特許 6802224 水電解装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6802224

(24)【登録日】2020年11月30日

(45)【発行日】2020年12月16日

(54)【発明の名称】水電解装置

(51)【国際特許分類】

   C25B 9/00 20060101AFI20201207BHJP

   C25B 9/10 20060101ALI20201207BHJP

   C25B 1/10 20060101ALI20201207BHJP

   C25B 11/08 20060101ALI20201207BHJP

   C25B 15/02 20060101ALI20201207BHJP

   A61H 33/14 20060101ALI20201207BHJP

   A45D 34/02 20060101ALI20201207BHJP

【ＦＩ】

   C25B9/00 A

   C25B9/10

   C25B1/10

   C25B11/08

   C25B15/02 302

   A61H33/14 B

   A45D34/02 510C

【請求項の数】20

【外国語出願】

【全頁数】20

(21)【出願番号】特願2018-153155(P2018-153155)

(22)【出願日】2018年8月16日

(65)【公開番号】特開2019-49049(P2019-49049A)

(43)【公開日】2019年3月28日

【審査請求日】2018年9月27日

(31)【優先権主張番号】201710739861.5

(32)【優先日】2017年8月25日

(33)【優先権主張国】CN

(73)【特許権者】

【識別番号】515080294

【氏名又は名称】リン，シン−ユン

【氏名又は名称原語表記】Ｌｉｎ，Ｈｓｉｎ−Ｙｕｎｇ

(74)【代理人】

【識別番号】100091683

【弁理士】

【氏名又は名称】▲吉▼川 俊雄

(74)【代理人】

【識別番号】100179316

【弁理士】

【氏名又は名称】市川 寛奈

(72)【発明者】

【氏名】リン，シン−ユン

【審査官】 関口 貴夫

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００３−３４２７６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−２３９７８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１４−５０４６８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１４／００７８０２（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ２５Ｂ １／００− １／４６

Ｃ２５Ｂ １５／００−１５／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

水電解装置であって：
側壁を備える筐体；及び
前記筐体内のイオン交換膜型電解セルであって、第１の側部、前記第１の側部に対応する第２の側部、イオン交換膜、陰極、陽極、水管、水素出力管、及び酸素出力管を備え、前記イオン交換膜は前記陰極と前記陽極との間に構成される、イオン交換膜型電解セル；及び、
前記イオン交換膜型電解セルに結合された一体化流路モジュール；
を備え、
前記一体化流路モジュールは、
前記イオン交換膜型電解セルに結合され、前記イオン交換膜型電解セルに水を補給するように構成された、水槽；
前記水槽から前記イオン交換膜型電解セルへ水を供給するために、前記水管に結合された水通口；及び、
前記水素出力管から水素を受容するように構成された水素通口を有する気体流路；を備える、水電解装置。

【請求項2】

前記陽極は前記イオン交換膜と前記第２の側部との間に存在し、前記陰極は前記イオン交換膜と前記第１の側部との間に存在し；前記酸素出力管は前記イオン交換膜と前記第２の側部との間の領域から前記第２の側部に延在して前記第２の側部を貫通し；前記水素出力管は前記イオン交換膜と前記第１の側部との間の前記領域から前記第２の側部に延在して前記第２の側部を貫通する、請求項１に記載の水電解装置。

【請求項3】

前記陽極は前記イオン交換膜と前記第１の側部との間に存在し、前記陰極は前記イオン交換膜と前記第２の側部との間に位置し；前記水素出力管は前記イオン交換膜と前記第２の側部との間の前記領域から延在して前記第２の側部を貫通し；前記酸素出力管は前記イオン交換膜と前記第１の側部との間の前記領域から延在して前記第１の側部を貫通する、請求項１に記載の水電解装置。

【請求項4】

前記イオン交換膜型電解セルは陰極室及び陽極室を備え、前記陰極室は前記陰極、陰極封止板、及び陰極導電板を備え；前記陽極室は前記陽極、陽極封止板、陽極導電板、及び陽極外板を備える、請求項１に記載の電解装置。

【請求項5】

前記水管は、前記陰極導電板、及び前記陰極封止板を貫通して前記陰極室及び水槽を連通させるように構成され、前記水槽の水は前記水管を経由して前記陰極室に流入して前記陰極室を補給する、請求項４に記載の水電解装置。

【請求項6】

前記一体化流路モジュールは、前記酸素出力管から酸素を受容するように構成された酸素通口を備える、請求項１に記載の水電解装置。

【請求項7】

気体管、及び気体ポンプを更に備え、前記気体管は水素出力管に結合されて水素を受容し、前記気体ポンプは空気を前記気体管中に吸引して前記気体管内部の水素濃度を希釈する、請求項１に記載の水電解装置。

【請求項8】

前記気体管に結合されて希釈済み水素を受容する気体混合室を更に備え、該気体混合室は水素との混合により健康上有益な気体を形成する霧状気体を選択的に発生させ、該霧状気体は水蒸気、霧化溶液、揮発性芳香油、またはそれらの任意の組合せである、請求項７に記載の水電解装置。

【請求項9】

前記気体ポンプは前記気体管を経由して気体流入口に結合され；前記気体流入口における気体の流動方向と前記気体管における気体の流動方向との間の角度は、９０度未満である、請求項７に記載の水電解装置。

【請求項10】

前記一体化流路モジュールは、前記水素通口と結合された分離槽を備える、請求項１に記載の水電解装置。

【請求項11】

前記気体管に結合され、前記水素濃度が第２の閾値に到達するかどうかを検出するように構成された水素濃度検出器を備え、
前記水素濃度検出器は、前記水素濃度が前記第２の閾値より高いとき第２の警告信号を発生さするように構成され、前記イオン交換膜型電解セルは、前記第２の警告信号が発生した後、停止するように構成されている、請求項７に記載の水電解装置。

【請求項12】

前記水素濃度検出器、前記気体ポンプ、及び前記イオン交換膜型電解セルに結合された制御器を備え、
前記水素濃度検出器は、前記水素濃度が第１の閾値より高いとき第１の警告信号を発生さするように構成され、前記制御器は、前記第１の警告信号を受信すると前記気体ポンプを作動させるための起動指令を発生させる、請求項１１に記載の水電解装置。

【請求項13】

前記水素出力管及び前記酸素出力管は、前記イオン交換膜型電解セルの前記第２の側部から、水素及び酸素を出力するように構成されている、請求項１に記載の水電解装置。

【請求項14】

前記イオン交換膜型電解セルは、前記イオン交換膜の両側にそれぞれ位置する陰極室及び陽極室を備え、前記イオン交換膜は膜体、陰極触媒層、及び陽極触媒層を備え；前記陰極触媒層及び前記陽極触媒層は前記膜体の２側面にそれぞれ位置し；前記陰極触媒層は前記陰極室に位置し、前記陽極触媒層は前記陽極室に位置し；前記陽極触媒層はＰｔ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｐｔ合金粉末、炭素、及びそれらの組合せから成る群から選択された１種から成り、前記陰極触媒層はＰｔ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｐｔ合金粉末、及びそれらの組合せから成る群から選択された１種から成り、前記膜体はＮａｆｉｏｎ（登録商標）膜である、請求項１に記載の水電解装置。

【請求項15】

高電力口及び低電力口を備えた電源であって；前記低電力口から出力される電力は前記高電力口からの出力電力の５０％未満であり；前記高電力口は第１の電圧及び第１の電流を出力し、前記低電力口は第２の電圧及び第２の電流を出力し；前記第１の電圧は前記第２の電圧より低く、前記第１の電流は前記第２の電流より大きい、電源を更に備える、請求項１に記載の水電解装置。

【請求項16】

操作盤を備え、前記水電解装置の体積は８．５リットル未満であり、前記操作盤により調整される前記水電解装置の水素生成率は１２０ｍｌ／分〜６００ｍｌ／分の範囲にある、請求項１に記載の水電解装置。

【請求項17】

水電解装置であって：
水を収容する水槽；
イオン交換膜、陰極、陽極、水素出力管、及び酸素出力管を備えたイオン交換膜型電解セルであって；水を電気分解すると前記陰極が水素を発生させると共に前記陽極が酸素を発生させ；前記水素出力管は水素を出力するように構成されると共に酸素出力管は酸素及び残存水を出力するように構成される、イオン交換膜型電解セル；及び
水流入口、水流出口、及び酸素導入管を備えた予熱槽であって；前記水流入口は前記水槽に結合されて水を受容し、水は前記水流出口から前記イオン交換膜型電解セルへ出力され、前記酸素導入管は前記酸素出力管に結合され、残存水及び酸素が前記酸素導入管を経由して出力される、水予熱槽；を備え、
前記酸素導入管から出力された残存水は前記水予熱槽の水を予熱することができる、水電解装置。

【請求項18】

前記酸素及び前記水素は前記イオン交換膜型電解セルの同一の側から出力され、
前記水予熱槽の容積は前記水槽の容積より小さい、請求項１７に記載の電解装置。

【請求項19】

前記予熱槽は、複数の冷却フィン及び第２のファンを更に備え、前記冷却フィンは前記予熱槽の外壁上に半径方向に構成され、前記第２のファンは前記予熱槽の端部と接しており、前記予熱槽を冷却する、請求項１７に記載の水電解装置。

【請求項20】

水電解装置であって：
水を電気分解するように構成されると共に第２の側部、イオン交換膜、陰極、陽極、水素出力管、及び酸素出力管を備え、前記イオン交換膜は前記陰極と前記陽極との間に構成された、イオン交換膜型電解セルであって；該イオン交換膜型電解セルが水を電気分解すると前記陰極は前記水素出力管を経由して出力する水素を発生させ、前記陽極は前記酸素出力管を経由して出力する酸素を発生させる、イオン交換膜型電解セル；及び
一体化流路モジュールであって：
前記イオン交換膜型電解セルに結合された水槽であって、前記イオン交換膜型電解セルに水を補給するように構成されて頂部が前記イオン交換膜型電解セルの頂部より高い、水槽；
前記イオン交換膜型電解セルに結合されて水素を輸送するように構成された気体流路であって；前記イオン交換膜型電解セルの前記第２の側部は前記一体化流路モジュールに対向し、酸素及び水素は前記第２の側部から前記気体流路に出力され、水は前記第２の側部から前記イオン交換膜型電解セルへ入力される、気体流路；及び
前記気体流路から水素を受容する気体混合室であって、水素との混合により健康上有益な気体を形成する霧状気体を選択的に発生させ、前記霧状気体は水蒸気、霧化溶液、揮発性芳香油、またはそれらの任意の組合せである、気体混合室
を備えた、一体化流路モジュールを備える、水電解装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、水電解装置、より具体的には、同一の側から水素及び酸素を出力するイオン交換膜型電解セルを備えた水電解装置を提供する。

【背景技術】

【0002】

人々が常時より多くの関心を健康状態に向けるようになっている中で、医療技術の開発の多くは病気の治療及び人間寿命の長寿化を目標とすることが多い。これまでの治療の大部分は受動的なものであり、病気は起きてから初めて治療されていた。治療には、手術、投薬治療、放射線療法、または場合によっては癌に対する医療措置が含まれ得る。しかし、近年では、医療専門家による研究の大部分は、健康食品の研究、検診及び遺伝病の防止等の、予防医療法に徐々に向かいつつあり、これにより将来の疾病の発生は積極的に防止されることになる。寿命長寿化への関心から、スキンケア製品及び酸化防止食品／薬剤等の、多くの抗老化及び酸化防止技術が徐々に開発されており、一般の人々に益々人気を博しつつある。

【0003】

研究により、人体中には遊離基としても公知である不安定酸素種（Ｏ＋）が存在することが見出されている。通常、疾病、食餌療法、環境及び個人の生活様式に起因して生成される遊離基は、吸入水素との反応により水形態で排泄され得る。この方法により人体中の遊離基の量は低減可能であり、それにより身体状態は酸性からアルカリ性に回復され、酸化防止、抗老化及び美容健康効果の達成及び、慢性疾患の除去さえも可能となる。更に、高濃度の酸素を長期間に亘って吸入する必要のある患者は肺障害を経験することになり得ることを示す臨床実験も存在するが、こうした肺障害は水素の吸入によって回復する可能性もある。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

水素の吸入効率を高めるために水素吸入時間を増大させるのは有効な方法である。しかし、先行技術では電解装置は嵩高であった；更に、水素吸入に日中時間を十分に割当てるのは容易でない。したがって、睡眠時間を水素吸入に利用することは有効な方法であろう。しかし、上述のように、従来の電解装置は嵩高である。電解装置の体積を低減させながらも如何に十分な水素量を維持させるかが解決を待ち望まれる課題である。

【0005】

健康管理に加えて、水素は、加熱または燃焼用の水素炎の発生に、またはエンジンの炭素付着物の除去にも使用され得る。一般に、水素は高運転温度の下で電解水を電気分解することにより発生される。電解装置の温度はファンにより冷却される。ファンに何らかの不具合が存在する場合には、水素爆発が起こり得る。また、電解装置により発生させた気体は、吸入に好適ではない電解質を通常有している。同時に、電解質は電気分解中に消失されるものでもある。

【0006】

上記の課題に鑑みて、本発明の目的は水電解装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明は筐体及びイオン交換膜型電解セルを備えた水電解装置を提供する。筐体は側壁を備える。イオン交換膜型電解セルは筐体内の非中央部に構成される。イオン交換膜型電解セルは、第１の側部、第１の側部に対応する第２の側部、イオン交換膜、陰極、陽極、水素出力管、及び酸素出力管を備える。イオン交換膜は陰極と陽極との間に構成される。イオン交換膜型電解セルが水を電気分解すると、陰極は水素を発生させ、この水素が水素出力管を経由して出力される。陽極は酸素を発生させ、この酸素が酸素出力管を経由して出力される。第１の側部は側壁に対向するため、水素及び酸素はイオン交換膜型電解セルの第２の側部から出力される。

【0008】

実施形態では、陽極はイオン交換膜及び第２の側部の間に構成される。陰極はイオン交換膜と第１の側部との間に構成される。酸素出力管はイオン交換膜と第２の側部との間の領域から第２の側部に延在してこの第２の側部を貫通する。水素出力管はイオン交換膜と第１の側部との間の領域から第２の側部に延在してこの第２の側部を貫通する。

【0009】

実施形態では、陽極はイオン交換膜と第１の側部との間に構成される。陰極はイオン交換膜及び第２の側部の間に位置する。水素出力管はイオン交換膜と第２の側部との間の領域から延在してこの第２の側部を貫通する。酸素出力管はイオン交換膜と第１の側部との間の領域から延在してこの第１の側部を貫通する。

【0010】

実施形態では、イオン交換膜型電解セルは陰極室及び陽極室を備える。陰極室は、陰極、陰極封止板、陰極導電板、及び陰極外板を備える。陽極室は、陽極、陽極封止板、陽極導電板、及び陽極外板を備える。

【0011】

実施形態では、イオン交換膜型電解セルは、陰極外板を貫通する水管、陰極導電板、及び陰極室及び水槽の連通に供される陰極封止板を更に備える。水槽の水は水管経由で陰極室に流入して陰極室の補給に供される。

【0012】

実施形態では、電解装置は、気体管、ファン、及び気体ポンプを更に備える。気体管は水素出力管に結合されて水素の受容に供される。ファンは電解装置の外部環境から電解装置中に空気を吸引し、気体ポンプはこの空気を気体管中に吸引して気体管内部の水素濃度を希釈する。

【0013】

実施形態では、電解装置は、気体管に結合されて希釈済み水素を受容する気体混合室を更に備える。気体混合室は、水素との混合により健康上有益な気体を形成する霧状気体を選択的に発生させる。この霧状気体は、水蒸気、霧化溶液、揮発性芳香油、およびそれらの任意の組合せから成る群から選択される１種である。

【0014】

実施形態では、気体ポンプは気体流入口経由で気体管に結合され、気体流入口と気体管との間の連結位置には角度が設けられるが、その角度は９０度未満である。別の実施形態では、この角度は２５度〜４５度の範囲にあり、角度を有する連結位置の形状は弧角を成す。

【0015】

請求項に係る電解装置は、水素濃度検出器及び制御器を更に備える。水素濃度検出器は気体管に結合されて、気体管中の水素濃度が第１の閾値〜第２の閾値の範囲にあるかどうかを検出する。水素濃度検出器は、検出水素濃度が第１の閾値より高いとき第１の警告信号を発生させる。制御器は、水素濃度検出器、気体ポンプ、及びイオン交換膜型電解セルに結合される。制御器は第１の警告信号を受信したとき気体ポンプ作動用の起動指令を発生させる。

【0016】

実施形態では、水素濃度検出器は、検出水素濃度が第２の閾値より高いとき第２の警告信号を発生させる。制御器は、第２の警告信号を受信するとイオン交換膜型電解セルを停止させるための停止指令を発生させる。第１の閾値は４％であり、第２の閾値は６％であり、その範囲は４％〜６％である。

【0017】

実施形態では、イオン交換膜は、膜体、陰極触媒層、及び陽極触媒層を備える。陽極触媒層は、膜体の２側面にそれぞれ位置し、陰極触媒層は陰極室に位置し、陽極触媒層は陽極室に位置する。陽極触媒層は、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｐｔ合金の粉末、炭素、およびそれらの組合せから成る群から選択される１種であり；陰極触媒層はＰｔ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｐｔ合金の粉末、及びそれらの組合せから成る群から選択される１種であり、膜体はＮａｆｉｏｎ膜である。

【0018】

実施形態では、電解装置は、水槽の水位検出用の水位計を更に備える。

【0019】

電解装置は電源を更に備える。電源は高電力口及び低電力口を備える。低電力口から出力される電力は、前記高電力口からの出力電力の５０％未満である。高電力口は第１の電圧及び第１の電流を出力し、低電力口は第２の電圧及び第２の電流を出力する。第１の電圧は第２の電圧より低く、第１の電流は第２の電流より大きい。

【0020】

実施形態では、電解装置は操作盤を更に備え得るが；電解装置の体積は８．５リットル未満であり、操作盤により調整される電解装置の水素生成率は１２０ｍｌ／分〜６００ｍｌ／分の範囲である。

【0021】

本発明はまた、水槽、イオン交換膜型電解セル、及び予熱槽を備えた別の電解装置を提供する。水槽は水を収容する。イオン交換膜型電解セルは水槽からの水を受容する。イオン交換膜型電解セルは、イオン交換膜、陰極、陽極、水素出力管、及び酸素出力管を備える。イオン交換膜型電解セルが水を電気分解すると、陰極は水素を発生させると共に陽極は酸素を発生させる。水素出力管は水素の出力用に使用され、酸素出力管は酸素及び残存水の出力用に使用される。

【0022】

予熱槽は、水流入口、水流出口、及び酸素導入管を備える。水流入口は水槽に結合されて水を受容する。水は水流出口からイオン交換膜型電解セルに出力される。酸素導入管は酸素出力管に結合され、電気分解後の高温度残存水及び酸素は酸素導入管を経由して予熱槽に出力される。酸素及び水素はイオン交換膜型電解セルの同一の側から出力される。酸素導入管から出力された高温度水は予熱槽中の水を予熱する。

【0023】

予熱槽中の水は５５℃〜６５℃の温度に予熱され、予熱槽の容積は水槽の容積よりも小さい。

【0024】

実施形態では、予熱槽は複数の冷却フィン及び第２のファンを更に備え；冷却フィンは予熱槽の外壁に半径方向に構成され、第２のファンは予熱槽冷却のために予熱槽の端部上に構成される。

【0025】

本発明は、イオン交換膜型電解セル及び一体型流路モジュールを備えた別の電解装置を更に提供する。イオン交換膜型電解セルは水を電気分解するように構成される。イオン交換膜型電解セルは、第２の側部、イオン交換膜、陰極、陽極、水素出力管、及び酸素出力管を備える。イオン交換膜は陰極と陽極との間に構成される。イオン交換膜型電解セルが水を電気分解すると、陰極は水素を発生させて、この水素が水素出力管を経由して出力され、陽極は酸素を発生させて、この酸素が酸素出力管を経由して出力される。一体型流路モジュールは水槽及び気体流路を有する。水槽はイオン交換膜型電解セルに結合されてイオン交換膜型電解セルへ水を補給する。水槽の頂部はイオン交換膜型電解セルの頂部より位置が高い。気体流路はイオン交換膜型電解セルに結合されて水素の輸送に供される。イオン交換膜型電解セルの第２の側部は一体型流路モジュールに対向する。酸素及び水素は第２の側部から気体流路に出力される。水は第２の側部からイオン交換膜型電解セルに入力される。

【0026】

先行技術と比べて、イオン交換膜型電解セルは水素及び酸素を同一の側で出力する。更に、イオン交換膜型電解セル、水槽、気体管、ファン、気体ポンプ、操作盤、気体混合室、及び他の装置は筐体中の限られた容積内に構成される。したがって、本発明は十分な水素生成を維持すると共に筐体中に収容空間を可能な限り広く提供する。本発明は、空間使用上効率的で、小型かつ低騒音の水電解装置を提供するものであり、電解装置はユーザにより好都合に使用可能である。

【0027】

実施形態のうちの一部を図を参照しながら詳細に説明するが、類似する符号は類似する部材を示すものとする。

【図面の簡単な説明】

【0028】

【図1A】図１Ａは本発明の電解装置の一実施形態の外観図を示す。

【図1B】図１Ｂは本発明の図１Ａの外殻を除去した電解装置の外観図を示す。

【図1C】図１Ｃは本発明の電解装置の一実施形態の機能ブロック図を示す。

【図2A】図２Ａは本発明のイオン交換膜型電解セルの一実施形態の概略断面図を示す。

【図2B】図２Ｂは本発明のイオン交換膜型電解セルの別の実施形態の概略断面図を示す。

【図2C】図２Ｃは本発明の図２Ａに従った一実施形態の概略断面図を示す。

【図3】図３は本発明のイオン交換膜型電解セルの一実施形態の分解図を示す。

【図4】図４は本発明のイオン交換膜型電解セルの図３の別の分解図を示す。

【図5A】図５Ａは本発明のイオン交換膜型電解セルの別の視角による組立図を示す。

【図5B】図５Ｂは本発明のイオン交換膜型電解セルの別の視角による組立図を示す。

【図6】図６は本発明の電解装置の一実施形態の分解図を示す。

【図7A】図７Ａは本発明の電解装置の別の視角による分解図及を示す。

【図7B】図７Ｂは本発明の電解装置の別の視角による組立図を示す。

【図8A】図８Ａは本発明の電解装置の一実施形態の上面図を示す。

【図8B】図８Ｂは本発明の図８Ａの線Ｄ―Ｄに従った概略断面図を示す。

【図9】図９は本発明の図８Ａの線Ｑ―Ｑに従った概略断面図を示す。

【図10】図１０は本発明の電解装置の一実施形態の概略図を示す。

【図11】図１１は本発明の一体型流路モジュールの一実施形態の概略図を示す。

【発明を実施するための形態】

【0029】

本発明の利点、趣旨、及び特徴を実施形態及び図を用いて以下に説明及び検討を行う。

【0030】

開示に係る設備及び方法の実施形態の詳細な説明を、図を参照しながら限定的ではない例示を用いて本明細書中に以下行うこととする。ある特定の実施形態を示すことによりこれらを詳細に説明するが、添付の請求項の適用範囲から逸脱しない限り種々の変更及び修正が可能であると理解すべきである。本発明の適用範囲は、構成部品数、それらの材料、それらの形状、それらの相対的配置等に限定されることは決してなく、本発明の実施形態の単なる例として開示されるものである。

【0031】

本明細書の説明中、「実施形態では」、「別の実施形態では」、または「一部の実施形態では」の用語は、本実施形態の特有の特徴、構造、材料または特性が本発明の少なくとも１つの実施形態にも含まれることを意味する。本明細書の説明中、上記用語に係る説明図は必ずしも同一の実施形態を指すとは限らない。更に、説明に係る特有の特徴、構造、材料または特性は、適当な方法で任意の１つ以上の実施形態に含まれ得る。

【0032】

本明細書の実施形態中、用語「または」には、列記した部品の一部の組合せ、及び列記した部品の全部の組合せが含まれる。例えば、「ＡまたはＢ」の説明には、Ａのみ、Ｂのみ、及びＡとＢの両方が含まれる。更に、本発明の要素または部品の前に付した語「ａ」および「ｔｈｅ」は、要素または部品の数を限定するものではない。したがって、用語「ａ」及び「ｔｈｅ」は、１つまたは少なくとも１つを含むように読取られるべきである。また、要素または部品の単数形態は、単数形態の数を明確に指すものでない限り複数形態も含む。

【0033】

図１Ａ〜図１Ｃを参照する。図１Ａは本発明の電解装置の一実施形態の外観図を示す。図１Ｂは外殻を除去した本発明の図１Ａの電解装置の外観図を示す。図１Ｃは本発明の電解装置の一実施形態の機能ブロック図を示す。本発明の電解装置は筐体１００及び操作盤１０２を備える。筐体１００は側壁及び基部を備える。水槽１０及びイオン交換膜型電解セル１２は筐体１００内に構成される。水槽１０は操作盤１０２とは反対側の側面に構成される。水槽１０はイオン交換膜型電解セル１２に水を提供するように構成される。イオン交換膜型電解セル１２は操作盤１０２と水槽１０との間に構成され、イオン交換膜型電解セル１２は筐体内の非中央部に配置される。イオン交換膜型電解セル１２は水を電気分解して水素を発生させる。実施形態では、水は高純度水素調製用の脱イオン化水である。しかし、水は脱イオン化水に限定されない。

【0034】

図２Ａ及び図２Ｂを参照する。図２Ａは本発明のイオン交換膜型電解セルの一実施形態の概略断面図を示す。図２Ｂは本発明のイオン交換膜型電解セルの別の実施形態の概略断面図を示す。図２Ａ及び図２Ｂを使用して本段落において本発明の主な特徴を簡単に説明する。図２Ａを参照する。イオン交換膜型電解セル１２は、第１の側部Ｓ１、第１の側部Ｓ１に対応する第２の側部Ｓ２、イオン交換膜１２０、陰極１２３、陽極１２４、水素出力管２１、及び酸素出力管２２を備える。イオン交換膜１２０は第１の側部Ｓ１と第２の側部Ｓ２との間に構成される。陰極１２３は第１の側部Ｓ１とイオン交換膜１２０との間に構成される。陽極１２４は第２の側部Ｓ２とイオン交換膜１２０との間に構成される。第１の側部Ｓ１及び陰極１２３を有する領域を陰極室１２０１と呼ぶこととする。第２の側部Ｓ２及び陽極１２４を有する領域を陽極室１２０２と呼ぶこととする。しかし、陰極室１２０１及び陽極室１２０２に対応する位置をより明確に表現するために、陰極室１２０１及び陽極室１２０２の位置を図２Ａ中に破線で示す。水素出力管２１はイオン交換膜１２０及び第１の側部Ｓ１の間の領域から第２の側部Ｓ２に延在し、この第２の側部Ｓ２を貫通する。酸素出力管２２はイオン交換膜１２０及び第２の側部Ｓ２の間の領域から第２の側部Ｓ２に延在し、この第２の側部Ｓ２を貫通する。イオン交換膜型電解セル１２は水を電気分解する一方、陰極１２３は水素を発生させると共に陽極１２４は酸素を発生させる。本発明の主な特徴は、水素及び酸素がイオン交換膜型電解セル１２の第２の側部Ｓ２からそれぞれ水素出力管２１及び酸素出力管２２を経由して出力されることである。本実施形態では、水素出力管２１及び酸素出力管２２は水素及び酸素をイオン交換膜型電解セル１２の陽極室１２０２の近傍の側部から出力させる。

【0035】

しかし、本発明の水素出力管２１及び酸素出力管２２の位置は説明した実施形態に限定されない。図２Ｂを参照する。図２Ｂに示すイオン交換膜型電解セル１２の部品は、図２Ａ中の部品と同一である。相違は、図２Ｂ中の第１の側部Ｓ１及び第２の側部Ｓ２の位置が図２Ａ中の位置とは反対側にある点にある。したがって、図２Ｂでは、陽極１２４は第１の側部Ｓ１とイオン交換膜１２０との間に構成される。陰極１２３は第２の側部Ｓ２とイオン交換膜１２０との間に構成される。陽極室１２０２は第１の側部Ｓ１及び陽極１２４を有する。陰極室１２０１は第２の側部Ｓ２及び陰極１２３を有する。水素出力管２１はイオン交換膜１２０及び第２の側部Ｓ２の間の領域から第２の側部Ｓ２に延在し、この第２の側部Ｓ２を貫通する。酸素出力管２２はイオン交換膜１２０及び第１の側部Ｓ１の間の領域から第２の側部Ｓ２に延在し、この第２の側部Ｓ２を貫通する。イオン交換膜型電解セル１２は水を電気分解する一方、陰極１２３は水素を発生させると共に陽極１２４は酸素を発生させる。本発明の主な特徴は、水素及び酸素がイオン交換膜型電解セル１２の第２の側部Ｓ２からそれぞれ水素出力管２１及び酸素出力管２２を経由して出力される点にある。本実施形態では、水素出力管２１及び酸素出力管２２は、水素及び酸素をイオン交換膜型電解セル１２の陰極室１２０１近傍の側部から引出される。このことは、設計またはユーザの要求に応じて水素出力管２１及び酸素出力管２２をイオン交換膜型電解セル１２のいずれの側にも構成可能であることも示唆している。

【0036】

図２Ｃを参照する。図２Ｃは本発明の図２Ａに従った一実施形態の概略断面図を示す。イオン交換膜型電解セル１２は図２Ｃ示すように、イオン交換膜１２０、陰極室１２０１、及び陽極室１２０２を備える。陰極室１２０１は陰極１２３を収容し、陽極室１２０２は陽極１２４を収容する。イオン交換膜型電解セル１２は陰極室１２０１と陽極室１２０２との間に構成される。イオン交換膜型電解セル１２は水を電気分解する一方、陰極１２３は水素を発生させると共に陽極１２４は酸素を発生させる。実施形態では、陽極室１２０２は水を収容する。陽極室１２０２中の水は、イオン膜１２０を介して陰極室１２０１中に更に浸透し得る。一方、図２Ａ、図２Ｂ、及び図２Ｃはイオン交換膜型電解セル１２内部の構造を説明するための概略断面図であるが、実際のイオン交換膜型電解セル１２を開示するものではない。図２Ｃ中の空白領域は、イオン交換膜型電解セル１２の筐体を示す。

【0037】

イオン交換膜１２０は図２Ｃに示すように、イオン交換膜体１２０３、陽極触媒層１２８及び陰極触媒層１２７を備える。イオン交換膜体１２０３はプロトン交換膜であり得る。より望ましい実施形態では、イオン交換膜体はＮａｆｉｏｎ膜である。陽極触媒層１２８は、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｐｔ合金の粉末、炭素またはそれらの任意の組合せから成る群から選択され得る。陰極触媒層１２７は、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｐｔ合金の粉末、またはそれらの任意の組合せから成る群から選択され得る。実施形態では、陽極触媒層１２８または陰極触媒層１２７の材料は、陽極触媒層１２８及び陰極触媒層１２７を形成するようイオン膜の２側面上に配したスラリーであり得る。実際には、触媒層により水素は発生可能であり、陰極１２３によって水素は発生させ得ない；水素はイオン交換膜体１２０３と陰極１２３との間で発生され得る。したがって、先行技術と比較して、本発明のイオン交換膜型電解セル１２は、セルの腐食、環境汚染、または不完全濾過による電解質気体吸入等の、いくつかの問題を防止可能である。

【0038】

図２Ａ〜図２Ｃを参照する。陰極室１２０１は、陰極圧板１２１、陰極１２３、陰極封止板１２５、及び陰極触媒層１２７を内部に備える。陽極室１２０２は、陽極圧板１２２、陽極１２４、陽極封止板１２６、及び陽極触媒層１２８を内部に備える。図２Ａ中の第１の側部Ｓ１及び第２の側部Ｓ２は、図２Ｃ中の陰極圧板１２１及び陽極圧板１２２にそれぞれ対応する。他方、図２Ｂ中の第１の側部Ｓ１及び第２の側部Ｓ２は、図２Ｃ中の陽極圧板１２２及び陰極圧板１２１にそれぞれ対応する。イオン交換膜型電解セル１２は、水素出力管２１、酸素出力管２２、及び水管２４を備える。酸素出力管２２は酸素を出力させるように構成され、水素出力管２１は陰極室１２０１内に発生させた水素を出力させるように構成される。水素出力管２１は図２Ｃに示すように、陰極封止板１２５、陽極封止板１２６、陽極１２４、及び陽極圧板１２２を貫通する。したがって、陰極室１２０１はイオン交換膜型電解セル１２外部の環境に接続されて水素を出力させ得る。酸素出力管２２は陽極室１２０２内に発生した酸素を出力させるように構成される。酸素出力管２２は、陽極室１２０２がイオン交換膜型電解セル１２の外部環境に接続されて酸素の出力を可能にするように、陽極１２４及び陽極圧板１２２を貫通する。水管２４は陽極１２４及び陽極圧板１２２を貫通する。水管２４は、水槽１０に接続されて水槽１０中の水を陽極室１２０２中に導入させ得る。したがって、イオン交換膜型電解セル１２中の電気分解用の水は補給されることになる。水素出力管２１及び酸素出力管２２はイオン交換膜型電解セル１２の同一の側に構成されるため、酸素及び水素はイオン交換膜型電解セル１２の同一の側で出力される。本実施形態では、水素出力管２１、酸素出力管２２、及び水管２４の全ては、陽極圧板１２２を貫通し、陽極圧板１２２に構成される。本発明は説明した実施形態には限定されない。同様の構造であれば、図２Ｂ中に第２の側部Ｓ２として示したように、水素出力管２１、酸素出力管２２、及び水管２４は、陰極圧板１２１を貫通させてこの上に配設させることも可能である。

【0039】

先行技術では、気体及び水をイオン交換膜型電解セルの２側、場合によっては３側から出力させていたため、イオン交換膜型電解セル用の大型の収容空間ならびに続配管及び接続管路を確保しなければならなかった。本発明では、酸素及び水素をイオン交換膜型電解セル１２の同一の側で出力させるため、イオン交換膜型電解セル周囲空間の有効使用が可能である。

【0040】

図３及び図４を参照する。図３は本発明のイオン交換膜型電解セルの一実施形態の分解図を示す。図４は本発明のイオン交換膜型電解セルの図３とは別の分解図を示す。イオン交換膜１２０はイオン交換膜周縁板１２０４を更に備え、イオン交換膜体１２０３、陰極触媒層１２７、及び陽極触媒層１２８の相対的位置のイオン交換膜型電解セル１２中での固定に供される。図３及び図４はイオン交換膜型電解セル１２の各部品の相対的位置を示す。このように、イオン交換膜型電解セル１２に含まれる各部品は、図３及び図４に示すような積重ね順に従って組立て可能である。

【0041】

図３及び図４を参照する。実施形態では、イオン交換膜周縁板１２０４、陰極封止板１２５、及び陽極封止板１２６は、絶縁及び気密等の効果が得られるように極板周囲に構成可能である。イオン交換膜周縁板１２０４の材料はシリコーンゲルであり得る。しかし、イオン交換膜周縁板１２０４の材料及び設置方法は上記の材料及び設置方法に限定されない。実際には、イオン交換膜周縁板１２０４の材料及び設置方法は、絶縁及び気密等の効果を付与し得る任意の種類の材料または設置方法であり得る。

【0042】

図３及び図４に示すように、水素出力管２１は、陰極室１２０１内に発生した水素が陽極圧板１２２の側面から水素出力管２１及びイオン交換膜周縁板１２０４を経由して出力され得るように、陰極封止板１２５、イオン交換膜周縁板１２０４、陽極封止板１２６、陽極１２４、及び陽極圧板１２２を貫通し；酸素出力管２２は、陽極室１２０２内に発生した酸素が陽極圧板１２２の側面から酸素出力管２２を経由して出力され得るように、陽極１２４及び陽極圧板１２２を貫通する。水管２４は陽極１２４及び陽極圧板１２２を貫通する。水管２４は、水槽１０に接続されて水槽１０中の水の陽極室１２０２中への導入に供される。これにより、イオン交換膜型電解セル１２中の電気分解用の水は補給されることになる。ガスケット２５は水素出力管２１、酸素出力管２２、水管２４、及び陽極圧板１２２の間に構成される。ガスケット２５は、水素出力管２１、酸素出力管２２、水管２４、及び陽極圧板１２２の間で空間を封止するように構成される。

【0043】

図３及び図４に示すように、陰極１２３は陰極導電板１２３−１及び陰極導電板１２３−２を備え；陽極１２４は陽極導電板１２４−１及び陽極導電板１２４−２を備える。実施形態では、各導電板はチタン粉末鋳片であり、各導電板の材料はチタンであり得る。しかし、実際には、上記の材料または成型方法に限定されない。図３に示すように、実施形態では、陰極導電板１２３−２はイオン交換膜１２０／イオン交換膜体１２０３と陰極導電板１２３−１との間に構成可能であり；陽極導電板１２４−２はイオン交換膜１２０／イオン交換膜体１２０３と陽極導電板１２４−１との間に構成可能である。イオン交換膜型電解セル１２は、陰極導電板１２３−１及び陽極導電板１２４−１によって電源と接続され得る。実施形態では、図３に示す陽極導電板１２４−１中及び図４に示す陰極導電板１２３−１中にそれぞれ設計された流路が存在している。陰極導電板１２３−１及び陰極導電板１２３−２が重なり合う一方、複数の陰極空洞１２３−３が陰極室１２０１中に形成される。陽極導電板１２４−１及び陽極導電板１２４−２が重なり合う一方、複数の陽極空洞１２４−３が陽極室１２０２中に形成される。陰極空洞１２３−３及び陽極空洞１２４−３は空気及び水をその中で循環させるように使用され得る。陽極空洞１２４−３は酸素出力管２２に接続され、陰極空洞１２３−３は水素出力管２１に接続される。

【0044】

図５Ａ及び図５Ｂを参照する。図５Ａ及び図５Ｂは本発明のイオン交換膜型電解セルの別の視角による組立図を示す。陰極圧板１２１及び陽極圧板１２２は、イオン交換膜型電解セル１２の２外側面にそれぞれ配設されてイオン交換膜型電解セル１２全体の固定、分離、及び保護に供される。陰極圧板１２１及び陽極圧板１２２の材料はステンレス鋼であり得る。実施形態では、イオン交換膜型電解セル１２の組立後、イオン交換膜型電解セル１２は図６に示す固定要素により固定され得る。しかし、量、型式及び固定方法は同図に限定されない。図６に示すように、組立状態のイオン交換膜型電解セル１２の体積は比較的小さい。このように、本発明の電解装置の体積はコンパクトである。

【0045】

図１Ｃ、図６、図７Ａ及び図７Ｂを参照する。図６は本発明の電解装置の一実施形態の分解図を示す。図７Ａ及び図７Ｂは本発明の電解装置の別の視角による分解図及び組立図を示す。説明の明確化のために必要な部品のみを示す。本発明の電解装置１は水槽１０及び上記のイオン交換膜型電解セル１２を備え；更に、電解装置１はまた気体管１１、気体ポンプ１３、ファン１５、気体混合室１６、水素濃度検出器１８、制御器１４、分離槽３０、及び水位計４０を備える。分離槽３０は水槽１０中の分離室に配置される。実施形態では、水位計４０は水槽１０の水位検出に供される。水位計４０は水槽１０の外面に構成されて、水槽１０中の水領域と無水領域との間の容積差を測定することにより水槽１０中の水体積を測定するように使用される。

【0046】

図６、図８Ａ及び図８Ｂを参照する。図８Ａは本発明の電解装置の一実施形態の上面図を示す。図８Ｂは本発明の図８Ａ中の線Ｄ―Ｄに従った概略断面図を示す。イオン交換膜型電解セル１２の水素出力管２１は、水素通口２１１により分離槽３０に結合及び接続される。イオン交換膜型電解セル１２の酸素出力管２２は、酸素通口２２２により水槽１０に結合及び接続される。滅菌器５０が水槽１０中に収納される。本実施形態では、滅菌器５０はストレート型ＵＶ滅菌器である。滅菌器５０は分離槽３０とは反対側の水槽１０中の側面に配置される。水管２４は、水槽１０中の滅菌済みの水が電気分解用のイオン交換膜型電解セル１２に補給されるように、水通口２４２により滅菌器５０近傍の水槽１０中の側面に直接接続される。

【0047】

分離槽３０は、ばね弁３２、浮き子３４、及び水素排出管３６をその中に備える。イオン交換膜型電解セル１２により発生された水素は、水素出力管２１及び水素通口２１１を経由して分離槽３０に輸送される。分離槽３０中の水素が閾値に向けて蓄積されている間、ばね弁３２は水素圧力によって開放されている。したがって、水素は水素排出管３６を経由してフィルタ６０に出力され得る。フィルタ６０は水素中の不純物を濾過する。また、イオン交換膜型電解セル１２から水素が出力されたとき、この水素は多少の残存電解水を含有している可能性がある。残存電解水は分離槽３０中に蓄積されて、浮き子３４が水位上昇に伴って浮上する。その後、浮き子３４により覆われた水流出口が露出され、蓄積した残存電解水は水流出口を経由して水槽１０に排出されて再利用に供される。

【0048】

電気分解により発生した酸素は、酸素通口２２２及び酸素出力管２２を経由して水槽１０に直接排出される。酸素は水槽１０の上部から外気に直接消散される。イオン交換膜型電解セル１２から出力された酸素は多少の残存電解水を含有している可能性がある。残存電解水は水槽１０に排出されて再利用に供される。

【0049】

図７Ａ、図７Ｂ、図８Ａ、及び図９を参照する。図９は本発明の図８Ａ中線Ｑ―Ｑに従った概略断面図を示す。先の段落で述べたように、水素は水素排出管３６を経由してフィルタ６０に出力され、その後フィルタ６０に収納されたフィルタカートリッジ６０２の使用により水素中の不純物が濾過される。濾過済み水素は気体管１１に輸送され、希釈されて気体混合室１６に流入する。気体管１１はフィルタ６０に接続されて濾過済み水素を受容する。気体管１１はまた気体ポンプ１３に接続される。ファン１５は電解装置１の外部環境から電解装置１中に空気を吸引し、気体ポンプ１３はこの空気を気体管１１中に吸引して気体管１１内の水素濃度の希釈に供される。上述の全部品は筐体１００中に収納される。筐体１００は複数の小孔を有する。ファン１５は筐体１００の小孔により電解装置１中に外気を吸引し、その後この吸引空気が気体ポンプ１３により気体管１１中に吸引される。本発明では、気体ポンプ１３は渦流ファンであり得る。ファン１５による吸引空気は、この空気が気体管１１に輸送され得るように、気体ポンプ１３の吸入口１３４を経由して気体ポンプ１３中に吸引される。図７Ｂ及び図９に示すように、気体ポンプ１３の気体ポンプ管１３２は気体流入口１１２を経由して気体管１１に結合される。気体管１１は第１の流動方向Ｄ１を有し、気体流入口１１２は第２の流動方向Ｄ２を有する。気体管１１中の気体は指示線上の矢印により示すように、第１の流動方向Ｄ１に気体混合室１６に流入する。気体流入口１１２中の気体は指示線上の矢印により示すように、気体管１１に第２の流動方向Ｄ２で流入する。そのため、気体ポンプ管１３２からの気体は、気体流入口１１２を経由して気体管１１に入力される。第１の流動方向Ｄ１及び第２の流動方向Ｄ２の交差部にある気体流入口１１２と気体管１１との間の連結位置には、角度Ａが設けられる。角度Ａは９０度未満である。角度Ａの好ましい角度は２５度〜４５度の範囲内である。角度Ａを有する連結位置の形状は弧角を成す。角度Ａの設計により、気体ポンプ管１３２中の空気は気体管１１中に輸送されて気体管１１中で水素を希釈させ得る。

【0050】

図９を参照する。気体混合室１６は気体管１１に接続されて濾過済、希釈済の水素を受容する。気体混合室１６は水素との混合により健康上有益な気体を形成する霧状気体を選択的に発生させる。この霧状気体は、水蒸気、霧化溶液、揮発性芳香油、及びそれらの任意の組合せから成る群から選択された１種である。気体混合室１６は加振器１６２を備える。加振器１６２は気体混合室１６中で水蒸気、霧化溶液、または揮発性芳香油を振動させることによりこれを霧化して霧状気体を発生させる。その後、霧状気体は気体混合室１６中で水素と混合されて、吸入に供される健康上有益な気体が形成される。気体混合室１６は要求に応じて選択的に作動または停止する。このことはまた、気体混合室１６及び加振器１６２が起動されて、吸入用の霧状気体を含む水素を提供し得るか；さもなければ、気体混合室１６及び加振器１６２が停止されて吸入用に水素のみを供給し得ることを意味する。ユーザは、水素または健康上有益な気体を外気中に放出させることにより、水素または健康上有益な気体を吸入し得る。また、ユーザは、管路またはマスク経由で健康上有益な気体を吸入し得る。

【0051】

水素濃度検出器１８は気体管１１に接続されて気体管１１内の水素濃度の検出に供される。制御器１４は水素濃度検出器１８、気体ポンプ１３及びイオン交換膜型電解セル１２に結合される。実施形態では、水素濃度検出器１８は水素出力管２１及び水素通口２１１に結合されてイオン交換膜型電解セル１２から出力される気体管１１内の水素濃度の検出に供され得る。水素濃度検出器１８は気体管１１中の水素濃度が範囲内にあるかどうかを検出する。この範囲は第１の閾値〜第２の閾値である。例えば、第１の閾値は４％であり第２の閾値は６％であり、水素濃度検出器１８は気体管中の水素濃度が４％〜６％にあるかどうかを検出する。第１の閾値及び第２の閾値の値は操作盤１０２を介して要求に応じて調節可能である。本実施形態では、水素濃度検出器１８は、水素出力管２１及び水素通口２１１中の検出水素濃度が第１の閾値４％より高ければ第１の警告信号を発生させる。制御器１４は第１の警告信号を受信すると起動指令を発生させる。起動指令は、気体ポンプ１３に送出されて気体ポンプ１３が作動される。水素濃度検出器１８は、水素出力管２１及び水素通口２１１中の検出水素濃度が第２の閾値の６％より高ければ第２の警告信号を発生させる。制御器１４は第２の警告信号を受信すると停止指令を発生させる。停止指令はイオン交換膜型電解セル１２に送出されてイオン交換膜型電解セル１２を停止させる。例えば、イオン交換膜型電解セル１２への入力電力が遮断されて高水素濃度による気体爆発が回避され、更には安全性全体が改善され得る。上記の第１の閾値は、気体の全体積に対する３．５％水素体積とし得る。第１の警告信号は、検出水素濃度が３．５％を超えると発生される。しかし、閾値はこの値に限定されない。

【0052】

図１０を参照する。図１０は本発明の電解装置の一実施形態の概略図を示す。実施形態では、電解装置１は、水槽１０とイオン交換膜型電解セル１２との間に構成された予熱槽１７を備える。予熱槽１７は概ね円筒状または円形の管体である。予熱槽１７は図１０では水槽１０より大きく示すが、予熱槽１７の容積は他の実施形態では水槽１０の容積より小さい。予熱槽１７は水槽１０の底部通口１０−２に結合された水流入口１７２を備える。予熱槽１７はイオン交換膜型電解セル１２の水管２４に結合された水流出口１７４を更に備える。予熱槽１７は酸素出力管２２に結合された酸素導入管１７６を更に備える。予熱槽１７は水槽１０の頂部通口１０−１結合された酸素送出管１７８を更に備える。水槽１０中の水は先ず底部通口１０−２を経由して予熱槽１７に流入し、次いで水流出口１７４を経由してイオン交換膜型電解セル１２に流入して電気分解に供される。酸素及び水の電気分解中に発生した残存電解水の一部は、酸素導入管１７６を経由して予熱槽１７中に排出される。残存電解水の一部は予熱槽１７中に残留することになる。酸素は頂部通口１０−１及び酸素送出管１７８を経由して水槽１０中に排出される。

【0053】

ところで、イオン交換膜型電解セル１２の温度は電気分解中に上昇する。電解水の温度は電気分解の効率と関連付けられる。約５５℃〜６５℃の温度範囲の電解水により電気分解効率は向上する。このため、予熱槽１７中の電解水は、イオン交換膜型電解セル１２の酸素出力管２２により排出された高温電解水の予熱槽１７中への回収により、適合温度に予熱される。この適合温度は５５℃〜６５℃の範囲とし得る。予熱槽１７中で電解水を適合温度に維持するために、予熱槽１７は複数の冷却フィン１７１及び第２のファン１７３を更に備える。冷却フィン１７１は予熱槽１７の外壁上に半径方向に構成され、第２のファン１７３は予熱槽１７の端部上に構成される。冷却フィン１７１は第２のファン１７３と共に作動して予熱槽１７を冷却させる対流を発生させる。説明単純化のために冷却フィン１７１を予熱槽１７外壁の一部上のみに示すが、冷却フィン１７１は他の実施形態では予熱槽１７の予熱槽１７上に配列可能である。

【0054】

本発明の目的は、睡眠中に電解装置１を好適に使用可能なように、十分な量の水素生成を維持しながら電解装置１の騒音及び体積を低減させることにある。したがって、本発明の主な目的は電解装置１の体積を低減させることである。例えば、本発明の電解装置１は概ね円筒状である。底部の断面最大長は２００ｍｍであり装置の高さは最大で２７０ｍｍであるため、最大体積は約８５００ｃｍ^３、即ち８．５リットルである。本発明の電解装置１の外観は円筒状に限定されず；電解装置１の外観は他の形状であってもよい。例えば、電解装置１の外観は楕円、正方形または多角形であってもよい。したがって、電解装置１の筐体により画成される収容空間は可能な限り有効に利用される。電解装置１の水素発生率の調節に対して６種類の出力設定が存在し、気体（健康上有益な気体）総量２Ｌ／分、４Ｌ／分、及び６Ｌ／分にそれぞれ対応する１２０ｍｌ／分、２４０ｍｌ／分、または３６０ｍｌ／分の水素発生率が含まれる。また、電解装置１は４００ｍｌ／分、５００ｍｌ／分、または６００ｍｌ／分の水素を出力させ得る。ユーザは操作盤によって水素発生率及び気体種類を調節し得る。ユーザは睡眠中水に素発生率を調節して騒音を低減可能であり、本発明をユーザ頭部の近傍に配置可能である。

【0055】

図１Ｃを再び参照する。実施形態では、電解装置１は、本管を切換えて２４０ワットの直流電流を電解装置１に出力可能な電源８０を備える。電源８０は高電力口８０１及び低電力口８０２を備える。高電力口８０１はイオン交換膜型電解セル１２に結合されて電気分解反応での電力の供給に供される。低電力口８０２は、気体ポンプ１３、制御器１４、ファン１５、及び水素濃度検出器１８等の、電解装置１の他の装置への電力の供給に好適である。図面単純化のために、図１Ｃには電源８０及び高電力口８０１のみを示す。しかし、当業者であれば、電解水装置中の電力線を低電力口８０２に如何に構成して電解装置１の運転に要する電力を供給させ得るかを認識し得るに相違ない。

【0056】

低電力口８０２からの出力電力は、高電力口８０１からの出力電力の５０％未満である。電源８０により供給される２４０ワットＤＣのうちの１７２ワットは、高電力口８０１からイオン交換膜型電解セル１２に出力される。高電力口８０１は第１の電圧及び第１の電流を出力する。第１の電圧は３ボルト〜６．３ボルトの範囲であり、第１の電流は１０アンペア〜２７．３アンペアの範囲である。低電力口８０２は電解装置１の作動用に６０ワットＤＣを供給する。低電力口８０２は第２の電圧及び第２の電流を出力する。第２の電圧は２４ボルトであり、第２の電流は２．５アンペアであり得る。別の実施形態では、第２の電圧は５ボルトであり、第２の電流は０．５アンペアであり得る。比較により、第１の電圧が第２の電圧より低く、第１の電流が第２の電流より大きいことが理解され得る。高電力口８０１はＤＣを高電流、低電圧で出力する。低電力口８０２はＤＣを低電流、高電圧で出力する。

【0057】

図１Ｃ、図２Ａ、図２Ｂ、図１０、及び図１１を参照する。図１１は本発明の一体型流路モジュールの一実施形態の概略図を示す。別の実施形態では、本発明はイオン交換膜型電解セル１２及び一体型流路モジュール１９を備えた別の電解装置１を更に提供する。イオン交換膜型電解セル１２は水を電気分解するように構成される。イオン交換膜型電解セル１２は、第２の側部Ｓ２、イオン交換膜１２０、陰極１２３、陽極１２４、水素出力管２１、及び酸素出力管２２を備える。イオン交換膜１２０は陰極１２３と陽極１２４との間に構成される。イオン交換膜型電解セル１２が水を電気分解すると、陰極１２３で水素が発生されてこの水素が水素出力管２１を経由して出力され；陽極１２４で酸素が発生されてこの酸素が酸素出力管２２を経由して出力される。一体型流路モジュール１９は水槽１９９及び気体流路を有する。水槽１９９はイオン交換膜型電解セル１２に結合されてイオン交換膜型電解セル１２への水の補給に供される。水槽１９９の頂部はイオン交換膜型電解セル１２の頂部より高位置にある。気体流路はイオン交換膜型電解セル１２に結合されて水素の輸送に供される。イオン交換膜型電解セル１２の第２の側部Ｓ２は一体型流路モジュール１９に対向する。酸素及び水素は、第２の側部Ｓ２から気体流路に出力される。水は、第２の側部Ｓ２からイオン交換膜型電解セル１２に入力される。

【0058】

一体型流路モジュール１９は水素通口１９２２、酸素通口１９２４及び水通口１９２６を更に有する。水素通口１９２２は、水素出力管２１結合されてイオン交換膜型電解セル１２により発生させた水素の一体型流路モジュール１９への入力に供される。酸素通口１９２４は、酸素出力管２２に結合されてイオン交換膜型電解セル１２により発生させる酸素の一体型流路モジュール１９への入力に供される。水通口１９２６は、水槽１９９に結合されて水槽１９９からイオン交換膜型電解セル１２中への水の出力に供される。また、予熱槽１７、分離槽、及び通口、流入口、流出口、または装置間の流路は、一体型流路モジュール１９に対して一体化させ得る。

【0059】

本実施形態では、イオン交換膜型電解セル１２の機能、構造設計、及び種々の変更は、他の実施形態中のイオン交換膜型電解セル１２と同様である。電解装置中の他の部品の機能、構造設計、及び種々の変更も他の実施形態中の機能、構造設計、及び種々の変更と同様である。しかし、気体及び水の収容及び輸送用の部品は系統構造体に一体化可能であり；更に、一体型流路モジュール１９は一体的に形成可能である。したがって、電解装置の体積はコンパクト化され、電解装置中の空間は有効利用され、流路破壊の懸念は軽減され得る。

【0060】

要するに、本発明は、イオン交換膜型電解セルの周囲空間の有効利用を可能にするように、同一の側から水素及び酸素を出力するイオン交換膜型電解セルを備えた水電解装置を提供する。電解装置は、気体管、気体ポンプ、及び気体混合室を更に備える。イオン交換膜型電解セルは水を電気分解して水素を発生させる。水素は気体管に輸送される。気体ポンプは、空気を一方向に気体管中に角度を成して吸引して気体管中での水素の希釈に供される。次いで、希釈済み水素は気体混合室中に輸送されて霧状気体と混合される。その後、健康上有益な気体が形成されてこれがユーザに吸入される。

【0061】

先行技術と比較して、イオン交換膜型電解セルは水素及び酸素を同一の側で出力させる。更に、イオン交換膜型電解セル、水槽、気体管、ファン、気体ポンプ、操作盤、気体混合室、及び他の装置は、筐体中の限られた容積内に構成される。したがって、本発明は十分な水素生成を維持すると共に、収容空間を筐体内に可能な限り広く提供し得る。本発明は、空間使用上効率的であり、安全で小型かつ低騒音である水電解装置を提供し、電解装置はユーザによる好都合な利用が可能である。

【0062】

上述の実施例及び説明により、本発明の特徴及び趣旨申し分なく説明されたと思われる。より重要なことは、本発明は本明細書に説明した実施形態に限定されないことである。当業者であれば、本発明の教示を維持しながら装置の様々な修正及び改変が可能であることを容易に認識するであろう。したがって、以上の開示は添付の請求項の境界及び限定によってのみ限定されるものと解されるべきである。

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図6】

【図7A】

【図7B】

【図8A】

【図8B】

【図9】

【図10】

【図11】