JP6952246B2 - 気体生成装置及び気体生成方法 - Google Patents

Description

本開示は、気体生成装置及び気体生成方法に関する。

従来、水性液体を電気分解することによって水素ガスを生成する装置が知られている。例えば、特許文献１には、図８に示す通り、ガス生成装置２００が記載されている。ガス生成装置２００は、水性液体２２５を電気分解することによって水素ガス及び酸素ガスを生成する。

ガス生成装置２００は、槽２１０、第１の電極２２１、第２の電極２２２、セパレータ２２３、直流電源２２４、気液分離膜２９１、気液分離膜２９２、接続部材２５４ａ、及び接続部材２５４ｂを備えている。槽２１０は、隔壁２１０ａ及びセパレータ２２３によって第１の槽２１１と第２の槽２１２とに分けられている。槽２１０の中には、水性液体２２５が配置されている。第１の電極２２１は、第１の槽２１１内に配置されている。第２の電極２２２は、第２の槽２１２内に配置されている。第１の槽２１１の上方には、筒状部２１１ａが存在し、筒状部２１１ａには気液分離膜２９１が配置されている。第２の槽２１２の上方には筒状部２１２ａが存在し、筒状部２１２ａには、気液分離膜２９２が配置されている。第１の電極２２１がアノードとなるように第１の電極２２１と第２の電極２２２との間に電圧を印加すると、第１の電極２２１の表面では酸素ガス２２６が生成され、第２の電極２２２の表面では水素ガス２２７が生成される。

第２の槽２１２において、セパレータ２２３と水性液体２２５とが接触している位置よりも上には、体積Ｖ２の水性液体２２５ａが存在している。また、第１の槽２１１の水性液体２２５と気液分離膜２９１との間には、体積Ｖ１の空間が存在している。ガス生成装置２００は、体積Ｖ１よりも体積Ｖ２が大きい状態で使用される。ガス生成装置２００では、第１の槽２１１内の水性液体２２５の液面が気液分離膜２９１に到達しても、第２の槽２１２内の水性液体２２５の液面がセパレータ２２３に到達しない。このため、ガス生成装置２００によれば、第２の槽２１２内の第２のガス２２７（水素ガス）の圧力が高まっても、第１のガス２２６（酸素ガス）と第２のガス２２７（水素ガス）とが混ざることがない。

特開２０１４−９５１１５号公報

特許文献１に記載のガス生成装置は、気体の生成効率を高める観点から改良の余地を有する。そこで、本開示は、気体の生成効率を高めるために有利である新規な気体生成装置を提供する。

本開示は、
電気化学反応により水溶液から気体を生成する気体生成装置であって、
前記水溶液を収容可能な筐体と、
前記筐体の内部空間を第一室と第二室とに隔てている隔壁と、
前記第一室に配置された第一電極と、
前記第二室に配置され、前記第一電極と電気的に接続されている第二電極と、
前記第一室に配置された第一気液分離膜と、
前記第一室と前記筐体の外部空間とを連通させる第一連通路であって、前記第一気液分離膜よりも上方において前記第一室の上部に接している第一排出口を有する第一連通路と、
前記第二室と前記筐体の外部空間とを連通させる第二連通路であって、前記第二室の上部に接している第二排出口を有する第二連通路と、を備え、
前記第一気液分離膜は、前記第一排出口の断面積よりも大きい面積を有する、
気体生成装置を提供する。

上記の気体生成装置は、気体の生成効率を高めるうえで有利である。

図１は、本開示の気体生成装置の一例を示す断面図である。 図２Ａは、気泡に対する第一気液分離膜の作用を示す図である。 図２Ｂは、気泡に対する第一気液分離膜の作用を示す図である。 図３は、本開示の気体生成装置の別の一例を示す断面図である。 図４は、図３の気体生成装置の配置の一例を示す図である。 図５は、本開示の気体生成装置のさらに別の一例を示す断面図である。 図６は、図５のVI-VI線に沿った気体生成装置の断面図である。 図７は、図５のVII-VII線に沿った気体生成装置の断面図である。 図８は、従来のガス生成装置を模式的に示す図である。

＜本発明者の検討に基づく知見＞
ガス生成装置２００において、水性液体２２５の電気分解によって発生したガスが気泡を形成する。この気泡は、水性液体２２５を上昇し、場合によっては第１の槽２１１の上部に溜まる。この場合、気泡が筒状部２１２ａの内部の狭い流路を通らなければならない。気泡が次々と発生して第１の槽２１１の上部に溜まってしまうと、気泡の一部が第１の電極２２１を覆う可能性がある。気泡が第１の電極２２１を覆うと、水性液体２２５が第１の電極に２２１に十分に供給されない。これにより、第１の電極２２１において水性液体２２５の電気分解反応が行われる部分の面積（反応面積）が減少し、水性液体２２５の電気分解反応の効率が低下する可能性がある。その結果、気体の生成効率が低下する。また、光触媒を含む電極に光を照射して電気化学反応を生じさせて水溶液から気体を生成する場合に、その電極が配置された空間を定める側壁の一部を透光性の材料で形成することが考えられる。この場合、その電極が配置された空間の上部に気泡が溜まると、気泡が電極又は透光性の側壁の表面を覆い、電極への光照射による電気化学反応の効率が低下し、気体の生成効率が低下する可能性がある。

そこで、本発明者は、電気化学反応により水溶液から気体を生成する場合に水溶液中で発生した気泡が電気化学反応のための電極が配置されている空間に溜まることを防止できれば気体の生成効率を格段に高めることができると考えた。そこで、電気化学反応のための電極が配置されている空間に気泡が溜まることを防止できる技術について日夜検討を重ね、本開示の気体生成装置を案出した。なお、上記の知見は、本発明者の検討に基づく知見であり、先行技術として自認するものではない。

本開示の第１態様は、
電気化学反応により水溶液から気体を生成する気体生成装置であって、
前記水溶液を収容可能な筐体と、
前記筐体の内部空間を第一室と第二室とに隔てている隔壁と、
前記第一室に配置された第一電極と、
前記第二室に配置され、前記第一電極と電気的に接続されている第二電極と、
前記第一室に配置された第一気液分離膜と、
前記第一室と前記筐体の外部空間とを連通させる第一連通路であって、前記第一気液分離膜よりも上方において前記第一室の上部に接している第一排出口を有する第一連通路と、
前記第二室と前記筐体の外部空間とを連通させる第二連通路であって、前記第二室の上部に接している第二排出口を有する第二連通路と、を備え、
前記第一気液分離膜は、前記第一排出口の断面積よりも大きい面積を有する、
気体生成装置を提供する。

第１態様によれば、第一気液分離膜は、第一排出口よりも下方において第一室に配置されている。電気化学反応により第一室の水溶液中で発生した気泡は第一排出口に到達する前に第一気液分離膜に接触して消失する。しかも、第一気液分離膜は第一排出口の断面積よりも大きい面積を有するので、次々と気泡が発生しても多数の気泡が所定期間に第一気液分離膜に接触して消失する。このため、電気化学反応により水溶液中で発生した気泡が第一室の上部に溜まりにくい。その結果、第一電極が気泡によって覆われにくく、気体生成装置における電気化学反応の効率（気体の生成効率）が高くなりやすい。このように、第１態様に係る気体生成装置は、気体の生成効率を高めるうえで有利である。

本開示の第２態様は、第１態様に加えて、前記第一気液分離膜は、当該気体生成装置の運転中に、前記筺体に収容された前記水溶液の液面に接する、気体生成装置を提供する。第２態様によれば、水溶液中で発生した気泡が水溶液の液面に到達してすぐに第一気液分離膜と接触して消失しやすい。このため、第一室の上部に気泡が溜まりにくく、気体生成装置における電気化学反応の効率が高くなりやすい。

本開示の第３態様は、第１態様又は第２態様に加えて、前記第二室において前記第二排出口よりも下方に配置された第二気液分離膜であって、前記第二排出口の断面積よりも大きい面積を有する第二気液分離膜をさらに備えた、気体生成装置を提供する。第３態様によれば、電気化学反応により第二室の水溶液中で発生した気泡は第二気液分離膜に接触して消失する。また、次々と気泡が発生しても多数の気泡が所定期間に第二気液分離膜に接触して消失する。このため、電気化学反応により水溶液中で発生した気泡が第二室の上部に溜まりにくい。その結果、第二電極が気泡によって覆われにくく、気体生成装置における電気化学反応の効率（気体の生成効率）が高くなりやすい。

本開示の第４態様は、第３態様に加えて、前記第一気液分離膜の面積は、前記第二気液分離膜の面積よりも小さい、気体生成装置を提供する。例えば、電気化学反応により第一室で生成される気体の体積が第二室で生成される気体の体積よりも小さい場合、第一室の水溶液中で発生する気泡は、第二室の水溶液中で発生する気泡よりも少ないことが多い。第４態様によれば、第一室において第二室で発生する気泡よりも少ない気泡が発生する場合に、このことを利用して第一気液分離膜を小さくできる。

本開示の第５態様は、第１態様〜第４態様のいずれか１つの態様に加えて、前記筺体は、前記第一電極と対向しているとともに斜め下方を向いている第一内面を有し、前記第一気液分離膜の下面を含む平面と前記第一内面を含む平面とのなす角βが９０°より大きく、かつ、１８０°より小さい特定の角度である、気体生成装置を提供する。本開示の第５態様によれば、第一室の水溶液中で発生した気泡が溜まる空間が小さくなりやすい。このため、第一室の上部には電気化学反応により水溶液中で発生した気泡が溜まりにくい。その結果、気体生成装置における気体の生成効率が高くなりやすい。

本開示の第６態様は、第５態様に加えて、前記筺体は、前記第一内面を含む平面に対して下方に傾いている上側外面を含み、前記上側外面と前記第一内面を含む平面とのなす角γが９０°より大きい、気体生成装置を提供する。第６態様によれば、第一気液分離膜の下面を含む平面と第一内面を含む平面とのなす角βを９０°より大きい角度に調整しやすい。

本開示の第７態様は、第６態様に加えて、前記第一気液分離膜の下面を含む平面と前記第一内面を含む平面とのなす角βが前記上側外面と前記第一内面を含む平面とのなす角γ以下である、気体生成装置を提供する。第７態様によれば、第一室の水溶液中で発生した気泡が溜まる空間が小さくなりやすい。このため、第一室の上部には電気化学反応により水溶液中で発生した気泡が溜まりにくい。その結果、気体生成装置における気体の生成効率が高くなりやすい。

本開示の第８態様は、第５態様に加えて、第一気液分離膜は、水平に延びている、気体生成装置を提供する。第６態様によれば、第一室の水溶液中で発生した気泡が溜まる空間が小さくなりやすい。加えて、第一気液分離膜の全体が第一室の水溶液の液面に接しやすい。これにより、第一室の上部に気泡が溜まりにくく、気体生成装置における気体の生成効率が高くなりやすい。

本開示の第９態様は、第５態様〜第８態様のいずれか１つの態様に加えて、前記筺体は、前記第一内面を定めるとともに透光性を有する側壁を含み、前記第一電極は、光触媒を含む、気体生成装置を提供する。第９態様によれば、光源からの光を、側壁を透過させて第一電極に照射することによって、電気化学反応により水溶液から気体を生成できる。加えて、気体生成装置に対して光源が斜め上方に位置する場合に、第一電極に照射される光量が多くなりやすい。これにより、電気化学反応の効率、ひいては気体の生成効率を高めることができる。

本開示の第１０態様は、第６態様〜第９態様のいずれか１つの態様に加えて、前記筺体は、前記第一内面を含む平面に対して下方に傾き、かつ、水平面に対して上方に傾いている下側外面をさらに含み、複数の当該気体生成装置を上下に並べたときに、隣り合う２つの気体生成装置のうち上方に位置する気体生成装置の前記下側外面の一部は、前記２つの気体生成装置のうち下方に位置する気体生成装置の前記上側外面の一部と鉛直方向に沿って重なり合うことが可能である、気体生成装置を提供する。第１０態様によれば、複数の気体生成装置を上下に並べたときに、複数の気体生成装置の設置面積を小さくできる。

本開示の第１１態様は、第１０態様に加えて、前記上側外面と水平面とがなす角は、前記下側外面と水平面とがなす角よりも小さい、気体生成装置を提供する。第１１態様によれば、複数の気体生成装置を上下に並べたときに、上下に隣り合う気体生成装置同士の間に空間を生じさせることができる。例えば、この空間を気体生成装置によって生成された気体を取り出すために利用できる。

本開示の第１２態様は、第１態様〜第１１態様のいずれか１つの態様に加えて、前記筐体の内面は、前記第一気液分離膜よりも下方に位置する前記第一室の特定の位置から前記第一気液分離膜に向かって斜め上方に延びている第一ガイド面を含む、気体生成装置を提供する。第１２態様によれば、第一室の水溶液中で発生した気泡は第一ガイド面に沿って第一気液分離膜に向かって上昇する。このように、第一ガイド面によって、気泡が第一気液分離膜へ導かれる。これにより、気泡が第一室の特定の箇所に留まりにくく、気体生成装置における気体の生成効率が高くなりやすい。

本開示の第１３態様は、第１態様〜第１２態様のいずれか１つの態様に加えて、前記第一気液分離膜は、多孔性の膜である、気体生成装置を提供する。第１３態様によれば、第一気液分離膜の多孔性を利用して液体の透過を阻止しつつ気体を透過させることができる。

本開示の第１４態様は、第１態様〜第１３態様のいずれか１つの態様に加えて、前記第一気液分離膜は、フッ素樹脂を含む、気体生成装置を提供する。第１４態様によれば、フッ素樹脂が有する撥水性により、気泡が第一気液分離膜に接触すると気泡が消失しやすい。加えて、第一気液分離膜が高い耐久性を有する。

本開示の第１５態様は、第１態様〜第１４態様のいずれか１つの態様に加えて、前記第一気液分離膜は、撥水性の膜である、気体生成装置を提供する。第１５態様によれば、第一気液分離膜が有する撥水性により、気泡が第一気液分離膜に接触すると気泡が消失しやすい。

本開示の第１６態様は、
第１態様〜第１５態様のいずれか１つの態様の気体生成装置を提供し、
前記筺体に収容された前記水溶液を加圧して前記水溶液の液面を前記第一気液分離膜に接触させた状態で、前記第一電極及び前記第二電極において電気化学反応を生じさせることにより、前記筺体に収容された前記水溶液から気体を生成する、気体生成方法を提供する。

第１６態様によれば、電気化学反応により第１室の水溶液中で発生した気泡は、水溶液の液面まで上昇するとすぐに第一気液分離膜に接触して消失しやすい。このため、電気化学反応により水溶液中で発生した気泡が第一室の上部に溜まりにくい。その結果、気体生成装置における気体の生成効率が高くなりやすい。

以下、本開示の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明は本発明の一例に関するものであり、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、添付の図面において、ＸＹ平面が水平であり、Ｚ軸の正方向が鉛直上向きである。

＜第１実施形態＞
図１に示す通り、第１実施形態に係る気体生成装置１ａは、筐体１０と、隔壁２０と、第一電極３１と、第二電極３２と、第一気液分離膜４１と、第一連通路５０と、第二連通路５１と、を備えている。気体生成装置１ａは、電気化学反応により水溶液から気体を生成する。筐体１０は、水溶液を収容可能である。隔壁２０は、筐体１０の内部空間を第一室１１と第二室１２とに隔てている。第一電極３１は第一室１１に配置されている。第二電極３２は、第二室１２に配置され、第一電極３１と電気的に接続されている。第一気液分離膜４１は、第一室１１に配置されている。第一連通路５０は、第一室１１と筐体１０の外部空間とを連通させる通路である。第一連通路５０は、第一気液分離膜４１よりも上方において第一室１１の上部に接している第一排出口５２を有する。第一連通路５０は、例えば筐体１０に接続された配管によって形成されている。第二連通路５１は、第二室１２と筐体１０の外部空間とを連通させる第二連通路５１である。第二連通路５１は、第二室１２の上部に接している第二排出口５３を有する。第二連通路５１は、例えば筐体１０に接続された配管によって形成されている。第一気液分離膜４１は、第一排出口５２の断面積よりも大きい面積を有する。

図１に示す通り、気体生成装置１ａは電源３５をさらに備えている。電源３５は、第一電極３１と第二電極３２との間に配置され、第一電極３１及び第二電極３２に電気的に接続されている。気体生成装置１ａは、例えば、第一電極３１及び第二電極３２が浸るように筐体１０に水溶液が収容された状態で運転される。例えば、第一電極３１がアノードとして機能するとともに第二電極３２がカソードとして機能するように、電源３５によって第一電極３１と第二電極３２との間に所定の電圧差が付与される。この場合、水の電気分解により、アノードである第一電極３１では酸素ガスが発生し、カソードである第二電極３２では水素ガスが発生する。発生した酸素ガス及び水素ガスは水溶液中を気泡として上昇する。隔壁２０は、水溶液中のイオンを透過させ、かつ、水溶液中の酸素ガス及び酸素ガスの透過を阻止する機能を有する。隔壁２０は、例えば、高分子固体電解質等の固体電解質によって形成されている。隔壁２０である固体電解質としては、例えば、ナフィオン（登録商標）等のイオン交換膜を用いることができる。例えば、第一室１１における水溶液中のプロトンが隔壁２０を透過して第二室１２に配置された第二電極３２に導かれ、水素ガスが発生する。

第一電極３１及び第二電極３２としては、水の電気分解に利用されている公知の電極を使用できる。

図２Ａ及び図２Ｂに示す通り、第一室１１で発生した酸素ガスの気泡Ｏｂは、水溶液中を上昇し、第一気液分離膜４１に接触する。これにより、酸素ガスの気泡Ｏｂにおける酸素ガスと水溶液との界面Ｏｉの一部が第一気液分離膜４１と酸素ガスとの界面に置き換わり、酸素ガスが第一気液分離膜４１を透過する。このように、酸素ガスの気泡Ｏｂが第一気液分離膜４１に接触すると、気泡Ｏｂは消失する。しかも、第一気液分離膜４１は第一排出口５２の断面積よりも大きい面積を有するので、次々と気泡が発生しても多数の気泡が所定期間に第一気液分離膜４１に接触して消失する。このため、水の電気分解反応により水溶液中で発生した気泡が第一室１１の上部に溜まりにくい。その結果、第一電極３１が気泡によって覆われにくく、気体生成装置１ａにおける気体の生成効率が高くなりやすい。

第一気液分離膜４１は、典型的には、気体生成装置１ａの運転中に、筺体１０に収容された水溶液の液面に接する。例えば、気体生成装置１ａを用いて以下のステップを含む気体生成方法を実行できる。
（ｉ）気体生成装置１ａを提供する。
（ii）筺体１０に収容された水溶液を加圧して水溶液の液面を第一気液分離膜４１に接触させた状態で、第一電極３１及び第二電極３２において電気化学反応を生じさせることにより、筺体１０に収容された水溶液から気体を生成する。

第一気液分離膜４１が筺体１０に収容された水溶液の液面に接触するように気体生成装置１ａが運転されることにより、水溶液中で発生した酸素ガスの気泡Ｏｂが水溶液の液面に到達してすぐに第一気液分離膜４１と接触し、消失しやすい。このため、第一室１１の上部に酸素ガスの気泡Ｏｂが溜まりにくく、気体生成装置１ａにおける気体の生成効率が高い。

図１に示す通り、気体生成装置１ａは、例えばポンプ６０をさらに備えている。ポンプ６０は、配管によって筐体１０に接続されており、水溶液タンク（図示省略）から筐体１０の内部空間に水溶液を圧送する。これにより、気体生成装置１ａの運転中に、第一気液分離膜４１が筺体１０に収容された水溶液の液面に接触する。水溶液タンクの内部空間と筺体１０の内部空間とを配管によって連通させ、かつ、水溶液タンクにおける水溶液の液位が第一気液分離膜４１の下面よりも高くなるように水溶液タンクが配置されてもよい。この場合、水溶液タンクにおける水溶液が有する位置エネルギーによって筺体１０に収容された水溶液を加圧して水溶液の液面を第一気液分離膜４１に接触させることができる。この場合には、ポンプ６０は省略されてもよい。

第一気液分離膜４１は、例えば、多孔性の膜である。この場合、第一気液分離膜４１の多孔性を利用して液体の透過を阻止しつつ気体を透過させることができる。

第一気液分離膜４１が多孔性の膜である場合、水溶液の表面張力をＴ［Ｎ／ｍ］と表し、第一気液分離膜４１の表面に対する水溶液の接触角をθ［°］と表し、定数をＫ［‐］と表すとき、第一気液分離膜４１の孔径Ｄ［ｍ］と第一気液分離膜４１の上面と下面における差圧Ｐ［Ｐａ］との間には以下の関係が成立する。
Ｐ＝Ｋ（Ｔ×cos θ／Ｄ）

定数Ｋは、第一気液分離膜４１の種類によって変動しうるが、定数Ｋの値が同一である異なる膜を使用する場合、圧力Ｐが孔径Ｄに反比例する上記の関係に基づいて、第一気液分離膜４１の孔径Ｄを決定することが望ましい。例えば、常圧で多孔性の膜である第一気液分離膜４１を使用する場合、第一気液分離膜４１は、望ましくは１μｍ以下の孔径を有する。圧力Ｐが２倍になれば、第一気液分離膜４１の孔径は１／２となるように決定されることが望ましい。

第一気液分離膜４１は、例えば、フッ素樹脂を含む。この場合、フッ素樹脂が有する撥水性により、酸素ガスの気泡Ｏｂが第一気液分離膜４１に接触すると気泡Ｏｂが消失しやすい。加えて、第一気液分離膜４１が高い耐久性を有する。

第一気液分離膜４１は、例えば、撥水性の膜である。この場合、第一気液分離膜４１が有する撥水性により、酸素ガスの気泡Ｏｂが第一気液分離膜４１に接触すると気泡Ｏｂが消失しやすい。撥水性の膜としては、例えば、日本工業規格（JIS） R 3257:1999に準拠して決定される接触角が５０°以上である膜を利用できる。

第一気液分離膜４１としては、典型的には、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂の多孔質膜を使用できる。

図１に示す通り、気体生成装置１ａは、第二気液分離膜４２をさらに備えている。第二気液分離膜４２は、第二室１２において第二排出口５３よりも下方に配置され、第二排出口５３の断面積よりも大きい面積を有する。この場合、第二室１２において電気化学反応により生成された気体によって水溶液中で気泡が発生する場合に、気泡は、第二排出口５３に到達する前に第二気液分離膜４２に接触して消失する。しかも、第二気液分離膜４２は第二排出口５３の断面積よりも大きい面積を有するので、次々と気泡が発生しても多数の気泡が所定期間に第二気液分離膜４２に接触して消失する。これにより、気体生成装置１ａにおいて、より確実に、気体の生成効率を高めることができる。

例えば、第一気液分離膜４１の面積は、第二気液分離膜４２の面積よりも小さい。例えば、第一電極３１をアノードとして機能させるとともに第二電極３２をカソードとして機能させて、水の電気分解反応を生じさせる場合を考える。この反応によって発生する水素ガスの体積は、この反応によって発生する酸素ガスの体積の２倍である。この場合、第一室の水溶液中で発生する酸素ガスの気泡Ｏｂは、第二室の水溶液中で発生する水素ガスの気泡Ｈｂよりも少ない。このため、第一室において第二室で発生する気泡よりも少ない気泡が発生する場合に、このことを利用して第一気液分離膜４１を小さくできる。

第二気液分離膜４２の面積は、例えば、第一気液分離膜４１の面積の約２倍である。また、水素分子は、酸素分子よりも小さいので、第二気液分離膜４２を透過しやすい。このため、水の電気分解により、酸素ガスよりも多くの水素ガスが生成される場合でも、水素ガスが第一気液分離膜４１を滞りなく透過しやすい。

第二気液分離膜４２は、例えば、第一気液分離膜４１と同様に、多孔性の膜、フッ素樹脂を含む膜、又は撥水性の膜である。第二気液分離膜４２としては、典型的には、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂の多孔質膜を使用できる。

第一気液分離膜４１及び第二気液分離膜４２は、例えば、水平に配置されている。このため、第一気液分離膜４１の全体が水溶液の液面に接触しやすく、かつ、第二気液分離膜４２の全体が水溶液の液面に接触しやすい。これにより、第一室１１及び第二室１２において水溶液中で上昇した気泡が液面において第一気液分離膜４１又は第二気液分離膜４２に直接接触しやすい。その結果、より一層、第一室１１及び第二室１２の上部に気泡が溜まりにくい。

＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態に係る気体生成装置１ｂについて説明する。気体生成装置１ｂは、特に説明する場合を除き、気体生成装置１ａと同一の構成を有する。気体生成装置１ａの構成要素と同一又は対応する気体生成装置１ｂの構成要素には、同一の符号を付し詳細な説明を省略する。気体生成装置１ａに関する説明は、技術的に矛盾しない限り気体生成装置１ｂにもあてはまる。

図３に示す通り、気体生成装置１ｂの筐体１０は、第一電極３１と対向しているとともに斜め下方を向いている第一内面１４を有する。第一気液分離膜４１の下面を含む平面と第一内面１４を含む平面とのなす角βは、９０°より大きく、かつ、１８０°より小さい特定の角度である。この場合、筐体１０の第一内面１４が斜め下方を向いている場合に、第一室１１の水溶液中で発生した気泡が溜まる空間を小さくしやすい。このため、第一室１１の上部には電気化学反応により水溶液中で発生した気泡が溜まりにくい。その結果、気体生成装置１ｂにおける気体の生成効率が高くなりやすい。

第一気液分離膜４１は、水平面より下方に傾いていてもよいし、水平面より上方に傾いていてもよいし、水平に延びていてもよい。第一内面１４と水平面とがなす鋭角αが４５°より大きい場合、第一気液分離膜４１の下面を含む平面と第一内面１４を含む平面とのなす角βは、例えば２２５°−αを含みうる。

図３に示す通り、筐体１０は、第一内面１４を含む平面に対して下方に傾いている上側外面１７を含む。加えて、上側外面１７と第一内面１４を含む平面とのなす角γが９０°より大きい。この場合、第一気液分離膜４１の下面を含む平面と第一内面１４を含む平面とのなす角βを９０°より大きい角度に調整しやすい。

第一気液分離膜４１の下面を含む平面と第一内面１４を含む平面とのなす角βは、例えば、上側外面１７と第一内面１４を含む平面とのなす角γ以下である。これにより、筐体１０の第一内面１４が斜め下方を向いている場合に、第一室１１の水溶液中で発生した気泡が溜まる空間を小さくしやすい。このため、第一室１１の上部には電気化学反応により水溶液中で発生した気泡が溜まりにくい。その結果、気体生成装置１ｂにおける気体の生成効率が高くなりやすい。

第一気液分離膜４１は、例えば、水平に延びている。この場合、より確実に、第一室１１の水溶液中で発生した気泡が溜まる空間が小さくなりやすい。加えて、第一気液分離膜４１の全体が第一室１１の水溶液の液面に接しやすい。これにより、第一室１１の上部に気泡が溜まりにくく、気体生成装置１ｂにおける気体の生成効率が高くなりやすい。

図３に示す通り、筐体１０は、例えば透光性を有する側壁１６を含み、側壁１６が第一内面１４を定めている。加えて、第一電極３１は光触媒を含む。例えば、光源からの光が側壁１６を透過して第一電極３１に照射されると、第一電極３１に含まれる光触媒の作用により、第一電極３１の表面において正孔及び電子が生成される。第一電極３１において水溶液中の酸素イオンが正孔によって酸化され酸素ガスが発生する。一方、第二電極３２において水溶液中のプロトンが還元され水素ガスが発生する。このように、気体生成装置１ｂは、第一電極３１への光の照射に伴う電気化学反応により水溶液から気体を生成できる。このため、気体生成装置１ｂにおいて第一電極３１と第二電極３２との間に電源が不要である。第一室１１で発生した酸素ガスは水溶液中で気泡として上昇し、酸素ガスの気泡が第一気液分離膜４１に接触して酸素ガスのみが第一気液分離膜４１を透過する。

側壁１６によって定まる第一内面１４は斜め下方を向いているので、気体生成装置に対して光源が側壁１６の斜め上方に位置する場合に、第一電極３１に照射される光量が多くなりやすい。これにより、電気化学反応の効率、ひいては気体の生成効率を高めることができる。

第一電極３１に照射される光の光源としては、例えば、太陽光を利用できる。この場合、望ましくは、第一内面１４と水平面とがなす鋭角αと太陽高度との和が、例えば、４５°〜１３５°となるように、側壁１６が配置されている。これにより、第一電極３１に照射される太陽光の光量が多い。

図３に示す通り、筐体１０は、下側側面１８をさらに含む。下側側面１８は、第一内面１４を含む平面に対して下方に傾き、かつ、水平面に対して上方に傾いている。上側側面１７の一部は、例えば筐体１０の上面に配置された上面パネル１７ａによって形成されている。下側側面１８の一部は、例えば筐体１０の下面に配置された下面パネル１８ａによって形成されている。図４に示す通り、気体生成装置１ｂは、例えば、複数の気体生成装置１ｂを上下に並べた状態で使用される。この場合に、隣り合う２つの気体生成装置１ｂのうち上方に位置する気体生成装置１ｂの下側外面１８の一部は、２つの気体生成装置１ｂのうち下方に位置する気体生成装置１ｂの上側外面１７の一部と鉛直方向に沿って重なり合うことが可能である。このため、複数の気体生成装置１ｂを上下に並べたときに、複数の気体生成装置１ｂの設置面積を小さくできる。加えて、複数の気体生成装置１ｂにおいて光源からの光を有効に利用できる。

図３に示す通り、上側外面１７と水平面とがなす角θ₁は、下側外面１８と水平面とがなす角θ₂よりも小さい。このため、上側外面１７及び下側外面１８は、側壁１６から第二室１２に向かって筐体１０の外面が窄まるように形成されている。これにより、図４に示すように、複数の気体生成装置１ｂの側壁１６が水平面に対して特定の傾斜角で同一平面（仮想的な平面）において連なるように複数の気体生成装置１ｂを配置する場合に、上下に隣り合う気体生成装置１ｂ同士の間に空間を生じさせることができる。これにより、気体生成装置１ｂを、上下方向に隣接する気体生成装置１ｂによって妨げられることなく配置できる。この空間は、例えば、気体生成装置１ｂによって生成された気体を取り出すために利用されてもよい。

図３に示す通り、気体生成装置１ｂは、第二気液分離膜４２を備えている。第一気液分離膜４１の面積は、第二気液分離膜４２の面積よりも小さい。第二気液分離膜４２の面積は、例えば、第一気液分離膜４１の面積の約２倍である。例えば、第二気液分離膜４２の下面を含む平面と第一内面１４を含む平面とのなす角が９０°より大きく、かつ、１８０°より小さい特定の角度であるように、第二気液分離膜４２が配置されている。第二気液分離膜４２は、例えば、水平に延びている。第二気液分離膜４２は、水平面より下方に傾いていてもよいし、水平面より上方に傾いていてもよい。第一内面１４と水平面とがなす鋭角αが４５°より大きい場合、第二気液分離膜４１の下面を含む平面と第一内面１４を含む平面とのなす角は、例えば２２５°−αを含みうる。第二気液分離膜４２の下面を含む平面と第一内面１４を含む平面とのなす角は、例えば、上側外面１７と第一内面１４を含む平面とのなす角γ以下である。

＜第３実施形態＞
次に、第３実施形態に係る気体生成装置１ｃについて説明する。気体生成装置１ｃは、特に説明する場合を除き、気体生成装置１ａと同一の構成を有する。気体生成装置１ａの構成要素と同一又は対応する気体生成装置１ｃの構成要素には、同一の符号を付し詳細な説明を省略する。気体生成装置１ａに関する説明は、技術的に矛盾しない限り気体生成装置１ｃにもあてはまる。

図５〜図７に示す通り、気体生成装置１ｃの筐体１０の内面は、第一ガイド面１９ａを含む。第一ガイド面１９ａは、第一気液分離膜４１よりも下方に位置する第一室１１の特定の位置から第一気液分離膜４１に向かって斜め上方に延びている。この場合、第一室１１の水溶液中で発生した気泡は第一ガイド面１９ａに沿って第一気液分離膜４１に向かって上昇する。このように、第一ガイド面１９ａによって、気泡が第一気液分離膜４１へ導かれる。これにより、気泡が第一室１１の特定の箇所に留まりにくく、気体生成装置１ｃにおける気体の生成効率が高くなりやすい。

図６に示す通り、第一室１１は、例えば、隔壁２０の上方において、隔壁２０に垂直な方向に互いに向かい合う筐体１０の一対の内面によって定められた空間を含む。第一気液分離膜４１は、この空間においてその一対の内面に固定されている。

図５及び図７に示す通り、気体生成装置１ｃは、第二気液分離膜４２を備えている。第一気液分離膜４１の面積は、例えば、第二気液分離膜４２の面積よりも小さい。第二気液分離膜４２の面積は、例えば、第一気液分離膜４１の面積の約２倍である。図５及び図６に示す通り、気体生成装置１ｃの筐体１０の内面は、第二ガイド面１９ｂを含む。第二ガイド面１９ｂは、第二気液分離膜４２よりも下方に位置する第二室１２の特定の位置から第二気液分離膜４２に向かって斜め上方に延びている。これにより、第二室１２の水溶液中で発生した気泡は第二ガイド面１９ｂに沿って第二気液分離膜４２に向かって上昇する。このように、第二ガイド面１９ｂによって、気泡が第二気液分離膜４２へ導かれる。これにより、気泡が第二室１２の特定の箇所に留まりにくく、気体生成装置１ｃにおける気体の生成効率が高くなりやすい。

図７に示す通り、第二室１１は、例えば、隔壁２０の上方において、隔壁２０に垂直な方向に互いに向かい合う筐体１０の一対の内面によって定められた空間を含む。第二気液分離膜４２は、この空間においてその一対の内面に固定されている。また、第一気液分離膜４１及び第二気液分離膜４２は、隔壁２０の上方において、隔壁２０の主面に沿った水平方向（Ｙ軸方向）に並んでいる。これにより、気体生成装置１ｃの隔壁２０に垂直な方向の寸法を小さくしやすい。図５に示す通り、筐体１０の内部空間には、例えば、仕切り壁１５が形成されている。仕切り壁１５は、第一室１１の第一ガイド面１９ａより上方の空間と、第二室１２の第二ガイド面１９ｂより上方の空間とを、隔壁２０の主面に沿った水平方向に仕切っている。

本開示の気体生成装置は、水を電気分解して水素を生成でき、小規模な家庭用の水素生成又は大規模な水素生成プラントに応用できる。

１０ 筐体
１１ 第一室
１２ 第二室
１４ 第一内面
１６ 側壁
１７ 上側外面
１８ 下側外面
１９ａ 第一ガイド面
２０ 隔壁
３１ 第一電極
３２ 第二電極
４１ 第一気液分離膜
４２ 第二気液分離膜
５０ 第一連通路
５１ 第二連通路
５２ 第一排出口
５３ 第二排出口
１ａ〜１ｃ 気体生成装置

Claims (17)

1. 電気化学反応により水溶液から気体を生成する気体生成装置であって、
   前記水溶液を収容可能な筐体と、
   前記筐体の内部空間を第一室と第二室とに隔てている隔壁と、
   前記第一室に配置された第一電極と、
   前記第二室に配置され、前記第一電極と電気的に接続されている第二電極と、
   前記第一室に配置された第一気液分離膜と、
   前記第一室と前記筐体の外部空間とを連通させる第一連通路であって、前記第一気液分離膜よりも上方において前記第一室の上部に接している第一排出口を有する第一連通路と、
   前記水溶液の液面が前記第一気液分離膜に接触するように前記内部空間に前記水溶液を圧送するポンプと、を備えた、
   気体生成装置。
2. 前記第一室で発生した前記気体の気泡が前記第一気液分離膜に接触するように、前記第一気液分離膜が配置されている、請求項１に記載の気体生成装置。
3. 前記第一気液分離膜は、当該気体生成装置の運転中に、前記筺体に収容された前記水溶液の液面に接している、請求項１又は２に記載の気体生成装置。
4. 前記第一気液分離膜は、前記第一排出口の断面積よりも大きい面積を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の気体生成装置。
5. 前記第二室と前記筐体の外部空間とを連通させる第二連通路であって、前記第二室の上部に接している第二排出口を有する第二連通路と、
   前記第二室において前記第二排出口よりも下方に配置された第二気液分離膜と、をさらに備え、
   前記気体生成装置の運転中、前記水溶液は、前記水溶液の液面が前記第二気液分離膜に接触するように前記内部空間に圧送される、
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の気体生成装置。
6. 前記第二気液分離膜は、前記第二排出口の断面積よりも大きい面積を有する、請求項５に記載の気体生成装置。
7. 前記第一気液分離膜の面積は、前記第二気液分離膜の面積よりも小さい、請求項５又は６に記載の気体生成装置。
8. 前記筺体は、前記第一電極と対向しているとともに斜め下方を向いている第一内面を有し、
   前記第一気液分離膜の下面を含む平面と前記第一内面を含む平面とのなす角βが９０°より大きく、かつ、１８０°より小さい特定の角度である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の気体生成装置。
9. 電気化学反応により水溶液から気体を生成する気体生成装置であって、
   前記水溶液を収容可能な筐体と、
   前記筐体の内部空間を第一室と第二室とに隔てている隔壁と、
   前記第一室に配置された第一電極と、
   前記第二室に配置され、前記第一電極と電気的に接続されている第二電極と、
   前記第一室に配置された第一気液分離膜と、
   前記第一室と前記筐体の外部空間とを連通させる第一連通路であって、前記第一気液分離膜よりも上方において前記第一室の上部に接している第一排出口を有する第一連通路と、
   前記第二室と前記筐体の外部空間とを連通させる第二連通路であって、前記第二室の上部に接している第二排出口を有する第二連通路と、を備え、
   前記第一気液分離膜は、前記第一排出口の断面積よりも大きい面積を有し、
   前記第一気液分離膜は、水平に延びており、
   前記筐体は、前記第一電極と対向しているとともに斜め下方を向いている第一内面を有し、
   前記第一気液分離膜の下面を含む平面と前記第一内面を含む平面とのなす角βが９０°より大きく、かつ、１８０°より小さい特定の角度であり、
   前記気体生成装置の運転中に、前記水溶液の液面を前記第一気液分離膜に接触させる、
   気体生成装置。
10. 前記筺体は、前記第一内面を定めるとともに透光性を有する側壁を含み、
    前記第一電極は、光触媒を含む、請求項８又は９に記載の気体生成装置。
11. 前記筺体は、前記第一内面を含む平面に対して下方に傾き、かつ、水平面に対して上方に傾いている下側外面をさらに含み、
    複数の当該気体生成装置を上下に並べたときに、隣り合う２つの気体生成装置のうち上方に位置する気体生成装置の前記下側外面の一部は、前記２つの気体生成装置のうち下方に位置する気体生成装置の前記上側外面の一部と鉛直方向に沿って重なり合うことが可能である、請求項８〜１０のいずれか１項に記載の気体生成装置。
12. 前記上側外面と水平面とがなす角は、前記下側外面と水平面とがなす角よりも小さい、請求項１１に記載の気体生成装置。
13. 前記筐体の内面は、前記第一気液分離膜よりも下方に位置する前記第一室の特定の位置から前記第一気液分離膜に向かって斜め上方に延びている第一ガイド面を含む、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の気体生成装置。
14. 前記第一気液分離膜は、多孔性の膜である、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の気体生成装置。
15. 前記第一気液分離膜は、フッ素樹脂を含む、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の気体生成装置。
16. 前記第一気液分離膜は、撥水性の膜である、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の気体生成装置。
17. 請求項１〜１６のいずれか１項に記載の気体生成装置を提供し、
    前記筺体に収容された前記水溶液を加圧して前記水溶液の液面を前記第一気液分離膜に接触させた状態で、前記第一電極及び前記第二電極において電気化学反応を生じさせることにより、前記筺体に収容された前記水溶液から気体を生成する、気体生成方法。

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