JP6037282B2

JP6037282B2 - 電解水生成装置

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Publication number: JP6037282B2
Application number: JP2013050052A
Authority: JP
Inventors: 賢一郎稲垣; 康弘才原; 千尋井; 俊輔森
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2013-03-13
Filing date: 2013-03-13
Publication date: 2016-12-07
Anticipated expiration: 2033-03-13
Also published as: JP2014172035A

Description

本発明は、水を電解処理する電解水生成装置に関する。

水を電解処理する技術としては、下記の特許文献１が知られている。

この特許文献１には、板状陽極、導電性膜、板状陰極を積層してなると共に導電性膜と板状陽極の界面の少なくとも一部が水と接触するように露出してなる電解電極デバイスが記載されている。この電解電極デバイスには、水を供給する配管に配置される。電解電極デバイスは、陽極としてダイヤモンド電極、導電性膜として固体高分子イオン交換膜、陰極として金属電極を積層している。また、この電解電極デバイスは、板状陰極及び導電性膜によって形成されたスリットに水を流通させて電解処理をしている。

特開２０１２−１２６９５号公報

しかしながら、特許文献１に記載された構成は、電解電極デバイス自身の凹凸によって配管内の水流を乱している。その結果、配管内に水の滞留部が生じ、電解処理で得られたオゾンの溶解効率が低下して、オゾン濃度が低下していた。

そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、電解処理した水のオゾン濃度を高めることができるオゾン水生成装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様に係る電解水生成装置は、陽極、導電性膜、陰極の順に積層してなり、前記導電性膜と前記陽極との界面の少なくとも一部が水と接触するように構成され、受入面から供給された水に電解処理をし、当該受入面から当該電解処理をした水を送り出す電解電極デバイスと、前記電解電極デバイスによって電解処理の対象となる水を供給する開口を有する流路を形成し、当該開口を形成する内壁に、前記電解電極デバイスの受入面が組み入れられている配管とを有し、前記電解電極デバイスの受入面を含む前記配管の内壁面で画成される流路の断面積は、少なくとも前記電解電極デバイスよりも水流入側に位置する内壁から前記電解電極デバイスの水流出側まで略同一であることを特徴とする。

本発明の第２の態様に係る電解水生成装置は、第１の態様の電解水生成装置であって、前記電解電極デバイスの受入面が、前記配管の開口を形成する内壁と略同一面となるよう前記電解電極デバイスが設置されていることを特徴とする。

本発明によれば、開口を形成する内壁に電解電極デバイスの受入面を含めたので、水の滞留を抑制でき、電解処理した水のオゾン濃度を高めることができる。

本発明の第１実施形態として示す電解水生成装置の構成を示す一部断面図である。本発明の第１実施形態として示す電解水生成装置において、配管内における水の流線を示す一部断面図である。本発明の第１実施形態として示す電解水生成装置における電解電極デバイスの上面図である。本発明の第１実施形態として示す電解水生成装置において、水通過方向に直交する方向における断面図である。本発明の第１実施形態として示す電解水生成装置における電解電極デバイス１の分解斜視図である。本発明の第２実施形態として示す電解水生成装置の構成を示す一部断面図である。本発明の第２実施形態として示す電解水生成装置において、配管内における水の流線を示す一部断面図である。本発明の第２実施形態として示す電解水生成装置における電解電極デバイスの上面図である。本発明の第３実施形態として示す電解水生成装置の構成を示す一部断面図である。本発明の第３実施形態として示す電解水生成装置において、配管内における水の流線を示す一部断面図である。比較例としての電解水生成装置を示す一部断面図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

本発明の実施形態として示す電解水生成装置は、例えば図１に示すように構成される。この電解水生成装置は、水に電気化学反応を起こす電解処理をして、オゾンが溶解された電解水を生成するものである。

図１は電解水生成装置の一部断面図を示す。図２は図１に配管２内における水の流線を加えた図を示す。図３は電解電極デバイス１の上面図を示す。図４は、水通過方向に直交する方向における断面図を示す。図５は、電解電極デバイス１の分解図を示す。

電解水生成装置は、電解電極デバイス１、配管２、及び、電源部３を含む。この電解水生成装置は、配管部２１及び水流入側配管部２２から形成された配管２の開口から水が流入する。当該流入した水は、図２に示すような流線に沿って流れ、電解電極デバイス１によって電解処理が行われる。電解電極デバイス１によって電解処理された水は、配管部２１及び水流出側配管部２３から形成された配管２の開口から流出される。

電解電極デバイス１は、図１に示すように、板状陽極１１、導電性膜１３、板状陰極１４の順に積層してなる。

電解電極デバイス１は、導電性膜１３と板状陽極１１との界面の少なくとも一部が水と接触するように構成されている。図１に示す構成例では、導電性膜１３及び板状陰極１４が側面となり、板状陽極１１が底部となっている溝部を形成している。この溝部において、導電性膜１３と板状陽極１１との界面の少なくとも一部が水と接触する。電解電極デバイス１は、水の受入面１Ａから供給された水に電解処理をする。電解電極デバイス１は、当該受入面１Ａから、当該電解処理をした水を送り出す。電解処理した水はオゾンを含み、図２に示すように、受入面１Ａから送出されると水流出側２Ｂに向けて流れる。オゾンは、受入面１Ａから送出されて水流出側２Ｂに向けて流れる過程で、水に溶解する。

電解電極デバイス１は、導電性膜１３からのイオン供給及び電源部３からの電流を受けて、板状陽極１１と導電性膜１３との界面においてオゾンを電気化学的に生成させる電解処理を行う。この電気化学反応は、以下の通りである。
陽極側：３Ｈ２Ｏ→Ｏ３＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻
陰極側：２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ２

板状陽極１１は、ニオブを用いて形成した幅１０ｍｍ、長さ５０ｍｍ程度の導電性基板に導電性ダイヤモンド膜１２が形成されている。この導電性ダイヤモンド膜１２は、ボロンドーブ導電性を有するものである。導電性ダイヤモンド膜１２は、プラズマＣＶＤ法によって、３μｍ程度の膜厚で導電性基板上に形成される。板状陽極１１における導電性基板の一端には導線引出部が形成されている。板状陽極１１は、導電性基板の導線引出部、導線を介して電源部３と接続されている。なお、電解電極デバイス１において、板状陽極１１及び板状陰極１４は板状であるが、膜状、網目状、線状であっても良い。

導電性膜１３は、導電性ダイヤモンド膜１２が形成された板状陽極１１上に配置される。導電性膜１３は、プロトン導電型のイオン交換フィルムである。導電性膜１３は、１００〜２００μｍ程度の厚みを有する。この導電性膜１３は、図５に示すように、厚み方向に貫通したシート状通水孔１３ａが複数形成されている。本例において、各シート状通水孔１３ａを同一形状に設けている。また、本例において、複数のシート状通水孔１３ａは、一列に設けている。なお、シート状通水孔１３ａの形状及び配列は別の形態であってもよい。

板状陰極１４は、導電性膜１３上に配置されている。板状陰極１４は、例えば厚みが１ｍｍ程度のステンレスの電極板からなる。この板状陰極１４には、図５に示すように、厚み方向に貫通した通水孔１４ａが、複数形成されている。この通水孔１４ａは、シート状通水孔１３ａと同一又は互いに近似した開口形状を有する。また、通水孔１４ａは、シート状通水孔１３ａの配列と同一ピッチ、同一方向に列設されている。

電解電極デバイス１は、板状陽極１１に成膜した導電性ダイヤモンド膜１２上に導電性膜１３を載せ、導電性膜１３上に板状陰極１４を載せて構成されている。

この電解電極デバイス１は、板状陰極１４の表面から通水孔１４ａ及びシート状通水孔１３ａへ水を受け入れる。また、電解電極デバイス１は、シート状通水孔１３ａの端部と板状陽極１１との界面で発生したオゾンを含む水を通水孔１４ａ及びシート状通水孔１３ａから送り出す。すなわち、通水孔１４ａの上面が受入面１Ａとなり、電解電極デバイス１は、当該受入面１Ａから水を受け入れて、送り出す。

配管２は、電解電極デバイス１に電解処理の対象となる水を供給する。配管２は、水を供給する開口を有する水供給流路を形成している。配管２は、アクリル等の非導電性の樹脂を用いた部材からなる。また、配管２の外周面の側面には板状陽極１１と同じ幅１０ｍｍ、長さ５０ｍｍ程度のハウジング部（開口）が形成されている。

配管２は、電解電極デバイス１を格納するための開口を有している。この開口は、水流入側配管部２２及び水流出側配管部２３によって形成されている。配管２は、水流入側配管部２２と水流出側配管部２３との間に電解電極デバイス１が格納される。

配管２は、開口を形成する内壁に、電解電極デバイス１の受入面１Ａが含まれるよう構成されている。また、電解電極デバイス１は、板状陰極１４の上面が、水流入側２Ａ及び水流出側２Ｂにおける水流入側配管部２２及び水流出側配管部２３の内壁と略同一面となっていてもよい。換言すれば、配管２は、水流入側配管部２２と水流出側配管部２３によって形成している開口に、電解電極デバイス１の受入面１Ａを組み入れるよう構成されている。これによって、配管２の流路を形成する面の一部が、電解電極デバイス１の受入面１Ａによって形成されている。

電解電極デバイス１は、ハウジング１５によって、配管２の内壁に受入面１Ａが含まれるよう固定される。ハウジング１５は、電解電極デバイス１を格納するものであり、アクリル等の非導電性の樹脂を用いた部材である。

ハウジング１５には、図４に示すようにつば部１５ａが形成されている。つば部１５ａに対向する配管面にはシール溝２６が構成され、シール溝２６にはシール材２５が配設されている。つば部１５ａと配管２は締結材１６により一体構成となる。ここで、配管２における開口の幅Ｗ１は、板状陰極１４の幅Ｗ３よりも小さく、板状陽極１１の幅Ｗ２よりも大きい。電解電極デバイス１は、図５に示すように、板状陽極１１、導電性膜１３、板状陰極１４が積層させ、シール材２５を介して締結材１６によりハウジング１５を配管２に取り付けて、一体化されている。

このような電解水生成装置は、上述したように、配管２の内壁に、電解電極デバイス１の受入面１Ａが含まれている。これにより、電解電極デバイス１の受入面１Ａが、水供給流路の開口を形成する配管２の内壁と略同一面となるよう電解電極デバイス１が設置されている。

このように構成することによって、電解水生成装置は、図１及び図３に示すように、水流入側２Ａにおける配管２の断面積Ａ１と、水流入側２Ａにおける電解電極デバイス１の受入面１Ａを含む配管２の断面積Ａ２とが略同一となっている。同様に、電解水生成装置は、水流出側２Ｂにおける配管２の断面積Ａ４と、水流出側２Ｂにおける電解電極デバイス１の受入面１Ａを含む配管２の断面積Ａ４とが略同一となっている。すなわち、電解電極デバイス１の設置部における水流入側２Ａの内壁面から、電解電極デバイス１の設置部における水流出側２Ｂの内壁面まで、水供給流路と直交する断面積が略同一である。

以上のように構成された電解水生成装置についての動作、作用について説明する。

まず、電解電極デバイス１へ水を供給するために、配管２へ給水を開始する。

電解電極デバイス１を水中に浸した状態で、電源部３により電解電極デバイス１の板状陽極１１と板状陰極１４との間に電圧を印加する。すると、電解電極デバイス１のシート状通水孔１３ａ及び通水孔１４ａ内の水中にて電解処理がなされ、オゾンが生成される。

このとき、電解電極デバイス１に供給された水は、水流入側配管部２２の水流入側２Ａから電解電極デバイス１の受入面１Ａから流入し、オゾンが生成される電解電極デバイス１の表面を経由して、電解電極デバイス１１受入面１Ａから流出する。この流出した水は、水流出側配管部２３の水流出側２Ｂを介して、配管２の開口から排出される。

ここで、配管２の内壁に電解電極デバイス１の受入面１Ａが組み入れられているので、電解電極デバイス１の近傍の段差が小さくなっている。これにより、電解電極デバイス１へ供給する水が、配管２の水流入側２Ａから水流の乱れなく電解電極デバイス１の受入面１Ａへ流入する。これにより、配管２内の水流が乱れることなく電解電極デバイス１に通水でき、電解電極デバイス１の受入面１Ａ付近での滞留を回避できる。これにより、発生したオゾンが気泡に成長することを抑制して水流出側２Ｂから流出するオゾン水のオゾン濃度を向上させることができる。

比較例を挙げると、図１１に示すように、配管２の内壁に電解電極デバイス１を取り付けた場合には、電解電極デバイス１の存在によって局所的に流量が変化し、水の流速が低くなる滞留部Ａ，Ｂ，Ｃが発生する。このような滞留部Ａ，Ｂ，Ｃが生ずると、当該滞留部Ａ，Ｂ，Ｃにおいてはオゾン泡が大きくなる。したがって、オゾンが水に溶解せずに気泡となり水中から放出するために水中のオゾン濃度が低下する。これに対し、電解水生成装置は、図２に示したように滞留部の発生を抑制して、オゾン濃度の低下を抑制できる。

また、本実施形態における電解水生成装置は、電解電極デバイス１の受入面１Ａにおける板状陰極１４が、配管２と略同一面に形成している。これにより、配管２内の水流が乱れることなく電解電極デバイス１に通水できるので、水の滞留の発生を抑制してオゾン濃度を向上させることができる。

更に、本実施形態における配管２は、水通過方向に鉛直方向の断面積が水流入側２Ａの水流入側配管部２２から、水流出側２Ｂの水流出側配管部２３まで、断面積Ａ１〜Ａ４が略同一の構成となっている。これにより、配管２内の水流が乱れることなく電解電極デバイス１に通水できるので、水の滞留の発生を抑制してオゾン濃度を向上させることができる。

更にまた、電解水生成装置によれば、簡易的な構成で電解電極デバイス１を格納するハウジング１５を配管の外側から固定することができる。これにより、電解水生成装置は、組み立て易く、メンテナンスが容易である。

更にまた、電解水生成装置は、簡易的な構成で配管２の水漏れを抑制することができる。また、配管２における開口の一部を電解電極デバイス１の積層に用いることで簡易的な構成で水流の乱れを無くすことができる。

つぎに、第２実施形態として示す電解水生成装置について説明する。なお、第１実施形態と同様の部分については同一符号を付することにより省略する。

図６は電解水生成装置の一部断面図を示す。図７は配管２内における水の流線を示す。図８は電解電極デバイス１の上面図を示す。

第２実施形態として示す電解水生成装置は、図６に示すように、電解電極デバイス１における板状陽極１１の表面を、電解電極デバイス１の受入面１Ａとする点で、第１実施形態とは異なる。すなわち、電解電極デバイス１において水の受け入れ及び送り出しをする受入面１Ａとしての板状陽極１１の表面が、配管２の開口を形成する内壁と略同一面としている。これにより、第２実施形態として示す電解水生成装置は、配管２の内壁に、電解電極デバイス１の受入面１Ａが含まれているものとする。

この電解水生成装置は、図７に示すように、水流入側２Ａから電解電極デバイス１に流入した水が、受入面１Ａとしての板状陽極１１の表面を通過して、導電性膜１３及び板状陰極１４に到達する。この水のうち、板状陽極１１と導電性膜１３との界面において水の電気化学反応が生じ、オゾンが発生する。このオゾンは、受入面１Ａとしての板状陽極１１の表面から送り出されて、水流出側２Ｂ側に流れる過程で水に溶解する。

このような電解水生成装置によれば、受入面１Ａとしての板状陽極１１の表面で生成したオゾンを乱れなく電解電極デバイス１から水流出側２Ｂに排出する。これにより、配管２内の水流の乱れをなくして電解電極デバイス１に通水できるので、水の滞留を回避し、オゾン濃度を向上させることができる。

つぎに、第３実施形態として示す電解水生成装置について説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分については同一符号を付することにより省略する。

図９は電解水生成装置の一部断面図を示す。図１０は配管２内における水の流線を示す。

第３実施形態として示す電解水生成装置は、図９に示すように、電解電極デバイス１の水流入側２Ａのみで、板状陰極１４の表面と配管２の水流入側配管部２２とが略同一面に形成されている。

このような電解水生成装置は、第１実施形態と同様に、電解電極デバイス１に供給された水が、水流入側配管部２２の水流入側２Ａから電解電極デバイス１の受入面１Ａに流入する。この水の一部は、板状陽極１１と導電性膜１３との界面を経由して、電解電極デバイス１の受入面１Ａから流出する。この流出した水は、水流出側配管部２３の水流出側２Ｂを介して、配管２の開口から排出される。

このような電解水生成装置でも、配管２内の水流が乱れることなく電解電極デバイス１に通水でき、電解電極デバイス１の受入面１Ａ付近での滞留を回避できる。これにより、発生したオゾンが気泡に成長することを抑制して水流出側２Ｂから流出するオゾン水のオゾン濃度を向上させることができる。

なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。

上述した実施形態の電解水生成装置は、板状陽極１１と板状陰極１４が同一の配管２内に配置されるものであるが、板状陽極１１と板状陰極１４が導電性膜１３と介して２室に分離される構成であってもよい。また、電解水生成装置は、電解水としてオゾンを生成するが、板状陰極１４と導電性膜１３の界面で発生する水素であっても、水素濃度を向上できる。

１電解電極デバイス
１Ａ受入面
２配管
１１板状陽極
１３導電性膜
１４板状陰極

Claims

陽極、導電性膜、陰極の順に積層してなり、前記導電性膜と前記陽極との界面の少なくとも一部が水と接触するように構成され、受入面から供給された水に電解処理をし、当該受入面から当該電解処理をした水を送り出す電解電極デバイスと、
前記電解電極デバイスによって電解処理の対象となる水を供給する開口を有する流路を形成し、当該開口を形成する内壁に、前記電解電極デバイスの受入面が組み入れられている配管と
を有し、
前記電解電極デバイスの受入面を含む前記配管の内壁面で画成される流路の断面積は、少なくとも前記電解電極デバイスよりも水流入側に位置する内壁から前記電解電極デバイスの水流出側まで略同一であることを特徴とする電解水生成装置。
前記電解電極デバイスの受入面が、前記配管の開口を形成する内壁と略同一面となるよう前記電解電極デバイスが設置されていることを特徴とする請求項１に記載の電解水生成装置。