JP2017000956A - 水素水製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】溶存酸素の量が少ない高品質な水素水を、効率よく、かつ安全に製造できる装置を提供する。【解決手段】水素水製造装置１は、溶存酸素を含む原料水を供給する原料水供給部１１と、原料水の圧力以上に昇圧された原料水素を供給する原料水素供給部１２と、原料水供給部１１から供給された原料水と、原料水素供給部１２から供給された原料水素とを接触させて、原料水素が原料水に溶解した水素溶解水を作製する水素溶解部１３と、水素溶解水に溶存する酸素と水素とを反応させる反応部１４と、反応部１４における酸素と水素との反応を経て得られた水素水を装置１外へ提供する水素水提供部１６と、を備える。【選択図】図１

Description

本開示は、水素水製造装置に関する。

近年、燃料電池車及び家庭用燃料電池の普及により、水素インフラが整備されつつある。また、水素ガスの吸引や水素水の飲水による各種医療効果が期待されており、水素インフラを用いた水素ガスや、それにより製造される水素水の活用が予測される。水素は高価であり、かつ可燃性ガスであるため、水素水を製造する場合には、効率よく、かつ安全に製造することが求められる。例えば特許文献１には、水素水の製造が可能な装置が開示されている。また、水に酸素が混入すると、その各種医療効果が低下するといわれている。そこで、例えば特許文献２には、酸素除去のために水素ガスを水に溶解させることが開示されている。

特開２００６−１５９０７２０号公報 国際公開第０３／００２４６６号

特許文献１に開示されている装置は、水の電解槽から発生する水素の圧力を適宜制御して水素水を製造する装置である。しかし、この装置は制御パラメータが多く複雑であり、高効率に水素水を製造できない。さらに、得られる水素水は電解液の水素水となる。また、特許文献２は、酸素の除去のため水素が必要と開示しているだけであり、高効率な方法を開示していない。

そこで、本開示は、溶存酸素の量が少ない高品質な水素水を、効率よく、かつ安全に製造できる装置を提供することを目的とする。

本開示は、
溶存酸素を含む原料水を供給する原料水供給部と、
前記原料水の圧力以上に昇圧された原料水素を供給する原料水素供給部と、
前記原料水供給部から供給された前記原料水と、前記原料水素供給部から供給された前記原料水素とを接触させて、前記原料水素が前記原料水に溶解した水素溶解水を作製する水素溶解部と、
前記水素溶解水に溶存する酸素と水素とを反応させる反応部と、
前記反応部における酸素と水素との反応を経て得られた水素水を装置外へ提供する水素水提供部と、
を備えた、水素水製造装置を提供する。

本開示の水素水製造装置によれば、溶存酸素の量が少ない高品質な水素水を、効率よく、かつ安全に製造できる。

図１は、本開示の水素水製造装置の一実施形態を示す模式図である。 図２Ａは、図１に示す水素水製造装置の初期状態を示す模式図である。 図２Ｂは、図１に示す水素水製造装置の原料水供給時の状態を示す模式図である。 図２Ｃは、図１に示す水素水製造装置の水素溶解水作製時の状態を示す模式図である。 図２Ｄは、図１に示す水素水製造装置の水素水提供時の状態を示す模式図である。 図２Ｅは、図１に示す水素水製造装置の水素水提供後、水素水製造装置を初期状態に戻すまでの状態を示す模式図である。 図３は、図１に示す水素水製造装置の動作の一例を説明するフローチャートである。 図４は、本開示の水素水製造装置の別の実施形態を示す模式図である。

本開示の第１の態様に係る水素水製造装置は、溶存酸素を含む原料水を供給する原料水供給部と、前記原料水の圧力以上に昇圧された原料水素を供給する原料水素供給部と、前記原料水供給部から供給された前記原料水と、前記原料水素供給部から供給された前記原料水素とを接触させて、前記原料水素が前記原料水に溶解した水素溶解水を作製する水素溶解部と、前記水素溶解水に溶存する酸素と水素とを反応させる反応部と、前記反応部における酸素と水素との反応を経て得られた水素水を装置外へ提供する水素水提供部と、を備える。

第１の態様に係る水素水製造装置によれば、昇圧された原料水素を原料水に溶解させることができるので、原料水の溶存酸素との反応によって失われる水素量を考慮して、必要十分な量の水素を原料水に効率良く溶解させることができる。したがって、大気中に放出される水素の量も低減されるので、安全に水素水を製造できる。さらに、反応部によって酸素と水素との反応を促進させることにより、得られる水素水は溶存酸素の量が少ない高品質な水素水となる。このように、第１の態様に係る水素水製造装置によれば、溶存酸素の量が少ない高品質な水素水を、効率よく、かつ安全に製造できる。

第２の態様において、例えば、第１の態様に係る水素水製造装置では、前記原料水供給部は、原料水供給ポンプと、前記水素溶解部に供給される前記原料水の流量を調整する原料水流量調整弁とを含んでおり、前記原料水素供給部は、原料水素供給ポンプと、前記水素溶解部に供給される前記原料水素の流量を調整する原料水素流量調整弁とを含んでおり、前記反応部は、前記反応によって得られた反応水の流量を調整する反応水流量調整弁を含んでおり、前記水素水提供部は、前記水素水の流量を調整する水素水流量調整弁を含んでおり、前記水素溶解部は、前記反応部と一体的に形成されて、前記水素溶解部における前記水素溶解水の収容部分と前記反応部における前記水素溶解水の収容部分とが連通しており、前記原料水供給ポンプ、前記原料水流量調整弁、前記原料水素供給ポンプ、前記原料水素流量調整弁、前記反応水流量調整弁及び前記水素水流量調整弁により、前記水素溶解部における前記原料水の圧力ＰＷ及び前記原料水素の圧力ＰＨと、前記水素水提供部における前記水素水の圧力ＰＷＦとが調整されてもよい。

第２の態様に係る水素水製造装置によれば、より効率よく、溶存酸素の量が少ない高品質な水素水を製造できる。

第３の態様において、例えば、第１又は第２の態様に係る水素水製造装置では、前記原料水提供部において前記原料水として用いられる水の圧力ＰＷ０、前記水素溶解部における前記原料水の圧力ＰＷ、前記水素溶解部における前記原料水素の圧力ＰＨ、前記水素溶解部において前記原料水素が到達する最高圧力として設定される所定圧力ＰＨ１及び前記水素水提供部における水素水の圧力ＰＷＦが、
ＰＨ１≧０．６５１ＰＷ０＋ＰＷＦ（ｋｇｆ／ｃｍ²） （式１）
ＰＷ≧ＰＨ≧ＰＨＦ≧１（ｋｇｆ／ｃｍ²） （原料水供給時） （式２）、及び
ＰＷ≧ＰＨＦ≧１（ｋｇｆ／ｃｍ²） （水素水提供時） （式３）
を満たしてもよい。

第３の態様に係る水素水製造装置によれば、過剰な水素を供給しないので、より効率よく、かつより安全に、溶存酸素の量が少ない高品質な水素水を製造できる。

第４の態様において、例えば、第１〜第３の態様のいずれか１つの態様に係る水素水製造装置の前記反応部は、酸素と水素との反応用の触媒を含んでもよい。

第４の態様に係る水素水製造装置によれば、反応部において酸素と水素とを十分に反応させることができるので、より溶存酸素の量が少ないより高品質な水素水を製造できる。

第５の態様において、例えば、第１〜第４の態様のいずれか１つの態様に係る水素水製造装置の前記水素溶解部が前記反応部を兼ねてもよい。

第５の態様に係る水素水製造装置によれば、反応部を別途設ける必要がないため、装置の小型化及び低コスト化が可能となる。

第６の態様において、例えば、第１〜第５の態様のいずれか１つの態様に係る水素水製造装置では、
前記反応部における前記反応によって得られた反応水の流路において、前記水素水提供部よりも上流側に設けられた、前記反応水における過剰溶解水素を回収する水素回収部をさらに備えており、
前記水素回収部は、前記反応水と接する空間を前記水素溶解部における水素圧力よりも減圧することによって、前記過剰溶解水素を回収してもよい。

第６の態様に係る水素水製造装置によれば、過剰に溶解した水素を回収できるので、大気に放出される水素量をより少なくすることができ、より安全に、溶存酸素の量が少ないより高品質な水素水を製造できる。

第７の態様において、例えば、第６の態様に係る水素水製造装置では、前記水素回収部で回収された回収水素は、前記水素溶解部における水素の圧力よりも高い圧力に昇圧されて、前記水素溶解部に供給されてもよい。

第７の態様に係る水素水製造装置によれば、水素回収部で回収された水素を原料水素として再利用できるので、より効率良く、溶存酸素の量が少ない高品質な水素水を製造できる。

第８の態様において、例えば、第７の態様に係る水素水製造装置が、前記水素回収部と前記水素溶解部との間に配置された回収水素供給ポンプ及び回収水素流量調整弁をさらに備えており、前記回収水素が、前記回収水素供給ポンプによって前記水素溶解部における水素の圧力よりも高い圧力に昇圧されて、前記回収水素流量調整弁を介して前記水素溶解部に供給されてもよい。

第８の態様に係る水素水製造装置によれば、より効率よく、溶存酸素の量が少ない高品質な水素水を製造できる。

以下、本開示の水素水製造装置の一実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の実施形態は一例であり、本開示は以下の形態に限定されない。

本実施形態の水素水製造装置の一例を、図１に示す。図１に示す水素水製造装置１は、原料水供給部１１と、原料水素供給部１２と、水素溶解部１３と、反応部１４と、水素回収部１５と、水素水提供部１６とを備える。

原料水供給部１１は、溶存酸素を含む原料水を水素溶解部１３に供給する。原料水供給部１１は、原料水供給ポンプ１１１と、原料水流量調整弁１１２とを含んでいる。原料水は、原料水供給ポンプ１１１により、原料水流量調整弁１１２を介して水素溶解部１３に供給される。原料水には、例えば水道水を用いることができる。

原料水素供給部１２は、水素溶解部１３内における原料水の圧力以上に昇圧された原料水素を水素溶解部１３に供給する。原料水素供給部１２は、原料水素供給ポンプ１２１と原料水素流量調整弁１２２とを含んでいる。原料水素は、原料水素供給ポンプ１２１により、原料水素流量調整弁１２２を介して水素溶解部１３に供給される。

水素溶解部１３は、原料水及び原料水素を収容可能な容器１３１を備えており、さらに、内部の原料水素の圧力を検出する圧力センサ（図示せず）及び内部の原料水の水位を検出する水位センサ（図示せず）等の必要な装置も備えている。水素溶解部１３は、原料水供給部１１から供給された原料水と、原料水素供給部１２から供給された原料水素とを接触させて、原料水素が原料水に溶解した水素溶解水を作製する。なお、容器１３１の材料及び形状等は特には限定されず、原料水及び水素を安定的に収容できるものであればよい。

反応部１４は、水素溶解部１３で作製された水素溶解水に溶存する酸素と水素とを反応させる。反応部１４は、酸素と水素との反応用の触媒を含んでいてもよい。より具体的には、図１に示す例のように、反応部１４の水素溶解水と接する面の少なくとも一部に、触媒として機能する金属及び／又は金属酸化物（触媒１４１）が配置されていてもよい。触媒１４１には貴金属を用いてもよい。より具体的には、触媒１４１には、例えば、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、金、白金、ニッケル、パラジウム等を用いることができる。また、他の例として、反応部１４自体が触媒として機能する金属及び／又は金属酸化物で形成されていてもよい。この場合、反応部１４を、例えばステンレス、アルマイト又はガラス等で全部もしくは少なくとも表面（薄膜）を形成してもよい。反応部１４は、さらに、水素と酸素との反応によって得られた反応水の流量を調整する反応水流量調整弁１４２を含んでいてもよい。

反応部１４の水素溶解水と接する面が、例えばハニカム状等の表面積を増加させる形状を有していてもよい。これにより、触媒１４１と水素溶解水との接触面積を増加させることができるので、酸素と水素との十分な反応を実現できる。

反応部１４は、図１に示す構成のように、水素溶解部１３と一体的に形成されていてもよい。すなわち、反応部１４の水素溶解水の収容部分と、水素溶解部１２の水素溶解水の収容部分とが連通していてもよい。図１に示す構成の場合、原料水供給ポンプ１１１、原料水流量調整弁１１２、原料水素供給ポンプ１２１、原料水素流量調整弁１２２及び反応水流量調整弁１４２と、さらに後述の水素水流量調整弁１６１とにより、水素溶解部１３における原料水の圧力ＰＷ及び原料水素の圧力ＰＨと、水素回収部１５における水素圧力ＰＨＦと、水素水提供部１６における水素水の出口圧ＰＷＦとが調整され得る。

水素回収部１５は、反応部１４における酸素と水素との反応によって得られた反応水の流路において、水素水提供部１６よりも上流側に設けられている。水素回収部１５は、反応水に過剰に溶解した水素（過剰溶解水素）を回収する。水素回収部１５は、反応水を収容可能な容器１５１を含んでおり、その容器１５１内において反応水と接する空間を水素溶解部１３における水素圧力よりも減圧することによって、過剰溶解水素を回収することができる。

水素回収部１５で回収された回収水素は、水素溶解部１３における水素の圧力よりも高い圧力に昇圧されて、水素溶解部１３に供給されてもよい。回収水素を水素溶解部１３に供給する場合、水素水製造装置１は、例えば、図１に示すように、水素回収部１５と水素溶解部１３との間に配置された回収水素供給ポンプ１７及び回収水素流量調整弁１８を備えていてもよい。水素水製造装置１がこのような構成を有する場合、回収水素は、回収水素供給ポンプ１７によって水素溶解部１３における水素の圧力よりも高い圧力に昇圧されて、回収水素流量調整弁１８を介して水素溶解部１３に供給される。

なお、図１には、水素水製造装置１が水素回収部１５、回収水素供給ポンプ１７及び回収水素流量調整弁１８を備えた例を示しているが、水素水製造装置１はこれらの構成を必ずしも備える必要はない。

水素水提供部１６は、反応部１４による酸素と水素との反応を経て、さらに、水素回収部１５が設けられている場合は水素回収部１５で過剰溶解水素が回収されて得られた水素水を、装置１の外へ提供する。水素水提供部１６は、水素水を提供するための水素水流量調整弁１６１を備えている。

次に、水素水製造装置１の動作を、図２Ａ〜図２Ｅに示す装置の模式図と、図３に示すフローチャートとを参照しながら説明する。

初期状態について説明する（図２Ａ参照）。水素水製造装置１の初期状態では、水素溶解部１３の容器１３１に原料水と原料水素とが入っている。原料水に水道水を用いる場合、水素溶解部１３の容器１３１内には、水道水の圧力と同じ圧力で原料水と原料水素とが入っている。すなわち、初期状態において、水素溶解部１３における原料水の圧力ＰＷは、原料水として用いられる水の圧力（原料水に水道水が用いられる場合は、水道水の圧力）ＰＷ０と同じであり、さらに水素溶解部１３における原料水素の初期圧力ＰＨ０もＰＷＯと同じである（ＰＷ＝ＰＷ０＝ＰＨ０）。初期状態では、全てのポンプ１１１，１２１，１７は停止しており、かつ全ての調整弁１１２，１２２，１４２，１６１，１８は閉鎖されている。

水素溶解部１３で原料水に原料水素を溶解させるために、まず、原料水供給部１１の原料水供給ポンプ１１１が起動し、かつ原料水流量調整弁１１２が開いて、原料水が水素溶解部１３に供給される（図２Ｂ参照、図３のＳ１）。このとき、原料水素流量調整弁１２２及び反応水流量調整弁１４２は閉鎖されたままであるため、水素溶解部１３の容器１３１の内部に原料水が供給されることにより、容器１３１内において水素が占める体積が減少する。その結果、容器１３１内の原料水素の圧力ＰＨが初期圧力ＰＨ０から上昇し、さらに原料水の圧力ＰＷも上昇する。

容器１３１内の水素の圧力ＰＨが所定圧力（水素溶解部１３において原料水素が到達する最高圧力として設定される圧力）ＰＨ１に達したこと（ＰＨ＝ＰＨ１）が圧力センサによって検知されたとき（図３のＳ２）、原料水供給部１１の原料水供給ポンプ１１１が停止し、かつ原料水流量調整弁１１２が閉鎖されて、水素溶解部１３への原料水の供給が停止される（図３のＳ３）。この状態で、水素溶解部１３において原料水素が原料水に溶解し、水素溶解水が作製される（図２Ｃ参照）。

次に、水素水が必要になったとき（図３のＳ４）、原料水素供給ポンプ１２１が起動し、かつ原料水素流量調整弁１２２が開いて、原料水素が水素溶解部１３へ供給される（図２Ｄ参照、図３のＳ５）。さらに、反応水流量調整弁１４２及び水素水流量調整弁１６１が開放されて、水素溶解部１３に供給される原料水素により、水素溶解部１３の容器１３１内の水素溶解水が反応部１４及び水素回収部１５へと押し出される（図２Ｄ参照、図３のＳ５）。なお、供給される原料水素の圧力は、水素溶解水から水素が放出されないように、例えばＰＨ１以上とするとよい。水素溶解部１３から押し出された水素溶解水は、反応部１４を経由する。したがって、反応部１４で水素溶解水に溶存していた酸素と溶解させた水素とが反応して、水が生成される。その結果、反応後に得られる反応水は、溶存していた酸素が減少した水となる。

また、水素回収部１５の容器１５１では、反応水と接する空間の圧力は、例えば水素水提供部１６における水素水の出口圧ＰＷＦと同じであり、反応水と接する空間における水素圧力ＰＨＦは、水素溶解部１３の水素溶解時の水素圧力ＰＨ１よりも減圧されている。したがって、水素回収部１５で、反応水に過剰に溶解している水素（過剰溶解水素）が反応水から放出されて回収される。回収された水素は、回収水素供給ポンプ１７が起動し、かつ回収水素流量調整弁１８が開放されることにより、水素溶解部１３に送られて再利用される（図２Ｄ、図３のＳ５）。

過剰溶解水素が回収された後の反応水は、水素が飽和状態の水素水として、水素水提供部１６から装置１の外部へと排出される。

水素溶解部１３の容器１３１から水素溶解水が押し出されて、水位センサによって容器１３１内の水位が所定位置以下に下がったことが検知されたときに（図３のＳ６）、回収水素供給ポンプ１７が停止し、水素水流量調整弁１６１及び回収水素流量調整弁１８が閉鎖され、さらに、原料水流量調整弁１１２が開放されて水素溶解部１３への原料水供給が再開される(図２Ｅ、図３のＳ７）。水素溶解部１３の容器１３１内の水及び水素の圧力が初期状態と同じに戻ったら（図３のＳ８）、水素水製造装置１の他の全てのポンプ１１１，１２１が停止し、かつその時点で開放されている全ての調整弁１１２，１２２，１４２が閉鎖されて(図３のＳ９）、図２Ａに示す初期状態に戻る。なお、ここでは、水素溶解部１３の容器１３１内の水位によって初期状態に戻すことが決定される例について説明した。しかし、他の方法、例えば水素溶解部１３の容器１３１内の水素圧力の低下を検知することによって、初期状態に戻すタイミングを決定することも可能である。なお、この水素圧力の低下は、水素溶解水の押し出しによって容器１３１内の水位が下がって、容器１３１内の水素が反応部１４及び水素回収部１５にまで流れ出たことによって生じる。

次に、水素溶解部１３で原料水素を原料水に溶解させる際の水素の圧力について、さらに図２Ｃ及び図２Ｄを参照しながら説明する。

水に対する酸素の溶解度は、２５℃、１．０ｋｇｆ／ｃｍ²で、０．０２８５ＮｍＬ／ｍＬ−水である。また、水に対する水素の溶解度は、２５℃、１．０ｋｇｆ／ｃｍ²で、０．０１７５ＮｍＬ／ｍＬ−水である。

原料水供給部１１から水素溶解部１３に供給される原料水の溶存酸素量は、原料水として用いられる水の圧力ＰＷ０（ｋｇｆ／ｃｍ²）からヘンリーの法則に従って求めると、０．０２８５×０．２×ＰＷ０＝０．００５７ＰＷ０（ＮｍＬ／ｍＬ−水）となる。なお、ここでは、原料水が、原料水の圧力ＰＷ０と同じ圧力を有する空気（酸素：２０ｖｏｌ％）と接する状態にあったため、原料水にはその空気の酸素分圧に応じて決定される酸素量が溶解しているとの想定の下、溶存酸素量を算出している。

また、酸素は、Ｏ₂＋２Ｈ₂→２Ｈ₂Ｏの反応式に沿って水素と反応する。したがって、溶存酸素を除去するのに必要な溶存水素量は、０．０１１４ＰＷ０（ＮｍＬ／ｍＬ−水）となる。

さらに、水素溶解部１３の水素溶解時の水素圧力ＰＨ１（ｋｇｆ／ｃｍ²）と、水素回収部１５の水素圧力ＰＨＦ（ｋｇｆ／ｃｍ²）とから、ヘンリーの法則に従って過剰水素溶解量は次式で示され、これが０以上であれば、理論上は原料水の酸素をほぼ完全に除去できると考えられる。なお、上述のとおり、水素回収部１５の水素圧力ＰＨＦ（ｋｇｆ／ｃｍ²）は、水素水提供部１６における水素水の出口圧ＰＷＦとほぼ同じであると想定される。
過剰水素溶解量（ＮｍＬ／ｍＬ−水）
＝（水素溶解部での溶解水素量）−（溶存酸素を除去するのに必要な水素量）
−（水素回収部での溶存水素量）
＝０．０１７５ＰＨ１−０．０１１４ＰＷ０−０．０１７５ＰＨＦ
＝０．０１７５ＰＨ１−０．０１１４ＰＷ０−０．０１７５ＰＷＦ≧０

したがって、
ＰＨ１≧０．６５１ＰＷ０＋ＰＷＦ（ｋｇｆ／ｃｍ²） （式１）
ＰＷ≧ＰＨ≧ＰＨＦ≧１（ｋｇｆ／ｃｍ²） （原料水供給時） （式２）、及び
ＰＷ≧ＰＨＦ≧１（ｋｇｆ／ｃｍ²） （水素水提供時） （式３）
となり、水素溶解部１３の、水素溶解時の水素圧力をこの圧力より大きい圧力に設定すれば、酸素の溶存が少ない、高品質の水素水を提供できる。

本開示の水素水製造装置は、図１に示した水素水製造装置１に限定されない。他の実施形態として、例えば、図４に示すような、水素溶解部が反応部を兼ねた構成を有する水素水製造装置２が挙げられる。水素水製造装置２は、水素溶解部２３が反応部を兼ねた構成を有している。例えば、水素溶解部２３の容器２３１の内壁上の、少なくとも水素溶解水が達する位置から下側の部分の一部又は全体に、水素と酸素との反応用の触媒２３２が担持されることによって、水素溶解部２３の容器２３１の内壁が反応部として機能してもよい。触媒２３２には、水素と酸素との反応用の触媒として機能する金属及び／又は金属酸化物を用いることができる。触媒２３２に貴金属を用いてもよい。より具体的には、触媒２３２には、例えば、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、金、白金、ニッケル、パラジウム等を用いることができる。また、水素溶解部２３の容器２３１自体が触媒として機能する金属及び／又は金属酸化物で形成されていてもよい。容器２３１自体を触媒として機能させる場合は、容器２３１を、例えばステンレス、アルマイト又はガラスで全部もしくは少なくとも表面（薄膜）を形成してもよい。

水素溶解部２３の容器２３１の内壁が、例えばハニカム状等の表面積を増加させる形状を有していてもよい。これにより、触媒２３２と水素溶解水との接触面積を増加させることができるので、酸素と水素との十分な反応を実現できる。

水素水製造装置２の水素溶解部２３以外の構成は、水素水製造装置１の水素溶解部１３及び反応部１４以外の構成とそれぞれと同じであるため、ここでは各構成の詳細な説明を省略する。また、水素水製造装置２の動作についても、水素溶解水における酸素と水素との反応が水素溶解部２３で十分に起こることを除き、水素水製造装置１と同じであるため、ここでは動作についての詳細な説明も省略する。

本開示の水素水製造装置を用いた水素水製造方法では、溶存酸素を含む原料水に加圧された水素を溶解させて水素溶解水を作製し、前記水素溶解水において酸素と水素とを反応させて反応水を得て、前記反応水と接する水素を減圧し、前記反応水に過剰に溶解している水素を前記反応水から放出させて水素水を得る。このような方法によれば、溶存酸素量が低減され、さらに水素がほぼ飽和状態である水素水を提供することができる。

以下、本開示の水素水製造装置の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。

実施例では、図１に示す水素水製造装置１と同じ構成を有する装置を準備した。準備された装置において、水素溶解部１３の容器１３１及び水素回収部１５の容器１５１の容量は５００ｃｃ（（１００ｍｍ×１００ｍｍ×５０ｍｍ）であった。原料水には圧力４．０ｋｇｆ／ｃｍ²の水道水を用い（ＰＷ０＝４．０ｋｇｆ／ｃｍ²）、水素水提供部１６における水素水の出口圧ＰＷＦは１．５ｋｇｆ／ｃｍ²であった。

初期状態、すなわち図２Ａに示された状態では、水素溶解部１３に原料水（圧力４．０ｋｇｆ／ｃｍ²）が体積２００ｃｃ、原料水素（圧力４．０ｋｇｆ／ｃｍ²）が体積３００ｃｃ入っていた。次に、原料水供給部１１より、圧力４．０ｋｇｆ／ｃｍ²で水素溶解部１３への原料水の供給が開始された（図２Ｂ参照）。このとき、容器１３１は原料水供給部１１との連通部以外は密閉されているので容器１３１内の水素の圧力が上昇し、それに対応して供給される原料水の圧力もさらに大きくして注水した。そして、水素溶解部１３の水素圧力ＰＨが所定圧力ＰＨ１の６．０ｋｇｆ／ｃｍ²となったときに、原料水提供部１１からの原料水の供給を停止した（図２Ｃ参照）。このときの水素溶解部１３の容器１３１における原料水の体積は３００ｃｃであり、圧力は６．０ｋｇｆ／ｃｍ²であった。また、水素溶解部１３の容器１３１における原料水素の体積は２００ｃｃであった。

本実施例において、原料水の溶存酸素を除去するために必要な水素を原料水に溶解させるための水素圧力ＰＨ１は、原料水として用いられる水道水の圧力ＰＷ０＝４．０ｋｇｆ／ｃｍ²、水素水提供部１６における水素水の出口圧ＰＷＦ＝１．５ｋｇｆ／ｃｍ²とすると、上記（式１）より、ＰＨ１≧０．６５１Ｐｗ０＋ＰＷＦ＝４．１（ｋｇｆ／ｃｍ²）となる。したがって、本実施例では、原料水中の溶存酸素を除去するために必要な水素を十分に溶解させることが可能であった。

次に、原料水素供給部１２より水素溶解部１３への原料水素の供給を開始して、水素溶解部１３の水素圧力ＰＨをＰＨ１＝６．０ｋｇｆ／ｃｍ²に維持しつつ、反応水流量調整弁１４２を開放して水素溶解水を水素溶解部１３の容器１３１から押し出した（図２Ｄ参照）。このとき、水素溶解水が反応部１４を通過することにより、水素溶解水に溶存していた酸素と溶解させた水素とが十分に反応し、溶存酸素が除去された。得られた反応水は水素回収部１５に供給された。水素回収部１５を減圧して水素圧力ＰＨＦを１．５ｋｇｆ／ｃｍ²とすることで、反応水に過剰に溶解した水素が回収された。このときの、過剰水素量は、過剰水素溶解量＝０．００１７５ＰＨ１−０．００１１４ＰＷ０−０．００１７５ＰＷＦ＝０．００３３１５（ＮｍＬ／ｍＬ−水）であった。一方、提供される水素水の溶存水素量は、水素回収部での溶存水素量＝０．００１７５ＰＷＦ＝０．００２６２５（ＮｍＬ／ｍＬ−水）であった。このように、本実施例では、水素水の溶存水素量以上の水素を回収できることになり、これを昇圧（１．５→６ｋｇｆ／ｃｍ²）して水素溶解部１３に戻すことで、水素の有効利用も可能であった。

そして、水素溶解部１３での水素溶解水の水位が所定位置以下となったときに、水素溶解部１３への原料水素の供給を停止して、さらに反応水流量調整弁１４２、水素水流量調整弁１６１及び回収水素流量調整弁１８を閉鎖した。なお、水素溶解部１３での水位が所定位置以下となったとき、水素溶解部１３中の水素が反応部１４を介して水素回収部１５にまで流れ出て、水素溶解部１３の容器１３１内の水素が減圧された。したがって、装置１は図２Ａに示す初期状態に戻った。このサイクルにより、本実施例では、溶存酸素が低減された高品質の水素水が１００ｃｃ製造された。

本開示の水素水製造装置によれば、各種医療効果が期待されている水素水を、安価で簡単に製造できるだけでなく、酸素の含有量が低減された高品質の水素水の提供が可能となる。さらに、本開示の水素水製造装置は、過剰な水素を大気中に放出しないので、水素水を安全に製造できる。したがって、本開示の水素水製造装置は、産業上の利用の可能性が極めて高いといえる。

１，２ 水素水製造装置
１１ 原料水提供部
１１１ 原料水供給ポンプ
１１２ 原料水流量調整弁
１２ 原料水素提供部
１２１ 原料水素供給ポンプ
１２２ 原料水素流量調整弁
１３ 水素溶解部
１３１ 容器
１４ 反応部
１４１ 触媒
１４２ 反応水流量調整弁
１５ 水素回収部
１５１ 容器
１６ 水素水提供部
１６１ 水素水流量調整弁
１７ 回収水素供給ポンプ
１８ 回収水素流量調整弁
２３ 水素溶解部
２３１ 容器
２３２ 触媒

Claims (8)

1. 溶存酸素を含む原料水を供給する原料水供給部と、
   前記原料水の圧力以上に昇圧された原料水素を供給する原料水素供給部と、
   前記原料水供給部から供給された前記原料水と、前記原料水素供給部から供給された前記原料水素とを接触させて、前記原料水素が前記原料水に溶解した水素溶解水を作製する水素溶解部と、
   前記水素溶解水に溶存する酸素と水素とを反応させる反応部と、
   前記反応部における酸素と水素との反応を経て得られた水素水を装置外へ提供する水素水提供部と、
   を備えた、水素水製造装置。
2. 前記原料水供給部は、原料水供給ポンプと、前記水素溶解部に供給される前記原料水の流量を調整する原料水流量調整弁とを含んでおり、
   前記原料水素供給部は、原料水素供給ポンプと、前記水素溶解部に供給される前記原料水素の流量を調整する原料水素流量調整弁とを含んでおり、
   前記反応部は、前記反応によって得られた反応水の流量を調整する反応水流量調整弁を含んでおり、
   前記水素水提供部は、前記水素水の流量を調整する水素水流量調整弁を含んでおり、
   前記水素溶解部は、前記反応部と一体的に形成されて、前記水素溶解部における前記水素溶解水の収容部分と前記反応部における前記水素溶解水の収容部分とが連通しており、
   前記原料水供給ポンプ、前記原料水流量調整弁、前記原料水素供給ポンプ、前記原料水素流量調整弁、前記反応水流量調整弁及び前記水素水流量調整弁により、前記水素溶解部における前記原料水の圧力ＰＷ及び前記原料水素の圧力ＰＨと、前記水素水提供部における前記水素水の圧力ＰＷＦとが調整される、
   請求項１に記載の水素水製造装置。
3. 前記原料水提供部において前記原料水として用いられる水の圧力ＰＷ０、前記水素溶解部における前記原料水の圧力ＰＷ、前記水素溶解部における前記原料水素の圧力ＰＨ、前記水素溶解部において前記原料水素が到達する最高圧力として設定される所定圧力ＰＨ１及び前記水素水提供部における水素水の圧力ＰＷＦが、
   ＰＨ１≧０．６５１ＰＷ０＋ＰＷＦ（ｋｇｆ／ｃｍ²） （式１）
   ＰＷ≧ＰＨ≧ＰＨＦ≧１（ｋｇｆ／ｃｍ²） （原料水供給時） （式２）、及び
   ＰＷ≧ＰＨＦ≧１（ｋｇｆ／ｃｍ²） （水素水提供時） （式３）
   を満たす、
   請求項１又は２に記載の水素水製造装置。
4. 前記反応部は、酸素と水素との反応用の触媒を含む、
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の水素水製造装置。
5. 前記水素溶解部が前記反応部を兼ねる、
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の水素水製造装置。
6. 前記反応部における前記反応によって得られた反応水の流路において、前記水素水提供部よりも上流側に設けられた、前記反応水における過剰溶解水素を回収する水素回収部をさらに備えており、
   前記水素回収部は、前記反応水と接する空間を前記水素溶解部における水素圧力よりも減圧することによって、前記過剰溶解水素を回収する、
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の水素水製造装置。
7. 前記水素回収部で回収された回収水素は、前記水素溶解部における水素の圧力よりも高い圧力に昇圧されて、前記水素溶解部に供給される、
   請求項６に記載の水素水製造装置。
8. 前記水素回収部と前記水素溶解部との間に配置された回収水素供給ポンプ及び回収水素流量調整弁をさらに備えており、
   前記回収水素は、前記回収水素供給ポンプによって前記水素溶解部における水素の圧力よりも高い圧力に昇圧されて、前記回収水素流量調整弁を介して前記水素溶解部に供給される、
   請求項７に記載の水素水製造装置。

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