JP2006150153A - 電解水生成装置の電解槽 - Google Patents

Abstract

【課題】膜−電極構造体の電極に対して十分な電力を確実に供給できる電解水生成装置の電解槽を提供する。
【解決手段】イオン透過性の隔膜１１を介して対向配置された電解室５，６と、隔膜１１を挟んで電解室５，６に設けられた１対の電極１２ａ，１２ｂとを備える。電極１２ａ，１２ｂが隔膜１１に密着して形成された膜−電極構造体２と、網目状集電体１３，１４と、電解室５，６の外壁を貫通して集電体１３，１４と外部電源とを接続する接続部材１５，１６と、接続部材１５，１６を集電体１３，１４方向に付勢する弾性部材２３とを備える。電解室５，６は、膜−電極構造体２の両側の互いに対向する位置に接続部材１５，１６を備える。電解室５，６は、内壁に突出部２９，３０を備え、膜−電極構造体２の両側の互いに対向する位置の一方に突出部２９，３０、他方に接続部材１５，１６を備える。電極１２ａ，１２ｂは、導電性粉体を含む多孔質体からなる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、イオン透過性の隔膜を介して対向配置された１対の電解室に供給される原水を、該隔膜を挟んで各電解室に設けられた１対の電極に電圧を印加して電解することにより、酸性及びアルカリ性の電解水を生成させる電解水生成装置の電解槽に関するものである。

イオン透過性の隔膜を介して対向配置された１対の電解室と、該隔膜を挟んで各電解室に設けられた１対の電極とを備える電解槽を用いて電解水を生成させる電解水生成装置が知られている。前記電解水生成装置では、前記各電解室に電解質を含む原水を供給し、前記１対の電極に電圧を印加して該原水を電解することにより、陽極側の電解室に酸性の電解水、陰極側の電解室にアルカリ性の電解水を生成させることができる。

前記電解水生成装置の電解槽では、通常、前記電極は前記隔膜から離間して設けられている。ところが、前記構成では、前記隔膜を挟んで配設される両電極の間隔が広いために電極間の電気抵抗が大きく、印加される電力に対する電解効率が低いという問題がある。

前記問題を解決するために、例えば、平織金網からなる多孔質電極素材とパンチドメタルとを重ね合わせた電極を隔膜に当接させることにより両電極の間隔を狭めると共に、該多孔質電極素材の内部に原水を流通させることにより該原水と電極との接触面積を大きくした電解槽が提案されている（例えば特許文献１参照）。前記電解槽によれば、印加される電力に対する電解効率はある程度向上させることができるが、前記原水は前記多孔質電極素材の内部に流通されるために流通抵抗が大きく、単位時間当たりの電解水の生成量を多くしようとすると装置の大型化が避けられない。

そこで、本発明者らは、前記１対の電極がイオン透過性の隔膜の両表面に密着して形成されており、前記電極自体がイオン透過性を備える膜−電極構造体を用いた電解槽を提案している（特願２００３−３８１７４１、特願２００３−３８１７４２参照）。前記膜−電極構造体によれば、両電極間には前記隔膜が介在するだけであるので、印加される電力に対する電解効率を高くすることができ、しかも装置を小型化することができる。

しかしながら、前記膜−電極構造体では、前記電極にリード線を接続しにくく、該リード線を介して電力を供給することが難しい。前記リード線に代えて、前記電極の表面に集電体を当接することも考えられるが、該電極が微細な細孔を備える多孔質体、所謂マイクロポーラス状であるときには、該電極の表面抵抗が大きくなるため、該集電体から該電極に十分な電力を供給しにくく、さらに改良が望まれる。
特開２００１−７３１７７号公報

本発明は、かかる不都合を解消して、膜−電極構造体の電極に対して十分な電力を確実に供給することができる電解水生成装置の電解槽を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、本発明は、イオン透過性の隔膜を介して対向配置された１対の電解室と、各電解室に原水を供給する原水供給手段と、該隔膜を挟んで各電解室に設けられた１対の電極と、両電極に電圧を印加して該原水供給手段により各電解室に供給された原水を電解することにより得られた電解水を各電解室から取り出す電解水取出手段とを備える電解水生成装置の電解槽において、各電極が該隔膜の両表面に密着して形成された膜−電極構造体と、該膜−電極構造体の各電極に対向配置された網目状集電体と、各電解室の外壁を貫通して該網目状集電体と外部電源とを接続する接続部材と、該接続部材を該網目状集電体方向に付勢して押圧し該網目状集電体を該電極に圧接させる弾性部材とを備えることを特徴とする。

本発明の電解槽では、前記膜−電極構造体の各電極に対して、前記集電体を当接することにより、前記接続部材から該集電体を介して各電極に電力が供給される。前記集電体は網目状であることにより原水を透過させて前記電極に接触させることができるので、前記電解の障害となることがない。

このとき、本発明の電解槽では、前記弾性部材により前記網目状集電体方向に付勢された前記接続部材が該網目状集電体を押圧し、該網目状集電体を該電極に圧接させる。従って、本発明の電解槽によれば、膜−電極構造体の電極に対する前記網目状集電体の接触面積が大きくなり、該電極に対して電力が均一に供給されるので、該集電体から該電極に十分な電力を確実に供給することができる。

また、本発明の電解槽では、前記接続部材を設けることにより、前記集電体と前記外部電源とを容易に接続することができると共に、装置の構成も簡単になるので、組立、保守等の作業を容易に行うことができる。

本発明の電解槽において、前記各電解室は、前記膜−電極構造体の両側の互いに対向する位置に前記接続部材を備えることが好ましい。前記接続部材が、前記膜−電極構造体の両側の互いに対向する位置に備えられていることにより、前記集電体は一方の側だけに局部的な圧力が加わることを避けることができ、両側から均等な圧力で押圧されて、該膜−電極構造体に確実に圧接される。従って、前記集電体から前記電極に、さらに確実に電力を供給することができる。

また、本発明の電解槽において、前記各電解室は、各電解室は、内壁に、前記網目状集電体を前記電極方向に押圧して、前記電極に圧接する複数の突出部を備え、前記膜−電極構造体の両側の互いに対向する位置の一方に該突出部、他方に前記接続部材を備えるものであってもよい。この場合には、前記接続部材と前記突出部とが、前記膜−電極構造体の両側の互いに対向する位置に備えられるので、前記集電体は一方の側だけに局部的な圧力が加わることを避けることができ、両側から均等な圧力で押圧されて、該膜−電極構造体に確実に圧接される。

さらに、本発明の電解槽において、前記電極は、導電性粉体を含む多孔質体からなることを特徴とする。前記電極は前記多孔質体であることにより、前記隔膜の表面全体を被覆した場合にも前記原水を透過させて該隔膜に接触させることができるので、該隔膜の機能を阻害することなく、十分なイオン交換能を得ることができる。

また、前記電極は前記多孔質体であることにより、前記原水との接触面積が大きくなり、電解効率を向上させることができる。

次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。図１は本実施形態の電解槽の一構成例を示す説明的断面図、図２は図１の要部拡大図、図３は図１の電解槽における接続部材の取付方法を示す説明的断面図、図４は図１に示す膜−電極構造体の側から見た電解室ケースの平面図である。また、図５は本実施形態の電解槽の他の構成例を示す説明的断面図である。

本実施形態の電解槽１は電解水生成装置に用いられるものであり、図１に示すように、膜−電極構造体２と、膜−電極構造体２を挟持する電解槽ケース３，４を備え、各電解槽ケース３，４は内部に電解室５，６を備えている。また、電解槽ケース３，４は、それぞれ各電解室５，６に原水を供給する原水供給口７，８と、各電解室５，６から電解水を取り出す電解水取出口９，１０とを備えている。原水供給口７，８は図示しない原水タンク等の原水供給手段に接続されており、電解水取出口９，１０は図示しない貯水タンク等に接続されている。

膜−電極構造体２は、図２に示すように、陰イオン交換膜１１の両表面に膜状の電極１２ａ，１２ｂが形成された構成を備えている。陰イオン交換膜１１としては、例えば、旭化成工業株式会社製アシプレックス（登録商標）、旭硝子株式会社製セレミオン（登録商標）等の炭化水素系ポリマーからなる陰イオン交換膜あるいは旭硝子株式会社製フレミオン（登録商標）等のフッ素系陰イオン交換膜を用いることができる。また、電極１２ａ，１２ｂは、カーボンブラック等の導電性粉体に、白金、イリジウム等の金属粉末を例えば前記導電体粉末に対して５重量％の割合で混合し、さらにポリビニルアルコールを水とアルコールとの混合液に溶解した混合物を加えたペースト状体を、陰イオン交換膜１１の両表面に所定の形状に塗布し、加熱、加圧することにより、陰イオン交換膜１１に密着し、陰イオン交換膜１１と一体に形成されている。電極１２ａ，１２ｂは、前記導電性粉体、金属粉末から形成されるので、直径数μｍの細孔を備える多孔質体、所謂マイクロポーラス状体となっている。尚、前記ペースト状体において、ポリビニルアルコールは結着剤として使用される。

膜−電極構造体２では、陰イオン交換膜１１は５０〜２００μｍの膜厚を備えている。また、電極１２ａ，１２ｂは、前述の方法により乾燥膜厚が３０〜２００μｍとなるように形成されている。

電解室５，６は膜−電極構造体２を介して対向配置されており、電解室５，６の内部には、膜−電極構造体２の表面に対して対向配置された集電体１３，１４が設けられている。集電体１３，１４は、チタン等の耐腐食性導電材料により網目状に形成された、例えばチタンメッシュからなり、電解室５，６に供給された原水を透過させて該原水が電極１２ａ，１２ｂに接触できるようにされている。

集電体１３，１４は、電解室５，６の外壁を貫通して集電体１３，１４に当接されるターミナル１５，１６を介して図示しない外部電源に接続される。ターミナル１５，１６は、集電体１３，１４に当接する平坦な当接部１７と、当接部１７の背面に設けられた軸部１８とを備え、軸部１８は電解室ケース３，４に穿設された貫通孔１９，２０に挿通されている。また、ターミナル１５，１６は、電解室ケース３，４の外部に突出した軸部１８の外周側に、電解室ケース３，４との間に間隙を存して設けられたフランジ部２１とを備え、ターミナル１５，１６の外側に設けられて電解室ケース３，４に係止されているキャップ２２の内面とフランジ部２１との間に介装されたバネ２３により、集電体１３，１４方向に付勢され、押圧されている。

このとき、キャップ２２は、図３（ａ）に示すように、電解室ケース３，４の外部に突出した軸部１８の外周側を囲む有底円筒状体であり、開口端の外周部に沿って断続的に形成された複数の鍔部２４を備えている。一方、電解室ケース３，４は、鍔部２４が挿入される複数の挿入穴２５と、挿入穴２５，２５を相互に連通するアンダーカット部２６とを備えている。

そこで、ターミナル１５，１６を取り付けるときには、まず、図３（ａ）に示すように、軸部１８のフランジ部２１と、キャップ２２の底部２７との間に介装されたバネ２３の弾発力に抗して、キャップ２２を電解室ケース３，４方向に押圧し、鍔部２４を挿入穴２５に挿入する。

そして、キャップ２２の鍔部２４が挿通穴２５に挿入されたならば、図３（ｂ）に示すように、キャップ２２を周方向に回転させる。このようにすると、図３（ｃ）に示すように、鍔部２４は挿通穴２５，２５を相互に連通するアンダーカット部２６に案内されて係合する。このとき、バネ２３の弾発力は、キャップ２２の底部２７と、軸部１８のフランジ部２１とを相互に離間させる方向に作用する。

従って、キャップ２２は、底部２７方向に作用するバネ２３の弾発力により付勢され、鍔部２４がアンダーカット部２６の上方の電解室ケース３，４に係止されて抜け止めされる。一方、ターミナル１５，１６は、底部２７からフランジ部２１方向に作用するバネ２３の弾発力により付勢され、集電体１３，１４に押圧される。

この結果、ターミナル１５，１６に押圧された集電体１３，１４が、電極１２ａ，１２ｂに圧接される。

ターミナル１５，１６は、膜−電極構造体２の両側の互いに対向する位置に備えられているので、集電体１３，１４は一方の側だけに局部的な圧力が加わることを避けることができ、両側から均等な圧力で押圧されて、膜−電極構造体２の電極１２ａ，１２ｂに確実に圧接される。

尚、ターミナル１５，１６は、図示しない導線等により前記外部電源に接続されており、軸部１８と貫通孔１９，２０との間には、Ｏリング２８が嵌着されている。

また、電解室ケース３，４は、電解室５，６の内壁面に複数の突出部２９，３０を備えている。前記突出部２９，３０は、膜−電極構造体２の両側の互いに対向する位置に備えられ、それぞれその平坦な先端部が、ターミナル１５，１６の当接部１７と同様に集電体１３，１４に当接している。そして、各電解室ケース３，４は、スペーサ３１、パッキン３２を介して膜−電極構造体２に圧接されている。

本実施形態の電解槽１では、例えば電極１２ａを陽極、電極１２ｂを陰極とする場合、原水供給口７を介して電解室５にほとんど電解質を含まない水を原水として供給し、原水供給口８を介して電解室６に電解質を含む原水として食塩水（塩化ナトリウム水溶液）を供給しながら、集電体１３，１４を介して電極１２ａ，１２ｂに通電する。この結果、電解室５には次亜塩素酸を含む酸性電解水が得られ、該酸性電解水は電解水取出口９を介して取り出される。一方、電解室６にはアルカリ性電解水が得られ、該アルカリ性電解水は電解水取出口１０を介して取り出される。

このとき、電極１２ａ，１２ｂは、陰イオン交換膜１１の両表面に密着して陰イオン交換膜１１と一体に形成されており両電極間の間隔が非常に狭いので、電極間抵抗が小さく、低電圧で効率よく電解を行うことができる。

また、集電体１３，１４は、ターミナル１５，１６により押圧されて、電極１２ａ，１２ｂに圧着されている。従って、前記チタンメッシュからなる集電体１３，１４の、電極１２ａ，１２ｂに対する接触面積が大きくなり、電極１２ａ，１２ｂに対して電力が均一に供給されることとなり、集電体１３，１４から電極１２ａ，１２ｂに十分な電力を確実に供給することができる。

また、本実施形態の電解槽１において、突出部２９，３０は、図４に突出部２９を例として示すように、電解室ケース３の長さ方向に沿って平行に複数設けられ、電解室５内で突出部２９，２９間に流路３３を形成しているが、図４に仮想線２９１で示すように流路３３の中に島状に設けられていてもよい。突出部２９を島状に設けることにより、電解水中のイオンを拡散する効果を向上させることができる。

電解室ケース３は、外周部に設けられたボルト孔３４に挿通されるボルトと該ボルトに螺着されるナットとにより、電解室ケース４と共にスペーサ３１、パッキン３２を介して膜−電極構造体２に圧接される。

尚、図１に示す構成では、膜−電極構造体２の両側で、ターミナル１５にはターミナル１６が対向して備えられている。しかし、電解槽１では、図５に示すように、膜−電極構造体２の両側で、ターミナル１５には突出部３０の１つを対向させ、ターミナル１６には突出部２９の１つを対向させるようにしてもよい。図５の構成においても、図１の構成と同様に、集電体１３，１４は一方の側だけに局部的な圧力が加わることを避けることができ、両側から均等な圧力で押圧されて、膜−電極構造体２の電極１２ａ，１２ｂに確実に圧接される効果を得ることができる。

また、本実施形態の電解槽１においては、イオン透過性の隔膜として陰イオン交換膜１１を使用しているが、これに代えて陽イオン交換膜を使用しても同様に実施することができる。

本実施形態の電解槽１は、電極１２ａ，１２ｂに電力を供給する電源装置や前記原水供給手段等の作動を制御する制御装置等の周辺装置を備えることにより、電解水生成装置を構成することができる。

本発明の電解槽の一構成例を示す説明的断面図。 図１の要部拡大図。 図１の電解槽における接続部材の取付方法を示す説明的断面図 図１に示す膜−電極構造体の側から見た電解室ケースの平面図。 本発明の電解槽の他の構成例を示す説明的断面図。

符号の説明

１…電解槽、 ２…膜−電極構造体、 ５，６…電解室、 ７，８…原水供給手段、 ９，１０…電解水取出手段、 １１…隔膜、 １２ａ，１２ｂ…電極、 １３，１４…網目状集電体、 １５，１６…接続部材、 ２３…弾性部材、 ２９，３０…突出部。

Claims (4)

1. イオン透過性の隔膜を介して対向配置された１対の電解室と、各電解室に原水を供給する原水供給手段と、該隔膜を挟んで各電解室に設けられた１対の電極と、両電極に電圧を印加して該原水供給手段により各電解室に供給された原水を電解することにより得られた電解水を各電解室から取り出す電解水取出手段とを備える電解水生成装置の電解槽において、
   各電極が該隔膜の両表面に密着して形成された膜−電極構造体と、該膜−電極構造体の各電極に対向配置された網目状集電体と、各電解室の外壁を貫通して該網目状集電体と外部電源とを接続する接続部材と、該接続部材を該網目状集電体方向に付勢して押圧し該網目状集電体を該電極に圧接させる弾性部材とを備えることを特徴とする電解水生成装置の電解槽。
2. 前記各電解室は、前記膜−電極構造体の両側の互いに対向する位置に前記接続部材を備えることを特徴とする請求項１記載の電解水生成装置の電解槽。
3. 各電解室は、内壁に、前記網目状集電体を前記電極方向に押圧して、前記電極に圧接する複数の突出部を備え、前記膜−電極構造体の両側の互いに対向する位置の一方に該突出部、他方に前記接続部材を備えることを特徴とする請求項１記載の電解水生成装置の電解槽。
4. 前記電極は、導電性粉体を含む多孔質体からなることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の電解水生成装置の電解槽。

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