JP6051386B2

JP6051386B2 - 電解装置

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Publication number: JP6051386B2
Application number: JP2013083025A
Authority: JP
Inventors: 藤原　昭信; 昭信藤原; 法通川崎
Original assignee: HEALTH SUPPORT CENTER CO., LTD.
Current assignee: HEALTH SUPPORT CENTER CO., LTD.
Priority date: 2013-04-11
Filing date: 2013-04-11
Publication date: 2016-12-27
Anticipated expiration: 2033-04-11
Also published as: JP2014205874A

Description

本発明は、電解装置に係り、特に、携帯型電解装置において電気分解する際に好適に利用できる循環ポンプ不要で小型の電解装置に関する。

従来の電解装置は、その一例として、イオン交換膜と、イオン交換膜の両面に密着する一対の電極板、とにより構成された電気分解板と、電気分解板により仕切られた陰極側ガス発生槽及び陽極側ガス発生槽と、を有する電解槽と、電解槽への被電解液の供給及び電気分解板から発生した水素ガス及び酸素ガスの循環排出を行う給水ポンプと、陰極側ガス発生槽及び陽極側ガス発生槽から溢れ出る被電解液をそれぞれ受け取る取水タンクと、を備える（特許文献１の段落００２０及び図１を参照）。

特開２０１１−１７７６５９号公報

しかしながら、従来の電解装置を携帯するなど電解槽が傾斜する場合や、被電解液が増減した場合、電解槽に貯蔵された純水等の被電解液が陰極側ガス発生槽又は陽極側ガス発生槽の一方に偏ってしまうので、好適に電気分解ができないという問題があった。

また、従来の電解装置は、電気分解板から水素ガスを効率よく分離させるため、給水ポンプ及び取水タンク等の種々の循環装置を備えなければならず、電解装置として用いるための小型化及び携帯化が困難であるいという問題があった。

また、従来の電解装置は、イオン交換膜に電極板を固定する大きなボルトやナットが水素ガスを吸着してしまうなど、電気分解板から水素ガスを効率よく分離（排出）させることができないという問題があった。

また、電解装置として用いるためには適さない上記以外の種々の不具合も多数存在するという問題があった。

そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、電解槽が傾斜した場合や被電解液が増減した場合であっても、発生ガスの効率的な発生及び排出、小型化、携帯性の問題などの従来技術における種々の不具合を改善した新規の電解装置を提供することを本発明の目的としている。

（１）前述した目的を達成するため、本発明の電解装置は、陽極板及び陰極板からなる一対の電極板を有する電気分解板と、陽極板及び陰極板の各表面に密着する吸液部材と、吸液部材に吸液される被電解液を貯蔵する電解槽と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、吸液部材が被電解液を吸液することを利用して、被電解液が循環装置を利用することなく吸液部材と電極板との密着面に供給されるので、電解槽が傾斜した場合や被電解液が増減した場合であっても、電気分解板による電気分解から得られる電解生成物を所定量だけ発生させることができる。また、吸液部材が被電解液を吸収するので、電解槽から被電解液が漏れることを抑制又は防止することができる。

（２）また、本発明の電解装置において、電気分解板は、一対の電極板に密着すると共に液体及び気体の通過孔を有しないイオン交換膜を有しており、吸液部材は、電極板と電極板の相対位置に設けられた電解槽の内壁との間に配置されていると共に、電極板から電解槽の内壁までの距離と同等以上の厚さに構成されている、ことが好ましい。

本発明によれば、一対の電極板がイオン交換膜の両面にそれぞれ密着しているので、被電解液が純水のような電気分解が困難な液体でも容易に電気分解することができる。また、被電解液の弾性力又は吸液膨張力によって一対の電極板がイオン交換膜に密着するので、電気分解により電気分解板から発生する発生ガスの発生量を増加させることができる。

（３）また、本発明の電解装置において、電解槽は、略閉じた容器を上下方向に分割して得たような形状に形成されており、一対の電極板よりも一回り大きなイオン交換膜の周縁部をシール部材として挟むと共に、一対の電極板の周縁部をイオン交換膜に押し付ける２個の分割ケースと、２個の分割ケースを一体に締結する締結部と、を有することが好ましい。

本発明によれば、電解槽の構造を簡素化することができる。また、２個の分割ケースがイオン交換膜の周縁部をシール部材として挟むため、２個の分割ケースの周縁部にソフトガスケット等のシール部材を用いずとも、電解槽の密封性を確保することができる。また、２個の分割ケースが一対の電極板の周縁部をイオン交換膜に押し付けるため、ボルト及びナットやリベットなどの固定部材を用いずとも、一対の電極板をイオン交換膜に密着させることができる。

（４）また、本発明の電解装置において、電解槽は、電気分解板によって仕切られる陰極側ガス発生槽及び陽極側ガス発生槽と、陰極側ガス発生槽及び陽極側ガス発生槽にそれぞれ設けられる陰極側発生ガス排出口６２２及び陽極側発生ガス排出口６２１と、陰極側ガス発生槽及び陽極側ガス発生槽の各下部を接続する接続チューブ８と、を有する、ことが好ましい。

本発明によれば、電気分解板が陰極側ガス発生槽及び陽極側ガス発生槽を空間分離する電解槽の仕切板になるので、電気分解板に通電したときに陰極側ガス発生槽及び陽極側ガス発生槽から別個に発生する各発生ガスを混合させることなく、それらを分離発生させることができる。また、分離発生した各発生ガスを陰極側発生ガス排出口６２２及び陽極側発生ガス排出口６２１から分離排出することができる。また、接続チューブ８により、陰極側ガス発生槽及び陽極側ガス発生槽の一方に偏った被電解液を他方に移動させることができる。また、接続チューブ８を通って被電解液が移動することにより、陰極側ガス発生槽及び陽極側ガス発生槽に生じた圧力差を緩衝することができる。

（５）また、本発明の電解装置において、被電解液は、純水であり、陰極側発生ガス排出口６２２は、陰極側発生ガスとしての水素ガスを鼻や口その他の吸引口に導くカニューレに接続されており、陽極側発生ガス排出口６２１は、陽極側発生ガスとしての酸素ガスを排出すると共に、被電解液の供給口として用いられる、ことが好ましい。

本発明によれば、陰極側発生ガス排出口６２２がカニューレに接続されていることにより、水素ガスを高効率かつ安全に吸引することができるので、活性酸素除去や成人病予防等の健康の改善及び向上を図ることができる。また、陽極側発生ガス排出口６２１から酸素ガスを排出することにより、陽極側ガス発生槽の圧力が大気圧になるので、陰極側ガス発生槽に貯蔵される被電解水の液位が急激に上昇することを抑制することができる。また、陽極側発生ガス排出口６２１が被電解液の供給口として兼用されることにより、電気泳動等により陰極側ガス発生槽側よりも消費しやすい陽極側ガス発生槽側の被電解液を、別個に供給口を設けることなく、陽極側ガス発生槽のみに供給することができる。

（６）また、本発明の電解装置において、接続チューブ８は、被電解液を排出する液体排出口８０１を有する、ことが好ましい。

本発明によれば、接続チューブ８により被電解水の液位が同等になった陰極側ガス発生槽及び陽極側ガス発生槽のほぼ中間に排出口が位置するので、被電解液を効率よく排出することができる。

（７）また、本発明の電解装置において、吸液部材は、吸液繊維である、ことが好ましい。

本発明によれば、スポンジ等と比較して、吸液性及びガス排出性の両方を向上させることができる。

（８）また、本発明の電解装置において、一対の電極板は、その上方に内角４５度以下の頂角を有する複数の通過孔をそれぞれ有する、ことが好ましい。

本発明によれば、頂角が４５度以上の通過孔や上部形状が半円形又は半楕円形の通過孔と比較して電気分解板による電解効率を約１０〜１５％向上させることができる。これにより、電解槽に循環ポンプを取り付けなくても陰極側ガス発生槽から陰極側発生ガスを取り出すことができる。

（９）また、本発明の電解装置は、被電解液の液位が所定以下に下降したことにより被電解液の不足を警告する警告手段と、を更に備える、ことが好ましい。

本発明によれば、電解装置の外部から電解槽に貯蔵された被電解液の液位を目視することができなくても、被電解液の不足を認知することができる。

（１０）また、本発明の電解装置は、電気分解板に電解電力を供給すると共に、電解装置に内蔵される携帯型バッテリと、を更に備える、ことが好ましい。

本発明によれば、電解装置を携帯することができる。

本発明の電解装置によれば、電解槽が傾斜した場合や被電解液が増減した場合であっても、発生ガスの効率的な発生及び排出、小型化、携帯性の問題などの従来技術における種々の不具合を改善した新規の電解装置を提供することができるという効果を奏する。

図１は、本実施形態の電解槽の内部を示す縦断面図である。図２は、本実施形態の電解槽を陰極側ガス発生槽側から示す側面図である。図３は、本実施形態の直流電圧供給回路を示す回路図である。図４は、本実施形態の電極板に形成された通過孔が円形の場合における水素ガスの発生状態を示す概念図である。図５は、本実施形態の電極板に形成された通過孔の頂角が約１２０度の場合における水素ガスの発生状態を示す概念図である。図６は、本実施形態の電極板に形成された通過孔の頂角が約３０度の場合における水素ガスの発生状態を示す概念図である。図７は、通過孔の頂角と水素ガス発生量との関係を示すグラフである。

以下、本発明の電解装置をその一実施形態により説明する。

［電解装置１の概要］
本実施形態の電解装置１は、一般家庭内等における活性酸素除去や成人病予防などのための吸引用、理化学実験用、臨床実験用等を目的として、少量（平均２〜３ｍｌ／ｍｉｎ、最大約３ｍｌ／ｍｉｎ）かつ高純度（約９９％）の水素ガスを長時間（例えば約６時間）かつ低圧（大気圧＋約１００Ｐａ程度（１ｍｍ水柱≒１０Ｐａにて換算した。））で発生させるための装置である。そのため、本実施形態の電解装置１には、小型、軽量、携帯性、操作容易性、低価格など、水素ガスを吸引する患者が場所や時間を問わず、気軽かつ安全に使用できることが要求される。

本実施形態の電解装置１は、純水（１３）などの被電解液１３を電気分解することにより水素ガスなどの陰極側発生ガスを発生させる。

ここで、イオン交換樹脂による精製後に慮過して得た純水には電気伝導度がないため、純水を電気分解するには、一般的に、（Ａ）硫酸などの酸や水酸化ナトリウム、水酸化カリワムなどのアルカリを純水に添加した被電解液に隔膜を介して電気分解させる方法、又は、（Ｂ）イオン交換膜に陽極と陰極の通電電極を密着させた電気分解板を電解槽内の中央に配置し、循環ポンプにて純水を注入しながら電気分解を行う方法、を採用することが多い。

本実施形態の電解装置１は、上記（Ｂ）の電気分解法における電気分解板５を用いて、純水（１３）に添加物を添加することなく純水（１３）を直接的に電気分解する。ただし、本実施形態の電解装置１は、小型、軽量、携帯性、価格等の観点から、従来の電気分解システムに一般的に必須とされてきた、循環ポンプ、圧力センサ、水位センサ、電磁弁などを必要としない。

また、本実施形態の電解装置１は、高純度の水素ガスを得るため、発生する水素ガス及び酸素ガスを完全に分離し、かつ、他の不純物が混入しないようにする必要がある。そのため、電解装置１の内部において、水素ガス発生源と酸素ガス発生源とを完全に空間分離し、かつ、純水（１３）以外の添加物が混入しないような構造が必要である。

［電解装置１の全体構成］

本実施形態の電解装置１は、小型及び軽量化により主として携帯使用を可能にするため、アクリル樹脂やポリカーボネート樹脂等の透明樹脂により形成された幅１００ｍｍ×高さ１４０ｍｍ×奥行３０ｍｍの保護筐体に収納されている。また、本実施形態の電解装置１の重量は、携帯性を重視するため、約３３０ｇとなっている。

この電解装置１は、保護筐体の内部に、電気分解板５、吸液部材４と、電解槽６、直流電圧供給回路３と、を備える。

［電気分解板５］
図１は、本実施形態の電解装置１の内部を示す縦断面図である。図２は、本実施形態の電解装置１の内部の概略を示す側面図である。なお、図２においては、理解を容易にするため、吸液部材４を除いている。

電気分解板５は、図１及び図２に示すように、一対の電極板５００及びイオン交換膜５１０を有する。一対の電極板５００は、図１に示すように、イオン交換膜５１０の両面に配置されている。

（電極板５００）
一対の電極板５００は、陽極板５０１及び陰極板５０２により構成される。電気分解板５により被電解液１３としての純水（１３）が電気分解された場合、陽極板５０１側から酸素ガス（Ｏ_２）が発生し、陰極板５０２側から水素ガス（２Ｈ_２）が発生する。

陽極板５０１としては、イリジウム（Ｉｒ）メッキしたチタニウム製のエキスパンドメタルを用いることが好ましい。また、陰極板５０２としては、白金（Ｐｔ）メッキしたチタニウム製のエキスパンドメタルを用いることが好ましい。

陽極板５０１及び陰極板５０２として用いるエキスパンドメタルは、イオン交換膜５１０との密着性を高めるため、平滑処理されていることが好ましい。また、上記のエキスパンドメタルは、同一のメッシュ形状及びメッシュ寸法に設定されている。

また、本実施形態における上記のエキスパンドメタルは、高さ８０ｍｍ×幅２０ｍｍ×厚さ０．３〜０．５ｍｍに設定されている。また、本実施形態における上記のメッシュの形状は上下方向を長手方向とする縦長のひし形形状であり、メッシュ開口部の総表面積は、エキスパンドメタルの表面積全体の６０％以上に設定されている。

また、陽極板５０１及び陰極板５０２は、直流電圧供給回路３に接続される陽極側リード線５２１及び陰極側リード線５２２がそれぞれ溶接されている。

（電極板５００の通過孔５０３）
次に、一対の電極板５００に設けられる複数の通過孔５０３を説明する。

図４は、本実施形態の電極板５００に形成された通過孔５０３が円形の場合における水素ガスの発生状態を示す概念図である。図５は、本実施形態の電極板５００に形成された通過孔５０３の頂角５０４が約１２０度の場合における水素ガスの発生状態を示す概念図である。図６は、本実施形態の電極板５００に形成された通過孔５０３の頂角５０４が約３０度の場合における水素ガスの発生状態を示す概念図である。

一対の電極板５００は、図１及び図２に示すように、複数の通過孔５０３をそれぞれ有することが好ましい。通過孔５０３は、図４に示す円形状、図５に示す頂角５０４が約１２０度の横長の菱形形状、図６に示す頂角５０４が約３０度の縦長の菱形形状など、種々の形状を採用することができる。そのなかでも、通過孔５０３は、図６に示すように、その上方に内角４５度以下の頂角５０４を有する形状に形成されていることが好ましい。

本実施形態における一対の電極板５００は、上記したエキスパンドメタルである。そのため、本実施形態においては、エキスパンドメタルの各メッシュを複数の通過孔５０３として採用している。

（イオン交換膜５１０）
イオン交換膜５１０は、図１に示すように、純水（１３）の吸収により膨張する平滑な弾性膜である。イオン交換膜５１０としては種々の市販品を利用することができる。本実施形態のイオン交換膜５１０は、デュポン社製イオン交換膜「ＮａｆｉｏｎＮ−１１７ＣＳ」である。この場合、イオン交換膜５１０は、純水（１３）の吸収により約１２〜１５％膨張する。また、本実施形態のイオン交換膜５１０は、一対の電極板５００よりも一回り大きく、高さ１００ｍｍ×幅４０ｍｍ×厚さ０．１７ｍｍに設定されている。

また、イオン交換膜５１０は、液体及び気体が自由に通り抜ける通過孔を有しない。

（吸液部材４）
吸液部材４は、図１に示すように陽極板５０１の表面及び陰極板５０２の表面にそれぞれ密着している。この吸液部材４は、電極板５００と電極板５００の相対位置に設けられた電解槽６の内壁との間に配置されていることが好ましい。また、吸液部材４は、電極板５００から電解槽６の内壁までの距離と同等以上の厚さに構成されていることが好ましい。

吸液部材４は、吸液繊維やスポンジなど、吸液性がある素材である。ここで、吸液部材４としては、毛管現象による液体吸引性を有し、かつ、発生ガスの排出を妨げることがないように、吸液繊維であることが好ましい。例えば、吸水繊維としては、植物繊維、天然パルプ、ポリエステル系繊維と称する吸水性の繊維素材を加工したものが好ましい。

［電解槽６］
本実施形態の電解槽６は、図１に示すように、電気分解板５を仕切板として、陰極側ガス発生槽６０２及び陽極側ガス発生槽６０１の２室に仕切られている。陰極側ガス発生槽６０２は、陰極側発生ガスとしての水素ガスが発生する陰極板５０２側に形成される槽である。また、陽極側ガス発生槽６０１は、陽極側発生ガスとしての酸素ガスが発生する陽極板５０１側に形成される槽である。これら陰極側ガス発生槽６０２及び陽極側ガス発生槽６０１は、所定の水位（液位）に保たれた被電解水をそれぞれ貯蔵している。被電解液１３は、導電性の有無に関係なく、液体であればよい。本実施形態においては、水素ガスを発生させるため、被電解液１３として純水（１３）が用いられている。

本実施形態の電解槽６は、縦長に伸びる中空直方体形状に形成されており、その寸法は、図２に示すように、電解槽６の正面から見て、高さ１００ｍｍ×幅４０ｍｍ×奥行き１６ｍｍに設定されている。

また、本実施形態の電解槽６における理想的な水位は、電気分解板５による電解効率の向上と純水（１３）の溢出防止を考慮し、吸液部材４の上端から約５ｍｍ上方に設定されている。また、本実施形態における電解槽６の水位（陰極側ガス発生槽６０２の水位及び陽極側ガス発生槽６０１の水位）の変化は、約±５ｍｍの範囲に設定されている。

また、本実施形態の電解槽６は、図１及び図２に示すように、２個の分割ケース６１１、締結部６１２、陰極側発生ガス排出口６２２、陽極側発生ガス排出口６２１、及び、接続チューブ８、を有することが好ましい。

（分割ケース６１１）
２個の分割ケース６１１は、図１及び図２に示すように、縦長（上下方向）に伸びる中空直方体形状の略閉じた容器を上下方向に分割して得た形状に形成されている。略閉じた容器とは、陰極側発生ガス排出口６２２、陽極側発生ガス排出口６２１、及び、接続チューブ８の接続口を除き、閉じた容器の意味である。この分割ケース６１１は、アクリル樹脂等の透明プラスチック製であり、電気分解板５から水素ガス及び酸素ガスの発生、電解槽６内の純水（１３）の水位等が確認可能になっている。また、分割ケース６１１の寸法は、それぞれ、図２に示すように、電解槽６の正面から見て、高さ１００ｍｍ×幅４０ｍｍ×奥行き８ｍｍに設定されている。

また、２個の分割ケース６１１は、図１に示すように、イオン交換膜５１０の周縁部をシール部材として挟むように配置されている。このイオン交換膜５１０は、一対の電極板５００よりも一回り大きく形成されている。また、分割ケース６１１におけるイオン交換膜５１０との接触面は、平滑に形成されている。

また、２個の分割ケース６１１は、図１に示すように、一対の電極板５００の周縁部をイオン交換膜５１０に押し付けるように配置されている。この２個の分割ケース６１１における一対の電極板５００の周縁部との接触面には溝部６１３が形成されている。この溝部６１３の深さは、陽極板５０１又は陰極板５０２の厚さと同等又はそれ以下に形成されている。そのため、陽極板５０１及び陰極板５０２が溝部６１３にそれぞれ配置され、２個の分割ケース６１１が締結部６１２によって締結されたとき、一対の電極板５００がイオン交換膜５１０を押し付けるようになっている。

なお、一対の電極板５００及びイオン交換膜５１０を２個の分割ケース６１１で挟み、その２個の分割ケース６１１を締結部６１２で締結することにより電解槽６を形成した後、この電解槽６に純水（１３）を給水し、電解槽６の漏れ実験を行った。電解槽６への給水から長時間（約５０時間）経過後であっても、電解槽６から純水（１３）の漏れを確認することができなかった。そのため、供給された純水（１３）で膨張したイオン交換膜５１０の周縁部は、２個の分割ケース６１１の合わせ面におけるソフトガスケットの役割を十分に果たしているといえる。

（締結部６１２）
締結部６１２は、図１に示すように、２個の分割ケース６１１を締結する。締結部６１２としては、図１に示すように、陰極側ガス発生槽６０２又は陽極側ガス発生槽６０１を正面から見たときの分割ケース６１１の周縁において２個の分割ケース６１１を貫通する複数のボルト及びナットであることが好ましい。

（陰極側発生ガス排出口６２２）
陰極側発生ガス排出口６２２は、図１に示すように、陰極側ガス発生槽６０２の上部に設けられる。この陰極側発生ガス排出口６２２は、陰極側発生ガスとしての水素ガスを鼻や口その他の吸引口に導くカニューレに接続されていることが好ましい。

（陽極側発生ガス排出口６２１）
陽極側発生ガス排出口６２１は、陽極側ガス発生槽６０１に設けられる。この陽極側発生ガス排出口６２１は、陽極側発生ガスとしての酸素ガスを排出すると共に、被電解液１３の供給口として用いられる。被電解液１３の供給は、スポイトや注射器を用いて行われる。

（接続チューブ８）
接続チューブ８は、陰極側ガス発生槽６０２及び陽極側ガス発生槽６０１の各下部を接続する。接続チューブ８が陰極側ガス発生槽６０２及び陽極側ガス発生槽６０１の各下部で接続される理由は、陰極側ガス発生槽６０２又は陽極側ガス発生槽６０１の一方から他方に陰極側発生ガスとしての水素ガス又は陽極側発生ガスとしての酸素ガスを移動させないためである。

この接続チューブ８は、中間部あたりに被電解液１３を排出する液体排出口８０１を有することが好ましい。液体排出口８０１には、非排出時に排出キャップ８０２が取り付けられている。そして、被電解液１３の排出時に、その排出キャップ８０２を取り外すことにより、液体排出口８０１から被電解液１３が排出される。

［直流電圧供給回路３］
直流電圧供給回路３は、図３に示すように、電源３０１、直流電圧調節回路３０６、電流計３０７、及び、警告手段３０８、を備える。

（電源３０１）
電源３０１は、電気分解をするための電力を電気分解板５に供給するものである。この電源３０１は、携帯型バッテリ３０５及び電源スイッチ３０３により構成されていることが好ましい。携帯型バッテリ３０５としては、アルカリ乾電池などの乾電池、リチウムイオン電池やニッケル水素電池などの二次電池など、電解装置１の保護筐体に内蔵される寸法に構成されていることが好ましい。また、携帯型バッテリ３０５の電源電圧はＤＣ約３〜６Ｖに設定されており、その消費電流は０〜２Ａに設定されている。携帯型バッテリ３０５の充電方法としては、携帯型バッテリ３０５にＡＣアダプタを接続し、コンセントから給電することが好ましい。

また、電源スイッチ３０３としては、電源３０１から供給される電力をオン又はオフする切替スイッチであることが好ましい。

（直流電圧調節回路３０６）
直流電圧調節回路３０６は、電源３０１から所定の直流電圧を供給する回路である。所定の直流電圧は、電解装置１から排出される水素ガスが爆発しない程度の排出量（例：最大１０ｍｌ／ｍｉｎ程度）及び排気圧（１５０〜５００Ｐａ）を最大値の基準として設定されている。所定の直流電圧の値は、図２に示すように、直流電圧供給回路３に接続された設定用ボリューム３０２により制御することが可能である。

（電流計３０７）
電流計３０７は、発生ガスの発生量（ｍｌ／ｍｉｎ）が電流値（Ａ）に比例するという試験結果に基づき、電流値（Ａ）を発生ガスの発生量（ｍｌ／ｍｉｎ）で表示する。電流計３０７としては、アナログ計及びデジタル計のいずれであってもよい

（警告手段３０８）
警告手段３０８は、被電解液１３の液位が所定以下に下降したことにより、被電解液１３の不足を警告する。この警告手段３０８は、検出回路３０９、抵抗器３１０、ＬＥＤ３１１を有する。検出回路３０９は、電圧が大幅に降下したことを検出したときに電源３０１からの電力をＬＥＤ３１１に供給する回路である。抵抗器３１０は、陽極側リード線５２１に直列に接続されていると共に、検出回路３０９に並列に接続されている。抵抗器３１０としては、低抵抗（例えば約０．１Ω）であることが好ましい。ＬＥＤ３１１は、検出回路３０９に接続されており、検出回路３０９から電力が供給されたときに発光する。

次に、本実施形態の電解装置１における作動原理を説明する。

［ガスの発生開始］
図１に示すように、電源スイッチ３０３をオンにすると、確認ランプ３０４が点灯し、図２に示すように、直流電圧供給回路３から所定の直流電圧及び電流が電気分解板５に供給される。直流電圧供給回路３から供給される所定の直流電圧及び電流の変更は、図１及び図２に示すように、設定用ボリューム３０２の操作によって可能になっている。

直流電圧供給回路３から供給される電流は、電気分解板５の陽極板５０１及び陰極板５０２にそれぞれ供給される。また、陽極板５０１及び陰極板５０２からなる一対の電極板５００は、２個の分割ケース６１１及び吸液部材４によってイオン交換膜５１０の両面に密着している。そのため、電解槽６に供給された純水（１３）に酸やアルカリなどの電解促進物を添加することなく、被電解液１３としての純水（１３）が電気分解される。その結果、陰極板５０２及びイオン交換膜５１０の接触面から陰極側発生ガスとしての水素ガスが発生すると共に、陽極板５０１及びイオン交換膜５１０の接触面から陽極側発生ガスとしての酸素ガスが発生する。

（水素ガスの早期離脱）
一対の電極板５００は、エキスパンドメタルにより構成されている。このエキスパンドメタルは、頂角５０４が４５度以下に設定された複数の通過孔５０３（メッシュ）５０３を有する。そのため、気泡径ナノレベルの水素ガス及び酸素ガスの気泡１５が初期段階で発生し、図６に示すように、気泡径ミリレベルの気泡１５に成長する前に、気泡径マイクロレベルの気泡１５の状態で一対の電極板５００から離脱する。

ここで、通過孔５０３の形状が、図６に示すように、その上方に内角４５度以下の頂角５０４を有する形状であることが好ましい理由を説明する。

電気分解板５によって純水（１３）が電気分解される場合、陰極側発生ガスとしての水素ガスは陰極板５０２とイオン交換膜５１０との接触面で発生し、陽極側発生ガスとしての酸素ガスは陽極板５０１とイオン交換膜５１０との接触面で発生する。そして、水素ガス及び酸素ガスは、それぞれ、気泡１５となって発生する。

ここで、水素ガス及び酸素ガスの各気泡径は、それらの接触面付近においてナノレベルである。そのサイズの気泡１５は、電極板５００の通過孔５０３内において接触面側から各電極板５００の外側に移動される際にマイクロレベルの気泡径にまで成長する。

そのため、気泡１５がマイクロレベルからミリレベルの気泡径にまで成長する前に電極板５００の通過孔５０３から気泡１５を排出しないと、大きなサイズ（≧ミリレベルの気泡径）の気泡１５が電極板５００の通過孔５０３に滞留してしまい、電極板５００とイオン交換膜５１０との間にも大きなサイズの気泡１５が侵入する。気泡１５は絶縁性であるため、大きな気泡１５が接触面に侵入すると電極板５００とイオン交換膜５１０との間に生じる電解電流が妨害され、電圧上昇や温度上昇を引き起こすので、電気分解板５による電解効率が低下する原因になる。

上記の電解効率の低下は、低電力で駆動する電解装置１にとって深刻な問題になる。また、本実施形態の電解装置１は、被電解液１３としての純水（１３）を供給する給水ポンプや、電解槽６内の純水（１３）を循環させる循環ポンプなど、通過孔５０３内に生じる気泡１５を強制的に循環させる手段を有しない。そのため、気泡１５がミリレベルの気泡径にまで成長させないための通過孔５０３が極めて重要になる。

また、電気分解板５から排出された水素ガス及び酸素ガスの発生ガスは、吸液部材４を通過して電解槽６の外部に排出されなければならない。吸液部材４が吸液繊維のように発生ガスの通過を許容する空間を有する場合、発生ガスの気泡径は小さいほど好ましい。そのため、発生ガスが吸液部材４を通過する観点からも、気泡１５がミリレベルの気泡径にまで成長させないための通過孔５０３が極めて重要になる。

気泡１５がミリレベルの気泡径にまで成長する前に気泡１５を通過孔５０３から排出させるために好適な通過孔５０３の形状を比較するため、図４に示すような円形の通過孔５０３、図５に示すような頂角５０４が約１２０度の通過孔５０３、及び、図６に示すような頂角５０４が約３０度の通過孔５０３など、上部形状が異なる通過孔５０３に対して比較実験を行ったところ、図４〜図６に示すように、通過孔５０３の上部形状の違いに応じて水素ガス発生量に顕著な差を確認することができた。

以下の表１は、上記の実験結果を示している。表１内の水素ガス発生量は、電気分解板５に電流１Ａが供給されたときに水素ガスが７．０ｍｌ／ｍｉｎ発生した実測値に基づいて換算している。また、当実験においては、実験結果の解析を容易にするため、本実施形態の電解装置１において想定している水素ガス発生量の最大量よりも多くの水素ガスを発生させている。

通過孔５０３が円形の場合、表１に示すように、電気分解板５に６Ｖの定電圧を印加すると、陰極に設けられた複数の通過孔５０３から約４．９ｍｌ／ｍｉｎの水素ガスが発生する。また、通過孔５０３が４５〜１８０度の場合、電気分解板５に６Ｖの定電圧を印加すると、電気分解板５における複数の通過孔５０３から約５．６ｍｌ／ｍｉｎの水素ガスが発生する。また、通過孔５０３が３０〜４５度の場合、電気分解板５に６Ｖの定電圧を印加すると、電気分解板５における複数の通過孔５０３から約７．７〜８．４ｍｌ／ｍｉｎの水素ガスが発生する。

図７は、表１から得られた通過孔５０３の頂角５０４と水素ガス発生量との関係を示すグラフである。表１及び図７に示す通り、通過孔５０３の頂角５０４が６０度から４５度に変化する過程において、水素ガス発生量が急激に上昇することが明らかである。これは、通過孔５０３の頂角５０４が４５度以下になると、通過孔５０３内の気泡１５が通過孔５０３の上部に滞留し難くなって通過孔５０３から気泡１５が離脱することによるものと考えられる。

上記の実験により得られたデータから上記の電気分解板５の電解効率を計算してみると、図４及び図５に示すような通過孔５０３が円形状又は通過孔５０３の頂角５０４が４５度以上の電気分解板５の電解効率は約６５〜７０％であった。それに対し、図６に示すような通過孔５０３の頂角５０４が４５度以下の電気分解板５の電解効率は、それらの電解効率から１０〜１５ポイントアップの約８０％であった。

上記の結果は、気泡発生の目視確認からも明らかである。通過孔５０３が円形の場合や、通過孔５０３の頂角５０４が約１２０度の場合、図４及び図５に示すように、通過孔５０３から発生する気泡１５はミリレベルの気泡径であることを確認することができる。それに対し、通過孔５０３の頂角５０４が約３０度の場合、図６に示すように、通過孔５０３から発生する気泡１５はマイクロレベルの気泡径であることを確認することができる。

すなわち、通過孔５０３の形状は、図６に示すように、その上方に内角４５度以下の頂角５０４を有する形状であることが好ましいことがわかる。

（電極板５００の厚さ）
また、気泡１５は、上記の通り、電極板５００の通過孔５０３内において電極板５００とイオン交換膜５１０との接触面側から各電極板５００の外側に移動する。そのため、電極板５００の厚さが薄くなるほど、気泡１５が通過孔５０３内に滞留し難くなるので、通過孔５０３から気泡１５が発生しやすくなることが容易に理解できる。これは、従来の電気分解板５において、イオン交換膜５１０との密着性を向上させるため、厚手の電極板５００を用いていた従来の考え方とは大きく異なる革新的な考え方である。

そこで、本実施形態の電極板５００の厚さは、上記を考慮し、０．３〜０．５ｍｍに設定されている。

（吸液部材４の役割）
一対の電極板５００と電解槽６の内壁との間には、吸液部材４が挿入されている。
吸液部材４が挿入される主な理由は以下の（Ａ）〜（Ｃ）である。

（Ａ）吸液部材４が挿入される第１の主な理由としては、電解装置１を携帯型にするため、被電解液１３が振動や傾斜によって漏れないようにするため、被電解液１３に被電解液１３を吸収させることにより、被電解液１３を電解槽６内に保持するためである。

（Ｂ）吸液部材４が挿入される第２の主な理由としては、イオン導電膜に一対の電極板５００を押し付けるためである。被電解液１３が純水（１３）の場合、純水（１３）の電気伝導度が小さいので、電極だけではほとんど電流が流れない。そのため、イオン導電性を有する素材としてイオン交換膜５１０を利用している。そして、イオン導電膜に一対の電極板５００を均一に密着させなければならない。この密着方法として、電極板５００と電解槽６の内壁との間に耐食性スプリングや支持棒などを設ける方法などがある。しかし、そのような方法では構造が複雑になるだけでなく、電解槽６内の被電解液１３の貯蔵量も減少する。そこで、吸液部材４が、電極板５００から電解槽６の内壁までの距離と同等以上の厚さに構成されている。これにより、電解槽６に被電解液１３を注入すると、吸液部材４が被電解液１３を吸液することにより膨張し、均一に電極を押し付ける。これにより、吸液部材４が一対の電極板５００をイオン導電膜に対して均一に密着させることができる。

（Ｃ）吸液部材４が挿入される第３の主な理由としては、吸液部材４の吸液現象（吸液部材４が吸液繊維の場合は毛管現象）によって被電解液１３の液位が自動制御されることである。電気分解板５による電気分解により生じる電気泳動によって陽極板５０１ら陰極板５０２へ被電解液１３が移動すると、陰極側ガス発生槽６０２に貯蔵された被電解液１３の液位が上昇し、陰極側発生ガス排出口６２２から被電解液１３が溢れてしまうおそれがある。そのため、吸液部材４及び接続チューブ８が配置されていない場合、電解槽６内に液位センサや圧力センサなどを配置したり、陰極側発生ガス排出口６２２に電磁弁などを設置しなければならなかった。

それに対し、本実施形態においては、吸液部材４及び接続チューブ８が配置されている。そのため、上記の電気泳動が生じた場合、陽極側ガス発生槽６０１内に貯蔵された被電解液１３が不足し、陽極側ガス発生槽６０１内の吸液部材４が乾燥状態になる。これにより、陰極側ガス発生槽６０２内の被電解液１３が接続チューブ８を通って陽極側ガス発生槽６０１内の吸液部材４に吸液されるので、陰極側ガス発生槽６０２内でガスが発生し、陰極側ガス発生槽６０２内の液位が変化しやすい状態においても、電解槽６から被電解液１３が溢れることを防止することができる。なお、陽極側ガス発生槽６０１内の液位が上昇した場合は、上記の逆の原理により、電解槽６から被電解液１３が溢れることを防止することができる。

（水素ガス（陰極側発生ガス）の供給）
水素ガス貯留部７１０の上方に貯留された水素ガスは、図１に示すように、カニューレを介して、人体等に供給される。

（被電解液１３が不足した場合の警告方法）
被電解液１３である純水（１３）が不足すると（例えば液位が３０％未満になった場合）、図３に示すように、陽極側リード線５２１に接続された抵抗器３１０に流れる電流が大幅に低下する（例えば、設定電流の５０％以下に低下する。）。これにより、検出回路３０９が抵抗器３１０を介して大幅な電流降下を検知するので、ＬＥＤ３１１は点滅又は点滅により電解装置１の利用者に被電解液１３が不足したことを警告する。

［水素ガスの発生停止］
卓上水素電解装置１からの水素ガスの発生を停止させる場合、図１に示すように、電源スイッチ３０３をオフにし、確認ランプ３０４が消灯することを確認する。

次に、本実施形態の電解装置１の効果を説明する。

（１）本実施形態の電解装置１は、陽極板５０１及び陰極板５０２からなる一対の電極板５００を有する電気分解板５と、陽極板５０１及び陰極板５０２の各表面に密着する吸液部材４と、吸液部材４に吸液される被電解液１３を貯蔵する電解槽６と、を備えることを特徴とする。

本実施形態によれば、吸液部材４が被電解液１３を吸液することを利用して、被電解液１３が循環装置を利用することなく吸液部材４と電極板５００との密着面に供給されるので、電解槽６が傾斜した場合や被電解液１３が増減した場合であっても、電気分解板５による電気分解から得られる水素ガス等の電解生成物を所定量だけ発生させることができる。また、吸液部材４が被電解液１３を吸収するので、電解槽６から被電解液１３が漏れることを抑制又は防止することができる。

（２）また、本実施形態の電解装置１において、電気分解板５は、一対の電極板５００に密着すると共に液体及び気体の通過孔５０３を有しないイオン交換膜５１０を有しており、吸液部材４は、電極板５００と電極板５００の相対位置に設けられた電解槽６の内壁との間に配置されていると共に、電極板５００から電解槽６の内壁までの距離と同等以上の厚さに構成されている、ことが好ましい。

本実施形態によれば、一対の電極板５００がイオン交換膜５１０の両面にそれぞれ密着しているので、被電解液１３が純水（１３）のような電気分解が困難な液体でも容易に電気分解することができる。また、被電解液１３の弾性力又は吸液膨張力によって一対の電極板５００がイオン交換膜５１０に密着するので、電気分解により電気分解板５から発生する発生ガスの発生量を増加させることができる。

（３）また、本実施形態の電解装置１において、電解槽６は、略閉じた容器を上下方向に分割して得たような形状に形成されており、一対の電極板５００よりも一回り大きなイオン交換膜５１０の周縁部をシール部材として挟むと共に、一対の電極板５００の周縁部をイオン交換膜５１０に押し付ける２個の分割ケース６１１と、２個の分割ケース６１１を一体に締結する締結部６１２と、を有することが好ましい。

本実施形態によれば、電解槽６の構造を簡素化することができる。また、２個の分割ケース６１１がイオン交換膜５１０の周縁部をシール部材として挟むため、２個の分割ケース６１１の周縁部にソフトガスケット等のシール部材を用いずとも、電解槽６の密封性を確保することができる。また、２個の分割ケース６１１が一対の電極板５００の周縁部をイオン交換膜５１０に押し付けるため、ボルト及びナットやリベットなどの固定部材を用いずとも、一対の電極板５００をイオン交換膜５１０に密着させることができる。

（４）また、本実施形態の電解装置１において、電解槽６は、電気分解板５によって仕切られる陰極側ガス発生槽６０２及び陽極側ガス発生槽６０１と、陰極側ガス発生槽６０２及び陽極側ガス発生槽６０１にそれぞれ設けられる陰極側発生ガス排出口６２２及び陽極側発生ガス排出口６２１と、陰極側ガス発生槽６０２及び陽極側ガス発生槽６０１の各下部を接続する接続チューブ８と、を有する、ことが好ましい。

本実施形態によれば、電気分解板５が陰極側ガス発生槽６０２及び陽極側ガス発生槽６０１を空間分離する電解槽６の仕切板になるので、電気分解板５に通電したときに陰極側ガス発生槽６０２及び陽極側ガス発生槽６０１から別個に発生する各発生ガスを混合させることなく、それらを分離発生させることができる。また、分離発生した各発生ガスを陰極側発生ガス排出口６２２及び陽極側発生ガス排出口６２１から分離排出することができる。また、接続チューブ８により、陰極側ガス発生槽６０２及び陽極側ガス発生槽６０１の一方に偏った被電解液１３を他方に移動させることができる。また、接続チューブ８を通って被電解液１３が移動することにより、陰極側ガス発生槽６０２及び陽極側ガス発生槽６０１に生じた圧力差を緩衝することができる。

（５）また、本実施形態の電解装置１において、被電解液１３は、純水（１３）であり、陰極側発生ガス排出口６２２は、陰極側発生ガスとしての水素ガスを鼻や口その他の吸引口に導くカニューレに接続されており、陽極側発生ガス排出口６２１は、陽極側発生ガスとしての酸素ガスを排出すると共に、被電解液１３の供給口として用いられる、ことが好ましい。

本実施形態によれば、陰極側発生ガス排出口６２２がカニューレに接続されていることにより、水素ガスを高効率かつ安全に吸引することができるので、活性酸素除去や成人病予防等の健康の改善及び向上を図ることができる。また、陽極側発生ガス排出口６２１から酸素ガスを排出することにより、陽極側ガス発生槽６０１の圧力が大気圧になるので、陰極側ガス発生槽６０２に貯蔵される被電解水の液位が急激に上昇することを抑制することができる。また、陽極側発生ガス排出口６２１が被電解液１３の供給口として兼用されることにより、電気泳動等により陰極側ガス発生槽６０２側よりも消費しやすい陽極側ガス発生槽６０１側の被電解液１３を、別個に供給口を設けることなく、陽極側ガス発生槽６０１のみに供給することができる。

（６）また、本実施形態の電解装置１において、接続チューブ８は、被電解液１３を排出する液体排出口８０１を有する、ことが好ましい。

本実施形態によれば、接続チューブ８により被電解水の液位が同等になった陰極側ガス発生槽６０２及び陽極側ガス発生槽６０１のほぼ中間に排出口が位置するので、被電解液１３を効率よく排出することができる。

（７）また、本実施形態の電解装置１において、吸液部材４は、吸液繊維である、ことが好ましい。

本実施形態によれば、スポンジ等と比較して、吸液性及びガス排出性の両方を向上させることができる。

（８）また、本実施形態の電解装置１において、一対の電極板５００は、その上方に内角４５度以下の頂角を有する複数の通過孔５０３をそれぞれ有する、ことが好ましい。

本実施形態によれば、頂角が４５度以上の通過孔５０３や上部形状が半円形又は半楕円形の通過孔５０３と比較して電気分解板５による電解効率を約１０〜１５％向上させることができる。これにより、電解槽６に循環ポンプを取り付けなくても陰極側ガス発生槽６０２から陰極側発生ガスを取り出すことができる。

（９）また、本実施形態の電解装置１は、被電解液１３の液位が所定以下に下降したことにより被電解液１３の不足を警告する警告手段３０８と、を更に備える、ことが好ましい。

本実施形態によれば、電解装置１の外部から電解槽６に貯蔵された被電解液１３の液位を目視することができなくても、被電解液１３の不足を認知することができる。

（１０）また、本実施形態の電解装置１は、電気分解板５に電解電力を供給すると共に、電解装置１に内蔵される携帯型バッテリ３０５と、を更に備える、ことが好ましい。

本実施形態によれば、電解装置１を携帯することができる。

すなわち、本実施形態の電解装置によれば、電解槽が傾斜した場合や被電解液が増減した場合であっても、発生ガスの効率的な発生及び排出、小型化、携帯性の問題などの従来技術における種々の不具合を改善した新規の電解装置を提供することができるという効果を奏する。

なお、本発明は、前述した実施形態などに限定されるものではなく、必要に応じて種々の変更が可能である。

１電解装置
３直流電圧供給回路
４吸液部材
５電気分解板
６電解槽
８接続チューブ
１３純水
１５気泡
３０１電源
３０２設定用ボリューム
３０３電源スイッチ
３０５携帯型バッテリ
３０６直流電圧調節回路
３０７電流計
３０８警告手段
３０９検出手段
３１０抵抗器
３１１ＬＥＤ
５００一対の電極板
５０１陽極板
５０２陰極板
５０３通過孔
５０４頂角
５０６電極板の周縁部
５１０イオン交換膜
６０１陽極側ガス発生槽
６０２陰極側ガス発生槽
６１１分割ケース
６１２締結部
６１３溝部
６２１陽極側発生ガス排出口
６２２陰極側発生ガス排出口
８０１液体排出口
８０２排出キャップ

Claims

陽極板及び陰極板からなる一対の電極板と、前記一対の電極板に密着すると共に液体及び気体の通過孔を有しないイオン交換膜と、を有する電気分解板と、
前記陽極板及び前記陰極板の各表面に密着する吸液部材と、
略閉じた容器を上下方向に切断することにより横に分割して得たような形状に形成されており、前記一対の電極板よりも一回り大きな前記イオン交換膜の周縁部をシール部材として挟むと共に、前記一対の電極板の周縁部を前記イオン交換膜に押し付ける２個の分割ケースと、前記２個の分割ケースを一体に締結する締結部と、を有しており、被電解液を貯蔵する電解槽と、
を備えることを特徴とする電解装置。
前記吸液部材は、前記電極板と前記電極板の相対位置に設けられた前記電解槽の内壁との間に配置されていると共に、前記電極板から前記電解槽の内壁までの距離と同等以上の厚さに構成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の電解装置。
前記吸液部材は、吸液繊維である
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電解装置。
前記電解槽は、
前記電気分解板によって仕切られる陰極側ガス発生槽及び陽極側ガス発生槽と、
前記陰極側ガス発生槽及び前記陽極側ガス発生槽にそれぞれ設けられる陰極側発生ガス排出口及び陽極側発生ガス排出口と、
前記陰極側ガス発生槽及び前記陽極側ガス発生槽の各下部を接続する接続チューブと、を有する
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電解装置。
前記被電解液は、純水であり、
前記陰極側発生ガス排出口は、陰極側発生ガスとしての水素ガスを鼻や口その他の吸引口に導くカニューレに接続されており、
前記陽極側発生ガス排出口は、陽極側発生ガスとしての酸素ガスを排出すると共に、前記被電解液の供給口として用いられる
ことを特徴とする請求項４に記載の電解装置。
前記接続チューブは、前記被電解液を排出する液体排出口を有する
ことを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の電解装置。
前記被電解液の液位が所定以下に下降したことにより前記被電解液の不足を警告する警告手段と、を更に備える
ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の電解装置。
前記電気分解板に電解電力を供給すると共に、前記電解装置に内蔵される携帯型バッテリと、を更に備える
ことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の電解装置。