JP2013126618A - 電解水生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電解水生成時に所望する吐水と排水のバランスを維持することのできる電解水生成装置を得る。
【解決手段】電解水生成装置は、隔膜１８で仕切られた陰極室１０と陽極室１１とを有する電解槽２を備え、電解槽２内に導入された原水を電気分解して電解水を生成し、生成した電解水を吐水経路１９を介して吐水口２２ａから取り出すとともに排水経路２０を介して排水経路２０から排水するようにした電解水生成装置であって、電解槽２内の水圧から吐水口２２ａの大気圧へと水圧を徐々に低下させる吐水圧力低下部２１を吐水経路１９に設けるとともに、電解槽２内の水圧から排水口２０ａの大気圧へと水圧を低下させる排水圧力低下部２５を排水経路２０に設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、水道水等の原水を電気分解することにより陰極水、陽極水を生成する電解水生成装置に関する。

従来、隔膜で仕切られた陰極室と陽極室を有する電解槽を備え、電解槽内に導入された水道水等の原水を電気分解する電解水生成装置が知られている。陰極側では水から水素と水酸化物イオンが生成され、陽極側では水から酸素と水素イオンが生成される。陰極表面で生成される水素は、陰極室内を流水している水に溶解していく。このとき、電流量に比例した水素量が生成されて溶解するため、陰極表面では大気圧での飽和溶解量より過剰に溶解することとなり過飽和状態となる。流水中で電極から離れたところを流れる水になると、大気圧での飽和溶解度に近い溶解量となる。

そこで、特許文献１に開示される電解水生成装置では、電解槽に圧力測定器、電解槽の下流側に調整弁を設置している。これにより、圧力測定器で電解槽の内圧をモニタリングしながら調整弁を制御することで電解槽の内圧をコントロールすることができる。

特開２００６―１５９０７２号公報

特許文献１のように電解槽の内圧をコントロールした場合でも、電解槽の内圧は大気圧よりも高くなる。そして、内圧が高くなった電解槽から吐水口に至るまでの経路に関しての制限が設けられていないため、高い内圧の場所から大気圧に放出される時に急激な圧力低下が生じてしまうおそれがある。

過飽和水素溶解条件において急激な圧力低下が生じると、瞬間的に水素濃度の揺らぎ等が生じるため、溶解水素分子が集合し、相転移して小さな気泡核が形成されてしまう。その結果、溶解している水素（気体）が気泡として出現して水中から放出されることとなり、溶解水素濃度が低下してしまうおそれがあった。

そこで、本出願人は、電解槽内の水圧から吐水口の大気圧へと水圧を徐々に低下させる圧力低下手段を設けることを提案している（特願２０１１−０１８１５１）。これにより、電解水に溶解する気体濃度の低下を抑制することが可能となる。

しかしながら、この構成では、内圧が高くなった電解槽から排水口に至るまでの経路に関して制限を設けていなかった。そのため、高い内圧の電解槽内から排水が大気圧に放出される時に急激な圧力低下が生じるおそれがある。この場合、電解槽の陽極室側の内圧は大気圧により近くなるため、陰極室から隔膜を介して陽極室へ過剰に内部通水が生じることになる。すなわち、電解水生成時に所望する吐水と排水のバランスを維持できない場合が生じてしまうという課題がある。

そこで、本発明は、電解水生成時に所望する吐水と排水のバランスを維持することのできる電解水生成装置を得ることを目的とする。

本発明は、隔膜で仕切られた陰極室と陽極室とを有する電解槽を備え、前記電解槽内に導入された原水を電気分解して電解水を生成し、生成した電解水を吐水経路を介して吐水口から取り出すとともに排水経路を介して排水口から排水するようにした電解水生成装置であって、前記電解槽内の水圧から前記吐水口の大気圧へと水圧を徐々に低下させる吐水圧力低下部を前記吐水経路に設けるとともに、前記電解槽内の水圧から前記排水口の大気圧へと水圧を低下させる排水圧力低下部を前記排水経路に設けたことを特徴とする。

また、本発明において、前記排水圧力低下部は、前記排水経路の一部を閉鎖し、その閉鎖箇所に穴を設けた排水管路であってもよい。

また、本発明において、前記排水圧力低下部は、管摩擦抵抗で流水の圧力を徐々に低下させる流水管路であってもよい。

また、本発明において、前記吐水圧力低下部を通過する圧力低下吐水経路と前記吐水圧力低下部を通過しない通常吐水経路とを切替える吐水切替部と、前記排水圧力低下部を通過する圧力低下排水経路と前記排水圧力低下部を通過しない通常排水経路とを切替える排水切替部とを備え、前記吐水切替部が前記圧力低下吐水経路を選択する場合は前記排水切替部も前記圧力低下排水経路を選択し、前記吐水切替部が前記通常吐水経路を選択する場合は前記排水切替部も前記通常排水経路を選択してもよい。

また、本発明において、前記吐水圧力低下部を通過する一つ以上の圧力低下吐水経路と前記吐水圧力低下部を通過しない通常吐水経路とを切替える吐水切替部と、前記排水圧力低下部を通過する一つ以上の圧力低下排水経路と前記排水圧力低下部を通過しない通常排水経路とを切替える排水切替部とを備え、前記吐水切替部と前記排水切替部が独立して経路を切替えてもよい。

また、本発明において、前記吐水切替部は、前記電解槽から前記吐水圧力低下部までの経路長を切替えてもよい。

また、本発明において、前記吐水圧力低下部は、管摩擦抵抗で流水の圧力を徐々に低下させる流水管路であってもよい。

本発明によれば、電解水生成時に所望する吐水と排水のバランスを維持することのできる電解水生成装置を提供することが可能となる。

図１は、第１実施形態にかかる電解水生成装置を模式的に示す図である。 図２は、第２実施形態にかかる電解水生成装置を模式的に示す図である。 図３は、第３実施形態にかかる電解水生成装置を模式的に示す図である。 図４は、第４実施形態にかかる電解水生成装置を模式的に示す図である。 図５は、第５実施形態にかかる電解水生成装置を模式的に示す図である。 図６は、第６実施形態にかかる電解水生成装置を模式的に示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下では、電解槽に導入される水（電気分解される前の水）を原水と定義する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態にかかる電解水生成装置を模式的に示す図である。この図に示すように、電解槽２や浄化部３、各種配管がケース１内に収納されている。水切替え器５のレバーを操作すると、蛇口４から電解水生成装置の原水導入管７へ水道水が供給されるようになっている。原水導入管７の途中には浄化部３が配設されている。浄化部３の前段には活性炭収納部３ａが設けられ、後段には中空糸膜収納部３ｂが設けられている。浄化部３で浄化された原水（浄水）は各分岐管８，９へと供給される。一方の分岐管８に供給された原水は入口１４から陰極室１０に供給され、他方の分岐管９に供給された原水は入口１５から陽極室１１に供給される。各分岐管８、９には、余剰原水を放出するための放出管２３、２４が接続されている。

電解槽２は、隔膜１８で仕切られた陰極室１０と陽極室１１とを有している。陰極室１０には陰極１２が、陽極室１１には陽極１３が設けられている。電解槽２内に原水を導入した状態で陰極１２と陽極１３との間に一定の電圧を印加すると、原水が電解槽２内で電気分解される。これにより、陰極室１０内で電解水としてのアルカリイオン水が生成され、陽極室１１内で電解水としての酸性水が生成される。すなわち、陰極室１０内では、水の電気分解による水素の生成とＯＨ⁻イオンの生成が行なわれるため、陰極室１０内の水はアルカリ性となる。一方、陽極室１１内では、水の電気分解による酸素の生成とＨ^＋イオンの生成が行なわれるため、陽極室１１内の水は酸性となる。

陰極室１０内のアルカリイオン水は、陰極室１０の出口１６から吐水経路１９、吐水管２２を介して吐水口２２ａから取り出される。吐水経路１９に設けられた吐水圧力低下部２１は、電解槽２内の高い水圧から吐水口２２ａの大気圧へと水圧を徐々に低下させる。水圧を徐々に低下させるとは、流水中で気相の相転移を起こさずに気泡核を生成しにくい範囲での連続的な圧力低下を意味し、急激に圧力を低下させるのではなく緩速に圧力を低下させることを意味する。吐水圧力低下部２１は、具体的には、管摩擦抵抗で流水の圧力を低下させる長い流水管路２１である。長い流水管路２１の管径を調整することで、電解槽２の高い内圧から大気圧へと徐々に圧力を低下させることができる。また、長い流水経路２１においてその管径を維持することで、電解槽２の内圧から大気圧への圧力低下過程においてその単位時間または単位長さ（流水経路の長さ）辺りの低下度をコントロールすることができる。ここでは、大気圧へと徐々に低下させる条件を満足するために、流水管路２１の管径（内径）をφ０．１〜１０ｍｍ、流路長を０．１〜１０ｍに設定している。このような長い流水管路２１は、図１に示すように、螺旋状に形成してコンパクトにまとめておくことが好ましい。電解槽２内における高い水圧状態にあるアルカリイオン水は、吐水圧力低下部２１を通過するため、気泡核が生成されにくい範囲で徐々に水圧が低下し、吐水口２２ａ付近で大気圧に近い水圧となる。そのため、大気圧のアルカリイオン水が吐水口２２ａから大気圧中に放出されることとなる。吐水口２２ａから放出されたアルカリイオン水は、通常は飲用水として用いられる。

既に説明した通り、内圧が高くなった電解槽２から排水口２０ａに至るまでの経路に関して制限を設けていない場合は、電解槽２内から排水が大気圧に放出される時に急激な圧力低下が生じるおそれがある。この場合、電解槽２の陽極室１１側の内圧は大気圧により近くなるため、陰極室１０から隔膜１８を介して陽極室１１へ過剰に内部通水が生じることになる。そこで、本実施形態では、電解槽２内の水圧から排水口２０ａの大気圧へと水圧を低下させる排水圧力低下部２５を排水経路２０に設けている。

すなわち、陽極室１１内の酸性水は、陽極室１１の出口１７から排水経路２０を介して排水口２０ａから排出される。排水経路２０に設けられた排水圧力低下部２５は、電解槽２内の水圧から排水口２０ａの大気圧へと水圧を低下させる。そのため、大気圧の酸性水が排水口２０ａから大気圧中に排出されることとなる。排水口２０ａから排出された酸性水は、通常は飲用以外の目的に用いられたり廃棄されたりする。

以上のように、本実施形態によれば、電解水生成時に所望する吐水と排水のバランスを維持することができる。すなわち、内圧の高い電解槽２から吐水圧力低下部２１、排水圧力低下部２５を経て流水を吐水口２２ａ、排水口２０ａの大気圧まで降下させるようにしている。そのため、電解槽２内で陰極室１０と陽極室１１の水の圧力バランスを維持することができる。これにより、隔膜１８を介した槽間の内部通水を防ぐことができ、水の混じりを防止することが可能となる。

（第２実施形態）
以下、第２実施形態を第１実施形態と異なる点のみ説明する。

図２は、第２実施形態にかかる電解水生成装置を模式的に示す図である。この図に示すように、本実施形態にかかる排水圧力低下部２８は、排水経路２０の一部を閉鎖し、その閉鎖箇所に穴を設けた排水管路である。通常の経路より細い流水経路を通過させることにより、電解槽２の内圧を調整することができる。

具体的には、図２に示すように、排水経路２０の途中に閉鎖箇所２６を設け、その閉鎖箇所２６に細孔２７を開けている。細孔２７の内径φは０．１〜１０ｍｍ程度が好ましい。極端に細い流水経路では、その長さを長く維持せずとも電解槽２の内圧から大気圧への圧力低下過程において急激な圧力低下を起こすことができる。ここでは、閉鎖箇所２６と細孔２７を１ヶ所づつ設けた場合を例示したが、これらは複数個所設けてもよい。

以上のように、本実施形態によれば、排水圧力低下部２８は、排水経路２０の一部を閉鎖し、その閉鎖箇所に穴を設けた排水管路である。これにより、電解槽２内の水圧から排水口２０ａの大気圧へと水圧を低下させることができるため、簡単な構造で第１実施形態と同様の効果を得ることが可能である。

（第３実施形態）
以下、第３実施形態を第１〜第２実施形態と異なる点のみ説明する。

図３は、第３実施形態にかかる電解水生成装置を模式的に示す図である。この図に示すように、本実施形態にかかる排水圧力低下部２９は、管摩擦抵抗で流水の圧力を徐々に低下させる長い流水管路２９である。長い流水経路２９の管径を調整することで、電解槽２の内圧を調整することができる。また、長い流水経路２９においてその管径を維持することで、電解槽２の内圧から大気圧への圧力低下過程においてその単位時間または単位長さ（流水経路の長さ）辺りの低下度をコントロールすることができる。

以上のように、本実施形態によれば、排水圧力低下部２９は、管摩擦抵抗で流水の圧力を徐々に低下させる長い流水管路２９である。これにより、電解槽２内の水圧から排水口２０ａの大気圧へと水圧を徐々に低下させることができるため、簡単な構造で第１実施形態と同様の効果を得ることが可能である。

（第４実施形態）
以下、第４実施形態を第１〜第３実施形態と異なる点のみ説明する。

図４は、第４実施形態にかかる電解水生成装置を模式的に示す図である。本実施形態が第１〜３実施形態と異なる点は、吐水経路１９と排水経路２０のそれぞれに圧力低下部を通過する経路と通過しない経路を設け、これら経路を連動して切替えるようにした点である。

具体的には、図４に示すように、吐水経路１９の途中に吐水切替え弁３０を設けるとともに、排水経路２０の途中に排水切替え弁３１を設ける。吐水切替え弁３０は、吐水圧力低下部２１を通過する圧力低下吐水経路と、吐水圧力低下部２１を通過しない通常吐水経路３２とを切替える。排水切替え弁３１は、排水圧力低下部２９を通過する圧力低下排水経路と、排水圧力低下部２９を通過しない通常排水経路３３とを切替える。

吐水切替え弁３０が圧力低下吐水経路を選択する場合は、排水切替え弁３１も圧力低下排水経路を選択するようになっている。この場合、電解槽２の内圧を上昇させ、水素を高溶解させることができる。また、吐水切替え弁３０が通常吐水経路３２を選択する場合は、排水切替え弁３１も通常排水経路３３を選択するようになっている。この場合、電解槽２の内圧は上昇せず、通常の電解を行うことができる。どちらの場合でも吐水水量と排水水量の水量バランスが同じになるようにすれば、隔膜１８で隔てられた陰極水と陽極水のｐＨは変化しないため、隔膜１８を介した水の交じりが存在せず、吐水のｐＨは安定する。一方、吐水経路１９・排水経路２０ともに圧力低下部を通過させた場合は、電解槽２の内圧が高くなる。そのため、通常吐水経路３２と通常排水経路３３を選択した場合より水素の溶解量が高くなり、同じｐＨでも水素濃度の異なる水を得ることが可能となる。

以上のように、本実施形態では、吐水経路１９と排水経路２０のそれぞれに圧力低下部を通過する経路と通過しない経路を設け、これら経路を連動して切替えるようにしている。これにより、吐水経路１９・排水経路２０ともに圧力低下部を通過させて吐水排水したり、通常経路を通過させて吐水排水したりすることができる。そのため、陰極室１０と陽極室１１の水の圧力バランスを維持したまま、電解槽２の内圧を高低することが可能となる。よって、隔膜１８を介した槽間の内部通水を防ぎつつ、水素の溶解量をコントロールすることができるため、同じｐＨでも水素濃度の異なる水を生成することが可能となる。

（第５実施形態）
以下、第５実施形態を第１〜第４実施形態と異なる点のみ説明する。

図５は、第５実施形態にかかる電解水生成装置を模式的に示す図である。本実施形態が第１〜４実施形態と異なる点は、吐水経路１９と排水経路２０のそれぞれに一つ以上の圧力低下部を通過する経路と圧力低下部を通過しない経路を設け、これら経路を自由に切替えるようにした点である。

具体的には、図５に示すように、吐水経路１９の途中に吐水切替え弁３０を設けるとともに、排水経路２０の途中に排水切替え弁３１を設ける。吐水切替え弁３０は、吐水圧力低下部２１ａを通過する第１の圧力低下吐水経路と、吐水圧力低下部２１ｂを通過する第２の圧力低下吐水経路と、吐水圧力低下部２１ａ，２１ｂを通過しない通常吐水経路３２を切替える。排水切替え弁３１は、排水圧力低下部２９ａを通過する第１の圧力低下排水経路と、排水圧力低下部２９ｂを通過する第２の圧力低下排水経路と、排水圧力低下部２９ａ，２９ｂを通過しない通常排水経路３３とを切替える。

例えば、吐水切替え弁３０で吐水圧力低下部２１ａを選択した場合は、排水切替え弁３１で通常排水経路３３、または２種類の排水圧力低下部２９ａ，２９ｂのうちの１つを選択することができる。吐水圧力低下部２１ａは吐水圧力低下部２１ｂに比較して経路が長く、電解槽２の内圧が一層大気圧より高くなる。つまり、排水切替え弁３１で排水圧力低下部２９ａを選択した場合は、陽極室１１と陰極室１０の圧力差がないため、隔膜１８を通水する交じりがない。そのため、吐水：排水比が１６：１であるとすると、排水切替え弁３１で排水圧力低下部２９ｂを選択した場合は、陰極室１０より陽極室１１の方が内圧が低くなる。その結果、隔膜１８を介した陰極室１０から陽極室１１への槽間の内部通水が生じ、吐水：排水比が８：１になる。また、排水切替え弁３１で通常排水経路３３を選択した場合は、陰極室１０より陽極室１１の方が内圧がさらに低くなる。その結果、隔膜１８を介した陰極室１０から陽極室１１への槽間の内部通水が増加し、吐水：排水比が４：１になる。隔膜１８で隔てられた陰極水と陽極水のｐＨは変化し、混じり方も変化するため、吐水排水の比率により水のｐＨは変化する。しかしながら、陰極室１０の内圧は変化しないため、水素濃度については吐水：排水が１６：１、８：１、４：１で変化なく、維持することが可能となる。

以上のように、本実施形態では、吐水経路１９と排水経路２０のそれぞれに一つ以上の圧力低下部を通過する経路と圧力低下部を通過しない経路を設け、これら経路を自由に切替えるようにしている。これにより、吐水経路１９は圧力低下部を通過する経路にし、排水経路２０は通常経路にした場合は、陰極室１０側の圧力が陽極室１１側に比べて高くなる。そのため、隔膜１８を介した陰極室１０から陽極室１１への槽間の内部通水が生じ、吐水排水の水量バランスが変化する。例えば、吐水経路１９・排水経路２０ともに圧力低下部を通過する経路で吐水：排水が１６：１で通水していた場合、排水経路２０のみ通常経路に切替えると、陰極室１０から陽極室１１への槽間の内部通水が生じ、排水量が増大する。例えば、吐水：排水が４：１に通水するようになったとすると、隔膜１８で隔てられた陰極水と陽極水のｐＨが変化し、混じり方も変化するため、吐水排水の比率により、水のｐＨは変化する。しかしながら、陰極室１０の内圧は変化しないため、水素濃度については吐水：排水が１６：１、４：１で変化なく、維持することが可能となる。

（第６実施形態）
以下、第６実施形態を第１〜第５実施形態と異なる点のみ説明する。

図６は、第６実施形態にかかる電解水生成装置を模式的に示す図である。本実施形態が第１〜５実施形態と異なる点は、電解槽２から吐水圧力低下部２１ａまでの経路長を切替えることが可能である点である。

具体的には、図６に示すように、吐水圧力低下部２１ａまでの距離を延長する延長経路２１ｃを設け、延長経路２１ｃを通過するかどうかを吐水切替え弁３０で切替える。吐水切替え弁３０で延長経路２１ｃを選択した場合は、吐水圧力低下部２１ａまでの距離が長くなる。そのため、内圧の高い電解槽２以降も内圧の高い経路を水が通過することとなり、より一層水素が溶解することになる。しかしながら、ｐＨ値に影響する吐水と排水の比率は吐水圧力低下部２１ａと排水圧力低下部２９の管路径と長さの比率で決定されるため、吐水経路１９で同じ吐水圧力低下部２１ａを通過する場合は吐水と排水の比率は変化しない。つまり、延長経路２１ｃを選択することにより、吐水圧力低下部２１ａの場合と同じｐＨ値でありながら、より水素濃度を高くすることが可能となる。

以上のように、本実施形態では、電解槽２から吐水圧力低下部２１ａまでの経路長を切替えることができる。延長経路２１ｃを選択することにより、吐水圧力低下部２１ａの場合と同じｐＨ値でありながら、より水素濃度を高くすることが可能となる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態には限定されず、種々の変形が可能である。例えば、電解槽２、吐水圧力低下部２１、排水圧力低下部２５等のスペック（形状、大きさ、レイアウト等）も適宜に変更可能である。

２ 電解槽
１８ 隔膜
１０ 陰極室
１１ 陽極室
１９ 吐水経路
２２ａ 吐水口
２０ 排水経路
２０ａ 排水口
２１、２１ａ、２１ｂ 吐水圧力低下部
２６ 閉鎖箇所
２７ 細孔（穴）
２８、２９、２９ａ、２９ｂ 排水圧力低下部
３０ 吐水切替え弁（吐水切替部）
３１ 排水切替え弁（排水切替部）
３２ 通常吐水経路
３３ 通常排水経路

Claims (7)

1. 隔膜で仕切られた陰極室と陽極室とを有する電解槽を備え、前記電解槽内に導入された原水を電気分解して電解水を生成し、生成した電解水を吐水経路を介して吐水口から取り出すとともに排水経路を介して排水口から排水するようにした電解水生成装置であって、
   前記電解槽内の水圧から前記吐水口の大気圧へと水圧を徐々に低下させる吐水圧力低下部を前記吐水経路に設けるとともに、
   前記電解槽内の水圧から前記排水口の大気圧へと水圧を低下させる排水圧力低下部を前記排水経路に設けたことを特徴とする電解水生成装置。
2. 前記排水圧力低下部は、前記排水経路の一部を閉鎖し、その閉鎖箇所に穴を設けた排水管路であることを特徴とする請求項１に記載の電解水生成装置。
3. 前記排水圧力低下部は、管摩擦抵抗で流水の圧力を徐々に低下させる流水管路であることを特徴とする請求項１に記載の電解水生成装置。
4. 前記吐水圧力低下部を通過する圧力低下吐水経路と前記吐水圧力低下部を通過しない通常吐水経路とを切替える吐水切替部と、
   前記排水圧力低下部を通過する圧力低下排水経路と前記排水圧力低下部を通過しない通常排水経路とを切替える排水切替部とを備え、
   前記吐水切替部が前記圧力低下吐水経路を選択する場合は前記排水切替部も前記圧力低下排水経路を選択し、前記吐水切替部が前記通常吐水経路を選択する場合は前記排水切替部も前記通常排水経路を選択することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の電解水生成装置。
5. 前記吐水圧力低下部を通過する一つ以上の圧力低下吐水経路と前記吐水圧力低下部を通過しない通常吐水経路とを切替える吐水切替部と、
   前記排水圧力低下部を通過する一つ以上の圧力低下排水経路と前記排水圧力低下部を通過しない通常排水経路とを切替える排水切替部とを備え、
   前記吐水切替部と前記排水切替部が独立して経路を切替えることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の電解水生成装置。
6. 前記吐水切替部は、前記電解槽から前記吐水圧力低下部までの経路長を切替えることを特徴とする請求項４または５に記載の電解水生成装置。
7. 前記吐水圧力低下部は、管摩擦抵抗で流水の圧力を徐々に低下させる流水管路であることを特徴とする請求項１に記載の電解水生成装置。

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