WO2017013898A1 - 電解セルおよびこの電解セルを備える電解水生成装置 - Google Patents

Abstract

実施形態によれば、電解セルは、電解液室を形成した本体部材（２２）と、本体部材に積層方向に沿って組み付けられ、少なくとも１つの生成室を形成したカバー部材（２４）と、を有する電解容器（１１）と、電解液室と生成水室とを仕切る隔膜と、電解液室を挟んで対向する一対の電極であって、少なくとも一方の電極が前記生成水室に設けられ、前記隔膜および前記生成水室と前記積層方向に並んで設けられた一対の電極（１４、２０）と、を備えている。電解容器の断面の外輪郭は、積層方向に沿って外側に凸となる突部を有している。

Description

電解セルおよびこの電解セルを備える電解水生成装置

　ここで述べる実施形態は、電解セルおよびこの電解セルを備える電解水生成装置に関する。

　次亜塩素酸水やアルカリイオン水などの電解水を電解により生成する電解水生成装置が知られている。このような電解水生成装置としては、１隔膜２室型の電解槽（電解セル）や、２隔膜３室型の電解槽に電解液および水を流水して電解水を生成する流水式の電解水生成装置が提案されている。

特許第３５００１７３号公報

　電解水生成装置に用いられる電解槽あるいは電解セルは、一般に、それぞれ板状に形成した電極、電解液室形成容器、生成水室形成容器を重ねあわせ、これらの周辺をボルトナットで締め付けて固定する構成を用いている。この場合、多数のボルトナットをバランスよく締めこむ煩雑な作業が必要であり、また、電解液室や生成水室への水の供給排出のための配管接続も複雑かつ圧力損失の大きい構成となっていた。更に、板状の電極や生成水室形成容器を積層した構成であるため、積層構成に制約された機能しか発揮できない。

　本実施形態が解決しようとする課題は、組立が容易で給水、排水の圧力損失の小さい電解セル、およびこれを備える電解水生成装置を提供することにある。

　実施形態によれば、電解セルは、電解液室を形成した本体部材と、前記本体部材に積層方向に沿って組み付けられ、少なくとも１つの生成室を形成したカバー部材と、を有する電解容器と、前記電解液室と生成水室とを仕切る隔膜と、前記電解液室を挟んで対向する一対の電極であって、少なくとも一方の電極が前記生成水室に設けられ、前記隔膜および前記生成水室と前記積層方向に並んで設けられた一対の電極と、を備え、前記電解容器の断面の外輪郭は、前記積層方向に沿って外側に凸となる突部を有している。

図１は、第１の実施形態に係る電解水生成装置を概略的に示す図。 図２は、第１の実施形態に係る電解水生成装置の電解槽を示す斜視図。 図３は、前記電解槽の分解斜視図。 図４は、図２の線Ａ－Ａに沿った前記電解槽の横断面図。 図５は、図２の線Ｂ－Ｂに沿った前記電解槽の縦断面図。 図６は、第２の実施形態に係る電解水生成装置を概略的に示す図。 図７は、第２の実施形態に係る電解水生成装置の電解槽を示す斜視図。 図８は、前記電解槽の分解斜視図。 図９は、図７の線Ｃ－Ｃに沿った前記電解槽の横断面図。 図１０は、第３の実施形態に係る電解水生成装置を概略的に示す図。 図１１は、第４の実施形態に係る電解水生成装置を概略的に示す図。

　以下に、図面を参照しながら、種々の実施形態について説明する。なお、実施形態を通して共通の構成には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。また、各図は実施形態とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所があるが、これらは以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変更することができる。

　（第１の実施形態）　
　図１は、第１の実施形態に係る電解水生成装置全体の構成を概略的に示す図である。電解水生成装置は、例えば、塩水を電解することで陽極側に次亜塩素酸水、陰極側に水酸化ナトリウム水を生成する装置である。次亜塩素酸水は各種消毒などに用いられ、水酸化ナトリウム水は各種洗浄などに用いられる。

　図１に示すように、電解水生成装置は、電解セルを構成する、いわゆる３室型の電解槽（電解容器）１１を備えている。後で詳細に述べるように、電解槽１１は、構成要素の積層方向に外輪郭が凸となる突部を有する形状、例えば、横断面が円形の円筒形状に形成されている。電解槽１１の内部は、陰イオン交換膜（第１隔膜）１６および陽イオン交換膜（第２隔膜）１８により、電解液室１５ａと、電解液室１５ａの両側に位置する陽極室（第１生成水室）１５ｂおよび陰極室（第２生成水室）１５ｃとに仕切られている。陽極室１５ｂ内に陽極（第１電極）１４が設けられ、陰イオン交換膜１６に対向している。陰極室１５ｃ内に陰極（第２電極）２０が設けられ、陽イオン交換膜１８に対向している。陽極１４および陰極２０は、ほぼ等しい大きさの矩形板状に形成され、電解液室１５ａを挟んで、互いに対向している。

　電解水生成装置は、電解槽１１の電解液室１５ａに電解液、例えば、飽和食塩水を供給する電解液供給部１９と、陽極室１５ｂおよび陰極室１５ｃに電解原水、例えば、水を供給する水供給部２１と、電源４５を有し、陽極１４および陰極２０に正電圧および負電圧をそれぞれ印加する電流供給部２３と、を備えている。

　電解液供給部１９は、飽和食塩水を生成する塩水タンク２５と、塩水タンク２５から電解液室１５ａの下部に飽和食塩水を導く供給配管１９ａと、供給配管１９ａ中に設けられた送液ポンプ２９と、電解液室１５ａ内を流れた電解液を電解液室１５ａの上部から塩水タンク２５に送る循環配管１９ｂと、を備えている。

　水供給部２１は、水を供給する図示しない給水源と、給水源から陽極室１５ｂの下部および陰極室１５ｃの下部に水を導く給水配管２１ａと、給水配管２１ａの上流部に設けられた電磁弁１２と、を備えている。

　電解水生成装置は、陽極室１５ｂで生成された酸性水（陽極生成物質）を陽極室１５ｂの上部から排出する第１排水配管２１ｂと、陰極室１５ｃで生成されたアルカリ性水（陰極生成物質）を陰極室１５ｃの上部から排出する第２排水配管２１ｃと、第２排水配管２１ｃ中に設けられた気液分離器２７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、食塩水を電解して酸性水（次亜塩素酸および塩酸）とアルカリ性水（水酸化ナトリウム）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２９を作動させ、電解槽１１の電解液室１５ａに飽和食塩水を供給するとともに、陽極室１５ｂおよび陰極室１５ｃに水を給水する。同時に、電源４５から正電圧および負電圧（電解電流）を陽極１４および陰極２０にそれぞれ印加する。電解液室１５ａへ流入した塩水中において電離しているナトリウムイオンは、陰極２０に引き寄せられ、陽イオン交換膜１８を通過して、陰極室１５ｃへ流入する。そして、陰極室１５ｃにおいて、陰極２０で水が分解され水素ガスを生じるとともに水酸化ナトリウム水溶液を得る。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、陰極室１５ｃから第２排水配管２１ｃに流出し、気液分離器２７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。分離された水酸化ナトリウム水溶液（アルカリ性水）は、第２排水配管２１ｃを通って排出される。

　また、電解液室１５ａ内の塩水中において電離している塩素イオンは、陽極１４に引き寄せられ、陰イオン交換膜１６を通過して、陽極室１５ｂへ流入する。そして、陽極１４にて塩素イオンが還元され塩素ガスが発生する。その後、塩素ガスは陽極室１５ｂ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水（次亜塩素酸および塩酸）は、陽極室１５ｂから第１排水配管２１ｂを通って排水する。生成された陽極水（次亜塩素酸水）と陰極水（水酸化ナトリウム水）は、別々に排水して図示しないタンクなどに貯水して活用する。

　次に、電解セルを構成する電解槽（電解容器）１１の一構成例を詳細に説明する。図２は、電解槽の斜視図、図３は電解槽の分解斜視図、図４は図２の線Ａ－Ａに沿った電解槽の横断面図、図５は図２の線Ｂ－Ｂに沿った電解槽の縦断面図である。　
　図２ないし図５に示すように、電解槽１１は、本体部材としての中間フレーム２２、カバー部材としての陽極カバー２４、および第２カバー部材としての陰極カバー２６を有し、これらを互いに嵌合することにより、全体として、軸方向両端が閉塞したほぼ円筒形状の外観を成している。

　中間フレーム２２は、細長い矩形枠状に形成されている。中間フレーム２２は、その内周面により電解液室１５ａを形成している。本実施形態において、中間フレーム２２の内側に、補強板１３が設けられ、中間フレーム２２と同軸的に延在している。また、中間フレーム２２の軸方向の下端に、電解液室１５ａに連通する第１流入口ソケット３４ａが突設され、軸方向の上端に、電解液室１５ａに連通する第１流出口ソケット３６ａが突設されている。第１流入口ソケット３４ａおよび第１流出口ソケット３６ａは、それぞれ電解槽１１の軸方向と平行に延びる細長いスリーブで形成され、配管を接続するための配管接続部を構成している。

　陽極カバー２４は、ほぼＵ字形状の横断面を有するほぼ半円筒形状に形成され、円弧状の外周壁２４ａと、内側に位置する矩形状の凹所２４ｂとを有している。陽極カバー２４は、凹所２４ｂを除いて軸方向の上端を覆う上端壁２４ｃと、軸方向下端を閉塞する下端壁２４ｄと、を一体に有している。陽極カバー２４は、その内面により凹所に対向する陽極室１５ｂを形成している。下端壁２４ｄに、陽極室１５ｂに連通する第２流入口ソケット３４ｂが形成され、上端壁２４ｃに陽極室１５ｂに連通する第２流出口ソケット３６ｂが設けられている。第２流入口ソケット３４ｂおよび第２流出口ソケット３６ｂは、それぞれ電解槽１１の軸方向と平行に延びる細長いスリーブで形成され、配管を接続するための配管接続部を構成している。また、下端壁２４ｄに切欠き２５が形成されている。

　陰極カバー２６は、細長い皿状に形成され、円弧状の周壁２６ａ、一対の対向する側壁２６ｂ、上端壁２６ｃ、および下端壁２６ｄを有している。一対の側壁の間隔は、陽極カバー２４の凹所２４ｂの幅に対応している。陰極カバー２６はその内面により陰極室１５ｃを形成している。下端壁２６ｄに、陰極室１５ｃに連通する第３流入口ソケット３４ｃが形成され、上端壁２６ｃに、陰極室１５ｃに連通する第３流出口ソケット３６ｃが設けられている。第３流入口ソケット３４ｃおよび第３流出口ソケット３６ｃは、それぞれ電解槽１１の軸方向と平行に延びる配管接続部を構成している。

　陰イオン交換膜１６および陽イオン交換膜１８は、それぞれ中間フレーム２２とほぼ等しい外径を有し、膜厚が約１００～２００μｍ程度の薄い矩形平板状に形成されている。陰イオン交換膜１６および陽イオン交換膜１８は、特定のイオンのみを通過させる特性を有している。

　陽極１４は、厚さ１ｍｍ程度の金属製の平板で形成され、中間フレーム２２の外径とほぼ同一の外径を有する矩形状に形成されている。陽極１４の中央部（有効領域）には液体を通過させるための微細な貫通孔が形成されている。陽極１４は、その一端、例えば、上端、から突出する接続端子１４ｂを有している。接続端子１４ｂは電源４５に接続される。

　陰極２０は、厚さ１ｍｍ程度の金属製の平板で形成され、中間フレーム２２の外径とほぼ同一の外径を有する矩形状に形成されている。陰極２０の中央部（有効領域）には液体を通過させるための微細な貫通孔が形成されている。陰極２０は、その一端、例えば、上端、から突出する接続端子２０ｂを有している。接続端子２０ｂは電源４５に接続される。

　上記の構成要素は、互いに組み合わされ、全体として円筒形状の電解槽１１を構成する。すなわち、中間フレーム２２は、陽極カバー２４の凹所２４ｂに嵌合され、陽極カバー２４と平行に位置する。中間フレーム２２の一方の開口は、陽極室１５ｂに平行に対向する。更に、中間フレーム２２の両側壁および下端壁は、陽極カバー２４で覆われる。中間フレーム２２の上端壁は、陽極カバー２４の上端壁２４ｃと同一平面に位置する。中間フレーム２２の第１流入口ソケット３４ａは、陽極カバー２４の切欠き２５を通して下方に突出する。

　中間フレーム２２と陽極カバー２４との間に陰イオン交換膜１６が配置され、電解液室１５ａと陽極室１５ｂを隔てている。陽極１４は、陰イオン交換膜１６と陽極カバー２４との間に配置され、陽極室１５ｂに対面しているとともに陰イオン交換膜１６に近接対向している。更に、陽極１４の周縁部と陽極カバー２４との間に矩形枠状のシール材４０ａが配置される。

　陰極カバー２６は陽極カバー２４の凹所２４ｂに外側から嵌合され、陽極カバー２４および中間フレーム２２と平行に位置する。陰極室１５ｃは中間フレーム２２の他側開口に隣接対向している。陰極カバー２６の両側壁２６ｂおよび下端壁２６ｄは、陽極カバー２４で覆われる。陰極カバー２６の周壁２６ａは、陽極カバー２４の周壁２４ａと面一に連続して位置し、これにより、円筒形状の一部を形成している。陰極カバー２６の上端壁２６ｃは、陽極カバー２４の上端壁２４ｃと同一平面に位置する。陰極カバー２６の第３流入口ソケット３４ｃは、陽極カバー２４の切欠き２５を通して下方に突出する。

　中間フレーム２２と陰極カバー２６との間に陽イオン交換膜１８が配置され、電解液室１５ａと陰極室１５ｃを隔てている。陰極２０は、陽イオン交換膜１８と陰極カバー２６との間に配置され、陰極室１５ｃに対面しているとともに陽イオン交換膜１８に近接対向している。更に、陰極２０の周縁部と陰極カバー２６との間に矩形枠状のシール材４０ｂが配置される。

　電解槽１１の外周部には、締付け部材として、例えば、弾性に富む複数のゴムバンド５０が全周に亘って巻装あるいは装着されている。ゴムバンド５０は、電解槽１１の軸方向に適当な間隔を置いて装着される。これらのゴムバンド５０の収縮力により、電解槽１１の各構成部材の周縁部同士が互いに圧接され、電解液室１５ａ、陽極室１５ｂ、第１陰極室３０ａおよび第２陰極室３０ｂの水密性を保持している。なお、シール材４０ａ、４０ｂは、ゴムバンド５０の収縮力により圧縮され、各部材間を液密にシールする。

　第１、第２、第３流入口ソケット３４ａ、３４ｂ、３４ｃは、電解槽１１の中心軸と平行な方向に沿って、電解槽１１の下端から下方に延出している。同様に、第１、第２、第３流出口ソケット３６ａ、３６ｂ、３６ｃは、電解槽１１の中心軸と平行な方向に沿って、電解槽１１の上端から上方に延出している。このように、円筒形状の電解槽１１の軸方向両端に配置されたソケットは、円筒断面の内側に集約して配置され、締付け部材を組立てる上で邪魔にならないようにしている。

　第１、第２、第３流入口ソケット３４ａ、３４ｂ、３４ｃには、供給配管１９ａ、給水配管２１ａがそれぞれ接続される。第１、第２、第３流出口ソケット３６ａ、３６ｂ、３６ｃには、循環配管１９ｂ、第１排水配管２１ｂ、第２排水配管２１ｃがそれぞれ接続される。

　このように、陽極カバー２４、陽極１４、陰イオン交換膜１６、中間フレーム２２、陽イオン交換膜１８、陰極２０、および陰極カバー２６は、陽極１４および陰極２０と交差する方向、例えば、直交するＤ方向、ここで、円筒の径方向（直径方向）に、積層あるいは重ね合わされている。すなわち、陽極１４、陰イオン交換膜１６、中間フレーム２２、陽イオン交換膜１８、陰極２０、および陰極カバー２６は、陽極カバーに対して、Ｄ方向に変位可能に組みつけている。そして、陽極カバー２４および陰極カバー２６は、電極１４、２０およびイオン交換膜１６、１８に対して、積層方向Ｄに凸となるように湾曲した、あるいは、突出した突部を有する外輪郭形状に形成されている。本実施形態では、電解槽１１は円筒形状に形成され、陽極カバー２４の外周面および陰極カバー２６の外周面は、電極およびイオン交換膜に対して、積層方向Ｄに凸となる円弧の突部を形成している。そのため、電解槽１１の外周に装着されたゴムバンド５０等の締付け部材により、各構成要素を積層方向Ｄに押圧し容易にかつ確実に締め付けることができる。

　以上のように構成された電解槽１１およびこれを備える電解水生成装置によれば、電解槽１１の各室が円筒の軸方向（長手方向）に延びた構造を成し、かつ、給水および排水がこの軸方向に並行して設置されている。そのため、水を流す上で流水断面を確保し易く、かつ折れ曲がりなどが無いため、流水の圧力損失を極めて小さくすることができる。このため、小さい供給水圧でも電解槽１１に流せる流量を大きくすることができる。また、電解槽１１の外観が円筒形状であり、締付け部材を巻くことで用意にバランスよく水密に締め付けることができ、かつ、電解槽１１内の水圧が上がった場合でも、円形断面であるがゆえに電解槽の歪みを小さく抑えることができる。　
　以上のことから、本実施形態によれば、組立て性が向上するとともに、流水による圧力損失を抑制し低圧力でも大流量の電解水を供給することができる電解セル、およびこれを備えた電解水生成装置が得られる。

　なお、上述の作用効果は、電解槽１１が筒状あるいは円筒形状の場合に限るものではなく、横断面が楕円形でも丸みを帯びた矩形とした場合でも得ることができる。すなわち、従来の板状部品を積層し周辺をボルトナットで締結する構成に対して、電解槽の断面自体を狭めることで締結できる膨らんだ断面形状であればよい。また、構成部材の積層方向に凸となる外輪郭を有する形状であれば、種々の形状を適用することができる。締付け部材は、ゴムバンドに限るものではなく、熱収縮チューブや結束バンドのように電解槽の断面を狭める方向に締め付け可能な構造の部品を締付部品として用いることができる。

　電解液は塩水、生成水は次亜塩素酸水としたが、これらに限定されることなく、種々の電解液、生成水を適用することができる。上述した第１の実施形態では、２隔膜３室型の電解槽を用いているが、電解槽は、これに限らず、１隔膜２室型の構成としてもよい。更に、電解槽は、３室以上の生成水室を有する構成としてもよい。

　次に、他の実施形態に係る電解水生成装置について説明する。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。

　（第２の実施形態）
　図６は、第２の実施形態に係る電解水生成装置全体の構成を概略的に示す図である。第２の実施形態によれば、電解水生成装置の電解槽（電解セル、電解容器）１１は、第１生成水室および第２生成水室に加えて第３生成水室を備えている。電解槽１１は、ほぼ円筒形状に形成され、その内部は、後述する２枚の陰イオン交換膜（第１隔膜）１６ａ、１６ｂ、および陽イオン交換膜（第２隔膜）１８により、電解槽１１の中央部に形成された略三角柱状を成した電解液室１５ａと、電解液室１５ａの周囲に形成された３つの同じ形状の第１、第２、第３生成水室と、に仕切られている。本実施形態によれば、第１および第２生成室は、第１の実施形態と同様に、陽極室１５ｂおよび陰極室１５ｃを構成し、更に、第３生成水室は、陽極室１５ｂと同じ構成の第２陽極室１５ｄを構成している。第２陽極室１５ｄは第１生成室（陽極室１５ｂ）に直列に配管接続している。

　陽極室１５ｂ内に第１陽極１４が設けられ、陰イオン交換膜１６ａに対向している。陰極室１５ｃ内に陰極２０が設けられ、陽イオン交換膜１８に対向している。第２陽極室１５ｄ内に第２陽極１７が設けられ、陰イオン交換膜１６ｂに対向している。第１、２陽極１４、１７と陰極２０は、ほぼ等しい大きさの矩形板状に形成され、電解液室１５ａを挟んで、互いに対向している。

　電解水生成装置は、電解槽１１の電解液室１５ａに電解液、例えば、飽和食塩水を供給する電解液供給部１９と、陰極室１５ｃおよび第２陽極室１５ｄに電解原水、例えば、水を供給する水供給部２１と、電源４５を有し、第１、第２陽極１４、１７および陰極２０に正電圧および負電圧をそれぞれ印加する電流供給部２３と、を備えている。更に、電解水生成装置は、第２陽極室１５ｄで生成された酸性水（陽極生成物質）を陽極室１５ｂに導く接続配管５４と、陽極室１５ｂで生成された酸性水（陽極生成物質）を陽極室１５ｂの上部から排出する第１排水配管２１ｂと、陰極室１５ｃで生成されたアルカリ性水（陰極生成物質）を陰極室１５ｃの上部から排出する第２排水配管２１ｃと、第２排水配管２１ｃ中に設けられた気液分離器２７と、を備えている。

　次に、電解槽１１の構成を詳細に説明する。図７は電解槽の斜視図、図８は電解槽の分解斜視図、図９は図７の線Ｃ－Ｃに沿った電解槽の断面図である。　
　図７ないし図９に示すように、電解槽１１は、軸方向両端が閉塞したほぼ円筒形状の中間フレーム（本体部材）２２を有している。中間フレーム２２の中央部に、電解液室１５ａが形成され、中間フレーム２２の軸方向全長に亘って延びている。中間フレーム２２の外周部に、それぞれ矩形状の３つの凹所５８ａ、５８ｂ、５８ｃが形成され、中間フレームの外周面に開口している。これらの凹所５８ａ、５８ｂ、５８ｃは、中間フレーム２２の円周方向に等間隔で設けられている。各凹所は、中間フレーム２２の軸方向全長に亘って延びているとともに、中間フレーム２２の外周から中心に向かって、径方向に深さ（奥行き）を有している。

　電解槽１１は、中間フレーム２２の３つの凹所５８ａ、５８ｂ、５８ｃに外側から中心に向かって嵌合された第１カバー（第１陽極カバー）６０ａ、第２カバー（陰極カバー）６０ｂ、および第３カバー（第２陽極カバー）６０ｃを有している。第１カバー６０ａ、第２カバー６０ｂ、第３カバー６０ｃは、電解液室１５ａの３面に対向して配置されている。第１、第２、第３カバー６０ａ、６０ｂ、６０ｃは、互いに同形状を成し、例えば、円弧状の外周面および電解液室１５ａに向かって開口する矩形状の開口を有する形状に形成されている。第１、第２、第３カバー６０ａ、６０ｂ、６０ｃの外周面は、中間フレーム２２の外周面と面一に連続し、円筒形状の一部をそれぞれ構成している。このように、第１、第２、第３カバー６０ａ、６０ｂ、６０ｃは、後述する電極および隔膜に対して積層方向Ｄに凸となる湾曲した突部（外周面）を形成している。

　第１カバー６０ａはその内面に形成された凹所により陽極室１５ｂを形成し、第２カバー６０ｂはその内面に形成された凹所により陰極室１５ｃを形成し、第３カバー６０ｃはその内面に形成された凹所により第２陽極室１５ｄを形成している。陽極室１５ｂ、陰極室１５ｃ、および第２陽極室１５ｄは、電解槽１１内において、それぞれ軸方向と平行に延在している。

　電解液室１５ａと第１カバー６０ａとの間に、第１隔膜として陰イオン交換膜１６ａが配置され、電解液室１５ａと陽極室１５ｂを隔てている。第１陽極１４は、陽極室１５ｂ内に設けられ、陰イオン交換膜１６に近接、対向している。更に、第１陽極１４の周縁部と第１カバー６０ａとの間に、水漏れを防止するためのシール材４０が配置されている。シール材４０は、電極の外径とほぼ等しい外径の矩形枠形状を有し、例えば、厚さ１ｍｍ程度の弾性に富むゴム材で形成されている。第１カバー６０ａ、シール材４０、第１陽極１４、陰イオン交換膜１６ａは、第１陽極１４と直交する積層方向（中間フレーム２２の径方向）Ｄに積層されている。

　電解液室１５ａと第２カバー６０ｂとの間に第２隔膜として陽イオン交換膜１８が配置され、電解液室１５ａと陰極室１５ｃを隔てている。陰極２０は、陰極室１５ｃ内に設けられ、陽イオン交換膜１８に近接、対向している。更に、陰極２０の周縁部と第２カバー６０ｂとの間に矩形枠状のシール材４０が配置される。第２カバー６０ｂ、シール材４０、陰極２０、陽イオン交換膜１８は、陰極２０と直交する積層方向（中間フレーム２２の径方向）Ｄに積層されている。

　電解液室１５ａと第３カバー６０ｃとの間に、第１隔膜として陰イオン交換膜１６ｂが配置され、電解液室１５ａと第２陽極室１５ｄを隔てている。第２陽極１７は、第２陽極室１５ｄ内に設けられ、陰イオン交換膜１６ｂに近接、対向している。更に、第２陽極１７の周縁部と第３カバー６０ｃとの間に矩形枠状のシール材４０が配置される。第３カバー６０ｃ、シール材４０、第２陽極１７、陰イオン交換膜１６ａは、第２陽極１７と直交する積層方向（中間フレーム２２の径方向）Ｄに積層されている。

　陰イオン交換膜１６ａ、１６ｂおよび陽イオン交換膜１８は同形状、例えば、細長い矩形状を成し、膜厚が約１００～２００μｍ程度に形成されている。陰イオン交換膜１６ａ、１６ｂおよび陽イオン交換膜１８は、特定のイオンのみを通過させる特性を有している。陰イオン交換膜１６ａ、１６ｂおよび陽イオン交換膜１８は、中間フレーム２２の一面に対向して配置され、その周縁部は、中間フレーム２２に密着している。なお、第１隔膜および第２隔膜は、イオン交換膜に限らず、透水性を有する多孔質膜を用いてもよい。

　第１および第２陽極１４、１７並びに第２陰極２０は同一形状を成し、例えば、厚さ１ｍｍ程度の金属製の矩形平板で形成され、前述したイオン交換膜の外径とほぼ同一の外径を有している。第１、第２陽極１４、１７および陰極２０の各々の中央部（有効領域）には液体を通過させるための多数の微細な貫通孔が形成されている。第１陽極１４、第２陽極１７および陰極２０は、それぞれ、その長手方向一端から突出する接続端子１４ｂ、１７ｂ、２０ｂを有している。第１陽極１４の接続端子１４ｂおよび第２陽極１７の接続端子１７ｂは電源４５のプラス側にそれぞれ接続される。陰極２０の接続端子２０ｂは、電源４５のマイナス側に接続される。

　中間フレーム２２の軸方向の下端に、電解液室１５ａに連通する第１流入口ソケット３４ａが突設され、軸方向の上端に、電解液室１５ａに連通する第１流出口ソケット３６ａが突設されている。　
　第１カバー６０ａの軸方向の下端に、陽極室１５ｂに連通する第２流入口ソケット３４ｂが形成され、軸方向の上端に、陽極室１５ｂに連通する第２流出口ソケット３６ｂが設けられている。同様に、第２カバー６０ｂの軸方向の下端に、陰極室１５ｃに連通する第３流入口ソケット３４ｃが形成され、軸方向の上端に、陰極室１５ｃに連通する第３流出口ソケット３６ｂが設けられている。第３カバー６０ｃの軸方向の下端に、第２陽極室１５ｄに連通する第４流入口ソケット３４ｄが形成され、軸方向の上端に、第２陽極室１５ｄに連通する第４流出口ソケット３６ｄが設けられている。

　図７に示すように、電解槽１１の外周部には、締付け部材として、例えば、弾性に富む複数のゴムバンド５０が装着されている。ゴムバンド５０は、電解槽１１の軸方向に適当な間隔を置いて装着される。これらのゴムバンド５０の収縮力により、電解槽１１の各構成部材の周縁部同士が互いに圧接され、電解液室１５ａ、陽極室１５ｂ、陰極室１５ｃ、および第２陽極室１５ｄの水密性を保持している。なお、シール材４０は、ゴムバンド５０の収縮力により圧縮され、各部材間を液密にシールする。

　第１～第４流入口ソケット３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄは、電解槽１１の中心軸と平行な方向に沿って、電解槽１１の下端から下方に延出している。同様に、第１ないし第４流出口ソケット３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄは、電解槽１１の中心軸と平行な方向に沿って、電解槽１１の上端から上方に延出している。このように、円筒形状の電解槽１１の軸方向両端に配置されたソケットは、円筒断面の内側に集約して配置され、締付け部材５０を組立てる上で邪魔にならないようにしている。

　第１、第２、第３、第４流入口ソケット３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄには、供給配管１９ａ、接続配管５４、給水配管２１ａがそれぞれ接続される。第１、第２、第３、第４流出口ソケット３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄには、循環配管１９ｂ、第１排水配管２１ｂ、第２排水配管２１ｃ、接続配管５４がそれぞれ接続される。

　以上のように構成された第２の実施形態に係る電解水生成装置によれば、電解槽１１の生成水室を３室とし、２室を陽極室、１室を陰極室としている。また、電解槽１１は、陰極２０の面積に対して、２倍（２枚）の陽極面積を有する構成としている。これは、塩水から次亜塩素酸水を生成する電解水生成装置においては、陰極はＴｉ材料でよく寿命も長いが、陽極はイリジウム酸化物などを触媒として形成する必要があり、この触媒寿命が電流密度により短くなることを勘案したものである。本実施形態のように陽極面積を大きく設定することにより、陽極の電流密度を低下させ、陽極触媒の寿命を長くすることができる。

　なお、第１陽極室１５ｂおよび第２陽極室１５ｄは直列に配管接続したが、これに限らず、２つの陽極室を並列に接続してもよい。また、陽極触媒寿命以外の要因で陰極面積を増やした方が利点が得られる場合は、陰極室を２つにする構成としてもよい。また、本実施形態では同じ面積の生成室を陽極室で２室、陰極室で１室というように室数で変えたが、それぞれの生成室の面積を変えてもよい。従来の板を積層する構造では面積を変えることは難しいが、本実施形態の電解槽構造であれば生成室の室数だけでなく各生成室の面積を変えて設定することもできる。

　第２の実施形態においては、電解槽１１の第１、第２、第３カバー６０ａ、６０ｂ、６０ｃは同一形状に形成され、また、第２陽極１４、第２陽極１７、陰極２０は同一形状に形成され、更に、複数のシール材４０も同一形状に形成されている。そのため、これらの部材をそれぞれ共通の型で成形することができ、製造コストの低減を図ることができる。

　本実施形態では、電解槽１１は円筒形状に形成され、第１、第２、第３カバー６０ａ、６０ｂ、６０ｃは、電極およびイオン交換膜に対して、積層方向Ｄに凸となる円弧に形成されている。そのため、電解槽１１の外周に装着されたゴムバンド５０等の締結部材により、各構成要素を積層方向Ｄに押圧し容易にかつ確実に締め付けることができる。従って、ボルト止め、ねじ止め等に比較して、電解槽の組立て性を向上することができる。

　更に、電解槽１１の各室が円筒の軸方向（長手方向）に延びた構造を成し、かつ、給水および排水がこの軸方向に並行して設置されている。そのため、水を流す上で流水断面を確保し易く、かつ折れ曲がりなどが無いため、流水の圧力損失を極めて小さくすることができる。このため、小さい供給水圧でも電解槽１１に流せる流量を大きくすることができる。また、電解槽１１の外観が円筒形状であり、締付け部材を巻くことで用意にバランスよく水密に締め付けることができ、かつ、電解槽１１内の水圧が上がった場合でも、円形断面であるがゆえに電解槽の歪みを小さく抑えることができる。　
　以上のことから、本実施形態によれば、組立て性が向上するとともに、流水による圧力損失を抑制し低圧力でも大流量の電解水を供給することができる電解セル、およびこれを備えた電解水生成装置が得られる。

　なお、上述の作用効果は、電解槽１１が円筒形状の場合に限るものではなく、横断面が楕円形でも、角が丸みを帯びた三角形、矩形、多角形とした場合でも得ることができる。すなわち、電解槽の断面自体を狭めることで締結できる膨らんだ断面形状であればよい。また、構成部材の積層方向に凸となる外輪郭を有する形状であれば、種々の形状を適用することができる。締付け部材は、ゴムバンドに限るものではなく、収縮チューブや結束バンドのように電解槽の断面を狭める方向に締め付け可能な構造の部品を締付部品として用いることができる。

　実施形態では３つの生成水室としたが、これに限らず、生成水室は４以上設けてもよい。この場合、電解液室を中心にその周囲に複数の生成水室を配置すればよい。また、生成水室を同じ形状で配置したが、各生成水室の形状が互いに異なる構成としてもよい。電解液は塩水、生成水は次亜塩素酸水としたが、これらに限定されることなく、種々の電解液、生成水を適用することができる。

　（第３の実施形態）　
　図１０は、第３の実施形態に係る電解水生成装置を概略的に示す図である。　
　第３の実施形態によれば、電解槽１１は、前述した第２の実施形態と同様に、３つの生成水室を有している。ここでは、第１カバー６０ａにより形成される第１生成水室は陽極室１５ｂに割り当て、第２カバー６０ｂにより形成される第２生成水室は陰極室１５ｃに割り当てている。更に、第３カバー６０ｃにより形成される第３生成水室は、第２陰極室１５ｅとし、接続配管５４により陽極室１５ｂに直列に接続している。

　陽極室１５ｂ、陰極室１５ｃ、第２陰極室１５ｅは、陰イオン交換膜１６、陽イオン交換膜１８ａ、陽イオン交換膜１８ｂにより、それぞれ電解液室１５ａと仕切られている。陽極室１５ｂに陽極１４が設けられ、陰極室１５ｃに第１陰極２０ａが設けられ、更に、第２陰極室１５ｅに第２陰極２０ｃが設けられている。

　電解槽１１の電解液室１５ａには、図示しない電解液供給部により、電解液、例えば、飽和食塩水を供給する。水供給部２１は、給水源と、給水源から第２陰極室１５ｅの下部および陰極室１５ｃの下部に水を導く給水配管２１ａと、を有している。陰極室１５ｃで生成されるアルカリ性水（水酸化ナトリウム水）は、陰極室１５ｃの上部から第２排水配管２１ｃを通して排水される。第２陰極室１５ｅで生成されたアルカリ性水は、接続配管５４を介して陽極室１５ｂへ送られ、陽極室１５ｂの生成水と混合された後、第２排水配管２１ｃから排水される。

　電流供給部２３は、電源４５、および調整器として機能するスイッチング回路４６と、を有している。電源４５のプラス側は陽極１４に接続され、電源４５のマイナス側は、第１陰極２０ａに接続されている。更に、電源４５のマイナス側は、スイッチング回路４６を介して第２陰極２０ｃに接続されている。スイッチング回路４６のパルス変調制御により、第２陰極２０ｃに印加する電流の時間比率（通電時間）を調整することができる。通電時間に限らず、調整器により、第２陰極２０ｃに印加する電流の大きさを制御するようにしてもよい。　
　電解槽１１の他の構成および電解水生成装置の他の構成は、前述した第２の実施形態の電解水生成装置と同一としている。

　以上のように構成された第３の実施形態によれば、電流供給部２３により、第２陰極２０ｃに印加するマイナス電位の通電時間、あるいは、電流量を調整することができる。

　すなわち、第２陰極２０ｃに全くマイナス電位を通電しない場合は、前述した第１の実施形態と同様に、陰極室１５ｃで生成される水酸化ナトリウム成分は陽極水に混合されない状態となる。第２陰極２０ｃに１００％の比率でマイナス電位を通電する場合は、第１陰極室１５ｃおよび第２陰極室１５ｅで生成される水酸化ナトリウム成分の半分（第２陰極室１５ｅで生じる分）が陽極室１５ｂの陽極水に混合される状態となる。よって、第２陰極２０ｃへの通電時間あるいは電流量を適時調整することで、陽極水に混合する水酸化ナトリウム量を適時制御することができる。

　これにより、通常は陽極だけで生成した場合に酸性を示す陽極水（次亜塩素酸水）が水酸化ナトリウム成分の混合により中和して中性陽極水（微酸性高濃度次亜塩素酸水）を制御生成することが可能になる。純水では中和させる水酸化ナトリウムの混合比率は４割程度であるが、一般の水道水では炭酸成分などにより中和比率は小さくなり、地域毎に約１～３割、変わってしまう。本実施形態であれば、地域毎に使える水質に合わせて第２陰極への通電時間比率を変えることで、中性の陽極水を生成することが可能になる。これにより、殺菌性の高い高濃度の次亜塩素酸水を生成しても、中性のため次亜塩素酸水からの塩素ガス発生を抑制し、安全に高い殺菌性の電解水を生成することができる。

　（第４の実施形態）　
　図１１は、第４の実施形態に係る電解水生成装置の構成を概略的に示す図である。　
　第４の実施形態によれば、電解槽１１は、３つの生成水室を有している。第１カバー６０ａにより形成される第１生成水室は陽極室１５ｂに割り当て、第２カバー６０ｂにより形成される第２生成水室は陰極室１５ｃに割り当てている。更に、第３カバー６０ｃにより形成される第３生成水室は、軟水化室１５ｆとし、接続配管５４により、陰極室１５ｃの前段に接続している。

　陽極室１５ｂ、陰極室１５ｃ、軟水化室１５ｆは、陰イオン交換膜１６、陽イオン交換膜１８、多孔質膜３８により、それぞれ電解液室１５ａと仕切られている。陽極室１５ｂに陽極１４が設けられ、陰極室１５ｃに陰極２０が設けられている。更に、軟水化室１５ｆに電極は設置せず、代わりに、吸着材としてのイオン交換樹脂６２を充填している。

　電解槽１１の電解液室１５ａには、図示しない電解液供給部により、電解液、例えば、飽和食塩水を供給する。水供給部２１は、給水源と、給水源から陽極室１５ｂの下部および軟水化室１５ｆの下部に水を導く給水配管２１ａと、を有している。陽極１４および陰極２０には、図示しない電流供給部から正電圧および負電圧がそれぞれ印加される。

　陽極室１５ｂで生成される陽極水（次亜鉛塩素酸水）は、陽極室１５ｂの上部から第１排水配管２１ｂを通して排水される。軟水化室１５ｆに供給された水は、イオン交換樹脂６２を通水することで水中のカルシウムイオンやマグネシウムイオンなどを吸着除去された後、接続配管５４を通して、陰極室１５ｃに送られる。陰極室１５ｃで生成される陰極水（水酸化ナトリウム水）は、第２排水配管２１ｃを通して排水される。　
　電解槽１１の他の構成および電解水生成装置の他の構成は、前述した第２の実施形態の電解水生成装置と同一としている。

　以上のように構成された第４の実施形態によれば、軟水化室１５ｆでカルシウムイオンやマグネシウムイオンなどが吸着除去された水を陰極室１５ｃへ供給することにより、陰極室１５ｃでアルカリ化した水中で硬度成分がスケールとして析出することを防止している。これにより、陰極室配管系統のスケール付着を抑制することができる。その他、第４の実施形態においても、前述した第１の実施形態と同様の作用効果が得られる。

　なお、本実施形態では、多孔質膜３８を介してわずかに電解液である塩が浸透するように構成している。電解水生成を停止している間は、静水状態で軟水化室１５ｆの塩分濃度を５％以上に上昇させ、吸着したカルシウムやマグネシウムをナトリウムに置き換えて都度排水することで、イオン交換樹脂６２の吸着性能を再生させている。このイオン交換樹脂６２の再生については、多孔質膜３８の代わりに隔壁を設け、従来の軟水器と同様に、別の塩水供給配管と排水配管とを軟水化室に接続し、イオン交換樹脂６２を適時再生するようにしてもよい。

　第３生成水室は、軟水化室に限らず、吸着材として、例えば、マンガン砂を充填した除マンガン室とし、陽極室１５ｂの後段（下流側）に設置するようにしてもよい。陽極室１５ｂでは酸化還元電位の高い次亜塩素酸水が生成されるため、わずかに存在する水中のマンガンを酸化して配管に析出させる可能性がある。この陽極水をマンガン砂を充填した除マンガン室に通すことで、酸化されたマンガン成分（マンガン鉄分）をマンガン砂に吸着させ除去する。これにより、陽極室に続く配管や使用環境でのマンガン析出を防止することができる。

　本発明は上述した実施形態および変形例そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態および変形例に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。　
　例えば、第３および第４の実施形態において、生成水室は３つに限らず、４つ以上設けてもよい。この場合、電解液室を中心にその周囲に複数の生成水室を配置すればよい。また、生成水室を同じ形状で配置したが、各生成水室の形状が互いに異なる構成としてもよい。電解液は塩水、生成水は次亜塩素酸水としたが、これらに限定されることなく、種々の電解液、生成水を適用することができる。電解槽を構成する構成部材の積層方向は、隔膜および電極と直交する方向に限定されることなく、交差する方向であればよい。

Claims (17)

1. 　電解液室を形成した本体部材と、前記本体部材に積層方向に沿って組み付けられ、少なくとも１つの生成室を形成したカバー部材と、を有する電解容器と、
   　前記電解液室と生成水室とを仕切る隔膜と、
   　前記電解液室を挟んで対向する一対の電極であって、少なくとも一方の電極が前記生成水室に設けられ、前記隔膜および前記生成水室と前記積層方向に並んで設けられた一対の電極と、を備え、
   　前記電解容器の断面の外輪郭は、前記積層方向に沿って外側に凸となる突部を有する電解セル。
2. 　前記電解容器は、軸方向両端が閉塞した筒状に形成され、前記電解液室および生成水室は、それぞれ前記電解容器の軸方向に延びている請求項１に記載の電解セル。
3. 　前記電解容器の断面の外輪郭の突部は、湾曲した突部を含んでいる請求項１又は２に記載の電解セル。
4. 　前記電解容器は、楕円を含む円形の断面形状を有する請求項１から３のいずれか１項に記載の電解セル。
5. 　前記電解容器の外輪郭の全周に亘って巻装され、前記電解容器を前記積層方向に締付ける締付け部材を備えている請求項１から４のいずれか１項に記載の電解セル。
6. 　前記締付け部材は、ゴムバンド、結束バンド、熱収縮チューブを含んでいる請求項５に記載の電解セル。
7. 　前記電解容器の軸方向の両端からそれぞれ軸方向に突出しているとともに前記電解液室あるいは生成水室に連通した、それぞれ配管を接続するための複数の配管接続部を備えている請求項１から６のいずれか１項に記載の電解セル。
8. 　前記複数の配管接続部は、前記電解容器の断面の外輪郭の内側に設けられている請求項７に記載の電解セル。
9. 　前記電解容器は、前記電解液室を挟んで前記生成水室に対向する第２生成水室を備え、前記一対の電極の一方は前記第２生成水室に配置され、前記生成水室、電解液室、第２生成水室、および一対の電極は、前記積層方向に並んでいる請求項１から８のいずれか１項に記載の電解セル。
10. 　前記カバー部材は、前記突部を形成した外周面と、前記外周面に対向し前記積層方向に延びる凹所と、を有し、前記本体部材は、前記積層方向に沿って前記凹所内に嵌合され、前記カバー部材により覆われている請求項２に記載の電解セル。
11. 　前記電解容器は、前記カバー部材の凹所に嵌合され前記本体部材と前記積層方向に並んで位置した第２カバー部材を備え、前記第２カバー部材は、前記カバー部材の外周面に連続した外周面を有し、前記電解液室に対向した第２生成水室を形成している請求項１０に記載の電解セル。
12. 　前記電解容器は、前記電解液室を中心として、前記電解液室の周囲に設けられた３室以上の複数の生成水室を備えている請求項１から８のいずれか１項に記載の電解セル。
13. 　前記複数の生成水室にそれぞれ設けられた３枚以上の複数の電極を備え、
    　各電極、隔膜および生成水室は、それぞれ前記積層方向に沿って並んで設けられている請求項１２に記載の電解セル。
14. 　前記電解容器の本体部材は、筒状に形成され、それぞれ本体部材の外周面に開口する複数の凹所を有し、前記電解容器は、それぞれ前記凹所に嵌合され、それぞれ前記生成水室を形成した３つ以上の複数のカバー部材を備え、各カバー部材は、前記本体部材の外周面に連続する外周面を有し、前記カバー部材の外周面は、前記突部を形成している請求項１３に記載の電解セル。
15. 　前記複数の生成水室の少なくとも１つに陽極が設けられ、少なくとも１つの生成水室に陰極が設けられ、少なくとも１つの生成水室に水中の成分を吸着する吸着材が充填されている請求項１３又は１４に記載の電解セル。
16. 　前記吸着材は、水から硬度成分を吸着する吸着材、あるいは、マンガン成分を吸着する吸着材である請求項１５に記載の電解セル。
17. 　請求項１から１６のいずれか１項に記載の電解セルと、
    　前記電解液室に電解液を供給する電解液供給部と、
    　前記一対の電極に電圧を印加する電源と、
    　前記生成水室に水を供給する水供給部と、を備える電解水生成装置。

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