(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
純水を貯留するためのタンクと、
該純水タンク内に収容された水電解セルと、
前記タンクの外部に配設された、タンク内の純水を冷却するための熱交換器とを備えており、
該熱交換器の入口がタンク内の純水の水面より下方の第一部位に接続され、該熱交換器の出口がタンクにおける前記第一部位より下方の第二部位に接続されてなる高純度水素酸素発生装置。
【請求項２】
熱交換器の前記出口からタンクの前記第二部位に配管が接続されており、該配管がタンク内に延びて電解セルに接続されており、熱交換器によって冷却された純水が直接電解セルに供給されるように構成されてなる請求項１記載の高純度水素酸素発生装置。
【請求項３】
前記熱交換器がタンクに直接着脱自在に取り付けられ、タンクと一体化されてなる請求項１または２記載の高純度水素酸素発生装置。
【請求項４】
前記タンクに純水を供給するための純水供給管が前記第二部位に接続されており、該純水供給管に前記熱交換器の出口が接続されており、純水供給管と熱交換器の出口とを接続する配管に熱交換器への純水逆流防止用の逆止弁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高純度水素酸素発生装置。
【請求項５】
前記タンクの第一部位に純水が熱交換器に向けて流れ出る純水流出口が形成されており、該純水流出口のタンク内側部分の下側及び横周囲を覆う酸素ガス流入防止用のカバーが取り付けられてなる請求項１〜４のうちのいずれか一の項に記載の高純度水素酸素発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高純度水素酸素発生装置に関する。さらに詳しくは、水電解セルを収容したタンクを有する高純度水素酸素発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
図６に示すように、高圧型の高純度水素酸素発生装置（以下、単にＨＨＯＧという）５１は、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、水素ガスＨ２  から水分を除去するための水素ガス用気液分離タンク５５とを主要構成機器としている。図中５６は純水供給ポンプである。純水タンク５３内の電解セル５２では、その周囲の純水が電気分解され、水素ガスＨ２  と酸素ガスＯ２  とが発生している。発生した酸素ガスＯ２  は直接純水タンク５３内の純水内を通過し、酸素ガス取り出し管５７を通して収集される。一方、発生した水素ガスＨ２  は純水タンク５３内の純水を通さず、電解セル５２から水素ガス取り出し管５８を通して水素ガス用気液分離タンク５５に導かれ、そこで水分を除去して収集される。
【０００３】
通常、前記純水タンク５３内の純水は電気分解時の発熱によって温度が上昇するが、これは電解セル５２を構成する部品等の熱劣化防止の観点から好ましいものではない。さらに、純水温度が上昇すると、純水タンク５３内の水蒸気量が増加し、発生した酸素ガス中の水分量も増加するので、除湿負荷が大きくなる。また、装置の作業員にとっても、タンク５３の温度が高いことは作業上好ましくはない。
【０００４】
そこで、従来は図６に示すように高圧型ＨＨＯＧの純水タンク５３は、その中に純水の温度上昇を抑制するための熱交換器５９を設置して純水を冷却するように構成されている。したがって、この熱交換器５９には純水タンク５３の外部から冷媒を循環させる必要があるため、冷媒流通用のパイプ６０ａ、６０ｂが純水タンク５３の容器壁を貫通するかたちで冷媒供給源（図示せず）から熱交換器５９まで配管されている。そして、熱交換器５９の入口までの配管６０ａには冷媒供給用のポンプ６１が介装されている。
【０００５】
ところが前記純水タンク５３は、電解セル５２を収容し且つ必要な量の純水を注入しておくだけの容積を有しているのが一般的である。水素・酸素を得るため以上に大型にするのは経済効率が低下するからである。したがって、熱交換器５９はどうしても小型にせざるを得ない。さらに、熱交換器５９を電解セル５２の上方に設置すれば電解セル５２から発生する酸素ガスの気泡が熱交換器５９の表面に付着して熱交換効率が低下するので、どうしても電解セル５２の側方、すなわち電解セル５２と純水タンク５３の内壁との間隙に設置せざるを得ない。
【０００６】
そのため、そのサイズがさらに制限されることから、従来では専らチューブ型熱交換器、とくにコイル状にされたチューブ型の熱交換器が用いられている。しかしながら、蛇管式の熱交換器は他の形式の熱交換器に比べるとそのサイズが大きい割りには伝熱面積が小さいので熱交換効率が低いという問題がある。
【０００７】
なお、純水タンクの外周面に冷媒ジャケットを形成した二重容器式の純水タンクも考えられるが、タンク内圧が１０ｋｇ／ｃｍ２  近くになるため、二重高圧タンクとして製造する場合の製造コストが大幅に上昇する。さらに、高圧タンク故にタンク肉厚を厚くしなければならないため、熱交換効率が低いものとなる。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本願発明はかかる問題を解決するためになされたものであり、熱交換器を純水タンクの外部に設置するとともに配管によって純水タンクと連結することによって特別にポンプを必要とせず、いわば発熱源を内包した純水タンクといわば冷熱源を内包した熱交換器とからなるループ内を、純水が自然対流によって循環しつつ冷却されるシステムを構築した。さらに、熱交換器を純水タンクの外部に設置したため、純水タンクを軽量且つコンパクトに形成することが可能となり、さらに、熱交換器の形式を使用条件や設置条件に応じて選択することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の高純度水素酸素発生装置は、
純水を貯留するためのタンクと、該純水タンク内に収容された水電解セルと、前記タンクの外部に配設された、タンク内の純水を冷却するための熱交換器とを備えており、
該熱交換器の入口がタンク内の純水の水面より下方の第一部位に接続され、該熱交換器の出口がタンクにおける前記第一部位より下方の第二部位に接続されている。
【００１０】
したがって、熱交換器とタンクとこれら両者の接続手段（配管等）とから構成されるループ内を純水が自然対流に起因して自然循環することとなる。すなわち、タンク内の純水は昇温されて上方へ移動し、熱交換器内の純水は冷却されて下方に移動するため、タンク内の純水はタンクの第一部位から熱交換器へ流入し、熱交換器内の純水はタンクの第二部位からタンク内へ流入する。
【００１１】
このように、かかる純水循環のためにはポンプはとくに必要とされない。また、循環液体がきわめて低粘度の純水であるため、良好に自然循環することとなる。もちろん、純水を強制循環させるのであれば、ポンプを装備してもよい。
【００１２】
また、熱交換器はタンクの外部に設置されるため、純水タンクを従来のものより一層軽量かつコンパクトに形成することができる。したがって、製造コストの低減が可能となるばかりではなく、輸送や据え付けにおける取扱が容易となる。さらに、従来技術のように、熱交換器のサイズ、形状および形式等に対するタンク容積による制限はない。したがって、ＨＨＯＧの使用条件、設置する工場の設備、設置面積等に応じて、種々の形式の熱交換器を選択することができる。熱交換器の形式は限定されず、たとえば、プレート型熱交換器または種々の管形状を有するシェル・アンド・チューブ形が主に用いられる。
【００１３】
また、
前記熱交換器がタンクに着脱自在に取り付けられてなる冷却機構にあっては、予め熱交換器をタンクに配管して一体装着しておくこともできる。したがって、熱交換器とタンクとを一体にして輸送することができるため、コスト低減に資することとなる。また、この冷却機構を設置する場合にも、一体の状態で据えつけることができ、しかも、設置現場においてタンクと熱交換器との配管を行う必要がないため、コスト低減に資することとなる。さらに、通常はメーカーの工場で組み立てられるため、従来は設置現場で行われていた漏洩検査、耐圧検査または気密検査等の各種検査がメーカーの工場で効率よく行われうるので好ましい。
【００１４】
【実施例】
つぎに、添付図面に示された実施例を参照しつつ本発明の高純度水素酸素発生装置（ＨＨＯＧ）を説明する。
【００１５】
図１は本発明のＨＨＯＧの一実施例を示す断面図、図２は本発明のＨＨＯＧの他の実施例を示す一部断面正面図、図３〜５はそれぞれ本発明のＨＨＯＧのさらに他の実施例を示す断面図である。
【００１６】
図１において、１が純水タンク（以下、単にタンクという）であり、その中の支持台３上に電解セル２が据えつけられている。電解セル２からは発生水素ガスＨ２  を取り出すための水素ガス取り出し管４がタンク１の壁を貫通して水素ガス用気液分離タンク（図示しない）まで延設されている。５は酸素ガスＯ２  を取り出すための酸素ガス取り出し管である。６は純水供給管である。
【００１７】
７は公知のプレート型の熱交換器である。８は冷媒供給ポンプであり、冷媒供給源（図示しない）から熱交換器７に冷媒を供給する。冷媒としては冷水やフロンガス等が用いられる。
【００１８】
熱交換器７における被冷却流体たる純水の入口７ａは配管９ａによってタンク１の純水流出口（特許請求の範囲でいう第一部位）１０に接続されている。熱交換器７における純水の出口７ｂは配管９ｂによってタンク１の純水流入口（特許請求の範囲でいう第二部位）１１に接続されている。なお、配管９ａ、９ｂはフランジ（図示しない）を介して分離可能に接続されている。
【００１９】
前記純水流出口１０はタンク１における純水流入口１１より上方に形成されており、ＨＨＯＧの運転中はタンク１内の純水の水面は純水流出口１０より上方となるようにされている。後述のごとく、自然循環によって純水を冷却するためにそうする必要があるからである。
【００２０】
叙上の構成により、熱源たる電解セル２によって加熱されたタンク内の純水はタンク内を上昇し、一方、熱交換器内で冷却された純水は熱交換器内を下降する。かかる自然対流によって、タンク１、熱交換器７および配管９ａ、９ｂから構成されるループ内を純水が自然循環することになる。
【００２１】
熱源たる電解セル２の位置に対する、冷却された純水流入口１１の上下相対位置関係は、タンク内の純水の温度上昇を効率良く抑制するために、上下方向にほぼ同一位置とするか、図１〜５に示すように電解セル２より下方に純水流入口１１を形成するのが好ましい。冷却された純水を直接的に電解セル２に供給しうるからである。
【００２２】
なお、万一の場合に備えて、気泡となって上昇する発生酸素ガスが純水流出口１０に流入して熱交換器７に至らないように、図示のごとく、純水流出口１０のタンク内側部分を下側および横周囲を覆うような酸素ガス流入防止用のカバー１２を純水流出口１０の下側から取り付けておいてもよい。このカバー１２の形状は、ほぼ半球形の容器を縦方向に二分割したものである。かかる形状のカバー１２により、純水はカバー１２の内側を純水流出口１０に向かって下方に流れ、酸素ガス気泡は浮力によって上方に移動するため、純水の流れに酸素ガス気泡が同伴することがない。したがって、熱交換器７には酸素ガス気泡が流入することもない。本カバー１２の形状にはとくに限定はなく、下方から上昇してくる酸素ガス気泡が純水流出口１０近傍を通過することを妨げうる形状であればよい。
【００２３】
つぎに、図２に示す冷却機構は、その純水冷却原理が図１の冷却機構と同じであるが、前記熱交換器７をタンク１に直接取り付けて一体化したものである。
【００２４】
本実施例では、熱交換器７をタンク１の架台１３にボルト（図示しない）によって着脱自在に取り付けている。もちろん、配管９ａ、９ｂもフランジ（図示しない）を介して分離可能に接続されている。
【００２５】
このような構成としたので架台１３にタンク１の架台を用いることができ、熱交換器７用の架台を別途設置する必要がない。また、配管９ａ、９ｂの長さを短くすることができる。これによって装置をコンパクトにすることができる。
【００２６】
なお、タンクと熱交換器の一体化については、本発明ではとくに架台によることに限定されることはなく、たとえば熱交換器７が軽量であれば、前記配管９ａ、９ｂのみによっても支持することが可能である。
【００２７】
タンク１は高圧で用いられており、タンク１から純水の漏れを防ぐために、タンク１の配管口は少ない方がよい。かかる観点から、図３に示す冷却機構は、熱交換器７からタンク１へ純水を流入させる配管９ｂと純水供給管６とが接続されてタンク１へ流入する純水が合流するようにされたものである。また、熱交換器７からこの接続点１４までのあいだに逆止弁１５が介装されているので、図１において２つあった配管口を１つにすることができた。かかる構成により、配管口の数を減らすことができるのでタンク１のシール性および安全性が向上する。さらに、純水供給管６を通して図示しない供給ポンプによって純水を供給する際に熱交換器７からの冷水をも強制的にタンク１へ流入させることができる。また、逆止弁１５の介装によって冷水が熱交換器７へ逆流することを防止している。
【００２８】
図４に示す冷却機構では、図３のものと同様に、熱交換器７からタンク１へ純水を流入させる配管９ｂと純水供給管６とが接続されている。ただし、前記配管９ｂにおける熱交換器７からこの接続点１４までのあいだの部分にポンプ１６が介装されている点で図３の冷却機構と異なっている。かかる構成により、配管が簡略化されることはもとより、熱交換器７によって冷却された純水を強制的にタンク１内に注入することができる。その結果、タンク１内の純水が攪拌され、タンク１内での冷却効果が向上する。
【００２９】
図５に示す冷却機構も、図４のものと同様に、熱交換器７からタンク１へ純水を流入させる配管９ｂと純水供給管６とが接続されており、前記配管９ｂの接続点１４までの部分ににポンプ１６が介装されている。ただし、前記配管９ｂはタンク１に単に接続されているだけではなく、さらにタンク１内に延びて直接電解セル２に接続されている。すなわち、電解セル２中の純水供給マニホールド（図示しない）に冷却された純水を直接供給しうるように構成されている。
【００３０】
かかる構成により、配管が簡略化されることはもとより、熱源たる電解セル２を直接冷却することが可能となる。その結果、図示しない固体電解質膜やガスケット等、電解セル２の部品の熱劣化を効率的に防止することができる。
【００３１】
なお、前記配管９ｂを直接電解セル２に接続する構成は図５に示す冷却機構だけに限定されず、他にも図１、図２、図３および図４に示す冷却機構等にも適用可能である。
【００３２】
つぎに、叙上のごとく構成された冷却機構と従来の冷却機構とについて、その冷却効率を比較することによって、本発明のＨＨＯＧの冷却機構をその機能面から説明する。
【００３３】
一般に、前記実施例で採用されているプレート型熱交換器の伝熱係数αａは１０００〜３０００ｋｃａｌ／ｍ２  ／ｈｒ（平均を２０００ｋｃａｌ／ｍ２  ／ｈｒとする）であり、従来技術で採用されているコイルチューブ型熱交換器の伝熱係数αｂは２００〜１０００ｋｃａｌ／ｍ２  ／ｈｒ（平均を５００ｋｃａｌ／ｍ２  ／ｈｒとする）である。
【００３４】
一方、従来技術や実施例における一般的な電解セルの発熱量Ｑは、電流値６００Ａ、電圧５０Ｖから、２５８００ｋｃａｌとなる。
【００３５】
そして、冷却条件として、被冷却体たる純水の冷却温度、つまり温度降下ΔＴを８０℃から５０℃までの３０℃とし、冷媒の熱交換器内温度上昇Δｔを３２℃から３７℃までの５℃とする。
【００３６】
そうすると、本実施例（プレート型熱交換器採用）の熱交換器の必要伝熱面積Ａａは、
Ａａ＝Ｑ／αａ＝２５８００ｋｃａｌ÷２０００ｋｃａｌ／ｍ２  ／ｈｒ＝１２．９ｍ２  となる。
【００３７】
一方、従来技術（コイルチューブ型熱交換器採用）の熱交換器の必要伝熱面積Ａｂは、
Ａｂ＝Ｑ／αｂ＝２５８００ｋｃａｌ÷５００ｋｃａｌ／ｍ２  ／ｈｒ＝５１．６ｍ２  となる。
【００３８】
このように、従来技術に比べると約１／４という少ない伝熱面積の熱交換器、換言すれば小型（薄型）の熱交換器を採用することができる。このような小型、薄型の熱交換器としうるので、タンク１との一体化も容易となる。このように、自在に熱交換器の形式やサイズを選択しうるのは、従来のようにタンク内壁と電解セルとのあいだという、形状が限定された空間に設置する必要がないからである。また、言い換えれば、熱交換器をプレート型にするとともに、サイズを従来と同程度にすれば冷却効率を大幅に向上することが可能となる。
【００３９】
もし、前記熱交換器の伝熱面積を従来技術と本実施例とを同一にすれば、従来技術における冷媒流量および被冷却体たる純水の流量を本実施例のそれの約４倍にする必要があり、非現実的である。
【００４０】
叙上のごとく本冷却機構では、軽量且つコンパクトで冷却効率の向上が可能となる。
【００４１】
本実施例では、タンクを縦置き（タンクの中心軸をほぼ鉛直方向にした設置）にしたものを例示したが、本発明ではとくに縦置きに限定されることはなく、横置き（タンクの中心軸をほぼ水平方向にした設置）にしてもよい。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、純水を自然対流によって循環しつつ冷却しうるため、特別な装置を必要とすることなくシンプルな構成となる。もちろん、強制循環のための装置（ポンプ等）を装備することも可能である。しかも、熱交換器をタンクの外部に設置したため、タンクを軽量且つコンパクトに形成して製造コスト、輸送コストおよび設置工事コストを低減することができる。また、熱交換器の形式を、使用条件や設置条件に応じて自在に選択することができ、冷却効率を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＨＨＯＧの一実施例を示す断面図である。
【図２】本発明のＨＨＯＧの他の実施例を示す一部断面正面図である。
【図３】本発明のＨＨＯＧのさらに他の実施例を示す断面図である。
【図４】本発明のＨＨＯＧのさらに他の実施例を示す断面図である。
【図５】本発明のＨＨＯＧのさらに他の実施例を示す断面図である。
【図６】従来の冷却機構を備えたＨＨＯＧの一例を示す説明図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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