WO2012070468A1 - 海水電解システム及び海水電解方法 - Google Patents

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cathode
electrolytic cell
electrode
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水谷　洋
宏幸 高波
達也 松村
中村　謙治
卓 池
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三菱重工環境・化学エンジニアリング株式会社
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    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Definitions

  • the present invention relates to a seawater electrolysis system including a seawater electrolysis apparatus that generates hypochlorous acid by electrolyzing seawater, and a seawater electrolysis method.
  • this seawater electrolysis apparatus has a structure in which an anode and a cathode as electrodes are arranged in a casing-shaped electrolytic cell body, and seawater is circulated in the electrolytic cell body. Since chloride ions and hydroxide ions exist in sea water, when current is passed between the anode and the cathode, chlorine is generated at the anode and sodium hydroxide is generated at the cathode. And hypochlorous acid which has the adhesion suppression effect of a marine organism is produced
  • a titanium substrate is coated with a composite metal mainly composed of platinum, that is, a platinum-based coating material.
  • a composite metal mainly composed of iridium oxide that is, an iridium oxide-based coating material
  • an electrolysis anode for an electrolysis anode.
  • a seawater electrolyzer that uses concentrated water having a high salt concentration discharged from a seawater concentrator such as a seawater desalination apparatus as treated water. This seawater electrolyzer reduces the power consumption by increasing the concentration of hypochlorous acid in the electrolyzed water produced by electrolyzing the concentrated water, improving the efficiency and miniaturization of the seawater electrolyzer (For example, see Patent Document 4).
  • the electrode wears out quickly due to the influence of oxygen generated near the anode during electrolysis and scale (calcium, magnesium, etc.) generated near the cathode. End up. Therefore, it is necessary to frequently perform electrode cleaning and electrode replacement, resulting in a high maintenance cost. Further, it is considered that the higher the current density on the electrode surface, the higher the chlorine generation efficiency. This tendency also appears when hypochlorous acid is generated by introducing seawater concentrated water into a seawater electrolyzer. However, as the current density increases, the amount of oxygen generated in the vicinity of the anode and the amount of scale generated in the vicinity of the cathode also increase.
  • the current density on the electrode surface cannot be increased.
  • the present invention has been made in view of such a problem, and is capable of improving the durability of the electrode and suppressing a decrease in chlorine generation efficiency, a seawater electrolysis device, a seawater electrolysis system, and It aims at providing the seawater electrolysis method.
  • the inventors have conducted intensive research on the electrodes of the seawater electrolysis apparatus.
  • the anode coated with the iridium oxide-based coating material is 15A, contrary to the technical common sense of conventional electrodes coated with the platinum-based coating material. It was found that applying a current density exceeding / dm 2 is effective in improving the durability of the electrode and suppressing the decrease in chlorine generation efficiency.
  • the seawater electrolysis apparatus includes an anode made of titanium coated with a coating material containing iridium oxide, an electrode containing a cathode, an electrolytic cell body containing the anode and the cathode, the anode, A power supply device is provided between the cathodes to energize so that the current density on the surfaces of both electrodes is 20 A / dm 2 or more.
  • seawater electrolysis method seawater is circulated in the electrolytic cell main body, and current is passed between the anode and the cathode so that the current density of both electrode surfaces is 20 A / dm 2 or more.
  • the seawater inside is electrolyzed.
  • the amount of hydrogen gas generated at the cathode accompanying the electrolysis is smaller than in the conventional case. Increase. Since this large amount of hydrogen gas produces an electrode cleaning effect, it is possible to prevent the manganese scale from adhering to the anode and the scales such as calcium and magnesium from adhering to the cathode. Further, although the amount of oxygen generated in the vicinity of the anode increases, iridium oxide has sufficient durability against oxygen, so that the electrode can be prevented from being consumed by the oxygen.
  • the current density of the anode and the cathode surface energized by the power supply device may be included in a range of 20 A / dm 2 or more and 40 A / dm 2 or less. Preferably, it may be included in the range of 20 A / dm 2 or more and 30 A / dm 2 or less.
  • the current density is too large, for example, when it exceeds 40 A / dm 2 , the amount of scale generation at the anode and the cathode exceeds the effective range of the hydrogen cleaning effect.
  • the upper limit value of the current density is 40 A / dm 2 , preferably 30 A / dm 2 , so that the cleaning effect can be effectively expressed by hydrogen, and the scale adheres to the anode and the cathode. Can be effectively prevented.
  • the seawater electrolysis apparatus comprises a plurality of the electrolytic cell bodies, a connection pipe connecting the seawater outlet and the inlet between the electrolytic cell bodies, and a gas venting means for removing gas in the connection pipe. And may further be provided.
  • the gas venting means provided in the connecting pipe by removing especially hydrogen gas by the gas venting means provided in the connecting pipe, the inside of the electrolytic cell can be suppressed to a predetermined liquid gas ratio or less, and a decrease in efficiency can be prevented.
  • the seawater electrolysis system includes the above-described seawater electrolysis apparatus according to the present invention and concentration means for increasing the concentration of chloride ions contained in seawater to be introduced into the electrolytic cell main body.
  • concentration means for increasing the concentration of chloride ions contained in seawater to be introduced into the electrolytic cell main body In the seawater electrolysis method according to the present invention, the concentration of chloride ions contained in the seawater to be electrolyzed is increased, and the seawater having an increased chloride ion concentration is circulated in the electrolytic cell main body, between the anode and the cathode. Is energized to electrolyze seawater in the electrolytic cell body.
  • concentrated water having an increased chloride ion concentration and electrical conductivity is introduced into a seawater electrolyzer. Furthermore, since iridium oxide is contained in the coating material of the anode, the current density on the electrode surface can be set high, and the concentration of hypochlorous acid contained in the generated electrolytically treated water can be increased. That is, by increasing the amount of hypochlorous acid generated per unit area of the electrode, the electrode area can be reduced and the apparatus can be downsized.
  • the current density of the anode and the cathode surface energized by the power supply device may be included in a range of 20 A / dm 2 or more and 60 A / dm 2 or less. Preferably, it may be included in the range of 20 A / dm 2 or more and 50 A / dm 2 or less.
  • the current density is too large, for example, when it exceeds 60 A / dm 2 , the amount of scale generated at the anode and the cathode exceeds the effective range of the hydrogen cleaning effect.
  • the upper limit value of the current density is 60 A / dm 2 , preferably 50 A / dm 2 , so that the cleaning effect can be effectively expressed by hydrogen, and the scale adheres to the anode and the cathode. Can be effectively prevented.
  • the seawater electrolysis system according to the present invention may further include hydrogen separation means for separating hydrogen gas generated at the cathode from the seawater after the electrolysis.
  • hydrogen separation means for separating hydrogen gas generated at the cathode from the seawater after the electrolysis.
  • a tantalum oxide may be added to the coating material.
  • the electrode includes a plurality of bipolar electrode plates in which a portion on one side in the circulation direction of the seawater serves as the anode and a portion on the other side serves as the cathode.
  • a plurality of electrode groups in which electrode plates are arranged at intervals in the flow direction are arranged so as to be parallel to each other, and the bipolar electrode plates of the electrode groups adjacent to each other are parallel to the anode. You may arrange
  • the apparatus itself can be miniaturized by collectively arranging the bipolar electrode plates having the anode and the cathode. Moreover, since each bipolar electrode plate is arrange
  • an interval between the bipolar electrode plates adjacent to each other in the flow direction in each of the electrode groups may be eight times or more of an interval between the electrode groups adjacent to each other in parallel. .
  • a current flowing between the two bipolar electrode plates that is, a stray current having a small contribution to electrolysis is generated.
  • This stray current becomes more prominent as the current density on the electrode surface increases.
  • by optimizing the interval between the two bipolar electrode plates adjacent to each other in the flow direction as described above generation of the stray current can be suppressed and deterioration of seawater electrolysis efficiency can be prevented.
  • the seawater electrolysis apparatus includes a circulation channel that mixes the electrolyzed seawater flowing out from the outlet of the electrolytic cell main body with the seawater before flowing in from the inlet of the electrolytic cell main body. May be. As the current density is increased, there is a concern that the scale adheres to the electrode surface. However, since the electrolyzed seawater is mixed with the seawater before electrolysis through the circulation channel, the seed crystal effect due to the scale components contained in the seawater that has passed through the electrolyzer of the seawater electrolysis apparatus can be obtained. Scale adhesion to the surface can be prevented.
  • the present invention it is possible to prevent the scale from adhering to the electrode, thereby improving the durability of the electrode and suppressing the decrease in the chlorine generation efficiency.
  • the seawater electrolysis system 100A of the first embodiment is a system that takes seawater from a water intake channel 1 through which seawater circulates, electrolyzes seawater with a seawater electrolyzer 10 and then injects the treated seawater into the water channel 1.
  • the seawater electrolysis system 100 ⁇ / b> A includes a seawater electrolysis apparatus 10, a storage tank 50, a water intake unit 60, and a water injection unit 70.
  • the storage tank 50 stores seawater W electrolyzed by the seawater electrolysis apparatus 10.
  • the intake section 60 introduces seawater W from the intake water channel 1 into the seawater electrolysis apparatus 10.
  • the water injection unit 70 injects the seawater W from the storage tank 50 into the water channel 1.
  • the seawater electrolysis apparatus 10 includes an electrolytic cell main body 20, an electrode support box 26, terminal plates 28 and 29, and a plurality of electrodes 30.
  • the electrolytic cell main body 20 includes a substantially cylindrical outer cylinder 21 that opens at both ends, and an upstream lid portion 22 that closes the opening on the one end side is provided at one end of the outer cylinder 21. Further, a downstream lid portion 24 that closes the opening on the other end side is provided at the other end of the outer cylinder 21.
  • the electrolytic cell main body 20 has a predetermined pressure resistance strength secured by the outer cylinder 21, the upstream lid portion 22, and the downstream lid portion 24.
  • the upstream lid portion 22 is formed with an inflow port 23 communicating with the inside and outside of the electrolytic cell main body 20, and the downstream lid portion 24 is formed with an outlet port 25 communicating with the inside and outside of the electrolytic cell body 20.
  • seawater W is introduced from the inlet 23 of the upstream lid portion 22, and the seawater W flows through the outer cylinder 21 in one direction from the inlet 23 to the outlet 25. Then, it flows out of the electrolytic cell main body 20 from the outlet 25.
  • the inlet 23 side in the electrolytic cell main body 20 is referred to as an upstream side
  • the outlet 25 side is referred to as a downstream side.
  • the electrode support box 26 is a cylindrical member made of an electrical insulating material such as plastic, for example, and is housed in the electrolytic cell main body 20 so as to extend in the flow direction of the seawater W.
  • the electrode support box 26 is fixed to the upstream lid portion 22 and the downstream lid portion 24 via a plurality of fixing members 27.
  • a plurality of support bars 26 a for supporting the electrodes 30 are provided inside the electrode support box 26.
  • the terminal plates 28 and 29 have a role of supplying a current from the outside of the electrolytic cell body 20 to the electrode 30 supported in the electrode support box 26, and a pair is provided at both ends of the electrode support box 26. Has been placed.
  • the electrode 30 has a plate shape, and a plurality of electrodes 30 are fixedly supported on the support bar 26a of the electrode support box 26 in an arrayed state.
  • three types of electrodes 30, a bipolar electrode plate 31, an anode plate 32, and a cathode plate 33 are used as the electrode 30.
  • the bipolar electrode plate 31 has a structure in which a titanium substrate as an electrode substrate is divided into two parts, one of which is an anode A and the other is a cathode K. That is, the bipolar electrode plate 31 has a half region at one end side as an anode A whose surface is coated with a coating material containing iridium oxide (iridium oxide-based coating material), and a half region at the other end side. Is a cathode K whose surface is not coated with the above-mentioned iridium oxide-based coating material.
  • the anode plate 32 has a structure in which the entire surface of the titanium substrate is coated with an iridium oxide-based coating material, and the entire anode plate 32 functions as the anode A during electrolysis.
  • the cathode plate 33 an uncoated titanium substrate is employed, and the entire cathode plate 33 functions as a cathode K during electrolysis.
  • the iridium oxide content is set to 50% or more by mass ratio, preferably 60% to 70%. Thereby, the coating effect by iridium oxide can be acquired favorably. Moreover, it is preferable that tantalum is added to the iridium oxide-based coating material. Furthermore, it is preferable that this iridium oxide-based coating material does not contain platinum.
  • the bipolar electrode plate 31, the anode plate 32, and the cathode plate 33 are each fixedly supported by a support bar 26a in the electrode support box 26.
  • the bipolar electrode plate 31 of the electrodes 30 has the anode A facing the liquid inlet side and the cathode K facing the liquid outlet side, and the extending direction of the seawater W is distributed.
  • a plurality are arranged along the direction.
  • these bipolar electrode plates 31 constitute an electrode group M by being arranged in series at intervals in the flow direction.
  • a plurality of such electrode groups M are provided at intervals so as to be parallel to each other, that is, a plurality is provided in parallel with each other.
  • the electrode groups M adjacent in parallel to each other are arranged in a state of being relatively shifted by a half pitch of the bipolar electrode plate 31 in the flow direction.
  • the anode A and the cathode K face each other.
  • the interval d1 between the bipolar electrode plates 31 adjacent in the flow direction in each electrode group M is the interval between the electrode groups M adjacent in parallel to each other, that is,
  • the distance d2 between the two bipolar electrode plates 31 adjacent to each other in parallel is preferably set to 8 times or more.
  • a plurality of anode plates 32 are arranged in parallel with each other along the flow direction of the seawater W, and on the upstream side of the bipolar electrode plate 31, a plurality of cathode plates 33. Are arranged in parallel with each other along the distribution direction of the seawater W.
  • the anode plate 32 is connected at its downstream end to a terminal plate 29 on the downstream side of the pair of terminal plates 28 and 29, and the upstream end of these anode plates 32 is respectively connected to the two electrodes. It faces the cathode K of the electrode plate 31 in a direction orthogonal to the flow direction.
  • the upstream end of the anode plate 32 and the cathode K of the bipolar electrode plate 31 are alternately arranged so as to overlap each other when viewed from the direction orthogonal to the flow direction.
  • the cathode plate 33 has an upstream end connected to the terminal plate 28 on the upstream side of the pair of terminal plates 28 and 29, and the downstream end of each of the cathode plates 33 is the above-described one. It faces the anode A of the bipolar electrode plate 31 in a direction orthogonal to the flow direction. That is, the downstream end of the cathode plate 33 and the anode A of the bipolar electrode plate 31 are alternately arranged so as to overlap each other when viewed from the direction orthogonal to the flow direction.
  • the power supply device 40 is a device that supplies a current for electrolysis of the seawater W, and includes a DC power supply 41 and a constant current control circuit 42.
  • the DC power supply 41 is a power supply that outputs DC power.
  • the AC power output from the AC power supply may be rectified and output to DC.
  • the constant current control circuit 42 is a circuit that outputs DC power supplied from the DC power supply 41 as a constant current, and can output a predetermined constant current to the current energizing section regardless of a change in electric resistance in the current energizing section. It is said that. That is, when the DC power is input from the DC power source 41, the constant current control circuit 42 controls the voltage value of the DC power within the range of the fluctuation width ⁇ V as shown in FIG. A desired current value on the control curve is output as a constant current.
  • the anode A is connected to the downstream terminal plate 29 and the cathode K is connected to the upstream terminal plate 28 via a pair of lead wires 43 and 44. Thereby, the constant current generated in the constant current control circuit 42 is energized to the electrode 30 through the terminal plates 28 and 29.
  • the current density on the surface of the electrode 30 is set so as to be in a range of 20 A / dm 2 to 40 A / dm 2 , preferably 20 A / dm 2 to 30 A / dm 2.
  • the current control circuit 42 generates a constant current. That is, by generating a constant current according to the surface area of the electrode 30 in the electrolytic cell body 20 and supplying the constant current to the electrode 30, the current density on the surface of the electrode 30 is set to 20 A / dm 2 to 40 A / dm. 2 , preferably 20 A / dm 2 to 30 A / dm 2 .
  • the amount of oxygen and scale that increase electrode consumption increases as the current density increases.
  • the maximum value of the current density is set to about 15 A / dm 2 .
  • the electrolysis is performed in the range of 20 A / dm 2 to 40 A / dm 2 , preferably 20 A / dm 2 to 30 A / dm 2 , where the current density is higher than the conventional one.
  • the storage tank 50 is a tank in which seawater W flowing out from the outlet 25 of the electrolytic cell main body 20 in the seawater electrolysis apparatus 10 is temporarily stored, and is an intermediate flow connected to the outlet 25 of the electrolytic cell main body 20. Seawater W is introduced into the inside via the path 51.
  • the water intake unit 60 includes a water intake passage 61, a first pump 62, a first flow meter 64, and a first opening / closing control valve 63.
  • the intake flow channel 61 is a flow channel having one end connected to the intake water channel 1 and the other end connected to the inlet 23 of the electrolytic cell main body 20 in the seawater electrolysis apparatus 10.
  • the first pump 62 is provided in the middle of the intake channel 61. The first pump 62 pumps up the seawater W in the intake water channel 1 with a constant output, so that the seawater W is supplied to the inlet 23. be introduced.
  • the first flow meter 64 is provided on the downstream side of the intake channel 61 and detects the flow rate Q 1 of the seawater W passing through the intake channel 61.
  • the first open / close control valve 63 is a valve provided on the upstream side of the first flow meter 64 in the intake flow passage 61, and opens and closes based on the flow rate Q 1 of the seawater W detected by the first flow meter 64. Be controlled. Accordingly, the flow rate of the seawater W flowing through the electrolytic cell main body 20 is adjusted by adjusting the flow rate of the seawater W flowing through the intake channel according to the area ratio of the seawater distribution region of the water intake flow path 61 and the electrolytic cell main body 20. It can be adjusted arbitrarily.
  • the first opening / closing control valve 63 is preferably controlled so that the flow rate of the seawater W flowing through the electrolytic cell main body 20 is at least 0.7 m / s. Note that not only the flow rate of the seawater W in the electrolytic cell main body 20 is adjusted by opening / closing control of the first open / close control valve 63, but also the seawater in the electrolytic cell main body 20 is controlled by controlling the output of the first pump 62, for example. The flow rate of W may be adjusted.
  • the water injection unit 70 includes a water injection channel 71, a second pump 72, a second opening / closing control valve 73, and a second flow meter 74.
  • the water injection channel 71 is a channel having one end connected to the storage tank 50 and the other end connected to the intake water channel 1.
  • the second pump 72 is provided in the middle of the water injection channel 71, and when the second pump 72 feeds the seawater W in the storage tank 50 with a constant output, the seawater W enters the intake water channel 1. be introduced.
  • the second flow meter 74 is provided on the downstream side of the flow path in the water injection passage 71, for detecting the flow rate Q 2 of the seawater W passing through the water injection passage 71.
  • the second opening / closing control valve 73 is a valve provided on the upstream side of the second flow meter 74 in the water injection channel 71, and opens and closes based on the flow rate Q 2 of the seawater W detected by the second flow meter 74. Be controlled. Thereby, the flow volume of the seawater W injected into the intake water channel 1 is adjusted.
  • the amount of seawater W injected into the intake water channel 1 by opening / closing control of the second open / close control valve 73, for example, controlling the output of the second pump 72 to inject seawater W into the intake water channel 1
  • the amount may be adjusted.
  • the seawater electrolysis apparatus 10 Part of the seawater W flowing through the water intake channel 1 is introduced into the electrolytic cell body 20 from the inlet 23 of the electrolytic cell body 20 of the seawater electrolysis apparatus 10 by the intake unit 60. That is, the seawater W in the intake water channel 1 is pumped into the intake channel 61 by the first pump 62, whereby the seawater W is introduced into the electrolytic cell body 20 through the intake channel 61. Thereby, the electrode 30 in the electrolytic cell main body 20 is immersed in the seawater W.
  • the first opening / closing control valve 63 opens and closes according to the flow rate detected by the first flow meter 64, whereby the flow rate of the seawater W flowing in the flow direction in the electrolytic cell body 20 is adjusted to a desired value.
  • the seawater W flowing through the electrolytic cell main body 20 is electrolyzed by the electrode 30. That is, a desired constant current is generated by the constant current control circuit 42 based on the DC power of the DC power supply 41 in the power supply device 40, and the constant current is supplied to the terminal plates 28 and 29 via the lead wires 43 and 44.
  • the electric current supplied through these terminal plates 28 and 29 circulates in series with the anode plate 32, the bipolar electrode plate 31 and the cathode plate 33 in the electrolytic cell body 20.
  • the current density of the current at the surface of each electrode 30 at this time is controlled by the constant current control circuit 42 in a range of 20 A / dm 2 to 40 A / dm 2 , preferably 20 A / dm 2 to 30 A / dm 2. .
  • the current supplied to the seawater W is made constant by the action of the constant current control circuit 42, regardless of the change in the electrical resistance of the seawater W. That is, the seawater W flowing through the electrolytic cell main body 20 changes its electric resistance value every moment, but as shown in FIG. 4, the constant current control circuit 42 controls the voltage with a predetermined fluctuation width ⁇ V. The current density on the surface of the electrode 30 is kept constant.
  • the seawater W is electrolyzed by the current flowing through the seawater W between the electrodes 30. That is, in the anode A, as shown in the following formula (1), the electrons e are deprived from the chlorine ions in the seawater W, oxidation occurs, and chlorine is generated. On the other hand, at the cathode K, as shown in the following formula (2), electrons are given to the water in the seawater W to cause reduction, and hydroxide ions and hydrogen gas are generated.
  • the hydroxide ions generated at the cathode K react with sodium ions in the seawater W to generate sodium hydroxide.
  • hypochlorous acid sodium chloride, and water.
  • hypochlorous acid having an inhibitory effect on the adhesion of marine products is generated.
  • the electrolyzed seawater W flows out from the outlet 25 of the electrolytic cell main body 20, passes through the intermediate flow path 51, and is temporarily stored in the storage tank 50. Thereafter, the seawater W in the storage tank 50 is injected into the intake water channel 1 through the water injection unit 70. That is, the seawater W containing hypochlorous acid in the storage tank 50 is injected into the intake water channel 1 through the water injection channel 71 when the second pump 72 is operated. At this time, the flow rate of the seawater W containing hypochlorous acid to the intake water channel 1 is adjusted by opening and closing the second open / close control valve 73 according to the flow rate detected by the second flow meter 74.
  • manganese scale due to manganese ions contained in the seawater W adheres to the anode A coated with the iridium oxide-based coating material. Due to the adhesion of the manganese scale, the consumption of the anode A proceeds, and further, the catalytic activity on the surface of the electrode 30 decreases, resulting in a disadvantage that the chlorine generation efficiency decreases. Further, the cathode K is attached with a scale caused by magnesium or calcium contained in the seawater W, and the consumption of the electrode 30 also proceeds due to this scale.
  • the current density on the surface of the electrode 30 is set to 20 A / dm 2 or more, which is larger than the conventional 15 A / dm 2.
  • the amount of hydrogen gas to be increased increases compared to the conventional case. Since the cleaning effect of the electrode 30 is expressed by this large amount of hydrogen gas, the adhesion of manganese scale to the anode A and the adhesion of scales such as calcium and magnesium to the cathode K can be prevented.
  • the amount of oxygen generated in the vicinity of the anode A increases due to an increase in the current density on the surface of the electrode 30, but iridium oxide has a sufficient durability against oxygen, and thus a coating material containing the iridium oxide. It can be prevented that the anode A covered with is consumed by oxygen.
  • the upper limit of the current density is 40 A / dm 2 , so that the cleaning effect is effectively expressed by hydrogen, and scale adhesion at the anode A and the cathode K can be effectively prevented. it can. Further, when the upper limit of the current density is set to 30 A / dm 2 , the cleaning effect by hydrogen can be expressed more effectively, and scale adhesion can be effectively prevented.
  • the coating material for the anode A contains iridium oxide, and the current density on the surface of the electrode 30 is in the range of 20 A / dm 2 to 40 A / dm 2 , preferably 20 A / dm 2. Since it is set to ⁇ 30 A / dm 2 , the cleaning effect by hydrogen gas can be obtained effectively. As a result, it is possible to prevent the scale from adhering to the electrode 30, so that it is possible to improve the durability of the electrode 30 and suppress the decrease in the chlorine generation efficiency. Therefore, in addition to improving the maintainability of the seawater electrolysis apparatus 10, the number of electrodes 30 can be reduced due to high chlorine generation efficiency, and the apparatus can be downsized.
  • the tantalum when a tantalum oxide is added to the iridium oxide-based coating material covering the anode A, the tantalum exhibits high durability against oxygen. Abnormal consumption can be more effectively prevented. The cost can be reduced by not including platinum in the iridium oxide-based coating material.
  • the bipolar electrode plates 31 are arranged in series to form the electrode group M, and the electrode groups M are arranged in parallel to each other, so that a large number of the bipolar electrode plates 31 are aggregated. Therefore, the apparatus itself can be reduced in size while greatly ensuring the total amount of chlorine generated. Moreover, since each bipolar electrode plate 31 is disposed along the flow direction of the seawater W, the flow of the seawater W is not hindered. Thereby, the flow rate of the seawater W can be maintained high, and the effect of preventing scale adhesion to the electrode 30 can be obtained effectively.
  • the interval between the bipolar electrode plates 31 adjacent to each other in the distribution direction of the seawater W is small, the current flowing between the bipolar electrode plates 31, that is, the stray current with a small contribution to electrolysis. Occurs.
  • This stray current becomes more prominent as the current density on the surface of the electrode 30 increases, leading to a decrease in seawater electrolysis efficiency.
  • the interval d1 between the bipolar electrode plates 31 adjacent to each other in the flow direction in each electrode group M is set to 8 times or more the interval d2 between the electrode groups M adjacent in parallel to each other.
  • the seawater electrolysis system 100 ⁇ / b> B of the second embodiment takes the seawater W in the water injection channel 71 between the water intake channel 61 of the water intake unit 60 and the water injection channel 71 of the water injection unit 70.
  • a circulation unit 80 for mixing with the passage 61 is provided.
  • the circulation unit 80 includes a circulation channel 81, a third flow meter 84, and a third opening / closing control valve 83.
  • the circulation flow path 81 is a flow path having one end connected to the water injection flow path 71 and the other end connected to the water intake flow path 61.
  • one end of the circulation channel 81 is connected between the second pump 72 and the second open / close control valve 73 in the water injection channel 71, and the other end of the circulation channel 81 is connected to the intake channel 71.
  • the third flow meter 84 is provided in the middle of the circulation channel 81, and detects the flow rate Q 3 of the seawater W that passes through the circulation channel 81.
  • the third open / close control valve 83 is a valve provided on the downstream side of the third flow meter 84 in the circulation flow path 81, and opens / closes based on the flow rate Q 3 of the seawater W detected by the third flow meter 84. Be controlled.
  • the flow rate of the seawater W circulated from the water injection channel 71 to the intake channel 61 via the circulation channel 81 can be arbitrarily controlled.
  • Seawater W that has passed through the circulation channel 81 is introduced into the intake channel 61 at the other end of the circulation channel 81.
  • the electrolyzed seawater W that has passed through the circulation channel 81 merges with the unelectrolyzed seawater W that has passed through the intake channel 61 and is again introduced into the electrolytic cell body 20.
  • the third open / close control valve 83 opens and closes according to the flow rate detected by the third flow meter 84 to adjust the flow rate of the electrolyzed seawater W that merges with the seawater W flowing through the water intake passage 61. be able to.
  • the electrolyzed seawater W that has flowed out from the outlet 25 of the electrolytic cell main body 20 flows again through the inlet 23 of the electrolytic cell main body 20 by flowing through the circulation channel 81.
  • scale components such as manganese, magnesium, and calcium generated during electrolysis are present in the seawater W after electrolysis.
  • seawater W By introducing such seawater W into the electrolytic cell main body 20 again, scale adhesion to the surface of the electrode 30 can be prevented by the seed crystal effect by the scale component. That is, the scale component becomes a seed crystal, and the newly generated scale adheres to the seed crystal, so that precipitation of the scale on the surface of the electrode 30 can be avoided. Thereby, it becomes possible to improve the durability of the electrode 30 and suppress the decrease in the chlorine generation efficiency.
  • the hypochlorous acid concentration of the seawater W injected into the intake water channel 1 from the water injection section 70 is approximately 2500 ppm.
  • the total amount of hypochlorous acid produced is approximately proportional to the total amount of current supplied from the power supply device 40 to the electrode 30. Therefore, the total amount of hypochlorous acid generated can be grasped by recording the amount of current supplied to the electrode 30. Further, hypochlorous acid concentration of the seawater W which is injected into the intake canal 1 can be calculated by dividing the flow rate Q 2 of the seawater W which is injected the total amount of hypochlorous acid generated water intake canal 1 .
  • hypochlorous acid in the seawater W The concentration can be easily adjusted to the above 2500 ppm.
  • the seawater electrolysis apparatus 10 has a plurality of electrolytic cell main bodies 20, and the outlet 25 between the electrolytic cell main bodies 20 and the inlet 23 are connected.
  • a connection pipe 85 and a gas vent valve 86 as a gas vent means for removing the gas in the connection pipe 85 may be provided.
  • the gas vent valve 86 is a valve that can be controlled to open and close, and when the pressure in the electrolytic cell main body 20 rises to a predetermined high pressure, the gas vent valve 86 is opened and the gas in the seawater W is released. Is done.
  • the higher the current density the lower the liquid gas ratio due to the generation of hydrogen at the cathode K, resulting in a decrease in chlorine generation efficiency.
  • the hydrogen gas is removed by the degassing valve 86 provided in the connecting pipe 85. By doing so, the inside of the electrolytic cell main body 20 can be suppressed to a predetermined liquid gas ratio or less, and a reduction in efficiency can be prevented.
  • the bipolar electrode plate 31 is used as the electrode 30 .
  • the anode plate 32 and the cathode plate 33 are arranged to face each other without using the bipolar electrode plate 31, and the anode An electric current may be passed through the seawater W between the plate 32 and the cathode plate 33.
  • the anode plates 32 and the cathode plates 33 may be alternately arranged so that a current is passed through the seawater W between the anode plates 32 and the cathode plates 33 that are adjacent to each other and face each other.
  • the bipolar electrode plate 31 is arranged with the anode A facing the liquid inlet and the cathode K facing the liquid outlet.
  • the anode A faces the liquid outlet and the cathode K is liquid. You may arrange
  • the seawater electrolysis system 100C of the third embodiment includes a seawater electrolysis device 10, a water intake unit 60, a hydrogen separation device 90, a storage tank 50, a water injection unit 70, and a circulation unit 80. I have.
  • the intake section 60 introduces seawater W from the intake water channel 1 into the seawater electrolysis apparatus 10.
  • the hydrogen separator 90 separates hydrogen in the electrolyzed water E discharged from the seawater electrolyzer 10.
  • the storage tank 50 stores electrolytically treated water E that has been electrolyzed by the seawater electrolysis apparatus 10.
  • the water injection unit 70 injects the electrolyzed water E from the storage tank 50 into the water channel 1.
  • the circulation unit 80 circulates the electrolyzed water E through the seawater electrolyzer 10.
  • the water intake unit 60 is provided with a desalination apparatus 65.
  • the current density on the surface of the electrode 30 is set so as to be in the range of 20 A / dm 2 to 60 A / dm 2 , preferably 20 A / dm 2 to 50 A / dm 2.
  • the current control circuit 42 generates a constant current. That is, by generating a constant current corresponding to the surface area of the electrode 30 in the electrolytic cell body 20 and supplying the constant current to the electrode 30, the current density on the surface of the electrode 30 is set to 20 A / dm 2 to 60 A / dm. 2 , preferably 20 A / dm 2 to 50 A / dm 2 .
  • the amount of oxygen and scale that increase electrode consumption increases as the current density increases.
  • the maximum value of the current density is set to about 15 A / dm 2 .
  • the electrolysis is performed in the range of 20 A / dm 2 to 60 A / dm 2 , preferably 20 A / dm 2 to 50 A / dm 2 , which has a higher current density than the conventional one.
  • the water intake unit 60 includes a water intake passage 61, a first pump 62, a desalination device 65, a first flow meter 64, and a first opening / closing control valve 63.
  • the desalination apparatus 65 is an apparatus that separates seawater into fresh water (demineralized water) and concentrated water C using a reverse osmosis membrane (RO membrane).
  • the fresh water separated by the desalinator 65 is sent to a fresh water tank (not shown) via a fresh water line 66, and the concentrated water C is sent to a seawater electrolyzer via a first opening / closing control valve 63 of the water intake passage 61. 10 is introduced.
  • the first opening / closing control valve 63 is preferably controlled so that the flow rate of the concentrated water C flowing through the electrolytic cell main body 20 is at least 0.7 m / s or more. .
  • the flow rate of the concentrated water C in the electrolytic cell main body 20 is adjusted by opening / closing control of the first open / close control valve 63, but also, for example, by controlling the output of the first pump 62, The flow rate of the concentrated water C may be adjusted.
  • the hydrogen separator 90 is a device that separates hydrogen gas contained in the electrolyzed water E flowing out from the outlet 25 of the electrolytic cell main body 20 in the seawater electrolyzer 10. As shown in FIG. 8, the hydrogen separator 90 is connected to a liquid receiving tank 92 provided with an exhaust pipe 91 in the upper part and an outlet 25 of the electrolytic cell main body 20 via the intermediate flow path 8. An introduction pipe 93 that draws electrolytically treated water into the gas phase part 92 a above the interior 92, a spray nozzle 94 provided in the middle of the introduction pipe 93, and a liquid phase part 92 b below the interior of the liquid receiving tank 92. And a stirrer 95.
  • the spray nozzle 94 injects the electrolyzed water E introduced into the introduction pipe 93 into the gas phase portion 92 a above the liquid receiving tank 92.
  • the stirrer 95 includes a screw 96 and a motor 97 that rotates the screw 96, and stirs the liquid accumulated in the liquid phase portion 92 b of the liquid receiving tank 92.
  • a discharge port 98 through which electrolytically treated water is discharged is provided in the lower part of the liquid receiving tank 92.
  • the storage tank 50 is a tank in which the electrolytically treated water E discharged from the discharge port 98 in the hydrogen separator 90 is temporarily stored.
  • the circulation unit 80 is a part that circulates the electrolytically treated water E flowing through the water injection channel 71 to the water intake channel 61 of the water supply unit 60.
  • the circulation unit 80 includes a circulation channel 81, a third flow meter 82, and a third opening / closing control valve 83.
  • the circulation flow path 81 is a flow path having one end connected to the water injection flow path 71 and the other end connected to the water intake flow path 61.
  • one end of the circulation channel 81 is connected between the second pump 72 and the second open / close control valve 73 in the water injection channel 71, and the other end of the circulation channel 81 is connected to the intake channel 71.
  • the first flow control valve 63 and the first flow meter 64 in the water flow path 61 are connected.
  • the third flow meter 82 is provided in the middle of the circulation flow path 81, and detects the flow rate Q 3 of the electrolytically treated water E that passes through the circulation flow path 81.
  • the third open / close control valve 83 is a valve provided on the downstream side of the third flow meter 82 in the circulation flow path 81, and is based on the flow rate Q 3 of the electrolyzed water E detected by the third flow meter 82. Open / close controlled. As a result, the flow rate of the electrolyzed water E circulated from the water injection channel 71 to the intake channel 61 via the circulation channel 81 can be arbitrarily controlled.
  • a part of the seawater W flowing through the intake water channel 1 is introduced into the desalination apparatus 65 by the intake unit 60. That is, the seawater W in the intake water channel 1 is pumped into the intake channel 61 by the first pump 62, whereby the seawater W is introduced into the desalination apparatus 65 through the intake channel 61. Thereby, the seawater W is separated into fresh water and concentrated water C.
  • the desalinator 65 applies pressure to the seawater W, passes it through the RO membrane, concentrates the salinity of the seawater W, and begins to drain the freshwater. Thereby, the chloride ion concentration of the seawater W is concentrated, for example, from 20,000 mg / l to 30,000 to 40,000 mg / l, and concentrated water C is generated.
  • Fresh water is sent to a fresh water tank (not shown) that stores fresh water via a fresh water line 66, and concentrated water C is introduced into the electrolytic cell body 20 via a water intake passage 61. Thereby, the electrode 30 in the electrolytic cell main body 20 is immersed in the concentrated water C.
  • the first open / close control valve 63 opens and closes according to the flow rate detected by the first flow meter 64, so that the flow rate of the concentrated water C flowing in the flow direction in the electrolytic cell body 20 is adjusted to a desired value.
  • the concentrated water C flowing through the electrolytic cell main body 20 is electrolyzed by the electrode 30. That is, a desired constant current is generated by the constant current control circuit 42 based on the DC power of the DC power supply 41 in the power supply device 40, and the constant current is supplied to the terminal plates 28 and 29 via the lead wires 43 and 44.
  • the electric current supplied through these terminal plates 28 and 29 circulates in series with the anode plate 32, the bipolar electrode plate 31 and the cathode plate 33 in the electrolytic cell body 20.
  • the current density at the surface of each electrode 30 at this time is controlled by the constant current control circuit 42 to a range of 20 A / dm 2 to 60 A / dm 2 , preferably 20 A / dm 2 to 50 A / dm 2. .
  • the current supplied to the concentrated water C has a constant current density on the surface of the electrode 30 regardless of a change in the electric resistance of the concentrated water C by the action of the constant current control circuit 42. That is, although the electric resistance value of the concentrated water C flowing through the electrolytic cell main body 20 changes every moment, as shown in FIG. 4, the constant current control circuit 42 controls the voltage with a predetermined fluctuation width ⁇ V. Thus, the current density on the surface of the electrode 30 is kept constant.
  • the concentrated water C is electrolyzed by the current flowing through the concentrated water between the electrodes 30. That is, in the anode A, as shown in the formula (1) in the first embodiment, the electrons e are taken from the chloride ions in the concentrated water C, oxidation occurs, and chlorine is generated. On the other hand, at the cathode K, as shown in the formula (2) in the first embodiment, electrons are given to the water in the concentrated water C to cause reduction, and hydroxide ions and hydrogen gas are generated.
  • the hydroxide ions generated at the cathode K react with sodium ions in the concentrated water to generate sodium hydroxide.
  • hypochlorous acid having an inhibitory effect on the adhesion of marine products is generated.
  • concentration of hypochlorous acid is preferably 2,500 to 5,000 ppm because the chloride ion concentration of the concentrated water C is increased to 30,000 to 40,000 mg / l.
  • the concentrated water C subjected to electrolysis flows out from the outlet 25 of the electrolytic cell main body 20 as the electrolyzed water E together with hydrogen gas, passes through the intermediate flow path 8 and flows into the hydrogen separator 90.
  • a gas-liquid mixed fluid composed of hydrogen gas and electrolyzed water E is introduced into the introduction pipe 93 of the hydrogen separator 90 and sprayed to the gas phase portion 92 a of the liquid receiving tank 92 by the spray nozzle 94.
  • the hydrogen gas mixed in the electrolytically treated water E as bubbles is degassed and exhausted from the exhaust cylinder 91.
  • the electrolytically treated water E is stored in the liquid phase portion 92 b of the liquid receiving tank 92.
  • the stored electrolytically treated water E is agitated by the agitator 95. That is, the electrolytically treated water E is forcibly agitated by the swirl flow generated by the screw 96 rotated by the motor 97. Thereby, the scale generated along with the electrolysis is prevented from being deposited on the bottom of the liquid receiving tank 92.
  • the electrolytically treated water E once stored in the liquid receiving tank 92 is discharged from a discharge port 98 provided at the bottom of the liquid receiving tank 92 and introduced into the storage tank 50.
  • the electrolyzed water E temporarily stored in the storage tank 50 is introduced into the water injection channel 71 by the second pump 72, the electrolyzed water E is connected to one end of the circulation channel 81. Are branched into the electrolytically treated water E flowing through the water pouring channel 71 and the electrolytically treated water E flowing through the circulating channel 81.
  • the electrolytically treated water E flowing through the water injection channel 71 is injected into the intake water channel 1. That is, the electrolytically treated water E containing hypochlorous acid in the storage tank 50 is injected into the intake water channel 1 through the water injection channel 71 when the second pump 72 is operated. At this time, the flow rate of the electrolytically treated water E containing hypochlorous acid to the intake water channel 1 is adjusted by opening and closing the second open / close control valve 73 according to the flow rate detected by the second flow meter 74.
  • the total amount of hypochlorous acid produced is approximately proportional to the total amount of current supplied from the power supply device 40 to the electrode 30. Therefore, the total amount of hypochlorous acid generated can be grasped by recording the amount of current supplied to the electrode 30. Further, the hypochlorous acid concentration of the electrolyzed water E injected into the intake water channel 1 is calculated by dividing the total amount of generated hypochlorous acid by the flow rate Q 2 of the seawater W injected into the water channel 1. Can do. Thus, depending on the total amount of hypochlorous acid, by controlling the second shut-off control valve 73 determines the flow rate Q 2 of the electrolyzed water E to be injected into the intake canal 1, in the electrolyzed water E Hypochlorous acid concentration can be adjusted.
  • the electrolytically treated water E flowing through the circulation channel 81 is introduced into the water intake channel 61 at the other end of the circulation channel 81. That is, the electrolyzed water E that has passed through the circulation channel 81 merges with the seawater W that passes through the intake channel 61 and is introduced into the electrolytic cell body 20 again.
  • the third opening / closing control valve 83 opens and closes according to the flow rate detected by the third flow meter 82, thereby adjusting the flow rate of the electrolyzed water E joining the seawater W flowing through the water intake passage 61. it can.
  • the electrolytically treated water E flowing out from the outlet 25 of the electrolytic cell main body 20 flows again through the inlet 23 of the electrolytic cell main body 20 by flowing through the circulation channel 81.
  • concentration and the electrical conductivity into the seawater electrolyzer 10 is introduce
  • the current density on the surface of the electrode 30 should be set in the range of 20 A / dm 2 to 60 A / dm 2 , preferably 20 A / dm 2 to 50 A / dm 2.
  • the concentration of hypochlorous acid contained in the generated electrolytically treated water E can be increased. That is, by increasing the amount of hypochlorous acid generated per unit area of the electrode, the electrode area can be reduced and the apparatus can be downsized.
  • seawater in the vicinity of the river mouth and in the bay has a lower chloride ion concentration than normal seawater, and its electrical conductivity is low.
  • the chlorine ion concentration and the electrical conductivity can be increased, so that the treatment performance can be stabilized.
  • the hydrogen gas does not damage the second pump 72 and the piping at the subsequent stage via the storage tank 50.
  • scale components such as manganese, magnesium, and calcium generated during electrolysis are introduced into the electrolytic cell body 20 together with the electrolytically treated water E.
  • the electrolyzed water E containing the scale component is again introduced into the electrolytic cell main body 20, whereby the scale adherence to the surface of the electrode 30 can be prevented by the seed crystal effect of the scale component. That is, the scale component becomes a seed crystal, and the newly generated scale adheres to the seed crystal, so that precipitation of the scale on the surface of the electrode 30 can be avoided. Thereby, it becomes possible to improve the durability of the electrode 30 and suppress the decrease in the chlorine generation efficiency.
  • the upper limit of the current density is set to 60 A / dm 2 , so that the cleaning effect is effectively expressed by hydrogen, and scale adhesion at the anode A and the cathode K can be effectively prevented. it can. Further, when the upper limit of the current density is 50 A / dm 2 , the cleaning effect by hydrogen can be expressed more effectively, and scale adhesion can be effectively prevented.
  • the coating material for the anode A contains iridium oxide, and the current density on the surface of the electrode 30 is in the range of 20 A / dm 2 to 60 A / dm 2 , preferably 20 A / dm 2. Since it is set to ⁇ 50 A / dm 2 , the cleaning effect by hydrogen gas can be obtained effectively. As a result, it is possible to prevent the scale from adhering to the electrode 30, so that it is possible to improve the durability of the electrode 30 and suppress the decrease in the chlorine generation efficiency. Therefore, in addition to improving the maintainability of the seawater electrolysis apparatus 10, the number of electrodes 30 can be reduced due to high chlorine generation efficiency, and the apparatus can be downsized.
  • the bipolar electrode plate 31 is used as the electrode 30 .
  • the anode plate 32 and the cathode plate 33 are arranged to face each other without using the bipolar electrode plate 31, and the anode An electric current may be passed through the seawater W between the plate 32 and the cathode plate 33.
  • the anode plates 32 and the cathode plates 33 may be alternately arranged so that a current is passed through the seawater W between the anode plates 32 and the cathode plates 33 that are adjacent to each other and face each other.
  • the bipolar electrode plate 31 is arranged with the anode A facing the liquid inlet and the cathode K facing the liquid outlet.
  • the anode A faces the liquid outlet and the cathode K is liquid. You may arrange
  • the desalination apparatus 65 using RO membrane was employ
  • generate concentrated water C is not restricted to this.
  • a method of concentrating the seawater W using a distillation method may be employed.
  • the method for separating the hydrogen gas from the electrolyzed water E mixed with the hydrogen gas is not limited to the hydrogen separation device 90 using the spray nozzle 94 as described in the present embodiment.
  • Can be separated into gas and liquid for example, a gas-liquid separation device using a centrifugal separator or the like can be employed.
  • a gas-liquid separation function for diluting hydrogen gas by adding air to the storage tank 50, for example, into the liquid phase of the storage tank 50 is added.
  • hydrogen may be separated.
  • all the electrolyzed water E may be supplied to the water channel 1 without providing the circulation unit 80.
  • the anode plate and cathode plate are immersed in seawater W and concentrated water C, and the seawater W and concentrated water C are circulated at a flow rate of 250 ml / min, and electrolysis is performed by energizing between the anode plate and the cathode plate. It was. And the chlorine generation efficiency in each current density was measured.
  • the chlorine generation efficiency means the ratio of the actually generated chlorine amount to the theoretically generated chlorine amount based on the current density of the flowing current. The measurement result of this chlorine generation efficiency is shown in FIG.
  • the amount of chlorine that can be theoretically generated increases as the current density increases. Therefore, even if the chlorine generation efficiency shows the same value, more chlorine is generated when the current density is larger. Therefore, when the current density is 40 A / dm 2 , the chlorine generation efficiency is 93%, which is equivalent to the current density of 15 A / dm 2 , but the chlorine generation amount is 40 A / dm 2 . This is larger than the case where the current density is 15 A / dm 2 . Therefore, it can be said that setting the current density to 40 A / dm 2 is effective from the viewpoint of the amount of chlorine generated.
  • the upper limit of the current density is preferably 40 A / dm 2, and it has been found that a large amount of generated chlorine can be secured while maintaining high chlorine generation efficiency.
  • the chlorine generation efficiency is constant when the current density is 20 A / dm 2 to 50 A / dm 2 , and the chlorine generation efficiency is as high as 93% even when the current density is 60 A / dm 2.
  • high chlorine generation efficiency can be obtained by setting the current density in the range of 20 A / dm 2 to 60 A / dm 2 , compared with the case without concentration. It was found that the current density can be increased.
  • the current density on the electrode surface during electrolysis is 20 A / dm 2 to 60 A / dm 2 , preferably 20 A. It was found that high chlorine generation efficiency can be obtained by setting the range to / dm 2 to 50 A / dm 2 .
  • the electrode since the electrode is gradually consumed when electrolysis is continued for a long time, it is considered that the curve of FIG. 9 showing the measurement result becomes steeper. Therefore, it can be inferred that setting the current density in the above range is even more effective, particularly after the electrodes are consumed.
  • Electrolytic life test results A test was conducted to investigate the relationship between the current density during electrolysis of seawater W and the amount of catalyst retained. Similarly to the chlorine generation efficiency measurement test, a plate-like anode plate and cathode plate having an electrode area of 50 ⁇ 50 mm were prepared and arranged to face each other with an interval of 5 mm.
  • an anode plate there are two types: one in which a coating material containing 50% or more of iridium oxide (IrO 2 ) is coated on a titanium substrate, and one in which a coating material containing platinum (Pt) is coated on a titanium substrate. Using.
  • As the cathode plate a titanium substrate not coated with a coating material was used.
  • the anode plate and the cathode plate were respectively immersed in seawater W, the seawater W was circulated at a flow rate of 250 ml / min, and electrolysis was performed by energizing between the anode plate and the cathode plate.
  • the amount of catalyst retained at each current density was measured over time.
  • the catalyst retention amount means the catalyst amount of the electrode retained after the electrolysis, and the electrode is consumed as much as the catalyst retention amount decreases with time.
  • the measurement results of the catalyst retention amount are shown in FIG.
  • the present invention relates to a seawater electrolysis system including a seawater electrolysis apparatus that generates hypochlorous acid by electrolyzing seawater, and a seawater electrolysis method.
  • ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, adhesion of the scale to an electrode can be prevented and improvement of durability of an electrode and suppression of the fall of chlorine generation efficiency can be aimed at.

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Abstract

　この海水電解装置は、酸化イリジウムを含むコーティング材を被覆されたチタンからなる陽極（Ａ）と、陰極（Ｃ）とを含む電極（３０）と、陽極（Ａ）及び陰極（Ｃ）を収納する電解槽本体（２０）と、陽極（Ａ）及び陰極（Ｃ）間に、両極表面の電流密度が２０Ａ／ｄｍ２以上となるように通電する電源装置（４０）とを備え、電解槽本体（２０）内の海水を電気分解する。

Description

海水電解システム及び海水電解方法
　本発明は、海水に電気分解を施すことで次亜塩素酸を発生させる海水電解装置を備えた海水電解システム、及び海水電解方法に関する。
　従来、海水を多量に使用する火力発電所、原子力発電所、海水淡水化プラント、化学プラント等においては、その取水口や配管、復水器、各種冷却器などの海水と接する部分の藻類や貝類の付着繁殖が大きな問題となっている。
　この問題を解決するために、天然の海水に電気分解を施すことで次亜塩素酸を生成し、当該次亜塩素酸を取水口中に注入することにより海洋生物の付着を抑制する海水電解装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。
　即ち、この海水電解装置は、筐体状をなす電解槽本体内に電極としての陽極・陰極が配置された構造をなしており、当該電解槽本体内に海水が流通される。海水中には塩化物イオン及び水酸化イオンが存在するため、陽極・陰極間に電流を通電すると、陽極では塩素が生成され、陰極では水酸化ナトリウムが生成される。そして、塩素と水酸化ナトリウムが反応することによって、海洋生物の付着抑制効果を有する次亜塩素酸が生成される。
　ここで、上記海水電解装置の電解槽内に配置される電極、特に、陽極としては、一般にチタン基板に白金を主体とした複合金属、即ち、白金主体コーティング材をコーティングしたものが使用されている（例えば特許文献２参照）。
　また、未だ海水電解装置として実用化された事例はないが、電気分解の陽極のコーティング材として、酸化イリジウムを主体とした複合金属、即ち、酸化イリジウム主体コーティング材を適用することが提案されている（例えば特許文献３参照）。
　また、海水淡水化装置等の海水濃縮装置から排出される塩分濃度の高い濃縮水を処理水として使用する海水電解装置も知られている。この海水電解装置は、濃縮水を電気分解することにより生成される電解処理水中の次亜塩素酸の濃度を高めることで消費電力を低減し、海水電解装置の効率化、小型化を図ったものである（例えば特許文献４参照）。
特許第３３８９０８２号公報 特開２００１－２６２３８８号公報 特開平８－８５８９４号公報 特開平９－２９４９８６号公報
　ところで、白金主体コーティング材を使用した電極においては、電気分解の際に陽極近傍で発生する酸素や、陰極近傍で発生するスケール（カルシウム、マグネシウム等）の影響により、電極の消耗が早く進行してしまう。そのため、電極洗浄や電極交換を頻繁に行う必要があり、メンテナンスコストが多くかかってしまう。
　また、電極表面での電流密度が高いほど塩素発生効率が高くなると考えられる。この傾向は、海水電解装置に海水濃縮水を導入して次亜塩素酸を発生させる場合にも同様に現れる。
　しかしながら、電流密度が増大すると陽極近傍で発生する酸素や陰極近傍で発生するスケールの量も増加することから、却って電極の消耗が早く進行してしまう。そのため、白金主体コーティング材を使用した電極では、電極表面での電流密度を高くすることはできず、例えば電流密度の最大値を１５Ａ／ｄｍ２程度に抑えることが技術常識とされていた。
　このように電気分解の電流密度を抑える必要があるため、海水から十分な次亜塩素酸を発生させるためには数多くの電極を配置する必要があり、装置の製造コスト増大、装置の大型化を招いてしまう。
　本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、電極の耐久性の向上を図ることができるとともに、塩素発生効率の低下を抑制することが可能な海水電解装置、海水電解システム及び海水電解方法を提供することを目的とする。
　ここで、発明者らが上記海水電解装置の電極について鋭意研究を重ねたところ、酸化イリジウム主体コーティング材を被覆した陽極では、白金主体コーティング材を被覆した従来の電極の技術常識に反して、１５Ａ／ｄｍ２を超える電流密度を通電することが電極の耐久性の向上及び塩素発生効率の低下の抑制に有効であるという知見を得た。
　すなわち、本発明に係る海水電解装置は、酸化イリジウムを含むコーティング材を被覆されたチタンからなる陽極と、陰極とを含む電極と、前記陽極および前記陰極を収納する電解槽本体と、前記陽極及び前記陰極間に、両極表面の電流密度が２０Ａ／ｄｍ２以上となるように通電する電源装置とを備える。
　本発明に係る海水電解方法は、前記電解槽本体内に海水を流通させ、前記陽極及び前記陰極間に、両極表面の電流密度が２０Ａ／ｄｍ２以上となるように通電し、前記電解槽本体内の海水を電気分解する。
　本発明においては、電極表面での電流密度が従来の１５Ａ／ｄｍ２よりも大きい２０Ａ／ｄｍ２以上とされているため、電気分解に伴って陰極で発生する水素ガスの量が従来に比べて増大する。この多量の水素ガスによって、電極の洗浄効果が発現されるため、陽極へのマンガンスケールの付着、及び、陰極でのカルシウム、マグネシウム等のスケールの付着を防止することができる。また、陽極付近で発生する酸素の量も増大するが、酸化イリジウムは酸素への十分な耐久性を備えているため、当該酸素によって電極が消耗することを防止することができる。
　本発明において、前記電源装置によって通電される前記陽極及び前記陰極表面の電流密度は、２０Ａ／ｄｍ２以上４０Ａ／ｄｍ２以下の範囲に含まれてもよい。好ましくは、２０Ａ／ｄｍ２以上３０Ａ／ｄｍ２以下の範囲に含まれてもよい。
　電流密度が大き過ぎる場合、例えば４０Ａ／ｄｍ２を超える場合には、陽極及び陰極でのスケール発生量が水素の洗浄効果の有効な範囲を超えてしまう。これに対して本発明では、電流密度の上限値を４０Ａ／ｄｍ２とし、好ましくは３０Ａ／ｄｍ２としているため、水素により洗浄効果を有効に発現させることができ、陽極及び陰極でのスケール付着を効果的に防止することが可能となる。
　本発明に係る海水電解装置は、複数の前記電解槽本体と、これら電解槽本体同士における前記海水の流出口と流入口とを接続する接続管と、前記接続管内のガスを除去するガス抜き手段とをさらに備えてもよい。
　電流密度を高くするほど、陰極での水素発生によって液ガス比が低下するため、塩素発生効率が低下してしまう。これに対して、接続管に設けられたガス抜き手段によって特に水素ガスを除去することで、電解槽内を所定の液ガス比以下に抑え、効率低下を防止することができる。
　本発明に係る海水電解システムは、上記した本発明に係る海水電解装置と、前記電解槽本体に導入されるべき海水中に含まれる塩化物イオンの濃度を高める濃縮手段とを備える。
　本発明に係る海水電解方法は、電気分解すべき海水中に含まれる塩化物イオンの濃度を高め、塩化物イオン濃度を高めた海水を前記電解槽本体内に流通させ、前記陽極及び前記陰極間に通電し、前記電解槽本体内の海水を電気分解する。
　本発明においては、海水電解装置に塩化物イオン濃度、電気伝導度を高めた濃縮水を導入する。さらに、陽極のコーティング材に酸化イリジウムが含まれるため、電極表面での電流密度を高く設定することができ、生成される電解処理水に含まれる次亜塩素酸の濃度を高めることができる。即ち、電極の単位面積当たりの次亜塩素酸の発生量を増加させることによって、電極面積を低減させることができ、装置の小型化を図ることができる。
　本発明において、前記電源装置によって通電される前記陽極及び前記陰極表面の電流密度は、２０Ａ／ｄｍ２以上６０Ａ／ｄｍ２以下の範囲に含まれてもよい。好ましくは、２０Ａ／ｄｍ２以上５０Ａ／ｄｍ２以下の範囲に含まれてもよい。
　電流密度が大き過ぎる場合、例えば６０Ａ／ｄｍ２を超える場合には、陽極及び陰極でのスケール発生量が水素の洗浄効果の有効な範囲を超えてしまう。これに対して本発明では、電流密度の上限値を６０Ａ／ｄｍ２とし、好ましくは５０Ａ／ｄｍ２としているため、水素により洗浄効果を有効に発現させることができ、陽極及び陰極でのスケール付着を効果的に防止することが可能となる。
　本発明に係る海水電解システムは、前記電気分解後の海水から、前記陰極において生成された水素ガスを分離する水素分離手段をさらに備えてもよい。これにより、水素ガスによる洗浄効果をより一層効果的に発現させることができ、陽極及び陰極でのスケール付着を有効に防止することができる。
　本発明に係る海水電解装置において、前記コーティング材にはタンタルの酸化物が添加されてもよい。
　酸素に対する耐久性が高いタンタルを前記コーティング材に添加することで、陽極で発生する酸素への耐久性を向上させ、電極の異常消耗をより一層効果的に防止することができる。
　本発明に係る海水電解装置において、前記電極は、前記海水の流通方向一方側の部分が前記陽極とされるとともに他方側の部分が前記陰極とされた複数の二極電極板を含み、これら二極電極板を前記流通方向に間隔をあけて配列してなる電極群が、互いに平行をなすように複数配置され、互いに平行に隣り合う前記電極群同士の前記二極電極板が、前記陽極と前記陰極とを対向させて配置されてもよい。
　このように、陽極及び陰極を有する二極電極板を集約的に配置することで、装置自体の小型化を図ることができる。
　また、各二極電極板は海水の流通方向に沿って配置されているため、海水の流通が妨げられることはない。これにより、海水の流速を高く維持することができるため、当該海水による電極へのスケール付着の防止効果を有効に得ることができる。
　さらに、互いに平行に隣り合う電極群同士の陽極及び陰極が対向していることから、これら陽極及び陰極の間に通電することで、電極間を流通する海水に対して効率的に電気分解を施すことが可能となる。
　本発明に係る海水電解装置において、各前記電極群における前記流通方向に隣り合う前記二極電極板同士の間隔は、互いに平行に隣り合う前記電極群同士の間隔の８倍以上であってもよい。
　流通方向に隣り合う二極電極板同士の間隔が小さい場合には、これら二極電極板同士の間を流通する電流、即ち、電気分解への寄与の小さい迷走電流が発生する。この迷走電流は電極表面での電流密度が高くなるほど顕著なものとなる。これに対して、上記のように流通方向に隣り合う二極電極板同士の間隔の適正化を図ることにより、当該迷走電流の発生を抑制し、海水電解効率の低下を防止することができる。
　本発明において、前記海水電解装置は、前記電解槽本体の流出口から流出する電気分解後の前記海水を、前記電解槽本体の流入口から流入する前の前記海水に混合させる循環流路を備えてもよい。
　電流密度を高くすればするほど、電極表面へのスケールの付着が懸念される。しかし、電気分解後の海水を、循環流路を通じて電気分解前の海水に混合することにより、海水電解装置の電解槽を通過した海水中に含まれるスケール成分による種晶効果が得られるので、電極表面へスケール付着を防止することができる。
　本発明によれば、電極へのスケールの付着を防止して、電極の耐久性の向上及び塩素発生効率の低下の抑制を図ることができる。
本発明に係る海水電解システムの第一実施形態を示す模式図である。 第一実施形態における海水電解装置を示す縦断面図である。 海水電解装置の要部を拡大視した図である。 電源装置における定電流制御回路の定電流制御カーブを説明するグラフである。 本発明に係る海水電解システムの第二実施形態を示す模式図である。 第二実施形態の変形例を示す模式図である。 本発明に係る海水電解システムの第三実施形態を示す模式図である。 第三実施形態における水素分離装置を示す概略図である。 塩素発生効率測定試験の結果を示すグラフである。 電極消耗量測定試験の結果を示すグラフである。
　以下、本発明の第一実施形態について、図１から図４を参照して説明する。
　第一実施形態の海水電解システム１００Ａは、海水が流通する取水用水路１から海水を取水し、海水電解装置１０にて海水を電気分解した後、処理された海水を取水用水路１に注入するシステムである。
　この海水電解システム１００Ａは、図１に示すように、海水電解装置１０と、貯留タンク５０と、取水部６０と、注水部７０とを備えている。貯留タンク５０は、海水電解装置１０にて電気分解された海水Ｗを貯留される。取水部６０は、海水電解装置１０に取水用水路１から海水Ｗを導入する。注水部７０は、貯留タンク５０の海水Ｗを取水用水路１に注入する。
　海水電解装置１０は、図２に示すように、電解槽本体２０、電極支持箱２６、端子板２８，２９及び複数の電極３０を含んでいる。
　電解槽本体２０は、両端が開口する略筒状の外筒２１を備えており、外筒２１の一端には該一端側の開口を閉塞する上流側蓋部２２が設けられている。さらに、外筒２１の他端には該他端側の開口を閉塞する下流側蓋部２４が設けられている。電解槽本体２０は、これら外筒２１、上流側蓋部２２及び下流側蓋部２４によって所定の耐圧強度が確保されている。
　また、上流側蓋部２２には、電解槽本体２０内外を連通する流入口２３が形成されており、下流側蓋部２４には電解槽本体２０内外を連通する流出口２５が形成されている。即ち、電解槽本体２０においては、上流側蓋部２２の流入口２３から海水Ｗが導入され、該海水Ｗが外筒２１内を流入口２３側から流出口２５側に向かって一方向に流通した後、該流出口２５から電解槽本体２０外に流出する。以下では、電解槽本体２０内の流入口２３側を上流側、流出口２５側を下流側と称する。
　電極支持箱２６は、例えばプラスチック等の電気絶縁材で構成された筒状をなす部材であって、海水Ｗの流通方向に延在するように電解槽本体２０内に収納されている。この電極支持箱２６は、複数の固定部材２７を介して上流側蓋部２２及び下流側蓋部２４に固定されている。また、電極支持箱２６の内部には、電極３０を支持するための支持バー２６ａが複数設けられている。
　端子板２８，２９は、電極支持箱２６内に支持される電極３０に対して、電解槽本体２０外部からの電流を供給する役割を有しており、上記電極支持箱２６の両端に一対が配置されている。
　電極３０は、板状をなしており、上記電極支持箱２６の支持バー２６ａに複数が配列状態で固定支持されている。本実施形態においては、この電極３０として、二極電極板３１、陽極板３２及び陰極板３３の三種類が用いられている。
　二極電極板３１は、電極基板としてのチタン基板を二つの部分に分け、その一方を陽極Ａ、他方を陰極Ｋとした構造を有している。即ち、二極電極板３１は、その一端側半分の領域が、酸化イリジウムを含有するコーティング材（酸化イリジウム主体コーティング材）が表面に被覆された陽極Ａとされており、他端側半分の領域は、上記酸化イリジウム主体コーティング材が表面に被覆されてない陰極Ｋとされている。
　また、陽極板３２は、上記チタン基板の表面全体に酸化イリジウム主体コーティング材が被覆された構造をなしており、該陽極板３２全体が電気分解の際の陽極Ａとして機能する。一方、陰極板３３としては、コーティングが施されていないチタン基板が採用されており、該陰極板３３全体が電気分解の際の陰極Ｋとして機能する。
　なお、上記酸化イリジウム主体コーティング材は、酸化イリジウムの含有量が質量比で５０％以上に設定されており、好ましくは６０％～７０％の範囲に設定されている。これにより、酸化イリジウムによる被覆効果を良好に得ることができる。
　また、酸化イリジウム主体コーティング材には、タンタルが添加されていることが好ましい。さらに、この酸化イリジウム主体コーティング材には、白金が含有されていないことが好ましい。
　ここで、電極支持箱２６内における三種類の電極３０の配列構造について説明する。二極電極板３１、陽極板３２及び陰極板３３はそれぞれ電極支持箱２６内の支持バー２６ａに固定支持されている。
　上記電極３０のうち二極電極板３１は、図２及び図３に示すように、陽極Ａを液入口側に向けるとともに陰極Ｋを液出口側に向けて、その延在方向が海水Ｗの流通方向に沿うように複数配列されている。また、これら二極電極板３１は、上記流通方向に間隔をあけて直列的に配列されることで電極群Ｍを構成している。そして、このような電極群Ｍは、互いに平行をなすように間隔をあけて複数が設けられており、即ち、互いに並列的に複数が設けられている。
　ここで、互いに平行に隣り合う電極群Ｍ同士は、相対的に上記流通方向に二極電極板３１の２分の１ピッチ分だけずれた状態で配置されている。これにより、互いに平行に隣り合う電極群Ｍ同士の二極電極板３１は、陽極Ａと陰極Ｋとが対向状態となる。また、本実施形態においては、図３に示すように、各電極群Ｍにおける上記流通方向に隣り合う二極電極板３１同士の間隔ｄ１は、互いに平行に隣り合う電極群Ｍ同士の間隔、即ち、互いに平行に隣り合う二極電極板３１同士の間隔ｄ２の８倍以上に設定されていることが好ましい。
　一方、二極電極板３１の下流側には、複数の陽極板３２が、海水Ｗの流通方向に沿って互いに平行に配列され、二極電極板３１の上流側には、複数の陰極板３３が、海水Ｗの流通方向に沿って互いに平行に配列されている。
　陽極板３２は、その下流側の端部が一対の端子板２８，２９のうちの下流側にある端子板２９に接続されており、これら陽極板３２の上流側の端部はそれぞれ上記二極電極板３１の陰極Ｋと流通方向に直交する方向に対向している。つまり、陽極板３２の上流側端部と、二極電極板３１の陰極Ｋとは、流通方向に直交する方向から見て重なり合うように互い違いに配置されている。さらに、陰極板３３は、その上流側の端部が一対の端子板２８，２９のうちの上流側にある端子板２８に接続されており、これら陰極板３３の下流側の端部はそれぞれ上記二極電極板３１の陽極Ａと流通方向に直交する方向に対向している。つまり、陰極板３３の下流側端部と、二極電極板３１の陽極Ａとは、流通方向に直交する方向から見て重なり合うように互い違いに配置されている。
　電源装置４０は、海水Ｗの電気分解に供される電流を供給する装置であって、直流電源４１と、定電流制御回路４２とを備えている。直流電源４１は、直流電力を出力する電源であって、例えば交流電源から出力される交流電力を直流に整流して出力してもよい。
　定電流制御回路４２は、直流電源４１から供給される直流電力を定電流として出力する回路であって、電流通電区間の電気抵抗の変化にかかわらず当該電流通電区に所定の定電流を出力可能とされている。即ち、この定電流制御回路４２は、直流電源４１から直流電力が入力された際に、図４に示すように、当該直流電力の電圧値を振れ幅ΔＶの範囲で制御することにより、定電流制御カーブ上の所望の電流値を定電流として出力する。
　このような定電流制御回路４２では、一対のリード線４３，４４を介して陽極Ａが下流側の端子板２９に接続されるとともに陰極Ｋが上流側の端子板２８に接続されている。これにより、定電流制御回路４２において生成される定電流が端子板２８，２９を介して電極３０に通電される。
　ここで、本実施形態の電源装置４０においては、電極３０表面での電流密度が２０Ａ／ｄｍ２～４０Ａ／ｄｍ２、好ましくは２０Ａ／ｄｍ２～３０Ａ／ｄｍ２の範囲になるように、定電流制御回路４２が定電流を生成する。即ち、電解槽本体２０内での電極３０の表面積に応じた定電流を生成して当該定電流を電極３０に供給することにより、電極３０表面での電流密度を２０Ａ／ｄｍ２～４０Ａ／ｄｍ２、好ましくは２０Ａ／ｄｍ２～３０Ａ／ｄｍ２の範囲としている。
　なお、従来から使用されている白金を主体とした複合金属（白金主体コーティング材）をコーティングした電極においては、電流密度の増加に伴って電極の消耗を進行させる酸素やスケールの量も増加するため、該電流密度の最大値を１５Ａ／ｄｍ２程度に設定している。これに対して、本実施形態においては、従来よりも電流密度が高い２０Ａ／ｄｍ２～４０Ａ／ｄｍ２、好ましくは２０Ａ／ｄｍ２～３０Ａ／ｄｍ２の範囲で電気分解を行うこととしている。
　貯留タンク５０は、上記海水電解装置１０における電解槽本体２０の流出口２５から流出する海水Ｗが一時的に貯留されるタンクであって、電解槽本体２０の流出口２５に接続される中間流路５１を介して、内部に海水Ｗが導入される。
　取水部６０は、取水流路６１、第一ポンプ６２、第一流量計６４及び第一開閉制御弁６３を含んでいる。
　取水流路６１は一端が取水用水路１に接続されるとともに他端が海水電解装置１０における電解槽本体２０の流入口２３に接続された流路である。
　第一ポンプ６２は、この取水流路６１の中途に設けられており、当該第一ポンプ６２が取水用水路１の海水Ｗを一定の出力で汲み上げることで、この海水Ｗが上記流入口２３へと導入される。
　第一流量計６４は、取水流路６１の下流側に設けられており、当該取水流路６１を通過する海水Ｗの流量Ｑ１を検出する。
　また、第一開閉制御弁６３は、取水流路６１における第一流量計６４の上流側に設けられた弁であって、第一流量計６４が検出する海水Ｗの流量Ｑ１に基づいて開閉制御される。これによって、取水流路６１及び電解槽本体２０の海水流通領域の面積比に応じて取水路を流通する海水Ｗの流量を調整することで、電解槽本体２０内を流通する海水Ｗの流速を任意に調整することができる。
　本実施形態の海水電解装置１０においては、電解槽本体２０内を流通する海水Ｗの流速が、少なくとも０．７ｍ／ｓ以上となるように第一開閉制御弁６３が制御されることが好ましい。
　なお、第一開閉制御弁６３の開閉制御によって電解槽本体２０内での海水Ｗの流速を調整するだけでなく、例えば第一ポンプ６２の出力を制御することによって電解槽本体２０内での海水Ｗの流速を調整してもよい。
　注水部７０は、注水流路７１、第二ポンプ７２、第二開閉制御弁７３及び第二流量計７４を含んでいる。
　注水流路７１は一端が貯留タンク５０に接続されるとともに他端が取水用水路１に接続された流路である。
　第二ポンプ７２は、この注水流路７１の中途に設けられており、当該第二ポンプ７２が貯留タンク５０内の海水Ｗを一定の出力で送り込むことによって、この海水Ｗが取水用水路１へと導入される。
　第二流量計７４は、注水流路７１における流路の下流側に設けられており、当該注水流路７１を通過する海水Ｗの流量Ｑ２を検出する。
　また、第二開閉制御弁７３は、注水流路７１における第二流量計７４の上流側に設けられた弁であって、第二流量計７４が検出する海水Ｗの流量Ｑ２に基づいて開閉制御される。これによって、取水用水路１に注入される海水Ｗの流量が調整される。なお、第二開閉制御弁７３の開閉制御によって取水用水路１への海水Ｗの注入量を調整するだけでなく、例えば第二ポンプ７２の出力を制御することによって取水用水路１への海水Ｗの注入量を調整してもよい。
　次に、本実施形態の海水電解装置１０の作用、及び、海水電解装置１０を用いた海水Ｗの電解方法について説明する。
　取水用水路１を流通する海水Ｗのうちの一部は、取水部６０によって海水電解装置１０の電解槽本体２０の流入口２３から電解槽本体２０内に導入される。即ち、取水用水路１の海水Ｗが第一ポンプ６２によって取水流路６１内に汲み上げられることで、当該取水流路６１を介して電解槽本体２０内に海水Ｗが導入される。これにより、電解槽本体２０内の電極３０が海水Ｗに浸漬される。この際、第一開閉制御弁６３が第一流量計６４の検出する流量に応じて開閉することで、電解槽本体２０内において流通方向に流通する海水Ｗの流速が所望の値に調整される。
　このように電解槽本体２０内を流通する海水Ｗには、電極３０によって電気分解が施される。即ち、電源装置４０における直流電源４１の直流電力に基づいて定電流制御回路４２にて所望の定電流が生成され、当該定電流がリード線４３，４４を介して端子板２８，２９に供給される。これら端子板２８，２９を介して供給される電流は、電解槽本体２０内を陽極板３２、二極電極板３１、陰極板３３と順次直列に流通していく。
　具体的には、定電流制御回路４２から陽極板３２に流通された電流が、海水Ｗを介して二極電極板３１の陰極Ｋに到達すると、この二極電極板３１内を流通することで当該二極電極板３１の陽極Ａに到達し、その後、この陽極Ａに対向する他の二極電極板３１の陰極Ｋに海水Ｗ内を流通して到達する。このように、電流が陽極板３２から複数の二極電極板３１を順次流通し、最終的には陰極板３３まで流通する。なお、この際の電流の各電極３０表面における電流密度は、定電流制御回路４２によって、２０Ａ／ｄｍ２～４０Ａ／ｄｍ２、好ましくは２０Ａ／ｄｍ２～３０Ａ／ｄｍ２の範囲に制御される。
　このように海水Ｗに通電される電流は、上記定電流制御回路４２の作用により、海水Ｗの電気抵抗の変化にかかわらず、電極３０表面での電流密度が一定とされる。即ち、電解槽本体２０内を流通する海水Ｗはその電気抵抗の値が刻々と変化するが、図４に示すように、定電流制御回路４２が電圧を所定の振れ幅ΔＶで制御することで、電極３０表面での電流密度を一定に保持する。
　上記のように、電極３０間の海水Ｗ内を電流が流通することで海水Ｗに対して電気分解が施される。
　即ち、陽極Ａにおいては、下記（１）式に示すように、海水Ｗ中の塩素イオンから電子ｅが奪われ酸化が起こり、塩素が生成される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 　一方、陰極Ｋにおいては、下記（２）式に示すように、海水Ｗ中の水に電子が与えられて還元が起こり、水酸化イオンと水素ガスが生成される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　また、下記（３）式に示すように、陰極Ｋで生成された水酸化イオンは海水Ｗ中のナトリウムイオンと反応して水酸化ナトリウムが生成される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　さらに、（４）式に示すように、水酸化ナトリウムと塩素とが反応することにより、次亜塩素酸、塩化ナトリウム及び水が生成される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 　このように、海水Ｗの電気分解に基づいて、海洋生成物の付着に対して抑制効果を有する次亜塩素酸が生成される。
　そして、電気分解が施された海水Ｗは、電解槽本体２０の流出口２５から流出し、中間流路５１を通過して貯留タンク５０に一時的に貯留される。その後、貯留タンク５０内の海水Ｗは、注水部７０を介して取水用水路１に注入される。即ち、貯留タンク５０内の次亜塩素酸を含んだ海水Ｗが、第二ポンプ７２が稼動することによって注水流路７１を介して取水用水路１に注入される。この際、第二開閉制御弁７３が第二流量計７４の検出する流量に応じて開閉することで、取水用水路１への次亜塩素酸を含む海水Ｗの流量が調整される。
　ここで、一般に、酸化イリジウム主体コーティング材を被覆した陽極Ａには、電気分解の際に海水Ｗ中に含まれるマンガンイオンに起因したマンガンスケールが付着する。このマンガンスケールの付着によって陽極Ａの消耗が進行してしまい、さらに、電極３０表面の触媒活性が低下するため、塩素発生効率が低下してしまうという不都合が生じる。また、陰極Ｋは、海水Ｗ中に含まれるマグネシウムやカルシウムに起因したスケールが付着し、このスケールによってやはり電極３０の消耗が進行してしまう。
　これに対して、上記実施形態によれば、電極３０表面での電流密度が従来の１５Ａ／ｄｍ２よりも大きい２０Ａ／ｄｍ２以上に設定されているため、電気分解に伴って陰極Ｋで発生する水素ガスの量が従来に比べて増大する。この多量の水素ガスによって、電極３０の洗浄効果が発現されるため、陽極Ａへのマンガンスケールの付着、及び、陰極Ｋでのカルシウム、マグネシウム等のスケールの付着を防止することができる。
　さらに、電極３０表面での電流密度の増加によって、陽極Ａ付近で発生する酸素の量も増大するが、酸化イリジウムは酸素への十分な耐久性を備えているため、当該酸化イリジウムを含むコーティング材で被覆された陽極Ａが酸素によって消耗してしまうことを防止することができる。
　なお、電極３０表面での電流密度が大き過ぎる場合、例えば４０Ａ／ｄｍ２を超える場合には、陽極Ａ及び陰極Ｋでのスケール発生量が水素の洗浄効果の有効な範囲を超えてしまう。これに対して、本実施形態では電流密度の上限を４０Ａ／ｄｍ２としているため、水素により洗浄効果を有効に発現させ、陽極Ａ及び陰極Ｋでのスケールの付着を効果的に防止することができる。また、電流密度の上限を３０Ａ／ｄｍ２とした際には、水素による洗浄効果をより有効に発現させることができ、スケールの付着を効果的に防止することができる。
　このように、本実施形態においては、陽極Ａのコーティング材に酸化イリジウムが含まれ、さらに、電極３０表面での電流密度が２０Ａ／ｄｍ２～４０Ａ／ｄｍ２の範囲、好ましくは２０Ａ／ｄｍ２～３０Ａ／ｄｍ２に設定されているため、水素ガスによる洗浄効果を有効に得ることができる。これによって、電極３０へのスケールの付着を防止することができるため、電極３０の耐久性の向上及び塩素発生効率の低下の抑制を図ることが可能となる。
　したがって、海水電解装置１０のメンテナンス性を向上させることができる他、高い塩素発生効率によって電極３０の数を減らすことができ、装置の小型化を図ることができる。
　また、陽極Ａを被覆する酸化イリジウム主体コーティング材にタンタルの酸化物を添加した場合には、当該タンタルが酸素に対して高い耐久性を発揮するため、陽極Ａ近傍で発生する酸素による電極３０の異常消耗をより一層効果的に防止することができる。
　なお、この酸化イリジウム主体コーティング材に白金を含有させないことにより、コストの低減を図ることができる。
　さらに、本実施形態においては、二極電極板３１を直列的に配置して電極群Ｍを構成するとともにこの電極群Ｍを互いに平行に配列することで、多数の二極電極板３１を集約的に配置しているため、塩素の総発生量を大きく担保しながら装置自体の小型化を図ることができる。
　また、各二極電極板３１は海水Ｗの流通方向に沿って配置されているため、海水Ｗの流通が妨げられることない。これにより、海水Ｗの流速を高く維持することができ、電極３０へのスケール付着の防止効果を有効に得ることができる。
　そして、互いに平行に隣り合う電極群Ｍ同士の陽極Ａ及び陰極Ｋが対向していることから、これら陽極Ａ及び陰極Ｋの間に通電することで、電極３０間を流通する海水Ｗに対して効率的に電気分解を施すことができる。
　ここで、海水Ｗの流通方向に隣り合う二極電極板３１同士の間隔が小さい場合には、これら二極電極板３１同士の間を流通する電流、即ち、電気分解への寄与の小さい迷走電流が発生する。この迷走電流は電極３０表面での電流密度が高くなるほど顕著なものとなり、海水電解効率の低下を招いてしまう。
　これに対して、本実施形態においては、各電極群Ｍにおける流通方向に隣り合う二極電極板３１同士の間隔ｄ１が、互いに平行に隣り合う電極群Ｍ同士の間隔ｄ２の８倍以上に設定されており、即ち、流通方向に隣り合う二極電極板３１同士の間隔の適正化が図られているため、上記迷走電流の発生を抑制し、海水電解効率の低下を防止することができる。
　次に、本発明に係る第二実施形態の海水電解システム１００Ｂについて、図５を参照して説明する。なお、第二実施形態においては、第一実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
　図５に示すように、第二実施形態の海水電解システム１００Ｂは、取水部６０の取水流路６１と注水部７０の注水流路７１との間に、注水流路７１の海水Ｗを取水流路６１に混合させる循環部８０を備えている。この循環部８０は、循環流路８１と、第三流量計８４と、第三開閉制御弁８３を含んでいる。
　循環流路８１は一端が注水流路７１に接続されるとともに他端が取水流路６１に接続された流路である。本実施形態においては、循環流路８１の一端は、注水流路７１における第二ポンプ７２と第二開閉制御弁７３との間に接続されており、該循環流路８１の他端は、取水流路６１における第一ポンプ６２と第一開閉制御弁６３との間に接続されている。
　第三流量計８４は、循環流路８１の中途に設けられており、当該循環流路８１を通過する海水Ｗの流量Ｑ３を検出する。
　また、第三開閉制御弁８３は、循環流路８１における第三流量計８４の下流側に設けられた弁であって、第三流量計８４が検出する海水Ｗの流量Ｑ３に基づいて開閉制御される。これによって、注水流路７１から循環流路８１を介して取水流路６１に循環される海水Ｗの流量を任意に制御することができる。
　このような海水電解システム１００Ｂにおいては、貯留タンク５０に貯留された電気分解後の海水Ｗが第二ポンプ７２によって注水流路７１内に導入されると、当該海水Ｗは循環流路８１の一端が接続された注水流路７１の分岐部において、注水流路７１を流通する海水Ｗと循環流路８１を流通する海水Ｗとに分流する。
　循環流路８１を通過した海水Ｗは、当該循環流路８１の他端にて取水流路６１内に導入される。即ち、循環流路８１を通過した電気分解後の海水Ｗが取水流路６１を通過する電気分解前の海水Ｗに合流し、再度電解槽本体２０内に導入される。この際、第三開閉制御弁８３が第三流量計８４の検出する流量に応じて開閉することで、取水流路６１を流通する海水Ｗに合流する電気分解後の海水Ｗの流量を調整することができる。
　このように、電解槽本体２０の流出口２５から流出した電気分解後の海水Ｗが、循環流路８１を流通することで、電解槽本体２０の流入口２３から再流入する。
　ここで、電気分解後の海水Ｗ内には、電気分解の際に発生したマンガン、マグネシウム、カルシウム等のスケール成分が存在している。このような海水Ｗが再び電解槽本体２０内に導入されることにより、上記スケール成分による種晶効果により、電極３０表面へのスケール付着を防止することができる。即ち、スケール成分が種晶となり、新たに生成されるスケールは当該種晶に付着していくため、電極３０表面へのスケールの析出を回避することができる。これにより、電極３０の耐久性の向上及び塩素発生効率の低下の抑制を図ることが可能となる。
　以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の技術的思想を逸脱しない限り、これらに限定されることはなく、多少の設計変更等も可能である。
　例えば、海水電解システム１００Ｂにおいては、注水部７０から取水用水路１に注入される海水Ｗの次亜塩素酸濃度が概ね２５００ｐｐｍ程度とされていることが好ましい。
　ここで、生成される次亜塩素酸の総量は、電源装置４０から電極３０に供給される電流の総量に概ね比例する。したがって、電極３０に供給した電流量を記録することによって、発生した次亜塩素酸の総量を把握することができる。また、取水用水路１に注入される海水Ｗの次亜塩素酸濃度は、発生した次亜塩素酸の総量を取水用水路１に注入される海水Ｗの流量Ｑ２で割ることによって算出することができる。したがって、次亜塩素酸の総量に応じて、第二開閉制御弁７３を制御して取水用水路１に注入される海水Ｗの流量Ｑ２を決定することにより、当該海水Ｗ内の次亜塩素酸濃度を上記２５００ｐｐｍに容易に調整することができる。
　また、例えば変形例として、図６に示すように、海水電解装置１０が複数の電解槽本体２０を有しており、これら電解槽本体２０同士の流出口２５と前記流入口２３とを接続する接続管８５と、接続管８５内のガスを除去するガス抜き手段としてのガス抜き弁８６とが設けられていてもよい。なお、ガス抜き弁８６は開閉制御可能とされた弁であって、電解槽本体２０内の圧力が所定の高圧に上昇した場合に当該ガス抜き弁８６が開放されて海水Ｗ中のガスが放出される。
　電流密度を高くするほど、陰極Ｋでの水素発生によって液ガス比が低下するため、塩素発生効率が低下してしまうが、上記接続管８５に設けられたガス抜き弁８６によって特に水素ガスを除去することで、電解槽本体２０内を所定の液ガス比以下に抑え、効率低下を防止することができる。
　なお、上記実施形態においては、電極３０として二極電極板３１を用いた例について説明したが、例えば、二極電極板３１を用いず陽極板３２と陰極板３３とを対向配置し、これら陽極板３２と陰極板３３間の海水Ｗに電流を通電してもよい。また、これら陽極板３２と陰極板３３とを交互に配置して、互いに隣り合って対向する陽極板３２と陰極板３３との間の海水Ｗに電流を通電してもよい。
　また、上記実施形態において二極電極板３１は、陽極Ａを液入口側に向けるとともに陰極Ｋを液出口側に向けて配置されているが、陽極Ａを液出口側に向けるとともに陰極Ｋを液入口側に向けて配置してもよい。
　次に、本発明に係る第三実施形態の海水電解システム１００Ｃについて、図７及び図８を参照して説明する。なお、第三実施形態においても、第一実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
　図７に示すように、第三実施形態の海水電解システム１００Ｃは、海水電解装置１０と、取水部６０と、水素分離装置９０と、貯留タンク５０と、注水部７０と、循環部８０とを備えている。取水部６０は、海水電解装置１０に取水用水路１から海水Ｗを導入する。水素分離装置９０は、海水電解装置１０から排出された電解処理水Ｅ中の水素を分離する。貯留タンク５０は、海水電解装置１０にて電気分解された電解処理水Ｅが貯留される。注水部７０は、貯留タンク５０の電解処理水Ｅを取水用水路１に注入する。循環部８０は、電解処理水Ｅを海水電解装置１０に循環させる。取水部６０には淡水化装置６５が設けられている。
　ここで、本実施形態の電源装置４０においては、電極３０表面での電流密度が２０Ａ／ｄｍ２～６０Ａ／ｄｍ２、好ましくは２０Ａ／ｄｍ２～５０Ａ／ｄｍ２の範囲になるように、定電流制御回路４２が定電流を生成する。即ち、電解槽本体２０内での電極３０の表面積に応じた定電流を生成して当該定電流を電極３０に供給することにより、電極３０表面での電流密度を２０Ａ／ｄｍ２～６０Ａ／ｄｍ２、好ましくは２０Ａ／ｄｍ２～５０Ａ／ｄｍ２の範囲としている。
　なお、従来から使用されている白金を主体とした複合金属（白金主体コーティング材）をコーティングした電極においては、電流密度の増加に伴って電極の消耗を進行させる酸素やスケールの量も増加するため、該電流密度の最大値を１５Ａ／ｄｍ２程度に設定している。これに対して、本実施形態においては、従来よりも電流密度が高い２０Ａ／ｄｍ２～６０Ａ／ｄｍ２、好ましくは２０Ａ／ｄｍ２～５０Ａ／ｄｍ２の範囲で電気分解を行うこととしている。
　取水部６０は、取水流路６１、第一ポンプ６２、淡水化装置６５、第一流量計６４、及び第一開閉制御弁６３を含んでいる。
　淡水化装置６５は、逆浸透膜（ＲＯ膜）を利用して海水を淡水（脱塩水）と、濃縮水Ｃに分離する装置である。淡水化装置６５により分離された淡水は、淡水ライン６６を介して淡水タンク（図示せず）に送られ、濃縮水Ｃは、取水流路６１の第一開閉制御弁６３を介して海水電解装置１０に導入される。
　本実施形態の海水電解装置１０においては、電解槽本体２０内を流通する濃縮水Ｃの流速が、少なくとも０．７ｍ／ｓ以上となるように第一開閉制御弁６３が制御されることが好ましい。
　なお、第一開閉制御弁６３の開閉制御によって電解槽本体２０内での濃縮水Ｃの流速を調整するだけでなく、例えば第一ポンプ６２の出力を制御することによって電解槽本体２０内での濃縮水Ｃの流速を調整してもよい。
　水素分離装置９０は、上記海水電解装置１０における電解槽本体２０の流出口２５から流出する電解処理水Ｅに含まれる水素ガスを分離する装置である。図８に示すように、水素分離装置９０は、上部に排気筒９１が設けられた受液槽９２と、中間流路８を介して電解槽本体２０の流出口２５と接続され、受液槽９２の内部上方の気相部９２ａに電解処理水を引き込む導入管９３と、導入管９３の途中に設けられたスプレーノズル９４と、受液槽９２の内部下方の液相部９２ｂに設けられた攪拌機９５とを備えている。
　スプレーノズル９４は、導入管９３に導入された電解処理水Ｅを受液槽９２の内部上方の気相部９２ａに噴射する。攪拌機９５は、スクリュー９６と、このスクリュー９６を回転させるモータ９７とからなり、受液槽９２の液相部９２ｂに溜まった液体を撹拌する。また、受液槽９２の下部には、電解処理水が排出される排出口９８が設けられている。
　貯留タンク５０は、水素分離装置９０における排出口９８から排出される電解処理水Ｅが一時的に貯留されるタンクである。
　循環部８０は、注水流路７１を流れる電解処理水Ｅを取水部６０の取水流路６１に循環させる部位である。この循環部８０は、循環流路８１と、第三流量計８２と、第三開閉制御弁８３を含んでいる。
　循環流路８１は一端が注水流路７１に接続されるとともに他端が取水流路６１に接続された流路である。本実施形態においては、循環流路８１の一端は、注水流路７１における第二ポンプ７２と第二開閉制御弁７３との間に接続されており、該循環流路８１の他端は、取水流路６１における第一開閉制御弁６３と第一流量計６４の間に接続されている。
　第三流量計８２は、循環流路８１の中途に設けられており、当該循環流路８１を通過する電解処理水Ｅの流量Ｑ３を検出する。
　また、第三開閉制御弁８３は、循環流路８１における第三流量計８２の下流側に設けられた弁であって、第三流量計８２が検出する電解処理水Ｅの流量Ｑ３に基づいて開閉制御される。これによって、注水流路７１から循環流路８１を介して取水流路６１に循環される電解処理水Ｅの流量を任意に制御することができる。
　次に、本実施形態の海水電解システム１００Ｃの作用、及び、海水電解システム１００Ｃを用いた海水Ｗの電解方法について説明する。
　取水用水路１を流通する海水Ｗのうちの一部は、取水部６０によって淡水化装置６５に導入される。即ち、取水用水路１の海水Ｗが第一ポンプ６２によって取水流路６１内に汲み上げられることで、当該取水流路６１を介して淡水化装置６５内に海水Ｗが導入される。これにより、海水Ｗは淡水と濃縮水Ｃとに分離される。
　淡水化装置６５は、海水Ｗに圧力をかけてＲＯ膜に通し、海水Ｗの塩分を濃縮して淡水を漉し出す。これにより、海水Ｗの塩化物イオン濃度は、例えば２０，０００ｍｇ／ｌから３０，０００～４０，０００ｍｇ／ｌまで濃縮され、濃縮水Ｃが生成される。淡水は淡水ライン６６を介して淡水を貯留する淡水タンク（図示せず）に送られ、濃縮水Ｃは、取水流路６１を介して電解槽本体２０内に導入される。
　これにより、電解槽本体２０内の電極３０が濃縮水Ｃに浸漬される。この際、第一開閉制御弁６３が第一流量計６４の検出する流量に応じて開閉することで、電解槽本体２０内において流通方向に流通する濃縮水Ｃの流速が所望の値に調整される。
　このように電解槽本体２０内を流通する濃縮水Ｃには、電極３０によって電気分解が施される。即ち、電源装置４０における直流電源４１の直流電力に基づいて定電流制御回路４２にて所望の定電流が生成され、当該定電流がリード線４３，４４を介して端子板２８，２９に供給される。これら端子板２８，２９を介して供給される電流は、電解槽本体２０内を陽極板３２、二極電極板３１、陰極板３３と順次直列に流通していく。
　具体的には、定電流制御回路４２から陽極板３２に流通された電流が、濃縮水Ｃを介して二極電極板３１の陰極Ｋに到達すると、この二極電極板３１内を流通することで当該二極電極板３１の陽極Ａに到達し、その後、この陽極Ａに対向する他の二極電極板３１の陰極Ｋに濃縮水内を流通して到達する。このように、電流が陽極板３２から複数の二極電極板３１を順次流通し、最終的には陰極板３３まで流通する。なお、この際の電流の各電極３０表面における電流密度は、定電流制御回路４２によって、２０Ａ／ｄｍ２～６０Ａ／ｄｍ２、好ましくは２０Ａ／ｄｍ２～５０Ａ／ｄｍ２の範囲に制御される。
　このように濃縮水Ｃに通電される電流は、上記定電流制御回路４２の作用により、濃縮水Ｃの電気抵抗の変化にかかわらず、電極３０表面での電流密度が一定とされる。即ち、電解槽本体２０内を流通する濃縮水Ｃはその電気抵抗の値が刻々と変化するが、図４に示すように、定電流制御回路４２が電圧を所定の振れ幅ΔＶで制御することで、電極３０表面での電流密度を一定に保持する。
　上記のように、電極３０間の濃縮水内を電流が流通することで濃縮水Ｃに対して電気分解が施される。
　即ち、陽極Ａにおいては、第一実施形態における（１）式に示すように、濃縮水Ｃ中の塩化物イオンから電子ｅが奪われ酸化が起こり、塩素が生成される。
　一方、陰極Ｋにおいては、第一実施形態における（２）式に示すように、濃縮水Ｃ中の水に電子が与えられて還元が起こり、水酸化イオンと水素ガスが生成される。
　また、第一実施形態における（３）式に示すように、陰極Ｋで生成された水酸化イオンは濃縮水中のナトリウムイオンと反応して水酸化ナトリウムが生成される。
　さらに、第一実施形態における（４）式に示すように、水酸化ナトリウムと塩素とが反応することにより、次亜塩素酸、塩化ナトリウム及び水が生成される。
　このように、濃縮水Ｃの電気分解に基づいて、海洋生成物の付着に対して抑制効果を有する次亜塩素酸が生成される。
　次亜塩素酸の濃度は、濃縮水Ｃの塩化物イオン濃度が３０，０００～４０，０００ｍｇ／ｌまで高められていることから、２，５００～５，０００ｐｐｍとされることが好ましい。
　そして、電気分解が施された濃縮水Ｃは、水素ガスとともに電解処理水Ｅとして電解槽本体２０の流出口２５から流出し、中間流路８を通過して水素分離装置９０に流入する。
　水素ガス及び電解処理水Ｅからなる気液混合流体は、水素分離装置９０の導入管９３に導入され、スプレーノズル９４によって受液槽９２の気相部９２ａに噴射される。これにより気泡として電解処理水Ｅに混入された水素ガスが脱気処理され、排気筒９１より排気される。
　一方、電解処理水Ｅは、受液槽９２の液相部９２ｂに貯留される。貯留された電解処理水Ｅは攪拌機９５によって攪拌される。即ち、電解処理水Ｅは、モータ９７によって回転するスクリュー９６によって生じた旋回流によって強制的に攪拌される。これにより、電気分解に伴って発生するスケールが、受液槽９２の底部に堆積することが防止される。受液槽９２に一旦貯留された電解処理水Ｅは、受液槽９２の底部に設けられた排出口９８より排出され、貯留タンク５０に導入される。
　貯留タンク５０に一時的に貯留された電解処理水Ｅが第二ポンプ７２によって注水流路７１内に導入されると、電解処理水Ｅは循環流路８１の一端が接続された注水流路７１の分岐部において、注水流路７１を流通する電解処理水Ｅと循環流路８１を流通する電解処理水Ｅとに分流する。
　注水流路７１を流通する電解処理水Ｅは、取水用水路１に注入される。即ち、貯留タンク５０内の次亜塩素酸を含んだ電解処理水Ｅが、第二ポンプ７２が稼動することによって注水流路７１を介して取水用水路１に注入される。この際、第二開閉制御弁７３が第二流量計７４の検出する流量に応じて開閉することで、取水用水路１への次亜塩素酸を含む電解処理水Ｅの流量が調整される。
　ここで、生成される次亜塩素酸の総量は、電源装置４０から電極３０に供給される電流の総量に概ね比例する。したがって、電極３０に供給した電流量を記録することによって、発生した次亜塩素酸の総量を把握することができる。また、取水用水路１に注入される電解処理水Ｅの次亜塩素酸濃度は、発生した次亜塩素酸の総量を取水用水路１に注入される海水Ｗの流量Ｑ２で割ることによって算出することができる。したがって、次亜塩素酸の総量に応じて、第二開閉制御弁７３を制御して取水用水路１に注入される電解処理水Ｅの流量Ｑ２を決定することにより、当該電解処理水Ｅ内の次亜塩素酸濃度を調整することができる。
　一方、循環流路８１を流通する電解処理水Ｅは、当該循環流路８１の他端にて取水流路６１内に導入される。即ち、循環流路８１を通過した電解処理水Ｅが取水流路６１を通過する海水Ｗに合流し、再度電解槽本体２０内に導入される。この際、第三開閉制御弁８３が第三流量計８２の検出する流量に応じて開閉することで、取水流路６１を流通する海水Ｗに合流する電解処理水Ｅの流量を調整することができる。
　このように、電解槽本体２０の流出口２５から流出した電解処理水Ｅが、循環流路８１を流通することで、電解槽本体２０の流入口２３から再流入する。
　上記実施形態によれば、海水電解装置１０に塩化物イオン濃度、電気伝導度を高めた濃縮水Ｃを導入する。さらに、陽極Ａのコーティング材に酸化イリジウムが含まれるため、電極３０表面での電流密度を２０Ａ／ｄｍ２～６０Ａ／ｄｍ２の範囲、好ましくは２０Ａ／ｄｍ２～５０Ａ／ｄｍ２に設定することができ、生成される電解処理水Ｅに含まれる次亜塩素酸の濃度を高めることができる。即ち、電極の単位面積当たりの次亜塩素酸の発生量を増加させることによって、電極面積を低減させることができ、装置の小型化を図ることができる。
　また、河口付近、湾内の海水は、塩化物イオン濃度が通常の海水より薄く、電気伝導度も低いため、電極の異常消耗などにより、運転の安定性が問題となることがあったが、濃縮水Ｃを海水電解装置１０に通すことで、塩素イオン濃度、電気伝導度を高められる為、処理性能の安定化を図ることができる。
　また、上記増大した水素ガスは、水素分離装置９０により脱気されるため、水素ガスが貯留タンク５０を経由して後段の第二ポンプ７２や配管を損傷させることがない。
　また、循環部８０を設けたことで、電気分解の際に発生したマンガン、マグネシウム、カルシウム等のスケール成分が電解処理水Ｅと共に電解槽本体２０内に導入される。このようにスケール成分を含んだ電解処理水Ｅが再び電解槽本体２０内に導入されることにより、上記スケール成分による種晶効果により、電極３０表面へのスケール付着を防止することができる。即ち、スケール成分が種晶となり、新たに生成されるスケールは当該種晶に付着していくため、電極３０表面へのスケールの析出を回避することができる。これにより、電極３０の耐久性の向上及び塩素発生効率の低下の抑制を図ることが可能となる。
　なお、電極３０表面での電流密度が大き過ぎる場合、例えば６０Ａ／ｄｍ２を超える場合には、陽極Ａ及び陰極Ｋでのスケール発生量が水素の洗浄効果の有効な範囲を超えてしまう。これに対して、本実施形態では電流密度の上限を６０Ａ／ｄｍ２としているため、水素により洗浄効果を有効に発現させ、陽極Ａ及び陰極Ｋでのスケールの付着を効果的に防止することができる。また、電流密度の上限を５０Ａ／ｄｍ２とした際には、水素による洗浄効果をより有効に発現させることができ、スケールの付着を効果的に防止することができる。
　このように、本実施形態においては、陽極Ａのコーティング材に酸化イリジウムが含まれ、さらに、電極３０表面での電流密度が２０Ａ／ｄｍ２～６０Ａ／ｄｍ２の範囲、好ましくは２０Ａ／ｄｍ２～５０Ａ／ｄｍ２に設定されているため、水素ガスによる洗浄効果を有効に得ることができる。これによって、電極３０へのスケールの付着を防止することができるため、電極３０の耐久性の向上及び塩素発生効率の低下の抑制を図ることが可能となる。
　したがって、海水電解装置１０のメンテナンス性を向上させることができる他、高い塩素発生効率によって電極３０の数を減らすことができ、装置の小型化を図ることができる。
　なお、上記実施形態においては、電極３０として二極電極板３１を用いた例について説明したが、例えば、二極電極板３１を用いず陽極板３２と陰極板３３とを対向配置し、これら陽極板３２と陰極板３３間の海水Ｗに電流を通電してもよい。また、これら陽極板３２と陰極板３３とを交互に配置して、互いに隣り合って対向する陽極板３２と陰極板３３との間の海水Ｗに電流を通電してもよい。
　また、上記実施形態において二極電極板３１は、陽極Ａを液入口側に向けるとともに陰極Ｋを液出口側に向けて配置されているが、陽極Ａを液出口側に向けるとともに陰極Ｋを液入口側に向けて配置してもよい。
　また、本実施形態においては、海水Ｗを濃縮し濃縮水Ｃを生成する手段として、ＲＯ膜を用いた淡水化装置６５を採用したが、濃縮水Ｃを生成する手段はこれに限ることはなく、例えば蒸留法を用いて海水Ｗを濃縮する方法を採用してもよい。
　また、水素ガスが混入された電解処理水Ｅから水素ガスを分離する方法としては、本実施形態に記載したようなスプレーノズル９４を用いた水素分離装置９０に限ることはなく、気液混合流体を気体と液体に分離することができれば、例えば遠心分離器等を利用した気液分離装置を採用することもできる。
　さらに、気液分離装置としての水素分離装置９０を別途設けることなく、貯留タンク５０に、例えば貯留タンク５０の液相中に空気を供給することにより水素ガスを希釈する気液分離機能を付加することで、水素を分離してもよい。
　また、電極３０表面へのスケール付着が問題とならなければ、循環部８０を設けることなく、全ての電解処理水Ｅを取水用水路１に供給してもよい。
　以下、実施例について説明する。
（塩素発生効率測定試験）
　海水Ｗ及び濃縮水Ｃを電気分解する際における電極表面の電流密度と塩素発生効率との関係を調査する試験を行なった。
　電極面積が５０×５０ｍｍの板状をなす陽極板及び陰極板を用意し、５ｍｍの間隔をあけて対向配置させた。陽極板としては、酸化イリジウム（ＩｒＯ２）を質量比で５０％以上含むコーティング材をチタン基板に被覆したものを使用した。また、陰極板としては、コーティング材を被覆しないチタン基板を使用した。
　海水Ｗの塩化物イオン濃度は、２０，０００ｍｇ／ｌとし、濃縮水Ｃの塩化物イオン濃度は、３０，０００～４０，０００ｍｇ／ｌとした。
　これら陽極板及び陰極板を海水Ｗ及び濃縮水Ｃ中に浸漬し、当該海水Ｗ及び濃縮水Ｃを２５０ｍｌ／ｍｉｎの流量で流通させ、陽極板及び陰極板間に通電することにより電気分解を行った。そして、各電流密度における塩素発生効率を測定した。
　なお、塩素発生効率とは、流通させる電流の電流密度に基づいて理論上発生し得る塩素量に対しての実際に発生する塩素量の比率を意味している。
　この塩素発生効率の測定結果を図９に示す。
　図９に示すように、海水Ｗ、濃縮水Ｃ共に電流密度が２０Ａ／ｄｍ２未満の場合には、電流密度が大きくなるに連れて塩素発生効率が上昇する。
　濃縮なしの海水Ｗの場合、電流密度が２０Ａ／ｄｍ２～３０Ａ／ｄｍ２の際には塩素発生効率は一定となり、電流密度が３０Ａ／ｄｍ２を超えると塩素発生効率が徐々に低下していく。また、電流密度が２０Ａ／ｄｍ２、３０Ａ／ｄｍ２の際の塩素効率は９６％と最も高い値が得られた。
　なお、白金を含むコーティング材を使用した電極において技術常識とされていた電流密度が１５Ａ／ｄｍ２の場合には、塩素発生効率は９３％であった。
　このことから、海水Ｗの場合においても、酸化イリジウムを含むコーティング材を使用した電極においては、電流密度を２０Ａ／ｄｍ２～３０Ａ／ｄｍ２の範囲に設定することにより、高い塩素発生効率を得られることがわかった。これは、発生する水素ガスの量が増大したため、当該水素ガスによる陽極板及び陰極板のスケール洗浄効果が得られたことに起因すると考えられる。
　ここで、電流密度が大きいほど理論上発生し得る塩素の量は増大していく。したがって、塩素発生効率が同じ値を示す場合であっても電流密度が大きい方がより多くの塩素が発生することになる。
　よって、電流密度を４０Ａ／ｄｍ２とした際には、塩素発生効率は９３％と電流密度１５Ａ／ｄｍ２の際と同等の効率を示すが、塩素発生量は電流密度４０Ａ／ｄｍ２の場合の方が電流密度１５Ａ／ｄｍ２の場合に比べて大きなものとなる。したがって、電流密度を４０Ａ／ｄｍ２とすることは、塩素の発生量の観点から有効であると言える。一方、電流密度が４０Ａ／ｄｍ２を超えると、水素ガスの洗浄効果が有効に作用する範囲を超えてしまい、塩素発生効率が１５Ａ／ｄｍ２の場合よりも低下してしまう。したがって、電流密度の上限は４０Ａ／ｄｍ２とすることが好ましく、これにより、塩素発生効率を高く維持しながら、発生する塩素の量を多く確保できることがわかった。
　濃縮水Ｃの場合、電流密度が２０Ａ／ｄｍ２～５０Ａ／ｄｍ２の際に塩素発生効率は一定であり、電流密度が６０Ａ／ｄｍ２の際にも塩素発生効率は、９３％と高い効率を維持していた。
　このことから、濃縮水Ｃの場合には、電流密度を２０Ａ／ｄｍ２～６０Ａ／ｄｍ２の範囲に設定することにより、高い塩素発生効率を得られることがわかり、濃縮なしの場合と比較して、電流密度を高くすることができることがわかった。
　以上のように、塩素発生効率測定試験によって、海水電解装置１０に濃縮水Ｃを導入することによって電気分解の際の電極表面での電流密度を２０Ａ／ｄｍ２～６０Ａ／ｄｍ２、好ましくは２０Ａ／ｄｍ２～５０Ａ／ｄｍ２の範囲に設定することで高い塩素発生効率を得ることができることがわかった。
　なお、電気分解を長時間続けると電極が徐々に消耗していくため、測定結果を示す図９のカーブはより急峻なものになっていくと考えられる。したがって、特に電極が消耗した後には、電流密度を上記範囲に設定することがより一層有効であることが推認できる。
（電解寿命試験結果）
　海水Ｗの電気分解の際の電流密度と触媒保持量との関係を調査する試験を行なった。
　塩素発生効率測定試験と同様、電極面積が５０×５０ｍｍの板状をなす陽極板及び陰極板を用意し、５ｍｍの間隔をあけて対向配置させた。陽極板としては、酸化イリジウム（ＩｒＯ２）を質量比で５０％以上含むコーティング材をチタン基板に被覆したものと、白金（Ｐｔ）を含むコーティング材をチタン基板に被覆したものとの二種類を用いた。また、陰極板としては、コーティング材を被覆しないチタン基板を使用した。
　これら陽極板及び陰極板をそれぞれ海水Ｗ中に浸漬し、当該海水Ｗを２５０ｍｌ／ｍｉｎの流量で流通させ、陽極板及び陰極板間に通電することにより電気分解を行った。そして、各電流密度における触媒保持量を時間とともに測定した。
　なお、触媒保持量とは、電気分解後に保持される電極の触媒量を意味しており、時間とともに触媒保持量が小さくなればそれだけ電極が消耗したことになる。この触媒保持量の測定結果を図１０に示す。
　図１０に示すように、陽極板として白金を含むコーティング材を使用した場合（Ｐｔ／Ｔｉ）には、触媒保持量は時間とともに徐々に低下していき、特に、電流密度が大きいほど、触媒保持量の低下が顕著なものとなることがわかった。
　一方、陽極板として酸化イリジウムを含むコーティング材を使用した場合（ＩｒＯ２）には、時間が経過しても触媒保持量が低下することはなかった。
　これにより、酸化イリジウムを含むコーティング材を使用した陽極板は、白金を含むコーティング材を使用した陽極板に比べて、電極の耐久性が高いことがわかった。
　本発明は、海水に電気分解を施すことで次亜塩素酸を発生させる海水電解装置を備えた海水電解システム、及び海水電解方法に関する。
　本発明によれば、電極へのスケールの付着を防止して、電極の耐久性の向上及び塩素発生効率の低下の抑制を図ることができる。
　Ａ…陽極、Ｋ…陰極、Ｍ…電極群、Ｗ…海水、Ｃ…濃縮水、１０…海水電解装置、２０…電解槽本体、３０…電極、３１…二極電極板、３２…陽極板、３３…陰極板、４０…電源装置、６０…取水部、６５…淡水化装置（濃縮手段）、７０…注水部、８０…循環部、８１…循環流路、９０…水素分離装置（水素分離手段）、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ…海水電解システム。

Claims (18)

  1. 　酸化イリジウムを含むコーティング材を被覆されたチタンからなる陽極と、陰極と、前記陽極および前記陰極を収納する電解槽本体と、前記陽極および前記陰極に通電する電源装置とを備える海水電解装置であって、
    　前記陽極及び前記陰極間に、両極表面の電流密度が２０Ａ／ｄｍ２以上４０Ａ／ｄｍ２以下の範囲に含まれるように通電し、前記電解槽本体内の海水を電気分解する海水電解装置。
  2. 　前記電源装置によって通電される前記陽極及び前記陰極表面の電流密度が２０Ａ／ｄｍ２以上３０Ａ／ｄｍ２以下の範囲に含まれる請求項１に記載の海水電解装置。
  3. 　前記コーティング材に、タンタルの酸化物が添加されている請求項１に記載の海水電解装置。
  4. 　前記電極は、前記海水の流通方向一方側の部分が前記陽極とされるとともに他方側の部分が前記陰極とされた複数の二極電極板を含み、
    　これら二極電極板を前記流通方向に間隔をあけて配列してなる電極群が、互いに平行をなすように複数配置され、
    　互いに平行に隣り合う前記電極群同士の前記二極電極板が、前記陽極と前記陰極とを対向させて配置されている請求項１に記載の海水電解装置。
  5. 　各前記電極群における前記流通方向に隣り合う前記二極電極板同士の間隔が、互いに平行に隣り合う前記電極群同士の間隔の８倍以上に設定されている請求項４に記載の海水電解装置。
  6. 　複数の前記電解槽本体と、
    　これら電解槽本体同士における前記海水の流出口と流入口とを接続する接続管と、
    　該接続管内のガスを除去するガス抜き手段とをさらに備える請求項１に記載の海水電解装置。
  7. 　請求項１から６のいずれか一項に記載の海水電解装置と、
    　前記電解槽本体の流出口から流出する電気分解後の前記海水を、前記電解槽本体の流入口から流入する前の前記海水に混合させる循環流路とを備える海水電解システム。
  8. 　請求項１から６のいずれか一項に記載の海水電解装置を用いた海水電解方法であって、
    　前記電解槽本体に海水を導入し、
    　前記陽極及び前記陰極間に、両極表面の電流密度が２０Ａ／ｄｍ２以上４０Ａ／ｄｍ２以下の範囲に含まれるように通電し、前記電解槽本体内の海水を電気分解する海水電解方法。
  9. 　酸化イリジウムを含むコーティング材を被覆されたチタンからなる陽極と、陰極と、前記陽極および前記陰極を収納する電解槽本体と、前記陽極および前記陰極に通電する電源装置とを有する海水電解装置と、
    　前記電解槽本体に導入されるべき海水中に含まれる塩化物イオンの濃度を高める濃縮手段とを備える海水電解システムであって、
    　前記陽極及び前記陰極間に通電し、前記電解槽本体内の海水を電気分解する海水電解システム。
  10. 　前記電源装置によって通電される前記陽極及び前記陰極表面の電流密度が２０Ａ／ｄｍ２以上６０Ａ／ｄｍ２以下の範囲に含まれる請求項９に記載の海水電解システム。
  11. 　前記電源装置によって通電される前記陽極及び前記陰極表面の電流密度が２０Ａ／ｄｍ２以上５０Ａ／ｄｍ２以下の範囲に含まれる請求項９に記載の海水電解システム。
  12. 　前記電気分解後の海水から、前記陰極において生成された水素ガスを分離する水素分離手段を備えることを特徴とする請求項９に記載の海水電解システム。
  13. 　前記電解槽本体から排出された電気分解後の海水を、前記電解槽本体に導入されるべき海水に混合させる循環流路を備える請求項９に記載の海水電解システム。
  14. 　前記コーティング材に、タンタルの酸化物が添加されている請求項９に記載の海水電解システム。
  15. 　前記電極は、前記海水の流通方向一方側の部分が前記陽極とされるとともに他方側の部分が前記陰極とされた複数の二極電極板を含み、
    　これら二極電極板を前記流通方向に間隔をあけて配列してなる電極群が、互いに平行をなすように複数配置され、
    　互いに平行に隣り合う前記電極群同士の前記二極電極板が、前記陽極と前記陰極とを対向させて配置されていることを特徴とする請求項９に記載の海水電解システム。
  16. 　各前記電極群における前記流通方向に隣り合う前記二極電極板同士の間隔が、互いに平行に隣り合う前記電極群同士の間隔の８倍以上に設定されていることを特徴とする請求項１５に記載の海水電解システム。
  17. 　請求項９から１６のいずれか一項に記載の海水電解装置を用いた海水電解方法であって、
    　電気分解すべき海水中に含まれる塩化物イオンの濃度を高め、
    　塩化物イオン濃度を高めた海水を前記電解槽本体に導入し、
    　前記陽極及び前記陰極間に通電し、前記電解槽本体内の海水を電気分解する海水電解方法。
  18. 　前記電源装置によって通電される前記陽極及び前記陰極表面の電流密度が２０Ａ／ｄｍ２以上６０Ａ／ｄｍ２以下の範囲に含まれる請求項１８に記載の海水電解方法。
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