JP2009207962A

JP2009207962A - 電解水生成装置

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Publication number: JP2009207962A
Application number: JP2008051719A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Tanaka; 喜典田中; Hisatoku Shiromizu; 久徳白水
Original assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2008-03-03
Filing date: 2008-03-03
Publication date: 2009-09-17
Anticipated expiration: 2028-03-03
Also published as: JP5059660B2

Abstract

【課題】消費電力を低減し、且つ電極表面への析出物の付着を抑制することのできる電解水生成装置を提供すること。
【解決手段】原水を電気分解すべく電解槽３に設けられた電極対２の電極間距離は、１．６ｍｍ〜４ｍｍとされるとともに、その電極表面の粗度は、中心線平均粗さで１．５μｍ以下とされる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電解槽に設けられた電極対に電圧を印加することにより当該電解槽内の原水を電気分解する電解水生成装置にかかわり、詳しくはその電極表面への析出物の付着を抑制する技術に関するものである。

通常、このような電解水生成装置において、その電解槽は、電極対を構成する陽極と陰極との間に設けられた隔膜により陽極槽及び陰極槽に区画され、当該電解槽内に導入された原水（水道水や井戸水或いは河川水等の希薄水）は、その隔膜を挟んで対向配置された電極対に対する電圧印加により電気分解される。そして、多くの電解水生成装置は、その電気分解により陰極槽に生成された陰極水（所謂アルカリイオン水）、又は陽極槽に生成された陽極水（所謂酸性水）を選択的に吐水することが可能な構成となっている。

ところで、原水の電気分解は当然ながら電力消費を伴うものである。そして、その電力ロスの多くは当該原水の抵抗によるものである。従って、消費電力の低減を考慮した場合、その電極間距離はより短い方が望ましく、例えば、特許文献１には、その電解効率を踏まえた上で、当該電極間距離を１．５ｍｍ〜５．０ｍｍとすることが望ましい旨が記載されている。

しかしながら、原水を電気分解することで、同時に電解槽内には析出物が発生する。そのため、電極間距離の過剰な短縮化は、その電極表面への析出物の付着を助長し、それに伴う流路の狭窄による内圧上昇、或いは電解性能低下等といった不具合を引き起こすおそれがある。

例えば、高い水溶性を示す二酸化炭素（炭酸ガス：ＣＯ_２）は、原水に溶解することにより、当該原水のｐＨに応じて形態（化学種）が変化する「炭酸化学種」となる（次の化学反応式（１）、及び図４参照）。

Ｈ_２Ｏ＋ＣＯ_{２（ａｑ）} ⇔ Ｈ^＋＋ＨＣＯ_３ ⁻ ⇔ ２Ｈ^＋＋ＣＯ_３ ^２− ・・・（１）
即ち、アルカリ性を呈する陰極水中では、上記炭酸化学種は、炭酸イオン（ＣＯ_３ ^２−）として存在し、これが当該陰極水中の金属イオン（Ｃａ^２＋，Ｍｇ^２＋等）と結びつくことで、炭酸化合物が形成される。特に、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）は、そのアルカリ性下における溶解度が低いことから（図５参照）、陰極水中では析出物となりやすい。そして、これが電極（陰極）表面に付着することにより、上記の問題が発生することになる。

尚、陰極水中に発生する析出物としては、その他、水酸化マグネシウム（Ｍｇ（ＯＨ）_２）等の水酸化物があり、これもまた同様に、電極表面への付着によって上記問題の発生要因となるものである。

この点を踏まえ、従来、例えば、特許文献２には、陰極となる一方の電極表面を、陽極となる他方の電極表面よりも滑らかに形成することで、当該電極表面に付着した析出物の流水による洗浄効果を高める方法が開示されている。そして、特許文献３では、その特に析出物が付着しやすい電極端部について、当該電極間距離を大とする、表面粗さを小さくする、或いは隠蔽する等の加工を施す構成が提案されている。
特開２００１−２５２６６３号公報特開平７−２３６８８７号公報特開平１０−２９８７９１号公報

しかしながら、上記特許文献２に記載の従来技術は、あくまで、その通水による洗浄効果の向上を主たる目的とするものであり、析出物の付着自体の抑制については、何らの具体的な記述もなされていない。また、特許文献３に記載の従来技術についても、その具体的な記述、とりわけ、その最適な表面粗さ（粗度）に関する部分の開示不足という点で同様であり、更に、電極端部のみとはいえ、その電極間距離を拡大することで消費電力が拡大するという問題もある。そして、上記特許文献１に記載の従来技術において、その電極間距離を最適化する上で重視する電解効率とは、消費電力の低減、及び電気分解に伴い減少する溶存塩素の維持であり、上記課題である電極表面への析出物の付着抑制については何らの指摘もなされていない。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、消費電力を低減し、且つ電極表面への析出物の付着を抑制することのできる電解水生成装置を提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、電解槽に設けられた電極対に電圧を印加することにより前記電解槽内の原水を電気分解する電解水生成装置であって、前記電極対の電極間距離は、１．６ｍｍ〜４ｍｍとされるとともに、各電極表面の粗度は、中心線平均粗さで１．５μｍ以下とされること、を要旨とする。

上記構成によれば、析出物の付着が増加しない範囲で水の抵抗による電力ロスを抑えることができる。そして、併せてその付着率を下げることにより、より効果的に消費電力の低減と電極表面への析出物の付着抑制との両立を図ることが可能になる。

請求項２に記載の発明は、前記各電極表面の粗度は、メッキ処理、蒸着処理、又はスパッタ処理の何れかにより制御されること、を要旨とする。
上記構成によれば、各電極表面の粗度をより小さな領域で制御することができる。その結果、析出物の付着困難性をより一層向上させることが可能になる。

本発明によれば、消費電力を低減し、且つ電極表面への析出物の付着を抑制することが可能な電解水生成装置を提供することができる。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１は、本実施形態における電解水生成装置の概略構成図である。同図に示すように、本実施形態の電解水生成装置１は、原水を電気分解するための電極対２が設けられた電解槽３及びその原水を浄化するための浄水部４を収容する装置本体５と、原水供給部としての蛇口６に取着される切替器７と、これら装置本体５と切替器７とを接続する水管８とを備えてなる。

詳述すると、本実施形態の切替器７には、レバー９が設けられており、蛇口６から供給される原水（水道水や井戸水、或いは河川水等の希薄水）は、このレバー９が操作されることにより、水管８を介して装置本体５内に導入される。

装置本体５内に導入された原水は、先ず、第１管路１０を介して浄水部４に導入される。本実施形態の浄水部４は、活性炭部１１と中空子フィルタ部１２とからなり、当該浄水部４に導入された原水は、これらの各部を通過することで、活性炭による遊離塩素や有機塩化物（トリハロメタン等）、或いはカビ臭の吸着除去、及び中空子フィルタによる雑菌や固形不純物の除去等といった浄水処理が施される。そして、本実施形態では、この浄水部４を通過することにより浄化された後の原水が、第２管路１３を介して電解槽３内に導入される構成となっている。

本実施形態の電解槽３は、隔膜１４によって陽極槽１５と陰極槽１６とに区画されており、第２管路１３を介して浄水部４から供給される原水は、これら陽極槽１５及び陰極槽１６のそれぞれに対して独立に導入される。そして、電極対２を構成する陽極１７及び陰極１８は、それぞれ、その対応する陽極槽１５及び陰極槽１６内に収容されることにより、隔膜１４を挟んで対向配置されている。尚、本実施形態では、これら陽極１７及び陰極１８は、チタン（Ｔｉ）を基材として表面に白金（Ｐｔ）をコーティングすることにより形成される。

また、本実施形態では、装置本体５内には、プラグ２１を介して供給される家庭用商用電源（ＡＣ１００Ｖ）を直流電源に変換する電源部２２と、この電源部２２により変換された直流電源の出力を制御するコントローラ２３が収容されており、電極対２を構成する陽極１７及び陰極１８は、このコントローラ２３に接続されている。そして、電解槽３内の原水を電気分解するための電極対２に対する電圧印加は、このコントローラ２３の制御下において行なわれる。

尚、本実施形態では、上記第１管路１０には、装置本体５内に導入された原水の流量を検出するための流量計２４が設けられている。そして、コントローラ２３は、その流量計２４により検出される原水流量に基づいて、その電極対２に対する電圧印加を実行する構成となっている。

電極対２に対する電圧印加の実行により、電解槽３内の原水は電気分解され、陽極槽１５内では酸性を呈する陽極水が、陰極槽１６内ではアルカリ性を呈する陰極水が生成される。尚、本実施形態では、陽極槽１５において生成された陽極水は、第３管路２５を介して装置本体５の外部に排出される。そして、本実施形態の電解水生成装置１は、その陰極槽１６において生成された陰極水を、第４管路２６を介して装置本体５の外部に吐出することにより、飲用水等の用途に供する構成となっている。

（電極表面への析出物の付着抑制構造）
次に、本実施形態における電極表面への析出物の付着を抑制する構造について説明する。図２は、電極間距離と電極表面への析出物（ＣａＣＯ_３）の付着率との関係を示すグラフであり、図３は、電極表面の粗度（表面粗さ）と電極表面への析出物（ＣａＣＯ_３）の付着率との関係を示すグラフである。尚、図３において、表面粗さ（粗度）は「中心線平均粗さ：Ｒａ」により表される。そして、図２は、電極間距離が「３．５ｍｍ」である場合の付着率を「１．０」とし、図３は、電極表面の粗度が「２．８μｍ」である場合の付着率を「１．０」とした場合のグラフである。

上述のように、消費電力の低減を考慮した場合、電極対２を構成する陽極１７及び陰極１８の電極間距離は小さいほど好ましいが、その過剰な短縮化は、電極表面への析出物の付着を助長し、それに伴う流路の狭窄による内圧上昇、或いは電解性能低下等といった不具合を引き起こすおそれがある。

この点を踏まえ、本実施形態の電解水生成装置１では、その電極対２の電極間距離が１．６ｍｍ〜４ｍｍとなるように構成されている。
即ち、図２のグラフに示すように、電極間距離を短縮化するにつれて、析出物であるＣａＣＯ_３の付着率は増加し、その電極間距離が１．６ｍｍの場合には、３．５ｍｍの場合と比較して約２倍となる。そして、更に短縮化を進めることで、その付着率の上昇勾配がより急峻となる傾向がある。一方、電極間距離を拡大した場合における付着率の低下について、３．５ｍｍ〜４．０ｍｍ以上ではあまり変化しない。従って、電極間距離は、１．６ｍｍ〜４ｍｍとするのが望ましく、これにより、消費電力の低減と電極表面への析出物の付着抑制との両立を図ることが可能になる。

また、本実施形態の電解水生成装置１では、電極対２を構成する陽極１７及び陰極１８は、その電極表面の粗度（表面粗さ）が、中心線平均粗さ（Ｒａ）で１．５μｍ以下となるように形成されている。

即ち、図３のグラフに示すように、析出物であるＣａＣＯ_３の付着率は、Ｒａ＝１．５μｍ以下において急激に低下し、例えば、Ｒａ＝０．５μｍでは、Ｒａ＝２．８μｍの場合と比較して、その付着率を最大で約１／２にまで抑制することが可能になる。従って、その粗度が当該中心線平均粗さで１．５μｍ以下に形成された電極対２を用いることにより、一層効果的に電極表面への析出物の付着を抑制することができるようになる。

具体的には、本実施形態の電解水生成装置１では、電極対２を構成する陽極１７及び陰極１８の形成に際し、その基材（Ｔｉ）表面への白金（Ｐｔ）のコーティングは、電解による酸化還元処理、即ち電解メッキを用いて、Ｐｔ溶液内に浸漬されたＴｉ表面に、直接にＰｔを析出させることにより行なわれる。

即ち、通常、基材表面へのＰｔコーティングは、予め基材となるＴｉ表面をエッチング処理することで表面粗度を粗くし、Ｐｔ溶剤との接触面積を拡大した上で、熱焼成により行なわれるが、これにより、そのエッチングにより電極表面の粗度（表面粗さ）が上記の最適範囲を大きく超えることになる。

しかしながら、上記のようにメッキ処理による表面コーティングを採用することで、その表面粗さを上記最適範囲内に制御することが可能になる。その結果、電極表面への析出物の付着を効果的に抑制することができるようになる。

なお、本実施形態は以下のように変更してもよい。
・本実施形態では、電極対２を構成する陽極１７及び陰極１８の形成に際し、その基材（Ｔｉ）表面への白金（Ｐｔ）のコーティングは、電解メッキにより行なわれることとした。しかし、これに限らず、蒸着処理により基材（Ｔｉ）表面上にＰｔを析出させる構成としてもよく、さらにスパッタ処理により基材（Ｔｉ）表面上にＰｔを析出させる構成としてもよい。

即ち、電解メッキに際しても、基材表面の酸化（ＴｉＯ_２）を考慮すれば、予め電解研磨やエッチング処理が必要となる。しかしながら、特に蒸着処理やスパッタ処理を採用した場合には、表面酸化の起こらない無酸素雰囲気下（真空、或いはアルゴン充填状態等）でコーティングが行なわれる。そのため、上記のような事前のエッチング処理が不要となり、これにより、電極表面の粗度をより小さな領域で制御することができる。その結果、より析出物が付着しにくい電極対を形成することができるようになる。

・本実施形態では、電極対２の基材はチタン（Ｔｉ）とし、電極表面へのコーティングへは白金（Ｐｔ）としたが、電極対の素材はこれに限るものではなく、電解メッキ処理、蒸着処理、又はスパッタ処理の何れかにより、その表面粗さ（粗度）を制御することが可能であればよい。

電解水生成装置の概略構成図。電極間距離と電極表面への析出物（ＣａＣＯ_３）の付着率との関係を示すグラフ。電極表面の粗度（表面粗さ）と電極表面への析出物（ＣａＣＯ_３）の付着率との関係を示すグラフ。原水のｐＨと水中における炭酸化学種の形態との関係を示すグラフ。原水のｐＨと炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）の溶解度との関係を示すグラフ。

符号の説明

１…電解水生成装置、２…電極対、３…電解槽、１４…隔膜、１５…陽極槽、１６…陰極槽、１７…陽極、１８…陰極。

Claims

電解槽に設けられた電極対に電圧を印加することにより前記電解槽内の原水を電気分解する電解水生成装置であって、
前記電極対の電極間距離は、１．６ｍｍ〜４ｍｍとされるとともに、
各電極表面の粗度は、中心線平均粗さで１．５μｍ以下とされること、
を特徴とする電解水生成装置。
請求項１に記載の電解水生成装置において、
前記各電極表面の粗度は、メッキ処理、蒸着処理、又はスパッタ処理の何れかにより制御されること、を特徴とする電解水生成装置。