JP2016198713A - 電極、電解装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電解効率ないし気泡の解離効率に優れた電極及び電解装置を提供する。
【解決手段】実施形態によれば、被電解水を電気分解するために用いられる電極２,３であって、互いに平行に対向した一対の平面９ａ,９ｂを有し、かつ、導電性を有する電極本体９と、一対の平面を横切るように電極本体を貫通して開口するように形成された少なくとも１つの電極孔１０と、電極孔の内周の少なくとも一部に設けられている突起１１と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、電気分解効率（即ち、電解効率）に優れた電極、及び、当該電極を備えた電解装置に関する。

被電解水を電気分解する技術分野において、電極（アノード、カソード）に複数の電極孔が設けられた電解装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。電極孔は、電極を貫通して構成されている。電極孔を構成した分だけ、電極に対する被電解水の接触面積を増大させることが可能となる。かくして、電解効率の向上が図られている。

特開２００５−２７９５３７号公報

ところで、例えば、水道水などの被電解水を電気分解している間、カソード（陰極）側では、電子が供給されて還元反応が生じると共に、アノード（陽極）側では、電子が奪われて酸化反応が生じる。この間、電極（アノード、カソード）に沿って、微小な気泡が発生し続ける。

ここで、複数の電極孔は、電極を直交する方向（換言すると、気泡の浮上方向を横切る方向）に貫通させた円筒形状を有している。かかる形状の電極孔は、発生した気泡が捕捉され易い構造となっている。このため、気泡が電極孔に捕捉されて電極に沿って滞留すると、その分だけ、電極に対する被電解水の接触面積が減少する。そうなると、被電解水の電解効率が低下してしまう。更に、単なる円筒形状の電極孔では、気泡を細分化させることができない。このため、気泡の解離効率を向上させるには一定の限界があった。

本発明の目的は、電解効率ないし気泡の解離効率に優れた電極及び電解装置を提供することにある。

一実施形態によれば、被電解水を電気分解するために用いられる電極であって、互いに平行に対向した一対の平面を有し、かつ、導電性を有する電極本体と、一対の平面を横切るように電極本体を貫通して開口するように形成された少なくとも１つの電極孔と、電極孔の内周の少なくとも一部に設けられている突起と、を備える。

一実施形態に係る電極及び電解装置の斜視図。 （ａ）は、電極孔を孔径方向に沿って断面した構成を示す拡大断面図、（ｂ）は、他の形態の電極孔を孔径方向に沿って断面した構成を示す拡大断面図、（ｃ）は、他の形態の電極孔を孔径方向に沿って断面した構成を示す拡大断面図。 電極孔の配置構成を示す平面図。 （ａ）は、重力（垂直）方向に沿って隣り合う２つの電極孔の配置構成を示す平面図、（ｂ）は、重力（垂直）方向に沿って隣り合う２つの電極孔の他の配置構成を示す平面図。 電極孔の形成プロセスを示す図であって、（ａ）は、電極本体を示す断面図、（ｂ）は、電極本体に貫通孔を形成するプロセスを示す図、（ｃ）は、電極孔に突起を形成するプロセスを示す図。 電極孔の他の形成プロセスを示す図であって、（ａ）は、電極本体を示す断面図、（ｂ）は、電極本体に貫通孔を形成するプロセスを示す図、（ｃ）は、電極孔に突起を形成するプロセスを示す図。 （ａ）は、突起の無い電極孔を通過した気泡の解離状態を示す断面図、（ｂ）は、突起の有る電極孔を通過した気泡の解離状態を示す断面図。

「一実施形態に係る電解装置１について」
図１に示すように、本実施形態に係る電解装置１は、複数の電極２,３と、電極２,３と共に被電解水を収容可能な電解槽４と、電源ユニット５と、を有している。複数の電極２,３は、被電解水を電気分解するために用いられる。複数の電極２,３の一例として、図面には、アノード（陽極）２とカソード（陰極）３が示されている。電源ユニット５は、アノード（陽極）２及びカソード（陰極）３に電力を供給可能に構成されている。

電解槽４としては、貯槽式（静水式）或いは連続式（流水式）のいずれかのタイプを適用することができる。貯槽式（静水式）は、電解水を生成する毎に、新たな被電解水と入れ換える方式である。連続式（流水式）は、被電解水を電解槽に連続的に供給しつつ電気分解（電解）を行って、電解水を連続的に生成する方式である。

図１には一例として、貯槽式（静水式）の電解槽４が示されている。電解槽４には、アノード室６及びカソード室７が構成されている。アノード室６とカソード室７は、セパレータ（隔壁）８によって区画された領域にそれぞれ構成されている。アノード室６には、アノード（陽極）２と共に被電解水を収容させることができる。カソード室７には、カソード（陰極）３と共に被電解水を収容させることができる。被電解水としては、例えば、水道水、井戸水、工業用水などを適用することができる。

セパレータ（隔壁）８としては、例えば、多孔質膜やイオン交換膜などを適用することができる。多孔質膜は、例えば、フッ素系樹脂、ポリエステル系樹脂などで形成することができる。イオン交換膜は、例えば、フッ素系樹脂、スチレン系樹脂、アクリル系樹脂などで形成することができる。

次に、上記した電解装置１の動作について説明する。
動作説明に際し、電解槽４（アノード室６、カソード室７）には、被電解水（図示しない）が予め収容されている。ここで、アノード（陽極）２とカソード（陰極）３は、重力（垂直）方向に沿って平行に位置付けられていてもよいし、重力（垂直）方向に沿って傾いていてもよい。更に、アノード（陽極）２とカソード（陰極）３は、互いに平行に対向配置されていてもよいし、互いに平行に対向配置されていなくてもよい。要するに、どの様な配置でもよい。この場合、アノード（陽極）２とカソード（陰極）３は、その一部或いはその全部が被電解水に水没した状態に維持されている。

ここで、電源ユニット５からアノード（陽極）２及びカソード（陰極）３に電力を供給する。そうすると、２つの電極２,３の相互間に、被電解水を介して電流が交差する。これにより、被電解水に対する電気分解が行われる。

このとき、アノード室６において、アノード（陽極）２と被電解水との間で、電子が奪われて酸化反応が生じる。即ち、被電解水として、例えば、水を使用した場合、アノード室６において、陰イオンが引き寄せられ、水素イオン及び酸素ガスが生成されると共に、酸性イオン水が生成される。

一方、カソード室７において、カソード（陰極）３と被電解水との間で、電子が供給されて還元反応が生じる。即ち、カソード室７において、陽イオンが引き寄せられ、水酸化イオン及び水素ガスが生成されると共に、アルカリイオン水が生成される。

更に、酸化反応及び還元反応が生じている際に、アノード室６及びカソード室７には、上記した酸素ガスや水素ガスから成る微小な気泡が発生し続ける。

「一実施形態に係る電極２,３について」
図１〜図３に示すように、本実施形態に係る電極２,３には、上記した気泡を効率良く細分化させるための構成が設けられている。即ち、電極２,３は、電極本体９と、電極孔１０と、突起１１と、を備えている。

電極本体９は、互いに平行に対向した一対の平面９ａ,９ｂを有して平坦状に構成されている。電極本体９は、導電性を有している。電極本体９の形状としては、上記した電解槽４に収容可能であれば、例えば、矩形状、楕円形状、円形状など、用途に応じた形状を適用することができる。

電極孔１０は、一対の平面９ａ,９ｂを横切るように電極本体９を貫通して開口するように形成されている。電極孔１０の個数としては、例えば、電極２,３毎に１つずつ設けてもよいし、又は、電極２,３毎に複数設けてもよい。図面には一例として、複数の電極孔１０が形成された電極２,３が示されている。電極孔１０の形状としては、例えば、丸形状、楕円形状、三角形状、矩形状、多角形状など、用途に応じた形状を適用することができる。図面には一例として、丸形状の電極孔１０が示されている。

突起１１は、電極孔１０の内周に沿って設けられている。突起１１は、電極孔１０の内周に沿って連続して延びていても、連続して延びていなくてもよい。要するに、突起１１は、少なくとも気泡が浮上する方向側に設けられていればよい。換言すると、電極孔１０が複数形成された電極２,３を、重力方向に沿って位置付けた状態において、突起１１は、電極孔１０の内周のうち、少なくとも重力の作用方向に向かって正対する側に設けられていればよい。更に、突起１１は、先細り形状を有している。突起１１は、直線状に尖らせて構成してもよいし、又は、円弧状に尖らせて構成してもよい。要するに、突起１１は、電極孔１０の中心方向に向かって先細り状に傾斜した輪郭を有していればよい。この場合、突起１１の傾斜角は、鋭角（０度以上９０度未満）に設定されていることが好ましい。

図２（ａ）〜（ｃ）には一例として、後述するテーパ面１２,１３,１４,１５によって構成された突起１１が示されている。テーパ面１２〜１５は、電極孔１０の内周に沿って連続して設けられている。テーパ面１２〜１５は、電極孔１０の中心方向に向かって先細り状に傾斜している。

突起１１の傾斜角は、一対の平面９ａ,９ｂに沿って平行な方向（基準面）１６と、テーパ面１２〜１５と、の間の角度θ１,θ２,θ３,θ４によって規定されている。なお、電解装置１（図１参照）において、電極２,３を重力（垂直）方向に沿って平行に位置付けた状態において、一対の平面９ａ,９ｂに沿って平行な方向（基準面）１６は、重力（垂直）方向に一致する。

図２（ａ）に示された突起１１は、２つのテーパ面１２,１３によって構成されている。ここで、一方のテーパ面１２は、一方の平面９ｂの角度が先細り状に変わり始める変位開始点１２ａと、突起１１の先端１１ａとを直線状に結んだ線分に沿った平面として規定される。他方のテーパ面１３は、他方の平面９ａの角度が先細り状に変わり始める変位開始点１３ａと、突起１１の先端１１ａとを直線状に結んだ線分に沿った平面として規定される。

この場合、突起１１の傾斜角は、突起１１の先端１１ａを通る基準面１６と一方のテーパ面１２との間の角度θ１、及び、当該基準面１６と他方のテーパ面１３との間の角度θ２の合計（θ１＋θ２）によって規定されている。傾斜角（θ１＋θ２）は、鋭角（０度以上９０度未満）に設定されている。一例として、図１に示された電極孔１０には、当該図２（ａ）に示された突起１１が適用されている。

図２（ｂ）に示された突起１１は、１つのテーパ面１４によって構成されている。ここで、テーパ面１４は、他方の平面９ａの角度が先細り状に変わり始める変位開始点１４ａと、突起１１の先端１１ａとを直線状に結んだ線分に沿った平面として規定される。

この場合、突起１１の傾斜角は、突起１１の先端１１ａを通る基準面１６と当該テーパ面１４との間の角度θ３によって規定されている。傾斜角θ３は、鋭角（０度以上９０度未満）に設定されている。

図２（ｃ）に示された突起１１は、図２（ｂ）のテーパ面１４とは反対向きに傾斜した１つのテーパ面１５によって構成されている。ここで、テーパ面１５は、一方の平面９ｂの角度が先細り状に変わり始める変位開始点１５ａと、突起１１の先端１１ａとを直線状に結んだ線分に沿った平面として規定される。

この場合、突起１１の傾斜角は、突起１１の先端１１ａを通る基準面１６と当該テーパ面１５との間の角度θ４によって規定されている。傾斜角θ４は、鋭角（０度以上９０度未満）に設定されている。

この場合、突起１１の先端１１ａは、尖らせた形状としてもよいし、面取り形状としてもよい。いずれの形状であっても、酸化反応及び還元反応の際に電極孔１０に入り込んだ気泡１７は、突起１１によって効率良く細分化させることができる。更に、当該突起１１を構成するテーパ面１２,１３,１４,１５は、気泡１７を浮上方向に導くガイド面としての機能を有する。これにより、電極孔１０に入り込んだ気泡１７は、電極孔１０に捕捉されること無く、その全てが、テーパ面１２,１３,１４,１５に沿って浮上する。この結果、気泡１７の解離効率を飛躍的に向上させることができる。加えて、被電解水の電解効率を飛躍的に向上させることができる。

「電極孔１０の配置構成について」
上記した電解装置１（図１参照）において、アノード（陽極）２とカソード（陰極）３は、重力（垂直）方向に沿って平行に位置付けられている。各々の電極２,３には、複数の電極孔１０が形成されている。この場合、図３に示すように、重力（垂直）方向１８に沿って隣り合う電極孔１０は、重力（垂直）方向１８を横切る方向（水平方向）１９に沿って相対的に横ズレした位置関係に設定することが好ましい。

図３には、重力（垂直）方向１８に沿って隣り合う電極孔１０が、互いに重なり合わないようにジグザグに配置された構成が示されている。かかる構成において、重力（垂直）方向１８に沿って隣り合う電極孔１０は、相手方の電極孔１０の占有領域を回避した位置関係、換言すると、相手方の電極孔１０の占有領域を外れた位置関係に設定されている。

これ以外に許容される位置関係として、図４（ｂ）に示すように、重力（垂直）方向１８に沿って隣り合う電極孔１０を、相手方の電極孔１０の占有領域に一部重なるように配置構成してもよい。換言すると、重力（垂直）方向１８に沿って隣り合う電極孔１０が、重力（垂直）方向１８に沿って互いに真っ直ぐに正対（対向）する配置構成（図４（ａ）参照）とならないように設定すればよい。要するに、重力（垂直）方向１８に沿って隣り合う電極孔１０において、一方の電極孔１０の真上或いは真下に他方の電極孔１０を整列させなければよい。

更に、複数の電極孔１０の大きさは、被電解水の水深に対応して異なる大きさに設定することが好ましい。被電解水の水深は、電解槽４（アノード室６、カソード室７）に収容された被電解水の水面からの垂直方向の距離を指す。この場合、複数の電極孔１０の大きさを、被電解水の水深が浅くなるに従って大きくなるように設定してもよい。例えば、複数の電極孔１０の大きさを、被電解水の水深が浅くなるに従って３％〜９％の割合で大きくなるように設定する。

具体的には、水深１ｍの電解槽４（アノード室６、カソード室７）であれば、複数の電極孔１０の大きさを、被電解水の水深が浅くなるに従って３％の割合で大きくなるように設定する。また、水深３ｍの電解槽４（アノード室６、カソード室７）であれば、複数の電極孔１０の大きさを、被電解水の水深が浅くなるに従って９％の割合で大きくなるように設定する。

「電極孔１０の形成方法について（図５、図６参照）」
（第１の形成方法）
電極本体９を用意する（図５（ａ））。例えば、孔形成用ポンチ２０によって、電極本体９に円筒形状の貫通孔２１を形成する（図５（ｂ））。貫通孔２１は、一対の平面９ａ,９ｂを横切るように電極本体９を貫通している。ここで、貫通孔２１が形成された電極本体９を、支持ベース２２にセットする。

続いて、整形用ポンチ２３を貫通孔２１に沿って打ち込む（図５（ｃ））。当該ポンチ２３は、その加工面２３ｓが円錐形状を有している。これにより、電極孔１０が形成されると同時に、１つのテーパ面１４（又は、テーパ面１５）によって構成された突起１１（図２（ｂ）,（ｃ））が形成される。この場合、ポンチ２３の加工面２３ｓの勾配を大きくすることで、突起１１を先鋭化させることができる。

（第２の形成方法）
電極本体９を用意する（図６（ａ））。例えば、孔形成用ポンチ２０によって、電極本体９に円筒形状の貫通孔２１を形成する（図６（ｂ））。貫通孔２１は、一対の平面９ａ,９ｂを横切るように電極本体９を貫通している。ここで、２つの整形用ポンチ２４,２５を用意する。

続いて、一方のポンチ２４を平面９ａから貫通孔２１に沿って打ち込むと共に、他方のポンチ２５を平面９ｂから貫通孔２１に沿って打ち込む（図６（ｃ））。当該ポンチ２４,２５は、その加工面２４ｓ,２５ｓが円錐形状を有している。これにより、電極孔１０が形成されると同時に、２つのテーパ面１２,１３によって構成された突起１１（図２（ａ））が形成される。この場合、ポンチ２４,２５の加工面２４ｓ,２５ｓの勾配を大きくすることで、突起１１を先鋭化させることができる。

「一実施形態の効果」
一実施形態によれば、被電解水に対する電気分解が行われている間、即ち、酸化反応及び還元反応が生じている際に、アノード室６及びカソード室７において発生した気泡（例えば、酸素ガス、水素ガス）は、重力（垂直）方向１８に沿ってジグザグに配置された複数の電極孔１０を通過する度に、当該電極孔１０の突起１１によって細分化される（例えば、図７（ｂ）参照）。

このとき、一塊の気泡（図示しない）は、突起１１によって、複数の破片１７ａ,１７ｂに細分化される。これに対して、突起無しの電極孔１０（例えば、図７（ａ）参照）に差し掛かった気泡１７は、その場に留まるか、或いは、細分化されること無く、例えば、小さな破片１７ａと大きな破片１７ｂに分断される。

これにより、突起有りの電極孔１０は、突起無しの電極孔１０の場合に比べて、気泡の解離効率を飛躍的に向上させることができる。この結果、被電解水の電解効率を飛躍的に向上させることができる。

更に、一実施形態によれば、突起１１を構成しているテーパ面１２,１３（例えば、図７（ｂ）参照）は、気泡を浮上方向に導くガイド面としての機能を有する。これにより、電極孔１０に入り込んだ気泡は、その全てが、テーパ面１２,１３に沿って浮上する。また、突起１１によって細分化された複数の破片１７ａ,１７ｂも、その全てが、テーパ面１２,１３に沿って浮上する。

これに対して、突起無しの電極孔１０（図７（ａ））の構成によれば、当該電極孔１０に差し掛かった気泡１７は、当該電極孔１０を通過できずに捕捉される公算が高い。これにより、突起有りの電極孔１０は、突起無しの電極孔１０の場合に比べて、被電解水の電解効率を飛躍的に向上させることができる。

１…電解装置、２…アノード（陽極）、３…カソード（陰極）、４…電解槽、
５…電源ユニット、８…セパレータ、９…電極本体、９ａ,９ｂ…平面、１０…電極孔、
１１…突起。

Claims (10)

1. 被電解水を電気分解するために用いられる電極であって、
   互いに平行に対向した一対の平面を有し、かつ、導電性を有する電極本体と、
   前記一対の平面を横切るように前記電極本体を貫通して開口するように形成された少なくとも１つの電極孔と、
   前記電極孔の内周の少なくとも一部に設けられている突起と、を備える電極。
2. 前記突起は、先細り形状を有している請求項１に記載の電極。
3. 前記突起は、前記電極孔の中心方向に向かって先細り状に傾斜していると共に、
   前記突起の傾斜角は、鋭角に設定されている請求項１又は２に記載の電極。
4. 前記突起は、前記電極孔の中心方向に向かって先細り状に傾斜したテーパ面を有し、
   前記突起の傾斜角は、前記一対の平面に沿って平行な方向と、前記テーパ面との間の角度によって規定されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の電極。
5. 前記電極孔が複数形成された前記電極を、重力方向に沿って位置付けた状態において、
   前記突起は、前記電極孔の内周のうち、少なくとも重力の作用方向に向かって正対する側に設けられている請求項１〜４のいずれか１項に記載の電極。
6. 前記電極孔が複数形成された前記電極を、重力方向に沿って位置付けた状態において、
   重力方向に沿って隣り合う前記電極孔は、重力方向を横切る方向に沿って相対的に横ズレした位置関係に設定されている請求項１〜５のいずれか１項に記載の電極。
7. 複数の前記電極孔の大きさは、被電解水の水深に対応して異なる大きさに設定されている請求項１〜６のいずれか１項に記載の電極。
8. 複数の前記電極孔の大きさは、被電解水の水深が浅くなるに従って大きくなるように設定されている請求項７に記載の電極。
9. 複数の前記電極孔の大きさは、被電解水の水深が浅くなるに従って３％〜９％の割合で大きくなるように設定されている請求項８に記載の電極。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の複数の前記電極と、
    前記電極と共に被電解水を収容可能な電解槽と、を有し、
    前記電解槽は、
    前記電極と被電解水との間で酸化反応を生じさせるアノード室と、
    前記電極と被電解水との間で還元反応を生じさせるカソード室と、を含み、
    酸化反応及び還元反応が生じている際に、前記アノード室及び前記カソード室において発生した気泡は、前記電極孔の前記突起によって細分化される電解装置。

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