JP2016501714A - 水素水製造装置 - Google Patents

Abstract

水素水製造装置は、水を電気分解するための正極電極と負極電極と固体高分子電解質膜及び補助電極で構成される電極モジュールを備えて、電極モジュールを中心に第１及び第２チャンバーに区分された電気分解装置と、第１チャンバーに設置されて、第１チャンバーの負極電極で生成された活性水素が含まれた水素水が排出される水素水排出ポートと、第１チャンバーに設置されて、負極電極に向かって水を噴射する噴射ポートと、第２チャンバーの正極電極で形成されたオゾンが含まれた水を排出するオゾン水排出ポートと、水素水排出ポートと連結される第１流路と第１流路と連結される第２流路と連結されて第１チャンバーで生成された水素水の供給を受け、オゾン水排出ポートと連結される第４流路を介して第２チャンバーで生成された殺菌水の供給を受けて、水素水と殺菌水を内部空間に貯蔵する貯蔵タンクと、出力端は噴射ポートと連結される第３流路と連結され、入力端は貯蔵タンクの底面と連結される第５流路と連結されるポンプとを含み、噴射ポートは、貯蔵タンクに貯蔵された水素水をポンプの圧力を利用して、水素水排出ポートを介して排出される水素水の流速よりはやく噴射することを特徴とする。

Description

本発明は、原水を電気分解して、活性水素の含有量を増やした水を生成する水素水製造装置に関するものである。

健康に対する関心が高まり、最近では水道水を直接飲むよりはミネラルウォーターを購入して飲んだり、原水をフィルタリングして飲用水を生成する浄水器を使う比率が急増している。

今まで浄水器は、原水に含まれた異物などを除去して、使用者が飲める水に浄水する装置と認識されてきたが、最近では単に汚染物質を多様な種類のフィルターを利用してろ過することだけにとどまらず、イオン水やアルカリ水などの機能性用水を生成できる浄水器に対する関心が高まり、これに対する様々な開発が進行している。

特に体内の活性酸素を除去するために、分子状態の水素でない原子状態の活性水素を飲用水に含ませる場合、この活性水素が活性酸素と体内で結合して活性酸素によって発生しうる疾患の発生比率を減らすことができるとの主張が提起されたことで、水に活性水素を含ませることができる多様な形態の装置に対する研究が進行中である。

大韓民国登録特許第１０-５６４６５４号公報

本発明の目的は、水に含まれた活性水素の濃度を高められるように流路構造を改善した水素水製造装置を提供することである。

本発明の第１実施形態に係る水素水製造装置は、水を電気分解するための正極電極と負極電極と固体高分子電解質膜及び補助電極で構成される電極モジュールを備え、前記電極モジュールを中心に第１及び第２チャンバーに区分された電気分解装置と、前記第１チャンバーに設置されて、前記第１チャンバーの負極電極で生成された活性水素が含まれた水素水が排出される水素水排出ポートと、前記第１チャンバーに設置されて、前記負極電極に向かって水を噴射する噴射ポートと、前記第２チャンバーの正極電極で形成されたオゾンが含まれた水を排出するオゾン水排出ポートと、前記水素水排出ポートと接続される第１流路と前記第１流路と接続される第２流路と接続されて前記第１チャンバーで生成された水素水の供給を受け、前記オゾン水排出ポートと接続される第４流路を介して前記第２チャンバーで生成された殺菌水の供給を受けて、前記水素水と殺菌水を内部空間に貯蔵する貯蔵タンクと、出力端は前記噴射ポートと接続される第３流路と接続され、入力端は前記貯蔵タンクの底面に接続される第５流路と接続されるポンプとを含み、前記噴射ポートは、前記貯蔵タンクに貯蔵された水素水を前記ポンプの圧力を利用して、前記水素水排出ポートを介して排出される水素水の流速よりはやく噴射することを特徴とする。

前記噴射ポート、負極電極及びオゾン水排出ポートの中心は互いに同軸になるよう配置されてもよい。

前記噴射ポートは、前記貯蔵タンクに貯蔵された水素水を前記水素水排出ポートを介して流出する水素水の移動方向に対して垂直方向に前記負極電極へ噴射することができる。

前記第４流路は、オゾン除去流路（Ｄ１）と殺菌流路（Ｄ２）に分岐されて前記貯蔵タンクに接続されてもよい。

本発明の第２実施形態に係る水素水製造装置は、水を電気分解するための正極電極と負極電極と固体高分子電解質膜及び補助電極で構成される電極モジュールを備え、前記電極モジュールを中心に第１及び第２チャンバーに区分された電気分解装置と、原水を供給する水原と直接連結されて前記電気分解装置の第１チャンバーに原水を供給する入力ポートと、前記第１チャンバーに設置されて、前記第１チャンバーの負極電極で生成された活性水素が含まれた水素水を第１及び第２流路を介して排出される水素水排出ポートと、前記第１流路に分岐された第３流路と連結されて、前記第１チャンバーに前記水素水排出ポートで排出された水素水を噴射する噴射ポートと、第４流路と連結されて前記第２チャンバーの正極電極で形成されたオゾンが含まれた水を排出するオゾン水排出ポートとを含み、前記第２及び第４流路は互いに併合されて使用者に殺菌水が混ざった水素水を供給することができる。

前記入力ポートと水素水排出ポートは中心が同軸になるように配置され、前記噴射ポート、負極電極及びオゾン水排出ポートの中心は互いに同軸になるように配置してもよい。

前記噴射ポートは、前記貯蔵タンクに貯蔵された水素水を前記水素水排出ポートを介して流出する水素水の移動方向に対して垂直方向に前記負極電極に噴射することができる。

電極モジュールの負極部分に原水の流入及び流出流路を形成し、負極面に対して垂直方向に水を噴射するので、負極表面に付着していた水素原子が分離されて電極モジュールを通過した水素水の水素濃度を高めることができる。

本発明の第１実施形態に係る貯蔵タンクを有する水素水製造装置の構造を概略的に示した図面である。 本発明の第１実施形態に係る貯蔵タンクを有する水素水製造装置の構造を概略的に示した図面である。 本発明の第１実施形態に係る貯蔵タンクを有する水素水製造装置の構造を概略的に示した図面である。 図１の電極モジュールを概略的に示した図面である。 本発明の第２実施形態に係る直水方式の水素水製造装置の構造を概略的に示した図面である。 本発明の第２実施形態に係る直水方式の水素水製造装置の構造を概略的に示した図面である。 本発明の第２実施形態に係る直水方式の水素水製造装置の構造を概略的に示した図面である。

以下、本発明を添付図面を参照して説明する。
図１乃至図３は、本発明の第１実施形態に係る貯蔵タンクを有する水素水製造装置の構造を概略的に示した図面、図４は、図１の電極モジュールを概略的に示した図面、そして、図５乃至図７は、本発明の第２実施形態に係る直水方式の水素水製造装置の構造を概略的に示した図面である。

本発明の第１実施形態に係る電気分解装置１００は、水素水が排出される水素水排出ポート１２０、噴射ポート１５０及びオゾン水排出ポート１６０を含むことができ、貯蔵タンク３００を介して原水の供給を受けるので、図示したように噴射ポート１５０を介して原水の入力を受けてもよい。前記電気分解装置１００の詳細な構造は、大韓民国登録特許第１０-５６４６５４号に記載されている装置で備えられてもよい。

前記電気分解装置１００の内部には、電極モジュール１０が備えられてもよいが、電極モジュール１０を中心に第１チャンバー２０と第２チャンバー３０に分けることができる。前記電極モジュール１０は、図４に示したように、水中で電気分解反応を起こす正極電極１１と、前記正極電極１１と対向配置され、水中で電気分解反応を起こす負極電極１２と、前記正極電極と負極電極との間で電気分解反応で生成される水素イオンを伝達する固体高分子電解質膜１３及び前記負極電極１２と固体高分子電解質膜１３との間に備えられ、前記正極電極１１で発生する水素イオンを前記負極電極１２に通過させ、前記負極電極１２で発生するＯＨ⁻イオンが陽イオン２価イオンと反応して生成されるスケールを表面に生成させて前記負極電極１２表面におけるスケールの生成を減少させる補助電極１４を含んでもよい。この時、前記補助電極１４は、負極電極１２に隣接して固定され、前記固体高分子電解質膜１３を負極電極１２に隣接して固定させ、前記補助電極１４と固体高分子電解質膜１３が互いに対向して結合してもよい。前記スペーサー１５と補助電極１４は、固体高分子電解質膜１３の両側に備えられて二つの電極と固体高分子電解質膜１３との間に非常に均一な機械的プッシュ特性を確保して安定した運転特性を獲得できるようにする。

水素水排出ポート１２０には、水素水が排出される第１流路（Ａ）が連結されてもよい。前記第１流路（Ａ）は、連結部材１３０を介して第２流路（Ｂ）と連結されて第１チャンバー２０で生成された水素水を貯蔵タンク３００に供給し、第３流路（Ｃ）では前記貯蔵タンク３００の内部に貯蔵された水素水を原水として供給を受け、前記第３流路（Ｃ）上に設置されたポンプ２００で圧力を加えて、前記ポンプ２００の入力端で吸入された水素水を噴射ポート１５０を介して前記第１チャンバー２０の内部に供給することができる。

この時、前記噴射ポート１５０を介して噴射される水素水の流速は、前記第１流路（Ａ）を介して第１チャンバー２０から排出される水素水の流速より相対的に非常に早く形成されて、前記水素水排出ポート１２０と第１流路（Ａ）の移動方向に対して垂直方向に前記電極モジュール１０の負極１２部分に向かって噴射してもよい。このように噴射ポート１５０を介して前記負極電極１２の表面に対し垂直方向に水を噴射する構成が、本発明の特徴的な部分である。即ち、前記噴射ポート１５０は、前記電極モジュール１０の中心に対して垂直方向に水素水を噴射するが、噴射された水素水の噴射圧力によって、前記負極電極１２の表面に付着していた水素原子がより容易に分離できる。分離した水素原子は、第１チャンバー２０の内部を移動する水に混ざって水素濃度を高めることができる。

本発明の一実施形態によると、前記噴射ポート１５０の中心と前記電極モジュール１０の負極１２の中心は、互いに対向するように配置されて、前記噴射ポート１５０を介して噴射される水素水が、前記負極電極１２の最大限広い面積に圧力を加えられるように形成してもよい。

前記噴射ポート１５０の直径は、前記入力ポート１１０及び水素水排出ポート１２０の直径よりは小さい直径を有するように形成して、前記噴射ポート１５０を介して排出される水素水の噴射圧力が強く形成されるように備えられてもよい。

一方、第２流路（Ｂ）の終端は、第１水素水排出口（Ｂ１）と第２水素水排出口（Ｂ２）に分岐され、水素水が貯蔵される貯蔵タンク３００に生成された水素水を供給することができる。
この時、前記第１水素水排出口（Ｂ）は、第２水素水排出口（Ｂ２）より高い位置に配置され、「Ｔ」字状で貯蔵タンク３００を区画する区分板３１０の上部空間と下部空間に水素水を供給することができる。

このような構成によると、上部の第１水素水排出口（Ｂ１）は、後述する第４流路（Ｄ）を介して供給される殺菌水と混ざりながら相対的に水素の濃度が低い水が貯蔵され、前記区分板３１０の下側空間部に水素水を供給する第２水素水排出口（Ｂ２）は、前記第４流路（Ｄ）の殺菌水排出口（Ｄ３）を介して供給される水と極力混ざらないことになる。

一方、オゾン水排出ポート１６０は、第４流路（Ｄ）と連結されて、前記正極電極１１で生成されたオゾンが含まれた殺菌水を第４流路（Ｄ）側に排出することができる。この時、前記第４流路（Ｄ）は、図示したように、「Ｌ」字状で曲がった連結部を備えて、前記正極電極１１が形成された第２チャンバー３０側で発生したオゾンガスなどが第２チャンバーの内部に残留せず常に前記第２チャンバー３０の内側が水で満たされるように構成してもよい。前記第４流路（Ｄ）は、オゾン除去フィルター１６５が設置されたオゾン除去流路（Ｄ１）と殺菌流路（Ｄ２）に分岐してもよい。

水素水生成モードでは、図２に示したように第１バルブ１６１は閉鎖して、第２バルブ１６２をオープンしてオゾン除去フィルター１６５を介してオゾンが除去された水を殺菌水排出口（Ｄ３）を介して貯蔵タンク３００の内部に供給することができる。即ち、マンガン、カーボンなどを利用したオゾン除去フィルター１６５を介してオゾンを除去したが、電極モジュール１０で電気分解を介して得られた水は、オゾンを含みながら殺菌水が一次的になったので、前記オゾン除去流路（Ｄ１）を介して供給される水は、殺菌水と見なすことができる。

仮に、前記貯蔵タンク３００の内部空気及び水素水などに対する殺菌が必要な場合には、図３に示したように第１バルブ１６１はオープンして、第２バルブ１６２は閉鎖して、オゾンが含まれた殺菌水を殺菌流路（Ｄ２）を介して貯蔵タンク３００の内部に吐出して、前記貯蔵タンク内部の空気及び水を殺菌することができる。このように正極電極１１側から出る殺菌水は、水素と混ざるのを極力抑えるために、図１に示したように前記貯蔵タンク３００の上部面に殺菌水排出口（Ｄ３）を形成して、殺菌水が水の表面上に供給されることが好ましい。この場合、殺菌流路（Ｄ２）を介して供給されるオゾン水供給時、貯蔵タンク３００の内部の空気と水を同時に殺菌することが可能である。

前記貯蔵タンク３００の底面には、第５流路（Ｅ）が連結されうるが、本発明の第１実施形態によると、図１に示したように、前記第３流路（Ｃ）と連結されて噴射ポート１５０を介して負極電極１２に水素水を噴射することができる。

前記した第１実施形態のように貯蔵タンク３００に貯蔵された水素水を原水として繰り返し電極モジュール１０で電気分解すると、水素水の内部の水素原子の濃度を増加させることができ、必要とする高濃度の活性水素が含まれた水を生産することができる。

一方、図示しなかったが、前記貯蔵タンク３００には貯蔵された水素水を供給するためのコックユニット及び浄水された水などを供給できる原水供給部などが設置されてもよい。

本発明の第２実施形態に係る電気分解装置１００は、図５乃至図７に示したように、前記した第１実施形態での貯蔵タンク３００がなく、直接原水と連結された後、生成された水素水を使用者に直接供給する直水タイプである。

この時、前記電気分解装置１００は、入力ポート１１０と水素水が排出される水素水排出ポート１２０、噴射ポート１５０及びオゾン水排出ポート１６０を含んでもよい。

入力ポート１１０は、図５に示したように、前記電極モジュール１０と平行方向に配置されるが、前記負極電極１２が形成された第１チャンバー２０側に形成され、前記水素水排出ポート１２０も、前記第１チャンバー２０側に配置されてもよい。前記入力ポート１１０には原水が流入する流入パイプ（Ｉ）が連結されてもよく、前記入力ポート１１０と水素水排出ポート１２０は、各々の中心が同軸になるように配置してもよい。この時、前記入力ポート１１０と水素水排出ポート１２０は、極力前記負極電極１２と近い位置に配置された方がよい。このように負極電極１２と近い位置に入力ポート１１０と水素水排出ポート１２０が配置されると、これらを介して流出入する水が、前記負極電極１２０の表面に密着する流路を形成しながら、水の電気分解性能を向上させられ、前記負極電極１２０表面から離脱する水素原子が、流れる水に最大限混ざることができる。

特に、前記した第１実施形態とは異なって、第２流路（Ｂ）と第４流路（Ｄ）は、図示したように終端が互いに連結されて使用者に水素水を供給することができる。第２実施形態では、第１実施形態に含まれた貯蔵タンク３００の構成が省略されたため、生成された水素水を貯蔵せず、必要な場合に、その都度生産してその場で使用者に供給する構成である。

従って、図５に示したように入力ポート１１０は、原水と直接連結されて原水の供給を受け、原水が供給される図６に示したように、水素水排出ポート１２０を介して水素水が排出される。この時、排出された水素水は、第１流路（Ａ）を介して第２流路（Ｂ）側に供給されながら、同時にポンプ２００により吸入されて第３流路（Ｃ）を介して噴射ポート１５０から噴射される。噴射される水素水の動作は、前記第１実施形態と同様であるので、重複説明は省略する。

このように水素水が生成されると、図６に示したように水素水供給モードでは、第１バルブ１６１は閉鎖して、第２バルブ１６２をオープンしてオゾン除去フィルター１６５を介してオゾンが除去された水を前記第２流路（Ｂ）を介して供給される水素水と共に使用者に供給する。即ち、マンガン、カーボンなどを利用したオゾン除去フィルター１６５を介してオゾンを除去したが、電極モジュール１０で電気分解を介して得られた水は、オゾンを含みながら殺菌水が一次的になったので、前記第２流路（Ｂ）を介して供給される水素水と混ざる水は殺菌水である。

仮に、水素水供給ポートなどの流路殺菌が必要な場合には図７に示したように第１バルブ１６１はオープンして第２バルブ１６２は閉鎖して、オゾンが含まれた殺菌水を殺菌流路（Ｄ２）を介して排出して、水素水が供給されるコックなどの供給流路を洗浄することが可能である。

前記で説明され、図面に示された本発明の実施形態は、本発明の技術的思想を限定すると解釈されてはならない。本発明の保護範囲は、請求範囲に記載された事項によって制限され、本発明の技術分野において通常の知識を有する者は、本発明の技術的思想を多様な形態で改良変更することが可能である。従って、このような改良及び変更は、通常の知識を有する者に自明なことである限り本発明の保護範囲に属する。

本発明は、美容、健康を目的に水素が含まれた機能水を製造する装置に適用できる。

１０ 電極モジュール
２０、３０ チャンバー
１００ 電気分解装置
１２０ 水素水排出ポート
１５０ 噴射ポート
１６０ オゾン水排出ポート
２００ ポンプ
３００ 貯蔵タンク

Claims (7)

1. 水を電気分解するための正極電極と負極電極と固体高分子電解質膜及び補助電極で構成される電極モジュールを備えて、前記電極モジュールを中心に第１及び第２チャンバーに区分された電気分解装置と、
   前記第１チャンバーに設置されて、前記第１チャンバーの負極電極で生成された活性水素が含まれた水素水が排出される水素水排出ポートと、
   前記第１チャンバーに設置されて、前記負極電極に向かって水を噴射する噴射ポートと、
   前記第２チャンバーの正極電極で形成されたオゾンが含まれた水を排出するオゾン水排出ポートと、
   前記水素水排出ポートと連結される第１流路と前記第１流路と連結される第２流路と連結されて前記第１チャンバーで生成された水素水の供給を受け、前記オゾン水排出ポートと連結される第４流路を介して前記第２チャンバーで生成された殺菌水の供給を受けて、前記水素水と殺菌水を内部空間に貯蔵する貯蔵タンクと、
   出力端は前記噴射ポートと連結される第３流路と連結されて、入力端は前記貯蔵タンクの底面と連結される第５流路と連結されるポンプとを含み、
   前記噴射ポートは、
   前記貯蔵タンクに貯蔵された水素水を前記ポンプの圧力を利用して、前記水素水排出ポートを介して排出される水素水の流速よりはやく噴射することを特徴とする水素水製造装置。
2. 前記噴射ポート、負極電極及びオゾン水排出ポートの中心は、互いに同軸になるように配置されることを特徴とする請求項１に記載の水素水製造装置。
3. 前記噴射ポートは、
   前記貯蔵タンクに貯蔵された水素水を前記水素水排出ポートを介して流出する水素水の移動方向に対して垂直方向に前記負極電極に噴射することを特徴とする請求項１に記載の水素水製造装置。
4. 前記第４流路は、
   オゾン除去流路（Ｄ１）と殺菌流路（Ｄ２）に分岐されて前記貯蔵タンクと連結されることを特徴とする請求項１に記載の水素水製造装置。
5. 水を電気分解するための正極電極と負極電極と固体高分子電解質膜及び補助電極で構成される電極モジュールを備えて、前記電極モジュールを中心に第１及び第２チャンバーに区分された電気分解装置と、
   原水を供給する水原と直接連結されて前記電気分解装置の第１チャンバーに原水を供給する入力ポートと、
   前記第１チャンバーに設置されて、前記第１チャンバーの負極電極で生成された活性水素が含まれた水素水を第１及び第２流路を介して排出される水素水排出ポートと、
   前記第１流路に分岐された第３流路と連結されて、前記第１チャンバーに前記水素水排出ポートで排出された水素水を噴射する噴射ポートと、
   第４流路と連結されて前記第２チャンバーの正極電極で形成されたオゾンが含まれた水を排出するオゾン水排出ポートとを含み、
   前記第２及び第４流路は、互いに併合されて使用者に殺菌水が混ざった水素水を供給することを特徴とする水素水製造装置。
6. 前記入力ポートと水素水排出ポートは、中心が同軸になるように配置され、
   前記噴射ポート、負極電極及びオゾン水排出ポートの中心は、互いに同軸になるよう配置されることを特徴とする請求項５に記載の水素水製造装置。
7. 前記噴射ポートは、
   前記貯蔵タンクに貯蔵された水素水を前記水素水排出ポートを介して流出する水素水の移動方向に対して垂直方向に前記負極電極に噴射することを特徴とする請求項１に記載の水素水製造装置。

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