JP2015000354A

JP2015000354A - 水素溶存水生成器

Info

Publication number: JP2015000354A
Application number: JP2013124572A
Authority: JP
Inventors: 寺島　健太郎; Kentaro Terajima; 健太郎寺島; 田中　章三; Shozo Tanaka; 章三田中
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2013-06-13
Filing date: 2013-06-13
Publication date: 2015-01-05

Abstract

【課題】水を電気分解することにより、水素溶存量の多い水素溶存水を生成し、利用することができる水素溶存水生成器を提供することを目的とする。【解決手段】金属電極１４を含む電気分解部２を有し、金属電極１４を陽極として生成させた水素イオン及び酸素を含む酸性水Ｗ1と、金属電極１４を陰極として生成させた水酸化イオン及び水素を含むアルカリ水Ｗ2とを混合する水素溶存水生成器であって、酸性水Ｗ1を、陰極が設置された電解槽１に導入する送液路５が設けられ、送液路５は、送液管８と、送液管８の途中に介装された送液ポンプ９とを備えたことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、陽極及び陰極からなる電気分解部を用いて水を電気分解することにより発生した水素を水中に溶存させる水素溶存水の生成器に関する。

従来の電解ユニットにおける電気分解を利用した水素溶存水生成器では、電解ユニットを用いて水溶液を電気分解し、水素溶存水を生成する場合、陽極側に白金電極、陰極側に活性炭電極を用いて電気分解を行い、陰極側で水素ガスを発生させ、同時に遊離した水酸化イオンを水溶液中に溶出させて水素を生成する手法が採られていた（特許文献１参照）。

かかる場合、陰極側で得られる電解水は、電気分解により水素が発生するほど、水酸化イオンが生成してアルカリ化するため、水素溶存度を高めた、特にｐＨ１１以上の水では生体組織に対する影響が出るため理美容用途や飲用用途に用いることができない。そこで、水素溶存水を生成するには、電解により発生した水素を別に用意した水にバブリングすることが必要とされていた。また、水素のバブリングを行う際、多くの水素ガスは水中に溶存せずに大気中に散逸してしまい、水素ガス発生の為のエネルギー効率の点から好ましくないという問題もあった。

他方、たとえば、特許文献２には、電解アルカリ水に、陽極側で得られた酸性の電解陽極水を混合することで、ｐＨを中性域に近づけて理美容用途や飲用用途に用いる方法が開示されている。しかしながら、この場合には、電解陽極水に含まれる溶存酸素が水中で溶存水素と競合する。水素の溶存量は飽和溶存量によって決まるため、通常のバブリングでは溶存水素量を最大化できず、ＯＲＰ（標準水素電極基準の酸化還元電位）を一定レベルまで低下させることはできても、そこからさらにＯＲＰを低下させるのは困難とされていた。

特開２０１０−８２２１２号公報特開２００１−３１４８７７号公報

ところで、特許文献２には、電解陽極水と電解陰極水を混合する際に、活性炭等の還元物質に接触させることにより、電解陽極水に含まれるＯＲＰ（標準水素電極基準の酸化還元電位）の高い活性塩素及び活性酸素を除去することができ、ＯＲＰを低下させることができる旨記載されている。

しかしながら、特許文献２に記載されているように電解陽極水と電解陰極水を混合する際に、活性炭等に接触させる方法では、活性炭を一定期間使用した後は、新しいものに取り換えるメンテナンスの手間が生じ、また、溶存酸素が溶存水素と競合するという問題はそのまま残されていた。

そこで、本発明においては、水を電気分解することにより、水素溶存量の多い水素溶存水を生成し、利用することができる水素溶存水生成器を提供することを目的とする。

上記問題点を解決するために、本発明に係る水素溶存水生成器は、陽極及び陰極から成る電気分解部を有し、前記陽極で生成させた水素イオン及び酸素を含む酸性水と、前記陰極で生成させた水酸化イオン及び水素を含むアルカリ水とを混合する水素溶存水生成器であって、前記酸性水を、前記陰極が設置された電解槽に導入する送液路が設けられ、前記送液路は、送液管と、前記送液管の途中に介装された送液ポンプとを備えたことを特徴とする。

本発明では、酸性水と、アルカリ水とを混合して電解水のｐＨを中性域に近づけるために、アルカリ水が生成する電解槽、すなわち、陰極が設置された電解槽に酸性水を導入する送液路が設けられる。上記構成によれば、酸性水が送液管及び送液ポンプを通過する際に受ける摩擦力やせん断力等の物理的ショックにより、水中に溶存する酸素が気泡として分離し、酸性水中の溶存酸素量が減少する。

したがって、酸性水とアルカリ水とを混合した後の電解水は、ｐＨが中性域に近づくとともに、電解水中の溶存酸素量が少なくなるため、多くの水素を溶存させることが可能となる。これにより、水素溶存量の多い水素溶存水生成器を提供することができる。

本発明では、電解槽が密閉容器内に設置され、送水管が霧化装置に接続され、酸性水は、霧化装置から霧化された状態で密閉容器内に導入される構成としてもよい。これにより、アルカリ水に溶け込まずに密閉容器の空間内に散逸した水素を、酸性水の霧粒子に接触させることによって、水素を水中にバブリングするよりも、酸素と水との接触面積を増加させることができ、効率よく水素を水中に溶存させることが可能となる。

また、酸性水を電気分解してアルカリ水を生成する場合、酸性水を電気分解する前に送液路を通過させ、霧化装置によって空気中に噴出させてもよい。この処理によって、酸性水に物理的ショックを与えて水中に溶存する酸素を効率よく分離することが可能となる。すなわち、霧化装置を脱酸素装置として使用することができる。なお、この場合、空気中に噴出する液滴を比較的大きな径とすることで、酸性水の脱酸素処理にかかる時間を短くすることができる。このようにして得た脱酸素処理済みの酸性水を電気分解すると、水素の溶存量を増加させることができる。

本発明の水素溶存水生成器は、電解槽は一槽式でも２槽式のいずれであってもよい。電解槽が一槽式の場合には、陽極及び陰極を同じ電解槽内に設置し、送液管の途中に貯水槽を介装すればよい。すなわち、本発明においては、酸性水とアルカリ水とを混合することから、電解槽が一槽だけの場合は、酸性水をいったん別の場所で保管する必要がある。そこで、酸性水を送る送液管の途中に貯水槽を介装することで、酸性水の保管・移動をスムーズに行うことが可能となる。

密閉容器には圧力を調整する圧力調整装置を設けてもよい。これにより、電解槽中で電気分解によって酸性水を生成する際に、密閉容器内を減圧することで酸性水中の酸素を容易に脱気することができる。

圧力調整装置として、あるいは、圧力調整装置の代わりに、密閉容器の天面を昇降可能に設けもよい。この場合、密閉容器の側壁の水面に近い高さにガス抜き弁を形成し、電解槽中で酸性水を生成した後に密閉容器の天面を下降させながらガス抜き弁からガスを排出する。酸性水生成時に発生する酸素ガスは、空気よりも重いため、水面近くに溜まる。したがって、密閉容器の天面を下降させながらガス抜き弁からガスを排出することで、水面近くに溜まった酸素ガスを効率よく密閉容器外に排出することができる。

以上のように、本発明によれば、酸性水を、前記陰極が設置された電解槽に導入する送液路が設けられ、前記送液路は、送液管と、前記送液管の途中に介装された送液ポンプとを備えたため、水素溶存量の多い水素溶存水を得ることが可能となる。

本発明の実施形態を示す水素溶存水生成器の構成を示す模式図である。上記水素溶存水生成器において、酸性水生成時の電気分解反応を説明するための模式図である。上水素溶存水生成器において、アルカリ水生成時の電気分解反応を説明するための模式図である。図１の水素水溶存水生成器の別の形態を示す模式図である。本発明の水素溶存水生成器の動作を説明するための模式図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明に係る水素溶存水生成器の構成を示す図であり、電解槽内で電気分解により酸性水を生成した後、生成した酸性水の半分を貯水槽に保管した状態を示す模式図である。

本実施形態の水素溶存水生成器は、水を電気分解する電解槽１と、電解槽１内に設置される陽極及び陰極からなる電気分解部２と、電解槽１に給水する給水口３と、電解槽１内の水を取水する取水部４と、電解槽１内の水を送り出して再び電解槽１の上方に還流させる送水路５とを備えている。電気分解部２は、電解槽１の下部に設置される。

電解槽１は、上部が密閉可能に覆われ、全体として密閉容器６が形成される。いいかえれば、密閉容器６の下部が電解槽１とされる。密閉容器６は、天面６ａが昇降装置７によって昇降可能に設けられる。送水路５は、送水管８と、送水管８の途中に介装される送水ポンプ９及び貯水槽１０とを備えている。送水管８は、一端側が送水管８を開閉する開閉弁１１を介して電解槽１に接続され、他端側が霧化装置１２を介して天面６ａに接続される。

開閉弁１１は、弁を開放したときに電気分解部２の電極全体が浸漬する程度の水を残して電解槽１内の水が送水路５に流入する高さに形成される。開閉弁１１を開放した後の電解槽１内に残存する水面に近い高さにガス抜き弁１３が設けられる。取水部４は、電解槽１の底部に形成され、電解槽１内で生成した水素溶存水Ｗ3を取水可能とされる。

電気分解部２の電極としては、電気分解によって溶解しない素材で構成されていればよく、導電性の炭素材料などでも良いが、水の電気分解を効率的に行いやすい金属電極を用いてもよい。金属電極の構成材料としては、例えば、白金、金、パラジウム、ロジウム、イリジウムの内、いずれか１つの金属（またはその合金）が好適であり、たとえば、チタンからなる電極の表面を白金でコートしたものでもよい。

金属電極を陽極として用いる場合、金属電極から酸素ガスを放出し、水素イオンが水中に遊離することで酸性水が生成する。金属電極を陰極として用いる場合には、金属電極から水素ガスを放出し、水酸化イオンが水中に遊離する。したがって、電気分解が一槽式の電解槽で実行される場合は、酸素ガスと水素ガスが同じ空間内で生成することになり、酸素ガスの存在により水中の水素溶存量が低下する。

そこで、電気分解が一槽式の電解槽で実行される場合は、金属電極と、イオンを吸脱着可能な電極とを組み合わせて用いることができる。イオンを吸脱着可能な電極を用いた場合、その電極表面では酸素ガスや水素ガスの放出は生じない。イオンを吸着脱可能な電極としては、前述のごとく、導電性の炭素材料（例えばカーボン繊維、活性炭など）からなる炭素電極を用いることができ、中でもイオンを吸着する比表面積の大きい活性炭を炭素電極の少なくとも一部に用いるのが好ましい。

本実施形態においては、電気分解部２を構成する電極として、金属電極である白金電極１４と、イオンを吸着脱可能な電極である炭素電極１５が用いられている。白金電極１４及び炭素電極１５は板状に形成され、立てた状態で電極表面が垂直方向を向くようにし、互いの電極１４，１５が水平方向に間隔をおいて対向配置される。

図２及び図３に示すように、白金電極１４及び炭素電極１５には、スイッチング回路１６を介して定電流発生源１７が接続される。白金電極１４及び炭素電極１５に供給される電流の向きは、制御装置１８において切り替え制御される。制御装置１８はマイコンからなり、電気分解部２に供給する電流量及び電流の向きを制御するほか、開閉弁１１及びガス抜き弁１３の開閉や、昇降装置７の昇降を制御する。

上記構成の水素溶存水生成器の動作について説明する。図５は、水素溶存水生成器の動作内容の概略を説明するための図である。先ず、開閉弁１１を閉鎖した状態で給水口３から一槽式の電解槽１内に水が供給される。使用する水としては、普通の水道水を用いることができる。なお、水道水単独での使用も可能であるが、必要に応じ、ＫＣｌ、ＮａＣｌ等の電解添加剤を０．１〜１ｗｔ％程度添加して電気分解を促進（電圧値を低下）させても良い。

電解槽１内が満水になった状態で電気分解が実施される。電気分解は、図２に示すように、白金電極１４を陽極、炭素電極１５を陰極として実行される。電気分解時は、白金電極１４から酸素ガスを放出し、残った水素イオンが水中に遊離することで、下記の反応式（１）に示すように酸性化し、酸性水Ｗ1が生成する。

一方、炭素電極１５では水道水等の水中に溶存しているＭｇイオン、Ｃａイオンなどの硬度成分が、下記反応式（２）で示すように炭素電極１５の有する多孔質吸着面に吸着する。これにより、得られた酸性水Ｗ1に含まれる硬度成分濃度を低減することができる。

具体的に、電気分解を行う水溶液が５００ｍＬの場合、５００ｍＡで４分間電気分解を行うことで、ｐＨ=３．２程度の酸性水が得られる。制御装置１８は、上記電気分解により酸性水Ｗ1を生成した後、開閉弁１０を開放する。これにより、全酸性水Ｗ1の半分の２５０ｍＬが貯水槽１０に導入され、電解槽１内には２５０ｍＬの酸性水Ｗ1が残って白金電極１４及び炭素電極１５を上端まで浸漬する。

密閉容器６内の空間には、酸性水生成に伴って発生した酸素ガスが溜まる。そこで、制御装置１８は、図２に示すように、ガス抜き弁１３を開放するとともに、昇降装置７によって天面６ａを下降させる。これにより、密閉容器６内の酸素ガスを速やかに密閉容器６の外部に排出することができる。なお、送水管８は、霧化装置１２を介して天面６ａに接続されている。したがって、送水管８は、霧化装置に近い側の少なくとも一部をフレキシブルな素材で構成し、かつ長さに余裕を持たせることで、天面６ａの上下動に追随可能としている。

制御装置１８は、天面６ａを元の位置まで上昇させた後、図３に示すように、先ほどとは極性を反転させた電流を流して電気分解を実行する。具体的に、炭素電極１５を陽極、白金電極１４を陰極として電気分解を実行する。これにより、陽極である炭素電極１５では電極表面に付着した硬度成分Ｍが下記反応式（３）に示すようにＭ²⁺となって水中に溶出する。

一方、陰極となる白金電極１４の表面では、下記反応式（４）で表される反応が起こり、水素ガス(Ｈ₂)と水酸化イオン(ＯＨ^-)が発生する。これにより、密閉容器６内の水（２５０ｍＬ）はアルカリ化（例えば、ｐＨ＝１０．８）し、水素が溶存した水素溶存水が生成する（以下、上記アルカリ性の水素溶存水を「アルカリ水」Ｗ2と称し、酸性水とアルカリ水とを混合したものを「水素溶存水」Ｗ3と称する）。水に溶存できなかった水素は、ガスとなって密閉容器６を満たす。

なお、ここで残留水に印加する電流値は酸性水Ｗ1の残留量に依らず、上記酸性水生成時の１．５〜２倍程度の電気量を流せば良い。例えば、上記酸性水Ｗ1の残留水（ｐＨ=３．０〜３．２）の場合、５００ｍＡで６分間、若しくは、４００ｍＡで１０分間、等の印加を行えば良い。また、白金電極１４及び炭素電極１５は一対以上であれば良く、一つの白金電極１４の両横を２つの活性炭電極１５で囲む形、等であっても良い。

また、本実施形態では、アルカリ水Ｗ2生成前に密閉容器６に溜まった酸素ガスを容器外に排出すると述べたが、そのほかにも例えば、密閉容器６に酸素ガスが残ったままアルカリ水Ｗ2生成のための電気分解を実行することもできる。この場合、ガス抜き弁１３は開放したままにしておく。そうすると、電気分解によって発生した水素ガスは酸素ガスに比べて軽いため、密閉容器６の上部に溜まり、酸素ガスを優先的に密閉容器６の外に放出することができる。

次いで、制御装置１８は、貯水槽１０に保管していた酸性水Ｗ1を送水ポンプ９によって送水管８を通じて霧化装置１２へと送り出す。このとき、酸性水Ｗ1が送液管８及び送液ポンプ９を通過する際に受ける摩擦力やせん断力等の物理的ショックにより、水中に溶存する酸素が気泡として分離し、酸性水Ｗ1中の溶存酸素量が減少する。

したがって、送水管８の長さを長くしたり、送水管８を蛇行させたりあるいはコイル状に設けたりして酸性水Ｗ1が受ける摩擦力を大きくすることにより、または、配管内に突起物を多数設けて、配管内通過時の摩擦力を大きくしても良い。なお、送液ポンプ９として回転数の高いものを使用して酸性水Ｗ1が受けるせん断力を大きくする等により、酸性水Ｗ1中の溶存酸素量をより減少させることができる。送水路５中で酸性水Ｗ1から分離した酸素ガスは、送水路５に形成したベントから外部へ排出すればよい。ベントは通気性を有するが液体を通さない素材で覆うことにより、酸素ガスのみ送水路５の外部に排出することができる。

酸性水Ｗ1は、霧化装置１２から霧化された状態で密閉容器６内に導入される。これにより、密閉容器６内に溜まった水素ガスが酸性水のミストＭに吸収される。水素ガスが溶け込んだ酸性水のミストＭは、電解槽１内のアルカリ水Ｗ2と混合して中和され、最終的には、水中に含まれる水素溶存量が多く、中性域に近いｐＨの水素溶存水Ｗ3を得ることができる。さらに、酸性水Ｗ1中の硬度成分量が少ないため、ミストとして密閉容器６内に導入したときに、容器内に蓄積するスケール量を抑制することができるという利点を有する。得られた水素溶存水Ｗ3は、取水部４から取り出して使用される。

酸性水Ｗ1とアルカリ水ｗ2の比率を変えることによって容易にｐＨを調整することができる。この様に、様々なｐＨについて水素溶存量を高めた水素溶存水Ｗ3を生成可能であるが、飲用用途、理美容用途を志向した場合、強酸性、強アルカリ性水は使用に向かないため、等容量近傍の分割比率の調整により、混合後のｐＨを５．０以上、９．０以下とするのが好適である。

霧化手段１２で発生する霧粒子の平均粒径は１００μｍ以上、５００μｍ以下であることが望ましい。なぜならば、水素ガスが効率的に溶存するためには、霧粒子の大きさは小さいほど好適である。しかし、平均粒径１００μｍ以下の粒径とすると、水素ガス溶存率は高くなる一方、酸性水Ｗ1の電解容器への供給速度が遅くなるためである。

また、上記水素溶存水生成器（及び生成した水素溶存水）は洗顔等の理美容用途として用いられることが望ましい。水素溶存量の多い水素溶存水Ｗ3は酸化還元電位（ＯＲＰ）が０〜−５００ｍＶ程度と低く、いわゆる還元水と呼ばれており、特に理美容用途については、肌に対するアンチエージング効果を奏するものとして期待されている（参考文献：温泉科学、第５５巻、ｐ．５５〜６３、２００５年）。

なお、理美容用途の他にも、電解槽１に水素溶存水Ｗ3の取り出し用の取水部４を設けることで、取水部４から取り出した水素溶存水Ｗ3を飲用用途の他、植物育成用途（ジョウロ等による散水、作物への噴霧、等）、に用いることができる。

以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えて実施することができる。たとえば、図４に示すように、板状の電極対（白金電極１４及び炭素電極１５）を、垂直方向に
平行に対向配置してもよい。

すなわち、白金電極１４及び炭素電極１５を横倒しにして電極表面が水平方向を向くようにし、白金電極１４と炭素電極１５とを垂直方向に間隔をおいて対向配置したため、電極の厚み方向が垂直方向となり、電極を立てた状態に比べて電解容器内に占める電気分解部の容積は小さくて済む。したがって、水素ガス発生用の空間を最大化でき、水素溶存水に含まれる水素溶存量を高めることが可能となる。

また、図４に示すように、送水路５において、酸性水に対する脱酸素（脱泡）装置１９を設けることが望ましい。すなわち、脱酸素装置１９を設けることで、酸性水生成時に同時に発生する酸素ガスを酸性水Ｗ1中から除去することが可能であり、電解槽Ｗ１に酸性水Ｗ1を還流する際に、密閉容器６内に溜まった水素ガスを酸性水が吸収する量を増加させることができる。

従って、電解槽１中に水素溶存量を高めた水素溶存水Ｗ2を生成することができる。なお、脱酸素装置１９としては、中空糸フィルター等の気液分離方式、真空減圧方式、超音波方式、噴霧方式、他の手段が挙げられるが、溶存酸素ガスが除去できる方法であれば、どの方法であっても良い。また、脱酸素装置１９は、電解槽１、送水管８あるいは貯水槽１０等に組み込むようにしてもよい。

さらに、電解槽１は一槽式に限らず、二槽式であってもよい。二槽式の電解槽を用いる場合は、酸性水Ｗ1を発生する側の電解槽を密閉せずに開放し、アルカリ水Ｗ2を発生する側の電解槽を密閉容器内に設け、酸性水が生成した電解槽からアルカリ水が生成した密閉容器内に酸性水を送り、霧化させた状態で密閉容器内に導入することで、水素溶存量を高めた水素溶存水Ｗ3を得ることができる。

さらにまた、本実施形態では、電解槽１で生成した酸性水Ｗ1の半分量を貯水槽１０に保管しているが、これに限らず、たとえば、生成する酸性水量を半分量とし、全ての酸性水を貯水槽１０に保管するようにしてもよい。この場合、アルカリ水Ｗ2は、新たに電解槽１に供給された水道水を電気分解することによって生成すればよい。

１電解槽
２電気分解部
３吸水口
４取水部
５送水路
６密閉容器
７昇降装置
８送水管
９送水ポンプ
１０貯水槽
１１開閉弁
１２霧化装置
１３ガス抜き弁
１４白金電極
１５炭素電極
１６スイッチング回路
１７定電流発生源
１８制御装置
１９脱酸素装置

Claims

陽極及び陰極から成る電気分解部を有し、前記陽極で生成させた水素イオン及び酸素を含む酸性水と、前記陰極で生成させた水酸化イオン及び水素を含むアルカリ水とを混合する水素溶存水生成器であって、前記酸性水を、前記陰極が設置された電解槽に導入する送液路が設けられ、前記送液路は、送液管と、前記送液管の途中に介装された送液ポンプとを備えたことを特徴とする水素溶存水生成器。
前記電解槽が密閉容器内に設置され、前記送水管が霧化装置に接続され、前記酸性水は、前記霧化装置から霧化された状態で前記密閉容器内に導入されることを特徴とする請求項１に記載の水素溶存水生成器。
前記電気分解部が一槽式の電解槽内に設置され、前記送液管の途中に貯水槽が介装されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の水素溶存水生成器。
前記密閉容器内の圧力を調整する圧力調整装置が設けられたことを特徴とする請求項２又は３に記載の水素溶存水生成器。
前記密閉容器の天面が昇降可能に設けられ、前記密閉容器の側壁の水面に近い高さにガス抜き弁が設けられたことを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の水素溶存水生成器。