(57)【要約】【課題】省電力で効率よい水素・酸素混合ガスを発生するに当たり、電力を監視制御しながら、運転することにより、小型で低価格、高効率の水素・酸素混合ガス発生装置を得る。【解決手段】電源装置の電圧及び電流をマイコン等により監視制御しながら、電解槽中央部に設けた正電極と負電極の圧力槽間に印加する構造とした。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解液中に複数の平板電極を設けた電解槽と、発生ガスを密閉保持する圧力槽と前記平板電極に印加する電圧もしくは電流を制御する制御回路を具備する水素・酸素混合ガス発生装置に於いて、圧力槽の両側壁に密接する絶縁性電極ガイドを設け、該絶縁性電極ガイドに形成した凹部に密接させて前記平板電極を挿入して構成したことを特徴とする水素・酸素混合ガス発生装置。
【請求項２】
前記電解槽の平板電極と対向した前記圧力槽の側壁を空冷する如くしたことを特徴とする請求項１記載の水素・酸素混合ガス発生装置。
【請求項３】
直流電源装置と、前記電解槽の電極とを直列に接続したスイッチングトランジスタと、電流検出手段と、温度検出手段と、水位検出手段と、圧力検出手段と、傾斜検出手段を具備したことを特徴とする請求項１記載の水素・酸素混合ガス発生装置。
【請求項４】
前期圧力槽は、本体筐体部と、弾性体を介しボルト・ナットで固定した上蓋により構成し、該上蓋に、ガス排出口及び、給水口を設け、本体筐体部の下底部近傍に廃液口を設けてなる請求項１記載の水素・酸素混合ガス発生装置。
【請求項５】
前記圧力槽の上部に濾過タンクを設け、該濾過タンクの下方を濾過タンク入口孔とし、上方部に濾過タンク出口孔を設けたことを特徴とする請求項１記載の水素・酸素混合ガス発生装置。
【請求項６】
起動時に前記電解槽に通電する電流のデューティーを下げ、一定時間後、定電流制御としまた、定電流値の１．５倍を超える電流で停止させる如くしたことを特徴とした請求項１記載の水素・酸素混合ガス発生装置。
【請求項７】
前記絶縁性電極ガイドの中央部近傍に位置する平板電極をプラス電極となし、圧力槽をマイナス電極と兼用にしたことを特徴とする請求項１記載の水素・酸素混合ガス発生装置。
【請求項８】
前記平板電極の電解液の水面より上部に貫通孔を設けたことを特徴とする請求項７載の水素・酸素混合ガス発生装置。
【請求項９】
マイナス電極となる前記圧力槽と前記平板電極の間に、水位手段を設けなる水位判別手段と、電流制御手段と水位表示手段を具備したことを特徴とする請求項７記載の水素・酸素混合ガス発生装置。
【請求項１０】
前記電解液水位を平板電極の高さより低位としたことを特徴とする請求項７記載の水素・酸素混合ガス発生装置。
【請求項１１】
平板電極間の距離をｌ〔ｍｍ〕、平板電極の高さをｈ〔ｍｍ〕としたとき、高さ当たりの電極間距離ｌ／ｈを０．００１＜ｌ／ｈ＜０．０６としたことを特徴とする請求項１０記載の水素・酸素混合ガス発生装置。
【請求項１２】
前記傾斜計が前記平板電極と、平行方向または直角方向に、定められた角度以上傾いたとき、運転を停止させる如くしたことを特徴とする請求項１０記載の水素・酸素混合ガス発生装置。
【請求項１３】
初期の定電流制御時の入力を増加させ、電解液の温度が一定温度に達した後、適正な入力に下げる制御装置を具備したことを特徴とした請求項１２記載の水素・酸素混合ガス発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は水と電気分解し水素と酸素の混合ガスを大量発生させる水素・酸素混合ガス発生装置を提供するものである。この水素・酸素混合ガスは各種燃焼機器用燃料として超高温加熱可能なガスで、環境汚染がない安全な熱料で、金属の溶断も容易、経済性に優れたものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の水素酸素混合ガス発生装置には、円筒状の電解槽に複数の電極板が組込まれ、最外周の電極が発生ガスの圧力を一定値に保持するための圧力容器を兼ねた構造のもがある。これは、単位容積当りに設置される電極数が限定されることになり、低電圧、大電流の発生装置となっていた。
【０００３】
また、平板電極を用いた発生装置として、特許第３１３００１４号の横列式電解槽を含むブラウンガス大量発生装置に開示されているように、プラス電極板とマイナス電極板が横列式に配列され、電極間に大電流を流す装置があった。
【０００４】
さらに、特開平１１−３０２８８５の水素と酸素との可燃性混合ガス発生装置では、複数の平板状電極板が直列に並べられており、電極板そのものが、電解槽と圧力室の一部となり、かつ、その電極板の一部が冷却フィンを兼ねる様にした構造の装置が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし従来の装置では、発生量を増加させる場合、電流を大とすることが必要となり、効率を低下させる原因の一つとなっている。また、装置が大型となり、冷却による断続運転が避けられないなどの問題があった。
【０００６】
また、従来の装置では、いずれも、混合ガスを発生する電解槽と発生ガスを一定圧力に保持する圧力室とが共用された構造とされ、電解槽自身を高圧力に耐える構造としなければならないものであった。そのため、小型化が困難で、設置する電極数は少数に限定され、両端部の電極間に加える電圧は低電圧とせざるを得ず、大量の混合ガスを発生させる為には電極面積を増大させ、大電流を流す必要があった。さらに、その電解槽の大きさを遥かに越えたスペースを占める変圧器や制御装置を設けることが必要条件となってしまい、より大型で高価な装置となる欠点があった。
【０００７】
また、従来の発生装置では、大電流を流すため、イオン流による抵抗損失が大きく、さらに低電圧であるため、電解液中の不純物による電極面への絶縁膜付着の影響を受け易く、それらの対策として、電極面積をさらに大きくしておくことが必要となって、装置全体はさらに大型になる欠点があった。
【０００８】
本発明は、上記した従来の欠点を解決するため発明されたものであり、その課題とする所は、電源装置の電圧及び電流をマイコン等により監視制御しながら、電解槽中央部に設けた正電極及び圧力槽をかねる負電極に印加できるようにし、小面積で多数の電極を並べうる構造とし、小型で低価格、高効率の水素・酸素混合ガス発生装置を提供することにある。
【０００９】
また、本発明の他の課題は、一つの圧力容器内に電解槽を収納し電極板およびその構造物を薄肉とし、より多くの電解液スペースを確保すると共に、電解液中の正電極と負電極の中間電極を経由しないリークイオン電流を最小限に抑え、混合ガスの発生量を高め、効率を向上させた水素酸素混合ガス発生装置を提供することにある。
【００１０】
【問題点を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、電解液中に複数の平板電極を設けた電解槽と、発生ガスを密閉保持する圧力槽と前記平板電極に印加する電圧もしくは電流を制御する制御回路を具備する水素・酸素混合ガス発生装置に於いて、圧力槽の両側壁に密接する絶縁性電極ガイドを設け、該絶縁性電極ガイドに形成した凹部に密接させて前記平板電極を挿入して構成したことを特徴とする水素・酸素混合ガス発生装置である。
【００１１】
請求項２記載の発明は、前記電解槽の平板電極と対向した前記圧力槽の側壁を空冷する如くしたことを特徴とする水素・酸素混合ガス発生装置である。
【００１２】
請求項３記載の発明は、直流電源装置と、前記電解槽の電極とを直列に接続したスイッチングトランジスタと、電流検出手段と、温度検出手段と、水位検出手段と、圧力検出手段と、傾斜検出手段を具備したことを特徴とする水素・酸素混合ガス発生装置である。
【００１３】
請求項４記載の発明は、前期圧力槽は、本体筐体部と、弾性体を介しボルト・ナットで固定した上蓋により構成し、該上蓋に、ガス排出口及び、給水口を設け、本体筐体部の下底部近傍に廃液口を設けてなる水素・酸素混合ガス発生装置である。
【００１４】
請求項５記載の発明は、前記圧力槽の上部に濾過タンクを設け、該濾過タンクの下方を濾過タンク入口孔とし、上方部に濾過タンク出口孔を設けたことを特徴とする水素・酸素混合ガス発生装置である。
【００１５】
請求項６記載の発明は、起動時に前記電解槽に通電する電流のデューティーを下げ、一定時間後、定電流制御としまた、定電流値の１．５倍を超える電流で停止させる如くしたことを特徴とした水素・酸素混合ガス発生装置である。
【００１６】
請求項７記載の発明は、前記絶縁性電極ガイドの中央部近傍に位置する平板電極をプラス電極となし、圧力槽をマイナス電極と兼用にしたことを特徴とした水素・酸素混合ガス発生装置である。
【００１７】
請求項８記載の発明は、前記平板電極の電解液の水面より上部に貫通孔を設けたことを特徴とする水素・酸素混合ガス発生装置である。
【００１８】
請求項９記載の発明は、マイナス電極となる前記圧力槽と前記平板電極の間に、水位検出電極を設けてなる水位判別手段と、電流制御手段と水位表示手段を具備したことを特徴とする水素・酸素混合ガス発生装置である。
【００１９】
請求項１０記載の発明は、前記電解液水位を平板電極の高さより低位としたことを特徴とする水素・酸素混合ガス発生装置である。
【００２０】
請求項１１記載の発明は、平板電極間の距離をｌ〔ｍｍ〕、平板電極の高さをｈ〔ｍｍ〕としたとき、高さ当たりの電極間距離ｌ／ｈを０．００１＜ｌ／ｈ＜０．０６としたことを特徴とする水素・酸素混合ガス発生装置である。
【００２１】
請求項１２記載の発明は、前記傾斜計が前記平板電極と、平行方向または直角方向に、定められた角度以上傾いたとき、運転を停止させる如くしたことを特徴とする水素・酸素混合ガス発生装置である。
【００２２】
請求項１３記載の発明は、初期の定電流制御時の入力を増加させ、電解液の温度が一定温度に達した後、適正な入力に下げる制御装置を具備したことを特徴とした水素・酸素混合ガス発生装置である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面１ないし図面７に従って説明する。
【００２４】
図面１は、本案の水素・酸素混合ガス発生装置全体を示す上方視図である。図面２は、水素・酸素混合ガス発生装置全体を示す縦断面図である。図面３は、圧力槽１の上蓋５を取り除いて見た上方視図である。図面４は、図面３のＡ−Ａ縦断面図である。図面５は、図面３のＢ−Ｂ縦断面図である。図面６は制御方法を説明するブロック図である。図面７は１００Ｗ当たりの混合ガス発生量を示した図である。
【００２５】
本案の水素・酸素混合ガス発生装置は、主に圧力槽１と電解槽２と、多数の仕切り平板電極３とにより構成されている。圧力槽１は、ほぼ直方体形状とし、圧力槽１と上蓋５により構成されている。上蓋５は、圧力槽１の上部に設けられたフランジ部に、ゴムパッキング６を介してボルト７、ナット８により固定されている。上蓋５には、発生ガス排出口９と給水口１０が設けられている。また、圧力槽１の下部には廃液口１１が設けられ、圧力槽１には冷却フィン２４及び冷却ファン２５が設けられている。
【００２６】
図３、４両図により明らかなように、圧力槽１の中には、圧力槽１に密着した板２２及び、内部に組み込んだ平板電極３と圧力槽１底部に絶縁性電極底板２２ｂが設けられ構成されている。前記絶縁性電極ガイド２２ａ及び前記絶縁性電極底板２２ｂには凹部が等ピッチで構成され、平板電極３が密接されて挿入されている。また、電解液の飛沫が隣接した電解室１２を越える事の無いように、平板電極３を上蓋５の近傍まで延長されている。
【００２７】
電解槽２の側壁には絶縁性電極ガイド２２ａ及び絶縁性電極底板２２ｂが設けられており、中央部にプラス平板電極３を設置し圧力槽１の間に平板電極３がほぼ均等に配列され、プラス電極板３を中心に左右対称に構成され、圧力槽１がマイナス電極と圧力槽１とを兼ねる構造としている。これにより平板電極１の構造が簡素化出来ることにより製作面、コスト面でのメリットがある。また、平板電極３の表裏の電極面は、それぞれ陰極及び陽極として働くように構成されている。
【００２８】
また、平板電極３の上部には、電解液が満たされる最上位液面２３より上方に貫通孔１３が設けてあり、この穴を通して、運転時に上昇する気泡の作用により液位が上昇したとき、電解液は隣接した電解室１２へ自由に移動可能とされている。
【００２９】
また、前記を制御する手段を図６で説明すると、直流電源装置２７から供給された電解槽２のプラス電極より圧力槽１のマイナス電極を通りリレースイッチ、スイッチングトランジスタ及び電流検出器１４を介して直流電源装置２７へ戻る。また、プログラムされたマイコン２８等を使用し、前記電流検出器１４、温度計１５、水位検出電極１７、圧力計１６、傾斜計１８を具備することにより、装置を制御及び保護する構成としている。
【００３０】
また、前記の平板電極３及び前記圧力槽１間に、直流電源装置２７と直列に接続したスイッチングトランジスタと電流検出器１４が構成されている。また、起動時の突入電流を抑える制御として、電流デューティーを下げ、一定時間後電流が一定値を保つ制御と、一定時間初期電力の入力を増して、一定入力を与えた後に、適切な入力に戻す制御を行うことにより、より短時間で電解液の適正温度による運転状態となし、安定した発生量が得られるように制御している。また、過電流が定電流値の１．５倍を超えると装置の運転を停止させる保護制御装置を具備している。
【００３１】
次に、圧力槽１の冷却に関し説明する。本装置は通電現象に付随して発熱現象があり、発生効率を高めるためには、電解液温をほぼ一定の最適温度に維持することが重要となっている。圧力槽１及び濾過タンク１９内には発生した水素・酸素混合ガスが保持されるが、その発生したガスを介した熱伝導では冷却効果が不十分となる。
【００３２】
また、電力の増加を図れば図るほど、発熱は増大することになるため、圧力槽１の側壁には、冷却フィン２４及び、冷却ファン２５を設けて、圧力槽１を強制冷却している。これにより、電解液温度を適正温度に保ち、通電を休止せたることなく、ガス発生効率が最大となる条件での連続運転を可能にしている。
【００３３】
次に、濾過タンク１９に関し説明する。本装置は前記した通電現象により発熱現象があり、電解液温度をほぼ一定の最適温度に維持するため、発生した混合ガス内には電解液及び蒸気等の非可燃性物質が含まれてしまう。
【００３４】
これを、除去するために、金属、樹脂などからなる濾過タンク１９内部に、金属製、樹脂製、セラミックス製、多孔製のフィルター材を１つあるいは、そのいずれかを複合したものよりなるフィルターを設け、混合ガス内に含まれる電解液及び蒸気等を前記濾過タンク１９内に液状化してとどめ、濾過タンク入口孔２０より圧力槽１内に戻す事により、メンテナンスの省力化及び非可燃性物質の除去を可能としている
【００３５】
次に、廃液処理について説明する。圧力槽１の底部の近傍に廃液口を設けているので廃液処理時間の短縮がなされ、圧力槽１の底部には絶縁底板が金属面と離間して設けられ、また、圧力槽１の側壁と平板電極３間には空間を設けているので保守点検等が容易となる。
【００３６】
【発明の効果】
請求項１記載の発明は、１つの圧力槽１で電解槽２と兼ねることができ、平板電極３及びその構造物の効率化が図れ、電解液スペースを確保すると共に、制御にマイコン２８を使用することにより正確な制御を行い、よって電解液中の中間電極を経由しないリークイオン電流を最小限に抑え、混合ガスの発生量を高め、効率を向上さることができる。
【００３７】
請求項２記載の発明は、平板電極３と対向する電解槽２側壁に冷却フィン２４及び、冷却ファン２５を後付けすることにより、熱伝導率の良い液と金属への放熱効果が上がり、圧力槽１の構造を簡略化出き、製造コストを抑えることができる。
【００３８】
請求項３記載の発明は、制御にマイコン２８を使用することにより、より正確な制御を行う事が可能なため、直流電源と圧力槽のプラス電極マイナス電極と直列したスイッチングトランジスタと、電流検出手段と温度検出手段と水位検出手段と圧力検出手段と傾斜検出手段を設け制御することにより、電解液中の中間電極を経由しないリークイオン電流を最小限に抑え、混合ガスの発生量を高め、効率を向上さることができる。
【００３９】
請求項４記載の発明は、前記圧力容器は、本体筐体部と、弾性シール部材を介しネジ止め固定した上蓋より構成し、該上蓋にガス排出口、及び、給水口を設け、本体筐体部低部の近傍に廃液口を設けているので、小型かつ組立てが容易となり、給水、廃液などの保守点検が容易となる。
【００４０】
請求項５記載の発明は、濾過タンク及び濾過タンク内部にフィルター材を具備することにより、混合ガス内に含まれる電解液及び蒸気をタンク内にとどめ、圧力槽内に戻す事により、非可燃性物質の除去ができる。
【００４１】
請求項６記載の発明は、起動時の突入電流を抑える制御として、電流デューティーを下げ、一定時間後電流が一定値を保つ制御とし、また、正常値の１．５倍を超えると運転を停止させる制御装置を具備することにより、投入時のラッシュ電流を抑え、装置の故障を未然に防ぐことができる。
【００４２】
請求項７記載の発明は、プラス平板電極１を中央部近傍に設けることにより、圧力槽１をマイナス電極と兼用することができ、リークイオン電流値を低くおさえると共に、平板電極３に対する電流密度を低くおさえ、また、平板電極３の小型化ができ高効率の電気分解を可能とする。
【００４３】
請求項８記載の発明は、水を補給した際、一定量の水をより短時間で給水することができ、隣接した電解室１２の水位を一定に保つことができる。
【００４４】
請求項９記載の発明は、水位検出電極１７と表示器２９を具備することにより、より安価で簡単に取り付けることができ、圧力槽１の構造が簡略化できる。
【００４５】
請求項１０記載の発明は、発生した泡が電極上面を伝うことによるリークイオン電流値をおさえることができ、発生効率を増大することができる。
【００４６】
請求項１１記載の発明は、実験結果を図７に示すとおり、平板電極間の距離をｌ〔ｍｍ〕、平板電極の高さをｈ〔ｍｍ〕としたとき、高さ当たりの電極間距離ｌ／ｈを０．００１＜ｌ／ｈ＜０．０６にするとガス発生量が高いのが、実証された。よって、該値を０．００１＜ｌ／ｈ＜０．０６にすることにより、ガス発生効率の高い運転ができる。
【００４７】
請求項１２記載の発明は、傾斜計１８を具備し平板電極１３と、平行方向または直角方向に、定められた角度以上傾いたとき、運転を停止させる制御装置を具備することにより、電解液の流出、圧力槽１の損傷等を未然に防ぐことができる。
【００４８】
請求項１３記載の発明は、混合ガスの発生効率を高めるには、電解液の温度をほぼ一定の最適温度に維持することが重要となり、初期電力の入力を増すことにより、電解液の温度を最適温度まで、すばやく上昇させることができ、初期時よりガス発生効率の高い運転ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における水素・酸素混合ガス発生装置の全体を示す上方視図である。
【図２】本発明における水素・酸素混合ガス発生装置の全体を示す縦断面図である。
【図３】本発明における水素・酸素混合ガス発生装置の圧力槽内部を示す上方視図である。
【図４】本発明における水素・酸素混合ガス発生装置の圧力槽内部を示す図３のＡ−Ａ縦断面図である。
【図５】本発明における水素・酸素混合ガス発生装置の圧力槽内部を示す図３のＢ−Ｂ縦断面図である。
【図６】本発明における水素・酸素混合ガス発生装置の電気回路ブロック図である。
【図７】本発明における水素・酸素混合ガス発生装置の１００Ｗ当たりのガス発生量を示す図である。
【符号の説明】
１、圧力槽
２、電解槽
３、平板電極
４、本体筐体
５、上蓋
６、ゴムパッキング
７、ボルト
８、ナット
９、水素酸素混合ガス排出口
１０、給水口
１１、廃液口
１２、電解室
１３、貫通孔
１４、電流検出器
１５、温度計
１６、圧力計
１７、水位計
１８、傾斜計
１９、濾過タンク
２０、濾過タンク入口孔
２１、濾過タンク出口孔
２２、絶縁性電極ガイド
２３、最上位液面
２４、冷却フィン
２５、冷却ファン
２６、弾性体
２７、直流電源装置
２８、マイコン
２９、表示器
【図１】
2004197211.tif 000002
【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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【図７】
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