JP2014019950A - 卓上型水素ガス発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化や携帯性を改善した卓上型水素ガス発生装置を提供する。
【解決手段】卓上型水素ガス発生装置１は、イオン交換膜５１０の両面に一対の電極板５００をそれぞれ密着させてなる電気分解板５と、電気分解板５に仕切られると共に電気分解の対象となる純水１３をそれぞれ貯蔵する水素ガス発生槽及び酸素ガス発生槽を有する電解槽６と、水素ガス発生槽に貯蔵された純水１３の水位が所定以上に上昇することを抑える圧力で水素ガス発生槽から発生する水素ガスを加圧しながら取り出す水素ガス加圧部７と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、卓上型水素ガス発生装置に係り、特に、イオン交換膜の両面を一対の電極板で挟持してなる電気分解板により純水を電気分解する際に好適に利用できる循環ポンプ不要で小型の卓上型水素ガス発生装置に関する。

従来のガス発生装置の一例としての電気分解システムは、イオン交換膜と、イオン交換膜の両面に密着する一対の電極板、とにより構成された電気分解板と、電気分解板により仕切られた水素ガス発生槽及び酸素ガス発生槽と、を有する電解槽と、電解槽への純水の供給及び電気分解板から発生した水素ガス及び酸素ガスの循環排出を行う給水ポンプと、水素ガス発生槽及び酸素ガス発生槽から溢れ出る純水をそれぞれ受け取る取水タンクと、を備える（特許文献１の段落００２０及び図１を参照）。

特開２０１１−１７７６５９号公報

しかしながら、従来の電気分解システムにおいては、純水の電気分解時に生じる電気泳動により水素ガス発生槽から純水が溢れ出してしまうという問題があった。

また、従来の電気分解システムにおいては、水素ガス発生及び循環のために給水ポンプ及び取水タンクを備える必要があるため、小型化及び携帯化が困難であるという問題があった。

また、従来の電気分解システムにおいては、電気分解板から水素ガスを効率よく分離させることができないことや、イオン交換膜に電極板を固定する大きなボルトやナットが水素ガスを吸着してしまうことなど、卓上型水素ガス発生装置として用いるためには適さない上記以外の種々の不具合も多数存在するという問題があった。

そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、小型化や携帯性の問題などの従来技術における種々の不具合を改善した新規の卓上型水素ガス発生装置を提供することを本発明の目的としている。

（１）前述した目的を達成するため、本発明の卓上型水素ガス発生装置は、液体及び気体の通過孔を有しないイオン交換膜と、イオン交換膜の両面にそれぞれ密着する一対の電極板と、イオン交換膜の両面に一対の電極板をそれぞれ密着させる固定部と、を有する電気分解板と、電気分解板を仕切板として電気分解板に仕切られると共に電気分解の対象となる純水をそれぞれ貯蔵する水素ガス発生槽及び酸素ガス発生槽を有する電解槽と、水素ガス発生槽に貯蔵された純水の水位が所定以上に上昇することを抑える圧力で水素ガス発生槽から発生する水素ガスを加圧しながら取り出す水素ガス加圧部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、電気分解板が水素ガス発生槽及び酸素ガス発生槽を空間分離する電解槽の仕切板になるので、電気分解板に通電したときに水素ガス及び酸素ガスを混合させることなく、それらを分離発生させることができる。また、電気分解の際の電気泳動により純水が酸素ガス発生槽から水素ガス発生槽に移動しても、水素ガス加圧部が水素ガス発生槽から発生する水素ガスを加圧するので、電気泳動により水素ガス発生槽に移動した純水が水素ガス発生槽から溢れ出してしまうことを防止することができる。

（２）また、本発明の卓上型水素ガス発生装置は、純水を貯蔵すると共に、水素ガス発生槽及び酸素ガス発生槽の各下部にそれぞれ接続されるサージタンクと、を更に備えることが好ましい。

本発明によれば、サージタンクが水素ガス発生槽及び酸素ガス発生槽の各下部にそれぞれ接続されているので、サージタンクが水素ガス発生槽及び酸素ガス発生槽に純水を供給しつつ、水素ガス発生槽又は酸素ガス発生槽の一方に偏った純水を他方に移動させることができる。また、サージタンクが水素ガス発生槽及び酸素ガス発生槽の各下部にそれぞれ接続されているので、刻々と変化する電解槽の水位や水素ガス及び酸素ガスの圧力差をサージタンクにより緩衝することができる。

（３）また、本発明の卓上型水素ガス発生装置は、酸素ガス発生槽に貯蔵された純水の水位が所定以上に上昇することを抑える圧力で酸素ガス発生槽から発生する酸素ガスを加圧しながら排出する酸素ガス加圧弁と、を更に備えることが好ましい。

本発明によれば、酸素ガス加圧弁が閉じているときに酸素ガス発生槽内の純水が大気圧以上の気圧で押圧されるので、水素ガス発生槽から発生する水素ガスが水素ガス加圧部によって加圧される反作用によって酸素ガス排出口から純水が溢れ出すことを抑えることができる。また、酸素ガスが所定圧以上になったときに排出するので、酸素ガス発生槽内が過剰気圧になって酸素ガス発生槽や電気分解板が破損することを防止することができる。

（４）また、本発明の卓上型水素ガス発生装置において、水素ガス加圧部は、所定水位の水を貯蔵する水素ガス貯留部と、水素ガス発生槽の上部に設けられた水素ガス排出口から水素ガス貯留部の下部までの間を中継する水素ガス中継部と、水素ガス貯留部の上部から水素ガスを取り出す水素ガス取出部と、を有しており、水素ガス貯留部に貯蔵された純水により生じる所定の水圧により水素ガスを加圧することが好ましい。

本発明によれば、水素ガス加圧部に貯蔵された水の水圧により水素ガス発生槽から発生する水素ガスが加圧されるので、加圧構造及び加圧調整を容易にすることができる。また、水素ガスは水素ガス貯留部の水の中を通過するので、水素ガスの発生を気泡として確認することができる。また、水素ガス中継部と水素ガス取出部との間に水素ガス貯留部が介在しているので、水素ガス取出部から取り出された水素ガスが引火しても、水素ガス貯留部に貯蔵された水がその引火を消火し、水素ガス発生槽から発生する水素ガスに引火することを防止することができる。

（５）また、本発明の卓上型水素ガス発生装置において、一対の電極板は、その上方に内角４５度以下の頂角を有する複数の通過孔をそれぞれ有することが好ましい。

本発明によれば、頂角が４５度以上の通過孔や上部形状が半円形又は半楕円形の通過孔と比較して電気分解板による電解効率を約１０〜１５％向上させることができる。これにより、電解槽に循環ポンプを取り付けなくても水素ガス発生槽から水素ガスを取り出すことができる。

（６）また、本発明の卓上型水素ガス発生装置において、イオン交換膜は、一対の電極板がそれぞれ有する通過孔の同軸上に設けられ、かつ、通過孔よりも小さな複数のリベット穴を電極板の接触面に均等に有しており、固定部は、通過孔の内径よりも小さくかつリベット穴の内径よりも大きな外径を有すると共に通過孔及びリベット穴に挿入されるリベット軸と、リベット軸の両端に形成されると共に少なくともその一方がリベット軸を通過孔及びリベット穴に挿入された後に超音波又は加熱金型の押しつけにより溶融・冷却形成されることにより一対の電極板をイオン交換膜の両面にそれぞれ密着させる２個のリベット頭部と、を有していると共に、液体を吸収したときに膨張する熱可塑性プラスチック製のリベットであることが好ましい。

本発明によれば、リベット穴が均等配置されていると共に２個のリベット頭部が一対の電極板をイオン交換膜の両面にそれぞれ密着させているので、一対の電極板とイオン交換膜とを全面で均等に密着させることができる。また、リベット軸の外径がリベット穴の内径よりも大きくなっているので、電解槽の純水や電気分解板から発生したガスがリベット穴を介して水素ガス発生槽及び酸素ガス発生槽を相互に通過することを防止することができる。

（７）また、本発明の卓上型水素ガス発生装置において、酸素ガス加圧弁は、酸素ガス発生槽の上部に設けられた酸素ガス排出口の上方に延在する筒部と、筒部に内包されており所定圧で酸素ガス排出口を塞ぐ金属ボールと、を有することが好ましい。

本発明によれば、金属ボールの重量や個数を変更することによって酸素ガス排出口を塞ぐ圧力を容易に変更することができるので、酸素ガスの排気圧を容易かつ微細に制御することができる。

（８）また、本発明の卓上型水素ガス発生装置において、電解槽は、閉じた容器を上下方向に分割して得た形状の２個の分割ケースと、一対の電極板よりも大きなイオン交換膜の周縁部を２個の分割ケースの周縁部が挟んだ状態で２個の分割ケースを一体に締結する締結部と、を有することが好ましい。

本発明によれば、電解槽の構造を簡素化することができる。また、２個の分割ケースの周縁部にソフトガスケットを用いずとも、電解槽の密封性を確保することができる。

（９）また、本発明の卓上型水素ガス発生装置は、電気分解板による電気分解停止時に水素ガス発生槽で発生する負圧を利用して水素ガス発生槽を大気開放する逆流防止弁と、を更に備えることが好ましい。

本発明によれば、電気分解の停止時に逆流防止弁が水素ガス発生槽を大気開放するので、水素ガス貯留部に貯蔵された水が水素ガス中継部を通じて水素ガス発生槽に逆流することを防止することができる。

（１０）また、本発明の卓上型水素ガス発生装置において、逆流防止弁は、大気開放口と、大気開放口を所定圧で塞ぐ金属ボールと、を有すると共に、水素ガス排出口又は水素ガス中継部に取り付けられていることが好ましい。

本発明によれば、金属ボールが大気開放口を塞いでいるので、スプリング式逆流防止弁と比較して、開放負圧を容易かつ微細に調整することができる。

（１１）また、本発明の卓上型水素ガス発生装置において、電気分解板は、純水の電気分解時において、水素ガスの発生量が最大１０ｍｌ／ｍｉｎ、かつ、電気分解板から発生する水素ガスの発生圧力が１５０〜５００Ｐａとなるように電流制御されており、水素ガス加圧部は、水素ガス発生槽から発生する水素ガスを１００〜４００Ｐａで加圧し、酸素ガス加圧弁は、酸素ガス発生槽から発生する酸素ガスを５０〜１５０Ｐａで加圧し、逆流防止弁は、水素ガス発生槽の負圧が−１００〜２００Ｐａのときに水素ガス発生槽を大気開放することが好ましい。

本発明によれば、水素ガス及び酸素ガスの発生圧を詳細に制御することにより、電解槽の内部の圧力が急上昇してイオン交換膜のリベット穴から水素ガス及び酸素ガスが強制通過してしまうことを防止することができる。また、各圧力を詳細に制御しながらサージタンクが電解槽に水を供給するので、電解槽の水位が±５ｍｍに維持され、水素ガス発生漕部及び酸素ガス発生漕部から純水が溢れ出すことを防止することができると共に、水素ガス及び酸素ガスの発生効率を維持することができる。また、開放負圧が０Ｐａに近似しているため、電解槽の水位と発生ガスの圧力関係を維持したまま、逆流を防止することができる。

（１２）また、本発明の卓上型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各上部又は各上部に接続された部材は、サージタンクへの給水時に水素ガス発生槽及び酸素ガス発生槽の各上部に封入された気体を抜く気体抜き部を有することが好ましい。

本発明によれば、サージタンクへの給水時に気体抜き部から電解槽内の気体が給水分だけ抜けるので、電解槽の圧力関係を維持することができる。

（１３）また、本発明の卓上型水素ガス発生装置は、卓上型水素ガス発生装置を覆う保護筐体を更に備えており、保護筐体は、水素ガス加圧部内の純水を通過する水素ガスの気泡を視認するための確認窓を有することが好ましい。

本発明によれば、確認窓から水素ガスの気泡を視認することにより、目に見えない水素ガスの発生を目視で確認することができる。

（１４）また、本発明の卓上型水素ガス発生装置は、電気分解板に印加された電流値に応じて水素ガスの発生量を表示する水素ガス発生量メータと、を更に備えることが好ましい。

本発明によれば、水素ガス発生量メータを確認しながら、水素ガスの発生量を制御することができる。

本発明の卓上型水素ガス発生装置によれば、小型化や携帯性の問題などの従来技術における種々の不具合を改善した新規の卓上型水素ガス発生装置を提供することができるという効果を奏する。

図１は、本実施形態の卓上型水素ガス発生装置を示す斜視図である。 図２は、本実施形態の卓上型水素ガス発生装置を示す構成図である。 図３は、本実施形態の電解槽を正面から見た断面図である。 図４は、本実施形態の電解槽を水素ガス発生槽側から見た部分断面図である。 図５は、本実施形態の電極板に形成された通過孔が円形の場合における水素ガスの発生状態を示す概念図である。 図６は、本実施形態の電極板に形成された通過孔の頂角が約１２０度の場合における水素ガスの発生状態を示す概念図である。 図７は、本実施形態の電極板に形成された通過孔の頂角が約３０度の場合における水素ガスの発生状態を示す概念図である。 図８は、通過孔の頂角と水素ガス発生量との関係を示すグラフである。 図９は、本実施形態の固定部としてのリベットにおける一方の頭部が未だ形成されていない場合におけるリベットの挿入発生状態を示す概念図である。 図１０は、本実施形態の固定部としてのリベットにおける一方の頭部が形成された場合におけるリベットの挿入発生状態を示す概念図である。

以下、本発明の卓上型水素ガス発生装置をその一実施形態により説明する。

［卓上型水素ガス発生装置の概要］
本実施形態の卓上型水素ガス発生装置は、一般家庭内等における活性酸素除去や成人病予防などのための吸引用、理化学実験用、臨床実験用等を目的として、少量（最大約１０ｍｌ／ｍｉｎ）かつ高純度（約９９％）の水素ガスを長時間（例えば約５０時間）かつ低圧（最大約５００Ｐａ（１ｍｍ水柱≒１０Ｐａにて換算した。））で発生させるための装置である。そのため、本実施形態の卓上型水素ガス発生装置には、小型、軽量、携帯性、操作容易性、低価格など、水素ガスを吸引する患者が場所や時間を問わず、気軽かつ安全に使用できることが要求される。

本実施形態の卓上型水素ガス発生装置は、純水を電気分解することにより水素ガスを発生させる。ここで、イオン交換樹脂による精製後に慮過して得た純水には電気伝導度がないため、純水を電気分解するには、一般的に、（Ａ）硫酸などの酸や水酸化ナトリウム、水酸化カリワムなどのアルカリを純水に添加した電解液に隔膜を介して電気分解させる方法、又は、（Ｂ）イオン交換膜に陽極と陰極の通電電極を密着させた電気分解板を電解槽内の中央に配置し、循環ポンプにて純水を注入しながら電気分解を行う方法、を採用することが多い。本実施形態の卓上型水素ガス発生装置は、上記（Ｂ）の電気分解法における電気分解板を用いて、純水に添加物を添加することなく純水を直接的に電気分解する。ただし、小型、軽量、携帯性、価格等の観点から、従来の電気分解システムに一般的に必須とされてきた、循環ポンプ、圧力センサ、水位センサ、電磁弁などを必要としない。

また、本実施形態の卓上型水素ガス発生装置は、高純度の水素ガスを得るため、発生する水素ガス及び酸素ガスを完全に分離し、かつ、他の不純物が混入しないようにする必要がある。そのため、卓上型水素ガス発生装置の内部において、水素ガス発生源と酸素ガス発生源とを完全に空間分離し、かつ、純水以外の添加物が混入しないような構造が必要である。

［全体構成］
図１は、本実施形態の卓上型水素ガス発生装置１を示す斜視図である。また、図２は、本実施形態の卓上型水素ガス発生装置１を示す構成図である。なお、図２においては、電気分解板３の一部のみを示している。

本実施形態の卓上型水素ガス発生装置１は、図１に示すように、小型及び軽量化により卓上使用や携帯使用を可能にするため、幅１２０ｍｍ×高さ２００ｍｍ×奥行２８０ｍｍ及び重量約１２００ｇに設定されている。

この卓上型水素ガス発生装置１は、図１及び図２に示すように、保護筐体２の内部に、定電流制御回路３、水素ガス発生量メータ４、電気分解板５、電解槽６、水素ガス加圧部７、サージタンク８、酸素ガス加圧弁９、逆流防止弁１０及び気体抜き部１１を備える。

［保護筐体２］
保護筐体２は、図１に示すように、卓上型水素ガス発生装置１を覆う金属製の箱である。この保護筐体２は、全体として略直方体形状に形成されており、下面パネル２０１、正面パネル２０２及び背面パネル２０３からなる本体支持部２００と、左側面パネル２１１、右側面パネル２１２及び上面パネル２１３からなるカバー部２１０とにより構成される。これら本体支持部２００及びカバー部２１０は、卓上型水素ガス発生装置１の内部メンテナンスや純水１３の給水等の際に、ネジ２２０の着脱に応じて分離可能に形成されている。

また、保護筐体２は、その正面パネル２０２の左下付近に、確認窓２３０を有する。この確認窓２３０は、所定幅をもって上下方向に延在する略長方形の切り欠きであり、水素ガス加圧部７内に貯蔵される水１４を通過する水素ガスの気泡１５を視認することができる。

また、保護筐体２は、上面パネル２１３の中央付近にハンドル２４０を有する。このハンドル２４０は、卓上型水素ガス発生装置１の運搬時に使用される。

また、保護筐体２は、左側面パネル２１１の左上付近及び背面パネル２０３の上方に通気口２５０を有する。この通気口２５０は、電解槽６から排気された酸素ガスや、卓上型水素ガス発生装置１の内部発熱源から排出された熱を、卓上型水素ガス発生装置１の内部から外部に通過させる。必要に応じて、通気口２５０の内側には、冷却用ファンが取り付けられていることが好ましい。

［定電流制御回路３］
定電流制御回路３は、図２に示すように、電源３０１から得た電力を所定の定電流に制御し、電気分解板５にその所定の定電流を供給する回路である。電源電圧はＤＣ６〜９Ｖに設定されており、その消費電流は０〜２Ａに設定されている。

上記の電源３０１としては、コンセントに接続されたＡＣアダプタや、アルカリ乾電池などの乾電池、リチウムイオン電池などの二次電池がその一例として挙げられる。上記の電源３０１としてＡＣアダプタを利用する場合、ＡＣアダプタを接続する電源入力端子は、背面パネル２０３の下方に設置される。一方、上記の電源３０１として乾電池や二次電池などの電池を利用する場合、その電池は保護筐体２に内蔵される。

また、上記の所定の定電流は、卓上型水素ガス発生装置１から排出される水素ガスが爆発しない程度の排出量（例：最大１０ｍｌ／ｍｉｎ程度）及び排気圧（１５０〜５００Ｐａ）を最大値の基準として設定されている。所定の定電流の値は、図２に示すように、定電流制御回路３に接続された設定用ボリューム３０２により制御することが可能である。

設定用ボリューム３０２は、図１に示すように、正面パネル２０２の中央付近に配置されている。また、定電流制御回路３の電源スイッチ３０３は、図１に示すように、正面パネル２０２の右下に配置されている。また、定電流制御回路３のオン・オフを確認する確認ランプ３０４は、図１に示すように、正面パネル２０２の右下であって上記の電源スイッチ３０３の上方周辺に配置されている。

［水素ガス発生量メータ４］
水素ガス発生量メータ４は、図１に示すように、正面パネル２０２の上方に配置されている。この水素ガス発生量メータ４は、電気分解板５に供給される電流値に応じて水素ガスの発生量を表示する。卓上型水素ガス発生装置１を人体への吸入治療や理化学実験などに用いる場合、卓上型水素ガス発生装置１を安全に利用するため、水素ガス発生量メータ４の設置は必要不可欠である。

水素ガス発生量メータ４としては、複雑かつ高価になりやすい水素量測定器を排除するため、電流計の目盛を水素ガス発生量（ｍｌ／ｍｉｎ）に対応させた電流計改造メータであることが好ましい。純水１３の電気分解により発生する水素ガスの発生量は、電気分解板５に通電する電流値に比例する。

ここで、室温２０℃及び１気圧（≒１０１ｋＰａ）において、本実施形態の電気分解板５に供給された電流値及びその電流に応じて発生した水素ガス発生量の実測値を、以下の表１に示す。

表１に示す通り、水素ガスの発生量は、電気分解板５に通電する電流値に比例することがわかる。このことから、上記の電流計改造メータは、水素ガス発生量メータ４として要求される実用レベルを十分に兼ね備えている。

水素ガス発生量メータ４が電流計改造メータである場合、水素ガス発生量メータ４は、図２に示すように、定電流制御回路３と電気分解板５との間に接続されている。

［電気分解板５］
図３は、本実施形態の電解槽６を正面から見た断面図である。また、図４は、本実施形態の電解槽６を水素ガス発生槽６０２側から見た部分断面図である。

電気分解板５は、図２〜図４に示すように、一対の電極板５００、イオン交換膜５１０及び固定部５２０を有する。一対の電極板５００は、図３に示すように、イオン交換膜５１０の両面に配置されている。また、固定部５２０は、図２〜図４に示すように、一対の電極板５００及びイオン交換膜５１０を互いに密着させる。

（電極板５００）
一対の電極板５００は、陽極板５０１及び陰極板５０２により構成される。電気分解板５により純水１３を電気分解した場合、陽極板５０１側から酸素ガス（Ｏ_２）が発生し、陰極板５０２側から水素ガス（２Ｈ_２）が発生する。

陽極板５０１としては、イリジウム（Ｉｒ）又は白金（Ｐｔ）メッキしたチタニウム製のエキスパンドメタルを用いることが好ましい。また、陰極板５０２２としては、白金（Ｐｔ）メッキしたチタニウム製のエキスパンドメタルを用いることが好ましい。

陽極板５０１及び陰極板５０２として用いるエキスパンドメタルは、イオン交換膜５１０との密着性を高めるため、平滑処理されていることが好ましい。また、上記のエキスパンドメタルは、固定部５２０による固定性を高めるため、同一のメッシュ形状及びメッシュ寸法に設定されており、それらのメッシュ位置が一致するように配置されることが好ましい。

また、本実施形態における上記のエキスパンドメタルは、高さ８０ｍｍ×幅４０ｍｍ×厚さ０．３〜０．５ｍｍに設定されている。また、本実施形態における上記のメッシュの開口部表面積は、２ｍｍ^２に設定されている。

（電極板５００の通過孔５０３）
次に、一対の電極板５００に設けられる複数の通過孔５０３を説明する。

図５は、本実施形態の電極板５００に形成された通過孔５０３が円形の場合における水素ガスの発生状態を示す概念図である。図６は、本実施形態の電極板５００に形成された通過孔５０３の頂角５０４が約１２０度の場合における水素ガスの発生状態を示す概念図である。図７は、本実施形態の電極板５００に形成された通過孔５０３の頂角５０４が約３０度の場合における水素ガスの発生状態を示す概念図である。

一対の電極板５００は、図４に示すように、複数の通過孔５０３をそれぞれ有することが好ましい。通過孔５０３は、図５に示す円形状、図６に示す頂角５０４が約１２０度の横長の菱形形状、図７に示す頂角５０４が約３０度の縦長の菱形形状など、種々の形状を採用することができる。そのなかでも、通過孔５０３は、図７に示すように、その上方に内角４５度以下の頂角５０４を有する形状に形成されていることが好ましい。

本実施形態における一対の電極板５００は、上記したエキスパンドメタルである。そのため、本実施形態においては、エキスパンドメタルの各メッシュを複数の通過孔５０３として採用している。

次に、通過孔５０３の形状が、図７に示すように、その上方に内角４５度以下の頂角５０４を有する形状であることが好ましい理由を説明する。

電気分解板５によって純水１３が電気分解される場合、水素ガスは陰極板５０２とイオン交換膜５１０との接触面で発生し、酸素ガスは陽極板５０１とイオン交換膜５１０との接触面で発生する。そして、水素ガス及び酸素ガスは、それぞれ、気泡１５となって発生する。

ここで、水素ガス及び酸素ガスの各気泡径は、それらの接触面付近においてナノレベルである。そのサイズの気泡１５は、電極板５００の通過孔５０３内において接触面側から各電極板５００の外側に移動される際にマイクロレベルの気泡径にまで成長する。

ここで、気泡１５がマイクロレベルからミリレベルの気泡径にまで成長する前に電極板５００の通過孔５０３から気泡１５を排出しないと、大きなサイズ（≧ミリレベルの気泡径）の気泡１５が電極板５００の通過孔５０３に滞留してしまい、電極板５００とイオン交換膜５１０との間にも大きなサイズの気泡１５が侵入する。気泡１５は絶縁性であるため、大きな気泡１５が接触面に侵入すると電極板５００とイオン交換膜５１０との間に生じる電解電流が妨害され、電圧上昇や温度上昇を引き起こすので、電気分解板５による電解効率が低下する原因になる。

上記の電解効率の低下は、低電力で駆動する卓上型水素ガス発生装置１にとって深刻な問題になる。また、本実施形態の卓上型水素ガス発生装置１は、純水１３を供給する給水ポンプや、電解槽６内の純水１３を循環させる循環ポンプなど、通過孔５０３内に生じる気泡１５を強制的に循環させる手段を有しない。そのため、気泡１５がミリレベルの気泡径にまで成長させないための通過孔５０３が極めて重要になる。

気泡１５がミリレベルの気泡径にまで成長する前に気泡１５を通過孔５０３から排出させるために好適な通過孔５０３の形状を比較するため、図５に示すような円形の通過孔５０３、図６に示すような頂角５０４が約１２０度の通過孔５０３、及び、図７に示すような頂角５０４が約３０度の通過孔５０３など、上部形状が異なる通過孔５０３に対して比較実験を行ったところ、図５〜図７に示すように、通過孔５０３の上部形状の違いに応じて水素ガス発生量に顕著な差を確認することができた。

以下の表２は、上記の実験結果を示している。表２内の水素ガス発生量は、電気分解板５に電流１Ａが供給されたときに水素ガスが７．０ｍｌ／ｍｉｎ発生した実測値に基づいて換算している。

通過孔５０３が円形の場合、表２に示すように、電気分解板５に６Ｖの定電圧を印加すると、電気分解板５における複数の通過孔５０３から約４．９ｍｌ／ｍｉｎの水素ガスが発生する。また、通過孔５０３が４５〜１８０度の場合、電気分解板５に６Ｖの定電圧を印加すると、電気分解板５における複数の通過孔５０３から約５．６ｍｌ／ｍｉｎの水素ガスが発生する。また、通過孔５０３が３０〜４５度の場合、電気分解板５に６Ｖの定電圧を印加すると、電気分解板５における複数の通過孔５０３から約７．７〜８．４ｍｌ／ｍｉｎの水素ガスが発生する。

図８は、表２から得られた通過孔５０３の頂角５０４と水素ガス発生量との関係を示すグラフである。表２及び図８に示す通り、通過孔５０３の頂角５０４が６０度から４５度に変化する過程において、水素ガス発生量が急激に上昇することが明らかである。これは、通過孔５０３の頂角５０４が４５度以下になると、通過孔５０３内の気泡１５が通過孔５０３の上部に滞留し難くなって通過孔５０３から気泡１５が離脱することによるものと考えられる。

上記の実験により得られたデータから上記の電気分解板５の電解効率を計算してみると、図５及び図６に示すような通過孔５０３が円形状又は通過孔５０３の頂角５０４が４５度以上の電気分解板５の電解効率は約６５〜７０％であった。それに対し、図７に示すような通過孔５０３の頂角５０４が４５度以下の電気分解板５の電解効率は、それらの電解効率から１０〜１５ポイントアップの約８０％であった。

上記の結果は、気泡発生の目視確認からも明らかである。通過孔５０３が円形の場合や、通過孔５０３の頂角５０４が約１２０度の場合、図５及び図６に示すように、通過孔５０３から発生する気泡１５はミリレベルの気泡径であることを確認することができる。それに対し、通過孔５０３の頂角５０４が約３０度の場合、図７に示すように、通過孔５０３から発生する気泡１５はマイクロレベルの気泡径であることを確認することができる。

すなわち、通過孔５０３の形状は、図７に示すように、その上方に内角４５度以下の頂角５０４を有する形状であることが好ましいことがわかる。

（電極板５００の厚さ）
また、気泡１５は、上記の通り、電極板５００の通過孔５０３内において電極板５００とイオン交換膜５１０との接触面側から各電極板５００の外側に移動する。そのため、電極板５００の厚さが薄くなるほど、気泡１５が通過孔５０３内に滞留し難くなるので、通過孔５０３から気泡１５が発生しやすくなることが容易に理解できる。これは、従来の電気分解板において、イオン交換膜５１０との密着性を向上させるため、厚手の電極板を用いていた従来の考え方とは大きく異なる革新的な考え方である。

そこで、本実施形態の電極板５００の厚さは、上記を考慮し、０．３〜０．５ｍｍに設定されている。

（イオン交換膜５１０）
イオン交換膜５１０は、図３に示すように、純水１３の吸収により膨張する平滑な弾性膜である。イオン交換膜５１０としては種々の市販品を利用することができる。本実施形態のイオン交換膜５１０は、デュポン社製イオン交換膜「Ｎａｆｉｏｎ Ｎ−１１７ＣＳ」である。この場合、イオン交換膜５１０は、純水１３の吸収により約１２〜１５％膨張する。また、本実施形態のイオン交換膜５１０は、一対の電極板５００よりも一回り大きく、高さ１１０ｍｍ×幅７０ｍｍ×厚さ０．１７ｍｍに設定されている。

また、イオン交換膜５１０は、図４に示すように、８個のリベット穴５１１を有することが好ましい。これら８個のリベット穴５１１は、一対の電極板５００（エキスパンドメタル）がそれぞれ有する通過孔５０３（メッシュ）の同軸上に設けられ、かつ、通過孔５０３よりも小さな複数のリベット穴５１１を電極板５００の接触面に均等に形成されている。本実施形態のリベット穴５１１の内径は、１．８〜１．９ｍｍに設定されている。

また、イオン交換膜５１０は、液体及び気体の通過孔を有しない。詳細は後述するが、上記の８個のリベット穴５１１は、液体及び気体を通過させない構造なので、上記した液体及び気体の通過孔に含まれない。

（固定部５２０）
固定部５２０は、イオン交換膜５１０の両面に一対の電極板５００をそれぞれ密着させる。一対の電極板５００及びイオン交換膜５１０が密着していないと、一対の電極板５００とイオン交換膜５１０との間の通電抵抗が大きくなり、電気分解板５の電解効率が低下するため、固定部５２０による密着性能は重要になる。

一対の電極板５００及びイオン交換膜５１０の密着方法としては、従来と同様、湾曲し難い厚めの電極板５００でイオン交換膜５１０を挟み込み、電極板５００の周囲４か所及び中央１箇所の合計五か所でボルト止めする方法も考えられる。しかし、電気分解板５にボルト等の大きな突起物が多数存在すると、電極板５００から発生する水素ガスや酸素ガスの気泡１５がその突起物に吸着し、気泡１５の上昇を妨げることになる。また、突起物の体積が大きくなるほど、電解槽６に貯蔵する純水１３の容量が減少する。その結果、水素ガスの発生量が低下する。

なお、突起物への気泡１５の吸着に関しては、電解槽６に循環ポンプを接続することによってその吸着を減らすことも可能である。しかし、本実施形態の卓上型水素ガス発生装置１は、小型化、携帯性向上及び安価性を考慮し、循環ポンプを備えていない。

そのため、本実施形態の固定部５２０は、図２〜図４に示すように、小さなリベットであることが好ましい。

（リベット）
本実施形態の固定部５２０としてのリベットは、密着性を高めるため、図４に示すように、電極板５００の周囲に沿って長方形状に４個配置されていると共に、電極板５００の中央部において縦長の菱形形状に４個配置されている。また、固定部５２０としてのリベットは、密着性を高めるため、液体を吸収したときに膨張することが好ましい。

これらのリベットは、熱可塑性プラスチック製であり、図３に示すように、リベット軸５２１と、２個のリベット頭部５２２と、により構成されている。

また、熱可塑性プラスチックスは、耐水性及び数十度の温度に耐えられる耐熱性を有する。熱可塑性プラスチックスとしては、例えば、耐熱塩化ビニール（ＰＶＣ）、ポリカーボネー卜（ＰＣ）、ポリプロピレン（ＰＰ）などが挙げられる。

（リベット軸５２１）
リベット軸５２１は、図３に示すように、電極板５００の通過孔５０３及びリベット穴５１１に挿入される。このリベット軸５２１は、通過孔５０３の内径よりも小さく、かつ、リベット穴５１１の内径よりも大きな外径に設定されている。本実施形態のリベット軸５２１の外径は、イオン交換膜５１０のリベット穴５１１よりも約１０％大きな、２ｍｍに設定されている。

（リベット頭部５２２）
２個のリベット頭部５２２は、図３に示すように、リベット軸５２１の両端に形成されている。

図９は、本実施形態の固定部５２０としてのリベットにおける一方のリベット頭部５２２が未だ形成されていない場合におけるリベットの挿入発生状態を示す概念図である。図１０は、本実施形態の固定部５２０としてのリベットにおける一方のリベット頭部５２２が形成された場合におけるリベットの挿入発生状態を示す概念図である。

これら２個のリベット頭部５２２のうち、一方のリベット頭部５２２は、図９に示すように、通過孔５０３及びリベット穴５１１にリベット軸５２１を挿入する前に、リベット軸５２１の一端を超音波又は加熱金型により溶融及び冷却して傘状に形成されている。そして、一方のリベット頭部５２２のみが形成された未完成のリベットのリベット軸５２１がリベット穴５１１に挿入された後、図１０に示すように、リベット軸５２１の他端を超音波又は加熱金型により溶融及び冷却して他方のリベット頭部５２２を傘状に形成する。

上記の完成したリベット及びイオン交換膜５１０は、電解槽６に供給された純水１３によって膨張する。この膨張により、リベット穴５１１とリベット軸５２１との間の空隙がなくなり、リベット穴５１１が完全に封口される。これにより、イオン交換膜５１０のリベット穴５１１から液体及び気体の移動が一切なくなる。

［電解槽６］
本実施形態の電解槽６は、図３に示すように、電気分解板５を仕切板として、水素ガス発生槽６０２及び酸素ガス発生槽６０１の２室に仕切られている。水素ガス発生槽６０２は、水素ガスが発生する陰極板５０２側に形成される槽である。また、酸素ガス発生槽６０１は、酸素ガスが発生する陽極板５０１側に形成される槽である。これら水素ガス発生槽６０２及び酸素ガス発生槽６０１は、所定の水位に保たれた純水１３をそれぞれ貯蔵している。

本実施形態の電解槽６は、縦長に伸びる中空直方体形状に形成されており、その寸法は、図３に示すように、電解槽６の正面から見て、高さ１１０ｍｍ×幅７０ｍｍ×奥行き４３ｍｍに設定されている。この場合、電解槽６の容量は約１９２ｍｌとなる。

また、本実施形態の電解槽６における理想的な水位は、電気分解板５による電解効率の向上と純水１３の溢出防止を考慮し、約７０％（約６０ｍｍ）に設定されている。この場合、純水１３の容量は約１４４ｍｌとなる。

また、本実施形態における電解槽６の水位（水素ガス発生槽６０２の水位及び酸素ガス発生槽６０１の水位）の変化は、約±５％（約±５ｍｍ）の範囲に設定されている。この場合、上限水位と下限水位との水位差１０ｍｍ分の純水１３の容量は、約２４ｍｌとなる。

なお、本実施形態の卓上型水素ガス発生装置１は、純水１３１．０ｍｌから約１２００ｍｌの水素ガスを発生させることができる。つまり、電解槽６へ給水が一切ない状態であっても、本実施形態の卓上型水素ガス発生装置１は、上限水位と下限水位との水位差１０ｍｍ分の純水１３の容量約２４ｍｌから２８８００ｍｌの水素ガスを発生させることができる。これは、水素ガスの発生量が最大の毎分１０ｍｌの場合であっても、卓上型水素ガス発生装置１は水素ガスを約４８時間も発生させ続けることができる。

また、本実施形態の電解槽６は、図２〜図４に示すように、２個の分割ケース６１１及び締結部６１２により構成されていることが好ましい。

（分割ケース６１１）
２個の分割ケース６１１は、図２〜図４に示すように、縦長に伸びる中空直方体形状の容器を上下方向に分割して得た形状に形成されている。この分割ケース６１１は、アクリル樹脂等の透明プラスチック製であり、電気分解板５から水素ガス及び酸素ガスの発生、電解槽６内の純水１３の水位等が確認可能になっている。

（締結部６１２）
また、締結部６１２は、図３に示すように、一対の電極板５００よりも大きく形成されたイオン交換膜５１０の周縁部を２個の分割ケース６１１の周縁部で挟んだ状態にした後、図４に示すように、２個の分割ケース６１１を一体に締結する。締結部６１２としては、図４及び図３に示すように、水素ガス発生槽６０２又は酸素ガス発生槽６０１を正面から見たときの分割ケース６１１の周縁において２個の分割ケース６１１を貫通する複数のネジ又はボルト・ナットであることが好ましい
電気分解板５を構成する乾燥したイオン交換膜５１０を２個の分割ケース６１１で挟み、その２個の分割ケース６１１を締結部６１２で締結することにより電解槽６を形成した後、この電解槽６に純水１３を給水し、電解槽６の漏れ実験を行った。電解槽６への給水から長時間（約５０時間）経過後であっても、電解槽６から純水１３の漏れを確認することができなかった。そのため、供給された純水１３で膨張したイオン交換膜５１０の周縁部は、２個の分割ケース６１１の合わせ面におけるソフトガスケットの役割を十分に果たしているといえる。

［水素ガス加圧部７］
水素ガス加圧部７は、図２に示すように、水素ガス発生槽６０２から発生する水素ガスを所定の圧力で加圧しながら取り出すように構成されている。水素ガス加圧部７による所定の圧力とは、水素ガス発生槽６０２に貯蔵された純水１３の水位が所定（基準水位７０％（約６０ｍｍ）＋５％（約±５ｍｍ）の範囲）以上に上昇することを抑える圧力である。本実施形態において、水素ガス加圧部７による所定の圧力は、１００〜４００Ｐａに設定されている。

また、本実施形態の水素ガス加圧部７は、水素ガス貯留部７１０と、水素ガス中継部７２０と、水素ガス取出部７３０と、を有することが好ましい。

（水素ガス貯留部７１０）
水素ガス貯留部７１０は、図２に示すように、所定水位の水１４を貯蔵する。本実施形態の水素ガス貯留部７１０は、透明ガラス製の容器７１１と、貯留部用ゴム栓７１２と、により構成されている。容器７１１は、高さ約５０ｍｍに設定されている。また、貯留部用ゴム栓７１２は、容器７１１の蓋であり、水素ガス中継部７２０及び水素ガス取出部７３０がそれぞれ通過する２個の通過孔を有する。

水素ガス貯留部７１０に貯蔵される水１４は、電気分解のための純水１３ではなく、水素ガス発生を視認するための水１４、及び、水素ガス取出し部から取り出された水素ガスが引火した時の消火水として使用するための水１４である。そのため、水素ガス貯留部７１０に貯蔵される水１４としては、純水１３が好ましいが、水道水であってもよい。

水素ガス貯留部７１０の水位は、約３０〜４０ｍｍに設定されることが好ましい。これは、水素ガス発生槽６０２から発生する水素ガスに所定の圧力で加圧するため、及び、水素ガス発生槽６０２から水素ガス中継部７２０を経由して水素ガス貯留部７１０に中継された水素ガスを気泡１５として視認するため、である。

（水素ガス中継部７２０）
水素ガス中継部７２０は、図２に示すように、水素ガス発生槽６０２の上部に設けられた水素ガス排出口６２２から水素ガス貯留部７１０の下部までの間を、中継する。本実施形態の水素ガス中継部７２０は、水素ガス排出口６２２から貯留部用ゴム栓７１２を介して水素ガス貯留部７１０の容器７１１の下部までの間を接続する中継用接続パイプである。

水素ガス中継部７２０は、水素ガス発生槽６０２から水素ガス貯留部７１０の下部に水素ガスを中継する。また、水素ガス中継部７２０は、水素ガス貯留部７１０に貯蔵された所定水位の水１４の水圧により水素ガス発生槽６０２から発生する水素ガスを加圧する。

（水素ガス取出部７３０）
水素ガス取出部７３０は、図２に示すように、水素ガス貯留部７１０の上部から水素ガスを取り出す。本実施形態の水素ガス取出部７３０は、取出用接続パイプ７３１と、水素ガス取出口７３２と、により構成されている。取出用接続パイプ７３１は、水素ガス貯留部７１０の上部から貯留部用ゴム栓７１２を介して水素ガス取出口７３２までを接続する。水素ガス取出口７３２は、図１に示すように、正面パネル２０２の中央左側に配置されている。この水素ガス取出口７３２は、気管カニューレや実験用チューブなどの外部器具との接続手段となる。

［サージタンク８］
サージタンク８は、純水１３を貯蔵すると共に、水素ガス発生槽６０２及び酸素ガス発生槽６０１の各下部にそれぞれ接続される。本実施形態のサージタンク８は、透明プラスチック又は透明ガラス製のタンク本体８０１と、タンク用ゴム栓８０２と、排水コック８０３と、２本のタンク用接続チューブ８０４と、により構成されている。

タンク本体８０１は、電解槽６に供給する純水１３を貯蔵する容器であり、高さ約１００ｍｍに設定されている。また、タンク用ゴム栓８０２は、タンク本体８０１の蓋であり、タンク本体８０１に純水１３を供給するときに開閉される。排水コック８０３は、サージタンク８から純水１３を排水する場合に使用される。

２本のタンク用接続チューブ８０４は、タンク本体８０１の下部と水素ガス発生槽６０２の下部との間、及び、タンク本体８０１の下部と酸素ガス発生槽６０１の下部との間を、それぞれ接続する。水素ガス発生槽６０２及び酸素ガス発生槽６０１の各下部で接続する理由は、水素ガス発生槽６０２及び酸素ガス発生槽６０１からサージタンク８に水素ガス及び酸素ガスを移動させないためである。

［酸素ガス加圧弁９］
酸素ガス加圧弁９は、図２〜図４に示すように、酸素ガス発生槽６０１から発生する酸素ガスを所定の圧力で加圧しながら排出する。酸素ガス加圧弁９による所定の圧力とは、酸素ガス発生槽６０１に貯蔵された純水１３の水位が所定以上に上昇することを抑える圧力である。本実施形態の酸素ガス加圧弁９による所定の圧力としては、５０〜１５０Ｐａである。

また、酸素ガス加圧弁９は、図４に示すように、酸素ガス加圧用筒部９０１と、酸素ガス加圧用金属ボール９０２と、穴あきゴムキャップ９０３と、により構成されていることが好ましい。

酸素ガス加圧用筒部９０１は、酸素ガス発生槽６０１の上部に設けられた内径２〜３ｍｍの酸素ガス排出口６２１の上方に延在する。酸素ガス加圧用筒部９０１の内径は、酸素ガス加圧用金属ボール９０２の直径の１．２〜１．８倍の大きさに設定されている。酸素ガス加圧用筒部９０１は、酸素ガス排出口６２１と一体形成されていてもよいし、別体形成されていてもよい。

酸素ガス加圧用金属ボール９０２は、酸素ガス加圧用筒部９０１に内包されており、所定圧で酸素ガス排出口６２１を塞いでいる。酸素ガス加圧用金属ボール９０２の直径は、酸素ガス排出口６２１の内径よりも大きく、酸素ガス加圧用筒部９０１の内径よりも小さく設定されている。また、酸素ガス加圧用金属ボール９０２の重量は、上記した酸素ガス加圧弁９による所定の圧力を満たすように設定されている。本実施形態の酸素ガス加圧用金属ボール９０２は、直径４〜５ｍｍの２個のステンレス球であり、酸素ガス加圧用筒部９０１の内部で上下に積み重ねられている。

穴あきゴムキャップ９０３は、酸素ガス加圧用筒部９０１にごみが入らないように酸素ガス加圧用筒部９０１の上端口を覆いつつ、酸素ガス加圧用金属ボール９０２が所定圧以上で押し上げられて酸素ガス排出口６２１から酸素ガスが排出されたときにその酸素ガスを大気開放する。

［逆流防止弁１０］
逆流防止弁１０は、定電流制御回路３の電源スイッチ３０３をオフにして電気分解板５による電気分解を停止させたときに水素ガス発生槽６０２で発生する負圧を利用して、水素ガス発生槽６０２を大気開放する。本実施形態の逆流防止弁１０による開放負圧としては、−１００〜２００Ｐａに設定されている。

また、逆流防止弁１０は、水素ガス排出口６２２、又は、水素ガス中継部７２０のいずれか一方に設けられている。本実施形態の逆流防止弁１０は、感応度を高めるため、水素ガス排出口６２２の側方において、水素ガス排出口６２２に接続されている。

また、逆流防止弁１０は、逆流防止弁用筒部１０１と、逆流防止弁用金属ボール１０２と、を有することが好ましい。逆流防止弁用筒部１０１は、その下方に大気開放口１０３を有している。この大気開放口１０３の内径は、逆流防止弁用金属ボール１０２の直径よりも小さく設定されている。

逆流防止弁用金属ボール１０２は、逆流防止弁用筒部１０１に内包されており、所定圧で大気開放口１０３を塞いでいる。逆流防止弁用金属ボール１０２の直径は、大気開放口１０３の内径よりも大きく、逆流防止弁用筒部１０１の内径よりも小さく設定されている。また、逆流防止弁用金属ボール１０２の重量は、上記した開放負圧で大気開放口１０３から逆流防止弁用金属ボール１０２が離れて浮き上がり、水素ガス発生槽６０２が負圧から正圧（＞０Ｐａ）に切り替わったときに逆流防止弁用金属ボール１０２が大気開放口１０３をすばやく塞ぐように、設定されている。本実施形態の逆流防止弁用金属ボール１０２は、直径２〜３ｍｍの２個のステンレス球であり、逆流防止弁用筒部１０１の内部で上下に積み重ねられている。

［気体抜き部１１］
気体抜き部１１は、サージタンク８への給水時に、水素ガス発生槽６０２及び酸素ガス発生槽６０１の各上部に封入された気体を抜く。この気体抜き部１１は、水素ガス発生槽６０２及び酸素ガス発生槽６０１の各上部や、その各上部に接続された部材などに、配置される。

本実施形態の気体抜き部１１は、気体抜き用ゴム栓１１１と、気体抜き用ゴムキャップ１１２と、により構成されている。気体抜き用ゴム栓１１１は、水素ガス発生槽６０２の気体抜き用に設けられており、水素ガス排出口６２２の上部開口を覆う。また、気体抜き用ゴムキャップ１１２は、酸素ガス発生槽６０１の気体抜き用に設けられており、酸素ガス発生槽６０１の上部から上方に延在する気体抜き用筒部の上部開口を覆う。

次に、本実施形態の卓上型水素ガス発生装置１における動作フローを説明する。

［水素ガスの発生開始］
図１に示すように、電源スイッチ３０３をオンにすると、確認ランプ３０４が点灯し、図２に示すように、定電流制御回路３から所定の定電流が水素ガス発生量メータ４を経由して電気分解板５に供給される。また、水素ガス発生量メータ４は、図１に示すように、表１に示した電流値と水素ガス発生量との関係に基づいて水素ガス発生量を示す。定電流制御回路３から供給される所定の定電流の変更は、図１及び図２に示すように、設定用ボリューム３０２の操作によって可能になっている。

定電流制御回路３から供給される電流は、電気分解板５の陽極板５０１及び陰極板５０２にそれぞれ供給される。また、陽極板５０１及び陰極板５０２からなる一対の電極板５００は、固定部５２０によってイオン交換膜５１０の両面に密着している。そのため、電解槽６に供給された純水１３に酸やアルカリなどの電解促進物を添加することなく、純水１３が電気分解する。その結果、陰極板５０２及びイオン交換膜５１０の接触面から水素ガスが発生すると共に、陽極板５０１及びイオン交換膜５１０の接触面から酸素ガスが発生する。

（水素ガスの早期離脱）
ここで、一対の電極板５００は、頂角５０４５０４が４５度以下に設定された複数の通過孔（メッシュ）５０３を有するエキスパンドメタルにより構成しているため、発生初期における気泡径ナノレベルの水素ガス及び酸素ガスの気泡１５が、図７に示すように、気泡径ミリレベルの気泡１５に成長する前に、気泡径マイクロレベルの気泡１５の状態で一対の電極板５００から離脱する。

（水素ガスの加圧）
また、電気泳動の影響により、電気分解の開始時から時間の経過とともに、酸素ガス発生槽６０１に貯蔵された純水１３が水素ガス発生槽６０２に移動する。そのため、水素ガス発生槽６０２から発生する水素ガスを何ら加圧することなく排出してしまうと、水素ガス発生槽６０２から純水１３が溢れ出すと共に、酸素ガス発生槽６０１に貯蔵される純水１３が不足する。そのため、水素ガス加圧部７は、図２に示すように、水素ガス発生槽６０２から発生する水素ガスを加圧しながら取り出す。この加圧原理は次の通りである。

水素ガス発生槽６０２の水素ガス排出口６２２から排出された水素ガスは、水素ガス中継部７２０を中継して、水素ガス貯留部７１０の下部までたどり着く。水素ガス貯留部７１０は所定水位の水１４を貯蔵しているため、水素ガスが水素ガス中継部７２０から水素ガス貯留部７１０に移動するには、水素ガスの排気圧（１５０〜５００Ｐａ）がその移動の際に水素ガス貯留部７１０から受ける水圧（約１００〜２５０Ｐａ）よりも高くなければならない。この水圧が水素ガス発生槽６０２から発生する水素ガスに加圧する所定の圧力となる。

（電解槽６の自動水位調整）
上記した水圧の調整は、水素ガス貯留部７１０に貯蔵される水１４の水位を調整することにより行う。ただし、水素ガス貯留部７１０における水位が好適な水位（例えば３０ｍｍ）よりも高くなり、水圧が好適な圧力よりも高くなると、水素ガス発生槽６０２に与える高い水圧の影響により、水素ガス発生槽６０２から酸素ガス発生槽６０１に純水１３が移動してしまう。そして、その結果、酸素ガス発生槽６０１から純水１３が溢れ出てしまう。このことから、電解槽６の水位（水素ガス発生槽６０２の水位及び酸素ガス発生槽６０１の水位）を一定かつ容易に調整するため、水素ガス加圧部７の他にも電解槽６への加圧調整手段を備えていることが好ましい。

本願の発明者が多くの実験を行った結果、電解槽６の水位を基準水位から±５ｍｍ（基準水位の±約５％）の範囲に保つためには、卓上型水素ガス発生装置１にサージタンク８及び酸素ガス加圧弁９を設置することが有効であることが明らかとなった。

サージタンク８は、図２に示すように、水素ガス発生槽６０２及び酸素ガス発生槽６０１に接続するだけで、水素ガス発生槽６０２及び酸素ガス発生槽６０１に過剰に流入した純水１３を一時的に蓄える。これにより、水素ガス発生槽６０２及び酸素ガス発生槽６０１における急激な流入量の増減を緩和し、電解槽６の水位が平準化する。

また、酸素ガス加圧弁９は、酸素ガス発生槽６０１から発生する酸素ガスを加圧しながら排出する。上記の酸素ガス加圧弁９による所定の圧力の微調整を行う場合、図３及び図４に示すように、穴あきゴムキャップ９０３を取り外し、酸素ガス加圧弁用金属ボール９０２の大きさや個数等を変更して酸素ガス加圧弁用金属ボール９０２の総重量を調整し、穴あきゴムキャップ９０３を元の位置に取り付ければよいだけなので、従来のばね式加圧弁と比較して、その微調整が容易である。

そして、水素ガス加圧部７、サージタンク８及び酸素ガス加圧弁９の相乗効果により、電解槽６の水位が容易に安定しながら水素ガスの発生が継続する。

（水素ガスの目視確認）
水素ガス発生槽６０２から発生した水素ガスが水素ガス加圧部７の水素ガス中継部７２０を中継して水素ガス貯留部７１０に侵入すると、図２に示すように、その水素ガスは気泡１５となって水素ガス貯留部７１０に貯蔵された水１４の中を移動する。図１に示す保護筐体２の確認窓２３０から水素ガス貯留部７１０をのぞくとこの水素ガスの気泡１５を見ることができるので、目に見えない水素ガスが発生しているか否かを目視確認することができる。

（水素ガスの供給）
水素ガス貯留部７１０の上方に貯留された水素ガスは、図２に示すように、水素ガス取出部７３０の水素ガス取出口７３２に接続された気管カニューレや実験用チューブなどの外部器具を介して、吸引用や実験用などに供給される。

［水素ガスの発生停止］
卓上水素ガス発生装置からの水素ガスの発生を停止させる場合、図１に示すように、電源スイッチ３０３をオフにし、確認ランプ３０４が消灯することを確認する。

（逆流防止）
電源スイッチ３０３をオフにしてしばらくすると、電解槽６の純水１３が冷却されることにより電解槽６内が減圧状態になり、水素ガス貯留部７１０の水１４が水素ガス中継部７２０を介して電解槽６に逆流しようとする。その際、図４に示すように、逆流防止弁１０の逆流防止弁用金属ボール１０２が電解槽６のわずかな負圧（−１００〜２００Ｐａ）に迅速に反応して浮き上がり、水素ガス発生槽６０２を大気開放する。これにより、水素ガス貯留部７１０の水１４は逆流せず、水素ガス貯留部７１０に留まる。また、水素ガス発生槽６０２が大気開放されてその圧力が０Ｐａになると、逆流防止弁用金属ボール１０２が大気開放口１０３を塞ぐので、電解槽６内の水位及び圧力関係が維持される。

［純水１３の供給］
図２に示すように、サージタンク８の排水コック８０３４２が閉じていることを確認してから、タンク用ゴム栓８０２を取り外す。また、電解槽６に取り付けられた気体抜き用ゴムキャップ１１２及び気体抜き用ゴム栓１１１も取り外す。タンク用ゴム栓８０２、気体抜き用ゴムキャップ１１２及び気体抜き用ゴム栓１１１が取り外されたら、電解槽６の水位が電解槽６の容量の約７０％±５％（基準水位付近）となるように、かつ、サージタンク８の水位が約７０〜８０％となるように、純水１３をサージタンク８に供給する。供給を容易にするため、電解槽６及びサージタンク８に予めマーキングしておくとよい。

純水１３の供給が完了したら、タンク用ゴム栓８０２、気体抜き用ゴムキャップ１１２及び気体抜き用ゴム栓１１１を取り付ける。タンク用ゴム栓８０２、気体抜き用ゴムキャップ１１２及び気体抜き用ゴム栓１１１で密閉することにより、電解槽６及びサージタンク８の圧力関係は保たれ、サージタンク８は電解槽６の内部に生じる微妙な圧力変化を吸収する。

次に、本実施形態の卓上型水素ガス発生装置１の効果を説明する。

（１）本実施形態の卓上型水素ガス発生装置１は、液体及び気体の通過孔５０３を有しないイオン交換膜５１０と、イオン交換膜５１０の両面にそれぞれ密着する一対の電極板５００と、イオン交換膜５１０の両面に一対の電極板５００をそれぞれ密着させる固定部５２０と、を有する電気分解板５と、電気分解板５を仕切板として電気分解板５に仕切られると共に電気分解の対象となる純水１３をそれぞれ貯蔵する水素ガス発生槽６０２及び酸素ガス発生槽６０１を有する電解槽６と、水素ガス発生槽６０２に貯蔵された純水１３の水位が所定以上に上昇することを抑える圧力で水素ガス発生槽６０２から発生する水素ガスを加圧しながら取り出す水素ガス加圧部７と、を備えることを特徴とする。

本実施形態によれば、電気分解板５が水素ガス発生槽６０２及び酸素ガス発生槽６０１を空間分離する電解槽６の仕切板になるので、電気分解板５に通電したときに水素ガス及び酸素ガスを混合させることなく、それらを分離発生させることができる。また、電気分解の際の電気泳動により純水１３が酸素ガス発生槽６０１から水素ガス発生槽６０２に移動しても、水素ガス加圧部７が水素ガス発生槽６０２から発生する水素ガスを加圧するので、電気泳動により水素ガス発生槽６０２に移動した純水１３が水素ガス発生槽６０２から溢れ出してしまうことを防止することができる。

（２）また、本実施形態の卓上型水素ガス発生装置１は、純水１３を貯蔵すると共に、水素ガス発生槽６０２及び酸素ガス発生槽６０１の各下部にそれぞれ接続されるサージタンク８と、を更に備えることが好ましい。

本実施形態によれば、サージタンク８が水素ガス発生槽６０２及び酸素ガス発生槽６０１の各下部にそれぞれ接続されているので、サージタンク８が水素ガス発生槽６０２及び酸素ガス発生槽６０１に純水１３を供給しつつ、水素ガス発生槽６０２又は酸素ガス発生槽６０１の一方に偏った純水１３を他方に移動させることができる。また、サージタンク８が水素ガス発生槽６０２及び酸素ガス発生槽６０１の各下部にそれぞれ接続されているので、刻々と変化する電解槽６の水位や水素ガス及び酸素ガスの圧力差をサージタンク８により緩衝することができる。

（３）また、本実施形態の卓上型水素ガス発生装置１は、酸素ガス発生槽６０１に貯蔵された純水１３の水位が所定以上に上昇することを抑える圧力で酸素ガス発生槽６０１から発生する酸素ガスを加圧しながら排出する酸素ガス加圧弁９と、を更に備えることが好ましい。

本実施形態によれば、酸素ガス加圧弁９が閉じているときに酸素ガス発生槽６０１内の純水１３が大気圧以上の気圧で押圧されるので、水素ガス発生槽６０２から発生する水素ガスが水素ガス加圧部７によって加圧される反作用によって酸素ガス排出口６２１から純水１３が溢れ出すことを抑えることができる。また、酸素ガスが所定圧以上になったときに排出するので、酸素ガス発生槽６０１内が過剰気圧になって酸素ガス発生槽６０１や電気分解板５が破損することを防止することができる。

（４）また、本実施形態の卓上型水素ガス発生装置１において、水素ガス加圧部７は、所定水位の水１４を貯蔵する水素ガス貯留部７１０と、水素ガス発生槽６０２の上部に設けられた水素ガス排出口６２２から水素ガス貯留部７１０の下部までの間を中継する水素ガス中継部７２０と、水素ガス貯留部７１０の上部から水素ガスを取り出す水素ガス取出部７３０と、を有しており、水素ガス貯留部７１０に貯蔵された純水１３により生じる所定の水圧により水素ガスを加圧することが好ましい。

本実施形態によれば、水素ガス加圧部７に貯蔵された水１４の水圧により水素ガス発生槽６０２から発生する水素ガスが加圧されるので、加圧構造及び加圧調整を容易にすることができる。また、水素ガスは水素ガス貯留部７１０の水１４の中を通過するので、水素ガスの発生を気泡１５として確認することができる。また、水素ガス中継部７２０と水素ガス取出部７３０との間に水素ガス貯留部７１０の水１４が介在しているので、水素ガス取出部７３０から取り出された水素ガスが引火しても、水素ガス貯留部７１０に貯蔵された水１４がその引火を消火し、水素ガス発生槽６０２から発生する水素ガスに引火することを防止することができる。

（５）また、本実施形態の卓上型水素ガス発生装置１において、一対の電極板５００は、その上方に内角４５度以下の頂角５０４５０４を有する複数の通過孔５０３をそれぞれ有することが好ましい。

本実施形態によれば、頂角５０４５０４が４５度以上の通過孔５０３や上部形状が半円形又は半楕円形の通過孔５０３と比較して電気分解板５による電解効率を約１０〜１５％向上させることができる。これにより、電解槽６に循環ポンプを取り付けなくても水素ガス発生槽６０２から水素ガスを取り出すことができる。

（６）また、本実施形態の卓上型水素ガス発生装置１において、イオン交換膜５１０は、一対の電極板５００がそれぞれ有する通過孔５０３の同軸上に設けられ、かつ、通過孔５０３よりも小さな複数のリベット穴５１１を電極板５００の接触面に均等に有しており、固定部５２０は、通過孔５０３の内径よりも小さくかつリベット穴５１１の内径よりも大きな外径を有すると共に通過孔５０３及びリベット穴５１１に挿入されるリベット軸５２１と、リベット軸５２１の両端に形成されると共に少なくともその一方がリベット軸５２１を通過孔５０３及びリベット穴５１１に挿入された後に超音波又は加熱金型の押しつけにより溶融・冷却形成されることにより一対の電極板５００をイオン交換膜５１０の両面にそれぞれ密着させる２個のリベット頭部５２２と、を有していると共に、液体を吸収したときに膨張する熱可塑性プラスチック製のリベットであることが好ましい。

本実施形態によれば、リベット穴５１１が均等配置されていると共に２個のリベット頭部５２２が一対の電極板５００をイオン交換膜５１０の両面にそれぞれ密着させているので、一対の電極板５００とイオン交換膜５１０とを全面で均等に密着させることができる。また、リベット軸５２１の外径がリベット穴５１１の内径よりも大きくなっているので、電解槽６の純水１３や電気分解板５から発生したガスがリベット穴５１１を介して水素ガス発生槽６０２及び酸素ガス発生槽６０１を相互に通過することを防止することができる。

（７）また、本実施形態の卓上型水素ガス発生装置１において、酸素ガス加圧弁９は、酸素ガス発生槽６０１の上部に設けられた酸素ガス排出口６２１の上方に延在する筒部と、筒部に内包されており所定圧で酸素ガス排出口６２１を塞ぐ金属ボールと、を有することが好ましい。

本実施形態によれば、金属ボールの重量や個数を変更することによって酸素ガス排出口６２１を塞ぐ圧力を容易に変更することができるので、酸素ガスの排気圧を容易かつ微細に制御することができる。

（８）また、本実施形態の卓上型水素ガス発生装置１において、電解槽６は、閉じた容器を上下方向に分割して得た形状の２個の分割ケース６１１と、一対の電極板５００よりも大きなイオン交換膜５１０の周縁部を２個の分割ケース６１１の周縁部が挟んだ状態で２個の分割ケース６１１を一体に締結する締結部６１２と、を有することが好ましい。

本実施形態によれば、電解槽６の構造を簡素化することができる。また、２個の分割ケース６１１の周縁部にソフトガスケットを用いずとも、電解槽６の密封性を確保することができる。

（９）また、本実施形態の卓上型水素ガス発生装置１は、電気分解板５による電気分解停止時に水素ガス発生槽６０２で発生する負圧を利用して水素ガス発生槽６０２を大気開放する逆流防止弁１０と、を更に備えることが好ましい。

本実施形態によれば、電気分解の停止時に逆流防止弁１０が水素ガス発生槽６０２を大気開放するので、水素ガス貯留部７１０に貯蔵された水１４が水素ガス中継部７２０を通じて水素ガス発生槽６０２に逆流することを防止することができる。

（１０）また、本実施形態の卓上型水素ガス発生装置１において、逆流防止弁１０は、大気開放口１０３と、大気開放口１０３を所定圧で塞ぐ金属ボールと、を有すると共に、水素ガス排出口６２２又は水素ガス中継部７２０に取り付けられていることが好ましい。

本実施形態によれば、金属ボールが大気開放口１０３を塞いでいるので、スプリング式逆流防止弁１０と比較して、開放負圧を容易かつ微細に調整することができる。

（１１）また、本実施形態の卓上型水素ガス発生装置１において、電気分解板５は、純水１３の電気分解時において、水素ガスの発生量が最大１０ｍｌ／ｍｉｎ、かつ、電気分解板５から発生する水素ガスの発生圧力が１５０〜５００Ｐａとなるように電流制御されており、水素ガス加圧部７は、水素ガス発生槽６０２から発生する水素ガスを１００〜４００Ｐａで加圧し、酸素ガス加圧弁９は、酸素ガス発生槽６０１から発生する酸素ガスを５０〜１５０Ｐａで加圧し、逆流防止弁１０は、水素ガス発生槽６０２の負圧が−１００〜２００Ｐａのときに水素ガス発生槽６０２を大気開放することが好ましい。

本実施形態によれば、水素ガス及び酸素ガスの発生圧を詳細に制御することにより、電解槽６の内部の圧力が急上昇してイオン交換膜５１０のリベット穴５１１から水素ガス及び酸素ガスが強制通過してしまうことを防止することができる。また、各圧力を詳細に制御しながらサージタンク８が電解槽６に純水１３を供給するので、電解槽６の水位が±５ｍｍに維持され、水素ガス発生漕部及び酸素ガス発生漕部から純水１３が溢れ出すことを防止することができると共に、水素ガス及び酸素ガスの発生効率を維持することができる。また、開放負圧が０Ｐａに近似しているため、電解槽６の水位と発生ガスの圧力関係を維持したまま、逆流を防止することができる。

（１２）また、本実施形態の卓上型水素ガス発生装置１において、水素ガス発生槽６０２及び酸素ガス発生槽６０１の各上部又は各上部に接続された部材は、サージタンク８への給水時に水素ガス発生槽６０２及び酸素ガス発生槽６０１の各上部に封入された気体を抜く気体抜き部１１を有することが好ましい。

本実施形態によれば、サージタンク８への給水時に気体抜き部１１から電解槽６内の気体が給水分だけ抜けるので、電解槽６の圧力関係を維持することができる。

（１３）また、本実施形態の卓上型水素ガス発生装置１は、卓上型水素ガス発生装置１を覆う保護筐体２を更に備えており、保護筐体２は、水素ガス加圧部７内の純水１３を通過する水素ガスの気泡１５を視認するための確認窓２３０を有することが好ましい。

本実施形態によれば、確認窓２３０から水素ガスの気泡１５を視認することにより、目に見えない水素ガスの発生を目視で確認することができる。

（１４）また、本実施形態の卓上型水素ガス発生装置１は、電気分解板５に印加された電流値に応じて水素ガスの発生量を表示する水素ガス発生量メータ４と、を更に備えることが好ましい。

本実施形態によれば、水素ガス発生量メータ４を確認しながら、水素ガスの発生量を制御することができる。

すなわち、本実施形態の卓上型水素ガス発生装置１によれば、小型化や携帯性の問題などの従来技術における種々の不具合を改善した新規の卓上型水素ガス発生装置１を提供することができるという効果を奏する。

なお、本発明は、前述した実施形態などに限定されるものではなく、必要に応じて種々の変更が可能である。

１ 卓上型水素ガス発生装置
２ 保護筐体
３ 定電流制御回路
４ 水素ガス発生量メータ
５ 電気分解板
６ 電解槽
７ 水素ガス加圧部
８ サージタンク
９ 酸素ガス加圧弁
１０ 逆流防止弁
１１ 気体抜き部
１３ 純水
１４ 水
１５ 気泡
１０１ 逆流防止弁用筒部
１０２ 逆流防止弁用金属ボール
１０３ 大気開放口
１１１ 気体抜き用ゴム栓
１１２ 気体抜き用ゴムキャップ
２００ 本体支持部
２０１ 下面パネル
２０２ 正面パネル
２０３ 背面パネル
２１０ カバー部
２１１ 左側面パネル
２１２ 右側面パネル
２１３ 上面パネル
２２０ ネジ
２３０ 確認窓
２４０ ハンドル
２５０ 通気口
３０１ 電源
３０２ 設定用ボリューム
３０３ 電源スイッチ
３０４ 確認ランプ
５００ 一対の電極板
５０１ 陽極板
５０２ 陰極板
５０３ 通過孔
５０４ 頂角
５１０ イオン交換膜
５１１ リベット穴
５２０ 固定部
５２１ リベット軸
５２２ リベット頭部
６０１ 酸素ガス発生槽
６０２ 水素ガス発生槽
６１１ 分割ケース
６１２ 締結部
６２１ 酸素ガス排出口
６２２ 水素ガス排出口
７１０ 水素ガス貯留部
７１１ 容器
７１２ 貯留部用ゴム栓
７２０ 水素ガス中継部
７３０ 水素ガス取出部
７３１ 取出用接続パイプ
７３２ 水素ガス取出口
８０１ タンク本体
８０２ タンク用ゴム栓
８０３ 排水コック
８０４ タンク用接続チューブ
９０１ 酸素ガス加圧用筒部
９０２ 酸素ガス加圧用金属ボール
９０３ 穴あきゴムキャップ

Claims (1)

1. 液体及び気体の通過孔を有しないイオン交換膜と、前記イオン交換膜の両面にそれぞれ密着する一対の電極板と、前記イオン交換膜の両面に前記一対の電極板をそれぞれ密着させる固定部と、を有する電気分解板と、
   前記電気分解板を仕切板として前記電気分解板に仕切られると共に電気分解の対象となる純水をそれぞれ貯蔵する水素ガス発生槽及び酸素ガス発生槽を有する電解槽と、
   を備えており、
   前記電解槽は、
   閉じた容器を上下方向に分割して得た形状の２個の分割ケースと、
   前記一対の電極板よりも大きな前記イオン交換膜の周縁部を前記２個の分割ケースの周縁部が挟んだ状態で前記２個の分割ケースを一体に締結する締結部と、を有する
   ことを特徴とする卓上型水素ガス発生装置。
   
   

Images