JP2018030043A - 電解水生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】生成する水のｐＨを正確に調整可能な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、陽極１４およびこの陽極を覆う陽極室１５ｂと、陰極２０およびこの陰極を覆う陰極室１５ｃと、を有し、陰極室は、陽極室に接する陽極の面積よりも小さい面積で前記陰極にそれぞれ接する第１陰極室３０ａおよび第２陰極室３０ｂを含んでいる電解槽１１と、第１陰極室および第２陰極室のいずれか一方で生成された陰極生成物質と陽極室で生成された陽極生成物質とを混合して排出する混合排出部３１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。

水を電解して得られる様々な機能を有したものには、次亜塩素酸水、アルカリイオン水、水素水などがあり、電解水と呼ばれている。電解水の生成方法としては、例えば、塩素を含む電解液を電解することにより陽極で塩素ガスを生成し、この塩素ガスと水を反応させて次亜塩素酸水と塩酸水を生成する方法が知られている。次亜塩素酸水の利用法としては、殺菌消毒、除臭などが知られている。

しかしながら、生成した次亜塩素酸水は、塩酸を含むため酸性であり、ｐＨ５より酸性度が高くなると、次亜塩素酸と塩素ガスとの平衡反応により、酸性度に応じて塩素ガスを生じてしまう。そこで、従来では、次亜塩素酸水の次亜塩素酸濃度を、塩素ガスが人体に影響しない範囲、具体的には１００ｐｐｍ以下としているが、この場合、次亜塩素酸水の殺菌性などが制約されてしまう。

酸性の次亜塩素酸を中和する手段としては、酸性水にアルカリ性水を混合する方法が知られている。しかし、次亜塩素酸生成効率の高い電解槽では相対的に塩酸生成が抑制される。そのため、酸性水にアルカリ性水を全量混合してしまうと、混合水はアルカリ性となり、次亜塩素酸が殺菌性の弱い次亜塩素酸イオンに代わってしまう。陽極での塩素ガス生成を抑制して酸素ガス生成を増やすことで次亜塩素酸生成効率を低下させて塩酸生成を増やすことが考えられる。この場合、酸性水にアルカリ水を全量混合したときのｐＨを中性側にある程度調整することはできるが、次亜塩素酸生成の効率が著しく低下してしまう問題を生じる。

特許第３２８７６４９号公報 特許第３５００１７３号公報 特許第４５９０６６８号公報 特許第４２１６８９２号公報

この発明の課題は、生成する水のｐＨを正確に調整可能な電解水生成装置を提供し、例えば、高濃度でも塩素ガスを生じにくく殺菌性と安全性に優れた次亜塩素酸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、陽極およびこの陽極を覆う陽極室と、陰極およびこの陰極を覆う陰極室と、を有し、前記陰極室は、前記陽極室に接する前記陽極の面積よりも小さい面積で前記陰極にそれぞれ接する第１陰極室および第２陰極室を含んでいる電解槽と、前記第１陰極室および第２陰極室のいずれか一方で生成された陰極生成物質と前記陽極室で生成された陽極生成物とを混合して排出する混合排出部と、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、第１の実施形態に係る電解水生成装置の電解槽を示す斜視図。 図３は、前記電解槽の分解斜視図。 図４は、図２の線Ａ−Ａに沿った前記電解槽の断面図。 図５は、前記電解槽の陰極室を構成する陰極カバーを示す斜視図。 図６は、前記電解槽の陽極室を構成する陽極カバーを示す斜視図。 図７は、前記電解槽の第１陰極室と第２陰極室の面積比率を変えた時の、電解水のｐＨとＨＯＣＩ濃度との関係を示す図。 図８は、第１変形例に係る電解水生成装置を概略的に示すブロック図。 図９は、第２変形例に係る電解水生成装置を概略的に示すブロック図。 図１０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。 図１１は、第２の実施形態に係る電解水生成装置の陰極室を構成する陰極カバーを示す斜視図。 図１２は、第３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。始めに、電解水生成装置全体の構成を説明する。図１に示すように、電解水生成装置は、いわゆる３室型の電解槽１１を備えている。電解槽１１は、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）１６および陽イオン交換膜（第２隔膜）１８により、中間室１５ａと、中間室１５ａの両側に位置する陽極室１５ｂおよび陰極室１５ｃとに仕切られている。陽極室１５ｂ内に陽極１４が設けられ、陰イオン交換膜１６に対向している。陰極室１５ｃ内に陰極２０が設けられ、陽イオン交換膜１８に対向している。陽極１４および陰極２０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。

本実施形態において、陰極室１５ｃは、隔壁により、第１陰極室３０ａおよび第２陰極室３０ｂの２つに区画されている。第１陰極室３０ａおよび第２陰極室３０ｂは、陰極２０の面積の５０％ずつに２分して、陰極２０にそれぞれ接している。すなわち、第１および第２陰極室の陰極２０に接する各々の面積は、陽極室１５ｂが陽極１４に接する面積よりも小さく、陽極面積（陰極面積）の５０％となっている。

ここで述べている面積とは、陰極或いは陽極における電解水の生成に寄与する有効反応領域の面積のことであり、陰極におけるその有効反応領域の全面積と、陽極におけるその有効反応領域の全面積とを、ほぼ等しい大きさにしている。そして、本実施形態では、これら第１および第２陰極室において前記陰極に接する部分の面積を同じにすることで、個々の第１および第２陰極室における有効反応領域の面積のそれぞれの大きさが、陽極室に接する陽極の有効反応領域の全面積の大きさよりも小さく、約半分（５０％）ほどになっている。

電解水生成装置は、電解槽１１の中間室１５ａに電解液、例えば、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に電解原水、例えば、水を供給する原水供給部２１と、陽極１４および陰極２０に正電圧および負電圧をそれぞれ印加する電源２３と、を備えている。更に、電解水生成装置は、陽極室１５ｂで生成された酸性水（陽極生成物質）と第１および第２陰極室３０ａ、３０ｂのいずれか一方、例えば、第２陰極室３０ｂで生成されたアルカリ性水（陰極生成物質）とを混合した後、排出する混合排出部３１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。

原水供給部２１は、水を供給する図示しない給水源と、給水源から陽極室１５ｂの下部および第１陰極室３０ａの下部に水を導く給水配管２１ａと、第１陰極室３０ａを流れた水を第１陰極室３０ａの上部から排出する第３排水配管２１ｃと、第３排水配管２１ｃ中に設けられた気液分離器２７と、を備えている。

混合排出部３１は、陽極室１５ｂを流れた水を陽極室１５ｂの上部から排出し第２陰極室３０ｂの下部に導入する混合配管２１ｆと、第２陰極室３０ｂを流れた水を第２陰極室３０ｂの上部から排出する第１排水配管２１ｄと、を備えている。

上記のように構成された電解水生成装置により、実際に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、電解槽１１の中間室１５ａに飽和塩水を供給するとともに、陽極室１５ｂおよび第１陰極室３０ａに水を給水する。同時に、電源２３から正電圧および負電圧を陽極１４および陰極２０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１４に引き寄せられ、陰イオン交換膜１６を通過して、陽極室１５ｂへ流入する。そして、陽極１４にて塩素イオンが還元され塩素ガスが発生する。その後、塩素ガスは陽極室１５ｂ内で水と反応して次亜塩素酸水と塩酸を生じる。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から混合配管２１ｆを通って第２陰極室３０ｂに流入する。

また、中間室１５ａへ流入した塩水中において電離しているナトリウムイオンは、陰極２０に引き寄せられ、陽イオン交換膜１８を通過して、第１および第２陰極室３０ａ、３０ｂへ流入する。陰極室１５ｃにおいて、陰極２０で水が電気分解されて水素ガスと水酸化ナトリウム水溶液が生成される。ここで、陰極室１５ｃは、陰極２０を５０％ずつ２分した第１陰極室３０ａと第２陰極室３０ｂの２つで構成されている。そして、第１陰極室３０ａで生成された水酸化ナトリウム水溶液および水素ガスは、第１陰極室３０ａから第３排水配管２１ｃに流出し、気液分離器２７により、水酸化ナトリウム水溶液と水素ガスとに分離される。分離された水酸化ナトリウム水溶液（アルカリ性水）は、第３排水配管２１ｃを通って排出される。

一方、第２陰極室３０ｂで生成された水酸化ナトリウム水溶液および水素ガスは、陽極室１５ｂから送られた酸性水と混合され、混合された水は第２陰極室３０ｂから第１排水配管２１ｄを通って排水される。

このように、陰極室１５ｃで生成されたアルカリ性水の５０％は、第３排水配管２１ｃから排出され、残り５０％は、陽極室１５ｂで生成された酸性水の１００％と混合され、所望のｐＨの酸性水に調整した後、排出される。

次に、電解槽１１の構成を詳細に説明する。図２は、電解槽の斜視図、図３は電解槽の分解斜視図、図４は図２の線Ａ−Ａに沿った電解槽の断面図である。
図２ないし図４に示すように、電解槽１１は、矩形枠状の中間フレーム２２と、中間フレーム２２とほぼ等しい外径寸法を有し中間フレームの一側面を覆って内部に陽極室を構成する矩形板状の陽極カバー２４と、中間フレーム２２とほぼ等しい外径寸法を有し中間フレームの他側面を覆って内部に陰極室を構成する矩形板状の陰極カバー２６と、を有している。中間フレーム２２は、その内周面により中間室１５ａを形成している。陽極カバー２４は、その内面に形成された凹所により陽極室１５ｂを形成し、陰極カバー２６はその内面に形成された凹所により陰極室１５ｃを形成している。

中間フレーム２２の下端に、中間室１５ａに連通する第１流入口が形成され、上端に中間室１５ａに連通する第１流出口３６が設けられている。これら第１流入口および第１流出口３６に供給配管１９ａおよび排水配管１９ｂ（図１参照）がそれぞれ接続される。

中間フレーム２２と陽極カバー２４との間に、第１隔膜として陰イオン交換膜１６が配置され、中間室１５ａと陽極室１５ｂを隔てている。陽極１４は、陰イオン交換膜１６と陽極カバー２４との間に配置され、陽極室１５ｂに対面しているとともに陰イオン交換膜１６に近接対向している。

中間フレーム２２と陰極カバー２６との間に第２隔膜として陽イオン交換膜１８が配置され、中間室１５ａと陰極室１５ｃを隔てている。陰極２０は、陽イオン交換膜１８と陰極カバー２６との間に配置され、陰極室１５ｃに対面しているとともに陽イオン交換膜１８に近接対向している。

各構成部材間、すなわち、陽極カバー２４の周縁部と陽極１４の周縁部との間、陽極１４および陰イオン交換膜１６の周縁部と中間フレーム２２との間、中間フレーム２２と陰極２０および陽イオン交換膜１８の周縁部との間、および、陰極２０の周縁部と陰極カバー２６の周縁部との間に、水漏れを防止するための枠状のシール材４０がそれぞれ配置されている。

各構成部材の周縁部を貫通して複数の固定ボルト５０が挿通され、例えば、陽極カバー２４側から挿通され、その先端部が陰極カバー２６から突出している。各固定ボルト５０の先端部にナット５２がねじ込まれている。締結部材としての固定ボルト５０およびナット５２により、各構成部材の周縁部同士が互いに締結され、中間室１５ａ、電極室１５ｂ、１５ｃの水密性を保持している。

次に、各構成部材についてより詳細に説明する。
図２ないし図４に示すように、陰イオン交換膜１６および陽イオン交換膜１８は、それぞれ中間フレーム２２とほぼ等しい外径を有し、膜厚が約１００〜２００μｍ程度の薄い矩形平板状に形成されている。陰イオン交換膜１６および陽イオン交換膜１８は、特定のイオンのみを通過させる特性を有している。陰イオン交換膜１６および陽イオン交換膜１８の周縁部には、それぞれ固定ボルト５０を挿通する複数の貫通孔が形成されている。

陰イオン交換膜１６は、中間フレーム２２の片面側に対向して配置され、その周縁部は、シール材４０を介して、中間フレーム２２に密着している。同様に、陽イオン交換膜１８は、中間フレーム２２の他面側に対向して配置され、その周縁部は、シール材４０を介して、中間フレーム２２に密着している。なお、第１隔膜および第２隔膜は、イオン交換膜に限らず、透水性を有する多孔質膜を用いてもよい。

陽極１４および陰極２０は、厚さ１ｍｍ程度の金属製の平板で形成され、中間フレーム２２の外径とほぼ同一の外径を有する矩形状に形成されている。陽極１４および陰極２０の中央部（有効領域）には液体を通過させるための微細な貫通孔が形成され、電極の周縁部には固定ボルト５０を挿通するための複数の貫通孔が形成されている。陽極１４は、その一側縁から突出する接続端子１４ｂを有している。同様に、陰極２０は、その一側縁から突出する接続端子２０ｂを有している。接続端子１４ｂ、２０ｂは電源２３に接続される。

陽極１４は、陰イオン交換膜１６に対向して配置され、陰イオン交換膜１６に密着している。陰極２０は、陽イオン交換膜１８に対向して配置され、陽イオン交換膜１８に密着している。

図５は、陰極カバーの内面側を示す斜視図である。図２ないし図５に示すように、陰極カバー２６は、陰極２０に対向する内面２６ａと、反対側の外面と、を有している。陰極カバー２６の内面２６ａに矩形状の凹所が形成され、この凹所により陰極室１５ｃを形成している。凹所の中央部に鉛直方向に延びる隔壁３２が設けられ、この隔壁３２により、陰極室１５ｃは、第１陰極室３０ａと第２陰極室３０ｂとに２分されている。第１および第２陰極室３０ａ、３０ｂは、それぞれ矩形状に形成され、ほぼ水平方向に並んで位置している。第１陰極室３０ａおよび第２陰極室３０ｂは、それぞれ陰極２０の有効反応領域の面積の５０％に接している。すなわち、第１陰極室３０ａおよび第２陰極室３０ｂは、陽極室１５ｂに接する陽極１４の面積よりも小さい面積で陰極２０にそれぞれ接している。

第１陰極室３０ａおよび第２陰極室３０ｂには、それぞれ水を流す複数の流路が設けられている。すなわち、第１陰極室３０ａを形成している凹所の底面に複数の直線状のリブ３３ａが立設され、例えば、鉛直方向（第２方向Ｙ）に延びている。これらのリブ３３ａは、互いに平行に、かつ、所定の間隔を置いて、設けられている。隣合う２つのリブ３３ａ間に、それぞれ鉛直方向に延びる直線状の第１流路３４ａが形成されている。

また、凹所の底面には、それぞれ第１陰極室３０ａの側縁に沿って延びた上下一対の横溝３５ａが形成されている。各横溝３５ａは第２流路を形成し、前述した複数の第１流路３４ａに連通している。横溝３５ａは、第１流路３４ａよりも深く形成され、複数の第１流路３４ａそれぞれに均一に水量が分配されるように設計されている。

陰極カバー２６の一側面下部に第２流入口３９ａが形成され、下側の横溝３５ａの一端に連通している。陰極カバー２６の一側面上部に第２流出口４１ａが形成され、上側の横溝３５ａの一端に連通している。これら第２流入口３９ａおよび第２流出口４１ａに給水配管２１ａおよび第３排水配管２１ｃがそれぞれ接続される。

同様に、第２陰極室３０ｂを形成している凹所の底面に複数の直線状のリブ３３ｂが立設され、互いに平行に、かつ、所定の間隔を置いて、設けられている。隣合う２つのリブ３３ｂ間に、それぞれ鉛直方向に延びる直線状の第１流路３４ｂが形成されている。また、凹所の底面には、それぞれ第２陰極室３０ｂの側縁に沿って延びた上下一対の横溝３５ｂが形成されている。各横溝３５ｂは第２流路を形成し、前述した複数の第１流路３４ｂに連通している。横溝３５ｂは、第１流路３４ｂよりも深く形成されている。

陰極カバー２６の他側面下部に第３流入口３９ｂが形成され、下側の横溝３５ｂの一端に連通している。陰極カバー２６の他側面上部に第３流出口４１ｂが形成され、上側の横溝３５ｂの一端に連通している。これら第３流入口３９ｂおよび第３流出口４１ｂに混合配管２１ｆおよび第１排水配管２１ｄがそれぞれ接続される。

図６は、陽極カバーの内面側を示す斜視図である。図４および図６に示すように、陽極カバー２４は、陽極１４に対向する内面２４ａと、反対側の外面と、を有している。陽極カバー２４の内面２４ａに矩形状の凹所が形成され、この凹所により陽極室１５ｂを形成している。陽極室１５ｂは、陽極１４の有効反応領域の面積の１００％に接している。すなわち、陽極室１５ｂの面積は、陽極１４の有効反応領域の面積にほぼ一致している。

陽極室１５ｂには、それぞれ水を流す複数の流路が設けられている。すなわち、陽極室１５ｂは、それぞれ鉛直方向に延びる複数のリブ４６により規定された複数の直線状の第１流路３７と、陽極室１５ｂの底面に形成された上下一対の横溝３８ａおよび左右一対の縦溝３８ｂにより規定された第２流路とを有している。各横溝３８ａは、複数の第１流路３７に連通している。

陽極カバー２４の側面下部に第４流入口４２が形成され、下側の第２流路に連通している。陽極カバー２４の側面上部に第４流出口４４が形成され、上側の第２流路に連通している。これら第４流入口４２および第４流出口４４に給水配管２１ａおよび混合配管２１ｆがそれぞれ接続される。

以上のように構成された電解槽１１において、電解動作時、給水配管２１ａから第４流入口４２を通して陽極室１５ｂに供給された水は、陽極１７に接触しながら第２流路および第１流路３７を通って流れ、塩素ガスと反応して酸性水を生成する。この酸性水は、第４流出口４４から混合配管２１ｆに送られ、更に、第３流入口３９ｂから第２陰極室３０ｂに流入する。酸性水は、陰極２０に接触しながら第２流路３５ｂおよび第１流路３４ｂを流れる。第２陰極室３０ｂにおいて、酸性水は陰極２０で生成される水素ガスおよび水酸化ナトリウム水が混合される。このようにアルカリ性水が混合された酸性水は、第３流出口４１ｂから第１排水配管２１ｄを通り排出される。

また、給水配管２１ａから第２流入口３９ａを通して第１陰極室３０ａに供給された水は、陰極２０に接触しながら第２流路３５ａおよび第１流路３４ａを通って流れる。第１陰極室３０ａにおいて、陰極２０で水が電気分解されて水素ガスと水酸化ナトリウム水溶液が生成される。第１陰極室３０ａで生成された水酸化ナトリウム水溶液および水素ガスは、第２流出口４１ａから第３排水配管２１ｃに流出し、気液分離器２７により、水酸化ナトリウム水溶液と水素ガスとに分離される。分離された水酸化ナトリウム水溶液（アルカリ性水）は、第３排水配管２１ｃを通って排出される。

図７は、電解水生成装置で生成した生成水の次亜塩素酸濃度とｐＨとの関係を、第１陰極室３０ａと第２陰極室３０ｂとの分割比率（面積比率）を変えて測定した結果を示している。使用した水はｐＨ干渉効果のある成分を除去した純水としている。
まず、全くアルカリ性水を混合していない次亜塩素酸水のｐＨは３であり、次亜塩素酸（ＨＯＣｌ）濃度は９０ｐｐｍであった。これは、電解槽１１が次亜塩素酸を高効率で生成できるように隔膜のイオン透過率や隔膜と電極を密着して形成しているためで、これにより電解で与えた電荷量が酸素ガス生成にはほとんど使われずほぼ塩素ガス生成に使われ、生成した塩素ガスが１対１の比率で次亜塩素酸と塩酸に変わった計算値にほぼ一致している。

また、第２陰極室３０ｂの面積比率が１００％の場合、すなわち、陰極室１５ｃで生成された全てのアルカリ性水を混合した次亜塩素酸水のｐＨは９であり、次亜塩素酸濃度は０ｐｐｍであった。これは、上述したように陽極室１５ｂでは生成した塩素ガスが水と反応した際に１対１で塩酸と中性の次亜塩素酸が生成されるのに対して、陰極室では投入した電荷の全量が水素ガスおよび水酸化ナトリウム生成に利用されるためである。アルカリ性水の全てを混合すると、次亜塩素酸水は、ｐＨ９程度のアルカリ性となる。次亜塩素酸濃度が０ｐｐｍとなっているが、これはｐＨ９では次亜塩素酸が次亜塩素イオンに代わってしまうためである。次亜塩素酸イオンでは殺菌性が低下するため、好ましくない。

本実施形態のように、アルカリ性水を混合する第２陰極室３０ｂの陰極接触面積を陽極室の陽極接触面積の５０％とした場合、すなわち、生成されたアルカリ性水の５０％を混合する場合、次亜塩素酸水のｐＨは５〜６．５の微酸性となり、次亜塩素酸濃度も８０ｐｐｍと高くなる。

混合する第２陰極室３０ｂの陰極面積を陽極面積に対して変化させた場合、上述したアルカリ性水の混合無しと全量混合との間を、陰極面積増でアルカリ側寄り、陰極面積減で酸側寄りへ変動する。

生成する次亜塩素酸水がｐＨ５より酸性度の強い水である場合、次亜塩素酸から塩素ガスが酸性度に応じて発生する。そのため、高濃度の次亜塩素酸は塩素ガス被毒の可能性を生じる。次亜塩素酸からの塩素ガス発生は、ｐＨ５以上ではほとんど生じないことから、アルカリ性水を混合した後の次亜塩素酸水のｐＨは５以上が望ましい。また、ｐＨ７を超えてアルカリ側になると、次亜塩素酸は次亜塩素酸イオンに変化して殺菌機能の低下を招く。このため、次亜塩素酸水のｐＨとしては５〜８が望ましい。

このような望ましいｐＨを実現する第２陰極室３２ｂの面積比率、すなわち、陽極面積に対する第２陰極室３２ｂの陰極面積の比率は、３０〜８０％である。本実施形態によれば、例えば、第１陰極室３２ａと第２陰極室３２ｂとを仕切っている隔壁３２の位置を調整することにより、各陰極室の面積、陰極と接触する陰極面積を任意に調整することができる。

以上のように、本実施形態に係る電解水生成装置によれば、電解槽１１の陰極室１５ｃを第１陰極室３０ａと第２陰極室３０ｂとに区画分けし、一方の第２陰極室３０ｂで生成されるアルカリ性水の全てを陽極室１５ｂで生成される酸性水に混合することで、正確なｐＨ制御を行うことができる。これは、アルカリ生成物は、水量とは無関係に電解電荷に比例して生成されるためである。電極のような低抵抗の板では、アルカリ生成物の生成量は、水と接触する領域の面積に比例し、酸性水量やアルカリ性水量とは無関係である。このため、電解水生成装置では、水量などを変えても、調整したｐＨが変動することがなく、結果的に１００ｐｐｍを超える高濃度の次亜塩素酸水を生成した場合でも、塩素ガス被毒の問題は発生しない。

以上のことから、本実施形態によれば、生成する水のｐＨを正確に調整でき、中性域の次亜塩素酸水を生成することが可能な電極ユニット、およびこれを備える電解水生成装置を提供することができる。
なお、上述した実施形態では、２隔膜３室型の電解槽を用いているが、電解槽は、これに限らず、１隔膜２室型の構成としてもよい。電解液は塩水、生成水は次亜塩素酸水としたが、これらに限定されることなく、種々の電解液、生成水を適用することができる。本生成装置の本質は、混合する水を生成する陰極面積を陽極面積に対して規定することで正確に酸生成物にアルカリ生成物を混合するものであり、この作用が適用できるものであれば、どのような電解液、生成水でも適用可能である。

本実施形態では陽極室で生成された酸性水を第２陰極室に導きアルカリ性水と混合する構成としたが、流水する順序を限定するものではなく、逆に、酸性水を第１陰極室に送るようにしてもよい。また、第１陰極室および第２陰極室を適宜、切り替える構成としてもよい。このように陰極室を交互に切り替える場合、スケール防止を図ることもできる。

次に、変形例および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、以下に説明する変形例および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１変形例）
図８は、第１変形例に係る電解水生成装置を示すブロック図である。この電解水生成装置の基本的な構成は第１の実施形態と同じである。

第１変形例によれば、陽極室１５ｂの上部から酸性水を排出する第２排水配管２１ｂは、第２陰極室３０ｂに接続されることなく排出側に延出している。第２陰極室３０ｂに給水配管２１ａから水を供給し、第２陰極室３０ｂで生成したアルカリ性水を混合配管２１ｆから排出する。混合配管２１ｆは、３方弁（第１切換え弁）６０を介して、第２排水配管２１ｂに接続されている。３方弁６０は、配管５４ｂを介して第３排水配管２１ｃに接続されている。

３方弁６０を切換えることにより、第２陰極室３０ｂで生成されたアルカリ性水を、混合配管２１ｆから第２排水配管２１ｂに送り酸性水に混合するか、あるいは、第３排水配管２１ｃに送り、第１陰極室３０ａから送られたアルカリ性水と共に排出するか、選択することができる。本装置によれば、３方弁６０により、アルカリ性水を混合すれば中性の次亜塩素酸水を、混合しなければ酸性の次亜塩素酸水を選定することが可能となる。

（第２変形例）
図９は、第２変形例に係る電解水生成装置を示すブロック図である。この電解水生成装置の基本的な構成は第１の実施形態および第１変形例と同じである。

第２変形例によれば、第１陰極室３０ａで生成されたアルカリ性水を排出する第３排水配管２１ｃは、３方弁（第２切換え弁）６２および配管５４ｃを介して、第２排水配管２１ｂに接続されている。３方弁６２を切り替えることにより、第１陰極室３０ａで生成されたアルカリ性水を、第２排水配管２１ｃに送り酸性水に混合するか、あるいは、酸性水と混合することなく第３排水配管２１ｃを通って排出するか、選択することができる。

また、陽極室１５ｂの上部から酸性水を排出する第２排水配管２１ｂは、第２陰極室３０ｂに接続されることなく排出側に延出している。第２陰極室３０ｂに給水配管２１ａから水を供給し、第２陰極室３０ｂで生成したアルカリ性水を混合配管２１ｆから排出する。混合配管２１ｆは、３方弁６０および配管５４ｂを介して、第２排水配管２１ｂおよび第３排水配管２１ｃに選択的に接続可能である。３方弁６０を切換えることにより、第２陰極室３０ｂで生成されたアルカリ性水を、混合配管２１ｆから第２排水配管２１ｂに送り酸性水に混合するか、あるいは、酸性水と混合することなく第３排水配管２１ｃに送り、第１陰極室３０ａから送られたアルカリ性水と共に排出するか、選択することができる。
本装置によれば、３方弁６０、６２を適宜切換えることにより、陽極室１５ｂで生成された酸性水に混合するアルカリ性水を、第１陰極室３０ａで生成されたアルカリ性水、第２陰極室３０ｂで生成されたアルカリ性水のいずれか、または、両方に、選択することができる。

（第２の実施形態）
図１０は、第２の実施形態に係る電解水生成装置を示すブロック図、図１１は、第２の実施形態に係る電解水生成装置の電解槽を構成する陰極カバーを示す斜視図である。第１の実施形態において、電解槽１１の陰極室１５ｃは、第１、第２の２つに分割しているが、更に多数に分割し、３方弁などにより多段階に混合比率を選定できるようにしてもよい。第２の実施形態によれば、陰極室１５ｃは、第１、第２、第３陰極室３０ａ、３０ｂ、３０ｃの３つに分割している。

図１０に示すように、原水供給部２１は、給水源から陽極室１５ｂの下部および第１陰極室３０ａの下部に水を導く給水配管２１ａと、第１陰極室３０ａを流れた水を第１陰極室３０ａの上部から排出する第３排水配管２１ｃと、第３排水配管２１ｃ中に設けられた気液分離器２７と、を備えている。

混合排出部３１は、陽極室１５ｂを流れた水を陽極室１５ｂの上部から排出し第２陰極室３０ｂの下部および第３陰極室の下部に導入する混合配管２１ｆと、第２陰極室３０ｂを流れた水、および第３陰極室３０ｃを流れた水を、第２および第３陰極室３０ｂ、３０ｃの上部から排水する第１排水配管２１ｄと、を備えている。更に、混合排出部３１は、第３陰極室３０ｃから延びる第１排水配管２１ｄの中途部に設けられた３方弁６４を有している。第２排水配管２１ｄは、３方弁６４を介して第３排水配管２１ｃにも接続されている。すなわち、第３陰極室３０ｃは、３方弁６４を切り換えることにより、第１排水配管２１ｄおよび第３排水配管２１ｃのいずれかに選択的に接続することができる。

図１１に示すように、電解槽１１の陰極カバー２６は、陰極２０に対向する内面２６ａと、反対側の外面と、を有している。陰極カバー２６の内面２６ａに矩形状の凹所が形成され、この凹所により陰極室１５ｃを形成している。凹所の中央部に鉛直方向に延びる２つの隔壁３２ａ、３２ｂが設けられ、これらの隔壁３２ａ、３２ｂにより、陰極室１５ｃは、第１陰極室３０ａと第２陰極室３０ｂと第２陰極室３０ｃとに３分されている。第１、第２、および第３陰極室３０ａ、３０ｂ、３０ｃは、それぞれ矩形状に形成され、ほぼ水平方向に並んで位置している。第１陰極室３０ａ、第２陰極室３０ｂ、および第３陰極室３０ｃは、それぞれ陰極２０の有効反応領域の面積の約３３％に接している。すなわち、第１、第２、第３陰極室３０ａ、３０ｂ、３０ｃは、陽極室１５ｂに接する陽極１４の面積よりも小さい面積で陰極２０にそれぞれ接している。

第１、第２、第３陰極室３０ａ、３０ｂ、３０ｃには、それぞれ水を流す複数の流路が設けられている。すなわち、第１陰極室３０ａには、複数の直線状のリブ３３ａにより、それぞれ鉛直方向に延びる複数の直線状の第１流路３４ａが形成されている。第１陰極室３０ａの側縁に沿って延びた上下一対の横溝３５ａが形成されている。各横溝３５ａは第２流路を形成し、前述した複数の第１流路３４ａに連通している。

陰極カバー２６の一側面下部に第２流入口３９ａが形成され、下側の横溝３５ａの一端に連通している。陰極カバー２６の一側面上部に第２流出口４１ａが形成され、上側の横溝３５ａの一端に連通している。これら第２流入口３９ａおよび第２流出口４１ａに給水配管２１ａおよび第３排水配管２１ｃがそれぞれ接続される。

第２陰極室３０ｂには、それぞれ鉛直方向に延びる複数の直線状の第１流路３４ｂ、およびそれぞれ水平方向に延びる上下一対の横溝３５ｂからなる第２流路が形成されている。陰極カバー２６の他側面下部に第３流入口３９ｂが形成され、下側の横溝３５ｂの一端に連通している。陰極カバー２６の他側面上部に第３流出口４１ｂが形成され、上側の横溝３５ｂの一端に連通している。これら第３流入口３９ｂおよび第３流出口４１ｂに混合配管２１ｆおよび第１排水配管２１ｄがそれぞれ接続される。

同様に、第３陰極室３０ｃには、それぞれ鉛直方向に延びる複数の直線状の第１流路３４ｃ、およびそれぞれ水平方向に延びる上下一対の横溝３５ｃからなる第２流路が形成されている。陰極カバー２６の下側面ほぼ中央部に第４流入口３９ｃが形成され、下側の横溝３５ｃの一端に連通している。陰極カバー２６の上側面ほぼ中央部に第４流出口４１ｃが形成され、上側の横溝３５ｃの一端に連通している。これら第４流入口３９ｃおよび第４流出口４１ｂに混合配管２１ｆおよび第１排水配管２１ｄがそれぞれ接続される。
なお、電解水生成装置の他の基本構成は、第１の実施形態と同一である。

上記のように構成された第２の実施形態に係る電解水生成装置によれば、図１０に示すように、陽極室１５ｂで生成された酸性水（次亜塩素酸水および塩酸）は、陽極室１５ｂから混合配管２１ｆを通って第２陰極室３０ｂおよび第３陰極室３０ｃに流入する。また、中間室１５ａへ流入した塩水中において電離しているナトリウムイオンは、陰極２０に引き寄せられ、陽イオン交換膜１８を通過して、第１、第２、第３陰極室３０ａ、３０ｂ、３０ｃへ流入する。各陰極室において、陰極２０で水が電気分解されて水素ガスと水酸化ナトリウム水溶液が生成される。ここで、陰極室は、陰極２０を３３％ずつ３分した第１陰極室３０ａ、第２陰極室３０ｂ、第３陰極室３０ｃの３つで構成されている。そして、第１陰極室３０ａで生成された水酸化ナトリウム水溶液および水素ガスは、第１陰極室３０ａから第３排水配管２１ｃに流出し、気液分離器２７により、水酸化ナトリウム水溶液と水素ガスとに分離される。分離された水酸化ナトリウム水溶液（アルカリ性水）は、第３排水配管２１ｃを通って排出される。

一方、第２陰極室３０ｂで生成された水酸化ナトリウム水溶液および水素ガスは、陽極室１５ｂから送られた酸性水と混合され、混合された水は第２陰極室３０ｂから第１排水配管２１ｄを通って排水される。また、第３陰極室３０ｃで生成された水酸化ナトリウム水溶液および水素ガスは、陽極室１５ｂから送られた酸性水と混合される。３方弁６４を切換えることにより、第３陰極室３０ｃで生成された混合水を、第３排水配管２１ｃに送ってアルカリ性水と共に排出するか、あるいは、第１排水配管２１ｄに送って他の混合水と混合するか、を選択することができる。

このように、陰極室１５ｃで生成されたアルカリ性水の３３％は、第３排水配管２１ｃから排出され、残り３３％あるいは６６％は、陽極室１５ｂで生成された酸性水の１００％と混合され、所望のｐＨの酸性水に調整した後、排出される。そして、３方弁６４を切り換えることにより、アルカリ性水の混合比率およびｐＨを２段階に選定することができる。その他、第２の実施形態においても、前述した第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

（第３の実施形態）
図１２は、第３の実施形態に係る電解水生成装置を示すブロック図である。第３の実施形態によれば、電解水生成装置は、複数、例えば、２つの同一構造の電解槽を備え、２つの電解槽の陽極室で生成された酸性水に、一方の電解槽の陰極室で生成されたアルカリ性水のみを混合することにより、所望ｐＨの水を生成する。すなわち、生成した酸性水の１００％に対して、生成したアルカリ性水の５０％を混合する構成としている。

詳細に説明すると、図１２に示すように、電解水生成装置は、第１電解槽１１ａおよび第２電解槽１１ｂを備えている。本実施形態において、第１電解槽１１ａおよび第２電解槽１１ｂは、同一の構成および同一の寸法に形成されている。必要に応じて、電解槽を互いに異なる寸法に形成してもよい。

第１電解槽１１ａは、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）１６および陽イオン交換膜（第２隔膜）１８により、中間室１５ａと、中間室１５ａの両側に位置する陽極室１５ｂおよび陰極室１５ｃとに仕切られている。陽極室１５ｂ内に陽極１４が設けられ、陰イオン交換膜１６に対向している。陰極室（第１陰極室）１５ｃ内に陰極２０が設けられ、陽イオン交換膜１８に対向している。陽極１４および陰極２０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。これより、第１電解槽１１ａにおける陽極１４の有効反応領域の面積と陰極２０における有効反応領域の面積とは、ほぼ等しい大きさになっている。

第２電解槽１１ｂは第１電解槽１１ａと同様に構成され、中間室１５ａと、中間室１５ａの両側に位置する陽極室１５ｂおよび陰極室(第２陰極室)１５ｃとを有している。これより、第２電解槽１１ｂにおける陽極１４の有効反応領域の面積と陰極２０における有効反応領域の面積とは、ほぼ等しい大きさになっている。

本実施形態に示す電解水生成装置では、第１電解槽１１ａにおける陽極１４の有効反応領域の面積と第２電解槽１１ｂにおける陽極１４の有効反応領域の面積とを合わせた陽極の有効反応領域の全面積の大きさと比べて、第１電解槽１１ａにおける陰極２０の有効反応領域の面積、或いは、第２電解槽１１ｂにおける陰極２０の有効反応領域の面積の方が、それぞれ小さくなっている。

電解水生成装置は、第１、第２電解槽１１ａ、１１ｂの中間室１５ａに電解液、例えば、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に電解原水、例えば、水を供給する原水供給部２１と、陽極１４および陰極２０に正電圧および負電圧をそれぞれ印加する電源２３と、を備えている。更に、電解水生成装置は、両方の電解槽の陽極室１５ｂで生成された酸性水（陽極生成物質）と、第１および第２電解槽１１ａ、１１ｂのいずれか一方、例えば、第１電解槽１１ａの陰極室１５ｃで生成されたアルカリ性水（陰極生成物質）とを混合した後、排出する混合排出部３１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。

原水供給部２１は、水を供給する図示しない給水源と、給水源から第２電解槽１１ｂの陽極室１５ｂおよび陰極室１５ｃの下部、並びに、第１電解槽１１ａの陰極室１５ｃの下部に水を導く給水配管２１ａと、第２電解槽１１ｂの陰極室１５ｃで生成された水を陰極室１５ｃの上部から排出する第３排水配管２１ｃと、第３排水配管２１ｃ中に設けられた気液分離器２７と、を備えている。

混合排出部３１は、第１電解槽１１ａの陰極室１５ｃを流れた水（アルカリ性水）を陰極室１５ｃの上部から排出し第１電解槽１１ａの陽極室１５ｂの下部に導入する混合配管２１ｆと、第１および第２電解槽１１ａ、１１ｂの陽極室１５ｂを流れた水（酸性水）をこれらの陽極室１５ｂの上部から排出し混合する第２排水配管２１ｂと、を備えている。

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１２に示すように、送液ポンプ２９を作動させ、電解槽１１の中間室１５ａに飽和塩水を供給するとともに、第１電解槽１１ａの陰極室１５ｃ、および第２電解槽１１ｂの陽極室１５ｂおよび陰極室１５ｃに水を給水する。同時に、電源２３から正電圧および負電圧を両電解槽１１ａ、１１ｂの陽極１４および陰極２０にそれぞれ印加する。

各電解槽の中間室１５ａ内へ流入した塩水中において電離しているナトリウムイオンは、陰極２０に引き寄せられ、陽イオン交換膜１８を通過して、陰極室１５ｃへ流入する。陰極室１５ｃにおいて、陰極２０で水が電気分解されて水素ガスと水酸化ナトリウム水溶液が生成される。第２電解槽１１ｂの陰極室１５ｃで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３排水配管２１ｃに流出し、気液分離器２７により、水酸化ナトリウム水溶液と水素ガスとに分離される。分離された水酸化ナトリウム水溶液（アルカリ性水）は、第３排水配管２１ｃを通って排出される。
一方、第１電解槽１１ａの陰極室１５ｃで生成された水酸化ナトリウム水溶液および水素ガスは、混合配管２１ｆを通って第１電解槽１１ａの陽極室１５ｂへ送られる。

また、各電解槽の中間室１５ａ内の塩水中において電離している塩素イオンは、陽極１４に引き寄せられ、陰イオン交換膜１６を通過して、陽極室１５ｂへ流入する。そして、陽極１４にて塩素イオンが還元され塩素ガスが発生する。その後、塩素ガスは陽極室１５ｂ内で水と反応して次亜塩素酸水と塩酸を生じる。このようにして第１電解槽１１ａの陽極室１５ｂで生成された酸性水（次亜塩素酸水および塩酸）は、陰極室１５ｃから送られたアルカリ性水と混合され、混合された水は陽極室１５ｂから第２排水配管２１ｂを通って排水される。第２電解槽１１ｂの陽極室１５ｂで生成された酸性水は、陽極室１５ｂから第２排水配管２１ｂを通って排水され、その際、第１電解槽１１ａの陽極室１５ｂから排水された混合水と更に混合される。

このように、一方の電解槽１１ａで生成されたアルカリ性水は、第１および第２電解槽１１ａ、１１ｂの両方で生成された酸性水に混合され、所望のｐＨの酸性水に調整した後、排出される。また、他方の電解槽１１ｂで生成されたアルカリ性水は、混合されることなく、第３排水配管２１ｃから排出される。２つの電解槽１１ａ、１１ｂを設置し、一方の電解槽１１ａでは陰極室１５ｃで生成した水を陽極室１５ｂに給水して、結果的に陽極面積比率で５０％の陰極面積で生成されるアルカリ生成物を酸性水中に混合させている。

以上のことから、第３の実施形態によれば、生成する水のｐＨを正確に調整でき、中性域の次亜塩素酸水を生成することが可能な電解水生成装置を提供することができる。なお、電解槽の数は、２つに限らず、３つ以上としてもよく、この場合、混合比率を変えて、種々のｐＨの水を生成することができる。また、２つの電解槽の寸法、特に、陰極および陽極の寸法が第１電解槽と第２電解槽とで互いに異なるように構成してもよい。この場合、生成する水のｐＨに応じて、寸法を選択することができる。

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。

１１…電解槽、１１ａ…第１電解槽、１１ｂ…第２電解槽、１４…陽極、
１５ａ…中間室、１５ｂ…陽極室、１５ｃ…陰極室、１６…陰イオン交換膜、
１８…陽イオン交換膜、２０…陰極、２１ａ…給水配管、２１ｄ…第１排水配管、
２１ｂ…第２排水配管、２１ｃ…第３排水配管、２１ｆ…混合配管、
２２…中間フレーム、２４…陽極カバー、２６…陽極カバー、３０ａ…第１陰極室、
３０ｂ…第２陰極室、３０ｃ…第３陰極室、３２…混合排出部、
６０、６２、６４…３方弁

Claims (12)

1. 陽極およびこの陽極を覆う陽極室と、陰極およびこの陰極を覆う陰極室と、を有し、前記陰極室は、前記陽極室に接する前記陽極の面積よりも小さい面積で前記陰極にそれぞれ接する第１陰極室および第２陰極室を含んでいる電解槽と、
   前記第１陰極室および第２陰極室のいずれか一方で生成された陰極生成物質と前記陽極室で生成された陽極生成物質とを混合して排出する混合排出部と、
   を備える電解水生成装置。
2. 前記混合により生成される水のｐＨが５〜８である請求項１に記載の電解水生成装置。
3. 前記混合により生成される水の有効塩素濃度が１００ｐｐｍ以上である請求項１又は２に記載の電解水生成装置。
4. 前記陽極室が接する前記陽極の面積に対する前記一方の陰極室が接する陰極面積の比率は３０〜８０％である請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電解水生成装置。
5. 前記混合排出部は、前記陽極室で生成される水を前記一方の陰極室に導入する混合配管と、前記一方の陰極室内で混合された水を排出する第１排水配管と、を備えている請求項１ないし４のいずれか１項に記載の電解水生成装置。
6. 前記混合排出部は、前記陽極室で生成された水を排出する第２排水配管と、前記一方の陰極室で生成された水を前記陽極室に導入する混合配管と、を備えている請求項１ないし４のいずれか１項に記載の電解水生成装置。
7. 前記混合排出部は、前記陽極室で生成された水を排出する第２排水配管と、前記一方の陰極室で生成された水を前記第２排水配管に導入する混合配管と、を備えている請求項１ないし４のいずれか１項に記載の電解水生成装置。
8. 前記第１陰極室および第２陰極室の他方の陰極室で生成された水を排出する第３排水配管を備え、
   前記混合排出部は、前記混合配管の中途部に設けられた第１切換え弁と、前記第１切換え弁と前記第３排水配管に接続した配管と、を備え、前記第１切換え弁により、前記混合配管を通る水を前記第２排水配管あるいは前記第３排水配管へ選択的に送る請求項７に記載の電解水生成装置。
9. 前記第３排水配管の中途部に設けられた第２切換え弁と、前記第２切換え弁と前記第２排水配管と接続する配管と、を備え、前記第１切換え弁および第２切換え弁を切換えることにより、前記第１陰極室あるいは第２陰極室で生成された水を前記第２排水配管へ送り、前記陽極室で生成された水と混合する請求項８に記載の電解水生成装置。
10. 前記陰極室は、前記陽極室に接する前記陽極の面積よりも小さい面積で前記陰極にそれぞれ接する第１陰極室、第２陰極室、および第３陰極室に分けられ、
    前記混合排出部は、前記第２陰極室で生成された陰極生成物質および第３陰極室で生成された陰極生成物質の一方あるいは両方と前記陽極室で生成された陽極生成物質とを選択的に混合して排出する請求項１に記載の電解水生成装置。
11. 前記電解槽は、前記陰極を構成する陰極カバーを備え、
    前記陰極カバーは、前記陰極に対向し陰極室を形成する凹所と、前記凹所に設けられ、陰極室を前記第１陰極室と第２陰極室とに区画した隔壁と、前記第１陰極室内に形成された水が流れる流路と、前記第２陰極室内に形成され水が流れる流路とを有している請求項１ないし９のいずれか１項に記載の電解水生成装置。
12. 陽極およびこの陽極を覆う陽極室と、陰極およびこの陰極を覆う第１陰極室と、を有する第１電解槽と、
    陽極およびこの陽極を覆う陽極室と、陰極およびこの陰極を覆う第２陰極室と、を有する第２電解槽と、
    前記第１電解槽の第１陰極室で生成された陰極生成物質を、前記第１および第２電解槽の陽極室で生成された陰極生成物質と混合し排出する混合排出部と、
    を備える電解水生成装置。

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