JP7022089B2 - 水素付加装置及び水素透過膜の消耗度判定方法 - Google Patents

Description

本発明は、水に水素が付加された水素付加水を生成する装置及び水素透過膜の消耗度判定方法に関する。

水に水素を付加する方法として、水素透過膜（ガス透過膜）によって水素ガス流通部と原料水流通部とが区画されたモジュールを用い、水素ガス流通部に加圧した水素ガスを供給して、原料水流通部に供給した原料水に水素を溶解させる技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９－１２５６５４号公報

上記モジュールは、水素透過膜の消耗によって劣化するため、定期的な交換が推奨される。水素透過膜の消耗度は、例えば、上記モジュールの使用時間等によって簡易的に推定可能である。

しかしながら、水素透過膜は高価であることから、低廉なランニングコストで水素付加水を生成するためには、水素透過膜の消耗度をより正確に判定する技術の確立が求められている。

本発明は、以上のような実状に鑑み案出されたもので、簡素かつ安価な構成で水素透過膜の消耗度を正確に判定できる水素付加装置及び水素透過膜の消耗度判定方法を提供することを主たる目的としている。

本発明の第１発明は、水に水素を付加するための水素付加装置であって、水素ガスが供給される第１室と、原水が供給される第２室と、前記第２室で水素付加水を生成するために、前記水素ガスを前記第１室から前記第２室へと移動させる水素透過膜と、前記第１室の圧力を検出する圧力検出部と、少なくとも、前記圧力に基づいて、前記水素透過膜の消耗度を判定する判定部とを備える。

本発明に係る前記水素付加装置において、前記第２室から取り出された前記水素付加水の溶存水素濃度を検出する水素濃度検出部をさらに備える、ことが望ましい。

本発明に係る前記水素付加装置において、前記第１室に供給する前記水素ガスを生成する水素ガス生成部をさらに備える、ことが望ましい。

本発明に係る前記水素付加装置において、前記水素ガス生成部は、陽極給電体と陰極給電体とを有し、水を電気分解することにより前記水素ガスを生成し、前記第１室に供給する電解槽を有し、前記陽極給電体及び前記陰極給電体に印加する電圧を制御する制御部をさらに備え、前記制御部は、前記溶存水素濃度が一定となるように、前記電圧を制御する、ことが望ましい。

本発明に係る前記水素付加装置において、前記判定部は、さらに、前記溶存水素濃度に基づいて、前記水素透過膜の消耗度を判定する、ことが望ましい。

本発明に係る前記水素付加装置において、前記判定部は、前記圧力及び前記溶存水素濃度の関係に基づいて、前記水素透過膜の消耗度を判定する、ことが望ましい。

本発明に係る前記水素付加装置において、前記第２室への前記原水の単位時間あたりの供給量を検出する流量検出部をさらに備え、前記判定部は、さらに、前記供給量に基づいて、前記水素透過膜の消耗度を判定する、ことが望ましい。

本発明の第２発明は、水素ガスが供給される第１室と、原水が供給される第２室と、前記水素ガスを前記第１室から前記第２室へと移動させる水素透過膜とを備えた水素透過モジュールにおいて、前記水素透過膜の消耗度を判定する消耗度判定方法であって、前記第１室の圧力を検出するステップと、少なくとも、前記圧力に基づいて、前記水素透過膜の消耗度を判定するステップとを含む。

本第１発明の前記水素付加装置では、前記水素ガスが前記水素透過膜を透過して前記第１室から前記第２室へと移動することにより、前記第２室で前記水素付加水が生成される。例えば、前記水素透過膜が消耗すると、前記第１室の前記圧力は予め想定されていた範囲を超えることがある。そこで、本第１発明では、前記判定部が、少なくとも、前記第１室の前記圧力に基づいて、前記水素透過膜の前記消耗度を判定することにより、簡素かつ安価な構成で前記水素透過膜モジュールの前記消耗度を正確に判定することが可能となる。

本第２発明の前記水素透過膜の前記消耗度判定方法は、前記第１室の前記圧力を検出する前記ステップと、少なくとも、前記圧力に基づいて、前記水素透過膜の前記消耗度を判定する前記ステップを含むので、簡素かつ安価な構成で前記水素透過膜モジュールの前記消耗度を正確に判定することが可能となる。

本発明の実施の一形態である水素付加装置の概略構成を示す図である。 水素付加装置の主要な構成を示す図である。 水素付加装置の電気的な構成を示すブロック図である。 本発明の実施の一形態の消耗度判定方法の処理手順を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の一形態が図面に基づき説明される。
図１は、本発明の水素付加装置の一実施形態の概略構成を示している。水素付加装置１は、水に水素を付加するための装置であり、水素が付加された水素付加水は、例えば、透析液調製用水として透析液の調製に用いられる（以下、水素付加水を透析液調製用水と記すこともある）。近年、透析液の調製に水素付加水を用いた血液透析は、患者の酸化ストレス低減に有効であるとして、注目されている。

水素付加装置１は、例えば、逆浸透膜処理装置２００の下流側に配置される。水素付加装置１と逆浸透膜処理装置２００とは、統合されて一つの装置として構成されていてもよい。水素付加装置１の下流側には、例えば、透析液調製用水を用いて液状の透析原剤を希釈する透析原剤希釈装置（図示せず）に接続されている。

逆浸透膜処理装置２００は、逆浸透膜を用いて外部から供給された水を浄化する。逆浸透膜処理装置２００と、水素付加装置１とは、処理水供給路１０によって接続されている。逆浸透膜処理装置２００によって浄化処理された水（以下、処理水とする）は、処理水供給路１０を通過して水素付加装置１に供給され、透析液調製用の水素付加水を生成するための原水（以下、原水と記す）として用いられる。

透析液調製用水の生成に用いられる水素付加装置１は、逆浸透膜処理装置２００から供給された原水に水素を付加して透析液調製用の水素付加水を生成する。水素付加装置１と、上記透析原剤希釈装置とは、水素付加水供給路２０によって接続されている。水素付加装置１によって生成された水素付加水は、水素付加水供給路２０を通過して、上記透析原剤希釈装置に供給され、透析液の調製に用いられる。

図２は、水素付加装置１の主要な構成を示している。水素付加装置１は、水素ガス生成部２と、水素透過膜モジュール３とを含んでいる。

水素ガス生成部２は、水素ガスを生成し、当該水素ガスを水素透過膜モジュール３に供給する。本実施形態では、水素ガス生成部２として電解槽４が適用されている。電解槽４は、水を電気分解することにより、水素ガスを発生させる。

電解槽４は、第１給電体４１が配された第１極室４０ａと第２給電体４２が配された第２極室４０ｂとが隔膜４３によって区分されてなる。

第１給電体４１と第２給電体４２とは、極性が異なる。すなわち、第１給電体４１及び第２給電体４２の一方は陽極給電体として適用され、他方は陰極給電体として適用される。本実施形態では、第１給電体４１が陽極給電体として適用され、第２給電体４２が陰極給電体として適用されている。電解室４０の第１極室４０ａ及び第２極室４０ｂの両方に水が供給され、第１給電体４１及び第２給電体４２に直流電圧が印加されることにより、電解室４０内で水の電気分解が生ずる。

図３は、水素付加装置１の電気的な構成を示すブロック図である。第１給電体４１及び第２給電体４２の極性及び第１給電体４１及び第２給電体４２に印加される電圧は、制御部９によって制御される。制御部９は、例えば、各種の演算処理、情報処理等を実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）及びＣＰＵの動作を司るプログラム及び各種の情報を記憶するメモリ等を有している。制御部９は、第１給電体４１及び第２給電体４２の他、装置各部の制御を司る。

第１給電体４１と制御部９との間の電流供給ラインには、電流検出器４４が設けられている。電流検出器４４は、第２給電体４２と制御部９との間の電流供給ラインに設けられていてもよい。電流検出器４４は、第１給電体４１、第２給電体４２に供給する電解電流を検出し、その値に相当する電気信号を制御部９に出力する。

制御部９は、例えば、電流検出器４４から出力された電気信号に基づいて、第１給電体４１及び第２給電体４２に印加する直流電圧を制御する。より具体的には、制御部９は、電流検出器４４によって検出される電解電流が予め設定された所望の値となるように、第１給電体４１及び第２給電体４２に印加する直流電圧をフィードバック制御する。例えば、電解電流が過大である場合、制御部９は、上記電圧を減少させ、電解電流が過小である場合、制御部９は、上記電圧を増加させる。これにより、第１給電体４１及び第２給電体４２に供給する電解電流が適切に制御される。

図１、２において、電解室４０内で水が電気分解されることにより、水素ガス及び酸素ガスが発生する。例えば、陰極側の第２極室４０ｂでは、水素ガスが発生し、当該水素ガスは水素透過膜モジュール３に供給される。一方、陽極側の第１極室４０ａでは、酸素ガスが発生する。

隔膜４３には、例えば、スルホン酸基を有するフッ素系樹脂からなる固体高分子膜が適宜用いられている。固体高分子膜は、電気分解により、陽極側の第１極室４０ａで発生したオキソニウムイオンを陰極側の第２極室４０ｂへと移動させて、水素ガスの生成原料とする。従って、電気分解の際に水酸化物イオンが発生することなく、第１極室４０ａ及び第２極室４０ｂ内の電解水のｐＨが変化しない。

水素透過膜モジュール３は、第１室３１と、第２室３２と、水素透過膜３３とを備える。第１室３１と第２室３２とは、水素透過膜３３によって隔てられている。

第１室３１と電解槽４の第２極室４０ｂとは、水素供給路５によって接続されている。電解槽４の第２極室４０ｂにて生成された水素ガスは、水素供給路５を通過して、第１室３１に供給される。

一方、第２室３２は、処理水供給路１０と接続されている。第２室３２には、逆浸透膜処理装置２００から原水が供給される。

水素透過膜３３は、例えば、水素ガスを透過する多孔質膜である中空糸膜によって構成されている。第１室３１には、電解槽４にて生成された水素ガスが次々と供給されるので、第１室３１内の圧力は高められる。中空糸膜は、水素ガスを圧力が大きい第１室３１から圧力が小さい第２室３２へと移動させる。水素透過膜３３は、水素ガスを、高圧の流体側から低圧の流体の側に透過させる機能を有する膜であればよく、中空糸膜に限られない。

本実施形態では、水素透過膜３３は、第２室３２で水素付加水を生成するために、電解槽４から次々と供給された水素ガスを第１室３１から第２室３２へと移動させる。これにより、水素ガスを加圧するためのポンプ等の構成を必要とすることなく、簡素かつ安価な構成で水素付加水を生成することが可能となる。

ところで、水素透過膜３３は、使用に伴い消耗する。そして第２室３２から取り出された水素付加水の溶存水素濃度は、水素透過膜３３の消耗度に依存する。より具体的には、水素透過膜３３が新しいとき、第２室３２にて生成される水素付加水の溶存水素濃度は高く、水素透過膜３３が消耗するに従い、上記溶存水素濃度は低下する。そこで、本水素付加装置１では、制御部９が、水素透過膜３３の消耗度を判定する判定部として機能し、水素透過膜３３の消耗度を監視する。なお、制御部９による水素透過膜３３の消耗度の判定は、随時又は定期的に実行される。

水素供給路５には、圧力センサー（圧力検出部）５１が設けられている。圧力センサー５１は、水素供給路５内の圧力を検出する。水素供給路５は第１室３１に連通しているので、水素供給路５内の圧力と第１室３１の圧力とは実質的に等しい。従って、圧力センサー５１によって第１室３１内の圧力が検出される。圧力センサー５１は、第１室３１に設けられていてもよい。圧力センサー５１は、検出した第１室３１の圧力に対応する電気信号を制御部９に出力する。

例えば、前記水素透過膜が消耗すると、前記第１室の前記圧力は予め想定されていた範囲を超えることがある。従って、第１室３１の圧力が予め定められた閾値を超える場合、水素透過膜３３の消耗が進行していると判定できる。上記閾値は複数定められていてもよい。そこで、制御部９は、圧力センサー５１から入力された電気信号、すなわち、第１室３１の圧力に基づいて、水素透過膜３３の消耗度を判定する。これにより、簡素かつ安価な構成で水素透過膜モジュール３の消耗度を正確に判定することが可能となる。

本水素付加装置１では、制御部９によって判定された水素透過膜３３の消耗度を出力する出力部９１が設けられている。出力部９１は、上記消耗度を音声又は画像等によって出力する。このような出力部９１は、スピーカー装置、ＬＥＤ（発光ダイオード）、液晶ディスプレイ（Liquid Crystal Display）等によって実現可能である。また、出力部９１は、水素付加装置１を管理するコンピューター装置に、水素透過膜３３の消耗度に対応する無線又は有線による信号を出力するように構成されていてもよい。このような出力部９１により、水素付加装置１の管理者は、水素透過膜３３の消耗度を容易に知得できる。

図１に示されるように、本実施形態では、電解槽４で電気分解される水は、逆浸透膜処理装置２００にて逆浸透膜処理された処理水が適用される。処理水は、処理水供給路１０及び処理水供給路１０から分岐する処理水供給路１１等を経て、電解槽４に供給される。すなわち、水素ガス生成部２の電解槽４と水素透過膜モジュール３の第２室３２とは、同一の水源である逆浸透膜処理装置２００から処理水の供給を受ける。このような構成により、水素付加装置１及びその周辺の配管が簡素化される。

水素付加水供給路２０には、水素濃度センサー（水素濃度検出部）２１が設けられている、のが望ましい。水素濃度センサー２１は、第２室３２から取り出された水素付加水の溶存水素濃度を検出し、対応する電気信号を制御部９に出力する。

例えば、水素透過膜３３の消耗は、水素付加水の溶存水素濃度に影響を及ぼすことがある。従って、水素付加水の溶存水素濃度が予め定められた閾値未満である場合、水素透過膜３３の消耗が進行していると判定できる。そこで、制御部９は、水素濃度センサー２１から入力された電気信号、すなわち、水素付加水の溶存水素濃度に基づいて、水素透過膜３３の消耗度を判定する、ように構成されていてもよい。

例えば、制御部９が、水素付加水の溶存水素濃度のみに基づいて、水素透過膜３３の消耗度を判定するように構成されていてもよく、第１室３１の圧力及び水素付加水の溶存水素濃度に基づいて、上記消耗度を判定するように構成されていてもよい。さらに、後者の場合は、第１室３１の圧力に基づいて判定された消耗度及び水素付加水の溶存水素濃度に基づいて判定された消耗度のアンド関数又はオア関数によって、上記消耗度を総合的に判定するように構成されていてもよい。さらにまた、第１室３１の圧力に基づいて、水素透過膜３３の消耗度を判定した後、水素付加水の溶存水素濃度に基づいて、上記消耗度を補正するように構成されていてもよく、水素付加水の溶存水素濃度に基づいて、水素透過膜３３の消耗度を判定した後、第１室３１の圧力に基づいて、上記消耗度を補正するように構成されていてもよい。これにより、簡素かつ安価な構成で水素透過膜モジュール３の消耗度を正確に判定することが可能となる。

本実施形態では、制御部９は、水素濃度センサー２１から入力された電気信号、すなわち、水素付加水の溶存水素濃度に基づいて、第１給電体４１及び第２給電体４２に印加する直流電圧を制御する。例えば、水素濃度センサー２１によって検出された溶存水素濃度が、目標値よりも不足している場合、第１給電体４１及び第２給電体４２に印加する直流電圧を高めることにより、第１室３１の圧力を高め、水素付加水の溶存水素濃度を高める。一方、水素濃度センサー２１によって検出された溶存水素濃度が、目標値を超えている場合、第１給電体４１及び第２給電体４２に印加する直流電圧を低めることにより、第１室３１の圧力を抑制し、水素付加水の溶存水素濃度を低減する。このように、制御部９が溶存水素濃度が一定となるように第１給電体４１及び第２給電体４２に印加する直流電圧を制御することにより、所望の溶存水素濃度の水素付加水が、水素付加装置１にて生成され、透析原剤希釈装置に供給される。

既に述べたように、水素透過膜３３の消耗が進行すると、水素付加水の溶存水素濃度が低下する傾向にあるため、制御部９は、それを補うために、第１給電体４１及び第２給電体４２に印加する直流電圧を高めて、第１室３１の圧力を高める。

そこで、本水素付加装置１の制御部９は、圧力センサー５１から入力された電気信号、すなわち、第１室３１の圧力に基づいて、水素透過膜３３の消耗度を判定する。これにより、簡素かつ安価な構成で水素透過膜モジュール３の消耗度を正確に判定することが可能となる。

また、水素透過膜３３の消耗が進行すると、第１室３１の圧力を高めても、水素付加水の溶存水素濃度が十分に上昇しづらい傾向となる。従って、制御部９は、第１室３１の圧力及び水素付加水の溶存水素濃度の関係に基づいて、水素透過膜３３の消耗度を判定する、ように構成されていてもよい。例えば、第１室３１の圧力及び水素付加水の溶存水素濃度と水素透過膜３３の消耗度との相関を示す関係式を実験等により予め定め、上記関係式に上記圧力及び溶存水素濃度を代入することにより、水素透過膜３３の消耗度を求めるように構成されていてもよい。

処理水供給路１０には、入水弁１２及び流量計（流量検出部）１３が設けられている。入水弁１２は、例えば、制御部９によって制御された電磁力によって駆動され、処理水供給路１０内を流れる処理水を制限する。流量計１３は、処理水供給路１０内を流れる処理水、すなわち、第２室３２に供給される原水の単位時間あたりの流量（以下、単に流量又は供給量と記す）を検出し、制御部９に出力する。制御部９は、流量計１３から入力された流量に応じて入水弁１２を制御する。これにより、原水として第２室３２に供給される処理水の流量が適正化される。

処理水供給路１１には、給水弁１４が設けられている。給水弁１４は、例えば、制御部９によって制御された電磁力によって駆動され、処理水供給路１１内を流れる処理水を制限する。より具体的には、電解槽４に電気分解のための水を充填又は補充する際には、給水弁１４が開かれ、その後、水素透過膜モジュール３の第２室３２に原水を供給する際には、給水弁１４が閉じられる。

第２室３２から取り出される水素付加水の溶存水素濃度は、第２室３２への原水の供給量にも依存する。例えば、第２室３２への原水の供給量が増加すると、水素付加水の溶存水素濃度は低下する傾向となる。

そこで、制御部９は、上記圧力センサー５１によって検出された第１室３１の圧力等に加えて、流量計１３によって検出された原水の供給量に基づいて、水素透過膜３３の消耗度を判定するように構成されている、のが望ましい。これにより、制御部９が、水素透過膜３３の消耗度をより一層正確に判定することが可能となる。

電解室４０の第１極室４０ａから上方に延びる排気路１５（図２参照）には、ガス抜き弁１６が設けられている。電気分解によって第１極室４０ａで生成された酸素ガスは、排気路１５及びガス抜き弁１６から排出される。

図４は、水素透過膜モジュール３において、水素透過膜３３の消耗度を判定する方法の処理手順を示している。水素透過膜３３の消耗度判定方法は、第１室３１の圧力を検出するステップＳ１と、溶存水素濃度を検出するステップＳ２と、原水の供給量を検出するステップＳ３と、水素透過膜３３の消耗度を判定するステップＳ４と、判定結果を出力するステップＳ５とを含んでいる。

ステップＳ１では、第１室３１の圧力が、圧力センサー５１によって検出される。ステップＳ２では、第２室３２から取り出された水素付加水の溶存水素濃度が、水素濃度センサー２１によって検出される。ステップＳ３では、第２室３２への原水の供給量が流量計１３によって検出される。ステップＳ１乃至ステップＳ３の順序は、問われない。すなわち、例えば、先にステップＳ３が実行され、その後ステップＳ１、Ｓ２が実行されてもよい。

ステップＳ４では、ステップＳ１で検出された第１室３１の圧力、ステップＳ２で検出された水素付加水の溶存水素濃度及びステップＳ３で検出された原水の供給量に基づいて、制御部９が水素透過膜３３の消耗度を判定する。そして、ステップＳ４では、ステップＳ３の判定結果が、出力部９１によって出力される。

本消耗度判定方法によれば、簡素かつ安価な構成で水素透過膜３３の消耗度を正確に判定することが可能となる。

以上、本発明の水素付加装置１等が詳細に説明されたが、本発明は上記の具体的な実施形態に限定されることなく種々の態様に変更して実施される。すなわち、水素付加装置１は、少なくとも、水素ガスが供給される第１室３１と、原水が供給される第２室３２と、第２室３２で水素付加水を生成するために、水素ガスを第１室３１から第２室３２へと移動させる水素透過膜３３と、第１室３１の圧力を検出する圧力センサー５１と、少なくとも、第１室３１の圧力に基づいて、水素透過膜３３の消耗度を判定する制御部９とを備えていればよい。

また、図１に示される水素付加装置１において、第１室３１に供給するための水素ガスを生成する水素ガス生成部２は、水を電気分解する電解槽４に限られない。例えば、水とマグネシウムとの化学反応等により水素ガスを発生させる装置、又は、水素ガスが充填されたボンベであってもよい。

また、第１室３１の圧力を検出する圧力検出部として、圧力センサー５１に替えて、制御部９が、例えば、電解電流の積算値に基づいて、第１室３１の圧力を推定するように構成されていてもよい。

水素付加装置１は、透析液調製用の水素付加水の生成の他、種々の用途に適用可能である。例えば、飲用、料理用又は農業用の水素付加水の生成等にも広く適用可能である。

また、消耗度判定方法は、少なくとも、水素透過膜３３の消耗度判定方法は、第１室３１の圧力を検出するステップＳ１と、水素透過膜３３の消耗度を判定するステップＳ４とを含んでいればよい。例えば、溶存水素濃度を検出するステップＳ２又は原水の供給量を検出するステップＳ３が省略されてもよい。この場合、ステップＳ４では、ステップＳ１で検出された透析液調製用水の溶存水素濃度に基づいて、制御部９が水素透過膜３３の消耗度を判定する。

１ ：水素付加装置
２ ：水素ガス生成部
３ ：水素透過膜モジュール
４ ：電解槽
９ ：制御部（判定部）
１３ ：流量計（流量検出部）
２１ ：水素濃度センサー（水素濃度検出部）
３１ ：第１室
３２ ：第２室
３３ ：水素透過膜
４１ ：第１給電体（陽極給電体）
４２ ：第２給電体（陰極給電体）

Claims (4)

1. 水に水素を付加するための装置であって、
   水素ガスが供給される第１室と、
   原水が供給される第２室と、
   前記第２室で水素付加水を生成するために、前記水素ガスを前記第１室から前記第２室へと移動させる水素透過膜と、
   前記第１室の圧力を検出する圧力検出部と、
   前記第２室から取り出された前記水素付加水の溶存水素濃度を検出する水素濃度検出部と、
   前記圧力及び前記溶存水素濃度と、前記水素透過膜の消耗度との相関を示す予め定められた関係式に基づいて、前記水素透過膜の消耗度を判定する判定部とを備える、
   水素付加装置。
2. 前記第１室に供給する前記水素ガスを生成する水素ガス生成部をさらに備える、請求項１記載の水素付加装置。
3. 前記水素ガス生成部は、陽極給電体と陰極給電体とを有し、水を電気分解することにより前記水素ガスを生成し、前記第１室に供給する電解槽を有し、
   前記陽極給電体及び前記陰極給電体に印加する電圧を制御する制御部をさらに備え、
   前記制御部は、前記溶存水素濃度が一定となるように、前記電圧を制御する、請求項２記載の水素付加装置。
4. 水素ガスが供給される第１室と、原水が供給される第２室と、前記水素ガスを前記第１室から前記第２室へと移動させる水素透過膜とを備えた水素透過モジュールにおいて、前記水素透過膜の消耗度を判定する方法であって、
   前記第１室の圧力を検出するステップと、
   前記第２室から取り出された前記水素付加水の溶存水素濃度を検出するステップと、
   前記圧力及び前記溶存水素濃度と、前記水素透過膜の消耗度との相関を示す予め定められた関係式に基づいて、前記水素透過膜の消耗度を判定するステップとを含む、
   水素透過膜の消耗度判定方法。

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