JP4929279B2

JP4929279B2 - 電解式水素水生成装置

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Publication number: JP4929279B2
Application number: JP2008518544A
Authority: JP
Inventors: 義一原田; 建史川嶋
Original assignee: タカオカ化成工業株式会社
Priority date: 2006-11-21
Filing date: 2006-11-21
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2026-11-21
Also published as: JPWO2008062507A1; WO2008062507A1

Description

本発明は，水道水に含まれる有機汚濁物質の吸着保持能をもつ活性炭ブロックを備えた殺菌機能を有する電解式水素水生成装置に関するものである。

従来，特開２００６−４３６１０に示される図２の電解式水素水生成装置（以下，従来装置と記する。）が知られている。

この従来装置は，電解用電極１，２を備える電解槽３および残留塩素やトリハロメタンをはじめとする有機塩素化合物，カビ臭の原因となる２−メチルイソボルネオール，農薬等の有機汚濁物質の吸着保持能を有する活性炭ブロック４を備えるろ過ユニット６から構成される。前記電解用電極１，２には電源ユニット７より直流電圧が給電され，装置内の貯留水を電気分解して水素および酸素から成る電解ガスを発生させ，通水停止時にはろ過ユニット６内に電解ガスを貯留する。電極１，２に給電する電源ユニット７では，水質の変動に影響を受けない電気分解を維持するため，電解電流を電流センサー９で検出し，レギュレータ１０にフィードバックすることで電解電流を一定に保持する定電流制御が採用されている。
さらに，水道水中のミネラル成分，例えば，カルシウムが陰極表面に析出することを防止するための極性反転回路を備える。

電源ユニット７に設けられたトランジスタＳ１Ａ，Ｓ１ＢおよびＳ２Ａ，Ｓ２Ｂを同一のタイミングで開閉動作させることで電極１，２の極性を反転させる。
トランジスタＳ１Ａ，Ｓ１Ｂを開，Ｓ２Ａ，Ｓ２Ｂを閉として電源ユニット７から直流電圧を給電すると，電極１は陽極，電極２は陰極として水の電気分解が開始され，数時間に１回の割合でトランジスタＳ１Ａ，Ｓ１Ｂを閉，Ｓ２Ａ，Ｓ２Ｂを開に切り替え，電極１を陰極，電極２を陽極として電気分解を継続する。数時間の電解によっても陰極表面にカルシウムが析出する可能性があるが，極性反転が行われ，電極表面に多量の水素イオンを発生させることでカルシウムが溶解する酸性水を生成する。

また，前記電極１，２の近傍には，電極１，または，電極２に対し，常時，負電圧を給電するチタン製の殺菌用電極２６を独立して設け，電極１および電極２間のインピーダンスをＺ２としたとき，電極対を構成する各電極１，２とチタン電極２６間のインピーダンスＺ１を同等に保ちつつ，電解電流とチタン溶出に要する通電電流との比率でＺ１，Ｚ２を構成できる様，電極対１，２および殺菌用電極２６を配設する。従来の電解式水素水生成装置では，前記殺菌用電極２６を常時陰極として用い，このとき陽極となる電極１または，電極２との間に微弱電流を通電して極微少量のチタンを溶出させ，装置内や後段の活性炭ブロック４での細菌の発生を抑制している。
なお，前記殺菌用電極２６には，電極１，または，電極２に対して，常時，負の直流電圧を電源ユニット７より供給する。

浄水を目的として活性炭等の吸着材料を要する一般の水処理装置では，吸着材料充填部での細菌の発生を抑制するため，抗菌作用を有する銀添着加工を施した活性炭を原料とする技術（特許文献１）やミネラル徐放粒子を添加した活性炭フィルタを利用し，活性炭フィルタから徐放されるカルシウム，マグネシウムによって細菌の繁殖を抑制する技術（特許文献２）が利用されるが，特許文献３では細菌繁殖を抑制するためにチタンを溶出させる方法をとっている。
特開平１１−２２６５７０特開２００３−１４４８２１特開２００６−４３６１０

さらに，特許文献３では，活性炭粉末をポリエチレン等のバインダを用いて中空柱状に成形した有機汚濁物質の吸着保持能を有する活性炭ブロック４を形成し，数μｍ程度の極めて微細な細孔を備えさせる発明が開示されている。

ろ過ユニット６内に貯留された電解ガスは活性炭ブロック４および活性炭粉末が有する無数の細孔に流入し，活性炭ブロック４内に電解ガスが吸蔵される。
なお，電解ガスの発生にともなう容器内圧の上昇により，貯留水は活性炭ブロック４の外周から浸透し，中心部の貫通穴５に浸み出て，圧力調整弁１５を介して送水管１６からドレン水として排出される。

水道蛇口１２を開放して通水状態とすると，水道水はフロースイッチ１３および電解槽３を介してろ過ユニット６に導水され，活性炭ブロック４の外周から浸透して貫通穴５から排出される。このとき，活性炭ブロック４内に吸蔵された電解ガスと水道水が接触し，電解ガスが水中に拡散，溶解する。

なお，電気分解を継続するとろ過ユニット６および電解槽３内の貯留水が完全に電解ガスで置換され，電極１，２が電解ガス層１７に露出する。何らかの理由により電極１および電極２の間が短絡した場合，電解に消費されない無駄な電力を浪費するだけでなく，高濃度の水素ガスと酸素ガスで構成される電解ガスが短絡時に発生するアーク（火花）により発火現象や爆発現象をともなう場合がある。このような危険を防止するため，通水開始時のフロースイッチ１３からの起動信号によって電源ユニット７から電極１，２への給電をスタートすることで電解を開始させ，電極１，２が電解ガス中に露出する前にタイマー１１によって一定の時間で電源ユニット７からの給電を自動停止するように構成している。
なお，上述のタイマー制御方法の代替として，電解槽３内の上部，あるいは，ろ過ユニット６内の下部にフロートスイッチ等の水位センサーを設け，電解槽３内が常に貯留水で満たされる様，電源ユニット７の給電を水位センサーで制御する方法が用いられることもある。

電解停止後，水道蛇口１２が開放され，水道水が電解式水素水生成装置に導水されると，電源ユニット７にフロースイッチ１３の起動信号が入力され，再度，電気分解が開始される。

水の電気分解で生じる化学反応を化学式１に記する。
（化１）
２Ｈ_２Ｏ＋２ｅ→Ｈ_２＋２ＯＨ⁻ … （１）
２Ｈ_２Ｏ→Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ … （２）
Ｈ_２Ｏ→Ｈ_２＋１／２Ｏ_２ … （３）

（１）式は陰極反応，（２）式は陽極反応，（３）式は前記（１），（２）式を踏まえた系全体としての反応を示す。
（３）式に表されるように，水の電気分解によって発生する電解ガスは，水素ガス容積：酸素ガス容積が２：１の割合で構成されるため，約65％の高濃度の水素ガスが貯留することになる。また，活性炭ブロック４を構成する活性炭粉末とバインダの間隙が数μｍ程度の極めて微細な細孔を形成し，かつ，構成要素である活性炭粉末表面にはｎｍ〜μｍオーダーの無数の細孔を有している。このため，活性炭ブロック４内に貯留した電解ガスは，水道水と混合されて活性炭ブロック４から微細な気泡となって押し出され，この結果，高濃度の水素水が生成されることになる。

前述した従来の電解式水素水生成装置においては，電解用電極は，極性反転回路を備えることで負電圧印加時に付着したカルシウムを正電圧印加時に電極面に発生する多量の水素イオンを含んだ水，いわゆる酸性水によって溶解することで除去できるが，殺菌用電極については，常時，負電圧を印加するため，長期間の運転や水道水の硬度が高い地域では，電極表面にカルシウム等のミネラル成分が堆積して電解電流が低下する課題があった。電解電流の低下にともない殺菌用電極のチタン溶出量が低下し，安定した制菌効果を得ることが困難となるため，例えば，クエン酸等の酸性溶液を調製し，定期的に洗浄作業を行う必要があった。

上述の課題を解決するために，本発明の電解式水素水生成装置では，給水管と，それに接続された電解槽と，電解槽中の相互に対向する一対の電解電極と，その一方の電解電極の上方に配設された殺菌用電極と，前記一対の電解電極に一定期間ごとに相互に正，または，負の直流電圧を供給する電源と，前記一方の電極が陰極となったときのみ，その上方の殺菌用電極に負の電圧を供給する制御手段と，前記電解槽に接続され，電解槽で発生する電解水と電解ガスをろ過するろ過ユニットと，前記ろ過ユニットでろ過された水を外部に導く送水管で構成する。
前記電解電極は，白金，または，白金めっきを施した金属等，酸化反応による電気的特性の変化をうけにくい導電性材料，また，殺菌用電極はチタンで構成し，殺菌用電極と，これに対向する電解電極の間隙には，殺菌用電極の下部に配設された電解電極が陽極になったときに発生する酸素気泡の流れにより，前記陽極近傍で生成する酸性水を殺菌用電極に導くための誘導手段，例えばセパレータ等の遮蔽板を設ける。

また，後段の前記ろ過ユニットには，活性炭粉末をポリエチレン等のバインダを用いて中空柱状に成形した活性炭ブロックを収納する。
さらに，外部には給電電圧の極性を時間制御するための制御回路と定電流機能を有する電源ユニットを備え，前記電解槽の電解電極および殺菌用電極に給電する。

本発明の電解式水素水生成装置によれば，負極性時に微弱電解によってチタン電極表面に析出したカルシウム等のミネラル成分は，下部の電解電極が陽極時に水の電気分解によって発生する酸性水を，同じく電気分解によって発生する酸素気泡の上昇にともなって殺菌用のチタン電極近傍に誘導させることで溶解し，除去することができる。
また，この酸性水の誘導手段として，例えばセパレータ等の遮蔽板を配設することで，各電極で発生する電解ガスの混合を防止し，陽極側で生成する酸性水の酸性度の低下を抑制している。
さらに，チタン電極洗浄時は，チタン電極への給電を停止することでアルカリ性水を生成させず，酸性水による電極の洗浄効率を向上する。

なお，前記セパレータをチタン電極に近接して配設することで，陽極で発生する酸素気泡が陽極近傍に集約されて浮上するため，同時に生成する酸性水を効果的にチタン電極近傍に誘導することができ，カルシウム等，ミネラル成分の洗浄効果をさらに向上することができる。

図１に本発明の電解式水素水生成装置の構成例を示す。
本装置は，下部に水を電気分解し，電解ガス１７を発生させるための電解用電極１，２と，電極１に対向させ，電極２の上方に配設される殺菌用チタン電極２０と，電極１およびチタン電極２０で構成されるギャップ部２２に絶縁材料から成るセパレータ２３で構成される電解槽３，上部に粉末活性炭をバインダにより中空柱状に成形した活性炭ブロック４を収納したろ過ユニット６を配設して成る。
なお，前記電極１，２はチタン等の金属に白金めっきを施した電極を使用し，前記殺菌用チタン電極２０はチタン素材をそのまま使用する。

前記セパレータ２３は，電極１および電極２で発生する電解ガスの気泡が双方向に混入して，電極２で生成される酸性水の酸性度を低下させることを抑制するため，電極１に対向するチタン電極２０表面を覆い隠すように配設する。
なお，セパレータ２３に導電性材料を使用した場合，セパレータ２３が電極２とは逆極性の浮き電極として作用して水電解を行うため，電極２で生成した酸性水の酸性度を低下させる。よって，セパレータ２３は絶縁物で構成するか，あるいは，導電性素材であっても絶縁被覆を施すことが望ましい。
また，電極１を陽極，チタン電極２０を陰極として微弱電流を通電する場合，前記セパレータ２３として，例えば，イオン交換膜のような微細孔を有する絶縁物を利用すれば，電極１および電極２で発生する電解ガスの混入を防止しつつ，電極１とチタン電極２０への給電電圧を低減することもできる。

図３，図４に溶出チタンによる殺菌効果の一例を示す。
図３に示す事例は，陰極にチタン，陽極に白金めっきを施したチタンを用いた本発明の電極構成と，両極とも白金めっきを施したチタンを用いた電極構成として，１Ｌの水道水に対し，電流値（ｍＡ）と通電時間（ｈｏｕｒ）の積で表される通電条件が５０ｍＡ×ｈｏｕｒ（以下，ｍＡ・ｈと略記する）相当となる１０ｍＡで５時間通電した後，一般細菌を投入した場合の生菌数の推移を示したものである。
両極とも白金めっきを施したチタンを用いた電極構成では，生菌数の低下が確認されないことに対し，本発明の電極構成では時間経過に従って明らかな殺菌効果が確認されている。
結果より，本発明の電極構成では，陰極から溶出した微量のチタンが水中に残存するため，通電停止後の水においても殺菌効果が発揮されることがわかる。

図４に示す事例は，図３の条件と同様に，陰極にチタン，陽極に白金めっきを施したチタンを用いて，１Ｌの水に対し，通電条件が５０ｍＡ・ｈ相当となる様，１０ｍＡで５時間通電し，通電前に一般細菌を投入した時の生菌数の推移を示したものである。
生菌数は通電直後より時間経過に伴って減少し，さらに，前述したように通電停止後も生菌数の減少が確認されている。

また，チタン電極の電流値を上昇させ，チタン濃度を増加させることで殺菌効果を向上できる可能性もあるが，低濃度のチタン含有水であっても，細菌が存在しない初期状態から継続的に使用すれば，細菌の増殖を充分に抑制できることから，チタンの溶出に必要となる電流値および通電時間の積で表す通電条件を５０ｍＡ・ｈ相当としている。

図５に電流値および通電時間の積で表される通電条件に対するチタンの溶出量を示す。チタンの溶出量は電流値および通電時間の積の上昇に伴って増加し，本発明の通電条件（貯留水１Ｌに対し，５０ｍＡ・ｈ相当）によるチタンの溶出量は１０^−４ｍｇ程度であり，貯留水のチタン濃度は１０^−４ｍｇ／Ｌ程度になると推察される。

さらに，チタン電極２０は溶出チタンによる殺菌効果が発揮される通電条件を確保するため，電極２とチタン電極２０の電流比率に応じた電極面積で構成する。
上記の殺菌効果を発揮するための通電条件は，前述の溶出チタンによる殺菌効果の検証結果に基づき，数式１に示す条件を満たすように設定する。
（数式１）
Ｉ＝５０ｍＡ・ｈ×Ｖ／ｔ
ここで，数式１に記されるＩはチタン電極の通電電流（ｍＡ），Ｖは本発明による電解式水素水生成装置の貯留水の水量（Ｌ），ｔはチタン電極への給電時間（ｈ）を示す。

なお，電極２の表面積Ｓ２とチタン電極の表面積Ｓ１は，電極１〜電極２間のインピーダンスをＺ２，電極間距離をＬ２，電極１〜チタン電極２０間のインピーダンスをＺ１，電極間距離をＬ１とし，電解ガスの発生に要する電解電流をＩ２，チタン電極の通電電流をＩ１としたとき，数式２の（４）式の関係が成立する。
したがって，電極１〜電極２間の電解電流Ｉ２，電極間距離Ｌ２および電極２の
表面積Ｓ２の設定値に準じて，チタン電極２０の表面積Ｓ１および電極間距離Ｌ１を（４）式の関係を満たすように構成すれば良い。
なお，チタン電極２０の表面積Ｓ１は，チタン電極２０の全対向面積に相当する見掛けの表面積を示すものではなく，微弱電流の通電に奇与する真の表面積を指すものであって，前記セパレータの形態によって変化し，開孔率の低い素材を用いるほど，表面積Ｓ１は小さくなる。
（数式２）
Ｚ１×Ｉ１＝Ｚ２×Ｉ２・・・（１）
Ｚ１＝ρ×Ｌ１／Ｓ１・・・（２）
Ｚ２＝ρ×Ｌ２／Ｓ２・・・（３）
Ｉ１×Ｌ１／Ｓ１＝Ｉ２×Ｌ２／Ｓ２・・・（４）
Ｓ２／Ｓ１＝Ｉ２×Ｌ２／（Ｉ１×Ｌ１）・・・（５）
なお，数式２の（２）式および（３）式に示すρは，水の比抵抗を示す。

前記電極１，２およびチタン電極２０に直流電圧を給電する電源ユニット７は，電極１，２とチタン電極２０で流れる電流を検出する電流センサー９と，電流センサー９の出力信号により出力電圧を可変して電流値を一定に保つレギュレータ１０と，所定の時間で電圧出力を停止するためのタイマ−１１とを備えた定電流電源とする。なお，チタン電極２への給電回路にはダイオード２４を具備し，陰極時のみに通電させ，陽極時には給電を停止することでチタン電極２０の酸化による通電性能の低下を防止する。

電源ユニット７に設けられたトランジスタＳ１Ａ，Ｓ１ＢおよびＳ２Ａ，Ｓ２Ｂを同一のタイミングで開閉動作させることで電極１，２の極性を反転させる。
トランジスタＳ１Ａ，Ｓ１Ｂを開，Ｓ２Ａ，Ｓ２Ｂを閉として電源ユニット７から直流電圧を給電すると，電極１は陽極，電極２は陰極として水の電気分解が開始され，数時間に１回の割合でトランジスタＳ１Ａ，Ｓ１Ｂを閉，Ｓ２Ａ，Ｓ２Ｂを開に切り替え，電極１を陰極，電極２を陽極として電気分解を継続する。電極１，または電極２が陰極となった場合，原水に含まれるミネラル成分，例えば，カルシウムが電極表面に析出するが，上述の極性切替機能により電極１，または電極２が陽極となることで，水の電気分解によって発生した水素イオンによって電極近傍に酸性水が生成され，電極に析出したカルシウムを溶解することができる。なお，カルシウムを多量に含む水道水を使用する場合，前記の極性切替時間を短縮することで電極１および電極２におけるカルシウムの析出を抑制することができる。

チタン電極２０には前記トランジスタＳ１Ａ，Ｓ１Ｂを開，Ｓ２Ａ，Ｓ２Ｂを閉とした条件で負電圧が印加され，微量のチタンを溶出して殺菌作用を発揮させ，
トランジスタＳ１Ａ，Ｓ１Ｂを閉，Ｓ２Ａ，Ｓ２Ｂを開した条件では，ダイオード２４により，給電を停止する。なお，負電圧給電時，チタン電極２０表面には，カルシウムが析出する。
チタン電極への給電停止時，下部の電極２には正電圧が印加され，水の電気分解によって，前記（化１）の（２）式に示す反応により，電解ガスである酸素気泡２５および酸性水が生成する。
酸素気泡は浮力により上部に上昇し，同時に酸素気泡の流れに伴って酸性水がチタン電極２０の近傍に効率良く導かれることで，前述のチタン電極２０表面に析出したカルシウムを溶解，除去する。

さらに，前記セパレータ２３を電極２およびチタン電極２０に近接して配設することで酸素気泡の拡散が抑えられ，同時に生成される酸性水を効率良くチタン電極２０表面に導くことができるため，電極表面に析出したカルシウムの洗浄効果を向上できる。

上述のように構成した電極１，２およびチタン電極２０を備える電解槽３と前記各電極に極性を制御された直流電圧を印加することでろ過ユニット６および下部に配設された電解槽３内部の貯留水が電気分解され，電解ガス１７である水素および酸素がろ過ユニット６の上部に溜まる。同時に，電極２およびチタン電極２０が負極性であるとき，チタン電極２０の通電面から微少量のチタンが溶出し，貯留水中に拡散する。
また，電解ガス１７の発生にともなう容器内圧の上昇により，溶出チタンを含む貯留水は活性炭ブロック４の外周から浸透し，中心部の貫通穴５に浸み出て，圧力調整弁１５を介して送水管１６からドレン水として排出される。
上記のような過程を経て，溶出チタンが貯留水および活性炭ブロック４内の細菌を殺菌し，装置内を清浄な状態に保つことができる。

水道蛇口１２を開放して通水状態とすると，水道水はフロースイッチ１３および電解槽３を介してろ過ユニット６に導水され，貯留された電解ガスと混合された後，活性炭ブロック４の外周から浸透して貫通穴５から排出される。このとき，水道水中に含まれる微量の汚染物質が取り除かれるとともに，混合された電解ガスおよび活性炭ブロック４内に吸蔵された電解ガスが活性炭ブロック４によって微細気泡に変換され，水中に拡散，溶解することで高濃度の水素水を提供する。

次に，上述した本発明における電解槽構造を応用例として，電解電極対の双方の上方にチタン電極を配設した構成を図６に示す。
本装置では，電極１および電極２のいずれの上方にもチタン電極３１，３２を備えていること，およびこれに伴い，チタン電極３１，３２に双方に負電位を印加するための給電回路を備えることを除けば，その他の構成要素や動作条件については，上述の図１に示す装置の構成と同様である。

チタン電極３１は電極１に，また，チタン電極３２は電極２に極性を同期させて電源ユニット７から給電を行い，電流センサー９およびレギュレータ１０によって出力電圧を可変して電流値を一定に保つ。このときチタン電極３１，３２には負電位のみを給電するため，チタン電極３１，３２への給電回路にはダイオード２４を具備する。

上記の構成とすることで，トランジスタＳ１Ａ，Ｓ１Ｂを開，Ｓ２Ａ，Ｓ２Ｂを閉としたとき，電極１が陽極，電極２およびチタン電極３２が陰極として働き，チタン電極３２の表面にミネラル成分，例えばカルシウムが析出する。また，トランジスタＳ１Ａ，Ｓ１Ｂを閉，Ｓ２Ａ，Ｓ２Ｂを開としたとき，電極２が陽極，電極１およびチタン電極３１が陰極として働き，チタン電極３１の表面にカルシウムが析出する。なお，このとき，電極２では水の電気分解によって酸素気泡２５および酸性水が生成される。酸性水は，酸素気泡２５の上昇に伴ってチタン電極３２の近傍に導かれ，チタン電極３２に析出したカルシウムを溶解，除去する。また，チタン電極３１に析出したカルシウムは，極性反転後，電極１で生成する酸性水によって溶解，除去される。

以上，詳述した本発明の電解式水素水生成装置を用いることで，長期間の使用によっても，チタン電極は常に清浄な状態に保たれ，安定した通電性能を確保できるため，細菌汚染の少ない安全な水素水を安定供給することができる。

本発明に係る電解式水素水生成装置の構成を示す図である。従来の電解式水素水生成装置の構成を示す図である。、溶出チタンによる殺菌効果の一例を示す図である。通電条件に対するチタンの溶出量を示す図である。本発明に係る電解式水素水生成装置の構成を示す図である。

符号の説明

１電極
２電極
３電解槽
４活性炭ブロック
５貫通穴
６ろ過ユニット
７電源ユニット
９電流センサー
１０レギュレータ
１１タイマー
１２蛇口
１３フロースイッチ
１５圧力調整弁
１６送水管
１７電解ガス
２０殺菌用チタン電極
２１給電端子
２２ギャップ
２３セパレータ
２４ダイオード
２５酸素気泡
Ｓ１Ａ，Ｓ１Ｂ，Ｓ２Ａ，Ｓ２Ｂトランジスタ
３１，３２チタン電極

Claims

給水管と，それに接続された電解槽と，電解槽中の相互に対向する一対の電解電極と，その一方の電解電極の上方に配設された殺菌用電極と，前記一対の電解電極に一定期間ごとに相互に正，または，負の直流電圧を供給する電源と，前記一方の電極が陰極となったときのみ，その上方の殺菌用電極に負の電圧を供給する制御手段と，前記電解槽に接続され，電解槽で発生する電解水と電解ガスをろ過するろ過ユニットと，前記ろ過ユニットでろ過された水を外部に導く送水管で構成されることを特徴とする電解式水素水生成装置。
電解槽中の相互に対向する一対の電解電極の間に，一方の電解電極が陽極になったときに発生する酸素気泡の流れにより，前記陽極近傍に生じた水素イオンを含んだ酸性水を殺菌用電極に導く誘導手段を設けて，前記殺菌用電極にカルシウム等のミネラル成分の蓄積を防止することを特徴とする請求項１の電解式水素水生成装置。