JP2005095725A - 電解水生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単な構成の溶解金属の短寿命化を軽減する事が可能な電解水生成装置を提供する事。
【解決手段】
電解槽１０と、溶解金属４と、陽電極１と、陰電極２と、電源装置５０と、制御装置４０を備えた電解水生成装置１００であって、電解槽１０内に貯えられる原水Ａ中において、溶解金属４に、ダメージを与える塩化物イオンを、電解処理停止中に除去する第一の除去作動を行うとともに、再起動時には除去した塩化物イオンによって、溶解金属４の表面を覆う水酸化マグネシウムを除去する除去装置２００を備える事により、電解処理停止中に、原水Ａ中から溶解金属４にダメージを与える塩化物イオンを除去する事が可能になるとともに、再起動時には水酸化マグネシウムの被膜をも除去する事が可能となるので、溶解金属４の短寿命化の促進を軽減する事が可能になる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、原水が流入する電解槽内に配置される２つの電極に電圧を印加し、この２つの電極の間に配置される溶解金属を電解する事で、原水中に溶解金属の金属イオン分子を溶解させ、原水をアルカリ性または酸性のどちらか一方に選択的に改質する電解水生成装置に関する。

従来技術として、イオンが透過する隔膜で陰極側と分離した閉鎖型陽極質を別途設け、この陽極室内に高濃度の電解水水溶液を満たす事により、原水を直接的に電解して、簡単に電解水を生成する電解水生成装置としては、特許文献１で開示されているものがある。

特許文献１に記載の電解水生成装置は、原水中の溶解物質を電解する事で電解水を生成するが、電解槽内に電解する金属を別途用意しておき、電解槽内には水のみを流入させるタイプの電解水生成装置もある。

この種の電解水生成装置を構成する溶解金属の寿命を短縮する原因としては、主として２パターンある。

第一のパターンとしては、原水中に、溶解金属にダメージ（例えば浸食など）を与え、寿命を短縮する、いわゆるダメージイオンが含有している場合が多く、このダメージイオンによって、溶解金属の寿命を短くしてしまうと言う問題がある。

第二のパターンとしては、当該電解水生成装置が駆動停止している際、溶解金属の近傍に残存している原水中の水酸化基と、溶解金属とが化学的に結合し、溶解金属の表面に水酸化物の被膜を形成し、この水酸化物の被膜が、次回の駆動時（すなわち溶解金属に電圧を印加する際）に、電気的抵抗となる事が知られている。

その為、一般的には次回の電流印加時の当初は、溶解金属へ印加する電流量を初回時よりも大きくすると言う手法がある。

しかし、所定以上の電圧を印加する事で、溶解金属へのダメージが上昇し、溶解金属の寿命を短くしてしまうと言う問題もある。

溶解金属は、主に、上述した第一のパターンと、第二のパターンとにより、寿命が短縮されると言う問題がある。
特開２００２−３３６８５６号公報

上述したような問題を解決する為に、本発明では、簡単な構造で、原水中からダメージイオンを除去するとともに、溶解金属を覆う被膜をも除去し、溶解金属の短寿命化を簡単な構成で軽減する事が可能な電解水生成装置を提供する事を目的とする。

本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。

請求項１に記載の電解水生成装置は、原水が連続的に流入するとともに、原水が電解された電解水が連続的に流出する電解槽と、電解槽内を、第一の電極室および、第二の電極室に分域するとともに、電解によって溶解する溶解金属と、第一の電極室）内に挿入される第一の電極と、第二の電極室内に挿入される第二の電極と、第一、第二の両電極に電圧を印加する印加手段と、印加手段の印加制御を行う制御手段とを備えた電解水生成装置であって、電解槽内に貯えられる原水内において、溶解金属に、ダメージを与えるイオンを除去する第一の除去作動を行う除去手段を備える事を特徴とする。

この発明により、電解処理停止中に、原水中から溶解金属にダメージを与えるイオンを除去する事が可能になるので、溶解金属の短寿命化の促進を軽減する事が可能な電解水生成装置を提供する事が可能となる。

請求項２に記載の電解水生成装置は、除去手段は、溶解金属の表面を覆う被膜を取り除く第二の除去作動をも行う事を特徴とする。

この発明により、除去手段は、第一の除去作動だけでなく、電解処理開始前に、溶解金属の表面を覆う被膜の除去、すなわち第二の除去作動をも行う事が可能となるので、別途、溶解金属表面の被膜を取り除く手段を設ける必要がなくなるとともに、表面を被膜に覆われ、電気的抵抗が高くなっている事を前提として、多大な電圧を印加する必要がなくなるので、溶解金属の短寿命化の促進を軽減する事が可能になるとともに、簡単で安価に当該電解水生成装置を構成する事が可能となる。

請求項３に記載の電解水生成装置は、除去手段は、電解槽に隣接する貯水槽と、電解槽と貯水槽とを分域するイオン交換膜と、貯水槽内に挿入される第三の電極とから構成される事を特徴とする。

通常、原水からダメージイオンを除去する手法（第一の除去作動）としては、上述する電解槽の上流に陰陽２電極を備える第二の電解槽を別途設け、その第二の電解槽内にて、まずダメージイオンを取り除き、清浄水となった原水を、当初の電解槽内に流入し、電解に用いる手法が考えられるが、この発明により、１つのイオン交換膜と、１つの電極と、１つの貯水槽のみと言う簡単な構成によって、電解槽が貯える原水中のダメージイオンを除去する事が可能となる。

請求項４に記載の電解水生成装置は、印加手段は、第一、第二、第三の電極と並列的に接続される事を特徴とする。

この発明により、第三の電極に電圧を印加する印加手段を別途設ける必要がなくなるので、当該電解水生成装置を、簡単で安価に構成する事が可能となる。

請求項５に記載の電解水生成装置は、制御手段は、第一の除去作動として、印加手段に対し、第一、第二の電極に電圧を印加していない場合に、第三の電極に、プラスまたはマイナスの電圧のいずれか一方を選択的に印加するよう制御する事を特徴とする。

この発明により、第一の除去作動として、電解作動停止中に、電解槽内に貯えられる原水中のダメージイオンが、第三の電極が挿入される貯水槽内に集合する事になり、電解槽内の原水中のダメージイオンの濃度を低くする事が可能となるので、溶解金属の寿命の短縮を軽減する事が可能となる。

請求項６に記載の電解水生成装置は、制御手段は、第二の除去作動として、印加手段に対し、第一、第二の電極に電圧を印加する前に、第三の電極に、プラスまたはマイナスの電圧のいずれか一方を選択的に印加するよう制御する事を特徴とする。

この発明により、第二の除去作動として、第一、第二の電極に電圧を印加する（すなわち原水から電解水を生成する作動を行う）前に、貯水槽内に集合させていたダメージイオンを、電解槽内に蓄えられる原水中に放出するので、溶解電極の表面を覆う導電性の低い被膜を、このダメージイオンにて化学的に除去する事が可能となり、溶解金属の寿命の短縮を軽減する事が可能となる。

請求項７に記載の電解水生成装置は、印加手段から第三の電極に印加される電圧値は、イオン交換膜が持つ帯電値よりも大きい値である事を特徴とする。

この発明により、電解槽内に貯えられる原水中のダメージイオンを、貯水槽内に集合させ、かつその集合状態を維持する事が可能になるとともに、集合状態を維持される貯水槽内のダメージイオンを、電解槽内に放出する事が可能になるので、溶解金属の寿命の短縮を軽減する事が可能となる。

以下、本発明の実施形態について図１を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る電解水生成装置１００の構成の概略を示した構成図である。

図１に示す電解水生成装置１００は、電解槽１０と、陽電極１と、陰電極２と、溶解金属４と、電源装置５０と、制御装置４０と、除去装置２００とからなる。

電解槽１０は、耐水性でかつ非導電性の物質にて形成されるタンクであり、原水Ａを電解槽１０に流入させる流入管９に接続するとともに、電解槽１０内にて電解された原水Ａ、すなわち電解水Ｂを吐水させる流出管１１と接続する。

陽電極１、陰電極２は、例えば白金、チタン白金、または炭素等、ＳＵＳ、金、白金メッキ等の金属で形成される板、または棒状の電極部材である。後述する電源装置５０が印加する電流のプラスとマイナスとが異なるので、陽電極１、陰電極２と呼称が異なるが、元は同じ２本の金属にて形成される。このうち、陽電極１は請求項で示す第一の電極に、陰電極２は、請求項で示す第二の電極にそれぞれ相当する。

溶解金属４は、本実施形態ではマグネシウム（Ｍｇ）にて形成される板状の金属片である。しかし、例えば銀（Ａｇ）やアルミニウム（Ａｌ）でも良い。

この溶解金属４は、上述した陽電極１と、陰電極２との略中間の位置にて、電解槽１０を略等分に仕切る仕切り板であるとともに、両電極１、２からの電圧の印加によって、イオン化し、原水Ａ中に溶解する消耗部材である。

この溶解金属４によって仕切られる事で、電極が挿入される空間が２つ創出される。このうち、陽電極１が挿入された方が、陽電極室１０ａ、陰電極２が挿入された方が、陰電極室１１ａとなる。

電源装置５０は、上述した溶解金属４に、両電極１、２を介して、電圧を印加する周知の電圧印加手段である。この電源装置５０は、請求項で示す印加手段に相当する。

制御装置４０は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭなどから構成される、一種のＥＣＵであり、電源装置５０が印加する電圧値を制御するマイコンである。この制御装置４０は、請求項で示す制御手段に相当する。

除去装置２００は、第三の電極３と、貯水槽２０と、イオン交換膜３０とからなる。ダメージイオン除去装置兼、被膜除去装置である。

第三の電極３は、上述した両電極１、２と同種の電極部材であり、上述した電源装置５０からプラスまたはマイナスの、いずれかの電圧を印加され、その都度、陰陽電極のどちらか一方に変化する。

貯水槽２０は、電解槽１０と同質の部材にて形成されるタンクであり、電解槽１０と隣接して配置され、その仕切りは後述するイオン交換膜３０にて仕切られている。

イオン交換膜３０は、本実施形態では、マイナスの電荷に常時帯電している帯電膜であり、液体、気体などを透過する透過性を持っている。

このイオン交換膜３０は、電解槽１０と、貯水槽２０とを仕切るが、流入管９から流入する原水Ａは、貯水槽２０内にもほとんど抵抗なく通過させ、貯水槽２０内を、電解槽１０と同水位まで原水Ａにて満たすが、原水Ａ内に溶解している塩化イオン（後述）は、周知の通り、マイナスに帯電しているので、反発し透過させないと言う性質を持っている。

また、本実施形態で示す原水Ａは、周知の水道水であり、浄化剤の一部として塩化物イオン（Ｃｌ⁻）が溶解しているものとして説明するが、当該電解槽生成装置１００に用いられる原水Ａは、上述した水道水に限定されるものではなく、井戸水、海水、河川水など、幅広く適用可能である。

また、本実施形態では、上述した塩化物イオン（Ｃｌ⁻）は、溶解金属４を浸食するダメージイオン、ならびに、溶解金属４を覆う被膜を除去する除去成分と位置づけて説明するが、塩化物イオン（Ｃｌ⁻）に限らず、原水Ａが含有する様々なイオン、例えば、硫酸イオン、硝酸イオン、リン酸イオン、炭酸イオン、酢酸イオン、次亜塩素酸イオンなどが相当する。

上述した構成の電解水生成装置１００における、原水Ａ中からダメージイオンを除去する作動、すなわち、請求項で示す第一の除去作動とともに、溶解金属４を覆う被膜を除去する作動、すなわち、請求項で示す第二の除去作動について以下に説明する。

まず、第一の除去作動について、図２のフローチャートを用いて説明する。

図２のステップＳ１として、流入管９から電解槽１０と貯水槽２０とに原水Ａを流入させ、このステップＳ１に示す作動は、新たに原水Ａを電解槽１０と貯水槽２０とに流入する処理内容だが、第一の除去作動と同様、新たに原水Ａを流入させる事に限定する事なく、既に電解槽１０と貯水槽２０とに原水Ａが満たされている状態が検知されるだけでも良い。電解槽１０と貯水槽２０とに原水Ａが満たされていればステップＳ２に進む。

ステップＳ２にて、制御装置４０は、電源装置５０に対し、第三の電極３に、プラスの電圧を印加する。この時印加するプラスの電圧値は、イオン交換膜３０が帯電するマイナスの帯電値よりも大きな電圧値を印加する。

ステップＳ２の処理内容を行う事で、電解槽１０内の原水Ａ内の塩化イオン（Ｃｌ⁻）は、イオン交換膜３０を通り越して、第三の電極３の周辺に集合する。

周知の通り、塩化物イオン（Ｃｌ⁻）はマイナスに帯電している分子なので、同じくマイナスに帯電しているイオン交換膜３０とは反発するが、イオン交換膜３０を隔てる貯水槽２０内の第三の電極３は、そのイオン交換膜３０に帯電しているマイナスの帯電値の絶対値よりも大きなプラスの電圧が印加されているので、塩化物イオン（Ｃｌ⁻）はイオン交換膜３０を通り越して、貯水槽２０内に集合する。印加が開始されるとステップＳ３に進む。

ステップＳ３にて、第一の所定時間が経過したか否か判定する。

ここで、第一の所定時間とは、電解槽１０内の原水中Ａ中の塩化物イオンが第三の電極３のプラス電荷に引きつけられて、イオン交換膜３０を越えて電解槽１０から貯水槽２０へと集合する過程の時間である。第一の所定の時間が経過すると、ステップＳ４に進む。

ステップＳ４にて、ステップＳ２から第三の電極３へ印加しているプラスの電圧の印加を終了する。終了すると、本フローを終了する。

上述した作動を図４（ａ）の状態遷移図にて示す。図４（ａ）に示す電解槽１０内の原水Ａ中に溶解する塩化物イオン（Ｃｌ⁻）が、貯水槽２０内の第三の電極３のプラス電圧に引かれ、本来なら反発するマイナスの電荷に帯電するイオン交換膜３０を通り越して、貯水槽２０内に集合する。

原水Ａ中の塩化物イオン（Ｃｌ⁻）が、貯水槽２０に集合するので、電解槽１０内の原水Ａ中の塩化物イオン（Ｃｌ⁻）の濃度は低くなる。これにより、塩化物イオン（Ｃｌ⁻）による溶解金属４へのダメージ、例えば浸食などが軽減し、溶解金属４の短寿命化を軽減する事が可能となる。

また、第三の電極３へのプラス電圧の印加作動は維持し続ける必要はなく、印加を終了しても、既に塩化物イオンは貯水槽２０内に集合しており、マイナスに帯電しているイオン交換膜３０により反発するので、貯水槽２０内に一旦集合した塩化物イオンは、電解槽１０内に拡散する事なく、貯水槽２０内に留まり続ける事になる。

次に、第二の除去作動について、図３のフローチャートを用いて説明する。

図３は、上述した図２のフローチャートを変形したものである。ステップＳ１と、ステップＳ４は同じ処理内容なので、説明は省略するが、ステップＳ１に続くステップＳ１２と、ステップＳ１２に続くステップＳ１３とが、図２のフローチャートと異なる点である。

ステップＳ１２にて、制御装置４０は、電源装置５０に対し、第三の電極３に、マイナスの電圧を印加する。

この時、第三の電極３に印加するマイナスの電圧値は、イオン交換膜３０が帯電するマイナスの帯電値よりも大きな電圧値を印加する。印加が開始されるとステップＳ１３に進む。

ステップＳ１３にて、第二の所定の時間が経過したか判定する。ここで、第二の所定の時間とは、上述した第一の除去作動によって貯水槽２０内に集合した塩化物イオン（Ｃｌ⁻）が、第三の電極３のイオン交換膜３０の帯電値よりも大きなマイナス電荷と反発し、イオン交換膜３０を通り越して、電解槽３０内に拡散するまでの過程で経過する時間である。

第二の所定の時間が経過すると、ステップＳ４に進み、第三の電極３への電圧（この場合はマイナス電圧）の印加を終了する。印加を終了すると本フローは終了する。

上述した作動を図４（ｂ）の状態遷移図にて示す。図４（ｂ）に示す貯水槽２０内に集合する塩化物イオンが、イオン交換膜３０の帯電値よりも大きな第三の電極３のマイナス電圧と反発し、イオン交換膜３０を通り越して、電解槽１０内の原水Ａ中に拡散する。

ここで、塩化物イオン（Ｃｌ⁻）を電解槽１０内に拡散する事によって、溶解金属４の表面を覆う水酸化マグネシウム（Ｍｇ（ＯＨ）_２）の被膜が除去される第二の除去作動の前提条件について説明する。

そもそも、本実施形態で説明する溶解金属４はマグネシウムだが、マグネシウムに限らず、銀（Ａｇ）またはアルミニウム（Ａｌ）などの溶解金属４は、結合分子同士の距離が大きい。（すなわち隙間がある）
そこへ、両電極１、２から電圧が印加され、電解作動が行われるので、原水中のＨ_２０も電気分解され、水素（Ｈ_２）と酸素（Ｏ_２）とが発生する。

電解作動によって発生した水素（Ｈ_２）と酸素（Ｏ_２）のうち、分子の大きさが小さい水素（Ｈ_２）の一部は、上述した溶解金属４の結合分子同士の隙間に（化学的結合ではなく、単純に物理的に）留まってしまう事がある。このように水素（Ｈ_２）を内部に貯える現象を吸蔵現象と言い、水素（Ｈ_２）を吸蔵する事から水素吸蔵現象と特に言う。

これは、溶解金属４がマグネシウム（Ｍｇ）に限った話ではなく、銀（Ａｇ）またはアルミニウム（Ａｌ）が溶解金属４であったとしても、同様の現象が通常的に起こる現象である。発明者は、この通常的におこる水素吸蔵現象に着目し、第二の除去作動を考案した。

第二の除去作動が開始される（すなわち、電解槽１０内の原水Ａ中の塩化物イオン（Ｃｌ⁻）濃度が高くなる）と、溶解金属４（Ｍｇ）に吸蔵される水素（Ｈ_２）と、貯水槽２０からイオン交換膜３０を超えて拡散してくる塩化物イオン（Ｃｌ⁻）とが化学的に反応し、以下の化学式１に示す過程で塩酸（ＨＣｌ）を生じる。
（化１） Ｈ_２＋２Ｃｌ⁻→２ＨＣｌ
次に、化学式１に示す化学反応にて生じる塩酸（ＨＣｌ）と、溶解金属４（Ｍｇ）の表面を覆う水酸化マグネシウム（Ｍｇ（０Ｈ）_２）とが反応し、化学式２に示すように塩化マグネシウム（ＭｇＣｌ_２）と、水（Ｈ_２０）とが生じる。
（化２） Ｍｇ（０Ｈ）_２＋２ＨＣｌ→ＭｇＣｌ_２＋２Ｈ_２０
上述した化学式２の化学反応によって、溶解金属４（Ｍｇ）の表面を覆う水酸化マグネシウム（Ｍｇ（ＯＨ）_２）は、そもそも疎水性の物質なので、原水Ａ中には溶解せず、溶解金属４の表面に留まり続けるが、上述した化学式２の化学反応によって生じる塩化マグネシウム（ＭｇＣｌ_２）は親水性の物質なので、この塩化マグネシウム（ＭｇＣｌ_２）が溶解する原水Ａを排水する事で、溶解金属４の表面を覆う被膜を除去する事が可能となる。

これにより、溶解金属４（マグネシウム）への電気抵抗値は低減するので、電気的抵抗の高い水酸化マグネシウム（Ｍｇ（０Ｈ）_２）の被膜に覆われている事を前提として、多大な電圧の印加を行う必要がなくなり、溶解金属４（Ｍｇ）の短寿命化を軽減する事が可能となる。

上述した第一の除去作動と、第二の除去作動とにより、原水Ａ中からダメージイオン（この場合は塩化物イオン（Ｃｌ⁻））を除去するとともに、溶解金属４（この場合はＭｇ）を覆う被膜（この場合は水酸化マグネシウム（Ｍｇ（ＯＨ）_２））をも除去し、上述した第一のパターンと第二のパターンとによる溶解金属４（この場合はＭｇ）の短寿命化を簡単な構成で軽減する事が可能な電解水生成装置１００を提供する事が可能となる。

本発明の実施形態に係る電解水生成装置１００の構成の概略を示した構成図である。 本発明の実施形態に掛かる第一の除去作動の処理内容を示したフローチャートである。 本発明の実施形態に掛かる第二の除去作動の処理内容を示したフローチャートである。 （ａ）は、第一の除去作動を示した状態遷移図であり、（ｂ）は、第二の除去作動を示した状態遷移図である。

符号の説明

１ 陽電極（第一の電極）
２ 陰電極（第二の電極）
３ 第三の電極
４ 溶解金属（Ｍｇ）
１０ 電解槽
１０ａ 第一の電極室
１１ａ 第二の電極室
２０ 貯水槽
３０ イオン交換膜
４０ 制御装置（制御手段）
５０ 電源装置（印加手段）
２００ 除去装置（除去手段）

Claims (7)

1. 原水が連続的に流入するとともに、前記原水が電解された電解水が連続的に流出する電解槽（１０）と、
   前記電解槽（１０）内を、第一の電極室（１０ａ）および、第二の電極室（１１ａ）に分域するとともに、電解によって溶解する溶解金属（４）と、
   前記第一の電極室（１０ａ）内に挿入される第一の電極（１）と、
   前記第二の電極室（１１ａ）内に挿入される第二の電極（２）と、
   前記第一、第二の両電極（１、２）に電圧を印加する印加手段（５０）と、
   前記印加手段（５０）の印加制御を行う制御手段（４０）とを備えた電解水生成装置であって、
   前記電解槽（１０）内に貯えられる前記原水内において、前記溶解金属（４）に、ダメージを与えるイオンを除去する第一の除去作動を行う除去手段（２００）を備える事を特徴とする電解水生成装置。
2. 前記除去手段（２００）は、前記溶解金属（４）の表面を覆う被膜を取り除く第二の除去作動をも行う事を特徴とする請求項１に記載の電解水生成装置。
3. 前記除去手段（２００）は、前記電解槽（１０）に隣接する貯水槽（２０）と、
   前記電解槽（１０）と前記貯水槽（２０）とを分域するイオン交換膜（３０）と、
   前記貯水槽（２０）内に挿入される第三の電極（３）とから構成される事を特徴とする請求項１または２に記載の電解水生成装置。
4. 前記印加手段（５０）は、前記第一、第二、第三の電極（１、２、３）と並列的に接続される事を特徴とする請求項３に記載の電解水生成装置。
5. 前記制御手段（４０）は、前記第一の除去作動として、前記印加手段（５０）に対し、前記第一、第二の電極（１、２）に電圧の印加が停止している場合に、前記第三の電極（３）に、プラスまたはマイナスの電圧のいずれか一方を選択的に印加するよう制御する事を特徴とする請求項３または４に記載の電解水生成装置。
6. 前記制御手段（４０）は、前記第二の除去作動として、前記印加手段（５０）に対し、前記第一、第二の電極（１、２）に電圧を印加する前に、前記第三の電極（３）に、プラスまたはマイナスの電圧のいずれか一方を選択的に印加するよう制御する事を特徴とする請求項３乃至５のいずれかに記載の電解水生成装置。
7. 前記印加手段（５０）から前記第三の電極（３）に印加される電圧値は、前記イオン交換膜（３０）が持つ帯電値よりも大きい値である事を特徴とする請求項３乃至６のいずれかに記載の電解水生成装置。

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