JP6128073B2 - 水素含有水生成装置及び入浴設備 - Google Patents

Description

本発明は、水道水等の原水から水素を含有した水を得る技術に関する。

水道水から水素を含有した水（水素含有水）を生成する技術としては、例えば、陽極、陰極一対の電極に挟まれてイオン交換膜が電解槽に備えられ、電気分解により水素含有電解水を得る技術が記載されている（例えば、特許文献１）。

特開２０１０−２８４５０４号公報

特許文献１に記載された技術は、電解槽内に陽極と陰極とを備え、原水を電解槽内に供給して水素含有水を生成する。特許文献１に記載された技術は、浴槽又は飲料水を溜めるタンク等に電解槽を据え付けて使用するものである。近年においては、低電圧で水素含有水を生成する装置が望まれている。隔膜が中性膜の場合、効率よく水素を原水に含有させる条件が不明であった。

本発明は、隔膜が中性膜の場合であって水素を含有した水素含有水を生成するにあたり、原水に水素を溶存させる効率を向上させることを目的とする。

本発明の水素含有水生成装置の一態様としては、筒状の導電体であり、側部に複数の開口を有する陽極と、前記陽極の外周部に設けられて前記陽極と接する絶縁体と、前記絶縁体の外周部に設けられて、前記絶縁体と接する筒状の導電体であり、側部に複数の開口を有する陰極と、を含み、前記絶縁体は、中性膜であって、複数の開口を有し、前記絶縁体の開口は、２５．４ｍｍ角あたり、３０個以上３００個以下である。

本発明の望ましい態様として、前記絶縁体の開口は、２５．４ｍｍ角あたり、１００個以上３００個以下であることが好ましい。

本発明の望ましい態様として、前記陽極と前記陰極との間の隙間の大きさは、０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下である、ことが好ましい。

本発明の望ましい態様として、前記陽極と前記陰極との間の隙間の大きさは、前記絶縁体の厚みと同等である、ことが好ましい。

本発明の望ましい態様として、前記陽極、前記絶縁体及び前記陰極は筒状である、ことが好ましい。

本発明の望ましい態様として、水素含有水生成装置を備えた、入浴設備であることが好ましい。

本発明は、水素を含有した水素含有水を生成するにあたり、原水に水素を溶存させる効率を向上させることができる。

図１は、本実施形態に係る水素含有水生成用電極を示す斜視図である。 図２は、本実施形態に係る水素含有水生成装置を示す断面図である。 図３は、本実施形態に係る水素含有水生成用電極の使用態様を示す図である。 図４は、本実施形態に係る水素含有水生成用電極を示す側面図である。 図５は、本実施形態に係る水素含有水生成用電極を、その中心軸を含む平面で切った断面を示す図である。 図６は、図４のＡ−Ａ断面図である。 図７は、図６の一部を拡大して示す図である。 図８は、水素含有水生成用電極の変形例を示す側面図である。 図９は、陽極及び陰極の一部を拡大して示す図である。 図１０は、陽極及び陰極が有する開口の拡大図である。 図１１は、図９のＢ−Ｂ断面図である。 図１２は、絶縁体の一部を拡大して示す図である。 図１３は、本実施形態に係る水素含有水生成用電極の製造方法の一工程を示す図である。 図１４は、水素含有水生成用電極の陽極及び陰極の間の隔膜の種類別の評価結果を示す図である。 図１５は、水素含有水生成用電極の陽極及び陰極の間の隔膜の種類別の評価結果を示す図である。

本発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。まず、水素含有水を生成するために用いる電極について説明する。

＜水素含有水生成用電極＞
図１は、本実施形態に係る水素含有水生成用電極を示す斜視図である。水素含有水生成用電極１０は、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。水素含有水は、アルカリ性を示す水である。図１に示すように、水素含有水生成用電極１０は、陽極１１と、陰極１２と、絶縁体１３とを有する。陽極１１及び陰極１２は、いずれも筒状の導電体である。本実施形態において、陽極１１及び陰極１２の形状は、いずれも円筒形状であるが、これに限定されるものではないが筒状であることが好ましい。絶縁体１３は、陽極１１の外周部に設けられて、陽極１１と接している。陰極１２は、絶縁体１３の外周部に設けられて絶縁体１３と接している。すなわち、絶縁体１３は、陽極１１と、陽極１１の外側に設けられた陰極１２との間に配置されて、陽極１１及び陰極１２と接している。陽極１１、陰極１２及び絶縁体１３は、いずれも網状の部材である。本実施形態において、絶縁体１３は、陽極１１及び陰極１２と接触しているが、必ずしも接触していなくてもよい。

陽極１１は、棒状の導体である陽極用給電部材１４が電気的に接続されている。陰極１２は、棒状の導体である陰極用給電部材１５が電気的に接続されている。陽極用給電部材１４は、電源（直流電源）２０の陽極と電気的に接続されている。陰極用給電部材１５は、電源２０の陰極と電気的に接続されている。このような構造により、陽極１１は、電源２０の陽極と陽極用給電部材１４を介して電気的に接続され、陰極１２は、電源２０の陰極と陰極用給電部材１５を介して電気的に接続される。

本実施形態において、水素含有水生成用電極１０には、陽極用給電部材１４が取り付けられている側とは反対側に、陽極用給電部材１４と同じ形状の陽極用支持部材を備えるようにしてもよい。水素含有水生成用電極１０には、陰極用給電部材１５が取り付けられている側とは反対側に、陰極用給電部材１５と同じ形状の陰極用支持部材を備えるようにしてもよい。陽極用支持部材、陰極用支持部材は、陽極用給電部材１４及び陰極用給電部材１５と同一の材料であるが、このようなものに限定されない。

図１に示すように、水素含有水生成用電極１０、より具体的には陽極１１及び陰極１２は、両方の端部にそれぞれ開口部としての端部側開口部１０ＨＡ、１０ＨＢを有している。水素含有水生成用電極１０は、端部側開口部１０ＨＡ、１０ＨＢを有していなくてもよいし、少なくとも一方の端部に端部側開口部１０ＨＡ又は端部側開口部１０ＨＢを有していてもよい。

陽極１１は、長手方向、すなわち筒状の部材である陽極１１が延びる方向に向かうスリット１１ＳＬを有している。陰極１２は、長手方向、すなわち筒状の部材である陰極１２が延びる方向に向かうスリット１２ＳＬを有している。図１に示すように、水素含有水生成用電極１０は、陰極用給電部材１５と陰極用支持部材１９との間、かつ陰極１２の外側部に拘束部材４０が設けられている。拘束部材４０は、陽極１１のスリット１１ＳＬ及び陰極１２のスリット１２ＳＬを閉じて、陰極１２と絶縁体１３と陽極１１とを陰極１２及び陽極１１の周方向から拘束する。次に、水素含有水生成用電極１０の使用態様を説明する。

図２は、本実施形態に係る水素含有水生成装置を示す断面図である。図３は、本実施形態に係る水素含有水生成用電極の使用態様を示す図である。図２に示すように、水素含有水生成装置１は、上述した水素含有水生成用電極１０を固定する下側基台５１及び上側基台５２と、水素含有水生成用電極１０を囲む筒状の電解槽５３と、を備えている。下側基台５１は、陽極用給電部材１４及び陰極用給電部材１５が水密状態で貫通されることで、陽極用給電部材１４及び陰極用給電部材１５を介して水素含有水生成用電極１０を固定する。これにより、水素含有水生成装置１は、電解槽５３の外部から陽極用給電部材１４及び陰極用給電部材１５を介して水素含有水生成用電極１０へ給電することが可能となる。

本実施形態において、上側基台５２は、筒状の支持部材５４を備え、筒状の支持部材５４を介して、水素含有水生成用電極１０を固定している。なお、上側基台５２は、下側基台５１と同様に直接、水素含有水生成用電極１０を固定してもよい。

電解槽５３は、原水が流入する流入孔ＨＨ１を備える流入管５５と、水素含有水生成用電極１０を通過した処理水が吐出する吐出孔ＨＨ２を備える流出管５６とを備える。図２に示すように、流入孔ＨＨ１は、水素含有水生成用電極１０と重なり合わない位置に配置されている。同様に、吐出孔ＨＨ２は、水素含有水生成用電極１０と重なり合わない位置に配置されている。この構造により、流入孔ＨＨ１から流入する原水は、水素含有水生成用電極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。同様に、吐出孔ＨＨ２から排出する処理水は、水素含有水生成用電極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。このため、水素含有水生成用電極１０へのスケールの付着状況が均一化され、水素含有水生成用電極１０の寿命が延びるようになる。

図２に示すように、水素含有水生成装置１は、脱気弁１１２及び脱気孔１１１をさらに備えることがより好ましい。脱気弁１１２は、陽極１１の円筒内部の上にある酸素が通過する孔を有する支持部材５７で電解槽５３に固定されている。陽極１１、絶縁体１３及び陰極１２は、筒状であり、水素含有水生成装置１は、電気分解時に陽極１１で囲まれる筒内部で発生する酸素ガス（Ｏ_２）を選択的に脱気弁１１２から除くことができる。また、水素含有水生成装置１は、絶縁体１３が陽極１１において電離した水素イオンＨ^＋を通過して陰極１２側に移動可能とし、陰極１３の外周側に水素ガス（Ｈ_２）の気泡が生成される。

本実施形態における水素含有水生成装置１は、水素含有水生成用電極１０の陽極１１と陰極１２との間に電源２０から所定の電圧（直流電圧）が印加されると、陽極１１において、下記式（１）の反応が生じる。

２Ｈ_２Ｏ→Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻ ・・・（１）

また、本実施形態における水素含有水生成装置１は、水素含有水生成用電極１０の陽極１１と陰極１２との間に電源２０から所定の電圧（直流電圧）が印加されると、陰極１２において、下記式（２）の反応が生じる。

４Ｈ^＋＋４ｅ⁻→ ２Ｈ_２・・・（２）

本実施形態における水素含有水生成装置１は、水素含有水生成用電極１０の陽極１１と陰極１２との間に電源２０から所定の電圧（直流電圧）が印加されると、陽極１１及び陰極１３の全体において、下記式（３）の反応が生じる。

２Ｈ_２Ｏ→Ｏ_２＋２Ｈ_２・・・（３）

以上のように、本実施形態における水素含有水生成装置１は、酸性排水の発生が抑制され、吐出孔ＨＨ２から流出する水素含有水は、例えばｐＨ７以上７．５以下程度の中性になる。このように、陽極１１で発生する電離した水素イオンＨ^＋は絶縁体１３を通過して陰極１２側に集まり、陰極１２には水素ガス（Ｈ_２）の気泡が生成される。この気泡は、直径がナノメートルオーダーの微小な気泡である。。酸素ガス（Ｏ_２）は、筒状の陽極１１の内側に気泡となって集まり、陽極１１の内側に沿って移動して、脱気弁１１２及び脱気孔１１１を介して陽極１１から電解槽５３の外部に放出される。

原水Ｗは、例えば、浴槽に溜められた温水、飲料水タンクに溜められた飲料水又は洗浄水タンクに溜められた洗浄水等である。原水Ｗが浴槽に溜められた温水を例に、図３を用いて詳細に説明する。図３に示すように、入浴設備１２０は、水素含有水生成装置１を備え、浴槽１０１に貯められた原水Ｗを循環経路１０２を介して、循環させ、原水Ｗが浴槽１０１に溜められた温水に処理水を混合させる。

循環経路１０２は、浴槽１０１に貯められた原水Ｗの引き込み孔１０５と、流路１０６と、ポンプ１０８と、流量センサ１０９と、流路１０７とを備える。原水Ｗは、ポンプ１０８の吐出により、引き込み孔１０５、流路１０６、ポンプ１０８、水素含有水生成装置１、流路１０７、浴槽１０１の順に循環される。水素含有水生成装置１には、制御部１０４により制御された上述した電源２０が接続されている。ポンプ１０８の駆動により、流量センサ１０９が所定流量の液体を検出すると、制御部１０４は、水素含有水生成用電極１０の陽極１１と陰極１２との間に電源２０から所定の電圧（直流電圧）が印加する。これにより、流路１０７から浴槽１０１に流入する処理水は、水素（Ｈ_２）が含有された水素含有水を含むことになる。

図４は、本実施形態に係る水素含有水生成用電極を示す側面図である。図４は、水素含有水生成用電極１０の陰極１２及び絶縁体１３の一部を除いた状態を示している。図５は、本実施形態に係る水素含有水生成用電極を、その中心軸を含む平面で切った断面を示す図である。図６は、図４のＡ−Ａ断面図である。図７は、図６の一部を拡大して示す図である。筒状、本実施形態では円筒形状の陽極１１及び陰極１２が延びる方向（適宜長手方向という）Ｅと平行な方向が、これらの中心軸Ｚｔである。中心軸Ｚｔは、中心軸Ｚｔと直交する陽極１１及び陰極１２の断面内の中心（重心）を通る軸である。

図４に示すように、陽極１１は、側部に複数の開口１１Ｈを有しており、陰極１２は、側部に複数の開口１２Ｈを有している。陽極１１が有する複数の開口１１Ｈは、陽極１１の側部を陽極１１の厚み方向に貫通している。陰極１２が有する複数の開口１２Ｈは、陰極１２の側部を陰極１２の厚み方向に貫通している。本実施形態において、陽極１１及び陰極１２は導電体で製造されており、本実施形態においては、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。陽極１１及び陰極１２は、チタンに白金をめっきしたものに限定されるものではないが、原水Ｗに溶け出さない材料（例えば、バナジウム（Ｖ））であることが好ましい。本実施形態においては、陽極１１及び陰極１２の両方がめっきされているが、陽極１１のみをめっきし、陰極１２はめっきしなくてもよい。このようにすることで、水素含有水生成用電極１０の製造コストを低減することができる。

図５に示すように、陽極１１と、陽極１１の外側の側部（外側部）１１Ｓｏと、陰極１２の内側の側部（内側部）１２Ｓｉとの間に介在する絶縁体１３は、陽極１１の外側部１１Ｓｏと陰極１２の内側部１２Ｓｉとに接している。絶縁体１３は、複数の開口１３Ｈを有している。開口１３Ｈは、絶縁体１３をその厚み方向に貫通している。絶縁体１３は、例えば、絶縁性を有する材料（例えば樹脂）の繊維で編まれた網を用いることができる。本実施形態において、絶縁体１３は、電気的に中性である網状の部材である。このため、イオン交換膜と比較して低い電圧で水素含有水を生成することができ、消費電力を抑制できる。

絶縁性を有する繊維で編まれた網を絶縁体１３に用いる場合、絶縁体１３の厚みは、０．１ｍｍから１ｍｍ程度とする。図６に示すように、本実施形態において、陽極１１の外側部（外周部に相当）１１Ｓｏと陽極１２の内側部（内周部に相当）１２Ｓｉとの間に設けられた絶縁体１３は、陰極１２のスリット１２ＳＬから陰極１２の外側部（外周部に相当）１２Ｓｏ側に端部が取り出されている。絶縁体１３の端部は、陽極１１のスリット１１ＳＬから陽極１１の内側部（内周部に相当）１１Ｓｉ側に取り出されてもよい。次に、図７に示す、陽極１１と陰極１２との間に形成される隙間（適宜電極間隙間という）の大きさｔの影響を説明する。電極間隙間の大きさｔは、陽極１１の外側部（外周部）１１Ｓｏと陰極１２の内側部（内周部）１２Ｓｉとの間の距離である。

本実施形態において、電極間隙間の大きさｔ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ｔを前述した範囲とすることで、水素含有水生成用電極１０が水素含有水を生成する際に、陽極１１と陰極１２とに印加する電圧の電位差が比較的小さくても、水素含有水生成用電極１０は、十分な量の水素を発生させることができる。電極間隙間の大きさｔが前述した範囲であれば、水素含有水生成用電極１０に印加される電圧が比較的低電圧でも、水素含有水生成用電極１０は、十分な量の水素を原水に溶存させて多くの水素を溶存した水素含有水を生成することができる。また、水素含有水に溶存する水素の量が同一であれば、水素含有水生成用電極１０は、消費電力を抑制することができる。

電極間隙間の大きさｔが大きい場合、十分な量の水素を原水に溶存させるためには、水素含有水生成用電極１０に印加される電圧を大きくする。電極間隙間の大きさｔを１ｍｍ以下、好ましくは０．６ｍｍ以下とすることで、水素含有水生成用電極１０に印加される電圧が、例えば、４８Ｖ程度であっても、十分な量の水素を原水に溶存させることができる。電極間隙間の大きさｔを０．１ｍｍ以上、好ましくは０．２ｍｍ以上とすることで、陽極１１と陰極１２との間に介在する絶縁体１３による陽極１１と陰極１２との間の絶縁を十分に確保できる。その結果として、水素含有水生成用電極１０は、安定して性能を発揮することができる。また、前述したように、絶縁体１３として樹脂を用いる場合、電極間隙間の大きさｔを０．１ｍｍ以上、好ましくは０．２ｍｍ以上とすることで、絶縁体１３の耐久性低下を抑制することもできる。本実施形態において、陽極１１と陰極１２との間に介在する絶縁体１３は、両者に接触する。このため、電極間隙間の大きさｔは、絶縁体１３の厚みによって決定される。

また、絶縁体１３を陽極１１と陰極１２との間に介在させ、両者に接触させると、絶縁体１３によって、水素含有水生成用電極１０の全体にわたって陽極１１と陰極１２との間隔を一定にしやすくなる。その結果、水素含有水生成用電極１０は、陽極１１と陰極１２との間の電気抵抗のばらつきが抑制され、電流密度のばらつきが抑制されるので、全体から一様に水素の気泡を発生することができる。電極間隙間の大きさｔを、絶縁体１３の厚みと同等とすることで、絶縁体１３を陽極１１と陰極１２との両方に接触させやすくなるので好ましい。次に、陽極用給電部材１４及び陰極用給電部材１５について説明する。

図４に示すように、陽極用給電部材１４は、陽極１１の第１の端部（一方の端部）１１Ｔ１から第２の端部（他方の端部）１１Ｔ２に向かって延びる棒状の導体である。図５、図６に示すように、陽極用給電部材１４は、陽極１１が延びる方向（長手方向）Ｅにおける陽極１１の寸法Ｌの半分Ｌ／２よりも短い部分が、陽極１１の内側部１１Ｓｉに取り付けられる。陰極用給電部材１５は、陰極１２の第１の端部１２Ｔ１から第２の端部１２Ｔ２に向かって延びる棒状の導体である。図５、図６に示すように、陰極用給電部材１５は、陰極１２が延びる方向（長手方向）Ｅにおける陰極１２の寸法Ｌの半分Ｌ／２よりも短い部分が、陰極１２の外側部１２Ｓｏに取り付けられる。陽極用給電部材１４の陽極１１に取り付けられる部分の長さ及び陰極用給電部材１５の陰極１２に取り付けられる部分の長さは、いずれもＬＳである。本実施形態において、ＬＳ＜Ｌ／２である。

本実施形態において、陽極用給電部材１４及び陰極用給電部材１５は、陽極１１及び陰極１２と同様に、チタンに白金をめっきした部材である。陽極用給電部材１４及び陰極用給電部材１５は、陽極１１及び陰極１２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。陽極用給電部材１４と陰極用給電部材１５とは、例えば、溶接等の接合手段によって、それぞれ、陽極１１と陰極１２とに接合されて、電気的に接続される。陽極用給電部材１４と陰極用給電部材１５とは、例えば、溶接等の接合手段によって、それぞれ、陽極１１と陰極１２とに接合されて、取り付けられる。

陽極用給電部材１４及び陰極用給電部材１５に施されるめっきは、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、陰極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１５もめっきを施さなくてもよい。

本実施形態においては、図５に示すように、陽極用給電部材１４と陰極用給電部材１５とは、それぞれ、スポット溶接によって複数箇所の接合部ＣＰで陽極１１と陰極１２とに電気的に接合されている。陽極用給電部材１４及び陰極用給電部材１５の接合は、スポット溶接に限定されるものではない。

複数の接合部ＣＰは、陽極用給電部材１４及び陰極用給電部材１５の長手方向において、一部分に偏らないように設けられている。このようにすることで、陽極用給電部材１４と陰極用給電部材１５とは、自身の長手方向Ｅの全体から電力を供給することができる。陰極用給電部材１５及び陰極用支持部材１９は、それぞれ別部材として、陰極１２が延びる方向（長手方向）Ｅにおける陰極１２の寸法Ｌの半分Ｌ／２よりも短い部分が、陰極１２の外側部１２Ｓｏに取り付けられる。このため、陰極１２の外側部１２Ｓｏにおいて、陰極用給電部材１５と陰極用支持部材１９との間には、これらが存在しない部分（隙間）が生じる。水素含有水生成用電極１０は、陰極１２の外側部１２Ｓｏの陰極用給電部材１５及び陰極用支持部材１９が存在しない部分に拘束部材４０を取り付けることができる。拘束部材４０は、陰極用給電部材１５及び陰極用支持部材１９とは干渉しないので、陰極１２、絶縁体１３及び陽極１１を、陰極１２の外周部全体にわたって均等な力で拘束することができる。

図４、図５に示すように、陽極用給電部材１４は、陽極１１の第１の端部１１Ｔ１から突出しており、陰極用給電部材１５は、陰極１２の第１の端部１２Ｔ１から突出している。このようにすることで、陽極用給電部材１４及び陰極用給電部材１５は、図４に示すように、第１の端部１１Ｔ１、１２Ｔ１から突出した部分を取付対象の下側基台５１に取り付けることができる。その結果、陽極１１及び陰極１２は、陽極用給電部材１４及び陰極用給電部材１５を介して下側基台５１に取り付けられる。

本実施形態において、陽極用給電部材１４及び陰極用給電部材１５は、図４に示すように、第１の端部１１Ｔ１、１２Ｔ１から突出した部分に雄ねじ１４Ｓ、１５Ｓが設けられている。陽極用給電部材１４と陰極用給電部材１５とは、この雄ねじ１４Ｓ、１５Ｓにそれぞれねじ込まれたボルト３２、３２によって、下側基台５１に取り付けられ、固定される。

陽極１１は、第１の端部１１Ｔ１が下側基台５１と接し、かつ陽極用給電部材１４を介してボルト３２によって下側基台５１に固定されている。同様に、陰極１２は、第１の端部１２Ｔ１が下側基台５１と接し、かつ陰極用給電部材１５を介してボルト３２によって下側基台５１に固定されている。このため、陽極１１及び陰極１２は、それぞれの広い範囲が下側基台５１と接触するので、下側基台５１に対して安定して取り付けられる。

また、それぞれのボルト３２、３２と、雄ねじ１４Ｓ、１５Ｓにそれぞれねじ込まれたボルト３３、３３とで、陽極用給電部材１４と配線とを電気的に接続する端子及び陰極用給電部材１５と配線とを電気的に接続する端子を固定する。このような構造により、端子、３４及び陽極用給電部材１４、陰極用給電部材１５を介して、陽極１１、陰極１２に電力が印加される。

図８は、水素含有水生成用電極の変形例を示す側面図である。図８に示す水素含有水生成用電極１０ｂにおいて、陽極用給電部材１４の陽極１１に取り付けられる部分の長さ及び陰極用給電部材１５の陰極１２に取り付けられる部分の長さは、いずれもＬＳである。本実施形態の変形例において、ＬＳ＞Ｌ／２である。水素含有水生成用電極の変形例においても、同様の作用効果を奏する。次に、陽極１１、陰極１２及び絶縁体１３が有する開口１１Ｈ、１２Ｈ、１３Ｈについて説明する。

図９は、陽極及び陰極の一部を拡大して示す図である。図１０は、陽極及び陰極が有する開口の拡大図である。図１１は、図９のＢ−Ｂ断面図である。図１２は、絶縁体の一部を拡大して示す図である。陽極１１及び陰極１２は、複数の線状の部分（線状部分）１６が交差した、網状の部材である。複数の線状部分１６で囲まれる部分が、陽極１１及び陰極１２の開口１１Ｈ、１２Ｈとなる。本実施形態において、陽極１１及び陰極１２が有する開口１１Ｈ、１２Ｈは、菱形形状である。開口１１Ｈ、１２Ｈは、一方の対角線（第１対角線）ＴＬｌが他方の対角線（第２対角線）ＴＬｓよりも長くなっている。開口１１Ｈ、１２Ｈ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くなっている。

陽極１１及び陰極１２は、複数の開口１１Ｈ、１２Ｈを有するので、開口１１Ｈ、１２Ｈを通して電気力線を内側と外側とに回すことができる。このため、陽極１１及び陰極１２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１２は、線状部分１６で囲まれた開口１２Ｈにより、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を生成することができる。

本実施形態において、陽極１１及び陰極１２の線状部分１６は、図１１に示すように、断面が長方形（図１１の例では正方形）となっている。陰極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ので、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。このため、陰極１２は、より小さい水素の気泡を溶存させた水素水を生成することができる。また、陰極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。これらの作用により、陰極１２は、水素を原水Ｗに溶存させる効率が向上する。

本実施形態において、開口１１Ｈ、１２Ｈは、図１０に示すように、第１対角線ＴＬｌが、陽極１１及び陰極１２が延びる方向、すなわち長手方向Ｅに向かっている。第２対角線ＴＬｓは、円筒形状の陽極１１及び陰極１２の周方向Ｃに向かっている。陽極１１及び陰極１２は、図１に示すように、長手方向Ｅの両側に端部側開口部１０ＨＡ、１０ＨＢを有している。陽極１１の内側に発生した酸素の気泡は、端部側開口部１０ＨＡ側から１０ＨＢ側へ、図２に示す水素含有水生成用電極１０の内部１０Ｈを上昇し、脱気弁１１２へ集約される。脱気弁１１２の酸素は、脱気孔１１１から外部に放出される。このとき、酸素の気泡が移動する方向に、陽極１１の開口１１Ｈの長手方向が揃っているので、酸素の気泡は端部側開口部１０ＨＡ、１０ＨＢに移動しやすくなる。その結果、水素含有水生成用電極１０は、酸素の気泡を効率的に外部へ放出することができる。また、陽極１１の開口１１Ｈは、第１対角線ＴＬｌ上の頂部Ｐａ、Ｐｂの角度が鋭角になるので、酸素の気泡と線状部分１６との接触面積を小さくすることができる。その結果、酸素の気泡は、線状部分１６から離脱しやすくなるので、水素含有水生成用電極１０は、酸素の気泡を効率的に外部へ放出することができる。また、陽極１１は、線状部分１６が角部１６Ｔを有するので、この角部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。その結果、陽極１１は、酸素の気泡を線状部分１６から速やかに離脱させて端部側開口部１０ＨＡ、１０ＨＢに移動させることができる。このため、水素含有水生成用電極１０は、酸素の気泡を効率的に外部へ放出することができる。さらに、酸素の気泡が陽極１１の内側に沿って移動する過程で、陽極１１側で新たに生成された酸素の気泡を取り込んで酸素の気泡が成長する。このため、酸素の気泡と原水Ｗとが接触する面積を小さくして、原水Ｗへの酸素の溶存を抑制することができる。

図１２に示すように、絶縁体１３は、複数の線状部材１７を交差させ、線状部材１７で囲まれる部分が開口１３Ｈとなる網状の部材である。開口１３Ｈは、長方形形状（本実施形態では正方形形状）となっている。開口１３Ｈは、一辺の長さがＬａであり、この辺に隣接する辺の長さがＬｂである。本実施形態において、開口１３Ｈは正方形形状なので、Ｌａ＝Ｌｂである。長さがＬａの辺は、陽極１１及び陰極１２の長手方向Ｅと平行であり、長さがＬｂの辺は、円筒形状の陽極１１及び陰極１２の周方向Ｃと平行である。

本実施形態において、陽極１１の開口１１Ｈ及び陰極１２の開口１２Ｈは、絶縁体１３の開口１３Ｈよりも大きい。開口１１Ｈ、１２Ｈの面積は、第１対角線ＴＬｌの長さをＬｌ、第２対角線ＴＬｓの長さをＬｓとすると、Ｌｌ×Ｌｓ／２である。開口１３Ｈの面積（開口面積）は、Ｌａ×Ｌｂである。このため、Ｌｌ×Ｌｓ／２＞Ｌａ×Ｌｂとなる。本実施形態において、例えば、第１対角線ＴＬｌの長さＬｌは６ｍｍ、第２対角線ＴＬｓの長さＬｓは３ｍｍであるので、開口１１Ｈ、１２Ｈの面積は、９ｍｍ^２となる。開口１３Ｈは、例えば、Ｌａ＝Ｌｂ＝１．０６ｍｍである。例えば、絶縁体１３は、２５．４ｍｍ角あたり２００個の開口１３Ｈが配列されている。開口１３Ｈの面積（開口面積）は、０．０２ｍｍ^２となる。このように、本実施形態において、陽極１１及び陰極１２の開口１１Ｈ、１２Ｈの面積は、開口１３Ｈの面積の４５０倍程度である。

一般的に、イオン交換膜は開口面積は小さいが、膜が陰イオンに帯電されており陽イオン選択性があり、水素の発生量および溶存量が多いものの水素含有水のｐＨは中性にならない。

これに対して、本実施形態における水素含有水生成装置１は、水素含有水生成用電極１０が２５．４ｍｍ角あたり３０個以上３００個以下の開口１３Ｈが配列されている中性膜の絶縁体１３を備えている。これにより、本実施形態における水素含有水生成装置１は、水素の発生量および溶存量を向上させた、中性の水素含有水を生成できる。

本実施形態における水素含有水生成装置１は、２５．４ｍｍ角あたり３０個以上の開口１３Ｈが配列されている中性膜の絶縁体１３を備えていることにより、水素の発生量および溶存量が大きくすることができる。本実施形態における水素含有水生成装置１は、２５．４ｍｍ角あたり３００個以下の開口１３Ｈが配列されている中性膜の絶縁体１３を備えていることにより、繊維の強度を確保し、中性膜の厚みを抑制することができる。例えば、２５．４ｍｍ角あたり５００個以上の開口１３Ｈが配列されている中性膜の絶縁体１３
は、繊維が細くなるため、強度強化のため複数の繊維を束ねて組にして織り込む必要がある。このため、２５．４ｍｍ角あたり５００個以上の開口１３Ｈが配列されている中性膜の絶縁体１３は、厚みが増え、陽極１１と陰極１２との間に電源２０から所定の電圧（直流電圧）が印加されても電流が流れ難くなるためである。

本実施形態における水素含有水生成装置１は、水素含有水生成用電極１０が２５．４ｍｍ角あたり１００個以上３００個以下の開口１３Ｈが配列されている中性膜の絶縁体１３を備えている。これにより、本実施形態における水素含有水生成装置１は、イオン交換膜と同等の水素の発生量および溶存量を有する中性の水素含有水を生成できる。

陽極１１及び陰極１２の開口１１Ｈ、１２Ｈよりも絶縁体１３の開口１３Ｈが大きい場合、絶縁体１３の開口１３Ｈを通して陽極１１と陰極１２とが接触する可能性が高くなる。水素含有水生成用電極１０は、陽極１１及び陰極１２の開口１１Ｈ、１２Ｈよりも絶縁体１３の開口１３Ｈを小さくすることにより、絶縁体１３の開口１３Ｈを通して陽極１１と陰極１２とが互いに接触することを回避できる。このように、水素含有水生成用電極１０は、陽極１１と陰極１２との距離を小さくしても、陽極１１と陰極１２との短絡を回避して、両者の絶縁を確保できる。このため、隔膜に中性膜の絶縁体１３を用いた水素含有水生成用電極１０は、陽極１１と陰極１２とに印加する電圧を低く抑えることできる。

本実施形態において、絶縁体１３は、複数の線状部材１７を交差させた網状の部材である。このような網状の部材を用いると、絶縁体１３は、厚み方向にある程度の変形が許容されるので、水素含有水生成用電極１０が振動又は衝撃を受けたとき、これを絶縁体１３が吸収することができる。絶縁体１３に、複数の線状部材１７を交差させた網状の部材を用いると、移動及び持ち運びが可能な可搬型の水素含有水生成用電極１０に好適である。

水素含有水生成用電極１０は、絶縁体１３の開口１３Ｈが陽極１１の開口１１Ｈ及び陰極１２の開口１２Ｈよりも小さいので、陽極１１側で発生した酸素の気泡を絶縁体１３の線状部材１７で捕捉し、大きな気泡とすることができる。酸素の気泡が大きくなることで、原水Ｗへの酸素の溶存が抑制されるので、水素含有水生成用電極１０は、水素の気泡の溶存率が高い水素含有水を生成することができる。また、酸素の気泡が大きくなることで浮力が大きくなる結果、酸素の気泡が陽極１１の内側を移動しやすくなり、また開口１３Ｈを通過しやすくなるので、水素含有水生成用電極１０は、酸素の気泡を内部から放出しやすくなる。

また、線状部材１７によって捕捉されなかった酸素の気泡は、絶縁体１３の開口１３Ｈを通過して、陰極１２の線状部分１６に付着している水素の気泡を引き連れて線状部分１６から離脱させる。このため、水素含有水生成用電極１０は、陰極１２で発生した水素の気泡を陰極１２から速やかに離脱させて原水Ｗ中に溶存させることができる。次に、水素含有水生成用電極１０の製造方法を説明する。

＜水素含有水生成用電極の製造方法＞
図１３は、本実施形態に係る水素含有水生成用電極の製造方法の一工程を示す図である。図１３に示すように、陰極１２の外側に、拘束部材４０を取り付けて陰極１２と絶縁体１３と陽極１１とを拘束する。陰極用給電部材１５と陰極用支持部材１９との間に複数の拘束部材４０が取り付けられる。拘束部材４０は、例えば、樹脂製の結束バンドを用いたり、耐食性が高く、かつ原水Ｗに溶け出さない金属の線材等を用いたりすることができる。陰極１２と絶縁体１３と陽極１１とが拘束部材４０によって拘束されて、水素含有水生成用電極１０が完成する。余分な絶縁体１３Ｔは、閉じられたスリット１２ＳＬから陰極１２の外部に取り出されていてもよい。または、絶縁体１３は、筒状としておき陽極１１の外周を覆うようにして、熱収縮により陽極１１の外周に固定するようにしてもよい。

拘束部材４０によって、円筒形状の部材である陰極１２及び陽極１１には、これらの周方向に向かう力が与えられる。このため、陽極１１及び陰極１２のスリット１１ＳＬ、１２ＳＬが閉じられる。陽極１１は、導電体であるとともに弾性体であり、スリット１１ＳＬを閉じる程度の変形は、陽極１１の材料の弾性変形の範囲内における変形である。このため、陽極１１のスリット１１ＳＬが閉じられると、陽極１１には、閉じられたスリット１１ＳＬを開く力が発生する。

陽極１１は、陰極１２を介して拘束部材４０によって拘束されているため、陽極１１に発生する前述した力は、陽極１１及び絶縁体１３を陰極１２に押し付けるように作用する。その結果、絶縁体１３が陽極１１と陰極１２とに確実に接触するので、絶縁体１３の厚みによって陽極１１と陰極１２との間に形成される隙間が精度よく規定される。また、陽極１１に発生する前述した力によって、陽極１１と、絶縁体１３と、陰極１２との間のずれが抑制される。このようにして、本実施形態に係る水素含有水生成用電極の製造方法は、水素含有水生成用電極１０を製造することができる。

本実施形態に係る水素含有水生成用電極の製造方法は、陽極１１及び陰極材料１２に給電部材を取り付ける以外は、溶接等の接合を用いていない。このため、拘束部材４０を取り外すことによって、水素含有水生成用電極１０は、陽極１１と、陰極１２と、絶縁体１３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。

＜評価例＞
実施例１として、陽極１１と、陰極１２との間にある隔膜の絶縁体１３として中性膜で水素含有水生成用電極１０を９個製造した。実施例１の中性膜は、２５．４ｍｍ角の一辺の線の中心から中心においての網目の数が３０個のものを使用した。

実施例２として、陽極１１と、陰極１２との間にある隔膜の絶縁体１３として中性膜で水素含有水生成用電極１０を９個製造した。実施例２の中性膜は、２５．４ｍｍ角の一辺の線の中心から中心においての網目の数が２００個のものを使用した。

比較例１として、陽極１１と、陰極１２との間にある隔膜の絶縁体１３として陽イオンのイオン交換膜で水素含有水生成用電極１０を９個製造した。

比較例２として、陽極１１と、陰極１２との間にある隔膜の絶縁体１３のない、水素含有水生成用電極１０を９個製造した。

比較例３として、陽極１１と、陰極１２との間にある隔膜の絶縁体１３として中性膜で水素含有水生成用電極１０を９個製造した。比較例３の中性膜は、２５．４ｍｍ角の一辺の線の中心から中心においての網目の数が５００個のものを使用した。

比較例４として、陽極１１と、陰極１２との間にある隔膜の絶縁体１３として中性膜で水素含有水生成用電極１０を９個製造した。比較例４の中性膜は、２５．４ｍｍ角の一辺の線の中心から中心においての網目の数が１０００個のものを使用した。

実施例１、実施例２、比較例１、比較例２、比較例３及び比較例４の水素含有水生成用電極１０をそれぞれ電解水量１２０Ｌの容器で水温４１℃における溶存水素量（ｐｐｍ）を水素含有水生成用電極１０の陽極１１と陰極１２との間に電源２０から所定の電圧（直流電圧）が印加される電解時間毎に同一条件で計測した。実施例１、実施例２、比較例１、比較例２、比較例３及び比較例４のそれぞれの溶存水素量は、各水素含有水生成用電極１０の９個の平均値である。

下記表１は、評価結果を示したものである。図１４は、水素含有水生成用電極の陽極及び陰極の間の隔膜の種類別の評価結果を示す図である。

表１及び図１４に示した評価結果によれば、絶縁体は、中性膜であって、絶縁体の開口は、２５．４ｍｍ角あたり、３０以上２００以下である場合、溶存水素量が隔膜がない場合に比較して、増やすことができる。また、絶縁体の開口は、２５．４ｍｍ角あたり、２００である場合、イオン交換膜と同程度まで溶存水素量を得ることができる。

次に、実施例３として、陽極１１と、陰極１２との間にある隔膜の絶縁体１３として中性膜で水素含有水生成用電極１０を９個製造した。実施例３の中性膜は、２５．４ｍｍ角の一辺の線の中心から中心においての網目の数が１００個のものを使用した。

比較例５として、陽極１１と、陰極１２との間にある隔膜の絶縁体１３として中性膜で水素含有水生成用電極１０を９個製造した。比較例５の中性膜は、２５．４ｍｍ角の一辺の線の中心から中心においての網目の数が２０００個のものを使用した。

実施例１、実施例２、実施例３、比較例１、比較例２、比較例３、比較例４及び比較例５の水素含有水生成用電極１０をそれぞれ電解水量１２０Ｌの容器で水温４１℃における溶存水素量（ｐｐｍ）を電解時間３０分の場合に同一条件で計測した。実施例１、実施例２、実施例３、比較例１、比較例２、比較例３、比較例４及び比較例５のそれぞれの溶存水素量は、各水素含有水生成用電極１０の９個の平均値である。

下記表２は、評価結果を示したものである。図１５は、水素含有水生成用電極の陽極及び陰極の間の隔膜の種類別の評価結果を示す図である。なお、「中性膜のメッシュ番号」とは、２５．４ｍｍ角の一辺の線の中心から中心においての網目の数を示す。

表２及び図１５に示した評価結果によれば、絶縁体１３は、中性膜であって、絶縁体の開口は、２５．４ｍｍ角あたり、３０個以上３００個以下である場合、溶存水素量を増やすことができる。絶縁体１３は、中性膜であって、絶縁体の開口は、２５．４ｍｍ角あたり、１００個以上３００個以下である場合、０．７ｐｐｍ（Part Per Million）以上の溶存水素量とすることができる。また、絶縁体の開口は、２５．４ｍｍ角あたり、２００個である場合、溶存水素量の向上を見込むことができる。

以上、本実施形態を説明したが、前述した内容により本実施形態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 水素含有水生成装置
１０、１０ｂ 水素含有水生成用電極
１０ＨＡ、１０ＨＢ 端部側開口部
１１ 陽極
１１Ｈ 開口
１１ＳＬ スリット
１１Ｓｉ 内側部
１１Ｓｏ 外側部
１１Ｔ１、１２Ｔ１ 第１の端部
１１Ｔ２、１２Ｔ２ 第２の端部
１２ 陰極
１２Ｈ 開口
１２ＳＬ スリット
１２Ｓｉ 内側部
１２Ｓｏ 外側部
１３ 絶縁体
１３Ｈ 開口
１４ 陽極用給電部材
１５ 陰極用給電部材
２０ 電源
５１ 下側基台
５２ 上側基台
５３ 電解槽
５４ 支持部材
５５ 流入管
５６ 流出管
５７ 支持部材
１０１ 浴槽
１０２ 循環経路
１０４ 制御部
１０５ 引き込み孔孔
１０６ 流路
１０７ 流路
１０８ ポンプ
１０９ 流量センサ
１１１ 脱気孔
１１２ 脱気弁
Ｗ 原水

Claims (6)

1. 筒状の導電体であり、側部に複数の開口を有する陽極と、
   前記陽極の外周部に設けられて前記陽極と接する絶縁体と、
   前記絶縁体の外周部に設けられて、前記絶縁体と接する筒状の導電体であり、側部に複数の開口を有する陰極と、
   を含み、
   前記絶縁体は、中性膜であって、複数の開口を有し、
   前記絶縁体の開口は、２５．４ｍｍ角あたり、３０個以上３００個以下である、水素含有水生成装置。
2. 前記絶縁体の開口は、２５．４ｍｍ角あたり、１００個以上３００個以下である、請求項１に記載の水素含有水生成装置。
3. 前記陽極と前記陰極との間の隙間の大きさは、０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下である、請求項１又は２に記載の水素含有水生成装置。
4. 前記陽極と前記陰極との間の隙間の大きさは、前記絶縁体の厚みと同等である、請求項３に記載の水素含有水生成装置。
5. 前記陽極、前記絶縁体及び前記陰極は、筒状である、請求項１から４のいずれか１項に記載の水素含有水生成装置。
6. 請求項１から請求項５のいずか１項に記載の水素含有水生成装置を備えた、入浴設備。

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