WO2015079594A1 - 水素水製造装置及びそれに用いられる電極 - Google Patents

水素水製造装置及びそれに用いられる電極 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a hydrogen water production apparatus and an electrode used therefor, and more particularly to a hydrogen water production apparatus for easily producing hydrogen water in which hydrogen is dissolved at a high concentration and an electrode used therefor.
  • Hydrogen water is water in which hydrogen is dissolved at a high concentration. In recent years, it has attracted attention as reducing and removing active oxygen in the human body, which is said to be harmful to human health, by drinking hydrogen water. ing. In addition to being used as a health drink, hydrogen water is attracting attention for industrial use and the like.
  • a method for producing hydrogen water it can be roughly divided into a method in which hydrogen gas is dissolved in water under high pressure (for example, Patent Document 1), and water is put in an electrolytic cell of an electrolyzer, and between an anode and a cathode. There is a method of generating hydrogen on the cathode side by applying a voltage (for example, Patent Document 2).
  • a method of dissolving hydrogen gas in water under high pressure must use a high-pressure hydrogen gas cylinder that is a dangerous substance, and is not suitable as a method for easily producing hydrogen water in general households. . Therefore, as a method for easily producing hydrogen water, it is preferable to produce it by electrolysis of water.
  • the hydrogen concentration of commercially available hydrogen water is about 0.2 to 1.2 ppm, which requires a device with high electrolysis efficiency, which makes the device larger and smaller for general household use. Difficult to do.
  • compact and portable hydrogen water that can be easily produced on the spot when you want to drink hydrogen water at sports destinations, destinations, and workplaces. A manufacturing device is desired.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and provides a compact hydrogen water production apparatus that can generate hydrogen with high generation efficiency even if the apparatus is downsized and is suitable for home use. With the goal. Furthermore, the present invention provides a portable hydrogen water production apparatus that can easily produce hydrogen water at any time and at any place by adopting a configuration in which the apparatus is miniaturized and an internal power source is used as a DC power source. For the purpose.
  • a hydrogen water production apparatus includes a plurality of titanium oxide electrodes constituting an anode and a cathode, and the plurality of titanium oxides in a hydrogen water production apparatus for producing hydrogen water.
  • a direct current power source for applying a voltage to the electrodes, an ultraviolet irradiation means having an ultraviolet light guide for irradiating the plurality of titanium oxide electrodes with ultraviolet light, and a control means for switching and controlling the polarity of the plurality of titanium oxide electrodes.
  • the titanium oxide electrode and the ultraviolet light guide are submerged in water for producing hydrogen water.
  • the hydrogen water production apparatus of the present invention when a voltage is applied from a DC power source in a state where a plurality of (for example, two) titanium oxide electrodes are submerged in water, electrolysis of the water causes the titanium oxide electrode of the anode to Generates oxygen and generates hydrogen from the titanium oxide electrode of the cathode.
  • oxygen and hydrogen are generated by photolysis of water.
  • the hydrophilicity of the electrode surface is increased by irradiating the titanium oxide electrode with ultraviolet rays, the generated hydrogen and oxygen are easily separated from the electrode.
  • the electrode surface is self-cleaning due to the increase in hydrophilicity of the electrode surface and the decomposition effect of organic matter, so that the contamination of the electrode can be prevented.
  • the hydrogen water production apparatus can increase the hydrogen generation efficiency as compared with the case of only electrolysis. Therefore, since hydrogen can be generated with high generation efficiency even if the apparatus is downsized, a compact hydrogen water production apparatus suitable for home use can be provided.
  • the hydrogen water production apparatus of the present invention can be miniaturized as described above, if an internal power source (battery, battery) is used as a DC power source, it can be carried not only indoors but also outdoors. be able to. Therefore, the hydrogen water production apparatus of the present invention can easily produce hydrogen water at a favorite place at any time.
  • an internal power source battery, battery
  • the surface of the titanium oxide electrode is preferably formed in a porous shape. Therefore, since the surface area of an electrode becomes large, the hydrogen generation efficiency by electrolysis or photolysis can be improved further.
  • two parallel titanium oxide electrodes are arranged opposite each other with a U-shaped ultraviolet light guide interposed therebetween.
  • an ultraviolet-ray can be uniformly irradiated with respect to two titanium oxide electrodes.
  • three parallel titanium oxide electrodes are arranged at the apex position of an equilateral triangle in a cross-sectional view, and the ultraviolet light guide path has an outer center position of the equilateral triangle and the equilateral triangle in the cross-sectional view. It is preferable that the ultraviolet light guides are arranged on three perpendicular bisectors on each of the three sides, and the respective ultraviolet light guides are connected to one line. Thereby, an ultraviolet-ray can be uniformly irradiated with respect to three titanium oxide electrodes.
  • the hydrogen water production apparatus of the present invention includes the DC power source, the light emission source of the ultraviolet irradiation means, a main body casing that houses the control means, and a cap that houses the plurality of titanium oxide electrodes and the ultraviolet light guide. It is preferably formed into a fountain pen shape. If it is formed in the shape of a fountain pen in this way, it does not get in the way even if it is carried, and it does not seem to be a hydrogen water production device in appearance, so it looks good.
  • the main body casing is provided with a lid member that is screwed into the cap screw of the bottle mouth to seal the bottle mouth.
  • hydrogen water is produced using water from a water bottle, and the body casing is attached to the water bottle by screwing the lid member into the bottle mouth with the titanium oxide electrode and the ultraviolet light guide inserted in the bottle water. And can be fixed.
  • the main body casing is provided with a clip member that fits into the upper end of the cup member.
  • the titanium oxide electrode of the present invention is an electrode used in the hydrogen water production apparatus.
  • the titanium oxide electrode of the present invention is composed of Ti (titanium), TiO 2 (titanium oxide), Ni (nickel), Fe (iron), Cr (chromium), Pt (platinum), Co (cobalt), Rh (rhodium). ), And the ratio of TiO 2 after sintering is 3 to 5% by mass.
  • the hydrogen water production apparatus of the present invention since hydrogen can be generated with high generation efficiency even if the apparatus is downsized, a compact hydrogen water production apparatus suitable for home use can be provided.
  • the device since the device can be downsized, a portable hydrogen water production device that can easily produce hydrogen water at any time and place by adopting a configuration using an internal power source as a DC power source. Can be provided.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of a hydrogen water production apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of a hydrogen water production apparatus 10 according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a perspective view assembled until a main body casing 12 and a cap 14 are attached
  • FIG. 3 is an external view after the assembly is completed by attaching the main body casing 12 and the cap 14.
  • a portable apparatus that includes two titanium oxide electrodes 16 and 16 and uses a dry battery 18 as a DC power source will be described.
  • the hydrogen water production apparatus 10 mainly applies a voltage to the two titanium oxide electrodes 16 and 16 constituting the anode and the cathode, and the two titanium oxide electrodes 16 and 16.
  • a dry battery 18 to be applied an ultraviolet irradiation means 20 having an ultraviolet light guide 20A for irradiating the two titanium oxide electrodes 16 and 16 with ultraviolet light, and a control means 22 for switching and controlling the polarities of the two titanium oxide electrodes 16 and 16.
  • a power switch 24 is provided.
  • the dry battery holder 30 including these members 16 to 24 and the electric substrate 28 is supported by the holder member 26 and is externally mounted on the main body casing 12 and the cap 14 so as to have a fountain pen-shaped appearance.
  • the titanium oxide electrode 16 is formed in a long rod shape.
  • the titanium oxide electrode 16 is made of, for example, Ti (titanium), TiO 2 (titanium oxide), Ni (nickel), Fe (iron), Cr (chromium), Pt (platinum), Co (cobalt), or Rh (rhodium). It can also be formed by powder metallurgy using powder, and Ti (titanium) and TiO 2 (titanium oxide) can be formed by powder metallurgy around an electrode core formed of a stainless steel rod. Regarding the mass ratio of each metal after sintering performed by powder metallurgy, the ratio of TiO 2 is preferably 3 to 5 mass% of the whole.
  • platinum group elements such as Pt (platinum) and Rh (rhodium) and Co (cobalt) because the decomposition of water can be promoted.
  • the Ti concentration is 5 to 7% by mass and the TiO 2 concentration is 3 to 5% by mass.
  • the surface area of the electrode can be increased and the contact area with water to be electrolyzed can be increased.
  • the amount of titanium oxide present on the electrode surface can be increased. Thereby, the electrolysis efficiency of water and the photolysis efficiency of water can be improved.
  • the dry battery 18 is not particularly limited, but a 12V battery for a camera can be preferably used.
  • the ultraviolet irradiation means 20 includes a light emitting source 20B that emits ultraviolet light and an ultraviolet light guide 20A, and a UV-LED (ultraviolet LED) can be suitably used as the light emitting source 20B.
  • a UV-LED ultraviolet LED
  • As the ultraviolet light guide 20A a U-shaped rod-like body can be preferably used, and a resin-made or glass-like rod-like body or tube capable of transmitting ultraviolet rays can also be used.
  • a twist preventing plate 20D for preventing twisting of the ultraviolet light guide is provided at the tip (U-shaped portion) of the ultraviolet light guide 20A.
  • a visible light LED is used as the pilot LED so that the ultraviolet light emission can be visually confirmed.
  • the ultraviolet light guide 20A is simultaneously illuminated by the visible light LED 20C. It is preferable to make it. Since the wavelength region of the ultraviolet light emitted from the light source 20B is in the range of 10 to 400 nm, the light emission color of the visible light LED 20C is more preferably a blue wavelength around 400 nm that makes it easy for the user to imagine ultraviolet light emission. Further, by making the visible light LED 20C an LED capable of emitting multiple colors, for example, the normal operating state is blue, the state where the battery is insufficient is orange, the current to the titanium oxide electrode due to overcurrent, etc.
  • FIG. 4 shows the positional relationship between the two titanium oxide electrodes 16 and 16 and the U-shaped ultraviolet light guide 20A, and is a cross-sectional view taken along line 2-2 of FIG.
  • two parallel titanium oxide electrodes 16, 16 are opposed to each other with a U-shaped ultraviolet light guide 20 ⁇ / b> A interposed therebetween. Thereby, it is possible to irradiate the two titanium oxide electrodes 16, 16 uniformly from the ultraviolet light guide 20 ⁇ / b> A.
  • each of the ultraviolet light guides 20A is disposed at the position, and each of the ultraviolet light guides is connected to one.
  • this arrangement is preferably arranged at this position exactly, but it does not have to be strictly at this position, and may be arranged in the vicinity of this position.
  • the remaining three ultraviolet light guides are arranged at an angular interval of 120 degrees around the central ultraviolet light guide as shown in FIG. Thereby, the three titanium oxide electrodes 16, 16... Can be evenly irradiated with ultraviolet rays.
  • the control means 22 mainly performs switching control for switching the polarities of the two titanium oxide electrodes 16, 16, switching timing control, continuous operation time control for the hydrogen water production apparatus 10, current stop control during overcurrent, and the like.
  • IC chip can be preferably used.
  • the polarity switching timing varies depending on the mineral component concentration of water, it is generally preferable to switch at intervals of 2 to 15 seconds.
  • the power supply of the hydrogen water manufacturing apparatus 10 can be turned off.
  • the power switch 24 is a switch for turning on and off the power, and a push button type, for example, can be preferably used.
  • the holder member 26 can be formed, for example, by processing or injection molding (injection molding) a resin cylindrical rod.
  • One end side (side that supports the power switch 24) of the holder member 26 is formed in a cylindrical shape, and the other end side (side that supports the titanium oxide electrode 16 and the ultraviolet light guide 20A) is formed in a cylindrical shape. Further, the center portion of the holder member 26 is formed in a semi-cylindrical shape. Then, the power switch 24 is assembled in the cylindrical space on one end side of the holder member 26.
  • the cylindrical portion on the other end side of the holder member 26 is provided with four through holes in the axial direction.
  • the rod-shaped titanium oxide electrode 16 is formed in each of the two through holes.
  • the proximal end is inserted.
  • both ends of the U-shaped ultraviolet light guide 20A are inserted into the remaining two through holes.
  • a dry battery holder 30 provided with an electric substrate 28 is assembled, and the dry battery 18 is detachably set in the dry battery holder 30.
  • Two electric terminals 32 and 32 that are in contact with the base ends of the two titanium oxide electrodes 16 and 16 are provided on the back side of the electric substrate 28 (the other end side of the holder member 26). Further, a UV-LED 20B and a visible light LED 20C are provided on the back side of the electric board 28, and are connected to both ends of the ultraviolet light guide 20A. On the other hand, the control means 22 (IC chip) is provided on the surface side of the electric substrate 28.
  • the electrical wiring for the hydrogen water production apparatus 10 to perform electrolysis and photolysis of water includes a power switch 24, a dry battery holder 30, an electrical board 28 (electrical terminal 32, UV-LED 20B, visible light LED 20C, control means). 22).
  • a power switch 24 a dry battery holder 30, an electrical board 28 (electrical terminal 32, UV-LED 20B, visible light LED 20C, control means). 22).
  • the visible light LED 20C blinks and the overcurrent further increases. It is preferable to turn the power off when Thereby, the electrical failure of the hydrogen water manufacturing apparatus 10 can be prevented.
  • a ring-shaped large-diameter portion 26A having a diameter larger than the diameter of the holder member 26 is formed on the other end side of the holder member 26, and the cylindrical main body casing 12 is fitted from one end side of the holder member 26. And abuts against the large diameter portion 26A.
  • a female screw is engraved on the outer surface of the holder member 26 on one end side, and a male screw formed on the inner peripheral surface of the ring-shaped stopper member 34 is screwed into this female screw.
  • the cap 14 is fitted from the other end side of the holder member 26 and comes into contact with the large diameter portion 26A of the holder member 26.
  • the two titanium oxide electrodes 16 and 16 and the ultraviolet light guide 20A are accommodated in the cap 14, and as shown in FIG. 3, the hydrogen water production apparatus 10 having an outer appearance formed in a fountain pen shape is formed.
  • the holder member 26 By forming the holder member 26 from a light-transmitting material, part of the light emitted from the visible light LED 20C during the operation of the apparatus is scattered inside the holder member 26. A part of the light is emitted to the outside from the large-diameter portion 26A. Therefore, even after the cap 14 is fitted, the operation state such as forgetting to turn off the power switch 24 can be confirmed.
  • FIG. 6 is a diagram for producing hydrogen water by the hydrogen water production apparatus 10 using a commercially available drinking water bottle 36 containing drinking water.
  • the bottle mouth 36A is screwed into the cap screw 36B of the bottle mouth 36A.
  • a lid member 38 for sealing may be further provided.
  • the lid member 38 may be provided as a separate body that is detachable from the hydrogen water production apparatus 10 or may be fixed to the hydrogen water production apparatus 10.
  • the lid member 38 has a screw 38B that can be screwed into the cap screw 36B of the bottle mouth 36A and a ring-shaped groove 38A for mounting the O-ring 50 on the inner peripheral surface thereof.
  • the lid member 38 can be fixed at an arbitrary position on the main body casing 12 by the frictional force of the O-ring 50, and the cap screw 36B and the screw 38B.
  • the O-ring 50 is pressure-bonded to the tip of the bottle mouth 36A, and the water in the drinking water bottle 36 can be prevented from leaking outside.
  • the main body casing 12 can be firmly fixed to the drinking water bottle 36 with the two titanium oxide electrodes 16 and 16 and the ultraviolet light guide 20 ⁇ / b> A inserted straight into the drinking water of the drinking water bottle 36.
  • FIG. 7 is a diagram for producing hydrogen water by the hydrogen water production apparatus 10 using a cup 40 containing drinking water.
  • the lid member 38 it is preferable to provide the lid member 38 with a clip member 42 that fits into the upper end of the cup 40 in order to improve the convenience when the cup 40 is used.
  • the main body casing 12 is inserted into the cup 40 by inserting the clip member 42 into the upper end of the cup 40 in a state where the two titanium oxide electrodes 16 and 16 and the ultraviolet light guide 20A are inserted into the drinking water of the cup 40. Can be fixed firmly.
  • the main body casing 12 is more preferably provided with both the lid member 38 and the clip member 42.
  • the hydrogen water produced by the hydrogen water production apparatus 10 of the present invention contains oxygen in addition to hydrogen, but there is no health problem even if drinking water in which oxygen is dissolved.
  • the cap (not shown) of the commercially available drinking water bottle 36 is removed, and the two titanium oxide electrodes 16 and 16 and the ultraviolet light guide 20A of the hydrogen water production apparatus 10 are inserted into the bottle through the bottle mouth 36A.
  • the lid member 38 of the main body casing 12 is screwed into the bottle opening 36A of the bottle.
  • the hydrogen water producing apparatus 10 is fixed to the drinking water bottle 36 in a state where the two titanium oxide electrodes 16 and 16 and the ultraviolet light guide 20 ⁇ / b> A are submerged in the drinking water.
  • the power switch 24 of the hydrogen water production apparatus 10 is pressed to turn on the power, and a voltage is applied to the two titanium oxide electrodes 16, 16, and the two titanium oxide electrodes 16, 16 are applied from the ultraviolet light guide 20 A. Irradiate ultraviolet rays.
  • the control means 22 switches the polarity of the two titanium oxide electrodes 16 and 16 at intervals of 2 to 15 seconds.
  • oxygen is generated from the titanium oxide electrode 16 of the anode and hydrogen is generated from the titanium oxide electrode 16 of the cathode by electrolysis of water. Furthermore, by irradiating the two titanium oxide electrodes 16 and 16 with ultraviolet rays from the ultraviolet light guide 20A, oxygen and hydrogen are generated by photolysis of water (Honda-Fujishima effect) and negative ions are generated.
  • the hydrogen water production apparatus 10 can increase the hydrogen generation efficiency as compared with the case where hydrogen water is produced only by conventional electrolysis. (1) Since both hydrogen generation by electrolysis and hydrogen generation by photolysis are performed in parallel, the hydrogen generation efficiency is higher than in the case of only electrolysis.
  • the efficiency of hydrogen generation by electrolysis can be increased synergistically. Accordingly, even if the apparatus is downsized, hydrogen can be generated with high generation efficiency. As described above, the small-sized hydrogen water production apparatus 10 suitable for home use can be provided.
  • the apparatus can be miniaturized, a configuration using an internal power source (dry cell, battery) as a DC power source can be adopted.
  • the portable hydrogen water manufacturing apparatus 10 which can manufacture hydrogen water easily at a favorite place at any time can be provided.
  • the example of a portable apparatus including two titanium oxide electrodes 16 and 16 and using a dry battery 18 as a DC power source has been described. It is not limited to this.
  • SYMBOLS 10 Hydrogen water production apparatus, 12 ... Main body casing, 14 ... Cap, 16 ... Titanium oxide electrode, 18 ... Dry cell, 20 ... Ultraviolet irradiation means, 20A ... Ultraviolet light guide, 20B ... Ultraviolet light source, 20C ... Blue LED, 20D ... Anti-twisting plate, 22 ... Control means, 24 ... Power switch, 26 ... Holder member, 26A ... Large diameter part, 28 ... Electric substrate, 30 ... Dry cell holder, 32 ... Electric terminal, 34 ... Stopping member, 36 ... Beverage Water bottle, 36A ... Bottle mouth, 36B ... Cap screw, 38 ... Lid member, 38A ... Ring groove, 38B ... Screw, 40 ... Cup, 42 ... Clip member, 50 ... O-ring

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Abstract

【課題】装置を小型化しても高い発生効率で水素を発生させることができるので、家庭用向けに好適なコンパクトな水素水製造装置及びそれに用いられる電極を提供する。 【解決手段】陽極と陰極とを構成する２本の酸化チタン電極１６，１６と、２本の酸化チタン電極１６，１６に電圧を印加する乾電池１８と、２本の酸化チタン電極１６，１６に紫外線を照射する紫外線導光路２０Ａを有する紫外線照射手段２０と、２本の酸化チタン電極１６，１６の極性を切替え制御する制御手段２２と、を備え、水素水を製造するための水に酸化チタン電極１６及び紫外線導光路２０Ａを水没させて使用する。

Description

水素水製造装置及びそれに用いられる電極
　本発明は水素水製造装置及びそれに用いられる電極に係り、特に、水素を高濃度に溶存した水素水を簡易に製造するための水素水製造装置及びそれに用いられる電極に関する。
　水素水は、水素を高濃度に溶存させた水であり、水素水を飲むことにより、人体の健康に害を及ぼすと言われている人体中の活性酸素を還元して除去するとして近年注目されている。また、水素水は健康飲料として利用される他にも工業用途等でも注目されている。
　水素水を製造する方法としては、大きく分けて、高圧下で水素ガスを水に溶解させる方法（例えば特許文献１）と、電気分解装置の電解槽に水を入れ、陽極と陰極との間に電圧を印加することにより、陰極側に水素を発生させる方法（例えば特許文献２）と、がある。
　しかし、高圧下で水素ガスを水に溶解させる方法は、危険物である高圧な水素ガスボンベを使用しなくてはならず、一般家庭等において簡易に水素水を製造する方法としては不適当である。したがって、簡易に水素水を製造する方法としては、水の電気分解によって製造することが好ましい。
特許第３６０６４６６号公報 特開２００２－２５４０７８号公報
　ところで、販売されている市販の水素水の水素濃度としては、０．２～１．２ｐｐｍ程度であり、電気分解効率の大きな装置を必要とするため装置が大型化し、一般家庭用向けに小型化することが難しい。また、昨今の消費者のニーズタイミングやニーズ場所の多様化から、スポーツ後、旅行先、仕事場等において、水素水を飲みたいときにその場で簡易に製造できるようなコンパクトで携帯可能な水素水製造装置が要望されている。
　本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、装置を小型化しても高い発生効率で水素を発生させることができ、家庭用向けに好適であるコンパクトな水素水製造装置を提供することを目的とする。
  更に本発明は、装置を小型化して、直流電源として内部電源を使用した構成を採用することにより、好きな時に好きな場所で簡易に水素水を製造できる携帯可能な水素水製造装置を提供することを目的とする。
　前記目的を達成するために、本発明に係る水素水製造装置は、水素水を製造する水素水製造装置において、陽極と陰極とを構成する複数本の酸化チタン電極と、前記複数本の酸化チタン電極に電圧を印加する直流電源と、前記複数本の酸化チタン電極に紫外線を照射する紫外線導光路を有する紫外線照射手段と、前記複数本の酸化チタン電極の極性を切替え制御する制御手段と、を備え、水素水を製造するための水に前記酸化チタン電極及び前記紫外線導光路を水没させて使用する。
  本発明の水素水製造装置によれば、水中に複数本（例えば２本）の酸化チタン電極を水没させた状態で直流電源から電圧を印加すると、水の電気分解により、陽極の酸化チタン電極からは酸素が発生し、陰極の酸化チタン電極からは水素が発生する。
  更に、紫外線導光路から酸化チタン電極に紫外線を照射することにより、水の光分解により酸素と水素が発生する。
  また、酸化チタン電極に紫外線を照射することにより、電極表面の親水性が大きくなるので、発生した水素や酸素が電極から離れ易くなる。
  また、酸化チタン電極に紫外線を照射すると電極表面の親水性の増加と、有機物の分解効果により電極の自浄作用が生じるので、電極の汚れを防止することができる。
  また、酸化チタン電極の極性を切り替えることにより、水中のミネラル成分が電極に付着して電解性能の低下させることを防止できる。
  これらの特徴により、本発明に係る水素水製造装置は、電気分解のみの場合に比べて水素発生効率を高くすることができる。したがって、装置を小型化しても高い発生効率で水素を発生させることができるので、家庭用向けに好適なコンパクトな水素水製造装置を提供することができる。
　本発明の水素水製造装置は、上述のように小型化が可能となったことにより、直流電源として内部電源（電池、バッテリー）を使用すれば、屋内だけでなく、携帯して屋外でも使用することができる。したがって、本発明の水素水製造装置は、好きな時に好きな場所で簡易に水素水を製造することができる。
　本発明の水素水製造装置は、前記酸化チタン電極の表面はポーラス状に形成されることが好ましい。これにより、電極の表面積が大きくなるので、電気分解や光分解による水素発生効率を一層向上できる。
　本発明の水素水製造装置は、２本の平行な酸化チタン電極が、Ｕ字形状の紫外線導光路を挟んで対向配置されることが好ましい。これにより、２本の酸化チタン電極に対して紫外線を均等に照射することができる。
　本発明の水素水製造装置は、３本の平行な酸化チタン電極が、断面視において正三角形の頂点位置に配置され、紫外線導光路が断面視において前記正三角形の外心位置及び前記正三角形の３辺の垂直2等分線上にそれぞれ配置されるとともに、それぞれの紫外線導光路は一本に連通されていることが好ましい。これにより、３本の酸化チタン電極に対して紫外線を均等に照射することができる。
　本発明の水素水製造装置は、前記直流電源、前記紫外線照射手段の発光源、前記制御手段を収納する本体ケーシングと、前記複数本の酸化チタン電極及び前記紫外線導光路を収納するキャップと、により万年筆形状に形成されることが好ましい。
  このように万年筆形状に形成すれば、携帯しても邪魔にならないばかりか、外見上、水素水製造装置とは分からないので、見栄えがよい。
　本発明の水素水製造装置は前記本体ケーシングには、前記ボトル口のキャップネジに螺合してボトル口を封止する蓋部材が設けられていることが好ましい。
　これは水ボトルの水で水素水を製造する場合であり、酸化チタン電極と紫外線導光路をボトル水中に挿入した状態でボトル口に蓋部材を螺合することによって、本体ケーシングを水ボトルにしかりと固定することができる。
　本発明の水素水製造装置は、前記本体ケーシングには、コップ部材の上端に嵌入するクリップ部材が設けられていることが好ましい。
　これはコップ部材に水を入れて水素水を製造する場合であり、酸化チタン電極と紫外線導光路をコップ部材の水中に挿入した状態で、コップ部材の上端にクリップ部材を嵌入することによって、本体ケーシングをコップ部材にしっかりと固定することができる。
なお、本体ケーシングは、蓋部材とクリップとの両方を備えていることが一層好ましい。
　また、本発明の酸化チタン電極は、上記水素水製造装置で使用される電極であることを特徴としている。
　更に、本発明の酸化チタン電極は、Ｔｉ（チタン）、ＴｉＯ２（酸化チタン）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｆｅ(鉄)、Ｃｒ（クロム）、Ｐｔ（白金）、Ｃｏ（コバルト）、Ｒｈ（ロジウム）の粉末を用いて粉末冶金により形成し、焼結後のＴｉＯ２の比率が全体の３～５質量％であることを特徴としている。
　本発明の水素水製造装置によれば、装置を小型化しても高い発生効率で水素を発生させることができるので、家庭用向けに好適なコンパクトな水素水製造装置を提供することができる。また、装置の小型化が可能となったので、直流電源として内部電源を使用した構成を採用することにより、好きな時に好きな場所で簡易に水素水を製造できる携帯可能な水素水製造装置を提供することができる。
本発明の実施の形態の水素水製造装置の分解斜視図 本体ケーシング及びキャップを取り付ける前まで水素水製造装置を組み立てた斜視図 本体ケーシング及びキャップを取り付けて水素水製造装置の組み立てを完成した後の外観図 ２本の酸化チタン電極と紫外線導光路との好ましい配置関係を示す２－２線に沿った断面図 ３本の酸化チタン電極と紫外線導光路との好ましい配置関係を示す断面図 水素水製造装置を飲料水の入ったボトルにセットした図 水素水製造装置を飲料水の入ったコップにセットした図
　以下添付図面に従って、本発明に係る水素水製造装置の好ましい実施の形態について詳述する。
  図１は、本発明の実施の形態の水素水製造装置１０の分解斜視図であり、図２は、本体ケーシング１２及びキャップ１４を取り付ける前まで組み立てた斜視図である。また、図３は、本体ケーシング１２及びキャップ１４を取り付けて組み立てを完成した後の外観図である。
  なお、以下に説明する水素水製造装置１０では、２本の酸化チタン電極１６，１６を備え、直流電源として乾電池１８を用いた携帯可能な装置の例で説明する。
　図１～図３に示すように、水素水製造装置１０は、主として、陽極と陰極とを構成する２本の酸化チタン電極１６，１６と、２本の酸化チタン電極１６，１６に電圧を印加する乾電池１８と、２本の酸化チタン電極１６，１６に紫外線を照射する紫外線導光路２０Ａを有する紫外線照射手段２０と、２本の酸化チタン電極１６，１６の極性を切替え制御する制御手段２２と、電源スイッチ２４と、からなる各部材で構成される。これらの部材１６～２４及び電気基板２８を備えた乾電池ホルダー３０はホルダー部材２６に支持されており、本体ケーシング１２及びキャップ１４に外装されて万年筆形状の外観に形成される。
　酸化チタン電極１６は、長尺な棒状に形成される。酸化チタン電極１６は、例えば、Ｔｉ（チタン）、ＴｉＯ２（酸化チタン）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｆｅ(鉄)、Ｃｒ（クロム）、Ｐｔ（白金）、Ｃｏ（コバルト）、Ｒｈ（ロジウム）の粉末を用いて粉末冶金により形成することもできるし、ステンレス棒で形成した電極芯材の周りに、Ｔｉ（チタン）とＴｉＯ２（酸化チタン）とを粉末冶金により形成することもできる。粉末冶金で行った焼結後の各金属の質量比は、ＴｉＯ２の比率が全体の３～５質量％であることが好ましい。これにより、後述する各種ＴｉＯ２に基づく効果が十分発揮される。また、Ｐｔ（白金）、Ｒｈ（ロジウム）等の白金族元素やＣｏ（コバルト）を含むことにより、水の分解を促進させることができるので好ましい。
　また、ＴｉとＴｉＯ２の比率を粉末冶金により形成された部分で見た場合、Ｔｉ濃度が５～７質量％、ＴｉＯ２濃度が３～５質量％となるように含有させることが好ましい。このように酸化チタン電極１６の表面をポーラスな焼結金属層で形成することにより、電極表面積を大きくでき電気分解する水との接触面積を増大できる。また、電極表面に存在する酸化チタン量を多くできる。これにより、水の電気分解効率及び水の光分解効率を向上できる。
  乾電池１８は、特に限定されないが、カメラ用の１２Ｖ電池を好適に使用することができる。
　紫外線照射手段２０は、紫外線を発光する発光源２０Ｂと紫外線導光路２０Ａとで構成され、発光源２０ＢとしてはＵＶ－ＬＥＤ（紫外線ＬＥＤ）を好適に使用することができる。紫外線導光路２０ＡはＵ字形状の棒状体を好適に使用でき、紫外線が透過可能な樹脂製やガラス製の棒状体やチューブ等も使用することができる。紫外線導光路２０Ａの先端部（Ｕ字部分）には、紫外線導光路の捩れを防止する捩れ防止板２０Ｄが設けられる。
　また、紫外線の発光を目視で確認できるように、例えばパイロットＬＥＤとして可視光ＬＥＤを使用し、発光源２０Ｂから紫外線が出射されたときに、同時に紫外線導光路２０Ａが可視光ＬＥＤ２０Ｃにより照明されるようにすることが好ましい。発光源２０Ｂから出射する紫外線の波長領域は１０～４００ｎｍの範囲なので、可視光ＬＥＤ２０Ｃの発光色は使用者が紫外線の出射をイメージし易い４００ｎｍ付近の青色の波長がより好ましい。
　また、可視光ＬＥＤ２０Ｃを多色発光可能なＬＥＤとすることにより、例えば、通常の動作状態を青色、電池の残量が不足している状態をオレンジ色、過電流などにより酸化チタン電極への電流ストップ状態を赤色とすることなど、本装置の動作状態を可視光ＬＥＤ２０Ｃの発光色により細かく表示できるので、さらにより好ましい。
　図４は、２本の酸化チタン電極１６，１６とＵ字状の紫外線導光路２０Ａとの配置関係を示したものであり、図２の２－２線に沿った断面図である。図４に示すように、２本の平行な酸化チタン電極１６，１６が、Ｕ字形状の紫外線導光路２０Ａを挟んで対向配置されることが好ましい。これにより、紫外線導光路２０Ａから２本の酸化チタン電極１６，１６に紫外線を均等に照射することができる。
　なお、本実施の形態では、２本の酸化チタン電極１６，１６で説明しているが、酸化チタン電極１６を３本にした場合には、紫外線導光路２０Ａとの関係を図５の断面図に示すように配置することが好ましい。即ち、図５に示すように、３本の平行な酸化チタン電極１６，１６…が正三角形の頂点位置に配置され、正三角形の外心位置及び３つの三角辺のそれぞれの垂直2等分線上の位置に紫外線導光路２０Ａがそれぞれ配置されるとともに、それぞれの紫外線導光路は一本に連通されていることが好ましい。
　もちろんこの配置は、正確にこの位置に配置されることが好ましいが、厳密にこの位置で無ければならないわけではなく、この位置近傍に配置されれば良い。この位置近傍に配置されることにより、3本の酸化チタン電極１６，１６…の表面の多くの面積に効率的に紫外線を照射することができる。この場合、紫外線導光路の断面の配置形状は図５に示すように、中心の紫外線導光路の回りに１２０度の角度間隔で残りの３つの紫外線導光路が配置される。これにより、３本の酸化チタン電極１６，１６…に均等に紫外線を照射することができる。
　制御手段２２は、主として、２本の酸化チタン電極１６，１６の極性を切り替える切替え制御、切り替えタイミングの制御、水素水製造装置１０の連続稼働時間の制御、過電流時の電流ストップ制御等を行うものであり、ＩＣチップを好適に使用できる。このように、２本の酸化チタン電極１６，１６の極性を切り替えることによって、水の電気分解時に水中のミネラル成分が電極に付着して電解性能が低下するのを防止できる。極性の切り替えタイミングとしては、水のミネラル成分濃度に応じて異なるが、一般的に２秒～１５秒の間隔で切り替えることが好ましい。また、連続稼働時間の制御としては、例えば水素水製造装置１０を３０秒稼働したら、水素水製造装置１０の電源が切れるようにすることができる。
　電源スイッチ２４は、電源をＯＮ－ＯＦＦするスイッチであり、例えば押しボタン式のものを好適に使用することができる。
  ホルダー部材２６は、例えば樹脂製の円柱棒を加工または射出成形（インジェクションモールド）することにより形成することができる。ホルダー部材２６の一端側（電源スイッチ２４を支持する側）が円筒状に形成されるとともに他端側（酸化チタン電極１６や紫外線導光路２０Ａを支持する側）が円柱状に形成される。また、ホルダー部材２６の中央部が半円筒状に形成される。そして、ホルダー部材２６の一端側の円筒状空間に電源スイッチ２４が組み付けられる。また、ホルダー部材２６の他端側の円柱状部分には、軸芯方向に４つの貫通孔が穿設されており、４つの貫通孔のうち２つの貫通孔にそれぞれ棒状の酸化チタン電極１６の基端部が挿入される。また、残りの２つの貫通孔には、Ｕ字状の紫外線導光路２０Ａの両端部が挿入される。ホルダー部材２６の中央部に形成された半円筒状空間には、電気基板２８を備えた乾電池ホルダー３０が組み付けられ、乾電池ホルダー３０に乾電池１８が着脱自在にセットされる。
　電気基板２８の裏面側（ホルダー部材２６の他端側）には、２本の酸化チタン電極１６，１６の基端部にそれぞれ接触する２個の電気端子３２、３２が設けられる。更に、電気基板２８の裏面側にはＵＶ－ＬＥＤ２０Ｂ及び可視光ＬＥＤ２０Ｃが設けられ、紫外線導光路２０Ａの両端部にそれぞれ接続される。一方、電気基板２８の表面側には、制御手段２２（ＩＣチップ）が設けられる。
　そして、水素水製造装置１０が水の電気分解と光分解とを行うための電気配線が、電源スイッチ２４、乾電池ホルダー３０、電気基板２８（電気端子３２、ＵＶ－ＬＥＤ２０Ｂ、可視光ＬＥＤ２０Ｃ、制御手段２２を搭載）との間に施される。この場合、酸化チタン電極１６間に金属物が接触して短絡（ショート）するなど、水素水製造装置１０に過電流が流れた際には、可視光ＬＥＤ２０Ｃが点滅し、過電流が更に大きくなったときには電源が切れるようにすることが好ましい。これにより、水素水製造装置１０の電気故障を防止できる。
　また、ホルダー部材２６の他端側には、ホルダー部材２６の径よりも大径なリング状の大径部２６Ａが形成されており、ホルダー部材２６の一端側から円筒状の本体ケーシング１２が嵌装され、大径部２６Ａに当接する。更に、ホルダー部材２６の一端側外面には雌ネジが刻設されており、この雌ネジにリング状の止め部材３４の内周面に形成された雄ネジが螺合される。これにより、電源スイッチ２４、乾電池ホルダー３０、電気基板２８を支持するホルダー部材２６が本体ケーシング１２に収納されるとともに、止め部材３４によって本体ケーシング１２がホルダー部材２６から抜けないようにできる。
　また、ホルダー部材２６の他端側からキャップ１４が嵌装され、ホルダー部材２６の大径部２６Ａに当接する。これにより、２本の酸化チタン電極１６，１６及び紫外線導光路２０Ａがキャップ１４に収納され、図３に示したように、外観が万年筆形状に形成された水素水製造装置１０が形成される。なお、ホルダー部材２６を透光性の素材で形成することにより、本装置動作中に可視光ＬＥＤ２０Ｃから出射された光の一部がホルダー部材２６内部で散乱することとなる。その一部は大径部２６Ａから外部に出射されるので、キャップ１４を嵌めた後でも電源スイッチ２４の切り忘れ等、動作状態の確認が行える。
　図６は、飲料水が入った市販の飲料水ボトル３６を用いて、水素水製造装置１０によって水素水を製造する図である。本発明の実施の形態の水素水製造装置１０では、このように市販の飲料水ボトル３６を用いる場合の利便性を図る為に、ボトル口３６Ａのキャップネジ３６Ｂに螺合してボトル口３６Ａを封止する蓋部材３８を更に備えていても良い。蓋部材３８は、水素水製造装置１０に対して脱着自在の別体として備えていても良いし、水素水製造装置１０に固着されていても良い。
　蓋部材３８は、その内周面にボトル口３６Ａのキャップねじ３６Ｂに螺合可能なネジ３８Ｂと、Ｏリング５０を装着するためのリング状溝３８Ａが形成されている。これにより、蓋部材３８を本体ケーシング１２に装着したとき、蓋部材３８は、Ｏリング５０の摩擦力により本体ケーシング１２の上の任意の位置で固定することができるとともに、キャップネジ３６Ｂとネジ３８Ｂとを螺合させて締めていったとき、Ｏリング５０がボトル口３６Ａの先端に圧着され、飲料水ボトル３６内の水が外部に漏れ出ることを防止することができる。
　これにより、２本の酸化チタン電極１６，１６と紫外線導光路２０Ａを飲料水ボトル３６の飲料水中に真っ直ぐに挿入した状態で本体ケーシング１２を飲料水ボトル３６にしっかりと固定することができる。
　図７は、飲料水が入ったコップ４０を用いて、水素水製造装置１０によって水素水を製造する図である。本発明の実施の形態の水素水製造装置１０では、このようにコップ４０を用いる場合の利便性を図る為に、蓋部材３８にコップ４０の上端に嵌入するクリップ部材４２を設けることが好ましい。これにより、２本の酸化チタン電極１６，１６と紫外線導光路２０Ａをコップ４０の飲料水中に挿入した状態で、コップ４０の上端にクリップ部材４２を嵌入することによって、本体ケーシング１２をコップ４０にしっかりと固定することができる。
  また、図６及び図７のように、本体ケーシング１２には、蓋部材３８とクリップ部材４２との両方を備えていることが一層好ましい。
　次に上記の如く構成された水素水製造装置１０を用いて、飲料水から水素水を製造する方法を説明する。説明は、図６の市販の飲料水ボトル３６の例で説明する。
  なお、本発明の水素水製造装置１０で製造された水素水には、水素以外に酸素も含まれているが、酸素が溶存した水を飲んでも健康上問題はない。
　先ず、市販の飲料水ボトル３６のキャップ（図示せず）を外して、水素水製造装置１０の２本の酸化チタン電極１６，１６と紫外線導光路２０Ａを、ボトル口３６Ａからボトル内に挿入し、本体ケーシング１２の蓋部材３８をボトルのボトル口３６Ａに螺合する。これにより、図６のように、飲料水中に２本の酸化チタン電極１６，１６と紫外線導光路２０Ａとを水没させた状態で水素水製造装置１０が飲料水ボトル３６に固定される。
　次に、水素水製造装置１０の電源スイッチ２４を押して電源をＯＮにし、２本の酸化チタン電極１６，１６に電圧を印加するとともに、紫外線導光路２０Ａから２本の酸化チタン電極１６，１６に紫外線を照射する。また、制御手段２２は、２本の酸化チタン電極１６，１６の極性を２秒～１５秒間隔で切り替える。
　これにより、水の電気分解により、陽極の酸化チタン電極１６からは酸素が発生し、陰極の酸化チタン電極１６からは水素が発生する。更に、紫外線導光路２０Ａから2本の酸化チタン電極１６，１６に紫外線を照射することにより、水の光分解により酸素と水素が発生する（本多-藤嶋効果）とともにマイナスイオンが発生する。
　したがって、本発明に係る水素水製造装置１０は、以下述べるように、従来の電気分解のみで水素水を製造する場合に比べて水素発生効率を高くすることができる。
  （１）電気分解による水素発生と光分解による水素発生の両方を並行して行うので、電気分解のみの場合に比べて水素発生効率が高い。
　（２）酸化チタン電極１６に紫外線を照射することにより、電極表面の親水性が大きくなるので、発生した水素や酸素が電極から離れ易くなる。これにより、電極に酸素や水素の気泡が付着することによる電解性能の低下を防止するので、水素発生効率が一層大きくなる。そして、発生した水素や酸素が2本の酸化チタン電極１６，１６から離れ易くなることにより、小さな気泡の水素を形成し易くなるので、水素が水中に溶存し易くなる。
　（３）２本の酸化チタン電極１６に紫外線を照射すると電極表面の親水性が大きくなるので、電極表面の汚れの下から水が濡れてゆくことにより汚れを剥がすとともに、電極表面についた有機物などの汚れを分解する自浄効果を発揮することができる。これにより、電極表面を正常に保つことができるので、水素発生効率を高い状態で維持することができる。
　（４）２本の酸化チタン電極１６，１６の極性を切り替えることにより、水中のミネラル成分が2本の酸化チタン電極１６，１６に付着して電解性能の低下させることを防止できる。
  （５）また、紫外線照射による副次的な効果として、水の殺菌も合わせて行うことができる。
　このように、電気分解による水素発生に光分解による水素発生を併用するとともに、電極の極性を所定間隔で切り替えるようにしたので、電気分解による水素発生効率を相乗的に高めることができる。したがって、装置を小型化しても高い発生効率で水素を発生させることができるので、上記したように、家庭用向けに好適な小型の水素水製造装置１０を提供することができる。
　本実施の形態で説明した上記構成の水素水製造装置を実際に試作した結果、長さが約１８ｃｍ、直径が約２ｃｍと、極めて小型化することができた。また、試作品で水素水を製造した結果、市販されている水素水の水素濃度である０．２～１．２ｐｐｍにすることができた。
　更には、装置の小型化が可能となったので、直流電源として内部電源（乾電池、バッテリー）を使用した構成を採用することができる。これにより、好きな時に好きな場所で簡易に水素水を製造できる携帯可能な水素水製造装置１０を提供することができる。
　なお、以上説明した本発明の水素水製造装置１０の実施の形態では、２本の酸化チタン電極１６，１６を備え、直流電源として乾電池１８を用いた携帯可能な装置の例で説明したが、これに限定されるものではない。例えば、３本以上の酸化チタン電極１６，１６…を用いても良く、乾電池１８の代わりに、ＡＣ電源をＤＣ電源に変換する変換装置（図示せず）及び電圧可変装置（図示せず）を備えた電源装置（図示せず）を用いて家庭のコンセントから電源を供給しても良い。
　３本以上の酸化チタン電極１６，１６…を用いる場合には、陰極の本数を陽極の本数よりも多くして、水素が発生する陰極の表面積を大きくすることが好ましい。
　１０…水素水製造装置、１２…本体ケーシング、１４…キャップ、１６…酸化チタン電極、１８…乾電池、２０…紫外線照射手段、２０Ａ…紫外線導光路、２０Ｂ…紫外線の発光源、２０Ｃ…青色ＬＥＤ、２０Ｄ…捩れ防止板、２２…制御手段、２４…電源スイッチ、２６…ホルダー部材、２６Ａ…大径部、２８…電気基板、３０…乾電池ホルダー、３２…電気端子、３４…止め部材、３６…飲料水ボトル、３６Ａ…ボトル口、３６Ｂ…キャップネジ、３８…蓋部材、３８Ａ…リング状溝、３８Ｂ…ネジ、４０…コップ、４２…クリップ部材、５０…Ｏリング

Claims (10)

  1. 　水素水を製造する水素水製造装置において、
    　陽極と陰極とを構成する複数本の酸化チタン電極と、
    　前記複数本の酸化チタン電極に電圧を印加する直流電源と、
    　前記複数本の酸化チタン電極に紫外線を照射する紫外線導光路を有する紫外線照射手段と、
    　前記複数本の酸化チタン電極の極性を切替え制御する制御手段と、
    　を備え、水素水を製造するための水に前記酸化チタン電極及び前記紫外線導光路を水没させて使用する水素水製造装置。
  2. 　前記直流電源は、乾電池、バッテリー等の内部電源である請求項１に記載の水素水製造装置。
  3. 　前記酸化チタン電極の表面はポーラス状に形成される請求項１又は２に記載の水素水製造装置。
  4. 　前記水素水製造装置は、２本の平行な酸化チタン電極が、Ｕ字形状の紫外線導光路を挟んで対向配置される請求項１～３のいずれか１に記載の水素水製造装置。
  5. 　前記水素水製造装置は、３本の平行な酸化チタン電極が、断面視において正三角形の頂点位置に配置され、紫外線導光路が断面視において前記正三角形の外心位置及び前記正三角形の３辺の垂直2等分線上にそれぞれ配置されるとともに、それぞれの紫外線導光路は一本に連通されている請求項１～３のいずれか１に記載の水素水製造装置。
  6. 　前記水素水製造装置は、
    　前記直流電源、前記紫外線照射手段の発光源、前記制御手段を収納する本体ケーシングと、
    　前記複数本の酸化チタン電極及び前記紫外線導光路を収納するキャップと、
    　により万年筆形状に形成される請求項２～５の何れか１項に記載の水素水製造装置。
  7. 　前記本体ケーシングには、前記ボトル口のキャップネジに螺合してボトル口を封止する蓋部材が設けられている請求項６に記載の水素水製造装置。
  8. 　前記本体ケーシングには、コップ部材の上端に嵌入するクリップ部材が設けられている請求項６又は７に記載の水素水製造装置。
  9. 　請求項１～９のいずれか1項に記載の水素水製造装置に用いられる酸化チタン電極。
  10. 　Ｔｉ（チタン）、ＴｉＯ２（酸化チタン）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｆｅ(鉄)、Ｃｒ（クロム）、Ｐｔ（白金）、Ｃｏ（コバルト）、Ｒｈ（ロジウム）の粉末を用いて粉末冶金により形成し、焼結後のＴｉＯ２の比率が全体の３～５質量％である請求項９に記載の酸化チタン電極。
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