(57)【要約】      （修正有）【課題】水道水を陰極室のみに供給しても、電解槽において直接短時間で水素水を生成でき、固体高分子膜と陰極触媒間の隙間間でカルシウムスケールやマグネシウムスケールが生成・付着する現象を防止できる水素水の製造装置の提供。【解決手段】電気分解に必要な触媒を有し水及び気体が通過可能な陽極層及び陰極層と、陽極層及び陰極層間に互いに密着して挟設された隔膜と、陽極層に接する陽極室と、陰極層に接する陰極室とを備え、陰極室に所定圧力以上の飲料水が供給されている第１の状態において、陽極室の水及び又は気体の圧力を陰極室の圧力未満に制御して電気分解することにより陰極層に発生した水素ガスを飲料水に溶解させて水素水を生成するように構成されており、陰極室に飲料水が供給されていない第２の状態において、陰極室の水及び気体の混合圧力が陽極室の水及び又は気体の圧力未満に制御するように構成されている水素水の製造装置。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気分解に必要な触媒を有し水及び気体が通過可能な陽極層と、電気分解に必要な触媒を有し水及び気体が通過可能な陰極層と、前記陽極層及び前記陰極層間に互いに密着して挟設された隔膜と、前記陽極層に接する陽極室と、前記陰極層に接する陰極室とを備えており、前記陰極室に所定圧力以上の飲料水が供給されている第１の状態において、前記陽極室の水若しくは気体の単独圧力又は水及び気体の混合圧力を前記陰極室の圧力未満に制御して電気分解することにより前記陰極層に発生した水素ガスを前記飲料水に溶解させて水素水を生成するように構成されており、前記陰極室に飲料水が供給されていない第２の状態において、前記陰極室の水及び気体の混合圧力が前記陽極室の水若しくは気体の単独圧力又は水及び気体の混合圧力未満に制御するように構成されていることを特徴とする水素水の製造装置。
【請求項２】
前記第１の状態において、前記陽極室の水若しくは気体の単独圧力又は水及び気体の混合圧力が、０．０３ＭＰａから０．１ＭＰａの範囲の圧力であることを特徴とする請求項１に記載の水素水の製造装置。
【請求項３】
前記第１の状態において、前記陰極室に供給される飲料水の圧力が０．１ＭＰａから０．３ＭＰａの範囲の圧力であることを特徴とする請求項１又は２に記載の水素水の製造装置。
【請求項４】
前記第２の状態において、前記陰極室の圧力が大気圧であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の水素水の製造装置。
【請求項５】
前記陽極室と大気との間にリリーフ弁が接続されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の水素水の製造装置。
【請求項６】
前記陽極室に圧力計が接続されていると共に前記陽極室と大気との間に電磁弁が接続されており、前記圧力計の計測値に基づいて前記電磁弁が制御されるように構成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の水素水の製造装置。
【請求項７】
前記固体高分子膜の前記含水率が、飽和含水膜に対する含水率で２７．６％以上の陽イオン交換膜であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の水素水の製造装置。
【請求項８】
前記陽極層及び前記陰極層の触媒が、白金触媒であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の水素水の製造装置。
【請求項９】
前記陽極層及び／又は前記陰極層が、チタンのラス網又はパンチメタルで形成されたチタン製白金電極であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の水素水の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、飲料用の水素水を生成する水素水の製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水の電気分解により発生する水素ガスを利用する水素水の製造方法として、あらかじめ電気分解で生成した水素ガスを加圧下で水に溶解する方法や、電解装置内において電気分解で生成した水素ガスを水中に直接溶解する方法等が存在する。前者のあらかじめ電気分解で生成した水素ガスを加圧下で水に溶解する方法では、図１（Ａ）に示す固体高分子形電解における反応を利用して水素ガスが製造される。この方法は、ＲＯ水や純水を固体高分子形電解式電解槽で電気分解することにより生じた水素ガスを電解装置外で水に溶解するものである。この電気分解は、電解質膜を通水性のある白金等の電解触媒を有する２枚の電極層で挟んで加圧密着させ、陽極側にＲＯ水や純水を満たして陰極側から水素ガスを発生させる。陽極側では、Ｈ２Ｏ→１／２Ｏ２↑＋２Ｈ＋＋２ｅ−の反応が起き、陰極側では、２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２↑の反応が起きる。
【０００３】
しかしながらこの方法によると、水素ガスを得るために純水装置等の設備が必要であり、純水は電導性が乏しいことから固体高分子膜を薄く効率良いものにするために高価となる欠点があった。また、純水の電導度が低いことから、加電により電解槽に熱が溜まるので、冷却方法の検討も必要であった。さらには、水素ガスを水に溶解するために電解装置とは別に溶解装置が必要であった。
【０００４】
後者の電解装置内において電気分解で生成した水素ガスを水中に直接溶解する方法として、図１（Ｂ）に示す、アルカリ水電解における反応を利用する方法がある。このアルカリ水電解においては、陽極側では、２ＯＨ−→１／２Ｏ２↑＋Ｈ２Ｏ＋２ｅ−の反応が起き、陰極側では、２Ｈ２Ｏ＋２ｅ−→Ｈ２↑＋２ＯＨ−の反応が起きる。即ち、この方法で得られた水素水は、陰極側（水素水側）にＯＨ−イオンが残るのでアルカリ性を示すこととなり、飲用基準のｐＨ８．６以下とするためには水素濃度を低く抑えねばならなかった。
【０００５】
アルカリ水電解におけるアルカリ性を中和するために、陽極側を固体高分子形電解の場合と同じ構成とし、陰極側をアルカリ水電解の場合と同じ構成とした水素水製造装置が提案されている（特許文献１及び２）。この装置は、アルカリ性になった水素水を陽極で生じた酸性水で中和してｐＨを低下させようというものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３３４９７１０号公報
【特許文献２】特開２０１５−２２１３９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載された水素水製造装置は、多量の飽和ガス下で水素イオンと水酸基イオンとを中和させるものであるため、ｐＨ中和に数分の時間を要するという欠点があり、固体高分子膜と陰極触媒間の隙間では水は多少アルカリ性になり、水中のカルシウムやマグネシウム等の溶解陽イオン物質は水が電気分解で減少するに従って濃縮し、若干のアルカリ性と溶解陽イオンの高濃度化によってカルシウムスケール（堆積物）やマグネシウムスケール（堆積物）が生成・付着する現象が生じていた。その結果、陰陽極間の通電障害が生じ、電流値が低下し、水素ガス発生量も低下することとなり所望の溶存水素水濃度が得られない問題が発生していた。
【０００８】
特許文献２では、スケール防止対策として、同文献の図２に示すような電解槽の構造で被処理水の電導度が１０ｍＳ／ｍ（１００μＳ／ｃｍ）以下であることが望ましいとされており、原水をイオン交換樹脂や逆浸透膜で脱塩処理した１ｍＳ／ｍ以下程度の被処理水を陰極室に供給する構成とされている。しかしながら、一般的な水道水は、電導度が１５ｍＳ／ｍ程度であることから、前処理が必要であった。
【０００９】
本発明は、従来技術のこのような問題点を解消するものであり、その目的は、一般的な日本の水道水をそのまま被処理水として陰極室のみに供給しても、電解槽において直接短時間で水素水を生成でき、固体高分子膜と陰極触媒間の隙間間でカルシウムスケールやマグネシウムスケールが生成・付着する現象を防止できる水素水の製造装置を提供することにある。
【００１０】
本発明の他の目的は、製造コストが安価で、長期間の使用にあっても水素ガス発生量の低下がなく安定した水素水が得られ、効率の良い水素ガス発生機能を長時間にわたって維持することができる水素水の製造装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によれば、水素水の製造装置は、電気分解に必要な触媒を有し水及び気体が通過可能な陽極層と、電気分解に必要な触媒を有し水及び気体が通過可能な陰極層と、陽極層及び陰極層間に互いに密着して挟設された隔膜と、陽極層に接する陽極室と、陰極層に接する陰極室とを備えている。陰極室に所定圧力以上の飲料水が供給されている第１の状態において、陽極室の水若しくは気体の単独圧力又は水及び気体の混合圧力を陰極室の圧力未満に制御して電気分解することにより陰極層に発生した水素ガスを飲料水に溶解させて水素水を生成するように構成されており、陰極室に飲料水が供給されていない第２の状態において、陰極室の水及び気体の混合圧力が陽極室の水若しくは気体の単独圧力又は水及び気体の混合圧力未満に制御するように構成されている。
【００１２】
このように、本発明では、固体高分子膜からなる隔膜が陰極層を介して接触する陰極室に所定圧力以上の飲料水が供給されている第１の状態（取水時、電解時）において、陽極室より高い圧力を持った飲料水（加圧水）によって隔膜内及び隔膜と陰極層との隙間に水が供給され、この水が電気分解されることによって陰極層の表面で発生した水素ガスが飲料水に溶解して水素水が生成される。その際に、隔膜と陰極層との隙間に、溜まった水のカルシウムやマグネシウム等の溶解固形物が濃縮されることとなるが、陰極層側に飲料水が供給されない第２の状態（取水休止時、電解休止時）において、陽極室の圧力を陰極室の圧力より高くすることによって隔膜が陰極層に押し付けられることとなり、隔膜と陰極層との隙間に溜まった、カルシウムやマグネシウム等の溶解固形物が濃縮された水は陰極室に押し出される結果となり、次に陰極室に陽極室側より高い圧力を持った飲料水が供給されて電解するときには、隔膜内及び膜と陰極層との隙間に濃縮度が低減された水が供給されることとなる。即ち、陰極室の圧力と陽極室の圧力とを変化させることによって、陰極層と陽極層との間で隔膜をピストン運動させることにより隔膜と陰極層との隙間に存在する水を入れ替えてカルシウムやマグネシウム等のスケールを除去しているのである。
【００１３】
また、本発明は固体高分子形電解を利用しており、無機物溶解で電導性を有する飲料水を陰極室に加圧供給し、陰極表面上に発生する水素ガスを飲料水に溶解させ水素水を生成している。固体高分子形電解では、前述したように、陽極側では、Ｈ２Ｏ→１／２Ｏ２↑＋２Ｈ＋＋２ｅ−の反応が、陰極側では、２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２↑の反応が起きる。このような固体高分子形電解を利用しているため、直接飲料水の電解でありながらアルカリ水電解のようにｐH９以上のアルカリ性とはならず、また、次亜塩素酸イオンの混入も制限された水素水の製造が可能となる。さらに、飲料水を使用しているため原水からＲＯ水や純水を作る装置が不要であり、また、この飲料水が無機固形物を含有し電導性を有して電圧値が下がることで電気分解時の発熱が少なく、さらに飲料水が外部から供給されていることから、電解槽の冷却装置が不要となり、装置の製造コストを低減化することができる。
【００１４】
第１の状態において、陽極室の水若しくは気体の単独圧力又は水及び気体の混合圧力が、０．０３ＭＰａから０．１ＭＰａの範囲の圧力であることも好ましい。なお、本明細書において、圧力は、大気圧が０ＭＰａである大気圧基準（ゲージ圧）で表わしている。
【００１５】
第１の状態において、陰極室に供給される飲料水の圧力が０．１ＭＰａから０．３ＭＰａの範囲の圧力であることも好ましい。
【００１６】
第２の状態において、陰極室の圧力が大気圧であることも好ましい。
【００１７】
陽極室と大気との間にリリーフ弁が接続されていることも好ましい。
【００１８】
陽極室に圧力計が接続されていると共に陽極室と大気との間に電磁弁が接続されており、圧力計の計測値に基づいて電磁弁が制御されるように構成されていることも好ましい。
【００１９】
固体高分子膜の前記含水率が、飽和含水膜に対する含水率で２７．６％以上（乾燥隔膜に対して３８．２％以上）の陽イオン交換膜であることも好ましい。隔膜の含水率がこの範囲であれば、隔膜内に残留する固形物が水で希釈されて増量することはある程度抑止される。即ち、隔膜内の固形物濃度が陰極室内の飲料水の固形物濃度と同程度に保持されるので隔膜内においてなされる隔膜内固形物の酸化反応・還元反応が高濃度状態で過激に反応することはなく、２ｅ−イオン分による酸化還元電子相殺も大きくならず、水素ガス発生量の低下が抑止される。さらに、酸化・還元を受ける塩化物イオン等の膜内物質が、陽極層で酸化され、膜内から陰極室に流出しようとするとき陰極層で還元されて陰極室に放出されることとなり、飲料水への酸化物の混入はほとんど無い。
【００２０】
陽極層及び陰極層の触媒が、白金触媒であることも好ましい。陽極層及び陰極層を白金触媒入りとすることにより、電気分解が促進され水素ガスの発生が効率化し、さらに、陰極層の部分で、ＮａＣｌＯ＋２Ｈ＋＋２ｅ−→ＮａＣｌ＋Ｈ２Ｏの反応を起こし、次亜塩素酸イオンの中和を行うことができる。
【００２１】
陽極層及び／又は陰極層が、チタンのラス網又はパンチメタルで形成されたチタン製白金電極であることも好ましい。
【発明の効果】
【００２２】
固体高分子形電解を利用しているため、直接飲料水の電解でありながらアルカリ水電解のように、ｐH９以上のアルカリ性とはならず、また、次亜塩素酸イオンの混入も制限された水素水の製造が可能となる。さらに、飲料水を用いているため原水からＲＯ水や純水を作る装置が不要であり、この飲料水が無機固形物を含有し電気伝導性を有して電圧値が下がることで電気分解時の発熱が少なく、さらに飲料水が外部から供給されていることから、電解槽の冷却装置が不要となり、装置の製造コストを低減化することができる。
【００２３】
特に、本発明によれば、陰極室の圧力と陽極室の圧力とを変化させることによって、陰極層と陽極層との間で隔膜をピストン運動させることにより陰極層と隔膜との隙間に存在する水を入れ替えてカルシウムやマグネシウム等のスケールを除去しているので、隔膜内に残留する固形物量が増量することはなく、固形物濃度は陰極室内の飲料水の固形物濃度と同程度に保持される。その結果、隔膜内においてなされる隔膜内固形物の酸化反応・還元反応が高濃度状態で過激に反応することはなく、２ｅ−イオン分による酸化還元電子相殺も大きくならず、水素ガス発生量の低下が抑止される。さらに、酸化・還元を受ける塩化物イオン等の膜内物質が、陽極層で酸化され、膜内から陰極室に流出しようとするとき陰極層で還元されて陰極室に放出されることとなり、飲料水への酸化物の混入が皆無に近くなる。さらに、加圧された飲料水を陰極室に供給してもその飲料水が陽極室に漏水することがなく、陽極室側での水処理が不要であり、効率の良い水素ガス発生機能を長時間にわたって維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】電気分解により水素ガスを発生する方法における陽極側及び陰極側の反応を説明する図であり、（Ａ）は固体高分子形電解の場合、（Ｂ）はアルカリ水電解の場合である。
【図２】本発明の一実施形態として、水素水の製造装置における電解槽の全体構成を概略的に示す分解斜視図である。
【図３】図２の水素水の製造装置における電解槽の全体構成を概略的に示す分解側面図である。
【図４】図２の水素水の製造装置における電解槽の陽極側筐体の構成を概略的に示す（Ａ）平面図、（Ｂ）Ａ−Ａ線断面図である。
【図５】図２の水素水の製造装置における電解槽の陰極側筐体の構成を概略的に示す（Ａ）平面図、（Ｂ）Ａ−Ａ線断面図である。
【図６】図２の水素水の製造装置の電気的な構成を概略的に示すブロック図である。
【図７】図２の水素水の製造装置における電解槽の構成を示す模式図である。
【図８】図２の水素水の製造装置のシステム構成を概略的に示すブロック図である。
【図９】図２の水素水の製造装置における制御装置の制御の流れを概略的に示すフローチャートである。
【図１０】本発明の他の実施形態として、水素水の製造装置のシステム構成を概略的に示すブロック図である。
【図１１】図１０の水素水の製造装置における制御装置の制御の流れを概略的に示すフローチャートである。
【図１２】比較例１及び２で用いた水素水の製造装置のシステム構成を概略的に示すブロック図である。
【図１３】実施例１及び２で用いた水素水の製造装置のシステム構成を概略的に示すブロック図である。
【図１４】比較例１における取水水量に対する電解電流値及び電解電圧値の特性図である。
【図１５】比較例１及び２並びに実施例１及び２において陰極層の隔膜側の面に付着したスケールを観察した結果を示す図である。
【図１６】比較例２における取水水量に対する電解電流値及び電解電圧値の特性図である。
【図１７】実施例１における取水水量に対する電解電流値及び電解電圧値の特性図である。
【図１８】実施例２における取水水量に対する電解電流値及び電解電圧値の特性図である。
【図１９】比較例１及び２並びに実施例１における取水水量に対する電解電流値及び電解電圧値を同一図上に示した特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図２及び図３は本発明の一実施形態として、水素水の製造装置における電解槽の全体構成を概略的に示しており、図４は本実施形態の水素水の製造装置における電解槽の陽極側筐体の構成を平面及び断面で概略的に示しており、図５は本実施形態の水素水の製造装置における電解槽の陰極側筐体の構成を平面及び断面で概略的に示している。
【００２６】
本実施形態における図４の陽極側筐体と図５の陰極側筐体との構成上の差異はＯ−リング溝の有無の差であり、図４が陰極側筐体の構成となり、図５が陽極側筐体の構成となっても良い。陰極側筐体の構成及び陽極側筐体との構成がＯ−リング溝の有無によって限定されるものでは無い。
【００２７】
図２及び図３において、１０は固体高分子形の電解槽を示しており、この電解槽１０は陽極側の筐体１１及び陰極側の筐体１２の当接面を互いに当接させた状態でボルト止めすることにより、一体化された筐体が形成される。筐体内には、陽極層１３、陰極層１４、陽極層１３及び陰極層１４間に互いに加圧密着して挟設された隔膜１５、及び筐体を密封するためのパッキン１６が収容されている。陽極層１３にはリード線用接続端子１７が接続されており、リード線（図示無し）を介し電源装置の陽極と電気的に接続され、陰極層１４にはリード線用接続端子１８が接続されており、リード線（図示無し）を介し電源装置の陰極と電気的に接続される。
【００２８】
電解槽１０の筐体の外形寸法は、単なる一例であるが、約１４６ｍｍ（縦）×約９６ｍｍ（横）×約６０ｍｍ（高さ）であり、本実施形態では透明のアクリル樹脂を成型して作製されている。もちろん、筐体を不透明の種々の色の樹脂を用いて作製しても良いし、他の種類の樹脂又は他の材料によって作製しても良い。
【００２９】
図４に示すように、陽極側の筐体１１には、この筐体１１を貫通する２つの気体（ガス）出口１１ｂが形成されており、筐体内側には、２つのガス出口１１ｂを結ぶガス路（陽極室）１１ｃが形成されている。このガス路（陽極室）１１ｃは交互に噛み合うように櫛歯状に形成されたリブ１１ｄによって蛇行するように構成されている。筐体内側には、さらに、パッキン１６を収容する周溝１１ｅが設けられている。
【００３０】
図５に示すように、陰極側の筐体１２は、この筐体１２を貫通する水入口１２ａ及び水出口１２ｂが形成されており、筐体内側には、水入口１２ａ及び水出口１２ｂを結ぶ水路（陰極室）１２ｃが形成されている。この水路（陰極室）１２ｃは交互に噛み合うように櫛歯状に形成されたリブ１２ｄによって蛇行するように構成されている。これにより、蛇行して流れる加圧水内に水素ガスが素早くかつ効率良く溶解される。
【００３１】
陽極層１３は、ガスを通過可能に、チタンのラス網若しくはパンチメタルで形成されたチタン製白金電極、又は導電性カーボン上に白金系ナノ粒子を担持させた触媒担持カーボン電極層で構成されている。
【００３２】
この陽極層１３は、ガスを陽極室１１ｃ、さらには大気に開放するための多数の貫通孔が設けられている必要があり、また、一方の面が隔膜１５と接触している必要がある。そのため、電極素材としてはカーボン布、カーボン不織布、若しくはカーボン多孔質膜等のカーボン材、又はチタンのラス網若しくはパンチングメタルが用いられる。触媒としては、白金若しくはイリジウムを用いることができるが、本実施形態では白金を用いている。陽極層１３に白金触媒を用いることにより、ＮａＣｌ＋Ｈ２Ｏ→ＮａＣｌＯ＋２Ｈ＋＋２ｅ−の反応も起こる。触媒と電極素材との結合には、コーティング、焼結、又はメッキ等の方法があり、いずれの方法を採用しても良い。陽極層１３の寸法は、単なる一例であるが、約１００ｍｍ（縦）×約５０ｍｍ（横）である。
【００３３】
陰極層１４は、ガス及び水を通過可能に、チタンのラス網若しくはパンチメタルで形成されたチタン製白金電極、又は導電性カーボン上に白金系ナノ粒子を担持させた触媒担持カーボン電極層で構成されている。
【００３４】
この陰極層１４は、ガス及び水を陰極室１２ｃに開放するための多数の貫通孔が設けられている必要があり、また、一方の面が隔膜１５と接触している必要がある。そのため、電極素材としてはカーボン布、カーボン不織布、カーボン多孔質膜、などのカーボン材や、チタンのラス網やパンチングメタルが用いられる。触媒としては、白金やイリジウムを用いることができるが、本実施形態では白金を用いている。陰極層１４に白金触媒を用いることにより、ＮａＣｌＯ＋２Ｈ＋＋２ｅ−→ＮａＣｌ＋Ｈ２Ｏの反応を起こし、次亜塩素酸イオンの中和を行うことができる。触媒と電極素材との結合には、コーティング、焼結、メッキ等の方法があり、いずれの方法を採用しても良い。陰極層１４の寸法は、単なる一例であるが、約１００ｍｍ（縦）×約５０ｍｍ（横）である。
【００３５】
隔膜１５は、有機高分子多孔質体の陽イオン交換膜であり、本実施形態では、スチレン系重合型陽イオン交換膜を使用している。この陽イオン交換膜は、交換機能を有する樹脂材としてスチレン・ジビニルベンゼン系重合物のスルホン酸ナトリウム塩４０〜６０ｗｔ％と、補強材としてポリオレフィン混合物４０〜６０ｗｔ％とを含有している。隔膜１５の寸法は、単なる一例であるが、約１１９ｍｍ（縦）×約６９ｍｍ（横）である。
【００３６】
隔膜１５は、特に、陰極層側の陰極面に接触した加圧水によって膜内の水溶性固形物を希釈可能である含水率を有している。この隔膜１５の含水率は、後述する実施例で述べるように、飽和含水隔膜に対する含水率で２７．６％以上（乾燥隔膜に対して３８．２％以上）である。これにより、隔膜１５内に残留する固形物が水で希釈されるので増量することはある程度抑止され、隔膜１５内に含水した水中の固形物濃度は陰極室１２ｃ内の飲料水の固形物濃度と同程度に保持される。その結果、隔膜１５内においてなされる隔膜内固形物の酸化反応・還元反応が高濃度状態で過激に反応することはなく、２ｅ−イオン分による酸化還元電子相殺が大きくならず、水素ガス発生量の低下が抑止される。また、酸化・還元を受ける塩化物イオン等の隔膜１５内物質は、陽極層１３で酸化され、隔膜１５内から陰極室１２ｃに流出しようとするとき陰極層１４で還元されて陰極室１２ｃに放出されることとなり、飲料水への酸化物の混入はほとんど無い。
【００３７】
隔膜１５は、さらに、加圧水が陽極層側の陽極室１１ｃに流出しない透水性を有している。具体的には、隔膜１５は、陰極室１２ｃに通水される加圧水の圧力が０．１〜０．３ＭＰａの範囲にある際に、陽極室１１ｃに水が漏水しない状態で、隔膜１５内に水が保水される透水性を有している。これにより、加圧された飲料水を陰極室１２ｃに供給してもその飲料水が陽極室１１ｃに漏水することがなく、効率の良い水素ガス発生機能を長時間にわたって維持することができる。また、隔膜１５は、当然に、０．３ＭＰａまでの圧力に対して耐圧性能を有している。前述したように、本明細書において、圧力は、絶対圧基準ではなく、大気圧が０ＭＰａである大気圧基準（ゲージ圧）で表わしている。
【００３８】
陽極層１３、隔膜１５及び陰極層１４を圧着させるためには、陽極層１３及び陰極層１４はチタン鋼板に白金を担持させたものを用いることが最も望ましい。陽極側の筐体１１及び陰極側の筐体１２をボルト止めする際に、これら陽極層１３及び陰極層１４を押さえ付けることにより、隔膜１５は陽極層１３及び陰極層１４と加圧密着されることとなる。陽極層１３及び陰極層１４の素材としてカーボン材を選択した場合には、チタンのラス網やパンチングメタルなどの電極押さえ板を準備することが望ましい。
【００３９】
図には示されていないが、陽極室１１ｃから水が出ていないことを目視で確認できる水量レベル表示部を陽極室１１ｃに連通させて設置することにより、電解槽１０の隔膜１５の破損を確認することができ、これは電解槽１０を交換する目安ともなる。水量レベル表示部は、水漏れを利用者に容易に確認できるものであれば、透明円柱管によって水位表示させても良いし、電気的水位計を用いてＬＥＤによるバー表示させても良い。
【００４０】
図６は本実施形態の水素水の製造装置の電気的な構成を概略的に示している。
【００４１】
同図に示すように、電解槽１０の陽極層１３は電流計６０を介して定電流の電源装置６１の正の出力端子に電気的に接続されており、陰極層１４は電源装置６１の負の出力端子に電気的に接続されている。電源装置６１から直流電流が供給されることにより、電解槽１０内で電気分解が行われ、陰極室１２ｃ内に水素が生成されて飲料水内に溶解され、水素水が得られる。一方、陽極室１１ｃ内には酸素が気化されて、大気中に放散される。
【００４２】
電源装置６１から電解槽１０に流れる電流を電流計６０によって測定すれば、水素ガス発生に使用される電解電流値のみを計測することができ、発生する水素ガス量を把握することができる。この水素ガス発生量と飲料水の流量（一定値であれば定数とすることができる）とから水素ガス濃度を容易に知ることができる。計測した電解電流値から水素ガス発生量が把握できる理由は、加電により４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２↑の水素発生が初期に行われても、陽極層１３ではＨ２Ｏ→１／２Ｏ２↑＋２Ｈ＋＋２ｅ−の反応及びＮａＣｌ＋Ｈ２Ｏ→ＮａＣｌＯ＋２Ｈ＋＋２ｅ−の反応が起こり、隔膜１５内の陰極面側ではＮａＣｌＯ＋２Ｈ＋＋２ｅ−→ＮａＣｌ＋Ｈ２Ｏの反応が起これば、実際には、Ｈ２Ｏ→１／２Ｏ２↑＋２Ｈ＋＋２ｅ−の反応と２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２↑の反応しか起きていない結果となる。即ち、電流計６０には、次亜塩素酸イオンによる２ｅ−の相殺された電解電流値は計測されないので、実際に水素発生にのみ利用された電解電流値を知ることができるのである。
【００４３】
水素ガス濃度の表示は、利用者が濃度を容易に解るものであれば、アナログ電流計のようなアナログ表示であっても良いし、デジタル数値表示であっても良いし、ＬＥＤによるバー表示であっても良い。利用者が水素ガス濃度を容易に認知できれば、利用者は水素ガス濃度がより高く出る飲料元水を捜すことができ、低塩分かつ低固形分の水を選択し、より安全な飲料水の利用を行うことができる。また、飲料水としての安全性をさらに確保するため、電源装置６１において、電解電流値や電解電圧値を制限することで、飲用に適した水にのみ電気分解をすることが可能となる。制限とする数値は、電解槽１０の仕様によって異なる。
【００４４】
図７は本実施形態の水素水の製造装置における電解槽１０の構成を模式的に示しており、以下、この電解槽１０内における水素水の生成動作を詳細に説明する。
【００４５】
陰極室１２ｃ内には、加圧された飲料水が水入口１２ａを介して供給される。その場合の水圧は、電気分解によって生成された水素ガスが溶解するのに適した０．１〜０．３ＭＰａの範囲に設定されている。水素ガスの水中への溶解にあたっては、加圧下で行うのが良く、これはヘンリーの法則に従う。即ち、２５℃大気開放時の水中の溶存酸素濃度は８．０９ｍｇ／Ｌであり、溶存酸素の分圧比は８．０９／４０．４４×１００＝２０％となり、窒素が８０％ということになる。この水が２気圧（０．１ＭＰａ）となったとき、酸素の分圧比は１０％となり、窒素の分圧比は４０％となり、水素の溶解する分圧枠が生じ、最大５０％の溶解が可能となる。つまり、１．５７ｍｇ／Ｌ×（１／２）×２気圧＝１．５７ｍｇ／Ｌが最大溶解度となり、大気圧においての最大溶解度１．６ｍｇ／Ｌに近似した溶解濃度となり、この理論最大濃度ではＮａＣｌＯ＋２Ｈ＋＋２ｅ−→ＮａＣｌ＋Ｈ２Ｏの反応消費分をカバーした上で大気圧時の飽和水素濃度１．６ｍｇ／Ｌを満足する溶解濃度には至らないことより、３気圧（０．２ＭＰａ）における１．５７ｍｇ／Ｌ×（２／３）×３気圧＝３．１４ｍｇ／Ｌなる大気圧２倍量の最大溶解濃度となる溶解量を得ることが望ましく、加圧は０．１ＭＰａ以上で隔膜の耐圧強度（０．４ＭＰａ程度）を考慮すると、０．２ＭＰａ付近を中心に０．１〜０．３ＭＰａの範囲内で行われることが望ましく、特に０．２〜０．３ＭＰａの範囲内がさらに望ましいこととなる。
【００４６】
隔膜１５は、前述の如く加圧された飲料水によるセル透過水圧を受けても破壊されない耐圧を有している。また、隔膜１５は、加圧水が陽極層１３側の陽極室に流出しない透水性を有している。このため、加圧された飲料水を陰極室１２ｃに供給してもその飲料水が陽極室１１ｃに漏水することがなく、陽極室１１ｃ側での水処理が不要であり、効率の良い水素ガス発生機能を長時間にわたって維持することができる。
【００４７】
さらに、隔膜１５は、膜内にできるだけ塩分の溜まらない薄膜である。即ち、隔膜１５は、陰極層１４側の陰極面に接触した加圧水によって膜内の水溶性固形物を希釈可能である含水率を有している。これにより、隔膜１５内においてなされる隔膜内固形物の酸化反応・還元反応が高濃度状態で過激に反応することはなく、２ｅ−イオン分による酸化還元電子相殺が大きくならず、水素ガス発生量の低下が抑止される。
【００４８】
固体高分子形電解では、陽極側に陰極室１２ｃから固体高分子膜である隔膜１５の含水を通して水が供給されると、図７のｂの付近で、Ｈ２Ｏ→１／２Ｏ２↑＋２Ｈ＋＋２ｅ−の反応が起きてａの付近から酸素ガスが放出され、ｂの付近から隔膜１５を通じて水素イオンが陰極側に引き寄せられ、ｃの付近で２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２↑の反応が起き、ｄの付近で水素ガスが陰極室１２ｃ内の水に溶解することで水素水の生成が行われる。
【００４９】
陰極室１２ｃに供給される飲料水としては代表的には水道水があり、この水道水にはカルシウムイオンやマグネシウムイオン等の金属イオンが含まれている。水道水が電気分解によって水素ガスや酸素ガスに分解されればカルシウムイオンやマグネシウムイオン等の溶解金属イオンの濃度は濃縮されて高くなる。このように、隔膜１５及び陰極層１４間並びにその近傍がアルカリ性となり、カルシウムイオンやマグネシウムイオンの溶解濃度が高くなれば隔膜１５及び陰極層１４間並びにその近傍においてカルシウムスケールやマグネシウムスケールが生じるのは必然の現象であり、飲料水を流水することでこのようなスケール発生を防止しようとしても、陰極室１２ｃが０．２ＭＰａ程度に常時加圧された加圧通水下では、隔膜１５及び陰極層１４間の隙間まではスケール発生を防止することが難しく、結局、長期使用においては陰極層１４の表面にカルシウムスケールやマグネシウムスケールが早期に付着する結果となり、電気分解能力が大きく低下して水素水濃度が低下することとなる。
【００５０】
また、隔膜１５が陽極層１３に常時押し付けられ、電極板の窪みの中に隔膜１５が押し付けられている状態であるため、電極板の角部で隔膜１５に亀裂が生じたり、隔膜１５の応力劣化が発生することとなる。その結果、陽極室１１ｃへの漏水が多くなり、漏水中には飲料水への酸化による不純物質が混入される危険性が出てくることから、この漏水は飲用できないものとなる。
【００５１】
そこで本発明では、電気分解を行う第１の状態（水素水取水時、電解時）においては、陰極室１２ｃに陽極室１１ｃ内の圧力（陽極室１１ｃの水若しくは気体の単独圧力又は水及び気体の混合圧力、例えば０．０３〜０．１ＭＰａ）より高い所定圧力以上（例えば、０．１〜０．３ＭＰａ）の加圧水を供給するように構成することにより、電極板の窪みの中に隔膜１５が押しつけられるのを弱め、電極板の角部で隔膜１５に亀裂が生じたり、隔膜１５の応力劣化が生じることを防止している。さらに、新しい加圧水が隔膜１５内と隔膜１５及び陰極層１４の隙間とに供給される。一方、陰極室１２ｃに飲料水が供給されていない第２の状態（水素水取水休止時、電解休止時）においては、陽極室１１ｃの圧力（陽極室１１ｃの水若しくは気体の単独圧力又は水及び気体の混合圧力）が、陰極室１２ｃの圧力（陰極室１２ｃの水及び気体の混合圧力）より高くなるように構成することにより、隔膜１５が陰極層１２ｃに押し付けられて、隔膜１５及び陰極層１２ｃ間の隙間に溜まった濃縮水は陰極室１２ｃ内に押し戻されることとなる。次いで、第１の状態において陰極室１２ｃに陽極室１１Ｃ内の圧力より高い圧力を持った加圧水が供給されたときに、隔膜１５及び陰極層１４の隙間に濃縮が希釈された新しい加圧水が供給される。この第１の状態と第２の状態とで、隔膜１５はピストン運動、即ち微小な鼓動による水のポンプ現象を繰り返すこととなる。このように構成することにより、本発明によれば、水道水などの溶解固形分の多い水であっても事前に脱塩処理することが不要となり、電極層に多量のスケールが付着することがなく、長期に渡って使用することが可能となる。
【００５２】
第１の状態（水素水取水時、電解時）において、陰極室１２ｃに加圧供給される飲料水の水圧は、電気分解によって生成された水素ガスが溶解するのに適した０．２〜０．３ＭＰａの範囲に設定する理由は前述した通りである。
【００５３】
第１の状態（水素水取水時、電解時）及び第２の状態（水素水取水休止時、電解休止時）において、陽極室１１ｃの圧力は、望ましくは０．０３〜０．１ＭＰａの範囲の圧力で設定するのが良い。この下限圧力の０．０３ＭＰａは、第２の状態時に陰極室１２ｃに供給されていた加圧水を停止してこの陰極室１２ｃが大気開放されると、陰極室１２ｃの圧力は０ＭＰａとなるので、陽極室１１ｃの圧力はこれより高い圧力、即ち０．０１ＭＰａとすることが望まれ、さらに、隔膜１５のピストン移動による圧力減少が０．０２ＭＰａ見込まれるので、陽極室１１ｃの圧力を、０．０１ＭＰａ＋０．０２ＭＰａ＝０．０３ＭＰａ以上が望ましいとした。また、上限圧力０．１ＭＰａは、陰極層１４及び陽極層１３の隙間を隔膜１５の膜厚の９３．７％の厚みに調整し、陰極室１２ｃに０．２ＭＰａの加圧水を印加して電気分解するとき、陽極室１１ｃの圧力を０．１ＭＰａより大きくすると、隔膜１５が０．３ＭＰａの圧力で押圧されて薄くなり、電極層との接触が弱くなって一定の電流を得るために電圧を（１Ｖ以上）上げる必要があることから、不要な電力消費を抑えるために、０．１ＭＰａ以下が望ましいとした。
【００５４】
図８は本実施形態の水素水の製造装置のシステム構成を概略的に示している。
【００５５】
同図において、１０は前述した電解槽、８０は飲料水を貯留しているタンク、８１はタンク８０に接続されているポンプ、８２はポンプ８１と電解槽１０の陰極室１２ｃとに接続されている減圧弁、８３は電解槽１０の陽極室１１ｃの出口に接続されているリリーフ弁、８４は電解槽１０の陰極室１２ｃに接続されている流量調整弁、８５は流量調整弁８４に接続されている電磁弁、８６は電解槽１０の電気分解を制御すると共にポンプ８１及び電磁弁８５の作動を制御する制御装置をそれぞれ示している。
【００５６】
飲料水はタンク８０に貯められ、タンク８０からポンプ８１により、減圧弁８２から電解槽１０の陰極室１２ｃに送られて水素水が生成され、生成された水素水は電解槽１０の陰極室１２ｃ、流量調整弁８４、及び電磁弁８５の順に送水されて水素水の取出し（取水）が行われる。
【００５７】
制御装置８６はプログラム制御可能なコンピュータを有しており、ポンプ８１の作動、電解槽１０の電気分解、及び電磁弁８５の作動がコンピュータによって制御されることにより、水素水の生成が行われるように構成されている。減圧弁８２は、ポンプ８１によって加圧される飲料水の圧力を０．２〜０．３ＭＰａの範囲で調整するように構成されている。また、リリーフ弁８３は、その放出圧が０．０３〜０．１ＭＰａの範囲となるように構成されている。これにより、電解槽１０の陽極室１１ｃ内の圧力はリリーフ弁８３によって調整された圧力以下に維持される。取水速度は流量調整弁８４によって調整される。
【００５８】
図９は本実施形態の水素水の製造装置における制御装置８６の制御の流れを概略的に示している。
【００５９】
同図に示すように、水素水の取水を行う場合は、まず、電磁弁８５の開成を行う（ステップＳ１）。次に、ポンプ８１の運転開始を行い、電解槽１０に電源供給を行って電気分解を開始させる（ステップＳ２）。なお、ポンプ８１の運転開始と同時に電解槽１０に電源供給を行って電気分解の開始を行っても良い（ステップＳ２）。この電気分解の際の飲料水の圧力、換言すれば、電解槽１０の陰極室１２ｃの飲料水の圧力は、減圧弁８２によって０．２〜０．３ＭＰａの範囲の圧力に調整される。一方、電解槽１０の陽極室１１ｃの圧力は、電気分解により発生する酸素ガスを貯めることにより昇圧し、リリーフ弁８３によって０．０３〜０．１ＭＰａの圧力に調整される。このような構成により、ポンプ８１の運転時（第１の状態時）には、電解槽１０の陽極室１１ｃの圧力は電解槽１０の陰極室１２ｃの圧力未満に制御される。
【００６０】
その後、水素水の取水終了か否かを判別し続け（ステップＳ３）、水素水の取水終了の場合は、ポンプ８１の運転を停止する（ステップＳ４）。次いで、電解槽１０の電気分解を終了する（ステップＳ５）。その後、電磁弁８５を閉成させる（ステップＳ６）。ポンプ８１の運転停止を先に行うのは、電解槽１０の陰極室１２ｃ内の圧力を大気圧（０ＭＰａ）と同等にしてから電磁弁８５を閉成する必要があるためである。このように、電解槽１０の陰極室１２ｃの圧力は大気圧（０ＭＰａ）に制御され、一方、電解槽１０の陽極室１１ｃの圧力は、リリーフ弁８３によって０．０３〜０．１ＭＰａの圧力に調整される。このような構成により、取水休止時（第２の状態時）には、電解槽１０の陰極室１２ｃの圧力は電解槽１０の陽極室１１ｃの圧力未満に制御される。なお、この場合、陽極室１１ｃ内の高い圧力の気体が隔膜１５を抜けて陰極室１２ｃ内へ抜けることはない。これは、隔膜１５及び陽極層１４の間には水膜が張られている状態でありこの水膜が気体の透過を効果的に防止するためである。
【００６１】
図１０は本発明の他の実施形態として、水素水の製造装置のシステム構成を概略的に示している。
【００６２】
同図において、１０は前述した電解槽、８０は飲料水を貯留しているタンク、８１はタンク８０に接続されているポンプ、８２はポンプ８１と電解槽１０の陰極室１２ｃとに接続されている減圧弁、８４は電解槽１０の陰極室１２ｃに接続されている流量調整弁、８５は流量調整弁８４に接続されている電磁弁、８７は電解槽１０の陽極室１１ｃの出口に接続されている電磁弁、８８は電磁弁８７に接続されている流量調整弁、８９は電解槽１０の陽極室１１ｃの出口に接続されている圧力計、９０は電解槽１０の電気分解、並びにポンプ８１及び電磁弁８５の作動を制御すると共に、圧力計８９の検出値を受け取り、電磁弁８７の作動を制御する制御装置をそれぞれ示している。
【００６３】
飲料水はタンク８０に貯められ、タンク８０からポンプ８１により、減圧弁８２から電解槽１０の陰極室１２ｃに送られて水素水が生成され、生成された水素水は電解槽１０の陰極室１２ｃ、流量調整弁８４、及び電磁弁８５の順に送水されて水素水の取出し（取水）が行われる。
【００６４】
制御装置９０はプログラム制御可能なコンピュータを有しており、ポンプ８１の作動、電解槽１０の電気分解、圧力計８９の検出値を受け取り、並びに電磁弁８５及び８７の作動がコンピュータによって制御されることにより、水素水の生成が行われるように構成されている。減圧弁８２は、ポンプ８１によって加圧される飲料水の圧力を０．２〜０．３ＭＰａの範囲で調整するように構成されている。また、圧力計８９の検出値に応じて電磁弁８７が制御されることにより、電解槽１０の陽極室１１ｃの発生酸素ガスによる圧力が０．０３〜０．１ＭＰａの範囲となるように構成されている。取水速度は流量調整弁８４によって調整される。
【００６５】
図１１は本実施形態の水素水の製造装置における制御装置９０の制御の流れを概略的に示している。
【００６６】
同図に示すように、水素水の取水を行う場合は、まず、電磁弁８５の開成を行う（ステップＳ１１）。次に、ポンプ８１の運転開始を行い、電解槽１０に電源供給を行って電気分解を開始させる（ステップＳ１２）。なお、ポンプ８１の運転開始と同時に電解槽１０に電源供給を行って電気分解を開始しても良い（ステップＳ１２）。この電気分解の際の飲料水の圧力、換言すれば、電解槽１０の陰極室１２ｃの飲料水の圧力は、減圧弁８２によって０．２〜０．３ＭＰａの範囲の圧力に調整される。一方、電解槽１０の陽極室１１ｃの発生酸素ガスによる圧力は、圧力計８９及び電磁弁の作動、並びに制御装置９０の制御によって０．０３〜０．１ＭＰａの圧力に調整される。この陰極室１２ｃの圧力調整は、圧力計８９の検出値を受け取り（ステップＳ１３）、その受け取った検出値、即ち、電解槽１０の陽極室１１ｃの測定した圧力値が所定圧力（０．０３〜０．１ＭＰａの圧力範囲）以内（境界を含む）であるか否か判別し（ステップＳ１４）、測定した圧力値が所定圧力（０．０３〜０．１ＭＰａの圧力範囲）以内であると判別した場合（ＹＥＳの場合）は、電磁弁８７を閉成するか、閉を維持する（ステップＳ１６）。ステップＳ１４において、測定した圧力値が所定圧力（０．０３〜０．１ＭＰａの圧力範囲）以内ではないと判別した場合（ＮＯの場合）は、電磁弁８７を開成させ（ステップＳ１５）、ステップＳ１３において圧力計８９の検出値を受け取り、ステップＳ１４の判別を再度行う。電磁弁８７の開閉を行う場合、流量調整弁８８の作用により一定減圧速度となるように開閉が行われて圧力が低下せしめられ、陽極室１１ｃの圧力値が所望の範囲内に調整される。これにより、電解槽１０の陽極室１１ｃの圧力は０．０３〜０．１ＭＰａの圧力に制御される。このような構成により、電気分解時（第１の状態時）には、電解槽１０の陽極室１１ｃの圧力は電解槽１０の陰極室１２ｃの圧力未満に制御される。
【００６７】
その後、水素水の取水終了か否かを判別し続け（ステップＳ１７）、水素水の取水終了の場合は、ポンプ８１の運転を停止する（ステップＳ１８）。次いで、電解槽１０の電気分解を終了する（ステップＳ１９）。その後、電磁弁８５を閉成させる（ステップＳ２０）。ポンプ８１の運転停止を先に行うのは、電解槽１０の陰極室１２ｃ内の圧力を大気圧（約０．１ＭＰａ）と同等にしてから電磁弁８５を閉成する必要があるためである。そのようにして電解槽１０の陰極室１２ｃの圧力は大気開放によって大気圧（０ＭＰａ）に制御される。このような構成により、取水休止時（第２の状態時）には、電解槽１０の陰極室１２ｃの圧力は電解槽１０の陽極室１１ｃの圧力未満に制御される。流量調整弁８８に代えて、固定流量のオリフィスを用いても良い。なお、この場合、陽極室１１ｃ内の高い圧力の気体が隔膜１５を抜けて陰極室１２ｃ内へ抜けることはない。これは、隔膜１５及び陽極層１４の間には水膜が張られている状態でありこの水膜が気体の透過を効果的に防止するためである。
【００６８】
以上説明したように、本実施形態によれば、隔膜１５が陰極層１４を介して接触する陰極室１２ｃに所定圧力以上の飲料水が供給されている取水（電解）時には、陽極室１１ｃより高い圧力を持った飲料水（加圧水）によって隔膜１５内と隔膜１５及び陰極層１４間の隙間とに水が供給され、この水が電気分解されることによって陰極層１４の表面で発生した水素ガスが飲料水に溶解して水素水が生成される。その際に、隔膜１５及び陰極層１４間の隙間に、溜まった水のカルシウムやマグネシウム等の溶解固形物が濃縮されることとなるが、陰極室１２ｃに飲料水が供給されない取水休止（電解休止）時には、陽極室１１ｃの圧力を陰極室１２ｃの圧力より高くすることによって隔膜１５が陰極層１４に押し付けられることとなり、隔膜１５及び陰極層１４間の隙間に溜まった、カルシウムやマグネシウム等の溶解固形物が濃縮された水は陰極室１２ｃ内に押し出される結果となり、次の取水（電解）時に、陰極室１２ｃに陽極室１１ｃより高い圧力を持った飲料水が供給されたときには、隔膜１５内並びに隔膜１５及び陰極層１４間の隙間に濃縮度が低減された水が供給されて溶解固形物が押し出されることとなる。即ち、陰極室１２ｃの圧力と陽極室１１ｃの圧力と交互に変化させることによって、陰極層１４と陽極層１３との間で隔膜１５をピストン運動させることにより陰極層１４及び隔膜１５間の隙間に存在する水を入れ替えてカルシウムやマグネシウム等のスケールを除去している。
【００６９】
また、本実施形態によれば、固体高分子形電解を利用しており、無機物溶解で電導性を有する飲料水を陰極室１２ｃに加圧供給し、陰極表面上に発生する水素ガスを飲料水に溶解させ水素水を生成している。固体高分子形電解では、陽極側では、Ｈ２Ｏ→１／２Ｏ２↑＋２Ｈ＋＋２ｅ−の反応が、陰極側では、２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２↑の反応が起きるので、直接飲料水の電解でありながらアルカリ水電解のようにｐH９以上のアルカリ性とはならず、また、次亜塩素酸イオンの混入も制限された水素水の製造が可能となる。さらに、飲料水を使用しているため原水からＲＯ水や純水を作る装置が不要であり、また、この飲料水が無機固形物を含有し電導性を有して電解電圧値が下がることで電気分解時の発熱が少なく、さらに飲料水が外部から供給されていることから、電解槽の冷却装置が不要となり、装置の製造コストを低減化することができる。
【実施例】
【００７０】
以下、一定の試験水をそれぞれ用いた比較例１及び２並びに実施例１及び２について、試験結果を説明する。
【００７１】
比較例１及び２は図１２に示すシステム構成を有する水素水の製造装置で行われた。同図における、電解槽１０、タンク８０′、ポンプ８１、減圧弁８２、リリーフ弁８３、流量調整弁８４、電磁弁８５、及び制御装置８６は、図８に示した実施形態における各要素とほぼ同じ構成を有している。ただし、タンク８０′には試験水が貯留されており、電解槽１０の陽極室１１ｃにはリリーフ弁が接続されておらず、この陽極室１１ｃは大気開放されている。また、図１２において、９１は電気分解のための電源装置、９２は電源装置９１からの電解電流の切換スイッチ、９３は電解電流を計測する電流計、９４は試験水流量を計測する流量カウンタをそれぞれ示している。なお、電源装置９１に付属している電圧計によって電解電圧が計測された。
【００７２】
試験水はタンク８０′に貯められ、タンク８０′からポンプ８１により、減圧弁８２及び流量カウンタ９４を介して電解槽１０の陰極室１２ｃの順に送られて水素水が生成され、生成された水素水は電解槽１０の陰極室１２ｃから流量調整弁８４及び電磁弁８５を介して送水されて水素水が取水された。
【００７３】
制御装置８６はプログラム制御可能なコンピュータを有しており、ポンプ８１の作動、電解槽１０の電気分解、及び電磁弁８５の作動がコンピュータによって制御されることにより、水素水の生成が行われるように構成された。流量カウンタ９４の計測値は制御装置に取り込まれた。減圧弁８２は、ポンプ８１によって加圧される飲料水の圧力を０．２〜０．３ＭＰａの範囲で調整するように構成されていた。電解槽１０の陽極室１１ｃ内の圧力は大気圧に維持された。
【００７４】
実施例１及び２は図１３に示すシステム構成を有する水素水の製造装置で行われた。同図における、電解槽１０、タンク８０′、ポンプ８１、減圧弁８２、流量調整弁８４、電磁弁８５、及び制御装置８６は、図８に示した実施形態における各要素とほぼ同じ構成を有している。ただし、タンク８０′には試験水が貯留されている。また、図１２において、９１は電気分解のための電源装置、９２は電源装置９１からの電解電流の切換スイッチ、９３は電解電流を計測する電流計、９４は試験水流量を計測する流量カウンタをそれぞれ示している。
【００７５】
試験水はタンク８０′に貯められ、タンク８０′からポンプ８１により、減圧弁８２及び流量カウンタ９４を介して電解槽１０の陰極室１２ｃの順に送られて水素水が生成され、生成された水素水は電解槽１０の陰極室１２ｃから流量調整弁８４及び電磁弁８５を介して送水されて水素水が取水された。
【００７６】
制御装置８６はプログラム制御可能なコンピュータを有しており、ポンプ８１の作動、電解槽１０の電気分解、及び電磁弁８５の作動がコンピュータによって制御されることにより、水素水の生成が行われるように構成された。流量カウンタ９４の計測値は制御装置に取り込まれた。減圧弁８２は、ポンプ８１によって加圧される飲料水の圧力を０．２〜０．３ＭＰａの範囲で調整するように構成された。また、リリーフ弁８３は、その放出圧が０．０３〜０．１ＭＰａの範囲となるように構成された。
【００７７】
即ち、比較例１及び２においては、電解槽１０の陽極室１１ｃは大気圧（０ＭＰａ）に維持され、実施例１及び２においては、電解槽１０の陽極室１１ｃにはリリーフ弁８３が設けられて０．０３〜０．１ＭＰａの範囲の加圧状態に維持された。
【００７８】
比較例１及び２並びに実施例１及び２共に試験水としては、竜王町上水道水を直接使用した（脱塩素処理は行わなかった）。また、水温を１５℃に調整した。試験水質は、表１に示す通りであった。
【表１】
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【００７９】
比較例１及び２並びに実施例１及び２共に運転条件は以下の通りであった。
ａ）陰極室通水圧      ：      ０．２ＭＰａ
ｂ）取  水  量        ：      １，２００ｍＬ／ｍｉｎ
ｃ）電  極  板        ：      ５０×９９×５ｔチタンラス板に白金コート（エキスパンド仕様：ＬＷ６ ＳＷ３ Ｗ１）
ｄ）隔膜（固体高分子膜）：      ７８×１１３  陽イオン交換膜
組成：  スチレン系共重合物のスルフォン酸ナトリウム塩  ポリオレフィン混合物
膜厚：  ０．１６ｍｍ
破裂強度：  ０．５３ＭＰａ
ｅ）陰陽電極板間隙間    ：  ０．１５ｍｍ  （実施例２は除く）
ｆ）取水・洗浄サイクル  ：
［取水サイクル］
取水運転    ：    ３０秒間    （６００ｍＬ水素水取水）
休止(静置)   ：    ３０秒間
［電荷逆転洗浄サイクル］
サイクル    ：    取水４０回サイクル毎に一回
洗浄運転    ：    ２０秒間（４００ｍＬ酸性水排水）
休止(静置)   ：    ４０秒間
ｇ）電解電源      ：      定電流・定電圧装置使用。定電流３．５Ａ優先で、電解電圧値が１７．８Ｖ以下では３．５Ａで通電し、電解電圧値が１７．８Ｖになった時点から電解電流値を低下させて１７．８Ｖを維持した。なお、３．５Ａで通電した時の水素発生量は３０ＮｍＬ／分であり、１５℃で得られた水素水の溶存水素濃度は１．１ｍｇ／Ｌであった。
ｈ）目標取水量    ：      最終目標水素水取水量は１２，０００Ｌ（１２トン）とした。その理由は「家庭で３Ｌ／日の取水をするとして、一年では１，０９５Ｌ、装置としては１０年使用可能とし１０，９５０Ｌであり、目標は１２トンとしたものである。
【００８０】
（比較例１）
従来より一般的に行われている方法であり、ポンプ８１の停止と同時に電磁弁８５を閉める方法である。システム構成は図１２に示した通りであり、制御フローは図９に示した流れにおいて、ステップＳ４〜Ｓ６の処理を同時に行ったものである。取水時及び取水休止時の陰極室１２ｃ及び陽極室１１ｃの圧力は表２に示すごとくであった。
【表２】
2019181316.tif 000004
【００８１】
表２に示すように、この比較例１では、陽極室１１ｃは、大気開放されているため、取水時（電解時）も取水休止時（電解休止時）も圧力が大気圧に維持されており、従って、陽極室１１ｃの圧力は、陰極室１２ｃの圧力未満に維持されている。このような比較例１において、取水水量（Ｌ）に対する電解電流値（Ａ）及び電解電圧値（Ｖ）を測定した。その結果が図１４に示されている。同図において、横軸は流量カウンタ９４によって計測した水素水の取水水量（Ｌ）、縦軸は電解電流値（Ａ）及び電解電圧値（Ｖ）をそれぞれ示している。
【００８２】
同図から分かるように、この比較例１の試験では、電気分解開始から１トン（１０００Ｌ）の水素水を取水した際に電流低下が始まった。電解電流値が３Ａを切ったところから陰極層１４に急激にスケール付着が進んだものと考える。
【００８３】
実際、試験終了後の陰極層１４の隔膜１５側の面に付着したスケールを観察すると、図１５（Ａ）に示すように、多量のスケールが溜まっていた（同図の白い部分が溜まったスケールを示している）。なお、図示していないが、陰極層１４の隔膜１５とは反対側の面には、さほど多くのスケールは溜まっていなかった。
【００８４】
（比較例２）
ポンプ８１の停止の後に遅れて電磁弁８５を閉める方法である。システム構成は図１２に示した通りであり、制御フローは図９に示したものと同じである。取水時及び取水休止時の陰極室１２ｃ及び陽極室１１ｃの圧力は表３に示すごとくであった。
【表３】
2019181316.tif 000005
【００８５】
表３に示すように、この比較例２では、陽極室１１ｃは、大気開放されているため、取水時（電解時）も取水休止時（電解休止時）も圧力が大気圧に維持されている。一方、陰極室１２ｃは、取水時（電解時）は加圧されているが、取水を停止する際にポンプ８１の停止に遅れて（１秒後に）電磁弁８５が閉成されるため、陰極室１２ｃがその間に開放され、取水休止時（電解休止時）は大気圧に維持される。このような比較例２において、取水水量（Ｌ）に対する電解電流値（Ａ）及び電解電圧値（Ｖ）を測定した。その結果が図１６に示されている。同図において、横軸は流量カウンタ９４によって計測した水素水の取水水量（Ｌ）、縦軸は電解電流値（Ａ）及び電解電圧値（Ｖ）をそれぞれ示している。
【００８６】
同図から分かるように、この比較例２の試験では、電気分解開始から８トン（８０００Ｌ）の水素水を取水した際に電流低下が始まった。比較例１の試験に比して、陰極層１４へのスケール付着は遅れて始まるが、やはり生じたものと考える。
【００８７】
実際、試験終了後の陰極層１４の隔膜１５側の面に付着したスケールを観察すると、図１５（Ｂ）に示すように、かなりの量のスケールが溜まっていた（同図の白い部分が溜まったスケールを示している）。なお、図示していないが、陰極層１４の隔膜１５とは反対側の面には、さほど多くのスケールは溜まっていなかった。
【００８８】
（実施例１）
比較例２の場合と同様に、ポンプ８１の停止の後に遅れて電磁弁８５を閉める方法である。システム構成は図１３に示した通りであり、制御フローは図９に示したものと同じである。隔膜１５の膜厚は０．１６ｍｍであり、陰極層１４及び陽極層１３間の隙間は０．１５ｍｍに設定した。従って、隔膜１５は、陰極層１４及び陽極層１３によって０．１５ｍｍの膜厚となるまで押圧されている。取水時及び取水休止時の陰極室１２ｃ及び陽極室１１ｃの圧力は表４に示すごとくであった。
【表４】
2019181316.tif 000006
【００８９】
表４に示すように、この実施例１では、陽極室１１ｃは、リリーフ弁８３が接続されているため、取水時（電解時）も取水休止時（電解休止時）も圧力がリリーフ弁８３の設定する所定圧力（この場合、０．０４ＭＰａ）以下に維持されている。陰極室１２ｃは、取水時（電解時）は、加圧水の圧力（この場合、０．２ＭＰａ）に維持されている。従って、取水時においては、陽極室１１ｃの圧力は、陰極室１２ｃの圧力未満に維持されている。一方、取水を停止する際にポンプ８１の停止に遅れて（１秒後に）電磁弁８５が閉成されるため、陰極室１２ｃは、その間に開放されるので取水休止時（電解休止時）は大気圧（０ＭＰａ）に維持される。従って、取水休止時（電解休止時）は、陽極室１１ｃの圧力が陰極室１２ｃの圧力より高くなるので、隔膜１５が陰極層１４に押し付けられて移動することにより、圧力減少が０．０２ＭＰａ生じ、その結果、取水休止時の陽極室１１ｃの圧力は表４に示すように０．０２ＭＰａとなる。この取水休止時（電解休止時）に隔膜１５が陰極層１４に押し付けられるので、隔膜１５及び陰極層１４の水分が陰極室１２ｃ内に押し出されるのである。
【００９０】
取水時（電解時）における陽極室１１ｃの圧力と電解電流値及び電解電圧値との関係を調べた。即ち、前述したように隔膜１５の膜厚を０．１６ｍｍ、陰極層１４及び陽極層１３間の隙間を０．１５ｍｍに設定して陰極室１２ｃの圧力を０．２ＭＰａの一定圧、陽極室１１ｃの圧力を変化させた場合の電解電流値及び電解電圧値を調べた。その結果を表５に示す。
【表５】
2019181316.tif 000007
【００９１】
この取水時においては、隔膜１５は、陰極室１２ｃ及び陽極室１１ｃの両面側から圧迫されることとなり、その膜厚は０．１４ｍｍ以下となる。この場合、陰極室１２ｃの圧力が陽極室１２ｃの圧力より高いため、隔膜１５と陰極層１４とは密着せず、多少離れた状態となる。このため、Ｈ＋イオン移動を維持し、同一の電解電流値を得るための電解電圧値が高くなる。表５より、陽極室１１ｃの圧力が０．１０ＭＰａとなると、電解電流値は同じであるが電解電圧値が高くなった。また、陽極室１１ｃの圧力が０．１０ＭＰａより大きくなると、電解電流値が低下した。従って、陽極室１１ｃの圧力は０．１０ＭＰａ以下であることが望ましい。
【００９２】
このような実施例１において、取水水量（Ｌ）に対する電解電流値（Ａ）及び電解電圧値（Ｖ）を測定した。その結果が図１７に示されている。同図において、横軸は流量カウンタ９４によって計測した水素水の取水水量（Ｌ）、縦軸は電解電流値（Ａ）及び電解電圧値（Ｖ）をそれぞれ示している。
【００９３】
同図から分かるように、この実施例１の試験では、電気分解開始から１２トン（１２０００Ｌ）の水素水を取水しても電解電流値は３．５Ａの一定値に維持できた。即ち、取水休止時に、陽極室１１ｃの圧力を陰極室１２ｃの圧力より大きくすることで、スケール障害を防止できることが分かった。なお、同図においては、電解電圧値にバラツキが認められるが、このバラツキは脈動の強弱や洗浄効率の差によって生じたものと考察される。
【００９４】
実際、試験終了後の陰極層の隔膜側の面に付着したスケールを観察すると、図１５（Ｃ）に示すように、わずかな量のスケールしか溜まっていなかった（同図の白い部分が溜まったスケールを示している）。なお、図示していないが、陰極層の隔膜とは反対側の面には、スケールがほとんど溜まっていなかった。
【００９５】
（実施例２）
実施例１の場合と同様に、ポンプ８１の停止の後に遅れて電磁弁８５を閉める方法である。システム構成は図１３に示した通りであり、制御フローは図９に示したものと同じである。隔膜１５の膜厚は０．１６ｍｍであり、陰極層１４及び陽極層１３間の隙間は０．１０ｍｍに設定した。従って、隔膜１５は、陰極層１４及び陽極層１３によって０．１０ｍｍの膜厚となるまでかなり押圧されている。この実施例２では、陰極層１４及び陽極層１３間の隙間を、実施例１の場合よりかなり狭く設定した。取水時及び取水休止時の陰極室１２ｃ及び陽極室１１ｃの圧力は表６に示すごとくであった。
【表６】
2019181316.tif 000008
【００９６】
表６に示すように、この実施例１では、陽極室１１ｃは、リリーフ弁８３が接続されているため、取水時（電解時）も取水休止時（電解休止時）も圧力がリリーフ弁８３の設定する所定圧力（この場合、０．０５ＭＰａ）以下に維持されている。陰極室１２ｃは、取水時（電解時）は、加圧水の圧力（この場合、０．２ＭＰａ）に維持されている。従って、取水時においては、陽極室１１ｃの圧力は、陰極室１２ｃの圧力未満に維持されている。一方、取水を停止する際にポンプ８１の停止に遅れて（１秒後に）電磁弁８５が閉成されるため、陰極室１２ｃは、その間に開放されるので取水休止時（電解休止時）は大気圧（０ＭＰａ）に維持される。従って、取水休止時（電解休止時）は、陽極室１１ｃの圧力が陰極室１２ｃの圧力より高くなるので、隔膜１５が陰極層１４に押し付けられて移動することにより、圧力減少が０．０２ＭＰａ生じ、その結果、取水休止時の陽極室１１ｃの圧力は表６に示すように０．０３ＭＰａとなる。この取水休止時（電解休止時）に隔膜１５が陰極層１４に押し付けられるので、隔膜１５及び陰極層１４の水分が陰極室１２ｃ内に押し出されるのである。
【００９７】
取水時（電解時）における陽極室１１ｃの圧力と電解電流値及び電解電圧値との関係を調べた。即ち、前述したように隔膜１５の膜厚を０．１６ｍｍ、陰極層１４及び陽極層１３間の隙間を０．１０ｍｍに設定して陰極室１２ｃの圧力を０．２ＭＰａの一定圧、陽極室１１ｃの圧力を変化させた場合の電解電流値及び電解電圧値を調べた。その結果を表７に示す。
【表７】
2019181316.tif 000009
【００９８】
この取水時においては、隔膜１５は、陰極室１２ｃ及び陽極室１１ｃの両面側からかなり圧迫されて密着度が高くなり、その膜厚は０．１０ｍｍ以下となる。この場合、陰極室１２ｃの圧力が陽極室１２ｃの圧力より高くなるが、密着度が高いため隔膜１５と陰極層１４とは密着した状態を維持することとなった。表７より、陽極室１１ｃの圧力が０．１０ＭＰａ以上となっても、電解電流値は同じ値を維持し、また、電解電圧値も同じ値を維持する結果となった。
【００９９】
このような実施例２において、取水水量（Ｌ）に対する電解電流値（Ａ）及び電解電圧値（Ｖ）を測定した。その結果が図１８に示されている。同図において、横軸は流量カウンタ９４によって計測した水素水の取水水量（Ｌ）、縦軸は電解電流値（Ａ）及び電解電圧値（Ｖ）をそれぞれ示している。
【０１００】
同図から分かるように、この実施例２の試験では、電気分解開始から１２トン（１２０００Ｌ）の水素水を取水しても電解電流値は３．５Ａの一定値に維持できた。また、隔膜１５及び陰極層１４間の隙間と隔膜１５及び陽極層１３間の隙間とを極端に狭くしても、換言すれば、隔膜１５を陰極層１４及び陽極層１３できつく圧迫しても電解電流値は変わらなかった。逆に、より低い電解電圧値で実施例１の場合と同様の電解電流値を得ることができた。即ち、取水休止時に、陽極室１１ｃの圧力を陰極室１２ｃの圧力より大きくすることで、隔膜１５及び陰極層１４間の隙間量並びに隔膜１５及び陽極層１３間の隙間量に関係なく、スケール障害を防止できることが分かった。
【０１０１】
実際、試験終了後の陰極層の隔膜側の面に付着したスケールを観察すると、図１５（Ｄ）に示すように、わずかな量のスケールしか溜まっていなかった（同図の白い部分が溜まったスケールを示している）。なお、図示していないが、陰極層の隔膜とは反対側の面には、スケールがほとんど溜まっていなかった。
【０１０２】
図１９は以上説明した比較例１及び２並びに実施例１における取水水量に対する電解電流値及び電解電圧値を同一の図上に示したものである。ただし、隔膜１５の膜厚は０．１６ｍｍであり、陰極層１４及び陽極層１３間の隙間は０．１５ｍｍに設定した試験データを比較したものである。
【０１０３】
同図及び図１５から分かるように、陽極室１１ｃにリリーフ弁８３を付け、陽極室１１ｃの圧力変動を利用して隔膜１５の圧縮状態をピストン的に移動させてやることで、隔膜１５と陰極層１４間に水の吸引及び排出を行わせることができ、これにより、特に、陰極層１４へのスケール付着を防止することができた。
【０１０４】
以上述べた実施形態及び実施例は全て本発明を例示的に示すものであって限定的に示すものではなく、本発明は他の種々の変形態様及び変更態様で実施することができる。従って本発明の範囲は特許請求の範囲及びその均等範囲によってのみ規定されるものである。
【符号の説明】
【０１０５】
１０  電解槽
１１  陽極側の筐体
１１ｂ  ガス出口
１１ｃ  陽極室
１１ｄ、１２ｄ  リブ
１１ｅ  周溝
１２  陰極側の筐体
１２ａ  水入口
１２ｂ  水出口
１２ｃ  陰極室
１３  陽極層
１４  陰極層
１５  隔膜
１６  パッキン
１７、１８  リード線用接続端子
６０  電流計
６１、９１  電源装置
８０、８０′  タンク
８１  ポンプ
８２  減圧弁
８３  リリーフ弁
８４、８８  流量調整弁
８５、８７  電磁弁
８６、９０  制御装置
８９  圧力計
９１  電源装置（電圧計付）
９２  切換スイッチ
９３  電流計
９４  流量カウンタ
【図１】
2019181316.tif 000010
【図２】
2019181316.tif 000011
【図３】
2019181316.tif 000012
【図４】
2019181316.tif 000013
【図５】
2019181316.tif 000014
【図６】
2019181316.tif 000015
【図７】
2019181316.tif 000016
【図８】
2019181316.tif 000017
【図９】
2019181316.tif 000018
【図１０】
2019181316.tif 000019
【図１１】
2019181316.tif 000020
【図１２】
2019181316.tif 000021
【図１３】
2019181316.tif 000022
【図１４】
2019181316.tif 000023
【図１５】
2019181316.tif 000024
【図１６】
2019181316.tif 000025
【図１７】
2019181316.tif 000026
【図１８】
2019181316.tif 000027
【図１９】
2019181316.tif 000028
【手続補正書】
【提出日】平成30年6月27日(2018.6.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気分解に必要な触媒を有し水及び気体が通過可能な陽極層と、電気分解に必要な触媒を有し水及び気体が通過可能な陰極層と、前記陽極層及び前記陰極層間に互いに密着して挟設された固体高分子膜と、前記陽極層に接する陽極室と、前記陰極層に接する陰極室とを備えており、前記陰極室に所定圧力以上の飲料水が供給されている第１の状態において、前記陽極室の水若しくは気体の単独圧力又は水及び気体の混合圧力を前記陰極室の圧力未満に制御して電気分解することにより前記陰極層に発生した水素ガスを前記飲料水に溶解させて水素水を生成するように構成されており、前記陰極室に飲料水が供給されていない第２の状態において、前記陰極室の水及び気体の混合圧力が前記陽極室の水若しくは気体の単独圧力又は水及び気体の混合圧力未満に制御するように構成されていることを特徴とする水素水の製造装置。
【請求項２】
前記第１の状態において、前記陽極室の水若しくは気体の単独圧力又は水及び気体の混合圧力が、０．０３ＭＰａから０．１ＭＰａの範囲の圧力であることを特徴とする請求項１に記載の水素水の製造装置。
【請求項３】
前記第１の状態において、前記陰極室に供給される飲料水の圧力が０．１ＭＰａから０．３ＭＰａの範囲の圧力であることを特徴とする請求項１又は２に記載の水素水の製造装置。
【請求項４】
前記第２の状態において、前記陰極室の圧力が大気圧であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の水素水の製造装置。
【請求項５】
前記陽極室と大気との間にリリーフ弁が接続されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の水素水の製造装置。
【請求項６】
前記陽極室に圧力計が接続されていると共に前記陽極室と大気との間に電磁弁が接続されており、前記圧力計の計測値に基づいて前記電磁弁が制御されるように構成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の水素水の製造装置。
【請求項７】
前記固体高分子膜の前記含水率が、飽和含水膜に対する含水率で２７．６％以上の陽イオン交換膜であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の水素水の製造装置。
【請求項８】
前記陽極層及び前記陰極層の触媒が、白金触媒であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の水素水の製造装置。
【請求項９】
前記陽極層及び／又は前記陰極層が、チタンのラス網又はパンチメタルで形成されたチタン製白金電極であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の水素水の製造装置。