(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質膜を隔膜として用いて、陽極側と陰極側とに分離して、純水を陽極側に供給しながら正負の電極板に電圧を供給することで純水を電気分解して、陽極側から酸素ガスを、陰極側から水素ガスをそれぞれ発生するように構成された水電解セルを純水容器内に収容した水素・酸素発生器から構成される水素・酸素発生装置において、
上記純水容器の外周部と水電解セルの電極板とを中空管によって電気的に絶縁状態で接続し、
水電解セルへ電圧を供給するための給電手段を中空管とは電気的に絶縁状態で該中空管内を挿通させると同時に電極板と電気的に接続状態とさせ、かつ、
上記給電手段と上記電極板との接続部分を純水容器内の純水と離間させていることを特徴とする水素・酸素発生装置の給電機構。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、純水容器内に、水電解セルを収容した水素・酸素発生器を備えた水素・酸素発生装置の給電機構に関するものであり、詳細には、純水中の水電解セルへ電圧を供給するための給電手段と水電解セルの電極板との給電機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、例えば、半導体製造工場など水素ガス、酸素ガスを消費する工場では、図４に示すような構造を有する水電解セル２を用いて純水を電気分解していた。この水電解セル２は、固体電解質２６、例えば、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、例えば、デュポン社製「ナフィオン１１７」）の両面に白金属族金属等からなる多孔質の陽極２２及び陰極２３を接合した構造の固体電解質膜２１を隔膜として用いることによって水電解セル内を陽極室と陰極室とに分離した構造を有しており、純水を陽極側に供給しながら図示しない電極板に高電圧を付加して純水を電気分解し、陽極側から酸素ガスを、陰極側から水素ガスをそれぞれ発生している。ここで、電解セルの陽極側では、２Ｈ２Ｏ→Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−のような反応が起こり酸素ガスが発生し、陰極側では、４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２の反応が起こり水素ガスが発生しているのである。
【０００３】
この基本的な機構を用いて、特に、水電解セルを純水容器に浸漬する構成を採用することによって、高純度でしかも高圧の水素ガス、酸素ガスを供給することの可能な水素・酸素発生装置を、本発明者等が既に特願平７−２４７３７号「水素・酸素ガス発生装置」において示している。
【０００４】
これは、図５に示すように、純水容器３に水電解セル２を浸漬した水素・酸素発生器１を備えるとともに、その酸素ガス気液分離室４及び水素ガス気液分離装置７の水面とガス圧力を制御できるようにして、酸素側と水素側のガス圧力の差圧を所定の小さい値にするように構成したものである。これにより、水電解セルの陽極室と陰極室とを分離している固体電解質膜などの隔膜に作用する差圧を小さくでき、隔膜の破損の防止、水電解セルのシール部からのガスの漏洩の防止が可能で、その結果発生ガス圧力を高くすることができるのである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、水素・酸素発生器を備えた水素・酸素発生装置は、上述したように高電圧を供給すべき水電解セルが純水容器内部に収容され、水電解セルの周囲には、純水が満たされている。
【０００６】
そのため、従来は、高電圧を供給するための給電手段であるケーブルは、図２に示すように、純水容器３外部に配設された固定金具本体４１を通過して純水容器３内にまで侵入して、水電解セル２の電極板１２に固着されていた。この固着部分を拡大したものが図３である。水電解セルの電極板１２には、ケーブル１３の被覆材を一部剥ぎ取って、はんだ付け、ボルト・ナット等の手段で導線を直接電極板に固着し、その後、導線部分をエポキシ樹脂等の有機系のシール剤で覆っていた。
【０００７】
しかしながら、上記ケーブルは、銅、錫メッキした銅などによって形成される導線に被覆材が被覆されているのみであり、これら被覆材およびシール剤は常時純水容器内の純水中に浸清している。また、上記シール剤が完全に金属部分を覆っていない場合は、導線部分までもが純水に接することになる。
【０００８】
そのため、高電圧を供給する際にケーブルで発熱した熱が、純水の温度を上昇させて水素・酸素発生装置の運転条件を悪化させたり、高電圧の供給によってケーブル端部が熱をもって被覆材を劣化させ、劣化した被覆材や、該被覆材の隙間から純水中に露出した導線部分が純水に不純物として溶出して、発生する酸素・水素ガスの高純度化を阻害する等の問題があった。
【０００９】
また、純水中に溶出した上記不純物が固体電解質膜に付着して該膜を劣化させ、寿命を短くするという問題点等も生じていた。
【００１０】
さらに、上記不純物が純水に導電性を付与して純水容器にまで漏電する恐れがあった。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために、本発明は、給電手段の電極板に対する接続方法を変更して、給電手段であるケーブル自体を純水容器内の純水と完全に離間させることとした。これにより、ケーブルからの不純物が純水中に溶出することが防げ、また、安全に高純度の水素・酸素を提供することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の水素・酸素発生装置の給電機構は、水電解セルを純水容器内に収容した水素・酸素発生器から構成される水素・酸素発生装置において、上記純水容器の外周部と水電解セルの電極板との電気的な接続機構を示したものである。
【００１３】
すなわち、上記純水容器の外周部と、純水容器内に収容された水電解セルの電極板とを中空管によって電気的に絶縁状態で接続している。
【００１４】
そして、該中空管内を電気的に絶縁状態となるように給電手段を貫通させ、該給電手段の一端は電極板に、もう一端は高電圧を供給することのできる電源と接続させている。
【００１５】
更に、給電手段、および給電手段と電極板との接触箇所は、純水容器内の純水とは完全に離間するように、上記中空間とは対の位置になる電極板の反対面に一端が閉じた蓋部材を電気的に絶縁状態となるよう電極板に接続している。
【００１６】
これにより、給電手段が純水容器内の純水に接触することがなくなり、また、給電手段と電極板との接続部分も完全に純水とは離間されるため、給電手段の不純物が水素および酸素の原料となる純水とは全く接触しない。
【００１７】
従って、純水容器内の純水に給電手段による不純物が溶出する恐れがなくなり、同時に該溶出によって起こる上述した弊害も防ぐことが出来るものである。
【００１８】
【実施例】
以下、図面に基づいて本発明の水素・酸素発生装置の給電機構について詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本給電機構の一例であり、基本的な概念を示すものである。ここで、外周に位置しているのは、純水容器３の一部分であり、純水容器３の内部には純水が満たされている。また、純水容器３の内部に収容されているのは円筒状の水電解セル２であり、図示しない支持台の上にボルトおよびナットで固定されている。また、水電解セル２の両端部には、一部分が突出した円盤状の電極板１２が配設されている。
【００２０】
そして、非導電材からなり、且つ、密閉性も備えた絶縁挟装材１４を介して、純水容器３の内壁面と電極板１２の突出部分とを接続しているのが中空管１１である。中空管１１は、その両端部にフランジ部を有しており、このフランジ部を非導電材の又は非導電材で絶縁被覆した導電材のボルトおよびナットで固定することによって純水容器３および電極板１２とを接続している。
【００２１】
このような中空管の内部を電気的に絶縁状態で挿通しているのが給電手段であるケーブル１３である。ケーブル１３は、電極板１２とは電気的に接続状態になるように電極板１２に接続されている。
【００２２】
また、電極板１２における中空管１１と対になる位置には別の絶縁挟装部材１４を介して蓋部材１５を設けている。この蓋部材１５は電極板１２の裏側に突出したケーブル１３との接続部分に接触しないようにフランジ部を有しており、このフランジ部を非導電材の又は非導電材で絶縁被覆した導電材のボルトおよびナットで固定することによって電極板１２と接続されている。
【００２３】
上記構成を有することによって、給電手段であるケーブル１３およびケーブル１３と電極板１２との接続箇所は完全に純水容器３内の純水とは離間した状態で、電極板１２に電圧を供給することができるものである。
【００２４】
以下、各構成部材について詳細に説明する。
【００２５】
まず、上記純水容器３は、耐圧性、純水に対する耐溶出性等を考慮して、ステンレス鋼（ＳＵＳ）によって形成されている。また、水電解セル２に用いる電極板１２は、耐食性等を考慮してチタン（Ｔｉ）で形成されている。ここで、純水容器３と電極板１２とは導電材料であり、これらが電気的に接続されていると純水容器３までもが電極板１２と同様に高電圧になって非常に危険なため、これらは、電気的に絶縁した状態で接続しなければならない。また、純水容器３の内圧が運転時に９．９Ｋｇ／ｃｍ３にまで達すること、及び純水への耐溶出性を考慮すれば中空管は適度な強度を有し、溶出しにくいステンレス鋼（ＳＵＳ）製の筒を用いる必要がある。
【００２６】
これらを考慮すれば、上記中空管１１は、絶縁性を有する絶縁挟装材１４を介して、電極板１２と接続する必要がある。一方、中空管１１と純水容器３とは、同電位であっても何等問題がないので、図１では絶縁挟装材１４を介して接続しているが、直接中空間１１を純水容器３内壁に溶接することも可能である。
【００２７】
また、中空管１１の形状としては、水電解セル２の位置が、組立てによる誤差、純水容器３内の圧力の変化および温度変化等の作用により位置が若干移動する場合があるため、この移動に柔軟に対応することができるように蛇腹状であることが好ましい。蛇腹状の筒としては、例えばベローズを用いればよい。
【００２８】
また、接続部分に挟装する上記絶縁挟装材１４としては絶縁性、純水への耐溶出性、および強度等を考慮すれば、シリコン樹脂若しくはフッ素樹脂等を主成分とするガスケット又は繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）板等を用いることが好ましい。
【００２９】
また、接続手段として用いる上記ボルトおよびナットも、絶縁性、純水への耐溶出性および強度等の理由から非導電性の上記絶縁挟装材と同様の素材で構成されていることが好ましい。また、これら非導電材で絶縁被覆した導電材のボルトおよびナットも用いることができる。ボルトおよびナットが絶縁性を有することで、絶縁挟装材１４を介在させて電極板１２と中空管１１とを固定しても、これらが同電位となることを防げる。
【００３０】
ケーブル１３は、銅、アルミニウムまたは錫でメッキした銅からなる導線を高分子絶縁体等の被覆材で被覆された公知のものを用いればよい。そして、ケーブル１３は電極板１２とは、電気的に接続状態になるよう被覆材を剥いだ状態で電極板１２に接続されている。ここでの接続方法としては、周知の圧着端子等に一旦導線を固着して、電極板１２にボルト等で接続する方法等を用いればよい。
【００３１】
なお、中空間１１と純水容器３側との接続部分の純水容器側を、何らかの絶縁部材を用いて取り外し可能で且つ中央にケーブルが通過できる穴部を有する蓋で保護しておけば、不注意による漏電を防ぐことができる。
【００３２】
また、上記蓋部材１５は、ケーブル１３と電極板１２との接続箇所が、図示の如く電極板１２を貫通している場合に有効である。
【００３３】
上記各部材の接続方法については基本的な概念のみを示しているため、水素・酸素発生装置の運転時の純水容器３内外の圧力差、水素・酸素ガスの発生量、純水の漏れ等を考慮して、周知の密閉部材等を適宜箇所に設ければよい。
【００３４】
なお、ここに記載した給電機構は一例であり、上記純水容器３と電極板１２とを中空管１１によって電気的に絶縁状態で接続し、該中空管１１内にケーブルを挿通させ、更に、給電手段、および給電手段と電極板との接続箇所は、純水容器内の純水とは完全に離間させるという条件を満たしていれば、他の構成を有することも可能であり、適宜設計変更可能である。
【００３５】
また、上記水電解セル２の固体電解質としては、例えば、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、例えば、デュポン社製「ナフィオン１１７」）等の固体高分子電解質膜を用いることができる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明の水素・酸素発生装置の給電機構は、完全に給電手段および供給手段と水電解セルの電極板との接続箇所を純水容器内の純水から離間することができる。
【００３７】
そのため、給電手段として用いていたケーブルを構成する部材が水素および酸素の原料となる純水に不純物として溶出することがないため、純水の汚染、および隔膜の劣化を防止することができる。また、ケーブルの先端部も純水と接触することがなく、漏電等の危険性を防止することができる。
【００３８】
従って、本発明の給電機構を用いれば、純水に不要な給電部材等が接触しないため、原料となる純水に不純物が溶出することを防ぐことができ、安全に高純度の水素および酸素を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の水素・酸素発生装置の給電機構の実施例の概略断面図である。
【図２】従来の水素・酸素発生装置の給電機構の概略断面図である。
【図３】図２の部分拡大断面図である。
【図４】水電解セルの部分概略断面図である。
【図５】水素・酸素発生装置の部分概略図である。
【符号の説明】
１…水素・酸素発生装置
２…水電解セル
３…純水容器
４…酸素ガス気液分離室
７…水素ガス気液分離装置
１１…中空管
１２…電極板
１３…ケーブル
１４…絶縁挟装部材
１５…蓋部材
２１…固体電解質膜
２２…陽極
２３…陰極
２４…陽極室
２５…陰極室
２６…固体電解質
４１…固定金具本体
４２…パッキン
４４…パッキン押さえ
４５…ユニオンナット
【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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