JP7434828B2 - 水素含有水生成装置、及び電極交換時期の予測方法 - Google Patents
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Description
本発明は、水素含有水生成装置、及び電極交換時期の予測方法に関する。
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。
ここで、電気分解においては、陽極部で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ので、交換が必要となる。また、同じ電極であっても、水質等によって劣化具合が異なるため、予め運用時と同程度の、例えば１０００時間以上等の長い試験に基づいて電極の交換時期を予測したり、頻繁に点検を行ったりする必要があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、劣化による電極の交換時期を容易に予測することができる水素含有水生成装置、及び電極交換時期の予測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は、第一電極を含み水素含有水を生成する通常電解槽と、前記第一電極より表面積が小さい第二電極を含み水素含有水を生成する加速用電解槽と、前記通常電解槽及び前記加速用電解槽に電気的に接続され、前記通常電解槽及び前記加速用電解槽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において、前記電源部を制御し、前記第二電極が故障するまでの前記電源部が電圧を印加している累積された稼働時間に基づいて前記第一電極が故障するまでの稼働時間の予測値を算出する制御部を備えることが好ましい。
前記水素含有水生成装置において、前記制御部は、前記第一電極の表面積と、前記第二電極の表面積と、前記第二電極が故障するまでの前記電源部が電圧を印加している累積された稼働時間とに基づいて、前記第一電極が故障するまでの稼働時間の予測値を算出することが好ましい。
前記水素含有水生成装置において、前記第一電極が故障するまでの稼働時間の予測値は、（前記第二電極が故障するまでの稼働時間）×（前記第一電極の表面積）／（前記第二電極の表面積）に示す式によって算出されることが好ましい。
前記水素含有水生成装置において、前記制御部は、前記加速用電解槽には電圧の印加をせず、前記通常電解槽にのみ電圧の印加をするように制御可能であることが好ましい。
前記水素含有水生成装置は、前記加速用電解槽に給水するための加速用電解槽と前記給水路との間に設けられるバルブを備え、前記水素含有水生成装置において、前記制御部は、前記加速用電解槽には電圧の印加をせず、前記通常電解槽にのみ電圧の印加をする場合、前記バルブを閉じるように制御することが好ましい。
前記水素含有水生成装置は、前記通常電解槽及び前記加速用電解槽が共通に接続され前記通常電解槽及び前記加速用電解槽のそれぞれに給水するための給水路と、前記通常電解槽及び前記加速用電解槽が共通に接続され前記通常電解槽及び前記加速用電解槽のそれぞれから排水するための排水路と、を備えることが好ましい。
本発明の電極交換時期の予測方法は、第一電極を含み水素含有水を生成する通常電解槽と、前記第一電極より表面積が小さい第二電極を含み水素含有水を生成する加速用電解槽と、前記通常電解槽及び前記加速用電解槽に電気的に接続され、前記通常電解槽及び前記加速用電解槽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の前記第一電極を交換する時期を予測する方法であって、前記第一電極の表面積及び前記第二電極の表面積を記憶するステップと、前記第二電極が故障するまでの前記電源部が電圧を印加している累積された稼働時間を記憶するステップと、前記第一電極の表面積と、前記第二電極の表面積と、前記第二電極が故障するまでの前記電源部が電圧を印加している累積された稼働時間とに基づいて、前記第一電極が故障するまでの稼働時間の予測値を算出するステップと、を含む。
本発明によれば、劣化による電極の交換時期を容易に予測することができるという効果を奏する。
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。
（水素含有水生成装置の構成）
まず、水素含有水生成装置１００全体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の構成例を模式的に示す図である。図１において、水素含有水生成装置１００は、１つの加速用電解槽ＤＫ０と、通常電解槽ＤＫ１、ＤＫ２、ＤＫ３、ＤＫ４、ＤＫ５と、空気抜き弁ＡＶ０、ＡＶ１、ＡＶ２、ＡＶ３、ＡＶ４、ＡＶ５と、循環ポンプＰ０、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５と、フロースイッチＦＳ０、ＦＳ１、ＦＳ２、ＦＳ３、ＦＳ４、ＦＳ５と、給水流量計ＦＭと、制御基板ＳＫ０、ＳＫ１、ＳＫ２、ＳＫ３、ＳＫ４、ＳＫ５と、制御部ＣＬと、入力部ＩＰと、表示部ＤＰと、を備える。
まず、水素含有水生成装置１００全体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の構成例を模式的に示す図である。図１において、水素含有水生成装置１００は、１つの加速用電解槽ＤＫ０と、通常電解槽ＤＫ１、ＤＫ２、ＤＫ３、ＤＫ４、ＤＫ５と、空気抜き弁ＡＶ０、ＡＶ１、ＡＶ２、ＡＶ３、ＡＶ４、ＡＶ５と、循環ポンプＰ０、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５と、フロースイッチＦＳ０、ＦＳ１、ＦＳ２、ＦＳ３、ＦＳ４、ＦＳ５と、給水流量計ＦＭと、制御基板ＳＫ０、ＳＫ１、ＳＫ２、ＳＫ３、ＳＫ４、ＳＫ５と、制御部ＣＬと、入力部ＩＰと、表示部ＤＰと、を備える。
各構成要素は、給水路ＷＲ１と、排水路ＷＲ２と、戻し配管ＷＲ３、ＷＲ４と、によって接続される。給水路ＷＲ１は、第１給水ヘッダＨＨ１を含む。排水路ＷＲ２は、第２給水ヘッダＨＨ２を含む。水素含有水生成装置１００は、給水装置Ｗ１から浴槽ＢＴへの給水路ＷＲ５の間に設けられる。給水路ＷＲ１及び排水路ＷＲ２は、給水路ＷＲ５に接続する。
水素含有水生成装置１００は、給水路ＷＲ５上に設けられるバルブＶ１が閉じて、給水路ＷＲ１上に設けられるバルブＶ２と排水路ＷＲ２上に設けられるバルブＶ３とが開くことにより、バルブＶ２を介して給水装置Ｗ１から給水され、バルブＶ３を介して浴槽ＢＴへ水素含有水Ｒを供給する。水素含有水生成装置１００は、バルブＶ１を開いて、バルブＶ２、Ｖ３を閉じることにより、給水装置Ｗ１からの給水が遮断される。この際。給水装置Ｗ１は、浴槽ＢＴへ直接給水する。水素含有水生成装置１００は、さらに、水素含有水生成装置１００内の水を抜くためのドレンバルブＤＶが設けられる。
第１給水ヘッダＨＨ１は、給水点ＷＰ１において給水路ＷＲ１に接続されて、給水路ＷＲ１の一部を構成する。第２給水ヘッダＨＨ２は、排水点ＷＰ２において排水路ＷＲ２に接続されて、排水路ＷＲ２の一部を構成する。第１給水ヘッダＨＨ１及び第２給水ヘッダＨＨ２は、水素含有水生成装置１００内の他の部分の配管よりも内径が大きな管によって構成されている。第１給水ヘッダＨＨ１は、給水路ＷＲ１側から給水点ＷＰ１０～ＷＰ１５及び循環ポンプＰ０～Ｐ５を介して、加速用電解槽ＤＫ０及び通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５へ水を供給する。第２給水ヘッダＨＨ２は、加速用電解槽ＤＫ０及び通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５から流出する水を、フロースイッチＦＳ０～ＦＳ５及び排水点ＷＰ２０～ＷＰ２５を介して排水路ＷＲ２側に排出する。
加速用電解槽ＤＫ０及び通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５は、第１給水ヘッダＨＨ１と第２給水ヘッダＨＨ２との間に並列に設けられている。加速用電解槽ＤＫ０及び通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５は、それぞれが別々の水素含有水生成部として機能する。加速用電解槽ＤＫ０及び通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５は、後述する電極１０を備えており、この電極１０に直流電圧（以下、電圧）を印加することにより、水素含有水Ｒを生成することができる。第１給水ヘッダＨＨ１の給水点ＷＰ１０と循環ポンプＰ０との間には、バルブＶ０が設けられる。水素含有水生成装置１００は、バルブＶ０を閉じることによって、加速用電解槽ＤＫ０には給水せず、通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５のみに給水することができる。
空気抜き弁ＡＶ０は、加速用電解槽ＤＫ０に溜まった空気を抜くために設けられている。空気抜き弁ＡＶ１～ＡＶ５は、通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５に溜まった空気を抜くために設けられている。
循環ポンプＰ０～Ｐ５は、加速用電解槽ＤＫ０及び通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５それぞれの給水路ＷＲ１側に設けられている。循環ポンプＰ０～Ｐ５は、第１給水ヘッダＨＨ１の給水点ＷＰ１０～ＷＰ１５から、対応する加速用電解槽ＤＫ０及び通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５へ給水を行う。循環ポンプＰ０～Ｐ５は、対応するフロースイッチＦＳ０～ＦＳ５の状態によって動作する。
フロースイッチＦＳ０～ＦＳ５は、加速用電解槽ＤＫ０及び通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５それぞれの排水路ＷＲ２側に設けられている。フロースイッチＦＳ０～ＦＳ５は、対応する加速用電解槽ＤＫ０及び通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５から、第２給水ヘッダＨＨ２の接続点である排水点ＷＰ２０～ＷＰ２５への流水量に基づいて、循環ポンプＰ０～Ｐ５を動作させるための制御信号を出力する。
フロースイッチＦＳ０～ＦＳ５は、対応する加速用電解槽ＤＫ０及び通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５の排水路ＷＲ２側の水量が減少すると給水量を増加させるように制御信号を出力し、循環ポンプＰ０～Ｐ５を動作させる。また、フロースイッチＦＳ０～ＦＳ５は、対応する加速用電解槽ＤＫ０及び通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５の第２給水ヘッダＨＨ２側の水量が増加すると給水量を減少させるように制御信号を出力し、循環ポンプＰ０～Ｐ５を動作させる。したがって、フロースイッチＦＳ０～ＦＳ５及び循環ポンプＰ０～Ｐ５によって、加速用電解槽ＤＫ０及び通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５に流れる水量を制御することができる。
戻し配管ＷＲ３、ＷＲ４は、第１給水ヘッダＨＨ１と第２給水ヘッダＨＨ２との間に直接接続されている。戻し配管ＷＲ３は、並列に６個並んだ加速用電解槽ＤＫ０及び通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５のうち、加速用電解槽ＤＫ０に隣接して設けられている。加速用電解槽ＤＫ０は、排水路ＷＲ２に接続されている第２給水ヘッダＨＨ２への排水点ＷＰ２から最も遠い排水点ＷＰ２０に排水する位置に設けられている。戻し配管ＷＲ４は、並列に６個並んだ加速用電解槽ＤＫ０及び通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５のうち、通常電解槽ＤＫ５に隣接して設けられている。通常電解槽ＤＫ５は、排水路ＷＲ２に接続されている第２給水ヘッダＨＨ２への排水点ＷＰ２から最も遠い排水点ＷＰ２５に排水する位置に設けられている。
複数並んだ電解槽のうち、排水点ＷＰ２から遠い位置の排水点に排水する電解槽について、その排水点の近傍に一端を接続した戻し配管を設ける必要がある。排水点ＷＰ２に比較的近い位置の排水点に排水する電解槽については、その排水点の近傍に一端を接続した戻し配管を設けなくてもよいし、設けてもよい。電解槽が複数個設けられている場合において、第２給水ヘッダＨＨ２への排水点ＷＰ２から最も遠い位置に排水する電解槽について、その排水点の近傍に一端を接続した戻し配管を設けることで、各電解槽への給水を均等にすることができる。つまり、第２給水ヘッダＨＨ２への排水点ＷＰ２から最も遠い位置の排水点の近傍は水圧が高まる可能性があるので、その近傍から第１給水ヘッダＨＨ１へバイパスする戻し配管ＷＲ３、ＷＲ４を設けることにより、圧力を逃がして各電解槽への給水を均等にすることができる。
給水流量計ＦＭは、水素含有水生成装置１００への給水の流量を計測するために設けられている。
制御基板ＳＫ０～ＳＫ５は、制御部ＣＬから出力される制御信号に基づいて、加速用電解槽ＤＫ０及び通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５に電圧を印加する。制御部ＣＬは、制御基板ＳＫ０～ＳＫ５を制御するための制御信号を出力する。加速用電解槽ＤＫ０及び通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５に電圧を印加した状態で循環ポンプＰ０～Ｐ５を動作させることにより、水素含有水Ｒを生成することができる。
制御部ＣＬは、入力部ＩＰから入力された所定の操作信号に基づいて、加速用電解槽ＤＫ０及び通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５に電圧を印加する。制御部ＣＬは、入力部ＩＰから入力された所定の操作信号に基づいて、通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５のみに電圧を印加する。すなわち、制御部ＣＬは、加速用電解槽ＤＫ０に電圧を印加せず、通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５のみに電圧を印加させるように、制御基板ＳＫ０～ＳＫ５を制御するための制御信号を出力することができる。また、制御部ＣＬは、加速用電解槽ＤＫ０に電圧を印加しない場合、バルブＶ０を閉じるよう制御することができる。
制御部ＣＬは、さらに、加速用電解槽ＤＫ０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Ｔ０に基づいて、通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５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Ｔの予測値を算出する。加速用電解槽ＤＫ０の電極１０が故障するまでの稼働時間Ｔ０は、入力部ＩＰから入力されてもよい。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、加速用電解槽ＤＫ０及び通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５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、加速用電解槽ＤＫ０に電圧を印加せず、通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５のみに電圧を印加させるように入力部ＩＰから入力された場合、その瞬間の稼働時間を加速用電解槽ＤＫ０の電極１０が故障するまでの稼働時間Ｔ０として記憶してもよい。制御部ＣＬは、算出した稼働時間Ｔの予測値の情報を含む映像信号を表示部ＤＰへ出力する。
入力部ＩＰは、水素含有水生成装置１００のメンテナンスを行う作業者等からの入力を受け付け可能である。入力部ＩＰは、例えば、水素含有水生成装置１００を稼働させる際に加速用電解槽ＤＫ０に電圧を印加させるか否かの情報を受け付け可能である。入力部ＩＰは、例えば、通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５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Ｔの予測値を算出するための各種のパラメータを受け付け可能である。入力部ＩＰは、例えば、加速用電解槽ＤＫ０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Ｔ０を受け付け可能であってもよい。制御部ＣＬがタイマーを含む場合、入力部ＩＰは、例えば、メンテナンスを行う時刻ｔｍｉを入力可能である。入力部ＩＰは、入力された情報を、制御部ＣＬへ出力する。
表示部ＤＰ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ＤＰは、制御部ＣＬから取得した映像信号に基づいて、通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５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Ｔの予測値を表示する。表示部ＤＰ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ＤＰ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ＤＰがタッチパネル式ディスプレイである場合、表示部ＤＰは、入力部ＩＰを含んでもよい。
（電極の構成）
加速用電解槽ＤＫ０及び通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５は、水素含有水生成用の電極１０を備えている。本実施形態において、加速用電解槽ＤＫ０の電極１０と通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５の電極１０とは、後述のとおり電極１０の長手方向Ｅの長さを除いて互いに同じ構成であるため、まとめて説明する。なお、以下の説明において、加速用電解槽ＤＫ０と、通常電解槽ＤＫ１、ＤＫ２、ＤＫ３、ＤＫ４、ＤＫ５とをそれぞれ区別する必要がない場合には、電解槽ＤＫと記載される。図２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Ｗ１から給水路ＷＲ１、第１給水ヘッダＨＨ１及び循環ポンプＰ０～Ｐ５を介してそれぞれの電解槽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。
加速用電解槽ＤＫ０及び通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５は、水素含有水生成用の電極１０を備えている。本実施形態において、加速用電解槽ＤＫ０の電極１０と通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５の電極１０とは、後述のとおり電極１０の長手方向Ｅの長さを除いて互いに同じ構成であるため、まとめて説明する。なお、以下の説明において、加速用電解槽ＤＫ０と、通常電解槽ＤＫ１、ＤＫ２、ＤＫ３、ＤＫ４、ＤＫ５とをそれぞれ区別する必要がない場合には、電解槽ＤＫと記載される。図２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Ｗ１から給水路ＷＲ１、第１給水ヘッダＨＨ１及び循環ポンプＰ０～Ｐ５を介してそれぞれの電解槽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２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３及び図４参照）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及び陰極部１４の線状部分１６の詳細な形状については後述する。
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、制御基板ＳＫ０～ＳＫ５から与えられる。電源３０から印加される電圧の大きさは、全ての電解槽ＤＫにおいて同一であるものとする。
陽極用給電部材２０は、例えば、溶接等の接合手段によって、陽極部１２に接合されて、取り付けられるが、陽極部１２に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。陰極用給電部材２２は、例えば、溶接等の接合手段によって、陰極部１４に接合されて、取り付けられるが、陰極部１４に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３は、本実施形態に係る水素含有水生成装置１００の通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５の例を示す断面図である。図３に示すように、通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５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。
次に、電解槽ＤＫの構成について説明する。図３は、本実施形態に係る水素含有水生成装置１００の通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５の例を示す断面図である。図３に示すように、通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５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。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、陰極用給電部材２２とを固定する。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ＡＶ１～ＡＶ５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ＡＶ１～ＡＶ５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ＡＶ１～ＡＶ５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ＡＶ１～ＡＶ５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、通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５は、酸素ガスを優先的に槽本体４０から排出できる。通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５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。
図４は、本実施形態に係る水素含有水生成装置１００の加速用電解槽ＤＫ０の例を示す断面図である。図４に示すように、加速用電解槽ＤＫ０の基本的な構成は、通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５と同様であるため、共通部分の説明は省略する。加速用電解槽ＤＫ０は、通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５に比べて、電極１０の長手方向Ｅの長さが短い。これに伴い、加速用電解槽ＤＫ０は、通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５に比べて、槽本体４０、陽極用給電部材２０及び陰極用給電部材２２の長手方向Ｅの長さが短い。
加速用電解槽ＤＫ０は、電極１０の下部スペーサ５２及び上部スペーサ５４が取り付けられる部分を除く長手方向Ｅの長さＬ０が、通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５の電極１０の下部スペーサ５２及び上部スペーサ５４が取り付けられる部分を除く長手方向Ｅの長さＬより短い。具体的には、本実施形態において、Ｌ０≒Ｌ／１０である。加速用電解槽ＤＫ０の電極１０は、通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５の電極１０と同径である。したがって、加速用電解槽ＤＫ０の電極１０の表面積は、通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５の電極１０の表面積の約１／１０である。
（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。
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。
２Ｈ２Ｏ→Ｏ２＋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－→２Ｈ２・・・（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。
２Ｈ２Ｏ→Ｏ２＋２Ｈ２・・・（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（Ｈ２）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ＡＶ０～ＡＶ５から水素含有水生成装置１００の外部に放出される。
（電極の開口の構成）
次に、電極１０の形状について、より詳細に説明する。図５は、本実施形態に係る陽極部１２及び陰極部１４の一部を示す模式拡大図である。図６は、本実施形態に係る陽極部１２及び陰極部１４の開口１２Ｈ、１４Ｈの模式拡大図である。図７は、図５のＡ－Ａ断面図である。
次に、電極１０の形状について、より詳細に説明する。図５は、本実施形態に係る陽極部１２及び陰極部１４の一部を示す模式拡大図である。図６は、本実施形態に係る陽極部１２及び陰極部１４の開口１２Ｈ、１４Ｈの模式拡大図である。図７は、図５のＡ－Ａ断面図である。
図５及び図６に示すように、本実施形態において、陽極部１２及び陰極部１４が有する開口１２Ｈ及び開口１４Ｈは、菱形形状である。開口１２Ｈ及び開口１４Ｈは、一方の対角線である第１対角線ＴＬｌが他方の対角線である第２対角線ＴＬｓよりも長い。開口１２Ｈ及び開口１４Ｈは、第１対角線ＴＬｌ上の頂部Ｐａ、Ｐｂでの角度が、第２対角線ＴＬｓ上の頂部Ｐｃ、Ｐｄでの角度よりも小さい。開口１２Ｈ及び開口１４Ｈは、第１対角線ＴＬｌが、陽極部１２及び陰極部１４が延びる方向、すなわち長手方向Ｅに向かう。第２対角線ＴＬｓは、円筒形状の陽極部１２及び陰極部１４の周方向Ｃに向かう。
陽極部１２及び陰極部１４は、複数の開口１２Ｈ及び開口１４Ｈを有するので、開口１２Ｈ及び開口１４Ｈを通して電気力線を内側と外側とに回すことができる。これにより、陽極部１２及び陰極部１４は、両面を電気分解に利用することができるので、水素を効率的に発生させることができる。また、陽極部１２は、線状部分１６で囲まれた開口１２Ｈによって、自身が生成する酸素の気泡のぬれ角を小さくすることができるので、酸素の気泡を速やかに離脱させることができる。すなわち、生成される酸素と陽極部１２の表面との間に生じる吸着力が、点接触に近い状態になって表面張力が抑制されるので、結果として、陽極部１２は、酸素の気泡を速やかに離脱させ、酸素の気泡を効率的に外部へ放出することができる。また、陰極部１４は、線状部分１６で囲まれた開口１４Ｈによって、自身が生成する水素の気泡のぬれ角を小さくすることができるので、水素の気泡を小さい状態で離脱させることができる。すなわち、生成される水素と陰極部１４の表面との間に生じる吸着力が、点接触に近い状態になって表面張力が抑制されるので、結果として、陰極部１４は、水素の気泡を小さい状態で離脱させて、多くの水素の気泡を溶存した水素含有水Ｒを生成することができる。
図７に示すように、本実施形態において、陽極部１２及び陰極部１４の線状部分１６は、断面が長方形（図７の例では正方形）となっている。陽極部１２は、線状部分１６が有する角部１６Ｔによって、酸素の気泡のぬれ角をさらに小さくして表面張力を抑制することができる。これにより、陽極部１２は、酸素の気泡を線状部分１６から速やかに離脱させ、酸素の気泡を効率的に外部へ放出することができる。また、陰極部１４は、線状部分１６が有する角部１６Ｔによって、水素の気泡のぬれ角をさらに小さくして表面張力を抑制することができる。これにより、陰極部１４は、水素の気泡をより小さい状態で離脱させることができるので、より小さい水素の気泡を溶存させた水素含有水Ｒを生成することができる。また、陰極部１４は、断面が長方形の線状部分１６を有するので、水素の発生に利用することができる表面積を大きくすることができる。これにより、陰極部１４は、水素を原水Ｗに溶存させる効率が向上する。
（電極交換時期の予測方法）
次に、本実施形態の水素含有水生成装置１００において、通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５の電極１０の劣化に伴う交換時期を予測する方法について説明する。通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５の電極１０の故障までの稼働時間の予測値をＴとし、加速用電解槽ＤＫ０の電極１０の故障までの稼働時間をＴ０とし、通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５の電極１０の反応部分の表面積をＳとし、加速用電解槽ＤＫ０の電極１０の反応部分の表面積をＳ０とすると、下記式（５）が成立する。
次に、本実施形態の水素含有水生成装置１００において、通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５の電極１０の劣化に伴う交換時期を予測する方法について説明する。通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５の電極１０の故障までの稼働時間の予測値をＴとし、加速用電解槽ＤＫ０の電極１０の故障までの稼働時間をＴ０とし、通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５の電極１０の反応部分の表面積をＳとし、加速用電解槽ＤＫ０の電極１０の反応部分の表面積をＳ０とすると、下記式（５）が成立する。
Ｔ＝ｋ×Ｔ０×（Ｓ／Ｓ０）・・・（５）
反応部分の表面積とは、下部スペーサ５２及び上部スペーサ５４が取り付けられる部分を除く領域の表面積である。通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５の電極１０と、加速用電解槽ＤＫ０の電極１０とは、同径であるので、周方向Ｃの長さが等しい。したがって、加速用電解槽ＤＫ０の電極１０の長手方向Ｅの長さをＬ０とし、通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５の電極１０の長手方向Ｅの長さをＬとすると、下記（６）が成立する。
（Ｓ／Ｓ０）＝（Ｌ／Ｌ０）・・・（６）
なお、上述したとおり、長さＬ及び長さＬ０は、下部スペーサ５２及び上部スペーサ５４が取り付けられる部分を除く。
式（５）及び式（６）より、下記式（７）が成立する。
式（５）及び式（６）より、下記式（７）が成立する。
Ｔ＝ｋ×Ｔ０×（Ｌ／Ｌ０）・・・（７）
ｋは、後述のとおり予め試用実験によって算出された係数である。係数ｋと、加速用電解槽ＤＫ０の電極１０の長手方向Ｅの長さＬ０と、通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５の電極１０の長手方向Ｅの長さＬとが既知である水素含有水生成装置１００では、加速用電解槽ＤＫ０の電極１０の故障までの稼働時間Ｔ０から、通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５の電極１０の故障までの稼働時間Ｔを予測することが可能である。
図８は、本実施形態に係る水素含有水生成装置１００の制御部ＣＬの処理の一例を示すフローチャートである。より詳しくは、図８は、通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５の電極１０の故障までの稼働時間Ｔの予測値を算出するまでの制御部ＣＬによる処理を示すフローチャートである。図８に示す処理では、本実施形態の水素含有水生成装置１００について、係数ｋが予め試用実験によって算出されているものとする。また、水素含有水生成装置１００の稼働開始を時刻０とした場合のメンテナンスを行う時刻ｔｍｉ（ｉ＝１、２、３、・・・）は、予め設定されているものとする。
ステップＳＴ１０１において、制御部ＣＬは、初回から次回までのメンテナンスの回数ｉをｉ＝０として記憶する。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開始させる。カウントアップタイマーは、電解槽ＤＫに電圧が印加されている時のみ作動するものとする。制御部ＣＬは、ステップＳＴ１０２に移行する。ステップＳＴ１０２において、制御部ＣＬは、次回メンテナンスを行う時刻ｔｍをｔｍ＝ｔｍｉとして記憶する。制御部ＣＬは、ステップＳＴ１０３に移行する。
ステップＳＴ１０３において、制御部ＣＬは、時刻ｔが次回メンテナンスを行う時刻ｔｍを過ぎたか否かを判定する。制御部ＣＬは、時刻ｔが次回メンテナンスを行う時刻ｔｍを過ぎていないと判定した場合（ステップＳＴ１０３；Ｎｏ）、所定の周期毎にステップＳＴ１０３を繰り返し実行する。制御部ＣＬは、時刻ｔが次回メンテナンスを行う時刻ｔｍを過ぎたと判定した場合（ステップＳＴ１０３；Ｙｅｓ）、ステップＳＴ１０４に移行する。ステップＳＴ１０４において、制御部ＣＬは、メンテナンスを行うよう促す報知情報を報知する。より詳しくは、制御部ＣＬは、メンテナンスを行うよう促す報知情報を含む制御信号を表示部ＤＰへ出力する。表示部ＤＰは、メンテナンスを行うよう促す報知情報を表示する。制御部ＣＬは、ステップＳＴ１０５に移行する。
ステップＳＴ１０５において、制御部ＣＬは、メンテナンスが開始されたか否かを判定する。制御部ＣＬは、例えば、入力部ＩＰがメンテナンスを開始したことを示す所定の操作を受け付けたことを示す操作信号を取得した場合、メンテナンスが開始されたと判定する。制御部ＣＬは、メンテナンスが開始されていないと判定した場合（ステップＳＴ１０５；Ｎｏ）、ステップＳＴ１０４に戻り、所定の周期毎にステップＳＴ１０４～ＳＴ１０５を繰り返し実行する。制御部ＣＬは、メンテナンスが開始されたと判定した場合（ステップＳＴ１０５；Ｙｅｓ）、ステップＳＴ１０６に移行する。ステップＳＴ１０６において、制御部ＣＬは、メンテナンスを行うよう促す報知情報の報知を停止させる。より詳しくは、制御部ＣＬは、メンテナンスを行うよう促す報知情報の報知を停止させる制御信号を表示部ＤＰへ出力する。表示部ＤＰは、メンテナンスを行うよう促す報知情報の表示を停止する。制御部ＣＬは、ステップＳＴ１０７に移行する。
ステップＳＴ１０７において、制御部ＣＬは、加速用電解槽ＤＫ０に電圧を印加しないように設定されたか否かを判定する。より詳しくは、制御部ＣＬは、入力部ＩＰが、加速用電解槽ＤＫ０に電圧を印加せず通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５のみに電圧を印加させるようにする所定の操作を受け付けたことを示す操作信号を取得した場合、加速用電解槽ＤＫ０に電圧を印加しないように設定されたと判定する。制御部ＣＬは、加速用電解槽ＤＫ０に電圧を印加しないように設定されていないと判定した場合（ステップＳＴ１０７；Ｎｏ）、ステップＳＴ１０８に移行する。制御部ＣＬは、加速用電解槽ＤＫ０に電圧を印加しないように設定されたと判定した場合（ステップＳＴ１０７；Ｙｅｓ）、ステップＳＴ１１０に移行する。
加速用電解槽ＤＫ０に電圧を印加しないように設定されていないと判定した場合（ステップＳＴ１０７；Ｎｏ）、ステップＳＴ１０８において、制御部ＣＬは、メンテナンスが終了されたか否かを判定する。制御部ＣＬは、例えば、入力部ＩＰがメンテナンスを終了したことを示す所定の操作を受け付けたことを示す操作信号を取得した場合、メンテナンスが終了されたと判定する。制御部ＣＬは、ステップＳＴ１０５でメンテナンスが開始されたと判定した後に（ステップＳＴ１０５；Ｙｅｓ）、初めて電解槽ＤＫに電圧が印加された場合、メンテナンスが終了されたと判定してもよい。制御部ＣＬは、メンテナンスが終了されていないと判定した場合（ステップＳＴ１０８；Ｎｏ）、ステップＳＴ１０７に戻り、所定の周期毎にステップＳＴ１０７～ＳＴ１０８を繰り返し実行する。制御部ＣＬは、メンテナンスが終了されたと判定した場合（ステップＳＴ１０８；Ｙｅｓ）、ステップＳＴ１０９に移行する。ステップＳＴ１０９において、制御部ＣＬは、初回から次回までのメンテナンスの回数ｉのカウンタ値を１つ増やして、ｉ＝ｉ＋１として記憶する。制御部ＣＬは、ステップＳＴ１０２に戻り、ステップＳＴ１０７でＹｅｓと判定されるまで、ステップＳＴ１０２～ＳＴ１０９を繰り返し実行する。
加速用電解槽ＤＫ０に電圧を印加しないように設定されたと判定した場合（ステップＳＴ１０７；Ｙｅｓ）、ステップＳＴ１１０において、制御部ＣＬは、カウントアップタイマーの現在の時刻ｔを加速用電解槽ＤＫ０の電極１０の故障までの稼働時間Ｔ０として記憶する（Ｔ０＝ｔ）。なお、メンテナンス中は、電解槽ＤＫへの電圧の印加が停止されているため、時刻ｔも停止している。したがって、加速用電解槽ＤＫ０の電極１０の故障までの稼働時間Ｔ０は、メンテナンスを開始した時点での時刻ｔに等しいものとする。制御部ＣＬは、ステップＳＴ１１１に移行する。
ステップＳＴ１１１において、制御部ＣＬは、式（７）により、通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５の電極１０の故障までの稼働時間Ｔの予測値を算出する。制御部ＣＬは、ステップＳＴ１１２に移行する。ステップＳＴ１１２において、制御部ＣＬは、算出した通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５の電極１０の故障までの稼働時間Ｔの予測値を報知する。より詳しくは、制御部ＣＬは、算出した通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５の電極１０の故障までの稼働時間Ｔの予測値の情報を含む映像信号を表示部ＤＰへ出力する。表示部ＤＰは、制御部ＣＬから取得した映像信号に基づいて、通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５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Ｔの予測値を表示する。制御部ＣＬは、図８に示すフローチャートの処理を終了する。
作業者は、例えば、通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５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Ｔの予測値に基づいて、以降のメンテナンスのスケジュールを設定する。例えば、次回のメンテナンスまでの時間は、（Ｔ－Ｔ０）に所定の安全率を乗じて算出した時間に設定してもよい。
（係数ｋの算出方法）
電極１０の交換時期の予測方法では、予め、加速用電解槽ＤＫ０と通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５の少なくともいずれか１つとを用いて、それぞれの電極１０が故障するまでの水素含有水生成装置１００の稼働時間Ｔ０、Ｔを測定する。そして、試用実験によって測定された稼働時間Ｔ０、Ｔと、それぞれの電極１０の長手方向Ｅの長さＬ０、Ｌとから、式（７）により係数ｋを算出する。ｋは、例えば、拘束部材１８、陽極用給電部材２０、陰極用給電部材２２、槽本体４０、下側基台４２、上側基台４４、給水管４６、排水管４８、下部スペーサ５２、上部スペーサ５４、又は図３において省略された他の構成部品の大きさ、形状、電極１０に対する位置関係等によって変動する。ｋは、同一の水素含有水生成装置１００では、電源３０による印加電圧の大きさ及び原水Ｗの水質によらず、ほぼ一定の値である。係数ｋは、同一の水素含有水生成装置１００について、ほぼ一定の値であるため、繰り返し試用実験及び算出をする必要はない。
電極１０の交換時期の予測方法では、予め、加速用電解槽ＤＫ０と通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５の少なくともいずれか１つとを用いて、それぞれの電極１０が故障するまでの水素含有水生成装置１００の稼働時間Ｔ０、Ｔを測定する。そして、試用実験によって測定された稼働時間Ｔ０、Ｔと、それぞれの電極１０の長手方向Ｅの長さＬ０、Ｌとから、式（７）により係数ｋを算出する。ｋは、例えば、拘束部材１８、陽極用給電部材２０、陰極用給電部材２２、槽本体４０、下側基台４２、上側基台４４、給水管４６、排水管４８、下部スペーサ５２、上部スペーサ５４、又は図３において省略された他の構成部品の大きさ、形状、電極１０に対する位置関係等によって変動する。ｋは、同一の水素含有水生成装置１００では、電源３０による印加電圧の大きさ及び原水Ｗの水質によらず、ほぼ一定の値である。係数ｋは、同一の水素含有水生成装置１００について、ほぼ一定の値であるため、繰り返し試用実験及び算出をする必要はない。
表１は、電極１０の長手方向Ｅの長さＬ０、Ｌに対する、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Ｔ０、Ｔの試用実験結果の一例を示した表である。本試用実験において、電極１０の故障とは、電極１０の表面に穴開きが発生することを示す。式（７）より、ｋは、表１に示す試用実験結果において、約１．０である。
以上のように、本実施形態の水素含有水生成装置１００は、長手方向Ｅの長さＬを有する電極１０を含む通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５と、長さＬより短い長手方向Ｅの長さＬ０を有する電極１０を含む加速用電解槽ＤＫ０と、制御部ＣＬと、を備える。制御部ＣＬは、加速用電解槽ＤＫ０の電極１０が故障するまでの稼働時間Ｔ０に基づいて、通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５の電極１０が故障するまでの稼働時間Ｔの予測値を算出する。
本実施形態の水素含有水生成装置１００によれば、加速用電解槽ＤＫ０の電極１０が故障するまでの稼働時間Ｔ０分の所要時間で、通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５の電極１０が故障するまでの稼働時間Ｔを予測することができる。加速用電解槽ＤＫ０の電極１０は、表面積が通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５の電極１０の表面積より小さい分、水の電気分解反応時の電流密度が小さい。このため、通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５の電極１０より早く劣化する。したがって、早期に通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５の電極１０の交換時期を予測することができる。また、加速用電解槽ＤＫ０の電極１０が故障するまでの稼働時間Ｔ０を取得した後は、算出された通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５の電極１０が故障するまでの稼働時間Ｔの予測値に基づいて、以降のメンテナンス時期を設定できるので、メンテナンスの頻度を少なくすることが可能である。
また、本実施形態の水素含有水生成装置１００は、制御部ＣＬが、加速用電解槽ＤＫ０には電圧を印加せず、通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５にのみ電圧を印加するように制御可能である。また、本実施形態の水素含有水生成装置１００は、加速用電解槽ＤＫ０と給水路ＷＲ１との間に設けられるバルブＶ０を備え、制御部ＣＬが、加速用電解槽ＤＫ０には電圧を印加せず、通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５にのみ電圧を印加する場合、バルブＶ０を閉じるように制御する。これにより、電極１０が故障した後の加速用電解槽ＤＫ０への給水及び電圧の印加を停止させることができる。
本実施形態において、試用実験に基づいて算出した係数ｋを利用して、通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５の電極１０の故障までの稼働時間Ｔの予測値を算出したが、ｋ＝１．０として稼働時間Ｔの予測値を算出してもよい。この場合、例えば、次回のメンテナンスまでの時間を算出する際に乗算する安全率の値を小さめにすることが好ましい。
本実施形態において、メンテナンスを行う時刻ｔｍｉは、電解槽ＤＫの稼働時間をカウントするタイマーによって計測したが、互いに異なるタイマーによって計測してもよい。また、メンテナンスを行う毎に、次回のメンテナンスまでの時間を設定してもよい。
本実施形態において、加速用電解槽ＤＫ０の電極１０が故障するまでのメンテナンス間隔が長い場合、加速用電解槽ＤＫ０の電極１０の故障までの稼働時間Ｔ０と、メンテナンスを開始した時点での時刻ｔとの誤差が大きくなる可能性がある。これに対し、メンテナンス間隔に基づいて、稼働時間Ｔ０に対し、補正値ｅによって誤差補正を行ってもよい。例えば、式（７）の代わりに、下記式（８）によって通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５の電極１０の故障までの稼働時間Ｔを算出してもよい。
Ｔ＝ｋ×（Ｔ０－ｅ）×（Ｌ／Ｌ０）・・・（８）
本実施形態において、水素含有水生成装置１００は、５つの通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５を備えるが、通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５の数は５つに限定されず、１つ以上であればいくつ備えていてもよい。
本実施形態において、加速用電解槽ＤＫ０の電極１０と、通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５の電極１０とは、同径かつ長手方向Ｅの長さが異なるが、長手方向Ｅの長さが同じかつ径が異なるものであってもよい。より詳しくは、加速用電解槽ＤＫ０の電極１０の表面積Ｓ０が通常電解槽ＤＫ１～ＤＫ５の電極１０の表面積Ｓに比べて十分に小さいのであれば、どのような形状であってもよい。
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
３０ 電源
４０ 槽本体
１００ 水素含有水生成装置
ＤＫ 電解槽
ＤＫ０ 加速用電解槽
ＤＫ１～ＤＫ５ 通常電解槽
ＣＬ 制御部
ＷＲ１ 給水路
ＷＲ２ 排水路
Ｖ１～Ｖ３ バルブ
Ｒ 水素含有水
Ｅ 長手方向
１２ 陽極部
１４ 陰極部
２０ 陽極用給電部材
２２ 陰極用給電部材
３０ 電源
４０ 槽本体
１００ 水素含有水生成装置
ＤＫ 電解槽
ＤＫ０ 加速用電解槽
ＤＫ１～ＤＫ５ 通常電解槽
ＣＬ 制御部
ＷＲ１ 給水路
ＷＲ２ 排水路
Ｖ１～Ｖ３ バルブ
Ｒ 水素含有水
Ｅ 長手方向
Claims (8)
- 第一電極を含み給水ヘッダから供給される水から水素含有水を生成する通常電解槽と、
前記給水ヘッダに対して前記通常電解槽と並列に設けられ、前記第一電極より表面積が小さい第二電極を含み前記給水ヘッダから供給される水から水素含有水を生成する加速用電解槽と、
前記通常電解槽及び前記加速用電解槽に電気的に接続され、前記通常電解槽及び前記加速用電解槽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。 - 第一電極を含み水素含有水を生成する通常電解槽と、
前記第一電極より表面積が小さい第二電極を含み水素含有水を生成する加速用電解槽と、
前記通常電解槽及び前記加速用電解槽に電気的に接続され、前記通常電解槽及び前記加速用電解槽に電圧を印加する電源部と、
前記電源部を制御し、前記第二電極が故障するまでの前記電源部が電圧を印加している累積された稼働時間に基づいて前記第一電極が故障するまでの稼働時間の予測値を算出する制御部と、
を備える、水素含有水生成装置。 - 前記制御部は、前記第一電極の表面積と、前記第二電極の表面積と、前記第二電極が故障するまでの前記電源部が電圧を印加している累積された稼働時間とに基づいて、前記第一電極が故障するまでの稼働時間の予測値を算出する、
請求項２に記載の水素含有水生成装置。 - 前記第一電極が故障するまでの稼働時間の予測値は、（前記第二電極が故障するまでの稼働時間）×（前記第一電極の表面積）／（前記第二電極の表面積）に示す式によって算出される、
請求項２又は３に記載の水素含有水生成装置。 - 前記制御部は、前記加速用電解槽には電圧の印加をせず、前記通常電解槽にのみ電圧の印加をするように制御可能である、
請求項２から４のいずれか１項に記載の水素含有水生成装置。 - 前記加速用電解槽と前記加速用電解槽に給水するための給水路との間に設けられるバルブを備え、
前記制御部は、前記加速用電解槽には電圧の印加をせず、前記通常電解槽にのみ電圧の印加をする場合、前記バルブを閉じるように制御する、
請求項５に記載の水素含有水生成装置。 - 前記通常電解槽及び前記加速用電解槽が共通に接続され前記通常電解槽及び前記加速用電解槽のそれぞれに給水するための給水路と、
前記通常電解槽及び前記加速用電解槽が共通に接続され前記通常電解槽及び前記加速用電解槽のそれぞれから排水するための排水路と、
を備える、請求項１から６のいずれか１項に記載の水素含有水生成装置。 - 第一電極を含み水素含有水を生成する通常電解槽と、
前記第一電極より表面積が小さい第二電極を含み水素含有水を生成する加速用電解槽と、
前記通常電解槽及び前記加速用電解槽に電気的に接続され、前記通常電解槽及び前記加速用電解槽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の前記第一電極を交換する時期を予測する方法であって、
前記第一電極の表面積及び前記第二電極の表面積を記憶するステップと、
前記第二電極が故障するまでの前記電源部が電圧を印加している累積された稼働時間を記憶するステップと、
前記第一電極の表面積と、前記第二電極の表面積と、前記第二電極が故障するまでの前記電源部が電圧を印加している累積された稼働時間とに基づいて、前記第一電極が故障するまでの稼働時間の予測値を算出するステップと、
を含む、電極交換時期の予測方法。
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