JP2015000388A

JP2015000388A - 電解水生成装置

Info

Publication number: JP2015000388A
Application number: JP2013127147A
Authority: JP
Inventors: 俊輔森; Shunsuke Mori
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2013-06-18
Filing date: 2013-06-18
Publication date: 2015-01-05

Abstract

【課題】簡単な構成で、電解デバイスの劣化を低減する電解水生成装置を提供する。
【解決手段】電解水生成装置は、ハウジング２と、ハウジング２の内部に水を供給する供給流路３と、ハウジング２の内部に収容され、陽極１２、導電性膜１３及び陰極１４を備え、陽極１２及び陰極１４の間に電圧が印加されることにより、ハウジング２に供給された水を電解して電解水を生成する電解デバイス１と、陽極１２及び陰極１４の間に電圧を印加する電源部１０と、電解デバイス１により生成された電解水をハウジング２から排出する配水流路４と、配水流路４により排出された電解水を、ハウジング２の内部に循環させる循環流路５とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、水を電解処理する電解水生成装置に関する。

陽極、導電性膜（イオン交換膜）及び陰極からなる電解デバイスを備え、水を電解処理することにより、オゾンが溶解された電解水を生成する電解水生成装置が知られている。電解水生成装置は、長期間使用すると、炭酸塩や水酸化物等の難溶性の物質（スケール）が電解デバイスに堆積することにより導通状態が悪化し、所定のオゾン濃度が得られなくなる恐れがある。これに対して、軟水器によりイオン除去された水を電解する方法（特許文献１参照）、有機酸を含む洗浄剤が溶出された洗浄液を電解槽に供給することにより電極を洗浄する方法（特許文献２参照）等が提案されている。

特開２０１０−２０９３７０号公報特開２００８−０００６６６号公報

しかしながら、特許文献１及び２に記載の技術は、電解水生成装置が軟水器、洗浄液供給手段等を備える必要があり、装置のサイズ、製造及び運用コストが増大してしまう。
本発明は、簡単な構成で、電解デバイスの劣化を低減する電解水生成装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の態様は、ハウジングと、ハウジングの内部に水を供給する供給流路と、ハウジングの内部に収容され、陽極、導電性膜及び陰極を備え、陽極及び陰極の間に電圧が印加されることにより、ハウジングに供給された水を電解して電解水を生成する電解デバイスと、陽極及び陰極の間に電圧を印加する電源部と、電解デバイスにより生成された電解水をハウジングから排出する配水流路と、配水流路により排出された電解水を、ハウジングの内部に循環させる循環流路とを備える電解水生成装置であることを要旨とする。

本発明によれば、簡単な構成で、電解デバイスの劣化を低減する電解水生成装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る電解水生成装置の基本的な構成を説明する模式的な図である。本発明の第１実施形態に係る電解水生成装置が備える電解デバイスを説明する模式的な斜視図である。本発明の第１実施形態に係る電解水生成装置が備える電解デバイスを説明する模式的な断面図である。本発明の第２実施形態に係る電解水生成装置の基本的な構成を説明する模式的な図である。本発明の第３実施形態に係る電解水生成装置の基本的な構成を説明する模式的な図である。

次に、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付し、重複する説明を省略している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。また、以下に示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係る電解水生成装置は、図１に示すように、水を電解することにより、オゾンが溶解された電解水を生成する電解デバイス１と、ハウジング２と、供給流路３と、配水流路４と、循環流路５と、吐出流路６とを備える。

ハウジング２は、例えば両端側が塞がれた円筒状であり、内部に電解デバイス１を収容する。ハウジング２は、両端側に、それぞれ内部に通じる供給流路３及び配水流路４が接続される。ハウジング２は、一端側の供給流路３により内部に供給された水から、電解デバイス１により生成された電解水を、他端側の配水流路４により外部に排出する。ハウジング２は、例えばアクリル、ＡＢＳ樹脂等の耐オゾン性を有する絶縁体からなる。

供給流路３は、例えば、水道圧やポンプ等により、ハウジング２の内部に水を供給する。ハウジング２の内部に供給する原水は、水道水であってもよく、純水であってもよい。

電解デバイス１は、図２及び図３に示すように、平板状の給電体１１と、給電体１１の上面に成膜された陽極１２と、陽極１２の上面に複数形成された導電性膜１３と、導電性膜１３の上面にそれぞれ形成された陰極１４とを備える。第１実施形態に係る電解水生成装置は、陽極１２及び陰極１４の間に電圧を印加する電源部１０を備える。給電体１１は、電源部１０の正極に接続される。陰極１４は、電源部１０の負極にそれぞれ接続される。

給電体１１は、例えば、ニオブ（Ｎｂ）、チタン（Ｔｉ）等の金属やシリコン（Ｓｉ）等の半導体からなり、幅１０ｍｍ、長さ５０ｍｍ程度の導電性基板である。陽極１２は、ホウ素（Ｂ）等がドーピングされた導電性ダイヤモンドからなる。陽極１２は、例えば、プラズマ化学気相成長（ＣＶＤ）法や熱フィラメント法等により、３μｍ程度の厚さを有するように、給電体１１の上面に成膜された後、ドーパントが導入される。

導電性膜１３は、それぞれ帯状であり、陽極１２の上面に、互いに平行に形成される。導電性膜１３は、プロトン導電型のイオン交換膜である。導電性膜１３は、例えば１００〜２００μｍ程度の厚さを有する。陰極１４は、それぞれ平板状であり、導電性膜１３の上面の全面にそれぞれ形成される。陰極１４は、例えば、白金（Ｐｔ）、ステンレス等の金属材料からなり、１ｍｍ程度の厚さを有する。

導電性膜１３及び陰極１４は、水が供給流路３側から配水流路４側へ流れる方向に沿うようにそれぞれ形成される。陽極１２、導電性膜１３及び陰極１４は、互いが囲む箇所に水の流路を複数形成することにより、水を整流することができる。

ハウジング２の内部に供給流路３を介して水が供給されると、電解デバイス１が水に浸漬される。電解デバイス１は、電源部１０から電力が供給されることにより、陽極１２と陰極１４との間に電圧が印加され、ハウジング２に供給された水を電解し、陽極１２とイオン供給する導電性膜１３との界面においてオゾン（Ｏ_３）及び酸素（Ｏ_２）を発生させる。陽極１２側における電気化学反応は、式（１）、（２）のように表される。陰極１４側における電気化学反応は、式（３）のように表される。
３Ｈ_２Ｏ→Ｏ_３＋６Ｈ^＋＋６ｅ^- …（１）
２Ｈ_２Ｏ→Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ^- …（２）
２Ｈ_２Ｏ＋２ｅ^-→２ＯＨ^-＋Ｈ_２ …（３）

陽極１２側におけるオゾン及び酸素の発生割合は、陽極１２及び陰極１４の材料や電位差等により決定される。陽極１２と陰極１４との間の電圧は、例えば数Ｖ〜数十Ｖであり、電圧が高いほどオゾン発生量が大きくなる。陽極１２と導電性膜１３との界面において発生したオゾンは、供給流路３側から配水流路４側に流れる水に流される。

第１実施形態に係る電解水生成装置は、陽極１２側において発生したオゾンが、導電性膜１３及び陰極１４の長手方向に沿って流れ、ハウジング２の外部に排出される。この為、発生したオゾンは、陽極１２、導電性膜１３及び陰極１４の近傍において段差なく水に流され、水に溶解されやすい。

また、第１実施形態に係る電解水生成装置は、陽極１２が導電性ダイヤモンドからなるので、二酸化鉛（ＺｎＯ_２）、白金（Ｐｔ）、酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）等の他の材料と比較して電位窓大きいことなどが電気化学的に優れ、オゾンの発生効率が高い。また、第１実施形態に係る電解水生成装置は、加工性が低い導電性ダイヤモンドからなる陽極１２が、給電体１１の上面に成膜されるので、陽極１２に対する他の工程が不要であり、容易に加工可能である。

第１実施形態に係る電解水生成装置は、配水流路４から循環流路５及び吐出流路６への流路を調整する三方弁７と、循環流路５において水に加圧することにより水を循環させる循環ポンプ８とを更に備える。

配水流路４は、電解デバイス１により生成された電解水をハウジング２から排出する。配水流路４は、三方弁７において循環流路５及び吐出流路６に分岐される。循環流路５は、途中に循環ポンプ８を備え、下流側が供給流路３に接続される。吐出流路６は、配水流路４により排出された電解水を外部に吐出する。吐出流路６は、下流側を吐出口としてそのまま吐出するようにしてもよく、下流側に水処理用の反応漕を接続し、反応漕に吐出するようにしてもよい。

三方弁７は、循環流路５側の弁を開状態にすることにより、配水流路４により排出された電解水を循環流路５に流す。循環流路５は、電解水を循環ポンプ８により加圧し、供給流路３に戻す。循環流路５は、配水流路４により排出された電解水を、供給流路３に戻すことにより、電解水をハウジング２の内部に循環させる。

水中のカルシウムイオン（Ｃａ²⁺）、マグネシウムイオン（Ｍｇ²⁺）等の陽イオンは、水酸化物イオン（ＯＨ⁻）や炭酸イオン（ＣＯ_３ ^2-）と結合して、難溶性の水酸化物や炭酸塩等の物質を生成し、スケールとして電極に析出される。一般に、電解水生成装置は、長期間の使用により電極にスケールが堆積し、導通状態が悪化し、所定のオゾン濃度が得られなくなる恐れがある。

第１実施形態に係る電解水生成装置は、循環流路５を備えることにより、ハウジング２から排出された電解水をハウジング２に戻し、循環させることができる。よって、オゾンが溶解された電解水により電極等に付着したスケールを除去し、導通状態の悪化を低減することができる。

オゾンが溶解された電解水が再度ハウジング２に流入すると、オゾンが陰極１４近傍において還元され、過酸化水素水となり、過酸化水素水とオゾンが反応してＯＨラジカルが生成される恐れがある。ＯＨラジカルは、導電性膜のスルホン酸基（−ＳＯ_３Ｈ）と反応し、導電性膜の劣化を促進する。

電源部１０は、三方弁７の循環流路５側が開状態となる洗浄モード時において、ハウジング２から排出された電解水が循環流路５を経由して再度ハウジング２に流入する時、電解デバイス１に対する電圧の印加を停止することができる。

第１実施形態に係る電解水生成装置は、電源部１０が、電解水がハウジング２の内部に循環させられる間、電圧の印加を停止することにより、電解水に溶解されたオゾンが、陰極１４近傍において還元されて過酸化水素水となることがない。よって、ＯＨラジカルが生成されず、導電性膜１３の劣化を低減することができる。

また、スケールの付着した電極を洗浄する場合、電位を逆に印加する逆電解方式が知られているが。逆電解方式は、電極が金、白金等からなる場合に使用される方式であり、例えばＳＵＳ電極を用いた場合、正電位を印加するとＳＵＳ電極自体が劣化してしまう。第１実施形態に係る電解水生成装置は、電位の正負を変えることなく、電解水で電解デバイス１を洗浄することができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態に係る電解水生成装置は、図４に示すように、循環流路５に循環流路５を流れる電解水の流量を調整する流量調整弁５０を更に備える点で第１実施形態と異なる。第２実施形態において説明しない他の構成、作用及び効果は、第１実施形態と実質的に同様であるので、重複する説明を省略する。

流量調整弁５０は、ハウジング２、配水流路４、循環流路５及び供給流路３を循環する電解水の流量を調整する。図４では、流量調整弁５０が循環ポンプ８の上流側に配置される場合を図示しているが、流量調整弁５０の位置は、循環する電解水の流量を調整できれば、電解水生成装置のどこに配置されてもよい。
第２実施形態に係る電解水生成装置によれば、循環する電解水の流量を調整できるので、所望のオゾン濃度や時間で洗浄することができる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態に係る電解水生成装置は、図５に示すように、供給流路３に供給される水の水質を検出する水質センサ９を更に備える点で第２実施形態と異なる。第３実施形態において説明しない他の構成、作用及び効果は、第１及び第２実施形態と実質的に同様であるので、重複する説明を省略する。

水質センサ９は、水の電気伝導率、カルシウムイオン濃度、硬度等の水質を検出する。電源部１０、三方弁７、流量調整弁５０及び循環ポンプ８の少なくともいずれかは、水質センサ９が検出した水質に応じて、駆動状態を調整する。例えば、電源部１０は、水質センサ９により検出された水質に応じて、陽極１２及び陰極１４の間に電圧を印加する。水質センサ９は、電解水生成装置のどこに配置されてもよいが、供給流路３の、循環流路５との接続部より上流側に配置されることが好ましい。

第３実施形態に係る電解水生成装置によれば、水質センサ９を備えることにより、水質に応じた駆動状態で電解水を循環させることができ、水質が悪化した場合であっても、安定してスケールを除去し、導通状態の悪化を低減することができる。

（その他の実施形態）
上記のように、本発明を実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

例えば、既に述べた第１〜第３実施形態において、電解デバイス１は、水流に沿って配置された導電性膜１３及び陰極１４を備える例を説明したが、導電性膜１３及び陰極１４は、水流に直交するように配置されてもよい。

また、既に述べた第１〜第３実施形態において、電解水生成装置は、水を用いてオゾンを発生させることに限らず、例えば、食塩水を用いて次亜塩素酸（ＨＣｌＯ）を発生させるようにして、殺菌や水処理に利用してもよい。

また、既に述べた第１〜第３実施形態において、ハウジング２は、円筒状、箱状に限らず、内部に電解デバイス１を収容し、水を流すことができ形状であれば、種々の形状であってよい。

また、既に述べた第１〜第３実施形態において、電解水生成装置は、ハウジング２の内部にオゾンによる気泡が滞留した場合において、気泡を外部に逃がすため排出手段を備えるようにしてもよい。排出手段は、例えば、気液分離槽、排気弁等により構成可能である。この場合、排出手段は、オゾンを分解する分解手段を備えるようにしてもよい。分解手段は、活性炭、紫外線ランプ、紫外線ＬＥＤ等により構成可能である。

また、既に述べた第１〜第３実施形態において、電解水生成装置は、原水が著しく汚れている場合において、供給流路３の上流側に、浄水処理を行う浄化手段を備えても良い。浄化手段は、例えば、原水の水質に応じて、逆浸透（ＲＯ）膜やナノフィルタ（ＮＦ）膜などの分離膜や、活性炭などの吸着手段、砂ろ過フィルター、不織布、イオン交換樹脂等により構成可能である。

また、既に述べた第１〜第３実施形態に係る電解水生成装置は、例えば平均流速を上げることにより、発生したオゾンを陰極１４側に到達する前に素早く外部に吐出するようにしてもよい。この場合、例えば供給流路３の上流側にポンプを備え、ポンプの出力を上げることで平均流速を増大させることができる。

この様に、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

１電解デバイス
２ハウジング
３供給流路
４配水流路
５循環流路
９水質センサ
１０電源部
１２陽極
１３導電性膜
１４陰極
５０流量調整弁

Claims

ハウジングと、
前記ハウジングの内部に水を供給する供給流路と、
前記ハウジングの内部に収容され、陽極、導電性膜及び陰極を備え、前記陽極及び前記陰極の間に電圧が印加されることにより、前記ハウジングに供給された水を電解して電解水を生成する電解デバイスと、
前記陽極及び前記陰極の間に電圧を印加する電源部と、
前記電解デバイスにより生成された電解水を前記ハウジングから排出する配水流路と、
前記配水流路により排出された電解水を、前記ハウジングの内部に循環させる循環流路と
を備えることを特徴とする電解水生成装置。
前記電源部は、前記循環流路により電解水が前記ハウジングの内部に循環させられる間、電圧の印加を停止することを特徴とする請求項１に記載の電解水生成装置。
前記循環流路は、前記ハウジングの内部に循環させる電解水の流量を調整する流量調整弁を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の電解水生成装置。
前記ハウジングの内部に供給される水の水質を検出する水質センサを備え、
前記電源部は、前記水質センサにより検出された水質に応じて、前記陽極及び前記陰極の間に電圧を印加することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電解水生成装置。