JP2018162478A - 電解水生成装置及び電解水生成装置の運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電解水生成装置の大型化や複雑化を招くことなく、効率的に運転する。【解決手段】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、陽極と陰極が配置される電解槽と、電解槽の一次側から流入し、電解槽の二次側から流出する電解質溶液を、電解質溶液を貯留するバッファタンクとの間で循環させるポンプと、電解槽の二次側とバッファタンクとの間に設けられ、電解質溶液の循環を許容する第１の逆止弁と、電解槽と第１の逆止弁との間に配置され、第２の逆止弁を介して電解槽へ供給するための電解質溶液を貯留する貯留タンクと、ポンプを駆動して、電解槽の電解質溶液を、第１の逆止弁を介して、電解槽とバッファタンクとの間で循環する循環運転と、貯留タンクの電解質溶液を、第２の逆止弁を介し、電解槽へ供給することによって、電解槽の電解質溶液を、バッファタンクを経由して、バッファタンクに設けられた排水管路を介して排水する入替運転と、を行う制御装置と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、電解水生成装置及び電解水生成装置の運転方法に関する。

塩化ナトリウムなどの塩化物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。

酸性水やアルカリ性水を製造するための電解水生成装置の１つとして、例えば２室型或いは３室型の電解水生成装置が知られている。この種の電解水生成装置では、塩水が貯留されるタンクと電解槽との間を塩水が循環する。このため、電解槽を循環する塩水の濃度は、ほぼ一定に維持される。

しかしながら、電解水生成装置を長時間運転すると、電解槽を循環する塩水の濃度が徐々に低下する。そのため、連続的に新規の塩水を補充しながら、見合い量の塩水を廃棄したり、定期的に電解槽を循環する塩水の入替えをしたりする操作が必要になる。特に、電解水生成装置を小型化しようとすると、電解槽を循環する塩水の量が少なくなることから、塩水濃度の変化が速くなる。このため、電解水生成装置に用いられる塩水を、適切なタイミングで交換することが求められる。

特開２０１２−０５７２２９号公報

本発明は、上述の事情の下になされたもので、装置の大型化や複雑化を招くことなく、塩水を適切に交換して、簡易なる装置にて効率的に運転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、陽極と陰極が配置される電解槽と、電解槽の一次側から流入し、電解槽の二次側から流出する電解質溶液を、電解質溶液を貯留するバッファタンクとの間で循環させるポンプと、電解槽の二次側とバッファタンクとの間に設けられ、電解質溶液の循環を許容する第１の逆止弁と、電解槽と第１の逆止弁との間に配置され、第２の逆止弁を介して電解槽へ供給するための電解質溶液を貯留する貯留タンクと、ポンプを駆動して、電解槽の電解質溶液を、第１の逆止弁を介して、電解槽とバッファタンクとの間で循環する循環運転と、貯留タンクの電解質溶液を、第２の逆止弁を介し、電解槽へ供給することによって、電解槽の電解質溶液を、バッファタンクを経由して、バッファタンクに設けられた排水管路を介して排水する入替運転と、を行う制御装置と、を備える。

第１の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。 制御装置が実行する一連の処理を示すフローチャートである。 第２の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。 変形例に係る電解水生成装置の概略構成を示す図である。

《第１の実施形態》
以下、本発明の第１の実施形態を図面に基づいて説明する。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、電解質溶液としての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、バッファタンク１２、貯留タンク１３、循環ポンプ３１、絞り弁Ｖ１、及び逆止弁Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４、直流電源３２、制御装置２０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、隔膜２１によって、陽極室Ｓ２と陰極室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。

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。

また、隔膜２１として、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。無機酸化物多孔質膜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。

陰極室Ｓ３は、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）を電解質とする塩水が充填される。陰極室Ｓ３には、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、外部と通じている。

電解水生成装置１０では、給水口１１５に、管路４１の一端が接続されている。この管路４１は、バッファタンク１２へ引き回されている。また、排水口１１６には、管路４２の一端が接続されている。この管路４２は、途中で管路４２ａと管路４２ｂに分岐している。管路４２ａは、バッファタンク１２へ引き回され、管路４２ｂは、貯留タンク１３へ引き回されている。

陽極室Ｓ２は、隔膜２１を介して、陰極室Ｓ３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には、給水口１１３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。

バッファタンク１２は、予め規定された量の塩水を貯留するタンクである。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。

バッファタンク１２の内部には、管路４１，４２ａが引き込まれている。また、バッファタンク１２には、予め規定された量を超える塩水を排水するための管路４３が設けられている。

管路４２ａには、逆止弁Ｖ２と必要に応じて絞り弁Ｖ１が設けられ、管路４２ｂには、逆止弁Ｖ３が設けられる。また、管路４３には、必要に応じて逆止弁Ｖ４が設けられる。絞り弁Ｖ１は、管路４２ａを流れる塩水の流量を調整することにより、後述する循環運転時に、陰極室Ｓ３内部の塩水を与圧する。

逆止弁Ｖ２は、陰極室Ｓ３からバッファタンク１２への塩水の流れを許容し、バッファタンク１２から陰極室Ｓ３への塩水の流れを阻止する。逆止弁Ｖ２の作用により、後述する入替運転時に、貯留タンク１３から陰極室Ｓ３への塩水の導入が円滑に行われる。

逆止弁Ｖ３は、貯留タンク１３からの塩水の流出を許容し、貯留タンク１３への塩水の流入を阻止する。逆止弁Ｖ３の作用により、後述する循環運転時に、貯留タンク１３への塩水の流入が抑止される。

逆止弁Ｖ４は、バッファタンク１２からの塩水の排水を許容し、排水の逆流を阻止する。逆止弁Ｖ４の作用により、外部から塩水中への不純物の溶け込みが抑制される。また、逆止弁Ｖ４は、バッファタンク１２の塩水に含まれる水素ガス、塩素ガス等の電解に伴い発生するガスの排気を許容し、排気の逆流を阻止する。

バッファタンク１２には、バッファタンク１２に貯留される塩水の水位を検出するためのセンサ５２と、必要に応じて塩水の濃度を検出するためのセンサ５１と、が設けられる。センサ５１としては、電気化学式のイオン濃度センサを用いることができる。センサ５１は、塩水の濃度に応じた値の信号を出力する。また、センサ５２としては、フロート式の水位センサ、静電容量式の水位センサ、或いは電極式の水位センサなどを用いることができる。センサ５２は、水位（液面のレベル）に応じた値の信号を出力する。

貯留タンク１３は、電解槽１１とバッファタンク１２との間を循環する塩水の濃度が低下した場合に、循環する塩水と置き換えるための塩水を貯留するタンクである。貯留タンク１３には、少なくとも電解槽１１、バッファタンク１２、及び管路４１，４２に充填するのに十分な量の塩水が貯留される。貯留タンク１３の内部には、管路４２ｂが逆止弁Ｖ３を介して引き込まれている。

循環ポンプ３１は、電解槽１１とバッファタンク１２にわたって敷設される管路４１に設けられている。循環ポンプ３１は、正転及び逆転が可能なポンプである。正転及び逆転が可能なポンプとしては、例えば、ロータリーポンプ、ギヤポンプ、チューブポンプなどを用いることが考えられる。装置の小型化、耐薬品性等を考慮すると、循環ポンプ３１として、チューブポンプを使用することが好ましい。

循環ポンプ３１が正転すると、バッファタンク１２の塩水が、管路４１を介して、電解槽１１の陰極室Ｓ３に移送される。また、陰極室Ｓ３の塩水が、管路４２，４２ａを介して、バッファタンク１２へ移送される。これにより、塩水が、電解槽１１の陰極室Ｓ３とバッファタンク１２の間を循環する。塩水が循環する際、貯留タンク１３への塩水の流入は、逆止弁Ｖ３により阻止される。

循環する塩水の流量は、循環ポンプ３１の回転速度や絞り弁Ｖ１によって調整される。また、絞り弁Ｖ１によって、循環ポンプ３１の出口から絞り弁Ｖ１までの間の塩水が与圧される。

一方、循環ポンプ３１が逆転すると、電解槽１１の陰極室Ｓ３の塩水が、管路４１を介して、バッファタンク１２へ移送され、貯留タンク１３の塩水が、管路４２，４２ｂを介して、電解槽１１の陰極室Ｓ３へ移送される。循環ポンプ３１の逆転が継続すると、バッファタンク１２へ塩水が継続的に移送され、バッファタンク１２に貯えられていた塩水や、バッファタンク１２に移送された陰極室Ｓ３内の塩水が、管路４３を介して、排水される。これによって、陰極室Ｓ３とバッファタンク１２を循環していた塩水が排水され、貯留タンク１３の塩水が、陰極室Ｓ３とバッファタンク１２へ新たに充填される。その結果、循環していた塩水が、貯留タンク１３に貯えられていた新規の塩水に入れ替わる。

以下説明の便宜上、循環ポンプ３１を正転させる運転を循環運転という。また、循環ポンプ３１を逆転させる運転を入替運転という。

直流電源３２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。

制御装置２０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＣＰＵの作業領域となる主記憶部、プログラムや各種パラメータを記憶する補助記憶部などを有するコンピュータである。制御装置２０は、補助記憶に記憶されたプログラムに基づいて、上述した、循環ポンプ３１、直流電源３２を駆動する。

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。図２は、制御装置２０が実行する一連の処理を示すフローチャートである。電解水生成装置１０は、制御装置２０が、図２のフローチャートに準じた処理を行うことで動作する。以下、図２を参照して、制御装置２０が実行する処理について説明する。説明の前提として、直流電源３２の運転が開始されると、陽極室Ｓ２へ、自動的に給水口１１３から、原水が供給されるものとする。

まず、制御装置２０は、ユーザからの電解開始指示を待ち受ける（ステップＳ１０１）。ユーザからの電解開始指示は、制御装置２０に設けられたボタンの押下等によって、入力される。制御装置２０は、電解開始指示を受け付けると（ステップＳ１０１；Ｙｅｓ）、センサ５１からの出力信号に基づいて、バッファタンク１２の塩水の濃度が、閾値ＴＨ１以下であるか否かを判断する（ステップＳ１０２）。制御装置２０は、バッファタンク１２の塩水の濃度が閾値ＴＨ１以下であると判断した場合には（ステップＳ１０２：Ｙｅｓ）、循環ポンプ３１の循環運転を停止して（ステップＳ１０９）、循環ポンプ３１の入替運転を行い、塩水の入替を行う（ステップＳ１１０）。なお、循環ポンプ３１が停止しているときには、ステップＳ１０９の処理はスキップされる。また、塩水の入替を行うときに、電解水の品位が低下する恐れがある場合には、直流電源３２を停止してもよい。

塩水の入替えのために循環ポンプ３１を入替運転するときの運転時間ＯＴは、循環ポンプ３１の容量や、循環する塩水の量によって規定することができる。例えば、運転時間ＯＴは、陰極室Ｓ３の容量（Ｌ）と、バッファタンク１２の容量（Ｌ）と、管路４１，４２の容量（Ｌ）を、循環ポンプ３１の送液速度（Ｌ／ｍｉｎ）で除することにより求めることができる。制御装置２０は、例えば、運転時間ＯＴに余裕αを加味した時間Ｔ１（＝ＯＴ＋α）の間、循環ポンプ３１の入替運転を行う（ステップＳ１１０）。

また、制御装置２０は、バッファタンク１２の塩水の濃度が、閾値ＴＨ１を上回ると判断した場合には（ステップＳ１０２：Ｎｏ）、センサ５２からの出力信号に基づいて、バッファタンク１２の塩水の水位が、閾値ＴＨ２以下であるか否かを判断する（ステップＳ１０３）。制御装置２０は、バッファタンク１２の塩水の水位が閾値ＴＨ２以下であると判断した場合には（ステップＳ１０３：Ｙｅｓ）、循環ポンプ３１の循環運転を停止して（ステップＳ１０９）、循環ポンプ３１の入替運転を行い、塩水の入替を行う（ステップＳ１１０）。なお、循環ポンプ３１が停止しているときには、ステップＳ１０９の処理はスキップされる。

また、制御装置２０は、バッファタンク１２の塩水の水位が閾値ＴＨ２を上回ると判断した場合には（ステップＳ１０３；Ｎｏ）、循環ポンプ３１の連続運転時間が閾値ＴＨ３以上であるか否かを判断する（ステップＳ１０４）。循環ポンプ３１の連続運転時間とは、循環ポンプ３１の循環運転を開始してから、一度も塩水を交換することなく循環運転を継続した時間である。制御装置２０は、循環ポンプ３１の連続運転時間が、閾値ＴＨ３以上になったと判断すると（ステップＳ１０４；Ｙｅｓ）、循環ポンプ３１の循環運転を停止して（ステップＳ１０９）、循環ポンプ３１の入替運転を行い、塩水の入替を行う（ステップＳ１１０）。なお、循環ポンプ３１が停止しているときには、ステップＳ１０９の処理はスキップされる。

また、制御装置２０は、循環ポンプ３１の連続運転時間が閾値ＴＨ３に達していないと判断した場合には（ステップＳ１０４：Ｎｏ）、循環ポンプ３１を循環運転する（ステップＳ１０５）。循環ポンプ３１が循環運転されると、バッファタンク１２の塩水が、電解槽１１の陰極室Ｓ３に供給される。そして、陰極室Ｓ３の塩水は、バッファタンク１２に移送される。これにより、陰極室Ｓ３とバッファタンク１２との間で塩水が循環し、陰極室Ｓ３には、一定濃度の塩水が充填された状態になる。なお、循環ポンプ３１が、既に循環運転されているときには、ステップＳ１０５の処理はスキップされる。

次に、制御装置２０は、直流電源３２を運転する（ステップＳ１０６）。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。これにより、陰極室Ｓ３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）

また、陰極室Ｓ３に残留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、塩水に溶解しバッファタンク１２との間で循環する。なお、直流電源３２が運転されているときには、ステップＳ１０６の処理はスキップされる。

次に、制御装置２０は、電極２３と電極２４に印加される電圧が閾値ＴＨ４以上であるか否かを判断する（ステップＳ１０７）。電極２３，２４に印加される電圧を示す情報は、例えば定電流源としての直流電源３２から取得することができる。制御装置２０は、電極２３，２４に印加される電圧が、閾値ＴＨ４以上であると判断した場合には（ステップＳ１０７；Ｙｅｓ）、直流電源３２を停止する（ステップＳ１０８）。そして、循環ポンプ３１の循環運転を停止して（ステップＳ１０９）、循環ポンプ３１の入替運転を行い、塩水の入替を行う（ステップＳ１１０）。

制御装置２０は、電極２３，２４に印加される電圧が、閾値ＴＨ４を下回ると判断した場合（ステップＳ１０７；Ｎｏ）、或いは、塩水の入替えを完了した場合は（ステップＳ１１０）、ステップＳ１０２に戻り、以降ステップＳ１０２〜Ｓ１１０の処理を繰り返し実行する。

以上説明したように、本実施形態では、循環ポンプ３１が、電解槽１１とバッファタンク１２との間で塩水を循環させる機能と、電解槽１１とバッファタンク１２との間を循環する塩水を、貯留タンク１３に貯留される塩水に入れ替える機能を有している。したがって、塩水の循環に用いられるポンプと、塩水の入替えに用いられるポンプを１台のポンプで兼用することができる。したがって、電解水生成装置１０の大型化や、電解水生成装置１０の構成の複雑化を招くことなく、塩水の入替えを行うことが可能になる。

電解水生成装置では、電解が継続的に行われると、電解質溶液としての塩水の濃度が低下する。本実施形態に係る電解水生成装置１０では、所定の時間が経過するまで、塩水を入れ替えることなく、電解水生成装置１０の運転が継続されると（ステップＳ１０４：Ｙｅｓ）、自動的に塩水の交換が行われる。このため、電解に用いられる塩水の濃度の過度な低下が抑制され、効率よく酸性水を生成することが可能となる。

電解水生成装置では、電解が継続的に行われると、電解質溶液としての塩水の濃度が低下する。この場合に、電極２３，２４を流れる電流を一定に維持しようとすると、電極２３，２４に印加する電圧を増加させる必要がある。本実施形態に係る電解水生成装置１０では、電解の際に電極２３，２４に印加される電圧が所定の値を超えた場合には（ステップＳ１０７：Ｙｅｓ）、自動的に塩水の交換が行われる。このため、過度に濃度が低下した塩水を用いた電解が回避され、効率よく酸性水を生成することが可能となる。

本実施形態に係る電解水生成装置１０では、塩水の濃度がセンサ５１を介して監視される。そして、塩水の濃度が低下すると（ステップＳ１０２：Ｙｅｓ）、自動的に塩水の交換が行われる。このため、過度に濃度が低下した塩水を用いた電解が回避され、効率よく酸性水を生成することが可能となる。

電解水生成装置では、電解が継続的に行われると、電解槽１１とバッファタンク１２の間を循環する塩水の量が増減することがある。本実施形態に係る電解水生成装置１０では、バッファタンク１２の塩水の量がセンサ５２を介して監視される。そして、塩水の水位が低下すると（ステップＳ１０３：Ｙｅｓ）、自動的に塩水の交換が行われる。また、塩水の水位が上昇すると、バッファタンク１２に設けられた管路４３より、塩水が排水される。このため、効率よく酸性水を生成することが可能となる。

本実施形態では、バッファタンク１２には、塩水を排水するとともに、塩水から分離した気体を廃棄するための管路４３が設けられている。このため、バッファタンク１２を、塩水と塩水に混入した水素ガスなどを分離する気液分離器として機能させることができる。陽極室Ｓ２，陰極室Ｓ３を備える２室型の電解水生成装置１０では、陰極室Ｓ３に水素が発生する。この水素は、塩水とともに陰極室Ｓ３とバッファタンク１２を循環する。バッファタンク１２では、貯留される塩水の量が一定に維持されるため、内部の空気溜まりに水素が放出される。バッファタンク１２に放出された水素は、管路４３を介して、外部へ排気される。このように循環する塩水から水素が脱気されることで、電解槽１１での電解を効率的に行うことが可能となる。

本実施形態では、塩水が循環する管路４２ａに絞り弁Ｖ１が設けられている。したがって、電解槽１１の陰極室Ｓ３を循環する塩水を与圧すること可能となる。これにより、塩素イオンＣｌ⁻の隔膜２１を介した陽極室Ｓ２への移動を促進し、安定した酸性水を供給することが可能となる。

《第２の実施形態》
次に、第２の実施形態を図面に基づいて説明する。第１の実施形態と同一又は同等の構成については、同等の符号を用いるとともに、その説明を省略又は簡略する。本実施形態に係る電解水生成装置１０は、３室型の電解水生成装置である点で、第１の実施形態に係る電解水生成装置１０と異なっている。

図３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３に示されるように、電解水生成装置１０は、電解槽１１、バッファタンク１２、貯留タンク１３、循環ポンプ３１、絞り弁Ｖ１、及び逆止弁Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４、直流電源３２、制御装置２０を備えている。

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。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。

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）を電解質とする塩水が充填される。中間室Ｓ１は、電解槽１１に設けられる給水口１１２と排水口１１１を介して、外部と通じている。

電解水生成装置１０では、給水口１１２に、管路４１の一端が接続されている。この管路４１は、バッファタンク１２へ引き回されている。また、排水口１１１には、管路４２の一端が接続されている。この管路４２は、途中で管路４２ａと管路４２ｂに分岐している。管路４２ａは、バッファタンク１２へ引き回され、管路４２ｂは、貯留タンク１３へ引き回されている。

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、外部と通じている。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。

バッファタンク１２の内部には、管路４１，４２ａが引き込まれている。また、バッファタンク１２には、予め規定された量を超える塩水を排水するための管路４３が設けられている。

管路４２ａには、逆止弁Ｖ２と必要に応じて絞り弁Ｖ１が設けられ、管路４２ｂには、逆止弁Ｖ３が設けられる。また、管路４３には、必要に応じて逆止弁Ｖ４が設けられる。絞り弁Ｖ１は、管路４２ａを流れる塩水の流量を調整することにより、循環運転時に、中間室Ｓ１内部の塩水を与圧する。

逆止弁Ｖ２は、中間室Ｓ１からバッファタンク１２への塩水の流れを許容し、バッファタンク１２から中間室Ｓ１への塩水の流れを阻止する。逆止弁Ｖ２の作用により、入替運転時に、貯留タンク１３から中間室Ｓ１への塩水の導入が円滑に行われる。

循環ポンプ３１は、電解槽１１とバッファタンク１２にわたって敷設される管路４１に設けられている。循環ポンプ３１が正転すると、バッファタンク１２の塩水が、管路４１を介して、電解槽１１の中間室Ｓ１に移送される。また、中間室Ｓ１の塩水が、管路４２，４２ａを介して、バッファタンク１２へ移送される。これにより、塩水が、電解槽１１の中間室Ｓ１とバッファタンク１２の間を循環する。

一方、循環ポンプ３１が逆転すると、電解槽１１の中間室Ｓ１の塩水が、管路４１を介して、バッファタンク１２へ移送され、貯留タンク１３の塩水が、管路４２，４２ｂを介して、電解槽１１の中間室Ｓ１へ移送される。循環ポンプ３１の逆転が継続すると、バッファタンク１２へ塩水が継続的に移送され、バッファタンク１２に貯えられていた塩水や、バッファタンク１２に移送された中間室Ｓ１内の塩水が、管路４３を介して、排水される。これによって、中間室Ｓ１とバッファタンク１２を循環していた塩水が排水され、貯留タンク１３の塩水が、中間室Ｓ１とバッファタンク１２へ新たに充填される。その結果、循環していた塩水が、貯留タンク１３に貯えられていた新規の塩水に入れ換わる。

制御装置２０は、図２のフローチャートに示される一連の処理を実行する。また、陽極室Ｓ２及び陰極室Ｓ３には、直流電源３２の運転とともに、自動的に給水口１１３，１１５から、原水が供給される。そして、循環ポンプ３１が、循環運転を行うことで、中間室Ｓ１とバッファタンク１２の間で塩水が循環する。また、循環ポンプ３１が、入替運転を行うことで、中間室Ｓ１とバッファタンク１２の塩水が、貯留タンク１３の塩水に入替られる。

本実施形態では、直流電源３２が運転されると（ステップＳ１０６）。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。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）

また、中間室Ｓ１から、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。

以上説明したように、本実施形態では、酸性水に加えて、アルカリ性水を効率よく生成することが可能となる。

以上、本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、循環ポンプ３１を連続的に正転させた状態で（ステップＳ１０５）、直流電源３２を運転して（ステップＳ１０６）、電解を行うこととした。本実施形態はこれに限定されるものではなく、例えば、循環ポンプ３１を、間欠的に運転及び停止させながら、電解を行うこととしてもよい。循環ポンプ３１の運転及び停止を行う周期は、循環ポンプ３１の容量や、電解槽１１の陰極室Ｓ３，中間室Ｓ１の容量に応じて規定することができる。

上記実施形態では、入替運転を行う際には（ステップＳ１１０）、運転時間ＯＴに余裕αを加味した時間Ｔ１（＝ＯＴ＋α）だけ、循環ポンプ３１を運転して、循環していた塩水の全量を、貯留タンク１３に貯えられていた塩水に置き換えることとした。これに限らず、循環していた塩水の一部を、貯留タンク１３に貯えられていた塩水に置き換えることとしてもよい。この場合は、循環ポンプ３１を入替運転する時間を、運転時間ＯＴより短くすればよい。

上記実施形態では、バッファタンク１２にオーバーフロー配管としての管路４３が設けられている場合について説明した。これに限らず、図４に示されるように、バッファタンク１２の上面から下方に引き込まれる管路４１，４２ａとは別に、管路４３を、バッファタンク１２の上面から内部上方に引き込み、この管路４３を用いて排水及び排気を行うこととしてもよい。

上記実施形態では、塩水の濃度を常時監視することとした。これに限らず、例えば連続運転時間が閾値以上になったとき、或いは、電極２３，２４の間の電圧が閾値以上になったときに、塩水の交換を行うこととすれば、必ずしも塩水の濃度を常時監視する必要はない。

同様に、塩水の濃度を常時監視する場合には、必ずしも連続運転時間の管理や、電極間の電圧の監視は必要ない。要するに、電解水生成装置１０は、塩水の濃度が低下したときに、塩水の入替えを行うことが可能な構成であれば、濃度や運転時間、或いは電圧など、適宜監視するパラメータを省略することが可能である。

上記実施形態では、バッファタンク１２が気液分離器として機能することとした。これに限らず、管路４１，４２などに、気液分離膜を有する気液分離器を別途設置することによって、循環する塩水から水素等の気体を分離することとしてもよい。

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 バッファタンク
１３ 貯留タンク
２０ 制御装置
２１，２２ 隔膜
２３，２４ 電極
３１ 循環ポンプ
３２ 直流電源
４１，４２，４２ａ，４２ｂ，４３ 管路
５１，５２ センサ
１１１，１１４，１１６ 排水口
１１２，１１３，１１５ 給水口
Ｓ１ 中間室
Ｓ２ 陽極室
Ｓ３ 陰極室
Ｖ１ 絞り弁
Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４ 逆止弁

Claims (14)

1. 陽極と陰極が配置される電解槽と、
   前記電解槽の一次側から流入し、前記電解槽の二次側から流出する電解質溶液を、前記電解質溶液を貯留するバッファタンクとの間で循環させるポンプと、
   前記電解槽の二次側と前記バッファタンクとの間に設けられ、前記電解質溶液の循環を許容する第１の逆止弁と、
   前記電解槽と前記第１の逆止弁との間に配置され、第２の逆止弁を介して前記電解槽へ供給するための前記電解質溶液を貯留する貯留タンクと、
   前記ポンプを駆動して、前記電解槽の前記電解質溶液を、前記第１の逆止弁を介して、前記電解槽と前記バッファタンクとの間で循環する循環運転と、前記貯留タンクの前記電解質溶液を、前記第２の逆止弁を介し、前記電解槽へ供給することによって、前記電解槽の前記電解質溶液を、前記バッファタンクを経由して、前記バッファタンクに設けられる排水管路を介して排水する入替運転と、を行う制御装置と、
   を備える電解水生成装置。
2. 前記電解槽を、前記陽極が配置される陽極室と、前記陰極が配置される陰極室に区分する隔膜を備え、
   前記循環運転では、前記陰極室と前記バッファタンクとの間で前記電解質溶液が循環し、前記入替運転では、前記陰極室の前記電解質溶液が、排水される請求項１に記載の電解水生成装置。
3. 前記電解槽を、前記陽極が配置される陽極室と、前記陰極が配置される陰極室と、前記陽極室と前記陰極室とに隣接する中間室に区分する２つの隔膜を備え、
   前記循環運転では、前記中間室と前記バッファタンクとの間で前記電解質溶液が循環し、前記入替運転では、前記中間室の前記電解質溶液が、排水される請求項１に記載の電解水生成装置。
4. 前記制御装置は、前記ポンプを正転させることで、前記循環運転を行い、前記ポンプを逆転させることで、前記入替運転を行う請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電解水生成装置。
5. 前記バッファタンクに設けられる前記排水管路は、オーバーフローする前記電解質溶液を排水するオーバーフロー配管である請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電解水生成装置。
6. 前記バッファタンクに設けられる前記排水管路には、前記バッファタンクへの排水の逆流を防ぐ第３の逆止弁が設けられる請求項１乃至５のいずれか一項に記載の電解水生成装置。
7. 前記バッファタンクは、気液分離器である請求項１乃至６のいずれか一項に記載の電解水生成装置。
8. 前記制御装置は、所定時間が経過するごとに、前記入替運転を行う請求項１乃至７のいずれか一項に記載の電解水生成装置。
9. 前記陰極と前記陽極に電圧を印加して、一定値の直流電流を前記陰極と前記陽極との間に流す電源を備え、
   前記制御装置は、
   前記陰極と前記陽極との間の電圧が閾値を超えると、前記入替運転を行う請求項１乃至８のいずれか一項に記載の電解水生成装置。
10. 前記制御装置は、
    前記電解槽と前記バッファタンクとの間を循環する前記電解質溶液の濃度が閾値を下回ると、前記入替運転を行う請求項１乃至９のいずれか一項に記載の電解水生成装置。
11. 前記制御装置は、
    前記電解槽と前記バッファタンクとの間を循環する前記電解質溶液の量が閾値を下回ると、前記入替運転を行う請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の電解水生成装置。
12. 前記制御装置は、
    前記陰極と前記陽極に電圧が印加されているときに、前記ポンプの運転と停止を所定の周期で交互に行う請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の電解水生成装置。
13. 前記電解槽と前記バッファタンクとの間に絞り弁を備える請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の電解水生成装置。
14. 請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の電解水生成装置の運転方法であって、
    前記入替運転を行う入替工程と、
    前記循環運転を行う循環工程と、
    少なくとも前記循環運転が行われているときに、前記陰極と前記陽極に電圧を印加して、前記電解質溶液の電解を行う電解工程と、
    を含む電解水生成装置の運転方法。

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