JP2018030068A - 電解水生成装置、及び電解水生成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 電解水生成装置を用いて効率良く電解を行う。【解決手段】 実施形態にかかる電解水生成装置は、陽極電極を有する陽極室、陽極室と第１の隔膜により仕切られた中間室、及び中間室と第２の隔膜により仕切られ、陰極電極を有する陰極室を含む電解セルと、中間室から電解質水溶液を取り出す電解質水溶液排出ラインと、電解質水溶液排出ラインに設けられた開閉可能な絞り部とを含む。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、電解水生成装置、及び電解水生成方法に関する。

水を電解して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。

このような電解水を生成する装置としては、１隔膜２室型電解セルや、２隔膜３室型電解セルを有する装置がある。１隔膜２室型電解セルでは、陽極を収納した陽極室と陰極を収納した陰極室を特定イオンだけ通過させる隔膜で隔てて対向させた電解セルに電解質として例えば塩を混ぜた水を流水させ、陽極室で酸性水を、陰極室でアルカリ性水を生成するものである。酸性水としては次亜塩素酸と塩酸の混合したもの、アルカリ性水としては水酸化ナトリウム水や溶存水素を含んだ水などが知られている。２隔膜３室型電解セルでは、生成された酸性水およびアルカリ性水に塩分が混入するのを防ぐため、陽極室と陰極室の間に塩水などの電解質液を満たした中間室を配置し、中間室と陽極室の間を陰イオン交換膜、中間室と陰極室の間を陽イオン交換膜で隔て、塩水から電解に必要な陰イオンあるいは陽イオンだけを陽極室あるいは陰極室に通過させる構造としている。また、イオン交換膜の代わりに多孔質膜を用いることもできる。

陽極室で生成された次亜塩素酸水は殺菌消毒水として活用されている。一方、陰極室では陰イオン交換膜を透過したナトリウムイオンにより水酸化ナトリウムが生成されアルカリ性になる。

次亜塩素酸の生成効率は隔膜と陽極との間の距離に依存する。距離が短いと膜を透過した塩素イオンが高い濃度で電極に達するため高濃度の次亜塩素酸が生成される。一方、電極と隔膜の距離は中間室を流れる塩水の圧力に依存する。中間室の圧力が高いと膜を電極に押し付ける方向になる。

中間室に圧力をかけるために、中間室出口から流れ出ている塩水配管にバルブ等を設けて水流を絞っている。この場合、塩水に圧力はかかるものの、水の流れを妨げるため塩水の流量が低下し、中間室にガスが流れ込んだ場合に低流量ではガスを流し出すことができなくなり、中間室にガスが充満して電解ができなくなるという問題がある。

特許第３２８７６４９号公報 特許第３５００１７３号公報

本発明の実施形態は、効率良く電解を行うことを目的とする。

実施形態によれば、陽極電極を有する陽極室、前記陽極室と第１の隔膜により仕切られた中間室、及び前記中間室と第２の隔膜により仕切られ、陰極電極を有する陰極室を含む電解セルと、
前記中間室に無機塩化物を含む電解質水溶液を供給する電解質水溶液供給ラインと、
前記中間室から電解質水溶液を取り出す電解質水溶液排出ラインと、
前記電解質水溶液排出ラインに設けられた開閉可能な絞り部とを含むことを特徴とする電解水生成装置が得られる。

実施形態にかかる電解水生成装置の構成の一例を表す図である。 実施形態にかかる電解水生成装置の構成の他の一例を表す図である。 実施形態にかかる電解水生成装置の構成の他の一例を表す図である。

実施形態にかかる電解水生成装置は、陽極電極を有する陽極室、陽極室と第１の隔膜により仕切られた中間室、及び中間室と第２の隔膜により仕切られ、陰極電極を有する陰極室を含む電解セルと、中間室に無機塩化物を含む電解質水溶液を供給する電解質水溶液供給ラインと、中間室から電解質水溶液を取り出す電解質水溶液排出ラインとを含み、電解質水溶液排出ラインには開閉可能な絞り部が設けられている。

また、実施形態にかかる電解水生成方法は、上記電解水生成装置により電解水を生成する電解水生成方法であり、電解質水溶液供給ラインを通して中間室に無機塩化物を含む電解質水溶液を供給し、陽極室及び陰極室に給水ラインを通して各々水を供給し、陽極室から酸性電解水ラインを通して次亜塩素酸水と塩素ガスを取り出し、
陰極室からアルカリ性電解水ラインを通してアルカリ性電解水を取り出し、
絞り部にて電解質水溶液に背圧をかけて前記中間室を陽圧に維持すると共に、絞り部を一時的に開放して電解質水溶液を流す。

実施形態を用いると、中間室を陽圧に維持する絞り部を一時的に開放して電解質水溶液を流すことにより、陰極電極で発生する水素ガス等のガスを中間室から排出することができる。さらに、絞り部の開放を停止して電解質水溶液に背圧をかけると、再び中間室を陽圧に維持できる。このように、実施形態によれば、中間室にガスが滞留することを抑制すること、及び中間室を陽圧に維持することにより、電解セルにおける電解を効率良く行うことができる。

中間室を陽圧に維持すると、以下のように、次亜塩素酸の生成効率を高めることができる。

次亜塩素酸の生成は、隔膜を透過した塩素イオンが陽極に電子を放出して塩素ガスになり水と反応することで生成される。陽極表面の反応は塩素ガス発生のほかに酸素ガス発生の競合反応も存在する。次亜塩素酸の生成効率を高めるためには極力酸素ガス発生の反応を抑制することが必要であり、そのためにはなるべく電極近傍に塩素イオンが多く存在する状況を作り出すことが求められる。塩素イオンは中間室の高濃度の無機塩化物を含む電解質水溶液例えば食塩水から陰イオン交換膜や多孔膜などの隔膜を透過して陽極にたどり着く。しかしながら、隔膜の表面では塩素イオン濃度が高いものの、電極まで距離があると陽極室内を流れる水流によって塩素イオンが流されてしまい、電極にたどり着く間に塩素イオン濃度が急激に低下してしまう。また電解質の濃度が低下するためにセル電圧が上昇し、電解するための電力が増加してしまう。そのため隔膜表面と電極表面が近いことが望まれる。隔膜の耐久性が高ければ隔膜と電極が接触していることが望まれる。

一方、電極と隔膜の距離は中間室を流れる食塩水の圧力と陽極室を流れる酸性水の水圧差に依存する。隔膜は電極の中間室側にあるため、中間室の圧力が高くなると、隔膜を電極に押し付ける方向に力がかかる。また、隔膜に多孔膜を用いた場合、中間室の圧力を高めることにより、塩水を細孔から陽極室や陰極室に押し出すことができる。

このようなことから、実施形態では中間室を陽圧に維持する。

また、実施形態では、例えば図１から図３に示すような開放可能な絞り部を使用することにより、中間室にガスが滞留することを抑制することができる。

以下、図面を参照し、実施形態について具体的に説明する。

図１は、実施形態にかかる電解水生成装置の構成の一例を表す図である。

図示するように、この電解水生成装置１０は、陽極室１と、中間室２と、陰極室３と、中間室２と陽極室１の間を仕切る第１の隔膜４と、中間室２と陰極室３の間を仕切る第２の隔膜５とを有する２隔膜３室型の電解セル１２を有する。中間室２には電解質水溶液として例えば飽和食塩水を供給する電解質水溶液供給ライン６が接続され、陽極室１には開閉可能な電磁弁１８が設けられた第１の給水ライン７が接続され、陰極室３には第１の給水ライン７の一部から分岐された第２の給水ライン２５が接続されている。電解質水溶液供給ライン６にはポンプ２７を設けて、例えば飽和食塩水を貯留する食塩水供給タンク１９と接続することができる。また、陽極室１には陽極電極８、陰極室３には陰極電極９が備えられており、それぞれにプラスとマイナスの電圧が印加されている。なお、電解質水溶液供給ライン６にポンプ２７を設けるかわりに、食塩水供給タンク１９を電解セルよりも高所に設置し、水頭圧で飽和食塩水を供給することも可能である。第１の隔膜としては、例えば陰イオン交換膜、及び多孔質膜等を使用できる。また、第２の隔膜としては例えば陽イオン交換膜、及び多孔質膜等を使用できる。

陽極室１では、中間室２中の塩素イオンが陽極電極８に引っ張られ、第１の隔膜４を通過して陽極室１に移動し、陽極電極８で電子を渡して塩素ガスとなり、水と反応し、陽極水として、次亜塩素酸と塩酸を生じる。次亜塩素酸と塩酸を含む酸性電解水は、酸性電解水に溶解できない塩素ガスと共に酸性電解水ライン１６を通して取り出される。陰極室３では、中間室２中のナトリウムイオンが陰極電極９に引っ張られ、第２の隔膜５を通過して陰極室３に移動し、陰極電極９で水が分解した水素イオンが電子を受け取って水素ガスとなり、アルカリ性物質として水酸化ナトリウムを生じる。この水酸化ナトリウムの水溶液は、アルカリ性電解水として、アルカリ性電解水ライン１３を通して取り出される。また、中間室２に余剰の食塩水を排出する電解質水溶液排出ライン１７を設け、電解質水溶液排出ライン１７を食塩水供給タンク１９と接続することができる。これにより、飽和食塩水を循環させることが可能である。さらに、中間室２の出口付近の電解質水溶液排出ライン１７には、開閉可能な絞り部１１が設けられている。絞り部１１は食塩水供給タンク１９よりも前段に設けられる。

絞り部１１として、定期的に絞りを開放する機構を設けることができる。例えば図示するように、絞り２１と並列に開閉バルブ２２を設けることができる。絞り２１として例えば調整バルブ、もしくは背圧弁等が使用できる。開閉バルブ２２として例えば電磁弁等を用いることができる。この絞り部１１では、絞り２１にて中間室２から排出される食塩水に背圧をかけて中間室２を陽圧に維持すると共に、開閉バルブ２２を一時的に開放して食塩水を流すことにより、中間室２に溜まったガスを抜くことができる。開閉バルブ２２の開時間と閉時間では閉時間の方を長くすることができ、例えば開時間は閉時間の１０分の１以下にすることができる。開時間が長すぎると塩水に圧力がかかる時間が短くなり、その間の電圧上昇や有効塩素低下により電力消費が大きくなり、酸性水の特性が低下する傾向がある。また極端に閉時間が短いと中間室に溜まったガスを抜くことが出来ない傾向がある。バルブの開放時間は１〜２０秒程度にすることができ、さらには２〜１０秒程度にすることができる。

開閉バルブ２２を開くタイミングとして、一定時間ごとに開放する方法と、ガスが溜まった場合に開放する方法がある。一定時間ごとに開放する方法は装置が簡単であるため有利であるが、必要以上に開放する時間を長くなること、及び十分にガスが抜けきらずに閉めてしまうことなどの問題がある。一方、ガスの滞留量を検知してバルブを開放する方法はこのような問題に対して有効ではあるもののセンサーなどを設ける必要があるため絞りを開放する機構が複雑な構造となる傾向がある。

また、図示するように、食塩水を循環させる場合には、食塩水は食塩水を貯留するタンク１９から配管を通してポンプ２７に流入し、ポンプ２７の吐出力によって電解セル１２の中間室２下端に流れ込む。電解セル１２に流れ込んだ食塩水は塩素イオンおよびナトリウムイオンが消費され、食塩濃度が低下した食塩水は電解セル１２の上端から流れ出て再びタンクに戻る経路になる。セル抵抗を低減するために高濃度の食塩水（飽和食塩水）を用いた場合、塩素イオンの消費量を考えると数ｍｌ／分という少ない量を流すだけで十分であるため、低パワーのポンプを使用することができる。それに対して、酸性水には数Ｌ／分の流量を流すため、そのままでは陽極室側の水圧が高くなってしまうので、中間室を陽圧にするためにセルの塩水の出口に絞り部１１を設けることができる。ただしバルブを絞りすぎると食塩水の流れが小さくなりポンプのパワーが弱い場合には流れが止まってしまうことも考えられる。

陰極室３側での反応は、ナトリウムイオンが例えば陽イオン交換膜もしくは多孔膜などからなる第２の隔膜５を透過し、陰極９表面で水素ガスが生成される。出来た水素ガスはアルカリ性電解水とともに陰極室３からアルカリ性電解水ライン１３を通して流れ出るが、分子が小さい水素ガスは一部再び第２の隔膜５を透過して中間室２側に流れ込んでしまうことがある。中間室２の食塩水の流れが小さい場合、中間室２に徐々に水素ガスが溜まり、水素ガスによって電解セル１２内の食塩水の水位が下がると、セル１２上部は電解に寄与できなくなる。

これに対し、実施形態では、低パワーのポンプを用いた場合でも中間室２にガスが溜まらないように、中間室２を陽圧に維持する方法として、食塩水出口の絞りを定期的にタンク側に開放する絞り部１１を設置している。開閉バルブ２２を一時的に開放して食塩水を流すこと食塩水の流れが大きくなり、それに伴って中間室２に滞留したガスが食塩水とともに流れ出る。これにより、中間室２が再び食塩水で満たされることで電解セル１２全体で電解できるようになる。

図２に、実施形態にかかる電解水生成装置の構成の他の一例を表す図を示す。

図示するように、この電解水生成装置２０は、絞り２１と並列に開閉バルブ２２を設けた絞り部１１の代わりに、所定の調整値と全開とが操作可能な絞り２３と、絞り２３に接続され、所定の調整値と全開の操作を制御する絞り制御部２４とを含む絞り部１１’を設けること以外は、図１と同様の構成を有する。

この電解水生成装置２０では、食塩水にかかる背圧に関し、絞り部１１’設定の調整値と全開との間を操作することで、図１に示す絞り部１１と同様の効果が期待できる。

例えば絞り２３として電磁弁を適用し、設定の調整値として、例えば、絞り量を電磁弁のモーターの回転角で記憶させることができる。所定の調整値に相当する回転角と全開に相当する回転角との間を絞り制御部２４で制御してモーターを回転させ、電磁弁を操作することができる。

モーターとして、ステッピングモーター、サーボモーター等を使用することができる。

食塩水の水圧は、酸性電解水の水圧より高くすることができる。水圧差は２ｋＰａ以上高くすることができる。さらには水圧差５ｋＰａ以上高くすることができる。絞り部の開放時に塩水の流れで溜まったガスを流すためには、水圧が２ｋＰａ以下になるまで開放することができ、さらには０．５ｋＰａ以下にすることができる。

絞り部の開放により食塩水と共にガスは食塩水タンク１９に流れ込みそこで大気に開放される。電解セル１２から直接大気に開放すると食塩水も一緒に大気に放出されてしまうために、食塩水タンク１９を経由した後に大気開放することができる。食塩水タンクの形態は開放状態になっているか、もしくはガスが抜ける程度の隙間を持った密閉度にすることができる。またガスが抜けやすいようにセルの上端よりも食塩水タンクの食塩水戻りの入口の方が高い位置にすることができる。さらに、セルの上端から塩水タンクの塩水戻りの入口の間の配管の経路において部分的に低い場所や高い場所が存在しないようにすることができる。部分的な高い場所や低い場所があるとそこにガスが溜まりやすくなってしまう。セルの上端から排出されるガスが上側に向いた配管を通って塩水タンクに接続されることで、容易にガスを抜くことが出来る。

図３は、実施形態にかかる電解水生成装置の構成の他の一例を表す図を示す。

この電解水生成装置３０では、図示するように、電解質水溶液排出ライン１７を食塩水供給タンク１９に接続して食塩水を循環させる代わりに、電解質水溶液排出ライン１７にて電解質水溶液を排出して食塩水を循環させないこと以外は、図１と同様の構成を有する。なお、絞り部１１の代わりに、図２に示す絞り部１１’を適用することも可能である。

本発明のいくつか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されることが可能であり、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。

１…陽極室、２…中間室、３…陰極室、４…第１の隔膜、５…第２の隔膜、６…電解質水溶液供給ライン、７…第１の給水ライン、８…陽極電極、９…陰極電極、１０，２０，３０…電解水生成装置、１１，１１’…絞り部、１２…電解セル、１３…アルカリ性電解水ライン、１６…酸性電解水ライン、１７…電解質水溶液排出ライン、１８…電磁弁、１９…食塩水供給タンク、２１…絞り、２２…開閉バルブ、２３…絞り、２４…絞り制御部、２５…第２の給水ライン、２７…ポンプ

Claims (6)

1. 陽極電極を有する陽極室、前記陽極室と第１の隔膜により仕切られた中間室、及び前記中間室と第２の隔膜により仕切られ、陰極電極を有する陰極室を含む電解セルと、
   前記中間室に無機塩化物を含む電解質水溶液を供給する電解質水溶液供給ラインと、
   前記中間室から電解質水溶液を取り出す電解質水溶液排出ラインと、
   前記電解質水溶液排出ラインに設けられた開閉可能な絞り部とを含むことを特徴とする電解水生成装置。
2. 前記絞り部は、絞りと、前記絞りと並列に設けられた開閉バルブと、前記開閉バルブを全開する機構とを含むことを特徴とする請求項１に記載の電解水生成装置。
3. 前記絞り部は、全開可能な機能を備えた絞りであることを特徴とする請求項１に記載の電解水生成装置。
4. 陽極電極を有する陽極室、前記陽極室と第１の隔膜により仕切られた中間室、及び前記中間室と第２の隔膜により仕切られ、陰極電極を有する陰極室を含む電解セルと、
   前記中間室に無機塩化物を含む電解質水溶液を供給する電解質水溶液供給ラインと、
   前記中間室から電解質水溶液を取り出す電解質水溶液排出ラインと、
   前記電解質水溶液排出ラインに設けられた開閉可能な絞り部とを含む電解水生成装置により電解水を生成する電解水生成方法であって、
   前記電解質水溶液供給ラインを通して前記中間室に無機塩化物を含む電解質水溶液を供給し、
   前記陽極室及び前記陰極室に各々水を供給し、
   前記陽極室から次亜塩素酸水と塩素ガスを取り出し、
   前記陰極室からアルカリ性電解水を取り出し、
   前記電解質水溶液排出ラインを通して前記中間室から無機塩化物を排出する際に前記絞り部にて前記電解質水溶液に背圧をかけて前記中間室を陽圧に維持すると共に、前記絞り部を一時的に開放して前記中間室に滞留するガスを排出することを特徴とする電解水生成方法。
5. 前記絞り部は、絞りと、前記絞りと並列に設けられた開閉バルブと、前記開閉バルブを全開する機構とを含み、前記開閉バルブを全開して前記絞り部を開放することを特徴とする請求項４に記載の電解水生成方法。
6. 前記絞り部は、全開可能な機能を備えた絞りであり、前記絞りを全開して前記絞り部を開放することを特徴とする請求項４に記載の電解水生成方法。

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