と陽極室において発生する水素、酸素の体積比が２：１と異なることで圧力差を生じる。このため、流量調整バルブ２９は、陰極室１３（図６参照）の内部圧力を陽極室１４の内部圧力と同等か、または高圧にする圧力調整部として機能する。即ち、流量調整バルブ２９は、陰極室１３と陽極室１４において生じる圧力差を調整する機能を有し、陰極室１３の圧力を陽極室１４以上に調整する。
　電解槽２には、陰極室１３の内部圧力を測定する陰極室圧力測定装置３０と、陽極室１４の内部圧力を測定する陽極室圧力測定装置３１が設けられている。
　本実施形態の水素発生装置１Ｃは、流量調整バルブ２９を調整する制御装置３２を備えている。制御装置３２には、陰極室圧力測定装置３０と陽極室圧力測定装置３１によって測定された陰極室１３の内部圧力の値及び陽極室１４の内部圧力の値が入力される。制御装置３２は、陰極室１３の内部圧力が陽極室１４の内部圧力と同等または高くなるように、流量調整バルブ２９を調整する。
　ここで、水素タンク４の容量が酸素タンク５の容量よりも大きいため、陰極室１３の内部圧力と陽極室１４の内部圧力との差圧は小さくなっている。
　上記実施形態によれば、流量調整バルブ２９を用いて第一処理水ライン１７の流路面積を小さくすることができる。第一処理水ライン１７の流路面積の減少に伴い第一処理水ライン１７に圧力損失が生じることによって、流量調整バルブ２９の上流側の陰極室１３の内部圧力陽極室１４と同等か、または高くすることができる。
　陰極室１３の内部圧力を陽極室１４の内部圧力と同等か、または高くすることにより、活性酸素を含有した陽極室１４内部の水が陰極室１３へ向かってアニオン交換膜７を通過したり、アニオン交換膜７を酸化分解したりするのを防止することができる。
　また、水素タンク４の容量と酸素タンク５の容量とが、陰極室１３の内部圧力と陽極室１４の内部圧力とを略等しくするように設定されていることにより、流量調整バルブ２９の調整により、陰極室１３と陽極室１４において生じる圧力差を調整しやすくすることができる。
　なお、上記実施形態では、水素タンク４の容量を酸素タンク５の容量よりも大きくして、陰極室１３の内部圧力と陽極室１４の内部圧力との差圧を小さくした状態で、更に陰極室１３の内部圧力を高くする構成としたがこれに限ることはない。即ち、水素タンク４の容量を酸素タンク５の容量よりも大きくするは必要なく、水素タンク４の容量と酸素タンク５の容量とを略等しくするなどしてこれにより、陰極室１３の内部圧力を高めやすくしてもよい。
　以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはなく、クレームの範囲によってのみ限定される。
　１　水素発生装置
　２　電解槽
　３　直流電源
　４　水素タンク
　５　酸素タンク
　６　ケーシング
　７　アニオン交換膜
　８　主電極
　９　陰極
　１０　陽極
　１１　陰極給電体
　１２　陽極給電体
　１３　陰極室
　１４　陽極室
　１５　第一循環ライン（陰極室水供給部）
　１６　第二循環ライン（陽極室水供給部）
　１７　第一処理水ライン
　１８　第二処理水ライン
　２０　ワイヤ
　２１　自己分解触媒（活性酸素減少材）
　２２　側壁
　２３　上壁
　２４　下壁
　２５　水導入孔
　２６　水素排出孔
　２７　酸素排出孔
　２８　触媒供給部
　２９　流量調整バルブ
　３０　陰極室圧力測定装置
　３１　陽極室圧力測定装置
　３２　制御装置

Claims (5)

  1. 　電解槽と、
    　前記電解槽を陰極室と陽極室とに区画するアニオン交換膜と、
    　前記陰極室に水を供給する陰極室水供給部と、
    　前記陽極室に水を供給する陽極室水供給部と、
    　前記アニオン交換膜の前記陰極室側の面に設けられた陰極と、
    　前記アニオン交換膜の前記陽極室側の面に設けられた陽極と、
    　前記陰極室の内部に配置されて前記陰極に電力を供給する陰極給電体と、
    　前記陽極室の内部に配置されて前記陽極に電力を供給する陽極給電体と、
    　前記陽極室にて、前記陽極室内に発生する活性酸素を減少させる活性酸素減少材と、を備える水素発生装置。
  2. 　前記活性酸素減少材は、前記活性酸素の自己分解を促進する触媒を有する請求項１に記載の水素発生装置。
  3. 　前記陽極給電体は、導電性を有し、前記陽極室の内部空間を埋めるように配置されたワイヤを有し、
    　前記触媒は、前記ワイヤの外表面に配置されている請求項２に記載の水素発生装置。
  4. 　前記活性酸素減少材は、前記陽極室水供給部から供給される水に前記触媒を添加する触媒供給部から供給される請求項２又は請求項３に記載の水素発生装置。
  5. 　前記陰極室の内部圧力を前記陽極室の内部圧力と同等か、または高圧にする圧力調整部をさらに有する請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の水素発生装置。
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