水素・酸素混合ガス発生用電解装置および水素・酸素混合ガスの発生方法
【課題】低電力で水素・酸素混合ガスを発生させる。
【解決手段】水素・酸素混合ガス発生用電解装置３０は、電解槽１００と、電解槽１００中に配置された第１の電極板１０２と、電解槽１００中で第１の電極板１０２に対向して配置された第２の電極板１０４と、第１の電極板１０２と第２の電極板１０４との間に高周波の交流電圧を印加する第１の電圧制御部１３０と、電解槽１００中に配置された電気分解用陽極板１０６と、電解槽１００中で電気分解用陽極板１０６に対向して配置された電気分解用陰極板１０８と、電気分解用陽極板１０６と電気分解用陰極板１０８との間に電流を印加する第２の電圧制御部１４０と、を備える。
【解決手段】水素・酸素混合ガス発生用電解装置３０は、電解槽１００と、電解槽１００中に配置された第１の電極板１０２と、電解槽１００中で第１の電極板１０２に対向して配置された第２の電極板１０４と、第１の電極板１０２と第２の電極板１０４との間に高周波の交流電圧を印加する第１の電圧制御部１３０と、電解槽１００中に配置された電気分解用陽極板１０６と、電解槽１００中で電気分解用陽極板１０６に対向して配置された電気分解用陰極板１０８と、電気分解用陽極板１０６と電気分解用陰極板１０８との間に電流を印加する第２の電圧制御部１４０と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素・酸素混合ガスを発生させるための電解装置およびその発生方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
石炭、石油、天然ガスなどの化石燃料は、精製により二次的に加工され、得られたＬＰＧ、ナフサ、ケロシンなどを燃焼させることによって動力としている。これらの燃焼時には、ＣＯ、ＮＯＸなどの有毒ガス、およびＣＯ２などの温室効果ガスが発生してしまう。これらの有毒ガスの発生を回避できないことが、地球の大気汚染の一因となっているという問題があった。
【０００３】
また、自動車、航空機、船舶などの輸送機器、および火力発電などにおいて消費される化石燃料由来の燃料の消費量は、今後ますます増加していくものと予想される。さらに、化石燃料の埋蔵量は有限である。そのため、化石燃料の消費量を減らし有毒ガスの発生を抑制することによって、地球の大気汚染の進行を食い止めることが切望されている。
【０００４】
このような問題を解決するために、水分子の電気分解により得られた、水素ガス（Ｈ２）と酸素ガス（Ｏ２）が混合した状態のガス（水素・酸素混合ガス）を化石燃料の代替燃料として使用する技術が知られている。水分子は、以下の反応式（１）および（２）により電気分解される。
陰極：２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２ ・・・（１）
陽極：Ｈ２Ｏ→１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−・・・（２）
つまり、水分子の電気分解によって、２分子の水（Ｈ２Ｏ）から２分子の水素（Ｈ２）と１分子の酸素（Ｏ２）が生じる。
【０００５】
水素・酸素混合ガスを発生させるための装置として、たとえば特許文献１には絶縁式振動撹拌手段を備えた水素・酸素ガス発生装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−６３６６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、水素・酸素混合ガスを発生させるための従来の装置には、以下に挙げるような問題があった。
【０００８】
たとえば引用文献１の装置では、自動車や船舶等に供給するのに十分な量の水素・酸素混合ガスを容易に発生させることができないという問題があった。また、機械振動による撹拌を行っていたため、水素・酸素混合ガス発生時に大きな騒音が発生するという問題もあった。
【０００９】
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、低電力性および静音性に優れ、十分な量の水素・酸素混合ガスを容易に発生させることができる水素・酸素混合ガス発生用電解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】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明のある態様の水素・酸素混合ガス発生用電解装置は、電解槽と、電解槽中に配置された第１の極板と、電解槽中で第１の極板に対向して配置された第２の極板と、第１の極板と第２の極板との間に高周波の交流電圧を印加する第１の電圧制御部と、電解槽中に配置された電気分解用陽極板と、電解槽中で電気分解用陽極板に対向して配置された電気分解用陰極板と、電気分解用陽極板と電気分解用陰極板との間に電流を印加する第２の電圧制御部と、を備える。この態様によると、省電力かつ静音で、輸送機器に供給するのに十分な量の水素・酸素混合ガスを発生させることができる。
【００１１】
上記態様の水素・酸素混合ガス発生用電解装置において、交流電圧の周波数が１０ｋＨｚ以上であってもよい。この態様によると、低電力性を大幅に向上させつつ効率的に十分な量の水素・酸素混合ガスを発生させることができる。
【００１２】
上記態様の水素・酸素混合ガス発生用電解装置において、交流電圧の周波数が３０〜５０ｋＨｚの範囲であってもよい。この態様によると、低電力性を最適にしつつ、最小限の電力量で効率的に十分な量の水素・酸素混合ガスを発生させることができる。
【００１３】
上記態様の水素・酸素混合ガス発生用電解装置において、電気分解用陽極板および電気分解用陰極板が、第１の極板および第２の極板と、互いに略直交するように電解槽中に配置されていてもよい。この態様によると、交流電圧の印加と電気分解とが互いに干渉することなく、効率的に水素・酸素混合ガスを発生させることができる。
【００１４】
上記態様の水素・酸素混合ガス発生用電解装置において、電気分解用陽極板および電気分解用陰極板が、第１の極板と第２の極板との間に配置されていてもよい。この態様によると、交流電圧の印加と電気分解とを小さなスペースにおいて実現することができる。
【００１５】
上記態様の水素・酸素混合ガス発生用電解装置において、複数の電気分解用陽極板と、複数の電気分解用陰極板と、を備え、電気分解用陽極板と電気分解用陰極板とが交互に対向するように配置されていてもよい。この態様によると、より効率的に水分子の電気分解を起こすことができる。それによって、水素・酸素混合ガスの発生量を増大させることができる。
【００１６】
上記態様の水素・酸素混合ガス発生用電解装置において、第１の電圧制御部によって与えられる電圧が第２の電圧制御部によって与えられる電圧よりも大きくてもよい。この態様によると、交流電圧の印加を十分に行うことにより、効率的に水素・酸素混合ガスを発生させることができる。
【００１７】
上記態様の水素・酸素混合ガス発生用電解装置において、第１の電極板および第２の電極板の少なくとも一方の面に、不導体から作られた遮蔽板が設けられていてもよい。これにより、各電極板と各電気分解用極板との間でショートが起きることなく、効率的に交流電圧の印加および水分子の電気分解を行うことができる。
【００１８】
本発明の他の態様は、水素・酸素混合ガスの発生方法である。当該水素・酸素混合ガスの発生方法は、高周波の交流電圧を与えた状態で、水を電気分解して水素と酸素の混合ガスを発生させることを特徴とする。この態様によると、低電力かつ静音で水素・酸素混合ガスを発生させることができる。
【００１９】
上記態様の水素・酸素混合ガスの発生方法において、交流電圧の周波数が１０ｋＨｚ以上であってもよい。この態様によると、低電力性を大幅に向上させつつ効率的に水素・酸素混合ガスを発生させることができる。
【００２０】
上記態様の水素・酸素混合ガスの発生方法において、交流電圧の周波数が３０〜５０ｋＨｚの範囲であってもよい。この態様によると、低電力性を最適にしつつ効率的に水素・酸素混合ガスを発生させることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の水素・酸素混合ガス発生用電解装置によれば、低電力で水素・酸素混合ガスを発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】水素・酸素混合ガス発生部の側面方向の断面図である。
【図２】図１のＰ−Ｐ線上の断面図である。
【図３】水素・酸素混合ガス発生用電解装置を示す断面図である。
【図４】交流電圧の周波数を変化させたときに得られる水素・酸素混合ガスが、８００ｍｌ生成されるまでに要する到達時間を表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００２４】
（実施の形態）
図１は、水素・酸素混合ガス発生部１０の側面方向の断面図である。水素・酸素混合ガス発生部１０は、図３に示す水素・酸素混合ガス発生用電解装置３０の一部を構成する。水素・酸素混合ガス発生部１０は、電解槽１００を有する。電解槽１００の上部には、上蓋１１０が設けられている。電解槽１００と上蓋１１０は、接合部分から内部の電解水が漏れないように、フランジパッキング１１２により接合されている。ここで、電解水とは、電解質が添加された水のことをいう。電解質とは、溶媒中に溶解した際に、陽イオンと陰イオンに電離する物質をいう。
【００２５】
また、上蓋１１０には、電解槽１００の内部に電解水を供給する（矢印Ａ）ための給水口１１４、電解槽１００内で発生した水素・酸素混合ガスを取り出す（矢印Ｂ）ための水素・酸素混合ガス取出し口１１６が、それぞれ設けられている。また、電解槽１００の側面には、電解槽１００に入れられた電解水の現在の水位（矢印Ｃ）を測定するための水位計１１８が設けられている。
【００２６】
電解槽１００の内部には、第１の電極板１０２、第２の電極板１０４、４枚の電気分解用陽極板１０６（１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄ：以下これらをまとめて１０６と呼ぶ）および４枚の電気分解用陰極板１０８（１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄ：以下これらをまとめて１０８と呼ぶ）が配置されている。水素・酸素混合ガス発生用電解装置３０の稼働時には、第１の電極板１０２、第２の電極板１０４、電気分解用陽極板１０６、電気分解用陰極板１０８の少なくとも一部が浸かる深さまで、電解水が入れられる。なお、電解槽１００の容量は任意であるが、電解水の水温を電気分解によって上昇させすぎない観点から、電解槽１００は大容量であることが好ましい。第１の遮蔽板１２０および第２の遮蔽板１２２については図２で説明する。
【００２７】
図２は、図１のＰ−Ｐ線上の断面図である。電解槽１００には、第１の電極板１０２と第２の電極板１０４とが互いに略平行に対向するように配置されている。後述する第１の電圧制御部１３０を用いて第１の電極板１０２と第２の電極板１０４とに高周波の交流電圧（高周波振動）を印加する。交流電圧が印加された電解水では、水分子同士のクラスターが分解される結果、水分子の電気分解が起こりやすく（したがって電気分解に要する電力が小さく）なるものと考えられる。なお、水分子を効率的に電気分解するために、第１の電極板１０２および第２の電極板１０４は、電解槽１００の側面と平行に配置されることが望ましい。
【００２８】
また、電解槽１００には、４枚の電気分解用陽極板１０６（１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄ）と４枚の電気分解用陰極板１０８（１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄ）とが、互いに略平行に対向するように、交互に配置されている。後述する第２の電圧制御部１４０を用いて電気分解用陽極板１０６と電気分解用陰極板１０８との間に直流電圧を印加することによって、電解槽１００中に入れられ上述の交流電圧を加えられた電解水中の水分子を電気分解する。
【００２９】
電気分解用陽極板１０６および電気分解用陰極板１０８は、片面しか他の電極板に対向していない電気分解用陽極板１０６ａと電気分解用陰極板１０８ｄを除き、いずれも両面が電気分解用極板として機能する。これによって、電気分解用陽極板１０６ａと電気分解用陰極板１０８ａ、電気分解用陰極板１０８ａと電気分解用陽極板１０６ｂ、電気分解用陽極板１０６ｂと電気分解用陰極板１０８ｂ、電気分解用陰極板１０８ｂと電気分解用陽極板１０６ｃ、電気分解用陽極板１０６ｃと電気分解用陰極板１０８ｃ、電気分解用陰極板１０８ｃと電気分解用陽極板１０６ｄ、電気分解用陽極板１０６ｄと電気分解用陰極板１０８ｄ、ののべ７組の電極間で水分子の電気分解が起きる。水分子を効率的に電気分解するために、電気分解用陽極板１０６および電気分解用陰極板１０８は、電解槽１００の側面と平行に配置されることが望ましい。
【００３０】
また、４枚の電気分解用陽極板１０６および４枚の電気分解用陰極板１０８は、第１の電極板１０２と第２の電極板１０４との間に、互いに略直交するように配置されている。これにより、電場が互いの極板の存在による影響を受けることなく、高周波の交流電圧の印加と電気分解とを小さなスペースにおいて実現することができる。また、第１の電極板１０２と第２の電極板１０４とにより高周波の交流電圧が印加された電解水を、電気分解用陽極板１０６と電気分解用陰極板１０８との間に供給しやすい配置であるため、水分子の電気分解をより効率的に行うことができる。
【００３１】
このような電極板と電気分解用極板の配置により、後述する第１の電圧制御部１３０を用いて第１の電極板１０２と第２の電極板１０４とに交流電圧を印加した場合、第１の電極板１０２または第２の電極板１０４と、電気分解用陽極板１０６または電気分解用陰極板１０８との間で、ショートが起きてしまう可能性がある。そのため、第１の電極板１０２と第２の電極板１０４の少なくとも一方の面には、それぞれ不導体（絶縁体）から作られた第１の遮蔽板１２０および第２の遮蔽板１２２が設けられている。これにより、ショートすることなく効率的に、電解水に対して高周波の交流電圧を印加することができる。
【００３２】
図２では、４枚の電気分解用陽極板１０６と、４枚の電気分解用陰極板１０８と、を備えた水素・酸素混合ガス発生部１０を示した。しかし、電気分解用陽極板１０６と電気分解用陰極板１０８との枚数はそれぞれ１枚以上であればよく、それぞれ４枚未満であっても、それらより多い枚数であってもよい。また、電気分解用陽極板１０６と電気分解用陰極板１０８との枚数は互いに同じであってもよいし、異なっていてもよい。電気分解用陽極板１０６と電気分解用陰極板１０８の枚数を多くすることにより、より効率的に水分子の電気分解を起こすことができる。
【００３３】
また、第１の電極板１０２と第２の電極板１０４との枚数もそれぞれ２枚以上であってもよい。これにより、より効率的に水分子のクラスターを分解し、水分子の電気分解を起こしやすくすることができる。
【００３４】
図３は、水素・酸素混合ガス発生用電解装置３０を示す断面図である。水素・酸素混合ガス発生用電解装置３０は、図１および図２で示した水素・酸素混合ガス発生部１０に加え、電圧制御部２０を有する。電圧制御部２０は、第１の電極板１０２および第２の電極板１０４に高周波の交流電圧を印加するための第１の電圧制御部１３０と、電気分解用陽極板１０６および電気分解用陰極板１０８に直流電圧を印加するための第２の電圧制御部１４０とを含む。
【００３５】
水素・酸素混合ガス発生部１０内に配置された第１の電極板１０２および第２の電極板１０４は、それぞれ配線１３２および配線１３４によって、第１の電圧制御部１３０と接続されている。第１の電圧制御部１３０は、配線１３２および配線１３４を経由して、第１の電極板１０２および第２の電極板１０４に高周波の交流電圧を印加する。
【００３６】
水素・酸素混合ガス発生部１０内に配置された４枚の電気分解用陽極板１０６と４枚の電気分解用陰極板１０８は、それぞれ配線１４２および配線１４４によって互いに接続されている。また、電気分解用陽極板１０６と電気分解用陰極板１０８は、それぞれ配線１４２および配線１４４によって、第２の電圧制御部１４０と接続されている。第２の電圧制御部１４０は、配線１４２および配線１４４を経由して、それぞれ電気分解用陽極板１０６および電気分解用陰極板１０８に直流電圧を印加する。
【００３７】
上述の第１の遮蔽板１２０および第２の遮蔽板１２２を用いれば、ショートを防止することができるため、第１の電圧制御部１３０によって与えられる電圧を第２の電圧制御部１４０によって与えられる電圧よりも大きくすることが可能である。これにより、十分に交流電圧を印加した上で水分子の電気分解を行うことができる。しかし、第２の電圧制御部１４０によって与えられる電圧は、第１の電圧制御部１３０によって与えられる電圧よりも大きくてもよい。これによると、交流電圧の印加と直流電圧の印加による電気分解とが互いに干渉することなく、効率的に水素・酸素混合ガスを発生させることができる。
【００３８】
また、水素・酸素混合ガス発生用電解装置３０は、第１の電圧制御部１３０および第２の電圧制御部１４０を含む電圧制御部２０を経由して、電源１５０と接続されている。電源１５０により、第１の電圧制御部１３０および第２の電圧制御部１４０に電力が供給される。また、第１の電圧制御部１３０と第２の電圧制御部１４０とを含む電圧制御部２０は、水素・酸素混合ガス発生部１０の下側に重ねて配置されるよう構成されることが好ましい。これにより、水素・酸素混合ガス発生用電解装置３０をより小型化することができる。なお、図３では第１の電圧制御部１３０と第２の電圧制御部１４０とが電圧制御部２０に含まれる構成を示したが、第１の電圧制御部１３０と第２の電圧制御部１４０とはそれぞれ独立して設けられていてもよい。
【００３９】
電解槽１００、第１の電極板１０２、第２の電極板１０４、電気分解用陽極板１０６、電気分解用陰極板１０８、第１の遮蔽板１２０、および第２の遮蔽板１２２は、それぞれ市販のものを使用することができる。電解槽１００としては、たとえば樹脂製の電解槽を使用することができる。第１の電極板１０２および第２の電極板１０４としては、導電性を有する金属を使用することができる。耐久性およびコストの観点から、ステンレスを好適に使用することができる。しかし、電解水中で交流電圧を印加することによって溶けてしまう金属でなければ、これに限られない。第１の電極板１０２および第２の電極板１０４の大きさおよび厚さは、任意に決定することができる。また、第１の遮蔽板１２０および第２の遮蔽板１２２は、不導性を有する板であればよく、たとえば樹脂製またはゴム製の板を使用することができる。
【００４０】
電気分解用陽極板１０６としては、市販の電気分解用極板を使用することができる。二酸化イリジウム被覆チタン板などのチタン板、または白金板を好適に使用することができる。また、電気分解用陰極板１０８としても、市販の電気分解用極板を使用することができる。二酸化イリジウム被覆チタン板または白金板を好適に使用することができる。耐久性の観点から、電気分解用陰極板１０８として白金板を使用することが特に好ましい。電気分解用陽極板１０６および電気分解用陰極板１０８の大きさおよび厚さは、任意に決定することができる。電気分解用陽極板１０６と電気分解用陰極板１０８との間の距離は、過剰な発熱を防止する観点から２ｃｍ以上が好ましく、電気分解の効率性の観点から５ｃｍ以下であることが好ましい。しかし、電解槽１００の大きさや印加する電圧の大きさによっては、２ｃｍ未満、または５ｃｍより大きい設計とすることもできる。
【００４１】
電解水は、上述のとおり電解質を含む水のことをいう。電解水に含まれる水とは、純水、水道水、雨水、河川の水など、実質的にＨ２Ｏ分子から構成される液体のことをいう。水としては、電解槽１００内に汚れを付着させず水素・酸素混合ガス発生用電解装置を長時間安定して稼働させることができる点で、純水が好ましい。水の導電性を高めるために、電気分解をする水の中に電解質を加えることが好ましい。
【００４２】
電解質としては、水溶性のアルカリ金属水酸化物（例えばＮａＣｌ、ＮａＯＨ、ＫＯＨ、クエン酸ナトリウムなど）、アルカリ土類金属水酸化物（例えばＢａ（ＯＨ）２、Ｍｇ（ＯＨ）２、Ｃａ（ＯＨ）２など）、第４級アルキルアンモニウム、リン酸、および硫酸などを使用することができる。電解質としては、コスト、電気分解に対する無害性、および化合物自体の安全性の面から、クエン酸ナトリウムが好ましい。電解液中の電解質の含有量は、導電性およびコストの観点から約０．３〜約０．５％が好ましい。電解液中の電解質の含有量が低すぎると、十分に通電ができず、電気分解の効率が低下する場合がある。一方、電解液中の電解質の含有量が高すぎると、電気分解用陽極板１０６と電気分解用陰極板１０８との間でショートが起きる場合がある。
【００４３】
また、電気分解に伴って電解水の水温が上昇する。電気分解の効率化の観点からは電解水の温度がある程度高い方が望ましいが、電解水の温度が高すぎると水分子が気化してしまうため、水素・酸素混合ガス中に水蒸気が混じってしまう。その結果、水素・酸素混合ガスの燃料としての性能が低下してしまう。したがって、電解水中の水分子の気化を防止するために、給水口１１４から冷却した電解水を供給するか、電解槽１００中の電解水を循環させることが好ましい。電解槽１００中の電解水を循環させる場合には、電解槽１００中に循環器を設けてもよい。また、水素・酸素混合ガスと水蒸気の混合物から、水蒸気のみを除去するようなフィルタを使用してもよい。
【００４４】
電解槽１００の内部に配置された第１の電極板１０２および第２の電極板１０４は、同じく電解槽１００の内部に入れられた電解水に対し、高周波の交流電圧（高周波振動）を印加する。本明細書中で「高周波」の交流電圧とは、約１ｋＨｚ以上の周波数の交流電圧をいう。第１の電極板１０２と第２の電極板１０４を用いて、電解水に対し高周波の交流電圧を与えることにより、水分子の電気分解に要する電力を大幅に低下させ、結果的に水素・酸素混合ガスの発生量を大幅に増加させることができる。さらに、高周波の交流電圧をかけても人間に聞こえる音は発生しないため、低周波の機械振動を加える場合と異なり、静音性を維持しつつ水分子の電気分解を行うことができる。電気分解の効率を高め、低電力で電気分解を行うためには、１０ｋＨｚ以上の交流電圧を印加することがより好ましく、３０〜５０ｋＨｚの交流電圧を印加することが最も好ましい。
【００４５】
第１の電極板１０２と第２の電極板１０４によって高周波の交流電圧を与えた後の電解水中の水分子を、そのままの位置で電気分解することができれば、電気分解の効率および省スペース化の観点から有利である。そのため、図２および図３に示すように、電気分解用陽極板１０６および電気分解用陰極板１０８が、第１の電極板１０２および第２の電極板１０４と互いに直交するように、これらに挟まれる形で配置されていることが好ましい。
【００４６】
しかし、第１の電極板１０２と第２の電極板１０４を用いて十分にクラスターが分解される前の水が、電気分解される可能性も考えられる。そのため、第１の電圧制御部１３０と第２の電圧制御部１４０とを排他的に制御することによって、電解水に含まれる水分子のクラスターを分解した後、電気分解をしてもよい。また、第１の電圧制御部１３０を稼働させてから所定時間が経過した後に第２の電圧制御部１４０の稼働を開始して電気分解をしてもよい。
【００４７】
または、省スペース化の必要がない場合などには、たとえば第１の電極板１０２と第２の電極板１０４とを第１の電解槽に入れて電解水に含まれる水分子のクラスターを分解した後、ポンプなどを用いてこの電解水を電気分解用陽極板１０６および電気分解用陰極板１０８を含む第２の電解槽に移動させ、電解水中の水分子を電気分解してもよい。
【００４８】
（用途）
本発明の水素・酸素混合ガス発生用電解装置３０を用いると、大量の水素・酸素混合を簡便かつ低コストで、しかも静音で発生させることができる。水素・酸素混合ガス発生用電解装置３０を用いて発生させた水素・酸素混合ガスは、たとえば自動車、航空機、船舶などの輸送機器の燃料として直接使用することができる。特に、従来の化石燃料を補助する形で、化石燃料に加えて所定量の水素・酸素混合ガスを使用することにより、化石燃料の使用量を大幅に減らすことができる。その結果、化石燃料の燃焼時に発生し、地球の大気汚染の一因となっているＣＯ、ＮＯＸなどの有毒ガス、およびＣＯ２などの温室効果ガスの発生量を減らすことができる。
【００４９】
また、水素・酸素混合ガス発生用電解装置３０の大きさをより大きくしたり、複数の水素・酸素混合ガス発生用電解装置３０を並列的に使用することによって、輸送機器以外の電力供給を補助する装置として、水素・酸素混合ガス発生用電解装置３０を使用することも可能である。
【００５０】
（実施例）
本発明の水素・酸素混合ガス発生用電解装置を用いて、高周波の交流電圧（高周波振動）の周波数の値を変化させて、水素・酸素混合ガスを発生させた。
【００５１】
容量が約１３．６Ｌの電解槽、第１の電極板および第２の電極板としてステンレス板（片面の表面積：縦１０ｃｍ×横２５ｃｍ）、電気分解用陽極板および電気分解用陰極板として二酸化イリジウム被覆チタン板（片面の表面積：縦２０ｃｍ×横１０ｃｍ）をそれぞれ４枚ずつ交互に並べ、水素・酸素混合ガス発生用電解装置を作製した。
【００５２】
（交流電圧の周波数と水素・酸素混合ガスの発生量との関係）
水素・酸素混合ガス発生用電解装置を用いて、交流電圧の周波数を変化させ、それぞれの周波数で水素・酸素混合ガスの発生量を測定した。電解水として、市販の純水に０．５％のクエン酸ナトリウムを混ぜた水溶液（ｐＨ６．８〜７．０）を使用した。
【００５３】
水分子の電気分解では、反応時に熱が発生するため、電解水の温度が上昇する。水温が上昇すると一般に水分子の電気分解の効率は上昇する。しかし、ここでは水分子の電気分解の効率に対する交流電圧の周波数の影響のみを見るために、測定開始時の電解水の温度を２７℃で統一した。電気分解を行う１０分前から、第１の電極板および第２の電極板を用いてそれぞれの周波数で交流電圧（２０Ｖ）を印加し、電気分解中も印加を継続した。電気分解用陽極板および電気分解用陰極板に印加する直流電圧は約１５Ｖで一定とした。
【００５４】
【表１】
【００５５】
表１に、交流電圧の周波数と水素・酸素混合ガスの発生量との関係を示す。交流電圧の周波数を変化させ、水素・酸素混合ガスの発生量の変化を調べた。水素・酸素混合ガスの発生量として、８００ｍｌの水素・酸素混合ガスが発生するまでに要する到達時間を測定した。また、交流電圧を印加しない場合の到達時間も測定した。
【００５６】
図４は、交流電圧の周波数を変化させたときに得られる水素・酸素混合ガスが、８００ｍｌ生成されるまでに要する到達時間を表すグラフである。図４は、表１のデータに基づき作成した。図４から、１０ｋＨｚ以上の高周波の交流電圧を印加して電気分解を行った場合、高周波の交流電圧を印加しない場合（０ｋＨｚ）に比べて水素・酸素混合ガスの発生速度が大幅に上昇することが明らかとなった。特に、３０〜５０ｋＨｚの高周波の交流電圧を印加した場合に、水素・酸素混合ガスの発生速度が著しく上昇した。
【００５７】
本発明は、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。
【符号の説明】
【００５８】
３０ 水素・酸素混合ガス発生用電解装置、１００ 電解槽、１０２ 第１の電極板、１０４ 第２の電極板、１０６ 電気分解用陽極板、１０８ 電気分解用陰極板、１３０ 第１の電圧制御部、１４０ 第２の電圧制御部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素・酸素混合ガスを発生させるための電解装置およびその発生方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
石炭、石油、天然ガスなどの化石燃料は、精製により二次的に加工され、得られたＬＰＧ、ナフサ、ケロシンなどを燃焼させることによって動力としている。これらの燃焼時には、ＣＯ、ＮＯＸなどの有毒ガス、およびＣＯ２などの温室効果ガスが発生してしまう。これらの有毒ガスの発生を回避できないことが、地球の大気汚染の一因となっているという問題があった。
【０００３】
また、自動車、航空機、船舶などの輸送機器、および火力発電などにおいて消費される化石燃料由来の燃料の消費量は、今後ますます増加していくものと予想される。さらに、化石燃料の埋蔵量は有限である。そのため、化石燃料の消費量を減らし有毒ガスの発生を抑制することによって、地球の大気汚染の進行を食い止めることが切望されている。
【０００４】
このような問題を解決するために、水分子の電気分解により得られた、水素ガス（Ｈ２）と酸素ガス（Ｏ２）が混合した状態のガス（水素・酸素混合ガス）を化石燃料の代替燃料として使用する技術が知られている。水分子は、以下の反応式（１）および（２）により電気分解される。
陰極：２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２ ・・・（１）
陽極：Ｈ２Ｏ→１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−・・・（２）
つまり、水分子の電気分解によって、２分子の水（Ｈ２Ｏ）から２分子の水素（Ｈ２）と１分子の酸素（Ｏ２）が生じる。
【０００５】
水素・酸素混合ガスを発生させるための装置として、たとえば特許文献１には絶縁式振動撹拌手段を備えた水素・酸素ガス発生装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−６３６６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、水素・酸素混合ガスを発生させるための従来の装置には、以下に挙げるような問題があった。
【０００８】
たとえば引用文献１の装置では、自動車や船舶等に供給するのに十分な量の水素・酸素混合ガスを容易に発生させることができないという問題があった。また、機械振動による撹拌を行っていたため、水素・酸素混合ガス発生時に大きな騒音が発生するという問題もあった。
【０００９】
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、低電力性および静音性に優れ、十分な量の水素・酸素混合ガスを容易に発生させることができる水素・酸素混合ガス発生用電解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】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明のある態様の水素・酸素混合ガス発生用電解装置は、電解槽と、電解槽中に配置された第１の極板と、電解槽中で第１の極板に対向して配置された第２の極板と、第１の極板と第２の極板との間に高周波の交流電圧を印加する第１の電圧制御部と、電解槽中に配置された電気分解用陽極板と、電解槽中で電気分解用陽極板に対向して配置された電気分解用陰極板と、電気分解用陽極板と電気分解用陰極板との間に電流を印加する第２の電圧制御部と、を備える。この態様によると、省電力かつ静音で、輸送機器に供給するのに十分な量の水素・酸素混合ガスを発生させることができる。
【００１１】
上記態様の水素・酸素混合ガス発生用電解装置において、交流電圧の周波数が１０ｋＨｚ以上であってもよい。この態様によると、低電力性を大幅に向上させつつ効率的に十分な量の水素・酸素混合ガスを発生させることができる。
【００１２】
上記態様の水素・酸素混合ガス発生用電解装置において、交流電圧の周波数が３０〜５０ｋＨｚの範囲であってもよい。この態様によると、低電力性を最適にしつつ、最小限の電力量で効率的に十分な量の水素・酸素混合ガスを発生させることができる。
【００１３】
上記態様の水素・酸素混合ガス発生用電解装置において、電気分解用陽極板および電気分解用陰極板が、第１の極板および第２の極板と、互いに略直交するように電解槽中に配置されていてもよい。この態様によると、交流電圧の印加と電気分解とが互いに干渉することなく、効率的に水素・酸素混合ガスを発生させることができる。
【００１４】
上記態様の水素・酸素混合ガス発生用電解装置において、電気分解用陽極板および電気分解用陰極板が、第１の極板と第２の極板との間に配置されていてもよい。この態様によると、交流電圧の印加と電気分解とを小さなスペースにおいて実現することができる。
【００１５】
上記態様の水素・酸素混合ガス発生用電解装置において、複数の電気分解用陽極板と、複数の電気分解用陰極板と、を備え、電気分解用陽極板と電気分解用陰極板とが交互に対向するように配置されていてもよい。この態様によると、より効率的に水分子の電気分解を起こすことができる。それによって、水素・酸素混合ガスの発生量を増大させることができる。
【００１６】
上記態様の水素・酸素混合ガス発生用電解装置において、第１の電圧制御部によって与えられる電圧が第２の電圧制御部によって与えられる電圧よりも大きくてもよい。この態様によると、交流電圧の印加を十分に行うことにより、効率的に水素・酸素混合ガスを発生させることができる。
【００１７】
上記態様の水素・酸素混合ガス発生用電解装置において、第１の電極板および第２の電極板の少なくとも一方の面に、不導体から作られた遮蔽板が設けられていてもよい。これにより、各電極板と各電気分解用極板との間でショートが起きることなく、効率的に交流電圧の印加および水分子の電気分解を行うことができる。
【００１８】
本発明の他の態様は、水素・酸素混合ガスの発生方法である。当該水素・酸素混合ガスの発生方法は、高周波の交流電圧を与えた状態で、水を電気分解して水素と酸素の混合ガスを発生させることを特徴とする。この態様によると、低電力かつ静音で水素・酸素混合ガスを発生させることができる。
【００１９】
上記態様の水素・酸素混合ガスの発生方法において、交流電圧の周波数が１０ｋＨｚ以上であってもよい。この態様によると、低電力性を大幅に向上させつつ効率的に水素・酸素混合ガスを発生させることができる。
【００２０】
上記態様の水素・酸素混合ガスの発生方法において、交流電圧の周波数が３０〜５０ｋＨｚの範囲であってもよい。この態様によると、低電力性を最適にしつつ効率的に水素・酸素混合ガスを発生させることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の水素・酸素混合ガス発生用電解装置によれば、低電力で水素・酸素混合ガスを発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】水素・酸素混合ガス発生部の側面方向の断面図である。
【図２】図１のＰ−Ｐ線上の断面図である。
【図３】水素・酸素混合ガス発生用電解装置を示す断面図である。
【図４】交流電圧の周波数を変化させたときに得られる水素・酸素混合ガスが、８００ｍｌ生成されるまでに要する到達時間を表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００２４】
（実施の形態）
図１は、水素・酸素混合ガス発生部１０の側面方向の断面図である。水素・酸素混合ガス発生部１０は、図３に示す水素・酸素混合ガス発生用電解装置３０の一部を構成する。水素・酸素混合ガス発生部１０は、電解槽１００を有する。電解槽１００の上部には、上蓋１１０が設けられている。電解槽１００と上蓋１１０は、接合部分から内部の電解水が漏れないように、フランジパッキング１１２により接合されている。ここで、電解水とは、電解質が添加された水のことをいう。電解質とは、溶媒中に溶解した際に、陽イオンと陰イオンに電離する物質をいう。
【００２５】
また、上蓋１１０には、電解槽１００の内部に電解水を供給する（矢印Ａ）ための給水口１１４、電解槽１００内で発生した水素・酸素混合ガスを取り出す（矢印Ｂ）ための水素・酸素混合ガス取出し口１１６が、それぞれ設けられている。また、電解槽１００の側面には、電解槽１００に入れられた電解水の現在の水位（矢印Ｃ）を測定するための水位計１１８が設けられている。
【００２６】
電解槽１００の内部には、第１の電極板１０２、第２の電極板１０４、４枚の電気分解用陽極板１０６（１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄ：以下これらをまとめて１０６と呼ぶ）および４枚の電気分解用陰極板１０８（１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄ：以下これらをまとめて１０８と呼ぶ）が配置されている。水素・酸素混合ガス発生用電解装置３０の稼働時には、第１の電極板１０２、第２の電極板１０４、電気分解用陽極板１０６、電気分解用陰極板１０８の少なくとも一部が浸かる深さまで、電解水が入れられる。なお、電解槽１００の容量は任意であるが、電解水の水温を電気分解によって上昇させすぎない観点から、電解槽１００は大容量であることが好ましい。第１の遮蔽板１２０および第２の遮蔽板１２２については図２で説明する。
【００２７】
図２は、図１のＰ−Ｐ線上の断面図である。電解槽１００には、第１の電極板１０２と第２の電極板１０４とが互いに略平行に対向するように配置されている。後述する第１の電圧制御部１３０を用いて第１の電極板１０２と第２の電極板１０４とに高周波の交流電圧（高周波振動）を印加する。交流電圧が印加された電解水では、水分子同士のクラスターが分解される結果、水分子の電気分解が起こりやすく（したがって電気分解に要する電力が小さく）なるものと考えられる。なお、水分子を効率的に電気分解するために、第１の電極板１０２および第２の電極板１０４は、電解槽１００の側面と平行に配置されることが望ましい。
【００２８】
また、電解槽１００には、４枚の電気分解用陽極板１０６（１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄ）と４枚の電気分解用陰極板１０８（１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄ）とが、互いに略平行に対向するように、交互に配置されている。後述する第２の電圧制御部１４０を用いて電気分解用陽極板１０６と電気分解用陰極板１０８との間に直流電圧を印加することによって、電解槽１００中に入れられ上述の交流電圧を加えられた電解水中の水分子を電気分解する。
【００２９】
電気分解用陽極板１０６および電気分解用陰極板１０８は、片面しか他の電極板に対向していない電気分解用陽極板１０６ａと電気分解用陰極板１０８ｄを除き、いずれも両面が電気分解用極板として機能する。これによって、電気分解用陽極板１０６ａと電気分解用陰極板１０８ａ、電気分解用陰極板１０８ａと電気分解用陽極板１０６ｂ、電気分解用陽極板１０６ｂと電気分解用陰極板１０８ｂ、電気分解用陰極板１０８ｂと電気分解用陽極板１０６ｃ、電気分解用陽極板１０６ｃと電気分解用陰極板１０８ｃ、電気分解用陰極板１０８ｃと電気分解用陽極板１０６ｄ、電気分解用陽極板１０６ｄと電気分解用陰極板１０８ｄ、ののべ７組の電極間で水分子の電気分解が起きる。水分子を効率的に電気分解するために、電気分解用陽極板１０６および電気分解用陰極板１０８は、電解槽１００の側面と平行に配置されることが望ましい。
【００３０】
また、４枚の電気分解用陽極板１０６および４枚の電気分解用陰極板１０８は、第１の電極板１０２と第２の電極板１０４との間に、互いに略直交するように配置されている。これにより、電場が互いの極板の存在による影響を受けることなく、高周波の交流電圧の印加と電気分解とを小さなスペースにおいて実現することができる。また、第１の電極板１０２と第２の電極板１０４とにより高周波の交流電圧が印加された電解水を、電気分解用陽極板１０６と電気分解用陰極板１０８との間に供給しやすい配置であるため、水分子の電気分解をより効率的に行うことができる。
【００３１】
このような電極板と電気分解用極板の配置により、後述する第１の電圧制御部１３０を用いて第１の電極板１０２と第２の電極板１０４とに交流電圧を印加した場合、第１の電極板１０２または第２の電極板１０４と、電気分解用陽極板１０６または電気分解用陰極板１０８との間で、ショートが起きてしまう可能性がある。そのため、第１の電極板１０２と第２の電極板１０４の少なくとも一方の面には、それぞれ不導体（絶縁体）から作られた第１の遮蔽板１２０および第２の遮蔽板１２２が設けられている。これにより、ショートすることなく効率的に、電解水に対して高周波の交流電圧を印加することができる。
【００３２】
図２では、４枚の電気分解用陽極板１０６と、４枚の電気分解用陰極板１０８と、を備えた水素・酸素混合ガス発生部１０を示した。しかし、電気分解用陽極板１０６と電気分解用陰極板１０８との枚数はそれぞれ１枚以上であればよく、それぞれ４枚未満であっても、それらより多い枚数であってもよい。また、電気分解用陽極板１０６と電気分解用陰極板１０８との枚数は互いに同じであってもよいし、異なっていてもよい。電気分解用陽極板１０６と電気分解用陰極板１０８の枚数を多くすることにより、より効率的に水分子の電気分解を起こすことができる。
【００３３】
また、第１の電極板１０２と第２の電極板１０４との枚数もそれぞれ２枚以上であってもよい。これにより、より効率的に水分子のクラスターを分解し、水分子の電気分解を起こしやすくすることができる。
【００３４】
図３は、水素・酸素混合ガス発生用電解装置３０を示す断面図である。水素・酸素混合ガス発生用電解装置３０は、図１および図２で示した水素・酸素混合ガス発生部１０に加え、電圧制御部２０を有する。電圧制御部２０は、第１の電極板１０２および第２の電極板１０４に高周波の交流電圧を印加するための第１の電圧制御部１３０と、電気分解用陽極板１０６および電気分解用陰極板１０８に直流電圧を印加するための第２の電圧制御部１４０とを含む。
【００３５】
水素・酸素混合ガス発生部１０内に配置された第１の電極板１０２および第２の電極板１０４は、それぞれ配線１３２および配線１３４によって、第１の電圧制御部１３０と接続されている。第１の電圧制御部１３０は、配線１３２および配線１３４を経由して、第１の電極板１０２および第２の電極板１０４に高周波の交流電圧を印加する。
【００３６】
水素・酸素混合ガス発生部１０内に配置された４枚の電気分解用陽極板１０６と４枚の電気分解用陰極板１０８は、それぞれ配線１４２および配線１４４によって互いに接続されている。また、電気分解用陽極板１０６と電気分解用陰極板１０８は、それぞれ配線１４２および配線１４４によって、第２の電圧制御部１４０と接続されている。第２の電圧制御部１４０は、配線１４２および配線１４４を経由して、それぞれ電気分解用陽極板１０６および電気分解用陰極板１０８に直流電圧を印加する。
【００３７】
上述の第１の遮蔽板１２０および第２の遮蔽板１２２を用いれば、ショートを防止することができるため、第１の電圧制御部１３０によって与えられる電圧を第２の電圧制御部１４０によって与えられる電圧よりも大きくすることが可能である。これにより、十分に交流電圧を印加した上で水分子の電気分解を行うことができる。しかし、第２の電圧制御部１４０によって与えられる電圧は、第１の電圧制御部１３０によって与えられる電圧よりも大きくてもよい。これによると、交流電圧の印加と直流電圧の印加による電気分解とが互いに干渉することなく、効率的に水素・酸素混合ガスを発生させることができる。
【００３８】
また、水素・酸素混合ガス発生用電解装置３０は、第１の電圧制御部１３０および第２の電圧制御部１４０を含む電圧制御部２０を経由して、電源１５０と接続されている。電源１５０により、第１の電圧制御部１３０および第２の電圧制御部１４０に電力が供給される。また、第１の電圧制御部１３０と第２の電圧制御部１４０とを含む電圧制御部２０は、水素・酸素混合ガス発生部１０の下側に重ねて配置されるよう構成されることが好ましい。これにより、水素・酸素混合ガス発生用電解装置３０をより小型化することができる。なお、図３では第１の電圧制御部１３０と第２の電圧制御部１４０とが電圧制御部２０に含まれる構成を示したが、第１の電圧制御部１３０と第２の電圧制御部１４０とはそれぞれ独立して設けられていてもよい。
【００３９】
電解槽１００、第１の電極板１０２、第２の電極板１０４、電気分解用陽極板１０６、電気分解用陰極板１０８、第１の遮蔽板１２０、および第２の遮蔽板１２２は、それぞれ市販のものを使用することができる。電解槽１００としては、たとえば樹脂製の電解槽を使用することができる。第１の電極板１０２および第２の電極板１０４としては、導電性を有する金属を使用することができる。耐久性およびコストの観点から、ステンレスを好適に使用することができる。しかし、電解水中で交流電圧を印加することによって溶けてしまう金属でなければ、これに限られない。第１の電極板１０２および第２の電極板１０４の大きさおよび厚さは、任意に決定することができる。また、第１の遮蔽板１２０および第２の遮蔽板１２２は、不導性を有する板であればよく、たとえば樹脂製またはゴム製の板を使用することができる。
【００４０】
電気分解用陽極板１０６としては、市販の電気分解用極板を使用することができる。二酸化イリジウム被覆チタン板などのチタン板、または白金板を好適に使用することができる。また、電気分解用陰極板１０８としても、市販の電気分解用極板を使用することができる。二酸化イリジウム被覆チタン板または白金板を好適に使用することができる。耐久性の観点から、電気分解用陰極板１０８として白金板を使用することが特に好ましい。電気分解用陽極板１０６および電気分解用陰極板１０８の大きさおよび厚さは、任意に決定することができる。電気分解用陽極板１０６と電気分解用陰極板１０８との間の距離は、過剰な発熱を防止する観点から２ｃｍ以上が好ましく、電気分解の効率性の観点から５ｃｍ以下であることが好ましい。しかし、電解槽１００の大きさや印加する電圧の大きさによっては、２ｃｍ未満、または５ｃｍより大きい設計とすることもできる。
【００４１】
電解水は、上述のとおり電解質を含む水のことをいう。電解水に含まれる水とは、純水、水道水、雨水、河川の水など、実質的にＨ２Ｏ分子から構成される液体のことをいう。水としては、電解槽１００内に汚れを付着させず水素・酸素混合ガス発生用電解装置を長時間安定して稼働させることができる点で、純水が好ましい。水の導電性を高めるために、電気分解をする水の中に電解質を加えることが好ましい。
【００４２】
電解質としては、水溶性のアルカリ金属水酸化物（例えばＮａＣｌ、ＮａＯＨ、ＫＯＨ、クエン酸ナトリウムなど）、アルカリ土類金属水酸化物（例えばＢａ（ＯＨ）２、Ｍｇ（ＯＨ）２、Ｃａ（ＯＨ）２など）、第４級アルキルアンモニウム、リン酸、および硫酸などを使用することができる。電解質としては、コスト、電気分解に対する無害性、および化合物自体の安全性の面から、クエン酸ナトリウムが好ましい。電解液中の電解質の含有量は、導電性およびコストの観点から約０．３〜約０．５％が好ましい。電解液中の電解質の含有量が低すぎると、十分に通電ができず、電気分解の効率が低下する場合がある。一方、電解液中の電解質の含有量が高すぎると、電気分解用陽極板１０６と電気分解用陰極板１０８との間でショートが起きる場合がある。
【００４３】
また、電気分解に伴って電解水の水温が上昇する。電気分解の効率化の観点からは電解水の温度がある程度高い方が望ましいが、電解水の温度が高すぎると水分子が気化してしまうため、水素・酸素混合ガス中に水蒸気が混じってしまう。その結果、水素・酸素混合ガスの燃料としての性能が低下してしまう。したがって、電解水中の水分子の気化を防止するために、給水口１１４から冷却した電解水を供給するか、電解槽１００中の電解水を循環させることが好ましい。電解槽１００中の電解水を循環させる場合には、電解槽１００中に循環器を設けてもよい。また、水素・酸素混合ガスと水蒸気の混合物から、水蒸気のみを除去するようなフィルタを使用してもよい。
【００４４】
電解槽１００の内部に配置された第１の電極板１０２および第２の電極板１０４は、同じく電解槽１００の内部に入れられた電解水に対し、高周波の交流電圧（高周波振動）を印加する。本明細書中で「高周波」の交流電圧とは、約１ｋＨｚ以上の周波数の交流電圧をいう。第１の電極板１０２と第２の電極板１０４を用いて、電解水に対し高周波の交流電圧を与えることにより、水分子の電気分解に要する電力を大幅に低下させ、結果的に水素・酸素混合ガスの発生量を大幅に増加させることができる。さらに、高周波の交流電圧をかけても人間に聞こえる音は発生しないため、低周波の機械振動を加える場合と異なり、静音性を維持しつつ水分子の電気分解を行うことができる。電気分解の効率を高め、低電力で電気分解を行うためには、１０ｋＨｚ以上の交流電圧を印加することがより好ましく、３０〜５０ｋＨｚの交流電圧を印加することが最も好ましい。
【００４５】
第１の電極板１０２と第２の電極板１０４によって高周波の交流電圧を与えた後の電解水中の水分子を、そのままの位置で電気分解することができれば、電気分解の効率および省スペース化の観点から有利である。そのため、図２および図３に示すように、電気分解用陽極板１０６および電気分解用陰極板１０８が、第１の電極板１０２および第２の電極板１０４と互いに直交するように、これらに挟まれる形で配置されていることが好ましい。
【００４６】
しかし、第１の電極板１０２と第２の電極板１０４を用いて十分にクラスターが分解される前の水が、電気分解される可能性も考えられる。そのため、第１の電圧制御部１３０と第２の電圧制御部１４０とを排他的に制御することによって、電解水に含まれる水分子のクラスターを分解した後、電気分解をしてもよい。また、第１の電圧制御部１３０を稼働させてから所定時間が経過した後に第２の電圧制御部１４０の稼働を開始して電気分解をしてもよい。
【００４７】
または、省スペース化の必要がない場合などには、たとえば第１の電極板１０２と第２の電極板１０４とを第１の電解槽に入れて電解水に含まれる水分子のクラスターを分解した後、ポンプなどを用いてこの電解水を電気分解用陽極板１０６および電気分解用陰極板１０８を含む第２の電解槽に移動させ、電解水中の水分子を電気分解してもよい。
【００４８】
（用途）
本発明の水素・酸素混合ガス発生用電解装置３０を用いると、大量の水素・酸素混合を簡便かつ低コストで、しかも静音で発生させることができる。水素・酸素混合ガス発生用電解装置３０を用いて発生させた水素・酸素混合ガスは、たとえば自動車、航空機、船舶などの輸送機器の燃料として直接使用することができる。特に、従来の化石燃料を補助する形で、化石燃料に加えて所定量の水素・酸素混合ガスを使用することにより、化石燃料の使用量を大幅に減らすことができる。その結果、化石燃料の燃焼時に発生し、地球の大気汚染の一因となっているＣＯ、ＮＯＸなどの有毒ガス、およびＣＯ２などの温室効果ガスの発生量を減らすことができる。
【００４９】
また、水素・酸素混合ガス発生用電解装置３０の大きさをより大きくしたり、複数の水素・酸素混合ガス発生用電解装置３０を並列的に使用することによって、輸送機器以外の電力供給を補助する装置として、水素・酸素混合ガス発生用電解装置３０を使用することも可能である。
【００５０】
（実施例）
本発明の水素・酸素混合ガス発生用電解装置を用いて、高周波の交流電圧（高周波振動）の周波数の値を変化させて、水素・酸素混合ガスを発生させた。
【００５１】
容量が約１３．６Ｌの電解槽、第１の電極板および第２の電極板としてステンレス板（片面の表面積：縦１０ｃｍ×横２５ｃｍ）、電気分解用陽極板および電気分解用陰極板として二酸化イリジウム被覆チタン板（片面の表面積：縦２０ｃｍ×横１０ｃｍ）をそれぞれ４枚ずつ交互に並べ、水素・酸素混合ガス発生用電解装置を作製した。
【００５２】
（交流電圧の周波数と水素・酸素混合ガスの発生量との関係）
水素・酸素混合ガス発生用電解装置を用いて、交流電圧の周波数を変化させ、それぞれの周波数で水素・酸素混合ガスの発生量を測定した。電解水として、市販の純水に０．５％のクエン酸ナトリウムを混ぜた水溶液（ｐＨ６．８〜７．０）を使用した。
【００５３】
水分子の電気分解では、反応時に熱が発生するため、電解水の温度が上昇する。水温が上昇すると一般に水分子の電気分解の効率は上昇する。しかし、ここでは水分子の電気分解の効率に対する交流電圧の周波数の影響のみを見るために、測定開始時の電解水の温度を２７℃で統一した。電気分解を行う１０分前から、第１の電極板および第２の電極板を用いてそれぞれの周波数で交流電圧（２０Ｖ）を印加し、電気分解中も印加を継続した。電気分解用陽極板および電気分解用陰極板に印加する直流電圧は約１５Ｖで一定とした。
【００５４】
【表１】
【００５５】
表１に、交流電圧の周波数と水素・酸素混合ガスの発生量との関係を示す。交流電圧の周波数を変化させ、水素・酸素混合ガスの発生量の変化を調べた。水素・酸素混合ガスの発生量として、８００ｍｌの水素・酸素混合ガスが発生するまでに要する到達時間を測定した。また、交流電圧を印加しない場合の到達時間も測定した。
【００５６】
図４は、交流電圧の周波数を変化させたときに得られる水素・酸素混合ガスが、８００ｍｌ生成されるまでに要する到達時間を表すグラフである。図４は、表１のデータに基づき作成した。図４から、１０ｋＨｚ以上の高周波の交流電圧を印加して電気分解を行った場合、高周波の交流電圧を印加しない場合（０ｋＨｚ）に比べて水素・酸素混合ガスの発生速度が大幅に上昇することが明らかとなった。特に、３０〜５０ｋＨｚの高周波の交流電圧を印加した場合に、水素・酸素混合ガスの発生速度が著しく上昇した。
【００５７】
本発明は、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。
【符号の説明】
【００５８】
３０ 水素・酸素混合ガス発生用電解装置、１００ 電解槽、１０２ 第１の電極板、１０４ 第２の電極板、１０６ 電気分解用陽極板、１０８ 電気分解用陰極板、１３０ 第１の電圧制御部、１４０ 第２の電圧制御部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解槽と、
前記電解槽中に配置された第１の電極板と、
前記電解槽中で前記第１の電極板に対向して配置された第２の電極板と、
前記第１の電極板と前記第２の電極板との間に高周波の交流電圧を印加する第１の電圧制御部と、
前記電解槽中に配置された電気分解用陽極板と、
前記電解槽中で前記電気分解用陽極板に対向して配置された電気分解用陰極板と、
前記電気分解用陽極板と前記電気分解用陰極板との間に電流を印加する第２の電圧制御部と、を備えることを特徴とする水素・酸素混合ガス発生用電解装置。
【請求項２】
前記交流電圧の周波数が１０ｋＨｚ以上であることを特徴とする請求項１に記載の水素・酸素混合ガス発生用電解装置。
【請求項３】
前記交流電圧の周波数が３０〜５０ｋＨｚの範囲であることを特徴とする請求項１または２に記載の水素・酸素混合ガス発生用電解装置。
【請求項４】
前記電気分解用陽極板および前記電気分解用陰極板が、前記第１の電極板および前記第２の電極板と、互いに略直交するように前記電解槽中に配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の水素・酸素混合ガス発生用電解装置。
【請求項５】
前記電気分解用陽極板および前記電気分解用陰極板が、前記第１の電極板と前記第２の電極板との間に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の水素・酸素混合ガス発生用電解装置。
【請求項６】
複数の前記電気分解用陽極板と、複数の前記電気分解用陰極板と、を備え、
前記電気分解用陽極板と前記電気分解用陰極板とが交互に対向するように配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の水素・酸素混合ガス発生用電解装置。
【請求項７】
前記第１の電圧制御部によって与えられる電圧が前記第２の電圧制御部によって与えられる電圧よりも大きいことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の水素・酸素混合ガス発生用電解装置。
【請求項８】
前記第１の電極板および前記第２の電極板の少なくとも一方の面に、不導体から作られた遮蔽板が設けられたことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の水素・酸素混合ガス発生用電解装置。
【請求項９】
高周波の交流電圧を与えた状態で、水を電気分解して水素と酸素の混合ガスを発生させることを特徴とする水素・酸素混合ガスの発生方法。
【請求項１０】
前記交流電圧の周波数が１０ｋＨｚ以上であることを特徴とする請求項９に記載の水素・酸素混合ガスの発生方法。
【請求項１１】
前記交流電圧の周波数が３０〜５０ｋＨｚの範囲であることを特徴とする請求項９または１０に記載の水素・酸素混合ガスの発生方法。
【請求項１】
電解槽と、
前記電解槽中に配置された第１の電極板と、
前記電解槽中で前記第１の電極板に対向して配置された第２の電極板と、
前記第１の電極板と前記第２の電極板との間に高周波の交流電圧を印加する第１の電圧制御部と、
前記電解槽中に配置された電気分解用陽極板と、
前記電解槽中で前記電気分解用陽極板に対向して配置された電気分解用陰極板と、
前記電気分解用陽極板と前記電気分解用陰極板との間に電流を印加する第２の電圧制御部と、を備えることを特徴とする水素・酸素混合ガス発生用電解装置。
【請求項２】
前記交流電圧の周波数が１０ｋＨｚ以上であることを特徴とする請求項１に記載の水素・酸素混合ガス発生用電解装置。
【請求項３】
前記交流電圧の周波数が３０〜５０ｋＨｚの範囲であることを特徴とする請求項１または２に記載の水素・酸素混合ガス発生用電解装置。
【請求項４】
前記電気分解用陽極板および前記電気分解用陰極板が、前記第１の電極板および前記第２の電極板と、互いに略直交するように前記電解槽中に配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の水素・酸素混合ガス発生用電解装置。
【請求項５】
前記電気分解用陽極板および前記電気分解用陰極板が、前記第１の電極板と前記第２の電極板との間に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の水素・酸素混合ガス発生用電解装置。
【請求項６】
複数の前記電気分解用陽極板と、複数の前記電気分解用陰極板と、を備え、
前記電気分解用陽極板と前記電気分解用陰極板とが交互に対向するように配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の水素・酸素混合ガス発生用電解装置。
【請求項７】
前記第１の電圧制御部によって与えられる電圧が前記第２の電圧制御部によって与えられる電圧よりも大きいことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の水素・酸素混合ガス発生用電解装置。
【請求項８】
前記第１の電極板および前記第２の電極板の少なくとも一方の面に、不導体から作られた遮蔽板が設けられたことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の水素・酸素混合ガス発生用電解装置。
【請求項９】
高周波の交流電圧を与えた状態で、水を電気分解して水素と酸素の混合ガスを発生させることを特徴とする水素・酸素混合ガスの発生方法。
【請求項１０】
前記交流電圧の周波数が１０ｋＨｚ以上であることを特徴とする請求項９に記載の水素・酸素混合ガスの発生方法。
【請求項１１】
前記交流電圧の周波数が３０〜５０ｋＨｚの範囲であることを特徴とする請求項９または１０に記載の水素・酸素混合ガスの発生方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−５２１９６（Ｐ２０１２−５２１９６Ａ）
【公開日】平成２４年３月１５日（２０１２．３．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１９６４８１（Ｐ２０１０−１９６４８１）
【出願日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【出願人】（５１０２３７６５３）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月１５日（２０１２．３．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【出願人】（５１０２３７６５３）
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]