JP2003245669A

JP2003245669A - 電解水素溶解水生成装置

Info

Publication number: JP2003245669A
Application number: JP2002048824A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Tanaka; 喜典田中; Teruyuki Omochi; 輝行尾持; Kenji Kikuchi; 憲次菊地
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2002-02-25
Filing date: 2002-02-25
Publication date: 2003-09-02
Anticipated expiration: 2022-02-25
Also published as: JP3888183B2

Abstract

(57)【要約】【課題】原水の電解によって水素が溶解した電解水素
溶解水を生成することができ、且つこの電解水素溶解水
の溶存水素濃度を向上してもｐＨが過剰に上昇すること
を防止することができる電解水素溶解水生成装置を提供
する。【解決手段】電解槽１に、対向して配置された陰極２
及び陽極３と、陰極２及び陽極３の間で陽極３に接触さ
せて配設された電解質膜４と、陰極２が配設される陰極
室５とを設ける。陰極室５に直接連通して陰極室５に原
水を連続的に流入させる原水経路７と、陰極室５に直接
連通して陰極２表面にて生成された水素を溶存する電解
水素溶解水を電解槽１から流出させる電解水吐出流路８
とを設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電解により連続し
て溶存水素を含む電解水素溶解水を生成する電解水素溶
解水生成装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、水の電解により電解水を生成する
電解水生成装置として、特開昭５５−１８２２号公報等
に開示されているようなものが提案されている。このよ
うな電解水生成装置では、電解質膜により陰極室と陽極
室とに区画された電解槽を具備しており、陰極室には陰
極が、陽極室には陽極が、それぞれ配設される。一般に
原水とされる水道水はこのような電解槽の各電極室に導
入され、電極間に電圧が印加されることにより原水中に
イオン種、ガス成分、活性種等が生成されて、電解水が
調製されるものであり、このような電解水を電解槽から
吐出させて利用することができる。電解槽に対して原水
を供給するにあたっては、原水を直接電解槽に供給する
場合もあるが、活性炭等が充填されている吸着除去部や
中空糸膜等が配設されている濾過部等を通過させること
により水中の不純物を除去した後に電解槽に供給するも
のもある。

【０００３】このような電解水生成装置では、通常、電
解槽における水の電気分解反応によって、陽極表面で水
素イオン及び酸素が生成すると共に陰極表面では水酸化
物イオン及び水素が発生し、その結果、陽極室では陽極
水として水素イオンリッチな酸性の酸素溶存水が生成さ
れ、一方、陰極室では陰極水として水酸化物イオンリッ
チなアルカリ性の水素溶存水が生成されるものである。

【０００４】電解槽に設けられる電解質膜は、主として
不織布等の電気的に中性の膜が使用されるが、陽イオン
交換膜、陰イオン交換膜等のように特定のイオン種の膜
の通過を阻害するものも用いられる。中性の膜は水の電
解により生じた水素イオン、水酸化物イオン等が水の拡
散、水流等により混じってしまって所望の水質の電解水
が得られなくなることを防止するために用いられ、イオ
ン交換膜は陽イオン又は陰イオンの移動を阻止して所望
の水質の電解水を更に効率良く得るために用いられる。

【０００５】このような電解水は、従来はイオン種、特
に水素イオンと水酸化物イオンの濃度、即ちｐＨに基づ
いて評価されていたが、近年では、例えば特開２０００
−２１８２７０公報に開示されているように、電解水中
に存在する溶存水素分子（以下、「溶存水素」という）
に着目して、電解水中の溶存水素を過飽和度状態とする
ことにより電解水中に水素ガス粒子を生成させるように
したものがあり、そのほかにも、陰極水中の溶存水素が
陰極水の有効性発現の大きな要因であるとする考えが広
まってきている。更には、飲用に供される陰極水は、通
常は陽極水よりも利用頻度が高く、陰極水は陽極水より
も多量に生成することが必要とされるものであり、この
ため、溶存水素濃度が高い陰極水を多量に生成すること
ができる電解水素溶解水生成装置が求められるようにな
ってきている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、電解水
生成装置の陰極室にて生成される陰極水中の溶存水素濃
度を上昇させるために電解槽における電解度合いを上昇
させると、それに伴って陰極水中の水酸化物イオン濃度
が上昇してしまう。ここで、アルカリイオン水の効能効
果の研究（「アルカリイオン水の基礎臨床試験」田代
博一ら機能水シンポジウム’９５京都大会予稿集ｐ．
２０）によると、ｐＨ１０以上の水は飲用に適しないと
されており、溶存水素濃度を上昇させるために電解度合
いを上昇させると陰極水のｐＨが１０を超えて飲用に適
さない値となってしまうおそれがあった。

【０００７】本発明は上記の点に鑑みてなされたもので
あり、溶存水素濃度が高く、かつｐＨが過剰に上昇する
ことがない電解水素溶解水を生成することができる電解
水素溶解水生成装置を提供することを目的とするもので
ある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明に係る電解水素溶
解水生成装置は、対向して配置された陰極２及び陽極
３、陰極２及び陽極３の間で陽極３に接触させて配設さ
れた電解質膜４、並びに陰極２が配設される陰極室５を
備える電解槽１と、陰極室５に直接連通して陰極室５に
原水を連続的に流入させる原水経路７と、陰極室５に直
接連通して陰極２表面にて生成された水素を溶存する電
解水素溶解水を電解槽１から流出させる電解水吐出流路
８とを具備して成ることを特徴とするものである。

【０００９】また、陰極２を電解質膜４と間隔をあけて
配設し、陰極室５内における陰極２と電解質膜４との間
に、原水経路７から電解水吐出流路８へと向かう水の流
路として流通経路６を設けることが好ましく、このと
き、流通経路６の、陰極２表面と直交する方向の幅方向
の寸法を、１〜５ｍｍに形成することが好ましい。

【００１０】また、陰極２を電解質膜４に接触させて配
設し、陰極室５における陰極２の電解質膜４とは反対側
に、原水経路７から電解水吐出流路８へと向かう水の流
路として流通経路６を設けることも好ましく、このと
き、流通経路６の、陰極２表面と直交する方向の幅方向
の寸法を、１〜５ｍｍに形成することが好ましい。

【００１１】また、陰極２に、電解質膜４側と陰極室５
側とを連通する細孔を形成することも好ましい。

【００１２】また、陰極２に形成された細孔の直径を、
１０ｎｍ〜１ｍｍの範囲となるようにすることが好まし
い。

【００１３】また、電解質膜４と接触して配設される電
極を、平板状電極にて形成することも好ましい。

【００１４】また、電解質膜４と接触して配設される電
極を、電解質膜４に塗布された導電体、あるいはこの導
電体と導電体に接合された金属材にて形成することも好
ましい。

【００１５】また、電解質膜４と接触して配設される電
極を、電解質膜４にめっきにより形成された導電体、あ
るいはこの導電体と導電体に接合された金属材にて形成
することも好ましい。

【００１６】また、電解質膜４と接触して配設される電
極を、電解質膜４に圧着された導電体、あるいはこの導
電体と導電体に接合された金属材にて形成することも好
ましい。

【００１７】また、陰極２と陽極３の一方又は双方を、
少なくとも表面が白金にて形成された電極にて形成する
ことが好ましい。

【００１８】また、陰極２における電流密度が、５Ａ／
ｄｍ²以下となるように陽極３と陰極２との間に電圧を
印加する電解槽１を具備するものとすることも好まし
い。

【００１９】また、陽極３表面にて生成されるガスを電
解槽１の外部に排出する排出機構を具備するようにする
ことも好ましい。

【００２０】更に、陽極３の電解質膜４とは反対側に陽
極室１２を設けるようにすることも好ましい。

【００２１】

【発明の実施の形態】図１に示す電解水素溶解水生成装
置では電解槽１には、電解槽１の内面に接する陰極２と
陽極３とが互いに対向するように配設されており、この
陰極２と陽極３との間には電解質膜４が配設されてい
る。この電解質膜４は陽極３と接触して配設され、陰極
２とは間隔をあけて対向している。これにより電解槽１
内には電解質膜４の陰極２側に、陰極２が配設された陰
極室５が形成され、この陰極室５内には、水が流通する
流通経路６が陰極２と電解質膜４との間に形成される。

【００２２】上記の電解質膜４は、少なくとも水分子、
酸素分子及び水素イオンが透過可能なものが設けられる
ものであり、例えばデュポン社製の商品名「ナフィオ
ン」等のカチオン交換膜を用いることができる。またガ
ラス基材に水素イオン透過性を付与する処理を施したも
のなどのような、セラミック膜を用いることもできる。

【００２３】電解槽１には、原水流路７が連通して接続
されており、原水が、原水流路７を通じて電解槽１に供
給されるようになっている。このとき原水流路７は陰極
室５にのみ接続され、陰極室５のみに原水が供給される
ようになっている。また電解槽１には陰極室５に電解水
吐出流路８が接続されており、陰極室５にて生成された
水素を溶存する電解水（電解水素溶解水）が電解水吐出
流路８を通じて電解水素溶解水生成装置外に吐出される
ようになっている。

【００２４】このように構成される電解水素溶解水生成
装置では、原水流路７の上流側から水道水、河川水、井
戸水等の原水を電解槽１に連続的に供給すると共に陽極
３と陰極２との間に電圧を印加すると、原水は原水流路
７を通じて陰極室５に供給され、陰極室５内の流通経路
６を流通する過程において電解により陰極室５にて電解
水素溶解水が生成されて、電解水吐出流路８を通じて電
解水素溶解水が電解水素溶解水生成装置外に吐出され
る。

【００２５】このとき、電解槽１における電解過程にお
いて、陰極室５（流通経路６）内の水が電解質膜４を浸
透して陽極３の表面に接触し、陽極３表面においては、
次のような電気化学的反応によって水が分解される。

【００２６】２Ｈ₂Ｏ→４Ｈ⁺＋Ｏ₂＋４ｅ^- また陰極室５の陰極２表面では、次のような電気化学的
反応によって水が分解されて水素が発生する。

【００２７】２Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^-→Ｈ₂＋２ＯＨ^- このような電気化学的反応が起こる結果、陰極室５内に
発生する水素が水中に溶解して電解水素溶解水が生成さ
れる。また陰極室５では水酸化物イオンが生成するが、
陽極２表面で生成された水素イオンが電解質膜４を通過
して陰極室５内に導入されて、電解水素溶解水のｐＨの
変動が抑制される。このため、電解度合いを上昇して
も、電解水素溶解水のｐＨの上昇を抑制して、飲用に適
しない程アルカリ度合いが増大することを防止すること
ができ、電解水素溶解水中の溶存水素濃度を向上しても
飲用に適したｐＨ値を有する電解水素溶解水を得ること
ができるものである。

【００２８】ここで、上記の構成においては、電解質膜
４と陽極３とを接触させて配設していることにより、電
解質膜４と陽極３との間の液抵抗の発生を防いで、電解
時における電力消費量を抑制することができ、また陽極
３表面に生成された水素イオンを陰極室５内に速やかに
導入することができるものである。

【００２９】図２に示す電解水素溶解水生成装置では、
電解槽１には、陰極２と陽極３とが互いに対向するよう
に配設されており、この陰極２と陽極３との間には電解
質膜４が配設されている。この電解質膜４は陽極３と陰
極２とに接触して配設され、陽極３、電解質膜４、陰極
２が順に積層した構造となっている。また、陽極３の電
解質膜４とは反対側の面は電解槽１の内面に接するよう
に形成されており、また陰極２の電解質膜４とは反対側
には陰極室５が形成されている。この陰極室５内には、
水が流通する流通経路６が、陰極２の電解質膜４とは反
対側に形成される。

【００３０】また、電解質膜４は陰極室５内の水と接す
るように形成されるものであり、例えば陰極２として電
解質膜４側と陰極室５側とを連通する多数の細孔を有す
るものを用い、この細孔を介して電解質膜４と陰極室５
内の水とが接するようにする。

【００３１】電解槽１には、原水流路７が連通して接続
されており、原水が、原水流路７を通じて電解槽１に供
給されるようになっている。このとき原水流路７は陰極
室５にのみ接続され、陰極室５のみに原水が供給される
ようになっている。また電解槽１には陰極室５に電解水
吐出流路８が接続されており、陰極室５にて生成された
溶存水素を含む電解水（電解水素溶解水）が電解水吐出
流路８を通じて電解水素溶解水生成装置外に吐出される
ようになっている。

【００３２】このように構成される電解水素溶解水生成
装置では、原水流路７の上流側から水道水、河川水、井
戸水等の原水を電解槽１に連続的に供給すると共に陽極
３と陰極２との間に電圧を印加すると、原水は原水流路
７を通じて陰極室５に供給され、陰極室５内の流通経路
６を流通する過程において電解により陰極室５にて電解
水素溶解水が生成されて、電解水吐出流路８を通じて電
解水素溶解水が電解水素溶解水生成装置外に吐出され
る。

【００３３】このとき、電解槽１における電解過程にお
いて、陰極室５（流通経路６）内の水が陰極２の細孔を
介するなどして、電解質膜４を浸透して陽極３の表面に
接触し、陽極３表面においては、次のような電気化学的
反応によって水が分解される。

【００３４】２Ｈ₂Ｏ→４Ｈ⁺＋Ｏ₂＋４ｅ^- この電気化学反応により生成した水素イオンは、正の電
荷を有することから、電解質膜４内において陰極２側に
移動し、陰極２表面で次のような電気化学的反応により
水素が発生する。

【００３５】２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂ このような電気化学的反応が起こる結果、陰極２の表面
に生成された水素が水中に溶解すると共に陰極２の細孔
を介するなどして陰極室５内に拡散し、電解水素溶解水
が生成される。

【００３６】このとき、陰極２と陽極３とが電解質膜４
を介して積層されていることから、陽極３にて生成され
た水素イオンが速やかに陰極２の表面に導入されて、陰
極２において上記のような水素生成反応が支配的に生じ
ることになり、次のような水酸化物イオンの生成反応が
抑制されて、電解水素溶解水のｐＨの上昇が抑制され
る。

【００３７】２Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^-→Ｈ₂＋２ＯＨ^- このため、電解度合いを上昇しても、電解水素溶解水の
ｐＨの上昇を抑制して、飲用に適しない程アルカリ度合
いが増大することを防止することができ、電解水素溶解
水中の溶存水素濃度を向上しても飲用に適したｐＨ値を
有する電解水素溶解水を得ることができるものである。

【００３８】ここで、上記の構成においては、電解質膜
４と陽極３とを接触させて配設していることにより、電
解質膜４と陽極３との間の液抵抗の発生を防いで、電解
時における電力消費量を抑制することができ、また陽極
３表面に生成された水素イオンを陰極室５内に速やかに
導入することができるものである。

【００３９】図２に示す実施形態のように、電解質膜４
と陰極２とを接触させて配設する場合には、陰極２とし
て、電解質膜４側と陰極室５側とを貫通する複数の細孔
を有するものを用いることができる。このようにして形
成された陰極２では、細孔を通じて陰極室５内の水が電
解質膜４に供給され、これにより上記のような電気化学
的反応が行われる。また、電解質膜４中で生成された水
素をこの細孔を通じて陰極室５内に速やかに導入して拡
散させることができるものである。

【００４０】また、図１に示すように電解質膜４と陽極
３とを接触して配設する場合の陽極３、あるいは図２に
示すように陰極２及び陽極３を電解質膜４と接触して配
設する場合の陰極２及び陽極３のうちの少なくとも一方
を、平板状の電極にて形成することも好ましい。このよ
うに電解質膜４と接触する電極を平板状に形成すること
で、陰極２、陽極３の少なくとも一方と電解質膜４とか
ら構成される積層構造の剛性を確保し、電解槽１内への
電極の組み込みを容易にすると共に、電解過程における
電気分解反応を安定に維持することができるものであ
る。

【００４１】このとき、陰極２を平板状に形成すると共
に細孔を形成する場合には、陰極２は、メッシュ状に成
形された金属等の導電体や、多孔質状の導電体にて形成
することができ、例えば多孔質状の導電体としてはカー
ボン繊維からなる成形体や、カーボングラファイト、発
泡金属、あるいは金属粉末や金属繊維を真空中で焼結し
て得られる多孔性金属成形体等を用いることができる。

【００４２】また、図１に示すように電解質膜４と陽極
３とを接触して配設し、あるいは図２に示すように電解
質膜４と、陰極２及び陽極３とを接触して配設する場合
には、電解質膜４に接触して配設される電極を、電解質
膜４に導電体の塗膜を形成することにより設けることが
できる。このようにすれば、電解隔膜４と、これと接触
して形成される電極との間に隙間が生じることを確実に
防止することができ、電解質膜４と電極との間の液抵抗
の発生を防いで、電解時における電力消費量を抑制する
ことができる。このときは例えばＰｔ系、Ｉｒ系、Ｒｕ
系、Ｎｉ系等の金属又は合金の粉体と、樹脂粉末、水等
を混合した溶液を、電解質膜４の表面に塗布した後に乾
燥することにより電解質膜４の表面に導電体の塗膜を形
成することができる。また上記のような溶液をまず樹脂
シートの表面に塗布して乾燥させることにより塗膜を形
成した後、この塗膜の表面に電解質膜４の材料の溶液を
塗布して乾燥させることにより、導電体の塗膜の表面に
電解質膜４を成形することもできる。また、このとき電
解質膜４に形成された導電体の塗膜に更に金属材を接合
することにより、この導電体と金属材にて陽極３あるい
は陰極２を構成することもできる。金属材を接合するに
あたっては、導電体の塗膜の表面に金属材を接触させて
配置することができ、また塗膜と金属材とをリード線に
て接合しても良い。この金属材は、例えば白金めっきを
施したニッケル材、チタン材等で形成することができ
る。

【００４３】また、電解質膜４の表面に、めっきにて導
電体の被膜を形成することにより陽極３あるは陰極２を
形成することもできる。このようにすれば、電解隔膜４
と、これと接触して形成される電極との間に隙間が生じ
ることを確実に防止することができ、電解質膜４と電極
との間の液抵抗の発生を防いで、電解時における電力消
費量を抑制することができる。この導電性被膜は、Ｐｔ
系、Ｉｒ系、Ｒｕ系、Ｎｉ系等の金属又は合金のめっき
にて形成することができる。めっきは無電解めっきにて
行うことができる。これは金属イオンを素地表面で還元
剤により還元析出させて導電体の被膜を形成するもので
ある。還元剤としては、水素化ホウ素ナトリウム、ヒド
ラジン等を用いることができる。無電解めっきを行うに
あたっては、例えば予め電解質膜４自体に金属イオンを
吸着させた上で、還元剤を含む液中に浸漬することによ
り膜表面で還元析出させる方法や、電解質膜４の片面を
還元剤と接触させておき、反対面から金属イオンを染み
込ませて還元剤との接触面で還元析出させる方法などが
ある。また、このとき電解質膜４に形成された導電体の
被膜に更に金属材を接合することにより、この導電体の
被膜と金属材にて陽極３を構成することもできる。金属
材を接合するにあたっては、導電性被膜の表面に金属材
を接触させて配置することができ、また導電体の被膜と
金属材とをリード線にて接合しても良い。この金属材
は、例えば白金めっきを施したニッケル材、チタン材等
にて形成することができる。

【００４４】また、電解質膜４の表面に、導電体を圧着
させることにより、陽極３あるは陰極２を形成すること
もできる。このようにすれば、電解隔膜４と、これと接
触して形成される電極との間に隙間が生じることを確実
に防止することができ、電解質膜４と電極との間の液抵
抗の発生を防いで、電解時における電力消費量を抑制す
ることができる。この導電体としては、Ｐｔ系、Ｉｒ
系、Ｒｕ系、Ｎｉ系等の金属又は合金から形成されるも
のを用いることができ、例えばこれらの金属又は合金か
らなるシート状の導電体の層を、デュポン社製の商品名
「ナフィオン」等の電解質膜４と積層し、加熱圧着する
ことにより電解質膜４と導電体とを接触して設けること
ができる。また、このとき電解質膜４に形成された導電
体に更に金属材を接合することにより、この導電体と金
属材にて陽極３を構成することもできる。金属材を接合
するにあたっては、導電体の表面に金属材を接触させて
配置することができ、また導電体と金属材とをリード線
にて接合しても良い。特に導電体の表面に金属材を接触
させて接合すると、電解質膜４と電極からなる積層構造
の剛性を確保し、電解槽１内への電極の組み込みを容易
にすると共に、電解過程における電気分解反応を安定に
維持することができるものである。この金属材は、例え
ば白金めっきを施したニッケル材、チタン材等にて形成
することができる。

【００４５】上記のようにして電極を導電体あるいは導
電体と金属材にて形成するにあたり、特に図２に示すよ
うに電解質膜４と陰極２とを接触して配設すると共に陰
極２に細孔を形成する場合には、陰極２を構成する導電
体に細孔を形成することができる。

【００４６】例えば、めっき被膜からなる導電体により
陰極２を形成する場合に、この陰極２に細孔を形成する
場合には、例えば導電体形成前の電解質膜４の表面にサ
ンドブラスト処理を施して凹凸を形成することにより、
電解質膜４の凸部においてめっき被膜に亀裂を生じさせ
て、この亀裂にて細孔を形成することができる。まため
っき浴温度等のめっき条件を調整することにより、形成
されるめっき被膜に亀裂を生じさせて、この亀裂にて細
孔を形成することもできる。まためっき浴中に、特定の
溶剤にて溶解する高分子や無機物質等の可溶性物質を混
入させることにより、めっき被膜中にこの可溶性物質を
混入させ、得られためっき被膜を前記特定の溶剤にて処
理することにより可溶性物質を溶解除去することによ
り、細孔を形成することもできる。

【００４７】また、このように導電体に細孔を形成した
ものの表面に、更に金属材を接合して陰極２を形成する
場合には、例えば格子状に形成された金属材を用いるな
どして、導電体の細孔が外部に露出するようにするもの
である。

【００４８】また、電解隔膜４と接触して配設される陰
極２に細孔を形成するにあたっては、その細孔の直径を
１０ｎｍ〜１ｍｍの範囲とすることにより、電解効率を
確保すると共に電解水素溶解水中における溶存水素の溶
解量を増大させることができる。

【００４９】すなわち、図２に示すように電解質膜４と
陰極２とを接触させて配設すると共に陰極２に細孔を設
けた場合、陰極２の電解質膜４側で生成された水素は細
孔を通じて陰極室５に導入されるものであり、このとき
図３に示すように水素が水中に溶解せずに気泡９が発生
した場合、この気泡９の直径は陰極２の細孔の直径に大
きく依存する。

【００５０】ここで、Ｙｏｕｎｇ−Ｌａｐｌａｃｅ式に
よると、ｐ″−ｐ′＝２γ／ｒ（ｐ″：気泡の内部圧力、ｐ′：気泡の外部圧力、γ：
溶媒の表面張力、ｒ：気泡の半径）すなわち、気泡９の水中での内部圧力はその径に依存す
ることとなる。このとき気泡９の直径が１０ｎｍである
と内部圧力は約２８８ａｔｍとなり、直径が１ｍｍであ
ると内部圧力は１ａｔｍとなる。このように気泡９の直
径が小さくなるとその内部圧力が大きくなり、気泡９を
構成する水素ガスが水中に溶解しやすくなって電解水素
溶解水中の溶存水素濃度が向上し、これに対して気泡９
の直径が大きくなって直径が１ｍｍを超えるとその内部
圧力と水圧との差がなくなり、気泡９を構成する水素ガ
スが水中に溶解しにくくなる。このため、気泡９を構成
する水素ガスの溶解を確保するために、細孔から導出さ
れる気泡９の直径を１ｍｍ以下とすることが好ましいも
のであり、そのために陰極２に形成される細孔の直径を
１ｍｍ以下とすることが好ましいものである。また細孔
の直径を小さくするほど水素ガスの気泡９の直径を小さ
くして水素ガスの溶解を促進できるが、細孔から導出す
る気泡の直径があまりにも小さくなって内部圧力が大き
くなりすぎると、気泡を陰極室５内に押し出すために必
要とされる圧力が大きくなって気泡を陰極室５内に導出
させることが困難となり、また細孔が小さすぎると電解
質膜４と陰極室４との間の水の流通が確保しにくくなっ
て電解効率が低下するおそれがあるので、細孔の直径は
１０ｎｍ以上とすることが好ましいものである。

【００５１】上記のように電解槽１に配設される陰極２
や陽極３等の電極は、白金等の不活性金属（不溶性金
属）にて構成することが好ましい。特に陽極３は電解時
に酸化反応が生じるために、陽極３を構成する金属が鉄
やＳＵＳ等である場合には酸化されて金属イオンが生成
し、電解水素溶解水中にこの金属イオンが混入するおそ
れがあるが、陽極３を白金等の不活性金属にて構成する
と、このような金属イオンの発生が防止される。また、
原水として水道水、河川水、井戸水等を用いて電解を行
う場合には、スケール防止等のために陰極２と陽極３と
の間に逆電圧を印加する場合があるため、陰極２も白金
等の不活性金属で構成することが好ましい。このように
電極を白金にて形成する場合は、必ずしも電極全体を白
金で形成する必要はないが、少なくとも外部に露出する
表面を白金にて形成するものである。

【００５２】また、図１に示すように流通経路６を陰極
室５内における陰極２と電解質膜４との間に形成する場
合は、この流通経路６の、水流方向と直交する面におけ
る、陰極表面と直交する方向の幅方向の寸法を、１〜５
ｍｍに形成することが好ましい。

【００５３】詳しく説明すると、陰極２における電気化
学的反応で生成される水素は、陰極２から陰極室５内の
流通経路６に向けて供給されるが、この水素分子のなか
には、陰極２から生成された後に速やかに水中に溶解し
て流通経路６内に拡散するものと、陰極２の表面に気泡
核を形成して付着し、陰極２からの水素分子の供給を受
けて気泡が成長した後に陰極２から脱離して流通経路６
内に拡散するものとがある。

【００５４】このとき、流通経路６における、水流方向
と直交する面の面積が大きい場合には、図４（ａ）に示
すように流通経路６における水の流速が遅くなって、水
素ガスからなる気泡９が陰極２の表面から脱離しにくく
なり、図４（ｂ）に示すように気泡９が大きく成長して
しまってから流通経路６内に拡散することとなる。気泡
９の状態で流通経路６内に拡散する水素は、既述のよう
に気泡９の直径が大きくなると水中に溶解しにくくなる
ため、このように水流方向と直交する面の面積が大きい
場合には水中に溶解する水素が少なくなってしまう。

【００５５】これに対して、図５に示すように、水流方
向と直交する面における、陰極表面と直交する方向の幅
方向の寸法を小さくして、その寸法を１〜５ｍｍに形成
すると、流通経路６内における水の流速が十分な速さに
維持されて、陰極２の表面に付着した水素ガスの気泡９
が成長しすぎる前に気泡を水流内に取り込んで陰極２の
表面から脱離させることができる。このため、気泡９を
構成する水素ガスを速やかに水中に溶解させることがで
き、電解水素溶解水中の水素濃度を向上することができ
る。

【００５６】また、図２に示すように流通経路６を陰極
室５における陰極２の電解質膜４とは反対側に形成する
場合にも、この流通経路６の、水流方向と直交する面に
おける、陰極表面と直交する方向の幅方向の寸法を、１
〜５ｍｍに形成することが好ましい。

【００５７】詳しく説明すると、図２に示す場合も、図
１に示す場合と同様に、陰極２における電気化学的反応
で生成される水素は、陰極２から陰極室５内の流通経路
６に向けて供給されるが、この水素分子のなかには、陰
極２から生成された後に速やかに水中に溶解して流通経
路６内に拡散するものと、陰極２の表面に気泡核を形成
して付着し、陰極２からの水素分子の供給を受けて気泡
が成長した後に陰極２から脱離して流通経路６内に拡散
するものとがある。

【００５８】このとき、流通経路６における、水流方向
と直交する面の面積が大きい場合には、図６に示すよう
に流通経路６における水の流速が遅くなって、水素ガス
からなる気泡９が陰極２の表面から脱離しにくくなり、
気泡９が大きく成長してしまってから流通経路６内に拡
散することとなる。気泡９の状態で流通経路６内に拡散
する水素は、既述のように気泡９の直径が大きくなると
水中に溶解しにくくなるため、このように水流方向と直
交する面の面積が大きい場合には水中に溶解する水素が
少なくなってしまう。

【００５９】これに対して、図７に示すように、水流方
向と直交する面における、陰極表面と直交する方向の幅
方向の寸法を小さくして、その寸法を１〜５ｍｍに形成
すると、流通経路６内における水の流速が十分な速さに
維持されて、陰極２の表面に付着した水素ガスの気泡９
が成長しすぎる前に気泡を水流内に取り込んで陰極２の
表面から脱離させることができる。このため、気泡９を
構成する水素ガスを速やかに水中に溶解させることがで
き、電解水素溶解水中の水素濃度を向上することができ
る。

【００６０】尚、上記のような場合においては、流通経
路６内における水の流速は、電解槽１に供給される原水
の供給量にも依存するものではあるが、電解水素溶解水
を効率良く形成するためには、電解槽１に供給される原
水の供給量を１〜４Ｌ／分の範囲とするものであり、こ
のような原水の供給量においては、流通経路６の、水流
方向と直交する面における、陰極表面と直交する方向の
幅方向の寸法を１〜５ｍｍの範囲とすると、流通経路６
において十分な水の流速が確保できるものである。また
このように流通経路６における十分な水の流速を確保す
るためには、流通経路６の、水流方向と直交する面にお
ける、陰極２表面と平行な方向の寸法を１〜１０ｃｍの
範囲に形成することが好ましい。

【００６１】また、陰極２と陽極３間に電圧を印加して
電解を行う際には、陰極２の表面における電解電流密度
を５Ａ／ｄｍ²以下となるようにすることが好ましい。
電解電流密度が大きくなると、陰極２における水素生成
量は増大するが、図１０に示すように、生成する水素全
体に対する、水中に溶解する水素の割合は逆に減少する
と共に、気泡として水中に混入する水素の割合が増大し
てしまう。尚、図１０における横軸は電解電流密度を示
し、縦軸は、単位時間あたりに生成される水素全体に対
する、水中に溶解する水素及び気泡として水中に混入す
る水素の比率（ｍｏｌ基準）を示す。また■は気泡とし
て水中に混入する水素についての結果を示し、◇は水中
に溶解する水素についての結果を示す。

【００６２】この結果から明らかなように、電解電流密
度が５Ａ／ｄｍ²を超えると、水中に溶解する水素の比
率は０．１未満となってしまい、電解に要する消費電力
に対する水中への水素の溶解効率が低下し、電解水素溶
解水の生成効率が低下してしまう。これに対して、上記
のように電解電流密度を５Ａ／ｄｍ²以下となるように
電解槽１を形成すると、電解時に生成する水素全体に対
する、水中に溶解する水素の割合が低下しすぎないよう
にして、電解水素溶解水の生成効率を十分な程度に維持
することができるものである。

【００６３】また、電解電流密度の下限は特に制限はさ
れないが、電解電流密度があまりにも小さくなると、電
解水素溶解水中に所望の濃度で水素を溶解させるために
必要とされる陰極面積が大きくなりすぎて装置が大型化
してしまうため、陰極２の表面における電解時の電流密
度を０．１Ａ／ｄｍ²以上となるようにすることが好ま
しい。

【００６４】また、上記のような各実施形態において
は、陽極３にて発生する酸素を電解槽１から排出するた
めの酸素排出機構を設けることが好ましい。

【００６５】詳しく説明すると、図１，２にも示すよう
に陽極３における水の分解過程においては、水素イオン
と同時に酸素が生成し、酸素排出機構が設けられていな
い場合には、図１（ｂ）あるいは図２（ｂ）に示すよう
に、酸素は電解水素溶解水中に混入される。このとき酸
素が気泡となって電極表面に付着すると、電解効率が低
下してしまうものである。これに対して、酸素排出機構
を設けると、電極表面における酸素の気泡の付着を防止
し、電解効率を維持することができる。

【００６６】例えば図８（ａ）及び図８（ｂ）に示すも
のは、それぞれ図１、２に示す実施形態において酸素排
出機構を設けたものを示すものであり、陽極３は、陰極
２を電解質膜４に接触させると共に細孔を設ける場合と
同様にして、複数の細孔が形成され、このような陽極３
が電解質膜４の外面に接触して配置されている。

【００６７】また電解槽１にはガス収容槽１２が連設さ
れており、陽極３は、電解質膜４とは反対側の面が電解
槽１の外面におけるガス収容槽１２内に露出している。
このガス収容槽１２には、ガス排気管１１が接続されて
いる。

【００６８】このように構成される電解水素溶解水生成
装置では、電解過程において陽極３にて生成された酸素
が陽極３表面で気泡となっても、細孔を有する陽極３の
内部を通じてガス収容槽１２に導入されると共にガス排
気管１１から排気されることとなり、陽極３に酸素の気
泡が付着して電解効率が低下することを防ぐことができ
るものである。

【００６９】上記の各実施形態においては、陽極２は電
解槽１に供給された水が流通する流通経路６と電解質膜
４を介して隔てられており、陽極２は電解質膜４と接す
る面のみが電気化学系を構成するものであって、陽極２
の電解質膜４とは反対側には水が供給されないものであ
り、このため、陽極２側では電解水が生成されず、原水
は全て電解により陰極室５内で電解水素溶解水として調
製することができる。

【００７０】また、陽極２の電解質膜４とは反対側に、
陽極室１２を設けることもできる。例えば図９（ａ）及
び図９（ｂ）に示すものは、それぞれ図１、２に示す実
施形態において陽極室１２を設けたものを示すものであ
り、陽極３は、陰極２を電解質膜４に接触させると共に
細孔を設ける場合と同様にして、複数の細孔が形成さ
れ、このような陽極３が電解質膜４の外面に接触して配
置されている。陽極室１２は、この陽極２の電解質膜４
とは反対側に設けられており、陽極３は、電解質膜４と
は反対側の面が陽極室１２内に露出している。この陽極
室１２には、原水流路７から分岐した分岐流路１３が接
続されており、また吐出流路１４が接続されている。こ
の分岐流路１３は流路断面積は、原水流路７によりも小
さく形成されており、陰極室５に供給される原水よりも
陽極室１２に供給される原水の方が、供給量が少なくな
るようになっている。

【００７１】このように形成される電解水素溶解水生成
装置では、電解により陰極室５にて電解水素溶解水を生
成する過程において、陽極室１２が原水にて満たされ、
この原水が陽極３の細孔を通じて電解質膜５に供給され
る。このため、電解質膜５には陽極室１２側と陰極室５
側の両面から水が供給されることとなり、電解質膜４の
付近における電気化学反応が促進されることとなる。特
に図９（ｂ）に示すように陰極２を電解隔膜４に接触さ
せて配設する場合には、電解隔膜４はその両面が陰極２
と陽極３とによって閉塞されて水と直接接することがな
いので、陰極２と陽極３のそれぞれの細孔を通じて電解
隔膜４に水が供給されるようにすることにより、電解効
率が著しく向上するものである。

【００７２】

【発明の効果】上記のように本発明に係る電解水素溶解
水生成装置は、対向して配置された陰極及び陽極、陰極
及び陽極の間で陽極に接触させて配設された電解質膜、
並びに陰極が配設される陰極室を備える電解槽と、陰極
室に直接連通して陰極室に原水を連続的に流入させる原
水経路と、陰極室に直接連通して陰極表面にて生成され
た水素を溶存する電解水素溶解水を電解槽から流出させ
る電解水吐出流路とを具備するため、電解により陰極室
内に発生する水素が水中に溶解して電解水素溶解水を生
成することができ、このとき電解水素溶解水のｐＨの変
動が抑制されて、電解度合いを上昇しても、電解水素溶
解水のｐＨの上昇を抑制することができて、飲用に適し
ない程アルカリ度合いが増大することを防止することが
できるものであり、電解水素溶解水中の溶存水素濃度を
向上しても飲用に適したｐＨ値を有する電解水素溶解水
を得ることができるものである。

【００７３】また、陰極を電解質膜と間隔をあけて配設
し、陰極室内における陰極と電解質膜との間に、原水経
路から電解水吐出流路へと向かう水の流路として流通経
路を設けると、電解槽における電解過程において、陰極
室内の水が電解質膜を浸透して陽極の表面に接触して、
陽極表面で２Ｈ₂Ｏ→４Ｈ⁺＋Ｏ₂＋４ｅ^-の反応が生じる
と共に、陰極表面では、２Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^-→Ｈ₂＋２ＯＨ^-
の反応が生じ、この結果、陰極室内に発生する水素が水
中に溶解して電解水素溶解水が生成され、また、陽極表
面で生成された水素イオンが電解質膜４を通過して陰極
室５内に導入されて、陰極室中の水酸化物イオンと結び
つくことにより、電解水素溶解水のｐＨの変動が抑制さ
れるものである。

【００７４】またこのとき、流通経路の、陰極表面と直
交する方向の幅方向の寸法を、１〜５ｍｍに形成する
と、流通経路内における水の流速が十分な速さに維持さ
れて、陰極の表面に付着した水素ガスの気泡が成長しす
ぎる前に気泡を水流内に取り込んで陰極の表面から脱離
させることができ、気泡を構成する水素ガスを速やかに
水中に溶解させることができて、電解水素溶解水中の水
素濃度を向上することができるものである。

【００７５】また、陰極を電解質膜に接触させて配設
し、陰極室における陰極の電解質膜とは反対側に、原水
経路から電解水吐出流路へと向かう水の流路として流通
経路を設けると、電解槽における電解過程において、陰
極室内の水が電解質膜を浸透して陽極の表面に接触し、
陽極表面において、２Ｈ₂Ｏ→４Ｈ⁺＋Ｏ₂＋４ｅ^-の反応
が生じ、この電気化学反応により生成した水素イオンが
電解質膜内において陰極側に移動して、陰極表面で２Ｈ
⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂の反応が生じ、この結果、陰極室内に発
生する水素が水中に溶解して電解水素溶解水が生成さ
れ、また電解水素溶解水のｐＨの変動が抑制されるもの
である。

【００７６】またこのとき、流通経路の、陰極表面と直
交する方向の幅方向の寸法を、１〜５ｍｍに形成する
と、流通経路内における水の流速が十分な速さに維持さ
れて、陰極の表面に付着した水素ガスの気泡が成長しす
ぎる前に気泡を水流内に取り込んで陰極の表面から脱離
させることができ、気泡を構成する水素ガスを速やかに
水中に溶解させることができて、電解水素溶解水中の水
素濃度を向上することができるものである。

【００７７】また、陰極に、電解質膜側と陰極室側とを
連通する細孔を形成すると、細孔を通じて陰極室内の水
が電解質膜に供給されて電気化学的反応が促進され、ま
た、電解質膜中で生成された水素をこの細孔を通じて陰
極室内に速やかに導入して拡散させることができるもの
である。

【００７８】また、陰極に形成された細孔の直径を、１
０ｎｍ〜１ｍｍの範囲となるようにすると、陰極表面に
水素ガスの気泡が形成される場合にその気泡の直径が１
ｍｍ以上となることを防止して、この気泡を構成する水
素ガスの水中への溶解を促進することができるものであ
る。

【００７９】また、電解質膜と接触して配設される電極
を、平板状電極にて形成すると、電極と電解質膜とから
構成される積層構造の剛性を確保し、電解槽内への電極
の組み込みを容易にすると共に、電解過程における電気
分解反応を安定に維持することができるものである。

【００８０】また、電解質膜と接触して配設される電極
を、電解質膜に塗布された導電体、あるいはこの導電体
と導電体に接合された金属材にて形成することも好まし
い。

【００８１】また、電解質膜と接触して配設される電極
を、電解質膜にめっきにより形成された導電体、あるい
はこの導電体と導電体に接合された金属材にて形成する
と、電極と電解質膜との間における隙間の発生を防止し
て電解質膜と電極との間の液抵抗の発生を防止し、電解
時における電力消費量を抑制することができるものであ
る。

【００８２】また、電解質膜と接触して配設される電極
を、電解質膜に圧着された導電体、あるいはこの導電体
と導電体に接合された金属材にて形成すると、電極と電
解質膜との間における隙間の発生を防止して電解質膜と
電極との間の液抵抗の発生を防止し、電解時における電
力消費量を抑制することができるものである。

【００８３】また、陰極と陽極の一方又は双方を、少な
くとも表面が白金にて形成された電極にて形成すると、
電極を構成する金属イオンが電解水素溶解水中に混入す
ることを防止することができるものである。

【００８４】また、陰極における電流密度が、５Ａ／ｄ
ｍ²以下となるように陽極と陰極との間に電圧を印加す
る電解槽を具備すると、電解時に生成する水素全体に対
する、水中に溶解する水素の割合が低下しすぎないよう
にして、電解水素溶解水の生成効率を十分な程度に維持
することができるものである。

【００８５】また、陽極表面にて生成されるガスを電解
槽の外部に排出する排出機構を具備すると、陽極に酸素
の気泡が付着して電解効率が低下することを防ぐことが
できるものである。

【００８６】更に、陽極の電解質膜とは反対側に陽極室
を設けるようにすると、電解隔膜に陽極側から水を供給
することができ、電解効率を向上することができるもの
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の実施の形態の一例を示す断面
図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ部分の拡大図である。

【図２】（ａ）は本発明の実施の形態の他例を示す断面
図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ部分の拡大図である。

【図３】図２に示す実施の形態の動作を説明する一部の
断面図である。

【図４】（ａ）（ｂ）は、流通経路における水の流速
と、水素ガスからなる気泡の生成との関係を示す断面図
である。

【図５】本発明の実施の形態の更に他例を示す断面図で
ある。

【図６】流通経路における水の流速と、水素ガスからな
る気泡の生成との関係を示す断面図である。

【図７】本発明の実施の形態の更に他例を示す断面図で
ある。

【図８】（ａ）（ｂ）は本発明の実施の形態の更に他例
を示す断面図である。

【図９】（ａ）（ｂ）は本発明の実施の形態の更に他例
を示す断面図である。

【図１０】電解時の陰極表面における電流密度と、陰極
で発生する水素の総量に対する、水中に溶解する水素及
び気泡として水中に混入する水素の比率を示すグラフで
ある。

【符号の説明】

１電解槽２陰極３陽極４電解質膜５陰極室６流通経路７原水経路８電解水吐出流路１２陽極室

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者菊地憲次滋賀県彦根市八坂町2500 滋賀県立大学工学部材料科学科内Ｆターム(参考） 4D061 DA02 DA03 DB07 EA02 EB13 EB17 EB19 EB29 EB30 EB35

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】対向して配置された陰極及び陽極、陰極
及び陽極の間で陽極に接触させて配設された電解質膜、
並びに陰極が配設される陰極室を備える電解槽と、陰極
室に直接連通して陰極室に原水を連続的に流入させる原
水経路と、陰極室に直接連通して陰極表面にて生成され
た水素を溶存する電解水素溶解水を電解槽から流出させ
る電解水吐出流路とを具備して成ることを特徴とする電
解水素溶解水生成装置。
【請求項２】陰極を電解質膜と間隔をあけて配設し、
陰極室内における陰極と電解質膜との間に、原水経路か
ら電解水吐出流路へと向かう水の流路として流通経路を
設けて成ることを特徴とする請求項１に記載の電解水素
溶解水生成装置。
【請求項３】流通経路の、陰極表面と直交する方向の
幅方向の寸法を、１〜５ｍｍに形成して成ることを特徴
とする請求項２に記載の電解水素溶解水生成装置。
【請求項４】陰極を電解質膜に接触させて配設し、陰
極室における陰極の電解質膜とは反対側に、原水経路か
ら電解水吐出流路へと向かう水の流路として流通経路を
設けて成ることを特徴とする請求項１に記載の電解水素
溶解水生成装置。
【請求項５】流通経路の、陰極表面と直交する方向の
幅方向の寸法を、１〜５ｍｍに形成して成ることを特徴
とする請求項４に記載の電解水素溶解水生成装置。
【請求項６】陰極に、電解質膜側と陰極室側とを連通
する細孔を形成して成ることを特徴とする請求項４又は
５に記載の電解水素溶解水生成装置。
【請求項７】陰極に形成された細孔の直径が、１０ｎ
ｍ〜１ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項６に記
載の電解水素溶解水生成装置。
【請求項８】電解質膜と接触して配設される電極を、
平板状電極にて形成して成ることを特徴とする請求項１
乃至７のいずれかに記載の電解水素溶解水生成装置。
【請求項９】電解質膜と接触して配設される電極を、
電解質膜に塗布された導電体、あるいはこの導電体と導
電体に接合された金属材にて形成して成ることを特徴と
する請求項１乃至７のいずれかに記載の電解水素溶解水
生成装置。
【請求項１０】電解質膜と接触して配設される電極
を、電解質膜にめっきにより形成された導電体、あるい
はこの導電体と導電体に接合された金属材にて形成して
成ることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載
の電解水素溶解水生成装置。
【請求項１１】電解質膜と接触して配設される電極
を、電解質膜に圧着された導電体、あるいはこの導電体
と導電体に接合された金属材にて形成して成ることを特
徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の電解水素溶
解水生成装置
【請求項１２】陰極と陽極の少なくとも一方を、少な
くとも表面が白金にて形成された電極にて形成して成る
ことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載の
電解水素溶解水生成装置。
【請求項１３】陰極における電流密度が、５Ａ／ｄｍ
²以下となるように陽極と陰極との間に電圧を印加する
電解槽を具備して成ることを特徴とする請求項１乃至１
２のいずれかに記載の電解水素溶解水生成装置。
【請求項１４】陽極表面にて生成されるガスを電解槽
の外部に排出する排出機構を具備して成ることを特徴と
する請求項１乃至１３のいずれかに記載の電解水素溶解
水生成装置。
【請求項１５】陽極の電解質膜とは反対側に陽極室を
設けて成ることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれ
かに記載の電解水素溶解水生成装置。