JPH09291387A - 水素・酸素発生装置の給電機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 純水容器内に、水電解セルを収容した水素・
酸素発生器を備えた水素・酸素発生装置において、純水
中の水電解セルへ、安全に、且つ、給電手段が純水容器
内の純水に浸清することなく高電圧を供給することが可
能な給電機構を提供する。 【解決手段】 上記純水容器の外周部と水電解セルの電
極板とを中空管によって電気的に絶縁状態で接続し、水
電解セルへ高電圧を供給するための給電手段を中空管と
は電気的に絶縁状態で該中空管内を貫通させると同時に
電極板と電気的に接続状態とさせ、かつ、上記給電手段
と上記電極板との接続部分を純水容器内の純水と離間さ
せる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、純水容器内に、水
電解セルを収容した水素・酸素発生器を備えた水素・酸
素発生装置の給電機構に関するものであり、詳細には、
純水中の水電解セルへ電圧を供給するための給電手段と
水電解セルの電極板との給電機構に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、例えば、半導体製造工場など
水素ガス、酸素ガスを消費する工場では、図４に示すよ
うな構造を有する水電解セル2を用いて純水を電気分解
していた。この水電解セル2は、固体電解質26、例え
ば、カチオン交換膜（フッ素樹脂系スルフォン酸カチオ
ン交換膜、例えば、デュポン社製「ナフィオン１１
７」）の両面に白金属族金属等からなる多孔質の陽極22
及び陰極23を接合した構造の固体電解質膜21を隔膜とし
て用いることによって水電解セル内を陽極室と陰極室と
に分離した構造を有しており、純水を陽極側に供給しな
がら図示しない電極板に高電圧を付加して純水を電気分
解し、陽極側から酸素ガスを、陰極側から水素ガスをそ
れぞれ発生している。ここで、電解セルの陽極側では、
2H₂O→O₂＋4H⁺＋4e^-のような反応が起こり酸素ガスが発
生し、陰極側では、4H⁺＋4e^-→2H₂の反応が起こり水素
ガスが発生しているのである。

【０００３】この基本的な機構を用いて、特に、水電解
セルを純水容器に浸漬する構成を採用することによっ
て、高純度でしかも高圧の水素ガス、酸素ガスを供給す
ることの可能な水素・酸素発生装置を、本発明者等が既
に特願平7-24737号「水素・酸素ガス発生装置」におい
て示している。

【０００４】これは、図５に示すように、純水容器3に
水電解セル2を浸漬した水素・酸素発生器1を備えるとと
もに、その酸素ガス気液分離室4及び水素ガス気液分離
装置7の水面とガス圧力を制御できるようにして、酸素
側と水素側のガス圧力の差圧を所定の小さい値にするよ
うに構成したものである。これにより、水電解セルの陽
極室と陰極室とを分離している固体電解質膜などの隔膜
に作用する差圧を小さくでき、隔膜の破損の防止、水電
解セルのシール部からのガスの漏洩の防止が可能で、そ
の結果発生ガス圧力を高くすることができるのである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、水素・酸素
発生器を備えた水素・酸素発生装置は、上述したように
高電圧を供給すべき水電解セルが純水容器内部に収容さ
れ、水電解セルの周囲には、純水が満たされている。

【０００６】そのため、従来は、高電圧を供給するため
の給電手段であるケーブルは、図２に示すように、純水
容器3外部に配設された固定金具本体41を通過して純水
容器3内にまで侵入して、水電解セル2の電極板12に固着
されていた。この固着部分を拡大したものが図３であ
る。水電解セルの電極板12には、ケーブル13の被覆材を
一部剥ぎ取って、はんだ付け、ボルト・ナット等の手段
で導線を直接電極板に固着し、その後、導線部分をエポ
キシ樹脂等の有機系のシール剤で覆っていた。

【０００７】しかしながら、上記ケーブルは、銅、錫メ
ッキした銅などによって形成される導線に被覆材が被覆
されているのみであり、これら被覆材およびシール剤は
常時純水容器内の純水中に浸清している。また、上記シ
ール剤が完全に金属部分を覆っていない場合は、導線部
分までもが純水に接することになる。

【０００８】そのため、高電圧を供給する際にケーブル
で発熱した熱が、純水の温度を上昇させて水素・酸素発
生装置の運転条件を悪化させたり、高電圧の供給によっ
てケーブル端部が熱をもって被覆材を劣化させ、劣化し
た被覆材や、該被覆材の隙間から純水中に露出した導線
部分が純水に不純物として溶出して、発生する酸素・水
素ガスの高純度化を阻害する等の問題があった。

【０００９】また、純水中に溶出した上記不純物が固体
電解質膜に付着して該膜を劣化させ、寿命を短くすると
いう問題点等も生じていた。

【００１０】さらに、上記不純物が純水に導電性を付与
して純水容器にまで漏電する恐れがあった。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに、本発明は、給電手段の電極板に対する接続方法を
変更して、給電手段であるケーブル自体を純水容器内の
純水と完全に離間させることとした。これにより、ケー
ブルからの不純物が純水中に溶出することが防げ、ま
た、安全に高純度の水素・酸素を提供することができ
る。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の水素・酸素発生装置の給
電機構は、水電解セルを純水容器内に収容した水素・酸
素発生器から構成される水素・酸素発生装置において、
上記純水容器の外周部と水電解セルの電極板との電気的
な接続機構を示したものである。

【００１３】すなわち、上記純水容器の外周部と、純水
容器内に収容された水電解セルの電極板とを中空管によ
って電気的に絶縁状態で接続している。

【００１４】そして、該中空管内を電気的に絶縁状態と
なるように給電手段を貫通させ、該給電手段の一端は電
極板に、もう一端は高電圧を供給することのできる電源
と接続させている。

【００１５】更に、給電手段、および給電手段と電極板
との接触箇所は、純水容器内の純水とは完全に離間する
ように、上記中空間とは対の位置になる電極板の反対面
に一端が閉じた蓋部材を電気的に絶縁状態となるよう電
極板に接続している。

【００１６】これにより、給電手段が純水容器内の純水
に接触することがなくなり、また、給電手段と電極板と
の接続部分も完全に純水とは離間されるため、給電手段
の不純物が水素および酸素の原料となる純水とは全く接
触しない。

【００１７】従って、純水容器内の純水に給電手段によ
る不純物が溶出する恐れがなくなり、同時に該溶出によ
って起こる上述した弊害も防ぐことが出来るものであ
る。

【００１８】

【実施例】以下、図面に基づいて本発明の水素・酸素発
生装置の給電機構について詳細に説明する。

【００１９】図１は、本給電機構の一例であり、基本的
な概念を示すものである。ここで、外周に位置している
のは、純水容器3の一部分であり、純水容器3の内部には
純水が満たされている。また、純水容器3の内部に収容
されているのは円筒状の水電解セル2であり、図示しな
い支持台の上にボルトおよびナットで固定されている。
また、水電解セル2の両端部には、一部分が突出した円
盤状の電極板12が配設されている。

【００２０】そして、非導電材からなり、且つ、密閉性
も備えた絶縁挟装材14を介して、純水容器３の内壁面と
電極板12の突出部分とを接続しているのが中空管11であ
る。中空管11は、その両端部にフランジ部を有してお
り、このフランジ部を非導電材の又は非導電材で絶縁被
覆した導電材のボルトおよびナットで固定することによ
って純水容器3および電極板12とを接続している。

【００２１】このような中空管の内部を電気的に絶縁状
態で挿通しているのが給電手段であるケーブル13であ
る。ケーブル13は、電極板12とは電気的に接続状態にな
るように電極板12に接続されている。

【００２２】また、電極板12における中空管11と対にな
る位置には別の絶縁挟装部材14を介して蓋部材15を設け
ている。この蓋部材15は電極板12の裏側に突出したケー
ブル13との接続部分に接触しないようにフランジ部を有
しており、このフランジ部を非導電材の又は非導電材で
絶縁被覆した導電材のボルトおよびナットで固定するこ
とによって電極板12と接続されている。

【００２３】上記構成を有することによって、給電手段
であるケーブル13およびケーブル13と電極板12との接続
箇所は完全に純水容器3内の純水とは離間した状態で、
電極板12に電圧を供給することができるものである。

【００２４】以下、各構成部材について詳細に説明す
る。

【００２５】まず、上記純水容器3は、耐圧性、純水に
対する耐溶出性等を考慮して、ステンレス鋼（SUS）に
よって形成されている。また、水電解セル2に用いる電
極板12は、耐食性等を考慮してチタン（Ti）で形成され
ている。ここで、純水容器3と電極板12とは導電材料で
あり、これらが電気的に接続されていると純水容器3ま
でもが電極板12と同様に高電圧になって非常に危険なた
め、これらは、電気的に絶縁した状態で接続しなければ
ならない。また、純水容器3の内圧が運転時に9.9Kg/cm³
にまで達すること、及び純水への耐溶出性を考慮すれば
中空管は適度な強度を有し、溶出しにくいステンレス鋼
（SUS）製の筒を用いる必要がある。

【００２６】これらを考慮すれば、上記中空管11は、絶
縁性を有する絶縁挟装材14を介して、電極板12と接続す
る必要がある。一方、中空管11と純水容器3とは、同電
位であっても何等問題がないので、図１では絶縁挟装材
14を介して接続しているが、直接中空間11を純水容器3
内壁に溶接することも可能である。

【００２７】また、中空管11の形状としては、水電解セ
ル2の位置が、組立てによる誤差、純水容器3内の圧力の
変化および温度変化等の作用により位置が若干移動する
場合があるため、この移動に柔軟に対応することができ
るように蛇腹状であることが好ましい。蛇腹状の筒とし
ては、例えばベローズを用いればよい。

【００２８】また、接続部分に挟装する上記絶縁挟装材
14としては絶縁性、純水への耐溶出性、および強度等を
考慮すれば、シリコン樹脂若しくはフッ素樹脂等を主成
分とするガスケット又は繊維強化プラスチック（FRP）
板等を用いることが好ましい。

【００２９】また、接続手段として用いる上記ボルトお
よびナットも、絶縁性、純水への耐溶出性および強度等
の理由から非導電性の上記絶縁挟装材と同様の素材で構
成されていることが好ましい。また、これら非導電材で
絶縁被覆した導電材のボルトおよびナットも用いること
ができる。ボルトおよびナットが絶縁性を有すること
で、絶縁挟装材14を介在させて電極板12と中空管11とを
固定しても、これらが同電位となることを防げる。

【００３０】ケーブル13は、銅、アルミニウムまたは錫
でメッキした銅からなる導線を高分子絶縁体等の被覆材
で被覆された公知のものを用いればよい。そして、ケー
ブル13は電極板12とは、電気的に接続状態になるよう被
覆材を剥いだ状態で電極板12に接続されている。ここで
の接続方法としては、周知の圧着端子等に一旦導線を固
着して、電極板12にボルト等で接続する方法等を用いれ
ばよい。

【００３１】なお、中空間11と純水容器3側との接続部
分の純水容器側を、何らかの絶縁部材を用いて取り外し
可能で且つ中央にケーブルが通過できる穴部を有する蓋
で保護しておけば、不注意による漏電を防ぐことができ
る。

【００３２】また、上記蓋部材15は、ケーブル13と電極
板12との接続箇所が、図示の如く電極板12を貫通してい
る場合に有効である。

【００３３】上記各部材の接続方法については基本的な
概念のみを示しているため、水素・酸素発生装置の運転
時の純水容器3内外の圧力差、水素・酸素ガスの発生
量、純水の漏れ等を考慮して、周知の密閉部材等を適宜
箇所に設ければよい。

【００３４】なお、ここに記載した給電機構は一例であ
り、上記純水容器3と電極板12とを中空管11によって電
気的に絶縁状態で接続し、該中空管11内にケーブルを挿
通させ、更に、給電手段、および給電手段と電極板との
接続箇所は、純水容器内の純水とは完全に離間させると
いう条件を満たしていれば、他の構成を有することも可
能であり、適宜設計変更可能である。

【００３５】また、上記水電解セル2の固体電解質とし
ては、例えば、カチオン交換膜（フッ素樹脂系スルフォ
ン酸カチオン交換膜、例えば、デュポン社製「ナフィオ
ン１１７」）等の固体高分子電解質膜を用いることがで
きる。

【００３６】

【発明の効果】本発明の水素・酸素発生装置の給電機構
は、完全に給電手段および供給手段と水電解セルの電極
板との接続箇所を純水容器内の純水から離間することが
できる。

【００３７】そのため、給電手段として用いていたケー
ブルを構成する部材が水素および酸素の原料となる純水
に不純物として溶出することがないため、純水の汚染、
および隔膜の劣化を防止することができる。また、ケー
ブルの先端部も純水と接触することがなく、漏電等の危
険性を防止することができる。

【００３８】従って、本発明の給電機構を用いれば、純
水に不要な給電部材等が接触しないため、原料となる純
水に不純物が溶出することを防ぐことができ、安全に高
純度の水素および酸素を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の水素・酸素発生装置の給電機構の実施
例の概略断面図である。

【図２】従来の水素・酸素発生装置の給電機構の概略断
面図である。

【図３】図２の部分拡大断面図である。

【図４】水電解セルの部分概略断面図である。

【図５】水素・酸素発生装置の部分概略図である。

【符号の説明】

１…水素・酸素発生装置 ２…水電解セル ３…純水容器 ４…酸素ガス気液分離室 ７…水素ガス気液分離装置 １１…中空管 １２…電極板 １３…ケーブル １４…絶縁挟装部材 １５…蓋部材 ２１…固体電解質膜 ２２…陽極 ２３…陰極 ２４…陽極室 ２５…陰極室 ２６…固体電解質 ４１…固定金具本体 ４２…パッキン ４４…パッキン押さえ ４５…ユニオンナット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 原田 宙幸 東京都練馬区西大泉２−25−43

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固体電解質膜を隔膜として用いて、陽極
   側と陰極側とに分離して、純水を陽極側に供給しながら
   正負の電極板に電圧を供給することで純水を電気分解し
   て、陽極側から酸素ガスを、陰極側から水素ガスをそれ
   ぞれ発生するように構成された水電解セルを純水容器内
   に収容した水素・酸素発生器から構成される水素・酸素
   発生装置において、 上記純水容器の外周部と水電解セルの電極板とを中空管
   によって電気的に絶縁状態で接続し、 水電解セルへ電圧を供給するための給電手段を中空管と
   は電気的に絶縁状態で該中空管内を挿通させると同時に
   電極板と電気的に接続状態とさせ、かつ、 上記給電手段と上記電極板との接続部分を純水容器内の
   純水と離間させていることを特徴とする水素・酸素発生
   装置の給電機構。