JP3139159U - 水電気分解用電解槽 - Google Patents

Abstract

【課題】酸性水或はアルカリ性水のみを生成する水電気分解用電解槽を提供する。
【解決手段】中間室１７，１８を挟んで二つの電解室１５，１６が存在する水電気分解用電解槽であって、（１）各電解室と中間室とは隔膜５，６で仕切られ、それぞれの隔膜の電解室側に隣接して、多数の孔を有する電極板Ａ，Ｂが配置され，（２）各電解室は、それぞれ、下部に電気分解する水を導入する入口７，８を有し、上部に電気分解された水を排出する出口９，１０を有し，（３）中間室は、電解質水溶液が収納され、且つ多数の孔を有する電極板Ｃによって二分されており、その下部には少なくとも１箇所に電解質水溶液入口１１を有し、上部には上記電極板を挟んで二箇所に電解質水溶液出口１２，１３を有し、（４）各隔膜に隣接して配置した二つの電極板Ａ，Ｂを共に陽極又は陰極とし、中間室に配置した電極板Ｃをその対極とする、水電気分解用電解槽である。
【選択図】図１

Description

本考案は、水を電気分解して、酸性電解水又はアルカリ性電解水の一方の電解水だけを単独に、連続的に生成させるための電解槽に関する。

小量の電解質を添加した水を電気分解して酸性水とアルカリ性水を生成させることは従来から行なわれている。これらの酸性水及びアルカリ性水を水の電気分解によって製造するには、電解槽を一枚の隔膜によって陽極室と陰極室に仕切った構造の二室型電解槽、２枚の隔膜で陽極室、中間室及び陰極室の三室に仕切った構造の三室型電解槽がある（特許文献１）。通常、それらの電解槽からは酸性水及びアルカリ性水の両方が同時に生成される。しかしながら、どちらか一方の電解水だけを必要とするユーザーにとっては、不必要な電解水を生成し廃棄しなくてはならないと言う問題点がある。
特許第３１１３６４５号公報

本考案は、水を電気分解して酸性水、アルカリ性水を生成するとき、目的とする酸性水或はアルカリ性水の生成効率を高め、反対に不必要なアルカリ性水或は酸性水は生成させず、中間室の電解質の電気化学的反応だけにとどめる水電気分解用電解槽を提供することを目的とする。

本考案は、中間室を挟んで二つの電解室が存在する水電気分解用電解槽であって、次の構成を備えた水電気分解用電解槽である。
（１）中間室と各電解室とは隔膜で仕切られ、それぞれの隔膜の電解室側に隣接して、多数の孔を有する電極板が配置されている。
（２）各電解室は、それぞれ、下部に電気分解する水を導入する入口を有し、上部に電気分解された水を排出する出口を有する。
（３）中間室は、電解質水溶液が収納され、且つ多数の孔を有する電極板によって二分されており、その下部には少なくとも１箇所に電解質水溶液入口を有し、上部には上記電極板を挟んで二箇所に電解質水溶液出口を有する。
（４）各隔膜に隣接して配置した二つの電極板を共に陽極又は陰極とし、中間室に配置した電極板をその対極とする。

上記の水電気分解用電解槽において、各隔膜に隣接して配置した二つの電極板を陽極にし、中間室に配置した電極板を陰極にし、且つ各隔膜を陰イオン交換膜にしてもよい。また、各隔膜を陰イオン交換膜にし、各隔膜の電解室側に隣接して、複数のスリット状切れ目を有する保護膜を介して、多数の孔を有する電極板を配置してもよい。さらに、各隔膜に隣接して配置した二つの電極板を陰極にし、中間室に配置した電極板を陽極にし、且つ各隔膜を陽イオン交換膜にしてもよい。

従来、中間室を挟んで二つの電解室が存在する三室を備えた水電気分解用電解槽を、酸性水、アルカリ性水の生成に用いていたが、このとき酸性水、アルカリ性水が同時に生成する。本考案によれば、従来の三室を備えた電解槽の中間室に第三の電極板を付け加え、この中間室の電極板を電解室に配置した電極板の対極とすることにより、二つの電解室において酸性水のみを単独に生成させたり、或は二つの電解室においてアルカリ性水のみを単独に生成させることができる。このとき、中間室に収納されている電解質水溶液は、電極表面に於いて起こる電気化学反応により、組成が変化し、また反応ガスを発生するが、目的としない電解水（酸性水又はアルカリ性水）は生成しない。また、アルカリ性電解水の場合など塩素ガスが発生しない生成条件の場合は、同一サイズの電極を用いていても、電極や隔膜を傷める恐れが少ないので電流を増加し、生成量を増やすことが可能となる。

本考案を図で説明する。図１は本考案の水電気分解用電解槽の一例の縦断面図である。図１において、１及び２は直方体の電解槽の側壁で、プラスチック等の非導電材料で出来ている。電解槽は、隔膜５,６で仕切られている。そして、側壁１と隔膜５で構成される空間が電解室１５を形成し、側壁２と隔膜６で構成される空間が電解室１６を形成する。Ａは、隔膜５の電解室１５側に隣接して配置した電極板である。また、Ｂは、隔膜６の電解室１６側に隣接して配置した電極板である、これらの電極板Ａ，Ｂは多数の孔を有する電極板である。隔膜５と隔膜６で構成される空間が中間室である。中間室を挟んで二つの電解室１５，１６が存在する。この中間室には、そのほぼ中央に電極板Ｃが配置され、これによって中間室は空間１７,１８に二分されている。この電極板Ｃは多数の孔を有する電極板である。３、４は、中間室形成の空間１７，１８を構成させるために挿入した板で、周辺を残して中央部が刳り貫かれており、プラスチック等の非導電材料で出来ている。

各電解室は、それぞれ、下部に電気分解する水を導入する入口を有し、上部に電気分解された水を排出する出口を有する。すなわち、電解室１５の下部には、電気分解する水を導入する入口７が有り、その上部には、電気分解された水を排出する出口９が有る。また、電解室１６の下部には、電気分解する水を導入する入口８が有り、その上部には、電気分解された水を排出する出口１０が有る。電解槽に電気分解する原水を導入するに当たっては、原水を二分し、その一方を電解室１５の入口７に送り、他方を電気分解する水を導入する入口８に送るようにしてもよい。また、出口９から出る電気分解された水と、出口１０から出る電気分解された水とを合わせて生成水として取得してもよい。また、電気分解する水を入口７から電解室１５に導入し電気分解させ、その上部の出口９から排出する電気分解された水を、更に、入口８から電解室１６導入し、電気分解させ、電解室１６の上部の出口１０から生成水として取り出してもよい。

中間室１７，１８は、電解質水溶液が収納されている。その下部には少なくとも１箇所に電解質水溶液の入口を有する。すなわち、中間室１７，１８のそれぞれの下部に電解質水溶液の入口を設けてもよいし、図１に示すごとく、例えば、中間室１７の下部に電解質水溶液の入口１１を設け、この入口１１から入った電解質水溶液を中間室１８にも導入し、中間室１７，１８を電解質水溶液で満たすようにしてもよい。また、中間室１７の上部には電解質水溶液出口１２が有り、中間室１８の上部には、電解質水溶液出口１３を有する。この出口１２及び１３は、電気分解で発生したガスを抜く出口にもなっている。

隔膜５と電極板Ａ,及び隔膜6と電極板Ｂは、それぞれ、隣接して配置されるが、これらは積層構造体になっていてもよい。電極板Ａ，電極板Ｂ，及び電極板Ｃは、その全面にわたって多数の孔が穿かれている。この孔の孔径は１．０〜３．０ｍｍが好ましい。また、電極板の材質は、チタンに白金又は白金属の金属或はその酸化物をメッキしたり焼き付けしたりしてコーティングしたものが好ましい。図１のごとく、側壁１、電極板Ａ、隔膜５、電極板Ｃ、隔膜６、電極板Ｂ、側壁２の順に配列させ、中間室形成の空間１７，１８を構成させるための板３，４を適宜に挟み、上部及び下部をボルトとナット１４，１４によって締め付け一体化し、水電気分解用電解槽を形成する。

本考案の水電気分解用電解槽を用いて、酸性水又はアルカリ水を生成させる方法を説明する。目的とする生成水が酸性水の場合は、電極板Ａ及び電極板Ｂは陽極とし、電極板Ｃを陰極として直流電流を通電する。この場合、中間室１７，１８には電解質水溶液として塩素イオンを含有する塩類、例えば塩化ナトリウムや塩化カリウム等の水溶液を収納して電気分解する。電解室１５,１６で酸性水が生成し、この生成した酸性水は、有効塩素濃度１０〜８０ｐｐｍの次亜塩素酸水を主成分とする電解水である。中間室１７、１８では水酸化ナトリウムや水酸化カリウム及び塩素ガスが生成する。発生したガスはノズル１２及び１３から排出される。なお、中間室１７，１８に収納する電解質水溶液は、外部に電解質水溶液槽を設け、この電解質水溶液槽と中間室の間を、ポンプを使用して循環させてもよい。

上記の態様の場合、陽極の電極板Ａ及び電極板Ｂの表面で発生する塩素ガスにより，隣接する隔膜（陰イオン交換膜）が劣化して、安定した製造が困難になるという問題が生じる。この問題の解消のため、各隔膜の電解室側に隣接して電極板Ａ及び電極板Ｂを配置するとき、各隔膜と各電極の間に、複数のスリット状切れ目を設けた保護膜をそれぞれ介在させる。発生した塩素ガスが、各隔膜近傍に閉じ込められる前に、保護膜に設けた複数のスリット状切れ目から排出され、塩素ガスが隔膜に直接触れることが低減し、隔膜の劣化を防止できる。

保護膜の材質はアスベスト、グラスウール、ポリ塩化ビニル繊維、ポリ塩化ビニリデン繊維、ポリエステル繊維、芳香族ポリアミド繊維或はそれらの不織布であり、紙、セロハン紙なども用いられる。イオン透過性の良い不織布が特に望ましい。保護膜に縦方向に設けるスリットの幅は１〜１０ｍｍが好ましく、さらに好ましくは３〜７ｍｍである。このようなスリットを設けた保護膜は、製作は簡単であるが、膜に不均一な力が掛かってゆがんだり、圧力が掛かって膨らんだような時にスリット部分が多小目開きして塩素ガスがイオン交換膜に接触する恐れがある。

他の保護膜の例は、短冊型に切断した複数枚の不織布を用い、短冊型不織布の端部に、別の短冊型不織布をオーバーラップさせて重ね、この短冊型不織布の他端部に更に別の短冊型不織布をオーバーラップさせて重ねることを繰り返して並べ、例えば周辺を接着剤で接着して一体化したものである。このオーバーラップさせた部分にスリット状切れ目が形成されている。オーバーラップさせる部分の幅は、保護膜の大きさで異なるが、１〜５ｍｍが好ましい。この形態の保護膜は、主に保護膜面積が大きい場合に適しており、保護膜に不均一な力が掛かってゆがんだり、圧力が罹って膨らんだような時にもオーバーラップの部分にスリット状切れ目の開口を確保できる。

目的とする生成水が水酸化カリウムや水酸化ナトリウム等のアルカリ性水の場合は、電極板Ａ及び電極Ｂは陰極とし、電極Ｃを陽極として直流電流を通電する。この場合中間室１７，１８には電解質水溶液として炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素ナトリウム又は炭酸水素カリウムなどの水溶液を使用する。電解室１５，１６ではｐＨが高く、酸化還元電位が低い水酸化ナトリウムや水酸化カリウムを主成分とするアルカリ性水が生成する。中間室１７，１８では炭酸ガスや水素ガスが生成するが、不必要な酸性水は生成しない。発生したガスは、ノズル１２及び１３から排出される。なお、中間室１７，１８に収納する電解質水溶液は、外部に電解質水溶液槽を設け、この電解質水溶液槽と中間室の間を、ポンプを使用して循環させてもよい。

図１に示す本考案の水電気分解用電解槽を用いて、水を電気分解し、酸性電解水を生成させる例を説明する。各電解室と中間室の仕切の隔膜５及び隔膜６には、陰イオン交換樹脂膜を使用した。電極板Ａ及び電極板Ｂには、有効面積が５５ｃｍ^２の多数の孔（孔径２ｍｍ）を有するチタン板に白金／酸化イリヂウムを焼成した電極板を用いた。電極板Ｃには、有効面積が５５ｃｍ^２の多数の孔（孔径２ｍｍ）を有するチタン板に白金メッキを施した電極板を用いた。電極板Ａと隔膜５との間、及び隔膜６と電極板Ｂとの間に、密着させて保護膜を配置した。この保護膜は、商標名ユアサメンブレンシステムのＭＦ２５０Ｂに多数の幅５ｍｍの縦方向のスリットを入れたものを使用した。

中間室には電解質水溶液として濃度約３０％の塩化ナトリウム水溶液を充填した。電極板Ａ及び電極板Ｂには、それぞれ、６．５アンペア、７ボルトの直流電流を負荷した。電極板Ｃは、１３アンペア、７ボルトの直流電流を負荷した。電解槽に供給する原水を二つに分流し、その一方を電気分解する水（電解処理用水）として電解室１５及び電解室１６に供給した。他方の電気分解しない水（非電解処理用水）を、電解室１５及び電解室１６から排出した電気分解水と合流させ混合し、目的の酸性水を得た。そして、電解室１５，１６に供給する電解処理用水の水量を２００ｃｃ／分に固定し、他方の非電解処理水の水量を２０００ｃｃ／分に調節して両者を混合したところ、酸性水の生成量は２２００ｃｃ／分でｐＨ値が３．２で、有効塩素濃度が３５ｐｐｍの電解水が得られた。この場合の電解質水溶液のｐＨはスタート時のｐＨ＝１０．０から上昇し始めて、ｐＨが１３を超える値に組成変化したが、アルカリ性水は生成しない生成条件が達成された。

図１に示す本考案の水電気分解用電解槽を用いて、水を電気分解し、アルカリ性電解水を生成させる例を説明する。各電解室と中間室の仕切の隔膜５及び隔膜６には、陽イオン交換樹脂膜を用いた。隔膜５及び隔膜６に密着して電極板Ａ及び電極板Ｂを配置した。電極板Ａ及び電極板Ｂ、並びに電極板Ｃには、有効面積が５５ｃｍ^２の多数の孔（孔径２ｍｍ）を有するチタン板に白金メッキを施した電極板を用いた。中間室には電解質として濃度約５０％の炭酸カリウム水溶液を充填した。電解槽に供給する原水を二つに分流し、その一方を電解室１５に供給し、他方を電解室１６に供給した。そして、電解室１５及び電解室１６から排出した電気分解水を合流させて目的のアルカリ性水を得た。電極板に負荷する直流電流は２０アンペアで電圧は９ボルトであった。電解室に供給する水量を２００ｃｃ／分〜１０００ｃｃ／分の間を変化させ、それぞれについて生成したアルカリ性水のｐＨと酸化還元電位ＯＲＰ（ボルト）を測定した。その結果を表１に示す。

表１から分かるように、電解室に供給する水量が少ない場合は、ｐＨが高く、酸化還元電位が低いアルカリ水が生成し、その水量を多くするに従い、生成するアルカリ水のｐＨは低くなり、酸化還元電位は上昇する。この実施例の場合、電解室に供給する水量が２００〜８００ｃｃ／分の間で、殊に有用とされるｐＨ１２以上で、酸化還元電位−５００以下のアルカリ性水を得ることが出来た。

なお、隔膜で仕切られ、中間室を挟んで二つの電解室が存在する従来の三室型電解槽（電極板は、陽極板と陰極板各１個づつ）を用い、電極板の有効面積を実施例２と同じく５５ｃｍ^２にし、電極板に負荷する直流電流を６．５アンペア、６ボルトにして、水を加水分解した場合には、陰極室に供給した原水の水量が８０ｃｃ／分、１２０ｃｃ／分，及び２００ｃｃ／分のとき、生成したアルカリ水のｐＨはそれぞれ１２．３９、１２．２９及び１２．１４であり、ＯＲＰはそれぞれ−７２５ボルト、−７５０ボルト及び−６００ボルトであった。このように、電極板の有効面積を同じであっても、従来の三室型電解槽を用いた場合は、供給水量を本考案の実施例２の供給水量の約４０％の供給水量に減少させないと、本考案の実施例２と同程度のｐＨ及び酸化還元電位のアルカリ水が得られなかった。

本考案の電解槽の縦断面図

符号の説明

１，２ 電解槽の側壁、３，４ 中間室形成のための板、５，６ 隔膜、７，８ 電気分解する水の入口、９,１０ 電気分解した水の出口、１１ 電解質水溶液の入口、 １２，１３ 電解質水溶液の出口、１５，１６ 電解室、１７，１８ 中間室、Ａ，Ｂ 電解室電極板、Ｃ 中間室電極板

Claims (4)

1. 中間室を挟んで二つの電解室が存在する水電気分解用電解槽であって、次の構成を備えた水電気分解用電解槽。
   （１）中間室と各電解室とは隔膜で仕切られ、それぞれの隔膜の電解室側に隣接して、多数の孔を有する電極板が配置されている。
   （２）各電解室は、それぞれ、下部に電気分解する水を導入する入口を有し、上部に電気分解された水を排出する出口を有する。
   （３）中間室は、電解質水溶液が収納され、且つ多数の孔を有する電極板によって二分されており、その下部には少なくとも１箇所に電解質水溶液入口を有し、上部には上記電極板を挟んで二箇所に電解質水溶液出口を有する。
   （４）各隔膜に隣接して配置した二つの電極板を共に陽極又は陰極とし、中間室に配置した電極板をその対極とする。
2. 各隔膜に隣接して配置した二つの電極板が陽極で、中間室に配置した電極板が陰極であり、且つ各隔膜が陰イオン交換膜である請求項１記載の水電気分解用電解槽。
3. 各隔膜が陰イオン交換膜であり、各隔膜の電解室側に隣接して、複数のスリット状切れ目を有する保護膜を介して、多数の孔を有する電極板が配置されている請求項１又は２記載の水電気分解用電解槽。
4. 各隔膜に隣接して配置した二つの電極板が陰極で、中間室に配置した電極板が陽極であり、且つ各隔膜が陽イオン交換膜である請求項１記載の水電気分解用電解槽。

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