JP2018183738A - 電解水生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】白金ナノコロイド等の水素吸蔵金属コロイドを多く含有する電解水を簡素な構成で気軽に生成できる電解水生成装置を提供する。【解決手段】水を電気分解する電解室４０と、電解室４０内に配置され直流電圧が印加される第１給電体４１及び第２極給電体４２と、第１給電体４１と第２給電体４２との間に配され、電解室４０を第１給電体４１側の第１極室４０ａと第２給電体側４２の第２極室４０ｂとに区分する隔膜４３と、第１極室４０ａ及び第２極室４０ｂに水を供給する給水路２１と、を備え、第１給電体４１の表面が、水素吸蔵金属によって形成され、第１陽極室４０ａで電気分解された電解水を給水路２１に導く帰還水路６２を有する電解水生成装置１。【選択図】図１

Description

本発明は、水素吸蔵金属を含む電解水を生成する電解水生成装置に関する。

従来、コロイド状の水素吸蔵金属コロイドを含む電解水について、種々の研究開発がなされている。例えば、特許文献１では、交流電圧が印加される電極対と、直流電圧が印加される電極対とを備えた水処理装置が提案されている。

特開２００９−５０７７４号公報

しかしながら、上記装置では、通常の直流電解用の電極対に加えて、交流電解用の電極対が必要であるため、装置のコストアップを招来する。また、交流電解用の電極対に、適切な交流電圧を印加するための回路が別途必要となるため、装置のコストアップは免れない。

また、同文献の図４に示される装置では、その構造上、交流電解と直流電解とを同時に行なうことができないため、所望の電解水が生成されるまで時間がかかる。このため、使い勝手が悪く、水素吸蔵金属コロイドを多く含有する電解水を気軽に生成できない。

本発明は、以上のような実状に鑑み案出されたもので、水素吸蔵金属コロイドを多く含有する電解水を簡素な構成で気軽に生成できる電解水生成装置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、水を電気分解する電解室と、前記電解室内に配され、直流電圧が印加される陽極給電体及び陰極給電体と、前記陽極給電体と前記陰極給電体との間に配され、前記電解室を前記陽極給電体側の陽極室と前記陰極給電体側の陰極室とに区分する隔膜と、前記陽極室及び前記陰極室に水を供給する給水路と、を備えた電解水生成装置であって、前記陽極給電体の表面は、水素吸蔵金属によって形成され、前記陽極室で電気分解された電解水を前記給水路に導く帰還水路を有することを特徴とする。

前記電解水生成装置において、前記陽極給電体及び前記陰極給電体には交流電圧が印加されないことが望ましい。

前記電解水生成装置において、前記給水路は、前記陽極室に水を供給する陽極側給水路と、前記陰極室に水を供給する陰極側給水路とを含み、前記帰還水路は、前記陽極室で電気分解された前記電解水を前記陰極側給水路に導くことが望ましい。

本発明の第２発明は、水中に配された陽極給電体と陰極給電体とを用いて水を電気分解することにより、電解水を生成する電解水生成方法であって、前記陽極給電体は、表面が水素吸蔵金属によって形成され、前記陽極給電体と前記陰極給電体との間に直流電圧を印加して、前記陽極給電体の周辺の水から電子を奪い酸化水を生成するステップと、前記酸化水を前記陰極給電体の周辺に移動させるステップと、前記陽極給電体と前記陰極給電体との間に直流電圧を印加して、前記陰極給電体の周辺に移動した前記酸化水に電子を供給して、前記酸化水を還元するステップとを含み、前記陽極給電体と前記陰極給電体との間に交流電圧を印加するステップを含まないことを特徴とする。

第１発明の電解水生成装置では、陽極給電体の表面は、水素吸蔵金属によって形成されているので、電気分解の際、陽極室では、水素吸蔵金属がイオン化する。このとき生ずる水素吸蔵金属のイオンは、陽極室で電気分解された電解水と共に帰還水路を通って給水路に戻される。これに伴い、水素吸蔵金属のイオンが給水路を介して陰極室に供給され、陰極給電体が上記水素吸蔵金属のイオンに電子を供給することにより、陰極室では、コロイド状の水素吸蔵金属が析出し、水素吸蔵金属コロイドを多く含有する電解水が生成される。

また、陽極室と陰極室とが隔膜によって分離されているので、陰極室で生成された水素吸蔵金属コロイドが陽極室に移動することがない。このため、装置から取り出される電解水素水に含まれる水素吸蔵金属コロイドの量が容易に増加する。さらに、直流電解のみによって水素吸蔵金属コロイドを多く含有する電解水が生成されるので、装置の構成が簡素であると共に、電解水の生成に要する時間が短縮される。

第２発明の電解水生成方法では、陽極給電体の周辺の水から電子を奪い酸化水を生成するステップで、陽極給電体の表面では、水素吸蔵金属がイオン化する。このとき生ずる水素吸蔵金属のイオンは、酸化水を陰極給電体の周辺に移動させるステップで、酸化水と共に陰極給電体の周辺に移動する。そして、陰極給電体の周辺に移動した酸化水を還元するステップにおいて、陰極給電体が上記水素吸蔵金属のイオンに電子を供給することにより、陰極給電体の周辺では、コロイド状の水素吸蔵金属が析出し、水素吸蔵金属コロイドを多く含有する電解水が生成される。また、直流電解のみによって水素吸蔵金属コロイドを多く含有する電解水が生成されるので、電解水の生成に要するステップが簡素化され、時間が短縮される。

本発明の電解水生成装置の一実施形態の流路構成を示す図である。 図１の電解水生成装置の電気的構成を示すブロック図である。 図２の電解水生成装置の処理手順の一実施形態を示すフローチャートである。 図１の電解水生成装置の変形例の流路構成を示す図である。 図１の電解水生成装置の別な変形例の流路構成を示す図である。

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の概略構成を示している。図２は、電解水生成装置１の電気的構成を示している。電解水生成装置１は、電気分解される水が供給される電解室４０と、極性の異なる第１給電体４１及び第２給電体４２と、電解室４０を区分する隔膜４３と、電解水生成装置１の各部の制御を司る制御手段５とを備えている。

電解室４０は、電解槽４の内部に形成されている。電解室４０には、電気分解前の原水が供給される。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。電解室４０の上流側には、電解室４０に供給される水を浄化する浄水カートリッジが設けられていてもよい。

第１給電体４１及び第２給電体４２は、電解室４０内で、互いに対向して配置されている。第１給電体４１及び第２給電体４２の表面は、水素吸蔵金属によって形成されている。水素吸蔵金属とは、例えば、白金、パラジウム、バナジウム、マグネシウム、ジルコニウムであり、これらを成分とする合金も含まれる。本実施形態では、第１給電体４１及び第２給電体４２の表面には、白金のめっき層が形成されている。

隔膜４３は、第１給電体４１と第２給電体４２との間に配されている。隔膜４３は、電解室４０を第１給電体４１側の第１極室４０ａと、第２給電体４２側の第２極室４０ｂとに区分する。隔膜４３は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）親水膜によって構成されている。電解室４０内に水が満たされた状態で第１給電体４１と第２給電体４２との間に直流電圧が印加されると、電解室４０内で水が電気分解され、電解水が得られる。

電解水生成装置１では、第１給電体４１と第２給電体４２との間に直流電圧のみが印加され、交流電圧は印加されない。従って、上記交流電圧を生成する電源装置及び交流電流を供給するための回路が不要となり、上記特許文献１に記載された水処理装置と比較して、装置のコストダウンを図ることが可能となる。

例えば、図１に示される状態では、第１給電体４１には正の電荷が帯電し、第１極室４０ａは、陽極室として機能している。一方、第２給電体４２には負の電荷が帯電し、第２極室４０ｂは、陰極室として機能している。これにより、第２極室４０ｂでは発生した水素ガスが溶け込んだ還元性の電解水素水が、第１極室４０ａでは発生した酸素ガスが溶け込んだ電解酸性水がそれぞれ生成される。

図２に示されるように、第１給電体４１及び第２給電体４２と制御手段５とは、電流供給ラインを介して接続されている。第１給電体４１と制御手段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と制御手段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に供給する直流電流（電解電流）を検出し、その値に相当する電気信号を制御手段５に出力する。

制御手段５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。制御手段５の各種の機能は、ＣＰＵ、メモリ及びプログラムによって実現される。

制御手段５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、第１給電体４１及び第２給電体４２に印加する直流電圧（電解電圧）を制御する。より具体的には、制御手段５は、ユーザー等によって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が所望の値となるように、第１給電体４１及び第２給電体４２に印加する電圧をフィードバック制御する。例えば、電解電流が過大である場合、制御手段５は、上記電圧を減少させ、電解電流が過小である場合、制御手段５は、上記電圧を増加させる。これにより、第１給電体４１及び第２給電体４２に供給する電解電流が適切に制御され、電解室４０で所望の溶存水素濃度の水素水が生成される。

第１給電体４１及び第２給電体４２の極性は、制御手段５によって制御される。すなわち、制御手段５は、第１給電体４１及び第２給電体４２の極性を切り替える極性切替手段として機能する。制御手段５が第１給電体４１及び第２給電体４２の極性を適宜切り替えることにより、第１給電体４１及び第２給電体４２が陽極室又は陰極室として機能する機会が均等化される。これにより、第１給電体４１及び第２給電体４２等へのスケールの付着が抑制される。以下、本明細書では、特に断りのない限り、第１給電体４１が陽極給電体として、第２給電体４２が陰極給電体として、それぞれ機能している場合が説明されるが、第１給電体４１及び第２給電体４２の極性を相互に入れ替えた場合も同様である（後述する図４、５においても同様）。

図１に示されるように、電解水生成装置１は、電解槽４の上流側に設けられた入水部２と、電解槽４の下流側に設けられた出水部６とをさらに備えている。

入水部２は、給水路２１と、流量センサー２２と、分岐部２３と、流量調整弁２５等を有している。給水路２１は、電気分解される水を電解室４０に供給する。流量センサー２２は、給水路２１に設けられている。流量センサー２２は、電解室４０に供給される水の単位時間あたりの流量（以下、単に「流量」と記すこともある）Ｆを定期的に検出し、その値に相当する信号を制御手段５に出力する。

分岐部２３は、給水路２１を給水路２１ａ、２１ｂの二方に分岐する。給水路２１ａは陽極室に水を供給する陽極側給水路であり、給水路２１ｂは陰極室に水を供給する陰極側給水路である。流量調整弁２５は、給水路２１ａ、２１ｂを第１極室４０ａ又は第２極室４０ｂに接続するために設けられている。第１極室４０ａ及び第２極室４０ｂに供給される水の流量は、制御手段５の管理下で、流量調整弁２５によって調整される。本実施形態では、流量センサー２２は、分岐部２３の上流側に設けられているので、第１極室４０ａに供給される水の流量と第２極室４０ｂに供給される水の流量との総和、すなわち、電解室４０に供給される水の流量Ｆを検出する。

出水部６は、出水路６１と、帰還水路６２と、流路切替弁６５とを有する。

図１において、出水路６１は、第１極室４０ａ及び第２極室４０ｂのうち陰極側の極室で生成された電解水（すなわち電解水素水）を取り出すための陰極水路として機能している。

一方、帰還水路６２は、第１極室４０ａ及び第２極室４０ｂのうち陽極側の極室（以下、陽極室と記す）で生成された電解水を取り出すための陽極水路として機能している。帰還水路６２は、一端が流路切替弁６５を介して陽極室と、他端が給水路２１と接続されている。帰還水路６２は、陽極室で電気分解された電解水を給水路２１に導く。

流路切替弁６５は、電解槽４の下流に設けられている。流路切替弁６５は、第１極室４０ａ及び第２極室４０ｂと出水路６１及び帰還水路６２との接続を切り替える流路切替手段として機能する。

本実施形態では、制御手段５が、第１給電体４１及び第２給電体４２の極性の切り替えと流路切替弁６５による流路の切り替えとを同期させることにより、ユーザーによって選択された電解水（例えば、図１では電解水素水）が出水路６１から吐出されうる。

第１給電体４１及び第２給電体４２の極性の切り替えにあたっては、制御手段５が、流量調整弁２５と流路切替弁６５とを、連動して動作させる形態が望ましい。これにより、陽極室で生成された電解水が陰極室に供給される。

流量調整弁２５と流路切替弁６５とは、例えば、特許第５８０９２０８号公報に記載されているように、一体に形成され、単一のモーターによって連動して駆動される形態が望ましい。すなわち、流量調整弁２５及び流路切替弁６５は、円筒形状の外筒体と内筒体等によって構成される。内筒体の内側及び外側には、流量調整弁２５及び流路切替弁６５を構成する流路が形成され、各流路は、流量調整弁２５及び流路切替弁６５の動作状態に応じて適宜交差するように構成されている。このような弁装置は、「ダブルオートチェンジクロスライン弁」と称され、電解水生成装置１の構成及び制御の簡素化に寄与し、電解水生成装置１の商品価値をより一層高める。

なお、図１に示される電解水生成装置１において、流量調整弁２５及び流路切替弁６５は、廃されていてもよい。流量調整弁２５が廃される場合、給水路２１ａは、第１極室４０ａと直接的に接続され、給水路２１ｂは、第２極室４０ｂと直接的に接続される。流路切替弁６５が廃される場合、出水路６１は、第２極室４０ｂと直接的に接続され、帰還水路６２は、第１極室４０ａと直接的に接続される。

本実施形態では、陽極給電体である第１給電体４１の表面は、水素吸蔵金属によって形成されているので、電気分解の際、第１極室４０ａでは、水素吸蔵金属がイオン化する。このとき生ずる水素吸蔵金属のイオン（本実施形態では、白金イオン）は、第１極室４０ａで電気分解された電解水と共に帰還水路６２を通って給水路２１に戻される。その結果、水素吸蔵金属のイオンが給水路２１ｂを介して第２極室４０ｂに供給され、陰極給電体である第２給電体４２が上記水素吸蔵金属のイオンを引き寄せて電子を供給する。これに伴い、第１極室４０ａでは、コロイド状の水素吸蔵金属が析出し、直径がナノメートルレベルの微小な水素吸蔵金属コロイド（本実施形態では、白金ナノコロイド）を多く含有する電解水が生成される。

また、第１極室４０ａと第２極室４０ｂとが隔膜４３によって分離されているので、第２極室４０ｂで生成された水素吸蔵金属コロイドが第１極室４０ａに移動することがない。このため、出水路６１から取り出される電解水素水に含まれる水素吸蔵金属コロイドの量が容易に増加する。さらに、直流電解のみによって水素吸蔵金属コロイドを多く含有する電解水が生成されるので、装置の構成が簡素であると共に、電解水の生成に要する時間が短縮される。

図１に示されるように、電解水生成装置１は、帰還水路６２にポンプ６６及びフィルター６７が設けられていてもよい。ポンプ６６は、第１極室４０ａから取り出された電解水を給水路２１に圧送する。フィルター６７は、第１極室４０ａから取り出された電解水に含まれる次亜塩素酸を除去する。フィルター６７は、原水として次亜塩素酸カルシウムを含む水道水が用いられる場合に有効である。フィルター６７は、出水路６１に設けられていてもよい。また、帰還水路６２には、給水路２１内の水が流路切替弁６５に逆流することを防止する逆止弁が設けられていてもよい。

帰還水路６２は、分岐部２３の下流側で給水路２１ｂと接続される形態であってもよい。本実施形態では、帰還水路６２が分岐部２３の上流側の給水路２１と接続されているので、第１極室４０ａで電気分解された電解水の一部が、第１極室４０ａ、帰還水路６２及び給水路２１（２１ａ）を循環する。これにより、帰還水路６２を流れる電解水中の水素吸蔵金属のイオン濃度が高められ、第２極室４０ｂに供給される。

図３は、電解水生成装置１を用いて水素吸蔵金属コロイドを多く含有する電解水を生成する電解水生成方法の処理手順の一実施形態を示すフローチャートである。

第１極室４０ａ及び第２極室４０ｂに水が満たされた状態で第１給電体４１及び第２給電体４２との間に直流電圧が印加されると、陽極側の第１給電体４１は周辺の水から電子を奪い、酸化水が生成される（Ｓ１）。このとき、第１給電体４１の表面では、水素吸蔵金属が電子を失いイオン化する。すなわち、Ｓ１で生成された酸化水は、水素吸蔵金属のイオンを含んでいる。

次いで、第１極室４０ａで生成された酸化水は、帰還水路６２を介して第２極室４０ｂに移動され、陰極側の第２給電体４２の周辺に移動される（Ｓ２）。これに伴い、水素吸蔵金属のイオンも第２給電体４２の周辺に移動される。

そして、第１給電体４１及び第２給電体４２との間に直流電圧が印加されると、第２給電体４２は、周辺の酸化水に電子を供給して、酸化水を還元する（Ｓ３）。このとき、水素吸蔵金属のイオンは、第２給電体４２から電子を受け取り、微小な水素吸蔵金属コロイドとなって、還元水中に析出し、水素吸蔵金属コロイドを多く含有する電解水が生成される。また、直流電解のみによって水素吸蔵金属コロイドを多く含有する電解水が生成されるので、電解水の生成に要するステップが簡素化され、時間が短縮される。

なお、本電解水生成方法における上記Ｓ１乃至Ｓ３の処理は、通常同時に継続して実行されるが、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３の順序で別々に実行されてもよい。

図４は、上記電解水生成装置１とは別の電解水生成装置１Ａを示している。電解水生成装置１Ａでは、電解水生成装置１に対して、隔膜４３、帰還水路６２等の構成が廃されている。電解室４０は隔膜４３によって区分されていないため、電解室４０内の水及びイオンは、第１給電体４１の周辺及び第２給電体４２の周辺を自由に行き来可能である。

電解水生成装置１Ａのうち、以下で説明されてない部分については、上述した電解水生成装置１の構成が採用されうる。図３に示される電解水生成方法は、電解水生成装置１の他、電解水生成装置１Ａによっても実施可能である。

すなわち、電解水生成装置１Ａを用いた電解水生成方法において、上記Ｓ１で第１給電体４１及び第２給電体４２との間に直流電圧が印加されると、陽極側の第１給電体４１は周辺の水から電子を奪い、酸化水が生成される（Ｓ１）。

このとき、生成された水素吸蔵金属のイオン（陽イオン）は、陽極である第１給電体４１と反発し、第１給電体４１から離れると共に、陰極である第２給電体４２に引きつけられる。これに伴い、電解室４０内で、酸化水は水素吸蔵金属のイオンと共に第２給電体４２の周辺に移動される（Ｓ２）。

そして、第１給電体４１及び第２給電体４２との間に直流電圧が印加されると、第２給電体４２は、周辺の酸化水に電子を供給して、酸化水を還元する（Ｓ３）。これにより、上記と同様に、水素吸蔵金属コロイドを多く含有する電解水が生成される。

図５は、上記電解水生成装置１とはさらに別の電解水生成装置１Ｂを示している。電解水生成装置１Ｂでは、図１の帰還水路６２に替えて帰還水路６２Ｂを備える点で、電解水生成装置１とは異なる。

電解水生成装置１Ｂのうち、以下で説明されてない部分については、上述した電解水生成装置１の構成が採用されうる。なお、図３に示される電解水生成方法は、電解水生成装置１の他、電解水生成装置１Ｂによっても実施可能である。

帰還水路６２Ｂは、一端が流路切替弁６５を介して陽極室と、他端が分岐部２３の下流側の給水路２１ｂとそれぞれ接続されている。給水路２１ｂは、流量調整弁２５を介して陰極室と接続される陰極側給水路である。すなわち、帰還水路６２は、陽極室で電気分解された電解水を給水路２１ｂに導き、給水路２１ｂを介して陰極室に供給する。

電解水生成装置１Ｂでは、陽極室で生成された水素吸蔵金属のイオンは、陽極室に戻されることなく陰極室に供給されるため、迅速に水素吸蔵金属コロイドを多く含有する電解水が生成される。

以上、本発明の電解水生成装置１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、水を電気分解する電解室４０と、電解室４０内に配置され直流電圧が印加される第１給電体４１及び第２給電体４２と、第１給電体４１と第２給電体４２との間に配され、電解室４０を第１給電体４１側の第１極室４０ａと第２給電体４２側の第２極室４０ｂとに区分する隔膜４３と、第１極室４０ａ及び第２極室４０ｂに水を供給する給水路２１と、を備え、第１給電体４１の表面は、水素吸蔵金属によって形成され、第１極室４０ａで電気分解された電解水を給水路２１に導く帰還水路６２を有するように構成されていればよい。

本電解水生成装置１では、第１給電体４１及び第２給電体４２の極性が切り替え可能に構成されているため、第１給電体４１及び第２給電体４２の表面は、水素吸蔵金属によって形成されている。しかしながら、上記極性の切替を実施しない構成では、陽極給電体の表面のみが水素吸蔵金属によって形成されていてもよい。

１ ：電解水生成装置
１Ａ ：電解水生成装置
２１ ：給水路
２１ｂ ：陰極側給水路
４０ ：電解室
４１ ：第１給電体
４２ ：第２給電体
４３ ：隔膜
６２ ：帰還水路

Claims (4)

1. 水を電気分解する電解室と、
   前記電解室内に配され、直流電圧が印加される陽極給電体及び陰極給電体と、
   前記陽極給電体と前記陰極給電体との間に配され、前記電解室を前記陽極給電体側の陽極室と前記陰極給電体側の陰極室とに区分する隔膜と、
   前記陽極室及び前記陰極室に水を供給する給水路と、を備えた電解水生成装置であって、
   前記陽極給電体の表面は、水素吸蔵金属によって形成され、
   前記陽極室で電気分解された電解水を前記給水路に導く帰還水路を有する、
   電解水生成装置。
2. 前記陽極給電体と前記陰極給電体との間には交流電圧が印加されない請求項１記載の電解水生成装置。
3. 前記給水路は、前記陽極室に水を供給する陽極側給水路と、前記陰極室に水を供給する陰極側給水路とを含み、
   前記帰還水路は、前記陽極室で電気分解された前記電解水を前記陰極側給水路に導く請求項１又は２に記載の電解水生成装置。
4. 水中に配された陽極給電体と陰極給電体とを用いて水を電気分解することにより、電解水を生成する電解水生成方法であって、
   前記陽極給電体は、表面が水素吸蔵金属によって形成され、
   前記陽極給電体と前記陰極給電体との間に直流電圧を印加して、前記陽極給電体の周辺の水から電子を奪い酸化水を生成するステップと、
   前記酸化水を前記陰極給電体の周辺に移動させるステップと、
   前記陽極給電体と前記陰極給電体との間に直流電圧を印加して、前記陰極給電体の周辺に移動した前記酸化水に電子を供給して、前記酸化水を還元するステップとを含み、
   前記陽極給電体と前記陰極給電体との間に交流電圧を印加するステップを含まない、
   電解水生成方法。

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