JP2017056377A - 電解水生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電解特性の低下を抑制し、安定して電解水を生成できる電解水生成装置を提供する。【解決手段】実施形態によれば、電解水生成装置は、第１電極１８ａおよびこの第１電極に対向する第２電極１８ｂと、前記第１電極を収納する第１電極室１５ｂと、前記第２電極を収納する第２電極室１５ｃと、を有する電解槽１１と、給水源から第１電極室および第２電極室の少なくとも一方に、所定の水圧で水を送水する第１給水部２１と、第１給水部と水圧的に分離して設けられ、電解槽内で発生するガスの浮力により、第１電極室および第２電極室の少なくとも一方に水を送水する第２給水部２２と、を備えている。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、電解水生成装置に関する。

近年、水を電解して様々な機能を有する電解水、例えば、アルカリイオン水、オゾン水または次亜塩素酸水などを生成する電解水生成装置が提供されている。このような電解水生成装置は、１隔膜２室型の電解槽や、２隔膜３室型の電解槽を備えている。例えば、３室型の電解槽内は、陽イオン交換膜および陰イオン交換膜によって、中間室と、この中間室の両側に位置する陽極室および陰極室とに仕切られている。陽極室および陰極室には、陽極および陰極がそれぞれ設けられている。

電解水として、例えば、次亜塩素酸水を生成する場合、中間室に塩水を流し、陽極室および陰極室にそれぞれ水を流通する。中間室の塩水を陰極および陽極で電解することで、陽極で発生した塩素ガスから次亜塩素酸水を生成するとともに、陰極室で水酸化ナトリウム水を生成する。生成した次亜塩素酸水は殺菌消毒水として、水酸化ナトリウム水は洗浄水として活用される。

特許第３２８７６４９号公報 特許第３５００１７３号公報

上記のような電解水生成装置では、陰極室および陽極室は給水設備等の給水源に直接的に接続され、給水源の水圧により陰極室および陽極室へ送水する形態としている。この場合、給水源の圧力変動や、発生ガスによる電解槽内の圧力バランスの変動により、イオン交換膜と電極の間隔やイオン拡散係数が変動し、電解特性に悪影響を与える場合がある。

本実施形態の課題は、電解特性の低下を抑制し、安定して電解水を生成できる電解水生成装置を提供することにある。

実施形態によれば、電解水生成装置は、第１電極およびこの第１電極に対向する第２電極と、前記第１電極を収納する第１電極室と、前記第２電極を収納する第２電極室と、を有する電解槽と、給水源から前記第１電極室および第２電極室の少なくとも一方に、所定の水圧で水を送水する第１給水部と、前記第１給水部と水圧的に分離して設けられ、前記電解槽内で発生するガスの浮力により、前記第１電極室および第２電極室の少なくとも一方に水を送水する第２給水部と、を備えている。

図１は、第１の実施形態に係る電解水生成装置を概略的に示すブロック図。 図２は、陰極室内における送水状態を概略的に示す電解槽の断面図。 図３は、第２の実施形態に係る電解水生成装置を概略的に示すブロック図。

以下に、図面を参照しながら、種々の実施形態について説明する。なお、実施形態を通して共通の構成には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。また、各図は実施形態とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所があるが、これらは以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変更することができる。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る電解水生成装置全体の構成を概略的に示す図である。
電解水生成装置は、３室型の電解槽１１を備えている。電解槽１１は、例えば、偏平な矩形箱状に形成され、その内部は、陰イオン交換膜（第１隔膜）１６ａおよび陽イオン交換膜（第２隔膜）１６ｂにより、中間室１５ａと、中間室１５ａの両側に位置する陽極室（第１電極室）１５ｂおよび陰極室（第２電極室）１５ｃとに仕切られている。陽極室１５ｂ内に陽極（第１電極）１８ａが設けられ、陰イオン交換膜１６ａに対向している。陰極室１５ｃ内に陰極（第２電極）１８ｂが設けられ、陽イオン交換膜１６ｂに対向している。陽極１８ａおよび陰極１８ｂは、ほぼ等しい大きさの矩形板状に形成され、中間室１５ａを挟んで、互いに対向している。

電解水生成装置は、電解槽１１の中間室１５ａに電解液、例えば、ハロゲン元素を含む飽和塩水、を供給する電解液供給部１９と、陽極室１５ｂおよび陰極室１５ｃの少なくとも一方に、ここでは、陽極室１５ｂに、電解原水、例えば、水を供給する第１給水部２１と、陽極室１５ｂおよび陰極室１５ｃの少なくとも他方に、ここでは、陰極室１５ｃに、電解原水、例えば、水を供給する第２給水部２２と、陽極１８ａおよび陰極１８ｂに正電圧および負電圧をそれぞれ印加する電源２３と、電源２３を制御するコントローラ２８と、を備えている。

電解液供給部１９は、飽和塩水を生成する塩水タンク２５と、塩水タンク２５から中間室１５ａの下部に飽和塩水を導く供給配管１９ａと、供給配管１９ａ中に設けられた送液ポンプ２９と、中間室１５ａ内を流れた電解液を中間室１５ａの上部から塩水タンク２５に送る排水配管１９ｂと、を備えている。

第１給水部２１は、所定の水圧で水を供給する図示しない給水源（例えば、水道栓）から陽極室１５ｂの下部に水を導く第１給水配管２１ａと、陽極室１５ｂを流れた水を陽極室１５ｂの上部から排出する排水配管２１ｂと、給水配管２１ａから分岐し後述する貯水タンクに給水する第２給水配管２１ｃと、給水源と分岐部との間で第１給水配管２１ａに設けられた流量調整弁（絞り弁）３２ａと、第２給水配管２１ｃに設けられた流量調整弁（絞り弁）３２ｂと、を備えている。

第２給水部２２は、水を貯溜する貯水タンク３０と、貯水タンク３０から陰極室１５ｃの下部に水を導く第１給水配管２２ａと、陰極室１５ｃを流れた水を陰極室の上部から排水する第１排水配管２２ｂと、第１排水配管２２ｂに設けられた流量調整弁（絞り弁）３２ｃと、を備えている。貯水タンク３０は、鉛直方向において、電解槽１１よりも上に配置されている。貯水タンク３０は、陰極室１５ｃの容量に対して２〜２０倍の容量を有している。前述した第１給水部２１の第２給水配管２１ｃは、貯水タンク３０の下部に接続されている。また、第１排水配管２２ｂは、鉛直方向において、貯水タンク３０に貯溜された水の水面Ｓよりも上に位置する排水口２７を有している。

このように構成された第２給水部２２は、第１給水部２１に対して水圧的に分離して電解槽１１に接続されている。すなわち、第１給水部２１から供給する水の水圧が、第２給水部２２および陰極室１５ｃに作用しないように、第２給水部２２は第１給水部２１から水圧的に分離している。なお、貯水タンク３０に貯溜される水量は、貯水タンク３０の容量よりも少なく設定され、水面Ｓ上に空間が生じている。そのため、第１給水部２１の第２給水配管２１ｃから貯水タンク３０に給水する場合でも、給水の水圧が貯水タンク３０内の水に作用することはない。

上記のように構成された電解水生成装置により、塩水を電解して酸性水（次亜塩素酸および塩酸）とアルカリ性水（水酸化ナトリウム）を生成する動作について説明する。
図１に示すように、送液ポンプ２９を作動させ、塩水タンク２５から電解槽１１の中間室１５ａに塩水を供給して中間室１５ａを塩水で満たすとともに、第１給水部２１により陽極室１５ｂに所定の水圧で給水し陽極室１５ｂを水で満たす。また、第２給水部２２により、貯水タンク３０から陰極室１５ｃに給水し、陰極室１５ｃを水で満たす。同時に、電源２３から正電圧および負電圧を陽極１８ａおよび陰極１８ｂにそれぞれ印加する。

中間室１５ａ内の塩水中において電離している塩素イオンは、陽極１８ａに引き寄せられ、陰イオン交換膜１６ａを通過して、陽極室１５ｂへ流入する。そして、陽極１８ａにて塩素イオンが還元され塩素ガスが発生する。発生した塩素ガスは陽極室１５ｂ内で水と反応して次亜塩素酸水および塩酸、すなわち、ハロゲン化合物、を生成する。このようにして生成された酸性水（次亜塩素酸水および塩酸）は、陽極室１５ｂから排水配管２１ｂを通って貯溜タンク等に流出する。

また、中間室１５ａ内の塩水中において電離しているナトリウムイオンは、陰極１８ｂに引き寄せられ、陽イオン交換膜１６ｂを通過して、陰極室１５ｃへ流入する。そして、陰極室１５ｃにおいて、陰極１８ｂで水が電気分解されて水素イオンが生じ、この水素イオンが電子を受け取って水素ガスとなり、水と反応して水酸化ナトリウム水溶液が生成される。このようにして生成された水酸化ナトリウム水溶液および水素ガスは、陰極室１５ｃから第１排水配管２２ｂに流出し、第１排水配管２２ｂを通って排出される。

図２は、陰極室内における送水状態を概略的に示す電解槽の断面図である。陰極室１５ｃ内で陰極１８ｂにより生成された水素ガスは、図２に示すように、多数の気泡となり、陰極室１５内を下から上に浮上し、第１排水配管２２ｂに流入する。このような水素ガス（気泡）の浮力により、陰極室１５ｃ内の水に下から上に向かう対流が生じ、第１給水配管２２ａから陰極室１５ｃに水が送水され、更に、第１排水配管２２ｂを通して排水される。

なお、第１排水配管２２ｂの内径は、発生水素ガス量に応じて決められる。第１排水配管２２ｂの内径が細すぎると水素ガスの排出が追い付かず、陰極室１５ｃ内に水素ガスが溜まって充満してしまう。この場合、陰極室１５ｃ内の水がなくなり、電解ができなくなってしまう。一方、第１排水配管２２ｂの内径が太すぎると、水素ガスのみが排出されてしまい、水の送水、循環ができなくなってしまう。そのため、本実施形態では、第１排水配管２２ｂの内径の最適範囲は、４ｍｍから１２ｍｍとしている。

以上のように構成された電解水生成装置は、貯水タンク３０に貯溜した水を陰極室１５ｃで発生する水素ガスの浮力により陰極室１５ｃへ送水する第２給水部２２を備えている。第２給水部２２は、第１給水部２１から水圧的に分離して電解槽１１に接続されている。そのため、第２給水部２２は、第１給水部２１の給水源（給水設備）の圧力変動や陽極室１５ｂ内の水圧変動等の影響を受けることなく、電解に応じた安定した圧力環境で陰極室１５ｃに送水することができる。これにより、電解特性が長期にわたり安定化する。

なお、生成されたアルカリ性水を陰極室１５ｃから排出する第１排水配管２２ｂの排水口２７は、貯水タンク３０内の水面Ｓよりも高い位置に設置している。これは、貯水タンク３０の水頭圧により陰極水が垂れ流しになることを防止し、電解により生じたガスの浮力のみにより陰極水が送水制御されるようにするためである。

３室型の電解槽を用いた電解水生成装置では、陽極室で次亜塩素酸水を生成すると同時に陰極室で水酸化ナトリウム水を生成する。次亜塩素酸水に求められる有効塩素濃度は１０〜１００ｐｐｍ程度であり、仮に陽極室と陰極室に流す水を同量とした場合、陰極室で生成される水酸化ナトリウム水はｐＨ１１程度になる。水酸化ナトリウム水の洗浄力は、ｐＨ１２以上で急激に向上するため、上記ｐＨ１１では洗浄力が十分に発揮できない。また、このような薄い水酸化ナトリウム水を生成した場合、原水に含まれる硬度成分（カルシウムなど）の絶対量が多くなり、アルカリ性水中で炭酸カルシウム等として析出して配管目詰まりを生じる。これにより、電解水生成装置の寿命が短くなる。そのため、高価な軟水器を導入するなどの対処が必要となる。

これに対して、第１の実施形態に係る電解水生成装置では、上述したように、貯水タンク３０に貯溜した水を陰極室１５ｃで発生する水素ガスの浮力により陰極室１５ｃへ送水する構成としている。このような構成では、給水源（給水設備）の給水圧力に比べて、ガスの浮力による圧力が１〜３桁程度小さいため、流量調整弁３２ｃで調整可能な流量範囲が従来より１〜３桁小さい範囲で調整することができる。本実施形態では、陽極室１５ｂの流量を５Ｌ／分としたとき、陰極室１５ｃの流量を０．１Ｌ／分とし、５０ｐｐｍの次亜塩素酸水を生成すると同時にｐＨ１３の水酸化ナトリウム水を生成することができる。また、水酸化ナトリウム水を高濃度化するため、必要とする原水量が減り、硬度成分の絶対量も減ってスケールが極めて付きにくくなる。

このように、本実施形態によれば、電解槽１１内で生じるガスの浮力により電極室に送水するため、従来の給水設備の水圧（０．１〜０．３ＭＰａ）に比べて１〜３桁小さい圧力で送水することができる。補足的に、貯水タンク３０に貯溜された水の水頭圧など用いることもできるが、その適正流量範囲は０．００１〜１Ｌ／分であり、送水流量は非常に小さいものの電解槽内の圧力変動が小さく、装置の電解特性を長期に亘って安定化することができる。
また、従来の給水源（給水設備）から直接、電極室に給水する場合、給水源からの連続送水を前述したような小送水量に調整することが難しく、また、間欠的な送水とすると、ウォーターハンマーなど弁開閉にともなう衝撃圧力でイオン交換膜が破膜する可能性がある。従って、上述した小送水量は、給水源からの給水では対応しにくい範囲である。これに対して、本実施形態に係る電解水生成装置では、簡潔な構成により、上述した送水量で安定的に送水することができる。
以上のことから、第１の実施形態によれば、電解特性の低下を抑制し、安定して電解水を生成できる電解水生成装置を得ることができる。

なお、第１の実施形態では、陰極室１５ｃに対して発生する水素ガスの浮力による送水を行っているが、同様の送水原理を陽極室１５ｂに適用してもよい。陽極室では、発生した塩素ガスは水に溶解してガス（気泡）は生じ難いが、わずかに水分解が起こって酸素ガスを生成するため、この酸素ガスの浮力を利用した送水が可能である。

次に、他の実施形態に係る電解水生成装置について説明する。なお、以下に説明する他の実施形態において、前述した第１の実施形態と同一の部分には、同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略し、第１の実施形態と異なる部分を中心に詳しく説明する。

（第２の実施形態）
図３は、第２の実施形態に係る電解水生成装置を概略的に示すブロック図である。
本実施形態によれば、電解水生成装置の第２給水部２２は、水素ガスの浮力により排水された陰極水（アルカリ性水）を貯水タンク３０に戻し循環させる構成とし、適時、電磁弁３２ｄを開けて貯水タンク３０の陰極水を回収する構成としている。すなわち、第２給水部２２は、水を貯溜する貯水タンク３０と、貯水タンク３０から電解槽１１の陰極室１５ｃの下部に水を導く第１給水配管２２ａと、陰極室１５ｃを流れた水を貯水タンク３０へ導く第１排水配管２２ｂと、貯水タンク３０の水の一部を排水する第２排水配管２２ｃと、第２排水配管２２ｃに設けられた流量調整弁（絞り弁）３２ｄと、を備えている。第２給水部２２は、第１給水部２１に対し、水圧的に分離して電解槽１１に接続されている。

貯水タンク３０は、鉛直方向において、電解槽１１よりも上に配置されている。第１給水配管２２ａ、第２排水配管２２ｃ、および第１給水部２１の第２給水配管２１ｃは、貯水タンク３０の下部に接続されている。また、第１排水配管２２ｂは、貯水タンク３０において、水面Ｓ上の空間に連通するように、貯水タンク３０に接続されている。
第１排水配管２２ｂの内径は、陰極室１５ｃ内の発生水素ガス量に応じて決められ、本実施形態では、内径の最適範囲を４ｍｍから１２ｍｍとしている。

第２の実施形態において、電解水生成装置の他の構成は、前述した第１の実施形態と同一である。

上記のように構成された電解水生成装置では、電解により陰極室１５ｃ内で発生した水素ガスは気体であるため、気泡となって陰極室１５ｃの上部に浮上し、第１排水配管２２ｂに流れ出て貯水タンク３０に送られ、貯水タンク３０の上部において大気に放出される。同時に、陰極室１５ｃ内の陰極水も水素ガスの浮力により押し流され、第１排水配管２２ｂを通って貯水タンク３０の上部から貯水タンク３０内に排水される。陰極室１５ｃ内で不足した水量分の水は、貯水タンク３０の下部から第１給水配管２２ａを通して陰極室１５ｃの下部に流入する。この一連の流れにより、電解中は、常に陰極水が陰極室１５ｃおよび貯水タンク３０内を循環する。また、流量調整弁３２ｄを適時開放することにより、貯水タンク３０から第２排水配管２２ｃを通してアルカリ性水を排水、回収する。

貯水タンク３０の容量は、小さすぎると水酸化ナトリウム濃度が急激に大きくなってしまうため、陰極室１５ｃの容量の２倍以上とすることが望ましい。一方、貯水タンク３０の容量は、大きすぎると電解水生成装置全体の大きさが大きくなってしまうことから、陰極室１５ｃの容量の２０倍程度までにすることが望ましい。

貯水タンク３０の設置位置は、陰極室１５ｃで発生した水素ガスが排出される経路を確保する必要があることから、電解槽１１の上端より高い位置であることが望ましい。電解槽１１の上端から排出される水素ガスが上側に向いた第１排水配管２２ｂを通って貯水タンク３０に送られることで、電解槽１１から容易に水素ガスを抜くことができる。貯水タンク３０は水素ガスが流入するため、一部大気に開放されているか、あるいは、水素ガスを捕集して建屋外に排出する配管を備えていることが望ましい。

以上のように構成された第２の実施形態によれば、陰極室１５ｃで生成された陰極水（アルカリ性水）を貯水タンク３０に循環させることで、流量調整弁による流量制御を行わない場合でも、アルカリ性水をｐＨ１２を超えるレベルまで適時高濃度化して回収することができる。
陰極水を循環させる方法として、ポンプを用いて流す方法が一般的であるが、ポンプを設置すると、ポンプの圧力が電解槽に加わり、あるいは、装置構成が複雑になり製造コストも上昇する。これに対して、本実施形態では、水素ガスの浮力（上昇力）を利用して送水する構成としているため、すなわち、陰極１８ｂの反応で発生した水素ガスが陰極室内および第１排水配管２２ｂ内を流れることにより一定量の水を一緒に押し流す構成としているため、ポンプレスを実現することができる。

なお、第２の実施形態では、陰極水（アルカリ性水）の回収を流量調整弁３２ｄの開閉で行っているが、貯水タンクにオーバーフロー配管を設け、適時補給水を補給することで陰極水（アルカリ性水）を回収する構成としてもよい。

また、第２の実施形態では、陰極室１５ｃに対して発生する水素ガスの浮力による送水を行っているが、同様の送水原理を陽極室１５ｂに適用してもよい。陽極室では、発生した塩素ガスは水に溶解してガス（気泡）は生じ難いが、わずかに水分解が起こって酸素ガスを生成するため、この酸素ガスの浮力を利用した送水が可能である。

本発明は上述した実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
例えば、電解槽は３室型に限定されることなく、陽極室および陰極室を有するものであれば、２室型の構成としてもよい。電解液は塩水以外のものでもよく、生成する電解水も次亜塩素酸水以外の電解水としてもよい。第１隔膜および第２隔膜は、イオン交換膜に限らず、透水性を有する他の多孔質膜を用いてもよい。

１１…電解槽、１５ａ…中間室、１５ｂ…陽極室、１５ｃ…陰極室、
１６ａ…第１隔膜、１６ｂ…第２隔膜、１８ａ…陽極、１８ｂ…陰極、
１９…電解液供給部、２１…第１給水部、２２…第２給水部、
２２ａ…第１給水配管、２２ｂ…第１排水配管、２２ｃ…第２排水配管、２３…電源、
３０…貯水タンク、３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ…流量調整弁

Claims (13)

1. 第１電極およびこの第１電極に対向する第２電極と、前記第１電極を収納する第１電極室と、前記第２電極を収納する第２電極室と、を有する電解槽と、
   給水源から前記第１電極室および第２電極室の少なくとも一方に、所定の水圧で水を送水する第１給水部と、
   前記第１給水部と水圧的に分離して設けられ、前記電解槽内で発生するガスの浮力により、前記第１電極室および第２電極室の少なくとも一方に水を送水する第２給水部と、
   を備えた電解水生成装置。
2. 前記電解槽は、前記第１電極室と第２電極室との間に設けられ電解液を収容する中間室と、前記第１電極室と中間室との間を仕切る第１隔膜と、前記第２電極室と中間室との間を仕切る第２隔膜と、を有し、
   前記中間室に電解液を供給する電解液供給部を更に備えている請求項１に記載の電解水生成装置。
3. 前記第２給水部は、水を貯溜する貯水タンクと、前記貯水タンクから前記少なくとも一方の電極室に水を導く第１給水配管と、前記少なくも一方の電極室を流れた水を前記電極室から排水する第１排水配管と、を備えている請求項１又は２に記載の電解水生成装置。
4. 前記第１排水配管は、鉛直方向において、前記貯水タンク内の水の水面よりも上に位置する排水口を有している請求項３に記載の電解水生成装置。
5. 前記貯水タンクは、前記少なくとも一方の電極室の容量に対して２〜２０倍の容量を有している請求項３又は４に記載の電解水生成装置。
6. 前記第２給水部は、前記第１給水配管に設けられた流量調整弁を有する請求項３から５のいずれか１項に記載の電解水生成装置。
7. 前記第２給水部は、水を貯溜する貯水タンクと、前記貯水タンクから前記少なくとも一方の電極室に水を導く第１給水配管と、前記少なくも一方の電極室を流れた水を前記貯水タンクへ導く第１排水配管と、前記貯水タンクの水の一部を排水する第２排水配管と、を備えている請求項１又は２に記載の電解水生成装置。
8. 前記第２給水部は、前記第２排水配管に設けられた流量調整弁を有する請求項７に記載の電解水生成装置。
9. 前記第１排水配管は、内径が４〜１２ｍｍである請求項３から８のいずれか１項に記載の電解水生成装置。
10. 前記第１電極は陽極、前記第２電極は陰極であり、
    前記第２給水部は、前記陰極を収納した第２電極室に接続されている請求項１から９のいずれか１項に記載の電解水生成装置。
11. 前記第１給水部は、前記給水源から前記貯水タンクへ給水する第２給水配管と、前記第２給水配管に設けられた流量調整弁と、を有している請求項３から９のいずれか１項に記載の電解水生成装置。
12. 前記電解槽における電解は、塩類を電解してハロゲン化合物と水酸化物を含む水を生成する電解であり、前記発生するガスは、水素ガス、酸素ガス、塩素ガスのいずれか１つを含んでいる請求項１〜１１のいずれか１項に記載の電解水生成装置。
13. 前記電解槽における電解は、水を電解して酸性水とアルカリ性水を生成する電解であり、前記発生するガスは、水素ガス、酸素ガスのいずれかを含んでいる請求項１〜１１のいずれか１項に記載の電解水生成装置。

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