WO2020045063A1

WO2020045063A1 - 電解水生成装置及び電解水生成方法

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Publication number: WO2020045063A1
Application number: PCT/JP2019/031685
Authority: WO
Inventors: 大治雨森; 義信小泉; 悠平山内
Original assignee: 株式会社日本トリム
Priority date: 2018-08-31
Filing date: 2019-08-09
Publication date: 2020-03-05
Also published as: US11713260B2; US20210254226A1; CN110872143A; JP6810112B2; EP3828143A4; EP3828143A1; JP2020032387A

Abstract

電解水生成装置１は、電解室４０と、直流電圧が印加される第１給電体４１及び第２給電体４２と、第１給電体４１と第２給電体４２との間に配され、電解室４０を第１極室４０ａと第２極室４０ｂとに区分する隔膜４３と、第１給電体４１の極性を陽極又は陰極に、第２給電体４２の極性を陰極又は陽極に切り替える制御部５と、陰極側の電解室４０への単位時間あたりの通水量を検出する流量センサー２２と、第１給電体４１及び第２給電体４２に供給される直流電流を検出する電流検出手段４４とを備える。第１給電体４１及び第２給電体４２の表面は、水素吸蔵金属によって形成される。制御部５は、極性を切り替えた後の通水量の積算値及び直流電流に基づいて、水素吸蔵金属コロイドの濃度を計算する。

Description

電解水生成装置及び電解水生成方法

　本発明は、水素吸蔵金属を含む電解水を生成する電解水生成装置に関する。

　従来、水を電気分解することによって電解水を生成する電解水生成装置が普及している。例えば、特許文献１では、電解水の溶存水素濃度を計算し表示可能に構成され、使い勝手が高められている。

　一方、コロイド状の水素吸蔵金属コロイドを含む電解水についても、種々の研究開発がなされている。例えば、特許文献２では、交流電圧が印加される電極対と、直流電圧が印加される電極対とを備えた水処理装置が提案されている。

特開２０１５－０８７２２１号公報特開２００９－０５０７７４号公報

　しかしながら、電解水中の水素吸蔵金属コロイドの濃度を知得する技術は確立されておらず、さらなる改良が望まれている。

　本発明は、以上のような実状に鑑み案出されたもので、電解水中の水素吸蔵金属コロイドの濃度を知得できる電解水生成装置を提供することを主たる目的としている。

　本発明の電解水生成装置は、水を電気分解して電解水を生成するための電解室と、前記電解室内に配され、直流電圧が印加される第１給電体及び第２給電体と、前記第１給電体と前記第２給電体との間に配され、前記電解室を前記第１給電体側の第１極室と前記第２給電体側の第２極室とに区分する隔膜と、前記第１給電体の極性を陽極又は陰極に、前記第２給電体の極性を陰極又は陽極に切り替える制御部と、前記陰極側の前記電解室への単位時間あたりの通水量を検出する流量センサーと、前記第１給電体及び前記第２給電体に供給される直流電流を検出する電流検出手段とを備え、前記第１給電体及び前記第２給電体の表面は、水素吸蔵金属によって形成され、前記制御部は、前記極性を切り替えた後の前記通水量の積算値及び前記直流電流に基づいて、前記陰極側の前記電解室で生成される電解水中の水素吸蔵金属コロイドの濃度を計算する。

　前記電解水生成装置において、前記制御部は、さらに前記極性を切り替える前の前記直流電流に基づいて、前記濃度を計算する、ことが望ましい。

　前記電解水生成装置において、予め測定された前記通水量の積算値及び前記極性を切り替えた後の前記直流電流と、前記濃度との相関関係を示すデーターを記憶する記憶部をさらに備え、前記制御部は、前記記憶部に記憶された前記データーに基づいて、前記濃度を計算する、ことが望ましい。

　前記電解水生成装置において、前記制御部によって計算された前記濃度を表示する表示部をさらに備える、ことが望ましい。

　本発明の電解水生成方法は、水を電気分解して電解水を生成するための電解室と、前記電解室内に配され、表面が水素吸蔵金属によって形成された第１給電体及び第２給電体を用いて、水を電気分解して電解水を生成する電解水生成方法であって、前記第１給電体の極性を陽極又は陰極に、前記第２給電体の極性を陰極又は陽極に切り替えるステップと、前記陰極側の前記電解室への単位時間あたりの通水量を検出するステップと、前記第１給電体及び前記第２給電体に供給される直流電流を検出するステップと、前記極性を切り替えた後の前記通水量の積算値及び前記直流電流に基づいて、前記陰極側の前記電解室で生成される電解水中の水素吸蔵金属コロイドの濃度を計算する計算ステップと、を含む。

　前記電解水生成方法において、前記計算ステップは、前記極性を切り替える前の前記直流電流に基づいて、前記濃度を計算する、ことが望ましい。

　本発明の電解水生成装置では、陽極側の電解室で水素吸蔵金属がイオン化する。その後、第１給電体及び第２給電体の極性が切り替えられると、陰極側の電解室でコロイド状の水素吸蔵金属が析出し、水素吸蔵金属コロイドを多く含有する電解水が生成される。電解水中の水素吸蔵金属コロイドの濃度は、極性を切り替えた後の陰極側の電解室への通水量の積算値及び第１給電体及び第２給電体に供給される直流電流に依存する。従って、制御部が、極性を切り替えた後の上記通水量の積算値及び直流電流に基づいて、電解水中の水素吸蔵金属コロイドの濃度を正確に計算することが可能となる。

　本発明の電解水生成方法では、陽極側の電解室で水素吸蔵金属がイオン化する。その後、第１給電体及び第２給電体の極性が切り替えられると、陰極側の電解室でコロイド状の水素吸蔵金属が析出し、水素吸蔵金属コロイドを多く含有する電解水が生成される。電解水中の水素吸蔵金属コロイドの濃度は、極性を切り替えた後の陰極側の電解室への通水量の積算値及び第１給電体及び第２給電体に供給される直流電流に依存する。従って、計算ステップにおいて、極性を切り替えた後の上記通水量の積算値及び直流電流に基づいて、電解水中の水素吸蔵金属コロイドの濃度を正確に計算することが可能となる。

本発明の電解水生成装置の一実施形態の流路構成を示す図である。上記電解水生成装置の電気的構成を示すブロック図である。第２極性状態で電気分解中の電解水生成装置を示す図である。上記電解水生成装置の制御部の動作を示すフローチャートである。極性を切り替えた後の通水量の積算値及び電解電流と、水素吸蔵金属コロイドの濃度との相関関係を示すグラフである。

　以下、本発明の実施の一形態が図面に基づき説明される。
　図１は、本実施形態の電解水生成装置１の概略構成を示している。図２は、電解水生成装置１の電気的構成を示している。電解水生成装置１は、電気分解される水が供給される電解室４０と、互いに極性の異なる第１給電体４１及び第２給電体４２と、電解室４０を区分する隔膜４３と、電解水生成装置１の各部の制御を司る制御部５とを備えている。

　電解室４０は、電解槽４の内部に形成されている。電解室４０には、電気分解前の原水が供給される。原水には、一般的には水道水が利用されるが、その他、例えば、井戸水、地下水等を用いることができる。電解室４０の上流側には、電解室４０に供給される水を浄化する浄水カートリッジが設けられていてもよい。

　第１給電体４１及び第２給電体４２は、電解室４０内で、互いに対向して配置されている。第１給電体４１及び第２給電体４２の表面は、水素吸蔵金属によって形成されている。水素吸蔵金属とは、例えば、白金、パラジウム、バナジウム、マグネシウム、ジルコニウムであり、これらを成分とする合金も含まれる。本実施形態では、第１給電体４１及び第２給電体４２の表面には、白金のめっき層が形成されている。

　隔膜４３は、第１給電体４１と第２給電体４２との間に配されている。隔膜４３は、電解室４０を第１給電体４１側の第１極室４０ａと、第２給電体４２側の第２極室４０ｂとに区分する。電解室４０内に水が満たされた状態で第１給電体４１と第２給電体４２との間に直流電圧が印加されると、電解室４０内で水が電気分解され、電解水が得られる。

　隔膜４３には、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）親水膜が用いられている。隔膜４３には、例えば、スルホン酸基を有するフッ素系樹脂からなる固体高分子材料が用いられていてもよい。

　上記図１は、第１極性状態で電気分解中の電解水生成装置１を示している。「第１極性状態」では、第１給電体４１には正の電荷が帯電し、第１極室４０ａは、陽極室として機能している。一方、第２給電体４２には負の電荷が帯電し、第２極室４０ｂは、陰極室として機能している。これにより、第２極室４０ｂでは発生した水素ガスが溶け込んだ還元性の電解水素水が、第１極室４０ａでは発生した酸素ガスが溶け込んだ電解酸性水がそれぞれ生成される。

　図２に示されるように、第１給電体４１及び第２給電体４２と制御部５とは、電流供給ラインを介して接続されている。第１給電体４１と制御部５との間の電流供給ラインには、電流検出手段４４が設けられている。電流検出手段４４は、第２給電体４２と制御部５との間の電流供給ラインに設けられていてもよい。電流検出手段４４は、第１給電体４１、第２給電体４２に供給する直流電流（電解電流）を検出し、その値に相当する電気信号を制御部５に出力する。

　制御部５は、例えば、各種の演算処理、情報処理等を実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）及びＣＰＵの動作を司るプログラム及び各種の情報を記憶するメモリ等を有している。制御部５の各種の機能は、ＣＰＵ、メモリ及びプログラムによって実現される。

　制御部５は、例えば、電流検出手段４４から出力された電気信号に基づいて、電解電流が所望の値となるように第１給電体４１及び第２給電体４２に印加する直流電圧（電解電圧）を制御する。

　第１給電体４１及び第２給電体４２の極性は、制御部５によって制御される。すなわち、制御部５は、第１給電体４１及び第２給電体４２の極性を切り替える極性切替手段として機能する。

　より具体的には、制御部５は、第１給電体４１及び第２給電体４２を上記第１極性状態又は第２極性状態となるように制御する。

　図３は、第２極性状態で電気分解中の電解水生成装置１を示している。「第２極性状態」では、第１給電体４１には負の電荷が帯電し、第１極室４０ａは、陰極室として機能している。一方、第２給電体４２には正の電荷が帯電し、第２極室４０ｂは、陽極室として機能している。これにより、第１極室４０ａでは発生した水素ガスが溶け込んだ還元性の電解水素水、第２極室４０ｂでは発生した酸素ガスが溶け込んだ電解酸性水がそれぞれ生成される。

　以下、本明細書では、特に断りのない限り、第１給電体４１が陽極給電体として、第２給電体４２が陰極給電体として、それぞれ機能している場合が説明されるが、第１給電体４１及び第２給電体４２の極性を相互に入れ替えた場合も同様である。

　図１に示されるように、電解水生成装置１は、電解槽４の上流側に設けられた入水部２と、電解槽４の下流側に設けられた出水部６とをさらに備えている。

　入水部２は、給水路２１と、流量センサー２２と、分岐部２３と、流量調整弁２５等を有している。給水路２１は、電気分解される水を電解室４０に供給する。流量センサー２２は、給水路２１に設けられている。流量センサー２２は、電解室４０に供給される水の単位時間あたりの流量（以下、単に「流量」と記すこともある）Ｆを定期的に検出し、その値に相当する信号を制御部５に出力する。

　分岐部２３は、給水路２１を給水路２１ａ、２１ｂの二方に分岐する。図１において、給水路２１ａは第１極室４０ａに水を供給する給水路であり、給水路２１ｂは第２極室４０ｂに水を供給する給水路である。流量調整弁２５は、給水路２１ａ、２１ｂを第１極室４０ａ又は第２極室４０ｂに接続する。第１極室４０ａ及び第２極室４０ｂに供給される水の流量は、制御部５の管理下で、流量調整弁２５によって調整される。本実施形態では、流量センサー２２は、分岐部２３の上流側に設けられているので、第１極室４０ａに供給される水の流量と第２極室４０ｂに供給される水の流量との総和、すなわち、電解室４０に供給される水の流量Ｆを検出する。

　第１極室４０ａに供給される水の流量と第２極室４０ｂに供給される水の流量との比は、流量調整弁２５によって調整される。流量調整弁２５の制御を司る制御部５は、流量Ｆ及び上記比に基づいて、第１極室４０ａ及び第２極室４０ｂに供給される水の流量を取得できる。

　出水部６は、第１出水路６１と、第２出水路６２と、流路切替弁６５とを有する。

　図１において、第１出水路６１は、第１極室４０ａ及び第２極室４０ｂのうち陰極側の極室で生成された電解水（すなわち電解水素水）を取り出すための陰極水路として機能している。

　一方、第２出水路６２は、第１極室４０ａ及び第２極室４０ｂのうち陽極側の極室（以下、陽極室と記す）で生成された電解水を取り出すための陽極水路として機能している。

　流路切替弁６５は、電解槽４の下流に設けられている。流路切替弁６５は、第１極室４０ａ及び第２極室４０ｂと第１出水路６１及び第２出水路６２との接続を切り替える流路切替手段として機能する。

　本実施形態では、制御部５が、第１給電体４１及び第２給電体４２の極性の切り替えと流路切替弁６５による流路の切り替えとを同期させることにより、ユーザーによって選択された電解水（例えば、図１では電解水素水）が第１出水路６１から吐出されうる。

　第１給電体４１及び第２給電体４２の極性の切り替えにあたっては、制御部５が、流量調整弁２５と流路切替弁６５とを、連動して動作させる形態が望ましい。これにより、極性の切り替え前後において、第１出水路６１に接続されている極室への水の供給量を十分に確保しつつ、第２出水路６２に接続されている極室への水の供給量を抑制して、水の有効利用を図ることが可能となる。

　流量調整弁２５と流路切替弁６５とは、例えば、特許第５８０９２０８号公報に記載されているように、一体に形成され、単一のモーターによって連動して駆動される形態が望ましい。すなわち、流量調整弁２５及び流路切替弁６５は、円筒形状の外筒体と内筒体等によって構成される。内筒体の内側及び外側には、流量調整弁２５及び流路切替弁６５を構成する流路が形成され、各流路は、流量調整弁２５及び流路切替弁６５の動作状態に応じて適宜交差するように構成されている。このような弁装置は、「ダブルオートチェンジクロスライン弁」と称され、電解水生成装置１の構成及び制御の簡素化に寄与し、電解水生成装置１の商品価値をより一層高める。

　本実施形態では、第１給電体４１及び第２給電体４２の表面は、水素吸蔵金属によって形成されているので、図１に示される第１極性状態では、陽極給電体である第１極室４０ａでは、水素吸蔵金属がイオン化する。このとき生ずる水素吸蔵金属のイオン（本実施形態では、白金イオン）の一部は、電気分解の終了後も上記第１極室４０ａ内に留まり、第１給電体４１の表面に付着している。

　そして、制御部５が第１給電体４１及び第２給電体４２の極性を切り替えて、図３に示される第２極性状態に移行すると、水素吸蔵金属のイオンが存在する第１極室４０ａ内に配されている第１給電体４１は、陰極となって水素吸蔵金属のイオンを引き寄せて電子を供給する。これに伴い、第１極室４０ａでは、コロイド状の水素吸蔵金属が析出し、直径がナノメートルレベルの微小な水素吸蔵金属コロイド（本実施形態では、白金ナノコロイド）を多く含有する電解水が生成される。

　一方、第２極性状態において、陽極給電体である第２給電体４２の側の第２極室４０ｂでは、水素吸蔵金属がイオン化している。その後、制御部５が第１給電体４１及び第２給電体４２の極性を切り替えて、図１に示される第１極性状態に移行すると、第２給電体４２は陰極となって、第２極室４０ｂにて、水素吸蔵金属コロイドを多く含有する電解水が生成される。

　制御部５は、流量センサー２２及び電流検出手段４４から入力される信号に基づいて、陰極側の電解室４０で生成される電解水中の水素吸蔵金属コロイドの濃度を計算する。これにより、電解水中の水素吸蔵金属コロイドの濃度を正確に計算することが可能となる。

　図４は、制御部５が、電解水中の水素吸蔵金属コロイドの濃度を計算する手順を示している。既に述べたように、制御部５は、流量センサー２２から入力される信号に基づいて、電解水生成装置１への通水を検出する。

　電解水生成装置１への通水が開始されると（Ｓ１）、制御部５は、第１極性状態又は第２極性状態で、第１給電体４１及び第２給電体４２に電解電圧を印加して電気分解を開始する（Ｓ２）。その後、電解水生成装置１への通水が停止されると（Ｓ３）、制御部５は、第１給電体４１及び第２給電体４２への電解電圧の印加を停止、すなわち、電気分解を停止する（Ｓ４）。

　さらに、電解水生成装置１への通水が開始されると（Ｓ５）、制御部５は、極性を第２極性状態又は第１極性状態に切り替えて、第１給電体４１及び第２給電体４２に電解電圧を印加して電気分解を開始する（Ｓ６）。なお、極性の切り替えは、Ｓ４における電気分解の停止直後に実行されてもよい。この場合、制御部５は、極性を切り替えて電解電圧の印加の準備状態で、Ｓ５の通水開始まで待機する。

　Ｓ６において電解槽４で電気分解を開始させた制御部５は、流量センサー２２及び電流検出手段４４から入力される信号に基づいて、極性の切り替え後の通水量及び電解電流を取得する（Ｓ７）。そして、制御部５は、極性の切り替え後の通水量を積算し、算出した通水量の積算値及び電解電流に基づいて、陰極側の電解室４０で生成される電解水中の水素吸蔵金属コロイドの濃度を計算する（Ｓ８）。上記Ｓ７及びＳ８の処理は、電解水生成装置１への通水が停止されるまで、繰り返される（Ｓ９においてＮ）。

　その後、電解水生成装置１への通水が停止されると（Ｓ９においてＹ）、制御部５は、第１給電体４１及び第２給電体４２への電解電圧の印加を停止、すなわち、電気分解を停止して処理を終了する（Ｓ１０）。Ｓ１０の後、電解水生成装置１への通水が開始された場合は、Ｓ６に移行してもよい。

　電解水中の水素吸蔵金属コロイドの濃度は、電解室内での水素吸蔵金属イオンの量にも依存する。そして、水素吸蔵金属イオンの量は、極性を切り替える前すなわち図４中Ｓ２における電解電流に依存する。従って、制御部５は、Ｓ８において、極性の切り替え後の通水量の積算値及び電解電流に加えて極性の切り替え前の電解電流に基づいて、水素吸蔵金属コロイドの濃度を計算するように構成されていてもよい。

　図５は、流量センサー２２から入力される信号に基づいて取得された通水量の積算値及び極性を切り替えた後の電解電流と、水素吸蔵金属コロイドの濃度との相関関係を示している。図５において関数Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４及びＧ５は、それぞれ電解電流が１［Ａ］、２［Ａ］、３［Ａ］、４［Ａ］及び５［Ａ］であるときの、通水量の積算値と水素吸蔵金属コロイドの濃度との関係を示している。上記相関関係のデーターは、例えば、予め実験によって測定され、制御部５のメモリ（記憶部）に記憶されている。同データーは、制御部５の外部の記憶部に記憶されていてもよい。

　水素吸蔵金属コロイドの濃度は、電解電流に依存して大きくなり、いずれの電解電流においても、水素吸蔵金属コロイドの濃度は、通水量の積算値の増加と共に漸減することが、本願発明者によって見出された。これは、陰極側の電解室４０内の水素吸蔵金属イオンが通水によって減少するためであると考えられる。

　制御部５は、電解水生成装置１の仕様等に応じて準備された関数Ｇ１乃至Ｇ５を上記Ｓ８の計算時に参照することにより、通水量の積算値及び極性を切り替えた後の電解電流に基づいて、陰極側の電解室４０で生成される電解水中の水素吸蔵金属コロイドの濃度を正確に計算することが可能となる。

　なお、関数Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４及びＧ５は、電解水生成装置１の仕様等によって異なる。例えば、図５では、関数Ｇは二次関数で示されているが、一次関数等であってもよい。

　図２に示されるように、本実施形態の電解水生成装置１は、制御部５によって計算された濃度を表示する表示部７をさらに備えている。表示部７として、例えば、文字情報等の画像を表示するＬＣＤ（Liquid Crystal Display）等が適用される。複数のＬＥＤ（Light Emitting Diode）等によって表示部７が構成されていてもよい。

　以上、本発明の電解水生成装置１が詳細に説明されたが、本発明は上記の具体的な実施形態に限定されることなく種々の態様に変更して実施される。すなわち、電解水生成装置１は、少なくとも、水を電気分解して電解水を生成するための電解室４０と、電解室４０内に配され、直流電圧が印加される第１給電体４１及び第２給電体４２と、第１給電体４１と第２給電体４２との間に配され、電解室４０を第１給電体４１側の第１極室４０ａと第２給電体４２側の第２極室４０ｂとに区分する隔膜４３と、第１給電体４１の極性を陽極又は陰極に、第２給電体４２の極性を陰極又は陽極に切り替える制御部５と、陰極側の電解室４０への単位時間あたりの通水量を検出する流量センサー２２と、第１給電体４１及び第２給電体４２に供給される直流電流を検出する電流検出手段４４とを備え、第１給電体４１及び第２給電体４２の表面は、水素吸蔵金属によって形成され、制御部５は、極性を切り替えた後の通水量の積算値及び直流電流に基づいて、陰極側の電解室４０で生成される電解水中の水素吸蔵金属コロイドの濃度を計算する、ように構成されていればよい。

１　　　：電解水生成装置
５　　　：制御部
７　　　：表示部
２２　　：流量センサー
４０　　：電解室
４０ａ　：第１極室
４０ｂ　：第２極室
４１　　：第１給電体
４２　　：第２給電体
４３　　：隔膜
４４　　：電流検出手段

Claims

　水を電気分解して電解水を生成するための電解室と、
　前記電解室内に配され、直流電圧が印加される第１給電体及び第２給電体と、
　前記第１給電体と前記第２給電体との間に配され、前記電解室を前記第１給電体側の第１極室と前記第２給電体側の第２極室とに区分する隔膜と、
　前記第１給電体の極性を陽極又は陰極に、前記第２給電体の極性を陰極又は陽極に切り替える制御部と、
　前記陰極側の前記電解室への単位時間あたりの通水量を検出する流量センサーと、
　前記第１給電体及び前記第２給電体に供給される直流電流を検出する電流検出手段とを備え、
　前記第１給電体及び前記第２給電体の表面は、水素吸蔵金属によって形成され、
　前記制御部は、前記極性を切り替えた後の前記通水量の積算値及び前記直流電流に基づいて、前記陰極側の前記電解室で生成される電解水中の水素吸蔵金属コロイドの濃度を計算する、
　電解水生成装置。
　前記制御部は、さらに前記極性を切り替える前の前記直流電流に基づいて、前記濃度を計算する、請求項１記載の電解水生成装置。
　予め測定された前記通水量の積算値及び前記極性を切り替えた後の前記直流電流と、前記濃度との相関関係を示すデーターを記憶する記憶部をさらに備え、
　前記制御部は、前記記憶部に記憶された前記データーに基づいて、前記濃度を計算する、請求項１又は２記載の電解水生成装置。
　前記制御部によって計算された前記濃度を表示する表示部をさらに備える、請求項１乃至３のいずれかに記載の電解水生成装置。
　水を電気分解して電解水を生成するための電解室と、
　前記電解室内に配され、表面が水素吸蔵金属によって形成された第１給電体及び第２給電体を用いて、水を電気分解して電解水を生成する電解水生成方法であって、
　前記第１給電体の極性を陽極又は陰極に、前記第２給電体の極性を陰極又は陽極に切り替えるステップと、
　前記陰極側の前記電解室への単位時間あたりの通水量を検出するステップと、
　前記第１給電体及び前記第２給電体に供給される直流電流を検出するステップと、
　前記極性を切り替えた後の前記通水量の積算値及び前記直流電流に基づいて、前記陰極側の前記電解室で生成される電解水中の水素吸蔵金属コロイドの濃度を計算する計算ステップと、を含む、
　電解水生成方法。
　前記計算ステップは、前記極性を切り替える前の前記直流電流に基づいて、前記濃度を計算する、請求項５記載の電解水生成方法。