WO2020044472A1 - 水素含有水生成装置 - Google Patents

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博昭 谷川
大久保　典浩
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    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Definitions

  • the present invention relates to a hydrogen-containing water generation device.
  • Patent Literature 1 describes a hydrogen-containing water generation device in which the efficiency of dissolving hydrogen in raw water is improved by increasing the electrolytic surface area by using a cylindrical electrode portion having a plurality of openings on the side. Have been.
  • an ionization reaction that emits electrons occurs at the anode.
  • This reaction causes the base material to elute and deteriorate in the anode portion, and thus needs to be replaced.
  • the anode part for generating oxygen gas is provided on the inside, and the cathode part for generating bubbles of hydrogen gas is provided on the outside. For this purpose, it is necessary to remove the electrode part from the electrolytic cell and disassemble it.
  • the present invention has been made in view of the above, and it is an object of the present invention to provide a hydrogen-containing water generation device that can easily confirm the state of deterioration of an anode portion.
  • the hydrogen-containing water generating apparatus of the present invention has a cylindrical cathode portion having a plurality of openings on a side portion, and a cylindrical anode portion having a plurality of openings on a side portion and provided radially outside the cathode portion.
  • a transparent cylindrical electrolytic cell in which the cathode and the anode are provided, a water supply unit for supplying water to the inside of the cathode from one end side of the cathode, and the other of the cathode A drain section for draining water inside the electrolytic cell from the end side of the electrolytic cell.
  • the cathode portion extends along a vertical direction
  • the water supply portion is provided at a vertically lower end portion of the cathode portion
  • the drainage portion includes the cathode. It is preferable to be provided on the vertically upper end side of the portion.
  • the water supply unit is inserted radially inward of the cathode unit and above an opening at a lower end side.
  • the drainage part is inserted radially inward of the cathode part and below the opening on the upper end side.
  • a spacer is disposed between an outer peripheral portion of the cathode portion and an inner peripheral portion of the anode portion.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of an electrode unit of the hydrogen-containing water generation device according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic sectional view of the hydrogen-containing water generator according to the present embodiment.
  • FIG. 3 is a schematic enlarged view showing a part of the cathode part and the anode part according to the present embodiment.
  • FIG. 4 is a schematic enlarged view of the openings of the cathode section and the anode section according to the present embodiment.
  • FIG. 5 is a sectional view taken along line AA of FIG.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view illustrating a usage state of the hydrogen-containing water generation device according to the present embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of an electrode unit of the hydrogen-containing water generation device according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic sectional view of the hydrogen-containing water generator according to the present embodiment.
  • FIG. 3 is a schematic enlarged view showing a part of the cathode part and the
  • FIG. 7 is a schematic cross-sectional view illustrating a usage state of the hydrogen-containing water generation device according to the comparative embodiment.
  • FIG. 8 is a graph showing the hydrogen concentration in the comparative test.
  • FIG. 9 is a graph showing the oxygen concentration in the comparative test.
  • FIG. 10 is a graph showing the water temperature in the comparative test.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of an electrode unit of the hydrogen-containing water generation device according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic sectional view of the hydrogen-containing water generator according to the present embodiment.
  • the electrode unit 10 generates hydrogen-containing water R, which is hydrogen-containing water, from raw water W such as tap water using the electrolysis of water.
  • the hydrogen-containing water R is water showing alkalinity.
  • the electrode section 10 has a cathode section 12 and an anode section 14.
  • the cathode section 12 and the anode section 14 are both cylindrical conductors.
  • the anode section 14 is provided concentrically outside the cathode section 12 and is separated from the cathode section 12.
  • the electrode section 10, more specifically, the cathode section 12 and the anode section 14 have a lower end side opening 10HA and an upper end side opening 10HB as openings at both ends, respectively.
  • the distance between the cathode section 12 and the anode section 14 (referred to as a gap between electrodes) is maintained between the cathode section 12 and the anode section 14 by the lower spacer 54 and the upper spacer 56 (see FIG. 2).
  • the size between the electrode gaps of the cathode section 12 and the anode section 14 is preferably 0.1 mm or more and 1 mm or less.
  • the electrode unit 10 can generate a sufficient amount of hydrogen. If the size between the electrode gaps is in the above-described range, even if the voltage applied to the electrode unit 10 is relatively low, the electrode unit 10 dissolves a sufficient amount of hydrogen in the raw water W to remove a large amount of hydrogen. The dissolved hydrogen-containing water R can be generated. Further, if the amount of hydrogen dissolved in the hydrogen-containing water R is the same, the electrode unit 10 can suppress power consumption.
  • the cathode 12 and the anode 14 are formed by plating platinum (Pt) on titanium (Ti).
  • the plating may be, for example, platinum (Pt) -iridium (Ir) plating.
  • the titanium is pure titanium.
  • the cathode portion 12 and the anode portion 14 are not limited to those obtained by plating platinum on titanium, but are preferably made of a material (for example, vanadium (V)) that does not dissolve in the raw water W.
  • both the cathode section 12 and the anode section 14 are plated, but only the anode section 14 may be plated, and the cathode section 12 may not be plated. Thereby, the manufacturing cost of the electrode unit 10 can be reduced.
  • the cathode portion 12 and the anode portion 14 are net-like members in which a plurality of linear portions 16 intersect.
  • the cathode section 12 has a plurality of openings 12H on the side.
  • the anode section 14 has a plurality of openings 14H on the side. Portions surrounded by the plurality of linear portions 16 become openings 12H and 14H of the cathode portion 12 and the anode portion 14.
  • the plurality of openings 12H of the cathode section 12 penetrate the side of the cathode section 12 in the thickness direction of the cathode section 12.
  • the plurality of openings 14H of the anode part 14 penetrate the side part of the anode part 14 in the thickness direction of the anode part 14.
  • the detailed shapes of the linear portions 16 of the cathode section 12 and the anode section 14 will be described later.
  • the cathode portion 12 has a slit 12SL which extends in the longitudinal direction E, that is, the direction in which the cathode portion 12 which is a cylindrical member extends.
  • the anode section 14 has a slit 14SL that extends in the longitudinal direction E, that is, the direction in which the anode section 14 that is a cylindrical member extends.
  • the electrode unit 10 includes a plurality of restraining members 18 outside the anode unit 14.
  • the restraining member 18 is, for example, a binding band made of resin, a metal wire, or the like.
  • the restraining member 18 is preferably made of a material having high corrosion resistance and not dissolving in the raw water W.
  • the restraining member 18 closes the slit 12SL of the cathode part 12 and the slit 14SL of the anode part 14, and restrains the cathode part 12 and the anode part 14 from the circumferential direction of the cathode part 12 and the anode part 14.
  • the electrode section 10 can be easily disassembled into the cathode section 12 and the anode section 14, so that maintenance, inspection, repair, and replacement of parts are easy.
  • Both the cathode power supply member 20 and the anode power supply member 22 are rod-shaped conductors.
  • the cathode power supply member 20 is electrically connected to the cathode section 12.
  • the cathode power supply member 20 is electrically connected to the cathode of the power supply 30.
  • the anode power supply member 22 is electrically connected to the anode unit 14.
  • the anode power supply member 22 is electrically connected to the anode of the power supply 30.
  • the power supply 30 is a DC power supply.
  • the cathode section 12 is electrically connected to the negative electrode of the power supply 30 via the cathode power supply member 20, and the anode section 14 is electrically connected to the positive electrode of the power supply 30 and the anode power supply member 22. Connected to.
  • the cathode power supply member 20 is joined and attached to the cathode section 12 by joining means such as welding, for example, but is not limited to spot welding as long as it is electrically connected to the cathode section 12, and may be any joining means. May be used.
  • the anode power supply member 22 is joined and attached to the anode section 14 by joining means such as welding, for example, but is not limited to spot welding as long as it is electrically connected to the anode section 14. May be used.
  • the cathode power supply member 20 and the anode power supply member 22 are members formed by plating platinum on titanium, similarly to the cathode portion 12 and the anode portion 14.
  • the plating may be, for example, platinum (Pt) -iridium (Ir) plating.
  • the power supply member 20 for the cathode and the power supply member 22 for the anode are not limited to those obtained by plating platinum on titanium, as in the case of the cathode section 12 and the anode section 14. Is preferred.
  • the cathode section 12 need not be plated, but in this case, the cathode power supply member 20 need not be plated.
  • the hydrogen-containing water generator 1 includes an electrolytic cell 40, a lower base 42, an upper base 44, a water supply pipe 46, a drain pipe 48, a deaeration valve 50, A pipe 52.
  • the electrolytic cell 40 is a transparent cylindrical cell.
  • the electrode unit 10 is provided inside the electrolytic cell 40.
  • the electrode unit 10 is arranged in a direction in which the longitudinal direction E is a vertical direction. Since the electrolytic cell 40 is provided transparently, a user can visually recognize the electrode unit 10, particularly, the anode unit 14 provided at a position facing the electrolytic cell 40 from the outside of the electrolytic cell 40.
  • the lower end of the electrolytic cell 40 is covered and fixed by the lower base 42.
  • the upper end of the electrolytic cell 40 is covered and fixed by the upper base 44.
  • the lower base 42 fixes the lower end of the electrolytic cell 40, the cathode power supply member 20 and the anode power supply member 22.
  • the cathode power supply member 20 and the anode power supply member 22 partially protrude below the lower end side openings 10HA of the cathode section 12 and the anode section 14.
  • the lower base 42 is water-tightly penetrated by the projecting portion 20P of the cathode power supply member 20 and the projecting portion 22P of the anode power supply member 22.
  • the lower base 42 fixes the cathode section 12 and the anode section 14 via the cathode power supply member 20 and the anode power supply member 22.
  • the hydrogen-containing water generator 1 can supply power to the electrode unit 10 from outside the electrolytic cell 40 via the cathode power supply member 20 and the anode power supply member 22.
  • the electrode section 10 is fixed to the lower base 42 and the electrolytic cell 40 via the cathode power supply member 20 and the anode power supply member 22.
  • the upper base 44 is a cylindrical base whose upper end is closed. The upper base 44 fixes the upper end of the electrolytic cell 40.
  • a joining pipe 52 that allows the deaeration valve 50 to communicate with the internal space 44S of the upper base 44 penetrates through the upper end of the upper base 44.
  • the water supply pipe 46 is an L-shaped pipe for supplying raw water W to the electrolytic cell 40.
  • the water supply pipe 46 is provided to penetrate a side portion of the electrolytic cell 40 in a watertight state.
  • the anode power supply member 22 is illustrated on the left side of the anode unit 14, and the water supply pipe 46 and the anode power supply member 22 are illustrated to overlap with each other. 20 and an anode power supply member 22.
  • the water supply section 46H which is an opening on the downstream end side of the water supply pipe 46, is provided inside the inner peripheral portion 12Si of the cathode section 12.
  • the water supply unit 46H supplies water upward in the vertical direction.
  • the water supply unit 46H supplies the raw water W from above the lower end side opening 10HA of the cathode unit 12.
  • the drain pipe 48 is an L-shaped pipe for draining the hydrogen-containing water R in the electrolytic cell 40.
  • the drain pipe 48 penetrates a side portion of the upper base 44 in a watertight manner through an internal space 44S of the upper base 44.
  • a drain portion 48H which is an opening on the upstream end side of the drain pipe 48, is provided inside the inner peripheral portion 12Si of the cathode portion 12.
  • the drainage section 48H drains water from above the water supply section 46H.
  • the drainage part 48H takes in the hydrogen-containing water R below the upper end side opening 10HB of the cathode part 12 and discharges it to the outside of the electrolytic cell 40.
  • the degassing valve 50 is fixed to the upper base 44 via the joining pipe 52.
  • the deaeration valve 50 communicates with the internal space 44S of the upper base 44 via the joining pipe 52.
  • the degassing valve 50 discharges the air G stored in the internal space 44S of the upper base 44.
  • the degassing valve 50 releases the air G when the pressure inside the internal space 44S of the upper base 44 exceeds a predetermined value.
  • the air G contains oxygen gas generated by an electrolysis reaction of water in the electrolytic cell 40.
  • the lower spacer 54 has a cylindrical shape, and is disposed between the outer peripheral portion 12So of the cathode portion 12 and the inner peripheral portion 14Si of the anode portion 14 at the lower end side opening 10HA.
  • the upper spacer 56 has a cylindrical shape and is disposed between the outer peripheral portion 12So of the cathode portion 12 and the inner peripheral portion 14Si of the anode portion 14 at the upper end side opening 10HB.
  • the upper spacer 56 has an inner flange 56Fi that protrudes inward at the upper end.
  • the inner flange portion 56Fi sets the distance between the electrode portion 10 and the drainage portion 48H to a predetermined distance.
  • the upper spacer 56 has an outer flange 56Fo at the upper end.
  • the outer flange portion 56Fo protrudes radially and outwardly, and is provided on the entire circumference in the circumferential direction.
  • the outer collar portion 56 ⁇ / b> Fo sets the distance between the electrode portion 10 and the inner peripheral portion 40 ⁇ / b> Si of the electrolytic cell 40 to a predetermined distance.
  • the electrolysis of the raw water W by the hydrogen-containing water generator 1 will be described.
  • the electrode section 10 is immersed in the raw water W, a voltage is applied to the electrode section 10 by the power supply 30, and a potential difference is generated between the cathode section 12 and the anode section 14, so that the raw water W is electrolyzed to generate hydrogen-containing water R.
  • the hydrogen-containing water generator 1 As described above, in the hydrogen-containing water generator 1, the generation of acidic wastewater is suppressed, and the hydrogen-containing water R flowing out of the drainage part 48H becomes neutral, for example, at a pH of 7 or more and 7.5 or less.
  • the oxygen gas collects as bubbles on the outside of the anode section 14 and moves between the outer peripheral section 14So of the anode section 14 and the inner peripheral section 40Si of the electrolytic cell 40 to form an internal space 44S of the upper base 44, which is joined to the outer space 14Si. It is discharged to the hydrogen-containing water generator 1 through the pipe 52 and the deaeration valve 50.
  • the ionized hydrogen ions H + generated in the anode part 14 are collected on the cathode part 12 side, and hydrogen gas bubbles are generated in the cathode part 12. These bubbles are minute bubbles having a diameter on the order of nanometers.
  • the hydrogen-containing water generation device 1 supplies the raw water W from the water supply unit 46H and drains the hydrogen-containing water R from the drain unit 48H.
  • the water supply part 46H and the drainage part 48H are provided inside the inner peripheral part 12Si of the cathode part 12.
  • the raw water W flows vertically upward from the lower end side opening 10HA, and the hydrogen-containing water R flows out from the upper end side opening 10HB. That is, a water flow is generated from the lower side to the upper side inside the cathode portion 12.
  • the hydrogen-containing water generator 1 can discharge the hydrogen-containing water R from the electrolytic cell 40 with priority. By preferentially discharging the hydrogen-containing water R from the electrolytic cell 40, the amount of dissolved oxygen in the water in the electrolytic tank 40 can be suppressed, and the hydrogen-containing water R can be suitably generated. Further, the water supply unit 46H supplies water upward in the vertical direction inside the inner peripheral part 12Si of the cathode part 12. That is, since the water supply unit 46H supplies water along the longitudinal direction E of the electrode unit 10, the raw water W supplied from the water supply unit 46H has a local distribution to the electrode unit 10 and is unlikely to collide with the raw water W. Electrolysis is possible.
  • the drainage portion 48H drains from the inner peripheral portion 12Si of the cathode portion 12 above the water supply portion 46H, the hydrogen-containing water R drained from the drainage portion 48H has a local distribution to the electrode portion 10. As a result, turbulence does not easily occur, and uniform electrolysis can be performed.
  • FIG. 3 is a schematic enlarged view showing a part of the cathode part and the anode part according to the present embodiment.
  • FIG. 4 is a schematic enlarged view of the openings of the cathode section and the anode section according to the present embodiment.
  • FIG. 5 is a sectional view taken along line AA of FIG.
  • the openings 12H and the openings 14H of the cathode section 12 and the anode section 14 are rhombic.
  • a first diagonal line TLl which is one diagonal line is longer than a second diagonal line TLs which is the other diagonal line.
  • the opening 12H and the opening 14H have smaller angles at the tops Pa and Pb on the first diagonal line TLl than at the tops Pc and Pd on the second diagonal line TLs.
  • the first diagonal line TLl extends in the direction in which the cathode section 12 and the anode section 14 extend, that is, in the longitudinal direction E.
  • the second diagonal line TLs extends in the circumferential direction C of the cylindrical cathode 12 and anode 14.
  • the cathode section 12 and the anode section 14 have the plurality of openings 12H and the openings 14H, the lines of electric force can be turned inside and outside through the openings 12H and the openings 14H. Thereby, since both surfaces of the cathode section 12 and the anode section 14 can be used for electrolysis, hydrogen can be efficiently generated. Further, the cathode portion 12 can reduce the wetting angle of the hydrogen bubbles generated by the cathode portion 12 by the opening 12H surrounded by the linear portion 16, so that the hydrogen bubbles can be released in a small state. That is, the adsorption force generated between the generated hydrogen and the surface of the cathode section 12 is close to point contact, and the surface tension is suppressed.
  • the cathode section 12 reduces the hydrogen bubbles.
  • the hydrogen-containing water R in which many hydrogen bubbles are dissolved can be generated by being separated in the state.
  • the anode portion 14 can reduce the wetting angle of the oxygen bubbles generated by itself by the opening 14H surrounded by the linear portion 16, the oxygen bubbles can be quickly released. That is, the adsorption force generated between the generated oxygen and the surface of the anode section 14 is close to the point contact, and the surface tension is suppressed. As a result, the anode section 14 quickly removes oxygen bubbles. And oxygen bubbles can be efficiently released to the outside.
  • the linear portions 16 of the cathode portion 12 and the anode portion 14 have a rectangular cross section (square in the example of FIG. 5).
  • the cathode portion 12 can suppress the surface tension by further reducing the wetting angle of hydrogen bubbles by the corner portion 16T of the linear portion 16.
  • the cathode portion 12 can release the hydrogen bubbles in a smaller state, and thus can generate the hydrogen-containing water R in which the smaller hydrogen bubbles are dissolved.
  • the cathode portion 12 has the linear portion 16 having a rectangular cross section, the surface area available for generating hydrogen can be increased. Thereby, the efficiency of dissolving hydrogen in the raw water W in the cathode portion 12 is improved.
  • corner portion 16T of the linear portion 16 of the anode portion 14 can further reduce the wetting angle of oxygen bubbles and suppress the surface tension.
  • the anode portion 14 can quickly release the oxygen bubbles from the linear portion 16 and efficiently discharge the oxygen bubbles to the outside.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view illustrating a usage state of the hydrogen-containing water generation device according to the present embodiment.
  • the inside of the electrolytic cell 40 is filled with raw water W in advance.
  • the water surface of the raw water W is at least above the drain portion 48H.
  • a predetermined voltage is applied from the power supply 30, the above-described electrolysis reaction occurs in the electrode unit 10.
  • the raw water W flows in from the water supply unit 46H and the water in the electrolytic cell 40 flows out from the drainage unit 48H, a flow of water from below to above inside the cathode unit 12 is generated. Water that does not flow out of the drainage section 48 ⁇ / b> H hits a water surface above the electrolytic cell 40 and flows outside the electrode section 10.
  • a water flow is generated from above to below. That is, inside the electrolytic cell 40, water circulates inside and outside the electrode unit 10. The speed of the flow of water flowing from the lower side to the upper side inside the electrode unit 10 is higher than the speed of the flow of the water flowing from the upper side to the lower side outside the electrode unit 10.
  • the raw water W While passing through the inside of the cathode section 12, the raw water W becomes hydrogen-containing water R including bubbles of hydrogen gas generated in the cathode section 12 by electrolysis, and flows out from the drain section 48H.
  • Oxygen gas bubbles generated in the anode part 14 remain or descend between the outer peripheral part 14So of the anode part 14 and the inner peripheral part 40Si of the electrolytic cell 40 due to the flow of water flowing from above to below.
  • the oxygen gas bubbles grow larger by being combined with each other, they rise against the flow of water and are discharged from the water surface.
  • the oxygen gas discharged from the water surface is stored in the internal space 44S of the upper base 44.
  • the air G containing oxygen gas is discharged to the hydrogen-containing water generation device 1 through the joining pipe 52 and the deaeration valve 50.
  • the tubular cathode section 12 having the plurality of openings 12H on the side and the plurality of openings 14H on the side has the cathode section 12H.
  • the anode part 14 can be visually recognized from the direction. That is, the user can easily confirm the deterioration state of the anode section 14. This allows the user to replace the electrode unit 10, particularly the anode unit 14, at an appropriate time, so that it is possible to prevent the hydrogen-containing water generator 1 from being stopped due to the failure of the electrode unit 10.
  • the diameter, that is, the surface area is increased as compared with the conventional configuration provided inside the cathode portion 12, so that the current density is reduced and the anode portion 14 The durability is improved.
  • the water supply section 46H for supplying water from one end side (the lower end side opening 10HA) of the cathode section 12 to the inside of the cathode section 12;
  • a drain portion 48H for draining water (hydrogen-containing water R) inside the electrolytic cell 40 from the other end side (upper end side opening 10HB) of the inside of the cathode portion 12 where hydrogen gas is generated. Then, water flows from one side to the other.
  • the hydrogen-containing water R can be preferentially discharged from the electrolytic cell 40, so that the amount of dissolved oxygen in the water in the electrolytic tank 40 can be suppressed, and the hydrogen-containing water R can be suitably generated.
  • the cathode portion 12 extends along the vertical direction, a water supply portion 46H is provided on the vertically lower end side of the cathode portion 12, and the drainage portion 48H is provided on the vertically upper side of the cathode portion 12. Since it is provided on the end side, a flow of water from the lower side to the upper side is generated inside the cathode section 12. Thereby, the hydrogen-containing water R can be preferentially discharged from the electrolytic cell 40, so that the amount of dissolved oxygen in the water in the electrolytic tank 40 can be suppressed, and the hydrogen-containing water R can be suitably generated.
  • the water supply unit 46H is inserted radially inside the cathode unit 12 and above the opening at the lower end (the lower end opening 10HA), the water that flows upward from below inside the cathode unit 12 is formed. Since the flow can be more suitably generated, the hydrogen-containing water R can be preferentially discharged from the electrolytic cell 40.
  • the drainage portion 48H is inserted radially inside the cathode portion 12 and below the upper opening (upper opening 10HB), the water flowing upward from below inside the cathode portion 12 is formed. Since the flow can be more suitably generated, the hydrogen-containing water R can be preferentially discharged from the electrolytic cell 40.
  • the oxygen gas generated in the anode part 14 can be preferably discharged to the outside.
  • the spacers (the lower spacer 54 and the upper spacer 56) are arranged between the outer peripheral portion 12So of the cathode portion 12 and the inner peripheral portion 14Si of the anode portion 14, the distance between the cathode portion 12 and the anode portion 14 is increased. Can be suitably maintained.
  • FIG. 7 is a schematic cross-sectional view illustrating a usage state of the hydrogen-containing water generation device according to the comparative embodiment.
  • FIG. 8 is a graph showing the hydrogen concentration in the comparative test.
  • FIG. 9 is a graph showing the oxygen concentration in the comparative test.
  • FIG. 10 is a graph showing the water temperature in the comparative test.
  • the application direction of the DC voltage is opposite to the configuration of the hydrogen-containing water generator 1 (see FIG. 6) according to the embodiment. That is, the electrode section 110 has an anode section inside and a cathode section outside.
  • the cathode power supply member 20 is fixed to the outer peripheral portion 110So of the electrode portion 110.
  • the anode power supply member 22 is fixed to the inner peripheral part 110Si of the electrode part 110.
  • the water supply pipe 146 is an I-shaped pipe.
  • the water supply pipe 146 is provided to penetrate a side portion of the electrolytic cell 40 in a watertight state.
  • the water supply section 146H which is an opening on the downstream end side of the water supply pipe 146, is provided outside the outer peripheral section 110So of the electrode section 110.
  • the water supply unit 146H supplies the raw water W in an inner circumferential direction.
  • the drain pipe 148 is an I-shaped pipe.
  • the drain pipe 148 is provided to penetrate the side of the electrolytic cell 40 in a watertight state.
  • the drain 148H which is an opening on the upstream end side of the drain pipe 148, is provided outside the outer peripheral portion 110So of the electrode portion 110.
  • the drain pipe 148 drains the hydrogen-containing water R toward the outer periphery.
  • the degassing valve 50 communicates with the inside of the electrode unit 10 via the joining pipe 52.
  • the degassing valve 50 releases air G containing oxygen gas generated by the electrolysis reaction of water in the electrolytic cell 40.
  • the hydrogen-containing water generator 2 can preferentially discharge oxygen gas from the electrolytic cell 40.
  • the amount of dissolved oxygen in water in the electrolytic cell 40 is suppressed, and hydrogen-containing water R is generated.
  • a flow of water that flows upward from below is generated inside and outside the electrode unit 110. That is, inside the electrolytic cell 40 of the hydrogen-containing water generator 2, the circulation of water unlike the hydrogen-containing water generator 1 does not occur inside and outside the electrode unit 10.
  • FIGS. 8, 9 and 10 show the hydrogen concentration (ppm) and the oxygen concentration (ppm) of the hydrogen-containing water R discharged from the drain pipe 48 of the hydrogen-containing water generator 1 and the drain pipe 148 of the hydrogen-containing water generator 2. ) And water temperature (° C.).
  • ppm hydrogen concentration
  • ppm oxygen concentration
  • ppm oxygen concentration
  • the hydrogen-containing water generator 1 of the present embodiment has substantially the same performance as the hydrogen-containing water generator 2.
  • the hydrogen-containing water generator 1 can easily check the deterioration state of the anode unit 14 while having substantially the same performance as the hydrogen-containing water generator 2.
  • the shapes of the cathode part 12, the anode part 14, and the electrolytic cell 40 are all cylindrical, but are not limited thereto, and may be any shape as long as it is cylindrical.
  • the electrode section 10 may not have the lower end side opening 10HA and the upper end side opening 10HB, or may have only one of the lower end side opening 10HA and the upper end side opening 10HB. May be.
  • the water supply unit 46H supplies the raw water W upward in the vertical direction toward the lower end of the electrode unit 10. The raw water W passes through the openings 12H and 14H and flows into the inside of the cathode unit 12.
  • the electrode section 10 is fixed to the lower base 42 and the electrolytic cell 40 via the cathode power supply member 20 and the anode power supply member 22, but the fixing method is not particularly limited. Further, in the present embodiment, by arranging the cylindrical cathode portion 12, the anode portion 14, and the electrolytic cell 40 in a direction in which the axial direction is parallel to the vertical direction, the flow of water in the electrolytic cell 40 is preferably achieved. It can be controlled, and the hydrogen-containing water R can be suitably discharged. Note that the directions of the cathode 12, anode 14, and electrolytic cell 40 are not limited to directions in which the axial direction is parallel to the vertical direction, but are preferably arranged along the axial direction.
  • the end of the cathode power supply member 20 opposite to the protruding portion 20P extends to the vicinity of the upper end side opening 10HB.
  • the height may be equal to or less than half the dimension of the cathode section 12 in the longitudinal direction E.
  • the anode power supply member 22 has an end opposite to the protruding portion 22P extending to near the upper end side opening 10HB, but the length of the portion of the anode power supply member 22 attached to the cathode section 12 is the cathode section.
  • the length may be equal to or less than half of the length in the longitudinal direction E.
  • the electrode section 10 may be provided with a cathode support member having the same shape as the cathode power supply member 20 on the side opposite to the side on which the cathode power supply member 20 is provided.
  • the electrode unit 10 may be provided with an anode support member having the same shape as the anode power supply member 22 on the side opposite to the side on which the anode power supply member 22 is provided.
  • the anode support member and the cathode support member may be the same material as the cathode power supply member 20 and the anode power supply member 22, or may be different materials.
  • the negative electrode power supply member 20 does not have to have a rod-like shape as in the present embodiment, and may have an arbitrary shape.
  • the cathode power supply member 20 is not limited to being connected to the cathode section 12 at the lower end side opening 10HA, but may be connected at any location as long as it is electrically connected to the cathode section 12 as a conductor.
  • the anode power supply member 22 does not have to have a rod-like shape as in the present embodiment, and may have an arbitrary shape.
  • the anode power supply member 22 is not limited to being connected to the anode section 14 at the lower end side opening 10HA, but may be connected at any location as long as it is electrically connected to the anode section 14 as a conductor. .
  • the water supply pipe 46 is an L-shaped pipe provided through the side portion of the electrolytic cell 40, but is an I-shaped pipe provided through the lower base 42. Is also good.
  • the water supply pipe 46 may have any shape as long as the water supply part 46H, which is an opening on the downstream end side, supplies water upward in the vertical direction inside the inner peripheral part 12Si of the cathode part 12. Absent.
  • the drain pipe 48 is an L-shaped pipe provided through the side of the upper base 44, but may be an I-shaped pipe provided through the upper part of the upper base 44. Good.
  • the drain pipe 48 may have any shape as long as the drain section 48H, which is an opening on the upstream end side, drains from the inside of the inner peripheral portion 12Si of the cathode section 12 above the water supply section 46H.
  • the joining pipe 52 may be provided at any position and may have any shape as long as the joining pipe 52 allows the deaeration valve 50 and the internal space 44S of the upper base 44 to communicate with each other.
  • the drain pipe 48 is an I-shaped pipe provided to penetrate the upper part of the upper base 44
  • the joining pipe 52 may be provided at a position above the upper base 44 so as not to overlap the drain pipe 48.
  • the upper base 44 may be provided integrally with the upper spacer 56.
  • the cathode section 12 and the anode section 14 are provided separately from each other with the lower spacer 54 and the upper spacer 56 interposed therebetween. May be interposed.
  • the insulator contacts, for example, the outer peripheral portion 12So of the cathode portion 12 and the inner peripheral portion 14Si of the anode portion 14.
  • the present invention is not limited by the present embodiment.
  • the above-mentioned components include those that can be easily assumed by those skilled in the art, those that are substantially the same, and those that are in the so-called equivalent range. Further, the components described above can be appropriately combined. Furthermore, various omissions, substitutions, or changes of the components can be made without departing from the spirit of the present embodiment.
  • Electrode unit 10 H Lower opening side 10HB Upper opening side 12 Cathode unit 12H Opening 12SL Slit 12Si Inner periphery 12So Outer periphery 14 Anode unit 14H opening 14SL Slit 14Si Inner periphery 14So Outer periphery Part 16 Linear portion 18 Restriction member 20 Power supply member for cathode 20P Projection portion 22 Power supply member for anode 22P Projection portion 30 Power supply 40 Electrolyte tank 40Si Inner peripheral portion 42 Lower base 44 Upper base 44S Internal space 46 Water supply pipe 46H Water supply Part 48 Drainage pipe 48H Drainage part 50 Deaeration valve 52 Joining pipe 54 Lower spacer 56 Upper spacer 56Fi Inner flange part 56Fo Outer flange part 110 Electrode part 110Si Inner peripheral part 110So Outer peripheral part 146 Water supply pipe 146H Water supply part 148 Drainage pipe 148H Drainage part E longitudinal direction C circumferential direction TL The first diagonal TLs second diagonal W raw R hydrogen-containing

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Abstract

容易に陽極部の劣化状況を確認することができる水素含有水生成装置を提供する。側部に複数の開口１２Ｈを有する筒状の陰極部１２と、側部に複数の開口１４Ｈを有し、陰極部１２の径方向外側に設けられる筒状の陽極部１４と、陰極部１２及び陽極部１４が内部に設けられる透明な筒状の電解槽４０と、陰極部１２の一方の端部側から陰極部１２の内部に給水する給水部４６Ｈと、陰極部１２の他方の端部側から電解槽４０内部の水を排水する排水部４８Ｈと、を含む。

Description

水素含有水生成装置
　本発明は、水素含有水生成装置に関する。
　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、側部に複数の開口を有する筒状の電極部を用いて電解表面積を増加させることによって、原水に水素を溶存させる効率を向上させた水素含有水生成装置が記載されている。
特開２０１４－１４７８８４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ので、交換が必要となる。特許文献１の水素含有水生成装置では、酸素ガスが発生する陽極部が内側に設けられると共に、水素ガスの気泡が生成される陰極部が外側に設けられるので、陽極部の劣化状況を確認するためには、電解槽から電極部を取り外して分解する必要がある。
　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、容易に陽極部の劣化状況を確認することができる水素含有水生成装置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、側部に複数の開口を有する筒状の陰極部と、側部に複数の開口を有し、前記陰極部の径方向外側に設けられる筒状の陽極部と、前記陰極部及び前記陽極部が内部に設けられる透明な筒状の電解槽と、前記陰極部の一方の端部側から前記陰極部の内部に給水する給水部と、前記陰極部の他方の端部側から前記電解槽内部の水を排水する排水部と、を含む。
　前記水素含有水生成装置において、前記陰極部は、鉛直方向に沿って延在し、前記給水部は、前記陰極部の鉛直方向下側の端部側に設けられ、前記排水部は、前記陰極部の鉛直方向上側の端部側に設けられることが好ましい。
　前記水素含有水生成装置において、前記給水部は、前記陰極部の径方向内側、かつ、下端側の開口より上方に挿入されることが好ましい。
　前記排水部は、前記陰極部の径方向内側、かつ、上端側の開口より下方に挿入されることが好ましい。
　前記電解槽の空気を排出する脱気弁を含むことが好ましい。
　前記陰極部の外周部と前記陽極部の内周部との間にスペーサが配置されることが好ましい。
　本発明によれば、容易に陽極の劣化状況を確認する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の電極部の模式斜視図である。 図２は、本実施形態に係る水素含有水生成装置の模式断面図である。 図３は、本実施形態に係る陰極部及び陽極部の一部を示す模式拡大図である。 図４は、本実施形態に係る陰極部及び陽極部の開口の模式拡大図である。 図５は、図３のＡ－Ａ断面図である。 図６は、本実施形態に係る水素含有水生成装置の使用状態を示す模式断面図である。 図７は、比較形態に係る水素含有水生成装置の使用状態を示す模式断面図である。 図８は、比較試験における水素濃度を示すグラフである。 図９は、比較試験における酸素濃度を示すグラフである。 図１０は、比較試験における水温を示すグラフである。
　以下に、本発明に係る水素含有水生成装置１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。
　まず、水素含有水Ｒを生成するために用いる電極部１０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の電極部の模式斜視図である。図２は、本実施形態に係る水素含有水生成装置の模式断面図である。電極部１０は、水の電気分解作用を利用して、水道水等の原水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。水素含有水Ｒは、アルカリ性を示す水である。
　図１に示すように、電極部１０は、陰極部１２と、陽極部１４とを有する。陰極部１２及び陽極部１４は、いずれも円筒状の導電体である。陽極部１４は、陰極部１２の外側に同心状態に設けられて、陰極部１２と離間している。電極部１０、より具体的には陰極部１２及び陽極部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。陰極部１２と陽極部１４とは、下部スペーサ５４及び上部スペーサ５６（図２参照）によって、陰極部１２及び陽極部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、陰極部１２及び陽極部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、電極部１０が水素含有水Ｒを生成する際に、陰極部１２と陽極部１４とに印加する電圧の電位差が比較的小さくても、電極部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、電極部１０に印加される電圧が比較的低電圧でも、電極部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、電極部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、陰極部１２及び陽極部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（Ｐｔ）－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。陰極部１２及び陽極部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、陰極部１２及び陽極部１４の両方がめっきされているが、陽極部１４のみをめっきし、陰極部１２はめっきしなくてもよい。これにより、電極部１０の製造コストを低減することができる。
　陰極部１２及び陽極部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。陰極部１２は、側部に複数の開口１２Ｈを有している。陽極部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、陰極部１２及び陽極部１４の開口１２Ｈ及び開口１４Ｈとなる。陰極部１２が有する複数の開口１２Ｈは、陰極部１２の側部を陰極部１２の厚み方向に貫通している。陽極部１４が有する複数の開口１４Ｈは、陽極部１４の側部を陽極部１４の厚み方向に貫通している。陰極部１２及び陽極部１４の線状部分１６の詳細な形状については後述する。
　陰極部１２は、長手方向Ｅ、すなわち筒状の部材である陰極部１２が延びる方向に向かうスリット１２ＳＬを有している。陽極部１４は、長手方向Ｅ、すなわち筒状の部材である陽極部１４が延びる方向に向かうスリット１４ＳＬを有している。電極部１０は、陽極部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、陰極部１２のスリット１２ＳＬ及び陽極部１４のスリット１４ＳＬを閉じて、陰極部１２及び陽極部１４を陰極部１２及び陽極部１４の周方向から拘束する。拘束部材１８を取り外すことによって、電極部１０は、陰極部１２と、陽極部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。
　陰極用給電部材２０及び陽極用給電部材２２は、いずれも棒状の導電体である。陰極用給電部材２０は、陰極部１２に電気的に接続されている。陰極用給電部材２０は、電源３０の陰極と電気的に接続されている。陽極用給電部材２２は、陽極部１４に電気的に接続されている。陽極用給電部材２２は、電源３０の陽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、陰極部１２は、電源３０の負極と陰極用給電部材２０を介して電気的に接続され、陽極部１４は、電源３０の正極と陽極用給電部材２２を介して電気的に接続される。
　陰極用給電部材２０は、例えば、溶接等の接合手段によって、陰極部１２に接合されて、取り付けられるが、陰極部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。陽極用給電部材２２は、例えば、溶接等の接合手段によって、陽極部１４に接合されて、取り付けられるが、陽極部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、陰極用給電部材２０及び陽極用給電部材２２は、陰極部１２及び陽極部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（Ｐｔ）－イリジウム（Ｉｒ）めっきであってもよい。陰極用給電部材２０及び陽極用給電部材２２は、陰極部１２及び陽極部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１２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２０もめっきを施さなくてもよい。
　次に、本実施形態に係る水素含有水生成装置１について説明する。図２に示すように、水素含有水生成装置１は、電解槽４０と、下側基台４２と、上側基台４４と、給水管４６と、排水管４８と、脱気弁５０と、接合管５２と、を備える。
　電解槽４０は、透明な円筒状の槽である。電解槽４０の内部には、電極部１０が設けられる。電極部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。電解槽４０が透明に設けられているので、使用者は、電解槽４０の外側から電極部１０、特に、電解槽４０と対面する位置に設けられる陽極部１４を視認することができる。電解槽４０の下端部は、下側基台４２に覆われて固定される。電解槽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、電解槽４０の下端部、陰極用給電部材２０及び陽極用給電部材２２を固定する。陰極用給電部材２０及び陽極用給電部材２２は、陰極部１２及び陽極部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、陰極用給電部材２０の突出部分２０Ｐ及び陽極用給電部材２２の突出部分２２Ｐに、水密状態で貫通される。下側基台４２は、陰極用給電部材２０及び陽極用給電部材２２を介して陰極部１２及び陽極部１４を固定する。これにより、水素含有水生成装置１は、電解槽４０の外部から陰極用給電部材２０及び陽極用給電部材２２を介して電極部１０へ給電することができる。また、電極部１０は、陰極用給電部材２０及び陽極用給電部材２２を介して下側基台４２及び電解槽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、電解槽４０の上端部を固定する。上側基台４４の上端部側には、脱気弁５０と上側基台４４の内部空間４４Ｓとを連通させる接合管５２が貫通する。
　給水管４６は、電解槽４０に原水Ｗを給水するＬ字状の配管である。給水管４６は、電解槽４０の側部を水密状態で貫通して設けられる。なお、図２においては、陽極用給電部材２２が陽極部１４の左側に図示すると共に、給水管４６と陽極用給電部材２２とが重なり合って図示されるが、給水管４６は、陰極用給電部材２０及び陽極用給電部材２２と重なり合わない位置に向かって延びるよう設けられる。給水管４６の下流端部側の開口部である給水部４６Ｈは、陰極部１２の内周部１２Ｓｉより内側に設けられる。給水部４６Ｈは、鉛直方向の上方に向けて給水する。給水部４６Ｈは、陰極部１２の下端部側開口部１０ＨＡより上方から原水Ｗを給水する。
　排水管４８は、電解槽４０の水素含有水Ｒを排水するＬ字状の配管である。排水管４８は、上側基台４４の内部空間４４Ｓを通って上側基台４４の側部を水密状態で貫通する。排水管４８の上流端部側の開口部である排水部４８Ｈは、陰極部１２の内周部１２Ｓｉより内側に設けられる。排水部４８Ｈは、給水部４６Ｈより上方から排水する。排水部４８Ｈは、陰極部１２の上端部側開口部１０ＨＢより下方の水素含有水Ｒを取水し、電解槽４０の外側に排出する。
　脱気弁５０は、接合管５２を介して上側基台４４に固定される。脱気弁５０は、接合管５２を介して上側基台４４の内部空間４４Ｓと連通する。脱気弁５０は、上側基台４４の内部空間４４Ｓに貯留した空気Ｇを放出する。脱気弁５０は、上側基台４４の内部空間４４Ｓ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、電解槽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。
　上述したように、陰極部１２と陽極部１４とは、下部スペーサ５４及び上部スペーサ５６によって、電極間隙間を維持される。下部スペーサ５４は、円筒状であり、下端部側開口部１０ＨＡにおいて、陰極部１２の外周部１２Ｓｏと陽極部１４の内周部１４Ｓｉとの間に配置される。上部スペーサ５６は、円筒状であり、上端部側開口部１０ＨＢにおいて、陰極部１２の外周部１２Ｓｏと陽極部１４の内周部１４Ｓｉとの間に配置される。上部スペーサ５６は、上端部に内側に突出する内鍔部５６Ｆｉを有する。内鍔部５６Ｆｉは、電極部１０と排水部４８Ｈとの距離を所定距離とする。上部スペーサ５６は、上端部に外鍔部５６Ｆｏを有する。外鍔部５６Ｆｏは、径方向と外側に突出し、周方向の全周に設けられている。外鍔部５６Ｆｏは、電極部１０と電解槽４０の内周部４０Ｓｉとの距離を所定距離とする。
　次に、水素含有水生成装置１による原水Ｗの電気分解について説明する。水素含有水生成装置１は、電極部１０が原水Ｗに浸漬され、電源３０によって電極部１０に電圧が印加されて、陰極部１２と陽極部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１は、電極部１０の陰極部１２と陽極部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１４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１は、電極部１０の陰極部１２と陽極部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１２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１は、電極部１０の陰極部１２と陽極部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１２及び陽極部１４の全体において、下記式（３）の反応が生じる。
　２Ｈ２Ｏ→Ｏ２＋２Ｈ２・・・（３）
　以上のように、水素含有水生成装置１は、酸性排水の発生が抑制され、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。酸素ガスは、陽極部１４の外側に気泡となって集まり、陽極部１４の外周部１４Ｓｏと電解槽４０の内周部４０Ｓｉとの間を移動して、上側基台４４の内部空間４４Ｓ、接合管５２及び脱気弁５０を介して水素含有水生成装置１に放出される。
　陽極部１４で発生する電離した水素イオンＨ＋は陰極部１２側に集まり、陰極部１２には水素ガス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。ここで、水素含有水生成装置１は、原水Ｗを給水部４６Ｈから給水させ、水素含有水Ｒを排水部４８Ｈから排水させる。給水部４６Ｈ及び排水部４８Ｈは、陰極部１２の内周部１２Ｓｉより内側に設けられる。原水Ｗは、下端部側開口部１０ＨＡから鉛直方向の上方に向かって流入し、水素含有水Ｒは、上端部側開口部１０ＨＢから流出する。すなわち、陰極部１２の内側において、下方から上方に向かう水の流れが発生する。
　水素含有水生成装置１は、水素含有水Ｒを優先的に電解槽４０から排出できる。水素含有水Ｒを優先的に電解槽４０から排出することによって、電解槽４０内の水への酸素溶存量を抑制し、好適に水素含有水Ｒを生成できる。また、給水部４６Ｈが、陰極部１２の内周部１２Ｓｉより内側の鉛直方向の上方に向かって給水する。すなわち、給水部４６Ｈが、電極部１０の長手方向Ｅに沿って給水するので、給水部４６Ｈから給水される原水Ｗは、電極部１０へ局所的な分布を有して衝突しにくくなり、均一な電気分解が可能となる。また、排水部４８Ｈが、給水部４６Ｈの上方の陰極部１２の内周部１２Ｓｉより内側から排水するので、排水部４８Ｈから排水される水素含有水Ｒは、電極部１０へ局所的な分布を有して乱流を生じにくくなり、均一な電気分解が可能となる。
　次に、電極部１０の形状について、より詳細に説明する。図３は、本実施形態に係る陰極部及び陽極部の一部を示す模式拡大図である。図４は、本実施形態に係る陰極部及び陽極部の開口の模式拡大図である。図５は、図３のＡ－Ａ断面図である。
　図３及び図４に示すように、本実施形態において、陰極部１２及び陽極部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、陰極部１２及び陽極部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、円筒形状の陰極部１２及び陽極部１４の周方向Ｃに向かう。
　陰極部１２及び陽極部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、陰極部１２及び陽極部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、陰極部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、陰極部１２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。また、陽極部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、陽極部１４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。
　図５に示すように、本実施形態において、陰極部１２及び陽極部１４の線状部分１６は、断面が長方形（図５の例では正方形）となっている。陰極部１２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１２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１２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１２は、水素を原水Ｗに溶存させる効率が向上する。また、陽極部１４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１４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。
　次に、本実施形態に係る水素含有水生成装置１によって水素含有水Ｒが生成される際の電解槽４０内の水及び気泡の流れについてより詳細に説明する。図６は、本実施形態に係る水素含有水生成装置の使用状態を示す模式断面図である。
　電解槽４０の内部は、予め原水Ｗで満たしておく。原水Ｗの水面は、少なくとも排水部４８Ｈより上方とする。電源３０から所定の電圧が印加されると、電極部１０において上述した電気分解反応が起こる。ここで、給水部４６Ｈから原水Ｗを流入させ、排水部４８Ｈから電解槽４０内の水を流出させると、陰極部１２の内側において、下方から上方に向かう水の流れが発生する。排水部４８Ｈから流出しない水は、電解槽４０上部の水面にぶつかり、電極部１０の外側に流れる。陽極部１４の外周部１４Ｓｏと電解槽４０の内周部４０Ｓｉとの間において、上方から下方に向かう水の流れが発生する。すなわち、電解槽４０の内部では、電極部１０の内側及び外側において、水が循環する。電極部１０の内側における下方から上方に向かう水の流れの速度は、電極部１０の外側における上方から下方に向かう水の流れの速度より速い。
　原水Ｗは、陰極部１２の内部を通過する間に、電気分解によって陰極部１２において生成された水素ガスの気泡を含んで水素含有水Ｒとなり、排水部４８Ｈから流出する。陽極部１４において発生した酸素ガスの気泡は、上方から下方に向かう水の流れによって、陽極部１４の外周部１４Ｓｏと電解槽４０の内周部４０Ｓｉとの間において残留する、又は下降する。酸素ガスの気泡は、互いに結合して大きく成長すると、水の流れに逆らって上昇して水面から排出される。水面から排出した酸素ガスは、上側基台４４の内部空間４４Ｓに貯留する。内部空間４４Ｓの内部の圧力が所定値を超えた場合、酸素ガスを含む空気Ｇが、接合管５２及び脱気弁５０を介して水素含有水生成装置１に放出される。
　以上のように、本実施形態の水素含有水生成装置１によれば、側部に複数の開口１２Ｈを有する筒状の陰極部１２と、側部に複数の開口１４Ｈを有し、陰極部１２の径方向外側に設けられる筒状の陽極部１４と、陰極部１２及び陽極部１４が内部に設けられる透明な筒状の電解槽４０と、を含むので、使用者は、電解槽４０の外周方向から陽極部１４を視認することができる。すなわち、使用者は、容易に陽極部１４の劣化状況を確認できる。これにより、使用者は、適切な時期に電極部１０、特に陽極部１４の交換が行えるので、電極部１０の故障による水素含有水生成装置１の停止を防ぐことができる。また、陽極部１４が陰極部１２の外側に設けられることによって、陰極部１２の内側に設けられる従来の構成に比べて直径、すなわち表面積が大きくなるので、電流密度が小さくなり、陽極部１４の耐久性が向上する。
　また、本実施形態の水素含有水生成装置１によれば、陰極部１２の一方の端部側（下端部側開口部１０ＨＡ）から陰極部１２の内部に給水する給水部４６Ｈと、陰極部１２の他方の端部側（上端部側開口部１０ＨＢ）から電解槽４０内部の水（水素含有水Ｒ）を排水する排水部４８Ｈと、を含むので、水素ガスが発生する陰極部１２の内側において、一方から他方に向かう水の流れが発生する。これにより、水素含有水Ｒを優先的に電解槽４０から排出できるので、電解槽４０内の水への酸素溶存量を抑制し、好適に水素含有水Ｒを生成できる。
　また、陰極部１２が、鉛直方向に沿って延在し、給水部４６Ｈが、陰極部１２の鉛直方向下側の端部側に設けられ、排水部４８Ｈは、陰極部１２の鉛直方向上側の端部側に設けられるので、陰極部１２の内側において下方から上方に向かう水の流れが発生する。これにより、水素含有水Ｒを優先的に電解槽４０から排出できるので、電解槽４０内の水への酸素溶存量を抑制し、好適に水素含有水Ｒを生成できる。
　また、給水部４６Ｈが、陰極部１２の径方向内側、かつ、下端側の開口（下端部側開口部１０ＨＡ）より上方に挿入されるので、陰極部１２の内側において下方から上方に向かう水の流れをより好適に発生させることができるので、水素含有水Ｒを優先的に電解槽４０から排出できる。
　また、排水部４８Ｈが、陰極部１２の径方向内側、かつ、上端側の開口（上端部側開口部１０ＨＢ）より下方に挿入されるので、陰極部１２の内側において下方から上方に向かう水の流れをより好適に発生させることができるので、水素含有水Ｒを優先的に電解槽４０から排出できる。
　また、電解槽４０の空気Ｇを排出する脱気弁５０を含むので、陽極部１４において発生した酸素ガスを好適に外部に排出できる。
　また、陰極部１２の外周部１２Ｓｏと陽極部１４の内周部１４Ｓｉとの間にスペーサ（下部スペーサ５４及び上部スペーサ５６）が配置されるので、陰極部１２と陽極部１４との間の距離である電極間隙間を好適に維持することができる。
　次に、従来の水素含有水生成装置に対し、陽極部が陰極部より内側ではなく、陽極部１４が陰極部１２より外側に設けられることへの影響を検証する。すなわち、本実施形態の水素含有水生成装置１と、陽極部が陰極部より内側に設けられる比較形態の水素含有水生成装置２との、水素含有水Ｒの水素濃度、酸素濃度及び水温を比較する。図７は、比較形態に係る水素含有水生成装置の使用状態を示す模式断面図である。図８は、比較試験における水素濃度を示すグラフである。図９は、比較試験における酸素濃度を示すグラフである。図１０は、比較試験における水温を示すグラフである。
　図７に示す比較形態の水素含有水生成装置２は、実施形態に係る水素含有水生成装置１（図６参照）の構成に対して、直流電圧の印加方向が逆である。すなわち、電極部１１０は、内側に陽極部を有し、外側に陰極部を有する。陰極用給電部材２０は、電極部１１０の外周部１１０Ｓｏに固定される。陽極用給電部材２２は、電極部１１０の内周部１１０Ｓｉに固定される。
　給水管１４６は、Ｉ字状の配管である。給水管１４６は、電解槽４０の側部を水密状態で貫通して設けられる。給水管１４６の下流端部側の開口部である給水部１４６Ｈは、電極部１１０の外周部１１０Ｓｏより外側に設けられる。給水部１４６Ｈは、内周方向に向けて原水Ｗを給水する。
　排水管１４８は、Ｉ字状の配管である。排水管１４８は、電解槽４０の側部を水密状態で貫通して設けられる。排水管１４８の上流端部側の開口部である排水部１４８Ｈは、電極部１１０の外周部１１０Ｓｏより外側に設けられる。排水管１４８は、外周方向に向けて水素含有水Ｒを排水する。
　電源３０から所定の電圧が印加されると、陰極部、すなわち電極部１１０の外周部１１０Ｓｏにおいては、水素ガスが生成される。陽極部、すなわち電極部１１０の内周部１１０Ｓｉにおいては、酸素ガスが生成される。
　脱気弁５０は、接合管５２を介して、電極部１０の内側に連通する。脱気弁５０は、電解槽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空気Ｇを放出する。このような構成によって、水素含有水生成装置２は、酸素ガスを優先的に電解槽４０から排出できる。酸素ガスを優先的に電解槽４０から排出することによって、電解槽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。水素含有水生成装置２の電解槽４０は、電極部１１０の内側及び外側において、いずれも下方から上方に向かう水の流れが発生する。すなわち、水素含有水生成装置２の電解槽４０の内部では、電極部１０の内側及び外側において、水素含有水生成装置１のような水の循環は起こらない。
　図８、図９及び図１０は、水素含有水生成装置１の排水管４８及び水素含有水生成装置２の排水管１４８から排出した水素含有水Ｒの、水素濃度（ｐｐｍ）、酸素濃度（ｐｐｍ）及び水温（℃）を示している。図８に示すように、陽極部を陰極部の内側に設ける場合に比べ、陽極部１４を陰極部１２の外側に設ける場合、試験開始直後の水素濃度は低くなるが、最終的な水素濃度はほぼ同等となる。図９に示すように、陽極部を陰極部の内側に設ける場合に比べ、陽極部１４を陰極部１２の外側に設ける場合、試験開始直後の酸素濃度は低くなるが、最終的な酸素濃度はほぼ同等となる。図１０に示すように、陽極部を陰極部の内側に設ける場合に比べ、陽極部１４を陰極部１２の外側に設ける場合、試験開始直後の水温は低くなるが、最終的な水温はほぼ同等となる。
　以上のように、本実施形態の水素含有水生成装置１は、水素含有水生成装置２とほぼ同等の性能を備えている。水素含有水生成装置１は、水素含有水生成装置２とほぼ同等の性能を備えながら、容易に陽極部１４の劣化状況を確認することができる。
　本実施形態において、陰極部１２、陽極部１４、及び電解槽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、電極部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。下端部側開口部１０ＨＡを有していない場合、給水部４６Ｈは、電極部１０の下端部に向かって、鉛直方向の上方に原水Ｗを給水する。原水Ｗは、開口１２Ｈ及び開口１４Ｈを通り抜けて、陰極部１２の内側に流入する。
　本実施形態において、電極部１０は、陰極用給電部材２０及び陽極用給電部材２２を介して下側基台４２及び電解槽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、筒形状の陰極部１２、陽極部１４、及び電解槽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、電解槽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、陰極部１２、陽極部１４、及び電解槽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、陰極用給電部材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、陰極用給電部材２０の陰極部１２に取り付けられる部分の長さは、陰極部１２の長手方向Ｅの寸法の半分以下でもよい。陽極用給電部材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、陽極用給電部材２２の陰極部１２に取り付けられる部分の長さは、陰極部１２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、電極部１０は、陰極用給電部材２０が設けられている側とは反対側に、陰極用給電部材２０と同じ形状の陰極用支持部材が設けられてもよい。また、電極部１０は、陽極用給電部材２２が設けられている側とは反対側に、陽極用給電部材２２と同じ形状の陽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、陰極用給電部材２０及び陽極用給電部材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。
　陰極用給電部材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、陰極用給電部材２０は、下端部側開口部１０ＨＡにおいて陰極部１２に接続されることに限られず、導電体として陰極部１２と電気的に接続されていれば、接続箇所は任意である。陽極用給電部材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、陽極用給電部材２２は、下端部側開口部１０ＨＡにおいて陽極部１４に接続されることに限られず、導電体として陽極部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、給水管４６は、電解槽４０の側部を貫通して設けられるＬ字状の配管であるが、下側基台４２を貫通して設けられるＩ字状の配管であってもよい。給水管４６は、下流端部側の開口部である給水部４６Ｈが、陰極部１２の内周部１２Ｓｉより内側の鉛直方向の上方に向けて給水するものであれば、どのような形状でも構わない。また、排水管４８は、上側基台４４の側部を貫通して設けられるＬ字状の配管であるが、上側基台４４の上部を貫通して設けられるＩ字状の配管であってもよい。排水管４８は、上流端部側の開口部である排水部４８Ｈが、給水部４６Ｈより上方の陰極部１２の内周部１２Ｓｉより内側から排水するものであれば、どのような形状でも構わない。また、接合管５２は、脱気弁５０と上側基台４４の内部空間４４Ｓとを連通させるものであれば、どのような位置に設けてもよく、どのような形状でも構わない。排水管４８が上側基台４４の上部を貫通して設けられるＩ字状の配管である場合、接合管５２は、上側基台４４の上部において排水管４８と重ならない位置に設けられてもよい。また、上側基台４４は、上部スペーサ５６と一体的に設けてもよい。
　本実施形態においては、陰極部１２と陽極部１４とが下部スペーサ５４及び上部スペーサ５６を介して離間して設けられるが、陰極部１２と陽極部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、陰極部１２の外周部１２Ｓｏ及び陽極部１４の内周部１４Ｓｉと接する。
　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。
　１、２　水素含有水生成装置
　１０　電極部
　１０ＨＡ　下端部側開口部
　１０ＨＢ　上端部側開口部
　１２　陰極部
　１２Ｈ　開口
　１２ＳＬ　スリット
　１２Ｓｉ　内周部
　１２Ｓｏ　外周部
　１４　陽極部
　１４Ｈ　開口
　１４ＳＬ　スリット
　１４Ｓｉ　内周部
　１４Ｓｏ　外周部
　１６　線状部分
　１８　拘束部材
　２０　陰極用給電部材
　２０Ｐ　突出部分
　２２　陽極用給電部材
　２２Ｐ　突出部分
　３０　電源
　４０　電解槽
　４０Ｓｉ　内周部
　４２　下側基台
　４４　上側基台
　４４Ｓ　内部空間
　４６　給水管
　４６Ｈ　給水部
　４８　排水管
　４８Ｈ　排水部
　５０　脱気弁
　５２　接合管
　５４　下部スペーサ
　５６　上部スペーサ
　５６Ｆｉ　内鍔部
　５６Ｆｏ　外鍔部
　１１０　電極部
　１１０Ｓｉ　内周部
　１１０Ｓｏ　外周部
　１４６　給水管
　１４６Ｈ　給水部
　１４８　排水管
　１４８Ｈ　排水部
　Ｅ　長手方向
　Ｃ　周方向
　ＴＬｌ　第１対角線
　ＴＬｓ　第２対角線
　Ｗ　原水
　Ｒ　水素含有水
　Ｇ　空気

Claims (6)

  1. 　側部に複数の開口を有する筒状の陰極部と、
    　側部に複数の開口を有し、前記陰極部の径方向外側に設けられる筒状の陽極部と、
    　前記陰極部及び前記陽極部が内部に設けられる透明な筒状の電解槽と、
    　前記陰極部の一方の端部側から前記陰極部の内部に給水する給水部と、
    　前記陰極部の他方の端部側から前記電解槽内部の水を排水する排水部と、
    を含む水素含有水生成装置。
  2. 　前記陰極部は、鉛直方向に沿って延在し、
    　前記給水部は、前記陰極部の鉛直方向下側の端部側に設けられ、
    　前記排水部は、前記陰極部の鉛直方向上側の端部側に設けられる請求項１に記載の水素含有水生成装置。
  3. 　前記給水部は、前記陰極部の径方向内側、かつ、下端側の開口より上方に挿入される請求項２に記載の水素含有水生成装置。
  4. 　前記排水部は、前記陰極部の径方向内側、かつ、上端側の開口より下方に挿入される請求項２又は３に記載の水素含有水生成装置。
  5. 　前記電解槽の空気を排出する脱気弁を含む請求項１から４のいずれか一項に記載の水素含有水生成装置。
  6. 　前記陰極部の外周部と前記陽極部の内周部との間にスペーサが配置される請求項１から５のいずれか一項に記載の水素含有水生成装置。
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