JP6957791B2

JP6957791B2 - 電解水素吸引器

Info

Publication number: JP6957791B2
Application number: JP2018029294A
Authority: JP
Inventors: 豊成原田
Original assignee: 豊成原田
Priority date: 2017-02-24
Filing date: 2018-02-22
Publication date: 2021-11-02
Anticipated expiration: 2038-02-22
Also published as: JP2018140169A

Description

本発明による技術は水素医療用の電解式水素吸引器に属する。

近年、体内に発生する活性酸素を還元するものとして健康用水素水が脚光を浴びている。また、脳梗塞後の症状が水素ガスの吸引で軽減したという報告もなされているように水素医療という新たな領域も開かれようとしている。水の電気分解では、教育実験用にＨ管と言われるものが良く知られているが、これはあくまで電解の実験用で水素を得る実用に使えるものではない。そこで「特許文献４」の様に電解膜と言われる分離膜を利用した本格的な電解式水素水生成器も製品化されている。そして、この電解膜に高価な個体高分子膜を用いないで、ポリエステルの布地などを簡易隔膜として用いているのが「特許文献１」や「特許文献３」などの例である。ここではこれらのシートや膜を総称して分離膜と呼ぶことにする。

これらの分離膜を用いないで、水を電気分解して発生する水素と酸素及びオゾンを分離しないままに一緒に吸引したり、これを水に溶かした水素水を作り飲んだりする極く簡単な方式のものもある。しかし、酸素やオゾンと分離しても、吸引効率が高く、コンパクトで安価な機器は製品化されていない。電解液を工夫してオゾンを発生させないということも出来るが、その場合にも、後述するように、電気分解して出来る酸素は、酸化力のレベルは色々ある活性酸素である可能性が有ることを本発明者は見出しているが、この活性酸素を一緒に吸引させてしう機器も多いという現状がある。「特許文献２」は工業的に燃料電池などで使用する水素ガスに含まれる、水滴や電解質成分を除去する技術の一つである。また、気体水素は水素爆発の危険性があり、この危険性を除去して家庭で安心に扱える上記のような製品は見られないという現状もある。

また、水素水では、必要とする水素の量を摂取するには大量の水素水を飲まなくてはならないので、今後の水素医療は気体水素を吸引する領域の方が増えると予想される。その気体水素を吸引するチューブとして用いられているのが、従来からある酸素吸入カニューラという、先端を鼻孔に入れてチューブで水素発生容器までを接続するものである。これに関して、本発明者は水素吸引用に改良した鼻孔カニューラとして「特許文献5」に示す意匠登録を行っている。本発明の課題と密接に関連するので先行技術の一つとして明記するが、これらの鼻孔カニューラは鼻孔を密閉して用いるものではないので、人の呼吸期間のうち呼気の間には発生する水素が有効に吸引されることなく廃棄されるので、吸引効率はとても悪くそのままでは５０％程度になってしまうという問題が解る。

特開平１０−２９６２６２号公報特開２０１４−１１１７号公報特開２０１６−２３３４５号公報特許第３４５２１４０号公報意匠登録１５９４８８２号特開２０１２−１８０６号公報特開２０１２−１６８１４８号公報

本発明が解決しようとする課題は、コンパクトで家庭への普及を実現しやすい安価な水素吸引器を人々に提供する事である。この課題を具体的に列記すると、いずれも密接不可分であるが、その第一は、電解で発生する水素を無駄なく吸引出来ることである。第二は電解でオゾンを発生させない事であり、発生しても分離して水素のみを吸引出来ることである。第三は、特殊な電解液を使用しなくて済み、更に防水滴及び防爆機能を有する事である。

本発明の第一の小課題を実現する為の手段として、容器の外側の上部に水素排出口と外気開放口を設け、容器内には満杯未満の電解液を入れ容器の内側の上部には空間を作る。そして、仕切り壁が容器内を水素排出口側と外気開放口側に分割し、陰電極６を仕切り壁より水素排出口側の電解液３内に設置する。又は、陰電極を前記仕切り壁と同様に配置して、陽電極を陰電極より水素排出口側の電解液の内部に配置する方法も可能である。こうして水素排出口の鼻孔カニューラ挿入口に鼻孔カニューラを取り付けて水素を吸引するのであるが、その諸条件とその効果について説明する。従来装置においては、水素吸引に医療機関などで多量に使用されている酸素吸入用の鼻孔カニューラを転用することが多い。酸素はボンベから減圧されて連続的に供給され、したがって人の呼気の期間の酸素は吸引されずに無駄になるのだが、ボンベの酸素は安価なのでこの不都合は無視されてきた。そこで、本発明では、人の呼吸に同調して無駄を無くす水素吸引器を考案した。まず、電解水素を得るには、電解液の内部に電極を配置して、少なくとも陰電極から発生する水素気泡を電解液表面で水素気体に変換して鼻孔カニューラに送ることで良い。電解では酸素と共にオゾンも陽電極で発生する場合があるが、ここではオゾンは発生させないという前提で説明する。電解で容器を密閉した場合には、発生する水素と酸素により容器内部の圧力は相当なものとなり容器を破壊するほどである。一方、密閉容器に鼻孔カニューラを接続して発生する水素と酸素を吸引しようすると、人の吸気の期間は問題ないものの、呼気の期間に鼻孔カニューラの鼻孔口に呼気の風圧があっても、容器内から発生する水素と酸素の両気体の圧力が圧倒的に優るので、鼻孔カニューラからは外気に酸素はともかく水素が無駄に放散される。従って本発明ではこの呼気の期間の鼻孔カニューラの先端の風圧を容器内に吸収して、少なくともチューブ内の水素を外に放散させないようにする。呼気の期間には、容器の上部の気体の収容部の内圧は電解液の液面を下に押すので、この時に電解液がいずれかに移動してこの内圧の高まりを吸収すればよいことになる。従って、容器上部を少なくとも水素気体が集まる空間と、外気に開放された空間に分割して、電解液の方は分割されることなく容器内を一つになって流通することを可能とする仕切り壁を設けると、呼気の期間は水素の集まる空間の液面は下がり、逆に外気開放側の液面は上がって、前記の風圧を充分に吸収して、液面の上下動は呼吸と同調するようになる。この両方の液面の上下差が水素の集まる空間の内圧になるが、この内圧が電解で発生する気体を排出する圧力と、鼻孔カニューラの鼻孔での呼気の風圧とバランスする。従って、この間に、水素の集まる空間側の液面が下がる電解液の容積が、この間に容器内で発生する気体の量より多ければ、鼻孔カニューラのチューブ内の水素は放散されることなく押し戻されていることになり、次の吸気の期間に吸引される水素は発生する全ての水素を吸引する事になるので、吸引効率は１００％となる。但し、電解液を容器に満杯にせずに出来る容器内の両空間の最低限必要とする容積と、入れる電解液の量の下限などは、人の呼気量や鼻孔の広さと鼻孔カニューラの形状と固定様態、及び電解で発生する気体の量と分離方法等により決まるもので、一概に表記出来ないが、例えば一辺が６０mmの立方体の容器を中間で仕切ったような製品の場合の電解液の液面の上下動は数ｍｍ程度である。

本発明の第一の小課題を実現する為の手段として、上記の仕切り壁と両電極の構成を変えた方法もある。陽電極は一般に高価なことに比して陰電極は安価であるので、形状を大きくしたり変形させたりすることが可能であるという特徴を生かして、陰電極に上記の仕切り壁の機能を持たせる。陰電極が容器を同様に分割し、陽電極は水素排出側の電解液に配置することが上記と異なる方法で、陰電極は陽電極の側からのみ発生する事になる。従って、この場合は上記とは異なり、水素排出口からは陽電極から発生する酸素も一緒に吸引することになる。

本発明の第二の小課題としてのオゾンを発生させないか減量する方法として、電解液をアルカリ性にする事を本発明者は発見したので説明する。本発明者は「特許文献６」において、電気分解において陽電極に酸素と共にオゾンが生成される場合の根拠を独自のナノ膜電解理論として開示している。そこでは、従来の電気化学においては触媒作用として説明されてきた、オゾンが発生する為の過電圧という現象が、ほぼ全ての金属や炭素の表面に作られている絶縁酸化被膜であるナノ膜によるトンネル電圧であることを解明している。そして、逆にこの簡単に測定できるこのトンネル電圧からナノ膜の厚さを測定する方法を「特許文献７」において提唱した。このナノ膜の厚さに比例して従来の電気化学が言うところの過電圧、即ち本発明者の言う第２のトンネル電圧が増大することが解った。白金コートの陽電極でオゾンが発生する事は公知であるが、実際にオゾンを多く発生する電極であるＤＬＣという導電性ダイヤモンドコーティングなどを調べるとこのナノ膜の厚さが大きい。このこともオゾン発生にはこのトンネル電圧が寄与していることの証左にもなっている。

次に、電気分解で発生する酸素は、オゾンが含まれていなくても多かれ少なかれ活性酸素である可能性が有り、水素吸引でこれらを一緒に吸引すると有害の場合が有ることを説明する。本発明者は「特許文献６」において、水分子Ｈ_２Ｏ内の電子が、電解液によって作られる強い電界により飛び出すこの現象を第１のトンネル現象として説明している。そして、電子が上記に説明した陽電極のナノ膜を飛び越える第２のトンネル現象と合わせて、つまり第１のトンネル電圧と第２のトンネル電圧の合計のトンネル電圧によるエネルギーが、作用と反作用の原理により、陽電極で発生する酸素に与えられる事を本発明者は推論した。第２のトンネル電圧は１．２３Ｖと言う水Ｈ_２Ｏの理論電気分解電圧である。白金の第２のトンネル電圧は本発明者の測定では１．２７Ｖであり、白金電極でオゾンが発生する事は実験的に公知である。導電性ダイヤモンドや鉛や酸化錫などもこの第２のトンネル電圧が高くオゾンが発生する。

電気化学では陰電極側で水分子Ｈ_２Ｏが電気分解するという解説もあるが、本発明者は陽電極の界面で水分子Ｈ_２ＯやＯＨ⁻などが電気分解すること見出していてこれを次に説明する。水の中に電解質によるイオンが存在すると、例えば陽電極の界面にはナノサイズの近距離にそのマイナスイオンの電気二重層が形成されることは電気化学で近年に発見され、電気二重層コンデンサが実用にされている。この電極界面を拡大して解説すると、この層となったマイナスイオンは陽電極との間に大きな電界をつくる。例えば電解質を希硫酸とすると、ＳＯ_４ ^２−イオンが陽電極の直近に並ぶのであるが、ＳＯ_４ ^２−から電子が飛び出す電圧は１．２３Ｖより大きく、イオンの大きさもＨ_２Ｏより大きい。するとこれより小さい水分子Ｈ_２Ｏは分極していることもあって、ＳＯ_４ ^２−イオンよりも直近に整列している数は多い事になる。従ってＳＯ_４ ^２−イオンの二重層が作り出す大きな電界によりＨ_２Ｏ内の電子が陽電極に吸引される電位が１．２３Ｖ以上になると、この電子は第１のトンネル現象として飛び出して、水はＨ^＋とＯＨ⁻に分解する。そして、ＯＨ⁻はさらにＨ^＋と酸素原子Ｏになる。この時に、酸素原子Ｏは先のトンネル電圧による反作用のエネルギーを得て、酸素分子Ｏ_２になったりオゾンＯ_３になったりする。この現象が、水に電解質を加えて初めて水の電気分解が可能となり、陽電極の種類によっては、オゾンが生成するメカニズムで、従来の電気化学では触媒効果としてしか明らかにしえなかったことである。電解液を酸性にして、陽電極をグラファイトにすると陽電極からは酸素などの一切の気泡が発生しないことが有る。グラファイトの酸化被膜は白金よりも厚いという実験結果も得ているので、この現象も、陽電極で発生する酸素のほとんどがオゾンなどの活性酸素となり、グラファイトの成分である炭素と全て反応して気泡にはならないという推論が成立する。このようにグラファイトを用いれば、オゾンを含まないで水素を含む気体を吸引することも出来るが、グラファイトはオゾンと反応して酸化された炭素粒を分離する。従って電極は痩せて行き寿命が短く、容器の底にはこの酸化された炭素粒が沈殿する。このような欠点があるので、本発明での請求項にはこのグラファイトの手段は加えないことにする。

一方、電解液を、電解質の種類によって値は異なるものの、特定の値以上のアルカリ性にすると、陽電極からオゾンが発生しない事を本発明者は見出して、電極でオゾンが出来ると赤褐色になって反応するヨー化カリウム試薬を水酸化ナトリュームを添加した電解液に入れてそれを確認した。希硫酸を入れて同様に確認すると電極表面で試薬が着色してオゾンの発生する様子はよく見て取れる。この理論的解明は以下のようになる。アルカリ電解液のマイナスイオンはＯＨ⁻で、これは水分子Ｈ_２Ｏより小さく、その理論分解電圧は０．８Ｖである。従って、陽電極の最直近にはＯＨ⁻の電気二重層が綺麗に形成され、その電位が０．８Ｖになると第１のトンネル現象によりＯＨ⁻内の電子が飛び出してＨ^＋と酸素原子Ｏとなり酸素原子Ｏは直ちに酸素分子Ｏ_２となる。第１のトンネル電圧が水分子の理論分解電圧である１．２３Ｖより０．４３Ｖも低い０．８Ｖであることにより、ナノ膜電解理論からして出来上がる酸素の酸化エネルギーはオゾンより低いのでオゾンは生成されない。しかし、重要な事はオゾンにはならないものの、空気中にある酸素よりも酸化力の強い活性酸素が、例え電解液をアルカリ性にしたとしても陽電極から発生している可能性がある事である。空気中の酸素では錆びないステンレスを陽電極にして、カセイソーダを電解質とした電解液をｐＨ１１．６以上のアルカリ性にして、且つ、ヨー化カリウム試薬を添加して電解すると、試薬は反応せずに、つまりはオゾンは生成しないものの、ステンレスは酸化して錆びてしまい溶液は茶色に染まっていくことを確認し、活性酸素が生成されている可能性を実証した。水素吸引は体内の悪玉と言われる活性酸素と反応し、これを除去することが水素医療に使われる科学的根拠である。「体内の錆びをとる」言われる所以であるが、しかし、頭痛の原因となるほどの酸化力の強い活性酸素であるオゾンは、水素吸引において有害と警告されつつあるものの、もしも空気中の酸素より酸化力の強い酸素であれば、それを水素と共に吸引してしまう弊害は取り除かなくてはならない。

次に、特殊な電解液を使用しないで済む家庭用の機器とする為の手段として、電解液は重曹と水道水で作る。そして精製水でなく水道水で実現することが出来る為に、陰電極として表面に白金やダイヤモンドなど何もコートしないチタン単体あるいはチタンの合金を用いる。多くの従来の機器が特殊な電解液を必要とした理由は、水道水にはカルシュームが溶けていて電気分解するとこれが陰電極に析出して電解を阻害し、いずれ電流が流れなくなることによる。この析出したカルシュームはクエン酸で溶かして洗浄するとか一旦逆電流を流して陰電極から剥がしてしまう技術は知られている。本発明者はカルシュームが析出しない陰電極の材料を見出すことに成功した。チタンは絶縁酸化被膜が厚く酸化されにくいので、一般に陽電極として、白金をコートして使う。例えこの白金コートにピンホールがあってもそこから電極が腐食しないようにする為である。このように、チタンは絶縁酸化被膜が厚いので表面には電流を流せないということが一般的な考えとなっている。しかし、これを陰電極に用いると様相は一変して、その酸化被膜の整流作用により電流は流れる。そして、この表面の、筆者が見出したナノ膜電解理論では、酸化被膜が厚い事が幸いして、第３のトンネル現象により陰電極界面から飛び出す電子のエネルギーが高い。その結果として、陰電極に用いたチタンの表面にはカノシュームは析出しない事を発見した。

さらに本発明の課題である、水素を安全で快適に吸引する為の本発明による次の手段を説明する。特に水素を扱う製品は水素爆発に特段に留意する必要が有る。その為の手段として、本発明では水素排出口と水素吸引用チューブ挿入部の間に隔室を設けてセラミックボールなどの個体の粒体を詰めた。水素は空気より約１０倍も軽く、また水素は空気に対して４％から７５％の濃度でなければ爆発しないことは知られている。したがって個体の粒体間の隙間を通って水素は排出されることにより、水素が延焼する上記の条件を整わなくすることが出来て実験でも水素爆発をしないことが確認出来た。また、物事の延焼には発熱の維持が必要であるので、個体は出来るだけ熱容量の大きなものがさらに効果的である。次に、隔室は設けないで、水素排出口に長さが１ｍ以上の鼻孔カニューラのチューブを取り付けて、その先端に火気を近づけても、同様の理由で水素爆発に至らないことも確認した。隔室に加えて二重の防爆対策とする事が出来る。電解では電解損失により電解液の液温もそれなりに上昇する事と、マイクロバブル状の水素気泡が液面ではじける事により水蒸気が水素排出口から出ていく。もしも、上記の防爆用の前記隔室を設けないと、水蒸気はチューブで冷やされて大きな水滴となって鼻孔に達する様になり、鼻から水滴が漏れるという不快な現象が起きる。隔室があり、その壁面であったり、内部の個体の粒体の表面に水蒸気が触れると、水蒸気は冷やされて、チューブに到達する前に水滴となってこの隔室に溜まるか隔室の下に落下する。水素吸引は概略３０分程度を１回の吸引の目安にするので、吸引する毎に一度チューブの先端から小さく息を吹いたり吸ったりすれば、もし前記隔室に水が溜まってもその都度下の容器に落とすことが出来る。

最後に、陽電極にオゾンが発生しても、吸引する水素からは分離し、更に、発生した水素の約半分もの水素を無駄にする従来機器の欠点を改善する方法も考案したので次にこれを説明する。前記陽電極から発生する気泡は全て外気開放口に集めるように前記仕切り壁と前記両電極の関係を以下の様にする。また、両電極から発生して上昇する気泡の一部は電解液内に滞留して循環するので、これも分離する必要がある。前記仕切り壁は略垂直で、下端が略水平な板条であり、前記両電極の形状は好ましくは細長い棒状ないしはパイプ状であり、前記陰電極は前記仕切り壁の下端に好ましくは接近して、前記水素排出側の該下端より下側に、該下端に並行して略水平に配置し、前記陽電極は好ましくは前記陰電極と同一水平面上に、前記仕切り壁の下端に好ましくは接近して、該陰電極と並行して設置する。両電極から発生する気泡を膜などを使わずに分離する構造であるにも関わらず、両電極はいずれも前記仕切り壁の下端に近接させるので、結果的に両電極の電極間距離は極めて狭く、また、両電極の対向面積はとても広く出来る。ここが教育用のH管とは全く異なり、従って、電解効率も飛躍的に高くなる。この事が可能となる根拠を以下に概略説明する。棒状で水平である両電極から発生する気泡群は、両電極の頂部に集まり、水流と共に一直線に上昇して垂直の二つの薄い壁を形成することが解った。そして、この二つの気泡の壁の間に仕切り壁の下端があって上端は容器上部に密着させる。電解液の液面に到達した気泡と水流はそこで前記仕切り壁によりそれぞれ反対側に回流していき、一部の気泡は再び電解液の内部に水流と共に還流していく。この時、電極は棒状であるので、断面の表面側が略円形であり、断面の回りに発生する気泡は断面の頂点に集められて電極に沿う一直線状の壁となって上昇する。そして、この上昇する気泡が電極回りの気泡を集めて頂点に集中する水流を作っている。また、液面上部から還流して来る気泡は、再びこの水流にのって上昇するので、両電極から発生する気泡は、電解液そのものを膜などで分離せずとも、水流の経路を工夫する事に寄って分離する事が出来た。このことは、教育用のH管では出来ない、水流には連続性が有るというこの自然科学の法則を利用して、電極間距離を気泡の大きさの倍程度まで極端に狭く出来る水流分離と言う事が出来る新しい手段である。一列に整列して上昇する気泡の壁が出来るので、前記仕切り壁は、その下端は変動する電解液の液面より常に下にあって、少なくとも液面に到達した水流を一方向に決める程度にまで液面の下に有れば充分であるが、容器を傾斜すると、気泡の壁と仕切り壁の位置関係が崩れるので、仕切り壁の下端は、両電極の断面の頂部のところまでを下限として、充分に液面より下にすることが好ましい。

本発明によれば、発生する水素を無駄なく吸引出来て、電解では有害なオゾンを発生させないか、オゾンが発生してもそれを電解膜を用いずに簡単に分離して水素のみを吸引出来て、また、特殊な電解液を使用しなくて水道水と重曹での使用が可能で、且つ、防水滴・防爆機能を有し、コンパクトで家庭への普及を実現しやすい安価な水素吸引器を人々に提供する事が出来る。

本発明の実施例１の断面概念図。本発明の実施例２の断面概念図。本発明の実施例５の断面概念図。

本発明を実施するための基本形態は以下のようになり図１を用いて説明する。
容器２の外側の上部に水素排出口２０と外気開放口１９を設け、容器２内には満杯未満の電解液３を入れ容器２の内側の上部には空間を作る。そして、仕切り壁１３が容器２内を水素排出口２０側と外気開放口１９側に分割し、陰電極６を仕切り壁１３より水素排出口２０側の電解液３内に設置する。仕切り壁１３には水素排出口２０側と外気開放口１９側と外気開放口１９側の、それぞれの側の電解液３を流通する開口部２５を設ける。ここで、両電極に電圧を印加すると陰電極６からは水素気泡９が、陽電極５からは酸素気泡７が発生し垂直に上昇し、また電解液３内を還流する。この全ての水素気泡を外気開放口１９側に混入させないことが必要で、陰電極６の全ての垂直面が仕切り壁１３より水素排出口２０側にあるように設置し、仕切り壁１３の開口部２５を気泡が流れない位置と大きさにする。従って、開口部２５は、好ましくは、垂直位置で陰電極６の位置よりも下側に設けるか、開口面積を小さくしたりメッシュを貼ったりする必要が有る。こうして、陰電極６から発生する水素気泡９は電解液３の液面で気体水素となり全て水素排出口２０側に集められる。陽電極５は水素排出口２０側の電解液３内に設置すれば、陽電極５から発生する酸素も水素と一緒に水素排出口２０側に集められる。陽電極５を外気開放口１９側に設置すれば、酸素は水素と分離して外気開放口１９側から放出される。

水素排出口２０には鼻孔カニューラ挿入部１８を設置し、そこに鼻孔カニューラを挿入して人は水素を吸引する。人が水素を吸引する際の呼気の期間には、呼気の空気圧により鼻孔カニューラのチューブ内の水素には逆流圧が生じる。従って水素室１４の内圧が高まり、仕切り壁１３の開口部２５が有る為に、矢印２２と矢印２３のように電解液３の液面が上下して前記の内圧を吸収する。電解液３を満杯未満としたのは外気開放口１９側の液面の上昇により外気開放口１９より電解液３が溢れることが無い様にする為である。水素室１４と外気解放室は仕切り壁１３により分割されたて出来た空間であり、該空間は人の呼吸気圧により前記電解液の液面が上下しても空間を維持し続ける容積である程度に満杯未満の電解液３を入れる必要が有る。どの程度の容積を満杯未満にするかは人の呼吸圧や量と容器２などのサイズと水素発生量によるもので、外気開放口１９側に概略６ccの空間が出来る程度で良い。こうして電解液３の液面は人の呼吸に同調して上下に変動しつつ鼻孔カニューラのチューブ内の水素を少し逆流させることが可能となり、呼気の期間に鼻孔カニューラから水素が無駄に外気に放散しないようになる。人の呼吸で呼気の期間は約半分なので吸引効率は約５０％から約１００％へと大幅に改善されることになる。

水素排出口２０と外気開放口１９は必ずしも容器３の上面にある必要は無くそれぞれ水素室１４と解放室１５に接続されて電解液３の液面より常に上部に有れば良い。仕切り壁１３も平板の必要は無くパイプ状でも良く、また、その下端は容器２の底まで密着していても、気泡が安易に通過しない箇所と大きさの開口部で、例えばメッシュを介して電解液３を流通させれば良く、こうすれば陰電極６の配置位置は仕切り壁の下端に関係なく配置しても良い。陽電極５から発生する酸素などの気体を水素と分離しない場合は、陽電極５は仕切り壁１３と一体になっても良く、陽電極５が仕切り壁１３の機能を同時に担っても良い。また、水素室１４と解放室１５は電解液３の液面に直接接することなくチューブ等で接続されていても良い。さらに両電極は必ずしも電解液３の中には全部が無くて、例えば容器２の側壁の一部を成していても良い。電解液３が人の呼吸に同調して液面が変動する上記の原理が生かされるものであれば、それを実現する形態は様々に変形が可能であり、ここで説明した形態に限定されるものではない。本発明による容器は透明にすることが好ましく、両電極から発生する気泡と共に呼吸の度に上下する液面の変動が見て取れるようになっている。

本発明による手段によれば、陰電極５を電解液３の内部に設置する上記の基本形態に加えて、もう一つの基本的形態が出来るので図２を用いて説明する。仕切り壁１３の機能を電極に持たせてしまう方法である。陽電極５を仕切り壁として用いることは上記の基本形態でも述べているが、陽電極は白金をコートするので一般的に価格が高くなってしまい水素吸引器としては不向きである。しかし、陰電極の材料は安価であるので、ここでは陰電極６に仕切り壁１３の機能を持たせる。容器２の外側の上部に水素排出口２０と外気開放口１９を設け、容器２内には満杯未満の電解液３を入れ容器２の内側の上部には空間を作る。そして、陰電極６が容器２内を水素排出口２０側と外気開放口１９側に分割し、陽電極５は水素排出口２０側に配置する。陰電極6には水素排出口２０側と外気開放口１９側と外気開放口１９側の両側の電解液３を流通する開口部25を設ける。ここで、両電極に電圧を印加すると陰電極６の陽電極5側からは水素気泡９が、陽電極５からは酸素気泡７が発生し垂直に上昇し、また電解液３内を還流する。この全ての水素気泡を外気開放口１９側に混入させないことが必要で、従って、開口部２５は、好ましくは、垂直位置で陽電極５の位置よりも下側に設けるか、開口面積を小さくしたりメッシュを貼ったりする必要が有る。こうして、陰電極６から発生する水素気泡９は電解液３の液面で気体水素となり全て水素排出口２０側に集められる。水素排出口２０には鼻孔カニューラ挿入部１８を設置し、そこに鼻孔カニューラを挿入して人は水素を吸引する。その時の容器２の内側上部の空間の容積と容器２に入れる電解液３の量との必要な関係は、上記した最初の基本形態と全く同様である。

上記した最初の基本形態において、図３に示すように、陽電極５と陰電極６を配置すると、両電極間の距離を極力狭くし対向面積は大きく出来て、従って水素発生効率を高くした上で、陽電極６から発生する酸素などの気体を分離して、陰電極６で発生する水素のみを、少しも無駄にしないで吸引出来るようになる。仕切り壁１３は略垂直で、下端が略水平な板条であり、前記両電極の形状は好ましくは細長い棒状ないしはパイプ状であり、前記両電極の断面の頂部は前記仕切り壁の下端より下にして、両電極を該下端に並行で、且つ好ましくは前記下端に接近して、陽電極５は水平の位置で仕切り壁１３の下方に延長した面より前記外気開放口側に配置し、故に、前記陽電極から発生して上昇する酸素やオゾンなどの気泡は、前記電解液３の液面で気体となって全て外気開放口から外気に放散させる。こうすると、両電極間の距離を略数ｍｍまで接近しても、酸素やオゾンを水素から分離する事が出来るので、前記の教育実験用Ｈ管では実現出来ない電解効率も達成する事が出来るようになる。すなわち、棒状ないしはパイプ状のである両電極の断面の頂点部位に集まる気泡は、それぞれの電極の断面を狭く周回する水流を作ると共に、両電極の水平の二列に対応して、両電極の上側を狭く整列して二列の垂直の壁を成して上昇する。この壁は仕切り壁１３と同様に両電極側を回遊し還流する両気泡群を分離する機能を有する。両電極の真上の液面で、上昇してくる気泡と水流の流れの向きをそれぞれ相手側の電極側に向けないように、故に、水平の位置ではこの二列の壁の中間に位置し、垂直の位置では容器の上から液面の下まで、仕切り壁１３が有れば、水流を作って電解液３の内部を回流し還流するマイクロバブル状の気泡も含めて両電極で発生する気体はそれぞれの側に分離され、酸素と水素は外気開放口１９側へ、水素は水素排出口２０側へ明確に分離される。両電極から一列で上昇する気泡の壁は垂直に上昇するので、容器を傾けると、この壁が到達する液面の位置は仕切り壁の位置とは外れてしまう場合がある。この事を避ける為に仕切り壁１３の下端の垂直位置は、好ましくは該下端の下側にある両電極の断面の頂部近くまで垂直に下方に延ばすことが好ましい。こうすれば容器が傾斜しても仕切り壁１３が上昇する両方の気泡群を混合させることは無い。仕切り壁１３の下端が水平の位置で両電極の頂部より下にあると、両電極間を流通するイオンの流れを仕切り壁１３が阻害して電解効率は低下することになる。

上記した全ての形態において、電解液３を電解質の種類によって値は異なるものの、特定の値以上のアルカリ性にすると、陽電極からオゾンが発生せずに、水素排出口２０からオゾンの混入しない水素を吸引出来るようになる。電解液が酸性であったり、ｐＨの低いアルカリの場合には水分子Ｈ_２Ｏが電気分解される。そしてその際に陽電極５が鉛で酸化錫であったり、その表面に白金や導電性ダイヤモンドがコートしてあるとオゾンが発生する。これらの電極材料の酸化被膜の厚さで決まる第２のトンネル電圧はほぼ等しいので、以下の結果はほぼ同じになることは類推できる。電解液がアルカリ性であると、アルカリ強度に応じてＯＨ⁻イオンが多くなり、ｐＨがある値以上になると陽電極５の界面にあるほとんどの水分子Ｈ_２Ｏを押しのけてほぼＯＨ⁻イオンからなる電気二重層が形成される。そして、ＯＨ⁻イオンの第１のトンネル電圧は低いので、結果として第１と第２のトンネル電圧の合計が低くなってオゾンは発生しなくなる。本発明の課題は家庭でも安全に使える水素吸引器を提供する事であるので、アルカリの電解質として炭酸ナトリュームを用いる事とする。そして、陽電極に白金をコートしたチタンを用いて、前記電解液を炭酸ナトリュームのｐＨ１０．５以上の溶液とする。この値は実施例２によるデータに基づくものである。しかし、この場合もオゾンほどの酸化力は無いものの程度の差こそあれ活性酸素が発生していることも否定できない。

さらに上記した全ての形態において、陰電極５には、白金やダイヤモンド等の導電性耐酸化膜を特別にコートしないチタン、ないしはチタンの合金を用いると、電解液3を水道水で生成しても陰電極表面にカルシュームなどが析出して電解の効率を落としたり電解不能にしたりすることを簡単に回避出来るようになる。これはチタンの厚い酸化ナノ膜によるもので、陰電極にチタンを用いるとこの酸化被膜は半導体となり、通過する電子には少し大きな第３のトンネル現象によるエネルギーが与えられる事によりカルシュームが析出しないものと推論する。このことは電解液をオゾンが発生しないアルカリ性にしても同じ効果が得られることは確認した。チタンと同様に、厚い酸化被膜を有するものにはタングステンがあり、これにも同様の効果が有ることは類推できるが実証はしていない。

さらに上記した全ての形態において、図２に示すように、水素排出口２０と鼻孔カニューラ挿入部１８の間に、隔室１６を設けると防水滴・防水素爆発の機能を有する事が出来る。該隔室１６の内部には個体１７を入れる事が好ましく、個体１７は隔室１６の内部を塞ぐことがなく、且つ水に溶けなく簡単には燃焼しない、プラスチック、或は金属、或はセラミック、或は炭素材、或は石材から成り、好ましくは多数の粒体形状とする。炭素材としては活性炭が好ましく、活性炭であればオゾンを吸収することも出来る。陰電極６で発生する水素気泡は電解液３の液面ではじけて気体となり水素排出口２０から隔室１６に入る。そして、電解液３は電解継続時間と共に温度が上昇して水蒸気が出来易くなるので、この水蒸気も隔室１６内に入る。この水蒸気は隔室１６の壁や、中に入れられた個体１７の表面に触れて冷やされて水滴となり、これが隔室１６の底部に溜まり、自然に落下するか、水素吸引動作の開始時に人が水素吸引用の鼻孔カニューラを通じて息を吹くことにより容器内に落とされる。従ってこの個体１７は水蒸気の接触面積を出来るだけ大きくして温度を下げるものであり、水滴に溶けることが無く無害な物であれば良い。また、鼻孔カニューラ挿入部１８に火気が接近した時、ここから排出される水素は空気中の酸素と反応して燃えることになるが、水素は空気に対して４％以上で７５％以下の濃度にならないと燃えない性格が有り、空気より１０倍軽い水素は隔室１６内では空気とは分離し、容器２内で分断されている。また、個体１７に細かく接触していて燃焼温度も即座に冷やされるので、火気により容器２内の水素が水素爆発に至ることは無い。こうして隔室１６は防滴と防爆の両機能を有する。もし、隔室１６内に入れる粒体形状の個体１７が水素排出口２０から下の容器２に内部に落下する形状であれば、隔室１６下部の水素排出口２０にはステンレスなどのメッシュを敷くことになる。一方、前記外気開放口１９側からも水蒸気が排出されるので、こちら側に同様な隔室を設けても水滴防止が出来る。また、このことは電解液をオゾンが発生しないアルカリ性にしても、また、陰電極６をチタン単体にしても、同じ効果が得られることは確認した。

図１は本発明の実施例１の断面概念説明図であり、この図を用いて実施例１を説明する。容器２は縦６０ｍｍ、横６０ｍｍ、高さ４５ｍｍの透明の箱で、厚さ１．５ｍｍのポリスチロールで出来ている。容器上部の左側で左側面より１２ｍｍ離れて直径８ｍｍの外気開放口１９があり、ここから水道水に電解質として重曹９ｇを溶かした電解液３を容器上部から約１４ｍｍ下の位置まで入れる。電解液３はこれで概略１００ｃｃとなる。容器上部の右側で右側側面より１５ｍｍ離れて直径４ｍｍの水素排出口２０があり、ここに外径６ｍｍの鼻孔カニューラ挿入口となるパイプが取り付けられている。陽電極５はチタン基材に白金をコートした直径２ｍｍで長さ７２ｍｍの丸棒で、容器２の下から１２ｍｍで容器２の右側の壁から２３ｍｍの位置に、容器２の手前の側面の穴から反対の側面まで容器２内に水平に挿入して後に、この側面の穴は陽電極５の側面と密閉接着してある。陰電極６は陽電極のチタン基材と同じものを何もコートせずにそのままのチタン単体として、陽電極５と同一水平面上に陽電極５とは容器２の右側の壁方向に約８ｍｍ離して並行に同様に設置してある。そしてこの両電極は図示していない外部の直流電源にそれぞれ接続される。仕切り壁１３は厚さ１．５ｍｍの透明のアクリル板で、並行して配置された両電極に同様に並行して、水平位置では容器２の右側の壁から３６ｍｍの中央寄りに、垂直位置では上は容器２の上部に密着し、下端は容器２の底面から６ｍｍまで、分割し垂直に仕切っている。

両電極に９Ｖを印加すると略１Ａの電流が流れ、陽電極５から酸素気泡７が、陰電極６から水素気泡９がそれぞれ一直線に上昇し、電解液３の液面で一部は気体となり残りの一部は電解液３の内部に還流していく。しかし、両電極の直近には降りて来た気泡を再び上昇させる水流が発生していて、それぞれに電解液３の内部を還流する気泡は仕切り壁１３の下を超して外気開放口１９に向かう事は無かった。こうして、両電極から発生する全ての気体は水素を主体としたものでそれを一括して水素排出口２０から鼻孔カニューラ挿入口１８に行き、人に吸引される。この時、鼻孔カニューラ挿入口１８を３分間閉じると、水素室１４の液面は約１５ｍｍ低下した。電解で発生する水素と酸素の比率は２：１であるので、３分間で２１ｃｃの水素が吸引出来る事になる。さて、鼻孔カニューラを実際に装着して呼吸をしてみると、呼気の期間には水素室１４の液面は矢印２２の示すように約２ｍｍ低下し、外気開放口１９側の液面は約３ｍｍ上昇して呼吸と同調していることが確認出来た。呼気の期間に水素室１４の液面が下がるということは、鼻孔カニューラの細いチューブ内の気体が４ｃｃ程確実に押し戻されているとを示していて、この間に発生している水素を含むすべての気体が外気に放散していないことになる。こうして、水素に着目すると全てが吸引されるので吸引効率は１００％になっていることを確認した。また、３０分電解を２０回以上実施して、その間に水道水で作った電解液３を３回交換しているにも関わらず、陰電極６の表面を拡大して観測してもいささかのカルシュームの析出の形跡は無かった。

図２は本発明の実施例２の断面概念説明図であり、この図を用いて実施例２を説明する。容器２と水素排出口１８と外気開放口１９と電解液３については実施例1の場合と同様である。異なるのは仕切り壁１３が無く、陰電極６が実施例１の仕切り壁１３と同様の形状で同様の配置とする事である。ここでは陰電極として厚さ１ｍｍのチタンの板を用いた。そして、陽電極５は実施例1と水平位置だけ容器２の右側の壁から30ｍｍの位置とし、陰電極5は同様に36mmの中央寄りに配置する。さらに陰電極6には下から6mmの位置の中央に直径5mmの穴を開けて開放口２５とした。この両電極に電圧９Ｖを課電すると、陽電極５からは酸素が、陰電極６の陽電極寄りの面からは水素が発生し、いずれも水素排出口２０側に集まり、吸引される。人が呼吸をする期間の呼気の間には水素室１４の内圧が高まるものの開放口２５から外気開放口側に電解液３が移動して、鼻孔カニューラから押し戻された水素と酸素と、この間に発生する酸素と水素を水素室１４内に蓄積する事が出来た。こうして、本実施例２において、水素を無駄にせずに吸引効率を約２倍に出来る事を確認した。

実施例１で使用した容器２に、電解質としてカセイソーダを用いたアルカリ性の電解液３を入れ、さらにヨー化カリウム試薬を添加して電解するデータ取りを行った。カセイソーダを精製水に加えてｐＨの調整を行い、その都度それを容器２に入れて電解液３とした。水温は１２℃であった。こうして電解により電解液３に赤茶色の着色が出なくなるアルカリ度のｐＨを以下の様に測定した。試薬が反応して赤茶色に着色すればオゾンが生成している証拠である。結果は、ｐＨ９．５、ｐＨ１０、ｐＨ１０．５、ｐＨ１１、ｐＨ１１．５までは着色した。次にｐＨ１１．６、ｐＨ１１．８、ｐＨ１２、ｐＨ１２．２は発色しなかった。この実験テ゛ータから陽電極として白金をコートしたチタンを用いて、電解液は少なくともｐＨ１１．６以上のアルカリ性にすればオゾンは発生しないことが確認された。続いて、今度は電解液３には精製水とカセイソーダ以外にはなにも添加せ上記と同様に電解を実施した。そしてその際に、精製水にヨー化カリウム試薬を溶かした液を綿棒に浸み込ませて、水素排出口１８に一部接触して置いたところ、電解液３のｐＨ１１．６以下ではわずかに着色し、それ以上では着色しなかった。上記のアルカリ性溶液中の試薬のｐＨ依存性は無くオゾン発生状況の追試が出来た。しかし、カセイソーダは強アルカリ性であり、本発明の課題である、安全に家庭で使える機器にする為には使用は不適当である。そこで炭酸ナトリュームを使用する。精製水１００ccに炭酸ナトリュームを3g入れるとpH11.2の電解液が出来た。これを上記と同様に実験したところオゾンは検出されなかった。次に、同じ電解液を薄めてはオゾンが検出されないことを繰り返し、最後に電解液としては薄すぎて電流値が小さく適当ではないｐＨ１０．５までオゾンが検出されないことを確認したので、本発明では、電解でオゾンを発生させない為に、陽電極には白金をコートしたチタンを用いて、電解液には炭酸ナトリュームのｐＨ１０．５以上の溶液を用いる事とする。なお、カセイソーダと炭酸ナトリュームでオゾンを発生させない最低のアルカリ度が異なるのは、分子構造と電離強度と電解質濃度が異なることに寄ることが想定される。このアルカリ性の電解液でオゾンを発生させない方法は、陽電極に鉛や酸化錫やダイヤモンドコートを用いても実現出来る事は前記のナノ膜電解理論から見込まれる事である。一方、精製水に希硫酸を添加して酸性にして、濃度を変えて電解し、同様に試薬付き綿棒で確認したところ、いずれもオゾンが生成されていることも確認出来た。

実施例１の陽電極を直径２ｍｍ長さ７２ｍｍのステンレスの丸棒に変え、実施例２と同様に電解液にカセイソーダを入れて、オゾンが生成しない濃度であるｐＨ１２．５のアルカリ性にし、さらにヨー化カリウム試薬を添加して電解を継続させたところ、電解液は薄茶色の錆び色となったものの、ヨー化カリウム試薬が反応する場合の濃い赤茶色の発色は認められなかった。このことは、ステンレスのナノ膜酸化被膜の厚さは白金とほぼ同じであるので、この条件で、オゾンは生成しないものの、ステンレスを錆させる何らかの活性酸素が発生していることが推論出来る結果である。電解液３をカセイソーダではｐＨ１１．６以上の、炭酸ナトリュームではｐＨ１０．５以上のアルカリ性にすれば、白金や鉛や酸化錫やダイヤモンドコートなどいずれの電極でもオゾンは発生しないものの、何らかの活性酸素が発生しているとすると、体内で悪玉と呼ばれている活性酸素を消去するという水素医療にとっては有害で有ることが推測される。この件については引き続き研究する予定である。

図３は本発明の実施例５の断面概念説明図であり、この図を用いて次に実施例５を説明する。実施例１に対して、容器内部は、両電極を容器中央に移動し、仕切り壁１３を水平の位置で両電極の中間に、垂直の位置で両電極の断面の頂点より上に５ｍｍ離して下端がくるように配置したこと以外はほぼ同じである。容器の外部には水素排出口２０の上に容積が８ｃｃの円形のキャップを被せて隔室１６とし、その上部に実施例１と同様の鼻孔カニューラ挿入口１８を設置した。隔室１６の底には開口１ｍｍｘ１ｍｍのステンレス製のメッシュが斜めに敷いてあり、この上に直径２ｍｍから３ｍｍのセラミックボールを多数個入れてある。鼻孔カニューラ挿入口１８には、本発明者の考案した「特許文献５」の鼻孔挿入部を先端にし、内径２．５ｍｍで長さ１ｍのチューブからなる鼻孔カニューラを挿入した。９Ｖの直流電圧を両電極に投入すると、電解液の温度は１５℃の場合で電流は概略１Ａが流れ、陽電極５からは酸素気泡が、陰電極６からは水素気泡が発生して電極断面の頂部にそれぞれ一列に集まり、両者は干渉して混じることなく水平一直線で二列の垂直の壁を作って上昇し、液面で一部ははじけて気体となり、他の一部は水流に乗ってそれぞれの電極を回るように電解液の内部に降りて還流するが、両者は混合する事がないことを確認出来た。鼻孔カニューラの先端を塞ぐと、１分間で水素室の水位は約６ｍｍ低下し、酸素室の水位は約６ｍｍ上昇した。約７ｃｃの水素が得られたことが解る。

水素吸入カニューラを鼻孔に取り付けて呼吸すると、呼気の期間には水素室１４の液面は約１．５ｍｍ程下がり、酸素室１５の液面は約１．５ｍｍ程上昇することが確認出来た。呼気の期間は鼻孔カニューラ内の水素が無駄にならないように押し戻されていることになる。従来の水素吸引器では呼気の期間の約半分の水素が無駄になり、水素吸引効率は５０％程度であるが、本発明によれば効率は約１００％となる。また、タイマーによる３０分間の吸引を３回繰り返しても、鼻孔カニューラ内には１滴の水滴も認められなかった。更に、鼻孔カニューラを取り付けることなく、鼻孔カニューラ挿入部１８に赤熱したヒータを間近に近づけても水素爆発現象は起きなかった。もちろん二重の安全策となる鼻孔カニューラの先端にヒータで点火しても延焼したり爆発現象は起きないことを確認した。

２容器
３電解液
５陽電極
６陰電極
７酸素気泡
９水素気泡
１３仕切り壁
１４水素室
１５酸素室、解放室
１６隔室
１７セラミックボール、個体
１８鼻孔カニューラ挿入部
１９外気開放口
２０水素排出口
２２液面低下矢印
２３液面上昇矢印
２４水流矢印
２５開口部

Claims

電解液を電解して得られる水素を人が吸引する電解水素吸引器であって、
水素排出口と外気開放口を設けた容器と、
該容器内に満杯未満に入れる電解液と、
前記水素排出口と前記外気開放口の中間にあつて、該容器内の最上部から、底面の近傍までを、前記水素排出口側と前記外気開放口側とに垂直に分割し、下端は略水平である板状の仕切り壁と、
棒状あるいはパイプ状であって、前記仕切り壁の下端に接近し、該下端より下側の前記水素排出側に、該下端に並行して略水平に配置された陰電極と、
棒状あるいはパイプ状であって、前記陰電極と同一平面上に、前記仕切り壁の下端に接近し、該仕切り壁の下端より下側の、前記外気開放口側に、前記陰電極に並行して配置された陽電極と、
を備え、前記仕切り壁が、前記両電極から発生し上昇する両気泡群を分離することを特徴とする電解水素吸引器。
前記仕切り壁の下端と、前記両電極の頂部が、同一水平面上にある請求項１記載の電解水素吸引器。