JP3128794B2 - イオンリッチ水生成用の無隔膜型電解槽 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の目的】

【産業上の利用分野】本発明は、広義には、電気分解に
より上水を改質し、上水の水素イオン濃度（ｐＨ）を調
整する装置に関する。より詳しくは、本発明は、上水の
電気分解により水素イオンリッチの酸性水および／又は
水酸イオンリッチのアルカリ性水を生成するようになっ
た電解槽に関する。本発明は、特に、無隔膜型の電解槽
の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】水酸イオン（ＯＨ⁻）リッチのアルカリ
性水は、従来“アルカリイオン水”とも呼ばれており、
飲用に供する場合には健康増進に効果があり、お茶・コ
ーヒー等や料理に使用する場合には味を引き立たせる効
果があると考えられている。また、水素イオン（Ｈ^＋）
リッチの酸性水は、麺類をゆでたりするのに適するもの
として知られており、特に水素イオン濃度の高い強酸性
の水は台所のまな板や布巾の滅菌・殺菌等に有用である
として注目されている。

【０００３】このため、従来、種々の形式のイオンリッ
チ水生成装置（業界では、しばしば、イオン水生成装置
と呼ばれる）が市販され、或いは、提案されている。イ
オンリッチ水生成装置は水の電気分解を利用したもの
で、陽極と陰極とを備えた電解槽を有する。陽極と陰極
との間に直流電圧を印加すると、図１に模式的に示した
ように、陽極と水との界面においては、水の電離により
水中に存在するＯＨ⁻は陽極に電子を与えて酸化され、
酸素ガスとなって系から除去される。その結果、陽極と
水との界面ではＨ^＋濃度が高まり、Ｈ^＋リッチの酸性水
が生成される。他方、陰極と水との界面では、Ｈ^＋は陰
極板から電子を受け取って水素に還元され、水素ガスと
なって除去されるので、ＯＨ⁻濃度が高まり、陰極側に
はＯＨ⁻リッチのアルカリ性水が生成される。

【０００４】初期のイオンリッチ水生成用電解槽はバッ
チ処理式のものであったが、今日では連続通水式の電解
槽が一般的であり、後者は陽極と陰極との間に形成され
た通水路に通水しながら水を電解してイオンリッチ水を
生成するようになっている。連続式の電解槽は、隔膜型
と無隔膜型の２種に大別することができる。

【０００５】隔膜型の電解槽においては、例えば、実開
昭56-80292号、特開昭58-189090号、実公昭58-47985号に
開示されているように、陽極と陰極との間に形成され電
解室として作用する通水路は、イオン浸透性で不透水性
の隔膜によって仕切られており、電解により陽極側に生
成した酸性水と陰極側に生成したアルカリ性水とが混合
しないようになっている。このように、不透水性隔膜の
存在により酸性水とアルカリ性水との混合が防止される
ので、隔膜型の電解槽は、生成した酸性水およびアルカ
リ性水を所望の任意の流量でしかも極めて容易に取り出
すことができるという利点がある。

【０００６】しかしながら、隔膜型電解槽の難点は、
(１)隔膜のところで細菌や微生物が繁殖しやすいので、
衛生的でないこと、(２)隔膜を配置するためには電極間
隔を大きくせざるを得ないので、装置の消費電力が大き
くなること、(３)隔膜によって分離された陽極側通水路
および陰極側通水路の夫々においては、生成された異な
るｐＨ値のイオンリッチ水の層は均一に混合された上で
夫々の出口から排出されるので、隔膜の位置を可変にし
ない限り、強アルカリ性水または強酸性水だけを取り出
すことができないこと、である。

【０００７】そこで、従来技術においては、陽極と陰極
との間の隔膜を廃止した所謂“無隔膜型”の電解槽が提
案されている（例えば、実公昭57-8957号、特開平4-284
889号、実開平4-110189号）。この無隔膜型の電解槽は
層流の原理を利用したもので、陽極板と陰極板とはその
間に隔膜を介在させることなく互いに近接して並置して
あり、陽極板と陰極板とに沿って層流を形成させながら
通水し、水を電解するようになっている。

【０００８】斯る無隔膜型の電解槽は、隔膜がないので
衛生的であり、電極間隔を小さくできるので消費電力を
低減できる、という利点がある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、無隔膜
型電解槽の問題点は、分隔用の隔膜を廃止したので、通
水路に沿って流れる間に酸性水とアルカリ性水とが混合
し易く、所望濃度のイオンリッチ水を得るのが非常に困
難であるということである。

【００１０】即ち、図２（図中の数値はｐＨ値を表し、
電極間隔は異なる濃度の層を分かり易く示すため誇張し
てある）に模式的に示したように、陽極板と陰極板との
間に電圧を印加しながら通水すると、強酸性から強アル
カリ性まで水素イオン濃度が漸変する層を形成しながら
電極板に沿って水が流れるが、通水路内の水流に乱流が
発生すると、隔膜が無いので、異なる濃度の層が不可避
的に混合する結果となり、極端な場合には酸性水とアル
カリ性水とが混合して元の中性の水に戻る。特に、消費
電力の低減を目的として電極間隔を例えば１ｍｍ以下と
狭くした場合には、異なる濃度の夫々の層は非常に薄く
なるので、小さな規模の乱流でも致命的な影響を与え
る。

【００１１】本発明の目的は、乱流の発生を防止し、陽
極板と陰極板との間の通水路に沿って層流を維持するこ
との可能な、無隔膜型の電解槽を提供することである。

【００１２】本発明の他の目的は、電極板間の通水路に
おける乱流を防止することにより、強アルカリ性および
／又は強酸性のイオンリッチ水を回収することの可能
な、無隔膜型の電解槽を提供することである。

【００１３】

【発明の構成】

【課題を解決するための手段および作用】本発明者は、
無隔膜型電解槽における乱流発生のメカニズムを理論的
かつ実験的に解明することにより、乱流発生のない無隔
膜型の電解槽を実現するに至った。

【００１４】本発明は、無隔膜型の電解槽において、通
水流量１ｃｍ ³ ／秒当たりの、通水路の軸線に垂直で電
極板に平行な方向における通水路の幅Ｗが、０.０９ｃ
ｍ 、好ましくは０.１４ｃｍ 、より大きいことを特徴
とする。

【００１５】本発明の上記特徴や効果、ならびに、他の
特徴や利点は、以下の実施例の記載に従いより詳しく説
明する。

【００１６】

【実施例】先ず初めに、図３から図９を参照しながら、
本発明の無隔膜型電解槽の全体構成と作動の概要を説明
する。

【００１７】主として図３および図４を参照するに、無
隔膜型電解槽１０は縦長のハウジング１２を有する。こ
のハウジング１２は、樹脂製の耐圧ケース１４の凹み
に、第１陽極板１６と陰極板１８と第２陽極板２０との
３枚の電極板を複数の樹脂製スペーサ２２を挟みながら
順次配置し、カバー２４をケース１４に液密にねじ止め
することにより構成される。陰極板１８の両側に陽極板
１６と２０を夫々配置したことによりこの電解槽１０は
いわば二重セル構造になっており、陰極板１８の両面を
有効利用することで処理能力を倍増しながらも小さなス
ペースに格納できるようになっている。

【００１８】電極板相互の間隔は例えば５本のスペーサ
２２によって定められるもので、この実施例ではスペー
サ２２は約０.５ｍｍの厚さを有し、従って、電極間隔
が約０.５ｍｍになるようになっている。好ましくは、
電極板１６、１８、２０は、チタン金属板に白金を被覆
することにより製作される。電極板１６、１８、２０に
は端子１６Ａ、１８Ａ、２０Ａが夫々固定してある。こ
れらの端子１６Ａ、１８Ａ、２０Ａの端部はいづれもケ
ース１４の正面に向かって延長するようになっており、
ケースの正面側のみにて電解槽１０の直流電源（図示せ
ず）に接続できるようになっている。

【００１９】図３からよく分かるように、ケース１４に
は、上水入口２６、アルカリ性水出口２８、酸性水出口
３０が形成してある。上水入口２６は断面略三角形の上
水分配通路３２に連通しており、この上水分配通路３２
は、図５からよく分かるように、ケース１４とカバー２
４によって形成されており、電極板の上下方向全長にわ
たって延長している。電解槽１０の使用に際しては、上
水入口２６はホース等により水道管に接続することがで
きる。或いは、電解槽１０を浄水器の下流に接続し、浄
水器によって浄化された水を電解槽１０の上水入口２６
に導入してもよい。

【００２０】図８および図９の拡大断面図からよく分か
るように、第１陽極板１６と陰極板１８との間には第１
通水路３４が形成され、陰極板１８と第２陽極板２０と
の間には第２通水路３６が形成される。これらの通水路
３４および３６は、電極板１６、１８、２０と協動して
電解室として作用するものである。夫々の通水路３４お
よび３６は水平方向に延長する例えば５本のスペーサ２
２により上下４つのサブ通水路に分割される。図９から
分かるように、これらの通水路３４および３６の上流側
端部は上水分配通路３２に連通しているので、上水入口
２６から分配通路３２に沿って流下した上水は夫々の通
水路３４および３６の４つのサブ通水路に分配され、図
８および図９に示したように水平方向に流入する。

【００２１】図５および図８に示したように、電解室と
して作用する通水路３４および３６の下流側端部は、ケ
ース１４とカバー２４によって形成された断面略５角形
のアルカリ性水回収通路３８に開放されている。このア
ルカリ性水回収通路３８はアルカリ性水出口２８に連通
しており、上水分配通路３２と同様に電極板の上下方向
全長にわたって延長している。図５および図８からよく
分かるように、アルカリ性水回収通路３８の容量（断面
積）は通水路３４および３６の流量（流路断面積）に対
して十分に大きくしてあり、乱流を発生させることなく
通水路３４および３６の末端からアルカリ性水回収通路
３８に向かってアルカリ性水をスムースに流出させるよ
うになっている。

【００２２】図５からよく分かるように、ケース１４お
よびカバー２４には、更に、陽極板１６および２０の上
下方向全長にわたって延長する溝４０および４２が夫々
形成してあり、陽極板と夫々協動して酸性水回収通路４
４および４６を形成するようになっている。これらの酸
性水回収通路４４および４６の下端は連絡ポート４８に
て合流し（図６〜７）、更に酸性水出口３０に連通して
いる（図３）。

【００２３】図４および図８からよく分かるように、図
示した実施例では、陽極板１６および２０には、酸性水
回収口として作用するスリット１６Ｃおよび２０Ｃが夫
々形成してあり、スリット１６Ｃおよび２０Ｃを通過し
た水が酸性水回収通路４４および４６に流入するように
なっている。図５および図８からよく分かるように、こ
れらの酸性水回収通路４４および４６の容量もスリット
１６Ｃおよび２０Ｃの流路断面積に対して十分に大きく
してあり、スリットから回収された酸性水が乱流を生じ
ることなく酸性水回収通路４４および４６内にスムース
に流入するようになっている。スリット１６Ｃおよび２
０Ｃから流出した酸性水は陽極板の上下方向ほぼ全長に
わたって酸性水回収通路４４および４６内に回収され、
そこから更に酸性水出口３０へ送られる。

【００２４】この電解槽１０の使用に際しては、上水入
口２６への上水の供給は従来型の手動又は電動の制御弁
（図示せず）によって制御することができ、アルカリ性
水出口２８および酸性水出口３０には従来型の流量制御
バルブ５０および５２を夫々接続することができる。上
水入口２６から導入された上水は、前述したように、分
配通路３２により電極板１６、１８、２０の上下方向全
長にわたって通水路３４および３６の入口（上流側端
部）に均一に分配され、通水路３４および３６内に水平
方向に流入する。

【００２５】陰極板１８と陽極板１６および２０との間
に例えば約１２Ｖの直流電圧を印加することにより、通
水路３４および３６内に通水しながら電気分解を進行さ
せると、図２を参照して前述したように、陽極板と陰極
板との間の電界に垂直な方向にｐＨの漸変する流れが生
成する。

【００２６】酸性水出口３０において殺菌の用途に適し
たｐＨ３程度の強酸性水を得たい場合には、アルカリ性
水出口２８で得られるアルカリ性水の流量と酸性水出口
３０で得られる酸性水の流量との比が約４：１になるよ
うに流量制御バルブ５０および／又は５２を制御するの
が好ましい。このような流量条件では、陽極板表面近傍
を流れる速度の遅い強酸性水の薄層は酸性水回収スリッ
ト１６Ｃおよび２０Ｃに到達すると、図８に矢印で示し
たようにスリット１６Ｃおよび２０Ｃを介して酸性水回
収通路４４および４６内に流入するので、酸性水出口３
０において強酸性水が得られる。

【００２７】また、アルカリ性水出口２８においてｐＨ
１０程度の強アルカリ性水を得たい場合には、アルカリ
性水出口２８と酸性水出口３０の流量比が例えば約３：
２になるように流量制御バルブ５０および／又は５２を
制御することができる。

【００２８】次に、図１０に基づいて、本発明の乱流防
止原理について説明する。先ず、流体力学の分野におい
ては、円管内の流れに関しては、レイノルズ数Ｒｅが約
２３００より大きくなれば、流れが層流から乱流に遷移
することが実験的に知られている。円管内の流れについ
ては、レイノルズ数Ｒｅは次式により表される。

【００２９】 Ｒｅ＝ｖＤ／ν （１） ここで、 ｖ：流体の平均速度 Ｄ：円管の水力直径 ν：流体の動粘性 円管内の流れとは異なり、本発明の電解槽１０の場合の
ようにスリット状の断面形状を有する通水路における乱
流の発生に関しては、従来技術においては理論的な解明
はなされていない。

【００３０】そこで、図１０を参照するに、本発明の電
解槽１０の任意の一方の通水路（例えば、通水路３４）
については、通水路３４の軸線５４に垂直で電極板１６
および１８に平行な方向における通水路の幅（図示した
実施例では、この幅は電極板の幅に等しい）をＷ（ｃ
ｍ）、電極板間隔をｄ（ｃｍ）、流量をＱ（ｃｍ³／ｓ
ｅｃ）とすれば、通水路３４を流れる水の流速ｖは、流
路断面積＝Ｗｄであるから、 ｖ＝Ｑ／Ｗｄ （２） となる。

【００３１】他方、円管内の流れについては、水力直径
Ｄは動水半径（流路断面積を濡れ長さで割った値）の４
倍であるものとして知られている。これに従えば、本発
明の電解槽１０の通水路３４の水力直径Ｄは、 Ｄ＝４Ｗｄ／２（ｄ＋Ｗ）＝２ｄＷ／（ｄ＋Ｗ） （３） ところで、本発明の電解槽１０においては、電極板間隔
ｄは０.５ｍｍであり、これに対して電極板の幅Ｗは十
分に大きいと見做すことができる。従って、近似的に次
式が成立する。

【００３２】 ｄ＋Ｗ≒Ｗ （４） 式（４）を式（３）に代入すると、 Ｄ＝２ｄＷ／Ｗ＝２ｄ （５） 式（１）に式（２）および式（５）を代入すれば、本発
明の電解槽１０の通水路３４におけるレイノルズ数を求
めることができる。

【００３３】 Ｒｅ＝ｖＤ／ν ＝（Ｑ／Ｗｄ）・２ｄ／ν ＝２Ｑ／νＷ （６） 前述したように、円管の場合に層流が保証される臨界レ
イノルズ数は２３００であるから、本発明の電解槽１０
の通水路３４において層流を保証するためには、式
（６）によるレイノルズ数は２３００以下でなければな
らない。

【００３４】 Ｒｅ＝２Ｑ／νＷ＜２３００ （７） 水の動粘性ν＝０.０１ｃｍ²／secを式（７）に代入し
て式を展開すると、 Ｗ＞２Ｑ／２３００ν＝０.０８７Ｑ （８） 但し、Ｑ：流量（ｃｍ³／ｓｅｃ） Ｗ：幅（ｃｍ） 式（８）から、本発明の電解槽１０の通水路３４又は３
６内の流れを層流にし、従って、乱流発生を防止するた
めには、理論的には、通水路の幅Ｗを流量Ｑの０.０８
７倍より大きくすればよいことが導かれる。実際には、
通水路の幅Ｗは流量Ｑの０.１４倍より大きくするのが
好ましい。図３から図９に示した実施例では、電解槽１
０に約５リッター／分の流量で通水を行うことを想定
し、通水路３４および３６の上下方向幅Ｗ（従って、電
極板１６、１８、２０の長辺の長さ）は１２ｃｍにして
ある。この実施例では、通水路の幅Ｗは流量の約０.３
倍になっている。

【００３５】実験例 通水路の幅Ｗが５ｃｍの電解槽を試作し、流量を変えな
がらアルカリ性水出口のｐＨを測定した。その結果を図
１１のグラフに示す。このグラフから、流量が３リッタ
ー／分を超えて４リッター／分に近づくと、アルカリ性
水出口のｐＨ値が急激に低下して中性に近づき、この電
解槽のアルカリ性水生成性能が悪化することが分かる。
式（８）から、Ｗ＝５ｃｍの場合に層流を維持できる臨
界流量Ｑを求めると、約３.５リッター／分である。こ
の数値は図１１のグラフに示した結果に一致している。
従って、流量が３リッター／分を超えると性能が悪化し
たのは、通水路内の流れが層流から乱流に遷移したため
と考えられる。

【００３６】次に、通水流量を一定（３リッター／分お
よび５リッター／分）にして、通水路の幅Ｗを変えなが
ら酸性水出口およびアルカリ性水出口のｐＨを測定し
た。通水路幅Ｗの変更は通水路にシリコーン樹脂製の邪
魔板を嵌め込み、その邪魔板の幅を変えることにより行
った。この実験は電極板間に３Ａの直流電流を印加しな
がら行ったもので、通水路幅Ｗの減少に伴い電解有効面
積が減少し、電圧が低下した。その結果を図１２のグラ
フに示す。図１２のグラフにおいて、横軸は通水路の幅
Ｗを通水流量（３リッター／分および５リッター／分）
で割った値を示し、縦軸は酸性水およびアルカリ性水の
ｐＨを示す。図１２のグラフから、通水流量に関係な
く、通水路の幅Ｗが流量Ｑの０.０９倍を下回ると性能
が悪化し、０.１４倍を超えると強酸性水および強アル
カリ性水が得られることが判る。

【００３７】本発明者は、更に、印加電流および電極間
距離を変えながら試験した。図１３のグラフは、流量５
リッター／分の条件下で印加電流を変えながら行った試
験の結果を示す。電流は電気分解の程度と関係があり、
電流値が高い程強度の酸性水およびアルカリ性水が得ら
れることが判る。しかし、通水路の幅Ｗが流量Ｑの０.
０９倍を下回ると性能が悪化し、０.１４倍を超えると
性能が安定することは、図１２のグラフと同様である。

【００３８】図１４のグラフは、電極間距離を変えて行
った試験の結果を示す。電流は３Ａであり、流量は５リ
ッター／分に固定した。電解槽の他の条件は同一にした
ので、電極間距離を大きくした場合には高い電圧を要
し、ｐＨ改質が不十分になる傾向にある。しかし、電圧
は別とすれば、通水路の幅Ｗが流量Ｑの０.０９倍を下
回ると性能が悪化し、０.１４倍を超えると性能が安定
することが確認された。

【００３９】以上には本発明の特定の実施例について記
載したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本
発明の範囲内で種々の設計変更を加えることができる。
例えば、電極板の極性を逆にし、出口３０からアルカリ
性水を取り出し、出口２８から酸性水を取り出すことが
できることは言うまでもない。また、図示した実施例で
は電解槽の流量を大きくするため２枚の陽極板を配置し
てあるが、陽極板は１枚にしてもよい。また、電極板１
６と２０にはイオンリッチ水回収口として作用するスリ
ット１６Ｃおよび２０Ｃが設けてあるが、イオンリッチ
水回収口はこれらの電極板の下流側エッジに配置しても
よい。

【００４０】

【発明の効果】以上から判るように、本発明によれば、
通水路３４および／又は３６の入口３２からアルカリ性
水回収口３８および酸性水回収口４４、４６に至るま
で、図２に示したように通水路に沿って層流を維持させ
ながら水の電気分解を進行させることができる。従っ
て、衛生的で消費電力が小さいという無隔膜型の電解槽
の利点を享受しながらも、従来の無隔膜型電解槽では得
られなかったような強酸性および強アルカリ性のイオン
リッチ水を得ることができる。

【００４１】本発明によって得られる強酸性のイオンリ
ッチ水は、特に、台所のまな板や布巾の滅菌・殺菌等の
用途に効果的に利用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、水の電解によるイオンリッチ水生成原
理を示す模式図である。

【図２】図２は、無隔膜型電解槽の電解室における水素
イオン濃度分布を示す模式図である。

【図３】図３は、本発明の電解槽の一部切欠き正面図で
ある。

【図４】図４は、図３に示した電解槽の分解斜視図であ
る。

【図５】図５は、図３のV−V線に沿った断面図であっ
て、図面簡素化のため電極板とスペーサは省略してあ
る。

【図６】図６は、図３のVI−VI線に沿った断面図であ
る。

【図７】図７は、図３のVII−VII線に沿った断面図であ
る。

【図８】図８は、図５の円Ａ内部分の拡大断面図であ
る。

【図９】図９は、図５の円Ｂ内部分の拡大断面図であ
る。

【図１０】図１０は、図３から図９に示した電解槽の電
極板の模式的斜視図である。

【図１１】図１１は、本発明の実験例の結果を示すグラ
フで、横軸は流量を表し、縦軸はｐＨを表す。

【図１２】図１２は、本発明の他の実験例の結果を示す
グラフで、横軸は通水流量に対する通水路幅Ｗに比を表
す。

【図１３】図１３は、本発明の他の実験例の結果を示す
グラフである。

【図１４】図１４は、本発明の他の実験例の結果を示す
グラフである。

【符号の説明】

１０： 電解槽 １６、２０： 陽極板 １８： 陰極板 ３４、３６： 通水路（電解室） ５４： 通水路の軸線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 安藤 茂 福岡県北九州市小倉北区中島２丁目１番 １号 東陶機器株式会社内 (56)参考文献 特公 平８−15598（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C02F 1/46

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 対をなす陽極板と陰極板とを隔膜を介在
   させることなく互いに近接して平行に対向配置すること
   により前記陽極板と陰極板との間に電解室として作用す
   る通水路を形成し、前記通水路に通水しながら水を電気
   分解することによりイオンリッチ水を生成するようにな
   った無隔膜型電解槽において：通水流量１ｃｍ ³ ／秒当たりの、 前記通水路の軸線に垂
   直で前記電極板に平行な方向における前記通水路の幅
   が、０.０９ｃｍより大きいことを特徴とする無隔膜型
   電解槽。
2. 【請求項２】 通水流量１ｃｍ ³ ／秒当たりの前記通水
   路の幅が、０.１４ｃｍより大きいことを特徴とする請
   求項１に基づく無隔膜型電解槽。