JP2018076575A - 水電解装置、機能水の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
〈水電解装置100〉
まず、第一実施形態に係る水電解装置100の構成を説明する。図1は、第一実施形態に係る水電解装置100の構成を示す概略図である。
水電解セル30は、図2に示されるように、固体電解質膜32と、陽極部40(第一電極部の一例)と、陰極部50(第二電極部の一例)と、筐体38(図1参照)と、を有している。
第一供給路120は、水電解セル30の陰極部50へカソード水(例えば、塩水)を供給するための流路である。この第一供給路120は、下流端部が水電解セル30の陰極部50に接続され、上流端部がカソード水を貯留する貯留部121に接続されている。
第一排出路170は、水電解セル30の陰極部50を流通したカソード水が排出される流路である。この第一排出路170の上流端部は、水電解セル30の陰極部50に接続されている。水電解セル30の陰極部50を流通したカソード水は、第一排出路170を通じて排出される。第一排出路170で排出されたカソード水は、第一供給路120を通じて、再び水電解セル30の陰極部50に供給してもよい。すなわち、カソード水を循環させてもよい。これにより、カソード水を循環させない構成に比べ、カソード水の使用量を低減できる。
貯留部112は、例えば、アソード水(純水)を貯留する容器で構成されている。貯留部112に貯留されたアソード水は、後述するように、水電解セル30との間で循環するようになっている。
第二供給路160は、貯留部112に貯留されたアソード水を水電解セル30の陽極部40へ供給するための流路である。この第二供給路160は、上流端部が貯留部112に接続され、下流端部が水電解セル30の陽極部40に接続されている。
第二排出路190は、水電解セル30の陽極部40を流通したアソード水(オゾン水)を貯留部112へ排出する流路である。この第二排出路190は、上流端部が水電解セル30の陽極部40に接続され、下流端部が貯留部112に接続されている。第二排出路190を流通したアソード水は、貯留部112に貯留される。このように、第二排出路190及び前述の第二供給路160を通じて、アソード水が貯留部112と水電解セル30の陽極部40との間を循環する。なお、第二排出路190には、アソード水の流量を調整するための流量調整弁192が配置されている。
気液混合器196は、気体(オゾン)を水に混合する機能を有している。この気液混合器196は、第二排出路190における流量調整弁192の下流側に配置されている。
溶存オゾン濃度計168は、アソード水に溶存するオゾン濃度を測定する機能を有している。この溶存オゾン濃度計168は、第二供給路160におけるポンプ162と流量調整弁164との間で第二供給路160から分岐する分岐路167に配置されている。分岐路167には、分岐路167を開閉する開閉弁169が配置されている。この開閉弁169が分岐路167を開放することで、ポンプ162で送られたアソード水が第二供給路160から溶存オゾン濃度計168へ流入し、そのアソード水に溶存するオゾン濃度を溶存オゾン濃度計168が測定する。
抜出部410は、貯留部112に貯留されたアソード水(オゾン水)を抜き出し可能な機能を有している。抜き出し部410は、貯留部112に接続された抜出路412と、抜出路412に配置された開閉弁414と、を有している。抜き出し部410では、開閉弁414が抜出路412を開放することで、貯留部112に貯留されたアソード水が、抜出路412を通じて抜き出される。アソード水の抜き出しは、例えば、溶存オゾン濃度計168によって、貯留部112内のアソード水の濃度が所定の濃度となったことが確認された後に行われる。また、加圧状態でオゾン水を抜き出す場合には、溶存オゾン濃度計168の配管(分岐路167)に枝管(ティーなど)を取り付けて、ポンプ162で加圧されたオゾン水を抜き出すこともできる。抜出部410によって抜き出されたアソード水(オゾン水)は、例えば、殺菌、消毒、洗浄などに用いられる。
補充部420は、貯留部112にアソード水(純水)を補充する機能を有している。補充部420は、具体的には、例えば、補充用のアソード水を貯留する貯留部422と、貯留部422と貯留部112とに接続された補充路424と、補充路424に配置されたポンプ426と、を有している。補充部420では、貯留部422に貯留された補充用のアソード水が、ポンプ426によって貯留部112に補充される。
電源180は、陽極部40の第一ターミナルプレート44と陰極部50の第二ターミナルプレート54とに接続されている。この電源180には、直流電源が用いられている。そして、電源180は、例えば、パソコン182(PC)の操作により、定電流モードにて運転している。
[水電解装置100の運転条件]
水電解装置100では、循環水量と運転時間との積が、貯留部112に予め貯留されたアソード水の水量の2倍以上となる運転条件で運転される。すなわち、貯留部112に予め貯留されたアソード水が、水電解セル30を2回以上流通する運転条件で運転される。なお、循環水量は、単位時間当たりの循環水量であって、単位時間あたりに、貯留部112から水電解セル30へ送られて貯留部112に再び戻ってくる水量である。
水電解装置100において、第二供給路160、水電解セル30及び第二排出路190を循環するアソード水の循環水量は、多いほうが好ましい。その理由は、水電解セル30で生成されたオゾンの気泡を効率よく、水電解セル30の第一メッシュ電極42、431、432、433から流し出すことができるためである。オゾン水は、濃度が高くなるにつれて、電解の際に水に溶解しきれずに気泡を形成するオゾンの量が増加する。その結果、水電解セル30内に気泡が溜まるようになる。これらの気泡は、陽極部40の第一メッシュ電極42、431、432、433の有効面積を減らし、電解効率を低下させる。
本製造方法は、準備工程と、水電解工程と、を有している。準備工程では、前述した水電解装置100を準備する。
次に、本実施形態に係る作用効果を説明する。
前述の水電解装置100では、アソード水として純水を用いたが、これに限られず、例えば、イオン交換水であってもよい。
前述の水電解装置100は、オゾン水を製造する装置として構成されていたが、酸素水(機能水の一例)を製造する装置として構成してもよい。この場合では、陽極部40の第一メッシュ電極42としては、水電解における酸素過電圧を低減し且つオゾンの生成を抑制する機能を有する触媒層(IrO2)を形成したメッシュ電極が用いられる。メッシュ電極としては、例えば、Tiメッシュが用いられる。
〈水電解装置10〉
まず、第二実施形態に係る水電解装置10の構成を説明する。図3は、第二実施形態に係る水電解装置10の構成を示す概略図である。
水電解セル30では、陽極部40の第一メッシュ電極42として、水電解における酸素過電圧を低減し且つオゾンの生成を抑制する機能を有する触媒層(IrO2)を形成したメッシュ電極が用いられる。メッシュ電極としては、例えば、Tiメッシュが用いられる。その他の点については、オゾンを製造する水電解装置100の場合と同様である。
第一供給路20は、水電解セル30の陽極部40へ第二水としてのアノード水(純水)を供給するための流路である。この第一供給路20は、下流端部が水電解セル30の陽極部40に接続され、上流端部が例えば、アノード水を貯留する貯留部に接続されている。
第一排出路70は、水電解セル30の陽極部40を流通したアノード水(酸素水)が排出される流路である。この第一排出路70の上流端部は、水電解セル30の陽極部40に接続されている。第一排出路70の下流端部は、例えば、第一供給路20が接続された貯留部(図示省略)に接続されている。第一排出路70を流通したアノード水は、貯留部(図示省略)に貯留され、当該貯留部にて酸素が除去されて、当該貯留部から第一供給路20を通じて、再び水電解セル30の陽極部40に供給される。このように、アノード水が循環される(リサイクルされる)。
貯留部12は、例えば、第一水としてのカソード水(純水)を貯留する容器で構成されている。貯留部12に貯留されたカソード水は、後述するように、水電解セル30の陰極部50との間で循環するようになっている。なお、カソード水としては、イオン交換水を用いてもよい。
第二供給路60は、貯留部12に貯留されたカソード水を水電解セル30の陰極部50へ供給するための流路である。この第二供給路60は、上流端部が貯留部12に接続され、下流端部が水電解セル30の陰極部50に接続されている。
第二排出路90は、水電解セル30の陰極部50を流通したカソード水(水素水)を貯留部12へ排出する流路である。この第二排出路90は、上流端部が水電解セル30の陰極部50に接続され、下流端部が貯留部12に接続されている。第二排出路90を流通したカソード水は、貯留部12に貯留される。このように、第二排出路90及び前述の第二供給路60を通じて、カソード水が貯留部12と水電解セル30の陰極部50との間を循環する。なお、第二排出路90には、カソード水の流量を調整するための流量調整弁92が配置されている。
気液混合器96は、気体(水素)を水に混合する機能を有している。この気液混合器96は、第二排出路90における流量調整弁92の下流側に配置されている。気液混合器96は、水電解装置100における気液混合器196と同様に構成されている。
溶存水素濃度計68は、カソード水に溶存する水素濃度を測定する機能を有している。この溶存水素濃度計68は、第二供給路60におけるポンプ62と流量調整弁64との間で第二供給路60から分岐する分岐路67に配置されている。分岐路67には、分岐路67を開閉する開閉弁69が配置されている。この開閉弁69が分岐路67を開放することで、ポンプ62で送られたカソード水が第二供給路60から溶存水素濃度計68へ流入し、そのカソード水に溶存する水素濃度を溶存水素濃度計68が測定する。
抜出部210は、貯留部12に貯留されたカソード水(水素水)を抜き出す機能を有している。抜き出し部210は、貯留部12に接続された抜出路212と、抜出路212に配置された開閉弁214と、を有している。抜き出し部210では、開閉弁214が抜出路212を開放することで、貯留部12に貯留されたカソード水が、抜出路212を通じて抜き出される。カソード水の抜き出しは、例えば、溶存水素濃度計68によって、貯留部12内のカソード水の濃度が所定の濃度となったことが確認された後に行われる。また、加圧状態で水素水を抜き出す場合には、溶存水素濃度計68の配管(分岐路67)に枝管(ティーなど)を取り付けて、ポンプ62で加圧された水素水を抜き出すこともできる。抜出部210によって抜き出されたカソード水(水素水)は、例えば、洗浄水として用いられる。
補充部220は、貯留部12にカソード水(純水)を補充する機能を有している。補充部220は、具体的には、例えば、補充用のカソード水を貯留する貯留部222と、貯留部222と貯留部12とに接続された補充路224と、補充路224に配置されたポンプ226と、を有している。補充部220では、貯留部222に貯留された補充用のカソード水が、ポンプ226によって貯留部12に補充される。
電源80は、陽極部40の第一ターミナルプレート44と陰極部50の第二ターミナルプレート54とに接続されている。この電源80には、直流電源が用いられている。そして、電源80は、例えば、パソコン82(PC)の操作により、定電流モードにて運転している。
[水電解装置10の運転条件]
水電解装置10では、循環水量と運転時間との積が、貯留部12に予め貯留されたカソード水の水量の2倍以上となる運転条件で運転される。すなわち、貯留部12に予め貯留されたカソード水が、水電解セル30を2回以上流通する運転条件で運転される。
本製造方法は、準備工程と、水電解工程と、を有している。準備工程では、前述した水電解装置10を準備する。
次に、本実施形態に係る作用効果を説明する。
前述の水電解装置10では、製造された水素水を貯留部12から抜き出して使用していたが、これに限られない。例えば、抜き出しを行わずに、カソード水をバッチ式に循環させ、製造した水素水を貯留部12に貯留する。そして、水電解装置10の運転を停止し、例えば、貯留部12を水電解装置10から取り外してから、製造された水素水が使用してもよい。この場合では、水素水を短時間で高濃度化することができる。
以下に、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
実施例1では、水電解装置100を用いて、抜出部410による抜き出しを行わずに、アソード水をバッチ式に循環させ、オゾン水を製造した。
実施例2では、実施例1の構成において、抜出部410によって、貯留部112からオゾン水を0.1L/minで常時抜き出しつつ、同量を補充部420で補充しながらオゾン水を製造した。抜き出したオゾン水の濃度を分光法にて測定し、運転中の貯留部112の温度も測定した。
実施例3では、実施例1の構成において、第一メッシュ電極42を#80のPtメッシュから、触媒層(IrO2)を形成したTiメッシュに変更して、抜出部410による抜き出しを行わずに、アソード水をバッチ式に循環させ、酸素水を製造した。実施例3では、貯留部112の冷却は、行わなかった。
実施例4では、水電解装置10を用いて、抜出部210による抜き出しを行わずに、カソード水をバッチ式に循環させ、水素水を製造した。第一メッシュ電極42として、触媒層(IrO2)を形成したTiメッシュを用い、第二メッシュ電極52として、#80のPtメッシュを用いた。貯留部12の水量を2Lとし、電流を30Aとし、カソード水を流量3L/minで循環させた。なお、アソード水は、1L/minで循環させた。
[実施例5]
実施例5では、実施例4の構成において、抜出部210によって、貯留部12から水素水を0.1L/minで常時抜き出しつつ、同量を補充部220で補充しながら水素水を製造した。
12、112 貯留部
30 水電解セル
32 固体電解質膜
40 陽極部(水電解装置100において第一電極部の一例、水電解装置10において第二電極部の一例)
42、431、432、433第一メッシュ電極(水電解装置100において第一メッシュ電極の一例、水電解装置10において第二メッシュ電極の一例)
44 第一ターミナルプレート(水電解装置100において第一ターミナルプレートの一例、水電解装置10において第二ターミナルプレートの一例)
50 陰極部(水電解装置100において第二電極部の一例、水電解装置10において第一電極部の一例)
52、53 第二メッシュ電極(水電解装置100において第二メッシュ電極の一例、水電解装置10において第一メッシュ電極の一例)
54 第二ターミナルプレート(水電解装置100において第二ターミナルプレートの一例、水電解装置10において第一ターミナルプレートの一例)
62、162 ポンプ
80、180 電源
96、196 気液混合器
114 冷却装置
210、410抜出部
220、420補充部
Claims (10)
- 固体電解質膜と、第一ターミナルプレート及び板状の第一メッシュ電極を有する第一電極部と、第二ターミナルプレート及び板状の第二メッシュ電極を有する第二電極部と、を有する水電解セルであって、前記固体電解質膜の一方の面と前記第一ターミナルプレートとの間に前記第一メッシュ電極が挟まれ且つその間を前記一方の面に沿って第一水が流通し、前記固体電解質膜の他方の面と前記第二ターミナルプレートとの間に前記第二メッシュ電極が挟まれ且つその間を前記他方の面に沿って第二水が流通する前記水電解セルと、
前記第一電極部と前記第二電極部との間に電流を流して、前記水電解セルで水電解する電源と、
前記一方の面と前記第一ターミナルプレートとの間の流路を流通した第一水を貯留する貯留部と、
前記貯留部の第一水を前記流路へ再び送るポンプと、
を備える水電解装置。 - 前記貯留部に予め貯留された第一水が、前記流路を流通してから前記貯留部に再び貯留されることで、前記貯留部と前記流路との間を循環し、
単位時間当たりの循環水量と運転時間との積が、前記貯留部に予め貯留された第一水の水量の2倍以上となる運転条件で運転される
請求項1に記載の水電解装置。 - 前記他方の面と前記第二ターミナルプレートとの間の流路を流通した第二水を、該流路へ再び送って、前記第二水を循環させる
請求項1又は2に記載の水電解装置。 - 前記水電解セルと前記貯留部との間に配置され、前記一方の面と前記第一ターミナルプレートとの間の流路を流通した第一水と該第一水に含まれる気体とを混合する気液混合器
を備える請求項1〜3のいずれか1項に記載の水電解装置。 - 前記貯留部を冷却する冷却装置を備える請求項1〜4いずれか1項に記載の水電解装置。
- 前記貯留部から前記第一水を抜き出し可能な抜出部と、
前記抜出部によって前記第一水が抜き出された貯留部に水を補充する補充部と、
を備える請求項1〜5のいずれか1項に記載の水電解装置。 - 前記抜出部で前記第一水を前記貯留部から抜き出しつつ、抜き出した分の前記第一水を前記補充部で前記貯留部へ補充する場合において、
前記貯留部に予め貯留された第一水の貯留水量を、単位時間当たりに前記貯留部に補充される補充水量で割った値を平均滞留時間としたとき、
前記平均滞留時間と単位時間当たりの循環水量との積が、前記貯留水量の2倍以上となる運転条件で運転される
請求項6に記載の水電解装置。 - 前記貯留部からの抜き出しを行わずに、前記一方の面と前記第一ターミナルプレートとの間の流路と前記貯留部との間で第一水を循環させる請求項1〜6のいずれか1項に記載の水電解装置。
- 前記第一電極部が、陰極部とされ、
前記一方の面と前記第一ターミナルプレートとの間の流路で前記第一水を流通させて、水素水を製造する
請求項1〜8のいずれか1項に記載の水電解装置。 - 請求項1〜9のいずれか1項に記載の水電解装置を準備する準備工程と、
前記水電解装置の水電解セルに第一水及び第二水を複数回流通させつつ、前記水電解セルに電流を流して前記水電解セルで水電解し、該水電解より発生した気体を含む機能水を製造する水電解工程と、
を有する機能水の製造方法。
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