JPWO2016147439A1 - 電解槽および電解水生成方法 - Google Patents

Abstract

陽極が設けられた陽極室と、陰極が設けられた陰極室と、前記陽極室と前記陰極室の間に位置し電解液を収容する中間室と、透水性を有する多孔質膜により形成され前記陽極室と前記中間室との間を仕切る第１隔膜と、陽イオン交換膜により形成され前記陰極室と前記中間室との間を仕切る第２隔膜と、を備えた３室型の電解槽。

Description

本発明の実施形態は、電解槽および電解水生成方法に関する。

アルカリイオン水、オゾン水、水素水または次亜塩素酸水などを生成する電解水生成装置として、３室型の電解槽（電解セル）を有する電解水生成装置が用いられている。３室型の電解槽は、その内部の電解室が、隔膜によって陽極室、中間室および陰極室と３室に区切られる。隔膜としては、陰極側にはナフィオン（登録商標）等の陽イオン交換膜、陽極側には四級アンモニウム塩や四級ホスホニウム塩等を有する陰イオン交換膜が使用される。陽極室および陰極室には、多孔構造を有する陽極および陰極がそれぞれ配置されている。

このような電解水生成装置では、例えば、中間室に食塩水を流し、左右の陰極室および陽極室に水を流して、中間室の食塩水を陰極および陽極で電解することで、陽極室で発生した塩素ガスから次亜塩素酸水を生成するとともに、陰極室で水酸化ナトリウム水を生成する。生成した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。

このような３室型電解槽では陰イオン交換膜は塩素や次亜塩素酸により劣化しやすい。そのため、パンチング等で作製した多孔構造の陽極と陰イオン交換膜との間に、オーバーラップや切り込みを入れた不織布を挿入して塩素による陰イオン交換膜の劣化を低減させる技術が提案されている。また、電極の多数の孔を塞がないように多孔質膜を配置する技術が知られている。

特許第４０９０６６５号公報 特許第３３５３９６４号公報

しかしながら、上述した構成の電解水生成装置では、非常に長期間の運転により、不織布の劣化およびそれに伴う隔膜の劣化が生じる。

本発明が解決しようとする課題は、隔膜の劣化を抑制し長寿命の電解槽を提供することにある。

本実施形態によれば、３室型の電解槽は、陽極が設けられた陽極室と、陰極が設けられた陰極室と、前記陽極室と前記陰極室の間に位置し電解液を収容する中間室と、多孔質膜により形成され前記陽極室と前記中間室との間を仕切る第１隔膜と、陽イオン交換膜により形成され前記陰極室と前記中間室との間を仕切る第２隔膜と、を備えている。

図１は、第１の実施形態に係る電解槽を備えた電解水生成装置の構成を示すブロック図である。 図２は、第１の実施形態に係る電解水生成装置の電極ユニットを示す分解斜視図である。 図３は、多孔質膜に様々な水圧差を印加したときに多孔質膜を透過する透水量を実測した結果を示す表である。 図４は、横軸に印加水圧差を、縦軸に１ｃｍ２あたり１分あたりに換算した透水量を示すグラフである。 図５は、実施例と比較例における第１隔膜と第２隔膜の種類を示す表である。 図６は、第１隔膜として多孔質膜を用い、陽極室と中間室の水圧を様々に変えて陽極室で生成する電解水の水質を実測した結果を示す図である。 図７は、横軸に陽極室と中間室の水圧差（中間室-陽極室）を、縦軸に有効塩素濃度を示すグラフである。 図８は、横軸に陽極室と中間室の水圧差（中間室-陽極室）を、縦軸にＮａイオン濃度を示すグラフである。 図９は、縦軸に指標を、横軸に水圧差（中間室−陽極室）を示すグラフである。 図１０は、有効塩素濃度、電解槽の寿命、および中間室へのスケール堆積量の比較結果を示す図である。 図１１は、第２の実施形態に係る電解槽を備えた電解水生成装置の構成を示すブロック図である。 図１２は、第３の実施形態に係る電解槽を備えた電解水生成装置の構成を示すブロック図である。

以下、本実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、開示はあくまで一例に過ぎず、当業者において、発明の主旨を保っての適宜変更について容易に想到し得るものについては、当然に本発明の範囲に含有されるものである。また、図面は、説明をより明確にするため、実際の態様に比べて、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。また、本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同一又は類似した機能を発揮する構成要素には同一の参照符号を付し、重複する詳細な説明を適宜省略することがある。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る電解槽を備えた電解水生成装置の構成を示すブロック図である。

始めに、電解水生成装置全体の構成を説明する。図１に示すように、電解水生成装置１０は、いわゆる３室型の電解槽１１を備えている。電解槽１１は、例えば偏平な矩形箱状に形成され、その内部は、中間室１９と、中間室１９の両側に位置する陽極室１６および陰極室１８との３室に仕切られている。電解槽１１は、陽極室１６と中間室１９との間を仕切る第１隔膜２４ａと、陰極室１８と中間室１９との間を仕切る第２隔膜２４ｂと、を備えている。陽極室１６内に陽極２０が設けられ、第１隔膜２４ａに対向している。陰極室１８内に陰極２２が設けられ、第２隔膜２４ｂに対向している。陽極２０および陰極２２は、中間室１９を挟んで、互いに対向している。電解槽１１は、更に、陽極室１６に被電解水を供給する第１流入口１６ａと、陽極室１６から電解水を排水する第１排水口１６ｂと、陰極室１８に被電解水を供給する第２流入口１８ａと、陰極室１８から電解水を排水する第２排水口１８ｂと、中間室１９に電解液を供給する第３流入口１９ａと、中間室１９から電解液を排水する第３排水口１９ｂと、を備えている。

電解水生成装置１０は、電解槽１１の中間室１９に電解液、例えば、飽和食塩水を供給する電解液供給部５０と、陽極室１６および陰極室１８に被電解水、例えば、水道水を供給する原水供給部４０と、陽極２０および陰極２２に電圧を印加する電源ユニット３０と、を備えている。なお、被電解水としては水道水、地下水等が使用できるが、電解中に主として陰極室１８に堆積する炭酸カルシウム等のスケールを防止する観点からは、イオン交換樹脂等から構成される軟水器を通して、アルカリ成分を低減した軟水を用いることが好ましい。

電解液供給部５０は、電解液を生成する塩水タンク５３と、塩水タンク５３から中間室１９の第３流入口１９ａに電解液を導く供給配管５１と、供給配管５１中に設けられた送液ポンプ５４と、中間室１９内を流れた電解液を中間室１９の第３排水口１９ｂから塩水タンク５３に送る排水配管５２と、排水配管５２中に設けられた圧力調整バルブ５５と、を備えている。なお、電解液に溶解している電解質は、例えば塩化ナトリウム（食塩）が用いられるが、特に限定されるものではなく、塩化カリウム等の塩素を含み水に可溶な塩あれば使用することが可能である。また、電解液の濃度は、特に制限されるものではないが、電解の安定性を考慮すると濃度が高い方が好ましく、濃度管理の観点から飽和電解液であることが好ましい。

なお、圧力調整バルブ５５は、第３排水口１９ｂに接続され、電解液に圧力損失を発生させる圧損機構の一例である。圧損機構は、中間室１９に収容された電解液を陽極室１６に収容された被電解水よりも陽圧に維持できさえすれば圧力調整バルブ５５に限定されるものではなく、排水配管５２の形状に起因した流れ抵抗や、塩水タンク５３を高所に配置することによって生じる水頭圧、などであってもよい。ただし、電解液の水圧の高さを調整可能とする観点から、圧損機構は圧力調整バルブ５５を有していることが好ましい。

原水供給部４０は、水を供給する図示しない給水源と、給水源から陽極室１６の第１流入口１６ａおよび陰極室１８の第２流入口１８ａに水を導く給水配管４１と、陽極室１６を流れた電解水を陽極室１６の第１排水口１６ｂから排水する第１排水配管４２と、陰極室１８を流れた電解水を陰極室１８の第２排水口１８ｂから排水する第２排水配管４３と、第２排水配管４３中に設けられた気液分離器４４と、を備えている。

上記のように構成された電解水生成装置により、実際に飽和食塩水を電解して陽極水と陰極水を生成する動作について説明する。図１に示すように、送液ポンプ５４を作動させ、電解槽１１の中間室１９に飽和食塩水を供給するとともに、陽極室１６および陰極室１８に被電解水を給水する。同時に、電源ユニット３０によって、陽極２０へ正電圧が印加され、陰極２２へ負電圧が印加する。

中間室１９へ流入した電解液中において電離しているナトリウムイオンは、陰極２２に引き寄せられ、第２隔膜２４ｂを通過して、陰極室１８へ流入する。そして、陰極室１８において、陰極２２で水が電気分解されて水素ガスを生成する際に発生する水酸イオンと反応し水酸化ナトリウムとなり、水に溶解して水酸化ナトリウム水溶液が生成される。このようにして生成された水酸化ナトリウム水溶液および水素ガスは、第２排水口１８ｂを通って第２排水配管４３に流出し、気液分離器４４により、水酸化ナトリウム水溶液と水素ガスとに分離される。分離されたアルカリ性の陰極水（水酸化ナトリウム水溶液）は、第２排水配管４３を通って排出される。

また、中間室１９内の電解液中において電離している塩素イオンは、陽極２０に引き寄せられ、第１隔膜２４ａを通過して、陽極室１６へ流入する。そして、陽極室１６において、陽極２０で塩素イオンが酸化され塩素ガスが発生する。その後、塩素ガスは陽極室１６内で水と反応して次亜塩素酸と塩酸を生じる。このようにして生成された、酸性で殺菌作用を有する陽極水（次亜塩素酸水および塩酸）は、第１排水口１６ｂを通って第１排水配管４２に流出する。

次に電解槽１１内に設けられた電極ユニット１２について詳細に説明する。
図２は、第１の実施形態に係る電解水生成装置の電極ユニットを示す分解斜視図である。

電極ユニット１２は、前述した陽極２０、陰極２２、第１隔膜２４ａ、および第２隔膜２４ｂを備えている。陽極２０は、例えば、矩形状の金属板からなる基材２１に多数の貫通孔１３を形成した多孔構造を有している。基材２１は、第１表面２１ａおよび、第１表面２１ａとほぼ平行に対向する第２表面２１ｂを有している。第１表面２１ａと第２表面２１ｂとの間隔、すなわち、電極の板厚はＴ１に形成されている。第１表面２１ａは第１隔膜２４ａに対向し、第２表面２１ｂは陽極室１６に対向する。陰極２２は、陽極２０と同様に構成されている。すなわち、陰極２２は、例えば、矩形状の金属板からなる基材２３に多数の貫通孔１５を形成した多孔構造を有している。基材２３は、第１表面２３ａおよび、第１表面２３ａとほぼ平行に対向する第２表面２３ｂを有している。第１表面２３ａは第２隔膜２４ｂに対向し、第２表面２３ｂは陰極室１８に対向する。

貫通孔１３は、陽極２０の全面に亘って多数形成されている。各貫通孔１３は、第１表面２１ａおよび第２表面２１ｂに開口している。貫通孔１３は、例えば第１表面２１ａ側の口径と第２表面２１ｂ側の口径とが同じとなるストレート孔が形成される。ただし、貫通孔１３は、ストレート孔に限定されるものではなく、第１表面２１ａ側の開口径が第２表面２１ｂ側の開口径よりも大きくなるように、テーパー状の壁面、あるいは湾曲した壁面により形成してもよい。貫通孔１３は、矩形状、円形、楕円形等、種々の形状を用いることができる。また、貫通孔１３は、規則的に限らず、ランダムに並んで形成してもよい。なお、貫通孔１５は、貫通孔１３と同様に形成される。

基材２１および基材２３としては、チタン、クロム、アルミニウムやその合金等の弁金属、導電性金属を用いることができる。電解反応の効率向上の観点から、陽極２０および陰極２２の表面に電解触媒（触媒層）を備えることが好ましい。陽極としての機能を向上させるため、陽極２０の電解触媒は、白金等の貴金属触媒や酸化イリジウム等の酸化物触媒を用いることが好ましい。陰極としての機能を向上させるため、陰極２２の電解触媒は、白金を用いることが好ましい。ただし、陰極２２は、電解触媒を備えずに、チタンやステンレス等の耐食性を有する金属を表面に備えていてもよい。

なお、電解触媒は、単位面積当たりの量が陽極２０の両面で異なるように形成してもよい。これにより副反応等を抑制することができる。あるいは、陽極２０の第１隔膜２４ａと反対側の表面（第２表面２１ｂ）を電気絶縁性膜で覆うことにより、副反応を低減することが可能である。陰極２２についても同様である。すなわち、電解触媒は、単位面積当たりの量が陰極２２の両面で異なっていてもよい。また、陰極２２の第２隔膜２４ｂと反対側の表面（第２表面２３ｂ）を電気絶縁性膜で覆っていてもよい。

中間室１９と陰極室１８との間を仕切る第２隔膜２４ｂは、陰極２２の第１表面２３ａに対向および隣接している。第２隔膜２４ｂは、陽イオン交換膜により形成されている。陽イオン交換膜としては、例えば、ＮＡＦＩＯＮ（イー アイ デュポン社：登録商標）１１２、１１５、１１７、フレミオン（旭硝子株式会社：登録商標）、ＡＣＩＰＬＥＸ（旭化成株式会社：登録商標）、ゴアセレクト（ダブリュー．エル．ゴア アンド アソシエーツ社：登録商標）、等を用いることができる。

中間室１９と陽極室１６との間を仕切る第１隔膜２４ａは、陽極２０の第１表面２１ａに対向および隣接している。第１隔膜２４ａは、透水性を有する連続的な多孔質膜２４により形成されている。多孔質膜２４としては、化学的に安定な無機酸化物を含有する連続的な無機酸化物多孔質膜を用いることができる。無機酸化物としては種々のものを用いることができる。例えば、酸化チタン、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化ニッケルを用いることができる。特に、多孔質膜２４は、酸化チタン、酸化ケイ素、および酸化アルミニウムの中から選ばれた少なくとも１つの無機材料を含む材料で形成されることが好ましい。その他多孔質膜としては、無機酸化物の他に、塩素系やフッ素系のハロゲン化高分子を有する多孔質ポリマー等を用いることもできる。

多孔質膜２４の孔径は、陽極２０側の開口径と陰極２２側の開口径とが異なっていてもよい。孔の陰極２２側の開口径を陽極２０側の開口径より大きくすることにより、イオンの移動をより容易にすることができる。更に、多孔質膜２４の孔は、面内および立体的に不規則な孔を有することができる。多孔質膜２４は、孔径の異なる複数の多孔質膜の積層膜を用いてもよい。この場合、陰極２２側に位置する多孔質膜の孔径を、陽極２０側に位置する多孔質膜の孔径よりも大きくすることにより、イオンの移動をより容易にすることができる。

本実施形態において、多孔質膜２４は、孔径が１０〜２００ｎｍであり、例えば、膜両面に２０ＫＰａの差圧を印加した際の単位面積当たりの透水量が０．００２４〜０．６ｍＬ／ｍｉｎ／ｃｍ２となる透水性を有している。また、多孔質膜２４を挟んだ陽極室１６の水圧と中間室１９の水圧の差圧は、±２０ｋＰａ以内になるよう調整されている。本実施形態では、透水性のある多孔質膜２４を特定の水圧差で用いることで、イオン交換膜を用いる場合よりも特性が良好で、かつ余分な電解質を含まない電解水を生成できることを見出した。

図３は、この多孔質膜２４の５ｃｍ×５ｃｍ面積に様々な水圧差を印加したときに多孔質膜２４を透過する透水量を実測した結果を示す表である。例えば、５ｃｍ×５ｃｍの多孔質膜２４に０．０３３ＭＰａの水圧を２０分間にわたり掛けたときに透水した透水量は８６ｍＬであったことなどを示している。また、図４は、横軸に印加水圧差を、縦軸に１ｃｍ２当たり１分あたりに換算した透水量を示すグラフである。

図３および図４に示すように、多孔質膜２４の透水量は、単純に圧力に比例して増加し、透水率は６ｍＬ／分／ｃｍ２／ＭＰａである。これは、圧力差２０ｋＰａ印加時の透水量にすると、０．１２ｍＬ／分／ｃｍ２に相当する。

次に、実施例１、比較例１乃至３による水質評価について説明する。図５は、実施例と比較例における第１隔膜と第２隔膜の種類を示す表である。実施例１は、第１の実施形態に係る電解槽を備えた電解水生成装置である。比較例１乃至３は、第１隔膜２４ａまたは第２隔膜２４ｂの種類において、実施例１と相違している。

＜実施例１＞
図１に示した電解水生成装置１０において、第１隔膜２４ａとして多孔質膜（ユアサメンブレンシステム製 Ｙ-９２１１Ｔ）を用い、第２隔膜２４ｂとして陽イオン交換膜（デュポン製 ナフィオンＮ１１７（登録商標））を用いて、中間室１９に飽和食塩水を循環させながら、陽極２０および陰極２２に９Ａの電流を流して電解を行った。このときの陽極水の水質を測定し、その測定結果を図６にまとめた。

＜比較例１＞
図１に示した電解水生成装置１０において、第１隔膜２４ａとして陰イオン交換膜（株式会社アトムス製 ＡＨＡ）を用いた以外は実施例１と同じ電解槽を用いて、実施例１と同様に電解を行った。

＜比較例２＞
図１に示した電解水生成装置１０において、第２隔膜２４ｂとして多孔質膜（ユアサメンブレンシステム製 Ｙ-９２１１Ｔ）を用いた以外は実施例１と同じ電解槽を用いて、実施例１と同様に電解を行った。

＜比較例３＞
図１に示した電解水生成装置１０において、第１隔膜２４ａとして陰イオン交換膜（株式会社アトムス製 ＡＨＡ）、第２隔膜２４ｂとして多孔質膜（ユアサメンブレンシステム製 Ｙ-９２１１Ｔ）、を用いた以外は実施例１と同じ電解槽を用いて、実施例１と同様に電解を行った。

＜評価結果＞
図６は、実施例１の電解水生成装置１０において、陽極室１６と中間室１９の水圧を様々に変えて陽極室１６で生成する電解水の水質を実測した結果を示す図である。なお、陽極室１６内の水圧は、例えば給水配管４１に調整弁を設けて第１流入口１６ａから供給される被電解水の水圧を変化させることで、調整することができる。また、中間室１９内の水圧は、送液ポンプ５４の出力制御および圧力調整バルブ５５による流量制御により調整することができる。通電を行うと陽極２０では多孔質膜２４を通過した塩素イオンが電気化学的に酸化されて塩素ガスを生成し、次いで生成した塩素ガスが水と反応して次亜塩素酸を生成、それが原水に溶解して次亜塩素酸水として排出される。水質としては、生成効率の指標となる次亜塩素酸の有効塩素濃度と、透水性のある多孔質膜で懸念される電解水中の塩分濃度（具体的にはＮａイオン濃度）を測定した。

図７は、横軸に陽極室と中間室の水圧差を、縦軸に有効塩素濃度を示すグラフである。図８は、横軸に陽極室と中間室の水圧差を、縦軸にＮａイオン濃度を示すグラフである。図７および図８中の点は、図６に示した実施例１における測定結果に基づいてプロットしたものである。なお、水圧差は、中間室１９の入口（第３流入口１９ａ）および出口（第３排水口１９ｂ）の水圧平均値から、陽極室１６の入口（第１流入口１６ａ）および出口（第１排水口１６ｂ）の水圧平均値を差し引いたものである。

比較例１の構成における有効塩素濃度は、５０ｐｐｍ程度であった。図７に示すように、実施例１の構成においては、中間室１９の水圧を陽極室１６の水圧に対して−６ｋＰａよりも高く保持することで、比較例１の構成よりも高い有効塩素濃度を得ることができることが確認できた。これは、比較例１の構成において第１隔膜２４ａ（陰イオン交換膜）を透過する塩素イオン量よりも、実施例１の構成において多孔質膜２４と水圧条件とをバランスさせた場合に第１隔膜２４ａを透過する塩素イオン量の方が多くなり、結果、陽極２０近傍の塩素イオン濃度が高まることで、競合反応である酸素生成反応が抑制されて塩素生成反応が増加したものと考察される。すなわち、透水性のある多孔質膜２４を第１隔膜２４ａとして用いることにより、同じ通電電気量でより多くの有効塩素を生成することが可能となり、塩素の生成効率が比較例１の構成より改善したことが分かる。

なお、多孔質膜２４はイオン選択性がないため、塩素イオンのみならず余分なＮａイオンも透過することが可能であり、陽極室１６で生成する電解水に塩分が混入する懸念がある。図８に示すように、実施例１において、中間室１９の水圧が陽極室１６の水圧に対して＋６ｋＰａよりも低ければ、Ｎａイオン濃度が１５０ｐｐｍを下回ることが確認された。塩分の許容量として水道水基準を参照すると、３００ｐｐｍとされており、１５０ｐｐｍ以下のＮａ濃度であれば水道水レベルであるといえる。

陽極室１６中での塩素生成効率と塩分混入量は二律相反する関係にある。すなわち、陰イオン交換膜のようなイオン選択透過性を持たない多孔質膜２４においては、中間室１９からの塩素イオン透過量が多ければ生成効率は向上するが、同時にＮａイオンも透過するため塩分混入量が増大してしまう関係にあった。ところが、この関係は完全に相反するものではなく、上述したように限られた水圧条件範囲では塩素生成効率向上と塩分混入量低減が両立する範囲があることを見出した。

図６に示す表の最下欄に指標を設定している。これは、二律相反する塩素生成効率と塩分混入量の総合的な良し悪しを示したもので、（１）有効塩素濃度と、（２）３００ｐｐｍよりＮａイオン濃度を差し引いた値と、を掛けあわせたものである。すなわち、この指標の値が高いほど塩素生成効率が高く、かつ、塩分混入量が低いことを示している。

図９は、縦軸に上記指標を、横軸に水圧差（中間室−陽極室）を示すグラフである。水圧差を零とすることで指標が極大値となることを見出した。すなわち、第１隔膜２４ａとして透水性のある多孔質膜２４を用いて中間室１９と陽極室１６との水圧差を零とすることで、従来構成では達成できない優れた電解装置を実現することができる。

実用的には、多孔質膜２４として孔径１０〜２００ｎｍ、透水率０．６〜１２ｍＬ／分／ｃｍ２／ＭＰａ（１ｃｍ当たり２０ｋＰａ水圧差において透水量０．０１２〜０．２４ｍＬ／分）を用い、中間室と陽極室の水圧差として±６ｋＰａの範囲に設定することで実施形態の機能を発揮することができる。すなわち、電解中の多孔質膜２４両面に印加される水圧の差圧は、±６ｋＰａ以内であることが好ましい。なお、図７に示すように水圧差（中間室１９−陽極室１６）が大きいほど有効塩素濃度は高くなるため、電解中の多孔質膜２４両面に印加される水圧は、中間室１９側が陽圧であることがより好ましい。

次に、実施例１および比較例１乃至３を同一条件で連続運転した場合の、有効塩素濃度、電解槽１１の寿命、中間室１９へのスケール堆積量の少なさ、についての比較を行った。図１０は、有効塩素濃度、電解槽の寿命、および中間室へのスケール堆積量の少なさの比較結果を示す図である。なお、比較例１を基準とし、比較例１と同水準の場合には△、比較例１より劣っている場合には×、比較例１より優れている場合には○とした。

（１）有効塩素濃度
有効塩素濃度の高さにおいて、実施例１は比較例２より高濃度であり、比較例２は比較例１よりも高濃度であり、比較例３は比較例１と同程度である。第１隔膜２４ａとして多孔質膜２４を用いた場合、有効塩素濃度が第１隔膜２４ａとして陰イオン交換膜を用いた場合より改善されることは上述の通りである。実施例１と比較例２との比較結果から、有効塩素濃度は、さらに第２隔膜２４ｂの影響も受けているものと考えられる。つまり、比較例２のように第２隔膜２４ｂとして多孔質膜を用いると陰極室１８へＮａイオンとともに塩素イオンも流出可能であるが、実施例１のように第２隔膜２４ｂとして陽イオン交換膜を用いると、塩素イオンは陽イオン交換膜を通過できないため、Ｎａイオンとプロトン（水素イオン）のみが陽イオン交換膜を通過する。このため、中間室１９の塩素濃度が比較例２に比べ実施例１では高濃度となり、結果として陽極室１６へ移動する塩素イオン濃度が高くなり、陽極２０で酸化される塩素イオン量が増加して有効塩素濃度が増大したものと推察される。

（２）電解槽の寿命
電解槽１１の寿命において、実施例１と比較例２とは同水準であり、比較例１は実施例１より短寿命であり、比較例１と３とは同水準であった。電解槽１１の寿命は、塩素や次亜塩素酸による陰イオン交換膜の劣化に起因するものである。このため、第１隔膜２４ａとして多孔質膜を用いた実施例１および比較例２において、第１隔膜２４ａとして陰イオン交換膜を用いた比較例１および３に比べて、電解槽１１が明確に長寿命化していることが確認された。

（３）中間室へのスケール堆積量
中間室１９へのスケール堆積量において、実施例１と比較例１とは同水準であり、比較例２と比較例３とは同水準であった。なお、実施例１および比較例１における中間室へのスケール堆積量は比較例２および３におけるスケール堆積量より少なかった。これは、陽イオン交換膜を第２隔膜２４ｂとして使用した実施例１および比較例１では、陰極室１８で生成した水酸化ナトリウム水溶液や、陰極室１８の被電解水に含まれるカルシウム等の中間室１９への流入が陽イオン交換膜で妨げられるため、中間室へのスケール堆積が確認されなかったものと考えられる。それに対し、多孔質膜を第２隔膜２４ｂとして使用した比較例２および比較例３では、多孔質膜を通じて、陰極室１８で生成した水酸化ナトリウム水溶液や、陰極室１８の被電解水に含まれるカルシウム等が中間室１９へ流入することが可能である。このため、中間室１９の塩水液性がアルカリ性になり、その結果として、スケールが堆積したものと推察している。

次に、第２および第３の実施形態について説明する。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。なお、第２および第３の実施形態において、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

（第２の実施形態）
図１１は、第２の実施形態に係る電解槽を備えた電解水生成装置の構成を示すブロック図である。第２の実施形態は、第３排水口１９ｂに接続された圧力調整バルブを備えていない点で、第１の実施形態と相違している。電解水生成装置１０は、圧力調整バルブを備えていなくても、送液ポンプ５４の送液量の調整で中間室１９の塩水圧を調整することが可能である。第２の実施形態においては、圧力調整バルブを省略することにより、装置構成の簡略化を図ることができる。

なお、電解中の多孔質膜２４両面に印加される水圧の差圧には許容範囲があるため電解水の生成には支障はないが、最適運転を継続するためには圧力調整バルブのような圧力調整機構を装着することが好ましい。

（第３の実施形態）
図１２は、第３の実施形態に係る電解槽を備えた電解水生成装置の構成を示すブロック図である。第３の実施形態は、原水供給部４０および電解液供給部５０を備えておらず、電解中に陽極室１６内の被電解水および陰極室１８内の被電解水が静水状態である点で相違している。なお、ここでいう静水状態とは、陽極室１６および陰極室１８において、第１隔膜２４ａおよび第２隔膜２４ｂを通さない水の出入りがない状態のことである。また、図１２の説明において、下方とは電解中に被電解水の水底が位置する側であり、上方とは電解中に被電解水の水面が位置する側である。

電解槽１１は、有底の第１電解槽６１と、有底の第２電解槽６２と、を備えている。第１電解槽６１は、中間室１９、陰極室１８、第１隔膜２４ａ、および第２隔膜２４ｂを備えている。有底形状の中間室１９および陰極室１８は、陽イオン交換膜により形成された第２隔膜２４ｂを介して結合され、それぞれの上部には電解液又は被電解水の注入と電解水の排水を行うための注排水口が備えられている。また、中間室１９の外周面には、多孔質膜２４からなる第１隔膜２４ａが装着されている。第１電解槽６１は、第２電解槽６２の内部に着脱可能に配置される。第２電解槽６２は、第１電解槽６１によって占有されていない領域が陽極室１６として機能し、その上部には注排水口が備えられている。

中間室１９中において、例えば、電解中に第１隔膜２４ａおよび第２隔膜２４ｂが液面６３の下方に位置するように電解液が注がれている。陰極室１８において、例えば、電解中に第２隔膜２４ｂおよび陰極２２が液面６４の下方に位置するように被電解水が注がれている。陽極室１６において、例えば、電解中に第１隔膜２４ａおよび陽極２０が液面６５の下方に位置するように被電解水が注がれている。電解中の液面６４は、例えば液面６３より高さＬ１だけ下方に位置していることが好ましい。電解中の液面６５は例えば液面６３より高さＬ２だけ下方に位置していることが好ましい。なお、高さＬ１とＬ２とは、同等であってもよい。Ｌ１がゼロ、すなわち液面６３と液面６４が同レベルであってもよい。このように、電解槽１１は、液面６３乃至６５の高さの差によって、第１隔膜２４ａ両面に印加される水圧の差圧、および第２隔膜２４ｂ両面に印加される水圧の差圧を制御することができる。すなわち、多孔質膜２４に中間室１９側から印加される水圧を陽極室１６側から印加される水圧よりも陽圧とすることができる。

第３の実施形態に係る電解槽１１を備えた電解水生成装置１０は、中間室１９および陰極室１８の容積と中間室１９へ注入する電解液濃度を適正化することで、中間室１９の電解液および陰極室１８の被電解水を交換することなく複数回の電解を行うことが可能である。すなわち、第３の実施形態によれば、取扱いが簡便な電解水生成装置１０を提供することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、隔膜の劣化を抑制し長寿命の電解槽を提供することができる。

なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

Claims (10)

1. 陽極が設けられた陽極室と、
   陰極が設けられた陰極室と、
   前記陽極室と前記陰極室の間に位置し電解液を収容する中間室と、
   透水性を有する多孔質膜により形成され前記陽極室と前記中間室との間を仕切る第１隔膜と、
   陽イオン交換膜により形成され前記陰極室と前記中間室との間を仕切る第２隔膜と、 を備えた３室型の電解槽。
2. 前記陽極室に被電解水を供給する第１流入口と、
   前記陽極室から電解水を排水する第１排水口と、
   前記陰極室に被電解水を供給する第２流入口と、
   前記陰極室から電解水を排水する第２排水口と、
   前記中間室へ前記電解液を供給する第３流入口と、
   前記中間室から前記電解液を排水する第３排水口と、
   前記第３排水口に接続され、前記電解液に圧力損失を発生させる圧損機構と、を備えた請求項１に記載の電解槽。
3. 前記圧損機構は、圧力調整バルブを有する請求項２に記載の電解槽。
4. 電解中に前記陽極室内の被電解水および前記陰極室内の被電解水が静水状態となる、請求項１に記載の電解槽。
5. 前記陽極室および前記陰極室は、被電解水の供給および電解水の排水を行う注排水口を上部に備えている、請求項1乃至４のいずれか１項に記載の電解槽。
6. 前記多孔質膜は、前記多孔質膜の膜両面に２０ｋＰａの差圧を印加した際の透水量が、０．００２４〜０．６ｍＬ／ｍｉｎ／ｃｍ２となる透水性を有する請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電解槽。
7. 電解中の前記多孔質膜両面に印加される水圧の差圧は、±６ｋＰａ以内である、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の電解槽。
8. 電解中の前記多孔質膜両面に印加される水圧は、前記中間室側が陽圧である、請求項７に記載の電解槽。
9. 前記多孔質膜は、酸化チタン、酸化ケイ素、および酸化アルミニウムの中から選ばれた少なくとも１つの無機酸化物を含む材料で形成される、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の電解槽。
10. 陽極が設けられた陽極室と、陰極が設けられた陰極室と、前記陽極室と前記陰極室の間に位置し電解液を収容する中間室と、透水性を有する多孔質膜からなり前記陽極室と前記中間室との間を仕切る第１隔膜と、陽イオン交換膜からなり前記陰極室と前記中間室との間を仕切る第２隔膜と、を備えた３室型の電解槽を用いて電解水を生成する電解水生成方法であって、
    前記中間室に塩素イオンを含む電解液を供給し、
    前記陽極室および前記陰極室に被電解水を供給し、
    前記多孔質膜に前記中間室側から印加される水圧を前記陽極室側から印加される水圧よりも陽圧とした状態で、前記陽極および前記陰極に電圧を印加して電解する電解水生成方法。

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