JP6755588B2 - Two-chamber electrolyzer - Google Patents
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Description
本発明は、省電力で所望のpHを有する還元電解水が生成できる2室型電解装置に関するものである。 The present invention relates to a two-chamber type electrolyzer capable of producing reduced electrolyzed water having a desired pH with low power consumption.
従来から、還元電解水や酸化電解水を得るために、塩化ナトリウムや塩化カリウムを支持電解質として添加して、水を電気分解する電解装置が知られている。
この電解装置には、1枚の隔膜で仕切られたアノード室とカソード室とからなる電解槽を備える2室型電解装置やアノード室とカソード室に挟まれた中間室とからなる電解槽を備える3室型電解装置がある(例えば、特許文献1及び特許文献2)
Conventionally, an electrolyzer that electrolyzes water by adding sodium chloride or potassium chloride as a supporting electrolyte in order to obtain reduced electrolyzed water or oxidized electrolyzed water has been known.
This electrolyzer includes a two-chamber type electrolyzer having an electrolytic cell consisting of an anode chamber and a cathode chamber separated by a single diaphragm, and an electrolytic cell including an intermediate chamber sandwiched between the anode chamber and the cathode chamber. There is a three-chamber type electrolyzer (for example, Patent Document 1 and Patent Document 2).
特許文献1には、それぞれ2個の流入口を備える、アノード室、中間室、カソード室から構成され、各電解槽においてそれぞれ左右対称に対向配置された電解装置が開示されている。このような構成とすることで、原水の供給流量が増加しても、停滞領域が発生することを防止することに加え、電解効率を向上させることができる。
一方、特許文献2には、アノード電極が配設されたアノード室とカソード電極が配設されたカソード室との間に配置された中間室を有し、アノード仕切部が陰イオン交換膜、不織布及びプラスチック製の網から構成され、アノード電極側から中間室に向けて、網、不織布、陰イオン交換膜の順で並んでいる電解装置が開示されている。このような構成とすることで、電流値の安定化を図りながら効率的に水の電気分解を行い、中間室液のpHが7以上とならずに隔膜の損失を防止できる。
Patent Document 1 discloses an electrolytic device composed of an anode chamber, an intermediate chamber, and a cathode chamber, each having two inlets, and arranged symmetrically in each electrolytic cell. With such a configuration, even if the supply flow rate of raw water increases, it is possible to prevent the occurrence of a stagnation region and improve the electrolysis efficiency.
On the other hand,
還元電解水(例えば、pH12からpH13のアルカリ水)は、疲労回復効果や高血圧予防効果を有すると考えられ、飲料水等への応用が期待されている。
これまで開示されてきた電解装置は、アルカリ性の還元電解水を生成することはできたが、ある一定のpH(例えば、pH13)を有する還元電解水を生成することは困難であった。
さらに、還元電解水を生成するために、電解装置の消費電力が大きくなり、大量生産する場合にコストが膨大になるという問題があった。そのため、できるだけ省電力で、所望のpHの還元電解水(アルカリ水)を生成できる電解装置が望まれている。
Reduced electrolyzed water (for example, alkaline water having a pH of 12 to 13) is considered to have a fatigue recovery effect and a hypertension prevention effect, and is expected to be applied to drinking water and the like.
Although the electrolyzers disclosed so far have been able to produce alkaline reduced electrolyzed water, it has been difficult to produce reduced electrolyzed water having a certain pH (for example, pH 13).
Further, since the reduced electrolyzed water is generated, the power consumption of the electrolyzer becomes large, and there is a problem that the cost becomes enormous in the case of mass production. Therefore, an electrolyzer capable of producing reduced electrolyzed water (alkaline water) having a desired pH with as little power as possible is desired.
そこで、本発明は、所望のpH(pH12からpH13)を有する還元電解水を省電力で効率的に製造できる2室型電解装置を提供することを目的とする。
Therefore, an object of the present invention is to provide a two-chamber type electrolyzer capable of efficiently producing reduced electrolyzed water having a desired pH (
本発明の2室型電解装置は、アノード室と分室されているカソード室を有し、アノード室に設けられ、少なくとも表面が白金で構成され、かつ複数のアノード電極貫通孔を有するアノード電極と、カソード室に設けられ、複数のカソード電極貫通孔を有するカソード電極と、アノード電極とカソード電極との間に配置された陽イオン交換膜とを備え、アノード電極貫通孔の開口比率が、カソード電極貫通孔の開口比率よりも大きく、アノード室に支持電解質を含んだ水を循環させることを特徴とする。
なお、開口比率とは、電極のおもて面(うら面)の面積に対する電極貫通孔の開口部の面積の比率を意味する。
The two-chamber type electrolyzer of the present invention has a cathode chamber separated from the anode chamber, is provided in the anode chamber, has at least a surface made of platinum, and has an anode electrode having a plurality of anode electrode through holes. A cathode electrode provided in the cathode chamber and having a plurality of cathode electrode through holes and a cation exchange film arranged between the anode electrode and the cathode electrode are provided, and the opening ratio of the anode electrode through holes is such that the anode electrode penetrates. It is larger than the opening ratio of the pores and is characterized by circulating water containing a supporting electrolyte in the anode chamber.
The opening ratio means the ratio of the area of the opening of the electrode through hole to the area of the front surface (back surface) of the electrode.
本発明の2室型電解装置は、カソード室に水を通水させることを特徴とする。 The two-chamber type electrolyzer of the present invention is characterized in that water is passed through the cathode chamber.
本発明の2室型電解装置において、アノード電極は少なくとも表面が白金で構成され、複数のアノード電極貫通孔を有し、一方、カソード電極は複数のカソード電極貫通孔を有している。アノード電極貫通孔の開口率がカソード電極貫通孔の開口率よりも大きいものを使用し、アノード室に支持電解質を含んだ水を循環させることで、省電力でpH12から13の還元電解水を生成することができる。 In the two-chamber type electrolyzer of the present invention, the anode electrode has at least a surface made of platinum and has a plurality of anode electrode through holes, while the cathode electrode has a plurality of cathode electrode through holes. By using an anode electrode through-hole having an opening ratio larger than that of the cathode electrode through-hole and circulating water containing a supporting electrolyte in the anode chamber, reduced electrolyzed water having a pH of 12 to 13 is generated with low power consumption. can do.
さらに、本発明の2室型電解装置では、カソード室に水を通水させ、還元電解水を生成できる。そのため、カソード室に水を循環させて還元電解水を生成する場合よりも、短時間かつ省電力で所望のpH(pH12からpH13)を有する還元電解水を生成することができる。
Further, in the two-chamber type electrolyzer of the present invention, water can be passed through the cathode chamber to generate reduced electrolyzed water. Therefore, it is possible to generate reduced electrolyzed water having a desired pH (
本実施形態に係る2室型電解装置は、例えば、還元電解水のみを効率よく生成する還元電解水生成専用装置として使用できる。以下、本実施形態に係る2室型電解装置について、図1から図3を参照して説明する。 The two-chamber type electrolyzer according to the present embodiment can be used, for example, as a dedicated device for generating reduced electrolyzed water that efficiently produces only reduced electrolyzed water. Hereinafter, the two-chamber type electrolyzer according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 3.
本実施形態に係る2室型電解装置1は、図1に示すように、イオン交換膜2(陽イオン交換膜)によって、アノード室3と分室されているカソード室4を有し、アノード室3にはイオン交換膜2と接するようにアノード電極5が設けられ、カソード室4にはイオン交換膜2と接するようにカソード電極6が設けられている。
アノード電極5には、カソード電極6と接続された直流電源7が接続されている。
As shown in FIG. 1, the two-chamber type electrolytic apparatus 1 according to the present embodiment has a
A DC power source 7 connected to the
[アノード室3]
アノード室3は、プラスチック製であり、片面が開口された箱型である。アノード室3は、側部に形成された流入口10と、流入口10と対向した位置に形成された流出口11とを有している。流入口10には、外側に設けられたタンク12と接続されたホースが連結されている。このタンク12には、支持電解質溶液Lが貯留される。ホースの途中には、ポンプ13が設けられ、このポンプ13を可動させることで、タンク12内の支持電解質溶液Lがアノード室3に送出される。一方、流出口11には、タンク12と接続されたホースが連結されている。アノード室3に送出された支持電解質溶液Lは、この流出口11を介してタンク12に排出される。そして、タンク12に排出された支持電解質溶液Lは、再びアノード室3に送出される。
このように、支持電解質溶液Lは、タンク12とアノード室3を循環する。この支持電解質には、例えば、塩化カリウム、塩化ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸ナトリウム、硫酸リチウムが使用される。
[Anode chamber 3]
The
In this way, the supporting electrolyte solution L circulates in the
[カソード室4]
カソード室4は、プラスチック製であり、片面が開口された箱型である。カソード室4は、側面に形成された原水流入口15と、この原水流入口15と対向した位置に形成された還元水流出口16を有している。原水流入口15及び還元水流出口16には、それぞれホースが連結されている。
カソード室4には、所定の流速で原水(水道水)が送り込まれる。送り込まれた原水は、カソード室4の内部でカソード電極6により還元され、還元水流出口16から排出される。
[Cathode chamber 4]
The
Raw water (tap water) is sent to the
[アノード電極5]
アノード電極5は、イオン交換膜2と接するように設けられ、直流電源7の正極と接続されている。アノード電極5は、金属製であり、このアノード電極5には、例えば、白金を使用することができる。なお、アノード電極5は、少なくとも表面が白金で構成されていればよい。
アノード電極5には、例えば、図2に示すように、矩形で、網状の電極(ラス型電極)を使用できる。このアノード電極5は網状に形成されているため、おもて面5Aとうら面5Bとを貫通する菱形のアノード電極貫通孔17が複数形成されている。
アノード電極5は、網状の電極(ラス型電極)に限定されず、アノード電極貫通孔17が複数形成されているものであればよい。例えば、アノード電極貫通孔17が、円形状や多角状に形成されていてもよい。
[Anode electrode 5]
The
As the
The
[カソード電極6]
カソード電極6は、イオン交換膜2と接するように設けられ、直流電源7の負極と接続されている。カソード電極6は金属製であり、カソード電極6には、例えば、白金やステンレスを使用することができる。
このカソード電極6は、例えば、図3に示すように、矩形の板状で、カソード電極6のおもて面6Aとうら面6Bを貫通する円形状のカソード電極貫通孔18が複数形成された円形ポーラス型の電極を使用できる。このカソード電極貫通孔18は、パンチングによって、形成されている。また、カソード電極6の中央には、スタットネジ19が設けられている。
カソード電極貫通孔18は、カソード電極6の横方向X及び縦方向Yに向けて、規則的に配列されるように形成されている。カソード電極貫通孔18の個数やサイズ(直径)は、適宜決定することができ、カソード電極貫通孔18の個数やサイズ、カソード電極貫通孔18同士の距離を変更することで、開口比率を調整できる。
ここで、開口比率とは、カソード電極6のおもて面6A(うら面6B)の面積に占めるカソード電極貫通孔18の開口部の面積の比率を意味する。
なお、カソード電極貫通孔18の形状は円形に限定されず、多角形、楕円形の形状でもよい。
[Cathode electrode 6]
The
As shown in FIG. 3, for example, the
The cathode electrode through
Here, the opening ratio means the ratio of the area of the opening of the cathode electrode through
The shape of the through silicon via 18 is not limited to a circle, but may be a polygon or an ellipse.
図3(a)に示したカソード電極6では、カソード電極貫通孔18が、縦方向Yに11個、横方向Xに13個形成されている。このカソード電極6のカソード電極貫通孔18は、横方向X及び縦方向Yにおいて、碁盤目状に形成されている。なお、円形状の貫通孔が形成された電極を円形ポーラス型電極とも呼ぶ。
一方、図3(b)に示したカソード電極6では、カソード電極貫通孔18が縦方向Yに15個(又は14個)、横方向Xに12個(又は11個)形成されている。図3(b)に示したカソード電極6のカソード電極貫通孔18は、横方向X及び縦方向Yにおいて、千鳥格子状に形成されている。
図3(a)のカソード電極6のカソード電極貫通孔18の個数は、図3(b)に示したカソード電極6のカソード電極貫通孔18の個数よりも多く、図3(a)のカソード電極6の開口比率は、図3(b)に示したカソード電極6の開口比率よりも小さい。
なお、図3(a)及び(b)に示した電極は、アノード電極5としても使用できる。
In the
On the other hand, in the
The number of cathode electrode through
The electrodes shown in FIGS. 3A and 3B can also be used as the
[イオン交換膜2]
イオン交換膜2は、アノード室3の開口された面とカソード室4の開口された面の間に設けられ、アノード室3とカソード室4とを仕切るように設けられている。
このイオン交換膜2には、例えば、CMF(AGCエンジニアリング株式会社製)やナフィオン117(デュポン社製)の陽イオン交換膜を使用できる。耐摩耗性の観点から、イオン交換膜2の膜厚は、400μm以上であることが好ましい。
[Ion exchange membrane 2]
The
For the
次に、上述の構成を有する2室型電解装置1を使用して、還元電解水を生成する方法、及び生成された還元電解水の評価について説明する。
本実施形態の2室型電解装置1は、アノード室3側は支持電解質溶液Lを循環させる構成とし、カソード室4側は水道水を循環させず、通水させる構成としている。つまり、アノード室3側は、「循環型」、カソード室4側は、「通水型」の構成をとる。
Next, a method of generating reduced electrolyzed water and an evaluation of the produced reduced electrolyzed water will be described using the two-chamber type electrolyzer 1 having the above configuration.
The two-chamber type electrolyzer 1 of the present embodiment has a configuration in which the supporting electrolyte solution L is circulated on the
アノード電極5及びカソード電極6には、網状のチタン白金メッキ電極(開口比率62.5%)(以下、「PT1」と記す。)、円形ポーラス型チタン白金メッキ電極(開口比率44.6%)(以下、「PT2」と記す。)、円形ポーラス型チタン白金メッキ電極(開口比率19.2%)(以下、「PT3」と記す。)、円形ポーラス型ステンレス製電極(開口比率19.2%)(以下、「SUS1」と記す。)、及び、円形ポーラス型ステンレス製電極(開口比率44.6%)(以下、「SUS2」と記す。)を使用した。イオン交換膜2には、CMF又はナフィオン117を使用した。
The
支持電解質溶液Lには、炭酸カリウム水溶液を調整し、使用した。この支持電解質溶液Lを流速0.7L/分でアノード室3に流し、アノード室3とタンク12を循環させた。
一方、カソード室4には、原水流入口15から水道水を所定の流速で流し、還元水流出口16から排出された水道水を還元電解水として取り出し、pHを測定した。
また、直流電源7の電流は、30Aに設定し、一定の電流下における電圧を測定し、還元電解水を生成するための消費電力を算出した。
なお、カソード室4への水道水を通水させる流速は、0.10L/分から4.0L/分とした。
An aqueous potassium carbonate solution was prepared and used as the supporting electrolyte solution L. This supporting electrolyte solution L was flowed through the
On the other hand, tap water was flowed from the
Further, the current of the DC power supply 7 was set to 30 A, the voltage under a constant current was measured, and the power consumption for generating the reduced electrolyzed water was calculated.
The flow velocity for passing tap water to the
実施例1から実施例5では、アノード電極5にPT1又はPT2を使用し、カソード電極6にPT3、SUS1、SUS2の何れかを使用した。アノード電極貫通孔17の開口率が、カソード電極貫通孔18の開口率よりも大きくなるように、アノード電極5とカソード電極6とを組み合わせた。
一方、比較例1から比較例9では、アノード電極5に、PT1、PT2、PT3、SUS1の何れかを使用し、カソード電極6に、PT1、PT2、PT3、SUS1の何れかを使用した。比較例の条件では、アノード電極貫通孔17の開口率が、カソード電極貫通孔18の開口率以下となるように、アノード電極5とカソード電極6とを組み合わせた。
In Examples 1 to 5, PT1 or PT2 was used for the
On the other hand, in Comparative Examples 1 to 9, any one of PT1, PT2, PT3, and SUS1 was used for the
消費電力及び還元電解水のpHの評価結果を表1に示す。 Table 1 shows the evaluation results of power consumption and pH of reduced electrolyzed water.
[pH]
本実施形態に係る2室型電解装置1を用いて、実施例1から実施例5の条件で還元電解水を生成した場合、pH12.6からpH13.1のアルカリ性の還元電解水が得られた。
一方、比較例1から比較例9の条件で還元電解水を生成した場合、pH10.1からpH11.8のアルカリ還元電解水が生成された。
これらの結果から、アノード電極貫通孔17の開口率が、カソード電極貫通孔18の開口率よりも大きくなるようにアノード電極5及びカソード電極6を組み合わせることで、pH12.6〜pH13.1の還元電解水が生成することができることがわかった。
また、アノード電極貫通孔17とカソード電極貫通孔18の開口率の差が大きいほど、pH13に近い還元電解水が生成される傾向があると考えられる。
[PH]
When the reduced electrolyzed water was produced under the conditions of Examples 1 to 5 using the two-chamber type electrolyzer 1 according to the present embodiment, alkaline reduced electrolyzed water having a pH of 12.6 to 13.1 was obtained. ..
On the other hand, when the reduced electrolyzed water was produced under the conditions of Comparative Examples 1 to 9, alkaline reduced electrolyzed water having a pH of 10.1 to 11.8 was produced.
From these results, by combining the
Further, it is considered that the larger the difference in the aperture ratio between the anode electrode through
[消費電力]
実施例1から実施例5の条件で還元電解水を生成した場合、消費される電力は200V以下(196.8Vから180.0V)であることがわかった。
一方、比較例1から比較例9の条件で還元電解水を生成した場合、消費される電力は、300V以上(303.0Vから459.0V)であることがわかった。中でも、アノード電極5及びカソード電極6に同じ種類かつ同じ開口率を有する電極を用いた場合(比較例1から比較例4)、他の比較例のものよりも電圧が高くなり、消費電力が高くなることがわかった。
[power consumption]
It was found that when the reduced electrolyzed water was produced under the conditions of Examples 1 to 5, the electric power consumed was 200 V or less (196.8 V to 180.0 V).
On the other hand, when the reduced electrolyzed water was generated under the conditions of Comparative Examples 1 to 9, it was found that the electric power consumed was 300 V or more (303.0 V to 459.0 V). Above all, when electrodes of the same type and the same aperture ratio are used for the
また、本実施形態の2室型電解装置1では、カソード室4を通水型とし、所望のpH12からpH13の還元電解水を生成できる。そうすると、カソード室4に水を循環させて還元電解水を生成する場合と比べて、短時間かつ省電力で還元電解水を生成することができる。
Further, in the two-chamber type electrolyzer 1 of the present embodiment, the
さらに、イオン交換膜2は、フッ素系陽イオン交換膜であるナフィオン117よりも炭化水素系陽イオン交換膜であるCMFを使用した場合の方が、小さな消費電力でpH12からpH13のアルカリ還元電解水を生成できることがわかった(実施例1及び実施例4)。
Further, as the
以上の結果から、本実施形態の2室型電解装置1において、アノード電極5及びカソード電極6を、アノード電極貫通孔17の開口比率がカソード電極貫通孔18の開口比率よりも大きくなるように組み合わせ、原水を電気分解することで、pH12からpH13の還元電解水を省電力で効率よく生成できることがわかった。
From the above results, in the two-chamber type electrolyzer 1 of the present embodiment, the
以上、本実施形態に係る2室電解装置1では、アノード電極5及びカソード電極6を、アノード電極貫通孔17の開口比率がカソード電極貫通孔18の開口比率よりも大きくなるようにすることで、所望のpHを有する還元電解水を生成できることを示したが、これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
例えば、本実施形態では、カソード室4側に水道水を通水させ、還元水流出口16から排出された水を還元電解水として得ていたが、カソード室4側で水を循環させ、還元電解水を生成することもできる。
また、本実施形態では、表面が白金又はステンレスから構成される電極について示したが、これら以外の金属製電極を使用することもできる。
As described above, in the two-chamber electrolyzer 1 according to the present embodiment, the
For example, in the present embodiment, tap water is passed through the
Further, in the present embodiment, the electrode whose surface is made of platinum or stainless steel is shown, but a metal electrode other than these can also be used.
1 2室型電解装置
2 イオン交換膜(陽イオン交換膜)
3 アノード室
4 カソード室
5 アノード電極
5A おもて面
5B うら面
6 カソード電極
6A おもて面
6B うら面
7 直流電源
10 流入口
11 流出口
12 タンク
13 ポンプ
15 原水流入口
16 還元水流出口
17 アノード電極貫通孔
18 カソード電極貫通孔
19 スタッドネジ
L 支持電解質溶液
X 横方向
Y 縦方向
1 2-
3
Claims (2)
前記アノード室に設けられ、少なくとも表面が白金で構成され、かつ複数のアノード電極貫通孔を有する網状のアノード電極と、
前記カソード室に設けられ、複数のカソード電極貫通孔を有するカソード電極と、
前記アノード電極と前記カソード電極との間に配置された陽イオン交換膜と、を備え、
前記アノード電極貫通孔の開口比率が、前記カソード電極貫通孔の開口比率よりも大きく、
前記アノード室に支持電解質を含んだ水を循環させる、
ことを特徴とする2室型電解装置。 Have a cathode chamber which is the anode compartment and the compartment, a 2-chamber electrolysis apparatus for producing reduced electrolytic water,
A net-like anode electrode provided in the anode chamber, at least having a surface made of platinum, and having a plurality of anode electrode through holes,
A cathode electrode provided in the cathode chamber and having a plurality of through silicon via holes,
A cation exchange membrane arranged between the anode electrode and the cathode electrode is provided.
The opening ratio of the anode electrode through hole is larger than the opening ratio of the cathode electrode through hole.
Water containing a supporting electrolyte is circulated in the anode chamber.
A two-chamber type electrolyzer characterized by this.
前記カソード室に水を通水させる、
ことを特徴とする請求項1に記載の2室型電解装置。 The plurality of anode electrode through holes and the plurality of cathode electrode through holes are regularly arranged.
Let water pass through the cathode chamber.
The two-chamber type electrolyzer according to claim 1.
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