JP2021193212A - 水素ガス生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水分に対して脆弱な水素ガス濃度検出センサを用いることなく、生成された水素ガスの濃度を正確に提示することができる水素ガス生成装置を提供する。【解決手段】筐体２０、第１室２１、第２室２２、隔膜２５及び一対の電極板２３，２４を含む電解槽２と、被電解水Ｗを貯留するタンク６と、前記一対の電極板に直流電圧を印加する電源３と、陰極となる電極板が設けられた前記第１室又は前記第２室に、生成した水素ガスを希釈する希釈ガスを導入する希釈器４と、前記陰極となる電極板に付与される電気量を検出する電気量検出器５１と、前記希釈器による希釈ガスの流量を検出する流量検出器５２と、前記電気量検出器により検出された電気量及び前記流量検出器により検出された流量から、前記希釈された水素ガスの濃度および／または単位時間当たりの水素発生量を演算する演算器５と、前記演算器により演算された水素ガスの濃度および／または単位時間当たりの水素発生量を提示する提示器５４−１および５４−２と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、水素ガス生成装置に関するものである。

水素ガスの体内吸入装置として、水素ガス発生装置から鼻孔カニューラへの導管の一部に空気混合器を取り付けることにより、供給する水素ガスの濃度を調整するものが知られている（特許文献１）。この水素ガスの体内吸入装置では、混合器と鼻孔カニューラとの間のガス流路に水素ガス濃度検出センサを設け、水素ガス濃度検出センサで検出される水素ガスの濃度により、水素ガス発生装置に印加されている電流値を電気分解電流値制御装置を用いてフィードバックする。
また、水分に対して脆弱な水素ガス濃度検出センサを用いることなく、生成された水素ガスの濃度を正確に提示することができる水素ガス生成装置が知られている（特許文献２）。

特開２００９−５８８１号公報 特許第５９００６８８号公報

近年、様々な疾病の原因でもあり、細胞質やミトコンドリア内で発生する活性酸素の一であるヒドロキシルラジカルを水素分子が消去することが明らかとなってきていることから、より多くの水素ガスを吸入することで、疾病の予防と改善に役立つことが示唆されてきている。そこで水素ガス供給装置には水素ガス濃度の他に単位時間当たりの水素発生量をリアルタイムで表示することが望ましいとされる。

一般的な水素ガス濃度検出センサとしては、水素ガスを選択的に吸収して可逆的に電気抵抗値が変化する水素吸収合金等を用いたセンサデバイス（特開２００５−２５６０２８号公報）、光触媒作用を利用して光触媒層で酸化分解された試料ガスに触れて抵抗値が可逆的に変化する薄膜層を用いたセンサデバイス（特開２００５−２１４９３３号公報）などが知られている。しかしながら、上記従来技術の水素ガス濃度検出センサにこの種のセンサデバイスを用いると、水素ガスに含まれる水分によりセンサデバイスの寿命が短くなるという問題がある。

本発明が解決しようとする課題は、水分に対して脆弱な水素ガス濃度検出センサを用いることなく、生成された水素ガスの濃度と単位時間当たりの水素発生量を正確にリアルタイムで提示することができる水素ガス生成装置を提供することである。

本発明は、電解槽を用いて水素ガスを生成するものにおいて、陰極に付与される電気量及びそのときの水素ガスの流量から水素ガス濃度を演算することにより、上記課題を解決する。
すなわち、本発明は、以下の特徴を包含する。
（１）筐体、前記筐体内に形成され被電解水が導入される電解室、前記電解室に設けられた少なくとも一対の電極板、及び前記電解室にて生成された水素を含むガスを導出するガス入口を含む電解槽と、
前記一対の電極板に直流電圧を印加する電源と、
前記電極板に付与される電気量を検出する電気量検出器と、
前記電気量検出器により検出された電気量から、前記希釈された水素ガスの単位時間当たりの水素量を演算する演算器と、
前記演算器により演算された前記希釈された水素ガスの単位時間当たりの水素量を提示する提示器と、
を備える水素ガス生成装置である。
（２）筐体、前記筐体内に形成され被電解水が導入される電解室、前記電解室に設けられた少なくとも一対の電極板、及び前記電解室に水素ガスを希釈する希釈ガスを導入する希釈ガス入口を含む電解槽と、
前記一対の電極板に直流電圧を印加する電源と、
前記電極板に付与される電気量を検出する電気量検出器と、
前記電気量検出器により検出された電気量から、前記希釈された水素ガスの単位時間当たりの水素量を演算する演算器と、
前記演算器により演算された前記希釈された水素ガスの単位時間当たりの水素量を提示する提示器と、
を備える水素ガス生成装置である。
（３）筐体、前記筐体内に形成され被電解水が導入される第１室、前記筐体内に前記第１室とは別に設けられた第２室、前記筐体内の前記第１室と前記第２室との間に設けられた隔膜、及び前記第１室及び前記第２室のそれぞれに設けられた一対の電極板、を含む電解槽と、
前記被電解水を貯留するタンクと、
前記一対の電極板に直流電圧を印加する電源と、
陰極となる電極板が設けられた前記第１室又は前記第２室に、生成した水素ガスを希釈する希釈ガスを導入する希釈器と、
前記陰極となる電極板に付与される電気量を検出する電気量検出器と、
前記電気量検出器により検出された電気量から、前記希釈された水素ガスの単位時間当たりの水素量を演算する演算器と、
前記演算器により演算された前記希釈された水素ガスの単位時間当たりの水素量を提示する提示器と、
を備える水素ガス生成装置である。
（４） 前記水素を含むガスを希釈する希釈ガスの流量を検出する流量検出器と、
前記電気量検出器により検出された電気量及び前記流量検出器により検出された流量から、前記希釈された水素ガスの濃度を演算する演算器と、
前記演算器により演算された前記希釈された水素ガスの単位時間当たりの水素量を提示する提示器と、
を備える（１）から（３）のいずれか一つに記載の水素ガス生成装置である。
（５）希釈された水素ガスの温度を検出する温度検出器をさらに備え、
前記演算器は、前記電気量検出器により検出された電気量、前記流量検出器により検出された流量及び前記温度検出器により検出された温度から、前記希釈された水素ガスの濃度を演算する（１）〜（４）のいずれか一つに記載の水素ガス生成装置。
（６）前記タンクに貯留された被電解水の電気抵抗値を検出する抵抗検出器をさらに備え、
前記演算器は、前記抵抗検出器により検出された電気抵抗値が、所定範囲以下又は所定範囲以上である場合には、前記電源から前記一対の電極板への直流電圧の印加を禁止する（３）又は（５）に記載の水素ガス生成装置である。
（７）前記第１室に設けられた電極板に前記直流電圧の陽極が接続され、前記第２室に設けられた電極板に前記直流電圧の陰極が接続され、
前記一対の電極板のそれぞれは、前記隔膜に接触して設けられ、
前記第１室にのみ前記被電解水が導入される（３）〜（６）のいずれか一つに記載の水素ガス生成装置である。
（８）前記タンクは、前記電解槽より鉛直方向の上側に設置され、
前記タンクの底面に設けられた被電解水出口と、前記第１室の下部に設けられた被電解水入口とが接続され、
前記第１室の上部に設けられたガス出口と、前記タンクに設けられたガス入口とが接続されている（７）に記載の水素ガス生成装置である。
（９）希釈された水素ガスを導出する混合ガス出口が、前記陰極となる電極板が設けられた前記第１室又は前記第２室の下部に設けられ、
前記混合ガス出口に気液分離器が接続され、
前記気液分離器を介して目的とする部位に前記希釈された水素ガスを供給する（７）に記載の水素ガス生成装置である。
（１０）前記演算器は、演算された水素ガス濃度が、爆燃下限値又は爆轟下限値を超えた場合には、前記提示器によりその旨を提示するか又は前記電源から前記一対の電極板への直流電圧の印加を禁止する（１）〜（９）のいずれか一つに記載の水素ガス生成装置である。
（１１）前記希釈された水素ガスの単位時間当たりの水素発生量は、電極１層あたり「７．６×電気量」または「７．６×電流」の演算式によって求められることを特徴とする、（１）から（１０）のいずれかつに記載の水素ガス生成装置である。
（１２）前記演算式「７．６×電気量」または「７．６×電流」の係数７．６は、７．６±１．５の任意の範囲で数値補正できることを特徴とする（１１）に記載の水素ガス生成装置である。

本発明によれば、水分に対して脆弱な水素ガス濃度検出センサを用いることなく、生成された水素ガスの濃度と単位時間当たりの水素発生量を正確に提示することができる。

本発明に係る水素ガス生成装置の一実施の形態を示す全体構成図である。 本発明に係る水素ガス生成装置の他の実施の形態を示す要部構成図である。 本発明に係る水素ガス生成装置のさらに他の実施の形態を示す要部構成図である。 本発明に係る水素ガス生成装置のさらに他の実施の形態を示す要部構成図である。 本発明に係る水素ガス生成装置のさらに他の実施の形態を示す要部構成図である。 本発明に係る水素ガス生成装置のさらに他の実施の形態を示す要部構成図である。 本発明に係る水素ガス生成装置のさらに他の実施の形態を示す要部構成図である。 本発明に係る水素ガス生成装置のさらに他の実施の形態を示す要部構成図である。

以下に説明する本発明に係る水素ガス生成装置１は、たとえば、細胞や臓器を含む生体（人及び動物）の健康維持、機能維持、疾病改善、機能改善、健康診断、又は機能測定を目的に、生成した水素ガスを生体に供給するために用いることができる水素ガス生成装置である。生成された水素ガスの生体への供給手段としては、鼻腔や口腔から水素ガスを吸入することによる供給、皮膚や臓器へ水素ガスを曝露することによる供給、皮膚や臓器へ水素ガスを吹込むことによる供給、液状薬剤や臓器保存液などのような、生体に適用されることを前提とした生体適用液へ水素ガスを曝露することによる供給、生体適用液へ水素ガスを吹込むことによる供給、生体を保存する容器又は回路の外側から水素ガスを拡散させることによる供給などが含まれる。ただし、本発明は、上述したとおり水分に対して脆弱な水素ガス濃度検出センサを用いることなく、生成された水素ガスの濃度を正確に提示することができる水素ガス生成装置を提供することを目的とすることから、生成された水素ガスの用途については何ら限定されることはない。

図１は、本発明に係る水素ガス生成装置１の一実施の形態を示す全体構成図である。本実施形態の水素ガス生成装置１は、電解槽２と、被電解水Ｗを貯留するタンク６と、電解槽２に設けられた一対の電極板２３，２４に直流電圧を印加する電源３と、生成した水素ガスを希釈する希釈ガスを導入する希釈器４と、陰極となる電極板２３又は２４に付与される電気量を検出する電気量検出器５１と、希釈器４による希釈ガスの流量を検出する流量検出器５２と、希釈された水素ガスの温度を検出する温度検出器５３と、希釈された水素ガスの濃度ｃを演算する演算器５と、演算器５により演算された水素ガスの濃度ｃを提示する提示器５４−１と、演算器５により演算された単位時間当たりの水素量を提示する提示器５４−２と、タンクに貯留された被電解水の電気抵抗値を検出する抵抗検出器５５と、を備える。

電解槽２は、筐体２０、この筐体２０内に形成され被電解水Ｗが導入される第１室２１、筐体２０内に第１室２１とは別に設けられた第２室２２、筐体２０内の第１室２１と第２室２２との間に設けられた隔膜２５、及び第１室２１及び第２室２２のそれぞれに設けられた一対の電極板２３，２４、を含んで構成されている。筐体２０は、プラスチックなどの電気絶縁性材料により形成され、後述する被電解水入口２０１、ガス出口２０２、希釈ガス入口２０３及び混合ガス出口２０４を除き、水密及び気密の状態が維持されるように構成されている。

筐体２０の内部は、隔膜２５により第１室２１と第２室２２とに仕切られている。また本実施形態の一対の電極板２３，２４は、いずれも隔膜２５に接触して設けられている。そして、被電解水Ｗが導入される第１室２１に設けられた電極板２３には、直流電源の陽極（＋）が接続され、第２室２２に設けられた電極板２４には直流電源の陰極（−）が接続されている。以下において、陽極に接続された電極板を陽極板、陰極に接続された電極板を陰極板とも称する。図１に示す例においては、第１室２１に陽極板２３が設けられ、第２室２２に陰極板２４が設けられている。

本実施形態の隔膜２５としては、水素イオンは透過させる一方で水酸イオンは透過させない陽イオン交換膜を用いることが望ましい。また、イオン伝導性、物理強度、ガスバリア性、化学的安定性、電気化学的安定性、熱的安定性等の諸要因を考慮すると、電解質基としてスルホン酸基を備えた全フッ素系スルホン酸膜を好適に使用できる。このような膜としては、スルホン酸基を有するパーフルオロビニルエーテルとテトラフルオロエチレンとの共重合体膜であるナフィオン膜（登録商標、デュ・ポン社製）、フレミオン膜（登録商標、旭硝子社製）、アシプレックス膜（登録商標、旭化成社製）などが挙げられる。

また、本実施形態の一対の電極板２３，２４は、たとえば、チタン板を基材とし、白金、イリジウム、パラジウムなどの群から選ばれる１種又は２種以上の貴金属膜を被覆したものを用いることができる。ただし、これにのみ限定されるものではなく、たとえば無垢のステンレス板を用いてもよい。なお、第１室２１に設けられた陽極板２３は、必ずしも隔膜２５に接触させて設ける必要はなく、隔膜２５から所定の距離をあけて設けられていてもよい。また、第２室２２に設けられた陰極板２４は、隔膜２５に接触して設けられているが、隔膜２５と陰極板２４との間に水膜が形成される程度に接触していればよいので、必ずしも圧着されている必要はない。

電源３は、商用交流電源などに接続されるコンセント３１と、この商用交流電流を直流電流に変換するＡＣ／ＤＣコンバータ３２とを含んで構成されている。ただし、ポータブルな（どこにでも持ち運びが可能な）水素ガス生成装置１を提供するために、電源３として、コンセント３１及びＡＣ／ＤＣコンバータ３２に代えて、一次電池又は二次電池などの直流電源を用いることもできる。本実施形態の水素ガス生成装置１では、ＡＣ／ＤＣコンバータ３２と陰極板２４とを接続する電線に電気量検出器５１である電流計が設けられている。

被電解水Ｗが投入されるタンク６は、電解槽２より鉛直方向の上側に設置され、タンク６の底面に設けられた被電解水出口６１と、第１室２１の下部に設けられた被電解水入口２０１とがホース６２により接続され、第１室２１の上部に設けられたガス出口２０２と、タンク６に設けられたガス入口６３とがホース６４により接続されている。そして、ガス入口６３は、タンク６の内部においてタンク６の底面より鉛直上方に起立して延在するガス排出塔６５に連通し、ガス排出塔６５の先端は開口している。また、被電解水出口６１と被電解水入口２０１とを接続するホース６２の途中には三方弁６６が設けられ、その一つにドレイン管６７が接続されている。ドレイン管６７は、第１室２１に導入された被電解水Ｗを廃棄するためのものである。なお、第１室２１の上部に設けられたガス出口２０２と、タンク６に設けられたガス入口６３とをホース６４により接続することは必ずしも必須ではなく、タンク６に投入可能な被電解水Ｗの容積を第１室２１の容積以下にし、第１室２１のガス出口２０２を当該第１室２１の天井面に形成してもよい。

本実施形態の水素ガス生成装置１の電解槽２は、第１室２１にのみ被電解水Ｗを導入し、第２室２２には被電解水Ｗを導入しないで空気室とするが、第１室２１に被電解水Ｗを導入する場合は、三方弁６６を被電解水出口６１と被電解水入口２０１とが連通する位置に回動した状態でタンク６に被電解水Ｗを投入する。これにより、タンクに投入された被電解水Ｗは、自重によってホース６２を通って第１室２１に至り、当該第１室２１に被電解水Ｗが満たされる。このとき、第１室２１内の空気はホース６４を通ってガス排出塔６５から排出されるので、タンク６内の被電解水Ｗは円滑かつ短時間で第１室２１に満たされることになる。また、タンク６から第１室２１に導入される被電解水Ｗの量が第１室２１の容積以上であっても、筐体２０内に漏洩することがなく、余分な被電解水Ｗはタンク６へ戻すことができる。さらに、第１室２１が被電解水Ｗで満たされたのち、一対の電極板２３，２４に直流電流を流すと、第１室２１の陽極板２３の表面から酸素ガスが生成されるが、この酸素ガスはホース６４を通ってガス排出塔６５から排出される。したがって、第１室２１は、電解中においても被電解水Ｗにより満たされるので、陽極板２３の有効面積が減少することがなく、水素ガスの生成効率が高くなるという効果がある。

本実施形態の水素ガス生成装置１に用いられる被電解水Ｗは、水の電気分解反応によって陰極板２４に水素ガスを生成させることができる水であり、水道水、浄水、精製水、イオン交換水、ＲＯ水、蒸留水などが含まれる。被電解水Ｗは、カルシウムイオンやマグネシウムイオンなど電解質を適宜含有してもよい。ただし、電気分解時に水素ガス及び酸素ガス以外の余分なガスを発生させないため、イオン交換水や精製水など、水素イオン及び水酸イオン以外のイオンを含まない純水に、人工的に水溶性の化合物を添加して被電解水とすることが望ましい。特に塩素ガスは、基本的に生体にとって有益でないとされているため、本実施形態の水素ガス生成装置１に用いられる被電解水は、塩素イオンの除去処理が施されていることが望ましく、同様に、水素ガスと希釈用ガスを含む混合ガスにおける塩素ガス濃度も低ければ低いほど望ましい。水素ガスと希釈用ガスを含む混合ガスにおける塩素ガス濃度は、好ましくは１ｐｐｍ以下、より好ましくは０．５ｐｐｍ以下、さらに好ましくは０．１ｐｐｍ以下である。さらに言えば、ＰＯ_４ ^３−、ＳＯ_４ ^２−、ＮＯ_３ ⁻など、水に溶解した際に水酸化物イオンよりイオン化傾向の高い陰イオンを溶出する水溶性化合物が含まれた水（水自体は、事前にイオンの除去処理が行われていることが望ましい）を電気分解するのであれば、陰イオンのガス化よりも、水酸化物イオンが電子を放出しつつ酸素Ｏ_２を発生させる反応が優先されるため、気層部に余分なガスを放出するおそれが少ない。

こうした被電解水Ｗの種類と被電解水Ｗの水位を検出するために、タンク６の底部には、たとえば白金メッキが施された一対の電極からなる抵抗検出器５５，５５が設けられ、タンク６に貯留された被電解水Ｗの電気抵抗値を検出する。そして、演算器５により一対の抵抗検出器５５，５５に検出用電圧が印加され、このとき流れる電流を演算器５により検出することで被電解水Ｗの電気抵抗値を検出する。水素イオン及び水酸イオン以外のイオンを含まない純水の電気抵抗値（≒２．５×１０^５Ωｍ）は、これ以外の電解性イオンを含む水の電気抵抗値に比べて大きいことから、演算器５により検出された被電解水Ｗの電気抵抗値が純水の電気抵抗値に比べて小さい場合には、タンク６に投入された水が純水ではないと判定し、電源３から一対の電極板２３，２４への直流電圧の印加を禁止するか、又は被電解水Ｗが純水でない旨を表示または音声などで喚起してもよい。また同様に、タンク６に投入された水が第１室２１を満たすだけの充分な量ではなく、又はタンク６に水が投入されていない場合のように、一対の抵抗検出器５５，５５により検出される媒体が空気である場合には、純水の電気抵抗値に比べてさらに大きい（≒１０^１５Ωｍオーダ）ことから、演算器５により検出された被電解水Ｗの電気抵抗値が純水の電気抵抗値に比べて著しく大きい場合には、タンク６に水が投入されていないと判定し、電源３から一対の電極板２３，２４への直流電圧の印加を禁止するか、又は被電解水Ｗが投入されていない旨を表示または音声などで喚起してもよい。

電解槽２の第２室２２の上部には、希釈ガス入口２０３が形成され、第２室２２の下部には混合ガス出口２０４が形成されている。希釈ガス入口２０３は、ホース４１を介して希釈器４に接続され、このホース４１の途中に流量検出器５２が設けられている。希釈器４は、陰極となる電極板２３又は２４が設けられた第１室２１又は第２室２２（図１に示す実施形態では第２室）に希釈ガスを導入するエアポンプからなり、吸込み口４２から吸い込んだ周囲の空気は、エアポンプによりホース４１へ圧送され、流量検出器５２を通って第２室２２へ案内される。なお、希釈器４はエアポンプに限らずファンなどを用いてもよい。流量検出器５２は、希釈器４から、陰極となる電極板２３又は２４が設けられた第１室２１又は第２室２２（図１に示す実施形態では第２室）に導入された希釈ガスの単位時間当たりの流量を検出する。

希釈器４により、希釈ガス入口２０３から第２室２２に導入された希釈ガス（空気）は、第２室２２の上部から下部へ流下し、ここで陰極板２４の表面近傍に生成した水素ガスと混合しながら混合ガス出口２０４から排出される。本実施形態では、第２室２２の上部に希釈ガス入口２０３を設け、第２室２２の下部に混合ガス出口２０４を設けているので、陰極板２４の表面全体に希釈ガスが行き渡り、生成した水素ガスが第２室２２に滞留することなく混合ガス出口２０４から排出される。なお、第２室２２の下部に希釈ガス入口２０３を設け、第２室２２の上部に混合ガス出口２０４を設けてもよい。ただし、第２室２２には、陰極板２４と隔膜２５との間から水滴が僅かに漏洩するので、第２室２２の下部に混合ガス出口２０４を設け、混合ガスと共にこの水滴をホース７１を介して気液分離器７に導くようにしている。ちなみに、気液分離器７はポット状筐体を有し、水素と空気の混合ガスは上部の蓋からホース７２を介してマスク又はカニューラ７３に圧送されるが、第２室２２で生じた水滴は気液分離器７の底部に溜まることになる。

演算器５は、電気量検出器５１により検出された電気量Ｉｔ及び流量検出器５２により検出された時間ｔ当たりの流量Ｑから、希釈された水素ガスの濃度を演算する。また、演算器５は、演算により求めた水素ガスの濃度を、エイトセグメントディジタル表示器などの提示器５４−１にリアルタイムまたは時間差で表示し、演算により求めた単位時間当たりの水素量をエイトセグメント表示機などの提示器５４−２にリアルタイムまたは時間差で表示する。なお、図１に示す提示器５４−１および提示器５４−２は、視覚により認識される表示器であるが、スピーカなど聴覚により濃度を喚起するものであってもよい。また、図１に示すように、第２室２２に温度センサからなる温度検出器５３を設け、当該温度検出器５３により検出された混合ガスの温度Ｔを、上記電気量検出器５１により検出された電気量Ｉｔ及び流量検出器５２により検出された流量Ｑに加え、これら３つの検出要素から希釈された水素ガスの濃度を演算してもよい。

また、演算器５は、演算された水素ガス濃度が、爆燃下限値又は爆轟下限値を超えた場合には、提示器５４−１によりその旨を提示するか又は電源３から一対の電極板２３，２４への直流電圧の印加を禁止してもよい。

次に、演算器５により演算される水素と空気の混合ガスの濃度（体積％）の算出根拠について説明する。図１の水素ガス生成装置１において、陰極板２４の表面においては下記式（１）、陽極板の表面においては、下記式（２）の化学反応が生じる。
［数１］
２Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻→Ｈ_２＋２ＨＯ⁻ …式（１）
２ＯＨ⁻→Ｈ_２Ｏ＋Ｏ_２／２＋２ｅ⁻ …式（２）

ファラデーの電気分解の第二法則によると、１グラム当たりの等量の物質を析出させるのに必要な電気量は物質の種類によらず一定である。すなわち、物質量をｎ（ｍｏｌ），質量をｍ（ｇ），分子量をＭ（ｇ／ｍｏｌ），電流をＩ（Ａ），電流が流れた時間をｔ（秒），イオン価数をｚ，ファラデー定数をＦ（＝９．６５×１０^４（Ｃ／ｍｏｌ）とすると、下記式（３）が成立する。
［数２］
ｎ＝ｍ／Ｍ＝Ｉｔ／ｚＦ …式（３）

つまり、物質量ｎ＝１ｍｏｌの水素を生成するために必要とされる電気量Ｉｔは、Ｉｔ＝ｎｚＦであり、水素のイオン価数ｚ＝１であるから、９．６５×１０^４Ｃである。

上記式（１）のとおり、陰極板２４の表面においては、２ｍｏｌの電子ｅ⁻で１ｍｏｌの水素ガスＨ_２が生成する。また、アボガドロの法則によれば、同一圧力、同一温度、同一体積のすべての種類の気体には同じ数の分子が含まれるから、温度が０℃、圧力が１気圧の標準状態においては、水素ガス１ｍｏｌの占める体積は２２．４リットルである。

したがって、１ｍｏｌ，２２．４リットルの水素ガスを生成するためには、上記ファラデーの電気分解の第二法則から、２×９．６５×１０^４Ｃの電気量が必要となる。これを換言すれば、１クーロンの電気量で（２２．４リットル／２×９．６５×１０^４Ｃ＝）１．１６×１０^−４リットルの水素ガス（０℃）が生成する。

ここで、気体の状態方程式によれば、気体の圧力Ｐ（ａｔｍ）、気体が占める体積Ｖ（リットル）、気体の物質量ｎ（ｍｏｌ）、気体定数Ｒ（＝０．０８２）、気体の絶対温度Ｔ（Ｋ）とすると、ＰＶ＝ｎＲＴであるから、０℃の状態に対して温度１ｄｅｇ当たり１／２７３リットルずつ体積が増減する。

以上により、陰極板２４に付与された電気量Ｉｔ（Ｃ）、生成された水素ガスの体積（リットル）、水素ガスの温度Δｔ（０℃からの差分ｄｅｇ）とすると、水素ガスの生成体積Ｖは、Ｖ＝Ｉｔ×１．１６×１０^−４×（１＋Δｔ／２７３）となる。さらに、この陰極板２４の表面において生成した体積Ｖ（リットル／秒）の水素ガスが、体積Ｖ１（リットル／秒）の希釈ガスによって希釈されることから、当該希釈された水素ガスの濃度（体積％）は、（Ｖ／Ｖ１）×１００で求められる。よって、陰極板２４に付与された電気量Ｉｔ、希釈ガスの単位時間当たりの流量（リットル／秒）及び希釈された水素ガスの温度Δｔ（０℃との差温，ゼロ、プラス又はマイナスの値）を検出すれば、希釈された水素ガスの濃度を演算により求めることができる。

ちなみに、希釈された水素ガスの温度Ｔによる濃度への影響は、温度１ｄｅｇ当たり１／２７３リットル（≒±０．４％の誤差）であるから、目的とする濃度の精度、すなわち提示器５４−１に提示するべき濃度がこの誤差ほど必要でなければ、温度ｔをたとえば１５〜２５℃程度の標準温度の一定値とし、電気量Ｉｔとこの時間ｔ当たりの流量Ｑのみから演算してもよい。

また、本発明において、発明者は、電極１層あたり「７．６×電気量Ｉ（Ｃ）」または「７．６×電流（Ａ）」の演算式をもちいて、単位当たりの水素ガス発生量（ｍｌ／ｍｉｎ）を求めることができることを見出した。当該演算式の係数である７．６は、測定条件により７．６±５の範囲内の任意の係数に補正して演算することができる。好ましくは、当該演算式の係数である７．６は、測定条件により７．６±２の範囲内の任意の係数に補正して演算することができる。より好ましくは、好ましくは、当該演算式の係数である７．６は、測定条件により７．６±１．５の範囲内の任意の係数に補正して演算することができる。さらに好ましくは、当該演算式の係数である７．６は、測定条件により７．６±１の範囲内の任意の係数に補正して演算することができる。係数の補正は、例えば、既存の水素ガス濃度測定機で実測した水素ガス濃度を基準として補正することができる。その他の水素ガスの測定方法にて得られた値を補正の基準として用いることもできる。電極を複数層用いる場合、上記演算式を電極ごとに適用して単位当たりの水素ガス発生量を演算する。

図２は、本発明に係る水素ガス生成装置の他の実施の形態を示す要部構成図である。本実施形態の電解槽２は、３対の電極板２３，２４及び隔膜２５を含み、３つの陽極板２３は直列に接続され、３つの陰極板も直列に接続されている。そして、第１室２１には、３つの陽極板２３が設けられ、第２室２２には、３つの陰極板２４が設けられている。なお、第１室２１と第２室２２は筐体２０により仕切られている。その他の構成は上述した図１に示す実施形態と同様であるため、その構成及び説明をここに援用して省略するが、このように構成された水素ガス生成装置１においても、上記図１に示す実施形態と同様の手法により、希釈された水素ガスの濃度を演算器５により演算することができる。

図３は、本発明に係る水素ガス生成装置のさらに他の実施の形態を示す要部構成図である。本実施形態の電解槽２は図１に示すものとほぼ同様の構成であるが、第１室２１のみならず第２室２２にも被電解水Ｗが導入される点が相違する。そのため、第２室２２に設けられる混合ガス出口２０４は、当該第２室２２の天井面に設けられている。そして、第２室２２に導入される被電解水Ｗは、第２室２２の全てを満たすのではなく、第２室２２の上部に、陰極板２４の表面から生成した水素ガスと、希釈ガス入口２０３から供給された希釈ガスとが好適に混合し得る程度の空間が形成されるような量だけ導入される。

その他の構成は上述した図１に示す実施形態と同様であるため、その構成及び説明をここに援用して省略するが、このように構成された水素ガス生成装置１においても、上記図１に示す実施形態と同様の手法により、希釈された水素ガスの濃度を演算器５により演算することができる。

図４は、本発明に係る水素ガス生成装置のさらに他の実施の形態を示す要部構成図である。本実施形態の電解槽２は、上述した図１〜図３に示す実施形態とは異なり、隔膜２５を有しない、いわゆる無隔膜電解槽である。このため、電解槽２の筐体２０内も、図１〜図３に示すように第１室２１と第２室２２とには仕切られず、一つの電解室２６とされている。また、この一つの電解室２６には、一対の電極板２３，２４が所定の間隔で配置されている。同図に示す例においては、電極板２３が陽極板とされ、電極板２４が陰極板とされている。なお、一対の電極板２３，２４によって電解室２６内は仕切られていないので、被電解水入口２０１から電解室２６に導入された被電解水Ｗは、当該電解室２６の全体に行き渡る。ただし、図３に示す実施形態と同様に、電解室２６に導入される被電解水Ｗは、電解室２６の全てを満たすのではなく、電解室２６の上部に、陽極板２３課の表面から生成した酸素ガスと、陰極板２４の表面から生成した水素ガスと、希釈ガス入口２０３から供給された希釈ガスとが好適に混合し得る程度の空間が形成されるような量だけ導入される。

そして、本実施形態においては、図１〜図３に示す実施形態と相違し、陰極板の表面から生成し、電解室２６の上部の空間に浮上した水素ガスは、希釈ガス入口２０３から供給された希釈ガスだけでなく、陽極板２３の表面から生成して電解室２６の上部の空間に浮上した酸素ガスによっても希釈される。このため、上述した演算器５により演算される水素ガスの濃度は、陰極板２４の表面において生成した体積Ｖ（リットル／秒）の水素ガスを、体積Ｖ１（リットル／秒）の希釈ガス及び陽極板２３の表面において生成した体積Ｖ２（リットル／秒）の酸素ガスの総和で除した｛Ｖ／（Ｖ１＋Ｖ２）｝×１００で求められる。

本発明に係る水素ガス生成装置において、電解槽２にて生成された水素ガスを希釈する位置は、当該電解槽２の内部に限定されない。図５は本発明に係る水素ガス生成装置のさらに他の実施の形態を示す要部構成図である。本実施形態の電解槽２は、図１に示すものと同様の構成を備えるが、希釈器４からの希釈ガスは、第２室２２ではなく、第２室２２からマスク７３に至る間のホース７２（ホース７１であってもよい）に供給される。すなわち、第２室２２にて生成された高濃度の水素ガスは、吸引エアポンプ７４によりホース７１を介して気液分離器７に至り、ここからホース７２によってマスク７３に案内されるが、その途中で、希釈器４から空気などの希釈ガスが混合される。なお、希釈器４による気圧がホース７２に作用するため、吸引エアポンプ７４を省略してもよい。

その他の構成は上述した図１に示す実施形態と殆ど同様であるため、その構成及び説明をここに援用して省略するが、このように構成された水素ガス生成装置１においても、上記図１に示す実施形態と同様の手法により、希釈された水素ガスの濃度を演算器５により演算することができる。

図５に示す実施形態と同様に、図３に示す実施形態や図４に示す実施形態の水素ガス生成装置においても、希釈器４からの希釈ガスを電解槽２ではなく、電解槽２からマスク７３に至るホース７１又は７２に供給することができる。図６は本発明に係る水素ガス生成装置のさらに他の実施の形態を示す要部構成図である。本実施形態の電解槽２は、図４に示すものと同様の構成を備えるが、希釈器４からの希釈ガスは、電解室２６ではなく、電解室２６からマスク７３に至る間のホース７２（ホース７１であってもよい）に供給される。すなわち、電解室２６にて生成された、酸素ガスと水素ガスの混合ガスは、吸引エアポンプ７４によりホース７１を介して気液分離器７に至り、ここからホース７２によってマスク７３に案内されるが、その途中で、希釈器４から空気などの希釈ガスが混合される。なお、希釈器４による気圧がホース７２に作用するため、吸引エアポンプ７４を省略してもよい。

その他の構成は上述した図４に示す実施形態と殆ど同様であるため、その構成及び説明をここに援用して省略するが、このように構成された水素ガス生成装置１においても、上記図１に示す実施形態と同様の手法により、希釈された水素ガスの濃度を演算器５により演算することができる。

図１〜図６に示す実施形態においては、電気量検出器５１により検出された電気量及び流量検出器５２により検出された流量から、希釈された水素ガスの濃度を演算器５により演算するが、電気量検出器５１による電気量の検出に代えて、陰極板２４の表面から生成された水素ガスの流量を計測してもよい。すなわち、水素を含むガスの流量及び水素を含むガスを希釈する希釈ガスの流量から、希釈された水素ガスの濃度を演算器５によって演算し、この演算結果を提示器５４−１に提示してもよい。さらに、演算器５によって７．６×電気量Ｉｔ（Ｃ）に従って演算された単位時間当たりの水素量（ｍｌ／ｍｉｎ）を提示器５４−２に水素ガスの濃度と同時に提示してもよい。また、提示器５４−２には、発生した累積の水素量を表示することもできる。

図７は本発明に係る水素ガス生成装置のさらに他の実施の形態を示す要部構成図である。本実施形態の電解槽２は、図５に示すものと同様の構成を備えるが、電源３の回路に電気量検出器５１が設けられていない点と、吸引エアポンプ７４に代えて流量検出器７５が設けられている点が相違する。その他の構成は上述した図５に示す実施形態と殆ど同様であるため、その構成及び説明をここに援用して省略する。

このように構成された水素ガス生成装置１においては、第２室２２の陰極板２４の表面から生成された水素ガスは、ホース７１を介して気液分離器７に案内され、ここで水素ガスに含まれた水分が除去される。そして、さらにホース７２を介してマスク又はカニューラ７３に供給される途中で、希釈器４からの希釈ガスと混合し、希釈された水素ガスがマスク又はカニューラ７３に供給される。このとき、流量検出器７５により水素ガスの流量が検出され、流量検出器５２により希釈ガスの流量が検出されるので、これらの比率を演算器５により演算することで、希釈された水素ガスの濃度を求めることができる。ちなみに、水素ガスの流量を検出する流量検出器７５と空気などの希釈ガスの流量を検出する流量検出器５２は、ガス種に応じた流量計を選定する必要がある。

図８は本発明に係る水素ガス生成装置のさらに他の実施の形態を示す要部構成図である。本実施形態の電解槽２は、図６に示すものと同様の構成を備えるが、電源３の回路に電気量検出器５１が設けられていない点と、吸引エアポンプ７４に代えて流量検出器７５が設けられている点が相違する。その他の構成は上述した図６に示す実施形態と殆ど同様であるため、その構成及び説明をここに援用して省略する。

このように構成された水素ガス生成装置１においては、電解室２６の陰極板２４の表面から生成された水素ガスと陽極板２３の表面から生成された酸素ガスは、ホース７１を介して気液分離器７に案内され、ここで水素ガス及び酸素ガスに含まれた水分が除去される。そして、さらにホース７２を介してマスク又はカニューラ７３に供給される途中で、希釈器４からの希釈ガスと混合し、希釈された水素ガスがマスク又はカニューラ７３に供給される。このとき、流量検出器７５により水素ガスを含むガスの流量が検出され、流量検出器５２により希釈ガスの流量が検出されるので、これらの比率を演算器５により演算することで、希釈された水素ガスの濃度を求めることができる。ちなみに、本実施形態においては、電解室２６に生成されるガスは水素だけでなく酸素も含んだガスであるが、上述した式（１）及び式（２）から明らかなように、酸素ガスは水素ガスに対して１／２モルが生成されるので、流量検出器７５により検出された流量のうち、２／３が水素ガス、１／３が酸素ガスとなる。

以下、本発明の実施例を説明する。なお、本願において特に断りがない場合は、各種物性値を計測するのに用いた各種計器類は、水素ガス濃度計が「エフアイエス社製ＥＶＭ−ＨＹ０１−Ｈ」、電流計が「クランプＡＣ/ＤＣハイテスタ３２６５（日置電機社製）」である。

［実施例１］
図１に示す水素ガス生成装置１の第１室２１に純水を満たし、陽極板２３、陰極板２４としてこれら一対の電極板に４Ａの電流が流れるように印加電圧を調節し、この電気分解と同時に希釈器４からの空気の供給量を１．５±０．１リットル／分として水素ガスを空気で希釈した。雰囲気温度を測定したところ２５℃であった。また、一対の電極板に流れる電流を５Ａ，６Ａ、希釈ガスの供給量２．０±０．１リットル／分，２．５±０．１リットル／分とし対外は同様の条件で水素ガスを希釈した。これら一対の電極板に流れた電気量と希釈ガスの流量と雰囲気温度から、上述した演算手法により希釈された水素ガスの濃度を演算により求めた。希釈ガスの量と水素ガス濃度から計算される単位時間当たりの水素量を記録した（表１：比較例１）。さらに、上述した演算手法により提示器に表示された単位時間当たりの水素量を記録した（表１：実施例）。以上を表１にまとめる。

また、表１で掲示器に表示された水素濃度の水素ガスを、水素ガス濃度計（新コスモス電機社製ＸＰ−３１４０）を用いて測定し、希釈ガス流量から単位時間当たりの水素量を算出して表２としてまとめた。

表１に示す結果から、実施例１のように演算により求められた単位時間当たりの水素量と、水素ガス濃度と希釈ガス量から計算した水素量とは、０．６〜２．５ｍｌ／ｍｉｎの差しか観察されなかった。また、水素ガス濃度計（新コスモス電機社製ＸＰ−３１４０）を用いて水素濃度を直接測定して、希釈ガス量から計算した単位時間当たりの水素量（費用２：比較例２）と比較しても、０．４〜６．５ｍｌ／ｍｉｎの差しか観察されなかった。本実施形態による水素ガス濃度の検出精度は、充分に使用に値するものと考えられる。

１…水素ガス生成装置
２…電解槽
２０…筐体
２０１…被電解水入口
２０２…ガス出口
２０３…希釈ガス入口
２０４…混合ガス出口
２１…第１室
２２…第２室
２３…陽極板（電極板）
２４…陰極板（電極板）
２５…隔膜
２６…電解室
３…電源
３１…コンセント
３２…ＡＣ／ＤＣコンバータ
４…希釈器
４１…ホース
４２…吸込み口
５…演算器
５１…電流計（電気量検出器）
５２…流量計（流量検出器）
５３…温度センサ（温度検出器）
５４−１、５４−２…ディスプレイ（提示器）
５５…抵抗検出器
６…タンク
６１…被電解水出口
６２…ホース
６３…ガス入口
６４…ホース
６５…ガス排出塔
７…気液分離器
７１，７２…ホース
７３…マスク
７４…吸引エアポンプ
７５…流量計（第１流量検出器）
Ｗ…被電解水

Claims (12)

1. 筐体、前記筐体内に形成され被電解水が導入される電解室、前記電解室に設けられた少なくとも一対の電極板、及び前記電解室にて生成された水素を含むガスを導出するガス入口を含む電解槽と、
   前記一対の電極板に直流電圧を印加する電源と、
   前記電極板に付与される電気量を検出する電気量検出器と、
   前記電気量検出器により検出された電気量から、前記希釈された水素ガスの単位時間当たりの水素量を演算する演算器と、
   前記演算器により演算された前記希釈された水素ガスの単位時間当たりの水素量を提示する提示器と、
   を備える水素ガス生成装置。
2. 筐体、前記筐体内に形成され被電解水が導入される電解室、前記電解室に設けられた少なくとも一対の電極板、及び前記電解室に水素ガスを希釈する希釈ガスを導入する希釈ガス入口を含む電解槽と、
   前記一対の電極板に直流電圧を印加する電源と、
   前記電極板に付与される電気量を検出する電気量検出器と、
   前記電気量検出器により検出された電気量から、前記希釈された水素ガスの単位時間当たりの水素量を演算する演算器と、
   前記演算器により演算された前記希釈された水素ガスの単位時間当たりの水素量を提示する提示器と、
   を備える水素ガス生成装置。
3. 筐体、前記筐体内に形成され被電解水が導入される第１室、前記筐体内に前記第１室とは別に設けられた第２室、前記筐体内の前記第１室と前記第２室との間に設けられた隔膜、及び前記第１室及び前記第２室のそれぞれに設けられた一対の電極板、を含む電解槽と、
   前記被電解水を貯留するタンクと、
   前記一対の電極板に直流電圧を印加する電源と、
   陰極となる電極板が設けられた前記第１室又は前記第２室に、生成した水素ガスを希釈する希釈ガスを導入する希釈器と、
   前記陰極となる電極板に付与される電気量を検出する電気量検出器と、
   前記電気量検出器により検出された電気量から、前記希釈された水素ガスの単位時間当たりの水素発生量を演算する演算器と、
   前記演算器により演算された前記希釈された水素ガスの単位時間当たりの水素発生量を提示する提示器と、
   を備える水素ガス生成装置。
4. 前記水素を含むガスを希釈する希釈ガスの流量を検出する流量検出器と、
   前記電気量検出器により検出された電気量及び前記流量検出器により検出された流量から、前記希釈された水素ガスの濃度を演算する演算器と、
   前記演算器により演算された水素ガスの濃度を提示する提示器と、
   を備える請求項１から３のいずれか一項に記載の水素ガス生成装置。
5. 希釈された水素ガスの温度を検出する温度検出器をさらに備え、
   前記演算器は、前記電気量検出器により検出された電気量、前記流量検出器により検出された流量及び前記温度検出器により検出された温度から、前記希釈された水素ガスの濃度を演算する請求項１〜４のいずれか一項に記載の水素ガス生成装置。
6. 前記タンクに貯留された被電解水の電気抵抗値を検出する抵抗検出器をさらに備え、
   前記演算器は、前記抵抗検出器により検出された電気抵抗値が、所定範囲以下又は所定範囲以上である場合には、前記電源から前記一対の電極板への直流電圧の印加を禁止する請求項３又は５に記載の水素ガス生成装置。
7. 前記第１室に設けられた電極板に前記直流電圧の陽極が接続され、前記第２室に設けられた電極板に前記直流電圧の陰極が接続され、
   前記一対の電極板のそれぞれは、前記隔膜に接触して設けられ、
   前記第１室にのみ前記被電解水が導入される請求項３〜６のいずれか一項に記載の水素ガス生成装置。
8. 前記タンクは、前記電解槽より鉛直方向の上側に設置され、
   前記タンクの底面に設けられた被電解水出口と、前記第１室の下部に設けられた被電解水入口とが接続され、
   前記第１室の上部に設けられたガス出口と、前記タンクに設けられたガス入口とが接続されている請求項７に記載の水素ガス生成装置。
9. 希釈された水素ガスを導出する混合ガス出口が、前記陰極となる電極板が設けられた前記第１室又は前記第２室の下部に設けられ、
   前記混合ガス出口に気液分離器が接続され、
   前記気液分離器を介して目的とする部位に前記希釈された水素ガスを供給する請求項７に記載の水素ガス生成装置。
10. 前記演算器は、演算された水素ガス濃度が、爆燃下限値又は爆轟下限値を超えた場合には、前記提示器によりその旨を提示するか又は前記電源から前記一対の電極板への直流電圧の印加を禁止する請求項１〜９のいずれか一項に記載の水素ガス生成装置。
11. 前記希釈された水素ガスの単位時間当たりの水素発生量は、電極１層あたり「７．６×電気量」または「７．６×電流」の演算式によって求められることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載の水素ガス生成装置。
12. 前記演算式「７．６×電気量」または「７．６×電流」の係数７．６は、７．６±１．５の任意の範囲で数値補正できることを特徴とする請求項１１に記載の水素ガス生成装置。

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