JP4944913B2

JP4944913B2 - 水素水生成装置

Info

Publication number: JP4944913B2
Application number: JP2009061163A
Authority: JP
Inventors: 義一原田; 建史川嶋; 貴之佐藤
Original assignee: タカオカ化成工業株式会社
Priority date: 2009-03-13
Filing date: 2009-03-13
Publication date: 2012-06-06
Anticipated expiration: 2029-03-13
Also published as: JP2010214242A

Description

本発明は，電気分解を利用して水素水を生成する電解ガス貯留式の家庭用水素水生成装置に関するものである。

従来，図３に示すような水素水生成装置（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５を備える電解槽４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成形体３を備えるろ過ユニット２０から構成される。前記電解用電極５には制御電源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２０内に電解ガスを貯留する。電極５に給電する制御電源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，電解電流を一定に保持するための定電流制御が採用されている。
また，有機汚濁物質の吸着保持能を有する活性炭成形体３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，数μｍ程度の極めて微細な細孔を有する。ろ過ユニット２０内に貯留された電解ガスは活性炭成形体３および活性炭粉末が有する無数の細孔に流入し，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，貯留水は活性炭成形体３の外周から浸透し，中心部の貫通穴１９に浸み出て、排水管３１からドレン水として排出される。

電解停止後，水道蛇口９が開放され，水道水が水素水生成装置に導水されると，制御電源７にフローセンサー８の起動信号が入力され，再度，電気分解が開始される。

水道蛇口９を開放して通水状態とすると，水道水はフローセンサー８および電解槽４を介してろ過ユニット２０に導水され，貯留された電解ガスと混合された後，活性炭成形体３の外周から浸透して貫通穴１９から排出される。このとき，混合された電解ガスおよび活性炭成形体３内に吸蔵された電解ガスが微細気泡に変換され，水中に拡散，溶解し、排水管３１から水素水が供給される。

昨今、水素水はヒドロキシルラジカルなどの活性酸素消去作用をもつ健康志向の飲用水として利用され、より効果を高めるため、高濃度の水素水が要求されており、上記構成による高濃度水素水の生成手段は、家庭等で容易に高濃度水素水を調製するに適した手法である。

水の電気分解で生じる化学反応を化学式１に記する。
（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，活性炭成形体３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とから，水道水と混合されて浸透した水素ガスが数μｍの微細気泡に変換されるとともに，活性炭粉末の細孔に吸蔵された水素ガスがｎｍ〜μｍの微細気泡として水中に流出し，この結果，非常に高濃度の水素水が生成されることになる。

（化１）
２Ｈ_２Ｏ＋２ｅ→Ｈ_２＋２ＯＨ⁻ … （１）
２Ｈ_２Ｏ→Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ … （２）
Ｈ_２Ｏ→Ｈ_２＋１／２Ｏ_２ … （３）

なお，図２に示す従来装置では，制御電源７が常時，直流電圧を給電するが，従来方式を用いた装置で長時間電解を継続した場合には，水道水中に含まれるカルシウムイオンが陰極表面に析出し，陰極および陽極間を閉塞させるため，電気分解の効率を低下させる可能性がある。このため，クエン酸などの酸性溶液で定期的に洗浄する保守作業が必要となる。

この保守作業を解消するため，定期的に電極の極性を反転させる制御回路を備え、陽極印加時に電極表面で生成される酸性溶液を利用してカルシウムの析出を防止する方策が用いられる。
特願２００３−４３４４００

図２に示す上述の従来装置では，供給される全ての水は水素ガスを吸蔵した大型の活性炭成形体を通過して水素水に変換される構造であり、供給できる水素水の量は水素ガスを吸蔵する活性炭成形体の容積に依存するため、連続的に給水した後は、再度、水素水を得るために水素ガスを吸蔵する準備時間が必要となる。水素水を要する必要がなく、単に浄水で事足りる用途、例えば、洗米および生鮮食品の洗浄、食品の解凍など、一般家庭では、飲用以外にも多種多様な用途が想定され、水素ガスが浪費される無駄も多い。

また、水素水は、溶存水素のはたらきで抗酸化作用を発揮するとされており、健康志向の飲用水と位置付けられているが、薬の飲用等、抗酸化作用が災いする可能性のある用途には使用制限が設けられていた。

上述の課題を解決するために本発明の水素水生成装置では，粉末活性炭およびバインダを配合して成形した多孔質活性炭成形体を収納した同一仕様、同一構造の互換性をもつ2つのフィルターユニットを設け、第一のフィルターユニットと下部に電解槽を備えた第二のフィルターユニットとを外部指令により切り替え可能な三方弁を介して接続することで、第一のフィルターユニット通過後の水をそのまま排出する浄水ルートと、第一のフィルターユニットおよび第二のフィルターユニットを連通して水が排出する水素水ルートとを構成する。

前記構成とすることで、第一および第二のフィルターユニットを浄水用途と水素水生成用途にすみ分けし、前記三方弁で水路切り替えを行うことで、浄水、水素水を任意に選択できるようになる。また、第一および第二のフィルターユニットに同一仕様の多孔質活性炭成形体を適用しているため、双方のユニットを入れ替えて使用することもできる。

以上詳述したように，本発明の水素水生成装置によれば，洗米、生鮮食品の洗浄、食品の解凍等の単なる浄水で事足りる用途や薬の飲用に際して、浄水を選択して使用することで、従来装置で問題となる水素ガスの浪費や使用制限を解消できる。

また、第一および第二フィルターユニットが互換性をもつため、第一フィルターユニットが浄水寿命を迎えた後に、第二フィルターユニットに入れ替えて使用すればよく、搭載する活性炭成形体の浄水性能を余すことなく、活用できる。
例えば、第一、第二フィルターユニットに従来装置の１／２容積の活性炭成形体を搭載した場合、前記、浄水、水素水の切り替え機能を備えつつ、従来装置と同様の浄水性能を確保できる。
もちろん、双方のフィルターユニットについては、互換性を持たない構造である場合はフィルタユニット同士の交換ができない場合はあるが、本発明の効果として水素水と浄水の切り替え機能を備えることで、従来装置の課題である水素ガスの浪費や使用制限を解消することができる。

残留塩素や有機塩素化合物に対する浄水機能および電気分解で発生した水素ガスを貯留・吸蔵して水素水を生成する機能を併せ持つ水素水生成装置において、粉末活性炭およびバインダを配合して成形した多孔質活性炭成形体を収納した同一仕様、同一構造の2つのフィルターユニットを設け、双方のフィルターユニットを外部指令により切り替え可能な三方弁を介して接続することで、第一フィルターユニット通過後の水をそのまま排出する浄水ルートと、第一フィルターユニットおよび第二フィルターユニットを連通して水が排出する水素水ルートを構成する。

図１に本発明の水素水生成装置のフロー図を示す。
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成形体３ａ、３ｂを収納した着脱可能な２つのフィルターユニット１、２を備える。本フィルターユニット１、２はいずれも下部に水の導入管１６と排出管１７を有し、ユニット外形、導入管１６、排出管１７の口径、ピッチ寸法等の容器構造および内部に収納する活性炭成形体３ａ、３ｂの構造、寸法、原料配合等の仕様を全て同一とする。

前記フィルターユニットの一方（以下、第二フィルターユニット２と記する。）と連通させ、ユニット２下部に配設した電解槽４には、チタン等の金属に白金めっきを施した一対の電解用電極５を備え、制御電源７から直流、あるいは、定期的に極性を反転する直流電圧が給電され、電解槽４および第二フィルターユニット２内の溜まり水を電気分解して電解ガス１８を発生させ、この電解ガスは浮力によって上部の第二フィルターユニット２内に上昇し、貯留される。

なお、電解ガス１８の貯留時は、前記電解槽４の前段に配設される三方弁６は、Ａ方向の水路を構成させることで、電解ガス１８の発生にともない第二フィルターユニット２の内圧上昇が上昇するため、電解ガス１８はユニット２内に収納された活性炭成形体３ｂの外表面から排出管１７に導通する貫通穴１９に向かって除々に浸透し、結果的に活性炭成形体３ｂには電解ガス１８の水素が吸蔵される。
このとき、電解ガス１８の浸透にともない、第二フィルターユニット２内の滞留水は第二フィルターユニット２の貫通穴１９から排出管１７を介して、ドレン管１３より排水され、第二フィルターユニット２内の圧力上昇が抑えられる。

なお、前述の電解槽４では第二フィルターユニット２を電解ガス１８で満たすに必要な時間、電気分解運転を継続した後に自動停止する。この後、第二フィルターユニット２への通水を、水素水用途の選択信号１５と第一フィルターユニット１の二次側に備えたフローセンサー８の通水検出信号のＡＮＤ条件を制御電源７で自動的に判別し、再度、電気分解を始動する運転制御を行う。

前記第二フィルターユニット２の下部に備えられた電解槽４と他方のフィルターユニット（以下、第一フィルターユニット１と記する）は、外部信号によって水路切り替えを可能とした三方弁６を介して接続されており、ユーザーが浄水用途を選択した場合、Ａ方向の水路、水素水用途を選択した場合、Ｂ方向の水路を構成する様、弁の切り替え動作が行われる。

ユーザーが浄水選択スイッチ１４を押し、水道蛇口９を開くと、第一フィルターユニット１の導入管１６より水道水１０が供給され、ユニット１内の活性炭成形体３ａでろ過させることで、水道水に含まれる残留塩素およびトリハロメタン、カビ臭、農薬成分等の不純物を吸着除去し、貫通穴１９から排出管１７およびＡ方向に水路を構成された三方弁６を介して、浄水１１が放出される。

また、ユーザーが水素水選択スイッチ１５を選択すると、三方弁６はＢ方向の水路を構成し、水道蛇口９を開くと、第一フィルターユニット１の導入管１６より水道水１０が供給され、ユニット内の活性炭成形体３ａで不純物を取り除いた後に、排出管１７および三方弁６を介して、電解槽４および上部の第二フィルターユニット２に浄水が供給される。浄水は、第二フィルターユニット２内の活性炭成形体３ｂを通過する際、成形体３ｂ内部に吸蔵された水素ガスと接触し、高濃度の水素水１２として、排出管１７を介して放出される。水道蛇口９を閉じ、通水を停止すると、フローセンサー８の通水検出信号が停止し、制御電源７の指令で三方弁６は自動的にＡ方向の水路に戻り、前記第二フィルターユニット２への電解ガス１８の吸蔵運転が開始する。

なお、水素水用途における通水時、第二フィルターユニット２に供給される浄水は、完全に不純物が取り除かれた状態であるため、第二フィルターユニット２の活性炭成形体３ｂの吸着作用が損なわれることはなく、浄水と水素ガスとの接触媒体としての役割のみを担うことになる。

前述したように活性炭成形体は、残留塩素やトリハロメタン、カビ臭成分、農薬等に対し、優れた吸着作用を示すが、吸着容量には限界があり、一般にフィルター容積に応じて浄水寿命が設定される。

本発明の水素水生成装置においても、使用水量が所定量を超過した時点で第一フィルターユニット１が寿命を迎えるが、前述の通り、第一フィルターユニット１と互換性をもつ第二フィルターユニット２を搭載しているため、所定の使用水量に達した時点で、フィルターユニットを入れ替え、双方の役割を変更して継続使用できる。

図３，４に従来装置および本発明の水素水生成装置における第二フィルターユニット２を従来装置の１／２容積で構成した場合の水素水生成能を示す。

図３に示すように、同一の電解電流で水電解を行った場合、従来装置では、１Lの容積をもつ活性炭成形体３を収納したフィルターユニット２０に対する電解ガス充填時間がｔ１、従来装置の１／２容積である５００ｍLの活性炭成形体３ｂを収納して構成したフィルターユニット２に対する電解ガス充填時間は（１／２）ｔ１であり、この時、同一の通水条件で送水した際に生成される水素水の最高到達濃度はほぼ同等であるが、２倍のフィルター容積をもつ従来装置の方がより多量の水素水を生成できる。例えば、０．５ｍｇ／Ｌ以上の高濃度水素水の生成量は従来装置の方が約１．７倍上回る。

また、図４に示すように、電解時間をいずれも（１／２）ｔ１とした場合、従来装置の最高到達濃度は、１／２容積で構成した本発明のフィルターユニット２に比較し、６０％程度に止まる。従来装置では、フィルター容積が２倍であるため、電解時間が（１／２）ｔ１の場合、フィルターユニット２０内の電解ガスへの置換が５０％であり、同一の通水条件で送水した場合には、水は活性炭成形体３の全体に均一に流れ込むため、電解ガスとの接触効率が低下して水素濃度が充分に上昇しない。

これに対し、１／２容積で構成した本発明のフィルターユニット２では、電解時間が（１／２）ｔ１でユニット２内の電解ガスへの置換が完了するため、流入する浄水とユニット２および活性炭成形体３ｂ内に貯留、吸蔵された電解ガスとの接触効率が高くなり、高濃度の水素水が生成される。

前述したように水素水の主たる用途は、健康増進のための飲用水として利用されるもので、より高い濃度の水素水を生成できる性能が装置に要求される。
家庭用として飲用を主体に利用する水素水生成装置の場合、短時間に少量の水素水を利用されるケースが多く、本発明の水素水生成装置の適用により高濃度水素水の安定供給が実現できる。

以上、詳述した本発明の水素水生成装置の構成として、浄水、水素水の使い分け機能を設けたことで、従来装置のような水素ガスの浪費が解消され、必要に応じて高濃度の水素水を利用できるとともに、薬の飲用等に対する使用制限にも対応できる利便性の高い装置を提供できる。

同時に、２つにフィルターユニット３ａ、３ｂに互換性を設けることで、従来装置と同等の浄水性能を確保した高機能の水素水生成器を実現できる。

本発明に係る実施例１の構成示す図である。従来の水素水生成装置の構成を示す図である。本発明による水素水生成装置の電解時間を（１／２）ｔ１、従来装置の電解時間をｔ１とした場合の水素水生成能を示す図である。本発明による水素水生成装置および従来装置の電解時間を（１／２）ｔ１とした場合の水素水生成能を示す図である。

１第一フィルターユニット
２第二フィルターユニット
３、３ａ、３ｂ活性炭成形体
４電解槽
５電極
６三方弁
７制御電源
８フローセンサー
９水道蛇口
１０水道水
１１浄水
１２水素水
１３ドレン管
１４浄水選択スイッチ
１５水素水選択スイッチ
１６導入管
１７排出管
１８電解ガス
１９貫通穴

Claims

残留塩素や有機塩素化合物に対する浄水機能と、電気分解で発生した水素ガスを活性炭成形体に貯留・吸蔵して水素水を生成する機能とを併せ持つ水素水生成装置において、粉末活性炭およびバインダを配合して成形した多孔質活性炭成形体を収納した同一仕様、同一構造の互換性をもつ2つのフィルターユニットを設け、第一のフィルターユニットと、第二のフィルターユニットの取水側に接続した電解槽を、外部指令により切り替え可能な三方弁を介して接続することで、第一のフィルターユニット通過後の水をそのまま排出する浄水ルートと、第一のフィルターユニットおよび第二のフィルターユニットを連通して水が排出する水素水ルートとを構成したことを特徴とする水素水生成装置。