KR20210035255A - 수소 함유수 생성 장치 - Google Patents

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마사히로 이마치
히로아키 다니가와
노리히로 오쿠보
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쥬코쿠 덴료쿠 가부시키 가이샤
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Abstract

용이하게 양극부의 열화 상황을 확인할 수 있는 수소 함유수 생성 장치를 제공한다. 측부에 복수의 개구(12H)를 가지는 통 형상의 음극부(12)와, 측부에 복수의 개구(14H)를 가지며, 음극부(12)의 직경 방향 외측에 마련되는 통 형상의 양극부(14)와, 음극부(12) 및 양극부(14)가 내부에 마련되는 투명한 통 형상의 전해조(40)와, 음극부(12)의 일방의 단부측으로부터 음극부(12)의 내부로 급수하는 급수부(46H)와, 음극부(12)의 타방의 단부측으로부터 전해조(40) 내부의 물을 배수하는 배수부(48H)를 포함한다.

Description

수소 함유수 생성 장치
본 발명은, 수소 함유수(含有水) 생성 장치에 관한 것이다.
물의 전기 분해 작용을 이용하여, 수돗물 등의 원수(原水)로부터 수소를 함유하는 물인 수소 함유수를 생성하는 기술이 알려져 있다. 예를 들면, 특허 문헌 1에는, 측부에 복수의 개구를 가지는 통 형상의 전극부를 이용하여 전해 표면적을 증가시킴으로써, 원수에 수소를 용존시키는 효율을 향상시킨 수소 함유수 생성 장치가 기재되어 있다.
일본공개특허 특개2014-147884호 공보
여기서, 전기 분해에 있어서는, 양극부에 있어서 전자를 방출하는 이온화 반응이 일어난다. 이 반응에 의해, 양극부는, 모재(母材)가 용출되어 열화되므로, 교환이 필요해진다. 특허 문헌 1의 수소 함유수 생성 장치에서는, 산소 가스가 발생하는 양극부가 내측에 마련됨과 함께, 수소 가스의 기포가 생성되는 음극부가 외측에 마련되므로, 양극부의 열화 상황을 확인하기 위해서는, 전해조로부터 전극부를 떼어내어 분해할 필요가 있다.
본 발명은, 상기를 감안하여 이루어진 것으로서, 용이하게 양극부의 열화 상황을 확인할 수 있는 수소 함유수 생성 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 수소 함유수 생성 장치는, 측부에 복수의 개구를 가지는 통 형상의 음극부와, 측부에 복수의 개구를 가지며, 상기 음극부의 직경 방향 외측에 마련되는 통 형상의 양극부와, 상기 음극부 및 상기 양극부가 내부에 마련되는 투명한 통 형상의 전해조와, 상기 음극부의 일방의 단부측으로부터 상기 음극부의 내부로 급수하는 급수부와, 상기 음극부의 타방의 단부측으로부터 상기 전해조 내부의 물을 배수하는 배수부를 포함한다.
상기 수소 함유수 생성 장치에 있어서, 상기 음극부는, 연직 방향을 따라 연장되고, 상기 급수부는, 상기 음극부의 연직 방향 하측의 단부측에 마련되며, 상기 배수부는, 상기 음극부의 연직 방향 상측의 단부측에 마련되는 것이 바람직하다.
상기 수소 함유수 생성 장치에 있어서, 상기 급수부는, 상기 음극부의 직경 방향 내측, 또한, 하단측의 개구보다 상방에 삽입되는 것이 바람직하다.
상기 배수부는, 상기 음극부의 직경 방향 내측, 또한, 상단측의 개구보다 하방에 삽입되는 것이 바람직하다.
상기 전해조의 공기를 배출하는 탈기 밸브를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 음극부의 외주부와 상기 양극부의 내주부와의 사이에 스페이서가 배치되는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 용이하게 양극의 열화 상황을 확인할 수 있다고 하는 효과를 나타낸다.
도 1은, 본 실시 형태와 관련된 수소 함유수 생성 장치의 전극부의 모식 사시도이다.
도 2는, 본 실시 형태와 관련된 수소 함유수 생성 장치의 모식 단면도이다.
도 3은, 본 실시 형태와 관련된 음극부 및 양극부의 일부를 나타내는 모식 확대도이다.
도 4는, 본 실시 형태와 관련된 음극부 및 양극부의 개구의 모식 확대도이다.
도 5는, 도 3의 A-A 단면도이다.
도 6은, 본 실시 형태와 관련된 수소 함유수 생성 장치의 사용 상태를 나타내는 모식 단면도이다.
도 7은, 비교 형태와 관련된 수소 함유수 생성 장치의 사용 상태를 나타내는 모식 단면도이다.
도 8은, 비교 시험에 있어서의 수소 농도를 나타내는 그래프이다.
도 9는, 비교 시험에 있어서의 산소 농도를 나타내는 그래프이다.
도 10은, 비교 시험에 있어서의 수온을 나타내는 그래프이다.
이하에, 본 발명과 관련된 수소 함유수 생성 장치(1)의 실시 형태에 대하여 도면에 의거하여 상세하게 설명한다. 또한, 이하의 실시 형태의 설명에 있어서, 동일 구성에는 동일한 부호를 부여하고, 상이한 구성에는 상이한 부호를 부여하는 것으로 한다.
우선, 수소 함유수(R)를 생성하기 위해 이용하는 전극부(10)에 대하여 설명한다. 도 1은, 본 실시 형태와 관련된 수소 함유수 생성 장치의 전극부의 모식 사시도이다. 도 2는, 본 실시 형태와 관련된 수소 함유수 생성 장치의 모식 단면도이다. 전극부(10)는, 물의 전기 분해 작용을 이용하여, 수돗물 등의 원수(W)로부터, 수소를 함유하는 물인 수소 함유수(R)를 생성한다. 수소 함유수(R)는, 알칼리성을 나타내는 물이다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 전극부(10)는, 음극부(12)와, 양극부(14)를 가진다. 음극부(12) 및 양극부(14)는, 모두 원통 형상의 도전체이다. 양극부(14)는, 음극부(12)의 외측에 동심 상태로 마련되어, 음극부(12)와 이간되어 있다. 전극부(10), 보다 구체적으로는 음극부(12) 및 양극부(14)는, 양방의 단부에 각각 개구부로서의 하단부측 개구부(10HA) 및 상단부측 개구부(10HB)를 가지고 있다. 음극부(12)와 양극부(14)는, 하부 스페이서(54) 및 상부 스페이서(56)(도 2 참조)에 의해, 음극부(12) 및 양극부(14)의 사이의 거리(전극간 극간이라고 칭한다.)가 유지된다.
본 실시 형태에 있어서, 음극부(12) 및 양극부(14)의 전극간 극간의 크기는, 0.1㎜ 이상 1㎜ 이하로 하는 것이 바람직하다. 전극간 극간의 크기를 상기 서술한 범위로 함으로써, 전극부(10)가 수소 함유수(R)를 생성할 때에, 음극부(12)와 양극부(14)에 인가하는 전압의 전위차가 비교적 작아도, 전극부(10)는, 충분한 양의 수소를 발생시킬 수 있다. 전극간 극간의 크기가 상기 서술한 범위이면, 전극부(10)에 인가되는 전압이 비교적 저전압이어도, 전극부(10)는, 충분한 양의 수소를 원수(W)에 용존시켜 많은 수소를 용존한 수소 함유수(R)를 생성할 수 있다. 또한, 수소 함유수(R)에 용존하는 수소의 양이 동일하면, 전극부(10)는, 소비 전력을 억제할 수 있다.
본 실시 형태에 있어서, 음극부(12) 및 양극부(14)는, 티탄(Ti)에 백금(Pt)을 도금한 것이다. 도금은, 예를 들면, 백금(Pt)-이리듐(Ir) 도금이어도 된다. 본 실시 형태에 있어서, 티탄은 순티탄이다. 음극부(12) 및 양극부(14)는, 티탄에 백금을 도금한 것에 한정되는 것은 아니지만, 원수(W)에 용출되지 않는 재료(예를 들면, 바나듐(V))인 것이 바람직하다. 본 실시 형태에 있어서는, 음극부(12) 및 양극부(14)의 양방이 도금되어 있지만, 양극부(14)만을 도금하고, 음극부(12)는 도금하지 않아도 된다. 이에 따라, 전극부(10)의 제조 비용을 저감할 수 있다.
음극부(12) 및 양극부(14)는, 복수의 선 형상의 부분인 선 형상 부분(16)이 교차한 그물 형상의 부재이다. 음극부(12)는, 측부에 복수의 개구(12H)를 가지고 있다. 양극부(14)는, 측부에 복수의 개구(14H)를 가지고 있다. 복수의 선 형상 부분(16)으로 둘러싸이는 부분이, 음극부(12) 및 양극부(14)의 개구(12H) 및 개구(14H)가 된다. 음극부(12)가 가지는 복수의 개구(12H)는, 음극부(12)의 측부를 음극부(12)의 두께 방향으로 관통하고 있다. 양극부(14)가 가지는 복수의 개구(14H)는, 양극부(14)의 측부를 양극부(14)의 두께 방향으로 관통하고 있다. 음극부(12) 및 양극부(14)의 선 형상 부분(16)의 상세한 형상에 대해서는 후술한다.
음극부(12)는, 길이 방향(E), 즉 통 형상의 부재인 음극부(12)가 연장되는 방향을 향하는 슬릿(12SL)을 가지고 있다. 양극부(14)는, 길이 방향(E), 즉 통 형상의 부재인 양극부(14)가 연장되는 방향을 향하는 슬릿(14SL)을 가지고 있다. 전극부(10)는, 양극부(14)의 외측에 복수의 구속 부재(18)를 구비한다. 구속 부재(18)는, 예를 들면, 수지제의 결속 밴드, 금속의 선재 등이다. 구속 부재(18)는, 내식성이 높고, 또한 원수(W)에 용출되지 않는 재료인 것이 바람직하다. 구속 부재(18)는, 음극부(12)의 슬릿(12SL) 및 양극부(14)의 슬릿(14SL)을 폐쇄하여, 음극부(12) 및 양극부(14)를 음극부(12) 및 양극부(14)의 둘레 방향으로부터 구속한다. 구속 부재(18)를 떼어냄으로써, 전극부(10)는, 음극부(12)와, 양극부(14)로 용이하게 분해할 수 있으므로, 보수(保守), 점검, 보수(補修) 및 부품 교환이 용이하다.
음극용 급전 부재(20) 및 양극용 급전 부재(22)는, 모두 막대 형상의 도전체이다. 음극용 급전 부재(20)는, 음극부(12)에 전기적으로 접속되어 있다. 음극용 급전 부재(20)는, 전원(30)의 음극과 전기적으로 접속되어 있다. 양극용 급전 부재(22)는, 양극부(14)에 전기적으로 접속되어 있다. 양극용 급전 부재(22)는, 전원(30)의 양극과 전기적으로 접속되어 있다. 전원(30)은, 직류 전원이다. 이와 같은 구성에 의해, 음극부(12)는, 전원(30)의 부극과 음극용 급전 부재(20)를 개재하여 전기적으로 접속되고, 양극부(14)는, 전원(30)의 정극과 양극용 급전 부재(22)를 개재하여 전기적으로 접속된다.
음극용 급전 부재(20)는, 예를 들면, 용접 등의 접합 수단에 의해, 음극부(12)에 접합되어, 장착되지만, 음극부(12)에 전기적으로 접속되면, 스폿 용접에 한정되지 않고, 임의의 접합 수단이 이용되어도 된다. 양극용 급전 부재(22)는, 예를 들면, 용접 등의 접합 수단에 의해, 양극부(14)에 접합되어, 장착되지만, 양극부(14)에 전기적으로 접속되면, 스폿 용접에 한정되지 않고, 임의의 접합 수단이 이용되어도 된다.
본 실시 형태에 있어서, 음극용 급전 부재(20) 및 양극용 급전 부재(22)는, 음극부(12) 및 양극부(14)와 마찬가지로, 티탄에 백금을 도금한 부재이다. 도금은, 예를 들면, 백금(Pt)-이리듐(Ir) 도금이어도 된다. 음극용 급전 부재(20) 및 양극용 급전 부재(22)는, 음극부(12) 및 양극부(14)와 마찬가지로, 티탄에 백금을 도금한 것에 한정되는 것은 아니지만, 원수(W)에 용출되지 않는 재료인 것이 바람직하다. 본 실시 형태에 있어서는, 음극부(12)는 도금을 실시하지 않아도 되지만, 이 경우, 음극용 급전 부재(20)도 도금을 실시하지 않아도 된다.
이어서, 본 실시 형태와 관련된 수소 함유수 생성 장치(1)에 대하여 설명한다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 수소 함유수 생성 장치(1)는, 전해조(40)와, 하측 기대(基臺)(42)와, 상측 기대(44)와, 급수관(46)과, 배수관(48)과, 탈기 밸브(50)와, 접합관(52)을 구비한다.
전해조(40)는, 투명한 원통 형상의 조이다. 전해조(40)의 내부에는, 전극부(10)가 마련된다. 전극부(10)는, 길이 방향(E)이 연직 방향이 되는 방향으로 배치되어 있다. 전해조(40)가 투명하게 마련되어 있으므로, 사용자는, 전해조(40)의 외측으로부터 전극부(10), 특히, 전해조(40)와 대면하는 위치에 마련되는 양극부(14)를 시인할 수 있다. 전해조(40)의 하단부는, 하측 기대(42)에 덮여져 고정된다. 전해조(40)의 상단부는, 상측 기대(44)에 덮여져 고정된다.
하측 기대(42)는, 전해조(40)의 하단부, 음극용 급전 부재(20) 및 양극용 급전 부재(22)를 고정한다. 음극용 급전 부재(20) 및 양극용 급전 부재(22)는, 음극부(12) 및 양극부(14)의 하단부측 개구부(10HA)보다 하방으로 일부가 돌출되어 있다. 하측 기대(42)는, 음극용 급전 부재(20)의 돌출 부분(20P) 및 양극용 급전 부재(22)의 돌출 부분(22P)으로, 수밀 상태에서 관통된다. 하측 기대(42)는, 음극용 급전 부재(20) 및 양극용 급전 부재(22)를 개재하여 음극부(12) 및 양극부(14)를 고정한다. 이에 따라, 수소 함유수 생성 장치(1)는, 전해조(40)의 외부로부터 음극용 급전 부재(20) 및 양극용 급전 부재(22)를 개재하여 전극부(10)로 급전할 수 있다. 또한, 전극부(10)는, 음극용 급전 부재(20) 및 양극용 급전 부재(22)를 개재하여 하측 기대(42) 및 전해조(40)에 고정된다. 상측 기대(44)는, 상단부측이 폐색하는 원통 형상의 기재이다. 상측 기대(44)는, 전해조(40)의 상단부를 고정한다. 상측 기대(44)의 상단부측에는, 탈기 밸브(50)와 상측 기대(44)의 내부 공간(44S)을 연통시키는 접합관(52)이 관통한다.
급수관(46)은, 전해조(40)에 원수(W)를 급수하는 L자 형상의 배관이다. 급수관(46)은, 전해조(40)의 측부를 수밀 상태로 관통하여 마련된다. 또한, 도 2에 있어서는, 양극용 급전 부재(22)가 양극부(14)의 좌측에 도면에 나타냄과 함께, 급수관(46)과 양극용 급전 부재(22)가 겹쳐져 도면에 나타나지만, 급수관(46)은, 음극용 급전 부재(20) 및 양극용 급전 부재(22)와 겹치지 않는 위치를 향해 연장되도록 마련된다. 급수관(46)의 하류 단부측의 개구부인 급수부(46H)는, 음극부(12)의 내주부(12Si)보다 내측에 마련된다. 급수부(46H)는, 연직 방향의 상방을 향해 급수한다. 급수부(46H)는, 음극부(12)의 하단부측 개구부(10HA)보다 상방으로부터 원수(W)를 급수한다.
배수관(48)은, 전해조(40)의 수소 함유수(R)를 배수하는 L자 형상의 배관이다. 배수관(48)은, 상측 기대(44)의 내부 공간(44S)을 지나 상측 기대(44)의 측부를 수밀 상태에서 관통한다. 배수관(48)의 상류 단부측의 개구부인 배수부(48H)는, 음극부(12)의 내주부(12Si)보다 내측에 마련된다. 배수부(48H)는, 급수부(46H)보다 상방으로부터 배수한다. 배수부(48H)는, 음극부(12)의 상단부측 개구부(10HB)보다 하방의 수소 함유수(R)를 취수(取水)하고, 전해조(40)의 외측으로 배출한다.
탈기 밸브(50)는, 접합관(52)을 개재하여 상측 기대(44)에 고정된다. 탈기 밸브(50)는, 접합관(52)을 개재하여 상측 기대(44)의 내부 공간(44S)과 연통한다. 탈기 밸브(50)는, 상측 기대(44)의 내부 공간(44S)에 저류한 공기(G)를 방출한다. 탈기 밸브(50)는, 상측 기대(44)의 내부 공간(44S)의 내부의 압력이 소정값을 초과한 경우, 공기(G)를 방출한다. 예를 들면, 공기(G)는, 전해조(40) 내의 물의 전기 분해 반응에 의해 발생된 산소 가스를 포함한다.
상기 서술한 바와 같이, 음극부(12)와 양극부(14)는, 하부 스페이서(54) 및 상부 스페이서(56)에 의해, 전극간 극간이 유지된다. 하부 스페이서(54)는, 원통 형상이며, 하단부측 개구부(10HA)에 있어서, 음극부(12)의 외주부(12So)와 양극부(14)의 내주부(14Si)와의 사이에 배치된다. 상부 스페이서(56)는, 원통 형상이며, 상단부측 개구부(10HB)에 있어서, 음극부(12)의 외주부(12So)와 양극부(14)의 내주부(14Si)와의 사이에 배치된다. 상부 스페이서(56)는, 상단부에 내측으로 돌출되는 내측 플랜지부(56Fi)를 가진다. 내측 플랜지부(56Fi)는, 전극부(10)와 배수부(48H)와의 거리를 소정 거리로 한다. 상부 스페이서(56)는, 상단부에 외측 플랜지부(56Fo)를 가진다. 외측 플랜지부(56Fo)는, 직경 방향과 외측으로 돌출되어, 둘레 방향의 전체 둘레에 마련되어 있다. 외측 플랜지부(56Fo)는, 전극부(10)와 전해조(40)의 내주부(40Si)와의 거리를 소정 거리로 한다.
이어서, 수소 함유수 생성 장치(1)에 의한 원수(W)의 전기 분해에 대하여 설명한다. 수소 함유수 생성 장치(1)는, 전극부(10)가 원수(W)에 침지되어, 전원(30)에 의해 전극부(10)에 전압이 인가되어, 음극부(12)와 양극부(14)와의 사이에 전위차를 발생시킴으로써, 원수(W)를 전기 분해하여, 수소 함유수(R)를 생성한다.
수소 함유수 생성 장치(1)는, 전극부(10)의 음극부(12)와 양극부(14)와의 사이에 전원(30)으로부터 소정의 전압이 인가되면, 양극부(14)에 있어서, 하기 식 (1)의 반응이 발생한다.
2H2O→O2+4H++4e- ···(1)
수소 함유수 생성 장치(1)는, 전극부(10)의 음극부(12)와 양극부(14)와의 사이에 전원(30)으로부터 소정의 전압이 인가되면, 음극부(12)에 있어서, 하기 식 (2)의 반응이 발생한다.
4H++4e-→2H2 ···(2)
수소 함유수 생성 장치(1)는, 전극부(10)의 음극부(12)와 양극부(14)와의 사이에 전원(30)으로부터 소정의 전압이 인가되면, 음극부(12) 및 양극부(14)의 전체에 있어서, 하기 식 (3)의 반응이 발생한다.
2H2O→O2+2H2 ···(3)
이상과 같이, 수소 함유수 생성 장치(1)는, 산성 배수의 발생이 억제되어, 배수부(48H)로부터 유출되는 수소 함유수(R)는, 예를 들면 pH 7 이상 7.5 이하 정도의 중성이 된다. 산소 가스는, 양극부(14)의 외측에 기포가 되어 모이며, 양극부(14)의 외주부(14So)와 전해조(40)의 내주부(40Si)와의 사이를 이동하여, 상측 기대(44)의 내부 공간(44S), 접합관(52) 및 탈기 밸브(50)를 개재하여 수소 함유수 생성 장치(1)로 방출된다.
양극부(14)에서 발생하는 전리된 수소 이온 H+는 음극부(12)측에 모이며, 음극부(12)에는 수소 가스의 기포가 생성된다. 이 기포는, 직경이 나노미터 오더의 미소한 기포이다. 여기서, 수소 함유수 생성 장치(1)는, 원수(W)를 급수부(46H)로부터 급수시켜, 수소 함유수(R)를 배수부(48H)로부터 배수시킨다. 급수부(46H) 및 배수부(48H)는, 음극부(12)의 내주부(12Si)보다 내측에 마련된다. 원수(W)는, 하단부측 개구부(10HA)로부터 연직 방향의 상방을 향해 유입되고, 수소 함유수(R)는, 상단부측 개구부(10HB)로부터 유출된다. 즉, 음극부(12)의 내측에 있어서, 하방으로부터 상방을 향하는 물의 흐름이 발생한다.
수소 함유수 생성 장치(1)는, 수소 함유수(R)를 우선적으로 전해조(40)로부터 배출할 수 있다. 수소 함유수(R)를 우선적으로 전해조(40)로부터 배출함으로써, 전해조(40) 내의 물로의 산소 용존량을 억제하여, 적합하게 수소 함유수(R)를 생성할 수 있다. 또한, 급수부(46H)가, 음극부(12)의 내주부(12Si)보다 내측의 연직 방향의 상방을 향해 급수한다. 즉, 급수부(46H)가, 전극부(10)의 길이 방향(E)을 따라 급수하므로, 급수부(46H)로부터 급수되는 원수(W)는, 전극부(10)에 국소적인 분포를 가지며 충돌하기 어려워져, 균일한 전기 분해가 가능해진다. 또한, 배수부(48H)가, 급수부(46H)의 상방의 음극부(12)의 내주부(12Si)보다 내측으로부터 배수하므로, 배수부(48H)로부터 배수되는 수소 함유수(R)는, 전극부(10)에 국소적인 분포를 가지며 난류를 발생시키기 어려워져, 균일한 전기 분해가 가능해진다.
이어서, 전극부(10)의 형상에 대하여, 보다 상세하게 설명한다. 도 3은, 본 실시 형태와 관련된 음극부 및 양극부의 일부를 나타내는 모식 확대도이다. 도 4는, 본 실시 형태와 관련된 음극부 및 양극부의 개구의 모식 확대도이다. 도 5는, 도 3의 A-A 단면도이다.
도 3 및 도 4에 나타내는 바와 같이, 본 실시 형태에 있어서, 음극부(12) 및 양극부(14)가 가지는 개구(12H) 및 개구(14H)는, 마름모형 형상이다. 개구(12H) 및 개구(14H)는, 일방의 대각선인 제 1 대각선(TLl)이 타방의 대각선인 제 2 대각선(TLs)보다 길다. 개구(12H) 및 개구(14H)는, 제 1 대각선(TLl) 상의 정상부(Pa, Pb)에서의 각도가, 제 2 대각선(TLs) 상의 정상부(Pc, Pd)에서의 각도보다 작다. 개구(12H) 및 개구(14H)는, 제 1 대각선(TLl)이, 음극부(12) 및 양극부(14)가 연장되는 방향, 즉 길이 방향(E)을 향한다. 제 2 대각선(TLs)은, 원통 형상의 음극부(12) 및 양극부(14)의 둘레 방향(C)을 향한다.
음극부(12) 및 양극부(14)는, 복수의 개구(12H) 및 개구(14H)를 가지므로, 개구(12H) 및 개구(14H)를 통하여 전기력선을 내측과 외측으로 두를 수 있다. 이에 따라, 음극부(12) 및 양극부(14)는, 양면을 전기 분해에 이용할 수 있으므로, 수소를 효율적으로 발생시킬 수 있다. 또한, 음극부(12)는, 선 형상 부분(16)으로 둘러싸인 개구(12H)에 의해, 자신이 생성하는 수소의 기포의 젖음각을 작게 할 수 있으므로, 수소의 기포를 작은 상태에서 이탈시킬 수 있다. 즉, 생성되는 수소와 음극부(12)의 표면과의 사이에 발생하는 흡착력이, 점 접촉에 가까운 상태가 되어 표면 장력이 억제되므로, 결과적으로, 음극부(12)는, 수소의 기포를 작은 상태에서 이탈시켜, 많은 수소의 기포를 용존한 수소 함유수(R)를 생성할 수 있다. 또한, 양극부(14)는, 선 형상 부분(16)으로 둘러싸인 개구(14H)에 의해, 자신이 생성하는 산소의 기포의 젖음각을 작게 할 수 있으므로, 산소의 기포를 빠르게 이탈시킬 수 있다. 즉, 생성되는 산소와 양극부(14)의 표면과의 사이에 발생하는 흡착력이, 점 접촉에 가까운 상태가 되어 표면 장력이 억제되므로, 결과적으로, 양극부(14)는, 산소의 기포를 빠르게 이탈시켜, 산소의 기포를 효율적으로 외부로 방출할 수 있다.
도 5에 나타내는 바와 같이, 본 실시 형태에 있어서, 음극부(12) 및 양극부(14)의 선 형상 부분(16)은, 단면이 장방형(도 5의 예에서는 정방형)으로 되어 있다. 음극부(12)는, 선 형상 부분(16)이 가지는 모서리부(16T)에 의해, 수소의 기포의 젖음각을 더 작게 하여 표면 장력을 억제할 수 있다. 이에 따라, 음극부(12)는, 수소의 기포를 보다 작은 상태에서 이탈시킬 수 있으므로, 보다 작은 수소의 기포를 용존시킨 수소 함유수(R)를 생성할 수 있다. 또한, 음극부(12)는, 단면이 장방형의 선 형상 부분(16)을 가지므로, 수소의 발생에 이용할 수 있는 표면적을 크게할 수 있다. 이에 따라, 음극부(12)는, 수소를 원수(W)에 용존시키는 효율이 향상된다. 또한, 양극부(14)는, 선 형상 부분(16)이 가지는 모서리부(16T)에 의해, 산소의 기포의 젖음각을 더 작게 하여 표면 장력을 억제할 수 있다. 이에 따라, 양극부(14)는, 산소의 기포를 선 형상 부분(16)으로부터 빠르게 이탈시켜, 산소의 기포를 효율적으로 외부로 방출할 수 있다.
이어서, 본 실시 형태와 관련된 수소 함유수 생성 장치(1)에 의해 수소 함유수(R)가 생성될 때의 전해조(40) 내의 물 및 기포의 흐름에 대하여 보다 상세하게 설명한다. 도 6은, 본 실시 형태와 관련된 수소 함유수 생성 장치의 사용 상태를 나타내는 모식 단면도이다.
전해조(40)의 내부는, 미리 원수(W)로 채워 둔다. 원수(W)의 수면은, 적어도 배수부(48H)보다 상방으로 한다. 전원(30)으로부터 소정의 전압이 인가되면, 전극부(10)에 있어서 상기 서술한 전기 분해 반응이 일어난다. 여기서, 급수부(46H)로부터 원수(W)를 유입시키고, 배수부(48H)로부터 전해조(40) 내의 물을 유출시키면, 음극부(12)의 내측에 있어서, 하방으로부터 상방을 향하는 물의 흐름이 발생한다. 배수부(48H)로부터 유출되지 않는 물은, 전해조(40) 상부의 수면에 부딪혀, 전극부(10)의 외측으로 흐른다. 양극부(14)의 외주부(14So)와 전해조(40)의 내주부(40Si)와의 사이에 있어서, 상방으로부터 하방을 향하는 물의 흐름이 발생한다. 즉, 전해조(40)의 내부에서는, 전극부(10)의 내측 및 외측에 있어서, 물이 순환한다. 전극부(10)의 내측에 있어서의 하방으로부터 상방을 향하는 물의 흐름의 속도는, 전극부(10)의 외측에 있어서의 상방으로부터 하방을 향하는 물의 흐름의 속도보다 빠르다.
원수(W)는, 음극부(12)의 내부를 통과하는 동안에, 전기 분해에 의해 음극부(12)에 있어서 생성된 수소 가스의 기포를 포함하여 수소 함유수(R)가 되며, 배수부(48H)로부터 유출된다. 양극부(14)에 있어서 발생한 산소 가스의 기포는, 상방으로부터 하방을 향하는 물의 흐름에 의해, 양극부(14)의 외주부(14So)와 전해조(40)의 내주부(40Si)와의 사이에 있어서 잔류하거나, 또는 하강한다. 산소 가스의 기포는, 서로 결합하여 크게 성장하면, 물의 흐름에 거슬러 상승하여 수면으로부터 배출된다. 수면으로부터 배출된 산소 가스는, 상측 기대(44)의 내부 공간(44S)에 저류한다. 내부 공간(44S)의 내부의 압력이 소정값을 초과한 경우, 산소 가스를 포함하는 공기(G)가, 접합관(52) 및 탈기 밸브(50)를 개재하여 수소 함유수 생성 장치(1)로 방출된다.
이상과 같이, 본 실시 형태의 수소 함유수 생성 장치(1)에 의하면, 측부에 복수의 개구(12H)를 가지는 통 형상의 음극부(12)와, 측부에 복수의 개구(14H)를 가지며, 음극부(12)의 직경 방향 외측에 마련되는 통 형상의 양극부(14)와, 음극부(12) 및 양극부(14)가 내부에 마련되는 투명한 통 형상의 전해조(40)를 포함하므로, 사용자는, 전해조(40)의 외주 방향으로부터 양극부(14)를 시인할 수 있다. 즉, 사용자는, 용이하게 양극부(14)의 열화 상황을 확인할 수 있다. 이에 따라, 사용자는, 적절한 시기에 전극부(10), 특히 양극부(14)의 교환을 행할 수 있으므로, 전극부(10)의 고장에 의한 수소 함유수 생성 장치(1)의 정지를 방지할 수 있다. 또한, 양극부(14)가 음극부(12)의 외측에 마련됨으로써, 음극부(12)의 내측에 마련되는 종래의 구성에 비해 직경, 즉 표면적이 커지므로, 전류 밀도가 작아져, 양극부(14)의 내구성이 향상된다.
또한, 본 실시 형태의 수소 함유수 생성 장치(1)에 의하면, 음극부(12)의 일방의 단부측(하단부측 개구부(10HA))으로부터 음극부(12)의 내부로 급수하는 급수부(46H)와, 음극부(12)의 타방의 단부측(상단부측 개구부(10HB))으로부터 전해조(40) 내부의 물(수소 함유수(R))을 배수하는 배수부(48H)를 포함하므로, 수소 가스가 발생하는 음극부(12)의 내측에 있어서, 일방으로부터 타방을 향하는 물의 흐름이 발생한다. 이에 따라, 수소 함유수(R)를 우선적으로 전해조(40)로부터 배출할 수 있으므로, 전해조(40) 내의 물로의 산소 용존량을 억제하여, 적합하게 수소 함유수(R)를 생성할 수 있다.
또한, 음극부(12)가, 연직 방향을 따라 연장되고, 급수부(46H)가, 음극부(12)의 연직 방향 하측의 단부측에 마련되며, 배수부(48H)는, 음극부(12)의 연직 방향 상측의 단부측에 마련되므로, 음극부(12)의 내측에 있어서 하방으로부터 상방을 향하는 물의 흐름이 발생한다. 이에 따라, 수소 함유수(R)를 우선적으로 전해조(40)로부터 배출할 수 있으므로, 전해조(40) 내의 물로의 산소 용존량을 억제하여, 적합하게 수소 함유수(R)를 생성할 수 있다.
또한, 급수부(46H)가, 음극부(12)의 직경 방향 내측, 또한, 하단측의 개구(하단부측 개구부(10HA))보다 상방에 삽입되므로, 음극부(12)의 내측에 있어서 하방으로부터 상방을 향하는 물의 흐름을 보다 적합하게 발생시킬 수 있으므로, 수소 함유수(R)를 우선적으로 전해조(40)로부터 배출할 수 있다.
또한, 배수부(48H)가, 음극부(12)의 직경 방향 내측, 또한, 상단측의 개구(상단부측 개구부(10HB))보다 하방에 삽입되므로, 음극부(12)의 내측에 있어서 하방으로부터 상방을 향하는 물의 흐름을 보다 적합하게 발생시킬 수 있으므로, 수소 함유수(R)를 우선적으로 전해조(40)로부터 배출할 수 있다.
또한, 전해조(40)의 공기(G)를 배출하는 탈기 밸브(50)를 포함하므로, 양극부(14)에 있어서 발생한 산소 가스를 적합하게 외부로 배출할 수 있다.
또한, 음극부(12)의 외주부(12So)와 양극부(14)의 내주부(14Si)와의 사이에 스페이서(하부 스페이서(54) 및 상부 스페이서(56))가 배치되므로, 음극부(12)와 양극부(14)와의 사이의 거리인 전극간 극간을 적합하게 유지할 수 있다.
이어서, 종래의 수소 함유수 생성 장치에 대하여, 양극부가 음극부보다 내측이 아니라, 양극부(14)가 음극부(12)보다 외측에 마련되는 것에 대한 영향을 검증한다. 즉, 본 실시 형태의 수소 함유수 생성 장치(1)와, 양극부가 음극부보다 내측에 마련되는 비교 형태의 수소 함유수 생성 장치(2)와의, 수소 함유수(R)의 수소 농도, 산소 농도 및 수온을 비교한다. 도 7은, 비교 형태와 관련된 수소 함유수 생성 장치의 사용 상태를 나타내는 모식 단면도이다. 도 8은, 비교 시험에 있어서의 수소 농도를 나타내는 그래프이다. 도 9는, 비교 시험에 있어서의 산소 농도를 나타내는 그래프이다. 도 10은, 비교 시험에 있어서의 수온을 나타내는 그래프이다.
도 7에 나타내는 비교 형태의 수소 함유수 생성 장치(2)는, 실시 형태와 관련된 수소 함유수 생성 장치(1)(도 6 참조)의 구성에 대하여, 직류 전압의 인가 방향이 반대이다. 즉, 전극부(110)는, 내측에 양극부를 가지고, 외측에 음극부를 가진다. 음극용 급전 부재(20)는, 전극부(110)의 외주부(110So)에 고정된다. 양극용 급전 부재(22)는, 전극부(110)의 내주부(110Si)에 고정된다.
급수관(146)은, I자 형상의 배관이다. 급수관(146)은, 전해조(40)의 측부를 수밀 상태에서 관통하여 마련된다. 급수관(146)의 하류 단부측의 개구부인 급수부(146H)는, 전극부(110)의 외주부(110So)보다 외측에 마련된다. 급수부(146H)는, 내주 방향을 향해 원수(W)를 급수한다.
배수관(148)은, I자 형상의 배관이다. 배수관(148)은, 전해조(40)의 측부를 수밀 상태에서 관통하여 마련된다. 배수관(148)의 상류 단부측의 개구부인 배수부(148H)는, 전극부(110)의 외주부(110So)보다 외측에 마련된다. 배수관(148)은, 외주 방향을 향해 수소 함유수(R)를 배수한다.
전원(30)으로부터 소정의 전압이 인가되면, 음극부, 즉 전극부(110)의 외주부(110So)에 있어서는, 수소 가스가 생성된다. 양극부, 즉 전극부(110)의 내주부(110Si)에 있어서는, 산소 가스가 생성된다.
탈기 밸브(50)는, 접합관(52)을 개재하여, 전극부(10)의 내측에 연통한다. 탈기 밸브(50)는, 전해조(40) 내의 물의 전기 분해 반응에 의해 발생된 산소 가스를 포함하는 공기(G)를 방출한다. 이와 같은 구성에 의해, 수소 함유수 생성 장치(2)는, 산소 가스를 우선적으로 전해조(40)로부터 배출할 수 있다. 산소 가스를 우선적으로 전해조(40)로부터 배출함으로써, 전해조(40) 내의 물로의 산소 용존량을 억제하여, 수소 함유수(R)를 생성한다. 수소 함유수 생성 장치(2)의 전해조(40)는, 전극부(110)의 내측 및 외측에 있어서, 모두 하방으로부터 상방을 향하는 물의 흐름이 발생한다. 즉, 수소 함유수 생성 장치(2)의 전해조(40)의 내부에서는, 전극부(10)의 내측 및 외측에 있어서, 수소 함유수 생성 장치(1)와 같은 물의 순환은 일어나지 않는다.
도 8, 도 9 및 도 10은, 수소 함유수 생성 장치(1)의 배수관(48) 및 수소 함유수 생성 장치(2)의 배수관(148)으로부터 배출한 수소 함유수(R)의, 수소 농도(ppm), 산소 농도(ppm) 및 수온(℃)을 나타내고 있다. 도 8에 나타내는 바와 같이, 양극부를 음극부의 내측에 마련하는 경우에 비해, 양극부(14)를 음극부(12)의 외측에 마련하는 경우, 시험 개시 직후의 수소 농도는 낮아지지만, 최종적인 수소 농도는 대략 동등해진다. 도 9에 나타내는 바와 같이, 양극부를 음극부의 내측에 마련하는 경우에 비해, 양극부(14)를 음극부(12)의 외측에 마련하는 경우, 시험 개시 직후의 산소 농도는 낮아지지만, 최종적인 산소 농도는 대략 동등해진다. 도 10에 나타내는 바와 같이, 양극부를 음극부의 내측에 마련하는 경우에 비해, 양극부(14)를 음극부(12)의 외측에 마련하는 경우, 시험 개시 직후의 수온은 낮아지지만, 최종적인 수온은 대략 동등해진다.
이상과 같이, 본 실시 형태의 수소 함유수 생성 장치(1)는, 수소 함유수 생성 장치(2)와 대략 동등한 성능을 구비하고 있다. 수소 함유수 생성 장치(1)는, 수소 함유수 생성 장치(2)와 대략 동등한 성능을 구비하면서, 용이하게 양극부(14)의 열화 상황을 확인할 수 있다.
본 실시 형태에 있어서, 음극부(12), 양극부(14), 및 전해조(40)의 형상은, 모두 원통 형상이지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 통형 형상이면 어떠한 형상이어도 된다. 또한, 전극부(10)는, 하단부측 개구부(10HA) 및 상단부측 개구부(10HB)를 가지고 있지 않아도 되고, 하단부측 개구부(10HA) 및 상단부측 개구부(10HB) 중 어느 것만을 가지고 있어도 된다. 하단부측 개구부(10HA)를 가지고 있지 않은 경우, 급수부(46H)는, 전극부(10)의 하단부를 향해, 연직 방향의 상방으로 원수(W)를 급수한다. 원수(W)는, 개구(12H) 및 개구(14H)를 빠져나와, 음극부(12)의 내측으로 유입된다.
본 실시 형태에 있어서, 전극부(10)는, 음극용 급전 부재(20) 및 양극용 급전 부재(22)를 개재하여 하측 기대(42) 및 전해조(40)에 고정되지만, 고정 방법은 특별히 한정되지 않는다. 또한, 본 실시 형태에서는, 통형 형상의 음극부(12), 양극부(14), 및 전해조(40)의 축 방향이 연직 방향과 평행해지는 방향으로 배치함으로써, 전해조(40) 내의 물의 흐름을 적합하게 제어할 수 있어, 수소 함유수(R)를 적합하게 배출할 수 있다. 또한, 음극부(12), 양극부(14), 및 전해조(40)의 방향은, 축 방향이 연직 방향과 평행이 되는 방향에 한정되지 않지만, 축 방향을 따른 방향으로 배치하는 것이 바람직하다.
본 실시 형태에 있어서, 음극용 급전 부재(20)는, 돌출 부분(20P)과는 반대측의 단부가 상단부측 개구부(10HB)의 근방까지 연장되지만, 음극용 급전 부재(20)의 음극부(12)에 장착되는 부분의 길이는, 음극부(12)의 길이 방향(E)의 치수의 절반 이하여도 된다. 양극용 급전 부재(22)는, 돌출 부분(22P)과는 반대측의 단부가 상단부측 개구부(10HB)의 근방까지 연장되지만, 양극용 급전 부재(22)의 음극부(12)에 장착되는 부분의 길이는, 음극부(12)의 길이 방향(E)의 치수의 절반 이하여도 된다. 이러한 경우, 예를 들면, 전극부(10)는, 음극용 급전 부재(20)가 마련되어 있는 측과는 반대측에, 음극용 급전 부재(20)와 동일한 형상의 음극용 지지 부재가 마련되어도 된다. 또한, 전극부(10)는, 양극용 급전 부재(22)가 마련되어 있는 측과는 반대측에, 양극용 급전 부재(22)와 동일한 형상의 양극용 지지 부재가 마련되어도 된다. 양극용 지지 부재 및 음극용 지지 부재는, 음극용 급전 부재(20) 및 양극용 급전 부재(22)와 동일한 재료여도 되고, 상이한 재료여도 된다.
음극용 급전 부재(20)는, 본 실시 형태와 같은 봉 형상의 형상이 아니어도 되고, 임의의 형상으로 해도 된다. 또한, 음극용 급전 부재(20)는, 하단부측 개구부(10HA)에 있어서 음극부(12)에 접속되는 것에 한정되지 않고, 도전체로서 음극부(12)와 전기적으로 접속되어 있으면, 접속 개소는 임의이다. 양극용 급전 부재(22)는, 본 실시 형태와 같은 봉 형상의 형상이 아니어도 되고, 임의의 형상으로 해도 된다. 또한, 양극용 급전 부재(22)는, 하단부측 개구부(10HA)에 있어서 양극부(14)에 접속되는 것에 한정되지 않고, 도전체로서 양극부(14)와 전기적으로 접속되어 있으면, 접속 개소는 임의이다.
본 실시 형태에 있어서, 급수관(46)은, 전해조(40)의 측부를 관통하여 마련되는 L자 형상의 배관이지만, 하측 기대(42)를 관통하여 마련되는 I자 형상의 배관이어도 된다. 급수관(46)은, 하류 단부측의 개구부인 급수부(46H)가, 음극부(12)의 내주부(12Si)보다 내측의 연직 방향의 상방을 향해 급수하는 것이면, 어떠한 형상이어도 상관없다. 또한, 배수관(48)은, 상측 기대(44)의 측부를 관통하여 마련되는 L자 형상의 배관이지만, 상측 기대(44)의 상부를 관통하여 마련되는 I자 형상의 배관이어도 된다. 배수관(48)은, 상류 단부측의 개구부인 배수부(48H)가, 급수부(46H)보다 상방의 음극부(12)의 내주부(12Si)보다 내측으로부터 배수하는 것이면, 어떠한 형상이어도 상관없다. 또한, 접합관(52)은, 탈기 밸브(50)와 상측 기대(44)의 내부 공간(44S)을 연통시키는 것이면, 어떠한 위치에 형성해도 되고, 어떠한 형상이어도 상관없다. 배수관(48)이 상측 기대(44)의 상부를 관통하여 마련되는 I자 형상의 배관인 경우, 접합관(52)은, 상측 기대(44)의 상부에 있어서 배수관(48)과 겹치지 않는 위치에 마련되어도 된다. 또한, 상측 기대(44)는, 상부 스페이서(56)와 일체적으로 형성해도 된다.
본 실시 형태에 있어서는, 음극부(12)와 양극부(14)가 하부 스페이서(54) 및 상부 스페이서(56)를 개재하여 이간하여 마련되지만, 음극부(12)와 양극부(14)와의 사이에, 측부에 복수의 개구를 가지는 원통 형상의 절연체를 개재시켜도 된다. 절연체는, 예를 들면, 음극부(12)의 외주부(12So) 및 양극부(14)의 내주부(14Si)와 접한다.
이상, 본 실시 형태를 설명했지만, 본 실시 형태에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 서술한 구성 요소에는, 당업자가 용이하게 상정할 수 있는 것, 실질적으로 동일한 것, 이른바 균등한 범위의 것이 포함된다. 또한, 상기 서술한 구성 요소는 적절히 조합시키는 것이 가능하다. 또한, 본 실시 형태의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 구성 요소의 다양한 생략, 치환 또는 변경을 행할 수 있다.
1, 2 수소 함유수 생성 장치
10 전극부
10HA 하단부측 개구부
10HB 상단부측 개구부
12 음극부
12H 개구
12SL 슬릿
12Si 내주부
12So 외주부
14 양극부
14H 개구
14SL 슬릿
14Si 내주부
14So 외주부
16 선 형상 부분
18 구속 부재
20 음극용 급전 부재
20P 돌출 부분
22 양극용 급전 부재
22P 돌출 부분
30 전원
40 전해조
40Si 내주부
42 하측 기대
44 상측 기대
44S 내부 공간
46 급수관
46H 급수부
48 배수관
48H 배수부
50 탈기 밸브
52 접합관
54 하부 스페이서
56 상부 스페이서
56Fi 내측 플랜지부
56Fo 외측 플랜지부
110 전극부
110Si 내주부
110So 외주부
146 급수관
146H 급수부
148 배수관
148H 배수부
E 길이 방향
C 둘레 방향
TLl 제 1 대각선
TLs 제 2 대각선
W 원수
R 수소 함유수
G 공기

Claims (6)

  1. 측부에 복수의 개구를 가지는 통 형상의 음극부와,
    측부에 복수의 개구를 가지며, 상기 음극부의 직경 방향 외측에 마련되는 통 형상의 양극부와,
    상기 음극부 및 상기 양극부가 내부에 마련되는 투명한 통 형상의 전해조와,
    상기 음극부의 일방의 단부측으로부터 상기 음극부의 내부로 급수하는 급수부와,
    상기 음극부의 타방의 단부측으로부터 상기 전해조 내부의 물을 배수하는 배수부를 포함하는 수소 함유수 생성 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 음극부는, 연직 방향을 따라 연장되고,
    상기 급수부는, 상기 음극부의 연직 방향 하측의 단부측에 마련되며,
    상기 배수부는, 상기 음극부의 연직 방향 상측의 단부측에 마련되는 수소 함유수 생성 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 급수부는, 상기 음극부의 직경 방향 내측, 또한, 하단측의 개구보다 상방에 삽입되는 수소 함유수 생성 장치.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 배수부는, 상기 음극부의 직경 방향 내측, 또한, 상단측의 개구보다 하방에 삽입되는 수소 함유수 생성 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전해조의 공기를 배출하는 탈기 밸브를 포함하는 수소 함유수 생성 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 음극부의 외주부와 상기 양극부의 내주부와의 사이에 스페이서가 배치되는 수소 함유수 생성 장치.
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