JP2019069413A - 水素水生成装置 - Google Patents
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Abstract
Description
また、特許文献2の水素水製造装置は、水電気分解装置とナノバブル発生装置とを備え、また耐圧容器等を用いること等から装置が複雑化し、また経済性にも欠けるという問題がある。
ここで、例えば、低い直流電圧(グラウンド)を電極板6に印加した場合、この(全ての)電極板6に向けて、交流電圧の高い時点の電位(V+)が印加された特定の電極板6から電流(直流)を流すようにする。
また、例えば直流電圧の極性を切り替え、高い直流電圧(V+)を電極板6に印加した場合、この(全ての)電極板から、交流電圧の低い電位(グラウンド)が印加された時点の特定の電極板に向けて電流(直流)を流すようにする。
ここで、水素水生成装置の運転状況を管理する制御部10を設け、この制御部10に上記循環流路62の循環時間として、ポンプ14を稼働させて循環流路を流通させる時間を登録することで、この循環時間により水素濃度の調節を行うことができる。
図1,2は、実施の形態に係る水素水生成装置2を示すものである。
この水素水生成装置2は、電解槽4、この電解槽4内に配置され水を電気分解する電極板6、制御盤8、濾過器12、ポンプ14、及び貯留タンク16等を有する。
また、図3に示すように制御盤8には、操作パネル9が設けられ、装置の制御及び運転管理等を行う制御部10、及び上記電極板6に電気を供給する電源回路部11等が内蔵されている。
ここでは、単に水といった場合には、電気分解前の水、及び電気分解後の水の何れかをさし、また電気分解後の、水素等を含みまた溶存させた水溶液を、水素水又は電解水という。
また、筐体18には、電解槽4内の不要な水を排水する排水コック26、及びポンプ14内の不要な水を抜く水抜コック28が設けられている。通常、装置の運転を行わないときには、上記両コックは開けておき、運転時には閉めておく。
この電極板6の金属材料としては、ステンレス、チタン、アルミニウム、或いは銅等を用いることができる。特に、ステンレス、チタン等は耐食性、耐久性に優れて良好である。
ここでは、電極板6はステンレス鋼を使用し、目が菱形(パンチングメタル)の網状のラス材を用いている。また、電極板6には、網体に白金、或いは金メッキを施したものを使用している。
また、電極板6の網体に白金メッキ或いは金メッキを施すことで、何れも導電率が高いため電気分解の反応が良く、また他の物質と化合し難く良好である。
各電極板6は、その上部が上記蓋部材38の下面部から上向きに取り付けられ、この蓋部材38の上面部には各電極板6の端子7が設けられている。
また一つの電解槽4内に、全て(ここでは8枚)の電極板6を収容する形態であるため、電解槽4等、装置の小型化が図れ、また機能的にも優れる。
また、各電極板6を電解槽4の内部に収納すると、8枚の電極板6は互いに向い合せの状態で配置され、これら電極板6の並びの一方側の近傍に注入口30が設けられ、また他方側に排出口32が設けられた状態となる。この注入口30は、電解槽4の底面部34の上部近傍に形成されており、一方、各電極板6の下部と電解槽4の底面部34との間には少し隙間が設けられ、この隙間を注入口30から注入された水が移動可能である。
また、上記電極板6の配置により、注入口30が設けられた電解槽4の前側の壁部と電極板6(最前部)との間、及び排出口32が設けられた後側の壁部と電極板6(最後部)との間、にそれぞれ隙間が形成される。
このため、電解槽4の中央部に配置された電極板6と電解槽4の周囲の壁面との間には、水の流通が可能な隙間(空間部)が形成され、水の自由な流通が可能となって水の移動が良好に行われ、滞留等の防止にもなる。
そして、電解槽4内の8枚の電極板6(第1〜第8)の各端子7には、電源回路部11からの配線が接続され、電源回路部11から、各電極板(第1〜第8)に交流及び直流の電気が印加される。
上記第1及び第2の2つの出力回路を設けたのは、十分な電力を確保し、電気分解に必要な電力を全電極板6(第1〜第8)に出力し供給するためである。このため、第1出力回路44は第1〜第4の電極板6に電気を供給し、第2出力回路は第5〜第8の電極板6に電気を供給する。
そして上記第1出力回路44からは、パルス状の電気信号AC1及びAC2が出力され、上記第2出力回路46からは、パルス状の電気信号AC3及びAC4が出力される。また、直流電源として、電気信号OUTには、GND(グラウンド)又は正電位(V+)の電圧が加えられている。この正電位(V+)は、AC1〜AC4(V+)と同電位である。
第1の電極板6にはAC1が、また第3の電極板6にはAC2がそれぞれ接続(印加)され、また第5の電極板6にはAC3が、第7の電極板6にはAC4がそれぞれ接続される。一方、第2、第4、第6及び第8の電極板6には、OUT信号が接続(印加)される。
このOUT信号は、GND(グラウンド)レベルの電位の時と、V+(正電位)と同電位の時とがあり、一定周期ごとにOUT信号はGNDとV+に切替えられる。この周期は、数分、例えば1分〜3分程度がよく、ここでは2分としている。この周期の切り替えにより、電極板6の極性が変化して電気の流れが切り替わり、電極板6に付着する無機物資(カルシウム、マグネシウム)等を除去することができる。
電源回路部11からの信号は、ここでは25kHz程度を基準の周波数とし、これにランダムに周波数が変化する周波数変調が加えられている。この周波数変調は、制御部10においてソフトウエア(プログラム)により行なわれる。
ここで、上記AC1とAC2との信号の基本特性(波形)は図5のタイムチャートのようになる。これらAC1とAC2とは、ON(V+)、OFF(GND)が反転する。また、AC1−AC2間においては、交流(高周波)波形となるよう制御されている。
ここで、OUT信号がGNDと同電位の信号を出力しており、AC1がON(V+)、AC2がOFF(GND)の時は同図(a)のように電流が流れる。また、OUT信号がGNDと同電位であり、AC1がOFF(GND)、AC2がON(V+)の時は同図(b)のように電流が流れる。
このように、第1の電極板6と第3の電極板6とは陽極として、第2の電極板6及び第4の電極板6は陰極としてそれぞれ機能する。
ここで、OUT信号がV+と同電位の信号を出力しており、AC1がON(V+)、AC2がOFF(GND)の時は、同図(c)のように電流が流れる。また、OUT信号がV+と同電位であり、AC1がOFF(GND)、AC2がON(V+)の時は、同図(d)のように電流が流れる。
このように、第1の電極板6と第3の電極板6は陰極として、第2の電極板6及び第4の電極板6は陽極としてそれぞれ機能する。
また上記のように、第1の電極板6には交流、第2の電極板6には直流、第3の電極板6には交流、また第4の電極板6には直流と、交互に交流と直流を入れ変えた接続の配線としたのは、バランス良く、且つ効率的に直流を流して、各電極板6で良好に電気分解を行なわせるためである。
ここで、第4の電極板6にはOUT信号が印加され、第5の電極板6は第2出力回路46からAC3が印加されている。また、第1出力回路44のOUT信号と、第2出力回路46とOUT信号とは、一体化(接続)されている。
また、第5の電極板6からみれば、第4の電極板6は第6の電極板6と等価(接続)であるため、OUT信号がGNDの時には第5の電極板6から第4の電極板6へと直流が流れ、OUT信号がV+の時には第4の電極板6から第5の電極板6へと直流が流れる。
このため、第1〜第8の電極板6について、隣接するすべての電極板6間には電流が流れ、電気分解が行われることになる。
また、電気信号OUTの切り替えにより、直流の極性を反転させることで、電極板6に付着する無機物質等を除去することができ、電極板の機能が持続し耐久性にも優れる。
なお、他に、第2の電極板6と第4の電極板6との間に交流電圧を印加することとしてもよく、この場合、上記交流電圧を印加した電極板6(第2又は第4)と、これ以外の電極板6(第1又は第3)に、電流を流して電気分解を行う。
そして、特定の電極板6とこれ以外の電極板6間(例えば第1と第2の電極板6間、第1と第4の電極板6間、第3と第2の電極板6間、第3と第4の電極板間)には直流電流を流し、電気分解を行わせる。この場合、各組の電極板に対する交流電圧、及び直流電圧等の印加形態は、何れの組も同一形態としてもよい。
要は、各電極板6に交流電圧の印加と直流電圧の印加をバランス良く行い、全ての電極板6において効率的に電気分解が行われるような接続形態を採用する。そして、少なくとも隣り合う電極板6間では電気分解が行えるよう配線を行なうことで、電気分解の効率化が図れる。
また、電気分解の効率及び電源回路部11の電力供給能力を考慮した場合、電極板6の数は、この実施の形態に準じた枚数として4枚、8枚、12枚或いは16枚等と4の倍数としてもよい。
上記容器48の上部近傍には、電解水の流入孔54が設けられており、また容器48の上部には蓋体が配置され空間部52は閉塞されている。
このため、濾過器12の流入孔54から流入した水溶液は、空間部52を下方に移動するが、このときカーボンフルターにより濾過が行われ、主に次亜塩素酸、塩素等の塩素系物質が除去される。さらに水溶液は、空間部52から孔部51を通過して筒体50の内部へと移動し、さらに筒体50内を上昇して流出孔56から排出される。
この第1の切替弁56の先は濾過器12の流入孔54に接続され、その流出孔56の先は流路を介して筐体18の吐出口22に接続されている。また、第2の切替弁58の先は流路を介し、そのまま筐体18の吐出口22に接続されている。
このため、第1及び第2の切替弁の操作により、電解槽4からの水溶液の流路について、濾過器12を通過させる流路と、これを迂回するバイパス流路とを選択することができる。
なお、第1及び第2の切替弁として、他に三方弁からなる切替弁を用いることも可能であり、これにより濾過器12を通過する流路と、これを迂回する流路との切り替えを二者択一的に行う。
貯留タンク16は、ここでは合成樹脂製であるが、他にステンレス等の金属が用いられ、全体は直方体状或いは球状の容器である。貯留タンク16は、上部に蓋部材が取り付けられ内部を密閉することが可能である。
この貯留タンク16は、電解槽4へ送る水の水源であり、また電解槽4からの水溶液(水素水等)を一度溜めておき、再び電解槽4へ送るために用いる。また、植物などへ水素水等を供給する水源となる。
このポンプ14は、貯留タンク16等、外部から水を吸引し、これを電解槽4へ供給し、また電解槽4内に水が十分に充填されると、これを電解槽4からの水溶液を濾過器12或いは筐体18の吐出口22へ送出し、この吐出口22から貯留タンク16へと流通させる。
ポンプ14による水の流量は、例えば9L(リットル)/分〜12L/分とする。この場合、電解槽4の注入口30から9L/分〜12L/分の水が注入され、この量の水が電気分解され、また同量の水が電解槽4の排出口32から排出される。
このように、制御部10には管理情報を登録設定することができ、水の循環流路62の循環時間として、循環流路62の流通を駆動させるポンプ14の稼働時間(電気分解の時間も同期)を登録し、或いは再循環回数(貯留タンク内の水量及び循環水量から試算)を登録し、装置を運転させることにより、所望する濃度の水素水を得ることが容易に行える。
また、装置の運転時には、筐体18に設けた排水コック26、及び水抜コック28は閉めておく。
また、貯留タンク16には、予め電気分解するための所定量の水を補充し充填しておく。
この場合、電解槽4からの水溶液(水素水等)を吐出口22から流通管を介して一度貯留タンク16に溜めても良く、またこの水溶液を吐出口22から直接農作物等に供給するようにしてもよい。
電解槽4の注入口30から注入された水は、電解槽4の下部から8枚の各電極板6の下部から上方に移動し、やがて各電極板6による電気分解により水素等が含有された水溶液(電解水)が生成される。
また、上記水溶液には、電気分解により生成され、水溶液中に酸素(ガス)を含有した酸素水も含まれ、塩素系物質等も含まれている。
電解槽4の電気分解は、上記水の移動の際に8枚の電極板6によって行われる。また、水は、網体の電極板6を通過する際にも電気分解が行われる。
これら隙間は、電解槽4内の水の流通移動の流路を形成することから、電解槽4内部における水の滞留を防止し、併せて電解槽4内の水が満遍なく均一に電気分解される。
そして、電解槽4の下部近傍に設けた注入口30から注入された水は、反対側の排出口32方向へ流通し、この水の移動とともに各電極板6により電気分解が行われ、電解槽4の上部近傍に設けた排出口32から排出される。
濾過器12では、濾過により塩素系物質等が除去され、濾過器12の流出孔56から流出した水溶液は、筐体18の吐出口22に送られ、この吐出口22に接続されたホース等により貯留タンク16へと送出され、ここに貯留される。
装置が稼働している間は、ポンプ14の駆動により、上記循環流路62は水溶液が絶え間なく流通し、電解槽4での電気分解及び濾過器12での濾過が繰り返し行われる。このように、上記循環流路62を繰り返し循環させ、電気分解を繰り返し行うことで、水中に含有する水素の濃度が高まり、高濃度の水素水が得られる。
図9は、試験1として、電気分解に使用した水の導電率による水素量の推移を示したグラフである。
ここで、
試験1−1のグラフは、電極ピッチ7mm、電源電圧24V、吐出流量10L/分、
試験1−2のグラフは、電極ピッチ7mm、電源電圧18V、吐出流量10L/分、
試験1−3のグラフは、電極ピッチ7mm、電源電圧24V、吐出流量18L/分、
の条件で試験を行なったものである。
また、電源電圧の高さによる水素量の増加は、導電率の高さによっては逆転し、電源電圧を低く(18V)しても十分な水素量が得られる。
このため、電気分解用の水については、水道水、自然水等、その水質に応じて、循環流路62の循環の回数を制御することが好ましい。また、水中に予め塩、液肥等を加えて導電率を高めておくことも有効である。
ここで、
試験2−1のグラフは、電極ピッチ5mm、稼働時間24時間、導電率30mS/m、電源電圧24V、吐出流量10L/分、
試験2−2のグラフは、電極ピッチ7mm、稼働時間8時間、導電率10mS/m、電源電圧24V、吐出流量10L/分、
試験2−3のグラフは、電極ピッチ7mm、稼働時間8時間、導電率200mS/m、電源電圧18V、吐出流量10L/分、
試験2−4のグラフは、電極ピッチ7mm、稼働時間8時間、導電率200mS/m、電源電圧18V、吐出流量10L/分、
の条件で試験を行なったものである。
その他の条件については、上述したものと同じである。
また、試験2−4(タンク保存)では、特に経過時間が十数時間(h)までは、水素量の経時低下が僅かであり、また他の試験2−1〜3と比べて水素量の経時低下の変化が小さい。一方、試験2−1〜3(バケツ保存)は、経過時間が二十数時間(h)までは、水素量の経時低下が急であり、それ以降は経時低下が緩やかである。
上記より、装置の稼働時間を長くすることで高い濃度の水素水が得られ、また水素水の保存は蓋付の容器で保存する方が、水素量が高く保持され長持ちすることが確認できた。
ここで、
試験3−1のグラフは、電極ピッチ7mm、導電率30mS/m、電源電圧24V、吐出流量18L/分、
試験3−2のグラフは、電極ピッチ7mm、導電率30mS/m、電源電圧24V、吐出流量10L/分、
試験3−3のグラフは、電極ピッチ7mm、導電率100mS/m、電源電圧18V、吐出流量10L/分、
試験3−4のグラフは、電極ピッチ7mm、導電率100mS/m、電源電圧18V、吐出流量18L/分、
試験3−5のグラフは、電極ピッチ7mm、導電率30mS/m、電源電圧24V、吐出流量10L/分、濾過器使用、
の条件で試験を行なったものである。
また、濾過器を使用した場合(試験3−5)は、同条件で濾過器を使用しない場合(試験3−2)と比べて、水素量の増加割合が低い。
また、試験3−3に対する試験3−4のように吐出流量を1.8倍にした場合であっても、水素量は十数%低下する程度であり、吐出量を多少増減したところで得られる水素量に大きな変化はないことが示された。
・幅広い導電率をカバーするためには、電源電圧18Vとするのが好ましい。
・導電率が30mS/mを下回る場合には、塩、肥料等の添加物を加えて導電率を高めることで、水素量の増大が望める。
・水素量の経時変化から、バケツでの保存では3日程度で100ppbを下回ることから、タンク等で大量に密閉保存することで、水素量の低下が防げて長く保存できる。
・吐出流量は、18L/分より、10L/分の方が優位である。
・濾過器を使用した場合には、水素量が少し低下する。
また、水素水生成装置2により生成された粒子(気泡)は、濃度(Concentration)として1mL中の粒子数が2.19×109個(約21億9千万個)/mLであった。ここで、参考までに水道水の1mL中の粒子数は7.05×107個(約7千万個)/mLであった。これを差し引くと、水素水生成装置2により粒子(気泡)が約21億個生成されたことになる。
上記粒子(気泡)内の物質については、具体的な測定を行っていないが、上記試験1〜3等の水素量から、水素ガスが含有されているものと推測される。これから、水素水生成装置2により、ナノサイズの気泡(ナノバブル水素水)が大量に生成されていると考えられる。
植物への水素水(特にナノバブル水素水)の供給により、病害虫の耐性及び薬害等も無く、農薬の使用回数を減らすことができる。また、害虫の卵は酸化で孵化するが、ナノバブル水素水は還元反応が高いため卵の酸化を防ぎ、孵化を阻害する働きがある。
試験によれば、水素水の潅水等により、植物の生育例えば葉などが大きく成長し、植物の生長促進に寄与する。
この場合、例えば、水道或いは水源から直接筐体18の吸入口20に水を供給し、更に電解槽4及び濾過器12を通過させて筐体18の吐出口22から吐出される水溶液を、そのまま流路を介して農作物等に供給する。
このとき、貯留タンク16は特に必要としないが、例えば、貯留タンク16をバッファー(緩衝手段)としても用いることも可能である。この場合、電解槽4で生成される水溶液を一度貯留タンク16に蓄えておき、これを植物に供給する。これにより、電解槽4で生成される水素水の量に左右されることなく、常に農作物に必要な量の水素水が供給できる。
4 電解槽
6 電極板
10 制御部
11 電源回路部
12 濾過器
14 ポンプ
16 貯留タンク
30 注入口
32 排出口
62 循環流路
Claims (8)
- 網状の電極板と、
上記電極板を、所定間隔をおいて3枚以上互いに向い合せに配置し、これら電極板の並びの一方側に水の注入口を、また他方側に水の排出口をそれぞれ設けた電解槽と、
上記各電極板に電圧を印加し、隣り合う電極板間及び他の電極板を介在させた電極板間に電流を流して電気分解を行わせる電源回路部と、を有し、
上記電解槽の上記注入口から水を注入し、この水を上記注入口側から上記排出口側に移動させ、この移動する水を上記電極板により電気分解し、水中に水素を含有する水溶液を生成し、これを上記排出口から排出することを特徴とする水素水生成装置。 - 上記電極板の数を、4枚以上16枚以下の範囲としたことを特徴とする請求項1に記載の水素水生成装置。
- 上記電源回路部は、上記電極板の内の特定の電極板間に交流電圧を印加し、且つ当該特定の電極板以外の電極板には直流電圧を印加し、電気分解を行わせることを特徴とする請求項1又は2記載の水素水生成装置。
- 上記電源回路部は、上記電極板の内、他の電極板を介在させた特定の電極板間に交流電圧を印加し、且つ当該特定の電極板以外の電極板には直流電圧を印加し、この直流電圧の極性を定期的に切り替え、電気分解を行わせることを特徴とする請求項1又は2記載の水素水生成装置。
- 上記電極板を、連続する4枚を一組とし、上記電源回路部は、各一組の上記電極板の内、他の電極板を介在させた特定の電極板間に交流電圧を印加し、且つ当該特定の電極板以外の電極板には直流電圧を印加し、電気分解を行わせ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装置。
- 上記注入口を上記電解槽の下部近傍に設けて水を注入する一方、上記排出口を上記電解槽の上部近傍に設けて、上記注入された水を注入口から排出口方向へ移動させるとともに、下方から上方へと移動させ、この移動する水を上記各電極板により電気分解し、上記排出口から排出することを特徴とする請求項1乃至5の何れかに記載の水素水生成装置。
- 上記排出口と連通する切替弁を設け、上記排出口から排出された水溶液の濾過器を通過する流路と、この濾過器を通過しない流路とを切り替え可能としたことを特徴とする請求項1乃至6の何れかに記載の水素水生成装置。
- 上記電解槽の排出口から排出された水溶液を溜める貯留タンクと、この貯留タンク内の水溶液を吸引し、これを上記電解槽へ流通させるポンプと、を有し、
上記ポンプにより、上記電解槽で電気分解された水溶液を上記貯留タンクへ供給する一方、上記貯留タンク内の水溶液を吸引して上記電解槽に送り、これを再度電気分解する循環流路を駆動させ、水溶液中の水素濃度を高めることを特徴とする請求項1乃至7の何れかに記載の水素水生成装置。
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