JP2017056374A - 電解水生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電池の利用効率が良好で長寿命な電解水生成装置を提供する。【解決手段】電解槽に貯留された被電解水を電解することで酸性水又はアルカリ性水を生成する電解水生成装置であって、電池電圧を供給する電池と、前記電池電圧を電解に適した出力に調整する出力調整回路と、を備えている電解水生成装置。【選択図】図６

Description

本発明の実施形態は、電解水生成装置に関する。

近年、少量の電解水を必要な場所で生成するため、電池を電源とする可搬型の電解水生成装置が提案されている。

特開２０００−１４０８４８号公報 特許第３３９１６５１号公報

しかし、電池は、コンセントを介して供給される商用電源には無い幾つかの特徴を有している。例えば、
１）電池の容量は有限である
２）電池の容量は、放電電流が大きくなるにつれ低下する
３）電池の電圧は、放電電流が大きくなるにつれ低下する
４）放電が進むほど、放電電流を大きくした場合の電池電圧の低下は大きくなる
５）電池の放電容量は、連続放電より間欠放電の方が大きくなる
６）放電禁止電圧以下まで過放電すると、液漏れや発熱等の発生する可能性が増す
上記の電池の特徴に鑑みて、本実施形態は、電池の利用効率が良好で長寿命な電池駆動貯水型の電解水生成装置を提供することを目的とする。

本実施形態によれば、電解槽に貯留された電解質水溶液を電解することで酸性水又はアルカリ性水を生成する電池駆動型の電解水生成装置は、電池電圧を供給する電池と、前記電池電圧を電解に適した出力に調整する出力調整回路と、を備えている。

図１は、実施形態に係る電池駆動型の電解水生成装置の構成を示す図である。 図２は、電解水生成装置の電極ユニットを示す分解斜視図である。 図３は、定電流回路を備えた電源ユニットの回路構造を示す図である。 図４は、出力電流が高い場合における定電流回路のタイミングチャートを示す図である。 図５は、出力電流が低い場合における定電流回路のタイミングチャートを示す図である。 図６は、昇降圧型回路を備えた電源ユニットの回路構造を示す図である。 図７は、マイコンの第１のプログラムにおける割り込みルーチンを示すフローチャートである。 図８は、マイコンの第１のプログラムにおけるメインルーチンを示すフローチャートである。 図９は、第１のプログラムでマイコンに記憶される電解に関するデータの経時変化を示したグラフである。 図１０は、マイコンの第２のプログラムにおけるメインルーチンを示すフローチャートである。 図１１は、第２のプログラムでマイコンに記憶される電解に関するデータの経時変化を示したグラフである。 図１２は、第２のプログラムでマイコンに記憶される電解に関するデータの経時変化を示したグラフである。 図１３は、太陽電池に接続された電源ユニットを示すブロック図である。

以下、本実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、開示はあくまで一例に過ぎず、当業者において、発明の主旨を保っての適宜変更について容易に想到し得るものについては、当然に本発明の範囲に含有されるものである。また、図面は、説明をより明確にするため、実際の態様に比べて、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。また、本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同一又は類似した機能を発揮する構成要素には同一の参照符号を付し、重複する詳細な説明を適宜省略することがある。

図１は、実施形態に係る電池駆動型の電解水生成装置の構成を示す図である。
始めに、電解水生成装置全体の構成を説明する。なお、図１の説明において、下方とは電解中に被電解水の水底が位置する側であり、上方とは電解中に被電解水の水面が位置する側である。

図１に示すように、電解水生成装置１０は、いわゆる３室型の電解槽１１を備えている。電解槽１１の内部は、中間室１９と、中間室１９の両側に位置する陽極室１６および陰極室１８との３室に仕切られている。電解槽１１は、陽極室１６と中間室１９との間を仕切る第１隔膜２４ａと、陰極室１８と中間室１９との間を仕切る第２隔膜２４ｂと、を備えている。陽極室１６内に陽極２０が設けられ、第１隔膜２４ａに対向している。陰極室１８内に陰極２２が設けられ、第２隔膜２４ｂに対向している。陽極２０および陰極２２は、中間室１９を挟んで、互いに対向している。電解水生成装置１０は、電池駆動の電源ユニット３０を備えている。電源ユニット３０の正極は、陽極２０に接続され、電源ユニット３０の負極は、陰極２２に接続されている。

陽極室１６、陰極室１８、及び中間室１９は、上部に注排水口を備えた有底形状に形成されている。電解の際、電解水生成装置１０は、中間室１９にハロゲンイオンを含む電解質水溶液を貯水している。また、電解水生成装置１０は、陽極室１６及び陰極室１８に電解水のもととなる原水を貯水している。電解質水溶液に溶解している電解質は、例えば塩化ナトリウム（食塩）が用いられるが、特に限定されるものではなく、塩化カリウム等の水に可溶な塩や塩酸等の水溶性の電解質も使用することが可能である。また、電解質水溶液の濃度は、特に制限されるものではないが、電解の安定性を考慮すると濃度が高い方が好ましく、特に水に可溶な塩であれば濃度管理の観点から飽和電解液であることが好ましい。

原水は、水道水、地下水等が使用できるが、電解中に主として陰極室１８に堆積する炭酸カルシウム等のスケールを防止する観点から、イオン交換樹脂等から構成される軟水器を通して、アルカリ成分を低減した軟水を用いることが好ましい。なお、陽極室１６、陰極室１８、及び中間室１９の内部において、電解質水溶液及び原水は、静水状態である。ここでいう静水状態とは、第１隔膜２４ａおよび第２隔膜２４ｂを通さない水の出入りがない状態のことである。第１隔膜２４ａおよび第２隔膜２４ｂは、電解質水溶液の液面６３を原水（電解水）の液面６４、６５より高くすることで、中間室１９側を陽圧とすることができる。これにより、電解水生成装置１０は、生成した電解水の性状を安定化させることができる。

図２は、電解水生成装置の電極ユニットを示す分解斜視図である。
電極ユニット１２は、前述した陽極２０、陰極２２、第１隔膜２４ａ、および第２隔膜２４ｂを備えている。陽極２０は、例えば、矩形状の金属板からなる基材２１に多数の貫通孔１３を形成した多孔構造を有している。基材２１は、第１表面２１ａおよび、第１表面２１ａとほぼ平行に対向する第２表面２１ｂを有している。第１表面２１ａは第１隔膜２４ａに対向し、第２表面２１ｂは陽極室１６に対向する。陰極２２は、陽極２０と同様に構成されている。すなわち、陰極２２は、例えば、矩形状の金属板からなる基材２３に多数の貫通孔１５を形成した多孔構造を有している。基材２３は、第１表面２３ａおよび、第１表面２３ａとほぼ平行に対向する第２表面２３ｂを有している。第１表面２３ａは第２隔膜２４ｂに対向し、第２表面２３ｂは陰極室１８に対向する。なお、陽極２０、陰極２２、第１隔膜２４ａ、および第２隔膜２４ｂは、図２中では平板状であるが、これに限定されるものではなく、屈曲あるいは湾曲していてもよい。

貫通孔１３は、陽極２０の全面に亘って多数形成されている。各貫通孔１３は、第１表面２１ａおよび第２表面２１ｂに開口している。貫通孔１３は、例えば第１表面２１ａ側の口径と第２表面２１ｂ側の口径とが同じとなるストレート孔が形成される。ただし、貫通孔１３は、ストレート孔に限定されるものではなく、第１表面２１ａ側の開口径が第２表面２１ｂ側の開口径よりも大きくまたは小さくなるように、テーパー状の壁面、あるいは湾曲した壁面により形成してもよい。貫通孔１３は、矩形状、円形、楕円形等、種々の形状を用いることができる。また、貫通孔１３は、規則的に限らず、ランダムに並んで形成されていてもよい。なお、貫通孔１５は、貫通孔１３と同様に形成される。

基材２１および基材２３としては、チタン、ステンレス、クロム、ニッケルやその合金等の弁金属、導電性金属を用いることができる。電解反応の効率向上の観点から、陽極２０および陰極２２の表面に電解触媒（触媒層）を備えることが好ましい。陽極としての機能を向上させるため、陽極２０の電解触媒は、白金等の貴金属触媒や酸化イリジウム等の酸化物触媒を用いることが好ましい。陰極としての機能を向上させるため、陰極２２の電解触媒は、白金を用いることが好ましい。ただし、陰極２２は、電解触媒を備えずに、チタンやステンレス等の耐食性を有する金属を表面に備えていてもよい。

中間室１９と陽極室１６との間を仕切る第１隔膜２４ａは、陽極２０の第１表面２１ａに対向および隣接している。第１隔膜２４ａは、陰イオン交換膜により形成されていることが好ましい。陰イオン交換膜としては株式会社アトムス製ＡＭＸ膜、ＡＨＡ膜等を用いることが可能である。中間室１９と陰極室１８との間を仕切る第２隔膜２４ｂは、陰極２２の第１表面２３ａに対向および隣接している。第２隔膜２４ｂは、陽イオン交換膜により形成されていることが好ましい。陽イオン交換膜としては、例えば、ナフィオン（ＮＡＦＩＯＮ、イー アイ デュポン社：登録商標）、フレミオン（旭硝子株式会社：登録商標）、ＡＣＩＰＬＥＸ（旭化成株式会社：登録商標）、ゴアセレクト（ダブリュー．エル．ゴア アンド アソシエーツ社：登録商標）、等を用いることができる。

第１隔膜２４ａ及び第２隔膜２４ｂは、イオン透過性を有していればイオン交換膜に限定されるものではなく、多孔質膜であってもよい。多孔質膜は、化学的に安定な無機酸化物を含有する連続的な無機酸化物多孔質膜を用いることができる。無機酸化物としては種々のものを用いることができる。例えば、酸化チタン、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化ニッケルを用いることができる。特に、多孔質膜は、酸化チタン、酸化ケイ素、および酸化アルミニウムの中から選ばれた少なくとも１つの無機材料を含む材料で形成されることが好ましい。その他多孔質膜としては、無機酸化物の他に、塩素系やフッ素系のハロゲン化高分子を有する多孔質ポリマーやポリエチレンやポリプロピレン等の耐薬品性に優れるポリマーからなる微多孔質薄膜等を用いることもできる。

次に、図１及び図２で構造を説明した電解水生成装置１０について、電解質水溶液に飽和食塩水を用いて電解水を生成する動作を説明する。
電解の際、中間室１９に貯留された飽和食塩水は、電離によって生じたナトリウムイオンと塩素イオンを有している。電源ユニット３０が通電を開始し、陽極２０が正に帯電すると、陰イオンである塩素イオンは、中間室１９中の飽和食塩水から、第１隔膜２４ａを通じて陽極室１６中の原水へ泳動する。塩素イオンは、陽極２０近傍で酸化されるとともに水と反応して、次亜塩素酸と塩酸を生成する。これにより、陽極室１６では、殺菌性を有する酸性の電解水（酸性水）が生成される。

また、電源ユニット３０が通電を開始すると、陰極２２が負に帯電する。陽イオンであるナトリウムイオンは、中間室１９中の飽和食塩水から、第２隔膜２４ｂを通じて陰極室１８中の原水へ泳動する。陰極２２では原水中の水素イオンが還元されて水素ガスを発生させ、同時に余剰となった水酸イオンが前記ナトリウムイオンと結合して水酸化ナトリウムとなる。水素ガスは、陰極室１８上部の注排水口から排出される。これにより、陰極室１８では、アルカリ性の電解水（アルカリ性水）が生成される。

電解は、陽極２０及び陰極２２に通電した電流値に比例して反応が進行する。このため、所定量の原水を所望の濃度の電解水にするには、通電された電流値の積算値、つまり積算通電電気量が所定の値になるまで電解を行えばよい。電解の進捗状況の目安となる積算通電電気量の値は、原水の水量と電解水の目的濃度とを基に計算される。このとき、電池を用いる電源ユニット３０は、電池の出力特性に鑑みた出力調整回路を備えていることが望ましい。

次に、本実施形態に係る電解水生成装置の電源ユニット３０について詳細に説明する。図３は、第１実施例として、出力調整回路として定電流回路を備えた電源ユニット３０示す図である。
電源ユニット３０は、電池３１と、電池３１に接続された定電流回路３２と、を備えている。電池３１は、定電流回路３２へ電池電圧Ｖ３１を供給する。定電流回路３２は、電池電圧Ｖ３１を電解に適した電流となるように出力電圧Ｖ３０を調整し、陽極２０および陰極２２へ出力電流を供給する。なお、電池３１は、一次電池であってもよく、二次電池であってもよい。

定電流回路３２は、制御用トランジスタＱ１、コンパレータＱ２、ランプ波発生装置Ｌ、電流−電圧変換抵抗Ｒ１、コンデンサＣ１、及びコンデンサＣ２を備えている。制御用トランジスタＱ１は、コレクタ端子Ｃ、ベース端子Ｂ、及びエミッタ端子Ｅを備えている。コレクタ端子Ｃは電池３１の正極と接続され、ベース端子ＢはコンパレータＱ２と接続され、エミッタ端子ＥはコンデンサＣ２および陽極２０と接続されている。コンパレータＱ２の非反転入力端子はランプ波発生装置Ｌと接続され、コンパレータＱ２の反転入力端子は電流−電圧変換抵抗Ｒ１に接続され、コンパレータＱ２の出力端子は、ベース端子Ｂに接続されている。なお、電源ユニット３０は、制御用トランジスタＱ１とコンデンサＣ２との間から分岐した配線によって、陽極２０へ接続されている。また、コンデンサＣ２と電流−電圧変換抵抗Ｒ１との間から分岐した配線によって、陰極２２へ接続されている。

電池３１の正極から出力された電池電圧Ｖ３１は、コレクタ端子Ｃに入力される。電池電圧Ｖ３１は、ベース端子Ｂに入力された制御信号ＳＣで制御された後、エミッタ端子Ｅから出力される。エミッタ端子Ｅから出力されたエミッタ電圧ＶＥＭは、コンデンサＣ２で平滑されて直流の出力電圧Ｖ３０として陽極２０へ供給される。コンデンサＣ１は、電池電圧Ｖ３１の急激な変化を緩和し、定電流回路３２の動作を安定化させるためのコンデンサである。

コンパレータＱ２の非反転入力端子は、ランプ波発生装置Ｌで生成されたランプ波ＳＬを入力される。コンパレータＱ２の反転入力端子は、電流−電圧変換抵抗Ｒ１で発生する電流検出信号ＳＲ１を入力される。コンパレータＱ２の出力端子は、制御信号ＳＣをベース端子Ｂへ出力する。コンデンサＣ２は、電源ユニット３０の出力電圧Ｖ３０を平滑にするためのコンデンサである。

次に、定電流回路３２における信号処理について説明する。図４は、出力電流が高い場合における定電流回路のタイミングチャートを示す図である。
ランプ波ＳＬは、波形信号の一種である。ランプ波ＳＬのシグナル強度は、時間とともに直線的に増加して、所定の強度に達した際に急にゼロに戻るサイクルを繰り返す。ランプ波ＳＬのシグナル強度の最大値、及びシグナル周波数は、経時的に変化しないものとする。電流検出信号ＳＲ１は、出力電流の強度に比例した信号であり、図示したタイムスケールでは経時的に変化しないものとする。コンパレータＱ２は、ランプ波ＳＬと電流検出信号ＳＲ１とを比較し、ランプ波ＳＬが電流検出信号ＳＲ１より大きい間だけ、ＨＩＧＨレベルの制御信号ＳＣを出力する。ランプ波ＳＬが周期的な波形信号であるため、制御信号ＳＣは、ランプ波ＳＬの周波数と同じ周波数を有する矩形波となる。なお、出力電流が高いほど、電流検出信号ＳＲ１が高くなり、結果として、制御信号ＳＣがＨＩＧＨレベルとなる時間が短くなる。

制御用トランジスタＱ１は、ベース端子Ｂに入力される制御信号ＳＣがＨＩＧＨレベルの期間だけ、エミッタ端子Ｅとコレクタ端子Ｃとを導通させる。このようにしてエミッタ端子Ｅから出力されるエミッタ電圧ＶＥＭは、制御信号ＳＣと同じ周波数を有する矩形波となっている。エミッタ電圧ＶＥＭは、コンデンサＣ２で平滑化され、出力電圧Ｖ３０として出力される。

図５は、上記とは逆に出力電流が低い場合における定電流回路のタイミングチャートを示す図である。
ランプ波ＳＬの周波数及びシグナル強度は、出力電流が高い場合から変化していない。一方で、電流検出信号ＳＲ１のシグナル強度は、低下している。このため、制御信号ＳＣがＨＩＧＨレベルとなる期間は、出力電流が高い場合より低い場合の方が長くなる。このため、出力電流が低下すると、制御用トランジスタＱ１のベース端子Ｂに入力される制御信号ＳＣがＨＩＧＨレベルの期間が長くなり、エミッタ電圧ＶＥＭが高くなる。エミッタ電圧ＶＥＭが高くなると陽極電圧も高くなるため出力電流が増加する。逆に出力電流が低下すると上記と逆の動作を行い出力電流が低下するように動作する。このようにして、電極ユニットには常に一定の電流が流れることとなる。

電池電圧Ｖ３１が低下すると、それに応じてエミッタ電圧ＶＥＭが低下し、結果として出力電流は低下する。しかし出力電流が低下すると上記の動作により、エミッタ電圧ＶＥＭを高くして出力電流を増加させるように制御用トランジスタＱ１が制御される。逆に電池電圧Ｖ３１が増加すると、それに応じてエミッタ電圧ＶＥＭが増加して出力電流が増加する。この場合にも、上記動作により、エミッタ電圧ＶＥＭが低下させるように制御用トランジスタＱ１が制御されるため、出力電流は低下する。このように、この回路を用いることで、電池電圧Ｖ３１が変化しても、電極ユニットには常に一定の電流を流すことが可能となる。すなわち、電源ユニット３０の出力電流の値は、電池電圧Ｖ３１が放電禁止電圧まで低下する迄は、一定となる。

以上の様に、電池駆動型の電解水生成装置１０は、電解槽１１に貯留された電解質水溶液を電解することで酸性水又はアルカリ性水を生成する電解水生成装置であって、電池電圧Ｖ３１を供給する電池３１と、電池電圧Ｖ３１を電解に適した出力に調整する出力調整回路と、を備えている。なお、本構成例において、出力調整回路は、定電流回路３２に相当する。これによって、電源ユニット３０は、連続での放電が続くと電圧が徐々に低下する電池３１を利用したとしても、出力電流を一定化させることが可能である。このため、電解水生成装置１０は、電解槽１１に損傷を与えず円滑に電解が進行する電流の範囲で、出力電流を一定に保ちつつ電解を行うことができる。また、電解水生成装置１０は、通電電気量の管理を、計測が容易な時間管理で代替することができる。したがって、本実施形態は、電解水の濃度管理や電源ユニットの寿命管理が容易な電池駆動型の電解水生成装置を提供することができる。

なお、上記の説明は、アナログ回路で構成された定電流回路３２を基に行ったが、定電流回路３２は、マイコンを用いて信号処理を行ってもよい。マイコンを用いた場合、定電流回路３２は、複数のポイントの信号を基にした出力の制御や、複数の判断を行う複雑な制御を容易に行うことができる。このように、矩形波の幅を変化させることで出力の制御を行う方法は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御と呼ばれる制御方法であり、変換効率に優れているという特徴を有している。

次に、電源ユニットの他の実施例について説明する。なお、以下に説明する他の実施例において、マイコンを用いた電源ユニット３０を例にして説明を行うが、電源ユニット３０の基本的な動作は、上記の構成例と同じＰＷＭ制御である。
所定量の水を電解する場合には、通電電気量の測定と管理を行うことができれば、電源ユニット３０の出力電流及び出力電圧は、電解槽１１に損傷を与えず、円滑に電解が進行する範囲であれば、一定でなくてもよい。すなわち、出力調整回路は、必ずしも定電流回路３２でなくともよい。出力調整回路が調整する出力は、電流であってもよく、電圧であってもよい。
（第２の実施例）
図６は、第２の実施例に係る昇降圧型回路を備えた電源ユニットの回路構造を示す図である。第２の実施例によれば、電源ユニット３０は、出力調整回路として、電池電圧を昇圧及び降圧させることにより、出力電流を安定化させることを可能とするＳＥＰＩＣ（Single Ended Primary Inductor Converter）型の昇降圧型回路３４を備えている。

昇降圧型回路３４は、マイコンＱ３、コンデンサＣ１、インダクタＬ１、制御用トランジスタＱ１、コンデンサＣ３、インダクタＬ２、ダイオードＤ１、コンデンサＣ２、及び電流-電圧変換抵抗Ｒ１を備えている。マイコンＱ３は、出力端子ＰＷＭ１、入力端子ＡＤ１、及び入力端子ＡＤ２を備えている。出力端子ＰＷＭ１は制御用トランジスタＱ１と接続され、入力端子ＡＤ１は電池３１と接続され、入力端子ＡＤ２は電流−電圧変換抵抗Ｒ１と接続されている。

なお、電源ユニット３０は、ダイオードＤ１とコンデンサＣ２との間から分岐した配線によって、陽極２０へ接続されている。また、コンデンサＣ２と電流−電圧変換抵抗Ｒ１との間から分岐した配線によって、陽極２２へ接続されている。

コンデンサＣ１、コンデンサＣ２、及び電流−電圧変換抵抗Ｒ１の動作は、図３で説明した構成例と同様である。ＳＥＰＩＣ回路を構成している電子部品は、残りのコンデンサＣ３、インダクタＬ１、Ｌ２、ダイオードＤ１、及び制御用トランジスタＱ１である。

マイコンＱ３は、入力端子ＡＤ１に入力される電池電圧Ｖ３１と、入力端子ＡＤ２に入力される電流検出信号ＳＲ１とを基に、内部で演算処理を行う。マイコンＱ３は、演算処理により生成された矩形波の制御信号ＳＣを、出力端子ＰＷＭ１から出力する。制御信号ＳＣは、制御用トランジスタＱ１に入力され、陽極２０へ供給される出力電流を変化させる。

マイコンＱ３は、ＰＩＣ社の組み込み用のマイコンであるＰＩＣ１６Ｆ１８２３を使用したが、特に限定されるものではない。ただし、ＰＷＭ制御が容易に行えるようになることから、マイコンＱ３は、内部にハードウェアでＰＷＭ制御を実行する機能を有している品種を用いることが好ましい。

図７は、マイコンの第１のプログラムにおける割り込みルーチンを示すフローチャートであり、図８は、マイコンの第１のプログラムにおけるメインルーチンを示すフローチャートである。

Ｉｏｕｔは、入力端子ＡＤ２で測定された出力電流の測定値（単位はＡ）、Ｉｓｅｔは設定された出力電流の目標値（単位はＡ）、Ｉ１は電池電圧Ｖ３１の測定値がＶ１以上の場合の出力電流目標値（単位はＡ）、Ｉ２は電池電圧Ｖ３１の測定値がＶ１以下の場合の出力電流目標値(単位はＡ)、Ｖｂは入力端子ＡＤ１で測定された電池電圧Ｖ３１の測定値（単位はＶ）、Ｖ１は出力電流の切換えを行う電池電圧目標値（単位はＶ）、ＱＥはマイコンＱ３に記憶される積算通電電気量（単位はＡ・ｓ）、ＱＥ１は電解の完了に必要な積算通電電気量（単位はＡ・ｓ）、ＰＷＭは制御信号ＳＣを制御しているレジスタの値、をそれぞれ示す。ＰＷＭの値が大きいほど、出力電圧Ｖ３０を増加させて出力電流が増加するように制御信号ＳＣが出力される。
マイコンＱ３のプログラムは、メインルーチンと割り込みルーチンの２つからなり、割り込みルーチンはタイマー割込みで１秒おきに起動される。

図７に示すように、割り込みルーチンは、記憶手段として機能するマイコンＱ３に記憶されている積算通電電気量の値ＱＥに、測定されたＩｏｕｔを加算し、新しい積算通電電気量ＱＥを算出して記憶手段に戻す。次に、割り込みルーチンは、測定されたＩｏｕｔとＩｓｅｔとを比較する。ＩｓｅｔよりＩｏｕｔの方が大きい場合、割り込みルーチンは、ＰＷＭを減算することで出力電圧Ｖ３０を低下させて出力電流を低下させる。ＩｓｅｔよりＩｏｕｔの方が小さいか等しい場合、割り込みルーチンは、ＰＷＭを加算することで出力電圧Ｖ３０を増加させて出力電流を増加させる処理を行う。

図８に示すように、メインルーチンは、起動されるとＩｓｅｔにＩ１をセットする。次に、メインルーチンは、割り込みルーチンが定期的に更新するＶｂとＱＥの値を監視し、ＶｂがＶ１より大きいか等しく、かつＱＥがＱＥ１より小さい間は何も処理を行わない。ＱＥがＱＥ１と等しいか大きくなった場合、メインルーチンは通電を停止する。また、途中でＶｂがＶ１より低くなった場合、メインルーチンは、ＩｓｅｔにＩ１がセットされているかを確認する。このとき、ＩｓｅｔにＩ１がセットされている場合、メインルーチンは、ＩｓｅｔをＩ２に書き換える。しかし、すでにＩｓｅｔにＩ２がセットされている場合、メインルーチンは、終了処理を行う。この様な場合、ＱＥがＱＥ１に達していないため、電解水生成装置１０は、生成した電解水が規定の品質に達していないことをブザー鳴動やＬＥＤ点灯などにより使用者に通知するとともに、電池交換、ないしは充電を促すための通知を行うことが望ましい。なお、電解水生成装置１０は、ＩｓｅｔをＩ２に書き換えるタイミングで、電池交換、ないしは充電のタイミングを予告する通知を行ってもよい。

図９は、第１のプログラムでマイコンに記憶される電解に関するデータの経時変化を示したグラフである。横軸は時間経過を示し、縦軸はＶｂ、Ｉｓｅｔ、またはＱＥの大きさを示している。

ＶｂがＶ１より高いか等しい間は、電源ユニット３０は、電解水生成を迅速に行うために高電流であるＩ１を出力するように動作する。ＶｂがＶ１以下まで低下した時点ｔ１で、Ｉ１より低電流であるＩ２がＩｓｅｔに設定されることで、電解水生成装置１０は、電池３１の放電電流を低下させてＶｂを復帰させるとともに、その後の電圧低下を低下させる。なお、時点ｔ１以降は、ＩｓｅｔがＩ２に低下しているため、ＱＥの増加速度は低下する。すなわち、電解水生成装置１０は、Ｖｂ＝Ｖ１となる時点ｔ１を経過しても、電解水の生成を継続することを可能とする。

以上の様に、電池駆動型の電解水生成装置１０は、電解中に電池電圧Ｖｂがあらかじめ設定された第１電圧値Ｖ１を下回った時点ｔ１で、出力調整回路３４を制御して出力を低下させる。このような制御を行うことで、電解水生成装置は、迅速なる電解水生成と、電池容量の最大限の活用と、の両立が図れるようになる。また、電解水生成装置は、電池電圧がＶ１以下まで低下することが抑止されるため、電池の過放電が防止され、電池漏液や発熱等の事象発生を回避することが可能となる。

また、本実施例は、ＩｓｅｔをＩ１とＩ２との２点としたが、さらにＩ３、Ｉ４と多くのＩｓｅｔを設けることで出力電流の低下を多段階で行うことも可能であり、更なる電池容量の引き出しが可能となる。さらにＩｓｅｔをＩ２，Ｉ３，Ｉ４と変更することに応じて第１電圧値をＶ１ａ、Ｖ１ｂ、Ｖ１ｃと変化させることも可能である。電解水生成装置は、Ｉｓｅｔ（出力）を低下させる処理を繰り返すたびに、第１電圧値を同一ないしは低下させることで、電池容量をより効果的に引き出すことができる。

Ｖ１の設定値は、電池の品種や設定される負荷で適宜選定する必要があるが、おおよそマンガン電池やアルカリ電池の場合には０．８〜０．９Ｖ、ニッケルカドミウム蓄電池やニッケル水素蓄電池では０．９〜１Ｖ、またリチウムイオン二次電池では３．３〜３．５Ｖに設定することが望ましい。

（第３の実施例）
次に、第３の実施例について、図１０乃至図１３を用いて説明する。なお、第３の実施例の構成は、第２の実施例の構成と同じであり、第３の実施例は、マイコンＱ３のプログラムの点で第２の実施例と相違している。

図１０は、マイコンの第２のプログラムにおけるメインルーチンを示すフローチャートである。
Ｖ２は出力電流の停止を行う電池電圧目標値（単位はＶ）であり、Ｖ１と同じかＶ１より低い電圧に設定される。Ｔは電解が終了した時点、Ｔ１は追加電解を実施する最大許容放置時間、ＴｉｍｅはマイコンＱ３が内蔵するバッテリーバックアップされているリアルタイムクロックが示す時点、をそれぞれ示す。なお、時点ｔ２は、ＱＥがＱＥ１に達する前に電解が終了した場合のＴである。
割り込みルーチンの動作は第２の実施例と同じなのでその説明を省略する。

メインルーチンは、起動されるとＩｓｅｔにＩ１をセットした後、ＱＥが０であるか否かを判断する。もしＱＥが０の場合、前回の電解は、ＱＥがＱＥ１に達するまで行えたと判断する。ＱＥが０以外の場合は、電解再開の時点ｔ３と前回の電解が中断した時点ｔ２との差が、Ｔ１以内か否かを判断し、Ｔ１を超えている場合はＱＥを０にする。

電解が開始されると、電解水生成装置１０は、ＶｂがＶ１に低下するまでは、Ｉ１で電解を行う。電解水生成装置１０は、Ｖｂが放電の結果Ｖ１にまで低下すると、ＩｓｅｔをＩ２に低下させることで、Ｖｂを回復させて電解を継続する。その後の放電で再度ＶｂがＶ１以下になると、電解水生成装置１０は、ＩｓｅｔがＩ２になっているか否かの判断を行う。ＩｓｅｔがＩ２になっている場合には、ＶｂがＶ２になるまで電解を継続する。ＶｂがＶ２に至る前にＱＥがＱＥ１に達すると、電解水生成装置１０は、ＱＥを０にしたのち、ＴｉｍｅをＴに入れてマイコンＱ３へ記憶させた後、電解処理を終了する。もし、ＱＥがＱ１に達する前に、ＶｂがＶ２以下になってしまった場合、電解水生成装置１０は、マイコンＱ３にその時点でのＱＥを記憶させ、ＴｉｍｅをＴ（ｔ２）に入れてマイコンＱ３へ記憶させた後、電解処理を終了する。
フローチャートでは記載していないが、Ｔ１を超えて放置されていた場合、電解水生成装置１０は、ブザー鳴動やＬＥＤ点灯等により使用者へ注意を喚起する通知を行うことが好ましい。

図１１は、第２のプログラムでマイコンに記憶される電解に関するデータの経時変化を示したグラフである。また、図１１は、時点ｔ３と時点ｔ２との時間差がＴ１以内の場合のグラフである。時点ｔ１までの継時変化は、図９に図示した継時変化と同様であるので、説明を省略する。時点ｔ１から時点ｔ２までの間、Ｖｂは徐々に低下し、ＩｓｅｔはＩ２に設定され、ＱＥの増加速度はｔ１までのＱＥの増加速度より緩やかである。時点ｔ２で、Ｖｂは、Ｖ１より低いＶ２まで低下する。時点ｔ２から時点ｔ３まで、電解処理は停止され、Ｉｓｅｔは未設定となる。この間、ＱＥは、時点ｔ２における値が記憶されている。電池３１が交換ないしは充電された時点ｔ３で、ＩｓｅｔはＩ１に設定され、時点ｔ３のＱＥは、時点ｔ２のＱＥから引き継がれる。なお、時点ｔ３以降は、電池３１が交換ないしは充電されているので、ＩｓｅｔがＩ１に設定されている。

図１２は、第２のプログラムでマイコンに記憶される電解に関するデータの継時変化を示したグラフである。図１２は、時点ｔ３と時点ｔ２との時間差がＴ１を超えている場合のグラフである。時点ｔ３までの継時変化は、図１１に図示した継時変化と同様であるので、説明を省略する。時点ｔ３において、ＱＥは０に設定され、電解は、最初から開始される。

以上の様に、電池駆動型の電解水生成装置１０は、電解中に電池電圧Ｖｂがあらかじめ設定された第２電圧値Ｖ２を下回った時点で、それまでの電解に関するデータを記憶手段Ｑ３に記憶した後に電解を停止させる。これにより電解水生成装置は、停止前の中断した電解から電解処理を再開することができる。電解水生成装置は、電池の交換や充電によって電解を中断した際に、中断前の生成途中の電解水を無駄にすることなく、所定の濃度の電解水を生成することができる。

また、電池駆動型の電解水生成装置１０は、電解中に電池電圧Ｖｂがあらかじめ設定された第１電圧値Ｖ１を下回った時点ｔ１で、出力調整回路３４を制御して出力電圧を低下させて電解を継続し、さらに、電池電圧Ｖｂがあらかじめ設定された第２電圧値Ｖ２を下回った時点ｔ２で、それまでの電解に関するデータを記憶手段Ｑ３に記憶した後に電解を停止させる。

また、上記の制御において、電解に関するデータは、少なくとも電解を停止させるまでの積算通電電気量ＱＥを含む。このような制御を行うことで、電解水生成装置は、電池容量の有効活用が行えるようになるとともに、途中まで電解の進んだ生成途中の電解水に過剰な電解を加えることが防止でき、常に安定した電解水の提供を可能とする。

さらに、電池駆動型の電解水生成装置１０は、電池３１の交換や外部電源への接続による電池交換ないしは充電を検知した場合、電解に関するデータを基に、停止させた電解を継続させる。
また、上記の処理において、電池駆動型の電解水生成装置１０は、電池電圧Ｖｂの低下により電解を停止させた後、所定の時間Ｔ１以内に電池交換ないしは充電を検出した場合にのみ停止させた電解を継続させる。電解水の濃度は時間とともに低下していくので、このような処理を行うことによって、電解水生成装置は、電池交換ないしは充電後に再開した電解によって生成される電解水の濃度が低下することを抑制することができる。

なお、上記実施例では第２電圧値Ｖ２を、第１電圧値Ｖ１よりも低くしたが、同じであってもよい。また、ＩｓｅｔをＩ１とＩ２との２点としたが、さらにＩ３、Ｉ４と多くのＩｓｅｔを設けることで出力電流の低下を多段階で行うことも可能であり、更なる電池容量の引き出しが可能となる。さらＩｓｅｔをＩ２，Ｉ３，Ｉ４と変更することに応じて第１電圧値をＶ１ａ、Ｖ１ｂ、Ｖ１ｃと変化させることも可能である。

（第４の実施例）
図１３は、第４の実施例に係る電解水生成装置の電源ユニットおよび外部電源を概略的に示す図である。本実施例によれば、電池３１を充電する外部電源として、太陽電池を用いている。

図１３に示すように、電源ユニット３０は、充電制御回路４０を介して、太陽電池５０へ電気的に接続されている。太陽電池５０で生成された電圧は、充電制御回路４０を経由して、電源ユニット３０に備えられた二次電池３１へ供給される。

以上の様に、電源ユニット３０の電池は、二次電池３１を用いている。そして、電池駆動型の電解水生成装置１０は、太陽電池５０による二次電池３１への充電を制御する充電制御回路４０を備えている。これにより、電解水生成装置は、二次電池３１への過充電を抑制し良好な品質の電力によって充電を行うことができる。

以上説明したように、本実施形態および各実施例によれば、電池の利用効率が良好で長寿命な電池駆動型の電解水生成装置を提供することができる。

なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
例えば、電解水生成装置は、貯水型の生成装置に限らず、いわゆる流水型の生成装置にも適用可能である。

１０…電解水生成装置 １１…電解槽 １６…陽極室 １８…陰極室 １９…中間室
１２…電極ユニット ２０…陽極 ２２…陰極 ２４ａ…第１隔膜 ２４ｂ…第２隔膜
３０…電源ユニット ３１…電池 ３４…昇降圧型回路
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３…コンデンサ Ｌ１、Ｌ２…インダクタ Ｒ１…電流-電圧変換抵抗
Ｄ１…ダイオード Ｑ１…制御用トランジスタ Ｑ３…マイコン
ＡＤ１、ＡＤ２…入力端子 ＰＷＭ１…出力端子 ＳＲ１…電流検出信号
Ｖ３１…電池電圧 ＳＣ…制御信号 Ｖ３０…出力電圧

Claims (16)

1. 電解槽に貯留された電解質水溶液を電解することで酸性水又はアルカリ性水を生成する電解水生成装置であって、
   電池電圧を供給する電池と、
   前記電池電圧を電解に適した出力に調整する出力調整回路と、を備えている電解水生成装置。
2. 調整される前記出力が電流であることを特徴とする、請求項１に記載の電解水生成装置。
3. 調整される前記出力が電圧であることを特徴とする、請求項１に記載の電解水生成装置。
4. 前記出力調整回路は、電解中に前記電池電圧があらかじめ設定された第１電圧値を下回った時点で、前記出力を低下させる、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電解水生成装置。
5. 前記出力調整回路は、電解中に前記電池電圧があらかじめ設定された第２電圧値を下回った時点で、それまでの電解に関するデータを記憶手段に記憶した後に電解を停止させる、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電解水生成装置。
6. 前記出力調整回路は、電解中に前記電池電圧があらかじめ設定された第１電圧値を下回った時点で、前記出力を低下させて電解を継続し、
   さらに、前記電池電圧があらかじめ設定された第２電圧値を下回った時点で、それまでの電解に関するデータを記憶手段に記憶した後に電解を停止させる、請求項１に記載の電解水生成装置。
7. 前記出力調整回路は、電解中に前記電池電圧があらかじめ設定された第１電圧値を下回った時点で、前記出力を低下させ、
   その後、再度前記電池電圧があらかじめ設定された前記第１電圧値を下回った時点で、さらに前記出力を低下させる処理を複数回繰り返すことを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の電解水生成装置。
8. 前記出力を低下させる処理を繰り返すたびに、前記第１電圧値を同一ないしは低下させることを特徴とする、請求項７に記載の電解水生成装置。
9. 前記電解に関するデータは、少なくとも電解を停止させるまでの積算通電電気量を含む、請求項５又は６に記載の電解水生成装置。
10. 前記出力調整回路は、電池の交換や外部電源への接続による電池充電を検知した場合、前記電解に関するデータを基に、停止させた電解を継続させる、請求項５、６、又は９のいずれか１項に記載の電解水生成装置。
11. 前記出力調整回路は、前記電池電圧の低下により電解を停止させた後、所定の時間以内に前記電池の交換や前記電池充電を検出した場合にのみ前記停止させた電解を継続させる、請求項１０に記載の電解水生成装置。
12. 前記第２電圧値は、前記第１電圧値よりも低い、請求項６に記載の電解水生成装置。
13. 前記電解槽は、陽極を備えた陽極室と、陰極を備えた陰極室と、前記陽極室と前記陰極室との間に配置された隔膜と、を備えている、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の電解水生成装置。
14. 前記電解槽は、さらに、前記陽極室と前記陰極室との間に配置された中間室を備え、
    前記中間室は、電解時に前記電解質水溶液を貯留し、
    前記隔膜は、前記陽極室と前記中間室との間、及び前記陰極室と前記中間室との間に配置される、請求項１３に記載の電解水生成装置。
15. 前記電池は、二次電池である、請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の電解水生成装置。
16. さらに、太陽電池と、前記太陽電池による前記二次電池への充電を制御する充電制御回路と、を備えている、請求項１５に記載の電解水生成装置。

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