JP2018114452A - 電解水生成装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】給電体の表面等に付着したスケールを除去できる電解水生成装置を提供する。
【解決手段】電解水透析に適用される電解水生成装置１は、第１給電体４１が配された第１極室４０Ａと第２給電体４２が配された第２極室４０Ｂとが隔膜４３によって区分された電解槽４と、第１給電体４１及び第２給電体４２に電気分解のための電流を供給する電源部５と、第１給電体４１及び第２給電体４２の極性を制御する制御手段６とを備える。制御手段６は、加熱されていない水が電解槽４に供給されたとき、第１給電体４１を陰極とし、加熱された熱水が電解槽４に供給されたとき、第１給電体４１を陽極とする。
【選択図】 図１
【解決手段】電解水透析に適用される電解水生成装置１は、第１給電体４１が配された第１極室４０Ａと第２給電体４２が配された第２極室４０Ｂとが隔膜４３によって区分された電解槽４と、第１給電体４１及び第２給電体４２に電気分解のための電流を供給する電源部５と、第１給電体４１及び第２給電体４２の極性を制御する制御手段６とを備える。制御手段６は、加熱されていない水が電解槽４に供給されたとき、第１給電体４１を陰極とし、加熱された熱水が電解槽４に供給されたとき、第１給電体４１を陽極とする。
【選択図】 図１
Description
本発明は、水を電気分解して電解水素水を生成する電解水生成装置等に関する。
従来から、固体高分子電解質膜で仕切られた陽極室と陰極室とを有する電解槽を備え、電解槽内に流入させた原水を電気分解する電解水生成装置が知られている。
電解水生成装置の陰極室では、水素ガスが溶け込んだ電解水素水が生成される。また、近年、電解水生成装置で生成された溶存水素水は、血液透析治療の際に発生する活性酸素を除去し、患者の酸化ストレスの軽減に適しているとして注目されている（例えば、特許文献１参照）。電解水を用いた血液透析は、電解水透析と称される。
原水には、微量ながらカルシウムイオンやマグネシウムイオン等の金属イオンが含まれている。これらの金属イオンは、フィルター等では完全に除去されにくく、電解槽に進入すると給電体を含む陰極室の内部や陰極室に接続された水管の内部にスケールとして析出される。
スケールが給電体の表面に大量に付着すると、給電体に印加する電気分解のための電圧が上昇し、電解水生成装置の消費電力が増大する。また、出水管の内部にスケールが大量に付着すると、出水管が詰まり電解水素水の吐出量が低下するおそれがある。
本発明は、以上のような実状に鑑み案出されたもので、給電体の表面等に付着したスケールを除去できる電解水生成装置等を提供することを主たる目的としている。
本発明の第１発明は、水を電気分解して電解水素水を生成する電解水生成装置であって、第１給電体が配された第１極室と第２給電体が配された第２極室とが隔膜によって区分された電解槽と、前記第１給電体及び前記第２給電体に電気分解のための電流を供給する電源部と、前記第１給電体及び前記第２給電体の極性を制御する制御手段を備え、前記制御手段は、加熱されていない水が前記電解槽に供給されたとき、前記第１給電体を陰極にすると共に前記第２給電体を陽極とし、加熱された熱水が前記電解槽に供給されたとき、前記第１給電体を陽極にすると共に前記第２給電体を陰極とすることを特徴とする。
本発明の第２発明の水処理装置は、前記電解水生成装置と、前記熱水を生成し、前記電解水生成装置に供給する前処理装置とを備えたことを特徴とする。
本発明の第３発明の透析液調製用水の製造装置は、前記水処理装置を備え、前記前処理装置は、原水を軟水化して前記電解水生成装置に供給可能であることを特徴とする。
本発明に係る前記製造装置において、前記電解水素水を浄化する後処理装置と、前記熱水を前記前処理装置、前記電解水生成装置及び前記後処理装置の間で循環させる循環水路とをさらに備えることが望ましい。
本発明の第４発明の水素水サーバーは、前記電解水生成装置と、前記電解水素水を貯えるタンクとを備え、前記タンク内の水を加熱するヒーターと、前記熱水を前記タンク及び前記電解水生成装置の間で循環させる循環水路とをさらに備えることを特徴とする。
本発明の第１発明の電解水生成装置では、制御手段は、加熱されていない水が電解槽に供給されたとき、第１給電体を陰極にすると共に前記第２給電体を陽極として電解電流の制御を行なう。これにより、電解水透析や飲用に適する電解水素水が、第１極室で生成される。一方、制御手段は、加熱された熱水が電解槽に供給されたとき、第１給電体を陽極にすると共に前記第２給電体を陰極として電解電流の制御を行なう。上記熱水は、電解槽等を殺菌する際に電解槽に供給される。本発明では、熱水による電解槽等の殺菌と同時に、各給電体の極性を反転させて電解槽内の水を電気分解することにより、第１給電体の表面等に付着したスケールを除去できる。
本発明の第２発明の水処理装置では、前処理装置が熱水を生成し電解水生成装置に供給する。従って、電解水生成装置の構成が簡素化される。例えば、熱水を生成する機能が搭載されていない従来構成の電解水生成装置を用いて水処理装置を安価に構成することが可能となる。
本発明の第３発明の透析液調製用水の製造装置では、前処理装置は、原水を軟水化する機能を有する。これにより、容易に透析液調製用に適した電解水素水を製造することが可能となる。また、熱水による製造装置内の水路の殺菌と同時に、各給電体の極性を反転させて電解槽内の水を電気分解することにより、給電体の表面等に付着したスケールを除去できる。
本発明の第４発明の水素水サーバーでは、電解水生成装置と、電解水素水を貯えるタンクと、タンク内の水を加熱するヒーターと、熱水をタンク及び電解水生成装置の間で循環させる循環水路とを備える。これにより、熱水による水素水サーバー内の水路の殺菌と同時に、各給電体の極性を反転させて電解槽内の水を電気分解することにより、給電体の表面等に付着したスケールを除去できる。
（第１実施形態）
以下、本発明の実施の一形態が図面に基づき説明される。
図１は、本実施形態の電解水生成装置１を含む透析液調製用水の製造装置１００（以下、単に製造装置１００と記す）の概略構成を示している。製造装置１００は、前処理装置２００、電解水生成装置１及び後処理装置３００を含んでいる。電解水生成装置１は、前処理装置２００及び後処理装置３００と組み合わされることなく、単独でも実施可能であり、前処理装置２００及び後処理装置３００以外の装置と組み合わせても実施可能である。
以下、本発明の実施の一形態が図面に基づき説明される。
図１は、本実施形態の電解水生成装置１を含む透析液調製用水の製造装置１００（以下、単に製造装置１００と記す）の概略構成を示している。製造装置１００は、前処理装置２００、電解水生成装置１及び後処理装置３００を含んでいる。電解水生成装置１は、前処理装置２００及び後処理装置３００と組み合わされることなく、単独でも実施可能であり、前処理装置２００及び後処理装置３００以外の装置と組み合わせても実施可能である。
前処理装置２００と、電解水生成装置１とによって、水処理装置２５０が構成される。水処理装置２５０は、原水から電解水素水を生成し、後処理装置３００に供給する。水処理装置２５０は、後処理装置３００と組み合わされることなく、単独でも実施可能であり、後処理装置３００以外の装置と組み合わせて実施可能である。
前処理装置２００は、電解水生成装置１の上流側に設置されている。前処理装置２００は、タンク２０１と、軟水化装置２０２と、活性炭処理装置２０３と、ヒーター２０４とを含む。
タンク２０１は、前処理装置２００の外部から供給された原水を貯える。原水には、一般的には水道水が利用されるが、その他、例えば、井戸水、地下水等を用いることができる。軟水化装置２０２は、原水からカルシウムイオン及びマグネシウムイオン等の硬度成分を除去して軟水化する。活性炭処理装置２０３は、微細な多孔質物質である活性炭を用いて軟水から塩素等を吸着・除去する。前処理装置２００によって処理された水は、水路５０１を介して電解水生成装置１に供給される。なお、水路５０１には、上流側での接続先を活性炭処理装置２０３又はヒーター２０４に切り替えるための弁５１０が配されている。
ヒーター２０４は、タンク２０１から供給される水を、例えば、７５℃以上に加熱し、熱水を生成する。
電解水生成装置１は、前処理装置２００から供給された水を電気分解して電解水素水を生成する。電解水生成装置１は、第１給電体４１が配された第１極室４０Ａと第２給電体４２が配された第２極室４０Ｂとが隔膜４３によって区分された電解槽４を備える。
第１給電体４１と第２給電体４２とは、極性が異なる。すなわち、第１給電体４１及び第２給電体４２の一方は陽極給電体として適用され、他方は陰極給電体として適用される。電解室４０の第１極室４０Ａ及び第２極室４０Ｂの両方に水が供給され、第１給電体４１及び第２給電体４２に直流電圧が印加されることにより、電解室４０内で水の電気分解が生ずる。
隔膜４３には、例えば、スルホン酸基を有するフッ素系樹脂からなる固体高分子膜等が適宜用いられている。隔膜４３の両面には、白金からなるめっき層が形成されている。隔膜４３のめっき層と第１給電体４１及び第２給電体４２とは、当接し、電気的に接続される。隔膜４３は、電気分解で生じたイオンを通過させる。隔膜４３を介して第１給電体４１と第２給電体４２とが電気的に接続される。
電解室４０内で水が電気分解されることにより、水素ガス及び酸素ガスが発生する。例えば、第１給電体４１が陰極給電体として適用される場合、第１極室４０Ａでは、水素ガスが発生し、水素ガスが溶け込んだ水素水が生成される。このような電気分解を伴って生成された水素水は、「電解水素水」と称される。一方、第２極室４０Ｂでは、酸素ガスが発生し、酸素ガスが溶け込んだ「電解酸素水」が生成される。第１給電体４１が陽極給電体として適用される場合、第１極室４０Ａでは、酸素ガスが発生し、酸素ガスが溶け込んだ電解酸素水が生成される。一方、第２極室４０Ｂでは、水素ガスが発生し、水素ガスが溶け込んだ電解水素水が生成される。
図２は、電解水生成装置１を含む水処理装置２５０の電気的構成を示している。電解水生成装置１は、上記第１給電体４１及び第２給電体４２と、第１給電体４１及び第２給電体４２に電気分解のための電流を供給する電源部５と、電源部５を制御する制御手段６とを備える。
電源部５は、第１給電体４１及び第２給電体４２の他、電解水生成装置１の各部に電力を供給する。制御手段６は、電源部５の他、電解水生成装置１の各部の制御を司る。
制御手段６は、例えば、各種の演算処理、情報処理等を実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）及びＣＰＵの動作を司るプログラム及び各種の情報を記憶するメモリ等を有している。第１給電体４１と電源部５との間の電流供給ラインには、電流検出手段４４が設けられている。電流検出手段４４は、第２給電体４２と電源部５との間の電流供給ラインに設けられていてもよい。電流検出手段４４は、第１給電体４１、第２給電体４２に供給する電解電流Ｉを検出し、その値に相当する電気信号を制御手段６に出力する。
制御手段６は、例えば、電流検出手段４４から出力された電気信号に基づいて、電源部５が第１給電体４１及び第２給電体４２に印加する直流電圧を制御する。より具体的には、制御手段６は、予め設定された溶存水素濃度に応じて、電流検出手段４４によって検出される電解電流Ｉが所望の値となるように、電源部５が第１給電体４１及び第２給電体４２に印加する直流電圧をフィードバック制御する。例えば、電解電流Ｉが過大である場合、制御手段６は、上記電圧を減少させ、電解電流Ｉが過小である場合、制御手段６は、上記電圧を増加させる。これにより、電源部５が第１給電体４１及び第２給電体４２に供給する電解電流Ｉが適切に制御される。
図１に示されるように、後処理装置３００は、電解水生成装置１の下流側に設置されている。後処理装置３００は、水路５０２を介して電解水生成装置１の第１極室４０Ａと接続されている。従って、後処理装置３００には、第１極室４０Ａで生成された電解水素水が供給される。なお、第２極室４０Ｂで副次的に生成された電解酸素水は、水路５０３を介して排水として電解水生成装置１の外部に排出される。
後処理装置３００は、逆浸透膜処理装置３０１と、タンク３０２とを含む。逆浸透膜処理装置３０１は、逆浸透膜（図示せず）を用いて電解水素水を浄化する。逆浸透膜によって浄化処理された電解水素水は、例えば、透析液調製用水の浄化基準であるＩＳＯ１３９５９の基準を満たし、透析液調製用水として透析原剤の希釈等に用いられる。
タンク３０２は、逆浸透膜処理装置３０１によって浄化された電解水素水（ＲＯ電解水）を貯える。タンク３０２に貯えられた電解水素水は、水路５０４を介して希釈装置（図示せず）に供給される。
タンク３０２とヒーター２０４とは、水路５０５によって接続されている。水路５０１、５０２及び５０５等によって前処理装置２００、電解水生成装置１及び後処理装置３００の間で、熱水を循環させる循環水路５０６が構成される。なお、水路５０５には、熱水を駆動するためのポンプ（図示せず）が配されている。
制御手段６（図２参照）は、電解水生成装置１の動作モードに応じて、第１給電体４１及び第２給電体４２の極性を制御する。電解水生成装置１の動作モードには、第１極室４０Ａで電解水素水を生成する「水素水生成モード」と、循環水路５０６を循環する熱水で電解槽４等を殺菌する「殺菌モード」が含まれる。
図３は、水素水生成モードでの製造装置１００の動作を示している。同図では、水が満たされている構成及び水路が薄いハッチングで表示されている。また、図４は、殺菌モードでの製造装置１００の動作を示している。同図では、熱水が満たされている構成及び水路が薄いハッチングで表示されている。なお、水路の要所における水又は熱水の流れは、図中矢印にて表示されている（図６及び７においても同様）。
電解水生成装置１は、加熱されていない水が電解槽４に供給されたとき、水素水生成モードで動作し、加熱された熱水が電解槽４に供給されたとき、殺菌モードで動作する。電解槽４に供給された水が加熱されているか否かについては、例えば、前処理装置２００から入力される電気信号に基づいて制御手段６によって判断されうる。また、水路５０１に水温センサーが設けられ、その出力信号に基づいて制御手段６によって判断される構成でもよい。
図３に示されるように、活性炭処理装置２０３と電解槽４とが接続され、加熱されていない水が電解槽４に供給されたとき、制御手段６は、第１給電体４１を陰極として、電解電流Ｉの制御を行なう。これにより、電解水透析に適する電解水素水が、第１極室４０Ａで生成される。
一方、図４に示されるように、ヒーター２０４と電解槽４とが接続され、ヒーター２０４によって加熱された熱水が電解槽４に供給されたとき、制御手段６は、第１給電体４１を陽極として電解電流Ｉの制御を行なう。上記熱水は、電解槽４等を殺菌する際に電解槽４に供給される。本発明では、熱水による電解槽４等の殺菌と同時に、各給電体４１、４２の極性を反転させて電解槽４内の水を電気分解することにより、第１給電体４１の表面等に付着したスケールを除去できる。この殺菌モードにおいては、熱水が循環水路５０６を介してヒーター２０４、電解槽４、逆浸透膜処理装置３０１及びタンク３０２を循環するので、水路５０１、５０２、電解槽４、逆浸透膜処理装置３０１及びタンク３０２等が熱水によって殺菌される。
本実施形態の水処理装置２５０では、前処理装置２００に配されたヒーター２０４が熱水を生成し電解水生成装置１に供給する。従って、電解水生成装置１の構成が簡素化される。例えば、熱水を生成する機能が搭載されていない従来構成の電解水生成装置１を用いて水処理装置２５０を安価に構成することが可能となる。
なお、製造装置１００において、水路５０５は省略されていてもよい。この場合、殺菌モードでは、タンク２０１に貯えられた水がヒーター２０４によって加熱され、熱水となって製造装置１００の各部を通過して、水路５０３及び５０４から排出される。
（第２実施形態）
図５は、本発明の実施形態である電解水生成装置１を含む水素水サーバー６００の構成を示している。水素水サーバー６００は、電解水生成装置１と、フィルター６０１と、タンク６０２と、ヒーター６０３とを備えている。電解水生成装置１は、水素水サーバー６００以外の装置にも適用可能である。
図５は、本発明の実施形態である電解水生成装置１を含む水素水サーバー６００の構成を示している。水素水サーバー６００は、電解水生成装置１と、フィルター６０１と、タンク６０２と、ヒーター６０３とを備えている。電解水生成装置１は、水素水サーバー６００以外の装置にも適用可能である。
フィルター６０１は、水素水サーバー６００の外部から供給される原水を濾過してタンク６０２に供給する。タンク６０２は、電解水生成装置１に電気分解のための水を供給する。
電解水生成装置１の構成は、上記製造装置１００に含まれる電解水生成装置１と同等である。すなわち、電解水生成装置１は、第１給電体４１が配された第１極室４０Ａと第２給電体４２が配された第２極室４０Ｂとが隔膜４３によって区分された電解槽４を備え、その電気的構成は、図２に示される。
タンク６０２と電解槽４とは、水路７０１、７０２、７０３によって接続されている。水路７０１は、水路７０１Ａと水路７０１Ｂに分岐する。水路７０１Ａは、電解槽４の上流側で第１極室４０Ａと接続されている。水路７０１Ｂは、電解槽４の上流側で第２極室４０Ｂと接続されている。本実施形態では、水路７０１Ｂには、第２極室４０Ｂに供給される水を制限するための絞り弁７０４が設けられている。
また、水路７０２は、電解槽４の下流側で第１極室４０Ａと接続されている。水路７０３は、電解槽４の下流側で第２極室４０Ｂと接続されている。水路７０１、７０２、７０３によって、タンク６０２と電解水生成装置１との間で水を循環させる循環水路７０６が構成される。
第１極室４０Ａで生成される電解水素水は、水路７０２を介してタンク６０２に戻される。タンク６０２に貯えられている水を循環させながら電解槽４で電気分解することにより、タンク６０２内の電解水素水の溶存水素濃度が高められる。
タンク６０２には、水路７０７が接続されている。水路７０７を介して電解水素水が水素水サーバー６００の外部に取り出される。水路７０７に替えて、第１極室４０Ａ又は水路７０２に電解水素水を取り出すための水路が接続されていてもよい。タンク６０２に貯えられている電解水素水が消費されると、フィルター６０１で濾過された原水がタンク６０２に供給される。
ヒーター６０３は、タンク６０２内の水を加熱する。ヒーター６０３は、例えば、タンク６０２の側壁に設けられている。ヒーター６０３は、循環水路７０６に設けられていてもよい。
制御手段６（図２参照）は、電解水生成装置１の動作モードに応じて、第１給電体４１及び第２給電体４２の極性を制御する。電解水生成装置１の動作モードには、第１極室４０Ａで電解水素水を生成する「水素水生成モード」と、循環水路７０６を循環する熱水で電解槽４等を殺菌する「殺菌モード」が含まれる。
図６は、水素水生成モードでの水素水サーバー６００の動作を示している。同図では、水が満たされている構成及び水路が薄いハッチングで表示されている。また、図７は、殺菌モードでの水素水サーバー６００の動作を示している。同図では、熱水が満たされている構成及び水路が薄いハッチングで表示されている。
電解水生成装置１は、加熱されていない水が電解槽４に供給されたとき、水素水生成モードで動作し、加熱された熱水が電解槽４に供給されたとき、殺菌モードで動作する。電解槽４に供給された水が加熱されているか否かについては、例えば、制御手段６がヒーター６０３の動作を司ることにより、判断されうる。
図６に示されるように、加熱されていない水が電解槽４の第１極室４０Ａ及び第２極室４０Ｂに供給されたとき、制御手段６は、第１給電体４１を陰極にすると共に前記第２給電体を陽極として、電解電流Ｉの制御を行なう。これにより、飲用に適する電解水素水が、第１極室４０Ａで生成される。なお、水素水生成モードでは、絞り弁７０４によって第２極室４０Ｂに供給される水が制限されるので、第２極室４０Ｂで生成される電解酸素水がタンク６０２に戻ることが抑制される。これにより、タンク６０２内の電解水の溶存水素濃度が効率よく高められる。
一方、図７に示されるように、加熱された熱水が電解槽４の第１極室４０Ａ及び第２極室４０Ｂに供給されたとき、制御手段６は、第１給電体４１を陽極にすると共に前記第２給電体を陰極として電解電流Ｉの制御を行なう。上記熱水は、電解槽４等を殺菌するために電解槽４に供給される。このとき、絞り弁７０４は開放され、第２極室４０Ｂにも熱水が供給される。すなわち、熱水が循環水路７０６を介してヒーター６０３、電解槽４、絞り弁７０４を循環することにより、水路７０１、７０２、７０３、電解槽４及び絞り弁７０４等が熱水によって殺菌される。さらに、本発明では、熱水による水素水サーバー６００内の殺菌と同時に、各給電体４１、４２の極性を反転させて電解槽４内の水を電気分解することにより、第１給電体４１の表面等に付着したスケールを除去できる。
以上、本実施形態の電解水生成装置１等が詳細に説明されたが、本発明は上記の具体的な実施形態に限定されることなく種々の態様に変更して実施される。すなわち、電解水生成装置１は、少なくとも、第１給電体４１が配された第１極室４０Ａと第２給電体４２が配された第２極室４０Ｂとが隔膜４３によって区分された電解槽４と、第１給電体４１及び第２給電体４２に電気分解のための電流を供給する電源部５と、第１給電体４１及び第２給電体４２の極性を制御する制御手段６とを備え、制御手段６は、加熱されていない水が電解槽４に供給されたとき、第１給電体４１を陰極にすると共に前記第２給電体を陽極とし、加熱された熱水が電解槽４に供給されたとき、第１給電体４１を陽極にすると共に前記第２給電体を陰極とするように構成されていればよい。
１ 電解水生成装置
４ 電解槽
５ 電源部
６ 制御手段
７ 出水管
４０Ａ 第１極室
４０Ｂ 第２極室
４１ 第１給電体
４２ 第２給電体
４３ 隔膜
１００ 製造装置
２００ 前処理装置
２５０ 水処理装置
３００ 後処理装置
５０６ 循環水路
６００ 水素水サーバー
６０２ タンク
６０３ ヒーター
７０６ 循環水路
４ 電解槽
５ 電源部
６ 制御手段
７ 出水管
４０Ａ 第１極室
４０Ｂ 第２極室
４１ 第１給電体
４２ 第２給電体
４３ 隔膜
１００ 製造装置
２００ 前処理装置
２５０ 水処理装置
３００ 後処理装置
５０６ 循環水路
６００ 水素水サーバー
６０２ タンク
６０３ ヒーター
７０６ 循環水路
Claims (5)
- 水を電気分解して電解水素水を生成する電解水生成装置であって、
第１給電体が配された第１極室と第２給電体が配された第２極室とが隔膜によって区分された電解槽と、前記第１給電体及び前記第２給電体に電気分解のための電流を供給する電源部と、前記第１給電体及び前記第２給電体の極性を制御する制御手段を備え、
前記制御手段は、
加熱されていない水が前記電解槽に供給されたとき、前記第１給電体を陰極にすると共に前記第２給電体を陽極とし、
加熱された熱水が前記電解槽に供給されたとき、前記第１給電体を陽極にすると共に前記第２給電体を陰極とすることを特徴とする電解水生成装置。 - 請求項１記載の前記電解水生成装置と、前記熱水を生成し、前記電解水生成装置に供給する前処理装置とを備えたことを特徴とする水処理装置。
- 請求項２記載の前記水処理装置を備え、
前記前処理装置は、原水を軟水化して前記電解水生成装置に供給可能であることを特徴とする透析液調製用水の製造装置。 - 前記電解水素水を浄化する後処理装置と、前記熱水を前記前処理装置、前記電解水生成装置及び前記後処理装置の間で循環させる循環水路とをさらに備える請求項３記載の透析液調製用水の製造装置。
- 請求項１記載の前記電解水生成装置と、前記電解水素水を貯えるタンクとを備えた水素水サーバーであって、
前記タンク内の水を加熱するヒーターと、前記熱水を前記タンク及び前記電解水生成装置の間で循環させる循環水路とをさらに備えることを特徴とする水素水サーバー。
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