JP7392453B2

JP7392453B2 - 水素含有水生成装置用電解槽及び水素含有水生成方法

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Publication number: JP7392453B2
Application number: JP2019230604A
Authority: JP
Inventors: 昭人織田; 弘之味能; 玄洋三川; 典浩大久保; 昌宏井町
Original assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Current assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Priority date: 2019-12-20
Filing date: 2019-12-20
Publication date: 2023-12-06
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Description

本発明は、水素含有水生成装置用電解槽及び水素含有水生成方法に関する。

水の電気分解作用を利用して、水道水等の原水から水素を含有する水である水素含有水を生成する技術が知られている。例えば、特許文献１には、陽極と陰極とに印加された電流の利用効率の低下を抑制する水素含有水生成装置が記載されている。

特開２０１４－１４７８８６号公報

ここで、電気分解においては、陽極部において電子を放出するイオン化反応が起こる。この反応によって、陽極部は、母材が溶出して劣化する。この際、陰極部の電流密度が荷電部分である陰極用給電部材に集中しているため、陰極用給電部材と距離が近い陽極部の部分に劣化が集中する。劣化により、母材の溶出が発生すると、溶出部分から急速に劣化が広がるので、電極全体の長寿命化のために陽極部の局所的な劣化を抑制する必要がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、電極の局所的な劣化を抑制して寿命を延ばすことができる水素含有水生成装置用電解槽及び水素含有水生成方法を提供することを目的とする。

本発明の水素含有水生成装置用電解槽は、側部に複数の開口を有する筒状の陽極部と、側部に複数の開口を有し、前記陽極部の径方向外側又は径方向内側に離間して設けられる筒状の陰極部と、前記陽極部及び前記陰極部が内部に設けられる筒状の槽本体と、前記陽極部の長手方向に沿って延びて前記陽極部の側部に取り付けられる棒状の陽極用給電部材と、前記陰極部の長手方向に沿って延びて前記陰極部の側部に取り付けられる棒状の複数の陰極用給電部材と、前記陽極用給電部材に電気的に接続し、かつ前記複数の陰極用給電部材に選択的に電気的に接続して前記陽極部と前記陰極部との間に電圧を印加する電源部と、を備える。

前記水素含有水生成装置用電解槽において、前記複数の陰極用給電部材は、前記陰極部の中心軸回りに等間隔に形成されることが好ましい。

本発明の水素含有水生成方法は、側部に複数の開口を有する筒状の陽極部と、側部に複数の開口を有し、前記陽極部の径方向外側又は径方向内側に離間して設けられる筒状の陰極部と、前記陽極部及び前記陰極部が内部に設けられる筒状の槽本体と、前記陽極部の長手方向に沿って延びて前記陽極部の側部に取り付けられる棒状の陽極用給電部材と、前記陰極部の長手方向に沿って延びて前記陰極部の側部に取り付けられる棒状の複数の陰極用給電部材と、前記陽極用給電部材に電気的に接続し、かつ前記複数の陰極用給電部材に選択的に電気的に接続して前記陽極部と前記陰極部との間に電圧を印加する電源部と、を備える電解槽を備える水素含有水生成装置による水素含有水生成方法であって、前記複数の陰極用給電部材の数を設定する陰極用給電部数設定ステップと、前記複数の陰極用給電部材のうち電圧を印加する対象の陰極用給電部材を変更するまでの時間間隔を設定する変更間隔設定ステップと、前記時間間隔ごとに、陰極用給電部数設定ステップで設定した前記複数の陰極用給電部材の数に基づく所定回数、前記複数の陰極用給電部材のうち電圧を印加する対象の陰極用給電部材を順次変更する荷電箇所変更ステップと、を含む。

前記水素含有水生成方法は、前記電解槽の前記陽極部の寿命を予測する電極寿命予測ステップを含むことが好ましい。

本発明によれば、電極の局所的な劣化を抑制して寿命を延ばすことができるという効果を奏する。

図１は、本実施形態に係る水素含有水生成装置を構成する電解槽の電極の例を示す斜視図である。図２は、本実施形態に係る水素含有水生成装置の電解槽の例を示す断面図である。図３は、図２のＡ－Ａ断面図である。図４は、本実施形態に係る水素含有水生成方法の流れを示すフローチャートである。図５は、図４の荷電箇所変更ステップにおける水素含有水生成装置の制御部の処理の一例を示すフローチャートである。

以下に、本発明に係る水素含有水生成装置１００の実施形態について図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態の説明において、同一構成には同一符号を付し、異なる構成には異なる符号を付すものとする。

（電極の構成）
まず、水素含有水生成装置１００を構成する電解槽ＤＫが備える水素含有水生成用の電極１０の構成について説明する。図１は、本実施形態に係る水素含有水生成装置１００を構成する電解槽ＤＫの電極１０の例を示す斜視図である。電極１０は、水の電気分解作用を利用して、原水Ｗから、水素を含有する水である水素含有水Ｒを生成する。原水Ｗは、給水装置等から給水路及び循環ポンプＰ（図２参照）等を介して電解槽ＤＫに供給される温水等である。水素含有水Ｒは、中性を示す水である。

図１に示すように、電極１０は、陽極部１２と、陰極部１４とを有する。陽極部１２及び陰極部１４は、いずれも円筒状の導電体である。陽極部１２は、陰極部１４の内側に同心状態に設けられて、陰極部１４と離間している。電極１０、より具体的には陽極部１２及び陰極部１４は、両方の端部にそれぞれ開口部としての下端部側開口部１０ＨＡ及び上端部側開口部１０ＨＢを有している。陽極部１２と、陰極部１４とは、下部スペーサ５２及び上部スペーサ５４（図２参照）によって、陽極部１２及び陰極部１４の間の距離（電極間隙間と称する。）を維持される。

本実施形態において、陽極部１２及び陰極部１４の電極間隙間の大きさは、０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下とすることが好ましい。電極間隙間の大きさを前述した範囲とすることで、電極１０が水素含有水Ｒを生成する際に、陽極部１２と、陰極部１４とに印加する電圧の電位差が比較的小さくても、電極１０は、十分な量の水素を発生させることができる。電極間隙間の大きさが前述した範囲であれば、電極１０に印加される電圧が比較的低電圧でも、電極１０は、十分な量の水素を原水Ｗに溶存させて多くの水素を溶存した水素含有水Ｒを生成することができる。また、水素含有水Ｒに溶存する水素の量が同一であれば、電極１０は、消費電力を抑制することができる。

本実施形態において、陽極部１２及び陰極部１４は、チタン（Ｔｉ）に白金（Ｐｔ）をめっきしたものである。めっきは、例えば、白金－イリジウム（Ｉｒ）めっきであってもよい。本実施形態において、チタンは純チタンである。陽極部１２及び陰極部１４は、チタンに白金をめっきしたものに限定されるものではないが、原水Ｗに溶け出さない材料（例えば、バナジウム（Ｖ））であることが好ましい。本実施形態においては、陽極部１２及び陰極部１４の両方がめっきされているが、陽極部１２のみをめっきし、陰極部１４はめっきしなくてもよい。これにより、電極１０の製造コストを低減することができる。

陽極部１２及び陰極部１４は、複数の線状の部分である線状部分１６が交差した、網状の部材である。陽極部１２は、側部に複数の開口１２Ｈを有している。陰極部１４は、側部に複数の開口１４Ｈを有している。複数の線状部分１６で囲まれる部分が、陽極部１２及び陰極部１４の開口１２Ｈ及び開口１４Ｈとなる。陽極部１２が有する複数の開口１２Ｈは、陽極部１２の側部を陽極部１２の厚み方向に貫通している。陰極部１４が有する複数の開口１４Ｈは、陰極部１４の側部を陰極部１４の厚み方向に貫通している。

陽極部１２は、長手方向Ｅ、すなわち筒状の部材である陽極部１２が延びる方向に向かうスリット１２ＳＬを有している。陰極部１４は、長手方向Ｅ、すなわち筒状の部材である陰極部１４が延びる方向に向かうスリット１４ＳＬを有している。電極１０は、陰極部１４の外側に複数の拘束部材１８を備える。拘束部材１８は、例えば、樹脂製の結束バンド、金属の線材等である。拘束部材１８は、耐食性が高く、かつ原水Ｗに溶け出さない材料であることが好ましい。拘束部材１８は、陽極部１２のスリット１２ＳＬ及び陰極部１４のスリット１４ＳＬを閉じて、陽極部１２及び陰極部１４を陽極部１２及び陰極部１４の周方向Ｃから拘束する。拘束部材１８を取り外すことによって、電極１０は、陽極部１２と、陰極部１４とに容易に分解することができるので、保守、点検、補修及び部品交換が容易である。

陽極用給電部材２０及び陰極用給電部材２２は、いずれも棒状の導電体である。陽極用給電部材２０は、陽極部１２に電気的に接続されている。陽極用給電部材２０は、電源３０の陽極と電気的に接続されている。陰極用給電部材２２は、陰極部１４に電気的に接続されている。陰極用給電部材２２は、電源３０の陰極と電気的に接続されている。電源３０は、直流電源である。このような構成によって、陽極部１２は、電源３０の正極と陽極用給電部材２０を介して電気的に接続され、陰極部１４は、電源３０の負極と陰極用給電部材２２を介して電気的に接続される。電源３０は、例えば、水素含有水生成装置１００の制御部ＣＬから出力される制御信号に基づいて、電解槽ＤＫ（図２参照）の制御基板から電圧を与えられる。

陰極用給電部材２２は、本実施形態において、４つの陰極用給電部材２２、すなわち、第一陰極用給電部材２２１と、第二陰極用給電部材２２２と、第三陰極用給電部材２２３と、第四陰極用給電部材２２４と、を含む。４つの陰極用給電部材２２は、それぞれ陰極部１４の長手方向Ｅに沿って延びて陰極部１４の外周部側の側部に取り付けられる棒状である。本実施形態において、長手方向Ｅに平行な陰極部１４の中心軸Ｚｔ回りに等間隔に設けられる。４つの陰極用給電部材２２は、それぞれスイッチ３２によって、いずれかの陰極用給電部材２２が電源３０に接続するように構成される。すなわち、スイッチ３２を切り替え操作することによって、電源３０から電圧を印加する対象の陰極用給電部材２２を変更することができる。スイッチ３２は、例えば、制御部ＣＬから出力される制御信号によって切り替えられる。

陽極用給電部材２０及び４つの陰極用給電部材２２は、本実施形態において、スポット溶接によって複数個所の接合部ＣＰで陽極部１２及び陰極部１４にそれぞれ接合されて、取り付けられる（図４参照）。複数の接合部ＣＰは、陽極用給電部材２０及び陰極用給電部材２２の長手方向Ｅにおいて、一部分に偏らないように設けられている。このようにすることで、陽極用給電部材２０及び陰極用給電部材２２は、自身の長手方向Ｅの全体から電力を供給することができる。陽極用給電部材２０及び陰極用給電部材２２は、陽極部１２及び陰極部１４にそれぞれ電気的に接続されれば、スポット溶接に限られず、任意の接合手段が用いられてよい。

本実施形態において、陽極用給電部材２０及び陰極用給電部材２２は、陽極部１２及び陰極部１４と同様に、チタンに白金をめっきした部材である。めっきは、例えば、白金－イリジウムめっきであってもよい。陽極用給電部材２０及び陰極用給電部材２２は、陽極部１２及び陰極部１４と同様に、チタンに白金をめっきしたものに限定されるものではないが、原水Ｗに溶け出さない材料であることが好ましい。本実施形態においては、陰極部１４はめっきを施さなくてもよいが、この場合、陰極用給電部材２２もめっきを施さなくてもよい。

（電解槽の構成）
次に、電解槽ＤＫの構成について説明する。図２は、本実施形態に係る水素含有水生成装置１００の電解槽ＤＫの例を示す断面図である。図３は、図２のＡ－Ａ断面図である。図２に示すように、電解槽ＤＫは、槽本体４０と、下側基台４２と、上側基台４４と、給水管４６と、排水管４８と、下部スペーサ５２と、上部スペーサ５４と、接合管５０と、を備える。

槽本体４０は、透明な円筒状の槽である。槽本体４０の内部には、電極１０が設けられる。電極１０は、長手方向Ｅが鉛直方向となる向きで配置されている。陽極部１２と陰極部１４と槽本体４０とは、中心軸Ｚｔを同心として配置される。槽本体４０が透明に設けられているので、使用者は、槽本体４０の外側から電極１０、特に、槽本体４０と対面する位置に設けられる陰極部１４を視認することができる。槽本体４０の下端部は、下側基台４２に覆われて固定される。槽本体４０の上端部は、上側基台４４に覆われて固定される。

下側基台４２は、槽本体４０の下端部と、陽極用給電部材２０と、４つの陰極用給電部材２２とを固定する。なお、図３においては、第四陰極用給電部材２２４の図示を省略している。陽極用給電部材２０及び４つの陰極用給電部材２２は、陽極部１２及び陰極部１４の下端部側開口部１０ＨＡより下方に一部が突出している。下側基台４２は、陽極用給電部材２０の突出部分２０Ｐ及び陰極用給電部材２２の突出部分２２Ｐ（突出部分２２１Ｐ、２２２Ｐ、２２３Ｐ）に、水密状態で貫通される。下側基台４２は、陽極用給電部材２０及び陰極用給電部材２２を介して陽極部１２及び陰極部１４を固定する。これにより、水素含有水生成装置１００は、槽本体４０の外部から陽極用給電部材２０及び陰極用給電部材２２を介して電極１０へ給電することができる。また、電極１０は、陽極用給電部材２０及び陰極用給電部材２２を介して下側基台４２及び槽本体４０に固定される。上側基台４４は、上端部側が閉塞する円筒状の基台である。上側基台４４は、槽本体４０の上端部を固定する。上側基台４４には、空気抜き弁ＡＶと電極１０の内周部１０Ｓｉより内側とを連通させる接合管５０が貫通する。

給水管４６は、槽本体４０に原水Ｗを給水するＩ字状の配管である。給水管４６は、槽本体４０の側部を水密状態で貫通して設けられる。給水管４６の下流端部側の開口部である給水部４６Ｈは、電極１０の外周部１０Ｓｏより外側に設けられる。給水部４６Ｈは、内周方向に向けて原水Ｗを給水する。

排水管４８は、槽本体４０の水素含有水Ｒを排水するＩ字状の配管である。排水管４８は、槽本体４０の側部を水密状態で貫通して設けられる。排水管４８の上流端部側の開口部である排水部４８Ｈは、電極１０の外周部１０Ｓｏより外側に設けられる。排水管４８は、外周方向に向けて水素含有水Ｒを排水する。

接合管５０は、空気抜き弁ＡＶと電極１０の内周部１０Ｓｉより内側とを連通させる。接合管５０は、上側基台４４を貫通して固定される。接合管５０の上端部は、空気抜き弁ＡＶに連通する。接合管５０の下端部は、電極１０の内周部１０Ｓｉより内側の上端部側開口部１０ＨＢより下方に連通する。空気抜き弁ＡＶは、槽本体４０の内部の圧力が所定値を超えた場合、空気Ｇを放出する。例えば、空気Ｇは、槽本体４０内の水の電気分解反応によって発生した酸素ガスを含む。このような構成によって、電解槽ＤＫは、酸素ガスを優先的に槽本体４０から排出できる。電解槽ＤＫは、酸素ガスを優先的に槽本体４０から排出することによって、槽本体４０内の水への酸素溶存量を抑制して、水素含有水Ｒを生成する。

上述したように、陽極部１２と、陰極部１４とは、下部スペーサ５２及び上部スペーサ５４によって、電極間隙間を維持される。下部スペーサ５２は、円筒状であり、下端部側開口部１０ＨＡにおいて、陰極部１４の内周部と陽極部１２の外周部との間に配置される。上部スペーサ５４は、円筒状であり、上端部側開口部１０ＨＢにおいて、陰極部１４の内周部と陽極部１２の外周部との間に配置される。上部スペーサ５４は、上端部に内周方向側に突出する内鍔部５４Ｆｉを有する。内鍔部５４Ｆｉは、電極１０と接合管５０との距離を所定距離とする。上部スペーサ５４は、上端部に外鍔部５４Ｆｏを有する。外鍔部５４Ｆｏは、径方向と外側に突出し、周方向Ｃの全周に設けられている。外鍔部５４Ｆｏは、電極１０と槽本体４０の内周部４０Ｓｉとの距離を所定距離とする。

水素含有水生成装置１００の制御部ＣＬは、水素含有水生成装置１００の各構成要素に各種機能を実行させる制御信号を出力する。制御部ＣＬは、例えば、電解槽ＤＫの電源３０に電圧を与えるよう制御する制御信号を出力する。制御部ＣＬは、例えば、給水装置等から給水管４６を介して槽本体４０に原水Ｗを供給するよう制御する制御信号を出力する。制御部ＣＬは、タイマーを含んでもよい。タイマーは、例えば、水素含有水生成装置１００の稼働時間をカウントする。稼働時間は、電極１０を交換した後の、電解槽ＤＫに電圧を印加している時間を累積した時間である。

制御部ＣＬは、例えば、作業者等からの入力を受け付け可能である入力部を有してもよい。制御部ＣＬは、入力部から入力された所定の操作信号に基づいて、各種の制御信号を出力する。入力部は、例えば、電解槽ＤＫの電極１０と同様の電極１０を用いた試用実験の実験値等に基づく、電解槽ＤＫの電極１０が故障するまでの水素含有水生成装置１００の稼働時間の予測値を受け付け可能であってもよい。制御部ＣＬは、入力部から、電解槽ＤＫが故障するまでの水素含有水生成装置１００の稼働時間の予測値を設定されてもよい。

制御部ＣＬは、さらに、各種報知情報を表示する表示部を有してもよい。表示部は、例えば、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ：Liquid Crystal Display）等を含む表示装置である。表示部は、制御部ＣＬから取得した報知情報に基づいて、報知情報を表示する。制御部ＣＬがタイマーを含む場合、報知情報は、例えば、予め設定された稼働情報に基づくメンテナンス期に基づいて、作業者等にメンテナンスを行うように促す情報を含んでもよい。制御部ＣＬがタイマーを含む場合、表示部は、水素含有水生成装置１００の稼働時間を表示してもよい。表示部がタッチパネル式ディスプレイである場合、表示部は、入力部を含んでもよい。

（電解槽の電気分解）
次に、電解槽ＤＫにおける原水Ｗの電気分解について説明する。水素含有水生成装置１００は、電極１０が原水Ｗに浸漬され、電源３０によって電極１０に電圧が印加されて、陽極部１２と、陰極部１４との間に電位差が発生させることによって、原水Ｗを電気分解し、水素含有水Ｒを生成する。

水素含有水生成装置１００は、電極１０の陽極部１２と、陰極部１４との間に電源３０から所定の電圧が印加されると、陽極部１２において、下記式（１）の反応が生じる。

２Ｈ_２Ｏ→Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ^－・・・（１）

水素含有水生成装置１００は、電極１０の陽極部１２と、陰極部１４との間に電源３０から所定の電圧が印加されると、陰極部１４において、下記式（２）の反応が生じる。

４Ｈ^＋＋４ｅ^－→２Ｈ_２・・・（２）

水素含有水生成装置１００は、電極１０の陽極部１２と、陰極部１４との間に電源３０から所定の電圧が印加されると、陽極部１２及び陰極部１４の全体において、下記式（３）の反応が生じる。

２Ｈ_２Ｏ→Ｏ_２＋２Ｈ_２・・・（３）

水素含有水生成装置１００において生成され、すなわち電解槽ＤＫの排水部４８Ｈから流出する水素含有水Ｒは、例えばｐＨ７以上７．５以下程度の中性になる。陽極部１２で発生する電離した水素イオンＨ^＋は陰極部１４側に集まり、陰極部１４には水素ガス（Ｈ_２）の気泡が生成される。この気泡は、直径がナノメートルオーダーの微小な気泡である。酸素ガス（Ｏ２）は、陽極部１２の内周部（電極１０の内周部１０Ｓｉ）に気泡となって集まり、陽極部１２の内周部に沿って又は陽極部１２の内周部より内側を上昇して、接合管５０を介して空気抜き弁ＡＶから水素含有水生成装置１００の外部に放出される。

（水素含有水生成方法）
次に、本実施形態の水素含有水生成装置１００において、水素含有水Ｒを生成する方法について説明する。図４は、本実施形態に係る水素含有水生成方法の流れを示すフローチャートである。本実施形態に係る水素含有水生成方法は、電極寿命予測ステップＳＴ２０１と、陰極用給電部数設定ステップＳＴ２０２と、変更間隔設定ステップＳＴ２０３と、荷電箇所変更ステップＳＴ２０４と、を含む。

電極寿命予測ステップＳＴ２０１は、電解槽ＤＫの電極１０の寿命を予測するステップである。電極寿命予測ステップＳＴ２０１では、例えば、電解槽ＤＫの電極１０と同様の電極１０を用いた試用実験の実験値等に基づいて、電解槽ＤＫの電極１０の故障までの稼働時間の予測値を、制御部ＣＬに設定する。同一の水素含有水生成装置１００で、電解槽ＤＫの電極１０の故障までの稼働時間の予測値を既に設定している場合は、電極寿命予測ステップＳＴ２０１を省略してもよい。

陰極用給電部数設定ステップＳＴ２０２は、陰極用給電部材２２の数を示す陰極用給電部数Ｎを設定するステップである。制御部ＣＬは、例えば、陰極用給電部数Ｎを設定する所定の操作を入力部が受け付けたことを示す操作信号を取得した場合、入力された陰極用給電部数Ｎを記憶する。本実施形態において、陰極用給電部数Ｎは、Ｎ＝４である。陰極用給電部数設定ステップＳＴ２０２は、電極寿命予測ステップＳＴ２０１より前に実施されてもよい。

変更間隔設定ステップＳＴ２０３は、電源３０が電圧を印加する陰極用給電部材２２の荷電箇所を変更する間隔である変更間隔Ｔｃを設定するステップである。より詳しくは、変更間隔Ｔｃは、電源３０が電圧を印加する対象の陰極用給電部材２２を別の陰極用給電部材２２に変更する間隔である。変更間隔Ｔｃは、本実施形態において、電極寿命予測ステップＳＴ２０１で設定された電解槽ＤＫの電極１０の故障までの稼働時間の予測値に基づいて設定される。変更間隔Ｔｃは、例えば、故障までの稼働時間の予測値に所定の安全率を積算することによって算出される。制御部ＣＬは、例えば、予め記憶された演算プログラムに基づいて算出した変更間隔Ｔｃを記憶する。制御部ＣＬは、例えば、変更間隔Ｔｃを設定する所定の操作を入力部が受け付けたことを示す操作信号を取得した場合、入力された変更間隔Ｔｃを記憶してもよい。

荷電箇所変更ステップＳＴ２０４は、電源３０が電圧を印加する陰極用給電部材２２の荷電箇所を変更するステップである。荷電箇所変更ステップＳＴ２０４では、変更間隔Ｔｃ毎に電源３０が電圧を印加する対象の陰極用給電部材２２を別の陰極用給電部材２２に変更する。荷電箇所変更ステップＳＴ２０４について、より詳細に説明する。図５は、図４の荷電箇所変更ステップＳＴ２０４における水素含有水生成装置１００の制御部ＣＲの処理の一例を示すフローチャートである。制御部ＣＬは、電解槽ＤＫの稼働開始を時刻０とした場合の時刻ｔをｔ＝０として、カウントアップタイマーを動作中であるものとする。

ステップＳＴ２１１において、制御部ＣＬは、電源３０から電圧を印加中の陰極用給電部材２２が何番目かを示す陰極用給電部使用数ＮｃをＮｃ＝０として記憶する。制御部ＣＬは、ステップＳＴ２１２に移行する。ステップＳＴ２１２において、制御部ＣＬは、陰極用給電部使用数Ｎｃのカウンタ値を１つ増やして、Ｎｃ＝Ｎｃ＋１として記憶する。制御部ＣＬは、ステップＳＴ２１３に移行する。

ステップＳＴ２１３において、制御部ＣＬは、時刻ｔが、変更間隔Ｔｃと陰極用給電部使用数Ｎｃとの積算から算出される電源３０が電圧を印加する陰極用給電部材２２の荷電箇所を変更する時刻に達したか否かを判定する（ｔ≧Ｔｃ×Ｎｃ？）。制御部ＣＬは、時刻ｔが陰極用給電部材２２の荷電箇所を変更する時刻に達していないと判定した場合（ステップＳＴ２１３；Ｎｏ）、所定の周期毎にステップＳＴ２１３を繰り返し実行する。制御部ＣＬは、時刻ｔが陰極用給電部材２２の荷電箇所を変更する時刻に達したと判定した場合（ステップＳＴ２１３；Ｙｅｓ）、ステップＳＴ２１４に移行する。

ステップＳＴ２１４において、制御部ＣＬは、陰極用給電部使用数Ｎｃが陰極用給電部数Ｎ以上か否かを判定する。制御部ＣＬは、陰極用給電部使用数Ｎｃが陰極用給電部数Ｎより小さいと判定した場合（ステップＳＴ２１４；Ｎｏ）、ステップＳＴ２１５に移行する。制御部ＣＬは、陰極用給電部使用数Ｎｃが陰極用給電部数Ｎ以上であると判定した場合（ステップＳＴ２１４；Ｙｅｓ）、ステップＳＴ２１６に移行する。

陰極用給電部使用数Ｎｃが陰極用給電部数Ｎより小さいと判定した場合（ステップＳＴ２１４；Ｎｏ）、ステップＳＴ２１５において、制御部ＣＬは、電源３０が電圧を印加する陰極用給電部材２２の荷電箇所を変更する。より詳しくは、制御部ＣＬは、スイッチ３２を切り替える制御信号を出力する。スイッチ３２が切り替わることによって、電源３０が電圧を印加する対象の陰極用給電部材２２は、別の陰極用給電部材２２に変更される。制御部ＣＬは、電圧を印加していた陰極用給電部材２２がいずれの陰極用給電部材２２であったか記憶し、まだ電圧を印加していない陰極用給電部材２２に電圧を印加する対象を変更する。制御部ＣＬは、ステップＳＴ２１２に移行する。

陰極用給電部使用数Ｎｃが陰極用給電部数Ｎ以上であると判定した場合（ステップＳＴ２１４；Ｙｅｓ）、ステップＳＴ２１６において、制御部ＣＬは、電極１０の交換を行うように報知する。より詳しくは、制御部ＣＬは、電極１０の交換を行うよう促す報知情報を含む制御信号を表示部へ出力する。表示部は、電極１０の交換を行うよう促す報知情報を表示する。ステップＳＴ２１６を終了すると、制御部ＣＬは、図５に示すフローチャートの処理を終了することにより、図４に示す荷電箇所変更ステップＳＴ２０４を終了する。制御部ＣＬは、図４に示すフローチャートの処理を終了する。

以上のように、本実施形態の水素含有水生成装置１００の電解槽ＤＫは、陽極部１２と、陰極部１４と、槽本体４０と、陽極用給電部材２０と、複数の陰極用給電部材２２と、電源３０と、を備える。陽極部１２は、側部に複数の開口１２Ｈを有する筒状である。陰極部１４は、側部に複数の開口１４Ｈを有し、陽極部１２の径方向外側又は径方向内側に離間して設けられる筒状である。槽本体４０は、陽極部１２及び陰極部１４が内部に設けられる筒状である。陽極用給電部材２０は、陽極部１２の長手方向Ｅに沿って延びて陽極部１２の側部に取り付けられる棒状である。複数の陰極用給電部材２２は、それぞれ、陰極部１４の長手方向Ｅに沿って延びて陰極部１４の側部に取り付けられる棒状である。電源３０は、陽極用給電部材２０に電気的に接続し、かつ複数の陰極用給電部材２２に選択的に接続して陽極部１２と陰極部１４との間に電圧を印加する。

本実施形態の水素含有水生成装置１００の電解槽ＤＫによれば、電圧を印加する対象の陰極用給電部材２２を順次変更することによって、陽極部１２の位置に対する荷電箇所である荷電中の陰極用給電部材２２の位置が変わる。水素含有水Ｒを生成する電気分解反応では、陰極部１４の電流密度が荷電部分である陰極用給電部材２２に集中しているため、陰極用給電部材２２と距離が近い陽極部１２の部分に劣化が集中してしまう。これに対し、電解槽ＤＫは、陰極用給電部材２２と距離が近い陽極部１２の部分が穴開き等故障する前に、陽極部１２に対する陰極用給電部材２２の荷電箇所を変更することが可能である。これにより、電極１０、特に陽極部１２の局所的な劣化を抑制して寿命を延ばすことができる。

本実施形態において、電解槽ＤＫは、それぞれ４つの陰極用給電部材２２を備えるが、陰極用給電部材２２の数は４つに限定されず、２つ以上であればいくつであってもよい。陰極用給電部材２２を陰極部１４に取り付ける位置は特に限定されないが、陽極部１２に対向する位置に均等に配置されることが好ましい。複数の陰極用給電部材２２に電圧を印加する順番は特に限定されない。平面視において時計回り又は反時計回りであってもよいし、例えば、第一陰極用給電部材２２１、第三陰極用給電部材２２３、第二陰極用給電部材２２２、第四陰極用給電部材２２４の順番等でもよい。

本実施形態において、陽極部１２、陰極部１４、及び槽本体４０の形状は、いずれも円筒状であるが、これに限定されるものではなく、筒形状であればどのような形状でもよい。また、電極１０は、下端部側開口部１０ＨＡ及び上端部側開口部１０ＨＢを有していなくてもよいし、下端部側開口部１０ＨＡ及び上端部側開口部１０ＨＢのいずれかのみを有していてもよい。

本実施形態において、電極１０は、陽極用給電部材２０及び陰極用給電部材２２を介して下側基台４２及び槽本体４０に固定されるが、固定方法は特に限定されない。また、本実施形態では、筒形状の陽極部１２、陰極部１４、及び槽本体４０の軸方向が鉛直方向と平行となる向きで配置することで、槽本体４０内の水の流れを好適に制御でき、水素含有水Ｒを好適に排出することができる。なお、陽極部１２、陰極部１４、及び槽本体４０の向きは、軸方向が鉛直方向と平行となる向きに限定されないが、軸方向に沿った向きで配置することが好ましい。

本実施形態において、陽極用給電部材２０は、突出部分２０Ｐとは反対側の端部が上端部側開口部１０ＨＢの近傍まで延びるが、陽極用給電部材２０の陽極部１２に取り付けられる部分の長さは、陽極部１２の長手方向Ｅの寸法の半分以下でもよい。陰極用給電部材２２は、突出部分２２Ｐとは反対側の端部が上端部側開口部１０ＨＢの近傍まで延びるが、陰極用給電部材２２の陰極部１４に取り付けられる部分の長さは、陰極部１４の長手方向Ｅの寸法の半分以下でもよい。これらの場合、例えば、電極１０は、陽極用給電部材２０が設けられている側とは反対側に、陽極用給電部材２０と同じ形状の陽極用支持部材が設けられてもよい。また、電極１０は、陰極用給電部材２２が設けられている側とは反対側に、陰極用給電部材２２と同じ形状の陰極用支持部材が設けられてもよい。陽極用支持部材及び陰極用支持部材は、陽極用給電部材２０及び陰極用給電部材２２と同一の材料であってもよいし、異なる材料であってもよい。

陽極用給電部材２０は、本実施形態のような棒状の形状でなくてもよく、任意の形状にしてもよい。また、陽極用給電部材２０は、下端部側開口部１０ＨＡにおいて陽極部１２に接続されることに限られず、導電体として陽極部１２と電気的に接続されていれば、接続箇所は任意である。陰極用給電部材２２は、本実施形態のような棒状の形状でなくてもよく、任意の形状にしてもよい。また、陰極用給電部材２２は、下端部側開口部１０ＨＡにおいて陰極部１４に接続されることに限られず、導電体として陰極部１４と電気的に接続されていれば、接続箇所は任意である。

本実施形態においては、陽極部１２と、陰極部１４とが下部スペーサ５２及び上部スペーサ５４を介して離間して設けられるが、陽極部１２と、陰極部１４との間に、側部に複数の開口を有する円筒状の絶縁体を介在させてもよい。絶縁体は、例えば、陽極部１２の外周部及び陰極部１４の内周部と接する。

本実施形態においては、電極１０が、内側に陽極部１２を有し、外側に陰極部１４を有するが、内側に陰極部１４を有し、外側に陽極部１２を有してもよい。この場合、給水管４６の給水部４６Ｈは、内側に配置された陰極部１４の内周部より内側に設けられ、鉛直方向の上方に向けて給水することが好ましい。また、排水管４８の排水部４８Ｈは、内側に配置された陰極部１４の内周部より内側に設けられ、給水部４６Ｈの上方において、陰極部１４の上端部側開口部１０ＨＢより下方の水素含有水Ｒを取水することが好ましい。また、接合管５０は、陽極部１２の外周部より外側に連通する上側基台４４の内部空間に連通することが好ましい。

以上、本実施形態を説明したが、本実施形態によってこの発明が限定されるものではない。また、前述した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、前述した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。さらに、本実施形態の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。

１０電極
１２陽極部
１４陰極部
２０陽極用給電部材
２２陰極用給電部材
２２１第一陰極用給電部材
２２２第二陰極用給電部材
２２３第三陰極用給電部材
２２４第四陰極用給電部材
３０電源
３２スイッチ
４０槽本体
１００水素含有水生成装置
ＤＫ電解槽
ＣＬ制御部
Ｒ水素含有水
Ｅ長手方向

Claims

側部に複数の開口を有する筒状の陽極部と、
側部に複数の開口を有し、前記陽極部の径方向外側又は径方向内側に離間して設けられる筒状の陰極部と、
前記陽極部及び前記陰極部が内部に設けられる筒状の槽本体と、
前記陽極部の長手方向に沿って延びて前記陽極部の側部に取り付けられる棒状の陽極用給電部材と、
前記陰極部の長手方向に沿って延びて前記陰極部の側部に取り付けられる棒状の複数の陰極用給電部材と、
前記陽極用給電部材に電気的に接続し、かつ前記複数の陰極用給電部材に選択的に電気的に接続して前記陽極部と前記陰極部との間に電圧を印加する電源部と、
を備える、水素含有水生成装置用電解槽。
前記複数の陰極用給電部材は、前記陰極部の中心軸回りに等間隔に形成される、
請求項１に記載の水素含有水生成装置用電解槽。
側部に複数の開口を有する筒状の陽極部と、
側部に複数の開口を有し、前記陽極部の径方向外側又は径方向内側に離間して設けられる筒状の陰極部と、
前記陽極部及び前記陰極部が内部に設けられる筒状の槽本体と、
前記陽極部の長手方向に沿って延びて前記陽極部の側部に取り付けられる棒状の陽極用給電部材と、
前記陰極部の長手方向に沿って延びて前記陰極部の側部に取り付けられる棒状の複数の陰極用給電部材と、
前記陽極用給電部材に電気的に接続し、かつ前記複数の陰極用給電部材に選択的に電気的に接続して前記陽極部と前記陰極部との間に電圧を印加する電源部と、
を備える電解槽を備える水素含有水生成装置による水素含有水生成方法であって、
前記複数の陰極用給電部材の数を設定する陰極用給電部数設定ステップと、
前記複数の陰極用給電部材のうち電圧を印加する対象の陰極用給電部材を変更するまでの時間間隔を設定する変更間隔設定ステップと、
前記時間間隔ごとに、陰極用給電部数設定ステップで設定した前記複数の陰極用給電部材の数に基づく所定回数、前記複数の陰極用給電部材のうち電圧を印加する対象の陰極用給電部材を順次変更する荷電箇所変更ステップと、
を含む、水素含有水生成方法。
前記電解槽の前記陽極部の寿命を予測する電極寿命予測ステップを含む、
請求項３に記載の水素含有水生成方法。