JP2018043210A - 水素水生成器 - Google Patents

Abstract

【課題】電気分解中に生成するスケールを取り除く作業が容易である水素水生成器を提供する。【解決手段】容器に蓄えられた飲料水を電気分解して水素水を生成する水素水生成器であって、容器を陰極として、飲料水に浸漬された陽極と該容器との間に直流電源により直流電圧を印加して水素水を生成する。このことにより、スケールは容器の内面に付着することになり、スケールを取り除く作業は容器の内面に対して行えばよい。【選択図】図１

Description

本発明は水素水生成器に関する。

水素水の生成は、飲料水を電気分解する方法、化学反応を利用する方法、水素ガスを直接飲料水に注入する方法などがある。
電気分解による方法は、容器内に一対もしくは複数対の電極板を配置し、それらの一対の電極間に直流もしくは交流を印加して、容器内に蓄えられた飲料水を電気分解することによって発生した水素を溶存させることにより水素水を生成するものである。

水道水などの飲料水には、ＣａやＭｇなどの種々の金属イオンを含んでおり、電気分解の継続にともなって、陰極側の電極表面には、これらの金属イオンが酸化物や水酸化物として析出し、スケールと呼ばれる硬質の被膜を形成する。
スケールが電極表面に形成されると、電気抵抗が上昇して、その結果、電気分解電流が減少して電気分解を妨げ、水素の発生を低減させる。

スケールの付着を防止するため、所定の時間が経過するごとに、もしくは、使用するたびごとに電極に加える電圧を逆向きにして電流の方向を逆にしたり、電極間に交流を印加したりするなどしている。
これらの方式を採用することによりある程度の効果はあるが、時間の経過とともに、電極にスケールが付着することは避けられない。

電気分解による水素水生成器では、通常、電極同士は電解槽において接近した位置に配置されて取り付けられている（特許文献１）。また、電極は、電気分解を安定して効率よく行われるために、チタン板材を網目状に形成して白金を蒸着またはメッキしたものやさらにこれを筒状もしくは籠状に成形したものが広く使用されている。

このような電極の表面に付着したスケールを除くためには、装置の電極部を分解したり、電極部に合わせて、狭い空間に装入できるような、ブラシなどの特別の手段でこすったりすることが必要である。また、電極を破損することなくスケールを取り除くためには細心の注意を必要とする。高価なチタン材に白金を蒸着またはメッキした電極では、ブラシ洗浄により高価な白金メッキが剥離するおそれや摩滅するおそれがある。
物理的手段に拠らず、クエン酸などの酸により、スケールを洗い流すことも考えられるが、シリカ系や酸化が進んだ酸化物のスケールは酸によって容易には溶解しない。

特開２００９−２２９２７号公報

このように、従来の水素水生成器では電極部のスケールを取り除くことが容易ではなく、メンテナンスに手間が掛かり、電極部を破損するおそれもあった。
本発明は上記の問題を解決する電気分解による水素水生成器を提供するものである。

上記課題を解決するために、以下の手段を採用する。
［１］容器に蓄えられた飲料水を電気分解して水素水を生成する水素水生成器であって、容器と該容器内に配置される陽極と、該容器を陰極として陽極と該容器との間に直流電圧を印加する直流電源とを備えることを特徴とする水素水生成器。
［２］前記容器の内表面が梨地であることを特徴とする［１］に記載の水素水生成器。
［３］前記陽極は、網目状の筒状体であることを特徴とする［１］又は［２］に記載の水素水生成器。
［４］前記容器の外周面は、前記直流電源の負極に接続された通電用端子が該容器と接触する部位を除いて、絶縁性被膜で覆われていることを特徴とする［１］〜［３］のいずれかに記載の水素水生成器。
［５］前記水素水生成器が本体胴部と該本体胴部の上端部に回動自在に設けた陽極支持部材と該本体胴部の下端部に横方向に延出して設けられた台座部とを備え、該台座部に前記容器が載置されることを特徴とする［１］〜［４］のいずれかに記載の水素水生成器。

飲料水を電気分解して水素水を生成する本発明の水素水生成器は、飲料水を蓄える容器を陰極として、容器内に配置した陽極と容器との間に直流電圧を印加する構成であるから、スケールは陰極としての容器の内表面に付着する。このため、電気分解後に付着したスケールを取り除くための作業は、日常行っている食器を洗う要領で容器の内表面に対して行えばよく、簡便に実施できるものであるので、従来のように電極部のスケールを取り除くために、電極部を分解することもなく、格別の手段を必要とするものでもない。またスケールを取り除く作業によって電極部を傷つけたりすることもない。

本発明の水素水生成器の構造を模式的に示す。 網目状金属板を示す。 容器に装入されている筒状体の陽極の斜視図を示す。 本発明の水素水生成器の一実施形態の斜視図を示す。 通電用端子が設けられた台座部の断面模式図を示す。

本発明の実施形態を図面に基づいて詳しく説明する。
図１は、本発明の水素水生成器の断面構造を模式的に示したものである。ここで、１は水素水生成器、２は容器であり、電気分解の対象となる飲料水が蓄えられるものである。容器２は後述するように電気分解での陰極を兼ねるものである。３は電気分解時に容器２内に配置される陽極、４は陽極３と容器２との間に直流電圧を印加する直流電源である。５は陽極支持部材であり、陽極３が通電部材６とともに固定されている。陽極３には、通電部材６を介して直流電源４から直流電圧が印加される。７は絶縁皮膜である。
なお、以下において水素水生成器を単に「生成器」ということがある。

容器２は、上方が開口した有底の筒状のものであり、電気分解される水道水などの飲料水が蓄えられるものであるとともに、電気分解する際に陰極として機能し、陽極３との間に直流電圧が印加されるものである。
図１から分かるように、陰極としての容器２と直流電源４の負極（−極）とを電気的に接続し、かつ陽極３と通電部材６を介して直流電源４の正極（＋極）とを電気的に接続することにより、陽極３と陰極としての容器２との間に直流電圧を印加することができる。
容器２と直流電源４の負極との電気的接続は、直流電源４の負極に配線で接続された通電用端子（図１では図面番号なし）を容器２に接触させることにより行う。なお、容器２には把っ手を取り付けてもよい。

陽極３は、通電部材６とともに陽極支持部材５に装着して固定されており、電気分解時には、容器２に蓄えられた飲料水に浸漬される。図１では陽極３の上部が飲料水の水面から露出しているが、陽極３の全部を飲料水に浸漬するようにしてもよい。また、陽極支持部材５は容器２の上面と離間しているが、両者が接触していてもよい。
電気分解が終了すると、陽極３は飲料水から引き上げられ、容器２の上部に移動可能になっている（図４参照）。

陽極支持部材５は、陽極３や通電部材６に流れる電気分解の電流が陽極支持部材５を介して容器２や該支持部材５に接触する外部の物品に漏れないように、少なくとも陽極３や通電部材６を支持する部位を、合成樹脂材のような絶縁性の材料で構成する必要がある。また、陽極支持部材５と容器２の上面とが接触している場合は、両者の間は絶縁性が維持されていなければならない。

容器２は電気分解での陰極を兼ねるものであるが、容器２の外周面から電気分解の電流が外部に漏れないように、容器２の外周面は、少なくとも直流電源４の負極に配線で接続されている通電用端子が接触する部位を除いて、絶縁性の樹脂や絶縁性の塗料などの絶縁性被膜７で被覆することが望ましい。
通常、容器２は台座や台座に相当するものに載置されて電気分解が行われるが、台座や台座に相当するものに、直流電源４の負極に配線で接続された通電用端子を容器２の底面に接触させて、直流電源４の負極と容器２を通電することができる（後述の図５参照）。この場合、容器２の外周面は、少なくとも通電用端子が容器２の底面に接触する部位を除いて、絶縁性被膜７で被覆する。なお、図１では、絶縁皮膜７が誇張して相対的に厚く示されている。

容器２は、金属材料で製作することができ、不銹性の金属材料、例えばアルミニウム合金材やステンレス鋼材、とりわけＮｉを６〜１３％およびＣｒを１６〜２０％含有するオーステナイト系ステンレス鋼材が好ましい。
陽極３は、アルミニウム合金材やステンレス、チタンまたは白金などの金属材が使用できるが、チタン材に白金をメッキしたものが不溶出性であり好ましい。
形態としては板状の金属材を使用できるが、エキスパンドメタルなどの網目状（メッシュ状）とすることが好ましい。電極を網目状にすると、網目の間隙に飲料水が通過でき、電極の表面積も増えるから、電気分解が効率よく行える。図２に網目状の金属板の一例を示した。

さらに、電極３は、後述するように、網目状の金属板から成形するなどして筒状体とすることが一層好ましい。図１では陽極３は筒状体として模式的に示されており、上端と下端は開口している（図３、図４参照）。また、図３に容器２に装入された網目状の筒状体である陽極３を通電部材６とともに模式的に示した。なお、網目状の筒状体の上端や下端の周縁は、縁部の針状端部が露出しないように金属材（図面番号なし）で縁取りすることが望ましい。

陽極３と容器２との間に直流電圧を印加する直流電源４として、バッテリーなどの直流電源を使用することができる。あるいはＡＣアダプターを使用して、コンセントから供給される交流電源の交流を直流に変換して直流電源４とすることができる。
飲料水として水道水を電気分解するには９〜４８Ｖの直流電圧を印加する。

飲料水の電気分解が始まると、陽極の表面から酸素の気泡が発生し、陰極を兼ねる容器２の底面及び側面の内表面からは水素の気泡が発生する。図１では、筒状体の陽極表面から発生した酸素の気泡を白丸（○）で、容器２の内表面から発生する水素の気泡を黒丸（●）で、それぞれ模式的に示している。
電気分解が継続すると、陽極３の表面から酸素の気泡の発生と離脱が進行するとともに、容器２の内面では水素の気泡の発生と離脱が進行する。
飲料水に漬かっている容器２の内面全体から離脱した水素の気泡は、上昇する間に飲料水に溶解し、容器内に水素水が生成される。飲料水に溶解できなかった水素は大気中に拡散する。酸素の気泡も、飲料水中に浸漬された陽極３の表面を離脱して、周辺を上昇して一部は飲料水に溶解し、残りは大気中に拡散する。

容器２の内面は、微細な凹凸を形成するために梨地加工を施すことが好ましい。内面を梨地にするには、♯２００〜♯４００番の研磨剤で研磨することやエッチングなどで容易に形成できる。
容器２の内面が鏡面であると、電気分解で発生した水素が容器２の内面で大きな気泡に成長するが、容器２の内面が梨地であると、水素は、大きな気泡に成長する前に容器２の内面から離脱し、気泡径が小さいマイクロバブルとなって飲料水中に拡散する。
気泡径の小さいほど、気泡は、上昇速度は小さくなる傾向にあり、飲料水中により長い時間留まることになるから、水素が溶解した水素水を効率よく生成することができる。

陽極３が網目状金属材の筒状体で形成されていると、飲料水の水面下にある陽極３の筒状体の内表面および外表面から酸素の気泡が発生し、やがて両表面から離脱して上昇することにより、煙突から煙が上昇するごとく、酸素の気泡の上昇する流れが生じ、不要な酸素が短時間で大気中に拡散することが促進される。酸素ガスが飲料水に留まる時間が短くなることは、容器の内面に発生した水素が飲料水中に拡散して溶解する水素量が増大するのに有利に働く。酸素の気泡が水中に滞留すると、水素の水中への拡散を妨げるからである。
なお、図１では、陽極支持部材５は容器２の上面と離間しているから、酸素の気泡が大気中にすみやかに抜ける。陽極支持部材５が容器の上面を塞いでいる場合は、陽極支持部材５には気体の通り道の孔を形成するなどして、酸素の気泡が大気中に抜けるようにする。

飲料水として東京都の水道水１リットルを３０４系ステンレス製の内面が梨地加工された容器（内径約９０ｍｍ）において、陽極に白金がメッキされた網目状のチタン板から成形された筒状体を陽極に使用して電気分解したところ、通電電流１Ａで溶存水素濃度が１．６ｐｐｍ（溶存する水素の限界濃度）になるまでの時間を計測した結果、内面が鏡面状態の容器では約３０分を要したのに対して、内面が梨地の容器では約７分で到達した。

内面が梨地の容器で飲料水を電気分解した時に発生する水素の気泡には、気泡径が数μｍ〜数十μｍのマイクロバブルの気泡の外に、さらに気泡径が小さいナノバブルが含まれている。このメカニズムは十分に解明されていないが、微細なマイクロバブルは上昇速度が小さくなり、飲料水中を上昇して浮遊する間に収縮しナノバブルになると考えられている。
したがって、内面が梨地の容器内における電気分解により生成された水素水には、飲料水に溶存した水素と水素ガスが混合されており、電気分解後の数分以内の間に飲用すれば、水素水の溶存水素とともに水素水中に含まれる微細なバブルの水素をも体内に取り込むことが可能である。

すでに記載したように、電気分解による水素水生成器では陰極側の電極にスケールが付着することが避けられないから、陰極として使用している容器２の内面にはスケールが付着する。
しかし、従来の水素水生成器の電極に付着したスケールと異なり、容器２の内面に付着したスケールは、格別の手段を必要とせず日常行っている食器を洗う要領でクレンザーや研磨剤入りのスポンジなどで洗浄することにより簡単に取り除くことができる。容器２の口は比較的広いから、このスケールを取り除く作業は容易に行うことができる。
なお、陽極にはスケールが付着することはないからこのような洗浄をする必要はない。

図４には、本体から容器２を簡単に分離できる構造の水素水生成器１を示した。
この水素水生成器１では、本体胴部８の上端部に陽極支持部材５が回動軸を介して回動自在に取り付けられ、水平の位置から垂直の位置に回動可能になっている。本体胴部８の下端部には飲料水を蓄えた容器２が載置される台座部９が横方向に延出して設けられている。そして、陽極支持部材５には、陽極３が通電部材６とともに固定されており、陽極支持部材５の下面側に陽極３が露出している。なお、容器２の側面には把っ手を設けてもよい。

陽極支持部材５が水平になる位置に回動すると容器２の上面を覆い、かつ陽極３の根元部を除く大部分が飲料水に浸漬するように容器２内に収納される。この位置では陽極支持部材５と容器２の上面との間に間隙が形成されている。
そして、陽極支持部材５が垂直になる位置に回動すると、陽極支持部材５の下面に支持されている陽極も回動し、その下端が容器の上面より上に位置するようになっている。この状態では陽極３が容器２の上面よりも高い位置に移動しているので、台座部９に載置された容器２を簡単に生成器１の本体から離して、他の場所に移すことができる。

電気分解の電力の供給は、図４には図示していないが、直流電源４としてバッテリーなどを水素水生成器１の本体胴部８等に内蔵しておき、この直流電源から陽極３および容器２の間に直流電圧を印加することができる。あるいは、ＡＣアダプターを使用して、本体胴部８あるいは陽極支持部材５にＡＣアダプターの差し込み口を設けておき、交流電源のコンセントから供給される交流を直流に変換することで、直流電源４を構成し、生成器１の陽極３と容器２との間に直流電圧を印加することができる。

図４に示す生成器１では、直流電源４と陰極としての容器２との通電は、台座部９に設けた通電用端子１０を容器２の底面に接触させることにより行うことができる。例えば、図５に示すように、直流電源４の負極と電気的に接続している板バネ１１を台座部９内に収納し、通電用端子１０をこの板バネ１１に固定して、板バネの付勢により、通電用端子１０を、台座部９の上面壁に形成された孔から少し突出させて、容器２の底面に当接させることができる。ここでは、この板バネ１１は、屈曲した金属片からなり、その上辺部に通電用端子１０が固定されており、その下辺部が台座部９の取付座に固定されている。なお、通電用端子１０が容器２の底面を当接する機構は、図５に示すものに限るものではない。

容器２の外周面は、すでに記載したように、陰極としての容器２の外周面から電気分解の電流が外部に漏れないように絶縁皮膜を施すことが望ましいが、図５に示すものでは、陰極としての容器２への通電に不都合がないように、容器２の外周部のうち、底部外周面の通電用端子１０が接触する部位およびその近傍には絶縁皮膜７を施していない。
したがって、容器２がステンレス材製であれば、この通電用端子１０が接触する部位およびその近傍には容器２のステンレス材が露出することになる。そして、通電用端子１０は容器２の底面のステンレス材に直接当接し、底部外周面の通電用端子１０が接触する部位およびその近傍以外の容器２の外周面は絶縁皮膜７が施されており、陰極としての容器２の外周面から電気分解の電流が外部に漏れないようになっている。なお容器２に把っ手を設ける場合は把っ手の外周面にも絶縁皮膜を形成する。
通電用端子１０には真鍮などにニッケルや金をメッキしたものが好ましく、また板バネ１１にはリン青銅にニッケルメッキしたものが好ましい。

電気分解時には、陽極支持部材５が水平になる位置に回動して陽極３が容器内の飲料水に浸漬され、陽極３と容器２との間に直流電圧が印加される。そして、電解終了後は陽極支持部材５がほぼ垂直の位置に回動されるとともに、陽極３が容器２に蓄えられた飲料水中から引き上げられる。
したがって、電解が終了して、陽極３の下端が容器２の上面より上に位置するようになるから、容器２を水素水生成器１の台座部９から他の場所に容易に移すことができる。

このように図４に示した水素水生成器では、容器は台座部９に載置されているだけであるから陰極として使用される容器の内面に付着したスケールを取り除く際には、容器を水素水生成器の台座部９より離し、格別の手段を必要とせず、日常行っている食器を洗う要領でクレンザーなどの洗剤や研磨剤入りのスポンジを使用して洗浄することにより容易に取り除くことができる。容器の口は比較的広いから、このスケールを取り除く作業は容易に行うことができる。

本発明の水素水生成器は、飲料水を蓄える容器を陰極として使用することにより、容器の内面に付着するスケールを容易に取り除くことができ、メンテナンス作業が格段に軽減される。このため電気分解するたび毎に洗浄する等、従来よりも頻回に洗浄することが可能となり、衛生的な使用ができる。また従来の水素水生成器でスケールを取り除く作業において発生しがちな電極の劣化がないから、長期の使用にも耐えるものである。

１：水素水生成器
２：容器
３：陽極
４：直流電源
５：陽極支持部材
６：通電部材
７：絶縁膜
８：本体胴部
９：台座部
１０：通電用端子
１１：板バネ

上記課題を解決するために、以下の手段を採用する。
［１］容器に蓄えられた飲料水を電気分解して水素水を生成する水素水生成器（電気浸透を行うものを除く）であって、容器と該容器内に配置される網目状の筒状体である陽極と、該容器を陰極として陽極と該容器との間に直流電圧を印加する直流電源とを備えることを特徴とする水素水生成器。
［２］前記容器の内表面が梨地であることを特徴とする［１］に記載の水素水生成器。
［３］前記容器の外周面は、前記直流電源の負極に接続された通電用端子が該容器と接触する部位を除いて、絶縁性被膜で覆われていることを特徴とする［１］又は［２］に記載の水素水生成器。
［４］前記水素水生成器が本体胴部と該本体胴部の上端部に水平方向の軸を中心に垂直方向に回動自在に設けた陽極支持部材と該本体胴部の下端部に横方向に延出して設けられた台座部とを備え、前記容器は上方が開口した有底のものであり、該台座部に該容器が載置されることを特徴とする［１］〜［３］のいずれか一項に記載の水素水生成器。

上記課題を解決するために、以下の手段を採用する。
［１］容器に蓄えられた飲料水を電気分解して水素水を生成する水素水生成器（電気浸透を行うものおよび有隔膜電解処理を行うものを除く）であって、容器と該容器内に配置される網目状の筒状体である陽極と、該容器を陰極として陽極と該容器との間に直流電圧を印加する直流電源とを備えることを特徴とする水素水生成器。
［２］前記容器の内表面が梨地であることを特徴とする［１］に記載の水素水生成器。
［３］前記容器の外周面は、前記直流電源の負極に接続された通電用端子が該容器と接触する部位を除いて、絶縁性被膜で覆われていることを特徴とする［１］又は［２］に記載の水素水生成器。
［４］前記水素水生成器が本体胴部と該本体胴部の上端部に水平方向の軸を中心に垂直方向に回動自在に設けた陽極支持部材と該本体胴部の下端部に横方向に延出して設けられた台座部とを備え、前記容器は上方が開口した有底のものであり、該台座部に該容器が載置されることを特徴とする［１］〜［３］のいずれかに記載の水素水生成器。

Claims (5)

1. 容器に蓄えられた飲料水を電気分解して水素水を生成する水素水生成器であって、容器と該容器内に配置される陽極と、該容器を陰極として陽極と該容器との間に直流電圧を印加する直流電源とを備えることを特徴とする水素水生成器。
2. 前記容器の内表面が梨地であることを特徴とする請求項１に記載の水素水生成器。
3. 前記陽極は、網目状の筒状体であることを特徴とする請求項１又は２に記載の水素水生成器。
4. 前記容器の外周面は、前記直流電源の負極に接続された通電用端子が該容器と接触する部位を除いて、絶縁性被膜で覆われていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の水素水生成器。
5. 前記水素水生成器が本体胴部と該本体胴部の上端部に回動自在に設けた陽極支持部材と該本体胴部の下端部に横方向に延出して設けられた台座部とを備え、該台座部に前記容器が載置されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の水素水生成器。
   
   
   
   
   
   
   

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