JP2018165396A - 水素ガス生成装置およびそれを含む水素ガス吸入装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水素ガスの流路が遮断された場合でも装置内の水素ガスの圧力が過剰に高くならない水素ガス生成装置の提供。【解決手段】陽極と陰極とを含み水を電気分解するための電気分解ユニット（膜電極接合体２３）と、陽極に供給する水を保持する水タンク３０（第１の槽）と、陰極で生成された水素ガスが流れる流路であって、水素ガスが流れる水素ガス流路４４および２０１が下流に接続される第１の流路４４とを含む水素ガス生成装置１００。水タンク３０は、水タンク３０内のガスを装置の外部へ放出するためのガス放出口３０ｈを有し、装置１００が、水素ガス流路２０１における水素ガスの流れが抑制されたときに、第１の流路４１を通って流れる水素ガスを水タンク３０内に流すことによってガス放出口３０ｈから水素ガスを放出する機構を有する水素ガス生成装置１００。【選択図】図１

Description

本発明は、水素ガス生成装置、およびそれを含む水素ガス吸入装置に関する。

近年、溶存水素濃度が高い水（水素水）の効能が注目されており、水素水を製造するための装置について提案がなされている（たとえば特許文献１）。特許文献１の水素水供給装置は、イオン交換膜や半透膜を用いない装置である。しかし、イオン交換膜を用いた電極部を用いることによって、小型で効率が高い装置を供給できる場合がある。

特開２００５−１０５２８９号公報

水を電気分解して水素ガスを生成する水素ガス生成装置を用い、生成された水素ガスを水に溶解させることによって水素水を得ることができる。水素ガス生成装置では、生成された水素ガスの流路が遮断されると、装置内の水素ガスの圧力が過剰に高くなる場合がある。そのため、生成された水素ガスの流路が遮断された場合の対策が必要とされている。特に、装置を小型化する場合には、当該対策に工夫を要する。

このような状況において、本発明の目的の１つは、水素ガスの流路が遮断された場合でも装置内の水素ガスの圧力が過剰に高くならない水素ガス生成装置を提供することである。

本発明の一実施形態による水素ガス生成装置は、陽極と陰極とを含む電気分解ユニットであって水を電気分解するための少なくとも１つの電気分解ユニットと、前記電気分解ユニットに供給される水性液体を保持する槽と、前記陰極で生成された水素ガスが流れる第１の流路であって前記水素ガスが流れる水素ガス流路が下流に接続される第１の流路と、水素ガス放出機構とを含む。前記槽は、前記槽内のガスを前記水素ガス生成装置の外部へ放出するためのガス放出口を有する。前記水素ガス放出機構は、前記水素ガス流路における前記水素ガスの流れが抑制されたときに、前記水素ガスを前記槽内に流すことによって前記ガス放出口から前記水素ガスを放出する。

本発明の一実施形態による水素ガス吸入装置は、本発明の水素ガス生成装置と、前記第１の流路の下流に接続されたガス吸入器具とを含む。

本発明の水素ガス生成装置によれば、水素ガスの流路が遮断された場合でも、装置内の水素ガスの圧力が過剰に高くなることを抑制できる。

図１は、本発明の水素ガス生成装置の一例の構成を模式的に示す図である。 図２Ａは、水タンクに水を補給するための補給器具の一例を模式的に示す図である。 図２Ｂは、図２Ａに示した補給器具の機能を示すための図である。 図２Ｃは、図２Ａに示した補給器具の機能を示すための図である。 図３は、本発明の水素ガス生成装置の他の一例の構成を模式的に示す図である。 図４は、本発明の水素ガス生成装置の他の一例の構成を模式的に示す図である。 図５は、本発明の水素ガス生成装置の他の一例の構成を模式的に示す図である。 図６は、本発明の水素ガス生成装置の他の一例の構成を模式的に示す図である。 図７は、本発明の水素ガス生成装置の他の一例の構成を模式的に示す図である。 図８は、本発明の水素ガス生成装置の一部の一例を模式的に示す図である。 図９は、本発明の水素ガス生成装置の一部の一例を模式的に示す図である。 図１０は、本発明の水素ガス吸入装置の一例の構成を模式的に示す図である。 図１１は、本発明で用いることができる吸入用の器具の一例を模式的に示す図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の説明では、本発明の実施形態について例を挙げて説明するが、本発明は以下で説明する例に限定されない。以下の説明において特定の数値や特定の材料を例示する場合があるが、本発明はそれらの例示に限定されない。なお、以下の説明において、部材等の方向（たとえば上下）について説明する場合、本発明の水素ガス生成装置を使用状態の配置においたときの方向について説明する。

（水素ガス生成装置）
本発明の水素ガス生成装置について以下に説明する。以下では、本発明の水素ガス生成装置を単に本発明の装置と称する場合がある。本発明の水素ガス生成装置は、少なくとも１つの電気分解ユニット、槽、第１の流路、および、水素ガス放出機構を含む。電気分解ユニットは、陽極と陰極とを含み、水を電気分解するためのユニットである。槽は、電気分解ユニットに供給される水性液体を保持する槽である。第１の流路は、陰極で生成された水素ガスが流れる流路であって、水素ガスが流れる水素ガス流路が下流に接続される流路である。水素ガス流路は、第１の流路に直接接続されていてもよいし、他の部材を介して第１の流路の下流に接続されてもよい。槽は、槽内のガスを水素ガス生成装置の外部へ放出するためのガス放出口を有する。水素ガス放出機構（水素ガス放出部材）は、上記水素ガス流路における水素ガスの流れが抑制（たとえば遮断）されたときに、水素ガスを上記槽内に流すことによってガス放出口から水素ガスを放出する機構（部材）である。

水素ガス流路における水素ガスの流れが不適切に抑制されていない状態（たとえば遮断されていない状態）における駆動を、以下では「通常駆動」と称する場合がある。通常駆動時においては、陰極で生成された水素ガスは、第１の流路を通って水素ガス流路に流れる。しかし、水素ガス流路における水素ガスの流れが過剰に抑制された場合、第１の流路を通って流れるガスは、水素ガス放出機構によって槽内に流される。槽内に流された水素ガスは、ガス放出口から装置外部へ放出される。そのため、水素ガス流路における水素ガスの流れが過剰に抑制された場合でも、装置内の水素ガスの圧力が過剰に高くなることを防止できる。

本発明の装置において、槽は、陽極に供給される水性液体を保持する第１の槽を含んでもよい。第１の槽は、第１の槽内のガスを水素ガス生成装置の外部へ放出するためのガス放出口を有してもよい。この場合の一例では、水素ガス放出機構は、水素ガス流路における水素ガスの流れが抑制されたときに、第１の流路を通って流れる水素ガスを第１の槽内に流す。槽は、第１の槽のみからなるものであってもよい。あるいは、槽は、陽極に供給される水性液体を保持する第１の槽と、陰極に供給される水性液体を保持する第２の槽と含んでもよい。

本発明の装置の典型的な一例は、電気分解ユニットと、陽極が配置される陽極室と、陰極が配置される陰極室と、を含む電気分解セルを含み、電気分解ユニットは、陽極と陰極とを含む膜電極接合体であり、第１の流路は陰極室に接続されている。この一例のように、電気分解ユニットは膜電極接合体であってもよい。膜電極接合体を用いる本発明の水素ガス生成装置を、以下では、装置（Ｄａ）という場合がある。装置（Ｄａ）において、槽（第１の槽）は、陽極室に供給される水性液体を保持する水タンクであってもよい。以下では、装置（Ｄａ）における第１の槽を、「水タンク」と称する場合がある。以下の記載において、趣旨に反しない限り、第１の槽を水タンクと読み替えることができ、水タンクを第１の槽と読み替えることができる。

装置（Ｄａ）の一例は、水を電気分解するための膜電極接合体を含み陰極室と陽極室とを備える電気分解セルと、陽極室に供給される水を保持する水タンクと、陰極室に接続され、陰極室で生成された水素ガスが流れる第１の流路であって水素ガスが流れるガス流路が下流に接続される第１の流路と、を含み、水タンクは、水タンク内のガスを水素ガス生成装置の外部へ放出するためのガス放出口を有する。当該一例の装置（Ｄａ）は、ガス流路における水素ガスの流れが抑制されたときに、第１の流路を通って流れる水素ガスを水タンク内に流すガス放出機構を有する。

装置（Ｄａ）において、陽極室は、流路によって水タンクに接続されていてもよいし、水タンクに直結されていてもよいし、水タンク内に配置されていてもよい。いずれの場合も、水タンクの内部と陽極室とが接続されているとみなすことが可能である。

装置（Ｄａ）において、第１の流路は、陰極室のうち下方に接続されることが好ましい。陽極室に水を供給すると、供給された水の一部は、膜電極接合体を通って陰極室に移動する。陰極室に水が溜まると、陰極において生成された水素ガスが陰極室から放出されるときに水を押し出す抵抗が高くなる。その結果、陰極室内に水が残りやすく水素ガスが抜けにくくなり、反応速度が低下する可能性がある。そのため、陰極室内の水を陰極室から随時排出することが好ましい。陰極室の下部に第１の流路を接続することによって、陰極室で生成された水素ガスと共に、陰極室内の水を陰極室の外部に排出することができる。すなわち、水素ガスおよび水が、第１の流路を流れてもよい。水素ガスとともに水が第１の流路を流れやすくするために、第１の流路の内部の断面積（流れに垂直な断面積）をある程度小さくしてもよい。たとえば、第１の流路の内部の断面積を３ｍｍ²〜８０ｍｍ²の範囲としてもよい。

本発明の装置は、第１の流路の下流に接続される水素ガス流路を含んでもよいし含まなくてもよい。すなわち、水素ガス流路は、本発明の装置に接続されるものであってもよい。本発明の装置は、水素ガス流路が接続される接続具を含んでもよいし含まなくてもよい。水素ガス流路または水素ガス流路の接続具は、第１の流路に直接接続されてもよいし、間接的に接続されてもよい。

水性液体の例には、水および水溶液が含まれる。水タンク（第１の槽）は、水性液体を保持できるものであればよく、たとえば樹脂製の水タンクを用いてもよい。水タンクには、水タンクに水を供給するための供給口が設けられていてもよい。供給口は、水が入ったボトル（容器）の接続部（開口部を有する端部）が嵌合するものであってもよい。その場合、供給口は、水タンクの水が減ったときにボトルから自動的に水が供給される水供給機構を有してもよい。水供給機構は、たとえば、水タンク内の水が減ったときに水タンクとボトルとの間を結ぶ流路を開口させる機構を有してもよい。そのような水供給機構の一例は、水タンク内の水位に連動して変位するフロートを含む。このフロートは、水タンクとボトルとの間を結ぶ流路を開閉する弁として機能してもよい。あるいは、水供給機構は、フロートの位置に応じて流路を開閉する弁をさらに含んでもよい。

槽（たとえば第１の槽）には、槽内のガスを装置の外部に放出するためのガス放出口が設けられている。装置が傾いたときや装置が揺れたときに槽内の水がガス放出口から漏れないように、ガス放出口またはそれに接続されたガス放出路には、水漏れ防止のための機構が設けられてもよい。たとえば、ガス放出口またはガス放出路には、水タンク内の圧力が所定値以上となったときに開きそれ以外のときには閉じている弁（圧力逃がし弁）が設けられていてもよい。ガス放出口またはガス放出路には、気体は透過させるが液体の透過を抑制する部材（撥水性濾紙、気液分離膜、多孔質体など）を配置してもよい。槽の内側に向かって突出する凸部（縦壁）が、ガス放出口の周囲を囲むように設けられていてもよい。

装置（Ｄａ）において、膜電極接合体の劣化を抑制するために、水タンク（第１の槽）から陽極室に供給される水性液体は、金属イオンを含まない水であることが好ましく、脱イオン水であってもよい。脱イオン水としては、一般的な脱イオン水や純水を用いてもよい。たとえば、電気伝導率を１．３μＳ／ｃｍ以下とした水（脱イオン水）を用いることが好ましい。Ｈ⁺で置換された陽イオン交換樹脂と、ＯＨ^-で置換された陰イオン交換樹脂とを、それぞれ適当量準備し、それらを混合して袋に詰めて水タンク内に入れておいてもよい。これによって、水タンク内のイオン濃度（電気伝導率）を低下させることが可能である。

装置（Ｄａ）においてイオン交換樹脂を用いない場合、槽（たとえば第１の槽）の中の水を長期間交換せずに装置を使用すると、装置内の部材の不純物などが水に溶出する。このような不純物が過剰になると、水の汚染や電気分解セル（膜電極接合体）の劣化をもたらす可能性もある。そのため、定期的に、槽内の水を廃棄して新しい脱イオン水に交換することが好ましい。このような交換を定期的に行うことによって、イオン交換樹脂を用いなくても、槽内の水の金属イオン濃度および不純物濃度の上昇を抑制できる。すなわち、本発明の装置は、イオン交換樹脂を含まなくてもよい。イオン交換樹脂を含まない場合、イオン交換樹脂のメンテナンスが不要となるとともに、装置を小型化することが可能である。

装置（Ｄａ）において、電気分解セル（膜電極接合体）の内部を殺菌するために、任意の時期に、次亜塩素酸を含む水（洗浄水）で電気分解セル内部を洗浄してもよい。膜電極接合体の劣化を抑制するために、洗浄水は金属イオンを含まないことが好ましい。洗浄水の好ましい一例には、塩素ガスを脱イオン水に溶解させることによって調製された洗浄水が含まれる。塩素ガスを水に溶解させることによって、次亜塩素酸が生じる。たとえば、有効塩素濃度が１ｐｐｍ〜１０ｐｐｍの洗浄水を用いる場合、電気分解を行うことなく洗浄水で電気分解セルの内部を洗浄してもよい。洗浄後は、洗浄水を排出し、脱イオン水で電気分解セルの内部を洗浄してもよい。あるいは、有効塩素濃度が０．１〜０．５ｐｐｍの洗浄水を用いる場合、当該洗浄水を電気分解セルで電気分解する洗浄運転を、任意の時期（たとえば月に１回程度）に行ってもよい。あるいは、より低濃度の洗浄水を、通常の運転時に電気分解する水として用いてもよい。

装置（Ｄａ）において、陽極室は、流路によって水タンクに接続されてもよい。好ましい一例では、陽極室の下部と水タンクとを結ぶ第２の流路と、陽極室の上部と水タンクとを結ぶ第３の流路とによって、陽極室と水タンクとが接続される。この場合、第２の流路を通じて、水タンクから陽極室に水が供給される。通常、水タンクは、電気分解セルと同じかそれ以上の高さに配置される。第３の流路は、陽極室で生成された酸素ガスが、その浮力によって自然に水タンク内に移動するように配置されてもよい。たとえば、第３の流路は、水タンクに向かって上昇するように配置されていてもよい。電気分解セルで水が電気分解されると、陽極室では酸素ガスが生成される。その酸素ガスは、第３の流路を通って水タンク内に流れる。このとき、酸素ガスと共に、陽極室内の水も第３の流路を通じて水タンクに流れる。その結果、水タンク、第２の流路、陽極室、および第３の流路という順に水が流れる循環流が生じる。すなわち、好ましい一例では、電気分解セル、水タンク、第２および第３の流路は、陽極室で生成された酸素ガスの浮力によって上記循環流が生じるように配置される。

生成された水素ガスを液体に溶解させることによって、溶存水素濃度が高い液体（たとえば水）が得られる。また、生成された水素ガスを吸入その他の用途に用いてもよい。たとえば、水素ガスを液体に溶解させ、溶解しなかった水素ガスを吸入その他の用途に用いてもよい。

本発明の装置を使用している際に、何らかの理由によって水素ガス流路における水素ガスの流れが抑制される場合がある。たとえば、水素ガス流路であるチューブが折れ曲がったときには、水素ガス流路における水素ガスの流れが抑制される。そのような場合に、生成される水素ガスを、上述した水素ガス放出機構によって放出することが可能である。

本発明の装置は、複数の電気分解セルを含んでもよい。それらの陰極室に接続される複数の第１の流路は、下流で結合されていてもよいし、結合されていなくてもよい。

膜電極接合体の典型的な一例は、陽極と陰極との間に配置された高分子電解質層を含む。陽極および陰極はそれぞれ、陽極室および陰極室に配置される。膜電極接合体に特に限定はなく、燃料電池（たとえば固体高分子形燃料電池）に用いられている膜電極接合体を用いることができる。すなわち、電気分解セルとして、燃料電池（たとえば固体高分子形燃料電池）を用いることができ、市販の固体高分子形燃料電池を用いてもよい。膜電極接合体（燃料電池）を用いることによって、装置を大幅に小型化することが可能である。

燃料電池を電気分解セルとして用いる場合、燃料電池の正極となる側の電極（空気極）を電気分解セルの陽極として用い、燃料電池の負極となる側の電極（燃料極）を電気分解セルの陰極として用いる。固体高分子形燃料電池では、空気極（正極）において酸素と水素イオンと電子とが反応して水が生成され、燃料極（負極）において水素分子から水素イオンと電子とが生成される。本発明では、空気極が陽極となり燃料極が陰極となるように両者の間に電圧を印加することによって、水を電気分解する。すなわち、空気極（陽極）には電源の正極が接続され、陰極（燃料極）には電源の負極が接続される。このようにして水を電気分解することによって、陽極において酸素ガスが生成され、陰極において水素ガスが生成される。

電気分解ユニットが膜電極接合体である装置（Ｄａ）の一例について以下に説明する。この一例の装置において、槽は、陽極に供給される水性液体を保持する第１の槽と、陰極に供給される水性液体を保持する第２の槽とを含む。さらに、この一例の装置において、電気分解ユニットは、陽極と陰極とを含む膜電極接合体であり、第１の槽と第２の槽とが膜電極接合体で仕切られている。第１および第２の槽には、上述したように、金属イオンを含まない水（脱イオン水など）が配置されることが好ましい。なお、膜電極接合体として、複数の膜電極接合体が積層されたものを用いてもよい。

本発明の典型的な他の一例は、装置（Ｄａ）とは異なり、膜電極接合体を用いない。この一例の電気分解ユニットは、陽極と陰極との間に配置されたセパレータを含む。この電気分解ユニットを用いる本発明の水素ガス生成装置を、「装置（Ｄｂ）」と称する場合がある。本発明の装置の一例（装置（Ｄｂ）の一例）において、槽は、陽極に供給される水性液体を保持する第１の槽と、陰極に供給される水性液体を保持する第２の槽とを含み、電気分解ユニットは、陽極と陰極との間に配置されたセパレータを含み、第１の槽と第２の槽とがセパレータで仕切られている。

装置（Ｄｂ）の電気分解ユニットの電極（陽極および陰極）には、水の電気分解が可能な電極が用いられる。電極は金属電極であってもよい。電極に用いられる金属の例には、チタン、ニッケル、白金、および電極に用いることが可能なその他の金属が含まれる。水の電気分解を容易にするために、電極の表面には白金が存在することが好ましい。好ましい電極の一例は、白金でコートされた金属（たとえばチタン）で構成された電極である。第１の電極と第２の電極とは、同じであってもよいし、異なってもよい。

装置（Ｄｂ）の電極の形状に特に限定はないが、２次元状に広がる形状を有していることが好ましい。電極の形状の好ましい例には、複数の線状の電極がストライプ状に配置された形状、エキスパンドメタルの形状、およびメッシュ形状が含まれる。陽極と陰極とは、セパレータを挟んで対向するように配置される。

装置（Ｄｂ）の電気分解ユニットのセパレータには、絶縁性のセパレータを用いることができる。セパレータは、水性液体を通過させる一方で、水性液体に浸漬された状態において気泡の通過を抑制するセパレータであることが好ましい。そのようなセパレータの例には、布状のセパレータが含まれ、たとえば、親水性の布（織布、不織布、その他の布）からなるセパレータが含まれる。親水性の布の例には、綿からなる布や、親水性樹脂の繊維からなる布が含まれる。セパレータは、イオン交換能を有さない材料で形成される。すなわち、セパレータはイオン交換膜ではない。ガスの通過を抑制するセパレータを用いることによって、陽極で生成された酸素ガスの気泡と陰極で生成された水素ガスの気泡とが混合されることを抑制できる。

装置（Ｄｂ）において電解槽（第１の槽および第２の槽）に配置される水性液体は、電解液であり、たとえば塩が溶解された水溶液である。塩化物イオンを含む水溶液を電気分解すると、塩素ガスが発生することがある。塩素ガスの発生を避けるために、陰イオンとして硫酸イオン（ＳＯ₄ ^2-）や燐酸イオン（ＰＯ₄ ^3-）を含有する塩を溶解させた水溶液を用いてもよい。そのような水溶液の例には、リン酸塩水溶液（リン酸ナトリウム水溶液やリン酸カリウム水溶液、炭酸カリウムなど）が含まれる。

第１および第２の槽を有する本発明の装置において、第１の槽は、第１の槽内のガスを水素ガス生成装置の外部へ放出するためのガス放出口を有してもよい。この場合、水素ガス放出機構は、水素ガス流路における水素ガスの流れが抑制されたときに、水素ガスを第１の槽内に流すことによってガス放出口から水素ガスを放出できる。

第１および第２の槽を有する本発明の装置において、第２の槽は、第２の槽内のガスを水素ガス生成装置の外部へ放出するためのガス放出口を有してもよく、第１の槽は、陽極で生成された酸素ガスを水素ガス生成装置の外部へ放出するための酸素ガス放出口を有してもよい。この場合、水素ガス放出機構は、水素ガス流路における水素ガスの流れが抑制されたときに、水素ガスを第２の槽内に流すことによってガス放出口から水素ガスを放出できる。

上記本発明の装置において、水素ガス放出機構は、下部に開口部を有する管を含んでもよい。当該管を、以下では「管（Ｔ）」と称する場合がある。管（Ｔ）には、水素タンクを仕切って一部を管状としたものも含まれる。管（Ｔ）には、第１の流路と水素ガス流路とが接続される。なお、第１の流路と管（Ｔ）とは、第１の流路から管（Ｔ）にガスが流れるように接続されていればよく、直接接続されていてもよいし直接接続されていなくてもよい。同様に、管（Ｔ）と水素ガス流路とは、管（Ｔ）から水素ガス流路にガスが流れるように接続されていればよく、直接接続されていてもよいし直接接続されていなくてもよい。管（Ｔ）の内部と槽（たとえば第１の槽）の内部とは、管（Ｔ）の開口部を介して接続されている。当該開口部を、以下では「開口部（Ｏ）」と称する場合がある。この構成の一例では、水素ガス流路における水素ガスの流れが抑制されたときに、第１の流路を通って流れる水素ガスが開口部（Ｏ）を通って槽内に流れる。槽内に流れた水素ガスは、ガス放出口から放出される。

水素ガス流路が遮断された場合には、酸素ガスと水素ガスとが共に槽（たとえば第１の槽）内を流れる。このとき、酸素ガスと水素ガスとが異なるガス放出口から放出されるようにしてもよい。たとえば、槽内の少なくとも一部（たとえば上部）を区切って、酸素ガスと水素ガスとが異なるガス放出口から放出されるようにしてもよい。たとえば、酸素ガスを装置外部に放出するための酸素ガス放出口を第１の槽に形成し、水素ガスを装置外部に放出するための水素ガス放出口を第２の槽に形成してもよい。

この明細書において、管（Ｔ）の下部とは、管（Ｔ）の全体の高さをｈとしたときに、管（Ｔ）の下端から上方に向かって高さｈ／２未満の領域を意味し、たとえば管（Ｔ）の下端から上方に向かって高さｈ／３以下の領域を意味する。一方、管（Ｔ）の上部とは、管（Ｔ）の上端から下方に向かって高さｈ／２未満の領域を意味し、たとえば管（Ｔ）の上端から下方に向かって高さｈ／３以下の領域を意味する。

管（Ｔ）の下部（管（Ｔ）の少なくとも下部）は、槽（たとえば第１の槽）の内部に配置されていてもよい。あるいは、管（Ｔ）の下部と槽（たとえば第１の槽）の内部とは、流路によって接続されていてもよい。これらの場合の２つの例の装置（第１および第２の例の装置）について、後述する。管（Ｔ）に特に限定はなく、管として機能するものであればよい。管（Ｔ）は、槽の一部を仕切って管状にしたものであってもよい。すなわち、管（Ｔ）は槽と一体となっていてもよいし、一体となっていなくてもよい。管（Ｔ）の断面形状は特に限定されない。一例の管（Ｔ）は、水素ガス放出機構および水トラップとして機能する。第１の流路を通って管（Ｔ）に到達した水が管（Ｔ）の下方に溜まりやすいように、管（Ｔ）を太めの管にしてもよく、たとえば第１の流路よりも太くしてもよい。管（Ｔ）を太くすることによって、管（Ｔ）内の上部にある水が、管（Ｔ）内の下部にある気体と置き換わって管（Ｔ）内を落下しやすくなる。

本発明の第１の例の装置では、第１の流路および水素ガス流路が共に管（Ｔ）の上部に接続されてもよい。この場合、第１の流路から流れてくる水を管（Ｔ）内に落下させ、実質的に水素ガスのみを水素ガス流路に流すことが可能である。すなわち、管（Ｔ）を水トラップとして利用することが可能である。管（Ｔ）の開口部（Ｏ）は槽と接続されているため、管（Ｔ）内を落下した水を、電気分解に利用することが可能である。この構成によれば、水を効率よく利用できる。なお、陽極では酸化分解が生じるため、陽極に接している液体（水や電解液など）を殺菌することが可能である。

本発明の第２の例の装置では、水素ガス流路が管（Ｔ）の上部に接続されてもよく、さらに、水素ガス流路と管（Ｔ）との接続部よりも下方の位置において第１の流路が管（Ｔ）に接続されていてもよい。この場合、第１の流路から流れてくる水を管（Ｔ）の下部に溜め、実質的に水素ガスのみを水素ガス流路に流すことが可能である。すなわち、管（Ｔ）を水トラップとして利用することが可能である。管（Ｔ）の開口部（Ｏ）は槽と接続されているため、管（Ｔ）内を落下した水を、電気分解に利用することが可能である。この場合、第１の流路は、管（Ｔ）の下部に接続されていてもよい。

管（Ｔ）に接続される水素ガス流路に気体のみが流れるように、水素ガス流路の断面積（内部空間の断面積）を、第１の流路の断面積よりも大きくしてもよい。

本発明の装置では、水素ガス放出機構が、槽（たとえば第１の槽）内に配置され下部に開口部（Ｏ）を有する管（Ｔ）を含み、当該管（Ｔ）（たとえば管（Ｔ）の上部）には水素ガス流路が接続されていてもよい。この場合、水素ガス流路における水素ガスの流れが抑制（たとえば遮断）されていないときに、第１の流路を通って流れる水素ガスが管（Ｔ）の開口部（Ｏ）を通って管（Ｔ）を流れるように、管（Ｔ）と第１の流路とが配置されていてもよい。この装置では、水素ガス流路における水素ガスの流れが抑制されたときに、管（Ｔ）内を水素ガスが流れなくなり、管（Ｔ）内が水素ガスで満たされる。その結果、水素ガスは、管（Ｔ）内を流れることなく槽内に流れる。

通常、管（Ｔ）の少なくとも下部は槽内の水性液体に浸かっている。そのため、第１の流路の開口部（端部）から放出された水素ガスは、水性液体の中において気泡となって管（Ｔ）を上昇する。このとき、水素ガスの気泡が目視しやすい大きさになるように、第１の流路の開口部の断面積を調整してもよい。たとえば、第１の流路の開口部の断面積は、１〜２０ｍｍ²の範囲にあってもよい。

開口部（Ｏ）は、槽（たとえば第１の槽）内の液面（水位）の設定された下限よりも下に配置されていてもよい。以下では、設定された下限の液面（水位）を、「下限水位」と称する場合がある。開口部（Ｏ）を下限水位よりも下に配置することによって、通常駆動時に水素ガスが開口部（Ｏ）から槽に流れることを抑制できる。

本発明の装置は、槽（たとえば第１の槽）内の液面（水位）が上記下限水位に到達したことを検知する水位センサをさらに含んでもよい。そして、槽内の液面が下限水位に到達したことが検知されたときに、電気分解を停止してもよいし、液面が下限水位に到達したことを使用者に知らせる表示や音を出してもよい。

本発明の装置（Ｄａ）では、第１の槽（たとえば水タンク）と陽極室とが直結されていてもよい。その場合、第１の槽の内部と陽極室の内部とが、第１の槽の側壁に形成された貫通孔と陽極室の側壁に形成された貫通孔とを介して接続されていてもよい。本発明の装置では、電気分解セルが第１の槽内に配置されていてもよい。

本発明の装置は、電気分解を制御するためのコントローラを含んでもよい。コントローラは、公知のコントローラと同様に、演算処理装置と記憶装置とを含んでもよい。記憶装置には、本発明の装置を制御するためのプログラムが格納される。本発明の装置は、電源、各種のセンサ（水位センサなど）、スイッチ、表示装置、入力装置、弁（バルブ）等を含んでもよい。そして、それらはコントローラと接続されていてもよい。電気分解が可能である限り電源に特に限定はなく、コンセントから出力される交流を直流に変換するＡＣ−ＤＣコンバータであってもよい。

本発明の装置は、使用回数や使用時間（電気分解の時間）をモニタする機構を備えてもよい。その場合、コントローラは、使用回数や使用時間を積算し、その結果に基づいて、メンテナンス時期を使用者に知らせてもよい。

本発明の装置は、直列接続された複数の電気分解ユニットを含んでもよい。その場合、本発明の装置は、複数のツェナーダイオードを含んでもよい。そして、複数の電気分解ユニットのそれぞれには、ツェナーダイオードが並列接続されていてもよい。１つの水素ガス生成装置に含まれる電気分解ユニットの数は、２つ、３つ、またはそれ以上であってもよい。ツェナーダイオードは、電気分解ユニットに電流が流れないときにツェナーダイオードを電流が流れるように、選択および配置される。

本発明の装置は、水素ガスの気泡が流れる部分の少なくとも一部が目視可能な構成を有してもよい。たとえば、第１の流路の内部の少なくとも一部が装置の外部から目視可能であってもよいし、管（Ｔ）の内部の少なくとも一部が装置の外部から目視可能であってもよいし、槽の内部の少なくとも一部が装置の外部から目視可能であってもよい。それらの構成は、目視される部分を透明な材料（透明なガラスや樹脂など）で形成することによって実現できる。水素ガスの気泡が流れる部分を目視可能とすることによって、水素ガスの生成状況を目視で確認できる。

装置（Ｄａ）の第１の槽内には、水分を吸収して維持する保湿部材が配置されていてもよい。長期間使用しない場合などに、第１の槽内の水がほぼなくなることがある。第１の槽内の湿度が低下して電気分解セルの内部が乾燥すると、電気分解セルの性能が低下する場合がある。保湿部材を第１の槽内に配置することによって、電気分解セル内部の乾燥を抑制できる。保湿部材に特に限定はない。保湿部材の例には、多孔質体（スポンジなど）が含まれる。

水素ガス流路には、水素ガスを吸入するためのガス吸入器具がとりつけられてもよい。ガス吸入器具の例には、鼻カニューラやガス吸入用のネックセットが含まれる。ガス吸入器具は、大気よりも水素ガス濃度が高い空間を形成する器具であってもよい。たとえば、ガス吸入器具は、大気よりも水素ガス濃度が高い空間を形成するための囲いであってもよい。そのような囲いを用いることによって、ガス吸入器具を顔につけることなく水素ガスを吸入できる。そのような囲いを用いることによって、動物など（たとえばペットなどの小動物）に水素ガスを容易に吸入させることができる。

囲いとしては、密閉されていない囲い（すなわち大気に開放されている囲い）を用いることができる。囲いの中の水素ガス濃度が４体積％未満（たとえば３体積％以下）となるように、囲いを構成することが好ましい。

囲い内で静電気の放電が発生しないように、囲いの内側に導電体を配置することによって静電気の蓄積を抑制してもよい。また、静電気の放電が発生しないように、囲い内部を高湿とすることによって、静電気の放電を抑制してもよい。たとえば、囲い内部の相対湿度を６０％以上（たとえば６５％以上や７０％以上）としてもよい。

水素ガス流路には、水蒸気を除去する水蒸気トラップや、液体をトラップする液トラップが配置されてもよい。液トラップおよび水蒸気トラップに特に限定はなく、公知のものを用いてもよい。水蒸気トラップを用いることによって、水素ガス流路における結露を抑制できる。

本発明の装置に接続された水素ガス流路が柔軟性を有するチューブである場合、チューブが折れ曲がったときに水素ガスの流れが抑制される場合がある。そのような場合でも水素ガスの流れが完全に遮断されないことが好ましい。そのために、チューブ内に、細い糸（釣り糸などの樹脂製の糸など）を配置してもよい。あるいは、内部に凹凸が形成されたチューブを用いてもよい。

（水素ガス吸入装置）
本発明の水素ガス生成装置は、水素ガス吸入装置に用いることができる。本発明の水素ガス吸入装置は、本発明の水素ガス生成装置と、第１の流路の下流（水素ガス流路の下流）に接続されたガス吸入器具とを含む。ガス吸入器具の例には、上述したガス吸入器具が含まれる。

本発明の装置について、図面を参照しながら以下に説明する。なお、以下の説明では、同様の部分に同一の符号を付して重複する説明を省略する場合がある。本発明の効果が得られる限り、以下の実施形態の装置の構成は、上述した構成に置き換えることが可能である。以下の実施形態の装置の構成のうち、本発明の効果を奏するために必要でない構成は省略してもよい。１つの実施形態の装置について説明した事項は、他の実施形態の装置の構成に反しない限り他の実施形態の装置にも適用できる。そのため、１つの実施形態で説明した事項は、他の実施形態の説明において説明を省略する場合がある。

（実施形態１）
実施形態１では、装置（Ｄａ）の一例について説明する。実施形態１の水素ガス生成装置１００の構成を、図１に模式的に示す。装置１００は、ケース１１、直流電源（ＡＣ−ＤＣコンバータ）１２、電気分解セル２０、水タンク（第１の槽）３０、第１の流路４１、第２の流路４２、第３の流路４３、水素ガス流路４４、および管５０（管（Ｔ））を含む。なお、装置１００はコントローラを含むが、図１では図示を省略する。当該コントローラは、装置内の機器（水位センサ６１、直流電源１２など）に接続される。

電気分解セル２０は、燃料電池セルであり、陰極室２１、陽極室２２、およびそれらによって囲まれた膜電極接合体（電気分解ユニット）２３を含む。膜電極接合体２３は、陽極、陰極、および、高分子電解質層（たとえば、陽イオン交換膜などのイオン交換膜）を含むが、それらの図示は省略する。膜電極接合体２３の２つの電極間には、直流電源１２から直流電圧が印加される。膜電極接合体２３の陰極は陰極室２１によって囲まれており、膜電極接合体２３の陽極は陽極室２２によって囲まれている。一例の電気分解セル２０の電解槽は、膜電極接合体２３によって、陰極室２１と陽極室２２とに二分されている。

水タンク３０の上方には、ケース１１の外部と水タンク３０とを結ぶ水供給路３１が接続されている。水タンク３０と水供給路３１との接続部は、水タンク３０内のガスを装置の外部に放出するためのガス放出口３０ｈとして機能する。すなわち、水供給路３１は、ガスを放出するためのガス放出路として機能する。なお、水供給路３１とは別個にガス放出口（ガス放出路）を設けてもよい。水タンク３０には、水位センサ６１が配置されている。水位センサ６１によって、水タンク３０内の水Ｗが下限水位ＷＬに到達したことが検知される。図１に示すように、水タンク３０の一部３０ａを細くして、その一部３０ａと電気分解セル２０とを流路で接続してもよい。

第１の流路４１の一端（第１の端部４１ａ）は、陰極室２１の下部に接続されている。第１の流路４１の他端（第２の端部４１ｂ）は、管５０に接続されている。第１の流路４１の少なくとも一部およびケース１１の少なくとも一部を透明にして、第１の流路４１内を装置１００の外部から目視できるようにしてもよい。そのようにすることによって、第１の流路４１中を移動する水素ガスの気泡を目視で確認できる。図１に示すように、第１の流路４１の一部４１ｃを太く且つ透明にしてもよい。そして、その一部４１ｃを装置１００の外部から目視できるようにしてもよい。

第２の流路４２は、陽極室２２の下部と水タンク３０とを結ぶように両者に接続されている。第３の流路４３は、陽極室２２の上部と水タンク３０とを結ぶように両者に接続されている。水タンク（第１の槽）３０は、陽極（陽極室２２）に供給される水性液体を保持する。

管５０の上端には、第１の流路４１の下流側の端部４１ｂと水素ガス流路４４の上流側の一端（第１の端部４４ａ）とが接続されている。それらの結合部分において、それらは、図１に示すようにＹ字状に配置されていてもよい。管５０のうちの少なくとも下部は、水タンク３０内に配置されている。管５０の下方の開口部５０ａは、下限水位ＷＬよりも下方に配置され、水素ガスの流路が遮断されたときの水素ガスの排出口として機能する。開口部５０ａから放出された水素ガスがガス放出口３０ｈに到達可能なように、開口部５０ａは配置される。すなわち、水素ガス放出機構（管５０）は、水素ガス流路における水素ガスの流れが抑制されたときに、ガス放出口３０ｈに到達するように水素ガスを槽（水タンク３０）内に流す。

水素ガス流路４４の他端（第２の端部４４ｂ）は、接続具４５に接続されている。接続具４５は、水素ガス流路２０１を接続可能な接続具である。水素ガス流路２０１は、容器２００内に差し込まれている。容器２００は蓋２００ａを有し、内部空間と外部との気体の移動が制限されている。蓋２００ａには、さらに水素ガス流路２０２が接続されていてもよい。

水の電気分解を行う際には、まず、水供給路３１から水タンク３０に水（脱イオン水）を供給する。水タンク３０に供給された水Ｗは、流路４２および４３を介して陽極室２２に供給される。次に、直流電源１２によって、電気分解セル２０の２つの電極間に直流電圧を印加し、水を電気分解する。この電気分解によって、陰極において水素ガスが生成され、陽極において酸素ガスが生成される。陽極室２２で生成された酸素ガスは、第３の流路４３を通って水タンク３０に流れ、さらにガス放出口３０ｈおよび水供給路３１を通って装置の外部に放出される。酸素ガスが第３の流路４３を通る際に、陽極室２２内の水も水タンク３０側に流れる。その結果、水タンク３０と陽極室２２との間を循環する水の流れが生じる。水タンク３０から陽極室２２へ水が流れやすくするため、第２の流路４２を第３の流路４３より太くしてもよい。通常、流路４３から放出される酸素ガスが開口部５０ａを通って水素ガス流路４４に流れることがないように、装置は構成される。たとえば、流路４３と水タンク３０との接続部の直上に開口部５０ａが配置されないようにしてもよい。

陰極室２１で生成された水素ガスは、第１の流路４１を通って管５０の上部に流れる。陽極室２２に供給された水の一部は、膜電極接合体２３を通って陰極室２１に流れる。好ましい一例では、陰極室２１に流れた水は、水素ガスの移動に伴って第１の流路４１を流れ、管５０に到達する。たとえば、第１の流路４１を細くすることによって、水素ガスと共に水を移動させることが可能である。

管５０に到達した水は、管５０を落下し、水タンク３０に戻される。その結果、第１の流路４１の下流の水素ガス流路４４には、実質的に水素ガスのみが流れる。このように、管５０は、水トラップとして機能する。ここで、水タンク３０内の水位にかかわらず水素ガス流路４４に水が流れないようにする必要がある。そのため、通常、水タンク３０内の最高水位よりも高い位置で水素ガス流路４４と管５０とを接続する。なお、水トラップとして機能しやすくするために、管５０の全体を太くしたり、第１の流路４１が接続されている部分を太くしたりしてもよい。

水素ガス流路４４に流れた水素ガスは、水素ガス流路２０１を通って容器２００内の液体２１０内に吹き込まれる。液体２１０は、たとえば飲用の液体（水など）である。水素ガスが吹き込まれた液体は、溶存水素濃度が高い液体（たとえば水素水）として利用できる。液体２１０に溶解しなかった水素ガスは、水素ガス流路２０２を通って容器２００の外部に流れる。この水素ガスは、吸入用の水素ガスとして用いることが可能である。その場合、水素ガス流路２０２の端部には、吸入用の器具（たとえば鼻カニューラ等）が接続されてもよい。

水素ガスの生成を開始する前（管５０内の内圧が上昇する前）は、管５０内の水位（水の表面の位置）と水タンク３０内の水位とは同じである。すなわち、管５０内のうち開口部５０ａから水タンク３０内の水面の位置までは、水で満たされる。一方、水素ガスを生成している際には、図１に示すように、容器２００内の水位と水素ガス流路２０１の先端（開放端）との高低差Ｌ１と同じだけ、管５０内の水位が低下する。なお、理解を容易にするため、図１では、管５０内の水に、水タンク３０内の水Ｗのハッチングとは異なるハッチングを付している。また、流路内の水および電気分解セル２０内の水については、ハッチングを省略する。

通常、下限水位ＷＬは、下限水位ＷＬと開口部（ガス排出口）５０ａとの間の高低差Ｌ２が、容器２００内における水位と水素ガス流路２０１の開放端との間の高低差Ｌ１の最大値よりも大きくなるように設定される。この場合、通常駆動時において、管５０内の水位は、開口部５０ａよりも上方に位置する。開口部５０ａをできるだけ下方に配置するために、開口部５０ａを、水タンク３０の細い部分（たとえば一部３０ａ）に配置してもよい。ただし、開口部５０ａから放出される水素ガスが、第２の流路４２に流れないようにすることが好ましい。

なお、水タンク３０内の水位が下限水位ＷＬに到達したことが水位センサ６１で検知されたときに、水の電気分解を停止してもよい。また、水タンク３０内の水位が下限水位ＷＬに到達したときに圧力の関係で水素ガス流路２０１の先端から水素ガスの気泡が放出されなくなるような位置に、開口部５０ａを設けてもよい。この場合には、水位センサ６１を省略することが可能である。いずれの場合でも、水タンク３０内の水位が下限水位ＷＬに到達したときに、水素ガス流路２０１の先端から水素ガスの気泡が放出されなくなる。そのため、使用者は、水素ガス流路２０１の先端からの水素ガスの放出の有無を、水の補給の目安として用いることができる。

ここで、水素ガス流路２０１が何らかの原因によって意図せずに折れ曲がった場合について検討する。この場合、水素ガス流路２０１における水素ガスの流れが過剰に抑制（遮断）される。一方で、陰極室２１で水素ガスが生成され続けた場合、第１の流路４１およびその下流（管５０および水素ガス流路４４）における内圧が高まる。その結果、管５０内の水位は、管５０の開口部５０ａに到達するまで下がる。そして、生成された水素ガスは、開口部５０ａから水タンク３０内に排出される。排出された水素ガスは、ガス放出口３０ｈおよび水供給路３１を通って装置の外部に放出される。以上のように、管５０は、水素ガス放出機構として機能する。すなわち、管５０は、水素ガス流路における水素ガスの流れが抑制されたときに水素ガスを迂回させて放出する。このような水素ガス放出機構を用いることによって、水素ガス流路が遮断されたときでも、電気的な制御をすることなく水素ガスを装置外部に簡単に放出できる。

本発明の装置は、水素ガス流路におけるガスの流れが不適切に抑制（たとえば遮断）されたことを検知するためのセンサを備えてもよい。そして、水素ガス流路が不適切に抑制されたことが検知された場合に、水の電気分解を停止してもよい。たとえば、管５０内の水位が所定の位置に到達したことを検知するためのセンサを用いてもよい。水素ガス流路において水素ガスの流れが遮断されたときには管５０内の水位が大きく低下する。また、酸素ガスの放出経路（たとえば水供給路３１）が遮断されたときには管５０内の水位が大きく上昇する。そのような状況をセンサで検知して電気分解を停止することによって、通常駆動ではない状態で電気分解を続けることを防止できる。このようなセンサと上述した水素ガス放出機構とを共に用いることによって、センサがうまく機能しなかった場合でも、水素ガスを装置外部に簡単に放出できる。なお、センサとして、管５０内にフロートスイッチを配置して、ガスや液体の流れを制御してもよい。

本発明の装置では、水タンクへの水の供給を容易にするため、ペットボトル等の容器を水タンクに直結できるようにしてもよい。その場合には、図１で示した構成とは異なり、ガス放出口を単独で設けることが好ましい。ペットボトル等の容器を水タンクに直結可能にする場合の構成の一例を、図２Ａ〜図２Ｃに示す。なお、図２Ａ〜図２Ｃでは、該当する部分のみを図示する。

図２Ａの装置では、容器７０内の水が水タンク３０に供給される。この場合、水タンク３０は、容器７０を接続するための受け部３３を有する。また、水タンク３０には、水タンク内のガスを装置の外部に放出するためのガス放出路３２が接続される。ガス放出路３２と水タンク３０との接続部が、ガス放出口３０ｈとなる。

受け部３３は、容器７０の接続部７１を保持するための形状を有する。受け部３３は、ピン３３ａと、ピン３３ａを支持する板３３ｂと、接続部７１を受ける受け台３３ｃとを含む。板３３ｂには、水を流すための貫通孔が形成されている。接続部７１は、筒状部７１ａと、筒状部７１ａ内に配置されたリング状のフロート７１ｂおよび球状部材７１ｃとを含む。球状部材７１ｃは弁として機能する。

水タンク３０内の水が不足している状態で水が入った容器７０を受け部３３にセットすると、図２Ｂに示すように、フロート７１ｂおよび球状部材７１ｃが下がり、筒状部７１ａが塞がれない。そのため、筒状部７１ａから水が水タンク３０に供給される。水の供給に伴って水タンク３０の水位が上昇すると、図２Ｃに示すように、フロート７１ｂが上昇し、それによって球状部材７１ｃも上昇する。その結果、球状部材７１ｃによって筒状部７１ａが塞がれ、水の供給がストップする。そのため、水タンク３０内の水Ｗが所定の水位に到達した時点で、容器７０からの水の供給を自動的にストップできる。さらに、水タンク３０の水が所定の水位よりも低下すると、フロート７１ｂが下がって水が供給される。このように、水タンク３０の水位を自動的に一定に保つことが可能である。なお、図２Ａに示す構成は一例であり、他の構成によっても図２Ａに示す構成と同様の機能を発揮させることが可能である。

（実施形態２）
実施形態２では、装置（Ｄａ）の他の一例について説明する。実施形態２の装置は、実施形態１の装置と比較して、流路の接続方法が異なる。実施形態２の装置の構成を、図３に模式的に示す。

実施形態２の装置１００では、第１の流路４１の他端（第２の端部４１ｂ）は管５０の下部に接続されている。また、水素ガス流路４４の一端（第１の端部４４ａ）が管５０の上部に接続されている。すなわち、第１の端部４４ａと管５０との接続部よりも下方の位置において、第２の端部４１ｂと管５０とが接続されている。管５０の下端には、ガス排出口として機能する開口部５０ａが形成されている。

図３では、水タンク３０の一部を仕切って管５０を形成している一例を示しているが、水タンク３０とは別個の管５０を用いてもよい。さらに、開口部５０ａが開口されている限り、管５０と陰極室２１とを直結してもよい。その場合、管５０の下部の一部を第１の流路４１とみなすことが可能である。

水の電気分解を行う際には、実施形態１の装置１００と同様に、水タンク３０に水（脱イオン水）を供給する。次に、直流電源１２によって、電気分解セル２０の２つの電極間に直流電圧を印加し、水を電気分解する。この電気分解によって、陰極室２１で水素ガスが生成され、陽極室２２で酸素ガスが生成される。酸素ガスは、水タンク３０を通って放出される。

陰極室２１で生成された水素ガスは、第１の流路４１を通って管５０に流れる。通常駆動時において、第１の流路４１を通って流れる水素ガスが開口部５０ａを通って管５０を流れるように、管５０と第１の流路４１とが配置されている。図３に示す一例では、通常駆動時において、端部４１ｂから放出される水素ガスの気泡が開口部５０ａから外部に流れないようにする必要がある。たとえば、端部４１ｂの上方を覆うように、管５０または開口部５０ａを配置してもよい。図３に示すように、端部４１ｂの開口端より下に開口部５０ａを配置してもよい。

実施形態１で説明したように、第１の流路４１を、水および水素ガスが流れる。管５０に到達した水は管５０に溜まり、水素ガス流路４４には実質的に水素ガスのみが流れる。すなわち、実施形態２の構成でも、管５０が水トラップとして機能する。管５０の形状（たとえば太さ）は、水トラップとして機能する形状とする。水素ガス流路４４に流れた水素ガスは、実施形態１で説明したように利用できる。

（実施形態３）
実施形態３では、装置（Ｄａ）の他の一例について説明する。実施形態３の装置は、実施形態１の装置と比較して、電気分解セル２０と水タンク３０との接続方法が異なる。実施形態３の装置の構成を、図４に模式的に示す。

実施形態３の装置１００では、電気分解セル２０と水タンク３０とが、直結されている。電気分解セル２０の陽極室２２と水タンク３０とは、それらの壁に形成された貫通孔を介して接続されている。なお、それらの貫通孔を流路とみなすことが可能である。

実施形態３の装置１００は、実施形態１の装置１００と同様の機能を有する。なお、実施形態２の装置においても、電気分解セル２０と水タンク３０とを直結することが可能である。

（実施形態４）
実施形態４では、装置（Ｄａ）の他の一例について説明する。実施形態４の装置は、実施形態２の装置と比較して、電気分解セルの配置が異なる。実施形態４の装置の構成を、図５に模式的に示す。

実施形態４の装置１００では、電気分解セル２０が水タンク３０内の下部に配置されている。陽極室２２の壁には貫通孔が形成されているか、あるいは陽極室２２の壁が除去されている。水タンク３０内に水が配置されることによって、膜電極接合体２３の陽極側に水が供給される。なお、図１の一部３０ａのように水タンク３０の一部の細くし、その部分に電気分解セル２０を配置してもよい。

水の電気分解によって陰極室２１で生成された水素ガスは、第１の流路４１および管５０を通って水素ガス流路４４に流れる。実施形態４の装置１００は、実施形態２の装置１００と同様の機能を有する。なお、実施形態１の装置においても、電気分解セル２０を水タンク３０内の下部に配置することが可能である。

（実施形態５）
実施形態５では、装置（Ｄｂ）の一例について説明する。実施形態５の水素ガス生成装置１００ａの構成を、図６に模式的に示す。装置１００ａは、ケース１１、直流電源（ＡＣ−ＤＣコンバータ）１２、電気分解ユニット１１０、電解槽１２０、第１の流路４１、水素ガス流路４４、および管５０（管（Ｔ））を含む。装置１００ａはコントローラを含むが、図６では図示を省略する。当該コントローラは、装置内の機器（水位センサ６１、直流電源１２など）に接続される。装置１００と同様の部分については、重複する説明を省略する場合がある。

電気分解ユニット１１０は、陽極１１１、陰極１１２、およびそれらの間に配置されたセパレータ１１３を含む。セパレータ１１３は、たとえば絶縁性の不織布からなり、液体およびイオンは透過させるが気泡の透過を抑制する。電解槽１２０は、セパレータ１１３によって、陽極側の第１の槽１２１と、陰極側の第２の槽１２２とに仕切られている。なお、第１の槽１２１と第２の槽１２２とは、セパレータ１１３の上方において、液体および気体を透過させない仕切り板１２０ａによって仕切られている。第１の槽１２１に配置された水溶液ＡＳは陽極１１１と接触し、第２の槽１２２に配置された水溶液ＡＳは陰極１１２と接触する。すなわち、第１の槽１２１は陽極１１１に供給される水性液体を保持し、第２の槽１２２は、陰極１１２に供給される水性液体を保持する。装置（Ｄｂ）は、電解槽１２０の内部（特に、第１の槽１２１の内部）が、装置外部から見える構成を有してもよい。当該構成によれば、水が電気分解されることによって発生する気泡を目視で確認できる。

第２の槽１２２の上部には、陰極１１２で生成された水素ガスが流れる第１の流路４１が接続されている。少なくとも通常駆動時において、第２の槽１２２は大気に開放されていない。この構成によれば、水素ガス流路内の水素ガスの内圧を高めることが可能である。

第１の槽１２１には、第１の槽１２１内のガスを装置の外部に放出するためのガス放出口１２０ｈが形成されており、ガス放出口１２０ｈには、ガス放出路となる水供給路３１が接続されている。上述したように、水供給路３１とガス放出路とは別に形成されてもよい。

管５０の上部には、第１の流路４１の一端と水素ガス流路４４の一端とが接続されている。それらの結合部分において、それらは、図６に示すようにＹ字状に配置されていてもよい。管５０のうちの少なくとも下部は、第１の槽１２１内に配置されている。管５０の下方の開口部５０ａは、下限水位ＷＬよりも下方に配置され、水素ガスの流路が遮断されたときの水素ガスの排出口として機能する。

水素ガス流路４４は、接続具４５を介して水素ガス流路２０１に接続されている。水素ガス流路２０１には、実施形態１で説明したように、水素ガスを利用するための器具が接続される。

水の電気分解を行う際には、まず、電解槽１２０に水溶液ＡＳを供給する。次に、直流電源１２によって、電気分解ユニット１１０の２つの電極間に直流電圧を印加し、水を電気分解する。この電気分解によって、陰極１１２において水素ガスが生成され、陽極１１１において酸素ガスが生成される。陽極１１１で生成された酸素ガスは、ガス放出口１２０ｈおよびガス放出路（水供給路３１）を通って装置の外部に放出される。なお、本発明の装置において、放出される酸素ガスを何らかの用途に利用してもよい。

陰極１１２で生成された水素ガスは、第１の流路４１を通って管５０の上部に流れる。管５０内の液面は、実施形態１で説明したように、水素ガス流路４４の内圧に応じて上下する。管５０が水溶液ＡＳに浸漬される深さは、通常駆動時において水素ガスが開口部５０ａから放出されないように選択される。

通常駆動時において、第１の流路４１を通った水素ガスは、管５０を介して水素ガス流路４４および水素ガス流路２０１を流れる。一方、水素ガス流路２０１における水素ガスの流れが遮断されたときには、管５０内の液面が低下して開口部５０ａに到達する。その結果、第１の流路４１を通った水素ガスは、開口部５０ａから第１の槽１２１内に放出される。放出された水素ガスは、ガス放出口１２０ｈおよびガス放出路（水供給路３１）を通って装置の外部に放出される。その結果、水素ガス流路２０１が遮断されたときでも、水素ガス流路２０１内の圧力が過剰に高くなったり、水溶液ＡＳが電解槽１２０から漏れたりすることを防止できる。

（実施形態６）
実施形態５では、陰極に供給される水性液体を保持する第２の槽にガス放出口が設けられていない例について図示した。しかし、本発明の装置では、第１の槽および第２の槽のそれぞれにガス放出口が形成されていてもよい。そのような装置の一例として、実施形態６の装置１００ｂを図７に示す。なお、図６で説明した事項と同様の事項については重複する説明を省略する場合がある。図７では、水素ガス流路２０１の下流側の図示を省略する。図７では、管５０内の水溶液ＡＳに、電解槽１２０内の水溶液ＡＳのハッチングとは異なるハッチングを付している。

図７に示す水素ガス生成装置１００ｂでは、ガス放出口１２０ｈが第２の槽１２２に形成されている。ガス放出口１２０ｈは、ガス放出路３２に接続されている。第１の槽１２１には、酸素ガス放出口１２１ｈが形成されている。酸素ガス放出口１２１ｈは、ガス放出路として機能する水供給路３１に接続されている。なお、ガス放出路３２を水供給路として利用してもよい。

装置１００ｂでは、第１の流路４１の上流側に管５０が配置されている。第１の流路４１と管５０とは一体であってもよい。すなわち、１つの管の下方の部分を管５０とみなし、上方の部分を第１の流路４１とみなしてもよい。管５０は、陰極１１２で生成された水素ガスが開口部５０ａを通って流れるように配置されている。なお、図７に示すように、水素ガスが開口部５０ａを流れるように開口部５０ａ近傍を広げてもよい。あるいは、陰極１１２の上部を覆うように管５０を配置してもよい。

装置１００ｂにおいて水を電気分解すると、陰極１１２において水素ガスが生成され、陽極１１１において酸素ガスが生成される。陽極１１１で生成された酸素ガスは、酸素ガス放出口１２１ｈを通って装置１００ｂの外部に放出される。陰極で生成された水素ガスは、開口部５０ａ、管５０、第１の流路４１、および水素ガス流路２０１を流れる。

一方、水素ガス流路２０１における水素ガスの流れが遮断されたときには、管５０内に水素ガスが溜まって管５０内の水位が下がる。そして、水位が開口部５０ａに到達すると、生成された水素ガスは、管５０の外部およびガス放出口１２０ｈを通って装置１００ｂの外部に放出される。

装置１００ａまたは装置１００ｂの電気分解ユニット１１０を膜電極接合体に置き換えることによって、装置（Ｄａ）としてもよい。この場合、第１の槽１２１と第２の槽１２２とは、膜電極接合体によって仕切られる。さらに、この場合、電解槽１２０には、脱イオン水など、金属イオン濃度が低い水が配置される。第１の槽１２１には膜電極接合体の陽極が配置され、第２の槽１２２には膜電極接合体の陰極が配置される。

本発明の水素ガス生成装置では、ガス放出口（ガス放出口３０ｈ、１２０ｈ、１２１ｈ）の周囲を囲むように、水タンクの内側に向かって突出する凸部（縦壁）が形成されていてもよい。そのような凸部３０ｃの一例を図８に示す。凸部３０ｃを形成することによって、水素ガス生成装置が揺れた時でも、水がガス放出口から漏れることを抑制できる。

本発明の水素ガス生成装置は、複数の電気分解ユニットを含んでもよい。それら複数の電気分解ユニットは直列に接続されていてもよい。その場合、複数の電気分解ユニットのそれぞれに１つずつツェナーダイオードが並列接続されていてもよい。その場合の接続の一例を、図９に模式的に示す。

図９には、一例として、３つの膜電極接合体２３が直列接続されている一例を模式的に示す。膜電極接合体２３は、陽極２３ａ、陰極２３ｂ、および高分子電解質層２３ｃを含む。複数の膜電極接合体２３は、図９に示すように直列接続されている。各膜電極接合体２３には、ツェナーダイオード２４が並列に接続されている。ツェナーダイオード２４の降伏電圧は、膜電極接合体２３に応じて選択される。具体的には、膜電極接合体２３に正常に電流が流れているときにはツェナーダイオード２４に電流が流れず、膜電極接合体２３に電流が流れなくなったときにツェナーダイオード２４に電流が流れるツェナーダイオードがツェナーダイオード２４として選択される。

複数の電気分解ユニット（たとえば膜電極接合体２３）のうちの１つが、劣化等によって電流が流れなくなる場合がある。その場合、ツェナーダイオードがないと、他の電気分解ユニットにも電流が流れなくなり、水素ガスの生成が行われなくなる。一方、ツェナーダイオードが並列に接続されていると、１つの電気分解ユニットに電流が流れなくなっても、それに並列接続されているツェナーダイオードを介して電流が流れ、他の電気分解ユニットで水素ガス生成が行われる。そのため、複数の電気分解ユニットのうちの１つに不具合が生じても、水素ガス生成を継続することが可能である。

上記実施形態の水素ガス生成装置において、第１の流路の下流には、ガス吸入器具が接続されてもよい。そのようなガス吸入器具を含む水素ガス吸入装置３００の一例を、図１０に示す。水素ガス吸入装置３００は、水素ガス生成装置１００と、ガス吸入器具３１０を含む。図１０には、図３で説明した水素ガス生成装置１００とほぼ同じ構成を有する装置１００を示すが、本発明の他の水素ガス生成装置を用いてもよい。

ガス吸入器具３１０は、水素ガス流路２０１に接続される。図１０では、ガス吸入器具の一例として、鼻カニューラを示す。

吸入のみを行う場合、図１に示した高低差Ｌ１を考慮する必要がない。そのため、その場合には、水タンクの高さをＬ１よりも高くする必要がない。その結果、吸入のみを行う場合の水素ガス生成装置１００は、より小型化が可能である。

ケース１１のうち管５０の下部に面する部分は、透明な材料からなる透明部１１ａとなっている。さらに、管５０の少なくとも下部は透明な材料からなる。これらの構成によれば、透明部１１ａを通して、管５０の内部を上昇する水素ガスの気泡を目視できる。なお、水タンク３０のうち管５０の部分がケース１１の一部を構成してもよい。本発明の他の水素ガス生成装置においても同様に、管５０の内部の少なくとも一部が目視できるように装置が構成されていてもよい。

図１０に示す一例では、第１の流路４１を通って流れる水素ガスが開口部５０ａを通って管５０を流れるように管５０と第１の流路４１とが配置されている。具体的には、第１の流路４１は、管５０の内部まで侵入しておらず、管５０の開口部５０ａの下方に位置している。第１の流路４１から放出される水素ガスの気泡は、そのまま上昇して開口部５０ａを通り、管５０内を上昇する。この場合でも、第１の流路４１と管５０とは、水素ガスの流路として接続されているといえる。

ガス吸入器具３１０の水素ガス流路２０１が何らかの理由で閉じられた場合、第１の流路４１を流れた水素ガスが管５０内に溜まり、管５０内の水位が低下する。そして、管５０内が水素ガスで満たされて水位が開口部５０ａまで低下すると、水素ガスは管５０内を流れることなく水タンク３０内の水Ｗ中を上昇し、ガス放出口３０ｈを通って装置の外部に放出される。そのため、水素ガス流路２０１が意図に反して閉じられた場合でも、水素ガスが高分子電解質層を通過することを防止できる。すなわち、水素ガスが高分子電解質層を通過することによる高分子電解質層の劣化を抑制できる。

ガス吸入器具は、水素ガス濃度が高い空間を形成する器具であってもよい。そのような器具の一例を図１１に示す。図１１の器具は、吸入用の囲い３２１を含む。囲い３２１は、密閉されてはいない（すなわち大気に開放されている）が、空気の流れをある程度遮断する囲いである。たとえば、囲い３２１は、上方が開放されている囲いであってもよいし、換気口が形成されているボックスであってもよい。囲い３２１には、水素ガス流路が接続される。囲い３２１に接続される水素ガス流路は、水素ガス流路２０１であってもよいし、水素ガス流路２０２（水素水の調製に利用された後の水素ガスの流路）であってもよい。囲い３２１に水素ガスを流入させる経路は、図１１に示すように、囲い３２１の側面からであってもよいし、囲い３２１の底面からであってもよいし、他の部分からであってもよい。水素ガスは軽いため、囲い３２１の下方から囲い３２１に流入した水素ガスは、囲い３２１内を上昇する。水素ガスを吸入する主体が囲い３２１内に入ることによって、水素ガスを容易に吸入できる。たとえば、ペットなどの動物を囲い３２１内に配置することによって、当該動物に水素ガスを容易に吸入させることができる。なお、このような吸入用の囲いは、本発明の水素ガス生成装置以外の水素ガス生成装置につなげて使用することも可能である。

本発明は、水素ガス生成装置およびそれを含む水素ガス吸入装置に利用できる。

１１ ケース
１２ 直流電源
２０ 電気分解セル
２１ 陰極室
２２ 陽極室
２３ 膜電極接合体
３０ 水タンク（第１の槽）
３０ｈ、１２０ｈ ガス放出口
４１ 第１の流路
４２ 第２の流路
４３ 第３の流路
４４、２０１ 水素ガス流路
５０ 管（水素ガス放出機構）
５０ａ 開口部
１００、１００ａ 水素ガス生成装置
１１０ 電気分解ユニット
１１１ 陽極
１１２ 陰極
３００ 水素ガス吸入装置
３１０ 鼻カニューラ（ガス吸入器具）

Claims (16)

1. 水素ガス生成装置であって、
   陽極と陰極とを含む電気分解ユニットであって水を電気分解するための少なくとも１つの電気分解ユニットと、
   前記電気分解ユニットに供給される水性液体を保持する槽と、
   前記陰極で生成された水素ガスが流れる第１の流路であって前記水素ガスが流れる水素ガス流路が下流に接続される第１の流路と、
   水素ガス放出機構とを含み、
   前記槽は、前記槽内のガスを前記水素ガス生成装置の外部へ放出するためのガス放出口を有し、
   前記水素ガス放出機構は、前記水素ガス流路における前記水素ガスの流れが抑制されたときに、前記水素ガスを前記槽内に流すことによって前記ガス放出口から前記水素ガスを放出する、水素ガス生成装置。
2. 前記槽は、前記陽極に供給される前記水性液体を保持する第１の槽を含み、
   前記第１の槽は、前記第１の槽内のガスを前記水素ガス生成装置の外部へ放出するための前記ガス放出口を有し、
   前記水素ガス放出機構は、前記水素ガス流路における前記水素ガスの流れが抑制されたときに、前記第１の流路を通って流れる前記水素ガスを前記第１の槽内に流す、請求項１に記載の水素ガス生成装置。
3. 前記電気分解ユニットと、前記陽極が配置される陽極室と、前記陰極が配置される陰極室と、を含む電気分解セルを含み、
   前記電気分解ユニットは、前記陽極と前記陰極とを含む膜電極接合体であり、
   前記第１の流路は前記陰極室に接続されている、請求項１または２に記載の水素ガス生成装置。
4. 前記槽は、前記陽極に供給される前記水性液体を保持する第１の槽と、前記陰極に供給される前記水性液体を保持する第２の槽とを含み、
   前記電気分解ユニットは、前記陽極と前記陰極とを含む膜電極接合体であり、
   前記第１の槽と前記第２の槽とが前記膜電極接合体で仕切られている、請求項１に記載の水素ガス生成装置。
5. 前記槽は、前記陽極に供給される前記水性液体を保持する第１の槽と、前記陰極に供給される前記水性液体を保持する第２の槽とを含み、
   前記電気分解ユニットは、前記陽極と前記陰極との間に配置されたセパレータを含み、
   前記第１の槽と前記第２の槽とが前記セパレータで仕切られている、請求項１に記載の水素ガス生成装置。
6. 前記第１の槽は、前記第１の槽内のガスを前記水素ガス生成装置の外部へ放出するための前記ガス放出口を有し、
   前記水素ガス放出機構は、前記水素ガス流路における前記水素ガスの流れが抑制されたときに、前記水素ガスを前記第１の槽内に流すことによって前記ガス放出口から前記水素ガスを放出する、請求項４または５に記載の水素ガス生成装置。
7. 前記第２の槽は、前記第２の槽内のガスを前記水素ガス生成装置の外部へ放出するための前記ガス放出口を有し、
   前記第１の槽は、前記陽極で生成された酸素ガスを前記水素ガス生成装置の外部へ放出するための酸素ガス放出口を有し、
   前記水素ガス放出機構は、前記水素ガス流路における前記水素ガスの流れが抑制されたときに、前記水素ガスを前記第２の槽内に流すことによって前記ガス放出口から前記水素ガスを放出する、請求項４または５に記載の水素ガス生成装置。
8. 前記水素ガス放出機構は、下部に開口部を有する管を含み、
   前記管には、前記第１の流路と前記水素ガス流路とが接続され、
   前記管の内部と前記槽の内部とは、前記開口部を介して接続されており、
   前記水素ガス流路における前記水素ガスの流れが抑制されたときに、前記第１の流路を通って流れる前記水素ガスが前記開口部を通って前記槽内に流れる、請求項１〜７のいずれか１項に記載の水素ガス生成装置。
9. 前記管の前記下部が前記槽の内部に配置されており、
   前記第１の流路および前記水素ガス流路が共に前記管の上部に接続される、請求項８に記載の水素ガス生成装置。
10. 前記管の前記下部が前記槽の内部に配置されており、
    前記水素ガス流路が前記管の上部に接続され、前記水素ガス流路と前記管との接続部よりも下方の位置において前記第１の流路が前記管に接続されている、請求項８に記載の水素ガス生成装置。
11. 前記水素ガス放出機構は、前記槽内に配置され下部に開口部を有する管を含み、
    前記管には前記水素ガス流路が接続され、
    前記水素ガス流路における水素ガスの流れが抑制されていないときに、前記第１の流路を通って流れる水素ガスが前記開口部を通って前記管を流れるように、前記管と前記第１の流路とが配置されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の水素ガス生成装置。
12. 前記開口部は、前記槽内の液面の設定された下限よりも下に配置されている、請求項８〜１１のいずれか１項に記載の水素ガス生成装置。
13. 直列接続された複数の前記電気分解ユニットと複数のツェナーダイオードとを含み、
    複数の前記電気分解ユニットのそれぞれには、前記ツェナーダイオードが並列接続されている、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の水素ガス生成装置。
14. イオン交換樹脂を含まない、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の水素ガス生成装置。
15. 請求項１〜１４のいずれか１項に記載の水素ガス生成装置と、前記第１の流路の下流に接続されたガス吸入器具とを含む水素ガス吸入装置。
16. 前記ガス吸入器具は、密閉されていない囲いである、請求項１５に記載の水素ガス吸入装置。
    

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