JP2017170298A - 電解水生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被電解水の流れを制御して、電解水生成装置の生産性を向上する。【解決手段】本実施形態に係る電解水生成装置は、電解質を含んだ水を電気分解することで、少なくとも次亜塩素酸を含有する酸性水を生成する電解水生成装置であって、イオンを透過する膜と、膜によって区画される電極室と、電極室に、膜の一側の面に沿って配置され、膜に通じる開口が形成される電極と、電極に面し、電極に沿って被電解水を流すための流路と、流路の内部で、流路に交差する方向へ突出する複数の突出部と、を備える。【選択図】図４

Description

本発明は、電解水生成装置に関する。

塩化ナトリウムなどの電解質を添加した水に通電すると、陽極側に酸性水が生成され、陰極側にアルカリ性水が生成される。陽極側に生成される酸性水は、次亜塩素酸を含み殺菌作用を有している。このため、酸性水は、消毒や殺菌に使用される。また、近年では、脱臭手段としての利用が検討されている。

一方、陰極側に生成されるアルカリ性水は、水酸化ナトリウムを含んでいる。アルカリ性水は、水酸化ナトリウムの濃度が高い場合には、脱脂作用を発揮する。このため、アルカリ性水は、業務用の食器洗浄機や洗濯機などで利用される。また、低濃度のアルカリ性水は、健康維持に効果があることが認められており、家庭用の電解水生成装置も販売されるに至っている。

電解水生成装置において、投入された電力のすべてが次亜塩素酸の生成に費やされるとすれば、所望の濃度の次亜塩素酸を得るために必要な電力を理論上演算することができる。しかしながら、実際には、次亜塩素酸などが生成される反応と同時に、陽極室の原水に含まれる水酸イオンＯＨ⁻から酸素が生成される反応が、競争反応として生じる。この競争反応が生じると、投入電力の一部が競争反応に費やされる。このため、電解水生成装置では、所望の濃度の次亜塩素酸を得るために、理論上の電力以上の電力が必要になる。

上記競争反応の割合が増加すると、電解水生成装置での消費電力が増加し、省エネに反するとともに装置のランニングコストも増加する。また、電解水生成装置に大型の電源が必要になる。電源は、電解水生成装置の原価において大きな比重を占めている。このため電解水生成装置の製造コストが増加する。更には、電解槽での電流が大きくなるため電解槽が大型化し、それに伴いポンプ等の補機類の大型化も招く。その結果、装置が大型化するとともに、その製造コストが増大する。

そこで、競争反応を抑制し、所望の反応を促進するための技術が種々提案されている。しかしながら、従来の技術では、所望の反応を促進させることはできても、その程度は限定的である。また、多量の液体を処理することが困難であり、電解水生成装置の生産性が損なわれることが考えられる。

特開２００６−１２４７５０号公報

本発明は、上述の事情の下になされたもので、電解槽での液体の流れを制御して、電解水生成装置の生産性を向上することを課題とする。

上記課題を解決するため、本実施形態に係る電解水生成装置は、電解質を含んだ水を電気分解することで、少なくとも次亜塩素酸を含有する酸性水を生成する電解水生成装置であって、イオンを透過する膜と、膜によって区画される電極室と、電極室に、膜の一側の面に沿って配置され、膜に通じる開口が形成される電極と、電極に面し、電極に沿って被電解水を流すための流路と、流路の内部で、流路に交差する方向へ突出する複数の突出部と、を備える。

本実施形態に係る電解水生成装置の概略構成を示す図である。 電解槽の斜視図である。 電解槽の展開斜視図である。 ユニットの展開斜視図である。 ユニットのＹＺ断面を示す図である。 ベースの平面図である。 従来型電解水生成装置のユニットを構成するベースの斜視図である。 シミュレーションによって算出された塩素イオンの濃度分布を示す図である。 シミュレーションによって算出された次亜塩素酸の濃度分布を示す図である。 シミュレーション結果を説明するための図である。 シミュレーション結果を説明するための図である。 電極の斜視図である。 電極の斜視図である。 図１２に係る電極のＡＡ断面を示す図である 図１３に係る電極のＢＢ断面を示す図である 比較例に係る電解水生成装置を説明するための図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。実施形態の説明にあたっては、相互に直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる直交座標系を適宜用いる。

《装置構成》
図１は、本実施形態に係る電解水生成装置１０の概略構成を示す図である。電解水生成装置１０は、塩水を電気分解することにより、酸性の次亜塩素酸を含む酸性水と、アルカリ性の水酸化ナトリウムを含むアルカリ性水と、を生成する装置である。

図１に示されるように、電解水生成装置１０は、電解槽１１、塩水タンク１２、循環ポンプ３１、圧力調整バルブ３２、直流電源３３を備えている。

電解槽１１は、樹脂などからなる容体である。電解槽１１の内部は、１組の隔膜２１，２２によって、中間室Ｓ１，陽極室Ｓ２，陰極室Ｓ３に区分されている。隔膜２１は、例えば塩素イオンＣｌ⁻などの陰イオンを通過させる性質を有する陰イオン交換膜である。また、隔膜２２は、例えばナトリウムイオンＮａ^＋などの陽イオンを通過させる性質を有する陽イオン交換膜である。

陰イオン交換膜としては、アストム社のネオセプタ（登録商標）、ＡＧＣエンジニアリング社のセレミオン（登録商標）などを用いることができる。陽イオン交換膜としては、例えば、イーアイデュポン社のＮＡＦＩＯＮ（登録商標）１１２，１１５，１１７や、旭硝子株式会社のフレミオン（登録商標）、旭化成株式会社のＡＣＩＰＬＥＸ（登録商標）などを用いることができる。

また、隔膜２１，２２の双方、或いは一方に、多孔質膜を用いることもできる。多孔質膜としては、ポリオレフィンやフッ素化合物のような化学的に安定な有機高分子材料薄膜に、微多孔を形成して得られる有機微多孔膜や、無機酸化物多孔質膜などを用いることができる。無機酸化物としては種々のものを用いることができる。例えば、酸化チタン、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化ニッケルを用いることができる。特に、酸化チタン、酸化ケイ素、酸化アルミニウムを用いることが好ましい。その他の多孔質膜としては、塩素、フッ素系のハロゲン化高分子を有する多孔質ポリマー等を用いることもできる。

中間室Ｓ１は、２つの隔膜２１，２２によって挟まれる空間である。中間室Ｓ１は、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）を電解質とする水が充填される。中間室Ｓ１は、電解槽１１に設けられる給水口１１１と排水口１１２を介して、外部空間と通じている。

陽極室Ｓ２は、隔膜２１を介して、中間室Ｓ１に隣接する空間である。陽極室Ｓ２には、酸性水を生成するための電極２３が配置される。陽極室Ｓ２は、電解槽１１に設けられる給水口１１３と排水口１１４を介して、外部空間と通じている。

また、陰極室Ｓ３は、隔膜２２を介して、中間室Ｓ１に隣接する空間である。陰極室Ｓ３は、アルカリ性水を生成するための電極２４が配置される。陰極室Ｓ３は、電解槽１１に設けられる給水口１１５と排水口１１６を介して、外部空間と通じている。

陽極となる電極２３は、例えば、チタン（Ｔｉ）、ステンレス鋼（ＳＵＳ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、或いはこれらの合金からなる。電極２３は、例えば、長方形板状に整形され、複数の貫通孔が形成されるパンチングメタルから構成される。

貫通孔は、開口径が一定のストレート孔である。なお、電極２３の貫通孔は、一側の面と他側の面とで径が異なるテーパー形状に整形されていてもよく、内壁面が曲面になるように整形されていてもよい。貫通孔の形状は、矩形、円形、楕円形など、任意の形状とすることができる。貫通孔は、マトリクス状、或いはハニカム状に規則的に配列されていてもよく、不規則に配列されていてもよい。

電解反応を効率よく促進させる観点から、電極２３の表面には、例えば、白金（Ｐｔ）などの貴金属触媒や、酸化イリジウムなどの酸化物触媒が添着されている。

陰極となる電極２４も、電極２３と同様に構成されている。陰極となる電極２４では、触媒を添着させることなく、チタンやステンレス鋼などの耐食性を有する金属を、そのまま用いることもできる。電極２４には、貴金属触媒として白金を用いてもよい。

陽極室Ｓ２、及び陰極室Ｓ３には、給水口１１３，１１５から、原水が供給される。原水としては、例えば、水道水、井戸水等を用いることができる。陽極室Ｓ２，及び陰極室Ｓ３に供給される原水は、炭酸カルシウムを主成分とするスケールの堆積を防止する観点から、アルカリ成分が低減された軟水を用いることが好ましい。この種の軟水は、例えば、イオン交換樹脂を利用した軟水器を用いることで、生成することができる。

塩水タンク１２は、塩水を貯留するタンクである。塩水タンク１２には、電解槽１１との間で塩水を循環させるための流出口１２１と流入口１２２が設けられている。

塩水としては、例えば、水（Ｈ_２Ｏ）に、電解質として塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）を加えることにより生成される塩水、或いは、水に、塩素を含む塩化カリウム（ＫＣｌ）などの塩を加えることにより生成される塩水が用いられる。塩水の濃度は特に制限されるものではないが、電解時の安定性を考慮すると、ある程度濃度が高い方が好ましい。塩水として飽和塩化ナトリウムを用いることで、塩水の濃度を一定に維持することが容易になる。

圧力調整バルブ３２は、中間室Ｓ１の排水口１１２と塩水タンク１２の流入口１２２とにわたって敷設される管路に設けられている。

循環ポンプ３１は、塩水タンク１２の流出口１２１と中間室Ｓ１の給水口１１１にわたって敷設される管路に設けられている。循環ポンプ３１は、塩水タンク１２の塩水を、電解槽１１の中間室Ｓ１に供給する。これにより、塩水が、電解槽１１の中間室Ｓ１と塩水タンク１２の間を循環する。圧力調整バルブ３２によって、中間室Ｓ１と塩水タンク１２の間を循環する塩水の流量が調整される。

直流電源３３は、電極２３と電極２４に電圧を印加する。電解水生成装置１０では、電極２３が陽極で、電極２４が陰極になるように、それぞれの電極２３，２４に電圧が印加される。

図２は、電解槽１１の斜視図である。また、図３は、電解槽１１の展開斜視図である。図２及び図３に示されるように、本実施形態に係る電解槽１１は、３つのユニットＵ１，Ｕ２，Ｕ３から構成される。

図３に示されるように、ユニットＵ１は、例えば樹脂からなる矩形枠状の部材であり、内部空間は中間室Ｓ１となる。ユニットＵ１の＋Ｘ側の面には内部空間に通じる給水口１１１が設けられ、−Ｘ側の面には内部空間に通じる排水口１１２が設けられている。給水口１１１と排水口１１２を介して、塩水がユニットＵ１の内部空間を循環する。

なお、ユニットＵ１の内部空間には、例えば塩水を保持する多孔体などを配置してもよい。また、ユニットＵ１の内部空間に、蛇行する流路や、複数に分岐する流路などを形成してもよい。

図４は、ユニットＵ２の展開斜視図である。図４に示されるように、ユニットＵ２は、ベース５０、電極２３、不織布４１、隔膜２１を備えている。

ベース５０は、上方（＋Ｚ側）が開口した容体である。ベース５０の内部空間は陽極室Ｓ２となる。図５は、ユニットＵ２のＹＺ断面を示す図である。また、図６は、ベース５０の平面図である。図５及び図６に示されるように、ベース５０に設けられた内部空間のＹ軸方向両端側には、Ｘ軸方向を長手方向とする流路５２Ａ，５２Ｂが設けられている。流路５２Ａ，５２Ｂは、ＹＺ断面がＵ字状に整形され、被電解水が通水されたときの圧損を低下させる観点から表面が平滑に仕上げられている。図６に示されるように、ベース５０の＋Ｘ側の面に設けられた給水口１１３は、流路５２Ａに通じている。また、排水口１１４は、流路５２Ｂに通じている。

図４及び図６に示されるように、流路５２Ａ，５２Ｂの間には、６つの流路壁５３が設けられている。流路壁５３は、長手方向をＹ軸方向とする長方形に整形され、Ｘ軸方向へ等間隔に配置されている。流路壁５３によって、流路５２Ａ，５２Ｂの間の空間が７つの小空間に区分される。各小空間は、塩水をＹ軸方向へ流す流路Ｐ１〜Ｐ７として機能する。流路Ｐ１〜Ｐ７を流れる被電解水の圧損を低下させる観点から、流路壁５３やベース５０の低壁面は平滑に仕上げられている。

図４及び図６に示されるように、流路Ｐ１〜Ｐ７それぞれには、Ｙ軸に沿って５つの突出部５４が等間隔に設けられている。突出部５４は、例えば長手方向をＸ軸方向とする長方形状に整形され、下面（−Ｚ側端）がベース５０の底壁面に固定され、側面の一方が流路壁５３に固定されている。突出部５４の高さ（Ｚ軸方向の寸法）は、流路壁５３の高さの約７０％程度になっている。また、突出部５４のＸＺ断面の面積は、流路Ｐ１〜Ｐ７のＸＺ断面の面積の３０％以上で８０％以下である。

各流路Ｐ１〜Ｐ７の突出部５４は、隣接する突出部５４同士がＸ軸方向へオフセットした状態で配置されている。このため、流路Ｐ１〜Ｐ７を流れる被電解水は、図６の矢印に示されるように、流路Ｐ１〜Ｐ７をジグザグに流れる。また、突出部５４は、流路壁５３よりも低くなるように設けられている。このため、図５の矢印に示されるように、流路Ｐ１〜Ｐ７を流れる被電解水の一部は、突出部５４の上方（＋Ｚ側）を流れる。

図４に示されるように、ベース５０の上面側には、内部空間に沿った段部５１が形成されている。図５に示されるように、段部５１と流路壁５３の上面は同一平面内に位置する。電極２３，不織布４１，隔膜２１は、段部５１の上面と流路壁５３の上面によって支持される。

電極２３は、チタンを素材とする。図４に示されるように、電極２３には、マトリクス状に配置される複数の円形の開口２３ａが形成されている。開口２３ａの直径は約３ｍｍである。電極２３の表面には、酸化イリジウムなどの酸化物触媒が添着されている。

不織布４１は、例えばガラス繊維、アラミド繊維、ポリオレフィン繊維などを素材とする不織布である。不織布４１としては、例えば厚さが約１００μｍ程度のものを用いる。

隔膜２１としては、例えばユアサメンブレンシステム社製の品番がＹ−９２１１Ｔである多孔質膜を用いる。

電極２３，不織布４１，隔膜２１は、ベース５０の段部５１とＸ軸方向及びＹ軸方向の寸法が等しくなるように整形されている。図５に示されるように、電極２３，不織布４１，隔膜２１は、順番にベース５０の段部５１及び流路壁５３の上面に配置される。これにより、ベース５０と隔膜２１によって区画される陽極室Ｓ２が規定される。また、突出部５４と電極２３の間にはクリアランスが形成される。

ユニットＵ２では、図６に示されるように、給水口１１３から供給される被電解水は、流路５２Ａを介して、各流路Ｐ１〜Ｐ７に至る。被電解水は、流路Ｐ１〜Ｐ７を蛇行しながら流れた後、流路５２Ｂを介して排水口１１４に至り外部へ排出される。

図３に戻り、ユニットＵ３も、ユニットＵ２と同等の構成を有している。ユニットＵ３に用いられる電極２４の表面には、例えば白金が貴金属触媒として添着されている。

上述のように構成されるユニットＵ１，Ｕ２，Ｕ３は、ユニットＵ１に対してユニットＵ２，Ｕ３がネジなどによって固定されることで一体化される。これにより、図２に示される電解槽１１が組み立てられる。

《装置動作》
次に、上述のように構成される電解水生成装置１０の動作について説明する。電解水生成装置１０では、循環ポンプ３１が運転されると、塩水タンク１２の塩水が、電解槽１１の中間室Ｓ１に供給される。そして、中間室Ｓ１に塩水が一定量蓄えられると、中間室Ｓ１からの塩水が、圧力調整バルブ３２を介して、塩水タンク１２に戻る。これにより、中間室Ｓ１と塩水タンク１２との間で塩水が循環し、中間室Ｓ１に一定濃度の塩水が蓄えられた状態になる。また、陽極室Ｓ２及び陰極室Ｓ３には、所定の流量で原水が供給される。

陽極室Ｓ２及び陰極室Ｓ３に原水が供給されると、直流電源３３によって、電極２３，２４に電圧が印加される。これにより、電極２３と電極２４の間にある中間室Ｓ１から、塩水中の塩素イオンＣｌ⁻が、隔膜２１を通過して、陽極室Ｓ２へ移動する。陽極室Ｓ２へ移動した、塩素イオンＣｌ⁻は酸化されるとともに、陽極室Ｓ２の水（Ｈ_２０）と反応する。これにより、次式（１）に示されるように、陽極室Ｓ２では、次亜塩素酸と塩酸を含有し、酸性を呈する酸性水が生成される。

２Ｃｌ⁻＋Ｈ_２０→ＨＣｌＯ＋ＨＣｌ＋２ｅ⁻ …（１）

中間室Ｓ１からは、ナトリウムイオンＮａ^＋が、隔膜２２を通過して、陰極室Ｓ３へ移動する。陰極室Ｓ３へ移動したナトリウムイオンＮａ^＋は、陰極室Ｓ３の水酸イオンＯＨ⁻と反応する。これにより、水酸化ナトリウムが生成される。また、陰極室Ｓ３では、水酸イオンＯＨ⁻の対イオンである水素イオンＨ^＋が還元されて水素ガスが生成される。次式（２）に示されるように、陰極室Ｓ３では、水酸化ナトリウムを含有し、アルカリ性を呈するアルカリ性水と、水素ガスが生成される。

２Ｎａ^＋＋２ｅ⁻＋２Ｈ_２０→２ＮａＯＨ＋Ｈ_２ …（２）

陽極室Ｓ２に生成される酸性水は、陽極室Ｓ２に通じる排水口１１４から回収される。また、陰極室Ｓ３に生成されるアルカリ性水は、陰極室Ｓ３に通じる排水口１１６から回収される。

一般に電解水生成装置の陽極室では、上記式（１）で示される反応の他に、次式（３）で示される競争反応が起こる。このため、電解槽に供給される電流のうちの一部は、式（３）に示される酸素の発生に費やされ、次亜塩素酸の生成に利用される電流の割合が減ってしまう。この場合には、電解水生成装置での電流効率が低下し、結果的に酸性水の生産性が低下してしまう。

４ＯＨ⁻→２Ｈ_２Ｏ＋Ｏ_２＋４ｅ⁻ …（３）

しかしながら、本実施形態に係る電解水生成装置１０では、式（３）に示される競争反応が抑制されるため、電流効率が低下することがなく、結果的に酸性水の生産性を向上させることができる。以下、本実施形態に係る電解水生成装置１０での効果について説明する。

本願発明者らは、電解時に電流効率が低下する原因を解明するため、シミュレーションを用いながら、従来の電解水生成装置を構成する電解槽の電極近傍の挙動の解析を実施した。

図７は、従来型電解水生成装置のユニットＵ２，Ｕ３を構成するベース５００の斜視図である。図４及び図７を参照するとわかるように、従来型電解水生成装置は、ユニットＵ２，Ｕ３を構成するベース５００において、流路壁５３によって規定される流路Ｐ１〜Ｐ７に突出部５４が存在しない点で、電解水生成装置１０と相違している。

解析時には、従来型電解水生成装置を運転して、中間室Ｓ１に飽和食塩水を供給するとともに、陽極室Ｓ２と陰極室Ｓ３に原水を供給して、電極２３，２４に通電した。この状態で、陽極室Ｓ２で生成される次亜塩素酸の量を測定した。従来型電解水生成装置によって生成された酸性水の次亜塩素酸濃度に基づいて、電流効率を算出した。その結果、電流効率は６６％であった。

また、シミュレーションにより、塩素イオン及び次亜塩素酸の濃度分布を算出した。図８は、シミュレーションによって算出された塩素イオンの電極近傍での濃度分布を示す図である。図８では、着色された領域が、塩素イオンが分布する領域を示す。

図８に示されるように隔膜２１を通過する塩素イオンＣｌ⁻は、不織布４１を通過して、陽極として機能する電極２３に到達するが、電極２３によりそれ以上の進行を阻まれるため、その近傍に滞留する。このため、図８に示されるように、塩素イオンの濃度は、電極２３と不織布４１の境界で最も高くなった。

また、不織布４１を通過した塩素イオンのうち、電極２３の開口２３ａに到達した塩素イオンは、電極２３の内部の原水中に拡散する。そして、電極２３の表面に沿って流れる原水とともに、開口２３ａから排出される。その結果、電極２３の開口２３ａの内壁面では、不織布４１から離れるにつれて、塩素イオンの濃度が低くなっていく。そのため、電極２３の内壁面から一定以上離れたところや、電極２３の下面側（−Ｚ側）での電極近傍の塩素イオンの濃度は、ほぼ零になった。

図９は、シミュレーションによって算出された次亜塩素酸の電極近傍での濃度分布を示す図である。図９では、着色された領域が、次亜塩素酸が分布する領域を示す。図９に示されるように、次亜塩素酸の濃度も、塩素イオンとほぼ同等の分布となった。

陽極室Ｓ２での、次亜塩素酸の生成反応式は次式（ａ）〜（ｃ）で示される。
２Ｃｌ⁻⇒Ｃｌ_２＋２ｅ⁻ …（ａ）
Ｃｌ_２＋Ｈ_２Ｏ⇔ＨＣｌＯ＋ＨＣｌ …（ｂ）
４ＯＨ⁻⇒２Ｈ_２Ｏ＋Ｏ_２＋４ｅ⁻ …（ｃ）

電極２３と不織布４１の境界では、塩素イオンの濃度が高い。このため、境界付近では、式（ａ）に示される反応が主反応となる。そして、式（ａ）に示される反応により生成された塩素が、式（ｂ）に示される反応によって、次亜塩素酸と塩酸を生成する。

上記式（ａ）〜（ｃ）のうち式（ａ）と式（ｃ）が電気化学反応を示す。電極２３の電位が同一の場合、式（ａ）に示される反応の速度と、式（ｃ）に示される反応の速度は、電極（ないしは電極上の触媒）の種類に依存する過電圧と、電極２３周辺のイオン濃度と、に大きく依存する。電解水生成装置の陽極用触媒として多用される酸化イリジウムは、酸素発生過電圧に対して塩素発生の過電圧が低い。このため、塩素イオンの濃度と水酸イオンの濃度とが同じであれば、式（ａ）に示される塩素を発生させる反応が主反応となる。しかしながら、上面がイオン交換膜に対向する電極２３の下面側では塩素イオン濃度がほぼ零であると推測される。そのため、電極２３の下面側では式（ｃ）に示される反応が主反応となってしまう。その結果、電解槽に供給される電流の一部が酸素の発生に費やされ、結果的に、電解水生成装置１０での電流効率が低下することになる。

また、式（ｂ）で示される塩素が次亜塩素酸と塩酸を生成させる反応は、化学平衡反応である。このため、右辺にある次亜塩素酸や塩酸の濃度が高くなると、式（ｂ）に示される反応が抑制される。したがって、電極２３と不織布４１の境界で、式（ａ）に示される反応が起きても、境界付近で生成した次亜塩素酸が滞留することによって、次亜塩素酸の濃度が高くなり、式（ｂ）に示される反応が抑制されることが考え得る。また、式（ｂ）で示される反応は、水を消費する反応である。そのため、水が極端に少なくなると、次亜塩素酸の生成が抑制される。以上のような場合には、次亜塩素酸の生成が滞り、結果的に電解水生成装置の生産性が低下してしまう。

電極近傍の塩素イオンや次亜塩素酸の濃度は、電極２３の下面側を流れる原水の影響を受ける。そこで、電極２３の下面側を流れる原水の水流について、シミュレーションを行った。図１０は、当該シミュレーション結果に基づいた図である。本実施形態他に係る電解水生成装置１０とは異なり、従来型電解水生成装置のように流路Ｐ１〜Ｐ７に突出部５４が存在しない場合には、流路Ｐ１〜Ｐ７を流れる原水は、矢印に示されるような層流となり、電極２３の開口２３ａに流れこむ成分がほとんど発生しない。

そのため、電極２３と不織布４１の境界やその近傍の塩素イオン及び次亜塩素酸は、原水の影響を受けることがない。したがって、図８，及び図９に示されるように、塩素イオン、及び次亜塩素酸は、電極２３と不織布４１の境界やその近傍に滞留することとなる。

上述したように、生産効率が低下する要因は、以下の２つであるといえる。
１）電極２３の下面側で塩素イオンの濃度が低くなってしまい、電極２３の下面側では式（ｃ）に示される反応が主反応となってしまうこと。
２）電極２３と不織布４１の境界付近で生成した次亜塩素酸が滞留して、次亜塩素酸の濃度が高くなると、式（ｂ）に示される反応が抑制されること。

上記２つの要因は、流路Ｐ１〜Ｐ７を流れる原水に、電極２３の開口２３ａに流れこむ成分がほとんどなく、塩素イオン及び次亜塩素酸が一定の領域に滞留するために生じるものであるといえる。従来型電解水生成装置では、上記要因によって、電流効率が６６％程度に留まったものと考えられる。

以上の考察から、電解水生成装置の生産性を向上させるためには、以下の条件が必要になるということがわかる。
Ａ）電極２３の下面側に塩素イオンを導いて、電極２３の下面側での式（ａ）に示される反応を促進し、競争反応である式（ｃ）に示される反応を抑制する。
Ｂ）電極２３と不織布４１の境界付近に滞留する次亜塩素酸を速やかに拡散させ、式（ｂ）に示される平衡反応を促進する。

発明者等は、流路Ｐ１〜Ｐ７を流れる原水を電極２３の開口２３ａに導くことで、上記Ａ），Ｂ）の条件を満たすことができることを見いだした。例えば、原水を電極２３の開口２３ａに導くと、電極２３の上面や開口２３ａの内壁面の塩素イオンが、原水の流れに沿って電極２３の下面側に移動する。また、電極２３の上面や開口２３ａの内壁面の次亜塩素酸は、原水の流れによって排出される。このため、上記Ａ），Ｂ）の条件が満たされる。

そこで、本実施形態に係る電解水生成装置１０では、例えば図４乃至図６に示されるように、原水の流路Ｐ１〜Ｐ７に、流路と直交する方向に突出する複数の突出部５４が設けられている。発明者等は、電解水生成装置１０における電極２３の下面側を流れる原水の水流について、シミュレーションを行った。シミュレーションでは、突出部５４の幅（Ｘ軸方向の寸法）を、流路Ｐ１〜Ｐ７の幅の半分とした。また、突出部５４の高さ（Ｚ軸方向の寸法）を、流路Ｐ１〜Ｐ７の高さの７０％とした。

図１１は、当該シミュレーション結果に基づいた図である。図１１に示されるように、電解水生成装置１０では、突出部５４にぶつかった原水が流れを乱される結果、突出部５４の上方（＋Ｚ側）で、原水の一部が電極２３の開口２３ａに流れ込む。これにより、電極２３の下面側に塩素イオンが導かれ、電極２３の下面側で式（ａ）に示される反応が促進される（条件Ａ）。また、電極２３と不織布４１の境界付近で滞留する次亜塩素酸が速やかに発散され、式（ｂ）に示される反応が促進される（条件Ｂ）。したがって、本実施形態に係る電解水生成装置１０では、電解槽１１での電流効率が向上し、結果として、電解水生成装置の生産性が向上する。

なお、電解水生成装置１０では、突出部５４が電極２３に触れることはないが、突出部５４と流路壁５３とを同じ高さにして、突出部５４を電極２３に接触させると、突出部５４の近傍で原水の滞留がおこることがシミュレーションから明らかになっている。電解水生成装置１０では、突出部５４と電極２３との間にクリアランスが形成されている。このため、突出部５４の近傍での原水の滞留が抑制される。

原水の水流を変えることで、電流効率が改善するメカニズムを実験的に確認することは非常に困難であるが、シミュレーションの結果に他の実験等の結果を照らし合わせることで、以下のようなメカニズムが解明された。なお、電極の第１面は隔膜に対向する電極の上面であり、第２面は第１面とは反対側の電極の下面である。
（１）電極の開口の中に流れ込んだ原水の水流が隔膜を介して開口に浸透してきた塩素イオンを溶解させる。
（２）塩素イオンを溶解した原水が電極の開口から、電極の第２面側へ流れ出す。
（３）電極の第２面側へ流れ出した原水中の塩素イオンが電極の第２面側の塩素イオン濃度を増加させる。
（４）電極の第２面側の塩素イオン濃度が増加したことにより、従来は酸素発生が主反応であった電極の第２面側で塩素生成反応が進行する。
（５）電極の第２面側で生成した塩素が原水と反応し次亜塩素酸を生成する。
（６）電極の開口の中に流れ込んだ原水の水流が電極の第１面近傍の次亜塩素酸を電極近傍から流し出す。
（７）電極の第１面近傍の次亜塩素酸が流しだされたことにより、電極の第１面近傍の次亜塩素酸濃度が低下し、次亜塩素酸を生成する平衡反応が進行する。

上記（１）〜（５）のメカニズムによって電極の第２面側での酸素の発生を抑制するとともに、（６）、（７）のメカニズムで電極の第１面側での次亜塩素酸の生成を円滑にすることができる。これらの相乗効果により、電解時の電流効率が改善する。

次に、本実施形態の効果を示す実施例について説明する。

《実施例１》
図１に示される電解水生成装置１０を用意した。そして、流路Ｐ１〜Ｐ７の幅（Ｘ軸方向の寸法）を１０ｍｍ、深さ（Ｚ軸方向の寸法）を６ｍｍとした。また、突出部５４の幅を５ｍｍ、高さを４．２ｍｍとした。電極２３としては、酸化インジウムを担持したチタン製のパンチドメタルを用いた。電極２３の開口２３ａの直径は３ｍｍとした。隔膜２１としては、ユアサメンブレンシステム社製の品番がＹ−９２１１Ｔである多孔質膜を用いた。不織布４１としては厚さ１００μｍのポリオレフィン製のものを用いた。

次に、電解水生成装置１０を運転して次亜塩素酸の量を測定した。その結果、生成した次亜塩素酸の量に基づいて算出された電流効率は９３％であった。

《比較例１》
図７に示されるように、流路Ｐ１〜Ｐ７に突出部５４が形成されていないベース５００を備える電解水生成装置を用意した。比較例１に係る電解水生成装置は、流路Ｐ１〜Ｐ７に突出部がない点を除き、流路Ｐ１〜Ｐ７の幅、電極２３、隔膜や不織布の仕様などは、実施例１に係る電解水生成装置と同等である。

この電解水生成装置を運転して次亜塩素酸の量を測定し、生成した次亜塩素酸の量に基づいて電流効率を算出した。本電解水生成装置では、電流効率が６６％であった。

《比較例２》
上記実施例１、比較例１においては、電極２３として直径３ｍｍの丸穴を多数形成したパンチングメタルを用いた。電極２３としては、エッチング技術により複雑な開口が形成された電極を用いることができる。エッチング技術により開口を形成することで、陽極近傍の塩素イオンの滞留状況や、生成した次亜塩素酸の流出状況が、パンチングメタルからなる電極のそれとは大きく異なってくる。

本比較例２では、以下記述する形状のエッチングを施した電極を作成し、比較例１で説明した試験と同等の試験を行った。図１２及び図１３は、電極１００の斜視図である。電極１００は、厚さが０．５ｍｍ程度で、Ｙ軸方向を長手方向とする長方形板状に整形されている。電極１００は、枠状のフレーム部１０１と、Ｙ軸方向を長手方向とする複数の格子部１０２と、Ｘ軸方向を長手方向とするビーム部１０３の３部分からなる。

格子部１０２とビーム部１０３は、フレーム部１０１に規定される空間に、相互に交差するように設けられている。電極１００では、格子部１０２は、フレーム部１０１に規定される空間に、Ｙ軸に平行になるように張り渡されている。また、ビーム部１０３は、フレーム部１０１に規定される空間に、Ｘ軸に平行になるように張り渡されている。

図１４は、図１２における電極１００のＡＡ断面を示す図である。図１４に示されるように、格子部１０２は、ピッチＰ１が０．５ｍｍとなるように、Ｘ軸に沿って等間隔に配列されている。また、格子部１０２は、厚さＤ１が０．１〜０．２ｍｍで、断面が台形になるように整形されている。そのため、格子部１０２に挟まれる開口部は、＋Ｚ側のＸ軸方向の寸法Ｗ１が０．４ｍｍであり、−Ｚ側のＸ軸方向の寸法Ｗ２が０．２ｍｍとなっている。

図１５は、図１３における電極１００のＢＢ断面を示す図である。図１５に示されるように、ビーム部１０３は、ピッチＰ２が２．４ｍｍとなるように、Ｙ軸に沿って等間隔に配列されている。また、ビーム部１０３は、厚さＤ２が０．３〜０．４ｍｍで、断面が台形になるように整形されている。そのため、ビーム部１０３に挟まれる開口部は、−Ｚ側のＹ軸方向の寸法Ｗ３が２．４ｍｍであり、＋Ｚ側のＹ軸方向の寸法Ｗ４が１．８ｍｍとなっている。

上述のように構成される電極１００は、例えば、チタンからなる金属板の両面に、エッチング処理を施した後、触媒として酸化イリジウムを担持させることにより製造することができる。そのため、フレーム部１０１の＋Ｚ側の面と、格子部１０２の＋Ｚ側の面は同一面内に位置し、フレーム部１０１の−Ｚ側の面と、ビーム部１０３の−Ｚ側の面は同一面内に位置する。

なお、図１２及び図１３では、１０本の格子部１０２が描かれているが、実際の電極には、数十〜数百の格子部１０２が形成される。これにより、電極１００の＋Ｚ側の面の面積Ａ０に対して、格子部１０２に挟まれる領域の面積Ａ１の割合は約８０％となる。電極１００は、長手方向が鉛直方向となり、＋Ｚ側の面が隔膜に対向するように配置される。

また、図１２及び図１３では、３本のビーム部１０３が描かれているが、実際の電極には、数十のビーム部１０３が形成される。このため、電極１００を貫通する開口部の面積Ａ２は、電極１００の＋Ｚ側の面の面積Ａ０の１６％程度となっている。電極１００では、面積Ａ１に対する面積Ａ２の割合が５０％以下であることが好ましい。

格子部１０２、ビーム部１０３の断面形状は、台形に限らず、矩形状、半円形状、楕円形上、円弧形状等、任意の形状とすることができる。また、格子部１０２、ビーム部１０３は、交差していればよく、必ずしも直交していなくてもよい。

このように作成された電極１００を、図１６を参照するとわかるように、流路Ｐ１〜Ｐ７に突出部が形成されていないベース５００に取り付けて、ユニットＵ２を構成した。なお、不織布４１，隔膜２１は、実施例１と同等のものである。

上記ユニットＵ２を備える電解水生成装置を運転して次亜塩素酸の量を測定し、生成した次亜塩素酸の量に基づいて電流効率を算出した。本電解水生成装置では、電流効率が７８％であった。エッチングにより開口を形成した電極では、開口周囲での塩素イオンや次亜塩素酸の滞留が少なくなるため、比較例１の電極に比べて、電流効率が向上した。

《実施例２》
実施例２に係る電解水生成装置１０は、図４に示される電極２３に代えて、図１６に示される電極１００を備えている。流路Ｐ１〜Ｐ７の幅、電極２３、隔膜、不織布の仕様などは、実施例１に係る電解水生成装置と同等である。

上記電解水生成装置を運転して次亜塩素酸の量を測定し、生成した次亜塩素酸の量に基づいて電流効率を算出した。本電解水生成装置では、電流効率が９５％であった。

次表１は、上記実施例、及び比較例での電流効率を示す。電極２３の開口２３ａが、円形のパンチング孔である場合には、流路に設けられた突出部によって、電流効率が２７％程度改善されることがわかる。また、電極２３の開口２３ａが、エッチングにより形成された格子形状である場合には、流路に設けられた突出部によって、電流効率が１７％程度改善されることがわかる。電極に形成される開口の形状により、電流効率の改善率は上下するが、いずれの電極形状においても、流路に突出部を設けた場合には改善効果が期待できることが確認された。

以上、実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態によって限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、図６に示されるように、突出部５４が、交互にオフセットしている場合について説明した。突出部５４の配置は限定されるものではなく、例えばランダムに配置されていてもよい。

また、突出部５４は、流路と直交する方向に突出している必要はなく、流路と交差していれば任意の方向に突出していてもよい。

上記実施形態では、ベース５０に７つの流路Ｐ１〜Ｐ７が形成される場合について説明したが、これに限らず、ベース５０に形成される流路は、６つ以下或いは８つ以上であってもよい。同様に、流路に形成される突出部５４は、４つ以下或いは６つ以上であってもよい。

上記実施形態では、電解水生成装置１０が、中間室Ｓ１，陽極室Ｓ２，陰極室Ｓ３を備える３室型の装置であることとした。これに限らず、電解水生成装置１０は、例えば中間室を持たない２室型の装置であってもよい。

上記実施形態では、電極と隔膜の間に不織布を配置したが、不織布を配置することなく電解槽を構成してもよい。

電解水生成装置１０の電解槽１１の大きさは、電解水生成装置１０の用途や仕様目的に応じて決定することができる。一般に、５〜１０Ｌ／分程度の電解水生成能力を有する３室型電解槽を用いた電解水生成装置の電流効率は５０〜７０％程度であり、投入された電力の半分近くが無駄になっている。この無駄をなくすため、陽極の酸素発生過電圧を大きくして酸素の発生を抑制したり、陽極と隔膜の距離をできるだけ近づけるために膜電極構成体を採用したり、電極の電流密度を最適化したりと、多くの手法が検討されてきている。しかしながら、いずれの手法によっても、電流効率の大幅な改善にはつながっていないのが現状である。本実施形態に係る電解水生成装置は、上述のとおり電流効率を大幅に改善することができる。

なお、陰極での反応は水素生成反応のみのため、次亜塩素酸の生成電流効率には影響しない。このため、陰極室の構成については任意に決定することができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施しうるものであり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０ 電解水生成装置
１１ 電解槽
１２ 塩水タンク
２１，２２ 隔膜
２３，２４ 電極
２３ａ 開口
３１ 循環ポンプ
３２ 圧力調整バルブ
３３ 直流電源
４１ 不織布
５０，５００ ベース
５１ 段部
５２Ａ，５２Ｂ 流路
５３ 流路壁
５４ 突出部
１００ 電極
１０１ フレーム部
１０２ 格子部
１０３ ビーム部
１１１，１１３，１１５ 給水口
１１２，１１４，１１６ 排水口
１２１ 流出口
１２２ 流入口
Ｐ１〜Ｐ７ 流路
Ｓ１ 中間室
Ｓ２ 陽極室
Ｓ３ 陰極室
Ｕ１〜Ｕ３ ユニット

Claims (9)

1. 電解質を含んだ水を電気分解することで、少なくとも次亜塩素酸を含有する酸性水を生成する電解水生成装置であって、
   イオンを透過する膜と、
   前記膜によって区画される電極室と、
   前記電極室に、前記膜の一側の面に沿って配置され、前記膜に通じる開口が形成される電極と、
   前記電極に面し、前記電極に沿って被電解水を流すための流路と、
   前記流路の内部で、前記流路に交差する方向へ突出する複数の突出部と、
   を備える電解水生成装置。
2. 前記突出部は、
   前記流路の前記電極に対向する面から前記電極に向かって突出する請求項１に記載の電解水生成装置。
3. 前記電極と前記突出部の間には、前記被電解水が流れるクリアランスが形成される請求項１又は２に記載の電解水生成装置。
4. 隣接する前記突出部の位置は、前記流路に直交し、前記電極に平行な方向へオフセットしている請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電解水生成装置。
5. 前記流路の断面積に対する、前記流路に直交する面での前記突出部の断面積の割合が３０％以上で８０％以下である請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電解水生成装置。
6. 一対の前記電極と、
   前記電極がそれぞれ配置される２つの前記電極室と、
   前記電極室それぞれに、前記膜を介して隣接し、電解質を含む水溶液が供給される中間室と、
   を備える請求項１乃至５のいずれか一項に記載の電解水生成装置。
7. 前記電解質は、塩化ナトリウムである請求項６に記載の電解水生成装置。
8. 前記膜は、微多孔膜である請求項１乃至７のいずれか一項に記載の電解水生成装置。
9. 前記電極には、エッチングにより形成される複数の前記開口が設けられる請求項１乃至８のいずれか一項に記載の電解水生成装置。

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