(57)【要約】【課題】イオン交換膜を用いて水の電気分解を行う水素ガス発生装置において、水素ガス発生槽と酸素ガス発生槽との間に生じる水位差を簡易な手段で解消する。【解決手段】水の電気分解を行う電気分解槽１は、イオン交換膜ＩＥにより水素ガス発生槽１Ｈと酸素ガス発生槽１Ｏとに分割され、両方のガス発生槽の底部は、連通管５１で給水タンク５と連結される。連通管５１の、両方のガス発生槽の底部同士を結ぶ部分には開閉弁ＳＶ１が置かれ、開閉弁ＳＶ１は、水素ガス発生装置で電気分解が行われる稼働時には閉鎖されるとともに、稼働終了時には所定時間開放される。水素ガス発生装置の稼働中は、開閉弁ＳＶ１の閉鎖により水素ガス発生槽１Ｈの圧力が酸素ガス発生槽１Ｏに及ぶことはなく、開閉弁ＳＶ１が開放されると、両方のガス発生槽の水位が同一となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン交換膜により仕切られた電気分解槽に水を貯留し、前記イオン交換膜の両面にそれぞれ設置した陽極電極及び陰極電極の間に直流電圧を印加して水の電気分解を行い、陰極電極から水素ガスを発生させる水素ガス発生装置であって、
前記電気分解槽は、前記イオン交換膜により、陽極電極側の酸素ガス発生槽と陰極電極側の水素ガス発生槽とに分割されるとともに、前記水素ガス発生槽に発生した水素ガスが、水の貯留された洗浄ビンの底部に導かれ、前記洗浄ビンの上部から取り出されるように構成されており、さらに、
前記酸素ガス発生槽の上部が常時大気中に開放され、かつ、前記酸素ガス発生槽の底部と前記水素ガス発生槽の底部が水位調整用開閉弁を備えた連通管で連結され、
前記水位調整用開閉弁は、陽極電極及び陰極電極に直流電圧が印加されて電気分解が行われるときは閉弁し、電気分解が終了したときは、前記酸素ガス発生槽と前記水素ガス発生槽の水位が同一となるよう所定時間開弁することを特徴とする水素ガス発生装置。
【請求項２】
前記水素ガス発生槽は、水を貯留した給水タンクと連通管で連結され、かつ、前記水素ガス発生槽及び前記給水タンクの上部が、それぞれ開放用開閉弁を介して大気と連通されており、
前記開放用開閉弁は、前記水位調整用開閉弁が閉弁するときには閉弁し、開弁するときには開弁するよう制御される請求項１に記載の水素ガス発生装置。
【請求項３】
前記酸素ガス発生槽の上方には、前記酸素ガス発生槽の上部と大気とに開口する放出筒が立設される請求項１又は請求項２に記載の水素ガス発生装置。
【請求項４】
前記洗浄ビンには空気ポンプから空気が供給され、前記水素ガス発生槽から導かれた水素ガスは、空気が混合された状態で前記洗浄ビンの上部から取り出される請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の水素ガス発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン交換膜を用いて水を電気分解し水素ガスを発生する装置、特に、循環ポンプ等の大掛かりな設備が不要で、一般家庭などに設置して簡易に使用することができる小型の電解式水素ガス発生装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水の電気分解により水素ガスを発生させ、この水素ガスを食品や飲料品に溶解させたり体内に直接吸入したりすることで、過酸化物の還元を行う、あるいは食品等の酸化による劣化を防止する方法が、従来から知られている。一例として、特開２００４−３５０５３８号公報には、水で満たした電気分解槽の内部をイオン交換膜（固体高分子膜）により２つに分割し、イオン交換膜の両面に直流電圧を印加して陰極側から水素ガスを発生させ、その水素ガスをコップ内の液体飲料に溶解する装置が開示されている。
【０００３】
また、特開２０１４−１９９５０号公報には、イオン交換膜とその両面にそれぞれ密着する一対の電極板により電気分解板を構成し、電気分解板を仕切板として両側に水素ガス発生槽及び酸素ガス発生槽を設けた卓上型水素ガス発生装置が開示されている。この卓上型水素ガス発生装置は、純水を電気分解して、発生した水素ガスを体内への吸引、科学実験等に利用する装置であって、図６にその概要を示す。
図６において、電気分解槽１にはイオン交換膜を一対の電極板で挟んだ電気分解板２０が設置され、電気分解槽１は、陰極側の水素ガス発生槽１Ｈと陽極側の酸素ガス発生槽１Ｏとに分割される。Ａ部拡大図に示すとおり、電気分解板２０は、イオン交換膜ＩＥの両面に孔の開いた網目状の電極板２Ｐ、２Ｍを密着させたもので、イオン交換膜及び２枚の電極板は、樹脂製のリベット２１でかしめることにより一体的に結合される。水素ガス発生槽１Ｈ側の電極板２Ｍは直流電源の−側に、酸素ガス発生槽１Ｏ側の電極板２Ｐは直流電源の＋側にそれぞれ接続される。
【０００４】
電気分解によって水素ガス発生槽１Ｈに生成された水素ガスは、水素ガス取出し管ＰＨを経由して洗浄ビン３に導かれる。洗浄ビン３には所定の水位となるように浄水が入れられており、水素ガス取出し管ＨＰは、洗浄ビン３の底部付近に開口するので、水素ガス発生槽１Ｈの水素ガスには水圧によって一定の圧力が作用している。洗浄ビン３の上部に溜まった水素ガスは、抽出管４から体内への吸入等使用目的に応じて送出される。また、電気分解槽１に純水を供給するための給水タンク５が設置されており、給水タンク５の底部は、連通管により水素ガス発生槽１Ｈ及び酸素ガス発生槽１Ｏの底部とそれぞれ連結されている。
【０００５】
ところで、電気分解板２０に直流電圧を印加し電気分解を行う過程では、電気泳動によって酸素ガス発生槽１Ｏの純水が水素ガス発生槽１Ｈに移動したり、電気分解板２０で発生する熱により電気分解槽１内の純水が蒸発したりして、両方のガス発生槽に水位差が生じる。そして、水素ガス発生槽１Ｈに加わる圧力（洗浄ビン３の水中への放出に伴う背圧）は、底部の連通管を介して酸素ガス発生槽１Ｏにも作用し、水位差が大きくなると酸素ガス発生槽１Ｏから純水が溢れる恐れがある。
水素ガス発生槽１Ｈの圧力に対抗するため、酸素ガス発生槽１Ｏの上部には、ステンレス等の鋼球ＢＬを用いた保圧弁（逆止弁）が弁座ＶＳに接するようにして設置されており、酸素ガス発生槽１Ｏの圧力が所定の値となって鋼球ＢＬを押し上げるまで、酸素ガスの放出を防止している。これにより、両方のガス発生槽の水位をバランスさせて、過剰の水位差に起因して酸素ガス発生槽１Ｏから純水が溢れるのを防いでいる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−３５０５３８号公報
【特許文献２】特開２０１４−１９９５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図６の水素ガス発生装置は、イオン交換膜を用いて純水を電気分解するものであり、純水を使用するため不純物の析出等に起因する装置の劣化が生じることはなく、耐用年数の長い装置である。また、循環ポンプ等の大掛かりな設備が不要な小型の装置であって、一般家庭などの使用に好適であるが、水素ガス発生槽１Ｈと酸素ガス発生槽１Ｏとの水位のバランスについて、次のような問題点がある。
【０００８】
図６の水素ガス発生装置では、酸素ガス発生槽１Ｏの上部に鋼球ＢＬを用いた保圧弁が設置されている。この保圧弁は、水素ガス発生槽１Ｈの圧力に対抗するよう、電気分解で生じた酸素ガスの大気中への開放を阻止して、純水の過剰な水位上昇を抑えるものであるけれども、鋼球ＢＬ及びその弁座ＶＳの加工が複雑であるとともに、その開放圧力の設定が困難である。つまり、水素ガス発生槽１Ｈの圧力は、電気分解による水素ガスの発生量や洗浄ビン３からの水素ガスの抽出量により変動し、電気分解に伴って生じる熱による純水の蒸発量によっても変動する。そのため、例えば、鋼球ＢＬの重さを変更しながら保圧弁の開放圧力を調整する作業は、作業者の熟練と時間を要するものとなる。
本発明の課題は、簡易な構造により水素ガス発生槽と酸素ガス発生槽との間に過度な水位差が生じないようにして、上述の問題点を解決することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題に鑑み、本発明は、イオン交換膜を用いて水を電気分解し水素ガスを発生させる水素ガス発生装置において、水素ガス発生槽及び酸素ガス発生槽の底部を、開閉弁を備えた連通管で連結し、その開閉弁を、水素ガス発生装置の稼働時には閉鎖するとともに稼働終了時には所定時間開放することにより、酸素ガス発生槽に保圧弁を設けることなく両方のガス発生槽の水位のバランスを図るものである。すなわち、本発明は
「イオン交換膜により仕切られた電気分解槽に水を貯留し、前記イオン交換膜の両面にそれぞれ設置した陽極電極及び陰極電極の間に直流電圧を印加して水の電気分解を行い、陰極電極から水素ガスを発生させる水素ガス発生装置であって、
前記電気分解槽は、前記イオン交換膜により、陽極電極側の酸素ガス発生槽と陰極電極側の水素ガス発生槽とに分割されるとともに、前記水素ガス発生槽に発生した水素ガスが、水の貯留された洗浄ビンの底部に導かれ、前記洗浄ビンの上部から取り出されるように構成されており、さらに、
前記酸素ガス発生槽の上部が常時大気中に開放され、かつ、前記酸素ガス発生槽の底部と前記水素ガス発生槽の底部が水位調整用開閉弁を備えた連通管で連結され、
前記水位調整用開閉弁は、陽極電極及び陰極電極に直流電圧が印加されて電気分解が行われるときは閉弁し、電気分解が終了したときは、前記酸素ガス発生槽と前記水素ガス発生槽の水位が同一となるよう所定時間開弁する」
ことを特徴とする水素ガス発生装置となっている。
【００１０】
請求項２に記載のように、前記水素ガス発生槽には、水を貯留した給水槽を連通管で連結し、かつ、前記水素ガス発生槽及び前記給水槽の上部を、それぞれ開放用開閉弁を介して大気と連通し、両方の前記開放用開閉弁を、前記水位調整用開閉弁が閉弁するときには閉弁し、開弁するときには開弁するよう制御することが好ましい。
【００１１】
請求項３に記載のように、前記酸素ガス発生槽の上方には、前記酸素ガス発生槽の上部と大気とに開口する放出筒を立設することが好ましい。
【００１２】
また、請求項４に記載のように、前記洗浄ビンに空気ポンプから空気を供給し、前記水素ガス発生槽から導かれた水素ガスを、空気の混合された状態で前記洗浄ビンの上部から取り出すよう構成することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の水素ガス発生装置は、イオン交換膜により仕切られた電気分解槽に水を入れ、イオン交換膜の両面に取り付けた一対の電極間に電流を流して水の電気分解を行い、陰極電極から水素ガスを発生させるものである。イオン交換膜を用いた小型の装置であって、電気分解する水として純水を使用できるため、耐用年数も長い。
そして、本発明の水素ガス発生装置では、電気分解槽における陽極側の酸素ガス発生槽の上部が常時大気中に開放され、かつ、その酸素ガス発生槽の底部と陰極側の水素ガス発生槽の底部が水位調整用開閉弁を備えた連通管で連結されている。図６の水素ガス発生装置のように、酸素ガス発生槽に鋼球を用いた保圧弁を設置するものではないので、鋼球や弁座等が不要で構造及び加工が簡易化され、保圧弁の開放圧力を調整する面倒な作業も必要としない。
【００１４】
本発明の水素ガス発生装置においては、酸素ガス発生槽の底部と水素ガス発生槽の底部とが、水位調整用開閉弁の設置された連通管で連結されており、水位調整用開閉弁は、陽極電極及び陰極電極に直流電圧が印加されて電気分解が行われるとき、つまり、水素ガス発生装置の稼働中には閉鎖される。そのため、電気分解で発生した水素ガスが洗浄ビンの水中に放出され、水素ガスのいわば背圧が水素ガス発生槽に作用していても、水素ガス発生槽の圧力が酸素ガス発生槽に及ぶことはなく、酸素ガス発生槽の水が溢れるような事態は生じない。
水位調整用開閉弁は、電気分解が終了し水素ガス発生装置の稼働が停止したときに開放される。電気分解中には、電気泳動による水の移動あるいは熱による水の蒸発などに起因して、酸素ガス発生槽の水位と水素ガス発生槽の水位との間に差が生じるが、この水位差は、水位調整用開閉弁の開放後、一定の時間が経過すると解消される。電気分解中に生じる水位差は、水素ガス発生装置の通常の稼働時間であればそれほど大きな値ではなく、稼働開始時に水素ガス発生槽の上方に適当な空間を残すよう水を充填すると、十分に水素ガス発生槽からの溢れを防止することができる。水位調整用開閉弁としては、開閉制御が容易で応答性の優れた電磁弁（ソレノイドバルブ）を使用するのが好ましい。
【００１５】
請求項２の発明は、電気分解中に消費される水の補充のため、イオン交換膜を備える電気分解槽とは別に、水を貯留した給水タンクを設置して水素ガス発生槽に連通管で連結した水素ガス発生装置に関するものである。この水素ガス発生装置では、発生する水素ガスに圧力を加えるよう、装置の稼働中には給水タンクが密閉された状態とされるが、これに本発明を適用した場合には、装置の稼働停止時に水位調整用開閉弁の開放したときに、給水タンク、水素ガス発生槽及び酸素ガス発生槽の水位が同一となるまでに相当の時間を要する（一般的に開閉弁の通路は細く流体抵抗が大きい）。
請求項２の発明では、給水タンク及び水素ガス発生槽の上部を、それぞれ開放用開閉弁を介して大気と連通する。そして、水位調整用開閉弁の開閉と合わせて両方の開放用開閉弁が開閉するように制御する。これにより、水素ガス発生装置の稼働停止時に水位調整用開閉弁を開放したときには、給水タンク及び水素ガス発生槽の上部も大気と連通し、給水タンク、水素ガス発生槽及び酸素ガス発生槽の水位が短時間で揃うこととなる。開放用開閉弁としては、やはり電磁弁の使用が好ましい。
【００１６】
請求項３の発明は、酸素ガス発生槽の上方に放出筒を立設して、酸素ガス発生槽の上部を大気に開放するものである。電気分解中には、イオン交換膜に流れる電流により熱が発生し、酸素ガス発生槽内の水が蒸発して水蒸気が放出されるけれども、請求項３の発明においては、放出された水蒸気が放出筒の内側の通路壁面に凝結し、水となって酸素ガス発生槽内に落下する。そのため、放出された水蒸気が装置の別の個所で凝結して不具合を起こすなどの事態が回避できるとともに、蒸発による水位の低下を防止できる。
【００１７】
請求項４の発明は、空気ポンプから洗浄ビンに空気を供給して、水素ガス発生槽から導かれた水素ガスに混合するものであり、このよう構成すると、可燃範囲の広い水素ガスを空気によって範囲外となるまで希釈し、水素ガスの爆発の恐れが解消される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の水素ガス発生装置の一実施例を示す全体図である。
【図２】図１の水素ガス発生装置の電気分解槽の構造図である。
【図３】図１の水素ガス発生装置のケースを示す図である。
【図４】図１の水素ガス発生装置の水位変化を表すグラフである。
【図５】図１の水素ガス発生装置の作動を示すフローチャートである。
【図６】従来の水素ガス発生装置の一例を示す全体図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面に基づいて、本発明の水素ガス発生装置について説明する。
図１は、図６と同様に、本発明の水素ガス発生装置を概略的に示す全体図であり、図１では、図６の水素ガス発生装置の部品と対応するものについては、同一の符号を付している。図２には、本発明の水素ガス発生装置における電気分解槽の具体的な構造を斜視図等で示し、また、図３は、電気分解槽のケースの構造を示す図である。
【００２０】
図１において、水を電気分解するための電気分解槽１の中間部には、イオン交換膜ＩＥが設置されており、電気分解槽１は、水素ガス発生槽１Ｈと酸素ガス発生槽１Ｏとに分割されている。電気分解槽１に純水を供給するよう、電気分解槽１と並列に給水タンク５が設置され、給水タンク５の底部を、水素ガス発生槽１Ｈの底部と酸素ガス発生槽１Ｏの底部とに連結する連結管５１が設けられる。
【００２１】
一対の電極板２Ｐ、２Ｍが、イオン交換膜ＩＥの両側にそれぞれ密着するように配置してあり、水素ガス発生槽１Ｈ側の電極板２Ｍが直流電源の−側に、酸素ガス発生槽１Ｏ側の電極板２Ｐが直流電源の＋側に接続される。図２から分かるとおり、イオン交換膜ＩＥと電極板２Ｐ、２Ｍとは、一体に重ね合わせた状態で、水素ガス発生槽１Ｈと酸素ガス発生槽１Ｏのケースの周縁部などに挟み込まれて保持される。電気分解槽１の詳細な構造については、図２、図３を参照しながら後述する。
【００２２】
水素ガス発生槽１Ｈのケース１ＨＣの上部には、水素ガス取出し筒１ＨＥが立設され、電気分解により生じた水素ガスは、水素ガス取出し管ＰＨ（実際には水素ガス取出し筒１ＨＥの横方向に接続される）を経由して、洗浄ビン３に導かれる。洗浄ビン３には一定水位まで清浄な水などが貯留されており、水素ガスは、その底部付近で放出される。また、洗浄ビン３には空気ポンプＡＰが接続してあり、電気分解で生じた水素ガスは、空気と混合されて抽出管４から目的の使用個所に送出される。図１の実施例では、空気ポンプＡＰからの空気は水中に放出されているが、水面から上方で放出してもよい。
なお、洗浄ビン３と連結する水素ガス取出し管ＰＨの管路は、逆止弁ＣＶが介在する分岐管路により大気と連通されている。逆止弁ＣＶは、電気分解の終了により水素ガス発生槽１Ｈが冷却されて負圧となったときに、分岐管路から大気を導入して、洗浄ビン３内の浄水などが水素ガス発生槽１Ｈに逆流するのを防止する。
【００２３】
本発明の水素ガス発生装置においては、電気分解により生じた酸素ガスは常時大気中に放出されており、そのための放出筒１ＯＥが、酸素ガス発生槽１Ｏのケース１ＯＣの上部に立設されている。放出筒１ＯＥは、所定の長さを備えた単なるパイプであるが、電気分解に伴う熱により酸素ガス発生槽１Ｏから発生する水蒸気が酸素ガス放出管１ＯＥの内壁に凝結する。凝結し液化した水は、放出筒１ＯＥから酸素ガス発生槽１Ｏ内に落下するので、純水の無駄な消費が抑止されるとともに、水蒸気が装置の他の部分で凝縮して不具合を起こすなどの事態が回避される。
【００２４】
さらに、本発明の水素ガス発生装置では、酸素ガス発生槽１Ｏの底部と水素ガス発生槽１Ｈの底部とが、水位調整用開閉弁ＳＶ１（電磁弁）の設置された連通管で連結される。この連通管は、図１の実施例の水素ガス発生装置では、給水タンク５の底部を、水素ガス発生槽１Ｈの底部と酸素ガス発生槽１Ｏの底部とに連結する連結管５１の一部となっている。水位調整用開閉弁ＳＶ１は、電極板２Ｐ、２Ｍの間に直流電圧が印加されて電気分解が行われるとき、つまり、水素ガス発生装置の稼働中には閉鎖される。
水位調整用開閉弁ＳＶ１が水素ガス発生装置の稼働中に閉鎖されるため、電気分解中に発生する水素ガスの圧力（洗浄ビン３の水中への放出による背圧）が酸素ガス発生槽１Ｏに及ぶことはない。したがって、酸素ガス発生槽１Ｏが大気開放されていても、その中の純水が溢れだすことは防止される。
【００２５】
電気分解中には、電気泳動による水の移動あるいは熱による水の蒸発などに起因して、水素ガス発生槽１Ｈの水位と酸素ガス発生槽１Ｏの水位との間に差が生じる。この水位差は、本発明では、電気分解が終了し水素ガス発生装置の稼働が停止したときに、水位調整用開閉弁ＳＶ１を所定時間開弁することによって解消される。
電気分解中に生じる水位差は、水素ガス発生装置の通常の稼働時間であればそれほど大きな値とはならない。この水位差について本出願人が実験した結果を図４に示すが、水素ガス発生装置を２時間稼働（イオン交換膜を流れる電流：１．５Ａ）した後の水位差は約２０ｍｍであり、稼働開始時に水素ガス発生槽１Ｈの上方に適当な空間を残すよう純水を充填すると、稼働中の水素ガス発生槽１Ｈからの溢れを防止することができる。
【００２６】
図１に示す本発明の水素ガス発生装置の実施例においては、電気分解槽１と連なる給水タンク５の上部を、開放用開閉弁ＳＶ２（電磁弁）を介して大気と連通するとともに、水素ガス発生槽１Ｈの上部を、開放用開閉弁ＳＶ３（電磁弁）を介して大気と連通している。そして、これらの開放用開閉弁ＳＶ２、ＳＶ３を、水位調整用開閉弁ＳＶ１の開閉に合わせ、水位調整用開閉弁ＳＶ１が閉弁するときには閉弁し、開弁するときには開弁するよう制御する。これによって、稼働停止時に水位調整用開閉弁ＳＶ１を開放したときには、給水タンク５及び水素ガス発生槽１Ｈの上部も大気と連通するので、水位調整用開閉弁ＳＶ１の流路が小径であったとしても、給水タンク５、水素ガス発生槽１Ｈ及び酸素ガス発生槽１Ｏの水位が短時間で同一となる。
【００２７】
また、図１に示す本発明の水素ガス発生装置の実施例では、洗浄ビン３に空気ポンプＡＰによる空気の供給装置を取り付け、水素ガス発生装置の稼働中においては、水素ガス発生槽１Ｈから導かれた水素ガスに空気を混合する。この構成によって、水素ガスの濃度は可燃範囲外の約３％まで希釈され、水素ガスの爆発の恐れが解消される。
【００２８】
図５には、図１の水素ガス発生装置の実施例における、水位調整用開閉弁ＳＶ１の開閉制御等のフローチャートを示す。
水素ガス発生装置のメインスイッチが投入されると、電気分解槽１中の水位の確認などを行い、装置稼働の待機状態となるが（Ｓ１）、この状態では、水位調整用開閉弁ＳＶ１及び開放用開閉弁ＳＶ２、ＳＶ３は閉鎖されている。使用者が装置の稼働スイッチをＯＮとすると（Ｓ２）、電極板２Ｐ、２Ｍの間に通電が行われ電気分解が開始する（Ｓ３）。そして、洗浄ビン３において水素ガスの発生が確認されると、空気ポンプＡＰが作動して洗浄ビン３に空気が供給される（Ｓ４、Ｓ５）。この間、水位調整用開閉弁ＳＶ１及び開放用開閉弁ＳＶ２、ＳＶ３は閉鎖状態に保持される。
【００２９】
水素ガス発生装置の使用者が稼働スイッチをＯＦＦしたときは（Ｓ６）、電極板２Ｐ、２Ｍの間の通電が停止されるとともに、空気ポンプＡＰが作動も停止される（Ｓ７）。そして、水位調整用開閉弁ＳＶ１及び開放用開閉弁ＳＶ２、ＳＶ３が開弁となり、タイマーＴＭが計時を開始する（Ｓ８）。タイマーＴＭにより計時される時間が所定の時間Ｔｏに達しないときは、水位調整用開閉弁ＳＶ１等が開放されたままであるが、所定の時間Ｔｏの経過が検出されたときは、水位調整用開閉弁ＳＶ１及び開放用開閉弁ＳＶ２、ＳＶ３が閉鎖され、待機状態に復帰する（Ｓ９）。水位調整用開閉弁ＳＶ１等を開放する所定の時間Ｔｏは、給水タンク５、水素ガス発生槽１Ｈ及び酸素ガス発生槽１Ｏの水位が同一となるまでに要する時間として、実験等により予め設定されている。
【００３０】
ここで、本発明の水素ガス発生装置の図１の実施例における電気分解槽１の詳細な構造について、主に図２及び図３を参照して説明する。
図２に示すように、電気分解槽１は、中央に設置したイオン交換膜ＩＥの両側に一対の電極板２Ｐ、２Ｍを配置し、これらを、水素ガス発生槽１Ｈのケース１ＨＣと酸素ガス発生槽１Ｏのケース１ＯＣの周縁部などで一体的に挟み込んだ基本的な構造を備えている。電極板の拡大図に示すとおり、この実施例における電極板２Ｐ、２Ｍは、エキスパンドメタル等をプレス成型して製造した網目板２Ｂに電極ケーブル２Ｃを溶接したものであって、網目板２Ｂの表面には、腐食防止のための白金のコーティングが施される。
【００３１】
水素ガス発生槽１Ｈのケース１ＨＣは、図３に詳しく示すとおり、一定の厚さを有する長方形断面の板状材に、その片面に開口する同じく長方形断面の空間部ＳＰを設けたものであって、開口部がイオン交換膜ＩＥにより閉鎖されて、長方形断面の空間部ＳＰに電気分解用の純水が貯留される。酸素ガス発生槽１Ｏのケース１ＯＣは、水素ガス発生槽のケース１ＨＣと対称的な形状を備え、両方のケースは、イオン交換膜ＩＥを挟んで背中合わせの形で結合される。結合する際には、イオン交換膜ＩＥの合わせ面からの水の漏洩を防止するようＯリングＳＬが設置され（Ａ−Ａ断面図参照）、酸素ガス発生槽１Ｏのケース１ＯＣには、ＯリングＳＬのための溝Ｇが形成してある。
これらのケースは、電気分解によるガスの発生状況を確認するため、例えば、透明な合成樹脂であるアクリル樹脂で製造するのが好ましい。
【００３２】
水素ガス発生槽１Ｈのケース１ＨＣには、長方形断面の空間部ＳＰの周縁部に、厚さ方向に直線状に延びる６本のリブ（突起）ＲＢが設けられ、また、中央部分にも２本のリブＲＢ（縦方向のリブで連結される）が設けられている。これらのリブＲＢは、ケース１ＨＣと一体に形成されていて、リブＲＢの開口部側の端面は、ケース１ＨＣの開口部側の面よりも僅かに引き込まれた位置に設定され（段差Ｘ）、この段差部分には、電極板２Ｍが収容される。酸素ガス発生槽１Ｏのケース１ＯＣにも、同様なリブＲＢが一体に形成されている。
【００３３】
図２に示すとおり、イオン交換膜ＩＥの両側に電極板２Ｐ、２Ｍを配置し、これらを、水素ガス発生槽１Ｈのケース１ＨＣと酸素ガス発生槽１Ｏのケース１ＯＣで挟み込んだときは、イオン交換膜ＩＥの周辺部が両方のケースの開口部側の面に挟まれて固定されると同時に、電極板２Ｐ、２Ｍの網目板部分が、リブＲＢの開口部側の端面とケースの開口部側の面との段差Ｘにそれぞれ入り込み、リブＲＢでイオン交換膜ＩＥに押し付けられる。このように、本発明の電気分解槽１では、水素ガス発生槽１Ｈのケース１ＨＣと酸素ガス発生槽１Ｏのケース１ＯＣを単に締め付けることにより、イオン交換膜ＩＥの両側に電極板２Ｐ、２Ｍを強固に密着させることができる（Ａ−Ａ断面図参照）。
つまり、本発明の電気分解槽１では、図６の電気分解槽のように、イオン交換膜の両側にリベットで電極板を固定した電気分解板を製造する必要はない。そのため、網目状の電極板に孔を開ける煩雑な作業を省くことができ、また、孔開けに伴って生じる「バリ」により極めて厚さの薄いイオン交換膜ＩＥが破損し、両方の電極板の間が短絡する恐れもなくなることとなる。
【００３４】
さらに、本発明の電気分解槽１では、図２に示すとおり、水素ガス発生槽１Ｈのケース１ＨＣと酸素ガス発生槽１Ｏのケース１ＯＣとの裏側（イオン交換膜ＩＥと接する開口部の反対側）に、それぞれアルミニウム製の放熱板ＲＤが設けられている。この放熱板ＲＤは、ケース１ＨＣ、１ＯＣと同一形状をなす板材の表面に、縦方向に延びる多数の放熱フィンＲＦを一体に形成したもので、ケース１ＨＣ等の裏側の壁Ｗ（図３）に密着して取り付けられる。
【００３５】
電気分解を利用する水素ガス発生装置では、電気分解に伴う発熱によって純水が蒸発するが、本発明では、その熱の大気中への放熱が放熱板ＲＤによって促進され、電気分解槽１の温度上昇が抑制される。したがって、水素ガス発生装置における熱的障害を回避できるとともに、純水の無駄な消費も回避できる。
また、アルミニウム製の放熱板ＲＤを水素ガス発生槽１Ｈのケース１ＨＣ等の裏側に取り付けることにより、アクリル製のケース１ＨＣ等が補強され、電気分解槽１の強度及び剛性が増加する。そのため、ケース１ＨＣ等の裏側の壁Ｗの厚さを小さくすることが可能となり、放熱板ＲＤへの熱伝達が良好となる。イオン交換膜ＩＥを挟んで対称的に配置される、水素ガス発生槽１Ｈのケース１ＨＣ及び放熱板ＲＤと酸素ガス発生槽１Ｏのケース１ＯＣ及び放熱板ＲＤとは、ケースの周縁部に設置した、全体を貫通する通しボルト等を用いて一体的に締結される（図２の組立図参照）。
【００３６】
以上詳述したように、本発明は、イオン交換膜を用いて水を電気分解し水素ガスを発生させる水素ガス発生装置において、水素ガス発生槽及び酸素ガス発生槽の底部を、開閉弁を備えた連通管で連結し、その開閉弁を、水素ガス発生装置の稼働時には閉鎖するとともに稼働終了時には所定時間開放することにより、両方のガス発生槽の水位のバランスを図るものである。上述の実施例では、開閉弁として電磁弁を用いているが、空気圧により操作される開閉弁等、各種の弁が使用できるのは言うまでもない。また、稼働スイッチがＯＦＦとなった時点で開閉弁を開放しているが、所定の時間遅らせて開放するなど、上述の実施例に対し種々の変形が可能であるのは明らかである。
【符号の説明】
【００３７】
１  電気分解槽
１Ｈ  水素ガス発生槽
１Ｏ  酸素ガス発生槽
２Ｍ、２Ｐ  電極板
３  洗浄ビン
５  給水タンク
ＩＥ  イオン交換膜
ＳＶ１  水位調整用開閉弁
ＳＶ２、ＳＶ３  開放用開閉弁
【図１】
2016222955.tif 000003
【図２】
2016222955.tif 000004
【図３】
2016222955.tif 000005
【図４】
2016222955.tif 000006
【図５】
2016222955.tif 000007
【図６】
2016222955.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成28年10月12日(2016.10.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン交換膜により仕切られた電気分解槽に水を貯留し、前記イオン交換膜の両面にそれぞれ設置した陽極電極及び陰極電極の間に直流電圧を印加して水の電気分解を行い、陰極電極から水素ガスを発生させる水素ガス発生装置であって、
前記電気分解槽は、前記イオン交換膜により、陽極電極側の酸素ガス発生槽と陰極電極側の水素ガス発生槽とに分割されるとともに、前記水素ガス発生槽に発生した水素ガスが、水の貯留された洗浄ビンの底部に導かれ、前記洗浄ビンの上部から取り出されるように構成され、さらに、
前記水素ガス発生槽は、水を貯留した給水タンクと連通管で連結され、かつ、前記水素ガス発生槽及び前記給水タンクの上部が、それぞれ開放用開閉弁を介して大気と連通され、
前記酸素ガス発生槽の上部が常時大気中に開放され、かつ、前記酸素ガス発生槽の底部と前記水素ガス発生槽の底部が水位調整用開閉弁を備えた連通管で連結されており、
前記水位調整用開閉弁は、陽極電極及び陰極電極に直流電圧が印加されて電気分解が行われるときは閉弁し、電気分解が終了したときは、前記酸素ガス発生槽と前記水素ガス発生槽の水位が同一となるよう所定時間開弁し、
前記開放用開閉弁は、前記水位調整用開閉弁が閉弁するときには閉弁し、開弁するときには開弁するよう制御されることを特徴とする水素ガス発生装置。
【請求項２】
前記酸素ガス発生槽の上方には、前記酸素ガス発生槽の上部と大気とに開口する放出筒が立設される請求項１に記載の水素ガス発生装置。
【請求項３】
前記洗浄ビンには空気ポンプから空気が供給され、前記水素ガス発生槽から導かれた水素ガスは、空気が混合された状態で前記洗浄ビンの上部から取り出される請求項１又は請求項２に記載の水素ガス発生装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
上記の課題に鑑み、本発明は、イオン交換膜を用いて水を電気分解し水素ガスを発生させる水素ガス発生装置において、水素ガス発生槽及び酸素ガス発生槽の底部を、開閉弁を備えた連通管で連結し、その開閉弁を、水素ガス発生装置の稼働時には閉鎖するとともに稼働終了時には所定時間開放することにより、酸素ガス発生槽に保圧弁を設けることなく両方のガス発生槽の水位のバランスを図るものである。すなわち、本発明は
「イオン交換膜により仕切られた電気分解槽に水を貯留し、前記イオン交換膜の両面にそれぞれ設置した陽極電極及び陰極電極の間に直流電圧を印加して水の電気分解を行い、陰極電極から水素ガスを発生させる水素ガス発生装置であって、
前記電気分解槽は、前記イオン交換膜により、陽極電極側の酸素ガス発生槽と陰極電極側の水素ガス発生槽とに分割されるとともに、前記水素ガス発生槽に発生した水素ガスが、水の貯留された洗浄ビンの底部に導かれ、前記洗浄ビンの上部から取り出されるように構成され、さらに、
前記水素ガス発生槽は、水を貯留した給水タンクと連通管で連結され、かつ、前記水素ガス発生槽及び前記給水タンクの上部が、それぞれ開放用開閉弁を介して大気と連通され、
前記酸素ガス発生槽の上部が常時大気中に開放され、かつ、前記酸素ガス発生槽の底部と前記水素ガス発生槽の底部が水位調整用開閉弁を備えた連通管で連結されており、
前記水位調整用開閉弁は、陽極電極及び陰極電極に直流電圧が印加されて電気分解が行われるときは閉弁し、電気分解が終了したときは、前記酸素ガス発生槽と前記水素ガス発生槽の水位が同一となるよう所定時間開弁し、
前記開放用開閉弁は、前記水位調整用開閉弁が閉弁するときには閉弁し、開弁するときには開弁するよう制御される」
ことを特徴とする水素ガス発生装置となっている。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
請求項２に記載のように、前記酸素ガス発生槽の上方には、前記酸素ガス発生槽の上部と大気とに開口する放出筒を立設することが好ましい。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
また、請求項３に記載のように、前記洗浄ビンに空気ポンプから空気を供給し、前記水素ガス発生槽から導かれた水素ガスを、空気の混合された状態で前記洗浄ビンの上部から取り出すよう構成することができる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
また、本発明の水素ガス発生装置では、電気分解中に消費される水の補充のため、イオン交換膜を備える電気分解槽とは別に、水を貯留した給水タンクを設置して水素ガス発生槽に連通管で連結する。そして、発生する水素ガスに圧力を加えるよう、装置の稼働中には給水タンクが密閉された状態としているが、この構成においては、装置の稼働停止時に水位調整用開閉弁の開放したときに、給水タンク、水素ガス発生槽及び酸素ガス発生槽の水位が同一となるまでに相当の時間を要する（一般的に開閉弁の通路は細く流体抵抗が大きい）。
そのため、本発明では、給水タンク及び水素ガス発生槽の上部を、それぞれ開放用開閉弁を介して大気と連通する。そして、水位調整用開閉弁の開閉と合わせて両方の開放用開閉弁が開閉するように制御する。これにより、水素ガス発生装置の稼働停止時に水位調整用開閉弁を開放したときには、給水タンク及び水素ガス発生槽の上部も大気と連通し、給水タンク、水素ガス発生槽及び酸素ガス発生槽の水位が短時間で揃うこととなる。開放用開閉弁としては、やはり電磁弁の使用が好ましい。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
請求項２の発明は、酸素ガス発生槽の上方に放出筒を立設して、酸素ガス発生槽の上部を大気に開放するものである。電気分解中には、イオン交換膜に流れる電流により熱が発生し、酸素ガス発生槽内の水が蒸発して水蒸気が放出されるけれども、請求項３の発明においては、放出された水蒸気が放出筒の内側の通路壁面に凝結し、水となって酸素ガス発生槽内に落下する。そのため、放出された水蒸気が装置の別の個所で凝結して不具合を起こすなどの事態が回避できるとともに、蒸発による水位の低下を防止できる。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
請求項３の発明は、空気ポンプから洗浄ビンに空気を供給して、水素ガス発生槽から導かれた水素ガスに混合するものであり、このよう構成すると、可燃範囲の広い水素ガスを空気によって範囲外となるまで希釈し、水素ガスの爆発の恐れが解消される。