JP6037285B2

JP6037285B2 - 電解水生成装置

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Publication number: JP6037285B2
Application number: JP2013129394A
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: 2013-06-20
Filing date: 2013-06-20
Publication date: 2016-12-07
Anticipated expiration: 2033-06-20
Also published as: JP2015003294A

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、陽極としてのダイヤモンド電極、導電性膜としての固体高分子イオン交換膜、陰極としての金属電極を積層して構成されている。また、この電解電極デバイスは、板状陰極及び導電性膜をスリット状に形成し、当該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。このため、配管内における水の滞留を抑制することが望まれている。

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電解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、前記電解電極デバイスを収容する配管とを有し、前記配管の前記電解電極デバイスよりも水流入側の内壁と前記電解電極デバイスの受入面とを繋ぐ傾斜面を有し、前記傾斜面および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、少なくとも前記傾斜面の水流入側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。

本発明によれば、配管の内壁と電解電極デバイスの受入面とを繋ぐ傾斜面を有するので、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。

本発明の一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。本発明の一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。本発明の他の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。本発明の他の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。本発明の他の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。本発明の他の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は電解水生成装置の他の形態を示す図である。図４は電解電極デバイス１の上面図を示す。

電解水生成装置は、電解電極デバイス１、配管２、電源部３、及び、傾斜面形成部材４Ａ，４Ｂを含む。配管２は、その内壁に電解電極デバイス１を収容している。電解電極デバイス１が配管２に収容された状態で、電解電極デバイス１の水流入方向の両端に傾斜面形成部材４Ａ，４Ｂが設けられている。傾斜面形成部材４Ａは、電解電極デバイス１の水流入側２Ａに設けられる。傾斜面形成部材４Ｂは、電解電極デバイス１の水流出側２Ｂに設けられる。傾斜面形成部材４Ａは、水流入側配管部２２の内壁から電解電極デバイス１の受入面１Ａを繋ぐような傾斜面４１を形成する。傾斜面形成部材４Ｂは、水流出側配管部２３の内壁から電解電極デバイス１の受入面１Ａを繋ぐような傾斜面４２を形成する。なお、本実施形態において、傾斜面４１、４２は略直線状となっているが、これには限らず、曲線状であってもよい。

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、水流入側２Ａを介して受入面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：３Ｈ_２Ｏ→Ｏ_３＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻
陰極側：２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２

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３４を介して電源部３の陽極側３１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、厚み方向に貫通したシート状通水孔が複数形成されている。本例において、各シート状通水孔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は、一列に設けている。なお、シート状通水孔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、導線３３を介して電源部３の陰極側３２と接続されている。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、厚み方向に貫通した通水孔が、複数形成されている。この通水孔は、シート状通水孔と同一又は互いに近似した開口形状を有する。また、通水孔は、シート状通水孔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。導電性膜１３及び板状陰極１４は、後述する図４のように、水の流れる方向に直交するようなスリット状に形成される。

この電解電極デバイス１は、板状陰極１４の表面から通水孔及びシート状通水孔へ水を受け入れる。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及びシート状通水孔から送り出す。すなわち、通水孔の上面が受入面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２４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。本実施形態において、配管２の内壁上に電解電極デバイス１が設置される。さらに、配管２の内壁には、当該内壁と電解電極デバイス１の受入面１Ａとを繋ぐように傾斜面形成部材４Ａ，４Ｂが設置される。

このような電解水生成装置は、上述したように、傾斜面形成部材４Ａ，４Ｂによって、配管２の内壁と電解電極デバイス１の受入面１Ａとを繋ぐ傾斜面４１、４２が設けられている。これにより、電解水生成装置は、傾斜面形成部材４Ａによって形成される傾斜面４１と電解電極デバイス１の受入面１Ａと傾斜面形成部材４Ｂによって形成される傾斜面４２とを繋げるよう構成できる。

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のシート状通水孔及び通水孔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、傾斜面形成部材４Ａの傾斜面４１、水流入側配管部２２の水流入側２Ａを介して電解電極デバイス１の受入面１Ａに流入する。さらに水は、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、傾斜面形成部材４Ｂの傾斜面４２を介して、配管２の開口から排出される。

ここで、傾斜面４１、４２と電解電極デバイス１の受入面１Ａとが繋がっているので、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付近での滞留を抑制できる。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７に示すように、配管２の内壁上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。

以上のように、この電解水生成装置によれば、電解電極デバイス１の受入面１Ａに繋がる傾斜面４１、４２を形成している。これにより、配管２内の水流が乱れることを抑制して電解電極デバイス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。

上述した電解水生成装置において、配管２は、少なくとも傾斜面４１の水流入側から電解電極デバイス１の水流出側２Ｂまで、水が流れる開口と直交する断面積が略同一であることが望ましい。すなわち、電解水生成装置は、水供給流路２４の面積が略一定となっていることが望ましい。

具体的には、この電解水生成装置は、図３に示すように、傾斜面形成部材４Ａ，４Ｂに対向して配管部２１に断面積調整部材５Ａ、５Ｂが設置されている。断面積調整部材５Ａは、配管２の水流入側に設けられている。断面積調整部材５Ａは、配管２の開口から電解電極デバイス１の水流入側２Ａ側に至るまで形成されている。断面積調整部材５Ａは、傾斜面形成部材４Ａと対向する部分が傾斜面５１に形成されている。これにより、開口と直交する断面積Ｃａ、Ｃｂを略同一とすることができる。断面積調整部材５Ｂは、配管２の水流出側に設けられている。断面積調整部材５Ｂは、電解電極デバイス１の水流出側２Ｂ側から配管２の開口に至るまで形成されている。断面積調整部材５Ｂは、傾斜面形成部材４Ｂと対向する部分が傾斜面５２に形成されている。これにより、開口と直交する断面積Ｃｃ、Ｃｄを略同一とすることができる。

このような電解水生成装置は、断面積調整部材５Ａ、５Ｂが形成されていることによって、配管２の水流入側の開口から配管２の水流出側の開口に亘り、断面積を同一にすることができる。具体的には、図４に示すように、配管２の水流入側から傾斜面形成部材４Ａの開口の断面積Ｃａ、電解電極デバイス１上の開口の断面積Ｃｂ、Ｃｃ、傾斜面形成部材４Ｂから配管２の水流出側の開口の断面積Ｃｄを略同一にすることができる。

このように構成することによって、電解水生成装置は、少なくとも傾斜面形成部材４Ａから傾斜面形成部材４Ｂに至るまでにおける水の流れる断面積を略同一にすることができる。これにより、配管２内において開口面積が変わることによって水の流速が変わることを抑制して電解電極デバイス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。

また、この電解水生成装置は、配管２が、少なくとも傾斜面４１の水流入側から電解電極デバイス１の水流出側２Ｂまで、水が流れる開口と直交する断面積が略同一であればよい。すなわち、断面積Ｃａ、Ｃｂ、Ｃｃまでが同一であれば、電解電極デバイス１上における水の流速を略同一にすることができ、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。

つぎに、本実施形態における他の電解水生成装置について説明する。

図５は電解水生成装置の一部断面図を示す。図６は配管２内における水の流線を示す。

この電解水生成装置は、傾斜面４１が、配管２の内面と電解電極デバイス１の受入面１Ａのみとを繋ぐよう形成されていてもよい。図５及び図６に示すように、電解水生成装置は、電解電極デバイス１の水流入側２Ａにのみ傾斜面形成部材４Ａが設けられている。この傾斜面形成部材４Ａにより傾斜面４１を形成する。

電解電極デバイス１の水流出側２Ｂにおける水流出側配管部２３は、水が流れる開口を直角に屈曲させるように形成されている。水流出側配管部２３は、電解電極デバイス１に接する端部が、受入面１Ａと繋がるような曲面２３ａに形成されている。これにより、電解電極デバイス１の水流出側２Ｂにおいて、電解電極デバイス１と水流出側配管部２３との間の段差が抑制されている。

なお、電解電極デバイス１は、図５に示すように板状陽極１１の一部が配管２に組み込まれていてもよい。この場合、傾斜面形成部材４Ａは、電解電極デバイス１が配管２の内壁から突出する高さの受入面１Ａと配管２の内壁とを繋ぐような傾斜面４１を形成する。また、電解電極デバイス１は、図６に示すように配管２の内壁上に設置されていてもよい。

このような電解水生成装置は、電解電極デバイス１の水流入側２Ａのみに傾斜面形成部材４Ａを配置することにより、上述した電解水生成装置と同様に、電解電極デバイス１の表面上における水の滞留を抑制し、オゾン濃度を向上させることができる。

さらに、図５及び図６に示した電解水生成装置においては、水が流れる開口と直交する断面積を略同一とするために、傾斜面形成部材４Ａと対向する配管部２１に断面積調整部材が設けられていても良いことは勿論である。

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、前記電解電極デバイスを収容する配管とを有し、
前記配管の前記電解電極デバイスよりも水流入側の内壁と前記電解電極デバイスの受入面とを繋ぐ傾斜面を有し、
前記傾斜面および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、少なくとも前記傾斜面の水流入側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。
前記配管は、流入口および流出口を有しており、
前記傾斜面および前記電解電極デバイスの受入面で画成される流路の断面積が、前記流入口および流出口のうち少なくともいずれか一方の開口面積以下となっ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。
前記傾斜面は、前記配管の内面と前記電解電極デバイスの受入面のみとを繋ぐよう形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電解水生成装置。