JP2005144240A - 電解槽及び電解水生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型で電解効率に優れ、酸性電解水中の陰イオン濃度を低減できる電解槽と電解水生成装置とを提供する。
【解決手段】イオン透過性の隔膜２を介して対向配置された１対の電解室１０ａ，１０ｂと、原水供給手段１１ａ，１１ｂと、隔膜２を挟んで各電解室１０ａ，１０ｂに設けられた１対の電極３ａ，３ｂと、電解水を取り出す電解水取出手段１２ａ，１２ｂとを備える。隔膜２は陰イオン透過膜であり、電極３ａ，３ｂは陰イオン透過膜２の両表面に密着して陰イオン透過膜２と一体に、かつ陰イオン透過膜２の一部を露出させて形成されていて、陰極側の電解室１０ｂに供給される原水のみが電解質を含む。電極３ａ，３ｂは、導電性の粉体から形成された多孔質体であるか、メッシュ状または櫛形状に形成されている。電極３ａ，３ｂは、導電性の粉体を含む導電性ペーストを陰イオン透過膜２の表面に塗布し、加熱または加圧することにより形成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、イオン透過性の隔膜を介して対向配置された１対の電解室に供給される原水を、該隔膜を挟んで各電解室に設けられた１対の電極に電圧を印加して電解する電解槽及び該電解槽を用いて電解水を生成させる電解水生成装置に関するものである。

イオン透過性の隔膜を介して対向配置された１対の電解室と、該隔膜を挟んで各電解室に設けられた１対の電極とを備える電解槽を用いて電解水を生成させる電解水生成装置が知られている。前記電解水生成装置では、前記各電解室に電解質を含む原水を供給し、前記１対の電極に電圧を印加して該原水を電解することにより、陽極側の電解室に酸性の電解水、陰極側の電解室にアルカリ性の電解水を生成させることができる。

前記電解水生成装置の電解槽では、通常、前記電極は前記隔膜から離間して設けられている。ところが、前記構成では、前記隔膜を挟んで配設される両電極の間隔が広いために電極間の電気抵抗が大きく、印加される電力に対する電解効率が低いという問題がある。

前記問題を解決するために、例えば、平織金網からなる多孔質電極素材とパンチドメタルとを重ね合わせた電極を隔膜に当接させることにより両電極の間隔を狭めると共に、該多孔質電極素材の内部に原水を流通させることにより該原水と電極との接触面積を大きくした電解槽が提案されている（例えば特許文献１参照）。前記電解槽によれば、印加される電力に対する電解効率はある程度向上させることができるが、前記原水は前記多孔質電極素材の内部に流通されるために流通抵抗が大きく、単位時間当たりの電解水の生成量を多くしようとすると装置の大型化が避けられない。

また、前記電解水生成装置では、前記電解質として塩化ナトリウム、塩化カリウム等の塩化物を用い、少なくとも前記陽極側の電解室に該塩化物を含む原水を供給することにより、該陽極側の電解室に次亜塩素酸（ＨＣｌＯ）を含む酸性電解水を生成させることができる。前記酸性電解水は、強い殺菌性、酸化性を備えるので、殺菌、消毒、消臭等の用途に用いられる。

しかしながら、前記隔膜として陽イオン交換膜を用いると、前記次亜塩素酸を生成させるために前記陽極側の電解室に塩化物を含む原水を供給する必要があり、このようにすると前記酸性電解水に多量の塩素イオンが残留するという不都合がある。塩素イオンは、金属表面に形成された皮膜を破壊して腐食を促進する性質を備えているため、前記多量の塩素イオンが残留している酸性電解水を長期に亘って使用すると、電解水生成装置の配管系、散布対象の金属部品等が腐食される虞がある。
特開２００１−７３１７７号公報

本発明は、かかる不都合を解消して、小型で電解効率に優れ、陽極側の電解室から殺菌、消毒、消臭等に有効な量の次亜塩素酸を含む前記酸性電解水を得ることができる電解槽及び該電解槽を用いて電解水を生成させる電解水生成装置を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、本発明の電解槽は、イオン透過性の隔膜を介して対向配置された１対の電解室と、各電解室に原水を供給する原水供給手段と、該隔膜を挟んで各電解室に設けられた１対の電極と、両電極に電圧を印加して該原水供給手段により各電解室に供給された原水を電解することにより得られた電解水を各電解室から取り出す電解水取出手段とを備える電解槽において、該隔膜は陰イオン交換膜であり、該電極は該陰イオン交換膜の両表面に密着して陰イオンが透過できる膜−電極構造体を形成していて、少なくとも陰極側の該電解室に供給される該原水が電解質として塩化物を含むことを特徴とする。

本発明の電解槽では、前記原水供給手段により各電解室に原水を供給する際に、少なくとも陰極側の前記電解室に供給される該原水が電解質として塩化物を含むようにする。このようにして、前記陰イオン交換膜の両表面に形成された電極に電圧を印加して前記原水の電解を行うと、陰極側の電解室では、水の還元による水素ガス、水酸イオン（ＯＨ^-）が生成され、該水酸イオンによりアルカリ性を呈する電解水（以下、アルカリ性電解水と略記する）が得られる。一方、陽極側の電解室では、水の酸化による酸素ガス、水素イオン（Ｈ^＋）とが生成し、また塩素イオン（Ｃｌ⁻）が酸化され塩素（Ｃｌ_２）を生成する。前記塩素は、水と反応して次亜塩素酸を生成する。この結果、前記水素イオンにより酸性を呈する電解水（以下、酸性電解水と略記する）が得られる。前記アルカリ性電解水、酸性電解水は、それぞれ電解水取出手段により電解槽から取り出される。

このとき、本発明の電解槽によれば、前記両電極が前記陰イオン交換膜の両表面に密着して該陰イオン交換膜と一体に形成されているので、両電極間の電気抵抗が小さく、印加される電力に対して優れた電解効率を得ることができる。また、本発明の電解槽によれば、前記電極が前記陰イオン交換膜と一体に形成されているので、部品点数が少なく、原水の流通構造も簡単になる。この結果、原水の流通抵抗が低くなるので、単位時間当たりの電解水の生成量が多くなり、装置の小型化が可能になる。さらに、本発明の電解槽によれば、前述のように両電極間の電気抵抗が小さく、優れた電解効率を得ることができるので、電源に対する負荷が小さく、該電源を小容量化することができる。

また、本発明の電解槽では、前記隔膜が陰イオン交換膜からなるので、前記電解に当たって陰極側の前記電解室で生成する塩素イオンが、該陰イオン交換膜を介して陽極側の前記電解室に移動し、該陰イオン交換膜の陽極側の表面近傍で前記電極に電子を与えて塩素分子となる。そして、前記塩素分子は、前記膜−電極構造体中及びその近傍の水と反応して次亜塩素酸を生成する。

従って、本発明の電解槽によれば、少なくとも陰極側の前記電解室に供給される前記原水が電解質として塩化物を含むことにより、陽極側の前記電解室から殺菌、消毒、消臭等に有効な量の次亜塩素酸を含む前記酸性電解水を得ることができる。

本発明の電解槽は、前述のように、少なくとも陰極側の前記電解室に供給される前記原水が電解質として塩化物を含んでいればよいが、陰極側・陽極側の両電解室に供給される該原水が電解質として塩化物を含んでいてもよい。この場合には、前記電解に当たって、陽極側の電解室では前記酸素ガス、水素イオンの他、塩素（Ｃｌ₂）が生成し、該塩素が水と反応することによっても次亜塩素酸（ＨＣｌＯ）が生成する。従って、前記陰極側の電解室から陽極側に移動する塩素イオンから生成する分と合わせて、多量の次亜塩素酸を含む前記酸性電解水を得ることができる。

また、本発明の電解槽は、前記陰極側の電解室に供給される前記原水のみが前記電解質を含むものであってもよい。この場合、本発明の電解槽では、前述のように前記原水の電解を行うと、前記陽極側の電解室に供給される原水には前記塩化物が含まれていないので、陽極側の電解室では、水の酸化と陰イオン交換膜を透過してきた塩素イオン（Ｃｌ⁻）の酸化が起こる。透過してきた塩素イオンのほとんどは、電極近傍で反応してしまうため、原水に由来する塩素イオンはほとんど存在しない。従って、前記陽極側の電解室で生成する次亜塩素酸は、前記陰極側の電解室から移動してくる塩素イオンに基づくものだけとなり、前記酸性電解水に放出される塩素イオンは次亜塩素酸の生成に由来するものだけである。この結果、殺菌、消毒、消臭等に有効な次亜塩素酸を多量に含む一方、塩素イオン濃度を低減して該塩素イオンによる金属の腐食等の抑制が可能な酸性電解水を得ることができる。

本発明の電解槽において、前記電極は、導電性の粉体から形成された多孔質体であることを特徴とする。前記多孔質体は例えば直径数μｍの細孔を備えるので、例えば陰イオン交換膜の全面を前記電極で被覆したとしても、前記陰イオン交換膜は、該細孔に面した部分を露出部分とすることができる。この結果、前記電極は、前記陰極側の電解室では生成した前記電解質由来の陰イオンを前記露出部分で前記陰イオン交換膜に接触させて該陰イオンを透過させることができ、前記陽極側の電解室では前記陰イオン交換膜の表面近傍で生成した分子を該細孔を介して前記酸性電解水中に放出することができる。

また、本発明の電解槽において、前記電極は、メッシュ状または櫛形状に形成されていてもよい。この場合には、前記陰イオン交換膜は前記メッシュ状または櫛形状の間隙を露出部分とすることができ、前記メッシュ状または櫛形状の電極は、該露出部分に関し、前記多孔質体からなる電極と同様の作用が得られる。

また、一般にエッジ効果として知られるように、電極では端部に電流が集中して電荷のやり取りが起こり易いが、前記メッシュ状または櫛形状の電極は、前記端部となる部分が多いので、電荷のやり取りの上で有利であり、さらに優れた電解効率を得ることができる。

前記メッシュ状または櫛形状の電極は、その形状からメッシュ状または櫛形状の間隙に前記陰イオン交換膜を露出させることができるので、実質的に前記細孔を備えない緻密な固体であってもよいが、前記導電性の粉体から形成された多孔質体であってもよい。

前記導電性の粉体から形成された多孔質体からなる電極は、導電性の粉体を含む導電性ペーストを前記陰イオン交換膜の表面に塗布し、加熱または加圧することにより形成されていることを特徴とする。前記電極は、前記導電性ペーストを印刷等の手段を用いて前記陰イオン交換膜の表面に塗布することにより容易に任意の形状に形成することができ、量産化に好適である。前記電極は、前記導電性ペーストを陰イオン交換膜の表面に塗布したのち、加熱するか加圧するかいずれか一方の手段により形成してもよく、加熱した後さらに加圧するように両方の手段を併用して形成してもよい。

そして、本発明の電解水生成装置は、前記電解槽を用いて電解水を生成させることを特徴とする。本発明の電解水生成装置によれば、前記電解槽を備えることにより装置構成全体を小型化、軽量化を図ることができる。

次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。図１は本実施形態の電解槽の組立図、図２は図１に示す電解槽の膜−電極構造体の説明的断面図、図３、図４は膜−電極構造体の他の例を示す平面図、図５は図１に示す電解槽で得られた酸性電解水に塩化銀の白沈を生成させて白濁させたときの透過光量のスペクトルを示すグラフである。

図１に示すように、本実施形態の電解槽１は、陰イオン交換膜２の両表面に膜状の電極３ａ，３ｂが形成された膜−電極構造体４の両側に、集電板５ａ，５ｂ、スペーサ６ａ，６ｂ、外板７ａ，７ｂが重ね合わされた構成となっている。膜−電極構造体４、集電板５ａ，５ｂ、スペーサ６ａ，６ｂ、外板７ａ，７ｂは、図示しない貫通孔に挿通されるボルトと該ボルトに螺着されるナットにより締結される。

膜−電極構造体４は、図２に示すように、陰イオン交換膜２の両表面に矩形状に形成された膜状の電極３ａ，３ｂを備えている。陰イオン交換膜２としては、例えば、旭化成工業株式会社製アシプレックス（登録商標）、旭硝子株式会社製セレミオン（登録商標）等の炭化水素系ポリマーからなる陰イオン交換膜を用いることができる。電極３ａ，３ｂは、カーボンブラック等の導電性粉体に、白金、イリジウム等の金属粉末を例えば前記導電体粉末に対して５重量％の割合で混合し、さらにポリビニルアルコールを水とアルコールとの混合液に溶解した混合物を加えたペースト状体を、陰イオン交換膜２の両表面に所定の形状に塗布し、加熱、加圧することにより、陰イオン交換膜２に密着し、陰イオン交換膜２と一体に形成されている。電極３ａ，３ｂは、前記導電性粉体、金属粉末から形成されるので、直径数μｍの細孔を備える多孔質体となっており、陰イオン交換膜２は該細孔に面する部分が露出している。尚、前記ペースト状体において、ポリビニルアルコールは結着剤と溶剤とを兼ねている。

膜−電極構造体４では、陰イオン交換膜２は５０〜２００μｍの膜厚を備えている。また、電極３ａ，３ｂは、前述の方法により乾燥膜厚が３０〜２００μｍとなるように形成されている。

図１に戻って、集電板５ａ，５ｂは、アルミニウム等の金属箔からなり、中央部に電極３ａ，３ｂを露出させる窓部８ａ，８ｂを備えると共に窓部８ａ，８ｂの外周部で電極３ａ，３ｂに接触している。集電板５ａ，５ｂは、上端部に互いに異なる方向に引き出される端子部９ａ，９ｂを備え、端子部９ａ，９ｂを介して導線１３により電源装置１４に接続されている。

スペーサ６ａ，６ｂは、中央部に集電板５ａ，５ｂの窓部８ａ，８ｂに連通する空洞部を備え、該空洞部が電解室１０ａ，１０ｂとなっている。また、スペーサ６ａ，６ｂは、電解室１０ａ，１０ｂに原水を供給する給水孔１１ａ，１１ｂ、電解室１０ａ，１０ｂで生成した電解水を取り出す排水孔１２ａ，１２ｂを備えている。給水孔１１ａ，１１ｂは図示しない原水タンク等の原水供給手段に接続されており、排水孔１２ａ，１２ｂは図示しない貯水タンク等に接続されている。

外板７ａ，７ｂは、盲板であり、スペーサ６ａ，６ｂの空洞部を閉蓋して電解室１０ａ，１０ｂを形成するようになっている。

本実施形態の電解槽１では、例えば電極３ａを陽極、電極３ｂを陰極とする場合、給水孔１１ａを介して電解室１０ａに電解質を含まない原水として蒸留水を供給し、給水孔１１ｂを介して電解室１０ｂに電解質を含む原水として食塩水（塩化ナトリウム水溶液）を供給しながら、電源装置１４により電極３ａ，３ｂに通電する。この結果、電解室１０ａには次亜塩素酸を含む酸性電解水が得られ、該酸性電解水は排水孔１２ａを介して取り出される。一方、電解室１０ｂにはアルカリ性電解水が得られ、該アルカリ性電解水は排水孔１２ｂを介して取り出される。

このとき、電極３ａ，３ｂは、陰イオン交換膜２の両表面に密着して陰イオン交換膜２と一体に形成されており両電極間の間隔が非常に狭いので、電極間抵抗が小さく、低電圧で効率よく電解を行うことができる。また、電解室１０ａ，１０ｂは陰イオン交換膜２により隔てられており、電解室１０ａには蒸留水、電解室１０ｂには食塩水が供給されるので、電解室１０ａに得られる次亜塩素酸を含む酸性電解水は、残留塩素イオン濃度を非常に低く、水道水程度とすることができる。

尚、前記実施形態では、陰イオン交換膜２の両表面に、多孔質体からなる膜状の電極３ａ，３ｂを矩形状に設けているが、電極３ａ，３ｂは前記形状に限定されるものではなく、図３に示すようにメッシュ状であってもよく、図４に示すように櫛形状であってもよい。電極３ａ，３ｂを櫛形状とする場合には、図４に示すように、電極３ａと電極３ｂ（図４に隠れ線で示す）とは、相互に重なり合わない位置に設けるようにしてもよい。

電極３ａ，３ｂは、前記メッシュ状または櫛形状に形成される場合、メッシュ状または櫛形状の間隙から陰イオン交換膜２が露出するので、多孔質体ではなく、細孔を備えない緻密な固体であってもよい。但し、図１に示す電極３ａ，３ｂと同様の多孔質体である場合には、前記ペースト状体をスクリーン印刷等の方法により陰イオン交換膜２に塗布することにより、前記メッシュ状または櫛形状の形状を容易に形成することができるので有利である。

また、前記実施形態の電解槽１は、電極３ａ，３ｂに電力を供給する電源装置１４や前記原水供給手段等の作動を制御する制御装置等の周辺装置を備えることにより、電解水生成装置を構成することができる。

次に、本発明の実施例及び比較例を示す。

本実施例では、図１に示す電解槽１で、電解室１０ａ，１０ｂに臨む電極３ａ，３ｂの面積を１６ｃｍ²とすると共に、陽極側の電解室１０ａに蒸留水を、陰極側の電解室１０ｂに０．８ｇ／Ｌの濃度の食塩水（塩化ナトリウム水溶液）を、それぞれ１６ｍＬ／分の流量で供給し、電極３ａ，３ｂに０．５Ａの定電流を供給して電解を行った。

このとき、電圧は約７Ｖ、電解室１０ａに得られた酸性電解水は、ｐＨ１．９４、有効塩素濃度５０ｐｐｍであった。結果を表１に示す。

前記有効塩素濃度は、前記酸性電解液５ｍＬに０．１モル／Ｌの硝酸銀溶液０．５ｍＬを滴下して塩化銀の白沈を生成させ、白濁した溶液の透過光量を測定することにより求めた。前記透過光量のスペクトルを図５に示す。また、前記酸性電解水に代えて、純水、水道水を用いた以外は、前記と全く同一にして測定した前記透過光量のスペクトルを図５に併せて示す。

〔比較例１〕
本比較例では、図１に示す電解槽１で、両表面に電極３ａ，３ｂが形成されていない陰イオン交換膜２を用い、電解室１０ａ，１０ｂの外板７ａ，７ｂ側に白金電極を設け、該白金電極を集電板５ａ，５ｂに接続した以外は、実施例１と全く同一にして電解を行った。前記白金電極は、陰イオン交換膜２に接触しないようにされている。

このとき、電圧は約１７Ｖ、電解室１０ａに得られた酸性電解水は、ｐＨ１．９１、有効塩素濃度５５ｐｐｍであった。結果を表１に示す。

前記有効塩素濃度は、実施例１と全く同一にして、前記酸性電解液に塩化銀の白沈を生成させ、白濁した溶液の透過光量を測定することにより求めた。前記スペクトルを図５に示す。

〔比較例２〕
本比較例では、電解室１０ａ，１０ｂの両方に前記食塩水を供給するようにした以外は、比較例１と全く同一にして電解を行った。
このとき、電圧は約１１Ｖ、電解室１０ａに得られた酸性電解水は、ｐＨ２．２２、有効塩素濃度１２０ｐｐｍであった。結果を表１に示す。

前記有効塩素濃度は、実施例１と全く同一にして、前記酸性電解液に塩化銀の白沈を生成させ、白濁した溶液の透過光量を測定することにより求めた。前記スペクトルを図５に示す。

表１から、陰イオン交換膜２の両表面に密着し、陰イオン交換膜２と一体に形成された電極３ａ，３ｂを備える本発明の電解槽１（実施例１）によれば、陰イオン交換膜２に接触しない電極を備える場合（比較例１，２）よりも低い電圧で電解を行うことができ、電解効率に優れていることが明らかである。

また、表１、図５から、陰イオン交換膜２を用い陰極側の電解室１０ｂにのみ電解質を含む原水（食塩水）を流通する本発明の電解槽１（実施例１）によれば、塩素イオン濃度は水道水と同程度であり、電解室１０ａ，１０ｂの両方に電解質を含む原水（食塩水９）を供給する場合（比較例２）よりも格段に低くなっていることが明らかである。

本発明に係る電解槽の一構成例を示す組立図。 図１に示す電解槽の膜−電極構造体の説明的断面図。 膜−電極構造体の他の例を示す平面図。 膜−電極構造体の他の例を示す平面図。 図１に示す電解槽で得られた酸性電解水に塩化銀の白沈を生成させて白濁させたときの透過光量のスペクトルを示すグラフ。

符号の説明

１…電解槽、 ２…陰イオン交換膜、 ３ａ，３ｂ…電極、 １０ａ，１０ｂ…電解室、 １１ａ，１１ｂ…原水供給手段、 １２ａ，１２ｂ…電解水取出手段。

Claims (7)

1. イオン透過性の隔膜を介して対向配置された１対の電解室と、各電解室に原水を供給する原水供給手段と、該隔膜を挟んで各電解室に設けられた１対の電極と、両電極に電圧を印加して該原水供給手段により各電解室に供給された原水を電解することにより得られた電解水を各電解室から取り出す電解水取出手段とを備える電解槽において、
   該隔膜は陰イオン交換膜であり、該電極は該陰イオン交換膜の両表面に密着して陰イオンが透過できる膜−電極構造体を形成していて、少なくとも陰極側の該電解室に供給される該原水が電解質として塩化物を含むことを特徴とする電解槽。
2. 前記両電解室に供給される前記原水が前記電解質を含むことを特徴とする請求項１記載の電解槽。
3. 前記陰極側の電解室に供給される前記原水のみが前記電解質を含むことを特徴とする請求項１記載の電解槽。
4. 前記電極は、導電性の粉体から形成された多孔質体であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の電解槽。
5. 前記電極は、メッシュ状または櫛形状に形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の電解槽。
6. 前記電極は、導電性の粉体を含む導電性ペーストを前記陰イオン交換膜の表面に塗布し、加熱または加圧することにより形成されていることを特徴とする請求項４または請求項５記載の電解槽。
7. イオン透過性の隔膜を介して対向配置された１対の電解室と、各電解室に原水を供給する原水供給手段と、該隔膜を挟んで各電解室に設けられた１対の電極と、両電極に電圧を印加して該原水供給手段により各電解室に供給された原水を電解することにより得られた電解水を各電解室から取り出す電解水取出手段とを備え、該隔膜は陰イオン交換膜であり、該電極は該陰イオン交換膜の両表面に密着して該陰イオンが透過できる膜−電極構造体を形成していて、少なくとも陰極側の該電解室に供給される該原水が電解質として塩化物を含む電解槽を用いて電解水を生成させることを特徴とする電解水生成装置。

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