(57)【要約】【課題】水電解槽への供給水量が低下しても、頻繁に運転が停止せず、長期間放置しても、電解時のガス発生のエネルギー効率が低下しない、また、水の消費量を正確に把握し、より正確なタイミングで運転を停止させることが可能で、水電解槽を劣化させない電解式ガス発生装置を提供する。【解決手段】陽極側に水供給配管と酸素排出配管とが接続され、陰極側に水素排出配管が接続され、イオン交換膜の両面に触媒電極を接合したイオン交換膜−触媒電極接合体を備えた水電解槽を備え、前記水供給配管から前記水電解槽の陽極に水を供給し、前記水電解槽の両極間に直流電圧を印加することにより、陰極から水素ガスを、陽極から酸素ガスを発生させる電解式ガス発生装置において、前記水供給配管と前記酸素排出配管とに接続された水タンクを設け、前記水タンクと前記水供給配管との間の配管に逆流防止弁を設けたことを特徴とする。【選択図】図１
2005187903.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
陽極側に水供給配管と酸素排出配管とが接続され、陰極側に水素排出配管が接続され、イオン交換膜の両面に触媒電極を接合したイオン交換膜−触媒電極接合体を備えた水電解槽を備え、前記水供給配管から前記水電解槽の陽極に水を供給し、前記水電解槽の両極間に直流電圧を印加することにより、陰極から水素ガスを、陽極から酸素ガスを発生させる電解式ガス発生装置において、前記水供給配管と前記酸素排出配管とに接続された水タンクを設け、前記水タンクと前記水供給配管との間の配管に逆流防止弁を設けたことを特徴とする電解式ガス発生装置。
【請求項２】
前記水タンクに水位センサーを設けることを特徴とする請求項１に記載の電解式ガス発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン交換膜の両面に白金族金属電極を接合したイオン交換膜―触媒電極接合体を備えた水電解槽を用いる電解式ガス発生装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
イオン交換膜の両面に白金属金属電極を接合したイオン交換膜―触媒電極接合体を基本ユニットとする水電解槽を備えた水電解装置は、特許文献１や非特許文献１に開示されている。このような水電解装置は、酸素ガス発生装置や水素ガス発生装置として利用することができる。
【０００３】
イオン交換膜の両面に触媒電極が接合した、イオン交換膜−触媒電極接合体を基本ユニットとする水電解槽を用いた従来の電解式ガス発生装置の簡略化した流路図を図３に示す。図３において、１は水電解槽、２は水素分離タンク、４は電磁弁、５は水位センサー、８は流量センサー、９は水供給配管、１０は酸素排出配管、１１は水素ガス出口、１２は排水出口、１３は酸素ガス出口、１４は水供給口、１５は水素排出配管である。
【０００４】
ここで水電解槽のイオン交換膜−触媒電極接合体としては、非特許文献１や非特許文献２に記載されているのと同じ、スルホン酸基をもつパーフルオロカーボン系のカチオン交換膜ＮＡＦＩＯＮ１１７（Ｄｕ  Ｐｏｎｔ社製）の両面に吸着還元成長法で白金を接合したものを使用している。
【０００５】
図３の電解式ガス発生装置では、水供給口１４から水供給配管９を経て、水電解槽１の陽極に水を供給し、この状態で水電解槽１の両極間に直流電圧を印加すると、陰極から水素ガスが発生する。また水素ガスとともに微量な水が陽極から陰極に電気浸透により移動する。この水素ガスと水は、水素排出配管１５を経て水素分離タンク２に達し、水素分離タンク２で気液分離され、水素ガス出口１１から水素ガスを得ることができる。
【０００６】
また、電気浸透で移動してきた水が気液分離タンク２に蓄積され、一定量以上の水位になると、気液分離タンク２の水位を監視している水位センサー５が検知し、電磁弁４を開くことにより、排水出口１２から水が排出される。
【０００７】
一方、水電解槽１の陽極で発生した酸素ガスは、電気分解で使用されなかった余剰な水とともに、酸素排出配管１０を経て、酸素ガス出口１３から排出され、この酸素ガスを利用することができる。
【０００８】
図３において、水供給口１４から水電解槽１の陽極に供給する水の量は、流量センサー８により監視し、水量が低下した場合は、異常警報により装置の運転を直ちに停止する。
【０００９】
このような電解式ガス発生装置は、必要な場所に簡単に設置できる。そのため、半導体工場、液晶工場、燃料電池実験設備等の水素ガスや酸素ガスが必要な場所で用いられている。
【００１０】
【特許文献１】特開平１０−３３０９７８号公報
【非特許文献１】竹中  ソーダと塩素  ３７，３２３（１９８６）
【非特許文献２】人見、工藤  ＧＳ  Ｎｅｗｓ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｒｅｐｏｒｔ，４８（１），３６（１９８９）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
水電解槽を使用したガス発生装置は、水電解槽の陽極に供給する水の水量管理が極めて重要である。なぜなら、水は電気分解により水素を得るための原料であるばかりでなく、電気分解に伴い生じる熱を電解槽外部へ逃がす役目もはたしている。水供給量が不足状態になると、電解槽内部の温度が上昇し、イオン交換膜―触媒電極等が劣化する。
【００１２】
また、水電解槽の内部のイオン交換膜―触媒電極接合体は、運転を行っていない場合でも常に水に浸かった状態でなければならない。水がなくなりイオン交換膜の含水率が低下すると、イオン交換膜の膜抵抗が増大し、ガス発生のエネルギー変換効率が低下する。一度イオン交換膜の含水率が低下すると、再度水に浸けても回復しない。
【００１３】
従来の電解式ガス発生装置は、図３に示したように、水供給ライン（水供給配管９）に流量センサー８を設け、供給水量が低下した場合、運転を停止していた。しかし、本来、水電解槽への供給水量が低下した場合にのみ運転を停止すべきはずが、水圧の変動等により供給水量が変動した場合にも、警報機能により頻繁に運転が停止するという問題があった。
【００１４】
また、水を貯蔵するタンク等がないため、水は水供給配管中のみにしかなく、長期間放置すると、水電解槽内の水が蒸発等により減少した。そのため、イオン交換膜の含水率が低下し、電気エネルギーを水素ガスに変換するエネルギー効率が低下するという問題があった。
【００１５】
しかしながら、従来の電解式ガス発生装置では、これらの問題点に関し、何ら考慮がなされていなかった。
【００１６】
そこで本発明の目的は、水電解槽への供給水量が低下しても、頻繁に運転が停止せず、長期間放置しても、電解時のガス発生のエネルギー効率が低下しない、また、水の消費量を正確に把握し、より正確なタイミングで運転を停止させることが可能で、水電解槽を劣化させない電解式ガス発生装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
請求項１の発明は、陽極側に水供給配管と酸素排出配管とが接続され、陰極側に水素排出配管が接続され、イオン交換膜の両面に触媒電極を接合したイオン交換膜−触媒電極接合体を備えた水電解槽を備え、前記水供給配管から前記水電解槽の陽極に水を供給し、前記水電解槽の両極間に直流電圧を印加することにより、陰極から水素ガスを、陽極から酸素ガスを発生させる電解式ガス発生装置において、前記水供給配管と前記酸素排出配管とに接続された水タンクを設け、前記水タンクと前記水供給配管との間の配管に逆流防止弁を設けたことを特徴とする。
【００１８】
また請求項２の発明は、請求項１記載の電解式ガス発生装置において、前記水タンクに水位センサーを設けることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の電解式ガス発生装置においては、水供給配管と酸素排出配管とに接続された水タンクを設け、水タンクと水供給配管との間の配管に逆流防止弁を設けることにより、水の供給水量が低下しても、頻繁に運転が停止せず、また、長期間放置した場合の、電解時のガス発生のエネルギー効率の低下を防止することができる。
【００２０】
また、水タンクに水位センサーを設けることにより、水の消費量が正確にわかるため、より正確なタイミングで運転を停止させることができ、水電解槽を劣化させることがない。したがって、本発明は工業上、寄与すること大である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
発明を実施するための最良の形態を、実施例にもとずき、図面を参照して説明する。
【実施例】
【００２２】
［実施例１］
図１は、本発明の実施例１に係る電解式ガス発生装置を簡略化した流路図である。図１において、図３に示した従来例と同様の機能を有する構成部材には同じ記号を付記する。また、３は水タンク、６は逆流防止弁である。
【００２３】
水電解槽１に用いるイオン交換膜−触媒電極接合体としては、図３に示した従来の水素ガス発生装置の水電解槽に用いたのと同じものを使用した。
【００２４】
実施例１の水素ガス発生装置において、正常な運転状態では、水供給口１４から供給された純は、水供給配管９を通り水電解槽１の陽極に入る。そして、水電解槽１の両極間に直流電圧を印加することにより、陽極から酸素ガスを、また陰極から水素ガスを発生させる。水電解槽１の陽極で電気分解により発生した酸素ガスは、酸素排水配管１０を通って水タンク３を経て酸素ガス出口１３から排出され、利用される。同時に、電気分解に使用されなかった余剰水は、酸素排水配管１０を通って水タンク３に入り、酸素ガス出口１３から排出される。ここで、水タンク３と水供給配管９との間の配管に逆流防止弁６を設けることにより、水供給配管９から直接水タンク３に水が供給され、水電解槽１に水が供給されなくなるのを防止する。
【００２５】
水電解槽１の陰極から発生した水素ガスと、電気浸透により陽極から移動してきた微量の水は、水素排出配管１５を経て水素分離タンク２に達し、そこで気液分離され、水素ガス出口１１から水素ガスが供給される。一方、電気浸透で移動してきた微量の水は、一定水量になると気液分離タンク２の水位を監視している水位センサー５が検知し、電磁弁４を開くことにより排水出口１２から排出される。
【００２６】
水供給口１４からの供給水量が低下したり、停止したりした場合は、水タンク３の水が水電解槽１に供給される。電気分解に使用されなかった余剰な水は、発生した酸素ガスのガスリフトにより持ち上げられ、水が循環する。
【００２７】
純水供給口１４からの供給水量が正常に戻れば、前記ガスリフトによる水の循環が止まり、電気分解で使用されなかった余剰な水と、水電解槽１で発生した酸素ガスは酸素ガス出口１３から排出される。
【００２８】
なお、水タンク３の水が水電解槽１に容易に供給される工夫としては、水タンク３を水電解槽１より高い位置に設けておき、水タンク３と水電解槽１との間の水位差により、水が供給されるようにする方法や、水タンク３の内部を加圧したり、ポンプを設けるなどのより、水が供給されるようにする方法等を採用することができる。
【００２９】
実施例１の電解式ガス発生装置においては、供給水量の低下や停止の信号が流量センサー８から一定時間以上継続して出力された場合は、水タンク３内の水が電気分解により消費されなくなったり、循環している純水の水温が上昇してしまったりするため、装置の運転を停止する。したがって、従来の電解式ガス発生装置にみられたような、水圧の変化等により供給水量が一時的に低下しても、直ぐに運転を停止する必要がなくなる。
【００３０】
なお、本発明の電解式ガス発生装置に使用する水は、水中に不純物イオンが含まれている場合には、水電解セルに使用しているカチオン交換膜のイオン交換がおこり、膜抵抗が増加するため、蒸留水やイオン交換水を使用することが好ましく、特に、電導度が０．２μＳ／ｃｍ以下のイオン交換水を用いることが好ましい。
【００３１】
［実施例２］
図２は、本発明の実施例２の電解式ガス発生装置を簡略化した流路図である。図２において、図１に示した実施例１と同様の機能を有する構成部材には同じ記号を付記する。また、７は水位センサーである。水電解槽としては、実施例１と同じものを用いた。
【００３２】
図２においては、実施例１における流量センサー８の代わりに、水タンク３に、水タンク３の水位を監視する水位センサー７を設けている。実施例２の電解式ガス発生装置では、供給水量の低下や停止した場合は、実施例１と同様に、水タンク３内の水が水電解槽１に供給され、水がガスリフトにより循環する。一定時間以上この状態が継続した場合は、水タンク３内の水が電解により消費され、水タンク３内の水位が低下し、水タンク３に設けた水位センサー７が検知し、警報機能により運転が停止する。このように水の消費量が正確にわかるため、正確なタイミングで水電解槽の運転を停止することができ、水電解槽１の劣化を防止することができる。
【００３３】
つぎに、図１に示した本発明の実施例１の電解式ガス発生装置と、図３に示した従来の電解式ガス発生装置の、電気エネルギーから水素ガスへのエネルギー変換効率を比較した。その結果を図４に示す。いずれの場合も、測定条件は、電極面積５０ｃｍ２の水電解槽を用い、供給水温を４０℃とし、水電解槽に印加する直流電圧を変化させた場合の電流と水素ガス発生量を測定した。
【００３４】
ここで「電気エネルギーから水素ガスへのエネルギー変換効率（α）は、非特許文献１の３２５ページに記載のように、電解槽電圧をＶ、電流効率をεとした場合、次の式で表される。
【００３５】
α＝１．４８ε／Ｖ
なお、電流効率εは、石鹸膜式流量計を用いて水素ガス発生量を測定し、温度と圧力補正をおこなって求めた。
【００３６】
図４において、曲線ａ、Ａは従来の水素ガス発生装置の水素ガスへのエネルギー変換効率を示し、曲線ａは放置前の、曲線Ａは１ヶ月間放置した後のデータである。また、曲線ｂ、Ｂは本発明実施例１の水素ガス発生装置曲線の水素ガスへのエネルギー変換効率を示し、曲線ｂは放置前の、曲線Ｂは１ヶ月間放置した後のデータである。
【００３７】
図４からわかるように、従来の電解式ガス発生装置では水を貯蔵する場所がないため、１ヶ月間放置した後には、乾燥等により水電解槽内のイオン交換膜の含水率が低下し、水素ガスへのエネルギー変換効率が低下している。しかし、本発明実施例１の電解式ガス発生装置では、水タンクが設けられ、水タンクに水が貯蔵できるため、１ヶ月間放置した後においても、イオン交換膜の含水率が低下せず、水素ガスへのエネルギー効率も低下しなかった。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施例１の電解式ガス発生装置を簡略化した流路図。
【図２】本発明の実施例２の電解式ガス発生装置を簡略化した流路図。
【図３】従来の電解式ガス発生装置を簡略化した流路図。
【図４】実施例１と従来の電解式ガス発生装置の、電気エネルギーから水素ガスへのエネルギー変換効率を比較した図。
【符号の説明】
【００３９】
１  水電解槽
２  水素分離タンク
３  水タンク
４  電磁弁
５  水位センサー
６  逆流防止弁
７  水位センサー
８  流量センサー
９  水供給配管
１０  酸素排出配管
１１  水素ガス出口
１２  排水出口
１３  酸素ガス出口
１４  水供給口
１５  水素排出配管
【図１】
2005187903.tif 000003
【図２】
2005187903.tif 000004
【図３】
2005187903.tif 000005
【図４】
2005187903.tif 000006