JP2013230425A - 電解水製造装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】陽極12を配した陽極室11と、陰極12を配した陰極室13と、陽極室11と陰極室13を隔てる陽イオン交換膜からなる隔膜15とを備える電解槽1を有し、隔膜15の外周部と陰極14との間に電解槽1からの液漏れを防ぐシール部材17が介在し、陰極室13においてアルカリ性電解水を生成する電解水製造装置において、陽極室11内の圧力を陰極室12内の圧力よりも高くして、隔膜15の陰極14への密着状態を保持する。
【選択図】 図1
Description
(1)陽イオン交換膜
隔膜15に用いる陽イオン交換膜として、フッ素系陽イオン交換膜(デュポン製ナフィオンN−424、厚さ183μm)を縦12cm、横11cmに切断したものを使用した。
上記の陽イオン交換膜を隔膜として用いて、図1に示した構成の電解水製造装置を作製した。陽極12としては、チタン基板に酸化イリジウムと白金を被覆したパンチングメタル形状の電極を選定し、陰極14としては、チタン基板に白金を被覆したパンチングメタル形状の電極を使用した。各電極は、有効面積が100cm2で、開口率が47.2%となるように表面に直径3mmの孔を有している。陰極14に密着するように隔膜15を配設し、電解槽1内を仕切ることで2槽式の電解槽を作製した。なお陽極12と隔膜15との間のシール部材16として、また、陰極14と隔膜15との間のシール部材17として、それぞれ、厚さ0.5mmのガスケットを配設した。ガスケットは、EPDM(エチレン・プロピレン・ジエンモノマー)ゴムからなる。シール部材17としてこのようなガスケットを設けたことにより、隔膜15がたわんでいない状態では、隔膜15と陰極14の表面との間にはガスケットの厚さの分だけの空隙が生じることになるので、陽極室11と陰極室13との間の圧力差によって隔膜15をたわませて、隔膜15を陰極14の表面に密着させるようにした。陽極室11と陰極室13の容積は各々100cm3とした。
実施例1と同様の電解水装置装置において、陽極室11の出口の圧力を3kPa(比較例1−1)および10kPa(比較例1−2)としたときに、実施例1と同様の実験を行い、電解電圧を測定した。結果を図7に示す。比較例1−1,1−2では、陰極室13の出口の圧力が陽極室11の出口の圧力を超えたところから電解電圧が上昇を始めた。特に、陰極室13の出口の圧力が14kPaとなったとき、陽極室11の出口圧力が3kPaの条件では11.0V、10kPaの条件では9.8Vまで電解電圧が上昇した。実施例1では陰極室13内の圧力を変動させたときも安定して5.2V程度の電解電圧を保っていたことから、電解時の陽極室11の圧力を陰極室13の圧力よりも高く保つことで、電解槽1にかかる負荷を大幅に低減できることが示された。
実施例1に示した電解水製造装置において、図2に示したように接液部が0.5mmだけ隔膜15側にせり出した構造の陰極14を使用して、実施例1と同様の実験を行った。結果を図8に示す。せり出し量の0.5mmは、シール部材17の厚さと同じ値であり、これにより、隔膜15はたわむことなく陰極14の表面に密着できることになる。実施例2においても陰極室14出口の圧力を3〜14kPaの範囲で変動させたときに、電解電圧は4.6Vで安定していた。この4.6Vという電解電圧は実施例1の場合よりも低く、隔膜15をたわませることなく陰極14の表面に密着させることによって、さらに電解効率が向上することがわかる。
実施例2と同様の電解水装置装置において、陽極室11の出口の圧力を3kPa(比較例2−1)および10kPa(比較例2−2)としたときに、実施例2と同様の実験を行い、電解電圧を測定した。結果を図8に示す。比較例2−1,2−2では、陰極室13の出口の圧力が陽極室11の出口の圧力を超えたところから電解電圧が上昇を始めた。特に、陰極室13の出口の圧力が14kPaとなったとき、陽極室11の出口圧力が3kPaの条件では8.3V、10kPaの条件では7.1Vまで電解電圧が上昇した。実施例2では陰極室13内のの圧力を変動させたときも安定して4.8V程度の電解電圧を保っていたことから、ここでも、電解時の陽極室11の圧力を陰極室13の圧力よりも高く保つことで、電解槽1にかかる負荷を大幅に低減できることが示された。
隔膜15を陰極14に当接させる支持体を設けたときの電解電圧を検討した。図3及び図4に示す支持体20を陽極12と隔膜15との間に導入し、陽極室11の出口における圧力を3kPaとした条件で実施例1と同様の試験を行った。結果を図7に示す。陰極室13の出口の圧力を3〜14kPaに変動させたとき、電解電圧は6.2V〜6.9Vの間で変化した。ここでは、陽極室11内の圧力が陰極室13内の圧力よりも高い、という条件は満たされていないが、比較例1−1と比較すると、支持体を導入することによって、電解電圧の上昇を抑えられることがわかる。
本発明に基づく電解水製造装置では、陽極と隔膜との密着状態は保証されず、陽極と隔膜との隙間に進入した電解質溶液による電圧降下の影響が懸念されるところである。そこで、 陽極室11に供給される電解質水溶液の導電率と電解電圧との関係を調べた。実施例1と同様の電解水製造装置を使用し、電解質溶液における炭酸水素ナトリウムの濃度を変化させることによって電解質溶液の導電率を変化させて、電解電圧を測定した。陽極室11の出口における圧力は16kPaとし、陰極室13の出口における圧力は3kPaとした。流量等の条件は実施例1と同じにした。結果を図9に示す。また、導電率の代わりに炭酸水素ナトリウムの質量濃度を用いて表した結果を図10に示す。電解質として炭酸水素ナトリウムはなく炭酸カリウムを用いたと仮定して炭酸カリウムの重量濃度に換算した結果を図11に示す。図9より、電解質溶液の導電率がおおよそ2S/m以上であれば導電率によらずに一定の電解電圧を示すことがわかった。また、多少の電解電圧の上昇はあるとしても、導電率が1S/m以上であれば、その上昇は許容できて実用的であると考えられる。なお、導電率2S/mは、炭酸水素ナトリウム濃度であれば約6.1質量%、炭酸カリウム濃度であれば約3.2質量%、導電率1S/mは、炭酸水素ナトリウム濃度であれば約2.7質量%、炭酸カリウム濃度であれば約1.4質量%に相当する。
3 電解質溶液貯留タンク
4 循環ポンプ
5 供給配管
6 排出配管
7 ニードル弁
11 陽極室
12 陽極
13 陰極室
14 陰極
14a 給電端子
14b 孔部
14c 接液部
15 隔膜
16,17 シール部材
20,23,24 支持体
21 角棒部材
22 丸棒部材
Claims (7)
- 多孔形状の陽極を配した陽極室と、多孔形状の陰極を配した陰極室と、前記陽極室と前記陰極室を隔てる陽イオン交換膜からなる隔膜とを備える電解槽を有し、前記隔膜の外周部と前記陰極との間に前記電解槽からの液漏れを防ぐシール部材が介在し、前記陰極室においてアルカリ性電解水を生成する電解水製造装置において、
前記陽極室に供給される電解質水溶液を保持するタンクと、
前記タンクから前記電解質水溶液を前記陽極室に循環供給する循環供給手段と、
を備え、
前記陽極室内の圧力を前記陰極室内の圧力よりも高くして前記隔膜の前記陰極への密着状態を保持することを特徴とする、電解水製造装置。 - 前記陰極は、前記シール部材の厚みに対応して突出して形成された接液部を有し、前記シール部材の内周に前記接液部が嵌合する請求項1に記載の電解水製造装置。
- 前記循環供給手段は、前記タンクを前記陽極室に接続する供給配管と、前記供給配管に設けられ前記電解質水溶液を給送するポンプと、前記陽極室から前記タンクに前記電解質水溶液を戻す排出配管と、前記排出配管に設けられた絞り手段とを備え、前記絞り手段を液が通過するときに発生する圧力によって前記陽極室内の圧力が前記陰極室内の圧力よりも高く維持される、請求項1または2に記載の電解水製造装置。
- 前記電解質水溶液の導電率が1S/m以上である、請求項1乃至3のいずれか1項に記載の電解水製造装置。
- 前記陽極と前記隔膜の間に設けられて前記隔膜および前記陽極に当接し、前記隔膜を前記陰極に向けて押さえる第1の支持体を有する、請求項1乃至4のいずれか1項に記載の電解水製造装置。
- 前記陰極室に設けられ前記陰極に当接する第2の支持体と、前記陽極室に設けられ前記陽極に当接する第3の支持体とを備え、前記第1の支持体の前記隔膜に対する当接位置と前記第3の支持体の前記陰極に対する当接位置とが重なり合わない、請求項5に記載の電解水製造装置。
- 前記第1の支持体は、1対の側面がそれぞれ隔膜と陽極に当接して前記陽極室内での流れ方向に延びる複数本の棒部材を備え、前記第2の支持体は、側面が前記陰極に当接して前記陰極室内での流れ方向に延びる複数本の棒部材を備え、前記第3の支持体は、側面が前記陽極に当接して前記陽極室内での流れ方向に延びる複数本の棒部材を備える、請求項6に記載の電解水製造装置。
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