JP2006021143A

JP2006021143A - 電気分解装置

Info

Publication number: JP2006021143A
Application number: JP2004202123A
Authority: JP
Inventors: Sachiko Yamaguchi; 幸子山口; Koichi Kurima; 孝一栗間
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2004-07-08
Filing date: 2004-07-08
Publication date: 2006-01-26

Abstract

【課題】隔壁の歪みを低減することが目的とされる。
【解決手段】電気分解装置は、電解槽１、配管２１，２２，３１，７１，７２、ＤＣ電源６及び切換部８を備える。電解槽１は、電極１１，１２及び隔膜１３を有する。電解槽１には、電気分解の対象となる水溶液が満たされている。電極１１及び電極１２は、ＤＣ電源６によって直流電圧が印加され、水溶液を電気分解する。隔膜１３は、電極１１と電極１２とを電解槽１の中で隔離し、電気分解の対象を通過させる。電解槽１からアルカリ性水１０１及び酸性水１０２を排出する配管７１，７２は、電解槽１のそれぞれ電極１１，１２側に接続される。配管２１，２２は、切換部８を介して、配管７１，７２に接続される。切換部８は、配管７１，７２から流れ込むアルカリ性水１０１及び酸性水１０２を混合せずに、アルカリ性水１０１は配管２１へ、酸性水１０２は配管２２へとそれぞれ流す。
【選択図】図１

Description

本発明は電気分解装置に関する。

電気分解装置の多くは、電解槽、給水管及び排水管を備える。

電解槽は、一対の電極と、隔膜とを有する。隔膜は、一対の電極の各々を隔離しつつも、電気分解の対象を通過させる。一対の電極は、一方が陽極、他方が陰極である。一対の電極では例えば水溶液が電気分解されて、陽極側で酸性水が生成され、陰極側でアルカリ性水が生成される。

給水管及び排水管は、電解槽にそれぞれ接続される。給水管は、例えば電解質の水溶液を電解槽に供給する。排水管は、電解槽で生成された酸性水及びアルカリ性水を排出する。特に酸性水とアルカリ性水とを別々に得る場合には、酸性水が排出される排水管と、アルカリ性水が排出される排水管とが設けられる。

なお、本発明に関連する技術を以下に示す。特許文献１〜４では、アルカリ性水が排水される流路と、酸性水が排水される流路とを互いに入れ替えることで、流路内へのスケールの付着を防止する技術が開示されている。

特開平９−２９２５５号公報特開平９−２０６７５０号公報特開平９−１９６８８号公報特許第３３０１６７８号公報

陰極側では、アルカリ性水とともに水素ガスが生成される。また、例えば塩化化合物を含む水を電気分解する場合には、陽極側では、酸性水とともに塩素ガスが生成される。

水素ガスは水に溶けにくい。これに対して、例えば塩素ガスは水に溶けやすい。このため、陰極側の圧力が陽極側よりも高くなり、隔壁が陽極側に歪むこともあった。

本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、隔壁の歪みを低減することが目的とされる。

この発明の請求項１にかかる電気分解装置は、電解槽（１）と、第１配管（２１）と、第２配管（２２）とを備え、前記電解槽は、電気分解に使用する第１電極（１１）及び第２電極（１２）と、前記第１電極と前記第２電極とを隔離しつつも、前記電気分解の対象を通過させる隔膜（１３）とを有し、前記第１電極及び前記第２電極のいずれか一方でアルカリ性水（１０１）が生成され、他方で酸性水（１０２）が生成され、前記第１配管は、前記電解槽から前記アルカリ性水を排出し、前記第２配管は、前記電解槽から前記酸性水を排出し、前記第１配管は、その流路抵抗が前記第２配管よりも小さい。

この発明の請求項２にかかる電気分解装置は、請求項１記載の電気分解装置であって、前記第１配管（２１）の最も狭い断面積は、前記第２配管（２２）の最も狭い断面積よりも大きい。

この発明の請求項３にかかる電気分解装置は、請求項１記載の電気分解装置であって、前記電解槽（１）の前記第１電極（１１）側に接続される第３配管（７１）と、前記電解槽の前記第２電極（１２）側に接続される第４配管（７２）と、切換部（８）とを更に備え、前記第１配管（２１）は、前記切換部を介して前記第３配管及び前記第４配管の一方に連通し、前記第２配管（２２）は、前記切換部を介して前記第３配管及び前記第４配管の他方に連通する。

この発明の請求項４にかかる電気分解装置は、請求項３記載の電気分解装置であって、前記第１配管（２１）の最も狭い断面積は、前記第２配管（２２）の最も狭い断面積よりも大きく、前記第３配管（７１）及び前記第４配管（７２）の各々の断面積は、前記第１配管の最も狭い前記断面積よりも大きい。

この発明の請求項５にかかる電気分解装置は、請求項２または請求項４記載の電気分解装置であって、前記第１配管（２１）及び前記第２配管（２２）は円筒であり、前記第１配管の円筒の内径は、前記第２配管の円筒の内径の１．３倍乃至２．３倍である。

この発明の請求項６にかかる電気分解装置は、請求項１または請求項３記載の電気分解装置であって、前記第１配管（２１）は、流量が調節できる弁（４）を有する。

この発明の請求項１にかかる電気分解装置によれば、第１配管の流路抵抗が第２配管よりも小さいため、酸性水が第２配管を流れるときよりも、アルカリ性水は第１配管を流れやすい。このため、陰極で発生した水素ガスも、アルカリ性水とともに第１配管へと流れやすい。従って、陰極側の圧力の上昇が低減し、陽極側に隔膜が歪むことが妨げられる。しかも、アルカリ性水の陽極側への流れ込みが低減し、隔膜へのスケールの付着が妨げられる。

この発明の請求項２または請求項４にかかる電気分解装置によれば、第１配管の流路抵抗が、第２配管よりも小さい。

この発明の請求項３にかかる電気分解装置によれば、電解槽において電極反転されても、切換部で流路を切り換えることで、第１配管からアルカリ性水、第２配管から酸性水が、それぞれ排出される。

この発明の請求項５にかかる電気分解装置によれば、第１配管が詰まる迄の期間が１０００時間乃至６０００時間となる。よって、電極が寿命に至る迄に第１配管を取り替える必要性が低減される。

この発明の請求項６にかかる電気分解装置によれば、第１配管の流路抵抗を、第２配管よりも小さくできる。

第１の実施の形態．
図１は、本実施の形態にかかる電気分解装置を概念的に示す。電気分解装置は、電解槽１、配管２１，２２，３１，７１，７２、ＤＣ電源６及び切換部８を備える。

電解槽１は、電極１１，１２及び隔膜１３を有する。電解槽１には、電気分解の対象となる水溶液、例えば塩化ナトリウム水溶液が満たされている。この水溶液は、電解槽１に接続される配管３１によって供給される。

電極１１及び電極１２は、ＤＣ電源６によって直流電圧が印加され、電解槽１に満たされる水溶液を電気分解する。ＤＣ電源６は、電極１１，１２の一方を陰極として選択し、他方を陽極として選択する。これらの選択は切り替えることができる。この切り換えを以下、電極反転という。図１では、電極１１は陰極に、電極１２は陽極に、それぞれ選択されている場合が示される。

水溶液を電気分解すると、陰極ではアルカリ性水１０１及び水素ガスが生成され、陽極では酸性水１０２が生成される。例えば、塩化ナトリウム水溶液が電気分解される場合には、陽極では塩素ガスが生成される。しかし、塩素ガスは水に溶けて塩酸と次亜塩素酸になりやすいため、アルカリ性水１０１には次亜塩素酸が含まれる。

隔膜１３は、電極１１と電極１２とを電解槽１の中で隔離する。そして、電気分解の対象、例えば塩化ナトリウム水溶液においては塩素イオン及びナトリウムイオンを、通過させる。

しかしながら、隔膜１３は、電極１１，１２で得られたアルカリ性水１０１及び酸性水１０２をほとんど透過させない。このため、電解槽１に水溶液を供給するための配管３１を、電極１１側及び電極１２側の各々に接続する。一方、電解槽１からアルカリ性水１０１及び酸性水１０２を排出するために、配管７１，７２は、電解槽１のそれぞれ電極１１，１２側に接続される。

配管７１は、電解層１から切換部８へと、アルカリ性水１０１または酸性水１０２を排出する。具体的には、電極１１が陽極である場合には酸性水１０２が排出され、陽極である場合にはアルカリ性水１０１が排出される。

配管７２は、電解層１から切換部８へと、アルカリ性水１０１または酸性水１０２を排出する。具体的には、電極１２が陽極である場合には酸性水１０２が排出され、陽極である場合にはアルカリ性水１０１が排出される。

配管２１，２２は、切換部８を介して、配管７１，７２に接続される。切換部８は、配管７１，７２から流れ込むアルカリ性水１０１及び酸性水１０２を混合することなく、アルカリ性水１０１は配管２１へ、酸性水１０２は配管２２へとそれぞれ流す。詳細には、配管７１からアルカリ性水１０１、配管７２から酸性水１０２のそれぞれが切換部８に流れ込む場合には、配管２１は切換部８を介して配管７１と連通し、配管２２は切換部８を介して配管７２と連通する。そして、配管７１から酸性水１０２、配管７２からアルカリ性水１０１のそれぞれが切換部８に流れ込む場合には、配管２１は切換部８を介して配管７２と連通し、配管２２は切換部８を介して配管７１と連通する。

例えば、配管２１の断面積は、延在方向に対してほぼ等しい。配管２２も同様である。そして、配管２１の断面積は、配管２２の断面積よりも大きい。従って、配管２１は、その流路抵抗が配管２２よりも小さい。ただし、配管７１，７２の各々の断面積は、配管２１の断面積よりも大きい。

上述の電気分解装置によれば、配管２１の流路抵抗が配管２２よりも小さいため、酸性水１０２が配管２２を流れるときよりも、アルカリ性水は配管２１を流れやすい。このため、陰極で発生した水素ガスも、アルカリ性水１０１とともに配管２１へと流れやすい。従って、陰極側の圧力の上昇が低減し、陽極側に隔膜１３が歪むことを妨げられる。しかも、アルカリ性水１０１の陽極側への流れ込みが低減し、隔膜１３へのスケールの付着が妨げられる。

配管２１，２２の各々の断面積は、延在方向に対して不均一でもよい。この場合、配管２１の最も狭い断面積を、配管２２の最も狭い断面積よりも大きくすることで、配管２１の流路抵抗を配管２２よりも小さくでき、上述と同様の効果が得られる。このような狭い断面積を与える位置として、切換部８と接続される、配管２１，２２のコネクタが例として挙げられる。

上述した電気分解装置には、図２に示されるように、配管２１に弁４を設けてもよい。配管２１の断面積は、例えば、延在方向に均一であって、配管７１もしくは配管７２の断面積と同等である。弁４は、配管２１を流れるアルカリ性水１０１の流量が調節できる。すなわち、弁４を調節することで、配管２１の流路抵抗を配管２２よりも小さくでき、上述と同様の効果が得られる。

更には、配管２２にも弁４を設けてもよい。配管２２の断面積は、例えば、延在方向に均一であって、配管７１もしくは配管７２の断面積と同等である。この場合、配管２１，２２の各々に設けられた弁４をそれぞれ調節することで、配管２１の流路抵抗を配管２２よりも小さくする。

上述したいずれの電気分解装置においても、例えば電極１１，１２の陰極、陽極が固定されている場合、つまり電極反転を行わない場合には、配管７１，７２及び切換部８を備えなくてもよい。例えば、電極１１が陰極、電極１２が陽極にそれぞれ固定される場合には、配管２１は電解槽１の電極１１側に接続され、配管２２は電解槽１の電極１２側に接続される。

第２の実施の形態．
本実施の形態では、配管２１，２２について、それらの断面積の関係について説明する。ここでは、配管２１，２２には円筒が採用される。

図３は、アルカリ性水を流し始めてからの経過時間と、配管２１内を流れるアルカリ水の流量との関係を示す。アルカリ水は、所定の圧力で配管２１に流された。しかし、配管２１の内壁にスケールが付着することで、時間の経過とともに流量が低下する。そして、配管２１がスケールにより閉塞した時点で、アルカリ水の流量が０（ｍｌ／ｍｉｎ）になる。

図３では、配管２１の内径（ｍｍ）が６．３および８．８のときの測定結果が、グラフ２０１，２０２でそれぞれ示される。いずれにおいても、酸性水が流れる配管２２の内径φ２は６．３（ｍｍ）である。グラフ２０１によれば、約４５０時間経過後に配管２１が閉塞する。グラフ２０２によれば、グラフ２０２を延長することで、約１５００時間経過後に配管２１が閉塞すると予測される。

スケールは配管２１内を３次元的に成長する。このため、配管２１が閉塞するまでの時間Ｔと内径φ１とは、（φ１）^３＝ｋ・Ｔの関係にあると考えられる。ここで、パラメータｋは比例係数を示し、一定である。

グラフ２０１，２０２から得られた上記データに基づいて、パラメータｋを計算すると、φ１＝６．３（ｍｍ）ならばｋ＝０．５６、φ１＝８．８（ｍｍ）ならばｋ＝０．４５となる。そこで、これらの平均値０．５０を、パラメータｋの値として採用する。

ｋ＝０．５を用いて、関係式（φ１）^３＝ｋ・Ｔから、時間Ｔに対する内径φ１の値が求められる。図４は、１０００〜８０００時間の間のそれぞれの時間Ｔについて求めた内径φ１の値が、時間Ｔとともに示されている。また、φ２＝６．３（ｍｍ）として、それぞれの内径φ１について、内径φ２に対する倍率ε（＝φ１／φ２）も示されている。

図４によれば、配管２１が閉塞するまでの時間Ｔが長くなるに従って、配管２１の内径φ１及び倍率εが単調に増加する。

電極１１，１２の寿命は、約１０００〜約６０００時間である。この寿命と、配管２１が閉塞するまでの時間とを、ほぼ同じもしくはそれ以上とすることで、電極１１，１２が寿命に至る迄に、配管２１を取り替える必要性が低減される。具体的には、図４で示される数値に基づいて、配管２１の内径φ１を、配管２２の内径φ２の１．３倍乃至２．３倍とすることが望ましい。

第１の実施の形態で説明した電気分解装置においては、例えば配管２１，２２を取り替えることで、上述した所望の倍率εに調節することができる。

第１の実施の形態で説明される、電気分解装置を概念的に示す平面図である。配管２１に弁を設けた電気分解装置を概念的に示す平面図である。経過時間とアルカリ水の流量との関係を示す図である。閉塞するまでの時間Ｔと、内径φ１及び倍率εとの関係を示す図である。

符号の説明

１電解槽
４弁
８切換部
１１，１２電極
１３隔膜
２１，２２，７１，７２配管
１０１アルカリ性水
１０２酸性水

Claims

電解槽（１）と、
第１配管（２１）と、
第２配管（２２）と
を備え、
前記電解槽は、
電気分解に使用する第１電極（１１）及び第２電極（１２）と、
前記第１電極と前記第２電極とを隔離しつつも、前記電気分解の対象を通過させる隔膜（１３）と
を有し、
前記第１電極及び前記第２電極のいずれか一方でアルカリ性水（１０１）が生成され、他方で酸性水（１０２）が生成され、
前記第１配管は、前記電解槽から前記アルカリ性水を排出し、
前記第２配管は、前記電解槽から前記酸性水を排出し、
前記第１配管は、その流路抵抗が前記第２配管よりも小さい、電気分解装置。
前記第１配管（２１）の最も狭い断面積は、前記第２配管（２２）の最も狭い断面積よりも大きい、請求項１記載の電気分解装置。
前記電解槽（１）の前記第１電極（１１）側に接続される第３配管（７１）と、
前記電解槽の前記第２電極（１２）側に接続される第４配管（７２）と、
切換部（８）と
を更に備え、
前記第１配管（２１）は、前記切換部を介して前記第３配管及び前記第４配管の一方に連通し、
前記第２配管（２２）は、前記切換部を介して前記第３配管及び前記第４配管の他方に連通する、請求項１記載の電気分解装置。
前記第１配管（２１）の最も狭い断面積は、前記第２配管（２２）の最も狭い断面積よりも大きく、
前記第３配管（７１）及び前記第４配管（７２）の各々の断面積は、前記第１配管の最も狭い前記断面積よりも大きい、請求項３記載の電気分解装置。
前記第１配管（２１）及び前記第２配管（２２）は円筒であって、
前記第１配管の円筒の内径は、前記第２配管の円筒の内径の１．３倍乃至２．３倍である、請求項２または請求項４記載の電気分解装置。
前記第１配管（２１）は、流量が調節できる弁（４）を有する、請求項１または請求項３記載の電気分解装置。