JPWO2015141329A1 - 電解水生成装置及び電解水生成方法 - Google Patents

Abstract

実施の形態によれば、被電解水中に一対の電極を配して電極間の通電により電解水を生成する複数の電解槽を備える。前記複数の電解槽には前記被電解水を並列に流入する流入装置が接続される。前記流入装置には並列に流入される被電解水を個別に断続する流入断続装置が設けられ、前記一対の電極間には個別に断続する電極断続装置が設けられ、前記複数の電極槽の一対の電極は、それぞれ前記電極断続装置を介して直列に接続され、電力供給装置から定電流で電力が供給される。

Description

この発明の実施形態は、電解水生成装置、電解水生成方法及び電解水に関する。

水を電解して様々な機能を有した電解水を生成する技術は、アルカリイオン水、オゾン水、次亜塩素酸水などの生成に利用されている。その中で、次亜塩素酸水と水酸化ナトリウム水を生成する電解水生成装置がある。次亜塩素酸水は殺菌消毒水として、水酸化ナトリウム水は洗浄水として活用される。

この電解水生成装置には３室型電解槽がよく用いられる。この３室型電解槽は、塩水を入れる中間室の左右に陽極室と陰極室とを配置している。陽極室は中間室との間が陰イオン交換膜によって区切られ、その室内には陽極の電極が配置される。また、陰極室は中間室との間が陽イオン交換膜によって区切られ、その室内には陰極の電極が配置される。上記構成による３室型電解槽を用いた電解水生成装置では、中間室に塩水を入れ、陽極室と陰極室に水を流水し、陽極と陰極との間に直流電圧を印加する。これにより、陽極室に塩素ガスが発生し、その塩素ガスから次亜塩素酸水が生成される。一方、陰極室には水から水素がガスとして抜けて水酸化ナトリウム水が生成される。

ところで、上記構成による電解水生成装置では、電解槽が単独であるため、電解槽に故障が発生するとその修理期間中は電解水の生成を中断しなければならない。また、電解水の生成量に関して要求に幅があるため、要求される電解水の最大量に合わせた容量の電解槽と給水・排水パイプ等の配管設備を個別に設計・製造しなければならない。

特許第３５００１７３号公報

以上のように、従来の電解水生成装置では、電解槽に故障が発生すると電解水の生成を中断しなければならない。また、要求される電解水の最大量に合わせた容量の電解槽と給水・排水パイプ等の配管設備を個別に設計・製造しなければならない。

この発明の解決しようとする課題は、電解水を要求量に合わせて効率的に生成することのできる電解水生成装置、電解水生成方法及び電解水を提供することである。

本実施形態によれば、被電解水の中に一対の電極を配して電極間を通電することにより電解水を生成する複数の電解槽を備える。前記複数の電解槽には前記被電解水を並列に流入する流入装置が接続され、生成される電解水を抽出する抽出装置が接続される。流入装置には前記並列に流入される被電解水を個別に断続する流入断続装置が設けられ、前記一対の電極間には個別に断続する電極断続装置が設けられ、前記複数の電極槽の一対の電極は、それぞれ前記電極断続装置を介して直列に接続され、電源から定電流で電力が供給される。

本実施形態の構成によれば、複数の電解槽を任意に増減して個別に稼動制御することができ、これによって電解水を要求量に合わせて効率的に生成することのできる電解水生成装置、電解水生成方法及び電解水を提供することができる。

図１は、実施形態に係る電解水生成装置の構成を示す平面図である。 図２は、図１に示す電解水生成装置を構成する個々の領域の概略形状と位置を示す斜視図である。 図３は、図１に示す電解水生成装置の構成を具体的に示す斜視図である。 図４は、図３に示す電解槽領域を視点Ａから見た場合の構成を示す平面図である。 図５は、図３に示す電解槽領域を視点Ｂから見た場合の構成を示す平面図である。 図６は、図１に示す電解水生成装置において、一つの電解槽が未装着あるいは故障して取り外した場合の構成を示す平面図である。 図７は、図１に示す電解水生成装置において、各電解槽で生成される水質の検知方法を説明するために示す平面図である。

以下、実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、実施形態に係る電解水生成装置の構成を示す概念図、図２は図１に示す電解水生成装置の構成領域を示す斜視図、図３は図１に示す構成を具体的に示す斜視図、図４は図３に示す電解槽領域を視点Ａから見た場合の構成を示す平面図、図５は図３に示す電解槽領域を視点Ｂから見た場合の構成を示す平面図である。

本実施形態の電解水生成装置は、図２に示すように、大きくわけて電解槽領域Ａ、配管領域Ｂ、塩水供給領域Ｃ、電気系統領域Ｄに区分けされている。このうち、電気系統領域Ｄには、詳細は図示しないが制御コントローラや電源など電気関連部品が集約されている。この電気系統領域Ｄは、漏水の影響などを受けにくくなるように、他の領域とは仕切られている。電解槽領域Ａは、複数（ここでは４個）の電解槽１（１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ）を有している。各電解槽１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄは、互いに標準化された共通の仕様で、少なくとも外形、流量及び電解容量が同じである。そして、いずれも中間室１１の両側に陽極室１２と陰極室１３を配置した３室構造である。中間室１１と陽極室１２との間は陰イオン交換膜１４で区切られ、中間室１１と陰極室１３との間は陽イオン交換膜１５で区切られている。陽極室１２には陽極電極１６、陰極室１３には陰極電極１７が設置される。陽極室１２と陰極室１３にはそれぞれ配管領域Ｂの給水パイプを通じて水が並列に給水される。各電解槽１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの陽極室１２と陰極室１３への給水は電磁弁２（２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ）の開閉制御により個別に断続可能となっている。各電解槽１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの中間室１１には塩水供給領域Ｃの塩水タンク２１で生成された飽和食塩水が塩水循環ポンプ２２により並列に循環されている。その循環は、電磁弁３（３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ）の開閉制御により電解槽毎に個別に断続可能となっている。

各電解槽１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの陽極電極１６と陰極電極１７はそれぞれの接続端が電気系統領域Ｄの１つの定電流電源（図示せず）に直列接続されるように配線され、これによって各電解槽１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄには同じ電流、すなわち同じクーロン量が流れるようになっている。また、各電解槽１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの陽極電極−陰極電極間はスイッチ４（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）により個別にショートカットの切換ができるようになっている。

上記電解槽１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄにおいて、飽和食塩水に電圧が掛かると、中間室１１の塩素イオンが陰イオン交換膜１４を通過して陽極室１２に入る。その結果、陽極室１２では、陽極電極１６による電気分解によって塩素イオンが酸化されて塩素ガスとなり、この塩素ガスが水に溶けて酸性水（ここでは次亜塩素酸水）が生成される。また、中間室１１のナトリウムイオンが陽イオン交換膜１５を通過して陰極室１３に入る。その結果、陰極室１３では、陰極電極１７による電解分解によって水から水素ガスが発生し、ナトリウムによるアルカリ水（ここでは水酸化ナトリウム水）が生成される。次亜塩素酸水は殺菌消毒機能があり、水酸化ナトリウム水は洗浄機能がある。

各電解槽１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの陰極室１３で得られた水素ガスと水酸化ナトリウム水は配管により統合されて気液分離ユニット３１に送られ、ここでアルカリ水と水素ガスに分離される。また、各電解槽１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの陽極室１２で生成された次亜塩素酸水は配管により統合されて排出される。また、電磁弁５（５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ）の開閉により選択的に水質検知ユニット３２のあるバイパス配管にも流れる。水質検知ユニット３２は、電磁弁５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄを介して流入される次亜塩素酸水の有効塩素濃度あるいはＰｈあるいは酸化還元電位あるいは伝導度といった水質を検知する。

上記構成による電解水生成装置において、以下にその動作と運用について説明する。

上記構成による電解水生成装置では、標準化された同一仕様の電解槽１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄを併設している。このように、各電解槽１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの仕様を同一にすることで、電解槽１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの構成部品を共通化することができる。その結果、電解槽１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの生産が非常に容易になり、しかも個々の電解槽の設計の負担を大幅に軽減することができる。また、電解水の水量や水質に対する顧客の多様な要求に対しては、搭載する電解槽の数量を要求される電解水の水量や水質に合わせて変えることで簡便に対応することができる。また、複数の電解槽を搭載しているので、ある電解槽が故障等によって使用不可となっても、他の電解槽を稼働させておくことができるので、電解水の生成を継続したまま、使用不可となった電解槽の入替作業を実施することができる。

上記実施形態における運用としては、例えば、１つの電解槽が有効塩素濃度６０ｐｐｍの電解水から次亜塩素酸水を毎分５Ｌ生産する能力を有しているとする。この場合、電解水生成装置としては、電解槽数を１つから最大４つまで選定できる仕様とすれば、有効塩素濃度６０ｐｐｍの水質で毎分５Ｌから２０Ｌまで対応することができる。また、複数の電解槽のうち、ある特定の電解槽が故障しても、他の電解槽を稼働させつつ故障した電解槽だけ入れ替えることができる。

図６は、本実施形態の電解水生成装置において、電解槽１ｃだけ未設置の場合、あるいは異常をきたしたため稼働を停止させた状態での構成を示している。このように電解槽１ｃが未設置の場合あるいは異常となった場合には、電磁弁２ｃ，３ｃ（図中点線枠で囲む電磁弁）を閉じて、給水と塩水の循環を停止する。同時に、スイッチ４ｃにより電解槽１ｃの電極間をショートカットし、各電解槽１ａ，１ｂ，１ｄへの電流供給回路を維持し、各電解槽１ａ，１ｂ，１ｄに印加される電力が一定電流となるように制御する。すなわち、電解槽１ｃをショートカットしても電解槽１ｃの電圧分だけ総電圧が下がるだけで、他の電解槽１ａ，１ｂ，１ｄに流れる電流が一定になるようにする。これにより、電解槽１ｃが未設置の場合、あるいは電解槽１ｃに異常をきたしたとしても、他の電解槽１ａ，１ｂ，１ｄを正常に稼働することができる。

なお、図示していないが、各配管には不要な逆流を防ぐため、適時逆止弁あるいは補助電磁弁が設置されており、例えば電極槽１ｃが未設置の場合、あるいは電極槽１ｃに異常をきたした場合に、逆止弁あるいは補助電磁弁を用いて酸性水配管側から電解槽１ｃ側へ逆流しないように構成されている。

以上のように、本実施形態によれば、電解水生成装置に複数の電解槽を搭載し、各電解槽に給水配管を並列接続して電解槽毎に電磁弁を設置するとともに、電気配線を直列接続して電解槽毎にショートカットのためのスイッチ群を設置するようにしているので、特定の電解槽が未搭載であったり故障したりしても、他の電解槽を正常動作させることができる。また、電解槽の標準化を可能にするとともに、多様な顧客要求に簡便に対応しつつ、異常事態がおきても装置全体が停止するリスクを小さくすることができる。

また、上述した効果をより確実に発揮させるには、以下の改良を加えることが望ましい。

まず、各電解槽は流量と電解電流が同じ設定で動作することが望ましい。具体的には、電極サイズ、電解槽内の容量などを同じにする。また、部品調達の観点より、電解槽の設計仕様だけでなく、部品の形状や材料も統一することが望ましい。すなわち、全く同じ仕様の電解槽を複数搭載することが望ましい。これにより、電解槽の設計仕様を合わせるとともに、部品の共通化も達成することができる。

また、図２及び図５に示すように、電解槽１に対する電気系統を配管系統と分離しておくことが望ましい。具体的には、電解用の電極１６，１７の端子を電解槽１の一側面に引き出し、配管をそれ以外の方向、望ましくは反対側の方向へ引き出すことが望ましい。これにより、電気系統や配管系統をコンパクトに整理して装置全体の構成を簡易化することができ、漏水に対する耐性を向上させることができる。

また、図４に示すように、各電解槽１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄは、それぞれの水量水圧の重力に対する影響を同等とするため、底面の高さが同じになるように設置することが望ましい。これは、塩水循環に対する電解槽の個別のばらつきが出ないようにするために重要であり、少なくとも流量及び電解容量が同じ共通の仕様の電解槽１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄを塩水循環ポンプ２２に対して同じ高さＨにすることでばらつきを緩和することができる。上記共通の仕様は、外形も同一であることが望ましい。

また、塩水循環ポンプ２２から各電解槽１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄに至る配管の長さに伴う変動を緩和するため、複数の電解槽１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄは略矩形状とし、複数の側面の中で比較的広い面積の面を対向させてコンパクトに配列することが望ましい。これにより配管長の差を軽減することができる。これらは塩水に限らず、給水あるいは排水の配管に関しても同様である。また、配管の長さを無視することができない場合には、各配管の径を変更したり流量制限部品を追加したりして、各電解槽に循環する塩水あるいは給水の水量を均一化するようにしてもよい。

また、塩水循環ポンプ２２をインバータ制御とし、稼働している電解槽の数に比例して塩水循環量を調整することが望ましい。

また、各電解槽１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄのレイアウトは、互いに平面部分が向き合うように並べて配置し、電極１６，１７が同じ側面に出るように配置することが望ましい。このようにすることで、搭載密度を上げつつ、容易に入替作業を行うことができるとともに、電気配線を簡易化しつつ防水構造を設けやすくなる。

また、電解槽１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄに接続する配管をマニフォールド化する場合には、各電解槽を近接させることでマニフォールド部品を小さくすることができる。

図７は、１つの水質検知ユニット３２により、電解槽１ｂで生成される次亜塩素酸水のみの水質を検知する方法を示したものである。各電解槽１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの次亜塩素酸水の排出配管には、電磁弁５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄを介して水質検知ユニット３２につながるバイパス配管がある。図７では、電磁弁５ｂ以外の電磁弁５ａ，５ｃ，５ｄ（図中点線枠で囲む電磁弁）は閉じられており、水質検知ユニット３２には電解槽１ｂで生成された次亜塩素酸水のみが流れるようになっている。このように、水質検知ユニット３２につながるバイパス配管に電磁弁５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄを配置し、各電解槽１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄで得られる次亜塩素酸水を選択的に流れるようにしておけば、高価な水質検知ユニットを１つだけにするとともに、電磁弁の開閉により各電解槽１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄで個別に生成された水質を検知したり、複数の電解槽全体で生成される平均的な水質を検知したりすることができる。

なお、上記実施形態では３室型の電解槽としたが、２室型あるいは１室型の電解槽に上記実施形態の複数の電解槽を搭載する構成を適用してもよい。また、上記実施形態では次亜塩素酸水の生成としたが、電解水の種類は次亜塩素酸水に限定されるものではなく、他の電解水であってもよい。

また、複数の電解槽で生成される電解水は、各電解槽から一括して抽出しても個別に抽出してもよい。すなわち、必ずしも全ての電解槽に抽出管が配備されていなくてもよく、要求される流量に合わせて調整すればよい。

その他、本実施形態は上記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。

本実施形態によれば、被電解水の中に一対の電極を配して電極間を通電することにより電解水を生成する複数の電解槽を備える。前記複数の電解槽には、タンクに蓄えられる前記被電解水をポンプによって供給し分配経路で前記複数の電解槽に並列に流入する流入装置が接続され、生成される電解水を抽出する抽出装置が接続される。流入装置には前記並列に流入される被電解水を個別に断続する流入断続装置が設けられ、前記一対の電極間には個別に断続する電極断続装置が設けられ、前記複数の電極槽の一対の電極は、それぞれ前記電極断続装置を介して直列に接続され、電源から定電流で電力が供給される。

Claims (14)

1. 被電解水の中に一対の電極を配して電極間の通電により電解水を生成する複数の電解槽と、
   前記複数の電解槽に前記被電解水を並列に流入する流入装置と、
   前記複数の電解槽に並列に流入される被電解水を個別に断続する流入断続装置と、
   前記複数の電極槽の一対の電極間を個別に断続する電極断続装置と、
   前記複数の電極槽の一対の電極を、それぞれ前記電極断続装置を介して直列に接続し、定電流で電力を供給する電力供給装置と
   を具備する電解水生成装置。
2. 前記複数の電解槽で生成される電解水を抽出する抽出装置と、
   前記抽出装置で抽出される電解水をバイパスするバイパス装置と、
   前記バイパス装置でバイパスされる電解水を流入して水質を検知する水質検知装置と、
   前記複数の電解槽から前記バイパス装置に流出される電解水を個別に断続する電解水断続装置と
   をさらに備える請求項１記載の電解水生成装置。
3. 前記複数の電解槽は、少なくとも流量及び電解容量が同じ共通の仕様である請求項１記載の電解水生成装置。
4. 前記複数の電解槽は、底面の高さが同じになるように設置される請求項１記載の電解水生成装置。
5. 前記複数の電解槽は、略矩形状であり、複数の側面の中で比較的広い面積の面が対向するように設置される請求項１記載の電解水生成装置。
6. 前記複数の電解槽の一対の電極は、それぞれの端子が前記複数の電解槽の同じ側面から突出するように設けられる請求項１記載の電解水生成装置。
7. 前記複数の電解槽はそれぞれ、被電解水を流水する中間室と、前記中間室の第１の側面に第１のイオン交換膜を介して前記一対の電極の陽極側を収納して水を酸性水にする陽極室と、前記中間室の第２の側面に第２のイオン交換膜を介して前記一対の電極の陰極側を収納して水をアルカリ水にする陰極室とを備える３室構造である請求項１記載の電解水生成装置。
8. 前記流入装置は、前記複数の電解槽それぞれの中間室に前記被電解水を循環させる循環装置を備える請求項７記載の電解水生成装置。
9. 前記流入装置は、前記複数の電解槽それぞれの陽極室及び陰極室それぞれに水を並列に給水する給水装置とを備える請求項７記載の電解水生成装置。
10. さらに、前記複数の電解槽それぞれの陽極室から前記酸性水を抽出する第１の抽出管と前記複数の電解槽それぞれの陰極室から前記アルカリ水を抽出する第２の抽出管とを備える請求項７記載の電解水生成装置。
11. さらに、前記第１及び第２の抽出管の少なくともいずれかに介在され、抽出された水から前記気体を分離して出力する気液分離ユニットを備える請求項１０記載の電解水生成装置。
12. 前記流入装置は、前記被電解水を送る流量を可変制御する制御装置を備え、稼働する電解槽の数に比例して流量を制御する請求項１記載の電解水生成装置。
13. 被電解水の中に一対の電極を配して電極間の通電により電解水を生成する複数の電解槽を併設し、前記複数の電解槽に前記被電解水を並列に流入し、前記複数の電極槽間で前記一対の電極をそれぞれ直列に接続して定電流で電力を供給する電解槽生成方法であって、
    前記複数の電解槽に並列に流入される被電解水を個別に断続し、前記複数の電極槽の一対の電極間を個別に断続することで、前記複数の電解槽のうち任意の電解槽を個別に稼動・停止する電解水生成方法。
14. 請求項１３記載の電解水生成方法によって生成される電解水。

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