JP2016172884A - ガス生成装置およびそれを用いた装置 - Google Patents

Abstract

【課題】所定のガスを容易に得ることができるガス生成装置を提供する。【解決手段】開示されるガス生成装置１００は、水性液体１０が配置される槽１１０と、セパレータ１３０と、第１の電極１２１と、第２の電極１２２とを含む。槽１１０内において、第２の電極１２２、セパレータ１３０の少なくとも一部、および第１の電極１２１は、槽１１０の下方からこの順に配置されている。セパレータ１３０の少なくとも一部を含むガス誘導部材が、第２の電極１２２の上方を覆うように配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、ガス生成装置、およびそれを用いた装置に関する。

水素ガスや酸素ガスは、化学の実験で用いられることが多い気体である。しかし、それらのガスを使用する場合、通常はガスボンベを用いることになり、ガスボンベの管理が大変であった。また、ガスボンベを用いる場合には、水素ガスや酸素ガスを使用する場所までガスボンベを移動させたり、配管を行ったりする必要があった。そのため、従来は、任意の場所で任意の時間に水素ガスや酸素ガスを得ることに対する労力が大きかった。

一方、水溶液を電気分解することによって水素ガスおよび酸素ガスを生成する装置が、従来から提案されている（たとえば特開２００４−１４３５０８号公報および特開２００７−２８４７３０号公報）。特開２００４−１４３５０８号公報の装置では、イオン交換膜を用いて電解液を電気分解している。しかし、イオン交換膜は、使用によって能力が低下するため、交換したり再生したりする必要があった。また、イオン交換膜の電気抵抗は比較的大きいため、電気分解の際に高い電圧を印加する必要があった。

特開２００４−１４３５０８号公報 特開２００７−２８４７３０号公報

このような状況において、本発明の目的の１つは、所定のガスを容易に得ることができるガス生成装置を提供することである。

上記目的を達成するため、本発明のガス生成装置は、水性液体を電気分解することによってガスを生成するガス生成装置であって、前記水性液体が配置される槽と、セパレータと、第１および第２の電極とを含み、前記槽内において、前記第２の電極、前記セパレータの少なくとも一部、および前記第１の電極は、前記槽の下方からこの順に配置されており、前記セパレータの少なくとも一部を含むガス誘導部材が、前記第２の電極の上方を覆うように配置されている。

ガスを利用する本発明の装置は、本発明のガス生成装置と、前記ガス生成装置で生成されたガスが流れるガス流路とを含む。

本発明のガス生成装置によれば、所定のガス（たとえば水素ガス）を容易に得ることができる。また、本発明によれば、所定のガスが溶解された液体を容易に調製できる。

本発明のガス生成装置の一例を模式的に示す断面図である。 電極およびセパレータの一例の構成を模式的に示す断面図である。 本発明のガス生成装置の他の一例を模式的に示す断面図である。 電極およびセパレータの他の一例の構成を模式的に示す断面図である。 接続部の一例を模式的に示す断面図である。 電極およびセパレータの他の一例の構成を模式的に示す断面図である。 本発明のガス生成装置を利用した装置の一例を模式的に示す図である。 本発明のガス生成装置を利用した装置の他の一例を模式的に示す図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。以下の説明において本発明の実施形態について例を挙げて説明するが、本発明は以下で説明する例に限定されない。以下の説明では、具体的な数値や材料を例示する場合があるが、本発明の効果が得られる限り、他の数値や材料を適用してもよい。

この明細書において、鉛直方向および水平方向とはそれぞれ、装置を使用状態に設置したときの鉛直方向および水平方向を意味する。具体的には、水平方向は、槽（電解槽）内に配置される液体の液面と平行な方向であり、通常は装置の底面（設置面）と平行な方向である。

（ガス生成装置）
本発明のガス生成装置は、水性液体を電気分解することによってガスを生成する。このガス生成装置は、水性液体を電気分解することによって水素ガスおよび酸素ガスを生成できる。さらに、水性液体中に塩素イオンや炭酸イオンが含まれる場合、塩素ガスや炭酸ガスを生成することも可能である。

本発明のガス生成装置は、水性液体が配置される槽と、セパレータと、第１および第２の電極とを含む。当該槽内において、第２の電極、セパレータの少なくとも一部、および第１の電極は、槽の下方からこの順に配置されている。当該セパレータの少なくとも一部を含むガス誘導部材が、第２の電極の上方を覆うように配置されている。以下では、第１の電極で生成されたガスを「第１のガス」といい、第２の電極で生成されたガスを「第２のガス」という場合がある。

この明細書において、「水性液体」とは、水を含む液体を意味する。以下では、本発明の装置で電気分解される水性液体を、「水性液体（Ａ）」という場合がある。典型的には、水性液体（Ａ）に含まれる水は、５０質量％以上（たとえば６０〜１００質量％や８０〜１００質量％や９０〜１００質量％）である。典型的な水性液体（Ａ）は、水素イオンおよび水酸化物イオンに加えて、それら以外のイオンを含む水溶液である。水性液体（Ａ）の例には、水道水が含まれる。

水性液体（Ａ）の電気伝導度が高いほど、水性液体（Ａ）の電気分解に必要な電圧を低くできる。そのため、水性液体（Ａ）は、酸性水溶液や、アルカリ性水溶液や、塩を溶解させた水溶液であってもよい。水性液体（Ａ）は、電気伝導度が１００μＳ／ｃｍ〜２０００μＳ／ｃｍの範囲（たとえば１００μＳ／ｃｍ〜５００μＳ／ｃｍ）にある水性液体（たとえば水道水）であってもよい。水性液体（Ａ）のｐＨに限定はないが、ｐＨが５〜９程度の範囲にある水性液体（Ａ）は、取り扱いが容易である。

水性液体（Ａ）の電気伝導度が低すぎる場合には、イオンを生じさせる化合物（たとえば塩）を水性液体（Ａ）に溶解させてもよい。溶解する塩に限定はない。水性液体（Ａ）の好ましい一例は、リン酸塩の水溶液である。リン酸塩の例には、ＮａＨ₂ＰＯ₄、Ｎａ₂ＨＰＯ₄、およびＮａ₃ＰＯ₄、ならびにこれらのＮａ⁺および／またはＨ⁺を他のアルカリ金属イオンに置き換えたものが含まれる。塩を溶解させる水には、純水に近い水（逆浸透膜で得られた水など）を用いてもよい。塩素イオンを含まない水性液体（Ａ）を用いることによって、アノードで次亜塩素酸が生成されることを防止できる。カルシウムイオンやマグネシウムイオンを含まない水性液体（Ａ）を用いることによって、カソードにそれらが析出することを防止できる。

槽（電解槽）は、水性液体（Ａ）を保持できる材料で形成される。槽は、ガラス、樹脂、ゴム、金属、またはこれらの複合体で形成してもよい。

ガス誘導部材によって、第１の電極で生成された第１のガスの気泡と第２の電極で生成された第２のガスの気泡とが、水性液体（Ａ）中で合体することが抑制される。ガス誘導部材は、セパレータ（隔膜）のみによって構成されてもよいし、セパレータと他の部材（たとえば樹脂製の板）とによって構成されてもよい。第１のガスの気泡と第２のガスの気泡とが合体することを抑制するために、ガス誘導部材は、第２の電極の上方の全てを覆うように配置されることが好ましい。

ガス誘導部材は、水性液体（Ａ）に浸漬された状態において、ガスの気泡の透過ができるだけ少ないことが好ましい。一方、セパレータには、水性液体（Ａ）およびイオン（陽イオンおよび陰イオン）を通過させることが求められる。絶縁性のセパレータを用いることによって、第１の電極と第２の電極とが短絡することを防止できる。そのため、セパレータは、通常、第１の電極と第２の電極との短絡を防止できる材料（たとえば絶縁材料）で形成される。セパレータの形態に特に限定はない。セパレータの形態の例には、多孔性の膜（多孔性樹脂膜など）や、繊維で形成された布（織布または不織布）が含まれる。セパレータの好ましい一例は、綿の布（織布または不織布）である。

ガス生成装置によってガスを生成している状態（セパレータが水性液体（Ａ）に浸漬されている状態）において、セパレータ（ガス誘導部材）は、ガスの透過を抑制する。ここで、以下の条件での電気分解を考える。
（１）下方から、第２の電極、セパレータ、および第１の電極の順に配置されており、それらは互いに平行であり且つ水平方向に対して５°傾いている。
（２）第２の電極の上方の全てを覆うようにセパレータが配置されている。
（３）第２の電極、セパレータ、および第１の電極の全てが水性液体（たとえばリン酸塩水溶液）中に配置された状態で水を電気分解する。

上記の条件で水を電気分解したときに、セパレータは、第２の電極で生成されたガス（酸素ガスまたは水素ガス）の気泡の５０体積％以上（たとえば、８０体積％〜１００体積％や、９０体積％〜１００体積％や、９５体積％〜１００体積％や、９７体積％〜１００体積％）を透過させないことが好ましい。第２の電極をアノードとして水を電気分解する場合、セパレータは、第２の電極で生成された酸素ガスの透過を上記範囲で抑制することが好ましい。ガスの透過性は、たとえば、セパレータの面密度、目の粗さ、透気度などによって制御できる。

セパレータは親水性であってもよい。親水性のセパレータは、その表面に水が吸着されやすく気体は吸着されにくいため、水性液体（Ａ）中でガスを透過させにくい。そのため、第１および第２の電極がセパレータに接触するほど両者を接近させても、水素ガスと酸素ガスとが混合されることを抑制できる。従って、親水性のセパレータを用いることによって、第１および第２の電極をより接近させることが可能である。親水性のセパレータの例には、表面が親水性である繊維を用いて形成されたセパレータが含まれる。また、親水性のセパレータの例には、綿、麻、レーヨン、毛、絹などで形成された布や膜が含まれる。親水性の合成樹脂からなるセパレータや、親水化処理された合成樹脂からなるセパレータを用いてもよい。

親水性であるか否かの目安として、毛管現象のような現象が生じるか否かを目安の１つとして挙げることができる。具体的には、セパレータの一部を水に浸漬し、残りの部分は水から出しておく。その時に、水が重力に逆らって当該残りの部分を上昇するようであれば、そのセパレータは、親水性であると推定できる。

本発明のガス生成装置で用いられるセパレータは、通常、イオン交換能を有さず、陽イオンおよび陰イオンの両方を通過させる。本発明の装置では、イオン交換材料を用いる必要はない。そのため、通常、本発明の装置は、イオン交換材料（イオン交換膜）を含まない。イオン交換材料を含まないことによって、装置の維持が容易になり、また、低い電圧で水を電気分解することが可能になる。ただし、本発明の効果が得られる限り、本発明の装置は、イオン交換材料を含んでもよい。

第１および第２の電極には、水の電気分解反応を生じさせることができる電極が用いられる。第１の電極と第２の電極とは、同じであってもよいし異なってもよい。第１および第２の電極の例には、金属部分を含む電極が含まれる。たとえば、第１および第２の電極は金属電極であってもよい。第１および第２の電極の表面には、水の電気分解反応が生じやすい金属が存在することが好ましい。水の電気分解反応が生じやすい金属の例には、白金が含まれる。第１および第２の電極の好ましい一例は、表面に白金が存在する金属電極である。具体的には、白金電極や、液体と接触する部分の表面が白金でコートされた金属電極が好ましく用いられる。白金でコートされる金属の例には、ニオブ、チタン、およびタンタル、およびその他の金属が挙げられる。特に、酸素ガスが生成される電極（アノード）の表面は白金でコートされることが好ましい。カソードは、たとえば、ニッケルやステンレスなどの、一般的に腐食が少ない金属からなる電極であってもよい。なお、金属以外の導電性材料（たとえば導電性の炭素材料）を含む電極を用いてもよい。また、それら導電性材料の表面を金属（白金その他の金属）でコートすることによって得られる電極を用いてもよい。

第１および第２の電極はそれぞれ、電気的に接続された複数の電極で構成されていてもよい。第１および第２の電極の形状に特に限定はない。第１および第２の電極はそれぞれ、１つの面（平面や曲面）に沿った形状を有してもよく、２次元方向に広がる形状を有していてもよい。たとえば、第１および第２の電極は、平らな電極であってもよい。この明細書において、「平らな電極」とは、全体として平らな形状の電極を意味し、換言すれば、２次元方向に広がる形状を有する電極を意味する。平らな電極の例には、線状の電極を１つの平面に沿って配置することによって形成された電極も含まれる。平らな電極には、貫通孔が形成されていてもよい。第１および第２の電極はそれぞれ、１つの平面に沿って配置された複数の線状の電極で構成されていてもよいし、エクスパンドメタルであってもよいし、板状の電極であってもよい。第１および第２の電極が平らな電極である場合、それらは、セパレータを挟んで、実質的に平行に、且つ、互いに対向するように配置されることが好ましい。

水の電気分解が生じる電位差を第１の電極と第２の電極との間に生じさせると、水が電気分解されて水素ガスと酸素ガスとが生成される。電位差は、たとえば、両者の間に直流電圧を印加することによって生じさせることができる。一例では、第１の電極がカソードとなり第２の電極がアノードとなるように両者の間に所定の直流電圧を印加する。この電圧印加によって、第１の電極で水素ガスが生成され、第２の電極で酸素ガスが生成される。なお、電圧の印加方向を逆にした場合、第１の電極で酸素ガスが生成され、第２の電極で酸素ガスが生成される。

第１の電極と第２の電極との間には、通常、直流電圧が印加される。水性液体（Ａ）が電気分解される限り、印加される電圧（電位差）の大きさおよび印加方法に特に限定はない。電圧は、電流が一定となるように電極間に印加してもよい。あるいは、電極間に一定の電圧を印加してもよい。一例では、２ボルト〜７０ボルトの範囲や５ボルト〜２０ボルトの範囲にある直流電圧が電極間に印加される。

第１および第２の電極は、それらの間に電圧を印加するための電源（通常、直流電源）に接続される。本発明の装置は、電源を含んでもよい。電源は、コンセントから得られる交流電圧を直流電圧に変換するＡＣ−ＤＣコンバータであってもよい。また、電源は、太陽電池や燃料電池などの発電装置や電池（一次電池および二次電池）であってもよい。

第１の電極および第２の電極は、セパレータを挟むように配置される。第１の電極と第２の電極との間の距離に特に限定はない。第１の電極と第２の電極との間の距離を短くすることによって、電気分解に必要な電圧を小さくできる。一例では、第１の電極と第２の電極との間の距離は、０．５ｍｍ〜３０ｍｍの範囲にある。なお、第２の電極とセパレータとの間にガスが滞留することを抑制する観点では、第２の電極とセパレータとの間に隙間があることが好ましい、第２の電極とセパレータとの間の距離は、０．５ｍｍ以上（たとえば０．５〜１５ｍｍや１〜１５ｍｍの範囲）であってもよい。

セパレータ（ガス誘導部材）のうち第１の電極と第２の電極との間に存在するセパレータ（ガス誘導部材）は、水平方向に対して傾いていてもよい。たとえば、セパレータのうち第１の電極と第２の電極との間に存在するセパレータが、水平方向に対して５°〜７５°の範囲（たとえば、５°〜６０°、５°〜４５°、１０°〜６０°、または１０°〜４５°の範囲）で傾いていてもよい。セパレータが傾いていることによって、第２の電極で発生したガスの気泡を、セパレータの端部に速やかに移動させることができる。これによって、セパレータの下面に気泡が滞留して電気分解の効率が低下することを抑制できる。第１の電極と第２の電極とは、セパレータを挟むように配置される。そのため、セパレータが傾いている場合、第１および第２の電極は、通常、セパレータと同様に傾いて配置される。

第２の電極の下方にもセパレータが配置されていてもよい。一例では、セパレータは、第２の電極を囲むように配置される。その場合のセパレータは、一方が開口している袋状（たとえば封筒状）のセパレータであってもよいし、両端が開口している筒状のセパレータであってもよい。

本発明のガス生成装置の例として、第１のガス生成装置および第２のガス生成装置について以下に説明する。以下では、第１のガス生成装置を「第１の装置」といい、第２のガス生成装置を「第２の装置」という場合がある。

（第１のガス生成装置）
第２のガス生成装置とは異なり、第１のガス生成装置（第１の装置）では、槽（電解槽）が仕切られていない。そのため、第１の電極で生成された第１のガスと第２の電極で生成された第２のガスとは、原則として混合される。第１の装置の電解槽から放出されるガスは、原則として、水素ガスと酸素ガスとの混合ガスである。しかし、ガス誘導部材が第２の電極の上方を覆うように配置されているため、第１のガスの気泡と第２のガスの気泡とが水性液体（Ａ）中で結合することが抑制される。

金属電極との親和力は、水素ガスの方が酸素ガスよりも低い。そのため、水の電気分解では、電極で生成される水素ガスの気泡は、電極で生成される酸素ガスの気泡よりも小さくなる。さらに、第２の電極で酸素ガスが生成される場合、酸素ガスの気泡は、セパレータ（ガス誘導部材）で上昇を妨げられてセパレータの下面を移動しながらセパレータ（ガス誘導部材）の端部まで移動し、その端部から水性液体（Ａ）中を上昇する。酸素ガスの気泡は、ガス誘導部材の下面を移動する際に、気泡同士が合体して大きな気泡となる。このように、本発明のガス生成装置では、水素ガスの気泡は酸素ガスの気泡よりも小さくなる。さらに、本発明のガス生成装置では、水素ガスの気泡と酸素ガスの気泡とが水性液体（Ａ）中で合体することが抑制される。その結果、酸素ガスに比べて水素ガスの方が水性液体（Ａ）中に溶解する速度が高くなる。そのため、本発明のガス生成装置によれば、溶存水素濃度が高い水性液体（Ａ）を短時間で得ることができる。

本発明のガス生成装置（第１および第２のガス生成装置）では、水性液体（Ａ）を電気分解することによってガスが溶解された水性液体を調製してもよい。すなわち、槽に配置されて電気分解された水性液体（Ａ）を、ガスが溶解された水性液体として利用してもよい。上述したように、本発明のガス生成装置によれば、溶存水素濃度が高い水性液体を調製できる。この場合、本発明のガス生成装置そのものが、ガス（水素ガスおよび／または酸素ガス）を液体に溶解させるためのガス溶解装置として機能する。

（第２のガス生成装置）
第２のガス生成装置（第２の装置）は、仕切りを含む。槽（電解槽）は、仕切りによって、水平方向に隣接する第１の槽と第２の槽とに仕切られている。仕切りには、ガス通過口が形成されている。第１の槽内において、第２の電極、セパレータの少なくとも一部、および第１の電極は、第１の槽の下方からこの順に配置されている。第２の電極で発生したガスがガス通過口を通って第２の槽に流れるように、ガス誘導部材がガス通過口に伸びている。第２の装置において、ガス誘導部材は、第２の電極で生成されたガスの気泡を第２の槽に導入するための部材である。

第１の槽と第２の槽とを仕切る仕切りは、第１の電極で生成されたガスと、第２の電極で生成されたガスとを分離するために設けられる。そのため、仕切りは、通常時においてガスを透過させない仕切りであることが好ましい。仕切りの例には、ガスおよび液体を透過させない材料（たとえば樹脂）からなる板状の仕切りが含まれる。

第１の槽には、第１のガス放出口が設けられる。第２の槽には、第２のガス放出口が設けられる。第１の電極で生成された第１のガスの大部分または全ては、第１のガス放出口から放出されることが好ましい。第２の電極で生成された第２のガスの大部分または全ては、第２のガス放出口から放出されることが好ましい。この明細書において「大部分」とは、特別な記載がない限り、７０％以上（７０〜１００％や、８０〜１００％や、９０〜１００％）を意味する。なお、「ガスの大部分」という場合の百分率は体積％を意味し、「電極の大部分」および「セパレータの大部分」という場合の百分率は面積％を意味する。

第２の装置において、第１の電極および第２の電極の大部分または全ては、第１の槽に配置される。好ましい一例では、第１の電極の全てが第１の槽に配置される。第２の電極で発生した第２のガスを第２の槽に移動させるために、第２の電極の上方の面積の大部分または全てがガス誘導部材（たとえばセパレータ）で覆われていることが好ましい。第２の装置で用いられるセパレータが封筒状または筒状のセパレータである場合、少なくともガス通過口側が開口している。

第２の装置では、セパレータのうち第１の電極と第２の電極との間に存在するセパレータが、第１の槽側から第２の槽側に向かって上昇するように傾いていてもよい。このようにセパレータを傾けることによって、第２の電極で生成されたガスを速やかに第２の槽に移動できる。水平方向に対するセパレータの角度は、上述した範囲としてもよい。第２の装置で用いられるセパレータが封筒状または筒状のセパレータである場合、少なくともガス通過口側が開口している。

仕切りの一部であって第１の電極およびガス通過口よりも上方の一部に、第１の槽と第２の槽とがつながっている接続部が存在してもよい。接続部は、気体および液体を通過させる。接続部は、貫通孔であってもよい。接続部は、電圧印加前の状態において水性液体（Ａ）中に存在する位置に形成されていてもよい。

接続部は、第１の槽における水性液体の液面、または、第２の槽における水性液体の液面が接続部まで低下したときに、気体（および液体）を通過させる。これによって、それら２つの液面が、接続部よりも下がることを防止できる。接続部は、第１および第２の槽のいずれかの槽における水性液体（Ａ）の液面が接続部まで下がっても、水性液体（Ａ）が槽の外部に漏れ出さない位置に設けられることが好ましい。また、電極より上に接続部を配置することによって、液面が低下して電極が露出することを防止できる。

水性液体（Ａ）中を上昇する気泡が上記接続部を通過することを抑制するための抑制手段が、接続部の周囲に設けられていてもよい。電極で発生したガス（気泡）が接続部を通過すると、第１の電極で発生したガスと第２の電極で発生したガスとが混合されてしまう。接続部の周囲に上記抑制手段を設けることによって、ガスの混合を抑制できる。抑制手段の例には、接続部の周囲（たとえば接続部の下方）に設けられた板や凸部が含まれる。

（本発明のガス生成装置を用いた装置）
本発明のガス生成装置は、様々な用途に利用できる。本発明のガス生成装置は、ガスを利用する装置の一部として用いてもよい。そのような装置は、本発明のガス生成装置と、ガス生成装置で生成されたガス（水素ガスおよび／または酸素ガスなど）が流れるガス流路とを含む。そのような装置の例には、ガスを溶解させるための装置や、ガス吸入装置が含まれる。それらについては後述する。

ガス流路に特に限定はなく、ガスが流れるものであればよい。ガス流路の例には、チューブなどの管が含まれる。液体やガスを保持する容器が、ガス流路の一部を構成してもよい。ガス流路には、流路を流れるガスを切り替える弁や、フィルタや、安全弁が設けられていてもよい。ガス流路の一端は、ガス放出口に接続される。第２のガス生成装置を用いる場合、ガス流路の一端は、利用するガスに応じて、第１のガス放出口および／または第２のガス放出口に接続される。第２のガス生成装置で生成されるガスのうち利用しないガスは、大気中に放出してもよい。

（ガスを溶解させるための装置）
本発明のガス生成装置は、ガス（水素ガスおよび／または酸素ガスなど）を液体に溶解させるための装置の一部として利用できる。以下では、ガスを溶解させるための本発明の装置を、「ガス溶解装置」という場合がある。ガス溶解装置は、本発明のガス生成装置と、ガス生成装置で生成されたガスが流れるガス流路と、液体を配置する容器とを含む。ガス流路は、ガス生成装置で生成されたガスを、容器内に配置された液体中に導く。ガス溶解装置は、溶存水素を含む水を生成できるが、溶存水素を含む他の液体を生成することも可能である。また、ガス溶解装置によって、溶存酸素を含む液体を生成することもできる。別の観点では、ガス溶解装置は、液体中の溶存ガス濃度（たとえば溶存水素濃度または溶存酸素濃度）を上昇させる装置である。本発明のガス溶解装置によれば、溶存水素濃度が０．３ｐｐｍ以上（質量基準）である水性液体（たとえば水）を得ることが可能である。本発明のガス溶解装置で調製される液体の溶存水素濃度は、０．４ｐｐｍ以上であってもよく、たとえば０．４ｐｐｍ〜１．５ｐｐｍの範囲や０．５ｐｐｍ〜１．６ｐｐｍの範囲にあってもよい。

ガスが溶解される液体の例には、上述した水性液体（Ａ）が含まれる。ガスが溶解される液体は、各種の飲料（水、お茶、ジュースなど）であってもよい。ガス溶解装置によれば、溶存水素濃度が高い飲料を簡単に得られる。

ガス溶解装置は、液体を攪拌するための攪拌手段を備えてもよい。そのような攪拌手段の例には、マグネチックスターラーや、容器内に配置される攪拌用の羽とその羽を回転させるためのモータとからなる攪拌手段や、回転可能な容器と容器を回転させるモータとからなる攪拌手段が含まれる。液体を攪拌することによって、液体へのガスの溶解を促進できる。

（ガス吸入装置）
本発明のガス生成装置は、ガス（水素ガスおよび／または酸素ガス）を吸入するための吸入装置の一部に利用できる。以下では、ガスを吸入するための本発明の装置を、「ガス吸入装置」という場合がある。ガス吸入装置は、本発明のガス生成装置を含む。さらに、ガス吸入装置は、吸入用の器具、および、吸入用の器具が接続される接続部材からなる群より選ばれる少なくとも１つを含む。ガス生成装置で生成されたガスは、当該少なくとも１つに導かれる。ガス吸入装置が接続部材を含む場合、上述したガス流路は接続部材に接続される。ガス吸入装置が接続部材を含まず吸入用器具のみを含む場合、吸入用器具の一部をガス流路とみなし、他の部分を吸入用器具とみなすことができる。ガス吸入装置によれば、水素ガスを含むガスを吸入できる。ガス吸入装置の一例によれば、水素ガスを含むガスだけでなく、酸素ガスを含むガス（たとえば、水素ガスおよび酸素ガスを含む混合ガス）も吸入できる。

吸入用器具に特に限定はない。吸入用器具の例には、鼻カニューラや、ガス吸入用の鼻マスクが含まれる。鼻マスクの一例は、鼻および口を覆い、マスク内にガスを保留できるマスクであって、マスク内にガスを供給するためチューブが接続されているマスクである。

ガス吸入装置のガス流路には、ガスの圧力の上昇・低下に応じて体積が増大・減少するバッファ部が設けられていてもよい。ガス吸入において、吸気の際には吸気されているガスの圧力が低下し、呼気の際にはガスの圧力が上昇する。バッファ部は、呼気の際に膨張してガスをため、吸気の際に収縮して吸入器具に流れるガスの量を多くする。そのため、ガス流路の途中にバッファ部を設けることによって、効率よくガスを吸入できる。バッファ部に特に限定はなく、ガスの圧力の上昇・低下に応じて体積が増大・減少するものであればよい。バッファ部の例には、柔軟性を有する材料（ゴムなどの弾性体や樹脂フィルムなど）で形成され、内圧の上昇に応じてバルーン状に膨らむものが含まれる。たとえば、バッファ部は、薄いゴムや薄い樹脂フィルムで形成されたチューブであってもよい。ガス流路の一部をこのチューブで構成することによって、バッファ部として機能させることができる。あるいは、バッファ部は、ガスの圧力の上昇・低下に応じて体積が増大・減少する容器であってもよい。

ガス溶解装置は、ガス吸入装置として機能するものであってもよい。その場合、ガス流路は、液体が配置される容器につながるとともに、吸入用器具および／または接続部材につながる。

本発明のガス生成装置、およびそれを用いた装置は、コントローラを備えてもよい。コントローラは、各種機器（センサ、電源、入力機器、表示機器など）に接続される。コントローラは、必要に応じて、所定の機器からのデータを処理し、所定の機器を制御する。コントローラは、演算処理装置と記憶装置（たとえばメモリ）とを含む。記憶装置には、各種機器との間の入出力を制御するためのプログラムが格納される。

本発明のガス生成装置およびそれを用いた装置について、実施形態の例を以下に説明する。図面を用いた説明では、同様の部分に同一の符号を付して重複する説明を省略する場合がある。

（実施形態１）
実施形態１では、ガス生成装置の一例として、上述した第１の装置について説明する。実施形態１のガス生成装置の構成を、図１に模式的に示す。図１のガス生成装置１００は、槽１１０、第１の電極１２１、第２の電極１２２、セパレータ１３０、および直流電源（図示せず）を含む。槽１１０内には、水性液体１０が配置される。電極１２１および１２２は、図示しない配線によって直流電源に接続される。図１の線IIにおける電極およびセパレータの断面図を、図２に模式的に示す。

電極１２２、セパレータ１３０、および電極１２１は、槽１１０の下方からこの順に配置されている。セパレータ１３０は、第２の電極の上方の全てを覆うように配置されている。セパレータ１３０は、水平方向に対して傾いて配置されている。セパレータ１３０と水平方向とがなす角度Ｇは、上述した範囲にある。電極１２１、電極１２２、およびセパレータ１３０は、互いに平行に配置されている。

電極１２１および１２２はそれぞれ、金属ワイヤを接続することによって形成された電極である。電極１２１および１２２はそれぞれ、全体として、平らで長方形の形状を有する。セパレータ１３０は、水性液体１０に浸漬された状態において気泡を通過させにくい絶縁性のセパレータであり、たとえば綿の布である。セパレータ１３０は、ガス誘導部材として機能する。電極１２１、電極１２２、およびセパレータ１３０は、いずれも、水性液体１０が通過可能である。

水の電気分解が生じる直流電圧を電極間に印加することによって、水性液体１０中の水が電気分解される。一例では、第１の電極１２１がカソードとなり第２の電極１２２がアノードとなるように両者の間に直流電圧を印加する。この電圧印加によって、第１の電極１２１で水素ガスおよび水酸化物イオン（ＯＨ^-）が生成され、第２の電極１２２で酸素ガスおよび水素イオン（Ｈ⁺）が生成される。一方、電圧印加の方向を逆にすることによって、第１の電極１２１で酸素ガスが生成され、第２の電極１２２で水素ガスが生成される。以下では、第１の電極１２１がカソードとなり第２の電極１２２がアノードとなるように両者の間に直流電圧を印加する場合について、主に説明する。

電気分解で発生した水素ガスおよび酸素ガスの一部は水性液体１０に溶解する。溶解しなかったガスは、槽１１０のガス放出口１１０ａから放出される。ガス放出口１１０ａから放出されるガスは、水素ガスおよび酸素ガスの混合ガスとなる。上述したように、装置１００によれば、溶存水素濃度が高い水性液体１０が得られる。

図１には、セパレータが第２の電極１２２の上方のみに配置されている場合を示した。しかし、実施形態２で説明するように、セパレータは第２の電極１２２の下方にも配置されてもよい。

（実施形態２）
実施形態２では、ガス生成装置の他の一例について説明する。実施形態２のガス生成装置の構成を、図３に模式的に示す。図３のガス生成装置２００は、槽２１０、第１の電極１２１、第２の電極１２２、セパレータ１３０、および直流電源（図示せず）を含む。槽２１０内には、水性液体１０が配置される。電極１２１および１２２は、図示しない配線によって直流電源に接続される。図３の線IVにおける電極およびセパレータの断面図を、図４に模式的に示す。

槽２１０は、鉛直方向に対して平行に配置された仕切り２１３によって第１の槽２１１と第２の槽２１２とに仕切られている。第１の槽２１１と第２の槽２１２とは、水平方向に隣接している。すなわち、第１の槽２１１と第２の槽２１２とは、横に並ぶように隣接している。仕切り２１３は、気体および液体を実質的に通過させない仕切りである。ただし、仕切り２１３には、ガス通過口（貫通孔）２１３ａが形成されている。

第１の槽２１１の上方には、第１のガス放出口２１１ａが形成されている。第２の槽２１２の上方には、第２のガス放出口２１２ａが形成されている。ガス放出口２１１ａの下方には、水性液体１０が槽２１０からあふれだすことを防止するための空間を有する予備室２１６が存在する。第１の槽２１１内には、貫通孔を有する隔壁２１４と、凸部２１５とが形成されている。隔壁２１４および凸部２１５によれば、装置２００が揺れたときに水性液体１０がガス放出口２１１ａから漏れ出すことを抑制できる。第１の槽２１１と同様に、第２の槽２１２にも、予備室、隔壁、および凸部が形成されていてもよい。なお、これらの一部または全部の代わりに、水性液体１０の漏れ出しを防止するための他の部材を用いてもよい。たとえば、気液分離膜や内圧調整膜（多孔質膜）などを用いてもよい。

仕切り２１３の一部であって第１の電極１２１およびセパレータ１３０よりも上方の一部には、第１の槽２１１と第２の槽２１２とをつなぐ接続部が存在してもよい。たとえば、点線で示される領域Ａの位置に、接続部（貫通孔）が形成されていてもよい。接続部の一例を、図５に示す。装置２００の使用時に、第１の槽２１１における水性液体１０の液面と、第２の槽２１２における水性液体１０の液面とのずれが大きくなる場合がある。そのような場合でも、接続部（貫通孔）が存在することによって、液面のずれが大きくなりすぎることを抑制できる。その結果、液面のずれによって水性液体１０が槽２１０の外部に漏れ出すことを抑制できる。

電極１２１および１２２は、第１の槽２１１に配置されている。セパレータ１３０の大部分は、第１の槽２１１に配置されている。装置２００では、電極１２１、電極１２２およびセパレータ１３０からなる電極ユニットが、傾けて配置されている。セパレータ１３０と水平方向とがなす角度Ｇは、上述した範囲にある。セパレータ１３０は、第１の槽２１１側から第２の槽２１２側に向かって上昇するように傾いて配置されている。電極１２１、電極１２２、およびセパレータ１３０は、互いに平行に配置されている。第１の槽２１１内において、電極１２２、セパレータ１３０、および電極１２１は、第１の槽２１１の下方からこの順に配置されている。

電極１２１および１２２はそれぞれ、金属ワイヤを接続することによって形成された電極である。電極１２１および１２２はそれぞれ、全体として、平らで長方形の形状を有する。セパレータ１３０は、水性液体１０に浸漬された状態において気泡を通過させにくい絶縁性のセパレータであり、たとえば綿の布である。セパレータ１３０は、ガス誘導部材として機能する。セパレータ１３０は、第２の電極１２２の上方の全てを覆うように配置されている。さらに、セパレータ１３０は、ガス通過口２１３ａを通って第１の槽２１１から第２の槽２１２まで伸びている。セパレータ１３０は、ガス通過口２１３ａ側が開口している。電極１２１、電極１２２、およびセパレータ１３０は、いずれも、水性液体１０が通過可能である。

水の電気分解が生じる直流電圧を電極間に印加することによって、水性液体１０中の水が電気分解される。一例では、第１の電極１２１がカソードとなり第２の電極１２２がアノードとなるように両者の間に直流電圧を印加する。この電圧印加によって、第１の電極１２１で水素ガスおよび水酸化物イオン（ＯＨ^-）が生成され、第２の電極１２２で酸素ガスおよび水素イオン（Ｈ⁺）が生成される。一方、電圧印加の方向を逆にすることによって、第１の電極１２１で酸素ガスが生成され、第２の電極１２２で水素ガスが生成される。以下では、第１の電極１２１がカソードとなり第２の電極１２２がアノードとなるように両者の間に直流電圧を印加する場合について、主に説明する。

第１の電極１２１で発生した水素ガスは、第１の放出口２１１ａから放出される。第２の電極１２２で発生した酸素ガスの気泡の大部分は、セパレータ１３０を通過せずに、セパレータ１３０の表面を移動しながら上昇し、第２の槽２１２に到達する。その結果、第２の電極１２２で発生した酸素ガスの大部分は、第２の放出口２１２ａから放出される。このようにして、装置２００では、第１の電極１２１で発生したガスと第２の電極１２２で発生したガスとの混合が抑制される。第２の電極１２２で生成された酸素ガスの気泡がセパレータ１３０の表面を移動する過程で、複数の気泡が合体して大きな気泡となり、セパレータ１３０の端部から大きな気泡が上昇する。このように、装置２００の構成によれば、酸素ガスの気泡を大きくできるとともに、酸素ガスの気泡がセパレータに滞留することを防止できる。

図３には、セパレータが第２の電極１２２の上方のみに配置されている場合を示した。しかし、セパレータは、第２の電極１２２を挟むように配置されてもよく、第２の電極１２２を囲むように配置されてもよい。一辺が開口している封筒状のセパレータを用いる場合について、電極およびセパレータの一例を図６に模式的に示す。図６（ａ）は、図３と同じ位置における断面を模式的に示す図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）の線VIｂにおける断面を模式的に示す図である。図６の例において、第２の電極１２２は、袋状のセパレータ１３１内に配置されている。セパレータ１３１は、第２の電極１２２の上方に配置されガス誘導部材として機能するセパレータ１３０と、第２の電極１２２の下方に配置されたセパレータ１３２とを含む。セパレータ１３１は、その開口部が第２の槽２１２内に位置するように、ガス通過口２１３ａに挿入される。第１の電極１２１および第２の電極１２２は、第１の槽２１１内に配置される。

なお、図６には、封筒状のセパレータ１３１の４辺のうち、第２の槽２１２側の一辺が開口しているセパレータを示した。しかし、セパレータ１３１の開口している一辺と対向する一辺も開口していてもよい。すなわち、セパレータは、平らな筒状のセパレータであってもよい。セパレータを傾けることによって、ガスの気泡は第２の槽２１２側に移動する。そのため、セパレータの下方の一辺が開口していてもよい。

袋状のセパレータ１３１を用いた場合、セパレータ１３１内の水性液体１０の流れがある程度抑制される。その結果、電気分解時において、セパレータ１３１内の液温を高く保つこと、および、イオン濃度を高い状態で維持すること、が可能な場合がある。これによって、水性液体１０による電圧降下を低減でき、その結果、電気分解に必要な電圧を小さくすることが可能である。

（実施形態３）
実施形態３では、本発明のガス生成装置を利用したガス溶解装置の一例について説明する。実施形態３のガス溶解装置３００を、図７に示す。装置３００は、ガス生成装置３１０、ガス流路３１１、および容器３１２を含む。図７および図８では、ガス生成装置３１０の図示を簡略化している。ガス生成装置３１０は、本発明のガス生成装置であり、ガス生成装置１００やガス生成装置２００であってもよい。

ガス流路３１１は、ガスが流れる管である。ガス流路３１１の一端３１１ａは、本発明のガス生成装置のガス放出口に接続される。第１のガス放出口（ガス放出口１１０ａ）から水素ガスが放出される場合であって水素ガスを利用する場合、一端３１１ａは、第１のガス放出口に接続される。ガス流路３１１の他端３１１ｂは、容器３１２内の液体１１内に水素ガスが放出されるように、容器３１２内に配置される。

容器３１２内の液体１１に水素ガスが吹き込まれることによって、液体１１に水素ガスが溶解する。その結果、溶存水素濃度が高い液体が得られる。なお、溶存水素濃度がより高い液体を得るために、容器３１２の開口部の面積をできるだけ小さくしてもよい。

（実施形態４）
実施形態４では、本発明のガス生成装置を利用したガス吸入装置の一例について説明する。実施形態４のガス吸入装置４００を図８に示す。装置４００は、本発明のガス生成装置３１０、ガス流路４１０、接続部材４１３、およびガス吸入器具４１４を含む。

ガス流路４１０は、２つのガス流路４１１および４１２を含む。なお、ガス流路４１０は、１つのガス流路のみからなるものであってもよい。ガス流路４１１および４１２は、ガスが流れる管である。ガス流路４１１の一端４１１ａおよび４１２の一端４１２ａはそれぞれ、ガス生成装置のガス放出口に接続される。ガス流路４１１および４１２の他端はそれぞれ、接続部材４１３を介してガス吸入器具４１４に接続される。ガス吸入器具４１４は、たとえば鼻カニューラである。

ガス生成装置３１０が第２のガス生成装置である場合、一端４１１ａおよび４１２ａは、同じガス放出口（第１のガス放出口または第２のガス放出口）に接続されてもよいし、異なるガス放出口に接続されてもよい。それらが接続されるガス放出口を選択することによって、水素ガスの吸入、酸素ガスの吸入、および水素ガスと酸素ガスとの混合ガスの吸入が可能となる。なお、ガス流路の途中に、流れるガスを切り替えるための切り替え器を設けてもよいし、接続部材４１３を切り替え器としてもよい。そのような切り替え器の例には、公知の切り替え器を用いることができ、たとえば三方弁を用いることができる。

ガス生成装置を含む１つの装置を、複数の用途に利用することが可能である。たとえば、ガス生成装置を含む１つの装置を、ガス溶解装置およびガス吸入装置として用いてもよい。その場合、ガス流路は、容器３１２と接続部材４１３とにつながっていてもよい。たとえば、図７の容器３１２の開口部に、図８に示すガス流路４１０の一端を接続してもよい。そのような構成によれば、液体にガスを溶解させながら、ガスを吸入できる。

本発明は、水性液体を電気分解することによってガスを生成するガス生成装置に利用できる。さらに、本発明は、ガス生成装置を用いた装置に利用できる。

１０ 水性液体
１１ 液体
１００、２００、３１０ ガス生成装置
１１０、２１０ 槽
１２１ 第１の電極
１２２ 第２の電極
１３０ セパレータ（ガス誘導部材）
１４０ 直流電源
２１１ 第１の槽
２１１ａ 第１のガス放出口
２１２ 第２の槽
２１２ａ 第２のガス放出口
２１３ 仕切り
２１３ａ ガス通過口
３００ ガス溶解装置
３１１、４１０、４１１、４１２ ガス流路
３１２ 容器
４００ ガス吸入装置
４１３ 接続部材
４１４ 吸入器具

Claims (11)

1. 水性液体を電気分解することによってガスを生成するガス生成装置であって、
   前記水性液体が配置される槽と、セパレータと、第１および第２の電極とを含み、
   前記槽内において、前記第２の電極、前記セパレータの少なくとも一部、および前記第１の電極は、前記槽の下方からこの順に配置されており、
   前記セパレータの少なくとも一部を含むガス誘導部材が、前記第２の電極の上方を覆うように配置されている、ガス生成装置。
2. 前記セパレータのうち前記第１の電極と前記第２の電極との間に存在する前記セパレータが、水平方向に対して５°〜６０°の範囲で傾いている、請求項１に記載のガス生成装置。
3. 前記第２の電極の下方にも前記セパレータが配置されている、請求項１または２に記載のガス生成装置。
4. 前記水性液体を電気分解することによって前記ガスが溶解された前記水性液体を調製する、請求項１〜３のいずれか１項に記載のガス生成装置。
5. 前記槽は、仕切りによって、水平方向に隣接する第１の槽と第２の槽とに仕切られており、
   前記仕切りには、ガス通過口が形成されており、
   前記第１の槽内において、前記第２の電極、前記セパレータの少なくとも一部、および前記第１の電極は、前記第１の槽の下方からこの順に配置されており、
   前記第２の電極で発生したガスが前記ガス通過口を通って前記第２の槽に流れるように、前記ガス誘導部材が前記ガス通過口に伸びている、請求項１〜４のいずれか１項に記載のガス生成装置。
6. 前記セパレータのうち前記第１の電極と前記第２の電極との間に存在する前記セパレータが、前記第１の槽側から前記第２の槽側に向かって上昇するように傾いている、請求項５に記載のガス生成装置。
7. 前記仕切りの一部であって前記第１の電極および前記ガス通過口よりも上方の一部に、前記第１の槽と前記第２の槽とがつながっている接続部が存在する、請求項５または６に記載のガス生成装置。
8. 前記水性液体中を上昇する気泡が前記接続部を通過することを抑制するための抑制手段が、前記接続部の周囲に設けられている、請求項７に記載のガス生成装置。
9. ガスを利用する装置であって、
   請求項１〜８のいずれか１項に記載のガス生成装置と、
   前記ガス生成装置で生成されたガスが流れるガス流路とを含む、装置。
10. 液体を配置する容器をさらに含み、
    前記ガス流路は、前記ガス生成装置で生成されたガスを、前記容器内に配置された液体中に導く、請求項９に記載の装置。
11. 吸入用の器具、および、吸入用の器具が接続される接続部材からなる群より選ばれる少なくとも１つを含み、
    前記ガスが前記少なくとも１つに導かれる、請求項９または１０に記載の装置。

Images