JP6503054B2 - 電解水生成装置、電極ユニット、および電解水生成方法 - Google Patents

Description

ここで述べる実施形態は、電解水生成装置、電極ユニット、および電解水生成方法に関する。

近年、次亜塩素酸水やアルカリイオン水などの電解水を電解で生成する電解水生成装置が知られている。このような電解水生成装置としては、１隔膜２室型の電解槽や、２隔膜３室型の電解槽に電解液（電解質液）および水を流水して電解水を生成する流水式の電解水生成装置が提案されている。流水式の電解水生成装置では、生成水を陽極室あるいは陰極室に取り込んで流水させるため、配管やポンプが必要となる。そのため、装置全体の構成が複雑になり、また、流水圧力による特性変動が生じやすい。

給排水に係る配管を持たず比較的簡素な構造の電解水生成装置として、陽極および陰極を有し電解液を充填した電極ユニットを、水を収容したタンク等の容器内に入れ、この容器内の水を電極ユニットで電解して電解水へと変える静水式（バッチ式）の電解水生成装置が提案されている。
しかしながら、このような静水式の電解水生成装置では、所望の電解水が生成される前に電極ユニット内の電解液が枯渇し、逆に、電解水が生成された後も無駄に電力を消費してしまう場合がある。

特許第３５００１７３号公報 特許第３５５１２８８号公報 特許第４０２４２７８号公報

本実施形態が解決しようとする課題は、安定して電解水を生成できる簡易な構造の電解水生成装置、電極ユニット、および電解水生成方法を提供することにある。

実施形態によれば、電解水生成装置は、電解液を充填する電解液室と、前記電解液室を仕切る隔膜と、前記隔膜の両側に設けられ互いに対向した一対の電極と、を有する電極ユニットと、前記電極に電解電流を供給する電源と、電解液濃度の低下に起因する電解電圧の上昇を検知し、電解を停止する検知回路と、を備え、前記電極ユニットを容器内の水に浸漬させた状態で水を電解して電解水を生成する。前記電解液室の容量が前記容器内の水の容量の１／１００以下、２ｍＬ以上に形成され、前記検知回路は、前記電解液濃度が１３％程度に低下した時点で生じる電解電圧上昇を検知して前記電源からの給電を停止するように構成され、有効塩素濃度が５００ｐｐｍ以下の電解水を生成する。

図１は、第１の実施形態に係る電解水生成装置の概略的な構成を示す断面図。 図２は、第１の実施形態に係る電解水生成装置おける電解経過時間と生成水の有効塩素濃度および電解電圧との関係を示す図。 図３は、電解液濃度と電解電圧との関係を示す図。 図４は、電解液濃度と電解電圧との関係を示す図。 図５は、電解液濃度と生成効率の関係を示す図。 図６は、電解液濃度と生成効率の関係を示す図。 図７は、第２の実施形態に係る電解水生成装置の概略的構成を示す断面図。

以下に、図面を参照しながら、種々の実施形態について説明する。なお、実施形態を通して共通の構成には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。また、各図は実施形態とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所があるが、これらは以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変更することができる。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る電解水生成装置を概略的に示す断面図である。本実施形態において、電解水生成装置１０は、次亜塩素酸水を生成する静水式あるいはバッチ式の電解水生成装置として構成されている。電解水生成装置１０は、水等の液体を収容した既存のタンク（あるいは容器）１２に投入する電極ユニット２０と、電極ユニット２０の電極に電解電力を供給する給電部３０と、を備えている。給電部３０は、図示しない直流電源に接続される。なお、給電部３０は、定電圧を供給する電池等で構成してもよい。

電極ユニット２０は、電解液室２２および陰極室２４を有するほぼ矩形箱状の筐体２６と、筐体２６の一側面に開口する電解液室２２の開口を塞ぐように配置され、電解液室２２と外部（ここでは、タンク１２内部）とを仕切る第１隔膜２８ａと、筐体２６内に第１隔膜２８ａと対向して配置され、電解液室２２と陰極室２４とを仕切る第２隔膜２８ｂと、を備えている。第１隔膜２８ａおよび第２隔膜２８ｂとして、化学耐性に優れたポリフッ化ビニリデン（PolyVinylidene DiFuoride：ＰＶＤＦ）と酸化チタンとを含有する多孔質隔膜を用いている。

電極ユニット２０は、更に、第１隔膜２８ａのタンク側（外側）に隣接、対向して設けられた陽極１４と、陰極室２４内で、第２隔膜２８ｂに隣接、対向して設けられた陰極１６と、を備えている。陽極１４および陰極１６は、第１および第２隔膜２８ａ、２８ｂ、並びに電解液室２２を間に挟んで、互いに対向している。陽極１４および陰極１６は、配線を介して給電部３０に電気的に接続されている。

本実施形態において、電極ユニット２０は、陰極室２４の上部に接続され、陰極室２４で発生するガスを排気するためのガスベント管３２と、陽極１４の外側に設けられた複数の撹拌板３４と、電解液室２２から上方に延出する注入管３６と、を備えている。注入管３６を通して、電解液室２２に電解液（電解質液）を注入することができる。ただし、注入管３６は、電解液室２２への電解液の充填を簡便にするために設けたもので、必ずしも必要ではなく、省略可能である。例えば、筐体２６に注入口を設け、この注入口から電解液室に電解液を充填した後、注入口を詮で閉じる構成としてもよい。

上記のように構成された電極ユニット２０の電解液室２２には、予め、塩化物を含有する電解液として、例えば、飽和食塩水が充填され、陰極室２４には予め水が充填されている。飽和食塩水は、電解液室２２の容量と同量だけ電解液室２２に充填され、電解液室２２を満たしている。ここで、タンク１２の容量、ここでは、タンク１２に収容されている水（静水）の容量が１００Ｌであるとした場合、電解液室２２の容量は、タンク１２の容量の１／１００以下、例えば、１００ｍＬに形成され、陰極室２４の容量は２００ｍＬに形成されている。電解水生成時、電極ユニット２０は、タンク１２の水に浸漬され、筐体２６は、水面よりも下に配置される。ガスベント管３２および注入管３６の上端部は、タンク１２の上部開口を貫通してタンク１２の外部に延出している。

上記のように電極ユニット２０をタンク１２の水に浸漬した状態で、給電部３０から陽極１４および陰極１６に１．８Ａの電流を２００分程度通電することで、タンク１２の水を５０ｐｐｍ程度のほとんど塩分を含まない次亜塩素酸水に生成することができる。具体的には、電解液室２２から第１隔膜２８ａを介して陽極１４に拡散した塩素イオンは陽極１４で電子を奪われて塩素ガスとなり、タンク１２の水内に拡散する。そして、この塩素ガスが水と反応して次亜塩素酸と塩酸を生じる。この際、撹拌板３４は、陽極１４で発生する次亜塩素酸と塩酸が気泡（主に酸素ガス）とともに真上に高濃度で上がるのを防ぎ、水平方向へ撹拌されるようにしている。これにより、タンク１２内の水を次亜塩素酸水に変えることができる。電極ユニット２０は、電解液室２２に飽和食塩水を一度充填しただけで、取り換えることなく、タンク１２の水を電解水に変えることができる。

次亜塩素酸水の生成と同時に、陰極室２４では陰極１６で水が分解されて水素ガスと水酸イオンを生じ、第２隔膜２８ｂを介して電解液室２２から陰極１６に拡散したナトリウムイオンとともに水酸化ナトリウム水を生じる。発生した水素ガスはガスベント管３２を介してタンク１２の外に排出される。

このように構成した電解水生成装置では、上述したように電解液室２２の容量は１００ｍＬであり、タンク１２の容量（１００Ｌ）の１／１０００に設定されている。有効塩素濃度５０ｐｐｍの次亜塩素酸水１００Ｌを生成するのに必要な塩量は、生成効率９０％（１０％は酸素ガス生成で無駄に消費される）で１２ｇ強であり、飽和食塩水にすると５０ｍＬ弱となる。容量１００ｍＬの電解液室２２に充填されている飽和食塩水も１００ｍＬであり、タンク１２の１００Ｌの水を５０ｐｐｍ程度の次亜塩素酸水に変えた場合は、１００ｍＬの飽和塩水に含まれる塩分の約半分を消費する。そのため、飽和食塩水の初期の飽和濃度２６％が１３％程度に低下する。このような飽和濃度の低下により後述する電解電圧の上昇が起こり、これを検知することで電解を停止し、所望の有効酸素濃度（５０ｐｐｍ）の電解水を生成している。

図２は、電解時間と、電解電圧およびタンクの水の有効塩素濃度（次亜塩素酸生成濃度）との関係を示す図である。図２において、横軸は電解時間（電流は１．８Ａ一定）を示し、縦軸は、タンクの水の有効塩素濃度（次亜塩素酸生成濃度）と電解電圧を示している。この図から分かるように、タンク１２内の水の有効塩素濃度（プロットＡ）は、電解時間とともに線形に上昇し、やがて１５０分を超えるあたりから飽和する挙動を示す。また、電解電圧（プロットＢ）は、１５０分まで４．８〜５．０Ｖでほぼ一定であるが、１５０分を超えるあたりから上昇し、２００分を超えると５．８Ｖ程度に達する。

本実施形態において、電極ユニット２０の電極に通電する給電部３０は、電源３１と電解電圧を検知するセンサあるいは検知回路３５とを備えている。給電部３０は、電極に１．８Ａ定電流を供給するとともに、検知回路３５により電解電圧を検知する。そして、給電部３０は、電解電圧が初期電圧（４．８Ｖ）より０．８Ｖ上昇した時点で、電極への通電を停止するように構成されている。このため、図２に示すように、電解時間が２０５分の段階で電極への通電を停止し、タンク１２の水は有効塩素濃度４５ｐｐｍの次亜塩素酸水となり、ほぼ目標の有効塩素濃度５０ｐｐｍ程度の次亜塩素酸水を生成できている。

図３および図４は、それぞれ電解液濃度（塩水濃度）と電解電圧との関係を示し、図３は通常のグラフ、図４は、対数グラフである。これらの図から分かるように、電解電圧は塩水濃度１５％以上ではほぼ一定であり、１５％以下の塩水濃度になると上昇する。具体的には、塩水濃度１０％で＋０．８Ｖ、塩水濃度５％で＋１．２Ｖ、塩水濃度２％で＋３Ｖの電圧上昇となる。これは、電解液中の電解質（塩化物）が低濃度になることで、電解液の拡散抵抗が上昇したためである。塩水濃度１５％以上では他の電圧上昇要因が主因で目立たないが、塩水濃度１５％以下では電解液濃度が主因になり電圧上昇として現れるためである。基本的に、電解液濃度の対数値と電圧上昇が比例関係となる。

図５および図６は、それぞれ電解液濃度（塩水濃度）と電解水の生成効率との関係を示し、図５は通常のグラフ、図６は、対数グラフである。これらの図から分かるように、生成効率も同様に塩水濃度１５％以下で低下し始める。ここで生成効率とは、供給した電荷に対する電解水の有効塩素濃度（次亜塩素酸濃度）である。塩素イオン濃度が薄くなると、競合する酸素ガス生成が発生する（酸素ガス生成では次亜塩素酸が形成されない）ため、供給した電荷に相当する有効塩素濃度が得られなくなる傾向にある。具体的には、塩水濃度１５％まで生成効率８０〜９０％であるが、塩水濃度１０％で生成効率７０％、塩水濃度５％で生成効率６０％、塩水濃度２％では生成効率５０％以下に低下していく。

以上の特性を考慮し、本実施形態に係る電解水生成装置は、５０ｐｐｍ濃度の次亜塩素酸水を生成するにあたり、電解液室２２の容量（電解液の容量）をタンク１２の容量の１／１０００とし、電解による塩分の消費により電解液の塩分濃度を飽和濃度から１３％程度にまで低下させ、この時に生じる電圧上昇を検知して電解を終了させる、すなわち、電極への通電を停止する、構成としている。

電解液室２２の容量としては、タンク容量の１／１００より小さく、２ｍＬより大きく設定することが望ましい。これは、次亜塩素酸水としては、殺菌力の高い濃度５００ｐｐｍ程度の次亜塩素酸水が求められることと、電解液室２２の容量を小さくし過ぎると電解液室内部に電解液を注入することが難しくなるためである。

以上のように、本実施形態に係る電解水生成装置および電極ユニットによれば、電解液室の容量をタンク（容器）の容量や目的とする電解水特性にあわせて、電解による電解質の消費により電解液濃度が１３％以下になるよう電解液室の容量を設定することで、電圧上昇を検出して所望の電解水特性となるように電解を終了させるとともに、過不足なく電解液を消費させることができる。これにより、電解液の枯渇や無駄な消費を生じることなく、安定して電解水を生成できる簡易な構造の電解水生成装置、電極ユニット、および電解水生成方法が得られる。

次に、他の実施形態に係る電解水生成装置について説明する。なお、以下に説明する他の実施形態において、前述した第１の実施形態と同一の部分には、同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略し、第１の実施形態と異なる部分を中心に詳しく説明する。

（第２の実施形態）
図７は、第２の実施形態に係る電解水生成装置を示す断面図である。第２の実施形態によれば、電解水生成装置１０は、例えば、容量５Ｌの専用の生成容器（タンク）４０と、より簡易な構造の電極ユニット２０と、を備え、濃度１００ｐｐｍの次亜塩素酸水を生成する装置を構成している。

生成容器４０は、例えば、上端が開口した円錐台形状に形成されている。注入排水口４２を有する蓋体４４が生成容器４０の上端開口に装着され、この上端開口を閉塞している。電極ユニット２０は、蓋体４４に支持された状態で、生成容器４０内に配置される。

電極ユニット２０は、例えば、細長い角柱形状の筐体２６を備え、この筐体２６の下半部に電解液室２２が形成されている。筐体２６の上端部は、蓋体４４を貫通し蓋体４４から上方に延出している。電解液室２２は、陰極室を兼ねている。電解液室２２の容量は、生成容器４０の容量の１／１００以下、例えば、６ｍＬに形成されている。電解液室２２は、筐体２６の一側面に開口している。

電極ユニット２０は第１隔膜２８ａを有し、この第１隔膜２８ａは、電解液室２２の開口を塞ぐように筐体２６に設けられ、電解液室２２と外部（ここでは、生成容器４０内部）とを仕切っている。電極ユニット２０は、更に、第１隔膜２８ａの外側に隣接、対向して設けられた陽極１４と、電解液室２２内に配設され陰極１６と、を備えている。陰極１６は、第１隔膜２８ａおよび電解液室２２を挟んで陽極１４と対向している。陽極１４および陰極１６は、配線を介して給電部３０に電気的に接続されている。給電部３０は、定電圧を供給する電池等の電源を有している。第１隔膜２８ａとして、化学耐性に優れたＰＶＤＦと酸化チタンとを含有する多孔質隔膜を用いている。

筐体２６は、陰極１６で生じる水素ガスを排気するガス排気路４６を有している。ガス排気路４６は、電解液室２２の上端から筐体２６の上端まで略垂直に延び、筐体２６の上端面に開口している。このガス排気路４６は、電解液室２２に電解液を注入するための注入路としても利用可能である。あるいは、独立した注入路を筐体２６に形成してもよい。

上記のように構成された電極ユニット２０の電解液室２２には、予め、塩化物を含有する電解液として例えば、６ｍＬの飽和食塩水が充填されている。一度、電解液室２２に充填された飽和食塩水は、取り換えることなく、電解水生成の間、使用される。電解水生成時には、生成容器４０に所定量、例えば、５Ｌの水を入れ、生成容器４０内に静水状態で収容する。これにより、電極ユニット２０の電解液室２２、陽極１４および陰極１６は水の中に浸漬される。この状態で、給電部３０により、陽極１４および陰極１６に５Ｖの定電圧が３０分印加される。

電解開始直後の電解液室２２の塩水濃度は２６％程度であり、１〜２Ａの電流が流れるが、１０分経過するあたりで電解液室２２の塩水濃度が１３％を下回り、流れる電流が０．５〜１．５Ａ程度に低下する。更に、１５〜２５分経過時点では、電解液室２２の塩水濃度が５％を下回り、流れる電流は０．５Ａ以下となる。以降、電流低下によりほぼ電解が進まない状態となる。

上述した経過は、水温や電極ユニットのばらつきで若干の差異を生じるが、電解液室２２の容量が規定されているため、３０分経過後の電解水の水質は非常に安定し、次亜塩素酸濃度１００±１０ｐｐｍ程度となる。

以上のように構成された電解水生成装置によれば、電解液室２２の塩水が消費され尽くすことで自発的に生成容器（タンク）４０の容量と電解液容量との比率で決まる電解水の水質に収まり、安定した電解水生成を行うことができる。すなわち、電極ユニット２０は、電解液室２２に飽和食塩水を一度充填しただけで、取り換えることなく、生成容器４０の水を電解水に変えることができる。また、給電部３０の電解電源には、一定の上限電圧を設定した簡易的な電源を用いることができ、電圧条件や最大電流の設計を注意すれば乾電池でも電解可能となる。更に、電極ユニットは、電解液を事前に充填する構成のため、構成が極めてシンプルであり、低価格で電極ユニットおよび電解水生成装置を供給することができる。

本発明は上述した実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
例えば、上述した実施形態では、電解液を塩水、生成水を次亜塩素酸水としたが、これらに限定されることなく、本実施形態に係る電解水生成装置は、種々の電解液および種々の生成水を適用することができる。生成容器は、上述した実施形態に限定されることなく、種々の容器、水槽、その他、水を貯められるものであれば適用することができる。

陰極および陽極は、矩形状に限定されることなく、他の種々の形状を選択可能である。上述した実施形態では、隔膜は、ＰＶＤＦと酸化チタンとを含有する多孔質隔膜を用いているが、これに限らず、透水性を有する種々の多孔質膜を適用可能である。また、隔膜は、イオン選択性のあるイオン交換膜を用いてもよい。第２の実施形態において、電極ユニットは、陽極の外側に設けられる撹拌板を備えていてもよい。

Claims (8)

1. 電解液を充填する電解液室と、前記電解液室を仕切る隔膜と、前記隔膜の両側に設けられ互いに対向した一対の電極と、を有する電極ユニットと、前記電極に電解電流を供給する電源と、電解液濃度の低下に起因する電解電圧の上昇を検知し、電解を停止する検知回路と、を備え、前記電極ユニットを容器内の水に浸漬させた状態で水を電解して電解水を生成する電解水生成装置であって、
   前記電解液室の容量が前記容器内の水の容量の１／１００以下、２ｍＬ以上に形成され、前記検知回路は、前記電解液濃度が１３％程度に低下した時点で生じる電解電圧上昇を検知して前記電源からの給電を停止するように構成され、有効塩素濃度が５００ｐｐｍ以下の電解水を生成する電解水生成装置。
2. 前記電解液は塩化物を含有し、前記電解液室を満たす量だけ、前記電解液室に充填され、前記電解水は次亜塩素酸水である請求項１に記載の電解水生成装置。
3. 前記電極ユニットは、電解液が充填される前記電解液室と、陰極室と、前記電解液室と前記容器内とを仕切る第１隔膜と、前記電解液室と前記陰極室との間を仕切る第２隔膜と、前記第１隔膜の外側に隣接して設けられた陽極と、前記陰極室に設けられた陰極と、前記陰極室で発生する陰極生成ガスを前記容器の外部に排気する排気路と、を備え、前記電解液室は前記第１隔膜を介して前記容器内の水に連通する請求項１に記載の電解水生成装置。
4. 前記電極ユニットは、前記電解液室と前記容器内の水との間を仕切る隔膜と、前記隔膜の外側に隣接して設けられた陽極と、前記電解液室内に設けられ、前記隔膜を挟んで前記陽極に対向する陰極と、前記陰極で発生する生成ガスを前記容器の外部に排気する排気路と、を有し、前記電解液室は前記隔膜を介して前記容器内の水に連通する請求項１に記載の電解水生成装置。
5. 水を収容する生成容器を備え、前記電極ユニットは、前記生成容器内に配置されている請求項１から４のいずれか１項に記載の電解水生成装置。
6. 容器内の水の容量の１／１００以下、２ｍＬ以上の容量に形成され電解液を充填する電解液室と、前記電解液室を仕切る隔膜と、前記隔膜の両側に設けられ互いに対向した一対の電極と、を備える電極ユニットと、前記電極に給電する電源と、電解液濃度の低下に起因する電解電圧の上昇を検知し、電解を停止する検知回路と、により容器内の水を電解水に生成する電解水生成方法であって、
   前記電解液室を満たす量だけ、前記電解液室に電解液を充填し、
   前記電極ユニットを前記容器内の水に浸漬し、
   前記電源から前記電極に通電して前記電解液を電解し、
   前記電解液の濃度が１３％程度に低下した時点で生じる電解電圧上昇を検知して前記電源からの給電を停止し、
   前記電解液室に充填した電解液を取り換えることなく、前記電解により前記容器内の水を有効塩素濃度が５００ｐｐｍ以下の電解水に生成する電解水生成方法。
7. 前記電解により前記電解液室の電解液濃度が低下することで引き起こされる電解電圧の上昇を前記検知回路で検知し、前記電解電圧の上昇を検知した際に電解を停止する請求項６に記載の電解水生成方法。
8. 前記電解により前記電解液室の電解液濃度が低下することで引き起こされる電解電流の低下により、前記電解が実質的に停止する請求項６に記載の電解水生成方法。

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