(57)【要約】【課題】水素ガスを貯留するタンクからの排水が実質上不要であり、給水タンクへの給水回数を低減することができる水素ガス発生装置を提供する。【解決手段】水素ガス発生装置２は、陰極電極１６ａ側の水素ガス発生槽４ａと陽極電極１６ｂ側の酸素ガス発生槽４ｂとにイオン交換膜１４により分割された電気分解槽４と、水素ガス流路１８を介して水素ガス発生槽４ａと接続された第一の貯水タンク６と、酸素ガス流路２２及び給水路２４を介して酸素ガス発生槽４ｂと接続された第二の貯水タンク８と、第一の貯水タンク６から第二の貯水タンク８に給水するための給水ポンプ１０とを備える。酸素ガス発生槽４ｂの水位は、給水路２４を介して第二の貯水タンク８から酸素ガス発生槽４ｂに給水されることにより所定値以上に維持されている。第二の貯水タンク８内の水位が所定下限値を下回ると給水ポンプ１０が作動し、第二の貯水タンク８内の水位が所定上限値を上回ると給水ポンプ１０の作動が停止する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン交換膜により仕切られた電気分解槽に水を貯留し、前記イオン交換膜の両面にそれぞれ設置した陽極電極及び陰極電極の間に直流電圧を印加して水の電気分解を行い、前記陰極電極から水素ガスを発生させる水素ガス発生装置であって、
前記電気分解槽は、前記イオン交換膜により、前記陰極電極側の水素ガス発生槽と前記陽極電極側の酸素ガス発生槽とに分割されており、
水素ガス流路を介して前記水素ガス発生槽と接続された第一の貯水タンクと、酸素ガス流路及び給水路を介して前記酸素ガス発生槽と接続された第二の貯水タンクと、前記第一の貯水タンクから前記第二の貯水タンクに給水するための給水ポンプとを備え、
前記酸素ガス発生槽の水位は前記給水路を介して前記第二の貯水タンクから前記酸素ガス発生槽に給水されることにより所定値以上に維持されており、
前記第二の貯水タンク内の水位が所定下限値を下回ると前記給水ポンプが作動し、前記第二の貯水タンク内の水位が所定上限値を上回ると前記給水ポンプの作動が停止する水素ガス発生装置。
【請求項２】
前記第二の貯水タンクにはフィルタが内蔵されている、請求項１記載の水素ガス発生装置。
【請求項３】
前記第一の貯水タンク内の気圧を検出する圧力センサが設けられており、前記圧力センサによって検出した気圧が所定値を上回ると前記陰極電極及び前記陽極電極の間への直流電圧の印加を停止させる、請求項１又は２に記載の水素ガス発生装置。
【請求項４】
前記第一の貯水タンクには水素ガス送出管が接続されており、前記第一の貯水タンク又は前記水素ガス送出管に空気ポンプから空気が供給され、前記第一の貯水タンク内の水素ガスは、空気が混合された状態で前記第一の貯水タンクから送出される、請求項１から３までのいずれかに記載の水素ガス発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン交換膜を用いて水を電気分解し水素ガスを発生する装置、特に、一般家庭等に設置して簡易に使用することができる小型の電解式水素ガス発生装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水素ガス発生装置を用いて、水を電気分解し水素ガスを発生させ、水素ガスを人体への吸引ガスとして利用し、あるいは水素ガスを科学実験等に利用することが従来から行われている。一例として、下記特許文献１には、イオン交換膜とその両面にそれぞれ密着する一対の電極板により電気分解板を構成し、電気分解板を仕切板として両側に水素ガス発生槽及び酸素ガス発生槽を設けた卓上型水素ガス発生装置が開示されている。この卓上型水素ガス発生装置について図２を参照して説明する。
【０００３】
図２に示すとおり、電気分解槽１００にはイオン交換膜を一対の電極板で挟んだ電気分解板１０２が設置され、電気分解槽１００は、陰極側の水素ガス発生槽１００ａと陽極側の酸素ガス発生槽１００ｂとに分割されている。Ａ部拡大図に示すとおり、電気分解板１０２は、イオン交換膜１０４の両面に孔の開いた網目状の電極板１０６ａ及び１０６ｂを密着させたもので、イオン交換膜１０４及び２枚の電極板１０６ａ及び１０６ｂは、樹脂製のリベット１０８でかしめることにより一体的に結合されている。水素ガス発生槽１００ａ側の電極板１０６ａは直流電源のマイナス（−）側に接続され、酸素ガス発生槽１００ｂ側の電極板１０６ｂは直流電源のプラス（＋）側に接続されている。また、電気分解槽１００に純水を供給するための給水タンク１１０が設置されており、給水タンク１１０の底部は、連通管１１２を介して水素ガス発生槽１００ａの底部及び酸素ガス発生槽１００ｂの底部にそれぞれ連結されている。
【０００４】
この卓上型水素ガス発生装置においては、電気分解板１０２に直流電圧を印加し、電気分解槽１００内の水を電気分解して水素ガス発生槽１００ａに生成された水素ガスは、水素ガス取り出し管１１４を経由して、所定水位の浄水を貯留した水素ガスタンク１１６に導かれる。そして、水素ガスタンク１１６の上部に溜まった水素ガスは、送出管１１８から体内への吸入等の使用目的に応じて送出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−１９９５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述の卓上型水素ガス発生装置は、イオン交換膜１０４を用いて純水を電気分解するものであり、純水を使用するため不純物の析出等に起因する装置の劣化が生じることはなく、耐用年数の長い装置であると共に一般家庭等の使用に好適な小型の装置であるが、次のような問題点がある。
【０００７】
上述の卓上型水素ガス発生装置においては、稼働を繰り返していると、電気泳動により酸素ガス発生槽１００ｂから水素ガス発生槽１００ａに水が移動する。そのため、酸素ガス発生槽１００ｂの上部に水が存在しない空間部が生じ、イオン交換膜１０４が劣化したり、電気分解の効率が悪化したりする。そして、水素ガス発生槽１００ａ内の水素ガス及び水が水素ガスタンク１１６に徐々に移動し、水素ガスタンク１１６から水が溢れ出ないように使用者が水素ガスタンク１１６から水を適宜排出する必要があり、手間がかかるという問題がある。
また、上述の卓上型水素ガス発生装置においては、給水タンク１１０には使用者が適宜給水しなければならず、排水だけでなく給水の手間もかかるという問題がある。
【０００８】
上記事実に鑑みてなされた本発明の課題は、水素ガスを貯留するタンクからの排水が実質上不要であり、給水タンクへの給水回数を低減することができる水素ガス発生装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために本発明が提供するのは、特許請求の範囲の請求項１に記載された水素ガス発生装置である。すなわち、「イオン交換膜により仕切られた電気分解槽に水を貯留し、前記イオン交換膜の両面にそれぞれ設置した陽極電極及び陰極電極の間に直流電圧を印加して水の電気分解を行い、前記陰極電極から水素ガスを発生させる水素ガス発生装置であって、前記電気分解槽は、前記イオン交換膜により、前記陰極電極側の水素ガス発生槽と前記陽極電極側の酸素ガス発生槽とに分割されており、水素ガス流路を介して前記水素ガス発生槽と接続された第一の貯水タンクと、酸素ガス流路及び給水路を介して前記酸素ガス発生槽と接続された第二の貯水タンクと、前記第一の貯水タンクから前記第二の貯水タンクに給水するための給水ポンプとを備え、前記酸素ガス発生槽の水位は前記給水路を介して前記第二の貯水タンクから前記酸素ガス発生槽に給水されることにより所定値以上に維持されており、前記第二の貯水タンク内の水位が所定下限値を下回ると前記給水ポンプが作動し、前記第二の貯水タンク内の水位が所定上限値を上回ると前記給水ポンプの作動が停止する水素ガス発生装置」である。
【００１０】
本発明の実施形態として、請求項２に記載のとおり、前記第二の貯水タンクにはフィルタが内蔵されているのが好ましい。また、請求項３に記載のとおり、前記第一の貯水タンク内の気圧を検出する圧力センサが設けられており、前記圧力センサによって検出した気圧が所定値を上回ると前記陰極電極及び前記陽極電極の間への直流電圧の印加を停止させるのが好適である。さらに、請求項４に記載のとおり、前記第一の貯水タンクには水素ガス送出管が接続されており、前記第一の貯水タンク又は前記水素ガス送出管に空気ポンプから空気が供給され、前記第一の貯水タンク内の水素ガスは、空気が混合された状態で前記第一の貯水タンクから送出されるのが好都合である。
【発明の効果】
【００１１】
水素ガス発生装置では、電気分解槽内の水を電気分解して水素ガス及び酸素ガスを発生させると、電気泳動により酸素ガス発生槽から水素ガス発生槽に水が移動することになるが、本発明が提供する水素ガス発生装置では、水素ガス発生槽の許容貯水量を超えた分量の水は水素ガス発生槽から第一の貯水タンクに水素ガス流路を通って移動し、酸素ガス発生槽から水素ガス発生槽に移動した分量の水が第二の貯水タンクから酸素ガス発生槽に供給され、酸素ガス発生槽の水位が所定値以上に維持される。そのため、電気分解槽のイオン交換膜を常時水に浸漬した状態に保つことが可能で、イオン交換膜の劣化を防止できる。
また、本発明の水素ガス発生装置では、第二の貯水タンク内の水位が所定下限値を下回ると給水ポンプが作動し、第二の貯水タンク内の水位が所定上限値を上回ると給水ポンプの作動が停止するようになっている。すなわち、本発明の水素ガス発生装置では、電気分解槽と第一の貯水タンクと第二の貯水タンクとの間を水が循環するようになっているので、水素ガスを貯留する第一の貯水タンクからの排水が実質上不要であり、給水タンクとしての第一の貯水タンク及び第二の貯水タンクへの給水回数を低減することができる。
【００１２】
請求項２の実施形態の水素ガス発生装置では、第二の貯水タンクに内蔵されたフィルタによって装置内の水がろ過されるので、装置内の水を比較的長期にわたって清浄に保つことができる。
【００１３】
請求項３の実施形態の水素ガス発生装置では、圧力センサによって検出した第一の貯水タンク内の気圧が所定値を上回ると、陰極電極及び陽極電極の間への直流電圧の印加を停止させるので、第一の貯水タンク内へ水素ガスが供給されなくなり、第一の貯水タンク内の気圧が過剰に上昇することがなく、第一の貯水タンクの損傷を防止することができる。
【００１４】
請求項４の実施形態の水素ガス発生装置では、水素ガスと空気とが混合された状態で第一の貯水タンクから送出されるように構成すると、可燃性の高い水素ガスを空気によって確実に希釈することができ、安全性を一層向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に従って構成された水素ガス発生装置のブロック図。
【図２】従来の水素ガス発生装置のブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明に従って構成された水素ガス発生装置の好適実施形態について図面を参照しつつ説明する。
【００１７】
図１に示すとおり、全体を符号２で示す水素ガス発生装置は、水を電気分解するための電気分解槽４と、電気分解槽４で発生した水素ガスが導かれる第一の貯水タンク６と、電気分解槽４で発生した酸素ガスが導かれる第二の貯水タンク８と、第一の貯水タンク６から第二の貯水タンク８に給水するための給水ポンプ１０とを備える。
【００１８】
電気分解槽４には所定量の純水が貯留されていると共に、電気分解槽４の内部を仕切る電気分解板１２が設置されている。この電気分解板１２は、イオン交換膜１４と、イオン交換膜１４の片側面に装着された陰極電極板１６ａと、イオン交換膜１４の他側面に装着された陽極電極板１６ｂとを有する。陰極電極板１６ａは直流電源のマイナス（−）側に接続され、陽極電極板１６ｂは直流電源のプラス（＋）側に接続されている。なお、陰極電極板１６ａ及び陽極電極板１６ｂは、エキスパンドメタル等の網目板に電極ケーブル（図示していない。）を溶接したものでよい。また、陰極電極板１６ａ及び陽極電極板１６ｂの表面には、腐食防止のための白金等のコーティングを施すのが好ましい。
【００１９】
電気分解槽４においては、陰極電極板１６ａ及び陽極電極板１６ｂの間に直流電圧を印加して電気分解槽４内の水を電気分解すると、陰極電極板１６ａから水素ガスが発生すると共に陽極電極板１６ｂから酸素ガスが発生するようになっており、水素ガス発生槽４ａと酸素ガス発生槽４ｂとに電気分解板１２によって分割されている。
【００２０】
水素ガス発生槽４ａは、純水を貯留した第一の貯水タンク６に水素ガス流路１８を介して接続され、水素ガス発生槽４ａで発生した水素ガスが水素ガス流路１８を通って第一の貯水タンク６に送られるようになっている。第一の貯水タンク６の上端側には水素ガス送出管２０が接続され、第一の貯水タンク６内の水素ガスは水素ガス送出管２０から体内への吸入等の使用目的に応じて送出される。
【００２１】
酸素ガス発生槽４ｂは、純水を貯留した第二の貯水タンク８に酸素ガス流路２２及び給水路２４を介して接続され、酸素ガス発生槽４ｂで発生した酸素ガスが酸素ガス流路２２を通って第二の貯水タンク８に送られるようになっている。第二の貯水タンク８の上端側には酸素ガス排出口２６が設けられ、第二の貯水タンク８内の酸素ガスは酸素ガス排出口２６から排出される。また、給水路２４を介して第二の貯水タンク８から酸素ガス発生槽４ｂに給水されることにより、酸素ガス発生槽４ｂの水位が所定値に維持されるようになっている。
【００２２】
第一の貯水タンク６と第二の貯水タンク８とはポンプ流路２８を介して接続され、このポンプ流路２８には給水ポンプ１０が配置されている。また、図示の実施形態の第二の貯水タンク８にはフィルタ３０が内蔵されている。そして、給水ポンプ１０によって第一の貯水タンク６から第二の貯水タンク８に送られた水は、フィルタ３０でろ過されてから給水路２４を介して酸素ガス発生槽４ｂに供給される。
【００２３】
図示の実施形態の第一の貯水タンク６の水素ガス送出管２０には、第一の貯水タンク６内の気圧を検出する圧力センサ３２と、水素ガス送出管２０内に空気を供給するための空気ポンプ３４が設けられている。なお、圧力センサ３２及び空気ポンプ３４は第一の貯水タンク６に取り付けられていてもよい。また、空気ポンプ３４の吐出口位置は、第一の貯水タンク６の水面より上方でも下方（水中）でもよい。
【００２４】
次に、上述したとおりの水素ガス発生装置２の作動等について説明する。水素ガス発生装置２の電源を入れ、次いで作動スイッチを操作すると、陰極電極板１６ａ及び陽極電極板１６ｂの間に直流電圧が印加され、電気分解槽４内の水の電気分解が開始し、水素ガス発生槽４ａの陰極電極板１６ａから水素ガスが発生すると共に、酸素ガス発生槽４ｂの陽極電極板１６ｂから酸素ガスが発生する。また、作動スイッチの操作によって、空気ポンプ３４の作動が開始し、水素ガス送出管２０に空気ポンプ３４から空気が供給される。そして、水素ガス流路１８を通って水素ガス発生槽４ａから第一の貯水タンク６に導かれた水素ガスは、水素ガス送出管２０において空気と混合された状態で送出される。水素ガスと空気とが混合することによって、水素ガスの濃度が可燃範囲外まで希釈される。
【００２５】
一方、酸素ガス発生槽４ｂで発生した酸素ガスは、酸素ガス流路２２を通って第二の貯水タンク８に送られ、酸素ガス排出口２６から排出される。また、電気分解中には、イオン交換膜１４に流れる電流により熱が発生し、酸素ガス発生槽４ｂ内の水が蒸発して水蒸気が放出されるが、放出された水蒸気が酸素ガス流路２２を通って第二の貯水タンク８に送られる。
【００２６】
上述のような水素ガス発生装置２の稼働を繰り返していると、電気泳動により酸素ガス発生槽４ｂから水素ガス発生槽４ａに水が移動することになるが、水素ガス発生槽４ａの許容貯水量を超えた分量の水は水素ガス発生槽４ａから第一の貯水タンク６に水素ガス流路１８を通って移動する。また、酸素ガス発生槽４ｂから水素ガス発生槽４ａに移動した分量の水が、第二の貯水タンク８から酸素ガス発生槽４ｂに供給され、酸素ガス発生槽４ｂの水位が所定値以上に維持される。そのため、電気分解槽４のイオン交換膜１４を常時水に浸漬した状態に保つことが可能で、イオン交換膜１４の劣化を防止できる。
【００２７】
そして、第二の貯水タンク８から酸素ガス発生槽４ｂへの給水量が所定量に達し、第二の貯水タンク８内の水位が所定下限値を下回ると、給水ポンプ１０が作動して第一の貯水タンク６から第二の貯水タンク８への給水が行われる。これによって、第二の貯水タンク８の水位が次第に増加していくことになるが、第二の貯水タンク８内の水位が所定上限値を上回ると給水ポンプ１０の作動が停止する。このように第二の貯水タンク８の水位は所定下限値と所定上限値との間で維持されるため、第二の貯水タンク８から酸素ガス発生槽４ｂへの給水が途切れることなく行われる。
【００２８】
このように水素ガス発生装置２においては、電気分解槽４と第一の貯水タンク６と第二の貯水タンク８との間を水が循環するようになっているので、水素ガスを貯留する第一の貯水タンク６からの排水が実質上不要であり、給水タンクとしての第一の貯水タンク６及び第二の貯水タンク８への給水回数を低減することができる。
【００２９】
図示の実施形態の水素ガス発生装置２では、給水ポンプ１０によって第一の貯水タンク６から第二の貯水タンク８に送られた水がフィルタ３０でろ過されてから給水路２４を介して酸素ガス発生槽４ｂに供給されるので、水素ガス発生装置２内の水を比較的長期にわたって清浄に保つことができる。
【００３０】
また、水素ガス発生装置２の稼働中に、圧力センサ３２によって検出した第一の貯水タンク６内の気圧が所定値を上回った場合には、陰極電極板１６ａ及び陽極電極板１６ｂの間への直流電圧の印加が停止される。これによって、電気分解槽４内の水の電気分解が停止し、第一の貯水タンク６内へ水素ガスが供給されなくなる。したがって、第一の貯水タンク６内の気圧が過剰に上昇することがなく、第一の貯水タンク６の損傷が防止される。
【符号の説明】
【００３１】
２：水素ガス発生装置
４：電気分解槽
４ａ：水素ガス発生槽
４ｂ：酸素ガス発生槽
６：第一の貯水タンク
８：第二の貯水タンク
１０：給水ポンプ
１４：イオン交換膜
１６ａ：陰極電極板
１６ｂ：陽極電極板
１８：水素ガス流路
２０：水素ガス送出管
２２：酸素ガス流路
２４：給水路
３０：フィルタ
３２：圧力センサ
３４：空気ポンプ
【図１】
2020056061.tif 000003
【図２】
2020056061.tif 000004