JP2009195884A - Apparatus for generating electrolytic water - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電解水生成装置、特に原水を電気分解して電解水を生成する電解水生成装置に関する。 The present invention relates to an electrolyzed water generating device, and more particularly to an electrolyzed water generating device that electrolyzes raw water to generate electrolyzed water.
近年、水を電気分解して得られる電解水(例えばアルカリイオン水)は、胃腸症状改善などの医療的効果があるものとして注目されている。この種の電解水を生成する電解水生成装置の一つとして、隔膜式電解槽を備えた装置が提案されている(例えば特許文献1)。隔膜式電解槽を備えた装置は、一対の電極(陰極および陽極)間がイオン交換膜などの隔膜で仕切られた構造の電解槽を有しており、それによって電解槽内を陰極室と陽極室とに区分けしている。 In recent years, electrolyzed water obtained by electrolyzing water (for example, alkaline ionized water) has attracted attention as having medical effects such as improvement of gastrointestinal symptoms. As one of electrolyzed water generating apparatuses that generate this type of electrolyzed water, an apparatus including a diaphragm type electrolytic cell has been proposed (for example, Patent Document 1). An apparatus equipped with a diaphragm type electrolytic cell has an electrolytic cell having a structure in which a pair of electrodes (cathode and anode) is partitioned by a diaphragm such as an ion exchange membrane, whereby the inside of the electrolytic cell is divided into a cathode chamber and an anode. It is divided into rooms.
そして、電解槽の陰極室および陽極室に原水(例えば水道水)を導入して電極間に電圧を加えると、電極に接触している水が電気分解されて電解反応が進行する。その際、陰極室においては、電解反応によって水素(H2)および水酸化物イオン(OH−)が生成するため、当該陰極室からは水酸化物イオン濃度が高いアルカリ性の電解水(陰極水)を得ることができる。一方、陽極室においては、電解反応によって酸素(O2)および水素イオン(H+)が生成するため、当該陽極室からは酸素イオン濃度が高い酸性の電解水(陽極水)を得ることができる。 When raw water (for example, tap water) is introduced into the cathode chamber and the anode chamber of the electrolytic cell and a voltage is applied between the electrodes, the water in contact with the electrodes is electrolyzed and the electrolytic reaction proceeds. At that time, in the cathode chamber, hydrogen (H 2 ) and hydroxide ions (OH − ) are generated by an electrolytic reaction, and therefore alkaline electrolyzed water (cathode water) having a high hydroxide ion concentration from the cathode chamber. Can be obtained. On the other hand, in the anode chamber, oxygen (O 2 ) and hydrogen ions (H + ) are generated by the electrolytic reaction, so that acidic electrolyzed water (anode water) having a high oxygen ion concentration can be obtained from the anode chamber. .
ところで、この種の電解水の性質を表すパラメータとしては、上述した酸性やアルカリ性などのpH値や電解水中に含有するミネラル成分量が評価される場合が多いが、それ以外にも電解水(特に陰極水)中に存在する溶存水素濃度も重要なパラメータの一つとして注目されている。すなわち、電解水の溶存水素が生体に対する様々な効果効能を持つのではないかと関心を集めている。そして、このような溶存水素濃度が高い電解水(水素溶存水)を飲料水として使用する場合、そのpH値は飲用に適した中性付近を維持することが求められている。
しかしながら、従来の電解水生成装置においては、水の電気分解によって陰極室では水素だけでなく水酸化物イオンも生成されるため、電解水中の溶存水素濃度とpH値とを適当な値(特に飲用に適したpH7.5付近)に調整することが非常に困難であった。すなわち、電解水中の溶存水素濃度を高めるべく電解の電気量を増大すると、同時に生成した水酸化物イオンによって電解水のpH値も大きく上昇してしまうため、例えばpH6.8〜7.8の中性領域において溶存水素濃度1.5ppm以上となる高い溶存水素濃度を有する陰極水(水素溶存水)を採取することは非常に難しかった。 However, in the conventional electrolyzed water generator, not only hydrogen but also hydroxide ions are generated in the cathode chamber by electrolysis of water, so that the dissolved hydrogen concentration and pH value in the electrolyzed water are appropriate values (especially drinking). It was very difficult to adjust the pH to around 7.5). That is, if the amount of electricity for electrolysis is increased to increase the dissolved hydrogen concentration in the electrolyzed water, the pH value of the electrolyzed water is also greatly increased by the simultaneously generated hydroxide ions, so that, for example, in the pH of 6.8 to 7.8 It was very difficult to collect cathodic water (hydrogen-dissolved water) having a high dissolved hydrogen concentration of 1.5 ppm or more in the sex region.
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、電解水(特に陰極水)のpH値の上昇を抑制しつつ、溶存気体濃度(特に溶存水素濃度)が高い電解水を容易に得ることができる電解水生成装置を提供することである。また、そのような電解水生成装置に使用される電極用部材及び電極用部材の製造方法を提供することである。 This invention is made | formed in view of this point, The main objective is the electrolyzed water with high dissolved gas concentration (especially dissolved hydrogen concentration), suppressing the raise of the pH value of electrolyzed water (especially cathode water). It is providing the electrolyzed water generating apparatus which can obtain easily. Moreover, it is providing the member for electrodes used for such an electrolyzed water generating apparatus, and the manufacturing method of the member for electrodes.
本発明によって提供される電解水生成装置は、原水を電気分解して電解水を生成する電解水生成装置である。かかる生成装置は、上記原水が供給される陽極および陰極と、上記陽極および陰極間に配置される隔膜とを備えている。上記陽極および陰極のうちの少なくとも一方の表面には、貴金属元素である白金を主体とする白金触媒層が形成されている。そして、上記白金触媒層には、平均細孔径50μm以下の細孔が形成されていることを特徴とする。 The electrolyzed water generating device provided by the present invention is an electrolyzed water generating device that electrolyzes raw water to generate electrolyzed water. Such a generator includes an anode and a cathode to which the raw water is supplied, and a diaphragm disposed between the anode and the cathode. A platinum catalyst layer mainly composed of platinum, which is a noble metal element, is formed on the surface of at least one of the anode and the cathode. The platinum catalyst layer has pores with an average pore diameter of 50 μm or less.
ある好適な実施形態において、上記白金触媒層は、ヘキサクロロ白金酸を含む白金化合物を所定温度の乾燥蒸気で焼成することによって形成されている。 In a preferred embodiment, the platinum catalyst layer is formed by baking a platinum compound containing hexachloroplatinic acid with dry steam at a predetermined temperature.
ある好適な実施形態では、上記陰極は、上記原水が導入される陰極室に配置されており、上記陰極室には、上記陰極から発生した水素を溶存する水素溶存水を排出する水素溶存水排出経路が連結されており、上記水素溶存水排出経路は、上記排出された水素溶存水を攪拌する攪拌手段を備えている。 In a preferred embodiment, the cathode is disposed in a cathode chamber into which the raw water is introduced, and in the cathode chamber, hydrogen-dissolved water discharge that discharges hydrogen-dissolved water that dissolves hydrogen generated from the cathode is discharged. The paths are connected, and the hydrogen-dissolved water discharge path includes a stirring means for stirring the discharged hydrogen-dissolved water.
ある好適な実施形態において、上記攪拌手段は、上記水素溶存水排出経路の途上に設けられたスパイラルチューブである。 In a preferred embodiment, the stirring means is a spiral tube provided in the middle of the hydrogen-dissolved water discharge path.
ある好適な実施形態では、上記水素溶存水排出経路は、上記排出された水素溶存水の溶存水素濃度を検出する水素濃度検出手段と、上記検出された溶存水素濃度が所定濃度に満たない場合に、上記排出された水素溶存水を上記陰極室まで還流させる還流手段とを備えている。 In a preferred embodiment, the hydrogen-dissolved water discharge path includes a hydrogen concentration detection means for detecting a dissolved hydrogen concentration of the discharged hydrogen-dissolved water, and a case where the detected dissolved hydrogen concentration is less than a predetermined concentration. And a reflux means for refluxing the discharged hydrogen-dissolved water to the cathode chamber.
ある好適な実施形態において、上記陽極は、上記原水が導入される陽極室に配置されており、上記陽極室には、当該陽極室の内部において上記導入された原水を保持する保持部材が配置されている。 In a preferred embodiment, the anode is arranged in an anode chamber into which the raw water is introduced, and a holding member for holding the introduced raw water is arranged in the anode chamber. ing.
ある好適な実施形態では、上記原水を保持する保持部材は、上記陽極の外面に接触して配置された多孔体シートである。 In a preferred embodiment, the holding member for holding the raw water is a porous sheet disposed in contact with the outer surface of the anode.
ある好適な実施形態において、上記陽極は、上記原水が導入される陽極室に配置されており、上記陽極室には、上記陽極から発生した酸素を溶存する酸素溶存水を排出する酸素溶存水排出経路が連結されており、上記酸素溶存水排出経路は、上記排出された酸素溶存水から酸素を分離させる分離手段を備えている。 In a preferred embodiment, the anode is disposed in an anode chamber into which the raw water is introduced, and in the anode chamber, oxygen-dissolved water discharge that discharges oxygen-dissolved water that dissolves oxygen generated from the anode is discharged. A path is connected, and the oxygen-dissolved water discharge path includes a separating means for separating oxygen from the discharged oxygen-dissolved water.
また、本発明は、電解水を生成するために用いられる電極用部材を提供する。この電極用部材は、導電性金属を主体とする電極材と、上記電極材の表面に形成された白金触媒層とを備える。そして、上記白金触媒層は、貴金属元素である白金を主体として構成され、且つ、平均細孔径50μm以下の細孔が形成されていることを特徴とする。 Moreover, this invention provides the member for electrodes used in order to produce | generate electrolyzed water. The electrode member includes an electrode material mainly composed of a conductive metal and a platinum catalyst layer formed on the surface of the electrode material. The platinum catalyst layer is mainly composed of platinum, which is a noble metal element, and has pores with an average pore diameter of 50 μm or less.
ある好適な実施形態において、上記白金触媒層は、ヘキサクロロ白金酸を含む白金化合物を所定温度の乾燥蒸気で焼成することによって形成されている。 In a preferred embodiment, the platinum catalyst layer is formed by baking a platinum compound containing hexachloroplatinic acid with dry steam at a predetermined temperature.
さらに、本発明は、電解水を生成するために用いられる電極用部材の製造方法を提供する。かかる方法は、導電性金属を主体とする電極材を用意する工程と、上記用意した電極材の表面にヘキサクロロ白金酸を含む触媒形成用塗布液を塗布する塗布工程と、上記触媒形成用塗布液を塗布した電極材を焼成し、当該電極材表面に白金を主体とする白金触媒層を形成する焼成工程とを含む。そして、上記焼成工程において、上記焼成は、所定温度の乾燥蒸気を用いて行われることを特徴とする。 Furthermore, this invention provides the manufacturing method of the member for electrodes used in order to produce | generate electrolyzed water. Such a method includes a step of preparing an electrode material mainly composed of a conductive metal, a coating step of applying a catalyst-forming coating solution containing hexachloroplatinic acid to the surface of the prepared electrode material, and the catalyst-forming coating solution. And a firing step of firing a platinum catalyst layer mainly composed of platinum on the surface of the electrode material. In the firing step, the firing is performed using dry steam at a predetermined temperature.
ある好適な実施形態において、上記焼成工程は、上記電極材を所定温度の乾燥蒸気で焼成する第1焼成処理と、上記第1焼成処理よりもさらに高温の乾燥蒸気で焼成する第2焼成処理とを含む。 In a preferred embodiment, the firing step includes a first firing process for firing the electrode material with dry steam at a predetermined temperature, and a second firing process for firing with dry steam at a higher temperature than the first firing process. including.
ある好適な実施形態では、上記触媒形成用塗布液は、さらに六塩化イリジウム酸を含有する。 In a preferred embodiment, the catalyst-forming coating solution further contains hexachloroiridium acid.
本発明の電解水生成装置によれば、陰極表面で発生した水素気泡は、陰極表面に形成された白金触媒層の細孔(平均細孔径50μm以下の微小細孔)を通って放出されるため、発生水素気泡を非常に小さくすることができる。加えて、微小細孔の作用によって陰極表面と水との界面張力が小さくなるので、発生水素気泡の泡離れを良好にすることができる。これによって、陰極表面から発生した水素気泡を小さいサイズのまま水中に速やかに分散させることができ、水素溶存水中の溶存水素濃度を効率良く大きくすることができる。また、本発明の電解水生成装置によれば、溶存水素濃度を効率良く大きくすることができるので、所望の溶存水素濃度を得るために要する電気分解の電気量を低減することができ、水素溶存水のpH値の上昇を抑制することができる。 According to the electrolyzed water generating apparatus of the present invention, hydrogen bubbles generated on the cathode surface are released through the pores (micropores having an average pore diameter of 50 μm or less) of the platinum catalyst layer formed on the cathode surface. The generated hydrogen bubbles can be made very small. In addition, since the interfacial tension between the cathode surface and water is reduced by the action of the micropores, it is possible to improve the bubble separation of the generated hydrogen bubbles. As a result, hydrogen bubbles generated from the cathode surface can be quickly dispersed in water with a small size, and the dissolved hydrogen concentration in the hydrogen-dissolved water can be increased efficiently. Further, according to the electrolyzed water generating apparatus of the present invention, the dissolved hydrogen concentration can be increased efficiently, so that the amount of electrolysis required to obtain a desired dissolved hydrogen concentration can be reduced, and the hydrogen dissolved An increase in the pH value of water can be suppressed.
以下、図面を参照しながら本発明による実施の形態を説明する。以下の図面においては、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付して説明している。また、各図における寸法関係(長さ、幅、厚さ等)は実際の寸法関係を反映するものではない。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following drawings, members / parts having the same action are described with the same reference numerals. In addition, the dimensional relationships (length, width, thickness, etc.) in each drawing do not reflect actual dimensional relationships.
図1を参照しながら、本実施形態に係る電解水生成装置100について説明する。図1は電解水生成装置100の全体構成を模式的に示す模式図である。
The electrolyzed
電解水生成装置100は、原水を電気分解して電解水(この実施形態では陰極から発生した水素を溶存する水素溶存水)を生成するための装置である。この生成装置100は、図1に示すように、電解槽10と、当該電解槽10に原水を導入する原水供給経路50と、電解槽10から排出された電解水を外部まで導く電極水排出経路70、60とから構成されている。
The electrolyzed
電解槽10は、隔膜式電解槽であり、原水が供給される一対の電極(陽極20および陰極30)間が隔膜40で仕切られた構造を有している。当該隔膜40によって電解槽10の内部空間が2つに区分けされている。この実施形態では、電解槽10の内部にはさらに壁面90が設けられ、当該壁面90と隔膜40とによって、電解槽10の内部空間が陽極室24と陰極室34とに区分けされている。
The
電解槽10の入口側(図では下側)には、原水供給経路50が連結されている。原水供給経路50は、図示しないポンプに接続されており、当該ポンプによって送り出された原水を電解槽10に連続的(あるいは断続的であってもよい)に導入(搬送)するように構成されている。この実施形態では、原水供給経路50は、その下流側において2つの経路(陽極側供給経路52と陰極側供給経路54と)に分岐されている。陽極側供給経路52は、陽極室24に連結され、当該陽極室24にポンプによって送り出された原水の一部を導入(搬送)するようになっている。一方、陰極側供給経路54は、陰極室34に連結され、当該陰極室34にポンプによって送り出された原水の一部を導入(搬送)するようになっている。
A raw
電解槽10の出口側(図では上側)には電解水排出経路が連結されており、陽極室24および陰極室34から排出された電解水(陽極水および陰極水)を所定の位置まで排出するように構成されている。この実施形態では、陽極室24には、酸素溶存水排出経路70が連結されており、当該陽極室24から流出した陽極水(この例では陽極20から発生した酸素を溶存する酸素溶存水)を排出するようになっている。一方、陰極室34には、水素溶存水排出経路(上流側排出経路60および下流側排出経路61)が連結されており、当該陰極室34から流出した陰極水(この例では陰極30から発生した水素を溶存する水素溶存水)を排出するようになっている。この実施形態では、上流側排出経路60は、電磁バルブ68を介して下流側排出経路61に連結されており、当該下流側排出経路61は出口コック69を介して装置外部に連結されている。
An electrolytic water discharge path is connected to the outlet side (upper side in the drawing) of the
なお、電解槽10に導入される原水としては、少なくとも水分子を含む(電気分解によって水素分子と酸素分子とが生成され得る)電解液であればよく、電解水生成装置の構成(例えば、隔膜の種類など)に応じて適当なものを使用することができる。例えばイオン交換膜などの固体高分子電解膜を採用する場合には、浄水(例えば活性炭等によって不純物が除去された水)、RO透過水、イオン交換水、純水等の中性水を好ましく使用することができる。或いは、例えば多孔質樹脂膜などの中性の電解膜を用いる場合には、水に、塩化ナトリウム等の塩、若しくは硫酸や苛性ソーダなどの酸、アルカリを加えた電解液を原水として電解槽に導入してもよい。
The raw water introduced into the
次に、図2を加えて本実施形態に係る電解槽10の内部構造についてさらに説明する。図2は図1の電解槽内部における要部を拡大した要部拡大図である。本実施形態においては、電解槽10は、図2に示すように、隔膜40の両側面に網状絶縁体42a、42bを配置し、この網状絶縁体42a、42bの両外側に陽極20および陰極30を配置した構造を有している。
Next, the internal structure of the
隔膜40は、耐熱性および耐腐食性(耐酸性および耐アルカリ性など)に優れた材質が好ましく、さらには水が染込んで且つ垂れにくい材質が好ましい。隔膜の種類としては、電解水生成装置の構成(例えば採用する電解法など)に応じて適当なものを使用することができる。この実施形態では、隔膜40は陽イオン交換膜であり、耐熱性および耐腐食性に優れたフッ素樹脂系の膜(例えばデュポン株式会社製のナフィオン)を好適に使用している。なお、隔膜40の厚さは、例えば0.5mm〜2.0mm程度である。
The
網状の絶縁体42a、42bは、網状(或いは格子状)に形成されたシート部材であり、電極20、30と隔膜40との間で狭持されている。この網状絶縁体42a、42bは、原水の通り道になっている。すなわち、陽極側の網状絶縁体42aは、陽極20と隔膜40との間で狭持され、当該陽極20と隔膜40との間に原水を導入するようになっている。また、陰極側の網状絶縁体42bは、陰極30と隔膜40との間で狭持され、当該陰極30と隔膜40との間に原水を導入するようになっている。このような網状絶縁体42a、42bとしては、絶縁性を有し且つ化学的安定性を有する材質が好ましく、この実施形態では、フッ素系樹脂シート(この例ではテフロンシート)をダイヤ状の模様に切り込んで網状にしたものを好ましく使用している。なお、網状絶縁体42a、42bの厚さは、例えば0.5mm〜1.0mm程度である。
The net-
陽極20および陰極30は、隔膜40および網状絶縁体42a、42bを挟んで互いに対向して配置されている。陽極20の形状は、陽極室24に収容し得る形状であればよく特に制限されないが、ここでは剛性を確保する観点から平板形状を採用している。陽極20の材質は、良好な導電性を有し且つ電気化学的に不活性な金属材料が好ましく、ここではチタン材を好適に使用している。陰極30の形状は、陰極室34に収容し得る形状であればよく特に制限されないが、ここでは剛性を確保する観点から平板形状を採用している。また、陰極30の材質は、良好な導電性を有し且つ電気化学的に不活性な金属材料が好ましく、ここではチタン材を好適に使用している。陽極20および陰極30は、図示しない電源に接続されており、当該電源は、陽極20および陰極30間に直流電圧を加えるようになっている。電源からの電圧は、例えば4.2V〜4.5V程度である。なお、陽極20および陰極30の厚さは、例えば0.8mm〜1.2mm程度である。
The
陽極20および陰極30のうちの少なくとも一方の表面には、白金触媒層22、32が形成されている。この実施形態では、陽極20の表面には白金触媒層22が形成されており、陰極30の表面には白金触媒層32が形成されている。白金触媒層22、32は、各電極20、30の片面(この実施形態では隔膜40に対向する側の面)に選択的に形成されてもよいが、各電極20、30の両面に形成されていることが好ましい。また、白金触媒層22、32は、各電極20、30の面全体を一様に(均一な層厚で)被覆していることが好ましい。なお、白金触媒層22、32の厚みは、例えば3μm程度である。
Platinum catalyst layers 22 and 32 are formed on at least one surface of the
かかる白金触媒層22、32は、貴金属元素である白金(Pt)を主体とする白金化合物から構成されている。このような白金化合物としては、例えばヘキサクロロ白金酸六水和物等が好ましく挙げられる。また、白金触媒層22、32は、その他の金属(例えば、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウムの白金族元素など)やその合金若しくは酸化物などを含んでいてもよい。このような白金触媒層22、32としては、例えば白金(Pt)とイリジウム(Ir)とを所定のPt/Ir比(例えば7:3)で混合したものを使用することができ、この場合、白金触媒層22、32は、白金とイリジウムとが混在した状態でその骨格が形成され得る。 The platinum catalyst layers 22 and 32 are made of a platinum compound mainly composed of platinum (Pt) which is a noble metal element. Preferred examples of such a platinum compound include hexachloroplatinic acid hexahydrate. The platinum catalyst layers 22 and 32 may contain other metals (for example, platinum group elements such as ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, etc.), alloys or oxides thereof. As such platinum catalyst layers 22 and 32, for example, a mixture of platinum (Pt) and iridium (Ir) at a predetermined Pt / Ir ratio (for example, 7: 3) can be used. The platinum catalyst layers 22 and 32 can have their skeleton formed in a state where platinum and iridium are mixed.
上述した白金触媒層22、32は、多数の細孔(図示せず)を有するものであり、その独立した細孔(または多数の細孔の繋がり)によって当該白金触媒層22、32の表面と裏面とを連通し得るように構成されている。そして、各電極20、30表面から発生した
気泡(陰極側では水素気泡)が当該細孔を通って放出されるようになっている。このような細孔の形状は特に制限されず、例えばスリット状、シリンダ状などのいずれであってもよい。また、細孔の平均細孔径は50μm以下であればよく、好ましくは10μm〜50μmの範囲である。なお、このような白金触媒層は、例えばヘキサクロロ白金酸を含む白金化合物を乾燥蒸気で焼成することによって容易に形成することができる。
The platinum catalyst layers 22 and 32 described above have a large number of pores (not shown), and the surface of the platinum catalyst layers 22 and 32 is formed by the independent pores (or the connection of a large number of pores). It is comprised so that a back surface can be connected. Bubbles generated from the surfaces of the
このようにして構成された電解水生成装置100を用いて電解水(ここでは水素溶存水)を生成する際には、まず、陽極側供給経路52を介して陽極室24に原水を導入し(矢印「81」)、陰極側供給経路54を介して陰極室34に原水を導入する(矢印「82」)。次いで、陽極20及び陰極30間に直流電圧を加えて、当該陽極20及び陰極30に接触している水を電気分解する。この電気分解によって、陽極表面および陰極表面ではそれぞれ電解反応が進行する。
When generating electrolyzed water (here, hydrogen-dissolved water) using the electrolyzed
詳しくは、図2に示すように、陽極側においては、陽極側の網状絶縁体42aを通って陽極20表面に接触した水分子(H2O)が電子を放出することにより酸素分子(O2)および水素イオン(H+)が生成する。生成した酸素分子(O2)は、気泡となって陽極20周辺の水中に放出される。放出された水素気泡は陽極20周辺の水中に溶存し、これによって陽極20から発生した酸素を溶存する酸素溶存水が生成される。このようにして生成された酸素溶存水は、酸素溶存水排出経路70を介して陽極室24外部へと排出される(矢印「83」)。
Specifically, as shown in FIG. 2, on the anode side, water molecules (H 2 O) that have contacted the surface of the
一方、陰極側においては、陰極側の網状絶縁体42bを通って陰極30表面に接触した水分子(H2O)が電子を受け取ることにより水素分子(H2)および水酸化物イオン(OH−)が生成する。生成した水素分子(H2)は、気泡となって陰極30周辺の水中に放出される。放出された水素気泡は陰極30周辺の水中に溶存し、これによって陰極30から発生した水素を溶存する水素溶存水が生成される。
On the other hand, on the cathode side, hydrogen molecules (H 2 ) and hydroxide ions (OH − ) are received by the water molecules (H 2 O) coming into contact with the surface of the
このとき、陰極表面で発生した水素気泡は、陰極表面に形成された白金触媒層の細孔(平均細孔径50μm以下の微小細孔)を通って放出されるため、発生水素気泡は非常に小さくなる。加えて、微小細孔の作用によって陰極表面と水との界面張力が小さくなるので、発生水素気泡の泡離れは良好となる。そのため、陰極表面から発生した水素気泡は小さいサイズのまま水中に速やかに分散することとなり、生成された水素溶存水中の溶存水素濃度は大きくなる。 At this time, hydrogen bubbles generated on the cathode surface are released through the pores of the platinum catalyst layer formed on the cathode surface (micropores having an average pore diameter of 50 μm or less), so the generated hydrogen bubbles are very small. Become. In addition, since the interfacial tension between the cathode surface and water is reduced by the action of the micropores, the generated hydrogen bubbles are better separated. Therefore, the hydrogen bubbles generated from the cathode surface are quickly dispersed in water with a small size, and the dissolved hydrogen concentration in the generated hydrogen-dissolved water increases.
このようにして生成された水素溶存水は、水素溶存水の上流側排出経路60を通って陰極室34外部へと排出され(矢印「82」)、次いで電磁バルブ68を介して下流側排出経路61に導かれ(矢印「84」)、その後、出口コック69を介して装置外部まで導かれる(矢印「86」)。このようにして高溶存水素濃度の水素溶存水を採取することができる。
The hydrogen-dissolved water thus generated is discharged to the outside of the
本実施形態の電解水生成装置100によれば、陰極表面で発生した水素気泡は、陰極表面に形成された白金触媒層32の細孔(平均細孔径50μm以下の微小細孔)を通って放出されるため、発生水素気泡を非常に小さくすることができる。加えて、微小細孔の作用によって陰極表面と水との界面張力が小さくなるので、発生水素気泡の泡離れ(陰極表面からの離脱)を良好にすることができる(換言すれば、陰極表面に水素気泡が付着集合して大きく成長する事態を回避することができる)。
According to the electrolyzed
これによって、発生水素気泡を小さいサイズのまま水中に速やかに分散させることができ、水素溶存水中の溶存水素濃度を効率良く大きくすることができる。なお、小さい気泡のまま分散させることにより溶存水素濃度が大きくなる理由を説明すると、微小な水素気泡はその内圧が大きくなるので、水素気泡と水との界面における水素分子および水分子の移動がスムーズとなり、それゆえに水素分子を水中に溶解させやすくなるからである。 As a result, the generated hydrogen bubbles can be quickly dispersed in the water with a small size, and the dissolved hydrogen concentration in the hydrogen-dissolved water can be efficiently increased. The reason why the dissolved hydrogen concentration increases by dispersing with small bubbles will be explained. Since the internal pressure of minute hydrogen bubbles increases, hydrogen molecules and water molecules move smoothly at the interface between hydrogen bubbles and water. Therefore, it becomes easy to dissolve hydrogen molecules in water.
また、上記構成によれば、溶存水素濃度を効率良く大きくすることができるため、所望の溶存水素濃度を得るために要する電気分解の電気量を低減することができ、水素溶存水のpH値の上昇を抑制することができる。 In addition, according to the above configuration, the dissolved hydrogen concentration can be increased efficiently, so the amount of electrolysis required to obtain the desired dissolved hydrogen concentration can be reduced, and the pH value of the hydrogen dissolved water can be reduced. The rise can be suppressed.
すなわち、典型的な電解水生成装置においては、水素溶存水の溶存水素濃度を高めるべく電解の電気量を増大すると、同時に生成した水酸化物イオンによって水素溶存水のpH値も大きく上昇してしまうため、溶存水素濃度とpH値とを適当な値(特に飲用に適したpH7.5付近)に調整することが非常に困難であった。これに対して、本実施形態の電解水生成装置100によれば、白金触媒層32の細孔の存在によって水素溶存水の溶存水素濃度を効率良く大きくすることができ、電解の電気流量を増大しなくてもよい。したがって、本実施形態の電解水生成装置100によれば、水素溶存水のpH値の上昇を抑制することができる。
That is, in a typical electrolyzed water generator, when the amount of electricity in electrolysis is increased to increase the dissolved hydrogen concentration of hydrogen-dissolved water, the pH value of the hydrogen-dissolved water is also greatly increased by the simultaneously generated hydroxide ions. For this reason, it has been very difficult to adjust the dissolved hydrogen concentration and pH value to appropriate values (particularly around pH 7.5 suitable for drinking). On the other hand, according to the electrolyzed
また、この実施形態では、陰極30と隔膜40との間に網状絶縁体42bを介在させることにより、陰極30の両面(隔膜40側の面と、隔膜40の反対側の面)から水素分子(H2)を生成することができ、それゆえに水素気泡をさらに効率的に発生させることができる。これによって水素溶存水中の溶存水素濃度をさらに増大させることができる。
Further, in this embodiment, by interposing the
さらに、この実施形態では、隔膜40の材料として陽イオン交換膜を使用しているので、陽極側において生成した水素イオン(H+)の一部を、隔膜40を介して陰極側に導入することができる。このように陰極側に導入された水素イオン(H+)の一部は、陰極表面に接触して電子を受け取ることにより水素分子(H2)となる。この電解反応では、水酸化物イオン(OH−)が生成されないので、水素溶存水のpH値の上昇を抑制することができる。加えて、陰極側に導入された水素イオン(H+)の一部は、陰極表面にて生成された水酸化物イオン(OH−)と結合して水分子(H2O)となる。この電解反応では、陰極表面にて生成された水酸化物イオン(OH−)が消費されるため、水素溶存水のpH値の上昇をさらに抑制することができる。
Further, in this embodiment, since a cation exchange membrane is used as the material of the
なお、本願発明者が上述した電解水生成装置100を用いて実際に水素溶存水を製造したところ、pH7.5の中性付近を維持しつつ、溶存水素濃度が1.5〜1.9ppmとなる高溶存水素濃度の水素溶存水を得ることができた。このことから、本実施形態の電解水生成装置100を使用することにより、飲用に適した高溶存水素濃度の水素溶存水を採取可能であることが確認された。
In addition, when this inventor actually manufactured hydrogen-dissolved water using the electrolyzed
白金触媒層32の平均細孔径は50μm以下であればよく、好ましくは10μm〜50μmの範囲である。白金触媒層32の平均細孔径が50μmよりも大きくなると、それに併せて発生水素の気泡サイズも大きくなるため、当該気泡の内圧が低下することとなり、それゆえに気泡中の水素分子(H2)が水中に溶解し難くなる。一方、細孔径が10μmよりも小さくなると、水素分子(H2)が細孔をスムーズに通過することができず(白金触媒層32に十分なガス透過性を付与することができず)、好ましくない。したがって、白金触媒層32の平均細孔径は、10μm〜50μmの範囲が好ましい。
The average pore diameter of the
なお、細孔の平均値(平均細孔径)は、例えばガス吸着法によって得ることができる。ガス吸着法に基づく細孔径(平均細孔径や細孔径分布)の測定は、例えば市販される島津製作所製の細孔分布測定装置を用いて容易に行うことができる。或いは、細孔径(平均細孔径や細孔径分布)の測定は、表面分析計を用いて行ってもよい。 The average value of pores (average pore diameter) can be obtained by, for example, a gas adsorption method. Measurement of the pore diameter (average pore diameter or pore diameter distribution) based on the gas adsorption method can be easily performed using, for example, a commercially available pore distribution measuring apparatus manufactured by Shimadzu Corporation. Alternatively, the pore diameter (average pore diameter or pore diameter distribution) may be measured using a surface analyzer.
なお、この実施形態のように、陰極室34から水素溶存水を採取する場合には、陰極側の原水流量(矢印「80」)を陽極側の原水流量(矢印「81」)よりも大きくすることが望ましい。具体的には、陰極側の原水流量が0.5L/minであるのに対し、陽極側の原水流量は0.1L/minとなっている。
Note that, when hydrogen-dissolved water is collected from the
このように陰極側の原水流量を陽極側の原水流量よりも大きくすることにより、陽極側の排水出量を低減することができ、本実施形態の目的に適した水素溶存水を良好なコストにて得ることができる。また、このように陰極側の原水流量を大きくすることにより、陰極表面に大きな流圧(水の流圧、例えば30MPa)を加えることができる。そのため、陰極表面からの水素気泡の泡離れをさらに促進することができる。 By making the raw water flow rate on the cathode side larger than the raw water flow rate on the anode side in this way, the drainage amount on the anode side can be reduced, and hydrogen-dissolved water suitable for the purpose of this embodiment can be obtained at a favorable cost. Can be obtained. Further, by increasing the raw water flow rate on the cathode side in this way, a large flow pressure (water flow pressure, for example, 30 MPa) can be applied to the cathode surface. Therefore, it is possible to further promote the separation of hydrogen bubbles from the cathode surface.
なお、陽極室24から酸素溶存水を採取する場合には、陰極側の原水流量と陽極側の原水流量とを同じにしてもよく、或いは陽極側の原水流量を陰極側の原水流量よりも大きくしてもよい。
When collecting oxygen-dissolved water from the
さらに、図1を参照しつつ本実施形態に係る電解水生成装置100のその他の特徴部分について説明する。まず、陰極側の特徴部分について説明する。
Furthermore, the other characteristic part of the electrolyzed
陰極30は、上述したように、原水が導入される陰極室34に配置されている。この陰極室34には、陰極30から発生した水素を溶存する水素溶存水を排出する水素溶存水排出経路(上流側排出経路60および下流側排出経路61)が連結されている。かかる水素溶存水排出経路は、排出された水素溶存水を攪拌する攪拌手段64を備えている。この実施形態では、攪拌手段64は、陰極室34から螺旋状に延びたスパイラルチューブ64である。すなわち、水素溶存水の上流側排出経路60の途上(図では陰極室出口近傍)にスパイラルチューブ64を配設し、当該スパイラルチューブ64内に水素溶存水を通過させることにより、上記攪拌作用を安定して得ることができる。
As described above, the
かかる構成によれば、攪拌手段64による攪拌によって、水素溶存水中に溶解せずに残存している水素気泡(例えば陰極表面に付着集合して大きく成長した後、泡離れした気泡)を小さくすることができ、また、水素気泡中に含まれる水素分子をさらに溶存させることができる。その結果、水素溶存水の溶存水素濃度をさらに効果的に大きくすることができる。 According to such a configuration, the hydrogen bubbles remaining without being dissolved in the hydrogen-dissolved water (for example, bubbles that have grown and adhered to the cathode surface and then grown greatly) are reduced by stirring by the stirring means 64. In addition, hydrogen molecules contained in the hydrogen bubbles can be further dissolved. As a result, the dissolved hydrogen concentration of hydrogen-dissolved water can be increased more effectively.
なお、スパイラルチューブ64は、チューブ内を通過する水素溶存水を適当に掻き混ぜ得る形状(ここでは螺旋状)であればよく、そのサイズは特に制限されないが、図1に示す構造とする場合には、管径を2mm〜4mmとすることが好ましく、長さを150mm以上とすることが好ましい。スパイラルチューブ64の管径および長さは、電解水生成装置の構成(例えば陰極室34の原水流量)や所望の水素溶存濃度などに応じて適宜変更可能である。これにより、スパイラルチューブ64に本実施形態の目的に適した攪拌機能を好ましく付与することができる。
The
また、水素溶存水排出経路(上流側排出経路60および下流側排出経路61)は、排出された水素溶存水の溶存水素濃度を検出する濃度検出手段66と、検出された溶存水素濃度が所定濃度に満たない場合に、上記排出された水素溶存水を陰極室34まで還流させる還流手段62とを備えている。
The hydrogen-dissolved water discharge path (upstream-
この実施形態では、濃度検出手段66は、水素溶存水の下流側排出経路61に設置された水素濃度計66である。水素濃度計66は、下流側排出経路61を流通する水素溶存水の溶存水素濃度を検出するようになっている。また、水素濃度計66は、図示しない制御部に電気的に接続され、当該検出した溶存水素濃度の情報を制御部に出力するようになっている。
In this embodiment, the concentration detection means 66 is a
この実施形態では、還流手段62は、陰極側供給経路54に連結された還流経路62である。還流経路62の上流端は、電磁バルブ68を介して上流側排出経路60に連結されている。電磁バルブ68は、図示しない制御部に電気的に接続され、当該制御部からの切替指令に基づいて、上流側排出経路60の連結を下流側排出経路61側と還流経路62側との間で切り替え、これによって水素溶存水の排出方向を矢印「84」方向と矢印「88」方向とに切り替えるように構成されている。
In this embodiment, the reflux means 62 is a
かかる構成において、図示しない制御部は、水素濃度計66で検出した溶存水素濃度が所定濃度(例えば1ppm以上)に満たない場合、上流側排出経路60の連結を還流経路62側に切り替えて、水素溶存水を矢印「88」方向に導く。矢印「88」方向に導かれた水素溶存水は陰極側供給経路54を介して陰極室34に戻され、陰極室にて再度電気分解に処される。このように、還流経路62を介して水素溶存水の還流を繰り返すことにより、当該水素溶存水の溶存水素濃度を確実に増大させることができる。
In such a configuration, when the dissolved hydrogen concentration detected by the
その後、制御部は、水素濃度計66で検出した溶存水素濃度が所定濃度(例えば1ppm以上)を満たす場合、制御部は、水素濃度計66で検出した溶存水素濃度が所定濃度(例えば1ppm以上)を満たす場合、上流側排出経路60の連結を下流側排出経路61側に切り替えて、水素溶存水を矢印「84」方向に導く。矢印「84」方向に導かれた水素溶存水は出口コック69を介して外部へと排出され、これによって所定濃度(例えば1ppm以上)の水素溶存水を得ることができる。
Thereafter, when the dissolved hydrogen concentration detected by the
このように、還流経路62を介して水素溶存水の環流を繰り返すことにより、当該水素溶存水の溶存水素濃度を確実に増大させることができ、所望の溶存水素濃度(例えば1ppm以上)を有する電解水(水素溶存水)を確実に且つ安定して得ることができる。なお、水素溶存水を還流経路62に還流させる場合、原水供給経路50中に流れる原水(ポンプから送り出される原水)を一時的に止めるように構成してもよい。これにより、還流させた水素溶存水の溶存水素濃度を集中して増大させることができる。
Thus, by repeating the reflux of the hydrogen-dissolved water through the
続いて、陽極側の特徴部分について説明する。 Subsequently, the characteristic part on the anode side will be described.
陽極20は、上述したように、原水が導入される陽極室24に配置されている。この実施形態では、陽極室24には、酸素を溶存する酸素溶存水を排出する酸素溶存水排出経路70が連結されている。酸素溶存水排出経路70は、排出された酸素溶存水から酸素を分離させる分離手段72を備えている。
As described above, the
この実施形態では、分離手段72は、酸素溶存水排出経路70の途中に設置された気液分離菅72である。気液分離菅72はガス排出バルブ74を有しており、脱気した酸素ガスを当該ガス排出バルブ74から排出するようになっている。かかる気液分離菅72としては、例えばサイクロン方式にて気液分離する脱酸素分離管を好ましく使用することができる。或いは、分離手段72として、気体分離膜(例えば酸素透過高分子膜としてのシリコン膜)を用いてもよい。そして、このような分離手段72を備えた酸素溶存水排出経路70の下流端は、電解槽に原水を導入する原水供給経路50に連結されている。
In this embodiment, the separation means 72 is a gas-
かかる構成によれば、この実施形態のように陽極室24から酸素溶存水を採取しない場合に、酸素を分離した後の酸素溶存水(実質的には酸素が取り除かれた酸素非溶存水)を原水供給経路50に再び導入することにより(矢印「83」)、原水として再利用することができる。これにより、陽極側の排水量をさらに少なくすることができる。
According to such a configuration, when oxygen-dissolved water is not collected from the
図3および図4を参照しつつ本実施形態の電解水生成装置の改変例について説明する。この改変例では、陽極20および陰極30が隔膜40に直接接触して配置される点において上述した実施形態とは相違する。従って、電解水生成装置100と同一の構成部材には同一の符号を付し、その重複した説明を省略する。
A modified example of the electrolyzed water generating apparatus of this embodiment will be described with reference to FIGS. 3 and 4. This modified example is different from the above-described embodiment in that the
図3に示すように、電解水生成装置200(改変例)においては、陽極20および陰極30は、網状絶縁体42a、42bを介さずに隔膜40に直接接触して配置されている。また、この例では、陽極20を中空の円筒形状とし、隔膜40を陽極20よりも径が小さい中空の円筒形状とし、陰極30を隔膜40よりも径が小さい中空の円筒形状としている。そして、径の大きい陽極20に径の小さい隔膜40を挿入し、当該隔膜40にさらに径の小さい陰極30を挿入することによって、陽極20の内周面と陰極30の外周面とが隔膜40を挟んで対向するように配置している。
As shown in FIG. 3, in the electrolyzed water generating apparatus 200 (modified example), the
隔膜40としては、少なくとも水素イオン(H+)が透過可能な陽イオン交換膜を使用することができる。ここでは耐熱性および耐薬品腐食性などの観点からフッ素樹脂系(例えばテフロン)の膜を好ましく使用している。
As the
陽極20および陰極30としては、ガスおよび液透過性を有する材料から構成することができ、このような材料として例えばポーラス状金属板、パンチング金属板などが挙げられる。また、図4に示すように、陽極20および陰極30の表面には、白金を主体とする白金触媒層22、32が形成されており、この白金触媒層22、32には、平均細孔径50μm以下の細孔が形成されている。
The
このように構成した電解水生成装置200において、電解槽10内の陽極室24および陰極室34に原水(例えば浄水などの中性水)を導入して陽極20及び陰極30間に直流電圧を加えると、当該陽極20及び陰極30に接触している水が電気分解されて電解反応が進行する。
In the electrolyzed
この電解反応は、まず、陽極20と隔膜40との界面において進行する。すなわち、図4に示すように、陽極20の隔膜40側の表面では、水分子(H2O)が電子を放出することにより酸素分子(O2)および水素イオン(H+)が生成し、生成した酸素分子(O2)は、気泡となって陽極20を介して陽極室24へと放出される。また、生成した水素イオン(H+)は、陽極20と電気的に反発して隔膜40の方向へと移動する。そして、隔膜40中を移動して陰極30の隔膜40側の表面まで到達する。
This electrolytic reaction first proceeds at the interface between the
そして、陰極30の隔膜40側の表面では、陽極側から移動してきた水素イオン(H+)が電子を受け取ることにより水素分子(H2)が生成し、生成した水素分子(H2)は、気泡となって陰極30を介して陰極室34へと放出される。このとき、水素分子(H2)は、気泡となって白金触媒層32の細孔(平均細孔径50μm以下の微小細孔)を通って放出されるため、発生水素気泡を非常に小さくすることができる。したがって、図3および図4に示した電解水生成装置200の構成においても、発生水素気泡を非常に小さくすることができ、水素溶存水の溶存水素濃度を効率良く大きくすることができる。
Then, on the surface of the
加えて、上記構成によれば、電気分解の際に、陽極20と隔膜40との界面において生成された水素イオン(H+)を消費して、陰極30と隔膜40との界面において水素分子(H2)を生成しているので、副生成物である水酸化物イオン(OH−)が生成しない。したがって、電解水(水素溶存水)のpH値の上昇を確実に回避することができ、その結果、飲用に適したpH値7.5付近の高溶存水素濃度の水素溶存水を採取することができる。
In addition, according to the above configuration, hydrogen ions (H + ) generated at the interface between the
なお、電解水生成装置200においては、陽極室24には、当該陽極室の内部において導入された原水を保持する保持部材26が配置されている。図示した例では、保持部材26は、陽極20の外面に接触して配置された多孔体シート26である。多孔体シート26は、原水を保持可能な細孔を有している。かかる構成によれば、保持部材(多孔体シート)22によって陽極室に導入された原水を保持することにより、陽極側の原水流量を抑制しつつ、隔膜40が水に湿潤されている状態を安定して保つことができる。これによって、陽極側の排水量を減らしつつ、電気分解(特に陽極側の電気分解)を安定して行うことができる。
In the electrolyzed
なお、上述した多孔体シート26としては、例えば不織布を好適に使用することができる。一般に、不織布は孔隙率(典型的には40%以上、例えば50〜70%)が高く、高い液水保持性能(液水保持容量)を実現することができる。或いは、不織布に代えて、吸水樹脂フィルムや発砲金属などを使用してもよい。これによって多孔体シート26に本発明の目的に適した保持機能を付与することができる。
In addition, as a
さらに、多孔体シート26は、酸素(O2)を通過させ得る程度の細孔を有することが望ましい。かかる構成によれば、陽極20と隔膜40との界面で生成された酸素(O2)を、保持部材26(例えば不織布)の細孔を介して陽極室24内へと速やかに放出することができる。これによって、陽極20表面で発生した酸素気泡が陽極表面に付着して成長する事態を回避し得、電解抵抗の増加を好ましく抑制することができる。
Furthermore, it is desirable that the
続いて、図5を参照しつつ本実施形態に係る電極用部材(電解水を生成するために用いられる電極用部材)の製造方法について説明する。 Then, the manufacturing method of the member for electrodes which concerns on this embodiment (electrode member used in order to produce | generate electrolyzed water) is demonstrated, referring FIG.
上述したように、本実施形態に係る電極用部材は、導電性金属を主体とする電極材と、当該電極材の表面に形成された白金触媒層とを備え、この白金触媒層には平均細孔径50μm以下(好ましくは10μm以上)の細孔が形成されている。 As described above, the electrode member according to this embodiment includes an electrode material mainly composed of a conductive metal and a platinum catalyst layer formed on the surface of the electrode material. Fine pores having a pore diameter of 50 μm or less (preferably 10 μm or more) are formed.
このような白金触媒層に被覆された電極材を備える電極用部材は、図5に示すように、導電性金属を主体とする電極材を用意する用意工程(ステップS10)と、用意した電極材の表面にヘキサクロロ白金酸を含む触媒形成用塗布液を塗布する塗布工程(ステップS20)と、触媒形成用塗布液を塗布した電極材を所定温度の乾燥蒸気を用いて焼成する焼成工程(ステップS30)と、を経て形成される。以下、詳しく説明する。 As shown in FIG. 5, the electrode member including the electrode material coated with the platinum catalyst layer includes a preparation step (step S <b> 10) for preparing an electrode material mainly composed of a conductive metal, and the prepared electrode material. Coating step (step S20) for applying a catalyst-forming coating solution containing hexachloroplatinic acid to the surface of the substrate, and a firing step (step S30) for firing the electrode material coated with the catalyst-forming coating solution using dry steam at a predetermined temperature. ), And. This will be described in detail below.
まず、用意工程(ステップS10)においては、導電性金属を主体とする電極材を用意する。この実施形態では、電極材としてチタン材を用意する。 First, in the preparation step (step S10), an electrode material mainly composed of a conductive metal is prepared. In this embodiment, a titanium material is prepared as an electrode material.
具体的には、金属チタン板を用意(例えば購入)し、次いで用意したチタン板を脱脂洗浄し、続いて純水で洗浄して乾燥する処理を行う。次に、乾燥後のチタン材をピッティング洗浄(例えば10%濃度、約100℃のシュウ酸水溶液を使用)した後、さらにチタン材に対してエッチング処理を行う。このエッチング処理は、例えばチタン材を希硫酸中に5時間浸漬することにより行うことができる。このようにチタン材に対してエッチング処理を行うことにより、チタン材の表面積が増大するとともに、チタン板表面に形成された熱酸化膜を除去することができる。その後、エッチングしたチタン材を水洗浄(好ましくはイオン交換水洗浄)して乾燥後、酸化を防止し得る環境下にて保管する。このようにして用意工程を行うことができる。 Specifically, a titanium metal plate is prepared (for example, purchased), and then the prepared titanium plate is degreased and cleaned, and then washed with pure water and dried. Next, the dried titanium material is subjected to pitting cleaning (for example, using an oxalic acid aqueous solution having a concentration of 10% and about 100 ° C.), and then the titanium material is further etched. This etching process can be performed, for example, by immersing the titanium material in dilute sulfuric acid for 5 hours. By performing the etching process on the titanium material in this way, the surface area of the titanium material is increased and the thermal oxide film formed on the surface of the titanium plate can be removed. Thereafter, the etched titanium material is washed with water (preferably with ion exchange water), dried, and then stored in an environment where oxidation can be prevented. In this way, the preparation process can be performed.
次いで、塗布工程(ステップS20)においては、用意した電極材の表面にヘキサクロロ白金酸を含む触媒形成用塗布液を塗布する。この実施形態では、ヘキサクロロ白金酸および六塩化イリジウム酸を含む触媒形成用塗布液を調整し、これを電極材(ここではチタン材)表面に塗布する。 Next, in the coating process (step S20), a catalyst-forming coating solution containing hexachloroplatinic acid is applied to the surface of the prepared electrode material. In this embodiment, a catalyst-forming coating solution containing hexachloroplatinic acid and hexachloroiridium acid is prepared and applied to the electrode material (here, titanium material) surface.
具体的には、触媒形成用塗布液の調整は、例えばヘキサクロロ白金酸化合物と、六塩化イリジウム酸化合物と、上記ヘキサクロロ白金酸化合物および六塩化イリジウム酸化合物を溶解可能な溶液と、を混合した混合液を作製し、これを適当な粘度となるように調節することにより行うことができる。この例では、ヘキサクロロ白金酸化合物と六塩化イリジウム酸化合物とを所定のPt/Ir比(この実施例では7:3)となるように秤量し、ブタノール溶液中で混合することにより触媒形成用塗布液を調整する。 Specifically, the catalyst-forming coating solution is prepared by mixing, for example, a hexachloroplatinic acid compound, a hexachloroiridate compound, and a solution capable of dissolving the hexachloroplatinate compound and the hexachloroiridate compound. This can be done by preparing a liquid and adjusting it to an appropriate viscosity. In this example, hexachloroplatinic acid compound and hexachloroiridate compound are weighed so as to have a predetermined Pt / Ir ratio (7: 3 in this example), and mixed in a butanol solution to form a catalyst-forming coating. Adjust the liquid.
そして、触媒形成用塗布液を電極材(ここではチタン材)表面に塗布する。触媒形成用塗布液を電極材表面に塗布する方法は特に制限されない。この実施形態では、触媒形成用塗布液中に電極材を浸漬(ディッピング)することにより行っている(例えばディップコート法)。かかる方法によれば、電極材両面に均一な塗布液の液膜を形成することができる。なお、必要に応じて電極材の片面のみに触媒形成用塗布液を塗布してもよい。また、必要に応じて触媒形成用塗布液にその他の添加剤を添加してもよい。その後、液膜を形成した電極材を例えば真空デシケータにて10分程度自然乾燥する。このようにして塗布工程を行うことができる。 Then, a catalyst-forming coating solution is applied to the surface of the electrode material (here, titanium material). The method for applying the catalyst-forming coating solution to the electrode material surface is not particularly limited. In this embodiment, the electrode material is immersed (dipped) in the catalyst-forming coating solution (for example, dip coating method). According to such a method, a uniform coating liquid film can be formed on both surfaces of the electrode material. In addition, you may apply | coat the coating liquid for catalyst formation only to the single side | surface of an electrode material as needed. Moreover, you may add another additive to the coating liquid for catalyst formation as needed. Thereafter, the electrode material on which the liquid film is formed is naturally dried for about 10 minutes using, for example, a vacuum desiccator. In this way, the coating process can be performed.
次いで、焼成工程(ステップS30)においては、触媒形成用塗布液を塗布した電極材(特に電極材表面に形成された液膜)を焼成する。この電極材(特に電極材表面に形成された液膜)の焼成は、所定温度の乾燥蒸気を用いて行われる。 Next, in the firing step (step S30), the electrode material coated with the catalyst-forming coating liquid (particularly the liquid film formed on the electrode material surface) is fired. Firing of this electrode material (particularly a liquid film formed on the surface of the electrode material) is performed using dry steam at a predetermined temperature.
ここで、本明細書において「乾燥蒸気」とは、いわゆる過熱蒸気のことであり、つまり100℃で蒸発した飽和水蒸気に、さらに熱を加えて100℃を超える高温に加熱した蒸気のことである。かかる過熱蒸気は、蒸気中に酸素を殆ど含んでおらず、それゆえ還元ガスに近い雰囲気中での焼成が可能となる。そのため、過熱蒸気を用いて電極材上の液膜(ヘキサクロロ白金酸を含む塗布液)を焼成すると、ヘキサクロロ白金酸を酸化させずに加熱還元することができる。加えて、過熱蒸気が有する適当な蒸気圧力(この例では約2×105Pa)によって、作製した白金触媒層表面に微細なスリット状の割れ目(クラック)を形成することができるとともに、本実施形態の目的に適した細孔(平均細孔径10μm〜50μmの細孔)を容易に且つ安定して形成することができる。 Here, “dry steam” in this specification is so-called superheated steam, that is, steam heated to a high temperature exceeding 100 ° C. by adding further heat to saturated steam evaporated at 100 ° C. . Such superheated steam contains almost no oxygen in the steam, and therefore can be fired in an atmosphere close to a reducing gas. Therefore, when the liquid film on the electrode material (coating liquid containing hexachloroplatinic acid) is baked using superheated steam, the hexachloroplatinic acid can be heated and reduced without being oxidized. In addition, fine slit-shaped cracks (cracks) can be formed on the surface of the produced platinum catalyst layer by an appropriate steam pressure (about 2 × 10 5 Pa in this example) possessed by superheated steam. It is possible to easily and stably form pores (pores having an average pore diameter of 10 μm to 50 μm) suitable for the purpose of the form.
この実施形態では、乾燥蒸気(過熱蒸気)を用いた電極材(特に電極材表面に形成された液膜)の焼成は2段階に分けて行われる。 In this embodiment, firing of an electrode material (particularly a liquid film formed on the electrode material surface) using dry steam (superheated steam) is performed in two stages.
具体的には、まず、塗布した電極材(ヘキサクロロ白金酸を含む塗布液)を所定温度の乾燥蒸気で焼成する第1焼成処理を行い(ステップS32)、続いて第1焼成処理よりもさらに高温で焼成する第2焼成処理を行う(ステップS34)。この例では、まず、塗布した電極材を250℃〜300℃の乾燥蒸気で10分間焼成し、続いて蒸気温度を530℃まで上げて更に焼成を10分間実行する。このようにして塗布工程を行うことができる。 Specifically, first, a first baking process is performed in which the applied electrode material (coating liquid containing hexachloroplatinic acid) is baked with dry steam at a predetermined temperature (step S32), and then the temperature is higher than that of the first baking process. A second baking process for baking is performed (step S34). In this example, first, the applied electrode material is baked for 10 minutes with dry steam of 250 ° C. to 300 ° C., and then the steam temperature is increased to 530 ° C. and baking is further performed for 10 minutes. In this way, the coating process can be performed.
上述した焼成処理により、電極材上に形成された液膜(ヘキサクロロ白金酸を含む塗布液)が焼成され、これによって白金を主体とする白金触媒層を薄く形成することができる。そして、上述した塗布工程(ステップS20)と焼成工程(ステップS30)とを所定回数(n回)繰り返すことにより、電極材上の白金触媒層を徐々に厚くしていく。 By the baking treatment described above, the liquid film (coating liquid containing hexachloroplatinic acid) formed on the electrode material is fired, whereby a platinum catalyst layer mainly composed of platinum can be formed thinly. And the platinum catalyst layer on an electrode material is gradually thickened by repeating the application | coating process (step S20) mentioned above and a baking process (step S30) predetermined times (n times).
この実施形態では、上述した塗布作業および焼成作業を約30時間かけて60〜70回繰り返すことによって、電極材上の白金触媒層を徐々に厚くしていき、白金触媒層を所定の厚さにする。このようにして電極材表面に白金触媒層を形成することができ、白金触媒層に被覆された電極材を備える電極用部材の作製が完了する(ステップS40)。 In this embodiment, the above-described coating operation and baking operation are repeated 60 to 70 times over about 30 hours, whereby the platinum catalyst layer on the electrode material is gradually thickened so that the platinum catalyst layer has a predetermined thickness. To do. In this manner, the platinum catalyst layer can be formed on the surface of the electrode material, and the production of the electrode member including the electrode material coated on the platinum catalyst layer is completed (step S40).
上述した製造方法によれば、焼成工程(ステップS30)において、高温の乾燥蒸気(過熱蒸気)を利用して触媒形成用塗布液の焼成処理を行っているので、作製される白金触媒層に本実施形態の目的に適したマイクロオーダーのポーラス(好ましくは平均細孔径10μm〜50μmの細孔)を好ましく(容易に且つ安定して)形成することができる。 According to the manufacturing method described above, in the firing step (step S30), the catalyst forming coating liquid is fired using high-temperature dry steam (superheated steam). A micro-order porous (preferably pores having an average pore diameter of 10 μm to 50 μm) suitable for the purpose of the embodiment can be preferably (easily and stably) formed.
また、焼成工程(ステップS30)において、高温の乾燥蒸気(過熱蒸気)を用いることにより、白金触媒層の表面に微細なスリット状の割れ目(クラック)を形成することができる。これにより、白金触媒層の表面積を増大させることができ、触媒活性面積を(例えば典型的なメッキ処理によって形成された白金触媒層に比べて)大きくすることができる。その結果、白金触媒層の作製に要する白金使用量を低減することができ、作製コストを安価にできる。 Moreover, in a baking process (step S30), a fine slit-shaped crack (crack) can be formed in the surface of a platinum catalyst layer by using high temperature dry steam (superheated steam). Thereby, the surface area of the platinum catalyst layer can be increased, and the catalytic activity area can be increased (for example, compared with a platinum catalyst layer formed by a typical plating process). As a result, the amount of platinum used to produce the platinum catalyst layer can be reduced, and the production cost can be reduced.
さらに、この実施形態では、塗布工程(ステップS20)と焼成工程(ステップS30)とを所定回数繰り返すことにより、電極材上の白金触媒層を徐々に厚くしている。これによって、作製された白金触媒層に、本実施形態の目的に適する程度の化学安定性及び触媒担持量を付与することができ、その使用耐用年数を向上させることができる。 Further, in this embodiment, the platinum catalyst layer on the electrode material is gradually thickened by repeating the coating process (step S20) and the baking process (step S30) a predetermined number of times. Thereby, the produced platinum catalyst layer can be provided with chemical stability and a catalyst loading amount suitable for the purpose of the present embodiment, and the service life of the platinum catalyst layer can be improved.
さらに、この実施形態では、焼成工程(ステップS30)において、乾燥蒸気(過熱蒸気)を用いた電極材(特に電極材表面に形成された液膜)の焼成は2段階に分けて行われる。これによって、最終生成物である白金触媒層に不純物(例えば空気由来による窒素酸化物)が混入することを防止することができる。 Furthermore, in this embodiment, in the firing step (step S30), firing of the electrode material (particularly the liquid film formed on the electrode material surface) using dry steam (superheated steam) is performed in two stages. Thereby, it is possible to prevent impurities (for example, nitrogen oxides derived from air) from being mixed into the platinum catalyst layer as the final product.
すなわち、第1焼成処理の際に白金触媒層中に混入し得る不純物(例えば空気由来による窒素酸化物)を、さらに高温となる第2焼成処理によって焼失させることができる。その結果、白金触媒層の純度を向上させることができ、焼成後の洗浄等の煩わしい作業が不要となる。 That is, impurities (for example, nitrogen oxides derived from air) that can be mixed into the platinum catalyst layer during the first firing process can be burned out by the second firing process at a higher temperature. As a result, the purity of the platinum catalyst layer can be improved, and troublesome work such as cleaning after firing is not necessary.
なお、上述した例では、触媒形成用塗布液は、ヘキサクロロ白金酸に加えて、六塩化イリジウム酸を含む。これによって最終生成物である白金触媒層は、白金(Pt)とイリジウム(Ir)とが混在した状態でその骨格が形成されている。このように白金触媒層にイリジウムを混在させること(イリジウムリッチな配合にすること)により、良好な触媒活性を得ることができる。加えて、イリジウムは白金に比べて安価なためコストを低減することができる。 In the above-described example, the catalyst-forming coating solution contains hexachloroiridate in addition to hexachloroplatinic acid. As a result, the platinum catalyst layer as the final product has its skeleton formed in a state where platinum (Pt) and iridium (Ir) are mixed. Thus, favorable catalyst activity can be obtained by mixing iridium in the platinum catalyst layer (making iridium-rich blending). In addition, since iridium is less expensive than platinum, the cost can be reduced.
以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、勿論、種々の改変が可能である。 As mentioned above, although this invention was demonstrated by suitable embodiment, such description is not a limitation matter and of course various modifications are possible.
例えば、上述した例では、電極材としてチタン材を使用する場合を示したがこれに限らず、その他の電極材を使用してもよい。例えば、電極材としてニッケルマグネシウム合金を使用することができる。この場合、ニッケルマグネシウム合金の表面にペロブスカイト系鉱物(例えば、ヘマタイト(Fe2O3)やマグネタイト(Fe3O4)等の酸化鉄化合物など)を焼成により形成しておくことが好ましく、該ペロブスカイト系鉱物の上に白金触媒層を形成することができる。かかる構成によれば、電極材が多孔質化して表面積が増大するので、電極サイズを小さくすることができる。 For example, in the above-described example, a case where a titanium material is used as the electrode material has been described, but the present invention is not limited thereto, and other electrode materials may be used. For example, a nickel magnesium alloy can be used as the electrode material. In this case, it is preferable to form a perovskite-based mineral (for example, an iron oxide compound such as hematite (Fe 2 O 3 ) or magnetite (Fe 3 O 4 )) on the surface of the nickel magnesium alloy by firing, and the perovskite A platinum catalyst layer can be formed on the base mineral. According to such a configuration, the electrode material becomes porous and the surface area increases, so that the electrode size can be reduced.
また、上述した例では、陰極室から溶存水素濃度が高い水素溶存水を採取する例を示したが、例えば陽極室から酸素溶存水を採取するように電解水生成装置を構成してもよい。陽極室から酸素溶存水を採取する場合であっても、陽極表面に白金を主体とする白金触媒層を形成し、当該金触媒層に平均細孔径50μm以下の細孔を形成することにより、陽極室から溶存酸素濃度が高い酸素溶存水を採取することが可能となる。 Moreover, although the example which extract | collected hydrogen dissolved water with high dissolved hydrogen concentration from the cathode chamber was shown in the example mentioned above, you may comprise an electrolyzed water generating apparatus so that oxygen dissolved water may be extract | collected from an anode chamber, for example. Even when oxygen-dissolved water is collected from the anode chamber, a platinum catalyst layer mainly composed of platinum is formed on the anode surface, and pores having an average pore diameter of 50 μm or less are formed in the gold catalyst layer. It is possible to collect oxygen-dissolved water having a high dissolved oxygen concentration from the chamber.
10 電解槽
20 電極
20 陽極
22 白金触媒層(陽極側)
24 陽極室
26 保持部材(多孔体シート)
30 陰極
32 白金触媒層(陰極側)
34 陰極室
40 隔膜
42a 網状絶縁体(陽極側)
42b 網状絶縁体(陰極側)
50 原水供給経路
52 陽極側供給経路
54 陰極側供給経路
60 上流側排出経路
61 下流側排出経路
62 還流手段(還流経路)
64 攪拌手段(スパイラルチューブ)
66 濃度検出手段(水素濃度計)
68 電磁バルブ
69 出口コック
70 酸素溶存水排出経路
72 分離手段(気液分離菅)
74 ガス排出バルブ
90 壁面
100 電解水生成装置
200 電解水生成装置
10
24
30
34
42b Reticulated insulator (cathode side)
50 Raw
64 Stirring means (spiral tube)
66 Concentration detection means (hydrogen concentration meter)
68
74
Claims (13)
前記原水が供給される陽極および陰極と、
前記陽極および陰極間に配置される隔膜と
を備え、
前記陽極および陰極のうちの少なくとも一方の表面には、貴金属元素である白金を主体とする白金触媒層が形成されており、
前記白金触媒層には、平均細孔径50μm以下の細孔が形成されていることを特徴とする、電解水生成装置。 An electrolyzed water generating device that electrolyzes raw water to generate electrolyzed water,
An anode and a cathode to which the raw water is supplied;
A diaphragm disposed between the anode and the cathode,
A platinum catalyst layer mainly composed of platinum which is a noble metal element is formed on the surface of at least one of the anode and the cathode,
An electrolyzed water generating apparatus characterized in that pores having an average pore diameter of 50 μm or less are formed in the platinum catalyst layer.
前記陰極室には、前記陰極から発生した水素を溶存する水素溶存水を排出する水素溶存水排出経路が連結されており、
前記水素溶存水排出経路は、前記排出された水素溶存水を攪拌する攪拌手段を備えている、請求項1または2に記載の電解水生成装置。 The cathode is disposed in a cathode chamber into which the raw water is introduced;
A hydrogen-dissolved water discharge path for discharging hydrogen-dissolved water that dissolves hydrogen generated from the cathode is connected to the cathode chamber,
The electrolyzed water generating apparatus according to claim 1, wherein the hydrogen-dissolved water discharge path includes a stirring unit that stirs the discharged hydrogen-dissolved water.
前記排出された水素溶存水の溶存水素濃度を検出する水素濃度検出手段と、
前記検出された溶存水素濃度が所定濃度に満たない場合に、前記排出された水素溶存水を前記陰極室まで還流させる還流手段と
を備えている、請求項3または4に記載の電解水生成装置。 The hydrogen-dissolved water discharge route is
Hydrogen concentration detection means for detecting the dissolved hydrogen concentration of the discharged hydrogen-dissolved water;
5. The electrolyzed water generating device according to claim 3, further comprising: a reflux unit configured to reflux the discharged hydrogen-dissolved water to the cathode chamber when the detected dissolved hydrogen concentration is less than a predetermined concentration. .
前記陽極室には、当該陽極室の内部において前記導入された原水を保持する保持部材が配置されている、請求項1から5の何れか一つに記載の電解水生成装置。 The anode is disposed in an anode chamber into which the raw water is introduced;
6. The electrolyzed water generating apparatus according to claim 1, wherein a holding member that holds the introduced raw water is disposed in the anode chamber.
前記陽極室には、前記陽極から発生した酸素を溶存する酸素溶存水を排出する酸素溶存水排出経路が連結されており、
前記酸素溶存水排出経路は、前記排出された酸素溶存水から酸素を分離させる分離手段を備えている、請求項1から7の何れか一つに記載の電解水生成装置。 The anode is disposed in an anode chamber into which the raw water is introduced;
An oxygen-dissolved water discharge path for discharging oxygen-dissolved water that dissolves oxygen generated from the anode is connected to the anode chamber,
The electrolyzed water generating apparatus according to claim 1, wherein the oxygen-dissolved water discharge path includes a separation unit that separates oxygen from the discharged oxygen-dissolved water.
導電性金属を主体とする電極材と、
前記電極材の表面に形成され、貴金属元素である白金を主体とする白金触媒層と
を備え、
前記白金触媒層には、平均細孔径50μm以下の細孔が形成されていることを特徴とする、電極用部材。 An electrode member used for generating electrolyzed water,
An electrode material mainly composed of a conductive metal;
A platinum catalyst layer mainly formed of platinum which is a noble metal element, formed on the surface of the electrode material,
An electrode member, wherein pores having an average pore diameter of 50 μm or less are formed in the platinum catalyst layer.
導電性金属を主体とする電極材を用意する工程と、
前記用意した電極材の表面にヘキサクロロ白金酸を含む触媒形成用塗布液を塗布する塗布工程と、
前記触媒形成用塗布液を塗布した電極材を焼成し、当該電極材表面に白金を主体とする白金触媒層を形成する焼成工程と
を含み、
前記焼成工程において、前記焼成は、所定温度の乾燥蒸気を用いて行われることを特徴とする、電極用部材の製造方法。 It is a manufacturing method of the member for electrodes used in order to produce electrolyzed water,
A step of preparing an electrode material mainly composed of a conductive metal;
An application step of applying a catalyst-forming application liquid containing hexachloroplatinic acid to the surface of the prepared electrode material;
Firing the electrode material coated with the catalyst-forming coating solution, and forming a platinum catalyst layer mainly composed of platinum on the surface of the electrode material,
In the firing step, the firing is performed using dry steam at a predetermined temperature.
前記電極材を所定温度の乾燥蒸気で焼成する第1焼成処理と、
前記第1焼成処理よりもさらに高温の乾燥蒸気で焼成する第2焼成処理と
を含む、請求項11に記載の製造方法。 The firing step includes
A first firing process for firing the electrode material with dry steam at a predetermined temperature;
The manufacturing method of Claim 11 including the 2nd baking process baked with dry steam still higher temperature than the said 1st baking process.
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