JP5355460B2 - 電気式脱イオン水製造装置 - Google Patents

Description

本件発明は、燃料電池等に使用する脱イオン水を製造する電気式脱イオン水製造装置に関する。

従来より、半導体製造工業、製薬工業、食品工業などの各種工業、研究室又は燃料電池などで純水又は超純水などの脱イオン水が使用されており、その製造装置の一つとして、電気式脱イオン水製造装置（ＥＤＩ）が知られている。

この電気式脱イオン水製造装置は、基本的には陽イオン交換膜と陰イオン交換膜で形成される隙間に、イオン交換体としてアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂の混合イオン交換樹脂層を充填して脱イオン室としている。そして、電気式脱イオン水製造装置は、混合イオン交換樹脂層に被処理水を通過させるとともに、直流電流を作用させて、両イオン交換膜の外側に流れている濃縮水中に被処理水中のイオンを電気的に排除しながら脱イオン水を製造するものである。

また、特許文献１に記載されている電気式脱イオン水製造装置では、電極室（陽極室と陰極室）にイオン交換体を充填している。これにより、電極室内の電気抵抗を下げることができ、電極室内で発生するジュール熱を低減している。

さらに、特許文献２に記載されている電気式脱イオン水製造装置では、電極室に充填するイオン交換体を、これと隣接するイオン交換膜と同極性にすることで電位勾配を緩和してジュール熱の発生をさらに低減している。

しかしながら、陽極室にアニオン交換体を充填して、これに隣接する陽極側のイオン交換膜をアニオン交換膜にする構成は、アニオン交換体が、陽極で発生する酸化性物質により酸化劣化する懸念がある。そこで、図６に示すような電気式脱イオン水製造装置１０１が検討されている。

この電気式脱イオン水製造装置１０１は、陽極板１ａ、陽極室１ｂ、アニオン交換膜ＡＥＭ、脱塩室１ｃ、アニオン交換膜ＡＥＭ、陰極室１ｄ、陰極板１ｅが、この順序で配列されている。脱塩室１ｃと陰極室１ｄにはアニオン交換体ＡＥが充填されており、被処理水中のアニオン成分Ｙ⁻はアニオン交換体ＡＥに吸着された後に陽極室１ｂに移動して排出される。ここで、陽極室１ｂにはカチオン交換体ＣＥが充填されている。このカチオン交換体ＣＥはアニオン交換体ＡＥに比べて酸化劣化し難いので、陽極板１ａと接触していても問題ない。

２００３−１３６０６３号公報 ２００７−１７５６４７号公報

しかしながら、陽極室１ｂにカチオン交換体ＣＥを充填した場合には、水の電気分解により陽極板１ａで発生する水素イオンＨ^＋と、陰極板１ｅで発生する水酸化物イオンＯＨ⁻とが、陽極室１ｂ側のアニオン交換膜ＡＥＭで結合して水を生成する。このときに中和熱が発生するため、陽極室１ｂ側のアニオン交換膜ＡＥＭはこの中和熱で膜焼けしてしまう。

本件発明は、かかる従来の課題に鑑みてなされたものであり、電極室内のジュール熱の発生を抑えつつ、陽極室側に配置されるアニオン交換膜の膜焼けを防止することができる電気式脱イオン水製造装置を提供することを目的とする。

そこで、本件発明者等は、鋭意研究の結果、前記課題を解決するために以下のような電気式脱イオン水製造装置を見出すに至った。

本件発明の電気式脱イオン水製造装置は、
陽極板、イオン交換体が充填された陽極室、アニオン交換膜、イオン交換体が充填された脱塩室、イオン交換膜、イオン交換体が充填された陰極室、陰極板が、この順序で配列されている電気式脱イオン水製造装置であって、
前記陽極室内のイオン交換体は、カチオン交換体とアニオン交換体とから構成され、
前記アニオン交換体は前記陽極板に接触しないように前記アニオン交換膜側に配置され、
前記カチオン交換体は前記アニオン交換膜に接触しないように前記陽極板側に配置されて前記アニオン交換体と接触していることを特徴とする。

ここで、陽極室内のカチオン交換体またはアニオン交換体の少なくとも一方をモノリスイオン交換体にするのが好ましい。

また、陰極室内のイオン交換体と陰極室側のイオン交換膜とを同極性のものにするのが好ましい。

また、脱塩室内のイオン交換体を、カチオン交換体とアニオン交換体とを混合したものにして、陰極板側のイオン交換膜をカチオン交換膜にしても良い。

ここで、陰極室内のイオン交換体は、陰極板側に配置されたアニオン交換体と、このアニオン交換体に接触してカチオン交換膜側に配置されたカチオン交換体とから構成するのが好ましい。

また、陰極室内のイオン交換体をアニオン交換体にしても良い。

また、これらの電気式脱イオン水製造装置において、陰極室に充填される少なくとも１つのイオン交換体をモノリスイオン交換体にするのが好ましい。

また、本件発明の電気式脱イオン水製造装置を、燃料電池用の水処理システムに使用しても良い。

上記で説明したように、本件発明の電気式脱イオン水製造装置は、陽極室内において、アニオン交換体を陽極板と接触しないようにアニオン交換膜側に配置し、カチオン交換体をアニオン交換膜と接触しないように陽極板側に配置した。これにより、水の電気分解により陽極板で発生する水素イオンＨ^＋と、陰極板に発生する水酸化物イオンＯＨ⁻とが、陽極室内のカチオン交換体とアニオン交換体との接触面で水を生成して中和熱を発生するので、アニオン交換膜で中和熱が発生するのを抑えることができる。よって、本件発明の電気式脱イオン水製造装置は、電極室内のジュール熱の発生を抑えつつ、陽極室側に配置されるアニオン交換膜の膜焼けを防止することができる。

本件発明の第１の実施の形態を示す電気式脱イオン水製造装置の模式図である。 本件発明の第２の実施の形態を示す電気式脱イオン水製造装置の模式図である。 本件発明の第３の実施の形態を示す電気式脱イオン水製造装置の模式図である。 本件発明の第４の実施の形態を示す水処理システムの模式図である。 実施例と比較例の試験結果を示す図である。 従来の電気式脱イオン水製造装置の模式図である。

以下、本件発明の実施の形態を図にしたがって説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本件発明の第１の実施の形態を示す電気式脱イオン水製造装置１の模式図である。この電気式脱イオン水製造装置１において、図６に示す従来の電気式脱イオン水製造装置１０１と同じ部分には同じ符号を付している。この電気式脱イオン水製造装置１は、陽極板１ａ、陽極室１ｂ、アニオン交換膜ＡＥＭ、脱塩室１ｃ、アニオン交換膜ＡＥＭ、陰極室１ｄ、陰極板１ｅが、この順序で横に配列されている。

脱塩室１ｃと陰極室１ｄにはアニオン交換体ＡＥが充填されている。陽極室１ｂには、アニオン交換体ＡＥとカチオン交換体ＣＥが充填されている。この充填形態について具体的に説明すると、カチオン交換体ＣＥは、陽極室１ｂ内においてアニオン交換膜ＡＥＭに接触しないように陽極板１ａ側に配置されている。アニオン交換体ＡＥは、陽極室１ｂ内において陽極板１ａに接触しないようにアニオン交換膜ＡＥＭ側に配置されており、カチオン交換体ＣＥに接触している。

電気式脱イオン水製造装置１は、脱塩室１ｃのアニオン交換体ＡＥにより、脱塩室１ｃに送られた被処理水中のアニオン成分Ｙ⁻を吸着して除去し、脱イオン水（処理水）を製造する。また、電気式脱イオン水製造装置１は、陽極板１ａと陰極板１ｅとの間に直流電圧を印加する。これによりアニオン交換体ＡＥに吸着されたアニオン成分Ｙ⁻は、陽極室１ｂ側のアニオン交換膜ＡＥＭを通過して陽極室１ｂに入り、陽極室１ｂに送られてきた供給水に流されて濃縮水として外部に排出される。

次に、電気式脱イオン水製造装置１について水の電気分解に対する作用を説明する。上記で説明したように、この電気式脱イオン水製造装置１は、陽極室１ｂ内において陽極板１ａ側にカチオン交換体ＣＥを配置し、アニオン交換膜ＡＥＭ側にアニオン交換体ＡＥをカチオン交換体ＣＥと接触して配置している。

したがって、水の電気分解によって陽極板１ａで発生する水素イオンＨ^＋と、陰極板１ｅで発生する水酸化物イオンＯＨ⁻は、陽極室１ｂ内のカチオン交換体ＣＥとアニオン交換体ＡＥとの接触面１ｆで結合して水を生成する。そのときに、この接触面１ｆで中和熱が発生する。

つまり、この電気式脱イオン水製造装置１では、図６に示した従来の電気式脱イオン水製造装置１０１と比べてアニオン交換膜ＡＥＭで中和熱が発生するのを防ぐことができる。よって、本実施の形態の電気式脱イオン水製造装置１は、陽極板１ａ側に配置されるアニオン交換膜ＡＥＭの膜焼けを防止できる。

また、本実施の形態の電気式脱イオン水製造装置１では、電極室（陽極室１ｂと陰極室１ｄ）にイオン交換体を充填しているので、電極室内の電気抵抗を下げることができ、従来と同様に電極室内のジュール熱の発生を抑えることができる。

なお、陽極室１ｂ内のカチオン交換体ＣＥとしては、カチオン交換樹脂とカチオン交換モノリスが挙げられる。また、アニオン交換体ＡＥとしては、アニオン交換樹脂とアニオン交換モノリスが挙げられる。

ここで、モノリスイオン交換体（アニオン交換モノリス、カチオン交換モノリス）について説明しておく。モノリスイオン交換体とは、モノリス状の多孔質体にイオン交換基を導入したものである。このモノリスイオン交換体は、様々な形に加工することが可能である。

また、このモノリスイオン交換体には、様々な種類があるが、例えば、連続気泡構造のもの（特開２００２−３０６９７６号公報等を参照）、粒子凝集構造のもの（特開２００９−７５５０号公報等を参照）、共連続構造のもの（特開２００９−６２５１２号公報、特開２００９−６７９８２号公報、特開２００９−１０８２９４号公報、特開２００９−１９１１４８号公報等を参照）などが使用できる。

また、カチオン交換体ＣＥとアニオン交換体ＡＥの具体的な組み合わせは以下の４つである。
（１）カチオン交換樹脂＋アニオン交換樹脂
（２）カチオン交換モノリス＋アニオン交換樹脂
（３）カチオン交換樹脂＋アニオン交換モノリス
（４）カチオン交換モノリス＋アニオン交換モノリス

上記の組み合わせでは、カチオン交換体ＣＥまたはアニオン交換体ＡＥの少なくとも一方をモノリスイオン交換体にする（２）〜（４）の組み合わせが好ましい。

陽極板１ａでは水の電気分解によって気泡（酸素Ｏ_２）が発生するが、この気泡は供給水で排出方向に流される他にアニオン交換膜ＡＥＭの方に流される。気泡がアニオン交換膜ＡＥＭに付着し滞留すると、水の流れを阻害するために、直流電流が流れたときに生じるジュール熱を冷却することができなくなる。そのためアニオン交換膜ＡＥＭが損傷する懸念がある。ここで、カチオン交換体ＣＥまたはアニオン交換体ＡＥの少なくとも一方をモノリスイオン交換体にすると、モノリスイオン交換体は一般的にイオン交換樹脂よりも通水差圧が高いため、水はイオン交換樹脂層を優先的に流れ、流速が高くなる。これにより、陽極板１ａで発生した気泡を効率的に押し出すことが可能となる。

また、上記の（３）と（４）に示すように、アニオン交換体ＡＥの方をアニオン交換モノリスにした場合には、アニオン交換樹脂の場合と比べてアニオン交換膜ＡＥＭとの接触面積が大きくなる。そのため、アニオン交換膜ＡＥＭの膜面で発生するジュール熱が抑えられる。このように、本実施の形態の電気式脱イオン水製造装置１では、陽極板１ａ側のアニオン交換膜ＡＥＭの膜焼けを確実に防止することができる。

本実施の形態の電気式脱イオン水製造装置１では、ジュール熱の発生を抑えつつ、中和熱による膜焼けを防ぐことができるので、従来よりも高い電流密度で運転することが可能になる。したがって、電気式脱イオン水製造装置１を小型化することができ、家庭用燃料電池など、小型化が要求されるシステムに好適に使用することができる。

また、上記の（４）に示すように、カチオン交換体ＣＥとアニオン交換体ＡＥの両方をモノリスイオン交換体にした場合には、双方とも固形物であるので、イオン交換樹脂の場合に比べて陽極室１ｂへの充填作業性を向上することができる。

なお、カチオン交換体ＣＥとアニオン交換体ＡＥのそれぞれの厚みは、カチオン交換体ＣＥの厚みが０．５ｍｍ以上、アニオン交換体ＡＥの厚みが０．４ｍｍ以上が好ましい。これらの厚みは、カチオン交換樹脂またはアニオン交換樹脂一粒の平均粒径である。つまり、陽極板１ａにアニオン交換体ＡＥが接触しない、アニオン交換膜ＡＥＭにカチオン交換体ＣＥが接触しないようにそれぞれの厚みを設定すれば良い。

なお、陽極室１ｂ内のカチオン交換体ＣＥとアニオン交換体ＡＥの合計の充填率は、陽極室１ｂ内の体積に対して０．９〜１．４が好ましい。充填率が０．９よりも小さい場合には、供給水の流圧の影響を受けてカチオン交換体ＣＥとアニオン交換体ＡＥの配置位置がくずれるおそれがある。充填率が１．４よりも大きい場合には、供給水の流速が低下してしまい、陽極室１ｂ内に入ってきたアニオン成分Ｙ⁻や陽極板１ａで発生した気泡を効率良く排出できないおそれがある。

また、陽極室１ｂ内のカチオン交換体ＣＥとアニオン交換体ＡＥとの接触面１ｆの位置は、横方向（陽極板１ａと陰極板１ｅとの間の方向）で真ん中、つまり供給水の流速が一番早い位置に設定するのが一番好ましい。この場合には、接触面１ｆで発生した中和熱を効率良く下げることができる。

なお、陽極室１ｂ内を通る供給水の流速は、カチオン交換体ＣＥとアニオン交換体ＡＥの配置位置がくずれず、且つ、気泡が流されるように調整する。また、カチオン交換体ＣＥとアニオン交換体ＡＥの配置位置を保つために双方の間にメッシュ等の仕切りを設けても良い。また、供給水や被処理水を流す方向は特に限定されない。

また、本実施の形態の電気式脱イオン水製造装置１では、陰極室１ｄに充填されるイオン交換体と、陰極室１ｄ側のイオン交換膜とを同極性のものしている。つまり、アニオン交換体ＡＥとアニオン交換膜ＡＥＭの組み合わせにしている。

したがって、運転時には、陰極室１ｄ側のアニオン交換膜ＡＥＭにおいて陰極室１ｄ側に位置する膜面１ｈの電位勾配が緩和されるので、この膜面１ｈの発熱が抑えられる。よって、本実施の形態の電気式脱イオン水製造装置１は、陰極室１ｄ側に配置されるアニオン交換膜ＡＥＭの膜焼けも防止できる。

なお、脱塩室１ｃや陰極室１ｄに充填されるアニオン交換体ＡＥは、アニオン交換樹脂とアニオン交換モノリスが挙げられる。その場合に、アニオン交換体ＡＥの具体的な構成としては、アニオン交換樹脂のみ、アニオン交換モノリスのみ、アニオン交換樹脂とアニオン交換モノリスを混合したものが挙げられる。

陰極板１ｅでは水の電気分解によって気泡（水素Ｈ_２）が発生するが、この気泡は供給水で排出方向に流される他にアニオン交換膜ＡＥＭの方に流される。気泡がアニオン交換膜ＡＥＭに付着し滞留すると、供給水の流れを阻害するために、直流電流が流れたときに生じるジュール熱を冷却することができなくなる。そのためアニオン交換膜ＡＥＭが損傷する懸念がある。

ここで、アニオン交換体ＡＥにアニオン交換モノリスを使用した場合には、モノリスイオン交換体は一般的にイオン交換樹脂よりも通水差圧が高いため、供給水はイオン交換樹脂層を優先的に流れ、流速が高くなる。これにより、陰極板１ｅで発生した気泡を効率的に押し出すことが可能となり、アニオン交換膜ＡＥＭの陰極室１ｄ側の膜面１ｈには気泡が滞留しない。

このため、この膜面１ｈは供給水で確実に冷却されて、ジュール熱の影響を大きく受けることがない。よって、本実施の形態の電気式脱イオン水製造装置１は、陰極室１ｄ側に配置されるアニオン交換膜ＡＥＭの膜焼けを確実に防止できる。また、アニオン交換体ＡＥにアニオン交換モノリスを使用した場合には、アニオン交換樹脂の場合に比べて充填作業性を向上することもできる。

（第２の実施の形態）
図２は、本件発明の第２の実施の形態を示す電気式脱イオン水製造装置２の模式図である。この電気式脱イオン水製造装置２において、図６に示す従来の電気式脱イオン水製造装置１０１や図１に示す第１の実施の形態の電気式脱イオン水製造装置１と同じ部分には同じ符号を付している。この電気式脱イオン水製造装置２は、陽極板１ａ、陽極室１ｂ、アニオン交換膜ＡＥＭ、脱塩室１ｃ、カチオン交換膜ＣＥＭ、陰極室１ｄ、陰極板１ｅが、この順序で横に配列されている。

脱塩室１ｃには、カチオン交換体ＣＥとアニオン交換体ＡＥが混合して充填されている。陽極室１ｂには、アニオン交換体ＡＥとカチオン交換体ＣＥが充填されている。この充填形態については、第１の実施の形態の電気式脱イオン水製造装置１のところで説明した通りである。

陰極室１ｄには、アニオン交換体ＡＥとカチオン交換体ＣＥが充填されている。この充填形態について具体的に説明すると、アニオン交換体ＡＥは、陰極室１ｄ内において陰極板１ｅ側に配置されている。カチオン交換体ＣＥは、陰極室１ｄ内においてアニオン交換体ＡＥに接触してカチオン交換膜ＣＥＭ側に配置されている。

電気式脱イオン水製造装置２は、脱塩室１ｃのカチオン交換体ＣＥとアニオン交換体ＡＥにより、脱塩室１ｃに送られた被処理水中のカチオン成分Ｘ^＋とアニオン成分Ｙ⁻を吸着して除去し脱イオン水（処理水）を製造する。

また、電気式脱イオン水製造装置２は、陽極板１ａと陰極板１ｅとの間に直流電圧を印加する。これにより、カチオン交換体ＣＥに吸着されたカチオン成分Ｘ^＋は、カチオン交換膜ＣＥＭを通過して陰極室１ｄに入り、陰極室１ｄに送られてきた供給水に流されて濃縮水として外部に排出される。また、アニオン交換体ＡＥに吸着されたアニオン成分Ｙ⁻は、アニオン交換膜ＡＥＭを通過して陽極室１ｂに入り、陽極室１ｂに送られてきた供給水に流されて濃縮水として外部に排出される。

次に、電気式脱イオン水製造装置２について水の電気分解と解離反応に対する作用を説明する。上記で説明したように、この電気式脱イオン水製造装置２では、第１の実施の形態の電気式脱イオン水製造装置１と同様に、陽極室１ｂの陽極板１ａ側にカチオン交換体ＣＥを配置し、アニオン交換膜ＡＥＭ側にカチオン交換体ＣＥと接触するようにしてアニオン交換体ＡＥを配置している。したがって、陽極板１ａで発生する水素イオンＨ^＋と、脱塩室１ｃ内のカチオン交換体ＣＥとアニオン交換体ＡＥとの接点で水が解離して発生した水酸化物イオンＯＨ⁻は、陽極室１ｂ内のカチオン交換体ＣＥとアニオン交換体ＡＥとの接触面１ｆで水を生成して中和熱を発生させる。よって、本実施の形態の電気式脱イオン水製造装置２では、陽極室１ｂ側に配置したアニオン交換膜ＡＥＭの膜焼けを防止できる。

また、本実施の形態の電気式脱イオン水製造装置２では、第１の実施の形態の電気式脱イオン水製造装置１と同様に電極室（陽極室１ｂと陰極室１ｄ）にイオン交換体を充填しているので、電極室内の電気抵抗を下げてジュール熱の発生を抑えることができる。

なお、陽極室１ｂのカチオン交換体ＣＥとアニオン交換体ＡＥとしては、第１の実施の形態で説明したようにイオン交換樹脂とイオン交換モノリスが挙げられる。このイオン交換樹脂とイオン交換モノリスの組み合わせによる作用効果については、第１の実施の形態で説明した通りである。

また、本実施の形態の電気式脱イオン水製造装置２では、陰極室１ｄ内において陰極板１ｅ側にアニオン交換体ＡＥを配置し、カチオン交換膜ＣＥＭ側にカチオン交換体ＣＥをアニオン交換体ＡＥと接触するように配置した。

これにより、脱塩室１ｃ内のカチオン交換体ＣＥとアニオン交換体ＡＥとの接点で水が解離して発生した水素イオンＨ^＋は、陰極室１ｄ内のカチオン交換体ＣＥとアニオン交換体ＡＥとの接触面１ｉにおいて、陰極板１ｅで発生した水酸化物イオンＯＨ⁻と結合して水を生成する。その結果、この接触面１ｉで中和熱が発生するので、カチオン交換膜ＣＥＭの膜焼けを防止することができる。

なお、陰極室１ｄのカチオン交換体ＣＥ、アニオン交換体ＡＥとしては、イオン交換樹脂（カチオン交換樹脂、アニオン交換樹脂）と、モノリスイオン交換体（カチオン交換モノリス、アニオン交換モノリス）が挙げられる。モノリスイオン交換体の概要については、第１の実施の形態で説明した通りである。

したがって、陰極室１ｄにおけるカチオン交換体ＣＥとアニオン交換体ＡＥの具体的な組み合わせは、陽極室１ｂの場合と同様に以下の４つである。
（１）カチオン交換樹脂＋アニオン交換樹脂
（２）カチオン交換モノリス＋アニオン交換樹脂
（３）カチオン交換樹脂＋アニオン交換モノリス
（４）カチオン交換モノリス＋アニオン交換モノリス

したがって、上記の組み合わせでは、陽極室１ｂの場合と同様に、カチオン交換体ＣＥまたはアニオン交換体ＡＥの少なくとも一方をモノリスイオン交換体にする（２）〜（４）の組み合わせが好ましい。

陰極板１ｅでは水の電気分解によって気泡（水素Ｈ_２）が発生するが、この気泡は供給水で排出方向に流される他にカチオン交換膜ＣＥＭの方に流される。気泡がカチオン交換膜ＣＥＭに付着し滞留すると、水の流れを阻害するために、直流電流が流れたときに生じるジュール熱を冷却することができなくなる。そのためカチオン交換膜ＣＥＭが損傷する懸念がある。

ここで、カチオン交換体ＣＥまたはアニオン交換体ＡＥの少なくとも一方をモノリスイオン交換体にすると、モノリスイオン交換体は一般的にイオン交換樹脂よりも通水差圧が高いため、供給水はイオン交換樹脂層を優先的に流れ、流速が高くなる。これにより、陰極板１ｅで発生した気泡を効率的に押し出すことが可能となり、カチオン交換膜ＣＥＭの陰極室１ｄ側の膜面１ｊには気泡が滞留しない。このため、この膜面１ｊは供給水で確実に冷却されて、ジュール熱の影響を大きく受けることがない。

また、上記の（３）と（４）に示すように、カチオン交換体ＣＥの方をカチオン交換モノリスにした場合には、カチオン交換樹脂の場合と比べてカチオン交換膜ＣＥＭとの接触面積が大きくなる。そのため、カチオン交換膜ＣＥＭの膜面で発生するジュール熱が抑えられるので、カチオン交換膜ＣＥＭの膜焼けを確実に防止できる。

本実施の形態の電気式脱イオン水製造装置２では、第１の実施の形態の電気式脱イオン水製造装置１と同様に、ジュール熱の発生を抑えつつ、中和熱による膜焼けを防ぐことができるので、従来よりも高い電流密度で運転することが可能になる。したがって、電気式脱イオン水製造装置２を小型化することができ、小型化が要求されるシステムに好適に使用することができる。

また、上記の（４）に示すように、カチオン交換体ＣＥとアニオン交換体ＡＥの両方をモノリスイオン交換体にした場合には、双方とも固形物であるので、イオン交換樹脂の場合に比べて陰極室１ｄへの充填作業性を向上することができる。

なお、カチオン交換体ＣＥとアニオン交換体ＡＥのそれぞれの厚みは、陽極室１ｂに充填されているカチオン交換体ＣＥとアニオン交換体ＡＥと同様に、カチオン交換体ＣＥの厚みが０．５ｍｍ以上、アニオン交換体ＡＥの厚みが０．４ｍｍ以上が好ましい。つまり、陰極板１ｅにカチオン交換体ＣＥが接触しない、カチオン交換膜ＣＥＭにアニオン交換体ＡＥが接触しないようにそれぞれの厚みを設定すれば良い。

また、陽極室１ｂおよび陰極室１ｄ内のアニオン交換体ＡＥとカチオン交換体ＣＥの合計の充填率は、陽極室１ｂおよび陰極室１ｄ内の体積に対して０．９〜１．４が好ましい。充填率が０．９よりも小さい場合には、供給水の流圧の影響を受けてアニオン交換体ＡＥとカチオン交換体ＣＥの配置位置がくずれてしまうおそれがある。充填率が１．４よりも大きい場合には、供給水の流速が低下し、陽極室１ｂ内に入ってきたアニオン成分Ｙ⁻や陽極板１ａで発生した気泡（Ｏ_２）、陰極室１ｄ内に入ってきたカチオン成分Ｘ^＋や陰極板１ｅで発生した気泡（Ｈ_２）を効率良く排出できないおそれがある。

また、陽極室１ｂおよび陰極室１ｄ内のカチオン交換体ＣＥとアニオン交換体ＡＥとの接触面１ｆ、１ｉの位置は、横方向（陽極板１ａと陰極板１ｅとの間の方向）で真ん中、つまり供給水の流速が一番早い位置に設定するのが一番好ましい。この場合には、双方の接触面１ｆ、１ｉでそれぞれ発生した中和熱を効率良く下げることができる。

なお、陽極室１ｂ内や陰極室１ｄ内を通る供給水の流速は、カチオン交換体ＣＥとアニオン交換体ＡＥの配置位置がくずれず、且つ、気泡が流されるように調整する。また、カチオン交換体ＣＥとアニオン交換体ＡＥの配置位置を保つために双方の間にメッシュ等の仕切りを設けても良い。また、第１の実施の形態と同様に、供給水や被処理水を流す方向は特に限定されない。

（第３の実施の形態）
図３は、本件発明の第３の実施の形態を示す電気式脱イオン水製造装置３の模式図である。この電気式脱イオン水製造装置３において、図６に示す従来の電気式脱イオン水製造装置１０１や図１に示す第１の実施の形態の電気式脱イオン水製造装置１と同じ部分には同じ符号を付している。

この電気式脱イオン水製造装置３の構成は、第２の実施の形態の電気式脱イオン水製造装置２において陰極室１ｄ内に充填されたイオン交換体以外は同じである。この電気式脱イオン水製造装置３では、陰極室１ｄ内のイオン交換体をアニオン交換体ＡＥのみから構成している。この場合には、運転時に、脱塩室１ｃ内のカチオン交換体ＣＥとアニオン交換体ＡＥとの接点で水が解離して発生した水素イオンＨ^＋は、カチオン交換膜ＣＥＭにおいて、陰極板１ｅで発生した水酸化物イオンＯＨ⁻と結合して水を生成する。その結果、カチオン交換膜ＣＥＭで中和熱が発生するが、カチオン交換膜ＣＥＭはアニオン交換膜ＡＥＭよりも耐熱性が高いので、カチオン交換膜ＣＥＭはすぐに膜焼けしてしまうことはない。また、陰極室１ｄのイオン交換体を１種類のイオン交換体（アニオン交換体ＡＥ）から構成したので、陰極室１ｄへの充填作業性を向上することができる。また、このアニオン交換体ＡＥをアニオン交換モノリスから構成すれば、充填作業性をさらに向上することができる。

（第４の実施の形態）
図４の（ａ）及び（ｂ）は、第１〜第３の実施の形態で説明した本件発明の電気式脱イオン水製造装置１〜３を利用した水処理システム１０、２０の模式図である。図４の（ａ）の水処理システム１０は、主に家庭用の燃料電池に使用される。具体的には、燃料電池の発電時に生成される水（原水）に含まれているイオン成分を除去して脱イオン水（処理水）を製造する。

この水処理システム１０では、第１の実施の形態の電気式脱イオン水製造装置１の前段に前処理装置４を備えている。燃料電池の発電時に生成される水（原水）に含まれるイオン成分は、一般的にカチオン成分よりもアニオン成分の方が多い。したがって、前処理装置４にカチオン交換樹脂のみを充填したカチオン交換装置を使用してカチオン成分を除去し、脱塩性能が高い電気式脱イオン水製造装置１でアニオン成分を除去するのが好ましい。

原水中のアニオン成分に有機酸が含まれている場合には、前処理装置４に混床式のイオン交換装置を使用することが好ましい。具体的には、前処理装置４の内部にカチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂を混合して充填する。これにより、運転時には、回収水中の有機酸をアニオン交換樹脂で吸着して除去できる。

図４の（ｂ）の水処理システム２０は、主に半導体製造工業、製薬工業、食品工業などの各種工業、研究室などで脱イオン水（処理水）を製造する装置として使用される。この水処理システム２０では、本件発明の電気式脱イオン水製造装置２（３）の後段に後処理装置５を備えている。この後処理装置５には、混床式のイオン交換装置が使用されている。具体的には、イオン交換装置の内部にカチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂が混合して充填されている。

水道水、井戸水、工業用水等の原水中には、カチオン成分及びアニオン成分が含まれている。したがって、カチオン成分及びアニオン成分を効率的に除去するためには、脱塩性能が高い電気式脱イオン水製造装置２（３）で原水中のカチオン成分及びアニオン成分を除去した後、電気式脱イオン水製造装置２（３）で除去しきれなかった脱イオン水中のカチオン成分及びアニオン成分を後処理装置５（混床式イオン交換装置）で除去するのが好ましい。

以上、本件発明にかかる実施の形態を例示したが、これらの実施の形態は本件発明の内容を限定するものではない。また、本件発明の請求項の範囲を逸脱しない範囲であれば、各種の変更等は可能である。

例えば、上記の実施の形態１〜３では、陰極室１ｄ内のイオン交換体を、アニオン交換体ＡＥのみ、またはアニオン交換体ＡＥとカチオン交換体ＣＥとしたが、カチオン交換体ＣＥのみにしても良い。

次に、実施例および比較例を示して本件発明を具体的に説明する。なお、ここで説明する実施例は、単に例示であって、本件発明を限定するものではない。

実施例では図１の電気式脱イオン水製造装置を使用し、比較例では図６の電気式脱イオン水製造装置を使用して原水を処理した。実施例と比較例の電気式脱イオン水製造装置の陽極室の構成、陽極室のカチオン交換体アニオン交換体の厚みに関すデータを表１に示す。また、表２に示す試験条件のもとで電圧の経時変化の測定試験を行った。

＜実施例と比較例の比較＞
試験結果を図５に示す。比較例は陽極室に接触するアニオン交換膜が劣化して電圧が上昇傾向になることが確認できた。実施例１、実施例２は電圧が安定しており、比較例と異なりジュール熱の上昇が抑えられたこと、及びアニオン交換膜で発生する中和熱による膜焼けが防止できたことが確認できた。

１ 電気式脱イオン水製造装置
１ａ 陽極板
１ｂ 陽極室
１ｃ 脱塩室
１ｄ 陰極室
１ｅ 陰極板
２ 電気式脱イオン水製造装置
３ 電気式脱イオン水製造装置
１０ 水処理システム
２０ 水処理システム
ＡＥ アニオン交換体
ＡＥＭ アニオン交換膜
ＣＥ カチオン交換体
ＣＥＭ カチオン交換膜

Claims (8)

1. 陽極板、イオン交換体が充填された陽極室、アニオン交換膜、イオン交換体が充填された脱塩室、イオン交換膜、イオン交換体が充填された陰極室、陰極板が、この順序で配列されている電気式脱イオン水製造装置であって、
   前記陽極室内のイオン交換体は、カチオン交換体とアニオン交換体とから構成され、
   前記アニオン交換体は前記陽極板に接触しないように前記アニオン交換膜側に配置され、
   前記カチオン交換体は前記アニオン交換膜に接触しないように前記陽極板側に配置されて前記アニオン交換体と接触していることを特徴とする電気式脱イオン水製造装置。
2. 請求項１に記載の電気式脱イオン水製造装置において、
   前記陽極室内のカチオン交換体またはアニオン交換体の少なくとも一方をモノリスイオン交換体にしたことを特徴とする電気式脱イオン水製造装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の電気式脱イオン水装置において、
   前記陰極室内のイオン交換体と前記陰極室側のイオン交換膜とを同極性のものにしたことを特徴とする電気式脱イオン水製造装置。
4. 請求項１または請求項２に記載の電気式脱イオン水製造装置において、
   前記脱塩室内のイオン交換体を、カチオン交換体とアニオン交換体とを混合したものにし、前記陰極板側のイオン交換膜をカチオン交換膜にしたことを特徴とする電気式脱イオン水製造装置。
5. 請求項４に記載の電気式脱イオン水製造装置において、
   前記陰極室内のイオン交換体を、前記陰極板側に配置されたアニオン交換体と、このアニオン交換体に接触して前記カチオン交換膜側に配置されたカチオン交換体とから構成したことを特徴とする電気式脱イオン水製造装置。
6. 請求項４に記載の電気式脱イオン水製造装置において、
   前記陰極室内のイオン交換体をアニオン交換体にしたことを特徴とする電気式脱イオン水製造装置。
7. 請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の電気式脱イオン水製造装置において、
   前記陰極室に充填される少なくとも１つのイオン交換体をモノリスイオン交換体にしたことを特徴とする電気式脱イオン水製造装置。
8. 燃料電池用の水処理システムに使用される電気式脱イオン水製造装置に、請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の電気式脱イオン水製造装置を使用したことを特徴とする電気式脱イオン水製造装置。

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