(57)【要約】      （修正有）【課題】アルカリ電解水を電気分解する電解槽の水素ガスと酸素ガスの発生能力を高め、簡単な構造で必要量を安全に供給できる供給装置を提供する。【解決手段】水素・酸素ガス発生供給装置おいて、単体槽１１が多数積層されてアルカリ電解水の電気分解を行う電解槽１０と、電解槽１０で発生した水素ガスと酸素ガスを各々格納する気液分離タンク１６ａ，１６ｂと、各ガスを冷やす空冷器１４と、空冷器１４を出た水素ガスと酸素ガスを各々格納する中間タンク２３ａ，２３ｂと、中間タンクの出力に設けられた等圧器２５と、等圧器の後に設けられた差圧調整器２９と、圧力調整器から出た水素ガスと酸素ガスを各々格納するリザーブタンク３２ａ，３２ｂと、リザーブタンクの出口に設けられた流量バルブ３４，３５とを含んで構成され、水素ガスと酸素ガスが等圧になるように制御され、水素ガスと酸素ガスが２：１の比で外部に供給される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単体槽が多数積層されてアルカリ電解水の電気分解を行う電解槽と、
前記電解槽で発生した水素ガスと酸素ガスを各々格納する気液分離タンクと、
前記気液分離タンクの各ガスを冷やす空冷器と、
前記ガス空冷器を出た水素ガスと酸素ガスを各々格納する中間タンクと、
前記中間タンクの出力に設けられ、前記気液タンクの水素ガスと酸素ガスの圧力を等圧にする等圧器と、
前記等圧器の後に設けられ、所定以上の圧力が検出されると、検出された前記水素ガスまたは酸素ガスを外部に排気する差圧調整器と、
前記等圧器から出た水素ガスと酸素ガスを各々格納するリザーブタンクと、
前記リザーブタンクの出口に設けられた流量バルブとを含んで構成され、
水素ガスと酸素ガスが等圧になるように制御され、水素ガスと酸素ガスが２：１の比で外部に供給されることを特徴とする水素・酸素ガス発生供給装置。
【請求項２】
前記単体槽の隔膜は、イオン透過性及びガス遮断性を有するポリプロピレン繊維の織布によって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の水素・酸素ガス発生供給装置。
【請求項３】
前記電解水は、その量がレベルセンサで監視されて、その量が減少すると、給水ポンプで外部から水が補給されると共に、電解水循環ポンプで空冷器を介して循環され、前記電解槽から前記水素ガス気液分離タンクの下部及び前記前記酸素ガス気液タンクの下部に向かって流れるように構成されたことを特徴とする水素・酸素ガス発生供給装置。
【請求項４】
前記等圧器の入力側で、前記気液分離タンクまたは前記中間タンクの１箇所に、所定の圧力以上の圧力を検出したら水素ガスまたは酸素ガスを外部に逃がす安全弁が設けられていることを特徴とする請求項１記載の水素・酸素ガス発生供給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルカリ電解水の電気分解を行う、水素・酸素ガス発生供給装置に係り、より詳しくは、水素ガスと酸素ガスを効率よく発生させ、必要量を安定して供給できる装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、図３に示すように、水の電気分解は、電解槽１０、電解水１、陽極２、隔膜３、陰極４を使って行う。陰極４には鉄が主に使用され、陽極２にはニッケルまたはニッケルを鍍金した鉄板が主に使用される。また、電解水１は、電気伝導度が大きい水酸化カルシウムまたは水酸化ナトリウム（苛性ソーダとも呼ぶ）溶液が使用される。そのため、アルカリ電解水とも呼ばれる。なお、（＋）と（−）は、直流電源の陽極と陰極である。
【０００３】
隔膜３は、２つの電極間に配置されて、イオンを通過させ、発生した水素ガスと酸素ガスを隔てるものである。陰極側に水素ガスが、陽極側に酸素ガスが発生する。水素ガスと酸素ガスが発生するのは、電解水中のイオンの作用による。電解水の中では、例えば、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）は、ナトリウムイオン（Ｎａ＋）と水酸基イオン（ＯＨ−）に分かれ、水（Ｈ２Ｏ）は、水素イオン（Ｈ＋）と水酸基イオン（ＯＨ−）に分かれる。そして、陰極にはナトリウムイオン（Ｎａ＋）と水素イオン（Ｈ＋）が引き寄せられるが、Ｎａ＋は安定で、水素イオン２つがマイナス電子を受け取って結びつき水素ガス（Ｈ２）となる。一方、陽極には水酸基イオン（ＯＨ−）が集まるが、陽極に電子を渡して、水酸基イオン４つから水（Ｈ２Ｏ）と酸素（Ｏ２）が生成される。
【０００４】
電解水１の温度を６０℃として水の電気分解を行う場合、２つの電極間の理論的な電圧は、電解ガスに随伴する水の蒸発度を考慮して、１．１２５Ｖ程度とされる。普通は、１．４Ｖ〜２．４Ｖの粗電圧で調整される。
【０００５】
アルカリ電解水を電気分解して大量の水素ガスと酸素ガスを作る装置として、複数の単体槽を積層した構造の電解槽が知られている。（特許文献１参照）
【０００６】
上記単体槽の隔膜には、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）の合成繊維が使用され、隔膜の厚さは０．５〜２．０ｍｍとされる。ＰＰＳは、融点が２００〜２５０℃で、酸には弱いが、アルカリには耐性がある。また、金属のように硬く粘りがある。
【０００７】
単体層を多数積層した電解層そのものは、ガス発生装置としては手軽であるが、合わせて、簡単な構造で必要量を安全に供給できる供給装置が求められていた。
【特許文献１】特開２００２−３３２５８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は上記のような問題点を解決するために創出されたもので、アルカリ電解水を電気分解する電解槽の水素ガスと酸素ガスの発生能力を高め、簡単な構造で必要量を安全に供給できる供給装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明による水素・酸素ガス発生供給装置は、単体槽が多数積層されてアルカリ電解水の電気分解を行う電解槽と、前記電解槽で発生した水素ガスと酸素ガスを各々格納する気液分離タンクと、前記気液分離タンクの各ガスを冷やす空冷器と、前記ガス空冷器を出た水素ガスと酸素ガスを各々格納する中間タンクと、前記中間タンクの出力に設けられた等圧器と、前記等圧器の後に設けられた差圧調整器と、前記圧力調整器から出た水素ガスと酸素ガスを各々格納するリザーブタンクと、前記リザーブタンクの出口に設けられた流量バルブとを含んで構成され、水素ガスと酸素ガスが等圧になるように制御され、水素ガスと酸素ガスが２：１の比で外部に供給されることを特徴とする。
【００１０】
前記単体槽の隔膜は、イオン透過性及びガス遮断性を有するポリプロピレン繊維の織布によって形成されていることが好ましい。
【００１１】
前記電解水は、その量がレベルセンサで監視されて、その量が減少すると、給水ポンプで外部から水が補給されると共に、電解水循環ポンプで空冷器を介して循環され、前記電解槽から前記水素ガス気液分離タンクの下部及び前記前記酸素ガス気液タンクの下部に向かって流れるように構成されることが好ましい。
【００１２】
前記等圧器の入力側で、前記気液分離タンクまたは前記中間タンクの１箇所に、所定の圧力以上の圧力を検出したときは、水素ガスまたは酸素ガスを外部に逃がす安全弁が設けられていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、水素ガスと酸素ガスの装置内部の圧力を一定にすることができる。従って、水素ガスと酸素ガスを供給する際、出口のバルブを２：１に開いておくと、安定した２：１の混合比で外部に供給することができる。水素ガスと酸素ガスの発生比率も２：１なので、発生と供給をバランスさせることができる。
隔膜にポリプロピレン繊維を採用し、細かい隙間を設けた織布としたので、良好な水素ガスと酸素ガスの発生性能を得ることができる。
アルカリ電解水を電解槽と気液分離タンクの間で循環させたので、各電極付近に発生した水素ガスと酸素ガスを滞留させることなく気液分離タンクに集めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の好ましい実施例を、図面を参照して説明する。
【実施例】
【００１５】
本発明による水素・酸素ガス発生供給装置の構成図を図１に示す。図１に示すように、水素ガスと酸素ガスを発生させる電解槽１０は、単体槽１１が積層されて構成される。単体槽１１の形状は円形で、例えば、その直径は約３００ｍｍ、厚さは約８ｍｍである。電解槽１０の両側には直流の電圧がかけられる。電源電圧は、積層数が１２０個とし、単体槽１１の各電極の帯電電圧を１．５Ｖとして、２００Ｖとなる。なお、直流２００Ｖは、電源部１２にて、交流２００Ｖから作成される。
【００１６】
図２に、単体槽の構成図を示す。図２に示すように、単体槽１１は、セルフレーム１２１と、隔膜１２２と隔膜固定リング１２３と、電極１２５及びこれを前後に挟むガスケット１２４Ａ、１２４Ｂからなる。各構成要素は円形で、隔膜１２２、隔膜固定リング１２３、ガスケット１２４Ａ、電極１２５、ガスケット１２４Ｂの順番で、セルフレーム１２１に組み込まれる。
【００１７】
セルフレーム１２１の上部には短い管１２６、１２７が形成されている。セルフレーム１２１が積層されて連結されると、管１２６、１２７が横方向につながり、それぞれ水素ガス管と酸素ガス管となる。ここでは管１２６が酸素ガス管で、管１２７が水素ガス管となる。酸素ガス管１２６は、酸素ガスの発生するすべての電解室に切開口を介して連通している。水素ガス管１２７は、水素ガスの発生するすべての電解室に切開口を介して連通している。
【００１８】
セルフレーム１２１の下部に短い管１２８が設けられている。セルフレーム１２１が積層されて連結されると、管１２８が横方向につながり、電解水を隔膜１２２で仕切られた電解室に供給する電解水供給管となる。
【００１９】
隔膜１２２は、セルフレーム１２１の中央に配置され、単体槽が積層されたとき、電極１２５と電極１２５の間の電解室を２つに仕切っている。隔膜１２２は、太さ２０〜３０μｍのポリプロピレン繊維を複数本束ねて、縦糸１４１と横糸１４２とし、これを織ったものである。この織布の厚さは０．２ｍｍから３．５ｍｍである。ポリプロピレン繊維の束ねる本数で、この厚さ（ｔ）を調節することができる。
織り方は、例えば平畳織りとできる。これは横糸１４２の間には隙間はないが、横糸１４２が縦糸１４１を表面から裏面にくぐる箇所と、裏面から表面に出てくる箇所に三角形の隙間１４３ができる。隙間は、横糸１４２と縦糸１４１が交差する箇所に４個所できる。従って、隙間１４３の個数は、縦糸１４１のピッチと、縦糸１４１と横糸１４２の太さがわかると数えることができる。このような微小な隙間１４３が水素ガスと酸素ガスを隔て、電解水のナトリウムイオンと水酸基イオンの通過性にはプラスに作用する。
【００２０】
図１に示すように、電解水の供給管は、電解槽の片端のバルブ４４で閉じられており、他端側から電解水が隔膜１２２で仕切られた電解室を満たすように供給される。
さらに、電解水は、水素ガスの連結管４１と酸素ガスの連結管４２と、気液分離タンク１６ａ、１６ｂの下部とを満たすように供給される。電解水の供給は、電解水循環ポンプ３７で行われ、空冷器１３を介して、矢印（黒）のように電解槽から気液分離タンクの方向に循環される。これにより、電解室の水素ガスまたは酸素ガスが、よどむことなく気液分離タンク１６ａ、１６ｂに送られる。すなわち、気体を液体で搬送している。電解水循環ポンプ３７の性能は２リットル／分くらいで十分である。
【００２１】
制御ボード１５は、温度センサ４３を監視しており、電解水の温度が例えば６０℃を超えると、警告が出され緊急事態として運転を中止するように制御している。また、温度センサ３９が３０℃以下ならファン４５をオフとし、３０℃以上ならファンをオンとして作動させるように制御している。
【００２２】
気液分離タンク１６ａ、１６ｂは、下部が管１７で連通している。従って、水素ガスと酸素ガスは２：１の比で発生するので、水素ガスの気液分離タンク１６ａの水面を下側に押下げ、酸素ガスの気液分離タンク１６ｂの水面を押し上げる。水位を感知するレベルセンサ３８ａ、３８ｂ、３８ｃがあり、水位が３８ａなら最低レベルにある。また、水位が３８ｃにあるなら最大レベルにある。水位３８ｂは、水位が下がったときの給水ポンプ１９の補給開始レベルであり、また、水位が回復したときの補給停止レベルである。チェックバルブ１８は、順方向からは低圧で作動し、逆方向からは全く流れないというバルブである。水の補給にあたっては制御ボード４７が制御を行う。水を補給すると、水素ガスと酸素ガスの占める空間を狭めて圧力が上がるので、シーケンス制御を行っている。バルブ２０と排水口２２は、水の逃がし口である。水は、外部から給水口２１に与えられる。
【００２３】
気液分離タンク１６ａ、１６ｂに溜まった水素ガスと酸素ガスは、その上部から空冷器１４を通って中間タンク２３ａ、２３ｂに送られる。中間タンク２３ａ、２３ｂの下部に溜まった水は連通管１７に戻される。
【００２４】
気液分離タンク１６ａ、１６ｂの圧力は、３．５ｋｇ／ｃｍ２とされる。この圧力は水道水の圧力５ｋｇ／ｃｍ２より低く、低圧ガスとして扱うことができる。そして、圧力センサ４０の値が、例えば７ｋｇ／ｃｍ２を超えたら緊急事態として、運転を中止するように制御される。安全弁２４は、例えば圧力が所定の圧力を超えたら酸素ガスが排気口４６から排気されるように構成される。なお、３．５ｋｇ／ｃｍ２は、保安法の適用を受けない４ｋｇ／ｃｍ２以下の低圧に属する。
【００２５】
等圧器２５は、気液分離タンク１６ａ、１６ｂの圧力を等しく、３．５ｋｇ／ｃｍ２に調整する。圧力が３．５ｋｇｃ／ｍ２を超えるとバルブが開き下位にガスが供給される。等圧気２５を出た水素ガスと酸素ガスは、調整タンク２６ａ、２６ｂに送られる。圧力ゲージ２７は水素ガスの圧力を、圧力ゲージ２８は酸素ガスの圧力を表示するものである。調整タンク２６ａ、２６ｂを出た水素ガスと酸素ガスは、差圧調整器２９に入る。差圧調整器２９は、水素ガスまたは酸素ガスの圧力が所定の圧力を超えたら排気口３０、３１からガスを外部に排気できるようにする。
【００２６】
水素ガスと酸素ガスは、３．５ｋｇ／ｃｍ２でリザーブタンク３２ａ、３２ｂに格納される。水素ガスはバルブ３３とマニアルバルブ３５を介して外部に供給される。同様に、酸素ガスはバルブ３４とマニアルバルブ３６を介して外部に供給される。運転開始時にマニアルバルブ３５、３６が閉じていれば、気液分離タンク１６ａ、１６ｂ及びリザーブタンク３２ａ、３２ｂの圧力は３．５ｋｇ／ｃｍ２を超えるが、差圧調整器２９の排気口３０、３１から各ガスが排気される。
なお、バルブ３３とマニアルバルブ３５の開口度をバルブ３４とマニアルバルブ３の半分としておけば、リザーブタンク３２ａ、３２ｂの圧力は一定なので、外部に出てゆく水素ガスと酸素ガスの比を丁度２：１とすることができる。
ガスの供給量は、水素ガスの供給量でいうと、電解槽のサイズに依存するが、２５００〜４５００リットル／ｈとできる。
【００２７】
このような構成は、水素ガスと酸素ガスを２：１の比で燃焼させる用途に好適である。また、安全弁２４と差圧調整器２９の両方で、外部へ水素ガスまたは酸素ガスを排気して内部の圧力を下げているので、いずれかが故障しても高い圧力になることがなく安全である。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明は、水素・酸素ガス発生供給装置に関するものであり、高温燃焼を行う燃焼溶融炉などに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明による実施例で、アルカリ電解水を電気分解して水素ガス酸素ガス発生供給する装置の構成図である。
【図２】電解槽を構成する単体槽の構成図である。
【図３】アルカリ電解水の電気分解を示す原理図である。
【符号の説明】
【００３０】
１    電解水
２    陽極
３    隔膜
４    陰極
５    電解槽
１０    電解槽
１１    単体槽
１２    電源部
１３    空冷器
１４    空冷器
１５    制御ボード
１６ａ、１６ｂ    気液分離タンク
１７    連通管
１８    チェックバルブ
１９    給水ポンプ
２０    バルブ
２１    給水口
２２    排水口
２３ａ、２３ｂ    中間タンク
２２    隔膜
２３    隔膜固定リング
２４Ａ、２４Ｂ    ガスケット
２４    安全弁
２５    等圧器
２６ａ、２６ｂ    調整タンク
２７、２８    圧力ゲージ
２９    差圧調整器
３０    酸素ガスの排気口
３１    水素ガスの排気口
３２ａ、３２ｂ    リザーブタンク
３３、３４    バルブ
３５、３６    マニアルバルブ
３７    電解水循環ポンプ
３８ａ、３８ｂ、３８ｃ    水位センサ
３９    温度センサ
４０    圧力センサ
４１、４２    連結管
４３    温度センサ
４４    バルブ
４５    ファン
４６    酸素ガスの排気口
４７    制御ボード
１２１    セルフレーム
１２２    隔膜
１２３    隔膜固定リング
１２４ａ、１２４ｂ    ガスケット
１２５    電極
１２６、１２７、１２８    管
１４０    ポリプロピレン繊維
１４１    縦糸
１４２    横糸
１４３    隙間
【図１】
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【図２】
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【図３】
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