JP6912426B2 - 水素ガス溶解装置 - Google Patents

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Description

本発明は、水素ガスを水に溶解させるための水素ガス溶解装置に関する。
近年、水素ガスを水道水に溶解させて、水素水を生成する水素ガス溶解装置が提案されている。例えば、特許文献１には、ガス分離中空糸膜を介して水素ガス及び水道水を供給し、水素水を生成する装置が開示されている。上記特許文献１では、水温に応じて水素ガスの圧力を調整すると共に、水素ガスの圧力と水道水の圧力とを同圧にすることにより、所定濃度以上の水素水を供給可能であることが記載されている。
ところで、上記水素ガス溶解装置にあっては、水素ガス供給手段から水素ガスが供給される前の水素ガス溶解手段内（ガス分離中空糸膜の外側）には、空気が充満している。この空気は水素ガスの供給が開始された後においても水素ガス溶解手段内に留まり、水素分子のガス分離中空糸膜への接触を妨げる。従って、水素水の溶存水素濃度を迅速かつ十分に高めることが困難となり、さらなる改良が望まれている。
特開２０１６−７７９８７号公報
本発明は、以上のような実状に鑑み案出されたもので、水素水の溶存水素濃度を迅速かつ十分に高めることができる水素ガス溶解装置を提供することを主たる目的としている。
本発明は、水素ガスを供給可能な水素供給部と、前記水素供給部から供給された前記水素ガスを水に接触させて溶解させるための水素溶解モジュールとを備え、前記水素溶解モジュールは、前記水素ガスが供給される供給口と、前記供給口から供給された水素が充填される水素室と、前記水素室に連通し、該水素室内の空気を排出するための排気口とを有し、前記排気口は、前記水素室の下部に配されている、水素ガス溶解装置である。
前記水素ガス溶解装置において、前記排気口の下方には、開閉弁が設けられている、ことが望ましい。
前記水素ガス溶解装置において、前記水素ガスの供給量に応じて前記開閉弁を制御する制御部をさらに備える、ことが望ましい。
前記水素ガス溶解装置において、前記水素供給部は、前記開閉弁が閉じた後、さらに前記水素ガスを供給し続けることにより、前記水素室内を加圧する、ことが望ましい。
前記水素ガス溶解装置において、前記供給口は、前記排気口よりも上方に配されている、ことが望ましい。
前記水素ガス溶解装置において、前記水素溶解モジュールは、前記水を通すための複数の管体を有し、前記管体は、前記水素ガスを透過する多孔質膜によって構成されている、ことが望ましい。
前記水素ガス溶解装置において、前記管体は、前記供給口から前記水素室に供給される前記水素ガスの進行方向と交差する向きに配列されている、ことが望ましい。
前記水素ガス溶解装置において、前記多孔質膜は、中空糸膜である、ことが望ましい。
既に述べたように、水素ガスが供給される前の水素室には、空気が充満している。水素ガスの供給に伴い、水素室内では、空気よりも密度が小さい水素ガスは上方に分布し、空気は水素ガスに押し下げられて下方に移動する。本発明では、水素室の下部に排気口が設けられているので、水素ガスに押し下げられた空気が排気口から円滑に排出される。これにより、水素室内の空気が迅速に排出され、溶存水素濃度を速やかかつ十分に上昇させることが可能となる。
本発明の水素ガス溶解装置の一実施形態の概略構成を示す図である。 同水素ガス溶解装置の電気的構成を示すブロック図である。 同水素ガス溶解装置の動作を示すフローチャートである。 同水素ガス溶解装置の水素溶解モジュールの変形例を示す図である。 同水素ガス溶解装置の水素溶解モジュールの別の変形例を示す図である。 同水素ガス溶解装置の水素溶解モジュールのさらに別の変形例を示す図である。 同水素ガス溶解装置の水素溶解モジュールのさらに別の変形例を示す図である。 同水素ガス溶解装置の水素溶解モジュールのさらに別の変形例を示す図である。
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、本実施形態の水素ガス溶解装置１の概略構成を示している。なお、同図において、ハッチングが施されている領域は、水が満たされている領域である（以下、図４乃至６においても同様とする）。水素ガス溶解装置１は、水素供給部２と水素溶解モジュール６とを備えている。
水素供給部２は、水素溶解モジュール６に水素ガスを供給可能に構成されている。本実施形態の水素供給部２は、電解槽４を含んでいる。
電解槽４は、電気分解により水素ガスを発生する。水素溶解モジュール６は、電解槽４から供給された水素ガスを水に接触させて溶解させる。これにより、簡素な構成で、血液透析や飲み水として用いられる溶存水素水を生成することが可能となる。
電解槽４の内部には、電解室４０が形成されている。電解室４０には、陽極給電体４１と、陰極給電体４２と、隔膜４３とが、配されている。電解室４０は、隔膜４３によって、陽極給電体４１側の陽極室４０ａと、陰極給電体４２側の陰極室４０ｂとに区切られる。
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等が適宜用いられている。電解槽４内で効率よく電気分解を行うために、隔膜４３によって電解室４０が陽極室４０ａと陰極室４０ｂとに区切られるのが望ましい。
陽極室４０ａ及び陰極室４０ｂには、電気分解のための水が供給される。陽極給電体４１及び陰極給電体４２に電気分解のための直流電圧が印加されると、陽極室４０ａ及び陰極室４０ｂで水が電気分解され、陽極室４０ａにて酸素ガスが発生し、陰極室４０ｂにて水素ガスが発生する。
図２は、水素ガス溶解装置１の電気的構成を示している。水素ガス溶解装置１は、陽極給電体４１、陰極給電体４２等の各部の制御を司る制御部１０を備えている。
制御部１０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。陽極給電体４１と制御部１０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、陰極給電体４２と制御部１０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、陽極給電体４１、陰極給電体４２に供給する電解電流を検出し、その値に相当する電気信号を制御部１０に出力する。
制御部１０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、陽極給電体４１及び陰極給電体４２に印加する直流電圧をフィードバック制御する。例えば、電解電流が過大である場合、制御部１０は、上記電圧を減少させ、電解電流が過小である場合、制御部１０は、上記電圧を増加させる。これにより、陽極給電体４１及び陰極給電体４２に供給する電解電流が適切に制御される。また、制御部１０は、電解電流を時間積分することにより、水素ガスの発生量を計算する。
図１に示されるように、本実施形態では、陽極室４０ａ及び陰極室４０ｂに電気分解のための水を供給するための給水管３をさらに備えている。給水管３は、分岐部３ａにおいて、給水管３１及び給水管３２に分岐している。給水管３１は、陽極室４０ａに接続され、給水管３２は、陰極室４０ｂに接続されている。分岐部３ａよりも上流側の給水管３には、適宜開閉弁が設けられていてもよい。
水素ガス溶解装置１は、水素溶解モジュール６に水を供給する給水手段をさらに備えている。給水手段は、給水管５を含んでいる。本実施形態では、給水管３は、給水管５から分岐している。従って、給水管３及び給水管５には、同系統の水源から水が供給される。これにより、水素ガス溶解装置１の構成が簡素化される。給水管３の水源と給水管５の水源とは、別々の系統であってもよい。
なお、水素供給部２は、上記電解槽４に限られることなく、少なくとも水素ガスを供給可能な構成であればよい。例えば、予め水素ガスが充填された水素ボンベ等であってもよい。
水素溶解モジュール６は、水素供給部２から供給された水素ガスを、給水管５から供給された水に接触させて溶解させる。水素ガス溶解装置１によって生成された溶存水素水を血液透析に使用する場合、給水管５には、逆浸透膜処理装置（図示せず）によって処理された逆浸透水が供給される。そして、水素溶解モジュール６において逆浸透水に水素ガスが溶解されることにより、透析液調製用水が生成され、透析液供給装置に供給される。
水素溶解モジュール６は、給水管５から供給された水を通すための管体６１を有している。本実施形態では、複数の管体６１が水素溶解モジュール６の内部に設けられている。管体６１は、水平方向に延出されている。すなわち、水素溶解モジュール６は、横置き型の構成を有している。
管体６１は、水素ガスを透過する多孔質膜によって構成されている。本実施形態では、管体６１を構成する多孔質膜には、中空糸膜が適用されている。中空糸膜は、水素ガスを透過する微小孔を無数に有する。これにより、水素供給部２から供給された水素ガスが管体６１を透過して管体６１の内部の水と接触し、溶解することにより、水素が溶け込んだ水素水が生成される。
水素溶解モジュール６は、水素ガスが供給される供給口６２と、供給口６２から供給された水素ガスが充填される水素室６３と、水素室６３内の空気を排出するための排気口６４とを有している。水素供給部２と供給口６２とは、水素供給管８を介して接続されている。供給口６２及び排気口６４は、水素室６３に連通している。本水素溶解モジュール６では、供給口６２と排気口６４とが同等の高さに配されている。
供給口６２から水素ガスが供給される前の水素室６３には、空気が充満している。本実施形態では、水素溶解モジュール６に排気口６４が設けられているので、水素室６３内の空気は、排気口６４から排出され、水素室６３内に水素ガスのみを充満させることができる。従って、水素溶解モジュール６によって生成される水素水の溶存水素濃度を迅速かつ十分に高めることが可能となる。
本水素ガス溶解装置１の水素溶解モジュール６では、排気口６４は、水素室６３の下部に設けられている。水素室６３の下部に設けられているとは、少なくとも水素室６３の高さ方向の中心よりも下方に位置されていることである。排気口６４は、管体６１よりも下方に配されているのが望ましい。本実施形態では、水素室６３の最下部に排気口６４が設けられている。
ところで、同一の圧力下では、水素ガスの密度（分子量）は空気の密度よりも小さい。このため、水素ガスの供給に伴い、水素室６３内では、空気よりも密度が小さい水素ガスは上方に分布し、空気は水素ガスに押し下げられて下方に移動する。本発明では、水素室６３の下部に排気口６４が設けられているので、水素ガスに押し下げられた空気が排気口６４から円滑に排出される。これにより、水素室６３内の空気が迅速に排出され、溶存水素濃度を速やかに上昇させることが可能となる。
管体６１は、供給口６２から水素室６３に供給される水素ガスの進行方向Ｄと交差する向きに配列されている。本水素溶解モジュール６では、管体６１は、供給口６２から水素室６３に供給される水素ガスの進行方向Ｄと直交する向きに配列されている。供給口６２と管体６１との位置関係を上述のごとく設定することにより、供給口６２から水素室６３に流入した水素ガスが管体６１に衝突する際、水素分子が上記微小孔から管体６１の内部に進入し易くなり、水素ガスの透過が促進される。
排気口６４の下方には、開閉弁６５が設けられている。水素室６３内の空気は、排気口６４から開閉弁６５を通過して水素溶解モジュール６の外部に排出される。水素室６３から空気が排出された後は、開閉弁６５を閉じることにより、水素ガスが排気口６４から流出することが抑制される。これにより、水素室６３内の水素ガスの圧力が上昇し、水素水の溶存水素濃度が高められる。
開閉弁６５には、例えば、電磁力を原動力として開閉動作する電磁弁が適用される。開閉弁６５は、制御部１０によって制御される。
制御部１０は、水素室６３への水素ガスの供給量に応じて、開閉弁６５を制御する。制御部１０は、例えば、水素供給部２による水素ガスの供給時間に基づいて水素ガスの供給量を取得する。電解槽４によって水素供給部２が構成される場合は、陽極給電体４１及び陰極給電体４２に供給する電解電流の時間積分値に基づいて水素ガスの供給量が計算される。また、制御部１０は、水素供給管８に設けられたマスフローコントローラー（図示せず）を制御することにより、水素室６３への水素ガスの供給量を取得し、取得した供給量に応じて、開閉弁６５を制御してもよい。
図３は、水素ガス溶解装置１の運転開始時の動作を示している。水素ガス溶解装置１の運転開始前の初期状態では、開閉弁６５は開かれている。
水素供給部２が水素ガスの供給を開始すると（Ｓ１）、水素溶解モジュール６で水素水の生成が開始される。また、水素室６３からの空気の排出が開始される。そして、制御部１０は、水素ガスの供給量を取得する（Ｓ２）。水素室６３から空気が完全に排出されると（Ｓ３においてＹ）、制御部１０は、開閉弁６５を閉じる（Ｓ４）。これにより、水素室６３からの水素ガスの流出が抑制される。なお、Ｓ３において、制御部１０は、水素ガスの供給量に基づいて水素室６３内の空気の残量を計算する。例えば、制御部１０は、水素ガスの供給量が水素室６３の内容積を超えた場合、水素室６３から空気が完全に排出されたと認定し、Ｓ４に移行する。
その後、水素供給部２は、さらに水素ガスの供給を継続する（Ｓ５）。これにより、水素室６３内が加圧され、水素ガスの管体６１内部への透過が促進され、水素水の溶存水素濃度が高められる。
図４は、図１の水素溶解モジュール６の変形例である水素溶解モジュール６Ａの概略構成を示している。水素溶解モジュール６Ａのうち、以下で説明されてない部分については、上述した水素溶解モジュール６の構成が採用されうる。
水素溶解モジュール６Ａは、供給口６２が排気口６４よりも上方に配されている点で、供給口６２と排気口６４とが同等の高さに配されている水素溶解モジュール６とは異なっている。より具体的には、供給口６２は水素室６３の上部に配され、排気口６４は水素室６３の下部に配されている。供給口６２が排気口６４よりも上方に配されていることによって、供給口６２から供給された水素ガスは、水素室６３内の上部に留まり易くなり、水素ガスよりも密度が大きい空気は、排気口６４から排出されやすくなる。従って、排気口６４から空気が迅速に排出されやすくなる。また、排気口６４からの水素ガスの流出を抑制できる。
図５は、図１の水素溶解モジュール６の変形例である水素溶解モジュール６Ｂの概略構成を示している。水素溶解モジュール６Ｂのうち、以下で説明されてない部分については、上述した水素溶解モジュール６等の構成が採用されうる。
水素溶解モジュール６Ｂは、管体６１が鉛直方向に延出されている点で、管体６１が水平方向に延出されている水素溶解モジュール６とは異なっている。水素溶解モジュール６Ｂは、起立姿勢で水素ガス溶解装置１内に装着される。すなわち、水素溶解モジュール６Ｂは、縦置き型の構成を有している。
水素溶解モジュール６Ｂでは、管体６１の下方から水が供給され、生成された水素水が上方から取り出される。
水素溶解モジュール６Ｂでは、供給口６２と排気口６４とが同等の高さに配されている。そして、排気口６４は、水素室６３の下部に設けられているので、水素ガスよりも密度が大きい空気が排気口６４から円滑に排出される。これにより、水素室６３内の空気が迅速に排出され、溶存水素濃度を速やかに上昇させることが可能となる。
図６は、図５の水素溶解モジュール６Ｂの変形例である水素溶解モジュール６Ｃの概略構成を示している。水素溶解モジュール６Ｃのうち、以下で説明されてない部分については、上述した水素溶解モジュール６Ｂ等の構成が採用されうる。
水素溶解モジュール６Ｃは、供給口６２が排気口６４よりも上方に配されている点で、供給口６２と排気口６４とが同等の高さに配されている水素溶解モジュール６Ｂとは異なっている。より具体的には、供給口６２は水素室６３の上部に配され、排気口６４は水素室６３の下部に配されている。供給口６２が排気口６４よりも上方に配されていることによって、供給口６２から供給された水素ガスは、水素室６３内の上部に留まり易くなり、水素ガスよりも密度が大きい空気は、排気口６４から排出されやすくなる。従って、排気口６４から空気が迅速に排出されやすくなる。また、排気口６４からの水素ガスの流出を抑制できる。
また、上記水素溶解モジュール６、６Ａ、６Ｂ、６Ｃの特徴を組み合わせた水素溶解モジュールが適用されてもよい。
例えば、図７は、図４の横置き型の水素溶解モジュール６Ａに、図６に示される形態の供給口６２及び排気口６４が適用された水素溶解モジュール６Ｄを示している。また、図８は、図６の縦置き型の水素溶解モジュール６Ｃに、図４に示される形態の供給口６２及び排気口６４が適用された水素溶解モジュール６Ｅを示している。水素溶解モジュール６Ｄ及び水素溶解モジュール６Ｅにあっても、排気口６４は、水素室６３の下部に配されているので、水素室６３内の空気が迅速に排出される。また、供給口６２が排気口６４よりも上方に配されていることによって、空気の排出がより一層促進される。
以上、本発明の水素ガス溶解装置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、水素ガス溶解装置１は、少なくとも、水素ガスを供給可能な水素供給部２と、水素供給部２から供給された水素ガスを、水に接触させて溶解させるための水素溶解モジュール６とを備え、水素溶解モジュール６は、水素ガスが供給される供給口６２と、供給口６２に連通し、供給口６２から供給された水素ガスが充填される水素室６３と、水素室６３に連通し、水素室６３内の空気を排出するための排気口６４とを有し、排気口６４は、水素室６３の下部に配されていればよい。
１ ：水素ガス溶解装置
２ ：水素供給部
６ ：水素溶解モジュール
６Ａ ：水素溶解モジュール
６Ｂ ：水素溶解モジュール
６Ｃ ：水素溶解モジュール
６Ｄ ：水素溶解モジュール
６Ｅ ：水素溶解モジュール
１０ ：制御部
６１ ：管体
６２ ：供給口
６３ ：水素室
６４ ：排気口
６５ ：開閉弁

Claims (6)

  1. 水素ガスを供給可能な水素供給部と、
    前記水素供給部から供給された前記水素ガスを水に接触させて溶解させるための水素溶解モジュールとを備え、
    前記水素供給部は、電気分解により前記水素ガスを発生する電解槽を含み、
    前記水素溶解モジュールは、前記水素ガスが供給される供給口と、前記供給口に連通し、該供給口から供給された前記水素ガスが充填される水素室と、前記水素室に連通し、該水素室内の空気を排出するための排気口とを有し、
    前記排気口は、前記水素室の下部に配されており、
    前記排気口の下方には、開閉弁が設けられ、
    前記電解槽に配された給電体に供給する電解電流の時間積分値に基づいて前記水素ガスの供給量を取得し、前記水素ガスの前記供給量に応じて前記開閉弁を制御する制御部をさらに備える、水素ガス溶解装置。
  2. 前記水素供給部は、前記開閉弁が閉じた後、さらに前記水素ガスを供給し続けることにより、前記水素室内を加圧する、請求項１記載の水素ガス溶解装置。
  3. 前記供給口は、前記排気口よりも上方に配されている、請求項１または２に記載の水素ガス溶解装置。
  4. 前記水素溶解モジュールは、前記水を通すための複数の管体を有し、
    前記管体は、前記水素ガスを透過する多孔質膜によって構成されている、請求項１乃至３のいずれかに記載の水素ガス溶解装置。
  5. 前記管体は、前記供給口から前記水素室に供給される前記水素ガスの進行方向と交差する向きに配列されている、請求項４記載の水素ガス溶解装置。
  6. 前記多孔質膜は、中空糸膜である、請求項４又は５に記載の水素ガス溶解装置。
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