(57)【要約】      （修正有）【課題】複数のユニット水電気分解セルを酸素、水素の貯蔵タンクと一体化してコンパクトな構造にし、ガス発生を増大することができるようにした固体高分子膜型水電気分解装置の提供。【解決手段】固体高分子電解質膜１の両側に接する酸素極２と水素極３、両極に隣接し集電板をなすセパレータ板４、その外側の非導電素材固定板６からなるユニット水電気分解セル１００が複数個積層され、その両端部の外側に水および発生ガスの貯蔵槽２０，３０を備えた固体高分子膜型水電気分解装置であって、固定板６が酸素極２および水素極３を固体高分子電解質膜１に押し付けるための押し付け素材５を内蔵し、各ユニット電気分解セル１００で発生した酸素および水素がガス用連通孔６６、７６を介して貯蔵槽２０，３０に導かれるとともに、酸素極２および水素極３には貯蔵槽２０，３０からの水が水連通孔８２，８４を介して導かれることを特徴とする。【選択図】図１
2007270292.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜、該固体高分子電解質膜の一方側に接して設けた酸素極、前記固体高分子電解質膜の他方側に接して設けた水素極、前記酸素極および水素極の外側に隣接して設けられかつ水および発生したガスの通路を有する集電板をなすセパレータ板、および該セパレータ板の外側に配置された非導電素材からなる固定板を有するユニット水電気分解セルを含み、該ユニット水電気分解セルが複数個積層されていて、両端部の前記ユニット水電気分解セルの前記固定板の外側に配置されかつ水および発生したガスを貯蔵するための貯蔵槽を備えた固体高分子膜型水電気分解装置であって、
前記水電気分解セルにおける前記固定板が前記酸素極および水素極を前記固体高分子電解質膜に対して押し付けるための押し付け素材を内蔵し、かつ該素材には流路を具備し、
前記複数のユニット水電気分解セルが前記貯蔵槽、前記固定板の外側から前記固体高分子電解質膜、酸素極、水素極、セパレータ板および固定板を一緒に挟むことにより、タイボルトによって一体にされ、さらに、
前記貯蔵槽は、前記それぞれのユニット水電気分解セルにおいて水の電解レベルの位置よりも高い位置に設けられた水の補給孔を有するとともに、発生したガスを放出するための放出孔を有し、
前記各ユニット電気分解セルから導かれた酸素および水素がガス用連通孔を介して前記貯蔵槽に導かれるとともに、前記酸素極および前記水素極には前記貯蔵槽からの水が水連通孔を介して導かれることを特徴とする固体高分子膜型水電気分解装置。
【請求項２】
前記ガス用連通孔は、前記水素極および前記酸素極からのガスをそれぞれ導く二つの連通孔が前記固体高分子電解質膜の部分に相当する電解部より上方に前記貯蔵槽に連通するように設けられていることを特徴とする請求項１に記載された固体高分子膜型水電気分解装置。
【請求項３】
前記水連通孔は、前記固体高分子電解質膜の部分に相当する電解部より下方に位置されて前記水素極および前記酸素極からそれぞれ独立して前記貯蔵槽に連通するように設けられていることを特徴とする請求項１に記載された固体高分子膜型水電気分解装置。
【請求項４】
前記ガス連通孔は、前記ユニット水電気分解セルに逆止弁を介して接続されていることを特徴とする請求項１に記載された固体高分子膜型水電気分解装置。
【請求項５】
前記酸素極は、イリジウムめっきされた多孔性シート状カーボン素材に、カーボンおよび固体高分子電解質膜樹脂を含む混合物をコーティングすることにより形成され、
前記水素極は、多孔性シート状カーボン素材に対してカーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物をコーティングし、さらにＰｔ（合金）および／またはＰｔ（合金）担持カーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物がコーティングされていることを特徴とする請求項１に記載された固体高分子膜型水電気分解装置。
【請求項６】
前記酸素極は、イリジウムめっきされた多孔性シート状カーボン素材に、Ｐｔ（合金）および固体高分子電解質膜樹脂を含む混合物をコーティングすることにより形成され、
前記水素極は、多孔性シート状カーボン素材に対して、カーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物をコーティングし、さらにＰｔ（合金）および／またはＰｔ（合金）担持カーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物がコーティングされていることを特徴とする請求項１に記載された固体高分子膜型水電気分解装置。
【請求項７】
前記セパレータ板が、ＰｔまたはＡｕによってコーティングされた金属板に複数の貫通孔を設けた材料から形成されていることを特徴とする請求項１に記載された固体高分子膜型水電気分解装置。
【請求項８】
前記セパレータ板に接触する前記固定板に内蔵された押し付け素材が、弾力性を有するナイロン等のポーラスプラスチック材からなることを特徴とする請求項１に記載された固体高分子膜型水電気分解装置。
【請求項９】
前記固定板には、水または発生したガスの流路となる孔および溝の貫通孔が形成され、前記ガスの流路となる孔に逆止弁が設けられていることを特徴とする請求項１または４に記載された固体高分子膜型水電気分解装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素および酸素ガスを得るための水の電気分解装置に係り、特に、ガス発生量を増大することができる固体高分子膜型水電気分解装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素、酸素ガスを得るために固体高分子膜を用いた水の電気分解装置には、教育あるいはデモンストレーション用のものとして、図４に示すような装置がある。この電気分解装置は、固体高分子電解質膜１を酸素極２、水素極３で挟み、これらの酸素極２と水素極３との外側に、発生したガスを通す通路を有したセパレータ板４を設け、さらに、セパレータ板４の外側に固定板６を設けて一体にされた固体高分子膜型電気分解セル１００を有すると共に、固定板６にはセパレータ板４の通路に連通するよう設けられた複数の貫通路６２が設けられ、これらの貫通路６２に連通するように、酸素極２側には、水タンク２２からの水を貯蔵するとともに酸素ガスを貯蔵し排出口２４から取り出すための酸素貯蔵タンク２０がホース２６を介して、そして、水素極３側には、水タンク３２からの水を貯蔵するとともに水素ガスを貯蔵して排出口３４から取り出すための水素貯蔵タンク３０がホース３６を介して接続されて設けられたものがある。
【０００３】
また、水の電気分解による酸素・水素ガスの発生装置としては、特許文献１に記載されているような、イオン交換膜を用いたものがあり、この装置は、イオン交換膜の両側に箱状隔壁を設け、その内側に金属被膜処理が施された金属被覆面とイオン交換膜を保持するための桟が設けられていて、その上方にガス排出口が設けられた電解セルとして形成されている。この装置では、電源装置の陽極と接続された隔壁とイオン交換膜とで形成された室において酸素ガスが発生し、電源装置と陰極と接続された隔壁とイオン交換膜で形成された室では水素ガスを発生して、隔壁の頂部から取り出されるようになっている。
【０００４】
さらに、特許文献２に記載されているように、燃料電池を兼用した水の電気分解装置として、固体高分子電解質膜、この固体高分子電解質膜の両側に酸素極と水素極とを接合した水の電気分解用膜・電極接合体を使用したものが提案されている。この膜・電極接合体の酸素極側には、酸素流路板、セパレータ板、およびエンドプレートを重ねて配置すると共に、水素極側には、セパレータ板およびエンドプレートを重ねて配置して一体化されたものを、水槽内に水に浸すように設けたものである。
【特許文献１】特開平９−１４３７７８号公報
【特許文献２】特開２００４−３５３０３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図４に示すような水の電気分解装置では、この装置により生成された水素、酸素は、ガス貯蔵タンク２０，３０において、排出口２４、３４が閉じられていても、ほぼ大気圧までの圧力までしか確保されず、貯蔵量もこれらのタンクの体積が限度であり、連続して発生しても、水タンク２２，３２に通じるセンターパイプを通して排出されるために、水タンク２２，３２内の水を溢れさせ、大気中に放出されてしまい、貯蔵タンク２０，３０での貯蔵は実質的に大気圧で行うことになるとともに、発生するガス量は限られたものであった。
【０００６】
このように生成された酸素・水素ガスの貯蔵のために、高圧ボンベを使用することも考慮されるが、この場合、レギュレータを付設する必要があり、全体のサイズが大きくなり、重量も増すために、運搬時あるいは保管時に制限を受けることになる。
【０００７】
また、特許文献１に記載された水の電気分解装置は、酸素・水素ガス室が多数に分割されたものを一体構造にされているために、このようなガス室を形成する部材である桟とイオン交換膜との密着力を得るのが難しいだけでなく、ガス室が細分化されているために、ガスをスムーズに取り出すことが容易でなく、ガスの発生量にも限界がある等の問題があった。
【０００８】
さらに、特許文献２に記載された水の電気分解装置においては、装置の主要部が水中に浸されるために、装置自体のサイズが制限されるだけでなく、また、生成された酸素・水素ガスの効率的な取り出し、圧力等を考慮したものではなく、上記従来例のように貯蔵のためには別に貯蔵タンクを設ける必要があり、また、センターパイプを必要としているために、必要なガスを得るためには装置全体のサイズが大きくなってしまう。
【０００９】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、複数のユニット水電気分解セルを酸素、水素ガスの貯蔵タンクと一体化して全体をコンパクトな構造にし、ガス発生を増大することができるようにした固体高分子膜型水電気分解装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の目的を達成するための固体高分子膜型水電気分解装置は、固体高分子電解質膜、該固体高分子電解質膜の一方側に接して設けた酸素極、前記固体高分子電解質膜の他方側に接して設けた水素極、前記酸素極および水素極の外側に隣接して設けられかつ水および発生したガスの通路を有する集電板をなすセパレータ板、および該セパレータ板の外側に配置された非導電素材からなる固定板を有するユニット水電気分解セルを含み、該ユニット水電気分解セルが複数個積層されていて、両端部の前記ユニット水電気分解セルの前記固定板の外側に配置されかつ水および発生したガスを貯蔵するための貯蔵槽を備えた固体高分子膜型水電気分解装置であって、
前記水電気分解セルにおける前記固定板が前記酸素極および水素極を前記固体高分子電解質膜に対して押し付けるための押し付け素材を内蔵し、かつ該素材には流路を具備し、
前記複数のユニット水電気分解セルが前記貯蔵槽、前記固定板の外側から前記固体高分子電解質膜、酸素極、水素極、セパレータ板および固定板を一緒に挟むことにより、タイボルトによって一体にされ、さらに、
前記貯蔵槽は、前記それぞれのユニット水電気分解セルにおいて水の電解レベルの位置よりも高い位置に設けられた水の補給孔を有するとともに、発生したガスを放出するための放出孔を有し、
前記各ユニット電気分解セルから導かれた酸素および水素がガス用連通孔を介して前記貯蔵槽に導かれるとともに、前記酸素極および前記水素極には前記貯蔵槽からの水が水連通孔を介して導かれることを特徴とする。
【００１１】
また、上記固体高分子膜型水電気分解装置においては、ガス用連通孔は、前記水素極および前記酸素極からのガスをそれぞれ導く二つの連通孔が前記固体高分子電解質膜の部分に相当する電解部より上方に前記貯蔵槽に連通するように設けられていることを特徴とする。
【００１２】
また、上記固体高分子膜型水電気分解装置においては、水連通孔は、前記固体高分子電解質膜の部分に相当する電解部より下方に位置されて前記水素極および前記酸素極からそれぞれ独立して前記貯蔵槽に連通するように設けられていることを特徴とする。
【００１３】
また、上記固体高分子膜型水電気分解装置において、ガス連通孔は、ユニット水電気分解セルに逆止弁を介して接続されていることを特徴とする。
【００１４】
また、上記固体高分子膜型水電気分解装置において、酸素極は、イリジウムめっきされた多孔性シート状カーボン素材に、カーボンおよび固体高分子電解質膜樹脂を含む混合物をコーティングすることにより形成され、
水素極は、多孔性シート状カーボン素材に対してカーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物をコーティングし、さらにＰｔ（合金）および／またはＰｔ（合金）担持カーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物がコーティングされていることを特徴とする。
【００１５】
また、上記固体高分子膜型水電気分解装置において、酸素極は、イリジウムめっきされた多孔性シート状カーボン素材に、Ｐｔ（合金）および固体高分子電解質膜樹脂を含む混合物をコーティングすることにより形成され、
前記水素極は、多孔性シート状カーボン素材に対して、カーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物をコーティングし、さらにＰｔ（合金）および／またはＰｔ（合金）担持カーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物がコーティングされていることを特徴とする。
【００１６】
また、上記固体高分子膜型水電気分解装置においては、セパレータ板が、ＰｔまたはＡｕによってコーティングされた金属板に複数の貫通孔を設けた材料から形成されていることを特徴とする。
【００１７】
また、上記固体高分子膜型水電気分解装置においては、セパレータ板に接触する固定板に内蔵された押し付け素材が、弾力性を有するナイロン等のポーラスプラスチック材からなることを特徴とする。
【００１８】
また、上記固体高分子膜型水電気分解装置においては、固定板は、水または発生したガスの流路となる孔および溝の貫通孔が形成されていることを特徴とする。
【００１９】
さらに、上記固体高分子膜型水電気分解装置においては、貯蔵槽は、水の補給孔および発生したガスの通路に加えて、底部またはその近傍に設けられたメンテナンスのための水抜き孔を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
上記のような本発明による固体高分子膜型水電気分解装置は、固体高分子電解質膜、酸素極、水素極、これらの酸素極および水素極の外側に隣接して設けられ集電板をなすセパレータ板、該セパレータ板の外側に配置された非導電素材からなる固定板を有するユニット水電気分解セルを含み、該ユニット水電気分解セルが複数個積層されていて、両端部の前記ユニット水電気分解セルの前記固定板の外側に配置されかつ水および発生したガスを貯蔵するための貯蔵槽を備えているので、ユニット水電気分解セルを必要な発生ガスの量に応じて設けることができる。また、複数のユニット水電気分解セルを固定板の外側に配置されかつ水および発生したガスを貯蔵するための貯蔵槽が両固定板の外側から固体高分子電解質膜、酸素極、水素極およびセパレータ板を固定板とともに一緒に挟むことにより、タイボルトによって一体にされているので、耐密性のある構造された酸素および水素を貯蔵するためのタンクを設けることができ、全体の構造がコンパクトになり、移動、保管に好都合なだけでなく大量のガスを発生させることができる水の電気分解装置を得ることができる。
【００２１】
また、固体高分子電解質膜に対して、その両側に酸素極と水素極が対向して設けられ、酸素極と水素極の外側にはセパレータ板および固定板が重ねられて、さらにその外側に貯蔵槽がこれらの部材を貫通するタイボルトによって一体にされているので、酸素極および水素極に対するセパレータ板の密着性を向上させることができ、効率的な電気分解を行うことができ、この密着によっても発生した酸素、水素ガスは押し付け素材の通路を介して通過させることができるので、必要に応じて発生したガスの供給が可能になる。さらに、貯蔵槽は、水の電解レベルの位置よりも高い位置に設けられた水の補給孔を有し、かつ発生したガスを排出するための排出孔を有しているので、水の補給孔およびガスの排出孔が遮断すれば、それらの耐圧度に応じて大気圧以上の生成されたガスの貯蔵が可能になり、圧力の高くなったガスによって、装置から離れた位置へのガスの供給も可能になる。
【００２２】
また、上記固体高分子膜型水電気分解装置においては、ガス用連通孔は、前記水素極および前記酸素極からのガスをそれぞれ導く二つの連通孔が前記固体高分子電解質膜の部分に相当する電解部より上方に前記貯蔵槽に連通するように設けられているので、各貯蔵槽には各ユニット水電気分解セルからの酸素ガスまたは水素ガスが収集されることにより単一ガスとしてそれぞれ貯蔵される。
【００２３】
また、上記固体高分子膜型水電気分解装置においては、水連通孔は、前記固体高分子電解質膜の部分に相当する電解部より下方に位置されて前記水素極および前記酸素極からそれぞれ独立して前記貯蔵槽に連通するように設けられているので、各ユニット水電気分解セルに対して各極側の電解部に対して独立して水が水連通孔を介して両貯蔵槽から確実に供給される。
【００２４】
また、上記固体高分子膜型水電気分解装置において、ガス連通孔は、ユニット水電気分解セルに逆止弁を介して接続されているので、各ユニット水電気分解セルから発生したガスは、貯蔵槽へのガス連通孔における圧力変動によってガスの逆流が生じても、電気分解セルに発生したガスが戻ることがないので、電気分解反応が不安定になることがなく、安定したガス発生をさせることができる。
【００２５】
また、酸素極は、イリジウムめっきされた多孔性シート状カーボン素材に、カーボンおよび固体高分子電解質膜樹脂を含む混合物をコーティングすることにより形成されていて、また、水素極は、多孔性シート状カーボン素材に対してカーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物をコーティングし、さらにＰｔ（合金）および／またはＰｔ（合金）担持カーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物がコーティングされているので、このような固体高分子膜型水電気分解装置として、純水を使用した、低電圧による電気分解が可能であるだけでなく、低電圧による水の電気分解によって大量の水素あるいは酸素ガスを得ることができる。特に、前記酸素極を、イリジウムめっきされた多孔性シート状カーボン素材に、Ｐｔ（合金）および固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物をコーティングすることにより、更に優れた効果を得ることができる。
【００２６】
また、上記構成の固体高分子膜型水電気分解装置においては、セパレータ板が、ＰｔまたはＡｕによってコーティングされた金属板に複数の貫通孔を設けた材料から形成されているので、貫通孔を介して生成された酸素ガスおよび水素ガスを問題なく貯蔵槽へと流通させることができる。
【００２７】
また、上記構成の固体高分子膜型水電気分解装置においては、セパレータ板の貫通孔を有する部分に対して固定板に内蔵された弾力性を有するポーラスプラスチック材からなる押し付け素材によって、酸素極あるいは水素極に対するセパレータ板の押圧がなされ、それらに密着力を与えることができるだけでなく、ガスの流通も得ることができる。
【００２８】
また、上記固体高分子膜型水電気分解装置においては、固定板は、水または発生したガスの流路となる孔および溝の貫通孔が形成され、さらに、貯蔵槽には、水の補給孔および発生したガスの通路に加えて、底部またはその近傍に設けられた水抜きのためのメンテナンス孔を有しているので、剛性を要求される固定板にもガス流路となる貫通孔が設けられていて、発生したガスの貯蔵槽への流れをスムーズに行わせ、また、貯蔵槽には水抜き孔も有しているので、内部の清浄も容易に行うことができる。
【００２９】
さらに、本発明の新規な特徴および構成、効果に関しては、以下の説明に関連する添付図面からさらに理解することができる。なお、図面において、同じ符号は同じ構成部材を示している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態を図１から図３を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態による固体高分子膜型水電気分解装置の説明図であり、図２は、同じ固体高分子膜型水電気分解装置の両側部における固定板を示し、（Ａ）は図１の線２Ａ−２Ａに沿った矢印方向にみた酸素極側の側面図、（Ｂ）は図１の線２Ｂ−２Ｂに沿って矢印方向にみたその水素極側の側面図であり、図３は、同じ固体高分子膜型水電気分解装置の中間部における固定板を示し、（Ａ）は図１の線３Ａ−３Ａに沿った矢印方向にみた酸素極側の側面図、（Ｂ）は図１の線３Ｂ−３Ｂに沿って矢印方向にみたその水素極側の側面図である。この固体高分子膜型水電気分解装置は、複数の水の電気分解セル１００１、１００２、１００３、・・・１００ｎ−１、１００ｎを有していて、各水電気分解セル１００１、１００２、１００３、・・・１００ｎ−１、１００ｎは、パーフルオロカーボンスルフォン酸ポリマー材等からなる固体高分子電解質膜１１、１２、１３、・・・１ｎ−１、１ｎ、これらの固体高分子電解質膜の一方の面に配置され、多孔性のシート状カーボン素材にイリジウムめっきされ、かつカーボンと固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物をコーティング層として形成された酸素極２１、２２、２３、・・・２ｎ−１、２ｎ、同じ各固体高分子電解質膜の他方の面に配置され、多孔性のシート状カーボン素材の表面にカーボンと固体高分子膜用樹脂の混合物をコーティングし、さらにその表面にＰｔ（合金）および／またはＰｔ（合金）担持カーボンと固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物をコーティングして形成され水素極３１、３２、３３、・・・３ｎ−１、３ｎ、これらの各酸素極と水素極との外側に隣接して配置され、水およびガスの流路を設けた集電板となるステンレス製のセパレータ板４１、４２、４３、・・・４ｎ−１、４ｎ、４’１、４’２、４’３、・・・４’ｎ−１、４’ｎ、およびこれらセパレータ板４、４’の外側に配置された樹脂製の固定板６１、６２、６３、・・・６ｎ−１、６ｎ、６’１、６’２、６’３、・・・６’ｎ−１、６’ｎからなっている。さらに好ましくは、セパレータ板４、４’にＰｔまたはＡｕをコーティングすることにより、耐食性が向上し、長期にわたり安定した水の電気分解反応を確保することが可能となる。以下、特定する場合を除いて、参照記号の添え字は省略する。
【００３１】
この水電気分解セル１００の固定板６、６’には、固体高分子電解質膜１に対して酸素極２と水素極３を押し付ける素材５１、５２、５３、・・・５ｎ−１、５ｎ、５’１、５’２、５’３、・・・５’ｎ−１、５’ｎが酸素極２と水素極３とに接触する部分に内蔵するように設けられ、押し付け素材５は水およびガスの流路を有する非導電素材からなり、その背後に水および発生したガスの貫通路６２、６２’が適宜の数だけ外側に貫通して設けられている。また、図２（Ａ）に示されるように、ユニット水電気分解セル１００における最側部の酸素極側の固定板６１は、側面側のガスの貫通路６２に加えて、他の水電気分解セル１００２・・・１００ｎからの酸素を流通するためのガス流通孔６６が電解部９４の上部電解レベル９４１より上方に設けられ、電解部９４の下部電解レベル９４２より下方に水供給用の水連通孔８２が設けられている。同様に、ユニット水電気分解セル１００の最側部の水素極側の固定板６’ｎは、図２（Ｂ）に示されるように、側面側のガスの貫通路６２’に加えて、他の水電気分解セル１００１・・・１００ｎ−１からの水素を流通するためのガス流通孔７６が電解部９４の上部電解レベル９４１より上方に、酸素極側のガス流通孔６６から離隔して設けられ、電解部９４の下部電解レベル９４２より下方に水供給用の水連通孔８４が酸素極側の水連通孔８２から離隔して設けられている。
【００３２】
また、中間の各ユニット水電気分解セル１００２・・・１００ｎ−１における固定板６、６’は、図３（Ａ）および図３（Ｂ）に示すように、酸素極側の固定板６２・・・６ｎにおいて、電解部９４の上部電解レベル９４１より上方に酸素ガスの連通孔６６と水素ガスの連通孔７６が離隔して設けられ、酸素ガスの連通孔６６が電解部９４に連通するように設けられ、電解部９４の下部電解レベル９４２より下方に二つの水の連通孔８２，８４が離隔して設けられ、一方の連通孔８２が電解部９４に連通するようにされている。水素極側り固定板６’１・・・６’ｎには、電解部９４の上部電解レベル９４１より上方に酸素ガスの連通孔６６と水素ガスの連通孔７６が離隔して設けられ、水素ガスの連通孔７６が電解部９４に連通されていて、さらに、電解部９４の下部電解レベル９４２の下方には二つの水連通孔８２、８４が離隔して設けられ、一方の水連通孔８４が電解部に水を供給するようにされている。
【００３３】
さらに、最側部の電気分解セル１００１，１００ｎには、固定板６１、６’ｎの外側に隣接するように、内部に水および発生したガスを貯蔵するための内部タンク２８、３８を有する酸素貯蔵槽２０、水素貯蔵槽３０が一体に設けられている。酸素貯蔵槽２０と水素貯蔵槽３０は、図１に示すように、タイボルトおよびナット（図示せず）により締め付け、一体に固定されている。各ユニット水電気分解セル１００の固定板６、６’と酸素貯蔵槽２０と水素貯蔵槽３０との間、および固定板６，６’同士の間にはパッキンを挟んでそこに発生したガスが大気圧以上になっても漏れないような密封構造にされている。
【００３４】
上記のようなユニット水電気分解セル１００１・・・１００ｎを一体にした水電気分解装置においては、各固定板６、６’に設けた酸素ガスの連通孔６６が連通路を形成して酸素貯蔵槽２０に連通する流路をなし、水素ガスの連通孔７６が連通路を形成して水素貯蔵槽３０に連通する流路をなしていて、各ユニット水電気分解セル１０の電解部９４との連通部には、逆止弁９２が設けられていて、発生ガスの電解部９４への逆流を阻止している。また、各ユニット水電気分解セル１００の電解部９４の下方に設けられた水の連通孔８２、８４は、それぞれ酸素貯蔵槽２０側と水素貯蔵槽３０側に連通する流路をなして、酸素彫像層３０から酸素極側の電解部９４に水を供給し、また、水素貯蔵槽３０から水素極側の電解部９４へ水を供給する。
【００３５】
これらの酸素および水素貯蔵槽２０、３０においては、水の電解レベルよりも高い位置に、例えば、図２に示されるように、電気分解セル１００の上面に開口するように、ガスの排出孔８、水の補給孔９等の少なくとも２個の孔が設けられている。水素または酸素の排出孔８には、安全弁、逆止弁等が取り付けられ、発生ガスの圧力を調整することができるようになっている。水の補給孔９には、必要に応じた水の補給を行うために、開閉弁が設けられ、貯蔵されたガスが大気圧以上になっても水の排出を防ぐようになっている。また、これらの酸素および水素貯蔵槽２０、３０には、水抜き等のために、底部近くに外部と内部タンク２８、３８とが連通するメンテナンス孔１０が通常は閉じられるように設けられている。
【００３６】
上記構成の本発明の一実施の形態による固体高分子膜型水電気分解装置は、酸素および水素貯蔵槽２０、３０に水の補給孔９から水が注入されて満され、固体高分子電解質膜１まで、固定板６、６’の水連通孔８２，８４あるいは貫通孔６２を通り、押し付け素材５、セパレータ板４、４’の流路を経て、酸素極２および水素極３の孔を介し水が達した状態で、セパレータ板４、４の端子板に直流電源が接続される。この状態で、酸素極２および水素極３は、固体高分子電解質膜１に対して、固定板６、６の押し付け素材５によってセパレータ板４、４を介して押し付けられて、密着されているので、酸素極２において電流を流すことにより、イリジウムの触媒作用により、水が酸素イオンと水素イオンに分離し、酸素イオンは、電子を取られて、酸素イオンとなる水素イオンは固体高分子電解質膜１を通過し、水素極３側に移動後、Ｐｔの触媒作用により電子を受け取り水素ガスとなる。
【００３７】
上記のように、酸素極２および水素極３において発生した酸素および水素ガスは、セパレータ板４の通路、押し付け素材５内部の流路を経て、固定板６、６’の酸素ガス連通孔６６、水素ガス連通孔７６および貫通孔６２を通って、酸素ガス貯蔵槽２０、水素ガス貯蔵槽３０の内部タンク２８、３８内に流動する。これらの発生したガスの流動は、そのまま継続されると、固体高分子電解質膜１に達する水が存在する限り、酸素貯蔵槽２０には酸素が継続して貯蔵され、酸素排出孔８および水の補給孔９から、そこに設けた安全弁、逆止弁９２等により圧力調整されて、ガスが保持されれば、蓄積される酸素ガスは次第に大気圧より高い状態になる。この状態は、水素貯蔵槽３０においても同様に水素ガスが大気圧より高い状態に蓄積される。
【００３８】
このように、ユニット水電気分解セル１００において、酸素ガスおよび水素ガスを発生させることができるので、ユニット水電気分解セル１００の数を増減すれば、必要に応じたガス量を得る水電気分解装置が得られ、蓄積された酸素および水素ガスは、圧力を高くして貯蔵されているので、酸素ガス排出孔および水素ガス排出孔８、８を介して外部の用途に応じた箇所、それもかなり遠隔の場所への大量の酸素、または水素を導くことができる。
【００３９】
また、水の電気分解セル１００と酸素および水素貯蔵槽２０、３０とは、図１に示されるように、タイボルト１０２およびナット１０４によって全体を一体に締め付け固定されるので、ユニット水電気分解セル１００が複数の多層に一体にされても、コンパクトな水素、酸素発生装置が得られるだけでなく、高い耐圧性の装置が得られるので、移動、保管に好都合な装置が提供され、発生したガスの遠方への供給が可能となる。
【００４０】
さらに、上記構成の高分子膜型水電気分解装置においては、酸素極２と水素極３がセパレータ板４、４’と直接接触され、さらに、セパレータ板４、４’の外側から弾性を有した多孔性プラスチック材からなる押し付け素材５、５’を挟んで、適宜配置された固定板６、６’によって、セパレータ板４、４’と酸素極２および水素極３の密着力が向上されるだけでなく、ガス流路が確保されるので、水の電気分解を効率よく行うことができる。
【００４１】
また、上記ような高分子膜型水電気分解装置によって、電源さえあれば、どのような場所においても、必要なときに必要な量の水素、酸素を発生させ供給することができるので、水素あるいは酸素ガスをボンベ等の重量容器に貯蔵して運搬する必要もないので、装置の運搬における規制を受けないので、水素、酸素発生装置をポータブルタイプに近い装置として提供することができる。
【００４２】
また、上記構成の固体高分子膜型水電気分解装置においては、固体高分子電解質膜がパーフルオロカーボンスルフォン酸ポリマー材からなり、酸素極２がイリジウムめっきされた多孔性のシート状カーボン素材に、カーボンおよび固体高分子膜用樹脂を含む混合物をコーティングすることにより形成され、そして、水素極３が多孔性のシート状カーボン素材の表面にカーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物のコーティング層を有すると共に、その上にＰｔ（合金）および／またはＰｔ（合金）担持カーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物のコーティングして形成されたものを、プレスにより一体化して水の電気分解用膜・電極接合体として形成されているので、１．６Ｖ以上で水の電気分解が可能になり、カーボンの損傷を回避することができる。また、低電圧のままでも、ユニット水電気分解セル自体の数を調節することにより、必要に応じたガス量を発生させることができる。特に、前記酸素極を、イリジウムめっきされた多孔性シート状カーボン素材に、Ｐｔ（合金）および固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物をコーティングして形成すると、更に効果が向上する。
尚、多孔性シート状カーボン素材にＰｔ（合金）および固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物をコーティングして形成した酸素極とすることもできる。
【００４３】
さらに、酸素ガス貯蔵槽２０および水素ガス貯蔵槽３０の底部近くには、メンテナンス孔１０が設けられているので、内部タンク２８、３８の水抜きを行うことができ、随時内部の洗浄を行うことができ、固定板６、６’の貫通孔６２の目詰まり等を回避することができ、また、各セルの電解部を装置中央部に位置させることができるので、効率の良い水の電気分解を行うことができる。
【００４４】
以上述べたように、本発明による固体高分子膜型水電気分解装置は、上記実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された技術範囲において実施し得ることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の一実施の形態による固体高分子膜型水電気分解装置の説明図である。
【図２】本発明の一実施の形態による固体高分子膜型水電気分解装置における両側部の固定板を示し、（Ａ）は図１の線２Ａ−２Ａにおける矢印方向にみた側面図、（Ｂ）は図１の線２Ｂ−２Ｂにおける矢印方向にみた側面図である。
【図３】本発明の一実施の形態による固体高分子膜型水電気分解装置にける中間部の固定板を示し、（Ａ）は図１の線３Ａ−３Ａにおける酸素極側の矢印方向にみた側面図、（Ｂ）は図１の線３Ｂ−３Ｂにおける水素極側の矢印方向にみた側面図である。
【図４】従来の固体高分子膜型水電気分解装置の概略断面図である。
【符号の説明】
【００４６】
１  固体高分子電解質膜
２，２１，２２，２３，・・・２ｎ−１，２ｎ  酸素極
３，３１，３２，３３，・・・３ｎ−１，３ｎ  水素極
４，４１，４２，４３，・・・４ｎ−１，４ｎ  セパレータ板
５，５１，５２，５３，・・・５ｎ−１，５ｎ  押し付け素材
５’１，５’２，５’３，・・・５’ｎ−１，５’ｎ  押し付け素材
６，６１，６２，６３，・・・６ｎ−１，６ｎ  固定板
６’，６’１，６’２，６’３，・・・６’ｎ−１，６’ｎ  固定板
７  酸素ガス放出孔
８  水素ガス放出孔
９  水の補給孔
１０  水抜き孔
２０  酸素貯蔵槽
２２  水タンク
２４  酸素ガス排出孔
２６  接続ホース
２８  内部タンク
３０  水素貯蔵槽
３２  水タンク
３４  水素ガス排出孔
３８  内部タンク
４２  端子板
３６  接続ホース
６２  貫通孔
６６  酸素ガス用連通孔
７６  水素ガス用連通孔
８２  水連通孔
８４  水連通孔
９４  電解部
９４１  上部電解レベル
９４２  下部電解レベル
１００  固体高分子膜型水電気分解セル
１００１，１００２，１００３，・・・１００ｎ−１，１００ｎ  ユニット水電気分解セル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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