JP6569144B1 - モノポーラ型電解装置 - Google Patents
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Abstract
Description
例えば、特許文献1には、電解槽と、電解槽の下部に設けられて海水の流入口が形成された下部槽と、電解槽の上部に設けられて海水の流出口を形成する上部槽とを備える給電体式海水電解装置が記載されている。
また、スケールの堆積を放置すると、隣り合う電極間、すなわち陽極と陰極の間が、やがてスケールによって埋められてしまう可能性がある。陽極と陰極の間がスケールによって埋められてしまうと、スケールが堆積した電極面に電解対象の液体は流れ込むことができないため、さらに電解性能が低下する恐れがあり、また、スケールによって陽極と陰極が短絡する恐れがある。
このため、モノポーラ型電解装置の運転を停止し、スケールを除去する清掃や電極交換等のメンテナンス作業を行う必要があるが、当該作業の頻度が高いと、モノポーラ型電解装置の稼働率が下がる一方、これら作業に要する費用が高くなる。
従って、スケールが堆積し難い隣り合う2つの第一電極板と外筒で仕切られた空間に電気分解の対象となる液体を流すことができ、液体の流速が低下しがちな当該内周面近傍において、スケールの付着及び成長が阻害される。
また、当該離間した箇所において、スケールが堆積し易い第二電極板の一方の電極面から他方の電極面、言い換えれば電極板の表側から裏側、または裏側から表側へ液体が流れ込むことができ、このため、液体の流れに乱れが生じて、液体が攪拌される。この液体の攪拌は、スペーサによってさらに増強される。そして、液体の攪拌により、第二電極板に付着したスケールが剥離され、スケールの成長が阻害される。
ここでは、無機電解合成装置の一種である海洋生物付着防止装置として使用する例を示す。海洋生物付着防止装置に使用される場合、モノポーラ型電解装置1には、電気分解される対象の液体Wとして、海水又は塩水が供給される。この場合、後述の第一電極板61は陽極板であるので正電位(+電位)が印加され、第二電極板62は陰極板であるので負電位(−電位)が印加される。なお、モノポーラ型電解装置1を、尿素含有水等の所定の液体を電気分解する有機電解合成装置として使用する場合は、後述の第一電極板61は陰極板であるので負電位(−電位)が印加され、第二電極板62は陽極板であるので正電位(+電位)が印加される。すなわち、第一電極板61と第二電極板62には、互いに逆となる極性の電位が電源により印加される。いずれの場合も、スケールは第一電極板61に付着し難く、第二電極板62に付着し易い。従って、スケールは、第二電極板62に堆積し易い。
また、モノポーラ型電解装置1は、電解槽本体4を鉛直方向に縦に設置して液体Wを電解槽本体4の内部において上下方向に流す縦型電解装置、電解槽本体4を水平方向に横に設置して液体Wを電解槽本体4の内部において水平方向に流す横型電解装置、または、電解槽本体4を水平方向と鉛直方向の間の角度に傾けて設置し、液体Wを電解槽本体4の内部において斜め方向に流す電解装置として使用することができる。しかし、ここでは、説明の簡便のため、モノポーラ型電解装置1の電解槽本体4を鉛直方向Dvに設置、すなわち外筒41の中心軸Oを鉛直方向Dvに一致させた縦型の電解装置として説明する。
もちろん、モノポーラ型電解装置1は、用途等に応じて、中心軸Oを鉛直方向Dvから傾けて設置してもよい。
なお、バスバー53は、図8を用いて後述するように、複数のモノポーラ型電解装置1を電気的に接続して使用する際、屈曲しないため作業性を向上することができるが、本発明の必須構成ではない。バスバー53に代わり、屈曲可能な電線を使用してもよい。
第二ノズル3は、第一ノズル2と同一形状且つ同一寸法としてもよい。
第一ノズル2及び第二ノズル3は、通常の配管(円筒形状の配管)から供給される液体Wを、矩形筒状の内周面を持つ電解槽本体4へ円滑に流し込み、また、電解槽本体4から通常の配管へ円滑に排出する内周面を備えている。
第一ノズル2及び第二ノズル3は、第一金属フレーム51または第二金属フレーム52を介して、ボルト等の固定部材を用いて外筒41に着脱可能且つ気密に固定される。液体Wは、鉛直方向Dvにおける電解槽本体4の下方、すなわち第一ノズル2から電解槽本体4の内部、すなわち外筒41の内周面に流入する。その後、液体Wは電解槽本体4の内部を鉛直方向Dvの上方に向かって流れ、第二ノズル3から外部に流出する。外筒41の内周面を液体Wが通る間に、当該内周面の内側に配置された第一電極板61及び第二電極板62によって液体Wが電気分解される。
外筒41は、第一面を備えた部材と第二面を備えた部材、すなわち別々の部材を組み合わせて構成してもよいし、型枠等で一体成型してもよい。外筒41は、プラスチック樹脂等の絶縁性の高い材料で形成される。
第二金属フレーム52は、鉛直方向Dvにおける外筒41の他方の端部に固定される。図1においては、第二金属フレーム52は、鉛直方向Dvにおける外筒41の上端で、外筒41と第二ノズル3とに挟まれて配置される。
第一金属フレーム51及び第二金属フレーム52の形状は、各々に対応して配置される電極板を溶接等で固定でき、液体Wの流れを実質的に妨げない形状であれば、開口のある環状、U字型等、いかような形状でもよい。ここでは、外筒41の外形を矩形筒状としているので、第一金属フレーム51及び第二金属フレーム52の形状を矩形環状として説明する。液体Wの流れを妨げないよう、矩形環状の第一金属フレーム51及び第二金属フレーム52の開口は、いずれも、上述した外筒41の内周面の矩形状の断面積と同一またはそれ以上の面積であることが望ましい。
第一電極板61は、第一電極本体611と第一タブ部612とを備えており、第一タブ部612を第一金属フレーム51に溶接等で固定する。第二電極板62は、第二電極本体621と第二タブ部622とを備えており、第二タブ部622を第二金属フレーム52に溶接等で固定する。第一電極本体611と第二電極本体621の形状は、いずれも矩形板状であり、図2に示すように、電極面が第一面411に対して平行に配置される。
なお、第一電極板61と第二電極板62の形状は、対応するタブ部(第一タブ部612、第二タブ部622)を備えているため、厳密には矩形ではないが、全体を見れば実質的に矩形であるため、「矩形板状」と表現する。
また、電解性能を良好にする観点で、第一電極本体611の電極面と第二電極本体621の電極面は、第二方向D2においてできるだけ重なるのが望ましい。図3に、図2のIII−III断面図(III−IIIにおける鉛直方向Dvに平行な面の図)を示す。図3に示すように、鉛直方向Dvにおける第一電極本体611の長さは、例えば、第一金属フレーム51の上端近傍から第二金属フレーム52の下端近傍までの長さとしてよい。
第二電極本体621は、鉛直方向Dvを長手方向とし、第一方向D1を短手方向とする矩形板状をなしている。第一方向D1における第二電極本体621の長さは、その両端が外筒41の第二面412と接触しない長さ、すなわち第二面412から所定距離だけ離間した長さである。
鉛直方向Dvにおける第二電極本体621の長さは、第一電極本体611と同様、電解性能を良好にする観点から、例えば、第一金属フレーム51の上端近傍から第二金属フレーム52の下端近傍までの長さとしてよい。
また、一対の第一面411の各々に最も近接して配置される電極板として、スケールが堆積し易い第二電極板62ではなく、スケールが堆積し難い第一電極板61が配置される。すなわち、外筒41の内周面の内側に配置される電極板のうち、第二方向D2の両端に配置される電極板は、第一電極板61となる。
当該両端に配置される第一電極板61は、各々、図2に示すように、一対の第一面411にそれぞれ接して配置されてよい。なお、第一金属フレーム51に固定された第一電極板61を外筒41の内周面の内側へ挿入する際、第一電極板61を傷めることなく滑らかに挿入するため、プラスチック樹脂等の絶縁性の材料で形成された絶縁板を外筒41の内周面(第一面411または第二面412)と第一電極板61の間に配置してもよい。この場合、第一電極板61とともに外筒41の内周面に挿入される絶縁板は、内周面に接した状態でそのまま外筒41内に収納される。そこで、ここでは、第一電極板61が外筒41の内周面(第一面411または第二面412)に「接して配置」されるとは、外筒41の内周面に間接的に接して配置される場合を含むものとする。すなわち、内周面と第一電極板61の間に絶縁板が介在する場合も、第一電極板61が第一面411または第二面412に「接して配置」されていると理解するものとする。請求項を解釈する場合、本定義に従って理解しなければならない。
以上の構成によれば、外筒41の一対の第一面411の各々に最も近く配置される電極板として、スケールが堆積し易い第二電極板62ではなくスケールが堆積し難い第一電極板61が配置され、さらに第一電極板61の第一方向D1の両端は外筒41の一対の第二面412にそれぞれ接して配置される。従って、流入口から流れ込んだ液体Wは、隣り合う二つの第一電極板61と外筒で仕切られた複数の空間の各々に流れ込む。このため、第一電極板61の第一方向D1の両端が外筒41の一対の第二面412に接して配置されない場合(すなわち、当該空間が形成されない場合)に比べ、液体Wの流速を全ての当該空間において均一化することができ、当該空間ごとの電解性能を均一化するとともに、後述の液体Wによるスケールを剥離する効果を均一化することができる。また、液体Wの流速が低下しがちな外筒41の内周面と第一電極板61が接触する箇所の近傍において、スケールの付着が抑制される。
また、第一電極板61と第二電極板62は大きさが異なり、中心軸に垂直な断面において、第一電極板61は、その両端が外筒41の内周面に接して配置される一方、第二電極板62は、その両端が外筒41の内周面から離間(例えば、2mm〜10mm程度)して配置されるので、当該離間した箇所を電気分解の対象となる液体Wは流れることができる。すなわち、第二電極板62の一方の電極面から他方の電極面、言い換えれば電極板の表側から裏側、または裏側から表側へ液体Wが流れ込むことができ、このため、液体Wは整流とはならず、乱流となり、液体Wが攪拌される。そして、液体Wの攪拌により、第二電極板62に付着したスケールが剥離され、スケールの成長が阻害される。
また、スペーサ70は、上述した電極板の構成及びその配置による液体Wの攪拌を増強する形状で形成されている。スペーサ70の形状は、液体Wの攪拌を増強する形状であればいかような形状でもよいが、例えば、第二方向D2から見た際に、円形、三角形(3つの頂点のうち、1つの頂点は他の2つの頂点より鉛直方向Dvの下方に配置)、四角形(4つの頂点のうち、1つの頂点は他の3つの頂点より鉛直方向Dvの下方に配置)としてよい。なお、第一方向D1から見た際に、電極板を傷めることがないよう丸みを持たせた形状、例えば半円形であることが好ましい。
図4に、第二金属フレーム52に固定された複数の第二電極板62及び第二電極板62に固定されたスペーサ70を示す斜視図を示す。ここでは、スペーサの形状を、第二電極板62を間に挟んだ球状の形状としている。具体的には、第二電極板62の電極面を貫通してスペーサ取付孔63を開け、この孔を通して半球状の2つのスペーサ70を嵌合させ、第二電極板62に固定する。
図5に、図4のスペーサの周りの液体の流れを示す。図5に示すように、鉛直方向Dvの下方から上方に向かって流れる液体Wは、スペーサ70に当たって第一方向D1の左右に向かう流れが生じる。これにより、上述した電極板の構成及びその配置による液体Wの攪拌がさらに増強され、より効果的に第二電極板62に付着したスケールが剥離され、スケールの成長が阻害される。
なお、スペーサ70は、図1乃至図4においては誇張して大きく記載されているが、鉛直方向Dv及び第一方向D1の大きさは、5mm〜20mm程度でよい。矩形板状の電極板の電極板本体(第一電極本体611、第二電極本体621)の寸法は、一般的に、第一方向D1の長さが100mm〜300mm程度、鉛直方向Dvの長さが300mm〜1500mm程度であるので、スペーサ70の寸法に比較して電極板本体の面積が極めて大きい。従って、モノポーラ型電解装置1の電解性能に影響を与えない程度に複数のスペーサ70が配置される。ここでは、スペーサ70は、第二電極板62の第一方向D1の中央部且つ鉛直方向Dvの上方及び下方に二つ配置されているが、電極板の大きさに応じて、適宜、数を増減させてよい。
ここで、比較のため、図7に、第一電極板のみならず、第二電極板の両端も第二面に接して配置された場合のスケールSの堆積する様子を示す。電解においては電流密度により電解効率が決まってくるため、第二電極板の面積を拡大し第一電極板と同一にした方が電解効率が上がると考えられるが、スケールSは、電界の影響で第二電極板62に付着し、液体Wの流速が比較的低い第二電極板と外筒の接触した箇所(隅または角の部分)に堆積しやすい。このため、スペーサにより液体が攪拌されても、当該箇所に付着したスケールSは剥離が困難であるため、付着したスケールSは成長し、堆積を続け、やがて第一電極板に接触する恐れがある。
このことからも、本実施形態において、第一方向D1を向く第二電極本体621の端面を、第二面412から離して配置することの重要性が理解できる。
なお、第二方向D2において、最も外筒41の内周面近くに配置される第一電極本体611の第一面411に向かう電極面は、電気分解に寄与しない。したがって、当該電極面については、製造コストを低減するため、電気分解を行わせるための触媒を塗布しなくてもよい。この場合、複数の第一電極板61のうち、最も外筒41の内周面近くに配置される第一電極板61は、電極面の片面のみに当該触媒が塗布された片塗りの電極板となる。
図8の3つのモノポーラ型電解装置1のうち、両端の2つのモノポーラ型電解装置1は、図1と同じ配置である。一方、中央のモノポーラ型電解装置1は、図1の配置を上下左右逆転した配置である。
従って、中央のモノポーラ型電解装置1の第一金属フレーム51は、隣り合う一方のモノポーラ型電解装置1の第二金属フレーム52にバスバー53で結線される。また、中央のモノポーラ型電解装置1の第二金属フレーム52は、隣り合う他方のモノポーラ型電解装置1の第一金属フレーム51にバスバー53で結線される。
このように結線することで、1つの電源のみで、結線された全てのモノポーラ型電解装置1の第一電極板61と第二電極板62に逆極性の電位を与えることができる。従って、安価に複数のモノポーラ型電解装置1を用いたシステムを構成することができる。
なお、上記中央のモノポーラ型電解装置1は、図1の配置を上下左右逆転した配置であるので、隣り合う他方のモノポーラ型電解装置1と異なり、第二ノズル3が液体Wの流入口となり、第一ノズル2が液体Wの流出口となる。
本システムにおいても、運転時におけるスケールの堆積が抑制されるので、システムの運転を長期間停止しなくとも電解性能を良好に保つことができ、また、メンテナンス作業の頻度を低減できるので経費を削減することが可能となる。
図9に、スペーサの変形例であるスペーサ70Aを示す。図9は、図2に対応する断面図である。また、図1に点線で、スペーサ70Aの鉛直方向Dvにおける位置を示す。本変形例は、スペーサ70Aが、上述のモノポーラ型電解装置1のスペーサ70と異なるのみで、その他の構成は、モノポーラ型電解装置1と同じである。従って、同一の構成及び同一の作用効果についての説明を省略する。スペーサ70Aは、スペーサ70と同様、絶縁性の高い材料(例えばゴム材やプラスチック樹脂)で形成されており、第一電極板61と第二電極板62が互いに接触して電気的に短絡しないように、第二方向D2における第一電極板61と第二電極板62の間に設置される。
図1及び図9に示すように、スペーサ70Aは、第一方向D1における第二電極本体621の両端に配置されている。スペーサ70Aは、第二電極本体621の端部を挟み込んで保持できるように、鉛直方向Dvから見た際に、内側に溝が形成されたような断面C字状をなしている。スペーサ70Aは、図1及び図7においては誇張して大きく記載されているが、鉛直方向Dv及び第一方向D1の大きさは、5〜20mm程度でよい。
スペーサ70Aは、図1に示すように、鉛直方向Dvにおいて、第二電極本体621の両端に配置される。つまり、スペーサ70Aは、第二電極本体621の四隅近傍にそれぞれ配置されている。
なお、スペーサ70Aが配置された第二電極本体621の四隅近傍においては、上述した第二電極板62の両端と外筒41の内周面が離間した箇所にスペーサ70Aが固定されることになる。しかしながら、第二電極本体621の大きさに比べ、スペーサ70Aは極めて小さいため、鉛直方向Dvで第二電極本体621を見たとき、当該離間した箇所が大部分を占め、スペーサ70Aが当該離間した箇所を埋める部分は無視できる程度といえる。従って、第二電極板62の両端が外筒41と当該離間して配置されることで生じる上述の効果はそのまま享受できる。また、スペーサ70Aは、当該離間した箇所を流れる液体Wの流れを変えるため、スペーサ70と同様、液体Wの攪拌を増強することができる。
モノポーラ型電解装置1は、仕様に応じて、スペーサ70とスペーサ70Aの両方を備えてもよい。
W 液体
2 第一ノズル
3 第二ノズル
4 電解槽本体
41 外筒
411 第一面
412 第二面
O 中心軸
D1 第一方向
D2 第二方向
51 第一金属フレーム
52 第二金属フレーム
53 バスバー
61 第一電極板
611 第一電極本体
612 第一タブ部
62 第二電極板
621 第二電極本体
622 第二タブ部
63 スペーサ取付孔
70、70A スペーサ
S スケール
9 スクレーパー
Dv 鉛直方向
Claims (6)
- 中心軸に垂直な断面において互いに平行な一対の第一面及び前記第一面と直交する一対の第二面で矩形状の内周面が形成される絶縁性の外筒と、
矩形板状の複数の第一電極板が互いに平行且つ所定間隔で接続され、前記外筒の一方の端部に固定された第一金属フレームと、
矩形板状の複数の第二電極板が互いに平行且つ前記所定間隔で接続され、前記外筒の他方の端部に固定された第二金属フレームと、
前記第一電極板と前記第二電極板との間に配置された絶縁性のスペーサとを有し、
複数の前記第一電極板と複数の前記第二電極板は前記第一面に平行且つそれぞれ交互に前記内周面の内側に配置され、
前記断面において、前記一対の第一面の各々に最も近くの電極板として前記第一電極板が配置され、前記第一金属フレームの近傍から前記第二金属フレームの近傍まで前記第一電極板の両端は前記一対の第二面にそれぞれ接して配置され、且つ、前記第二電極板の両端は前記一対の第二面からそれぞれ離間して配置され、
前記一方の端部から前記内周面に流入し且つ前記他方の端部から流出する液体を電気分解することを特徴とするモノポーラ型電解装置。 - 前記スペーサは、前記中心軸に垂直な断面において、前記第二電極板の中央部、端部または両端部に固定され、且つ、前記中心軸に平行な断面において、前記第二電極板の電極面の一部のみに設置されたことを特徴とする請求項1に記載のモノポーラ型電解装置。
- 前記スペーサは、半球状、円形状、三角形状、または四角形状のいずれか一つの形状をなし、前記内周面に流入する前記液体を攪拌し、前記第二電極板へのスケールの堆積を抑制することを特徴とする請求項2に記載のモノポーラ型電解装置。
- 前記中心軸に垂直な断面において、一方の端部の内周面が矩形状であり、他方の端部の内周面が円形状である第一ノズル及び第二ノズルをさらに有し、
前記第一ノズルの前記一方の端部は、前記第一金属フレームを介して前記外筒に接続され、
前記第二ノズルの前記一方の端部は、前記第二金属フレームを介して前記外筒に接続され、
前記中心軸に垂直な断面において、前記内周面は、前記中心軸の外側から前記外筒に近づくにつれて前記円形状から前記矩形状に次第に変化するよう形成されたことを特徴とする請求項3に記載のモノポーラ型電解装置。 - 前記液体は、海水又は塩水であり、
前記第一電極板は、陽極板であり、
前記第二電極板は、陰極板であることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載のモノポーラ型電解装置。 - 前記液体は、尿素含有水であり、
前記第一電極板は、陰極板であり、
前記第二電極板は、陽極板であることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載のモノポーラ型電解装置。
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