JP2017529231A - 酸性水電解槽 - Google Patents

Abstract

本発明は、予め決められたサイズの充填室を二つのサブ充填室に分離し、いずれか一側のサブ充填室に供給した原水が他の一側のサブ充填室を通じて直列形態に通過するように構成することで、従来の酸性水電解槽と比較して電極に供給する電源条件や温度変化、そして流速変化と関係なく酸化還元電位（ＯＲＰ）と溶存水素濃度（ＤＨ）の変位を最小化しながらも高濃度の酸性水を得ることができるようにした酸性水電解槽を提供することにその目的がある。特に、本発明は、このように一方にのみに流れるように構成した従来の充填室に隔壁を追加する簡単な構成により、原水の流れが「Ｕ」字形態になることにより充填室に留まる滞留時間をふやして結果的に電極との接触時間が増えるようにして、このように多くの条件と関係なく高濃度の酸性水を得ることができるようにした酸性水電解槽を提供することに他の目的がある。また、本発明は、従来の酸性水電解槽の構成に格子を追加構成することで、従来と同一のサイズを有しながらも酸化還元電位（ＯＲＰ）と溶存水素濃度（ＤＨ）の高い高品質の酸化水を得ることができるようにした酸性水電解槽を提供することにさらに他の目的がある。【選択図】図３

Description

本発明は、酸性水電解槽に関し、より詳しくは、電極とイオン交換樹脂との間を通過する原水が二つに分けられたサブ充填室を順に経由しながら反応滞留時間をふやして高濃度の酸性水を得ることができる。

特許文献１は、純水や超純水でも別途の触媒材やイオン交換樹脂を利用しなくても十分な伝導性を確保して、水道水だけではなく純水や超純水も電気分解することができる酸性水電解槽及びその酸性還元水の利用方法を提供することにその目的がある。また、従来の電解槽が触媒材を使用して電気分解を行う場合、陽極側では酸性でありながら酸化力を、陰極側ではアルカリ性でありながら還元力の物性を得るのに対して、触媒材を使用せずにカソード側の物性を酸性でありながら還元力を有する水（酸性還元水）と陽極側では酸性でありながら酸化力を有する水（酸性酸化水）を得ることができる酸性水電解槽及びその酸性還元水の利用方法を提供することに他の目的がある。このような目的を達成するための酸性水電解槽は、少なくとも一つのイオン交換膜を中心として分離された少なくとも２個の充填室を備え、各充填室には、それぞれ入水口及び出水口が形成された本体と、前記充填室に設置した第１電極と、残りの充填室内にイオン交換膜と近接するように設けられて第１電極と異なる極性を有する第２電極と、前記各充填室に、第２電極と同一極性を有しながらこの第２電極と予め決められた間隔だけ離隔されるように設けられた第３電極と、を含んで構成される。

特許文献２は、浄水器などの処理容量によって変わる電解槽の電解容量に合わせてブロック形態で製作した拡張セットを積層して電解槽をモジュール形態に組立てることができるようにすることで、浄水器の浄水容量によって変わる電解槽を別に製作しなくても必要なだけの拡張セットを積層に組立てて希望する処理容量を得ることができるようにした、拡張性が容易である水素水電解槽モジュールを提供することにその目的がある。また、印加される電源の極性によって酸化水や還元水を得ることができるようにした、拡張性が容易である水素水電解槽モジュールを提供することに他の目的がある。

しかし、従来の電解槽には次のような問題があった。

（１）陰極や陽極に供給した原水が一方にのみ流れながら電気分解反応が行われるので、原水が実際の電気分解反応に露出される時間に限界がある。

（２）このような露出時間の限界により酸性水の酸化還元電位（ＯＲＰ）と溶存水素濃度（ＤＨ）を上げることに限界がある。

（３）原水の供給流量や流速、そして電極に供給する電源の強度によって酸化還元電位（ＯＲＰ）と溶存水素濃度（ＤＨ）などが急激に変化して安定的な酸性水を得ることに限界がある。

（４）従来の酸性水電解槽で酸性水の酸化還元電位（ＯＲＰ）と溶存水素濃度（ＤＨ）を高めるためには、同じ構成の酸性水電解槽を直列や並列に連結して構成しなければならないので、酸性水電解槽のサイズが大きくなる。

（５）また、このように酸性水電解槽が大きくなるほど電解槽の設置空間も大きくなるだけではなく、維持補修を行うためにも多くの時間と費用が要求される。

韓国登録特許第１４０８５０２号公報 韓国登録特許第１４４７６４２号公報

本発明は、上記問題を鑑みて案出されたものであって、予め決められたサイズの充填室を二つのサブ充填室に分離し、いずれか一側のサブ充填室に供給した原水が他の一側のサブ充填室を通じて直列形態に通過するように構成することで、従来の酸性水電解槽と比較して電極に供給する電源条件や温度変化、そして流速変化と関係なく酸化還元電位（ＯＲＰ）と溶存水素濃度（ＤＨ）の変位を最小化しながらも高濃度の酸性水を得ることができるようにした酸性水電解槽を提供することにその目的がある。

特に、本発明は、このように一方にのみに流れるように構成した従来の充填室に隔壁を追加する簡単な構成を通じて、原水の流れが「Ｕ」字形態になることにより充填室に留まる滞留時間をふやして結果的に電極との接触時間が増えるようにして、このように多くの条件と関係なく高濃度の酸性水を得ることができるようにした酸性水電解槽を提供することに他の目的がある。

また、本発明は、従来の酸性水電解槽の構成に格子を追加構成することで、従来と同一のサイズを有しながらも酸化還元電位（ＯＲＰ）と溶存水素濃度（ＤＨ）の高い高品質の酸化水を得ることができるようにした酸性水電解槽を提供することにさらに他の目的がある。

このような目的を達成するための本発明に係る酸性水電解槽は、少なくとも一つのイオン交換膜１１１を中心として分離された少なくとも２個の充填室１１０ａ、１１０ｂを備え、各充填室１１０ａ、１１０ｂには、それぞれ入水口１１２ａ、１１３ａと出水口１１２ｂ、１１３ｂを有した本体１００と、前記充填室１１０ａに設置される第１電極２００と、残りの充填室１１０ｂ内にイオン交換膜１１１と近接するように設置されて第１電極２００と異なる極性を有する第２電極３００と、前記各充填室１１０ｂに、第２電極３００と同一の極性を有しながらこの第２電極３００と予め決められた間隔だけ離隔して設置された第３電極３００’と、を含み、前記第１電極２００とイオン交換膜１１１との間には、隔壁１２０を追加して前記充填室１１０ａをいずれか一側が互いに連結されるように二つのサブ充填室１１０’、１１０’’に分けて、前記入水口１１２ａに入ってきた水はこの二つのサブ充填室１１０’、１１０’’を直列形態に順に経て出水口１１２ｂから出るようにしたことを特徴とする。

特に、前記第２電極３００と第３電極３００’は、互いに連結されて同時に電源が印加されるように構成したことを特徴とする。

また、前記イオン交換膜１１１と前記第１電極２００は、０．１〜１０．０ｍｍの間隙Ｗ１だけ離隔設置して原水が通過するようにその間を充填空間として利用することを特徴とする。そして、前記第２電極３００と前記第３電極３００’は、０．１〜１００．０ｍｍの間隙Ｗ２だけ離隔設置して原水が通過するようにその間を充填空間として利用することを特徴とする。

本発明に係る上述した酸性水電解槽は、前記充填室１１０ａの入水口１１２ａと出水口１１２ｂと間にイオンタンク４００が具備されたことを特徴とする。

そして、前記イオン交換膜１１１は、フッ素系キャッチオン交換膜であることを特徴とする。

最後に、前記第１〜第３電極２００、３００、３００’は、打孔性白金電極またはメッシュ白金電極であることを特徴とする。

本発明に係る酸性水電解槽によれば、次のような効果がある。

（１）構造が簡単であるとともに従来の酸性水電解槽で得た酸性水より酸化還元電位（ＯＲＰ）と溶存水素濃度（ＤＨ）が高い高品質の酸性水を得ることができる。

（２）特に、従来の酸性水電解槽の構造に隔壁を追加する簡単な設計変更を通じてこのように高品質の酸性水を得ることができる。これは従来の酸性水電解槽に対して隔壁を追加する簡単な設計変更を通じて高濃度の酸性水を得ることができる。

（３）そして、このように簡単な追加構成に比べて高濃度の酸性水を得ることができるので、従来の酸性水電解槽とほとんど同じ維持補修費用でその結果物として高濃度の酸性水を得ることができる。

（４）また、本発明に係る酸性水電解槽で得た酸性水は、温度変化や電源条件、そして水の流速などの影響を少なく受けながらも従来の酸性水より高濃度の酸性水を得ることができる。

本発明の実施例１に係る酸性水電解槽の構成を示した概略図である。 本発明の実施例１に係る酸性水電解槽の内部構成を示した分解斜視図である。 本発明の実施例１に係る酸性水電解槽の充填室の構成を示した概路図であって、（ａ）は、側面から見た側面図であり、（ｂ）は、正面から見た正面図である。 本発明の実施例２に係る酸性水電解槽の構成を示した概略図である。 本発明の実施例３に係る酸性水電解槽の構成を示した概略図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の好ましい実施例について詳細に説明する。その前に、本明細書及び請求範囲に使用する用語や単語は通常的や辞書的な意味に限定して解釈してはならず、発明者は、自身の発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義するという原則において本発明の技術的思想に符合する意味と概念として解釈すべきである。

したがって、本明細書に記載された実施例と図面に示す構成は、本発明の好適な一実施例に過ぎず、本発明の技術的思想をすべて代弁するものではなく、本出願時点においてこれらを代替することができる多様な均等物と変更例があり得ることを理解すべきである。

本発明の実施例１に係る酸性水電解槽は、図１〜図３のように、電気分解が行われる本体１００と、本体１００に設置されて電気分解に必要な電源を供給するために互いに異なる極性を有する第１電極２００と第２電極３００、そしてこれらの電極のうちいずれか一つの電極と同一の電極を、有することで該当イオン水を増加させて電位差を高めて酸性酸化水や酸性還元水を得ることができるようにした。

特に、本発明に係る酸性水電解槽は、電気分解したイオンが予め決められた空間内に充填されるように本体１００の内部にイオン交換膜１１１を設置して少なくとも２個の充填室１１０ａ、１１０ｂを構成し、一つの充填室１１０ａを二つのサブ充填室１１０’、１１０’’に分離して水がこの二つのサブ充填室１１０’、１１０’’を直列に通過するようにすることで、酸化還元電位（ＯＲＰ）と溶存水素濃度（ＤＨ）などが高い高濃度の酸性水を得ることができるようにした。

以下、このような構成についてより具体的に説明すると次の通りである。

本体１００は、内部に一定量の水（原水）の供給を受けて電気分解するための電解槽本体である。

このような本体１００は、内部が空の中空状からなり、電気分解したイオンを分離するようにイオン交換膜１１１を備える。イオン交換膜１１１は、本体１００の内部を少なくとも２個の充填室１１０ａ、１１０ｂに区切る。本発明の好ましい実施例では、２個に分離したものとして説明しているが、多数個のイオン交換膜１１１を利用してこれよりさらに多く分離して構成してもよい。本発明の好ましい実施例において、このようなイオン交換膜としては、フッ素系キャッチオン交換膜（デュポン社製のナピオン１１７）を利用することができる。

一方、前記各充填室１１０ａ、１１０ｂには、電気分解するのために原水（水）の供給を受けることができるように入水口１１２ａ、１１３ａと、電気分解した酸性水を外部に排出するための出水口１１２ｂ、１１３ｂと、が形成される。

ここで、前記充填室１１０ａ、１１０ｂは、２個が構成されたものとして説明しているが、多数個のイオン交換膜１１１を利用して多数個の充填室に区切って並列に連結した形態で構成してもよい。

本発明の好ましい実施例において、前記充填室１１０ａには、内部に隔壁１２０を設置してその内部を二つのサブ充填室１１０’、１１０’’に分ける。このとき、隔壁１２０は、図２及び図３のように、第１電極２００とイオン交換膜１１１との間に設置し、直列形態(図面において「Ｕ」字の流れ)に流動するようにして水がこの充填室１１０ａに留まる滞留時間をふやして高濃度の酸性水を安定的に得ることができるように構成することが好ましい。

また、本発明の好ましい実施例において、上述した入水口１１２ａと出水口１１３ｂは、図１及び図３のように、一方面に並べて設置して、直列形態で流動する水の流出入が可能に設置する。

第１電極２００は、いずれか一つの充填室１１０ａに設置される。このとき、第１電極２００は、イオン交換膜１１１との間に予め決められたサイズの充填空間が確保される。

そのために、前記第１電極２００は、イオン交換膜１１１との間隙Ｗ１を０．１〜１０．０ｍｍになるように充填室１１０ａに設置する。これは、間隙Ｗ１がこれより広くなると後述する第２電極３００との電気分解能が低下すると判断されるからである。

本発明の好ましい実施例において、前記第１電極２００は、充填室が２個以上構成された本体１００に装着する場合には、一番外側に具備された充填室に装着する。

第２電極３００は、第１電極２００と異なる極性を有しながらイオン交換膜１１１と隣接するように他の充填室１１０ｂに設置される。

このとき、第２電極３００が設置される充填室１１０ｂを多数個備える場合には、それぞれの充填室ごとに第２電極３００を一つずつ設置する。

第３電極３００’は、第２電極３００と同一の極性を有しながらこの第２電極３００の設置された充填室１１０ｂ内に設置される。

このとき、前記第３電極３００’は、第２電極３００との間の予め決められた間隙Ｗ２だけ離隔するように設ける。この場合、間隙Ｗ２は０．１〜１００．０ｍｍに形成してその間をイオンの充填空間として活用する。

一方、本発明の好ましい実施例において、上述した第１〜第３電極２００、３００、３００’は、打孔性白金電極またはメッシュ白金電極を利用することができる。

（動作）
上述した本発明の実施例１のような構成を有する本発明に係る酸性水電解槽の動作に対して説明すると次の通りである。

まず、本体１００には入水口１１２ａ、１１３ａを通じて原水を供給する。このとき、原水は、２個の入水口１１２ａ、１１３ａのうちいずれか一つだけを介して供給することができる。

続いて、第１電極２００には陽極（＋）を印加し、第２電極３００と第３電極３００’には陰極（−）を印加する。さらに、原水の電気分解が起きながらイオン交換膜１１１により陽極が印加された充填室１１０ａにはＯＨ⁻が充填され、陰極が印加された他の充填室１１０ｂにはＨ^＋が充填される。

このように、各充填室１１０ａ、１１０ｂにＯＨ⁻とＨ^＋が充填されると、これらイオンの電位差により電流が流れるようになる。特に、第３電極３００’が設けられた充填室１１０ｂの場合、陰極（−）性イオンの増加によりＨ^＋はＨやＨ_２に変換されるものと考えられる。

このように、イオンの充填により得られる高い電位差は、一般的に使用される水道水だけではなく、伝導度が低い純水（ＲＯ）や超純水（ＤＩ）を電気分解するのにも有用に用いられる。

以下、従来の酸性水電解槽と本発明の実施例１に係る酸性水電解槽の物性変化による試験結果は次の通りである。ここで、比較例は、特許文献１に記載した従来の酸性水電解槽であって実施例とは異なり隔壁がないものであり、実施例は、上述のように隔壁１２０を追加した構成である。

また、下の物性値としては、酸化還元電位（ＯＲＰ）と溶存水素濃度（ＤＨ）、そしてｐＨそれぞれの電源条件と温度変化、流速変化によって測定した。

＜電源条件による物性値の変化＞
１．試験条件
原水：水道水（伝導度５ｕＳ/ｃｍｃｍ以下、ｐＨ７．０、ＯＲＰ＋５００ｍＶ、温度２１℃)
電源：ＤＣ２４Ｖ
流速（流量）：０．３５Ｌ/ｍｉｎ
測定器：ＴＯＡ社の計測器
ｐＨ：ＴＯＡ−２１Ｐ
ＯＲＰ：ＴＯＡ−２１Ｐ
ＤＨ：ＴＯＡ ＤＨ−３５Ａ

２．試験結果
実施例の試験結果は、下記の表１に示し、比較例の試験結果は、下記の表２に示した。このとき、電源は、５．３Ｖ〜１２．２Ｖに上げながら、電流は、１Ａ〜５Ａに上げながら試験を行った。

３．総合
上の表１及び表２のように、実施例と比較例は、全て電圧と電流の強度が強くなることによってｐＨの変化はほとんどなく、ＯＲＰは小くなり、ＤＨは大きくなることが分かる。

特に、ＯＲＰの場合、実施例は、−５７７〜−５８９（ｍＶ）であって、その変化幅に大きい差がないが、比較例は、−５４４〜−５７７（ｍＶ）であって、大きい差を示した。また、ＤＨの場合、実施例は、０．８２〜１．４１（ｐｐｍ）であって、比較例が０．５４〜１．０９（ｐｐｍ）である点を考慮すると、比較例より約３０〜４０％程度さらに高いことが分かる。

＜温度変化による物性値の変化＞
１．試験条件
原水：水道水（伝導度５ｕＳ/ｃｍｃｍ以下、ｐＨ７．０、ＯＲＰ＋５００ｍＶ、温度２１℃)
電源：ＤＣ２４Ｖ３Ａ
流速（流量）：０．３５Ｌ/ｍｉｎ
測定器：ＴＯＡ社の計測器
ｐＨ：ＴＯＡ−２１Ｐ
ＯＲＰ：ＴＯＡ−２１Ｐ
ＤＨ：ＴＯＡ ＤＨ−３５Ａ

２．試験結果
実施例の試験結果は、下記の表３に示し、比較例の試験結果は、下記の表４に示した。このとき、温度は、３〜９８℃の範囲で次のように測定した。２．実験結果 実施例の試験結果は、下記の表３に示し、比較例の試験結果は、下記の表４に示した。このとき、温度は、３〜９８℃の範囲で次のように測定した。

３．総合
上の表３及び表４のように、実施例と比較例は、全て温度が上がることによってｐＨ変化はほとんどなく、ＯＲＰとＤＨが全て小くなることが分かる。

特に、ＯＲＰの場合、実施例は、温度が３〜５０℃前後までは徐徐に減少してから更に大きくなる現象を示したが、比較例は、温度変化によって増減を繰り返して低温と高温において大きい差を示した。そして、実施例は温度変化に関係なくほとんど一定な値を示したが、比較例は中間温度（５０〜６０℃）を基準として両側での差が著しく変わることが分かる。

また、ＤＨの場合、実施例と比較例は、全て小くなるが、実施例が比較例より濃度が高い。特に、濃度が低くなる幅を見れば、実施例は、約２０〜３０％前後で小くなるが、比較例は、約５０〜６０％減少したことが分かる。

＜流速変化による物性値の変化＞
１．試験条件
原水：水道水（伝導度５ｕＳ/ｃｍｃｍ以下、ｐＨ７．０、ＯＲＰ＋５００ｍＶ、温度２１℃)
電源：ＤＣ２４Ｖ３Ａ
測定器：ＴＯＡ社の計測器
ｐＨ：ＴＯＡ−２１Ｐ
ＯＲＰ：ＴＯＡ−２１Ｐ
ＤＨ：ＴＯＡ ＤＨ−３５Ａ

２．試験結果
実施例の試験結果は、下記の表５に示し、比較例の試験結果は、下記の表６に示した。このとき、流量は、０．１（Ｌ／ｍｉｎ)から０．８（Ｌ／ｍｉｎ）まで０．１（Ｌ／ｍｉｎ）単位ずつ増やしながら測定した。

３．総合
上の表５及び表６のように、実施例と比較例は、流速変化によってｐＨ変化はほとんどなく、ＯＲＰとＤＨが変化することが分かる。

しかし、ＯＲＰの場合、実施例は−５８２〜−５６８（ｍＶ）であって、比較例（−５８１〜−５３４（ｍＶ））より減った幅が大きくないことが分かる。また、ＤＨの場合にも、基本的に比較例より実施例が高いことが分かり、減少した幅においても、実施例は約２０％減少したが、比較例は約４０％であって実施例の二倍程度減少したことが分かる。

以上のように、本発明は、従来の特許文献２の構成と比べて、温度と電源変化、そして流量に関係なく酸化還元電位(ＯＲＰ)の変位を最小化しながらも高濃度の酸性水を得ることができる。

本発明の実施例２に係る酸性水電解槽は、実施例１の構成と比べて、図４のように、実施例１の本体１００にイオンタンク４００をさらに構成したものである。ここで、実施例１と同一構成に対しては同じ参照符号を付与し、その詳細な説明を省略する。

イオンタンク４００は、図４のように、前記本体１００の入水口１１２ａと出水口１１２ｂとの間に設けられ、第１電極２００により充填室１１０ａ内に充填されたイオンを保存するタンクである。

ここで、前記イオンタンク４００は、充填室１１０ａに装着した例を示しているが、他の充填室１１０ｂに装着しても同一又は類似な効果を得ることができることは当業者であれば容易に分かる。

さらに、本発明の実施例２に係る酸性水電解槽は、このイオンタンク４００に保存されるイオン量に比例するように、さらに大きい電位差を発生させることができ、その分酸化及び還元力を高めることができる。

本発明の実施例３に係る酸性水電解槽は、図５のように、実施例１において第２電極３００と第３電極３００’を互いに連結して同時に電源供給が行われるようにしたものである。

これは、第２電極３００及び第２電極３００と同一極性を有する他の一つの電極（第３電極）を一つに連結して同一の強さの電源を供給できるようにすることで、これら第２電極３００と第３電極３００’に電源供給が同時に行われて、これら電極に同一の電位差の電源が供給されて、表面電極を安定的に確張することができる。

最後に、実施例３は、実施例１の変形形態として説明しているが、このような構成は実施例２にも適用できることは当業者であれば容易に分かる。

Claims (7)

1. 少なくとも一つのイオン交換膜（１１１）を中心として分離された少なくとも２個の充填室（１１０ａ、１１０ｂ）を備え、各充填室（１１０ａ、１１０ｂ）には、それぞれ入水口（１１２ａ、１１３ａ）と出水口（１１２ｂ、１１３ｂ）を有した本体（１００）と、前記充填室（１１０ａ）に設置される第１電極（２００）と、残りの充填室（１１０ｂ）内にイオン交換膜（１１１）と近接するように設置されて第１電極（２００）と異なる極性を有する第２電極（３００）と、前記各充填室（１１０ｂ）に、第２電極（３００）と同一の極性を有しながらこの第２電極（３００）と予め決められた間隔だけ離隔して設置された第３電極（３００’）と、を含み、
   前記第１電極（２００）とイオン交換膜（１１１）との間には、隔壁（１２０）を追加して前記充填室（１１０ａ）をいずれか一側が互いに連結されるように二つのサブ充填室（１１０’、１１０’’）に分けて、前記入水口（１１２ａ）に入ってきた水はこの二つのサブ充填室（１１０’、１１０’’）を直列形態に順に経て出水口（１１２ｂ）から出るようにしたことを特徴とする酸性水電解槽。
2. 前記第２電極（３００）と第３電極（３００’）は、互いに連結されて同時に電源が印加されるように構成したことを特徴とする請求項１に記載の酸性水電解槽。
3. 前記イオン交換膜（１１１）と前記第１電極（２００）は、０．１〜１０．０ｍｍの間隙Ｗ１だけ離隔設置して原水が通過するようにその間を充填空間として利用することを特徴とする請求項１に記載の酸性水電解槽。
4. 前記第２電極（３００）と前記第３電極（３００’）は、０．１〜１００．０ｍｍの間隙Ｗ２だけ離隔設置して原水が通過するようにその間を充填空間として利用することを特徴とする請求項１に記載の酸性水電解槽。
5. 前記充填室（１１０ａ）の入水口（１１２ａ）と出水口（１１２ｂ）と間には、イオンタンク（４００）が具備されたことを特徴とする請求項１に記載の酸性水電解槽。
6. 前記イオン交換膜（１１１）は、フッ素系キャッチオン交換膜であることを特徴とする請求項１に記載の酸性水電解槽。
7. 前記第１〜第３電極（２００、３００、３００’）は、打孔性白金電極またはメッシュ白金電極であることを特徴とする請求項１に記載の酸性水電解槽。