JP5710691B2 - 膜―電極接合体及びこれを用いる電解水生成装置 - Google Patents

Description

本発明は、家庭、外出先において、簡易に、オゾン、過酸化水素、次亜塩素酸等を含む電解水を生成することのできる小型の膜−電極接合体及びこれを用いる、小型又は携帯可能な電解水生成装置に関するものである。

近年、２００５年の家庭用電解水生成器のＪＩＳ規格制定、２００９年には文科省の学校給食衛生管理基準および関連マニュアルにおいて、また、同年厚労省関連の日本食品衛生協会指導資料において電解水の利用が掲載されたことで、電解水生成装置への注目が集まっている。

［電解水の種類］
「電解水」とは、純水、水道水、軟水、薄い食塩水などを原料水として、直流電圧で電解処理して得られるオゾン、過酸化水素、次亜塩素酸等のいずれか１つまたは混合物よりなる電解生成物を含有する水溶液の総称であり、多くの電解水生成装置では、陽極側と陰極側に存在する溶液あるいはガスが物理的に互いに分離された２室型又は３室型の構造が採られている。ところが、一部の電解プロセスに於いては、陽極液と陰極液が互いに混じり合うことを必要とするか、あるいは、混じり合うことが許容される場合があり、このような場合、使用される電解水生成装置もそれに応じた１室型の構造が採られている。
電解水生成装置として、二室型又は三室型の構造を採った場合、陽極側では、「酸性電解水」が得られ、酸性電解水の主要な成分は、オゾン水、過酸化水素水、次亜塩素酸水である。一方、陰極側では、「アルカリ性電解水」が得られる。また、一室型の構造取った場合、酸性電解水とアルカリ電解水の混合した電解水が得られる。

特許文献１〜５に記載の膜−電極接合体及びこれを用いた電解水生成装置は、棒状又は筒状の陽極の周囲に、帯状イオン交換膜を短冊状又は螺旋状に、又は筒状イオン交換膜を筒状に被覆し、当該イオン交換膜の表面に帯状又は線状の陰極を短冊状又は螺旋状に巻きつけたことを特徴とするものである。
膜−電極接合体及びこれを用いた電解水生成装置は、棒状又は筒状の陽極の周囲に、帯状又は筒状のイオン交換膜を被覆し、当該イオン交換膜の表面に帯状又は線状の陰極を巻きつけた膜−電極接合体をチューブ内に固定し、給電端子を該チューブ内の陽極及び／又は陰極に接続したことを特徴とし、この電解ユニットと、原料水を収容した容器と、ヘッドにより電解水噴出装置を形成し、前記原料水を前記電解ユニットで電解して生成する電解水を前記ヘッドから噴出させることを特徴とするものである。
特許文献１〜５に記載の膜−電極接合体及びこれを用いた電解水生成装置によれば、装置を小型にすることができ、小型の装置を用いて、原料水溶液を電解し、生成した電解水を直ちに噴出して利用できる。

以上のように、棒状又は筒状の陽極の周囲に、帯状イオン交換膜を短冊状又は螺旋状に、又は筒状イオン交換膜を筒状に被覆し、当該イオン交換膜の表面に帯状又は線状の陰極を短冊状又は螺旋状に巻きつけた膜−電極接合体及びこれを用いた電解水生成装置では、前記陽極、前記膜及び前記陰極が一体化しているため、一旦製造すると、取り扱い易く、簡単に装置に組み込みやすくできる。しかも、棒状又は筒状の陽極の径、陽極の断面形状、イオン交換膜の厚さ、幅、そして線状陰極の場合は巻きつける間隔を調節することにより、又この部材を収納し対極室を形成するチューブの径を選択すること、更には使用する棒状又は筒状の陽極の数を適宜決定することで、陽極室及び陰極室として適切な気液流路が形成され、供給水量、電流値を変え、電解水の電解種濃度を所望値に設定でき、得られた電解水を対象物に噴出又は噴霧することにより所望濃度の電解種での殺菌が可能になる。

然るに、上記の特許文献１〜５に記載の膜−電極接合体を用いた電解水生成装置では、イオン交換膜の表面に帯状又は線状の陰極を短冊状又は螺旋状に巻きつけているため（以下、「巻き線型電極」と称す。）、線状陰極の巻きつけに手数を要するとともに、巻きつけの強度、巻きつけ間隔を均一にすることが困難で、しかも、この巻き線型電極では、陰極線とイオン交換膜の固定（保持力）が低下する恐れがあり、電解水生成装置の小型化を進める場合、その製作に熟練加工が必要となり、機械化が困難であり、製造コストが高くなるという問題点がある。
この巻き線型ダイヤモンド電極における陰極線とイオン交換膜の固定（保持）方法としては、次の２種類の方法が考えられる。

１）第１の固定方法（自由固定方法）
棒状のダイヤモンド電極よりなる陽極に帯状のイオン交換膜を陰極線で螺旋状に巻き付け、陰極線を塑性変形させ、陰極線とイオン交換膜を固定する。巻き付け後、陰極線は、スプリングバックで若干巻き戻るが、イオン交換膜の弾性により陰極線とイオン交換膜は棒状のダイヤモンド電極よりなる陽極に密着して保持される。

２）第２の固定方法
巻数が少ない場合や、陰極線が細い場合は、前述の場合に比べイオン交換膜を保持する力は小さくなるので、陰極線の巻はじめと終わりで、例えば陰極線を複数回密着して強く巻き付けることで巻き戻りを押さえ、陰極線とイオン交換膜をダイヤモンド電極よりなる陽極に保持する。
一般的にダイヤモンド電極よりなる陽極における陰極線とイオン交換膜の固定（保持）方法としては、作業の煩雑さやコスト面から、第１の固定方法である自由固定方法が好まれる。

然しながら、自由固定の場合、陰極線が自由固定された従来の巻き線型ダイヤモンド電極を小型化する場合、陰極線の巻数が少なくなると、少なくなった巻数分だけダイヤモンド電極軸方向の摩擦力が減少し、陰極線とイオン交換膜は軸方向にずれやすくなるという問題が発生する。
更に巻数が（例えば１〜３巻き程度に）少なくなると、巻き初めと巻き終わりが拘束されていない為、ダイヤモンド電極にイオン交換膜を押さえる陰極線の保持力（圧力）自身が低下する為、陰極線の巻数が少ないダイヤモンド電極は同じ電流密度で電解した場合、ダイヤモンド電極の電圧は高くなると考えられる。以上から、従来の巻き線型ダイヤモンド電極では、巻数が少なくなった場合、陰極線とイオン交換膜がダイヤモンド電極軸方向にずれないように、また安定したイオン交換膜の保持力を得る為に陰極線の両端部を拘束固定する必要が出て来る。

一方、第２の固定方法による拘束固定の場合、コストの面からは、ダイヤモンド電極を小型化する（巻数が少なくなる）と、陽極ダイヤモンド電極よりなる陽極の材料と巻き線作業が減りコストは低下するが、巻き線作業の段取り（工数）は変わらない為、ダイヤモンド電極の全コストに占める巻き線作業のコスト割合は高くなる。また、陰極線両端部の拘束固定が必要となる為、そのための工数が増加する。
以上より、従来の巻き線型ダイヤモンド電極の巻数を少なくして小型ダイヤモンド電極を製作した場合、ダイヤモンド電極のＯ₃発生量当たりの製作コストは大きく増加してしまう。

本発明は、上記のダイヤモンド電極を小型化する上での諸問題（陰極線のイオン交換膜保持力低下による形状固定の不安定化、電解セル電圧の増加と、これを抑える為の陰極線両端部の固定、それに伴う工数増加等）を解決するための方法として、陰極線の代わりにクリップ形状の陰極を用いるクリップ型膜―電極接合体を発明したものである。

特開２００６−３４６２０３号公報 特開２００８−７３６０４号公報 特開２００８−１２７５８３号公報 特開２００９−１２５６２８号公報 特開２００９−１３８２６２号公報

本発明は、これらの問題を解決し、従来の巻き線型電極に変えて、新たなクリップ型電極構造を採用し、家庭、外出先において、簡易に、オゾン、過酸化水素、次亜塩素酸等を含む電解水を生成し、生成された電解水により殺菌又は消毒を行うことのできる小型の膜−電極接合体及びこれを用いる小型又は携帯可能な電解水生成装置を提供することにある。

本発明における第１の解決課題は、上記目的を達成するため、
棒状又は筒状の陽極と、前記陽極に接続される陽極端子と、前記陽極から離隔した位置に前記陽極と対向配置される陰極と、前記陽極と前記陰極とを離隔する隔膜と、を備え、
前記陰極は、線状又は帯状の陰極支持部と、前記陰極支持部から左右の少なくともいずれか一方側に延出されるとともに前記陽極の外周に沿うように湾曲された陰極爪部と、を有し、前記陰極支持部及び陰極爪部によって前記陽極を把持する陰極の陽極把持部が形成されており、
前記隔膜として、短冊状隔膜を有し、
前記陰極爪部に、前記短冊状隔膜が当接配置され、前記陽極が前記短冊状隔膜を介して前記陰極の陽極把持部に把持されている膜−電極接合体を提供することにある。

本発明における第２の解決課題は、上記目的を達成するため、
前記陰極が陰極給電部を有し、前記陽極端子が陽極端子給電部を有し、前記陰極給電部と前記陽極端子給電部が同じ方向に配置されている膜−電極接合体を提供することにある。

本発明における第３の解決課題は、上記目的を達成するため、
前記陰極爪部として、前記陰極支持部から左右対称に延出された陰極左爪部及び陰極右爪部を有する膜−電極接合体を提供することにある。

本発明における第４の解決課題は、上記目的を達成するため、
前記陰極左爪部及び前記陰極右爪部を複数対有し、
前記陰極爪部が、前記陰極支持部から左右両側に櫛歯状に延出されている膜−電極接合体を提供することにある。

本発明における第５の解決課題は、上記目的を達成するため、
前記短冊状隔膜が、前記陰極左爪部から前記陰極右爪部に至るまで当接配置されている膜−電極接合体を提供することにある。

本発明における第６の解決課題は、上記目的を達成するため、
前記陰極の陽極把持部は、前記陽極の軸方向から見た形状がΩ字型となるように、前記左右陰極爪部の先端が「ハ」字型に湾曲されている膜−電極接合体を提供することにある。

本発明における第７の解決課題は、上記目的を達成するため、
前記陽極端子は、線状又は帯状の陽極端子支持部と、前記陽極端子支持部から左右両側に延出されるとともに前記陽極の外周に沿うように湾曲された陽極端子爪部と、を有し、前記陽極端子支持部及び前記陽極端子爪部によって前記陽極を把持する前記陽極端子の陽極把持部が形成されている膜−電極接合体を提供することにある。

本発明における第８の解決課題は、上記目的を達成するため、
前記陽極端子に形成された前記陽極端子の陽極把持部は、前記陽極の軸方向から見た形状がΩ字型またはＣ字型となるように、前記陽極端子爪部が湾曲されている膜−電極接合体を提供することにある。

本発明における第９の解決課題は、上記目的を達成するため、
前記陽極の長さが３ｍｍ以上、１００ｍｍ以下である膜−電極接合体を提供することにある。

本発明における第１０の解決課題は、上記目的を達成するため、
前記陽極の外径が０．５ｍｍ以上、１０ｍｍ以下である膜−電極接合体を提供することにある。

本発明における第１１の解決課題は、上記目的を達成するため、
前記短冊状隔膜の厚さが０．１ｍｍ以上、２ｍｍ以下である膜−電極接合体を提供することにある。

本発明における第１２の解決課題は、上記目的を達成するため、
前記短冊状隔膜の膜幅が０．２ｍｍ以上、５ｍｍ以下である膜−電極接合体を提供することにある。

本発明における第１３の解決課題は、上記目的を達成するため、
前記陽極が導電性ダイヤモンド電極である膜−電極接合体を提供することにある。

本発明における第１４の解決課題は、上記目的を達成するため、
前記隔膜がイオン交換膜である膜−電極接合体を提供することにある。

本発明における第１５の解決課題は、上記目的を達成するため、
前記膜−電極接合体により前記原料水の電気分解を行い、電解水を生成するように構成された電解水生成装置を提供することにある。

本発明における第１６の解決課題は、上記目的を達成するため、
前記膜−電極接合体と、原料水を収容する容器と、を備え、
前記膜−電極接合体に通電することにより前記原料水の電気分解を行い、電解水を生成するように構成された電解水生成装置を提供することにある。

本発明における第１７の解決課題は、上記目的を達成するため、
前記膜−電極接合体と、原料水を通過させる流水部を備え、
前記膜−電極接合体に通電することにより前記原料水の電気分解を行い、電解水を生成するように構成された電解水生成装置を提供することにある。

本発明によれば、従来の巻き線型電極に変えて、新たなクリップ型膜―電極接合体構造を採用するため、以下のような効果を発揮することができる。
１）膜−電極接合体を小型化することができる。即ち、本発明によれば、膜−電極接合体の寸法が小さく、設置場所の自由度が大きく、小型の膜−電極接合体としての汎用性が増大する。
２）安定性能が向上する。即ち、本発明によれば、イオン交換膜を陽極に安定した圧力で保持し、電解することが出来る。
３）生産性が向上する。即ち、本発明によれば、膜−電極接合体の組み立てが、陰極線の巻き線方式から、陰極への陽極によるイオン交換膜嵌め込み方式に簡略化され、生産性が向上する。
４）設備費を低減することができる。即ち、本発明によれば、組立は高価な巻き線機でなく、安価な嵌め込み機で可能となる。

本発明の膜―電極接合体の１実施態様を示す斜視図。 図１ａに示す本発明の膜―電極接合体の１実施態様の組立図。 図１ａに示す本発明の膜―電極接合体の１実施態様の陰極３の１実施態様を示す展開図。 図１ａに示す本発明の膜―電極接合体の１実施態様の陽極端子４の１実施態様を示す展開図。 本発明の膜―電極接合体の他の実施態様を示す斜視図。 図２ａに示す本発明の膜―電極接合体の他の実施態様の組立図。 本発明の電解水生成装置の１実施態様を示す図。 本発明の電解水生成装置の他の実施態様を示す図。

以下、本発明の膜―電極接合体の１実施態様について、図面とともに説明する。
図１ａ〜図１ｄは、本発明の１実施態様を示したものであり、本発明の膜―電極接合体１０は、図１ａに示すように、棒状又は筒状の陽極１と、前記陽極１に電気的に接続される陽極端子４と、前記陽極１から離隔した位置に前記陽極１と対向配置される陰極３と、前記陽極１と前記陰極３とを離隔する隔膜２とを備えている。
前記陰極３は、図１ｂ及び図１ｃに示すように、線状又は帯状の陰極支持部１４と、前記陰極支持部１４から左右両側に延出されるとともに前記陽極１の外周に沿うように湾曲された陰極爪部１２とを有し、前記陰極支持部１４及び前記陰極爪部１２によって前記陽極１を把持する陰極３の陽極把持部５が形成されている。前記隔膜２として、短冊状隔膜６を有し、前記爪部１２の各々に、前記短冊状隔膜６よりなる隔膜２が当接配置され、前記陽極１が前記短冊状隔膜６を介して前記陰極３の陽極把持部５に把持されている。また、前記陰極爪部１２として、前記陰極支持部１４から左右対称に延出された陰極左爪部１２ａ及び陰極右爪部１２ｂを有しており、前記陰極左爪部１２ａ及び前記陰極右爪部１２ｂは、１対又は複数対設けられ、前記陰極爪部１２が、前記陰極支持部１４から左右両側に櫛歯状に延出されている。また、前記短冊状隔膜６は、前記陰極左爪部１２ａから前記陰極右爪部１２ｂに至るまで連続して当接配置されている。
尚、前記陰極支持部１４から左右対称に延出された陰極左爪部１２ａ及び陰極右爪部１２ｂは、前記陰極支持体１４の左側又は右側のいずれかのみに延出してもよい。更に、短冊状隔膜６は、陰極左爪部１２ａ及び陰極右爪部１２ｂに連続して当接するのではなく、陰極支持部１４の軸方向に間隔をあけて陰極爪部１２に当接してもよい。
また、陽極１を陰極３の陽極把持部５により把持するとき、短冊状の隔膜６よりなる隔膜２が陽極１の外面に当接しなければならないので、隔膜２は陰極爪部１２より嵌めこむ必要があり、そのとき、前記陰極爪部１２の前記陽極１の軸方向から見た形状をΩ字型形状とし、その先端に「ハ」字型の陰極爪部１２の案内部２５を形成すると、陽極１を嵌め込むことが容易となる。
尚、前記陰極爪部１２（１２ａ、１２ｂ）は、反応生成物の要求量（水量、濃度など）により、１〜複数対設け、各陰極爪部廻り（電解部）で均一な電解液の流れを確保し、全体として良好な電解効率が得られるようすることが必要である。
また、短冊状の隔膜６は、複数枚を間隔をあけて陽極表面に当接することが電解液の流れの面から有意であるが、作りやすさの面からは、１枚の短冊によって構成してもよい。この場合、短冊には複数の開口部を設け、気液透過性を高めることが好ましい。
前記陽極端子４は、図１ｄに示すように、線状又は帯状の陽極端子支持部２４と、前記陽極端子支持部２４から左右両側に延出されるとともに前記陽極１の外周に沿うように湾曲された陽極端子爪部２２を有し、前記陽極端子支持部２４及び前記陽極端子爪部２２によって前記陽極１を把持する陽極端子４の陽極把持部７が形成されている。また、前記陽極端子４に形成された前記陽極端子４の陽極把持部７は、前記陽極１の軸方向から見た形状がΩ字型またはＣ字型となるように、前記陽極端子爪部２２が湾曲されている。
陽極端子４の陽極把持部７による陽極１の把持は、嵌めこみ式でも、挿入式でもよいので、陽極端子爪部２２の形状は、Ω字型またはＣ字型でもよい。２７は、陽極端子爪部２２の先端に形成された陽極端子爪部２２の案内部であって、嵌めこみ式で陽極１を把持する場合に好適である。
また、陰極３の陽極把持部５の陰極爪部１２が陽極１を把持する範囲は、陽極１を容易に嵌め込み、また陽極１を適度に把持する為に、陽極１の４分の３周（２７０°）程度とすることが好ましい。
また、陽極端子４の陽極把持部７の陽極端子爪部２２については、嵌めこみ式でも挿入式でもよい。
尚、図１ａ〜図１ｄにおいて、２６は、陽極端子４の線状又は帯状の陽極端子支持部２４と一体に形成した陽極端子給電部、１６は、陰極３の線状又は帯状の陰極支持部１４と一体に形成した陰極給電部であり、本実施態様においては、陰極給電部１６と陽極端子給電部２６とが陽極１の片側から出る片側端子型の膜―電極接合体の構造を示したものである。

本発明の膜―電極接合体を組み立てる場合、先ず、あらかじめ図１ｃに示すように形成された陰極３の陰極支持部１４に複数対設けられ、陰極支持部１４から左右両側に櫛歯状に延出されている陰極爪部１２、１２の陰極左爪部１２ａ及び陰極右爪部１２ｂを陽極１の外周に沿うように湾曲し、図１ｂに示す陰極３の陽極把持部５を形成する。
次いで、あらかじめ図１ｄに示すように形成された陽極端子４の陽極端子支持部２４に設けられ、陽極端子支持部２４から左右両側に櫛歯状に延出されている陽極端子爪部２２の陽極端子左爪部２２ａ及び陽極端子右爪部２２ｂを陽極１の外周に沿うように湾曲し、図１ｂに示す陽極端子４の陽極把持部７を形成する。
次いで、陽極端子４に形成された陽極端子４の陽極把持部７によって、陽極１の端部を把持する。
次いで、棒状又は筒状の陽極１の胴部の表面に複数の短冊状隔膜６を、間隔をおいて配置する。
次いで、陰極３に形成された陰極３の陽極把持部５の陰極爪部１２の陰極左爪部１２ａ及び陰極右爪部１２ｂによって、複数の短冊状の隔膜６を介して、陽極１の胴部を把持する。
尚、短冊状隔膜６は、陽極１の胴部に巻きつける代わりに、陰極３に形成された陰極３の陽極把持部５の陰極爪部１２の陰極左爪部１２ａ及び陰極右爪部１２ｂの表面に配置してもよい。

図２ａ及び図２ｂは、本発明の他の実施態様を示したものであり、図１ａ〜図１ｄと同じ部品を使い、陰極給電部１６と陽極端子給電部２６とが陽極１の両側に出る両側端子型の膜―電極接合体の構造を示したものである。

次に、本発明の各構成要素に関し説明する。
［陽極１］
本発明に使用する陽極１は、導電性材料よりなる棒状又は筒状体からなり、パイプ、棒などからなる基体の表面に陽極触媒を被覆した電極が使用される。該基体の断面は、円、四角形、楕円など、あるいは中空の円筒、角筒などから選択されることが望ましいが、これらに限定されない。前記基体の表面に被覆される陽極触媒には、酸化鉛、酸化錫、白金などの貴金属、貴金属酸化物、カーボン、導電性ダイヤモンドなどがあり、耐食性の観点から、白金、イリジウムなどの貴金属及びそれらの酸化物、導電性ダイヤモンドの使用が望ましい。また、前記基体としては、長寿命と、処理表面への汚染が起きないように耐食性を有することが好ましく、チタン、ニオブなどの弁金属、その合金の使用が望ましい。
導電性ダイヤモンドは、ボロン等のドーピング剤のドーピングにより電気伝導性の制御も可能であることから、陽極触媒として有望とされている。導電性ダイヤモンドは、水の分解反応に対しては不活性であり、酸化反応では酸素以外にオゾン、過酸化水素の生成が報告されている。導電性ダイヤモンドを用いることにより、電解反応が進行しやすくなり、これらの電解生成過酸化物が格段に効率良く製造される。更に、導電性ダイヤモンドでは、前述の電解種以外に、ＯＨラジカル、電解質の酸化体が生成し、これらと前記電解種による殺菌、漂白効果を相乗的に利用できる。
導電性ダイヤモンドを使用する際の基材としては、Ｓｉ（単結晶，多結晶）のみならず、Ｎｂ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｔｉや、Ｍｏ、Ｗ、黒鉛、各種カーバイドなどが使用可能であり、用途によって選択できる。
前記陽極１の長さ及び径は、反応生成物の要求量（水量、濃度など）から選択され、長さは３ｍｍ以上、１００ｍｍ以下、外径は、０．５ｍｍから１０ｍｍが好ましい。
該陽極１の断面は、円、四角形、楕円など、あるいは中空の円筒、角筒から選択されることが望ましいが、これらに限定されない。
前記陽極１の表面に凹凸を施したり、また、中空の材料の場合、前記陽極表面に開口部を設けると、気液透過性を高めるために有効である。

［隔膜２］
隔膜２としては、電極反応で生成した活性な物質を安定に保つため、中性隔膜やイオン交換膜が利用可能である。隔膜は、フッ素樹脂系、炭化水素樹脂系のいずれでも良いが、オゾンや過酸化物耐食性の面で前者が好ましい。イオン交換膜は、陽極、陰極で生成した物質が反対の電極で消費されるのを防止するとともに、液の電導度の低い場合でも電解を速やかに進行させる機能を有するため、伝導性の乏しい純水などを原料として利用する場合に好ましい。
隔膜２の表面に凹凸を施したり、電極表面に開口部を設けることは、気液透過性を高めることができ、好適である。
隔膜２としてイオン交換膜を使用すると、陽極１、陰極３で生成した物質が反対の電極で消費されるのを防止するとともに、液の電導度の低い場合でも電解を速やかに進行させる機能を有するため、伝導性の乏しい純水などを原料として利用する場合に好ましく使用できる。隔膜２としてイオン交換膜を使用する場合、フッ素樹脂系、炭化水素樹脂系のいずれでも良いが、オゾンや過酸化物耐食性の面で前者が好ましい。
隔膜２としては、膜の厚さは、０．１ｍｍから２ｍｍが好ましく、膜幅が０．２〜５ｍｍの範囲であることが好ましい。これより幅が細いと、物理強度が不足するため切断され易くなる。また、太いと電解の原料や生成物の隙間からの物質移動が抑制され、電圧の増加や電流効率の低下を招く。隔膜２として、複数の短冊状隔膜６を使用する場合、その隙間は０．１ｍｍから１０ｍｍ程度が好適である。前記隔膜２に、予め開口部を設け、接合体の気液透過性を高めることも好ましい。開口部の寸法は、切り口周囲長さとして、１ｍｍ〜１０ｍｍが好適である。
陰極の板厚は、通電量にも拠るが通常膜を適度に陽極棒に保持するために０．１ｍｍ〜３．０ｍｍが好適である。

［陰極３］
本発明に使用する陰極３の陽極把持部５は、導電性を有し、陽極１を把持する必要があるため、ばね性を有することが好ましい。また、電解によって生成する電解水には、オゾンや過酸化物の溶解しているため、酸化耐性に優れたものが好ましい。
陰極３における反応は、主に水素発生であり、陰極３の基体としては、ステンレス、ジルコニウム、ニッケルなどの使用が望ましい。該基体の表面には、水素に対して脆化しない陰極触媒として、白金族金属、ニッケル、ジルコニウム、金、銀、カーボン、ダイヤモンドなどを設けることができる。

［陽極端子４］
本発明に使用する陽極端子４は、陽極１を嵌めこみ式又は挿入式で把持するため、その材料は、導電性を有し、陽極１を把持する必要があるため、ばね性を有することが好ましい。

本発明における電解水生成装置は、通常、１室型の構造が採られており、電解によって陽極側に酸性電解水が生成され、陰極側にアルカリ性電解水が生成されるが、得られた酸性電解水とアルカリ性電解水は、混合された電解水として生成される。

本発明においては、前記原料水を前記電解水生成装置に供給し、通電すると、前記原料水が前記電解水生成装置内の陽極及び陰極に接触して電解され、電解水が生成する。

図３ａは、本発明による電解水生成装置の１実施態様を示したものであって、膜―電極接合体１０を容器２８に設けた給電部に接続し、容器２８内に原料水を供給し、電源３０より膜―電極接合体１０に通電して、電解することにより電解水が生成する。

図３ｂは、本発明による電解水生成装置の他の実施態様を示したものであって、膜―電極接合体１０を給水配管等の原料水の流水部２９に設けた給電部と接続し、流水部２９に原料水を連続的に供給しながら、電源３０より膜―電極接合体１０に通電して、電解することにより、同様の活性な電解水が生成する。

原料水を貯留する容器のタンク、給水配管等の流水部の材質は原料水により侵されない材料を選択する。
電解条件としては、生成した物質の安定性、活性の観点から温度は５℃から４０℃が好ましく、電流密度は０．０１〜１Ａ／ｃｍ²が好ましい。

図１ａに示した陰極給電部１６と陽極端子給電部２６とが陽極１の片側から出る片側端子型の膜―電極接合体は、図３ａ、図３ｂに示したクリップ型電極を取り付ける為のソケットを用意することで、従来なら圧着端子、溶接、はんだ付け等で行っていた配線接続作業は、ソケットに電極の端子を差し込むだけで可能となり、また、逆に電極をソケットから取り外す際も容易なことから、電極の取り替え作業も容易となる。
以上から、陰極給電部１６と陽極端子給電部２６とが陽極１の片側から出る片側端子型の膜―電極接合体では、電極の接続とメンテナンス性（電極の取り付け取り外し）が格段に向上する。尚、陽極端子および陰極に接触するソケットの給電金具の材質には、耐食性のあるＴｉ、ステンレス等が望ましい。

［原料水と生成電解水］
純水、軟水、水道水、井戸水などを原料水として使用することができる。水道水や井戸水の場合は、Ｃａ、Ｍｇの析出を抑制する為に、原料水を弱酸性にすることが好ましい。
また、原料水の伝導度が小さく、セル電圧に占める抵抗損失が無視できない場合、伝導度を高めることが好ましい。この際は、Ｎａ₂ＳＯ₄、Ｋ₂ＳＯ₄、ＮａＣｌ、ＫＣｌ、Ｎａ₂ＣＯ₃などの塩を電解質として溶解することが好ましい。これらの塩は、電解により過酸化物を生成し、殺菌効果の残留性を担う場合がある。濃度としては０．０１〜１０ｇ／Ｌの範囲が好ましい。白金などの電極では、塩化物イオンが存在すると、オゾンの効率が増大する特性を有するので、この特性を考慮して原料水の調製を行うことが好ましい。

水道水、井戸水などの金属イオンを多く含む処理対象では、陰極表面に水酸化物或いは、炭酸化物が析出し、反応が阻害される恐れがある。また陽極表面にはシリカなどの酸化物が析出する。その対策として、適当な時間（１分から１時間）ごとに逆電流を流すと、陰極では酸性化し、陽極ではアルカリ化するため、発生ガス及び供給水の流動により加速され、析出物の脱離反応が容易に進行する。あるいは、定期的に膜―電極接合体の酸洗浄を行ってもよい。
生成する電解水は目的により組成・濃度を制御しうる。食品処理を目的とする場合には、アルカリの電解次亜水や微酸性電解水、あるいはオゾン水を製造するべきであるが、殺菌・漂白用であれば、対象に従って適切に過酸化物を選択すればよい。次亜塩素酸では１〜１００ｐｐｍ、オゾン水濃度は１〜２０ｐｐｍ、過硫酸は１〜１００ｐｐｍ、過炭酸では１〜１００ｐｐｍである。

次に、本発明による電解水生成に関する実施例を説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

［実施例１］
陽極１として直径２ｍｍで長さ８ｍｍの導電性ダイヤモンドに、陰極３としてのステンレス板（ＳＵＳ３０４、板厚０．３ｍｍ）及び隔膜２としてイオン交換膜（デュポン製Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）３２４、厚さ０．１５２ｍｍ、幅２ｍｍ）の短冊２枚を２つの爪部を持つ陰極３に挟み、陽極−膜−陰極接合体とした。当該接合体を原水としてイオン交換水（流量毎分８０ｍｌ）を用い、陰極としてステンレス線を用い、電流０．０５６Ａで試験を実施したところ、電解開始１時間後に生成した溶液中のオゾン水濃度は０．２６ｐｐｍであった。

［比較例１］
陽極として直径２ｍｍ、長さ５０ｍｍの導電性ダイヤモンド電極に、陰極としてステンレス線（ＳＵＳ３０４、直径０．５ｍｍ）及びイオン交換膜としてイオン交換膜（デュポン製Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）３２４、厚さ０．１５２ｍｍ、幅２ｍｍ）の帯とを螺旋状に２回巻き、膜−電極接合体の製作を試みた。
然るに、上記のような小型の膜―電極接合体は、従来の巻き線機を使用して陰極線を巻いても、すぐにほどけてしまい、電解水生成装置に使用することのできる膜―電極接合体を得ることはできなかった。

上記の結果から、従来の巻き線型膜―電極接合体では、本願発明のような小型又は携帯可能な装置を得ることができないことが分かった。

本発明によれば、従来の巻き線型電極に変えて、新たなクリップ型電極構造を採用し、膜―電極接合体の寸法を小さくすることにより、設置場所の自由度を大きくし、汎用性を高くすることができ、イオン交換膜を陽極に安定した圧力で保持することで安定した品質の電解水を生成することができ、しかも、膜―電極接合体の組み立てが簡略化し、生産性を向上することができ、高価な巻き線機を使用することなく、安価な嵌め込み機で製作することができ、設備費を低減できるので、各種の携帯用又は小型装置用の電解水利用分野に利用することができる。

１：陽極
２：隔膜
３：陰極
４：陽極端子
５：陰極３の陽極把持部
６：短冊状隔膜
７：陽極端子４の陽極把持部
１０：膜―電極接合体
１２：陰極爪部
１２ａ：陰極左爪部
１２ｂ：陰極右爪部
１４：線状又は帯状の陰極支持部
１６：陰極給電部
２２：陽極端子爪部
２２ａ：陽極端子左爪部
２２ｂ：陽極端子右爪部
２４：線状又は帯状の陽極端子支持部
２５：陰極爪部１２の案内部
２６：陽極端子給電部
２７：陽極端子爪部２２の案内部
２８：容器
２９：流水部
３０：電源

Claims (17)

1. 棒状又は筒状の陽極と、前記陽極に接続される陽極端子と、前記陽極から離隔した位置に前記陽極と対向配置される陰極と、前記陽極と前記陰極とを離隔する隔膜と、を備え、
   前記陰極は、線状又は帯状の陰極支持部と、前記陰極支持部から左右の少なくともいずれか一方側に延出されるとともに前記陽極の外周に沿うように湾曲された陰極爪部と、を有し、前記陰極支持部及び陰極爪部によって前記陽極を把持する陰極の陽極把持部が形成されており、
   前記隔膜として、短冊状隔膜を有し、
   前記陰極爪部に、前記短冊状隔膜が当接配置され、前記陽極が前記短冊状隔膜を介して前記陰極の陽極把持部に把持されていることを特徴とする膜−電極接合体。
2. 前記陰極が陰極給電部を有し、前記陽極端子が陽極端子給電部を有し、前記陰極給電部と前記陽極端子給電部が同じ方向に配置されている請求項１に記載の膜−電極接合体。
3. 前記陰極爪部として、前記陰極支持部から左右対称に延出された陰極左爪部及び陰極右爪部を有する請求項１に記載の膜−電極接合体。
4. 前記陰極左爪部及び前記陰極右爪部を複数対有し、
   前記陰極爪部が、前記陰極支持部から左右両側に櫛歯状に延出されている請求項３に記載の膜−電極接合体。
5. 前記短冊状隔膜が、前記陰極左爪部から前記陰極右爪部に至るまで当接配置されている請求項３又は４に記載の膜−電極接合体。
6. 前記陰極の陽極把持部は、前記陽極の軸方向から見た形状がΩ字型となるように、前記陰極左爪部と前記陰極右爪部の先端が「ハ」字型に湾曲されている請求項３〜５のいずれか一項に記載の膜−電極接合体。
7. 前記陽極端子は、線状又は帯状の陽極端子支持部と、前記陽極端子支持部から左右両側に延出されるとともに前記陽極の外周に沿うように湾曲された陽極端子爪部と、を有し、前記陽極端子支持部及び前記陽極端子爪部によって前記陽極を把持する前記陽極端子の陽極把持部が形成されている請求項１〜６のいずれか一項に記載の膜−電極接合体。
8. 前記陽極端子に形成された前記陽極端子の陽極把持部は、前記陽極の軸方向から見た形状がΩ字型またはＣ字型となるように、前記陽極端子爪部が湾曲されている請求項７に記載の膜−電極接合体。
9. 前記陽極の長さが３ｍｍ以上、１００ｍｍ以下である請求項１〜８のいずれか一項に記載の膜−電極接合体。
10. 前記陽極の外径が０．５ｍｍ以上、１０ｍｍ以下である請求項１〜９のいずれか一項に記載の膜−電極接合体。
11. 前記短冊状隔膜の厚さが０．１ｍｍ以上、２ｍｍ以下である請求項１〜１０のいずれか一項に記載の膜−電極接合体。
12. 前記短冊状隔膜の膜幅が０．２ｍｍ以上、５ｍｍ以下である請求項１〜１１のいずれか一項に記載の膜−電極接合体。
13. 前記陽極が導電性ダイヤモンド電極である請求項１〜１２のいずれか一項に記載の膜−電極接合体。
14. 前記隔膜がイオン交換膜である請求項１〜１３のいずれか一項に記載の膜−電極接合体。
15. 請求項１〜１４のいずれか一項に記載の膜−電極接合体により前記原料水の電気分解を行い、電解水を生成するように構成されたことを特徴とする電解水生成装置。
16. 請求項１〜１４のいずれか一項に記載の膜−電極接合体と、原料水を収容する容器と、を備え、
    前記膜−電極接合体に通電することにより前記原料水の電気分解を行い、電解水を生成するように構成されたことを特徴とする請求項１５に記載の電解水生成装置。
17. 請求項１〜１４のいずれか一項に記載の膜−電極接合体と、原料水を通過させる流水部を備え、
    前記膜−電極接合体に通電することにより前記原料水の電気分解を行い、電解水を生成するように構成されたことを特徴とする請求項１５に記載の電解水生成装置。

Images