JP2006159072A

JP2006159072A - 電解水生成装置

Info

Publication number: JP2006159072A
Application number: JP2004353170A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Tanaka; 喜典田中; Yasuhiro Saihara; 康弘才原
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2004-12-06
Filing date: 2004-12-06
Publication date: 2006-06-22

Abstract

【課題】電解槽内の圧力を上昇させることにより気泡の生成を抑え、電極表面への気泡の付着を抑えて有効電極表面を増大させることができ、また気泡の溶解度を上昇させることができる電解水生成装置を提供する。
【解決手段】水道水、井戸水、河川水等の電解質が希薄な希薄水を電解し、水のｐＨを変化させる、または水に水素または酸素または塩素を溶解させる電解水生成装置である。これにおいて、電解槽Ａ内を加圧するため電解槽Ａ内の圧力を変化させる圧力調整手段を設ける。電解槽Ａに流水させる流水量を検知して流水量に応じた電解槽内圧に調整して加圧するか、若しくは電解槽Ａ内の圧力を検知してその電解槽内圧に応じた流水量になるように流量調整して、流水量に応じた電解槽内圧になるように制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、水道水、井戸水、河川水等の電解質の希薄な希薄水を電解槽に流入させ、電解することにより陰極水と陽極水と生成することができる電解水生成装置（所謂、アルカリイオン製水器、または強酸性水生成器）において、電解時に電解槽内圧を大気圧より高くすることにより気泡の発生を抑えて電極表面の気泡被覆率を下げ、電極表面を有効利用して電解の効率を上げる電解水生成装置に関するものである。

水の電解は工業的なアルカリ水電解や固体高分子膜電解など一般的に用いられている技術であり、アルカリ水電解では濃度の高いＫＯＨ水溶液を高温で電解したり、固体高分子膜電解では導電性の高いイオン交換膜を電極間に挟み込み電解したりしている。双方とも電極間に高導電性のものを用いているので、その電解電圧は１．５Ｖ〜２．０Ｖである。

一方、水道水、井戸水、河川水などの電解質が希薄な希薄水は溶解している電解質濃度が低いため平均２００μＳ／ｃｍと導電率が低い。これらも水を電解する必要があるアルカリイオン整水器や強酸性水生成器では導電率の低さから水自身が大きな抵抗体となり、必要電圧は２０〜３０Ｖとなり、それに応じて電力消費量もも増大するため、理論値に比べて電力効率が非常に悪い。

そこで、従来、電圧を下げるための手段として隔膜の両面に陽極物質と陰極物質を密着させたＳＰＥタイプの電解槽を用いることで電極間距離を短くすることが行われてきた（例えば、特許文献１参照）。この場合、電極間距離が短いので水の導電率による電圧の上昇を防ぐことができると考えらるが、電解時に発生する気泡が電極表面や電極間の部位に保持され、水が存在しない場合ができて導電性を下げることもある。

水の電解の電圧の上昇は、勿論水自体の導電率の低さによるものが大きいが、それと共に発生するガス成分（水素、酸素、塩素等）の気泡生成による電極付着、電極間での滞在が電解電圧上昇の一因となっている。

そこで、従来、電極に付着した気泡を脱離するため超音波発信器を取り付け、超音波による気泡の脱離を試みている（例えば、特許文献２参照）。しかしながら超音波では電極表面の水素、酸素、塩素の過飽和状態が乱されて気泡の生成が促進される場合がある。また超音波によって溶存空気から活性酸素や硝酸イオンを生成する可能性もあり、電解水生成装置にとって望ましくないという問題がある。
特開平７−２１４０６３号公報特開平８−８９９６７号公報

本発明は上記の従来の問題点に鑑みて発明したものであって、電解槽内の圧力を上昇させることにより気泡の生成を抑え、電極表面への気泡の付着を抑えて有効電極表面を増大させることができ、また気泡の溶解度を上昇させることができる電解水生成装置を提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するために本発明の電解水生成装置は、水道水、井戸水、河川水等の電解質が希薄な希薄水を電解し、水のｐＨを変化させる、または水に水素または酸素または塩素を溶解させる電解水生成装置において、電解槽内を加圧するため電解槽内の圧力を変化させる圧力調整手段を設け、電解槽に流水させる流水量を検知して流水量に応じた電解槽内圧に調整して加圧するか、若しくは電解槽内の圧力を検知してその電解槽内圧に応じた流水量になるように流量調整して、流水量に応じた電解槽内圧になるように制御したことを特徴とする。

上記構成によれば、電解槽内を加圧して電解することで気泡の生成を抑えて電極表面への気泡の付着を抑えることでき、有効電極面積を増大させることができて電力消費量が増大することなく効率よく電解できる。また電解槽内を加圧して電解することで気泡の溶解度を上げて過剰にガスの溶解した水を得ることができる。また電解槽に流水させる流水量を検知して流水量に応じた電解槽内圧に調整して加圧するか、若しくは電解槽内の圧力を検知してその電解槽内圧に応じた流水量になるように流量調整して、流水量に応じた電解槽内圧になるように制御したことにより電解槽内を流水量に応じて適切な圧力に加圧することができ、電解電圧が下がり、効率よく電解処理することができる。

またＰ：電解槽内圧（ｋＰａ）、Ｐ_ｏｕｔ：大気圧（ｋＰａ）、Ｖ：流水量（ｍｌ／ｍｉｎ）としたとき、電解槽内圧と流水量との関係が、
Ｐ−Ｐ_ｏｕｔ＝１．５×ｅｘｐ（０．００２×Ｖ）
となるように制御した特徴とすることも好ましい。

この場合、流水量と電解槽内圧とを適切に対応させることでき、効率よく電解処理することができる。

本発明は、叙述の如く電解槽内を加圧して電解することで気泡の生成を抑えて電極への付着を抑えることができ、有効電極面積を増大させることで電力消費量が増大することなく効率よく電解できるという効果があり、また気泡の溶解度を上げて過剰にガスの溶解した水を得ることができるという効果があり、さらに適切な圧力で電解槽を加圧することで一層効率よく電解されるという効果がある。

以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基いて説明する。

図１に本発明の実施の形態の一例の電解水生成装置を示す。蛇口２２に設けた付属の水切り替え器２０のレバー２１を切り替えることにより、水道水、井戸水、河川水等の電解質が希薄な希薄水が管路３９を通って電解水生成装置２８に導入されるようになっている。管路３９を通って電解水生成装置２８に導入された水は管路４０にて浄水部２５に導入され、浄水部２５の活性炭部２３にて遊離塩素が除去され、浄水部２５の中空糸膜部２４にて固形不純物の除去が行われるようになっている。

浄化部２５にて浄化された陰極水生成のための水は管路４１を通過し、電解槽Ａの陰極槽１０の入り口１４から陰極槽１０内に入るようになっている。また浄化部２５にて浄化された陽極水生成のための水は管路４２を通り、電解槽Ａの陽極槽１１の入り口１５から陽極槽１１に入る。陰極槽１０と陽極槽１１は隔膜１８を介して隣接しており、陰極槽１０内の陰極１２、陽極槽１１内の陽極１３は隔膜１８を挟んで対となっている。ここで電極としての陰極１２と陽極１３との間に定電流が流されると、陰極槽１０内、陽極槽１１内で水の電解が起こるようになっている。陰極槽１０内では水の電解による水素の生成とＯＨ⁻イオンの生成が行われ、これにより陰極槽１０内の水はアルカリ性を呈する陰極水となる。反対に陽極槽１１内では水の電解による酸素の生成とＨ^＋イオンの生成が行われ、これにより陽極槽１１内の水は酸性を呈する陽極水となる。

陰極水は陰極槽１０の出口１６から管路４３を経て、電解水生成装置２８の吐水口２７から放出され、使用に供されるようになっている。陽極水は出口１７から管路４４を経て別の出口から電解水生成装置２８の外に放出されるようになっている。なお、電解水生成装置２８を使用しないときは、排水弁１９ａ，１９ｂを開くことにより排水口４９，５０から外部に放出できるようになっている。

また陰極槽１０と陽極槽１１の水圧力調整のために圧力調整手段が設けられうが、本例の場合、圧力調整手段として管路４３に調整弁４を、管路４４に調整弁５を設けてあり、調整弁４と調整弁５のオリフィスをコントロールし、絞ることができるようになっている。調整弁４，５のオリフィスを絞ってオリフィスを狭くするとでか電解槽Ａの内圧が上昇する。オリフィスを絞るようにコントロールした直後は吐出量が減少することが予測されるが、蛇口２２からの流入量を多くすれば、狭いオリフィスのままで吐出量は元の値に復活させることができる。

ところで、通常、水素、酸素、塩素等のガス成分の溶解量は次のようなヘンリーの法則が成立する。

Ｃ＝κＰ……（式１）
ただし、Ｃ：溶解度（ｍｏｌ／Ｌ）、κ：ヘンリー定数、Ｐ：圧力（ｋＰａ）
電解槽Ａでは電極の表面で発生するガス成分の量より水中に拡散して行く量が少なく、電極表面で過飽和溶解状態と呼ばれる上記溶解度より過剰であるような、非平衡状態が存在する。過飽和状態のある濃度以上（臨界濃度）になると、溶けきれなかった分のガスが気泡として表れ、電極表面に付着する。この気泡は電極表面の接水部位を減少させることとなり、電極有効表面積が減少し、電流密度の上昇を誘引する。電解質の希薄な希薄水の電解の場合には向かい合った電極間の最短部のみでイオン移動などが起こるので電極有効面積の減少と、電流密度の増加は必要電解電圧の増大を招くこととなる。

また電解槽Ａ内での流水量を増加させることにより、ガス成分の水中への拡散を促進させることができ、過飽和状態の濃度が下がるが、殆どの場合、電極表面が過飽和状態となる。

しかし、本発明では圧力調整手段として調整弁４，５を調整して電解槽Ａ内の内圧を上昇させることにより、上記（式１）に伴なってガス溶解濃度が上昇する。この結果気泡発生の臨界濃度も上昇させることができる。つまり、電極表面での気泡発生を抑制することができる。またガスの溶解度も上昇するので、吐出水として通常の圧で電解より過剰にガス溶解した水を得ることができる。

図２は同流水量で定電流電解にて水を電解した場合に、電解槽Ａの内圧を変化させることに伴なう電解電圧の減少を示したものである。この結果より、電解槽Ａを加圧すると、いずれの定電流値でも電解電圧が減少することがわかる。このとき１ｋＰａ程度の加圧では加圧しないものと殆ど変わらないが、２ｋＰａ以上の加圧であるといずれの定電流値でも電解電圧が減少することがわかる。

また図３は同流水量で定電流電解にて水を電解し、内圧を変化させた場合の吐水中の溶解水素量を示す。この結果から電解槽Ａを加圧すると、いずれの定電流値でも溶解水素量を増加させることができることがわかる。このときも、１ｋＰａ程度の加圧では溶解水素量は殆ど変らないが、２ｋＰａ以上の加圧であると、いずれの定電流値でも溶解水素量が増加することわかる。これらの結果から本発明のように電解槽Ａを加圧して水を電解すると、電解電圧を下げることができると共にガスの溶解量を上げることができることがわかる。

また図４は各水量で定電流電解にて水を電解した場合、電解電圧が減少する電解槽内圧（大気圧との差圧）について流水量との関連を示したものである。このときの関係式（実験データにより導き出した式）は次のように表せられる。

Ｐ−Ｐ_ｏｕｔ＝１．５×ｅｘｐ（０．００２×Ｖ）……（式２）
ただし、Ｐ：電解槽内圧（ｋＰａ）、Ｐ_ｏｕｔ：大気圧（ｋＰａ）、Ｖ：流水量（ｍｌ／ｍｉｎ）である。

これより各流水量によって対応する電解槽内圧があり、これ以上の内圧を付与することにより電解電圧が下がり、効率よく電解することができる。またさらに高く内圧を上昇させても気泡発生が抑えられるので、理論的に上限はないが、電解槽Ａの耐圧設計に関する上限範囲を上限とする。

また本発明では陰極槽１０に水を流入させる管路４１及び陽極槽１１に水を流入させる管路４２に流量計６及び流量計７が設けられている。各管路４１，４２に流れる水の流量は流量計６，７で測定され、データが制御部８の演算装置に入力されるようになっている。そして入力されたデータを上記（式２）に入力し、得られた結果を元に電解槽内圧を判断し、制御部８にて圧力調整手段としての調整弁４及び調整弁５を調整して電解槽内圧をコントロールし、電解電圧を下げるように働くようになっている。また電解槽Ａに圧力測定器９ａ，９ｂを設けておき、この測定値を制御部８に入力するようにしてあると、予め，電解槽内圧をモニターし、制御部８にフィードバックすることにより精度よく電解槽内圧をコントロールすることができる。

また反対に電解槽内圧を圧力測定器９ａ，９ｂでモニターする場合には、制御部８の演算装置に測定した圧力データが入力され、（式２）により判断して表示部２に表示して流量を調節するように知らせたり、流量調整部３を制御して流水量を調整したりして、電解槽内圧に応じた流水量に調整して電解電圧を下げるように働くようになっている。このとき、流量計６及び流量計７にて流量をモニターし、データを制御部８にフィードバックしてさらに精度よく流水量をコントロールすることもできる。

また定電流電解の場合は電解槽Ａ内の内圧により前述のように電圧値が変化するが、反対に定電圧電解の場合には電解槽Ａ内の内圧により電流値が変化する。従って、圧力調整手段としての調整弁４及び調整弁５を調整し、電解槽Ａ内の内圧をコントロールすることにより、電圧一定で電流量を変化させることができる。これにより水素、酸素、塩素等の生成物量の調整、ｐＨ変化などが定電圧電解でできることとなる。

なお、上記の例の場合、電解槽Ａより下流側の管路４３，４４に圧力調整手段としてオリフィスを絞る調整弁４，５を設けて水の排出量を調整することで電解槽Ａに水圧を付与することについて述べたが、圧力調整手段としては、電解槽Ａを電解水生成装置２８の吐水口２７の位置より低位置に設置することで電解槽Ａから吐水口２７まで管路の水の自重により電解槽Ａ内に水圧を付与したり、また電解槽Ａ内に別途圧力を付与する機構を設けたり、水または固体、気体を電解槽Ａ内に押し込むことにより電解槽Ａ内に水圧を付与したりしてもよい。

上記の例の場合、調整弁４，５は陰極槽１０及び陽極槽１１の双方の下流の管路４３，４４に設けたが、双方に設ける必要がなく、どちらか片方でも構わない。また溶解するガスとして水素について主に説明したが、溶解するガスとしては水素だけでなく、酸素、塩素等が考えられる。

本発明の実施の形態の一例の電解水生成装置を示す管路図である。電解槽の内圧と電解電圧の関係を示すグラフである。電解槽の内圧と溶解水素量の関係を示すグラフである。電解電圧が減少する電解槽内圧と流水量の関係を示すグラフである。

符号の説明

Ａ電解槽
４調整弁
５調整弁
６流量計
７流量計
８制御部
９ａ圧力測定器
９ｂ圧力測定器
１０陰極槽
１１陽極槽
１２陰極
１３陽極

Claims

水道水、井戸水、河川水等の電解質が希薄な希薄水を電解し、水のｐＨを変化させる、または水に水素または酸素または塩素を溶解させる電解水生成装置において、電解槽内を加圧するため電解槽内の圧力を変化させる圧力調整手段を設け、電解槽に流水させる流水量を検知して流水量に応じた電解槽内圧に調整して加圧するか、若しくは電解槽内の圧力を検知してその電解槽内圧に応じた流水量になるように流量調整して、流水量に応じた電解槽内圧になるように制御したことを特徴とする電解水生成装置。
Ｐ：電解槽内圧（ｋＰａ）、Ｐ_ｏｕｔ：大気圧（ｋＰａ）、Ｖ：流水量（ｍｌ／ｍｉｎ）としたとき、電解槽内圧と流水量との関係が、
Ｐ−Ｐ_ｏｕｔ＝１．５×ｅｘｐ（０．００２×Ｖ）
となるように制御した特徴とする請求項１記載の電解水生成装置。