JP2019073741A

JP2019073741A - ２室型電解装置

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Publication number: JP2019073741A
Application number: JP2017198409A
Authority: JP
Inventors: 敬横川; Takashi Yokogawa
Original assignee: Nextaid Co Ltd
Current assignee: Nextaid Co Ltd
Priority date: 2017-10-12
Filing date: 2017-10-12
Publication date: 2019-05-16
Anticipated expiration: 2037-10-12
Also published as: JP6755588B2

Abstract

【課題】所望のｐＨを有する還元電解水（アルカリ水）を省電力で効率的に製造できる２室型電解装置を提供する。【解決手段】２室型電解装置１は、アノード室３と分室されているカソード室４を有し、アノード室３に設けられ、少なくとも表面が白金で構成され、かつ複数のアノード電極貫通孔１７を有するアノード電極５と、カソード室４に設けられ、複数のカソード電極貫通孔１８を有するカソード電極６と、アノード電極５とカソード電極６との間に配置された陽イオン交換膜２とを備え、アノード電極貫通孔１７の開口比率が、カソード電極貫通孔１８の開口比率よりも大きく、アノード室３に支持電解質溶液Ｌを循環させる構成をとる。【選択図】図１

Description

本発明は、省電力で所望のｐＨを有する還元電解水が生成できる２室型電解装置に関するものである。

従来から、還元電解水や酸化電解水を得るために、塩化ナトリウムや塩化カリウムを支持電解質として添加して、水を電気分解する電解装置が知られている。
この電解装置には、１枚の隔膜で仕切られたアノード室とカソード室とからなる電解槽を備える２室型電解装置やアノード室とカソード室に挟まれた中間室とからなる電解槽を備える３室型電解装置がある（例えば、特許文献１及び特許文献２）

特許文献１には、それぞれ２個の流入口を備える、アノード室、中間室、カソード室から構成され、各電解槽においてそれぞれ左右対称に対向配置された電解装置が開示されている。このような構成とすることで、原水の供給流量が増加しても、停滞領域が発生することを防止することに加え、電解効率を向上させることができる。
一方、特許文献２には、アノード電極が配設されたアノード室とカソード電極が配設されたカソード室との間に配置された中間室を有し、アノード仕切部が陰イオン交換膜、不織布及びプラスチック製の網から構成され、アノード電極側から中間室に向けて、網、不織布、陰イオン交換膜の順で並んでいる電解装置が開示されている。このような構成とすることで、電流値の安定化を図りながら効率的に水の電気分解を行い、中間室液のｐＨが７以上とならずに隔膜の損失を防止できる。

特許第５２５３４８３号公報特許第６０２１１４９号公報

還元電解水（例えば、ｐＨ１２からｐＨ１３のアルカリ水）は、疲労回復効果や高血圧予防効果を有すると考えられ、飲料水等への応用が期待されている。
これまで開示されてきた電解装置は、アルカリ性の還元電解水を生成することはできたが、ある一定のｐＨ（例えば、ｐＨ１３）を有する還元電解水を生成することは困難であった。
さらに、還元電解水を生成するために、電解装置の消費電力が大きくなり、大量生産する場合にコストが膨大になるという問題があった。そのため、できるだけ省電力で、所望のｐＨの還元電解水（アルカリ水）を生成できる電解装置が望まれている。

そこで、本発明は、所望のｐＨ（ｐＨ１２からｐＨ１３）を有する還元電解水を省電力で効率的に製造できる２室型電解装置を提供することを目的とする。

本発明の２室型電解装置は、アノード室と分室されているカソード室を有し、アノード室に設けられ、少なくとも表面が白金で構成され、かつ複数のアノード電極貫通孔を有するアノード電極と、カソード室に設けられ、複数のカソード電極貫通孔を有するカソード電極と、アノード電極とカソード電極との間に配置された陽イオン交換膜とを備え、アノード電極貫通孔の開口比率が、カソード電極貫通孔の開口比率よりも大きく、アノード室に支持電解質を含んだ水を循環させることを特徴とする。
なお、開口比率とは、電極のおもて面（うら面）の面積に対する電極貫通孔の開口部の面積の比率を意味する。

本発明の２室型電解装置は、カソード室に水を通水させることを特徴とする。

本発明の２室型電解装置において、アノード電極は少なくとも表面が白金で構成され、複数のアノード電極貫通孔を有し、一方、カソード電極は複数のカソード電極貫通孔を有している。アノード電極貫通孔の開口率がカソード電極貫通孔の開口率よりも大きいものを使用し、アノード室に支持電解質を含んだ水を循環させることで、省電力でｐＨ１２から１３の還元電解水を生成することができる。

さらに、本発明の２室型電解装置では、カソード室に水を通水させ、還元電解水を生成できる。そのため、カソード室に水を循環させて還元電解水を生成する場合よりも、短時間かつ省電力で所望のｐＨ（ｐＨ１２からｐＨ１３）を有する還元電解水を生成することができる。

本発明の実施形態に係る２室型電解装置の模式図である。本発明の実施形態に係る２室型電解装置に使用する網状の電極（ラス型電極）を示す図である。本発明の実施形態に係る２室型電解装置に使用する円形状の貫通孔を有する電極（円形ポーラス型電極）を示す図である。（ａ）貫通孔の開口比率が小さい電極、（ｂ）貫通孔開口比率が大きい電極

本実施形態に係る２室型電解装置は、例えば、還元電解水のみを効率よく生成する還元電解水生成専用装置として使用できる。以下、本実施形態に係る２室型電解装置について、図１から図３を参照して説明する。

本実施形態に係る２室型電解装置１は、図１に示すように、イオン交換膜２（陽イオン交換膜）によって、アノード室３と分室されているカソード室４を有し、アノード室３にはイオン交換膜２と接するようにアノード電極５が設けられ、カソード室４にはイオン交換膜２と接するようにカソード電極６が設けられている。
アノード電極５には、カソード電極６と接続された直流電源７が接続されている。

［アノード室３］
アノード室３は、プラスチック製であり、片面が開口された箱型である。アノード室３は、側部に形成された流入口１０と、流入口１０と対向した位置に形成された流出口１１とを有している。流入口１０には、外側に設けられたタンク１２と接続されたホースが連結されている。このタンク１２には、支持電解質溶液Ｌが貯留される。ホースの途中には、ポンプ１３が設けられ、このポンプ１３を可動させることで、タンク１２内の支持電解質溶液Ｌがアノード室３に送出される。一方、流出口１１には、タンク１２と接続されたホースが連結されている。アノード室３に送出された支持電解質溶液Ｌは、この流出口１１を介してタンク１２に排出される。そして、タンク１２に排出された支持電解質溶液Ｌは、再びアノード室３に送出される。
このように、支持電解質溶液Ｌは、タンク１２とアノード室３を循環する。この支持電解質には、例えば、塩化カリウム、塩化ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸ナトリウム、硫酸リチウムが使用される。

［カソード室４］
カソード室４は、プラスチック製であり、片面が開口された箱型である。カソード室４は、側面に形成された原水流入口１５と、この原水流入口１５と対向した位置に形成された還元水流出口１６を有している。原水流入口１５及び還元水流出口１６には、それぞれホースが連結されている。
カソード室４には、所定の流速で原水（水道水）が送り込まれる。送り込まれた原水は、カソード室４の内部でカソード電極６により還元され、還元水流出口１６から排出される。

［アノード電極５］
アノード電極５は、イオン交換膜２と接するように設けられ、直流電源７の正極と接続されている。アノード電極５は、金属製であり、このアノード電極５には、例えば、白金を使用することができる。なお、アノード電極５は、少なくとも表面が白金で構成されていればよい。
アノード電極５には、例えば、図２に示すように、矩形で、網状の電極（ラス型電極）を使用できる。このアノード電極５は網状に形成されているため、おもて面５Ａとうら面５Ｂとを貫通する菱形のアノード電極貫通孔１７が複数形成されている。
アノード電極５は、網状の電極（ラス型電極）に限定されず、アノード電極貫通孔１７が複数形成されているものであればよい。例えば、アノード電極貫通孔１７が、円形状や多角状に形成されていてもよい。

［カソード電極６］
カソード電極６は、イオン交換膜２と接するように設けられ、直流電源７の負極と接続されている。カソード電極６は金属製であり、カソード電極６には、例えば、白金やステンレスを使用することができる。
このカソード電極６は、例えば、図３に示すように、矩形の板状で、カソード電極６のおもて面６Ａとうら面６Ｂを貫通する円形状のカソード電極貫通孔１８が複数形成された円形ポーラス型の電極を使用できる。このカソード電極貫通孔１８は、パンチングによって、形成されている。また、カソード電極６の中央には、スタットネジ１９が設けられている。
カソード電極貫通孔１８は、カソード電極６の横方向Ｘ及び縦方向Ｙに向けて、規則的に配列されるように形成されている。カソード電極貫通孔１８の個数やサイズ（直径）は、適宜決定することができ、カソード電極貫通孔１８の個数やサイズ、カソード電極貫通孔１８同士の距離を変更することで、開口比率を調整できる。
ここで、開口比率とは、カソード電極６のおもて面６Ａ（うら面６Ｂ）の面積に占めるカソード電極貫通孔１８の開口部の面積の比率を意味する。
なお、カソード電極貫通孔１８の形状は円形に限定されず、多角形、楕円形の形状でもよい。

図３（ａ）に示したカソード電極６では、カソード電極貫通孔１８が、縦方向Ｙに１１個、横方向Ｘに１３個形成されている。このカソード電極６のカソード電極貫通孔１８は、横方向Ｘ及び縦方向Ｙにおいて、碁盤目状に形成されている。なお、円形状の貫通孔が形成された電極を円形ポーラス型電極とも呼ぶ。
一方、図３（ｂ）に示したカソード電極６では、カソード電極貫通孔１８が縦方向Ｙに１５個（又は１４個）、横方向Ｘに１２個（又は１１個）形成されている。図３（ｂ）に示したカソード電極６のカソード電極貫通孔１８は、横方向Ｘ及び縦方向Ｙにおいて、千鳥格子状に形成されている。
図３（ａ）のカソード電極６のカソード電極貫通孔１８の個数は、図３（ｂ）に示したカソード電極６のカソード電極貫通孔１８の個数よりも多く、図３（ａ）のカソード電極６の開口比率は、図３（ｂ）に示したカソード電極６の開口比率よりも小さい。
なお、図３（ａ）及び（ｂ）に示した電極は、アノード電極５としても使用できる。

［イオン交換膜２］
イオン交換膜２は、アノード室３の開口された面とカソード室４の開口された面の間に設けられ、アノード室３とカソード室４とを仕切るように設けられている。
このイオン交換膜２には、例えば、ＣＭＦ（ＡＧＣエンジニアリング株式会社製）やナフィオン１１７（デュポン社製）の陽イオン交換膜を使用できる。耐摩耗性の観点から、イオン交換膜２の膜厚は、４００μｍ以上であることが好ましい。

次に、上述の構成を有する２室型電解装置１を使用して、還元電解水を生成する方法、及び生成された還元電解水の評価について説明する。
本実施形態の２室型電解装置１は、アノード室３側は支持電解質溶液Ｌを循環させる構成とし、カソード室４側は水道水を循環させず、通水させる構成としている。つまり、アノード室３側は、「循環型」、カソード室４側は、「通水型」の構成をとる。

アノード電極５及びカソード電極６には、網状のチタン白金メッキ電極（開口比率６２．５％）（以下、「ＰＴ１」と記す。）、円形ポーラス型チタン白金メッキ電極（開口比率４４．６％）（以下、「ＰＴ２」と記す。）、円形ポーラス型チタン白金メッキ電極（開口比率１９．２％）（以下、「ＰＴ３」と記す。）、円形ポーラス型ステンレス製電極（開口比率１９．２％）（以下、「ＳＵＳ１」と記す。）、及び、円形ポーラス型ステンレス製電極（開口比率４４．６％）（以下、「ＳＵＳ２」と記す。）を使用した。イオン交換膜２には、ＣＭＦ又はナフィオン１１７を使用した。

支持電解質溶液Ｌには、炭酸カリウム水溶液を調整し、使用した。この支持電解質溶液Ｌを流速０．７Ｌ／分でアノード室３に流し、アノード室３とタンク１２を循環させた。
一方、カソード室４には、原水流入口１５から水道水を所定の流速で流し、還元水流出口１６から排出された水道水を還元電解水として取り出し、ｐＨを測定した。
また、直流電源７の電流は、３０Ａに設定し、一定の電流下における電圧を測定し、還元電解水を生成するための消費電力を算出した。
なお、カソード室４への水道水を通水させる流速は、０．１０Ｌ／分から４．０Ｌ／分とした。

実施例１から実施例５では、アノード電極５にＰＴ１又はＰＴ２を使用し、カソード電極６にＰＴ３、ＳＵＳ１、ＳＵＳ２の何れかを使用した。アノード電極貫通孔１７の開口率が、カソード電極貫通孔１８の開口率よりも大きくなるように、アノード電極５とカソード電極６とを組み合わせた。
一方、比較例１から比較例９では、アノード電極５に、ＰＴ１、ＰＴ２、ＰＴ３、ＳＵＳ１の何れかを使用し、カソード電極６に、ＰＴ１、ＰＴ２、ＰＴ３、ＳＵＳ１の何れかを使用した。比較例の条件では、アノード電極貫通孔１７の開口率が、カソード電極貫通孔１８の開口率以下となるように、アノード電極５とカソード電極６とを組み合わせた。

消費電力及び還元電解水のｐＨの評価結果を表１に示す。

［ｐＨ］
本実施形態に係る２室型電解装置１を用いて、実施例１から実施例５の条件で還元電解水を生成した場合、ｐＨ１２．６からｐＨ１３．１のアルカリ性の還元電解水が得られた。
一方、比較例１から比較例９の条件で還元電解水を生成した場合、ｐＨ１０．１からｐＨ１１．８のアルカリ還元電解水が生成された。
これらの結果から、アノード電極貫通孔１７の開口率が、カソード電極貫通孔１８の開口率よりも大きくなるようにアノード電極５及びカソード電極６を組み合わせることで、ｐＨ１２．６〜ｐＨ１３．１の還元電解水が生成することができることがわかった。
また、アノード電極貫通孔１７とカソード電極貫通孔１８の開口率の差が大きいほど、ｐＨ１３に近い還元電解水が生成される傾向があると考えられる。

［消費電力］
実施例１から実施例５の条件で還元電解水を生成した場合、消費される電力は２００Ｖ以下（１９６．８Ｖから１８０．０Ｖ）であることがわかった。
一方、比較例１から比較例９の条件で還元電解水を生成した場合、消費される電力は、３００Ｖ以上（３０３．０Ｖから４５９．０Ｖ）であることがわかった。中でも、アノード電極５及びカソード電極６に同じ種類かつ同じ開口率を有する電極を用いた場合（比較例１から比較例４）、他の比較例のものよりも電圧が高くなり、消費電力が高くなることがわかった。

また、本実施形態の２室型電解装置１では、カソード室４を通水型とし、所望のｐＨ１２からｐＨ１３の還元電解水を生成できる。そうすると、カソード室４に水を循環させて還元電解水を生成する場合と比べて、短時間かつ省電力で還元電解水を生成することができる。

さらに、イオン交換膜２は、フッ素系陽イオン交換膜であるナフィオン１１７よりも炭化水素系陽イオン交換膜であるＣＭＦを使用した場合の方が、小さな消費電力でｐＨ１２からｐＨ１３のアルカリ還元電解水を生成できることがわかった（実施例１及び実施例４）。

以上の結果から、本実施形態の２室型電解装置１において、アノード電極５及びカソード電極６を、アノード電極貫通孔１７の開口比率がカソード電極貫通孔１８の開口比率よりも大きくなるように組み合わせ、原水を電気分解することで、ｐＨ１２からｐＨ１３の還元電解水を省電力で効率よく生成できることがわかった。

以上、本実施形態に係る２室電解装置１では、アノード電極５及びカソード電極６を、アノード電極貫通孔１７の開口比率がカソード電極貫通孔１８の開口比率よりも大きくなるようにすることで、所望のｐＨを有する還元電解水を生成できることを示したが、これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
例えば、本実施形態では、カソード室４側に水道水を通水させ、還元水流出口１６から排出された水を還元電解水として得ていたが、カソード室４側で水を循環させ、還元電解水を生成することもできる。
また、本実施形態では、表面が白金又はステンレスから構成される電極について示したが、これら以外の金属製電極を使用することもできる。

１２室型電解装置
２イオン交換膜（陽イオン交換膜）
３アノード室
４カソード室
５アノード電極
５Ａおもて面
５Ｂうら面
６カソード電極
６Ａおもて面
６Ｂうら面
７直流電源
１０流入口
１１流出口
１２タンク
１３ポンプ
１５原水流入口
１６還元水流出口
１７アノード電極貫通孔
１８カソード電極貫通孔
１９スタッドネジ
Ｌ支持電解質溶液
Ｘ横方向
Ｙ縦方向

Claims

アノード室と分室されているカソード室を有する２室型電解装置であって、
前記アノード室に設けられ、少なくとも表面が白金で構成され、かつ複数のアノード電極貫通孔を有するアノード電極と、
前記カソード室に設けられ、複数のカソード電極貫通孔を有するカソード電極と、
前記アノード電極と前記カソード電極との間に配置された陽イオン交換膜と、を備え、
前記アノード電極貫通孔の開口比率が、前記カソード電極貫通孔の開口比率よりも大きく、
前記アノード室に支持電解質を含んだ水を循環させる、
ことを特徴とする２室型電解装置。
前記カソード室に水を通水させる、
ことを特徴とする請求項１に記載の２室型電解装置。