JP2020124667A - 電解水生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 電気分解の効率を向上させ得る。【解決手段】本発明の電解水生成装置は、陽極を有するアノード室と陰極を有するカソード室とを少なくとも有する２室型又は３室型の電気分解部と、アノード室及びカソード室のうち、少なくとも一方である原水供給室に対して原水を供給する原水供給部と、電解質が供給される電解質供給室に対して電解質が溶解した電解質水溶液を供給する供給経路に対して前記電解質水溶液を供給すると共に前記電解質供給室から排出される電解質水溶液が戻る電解質循環部と、前記供給経路に対して電解質水溶液を供給する電解質供給部とを備えることを特徴とする。【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば酸性電解水又はアルカリ性電解水、若しくはその両方を生成する電解水生成装置や、微細気泡を含む電解水である気泡電解水を製造する気泡電解水生成装置に対して好適に適用することができる。

従来、電解水生成装置としては、電極を有するカソード室及びアノード室を薄い膜状の隔膜で隔てることにより、隔膜を介して電解質を行き来させる構成が一般的である（例えば特許文献１参照）。このような電解水生成装置のうち、電解質循環部を設けて電解質水溶液を繰返し使用する構成が知られている。

特開平０８−１６８７６２号

ところで、かかる構成の電解水生成装置では、電解質循環部に対して未使用の電解質水溶液を投入して一部入替えを行うが、未使用の電解質水溶液が循環使用した電解質水溶液によって希釈されてしまい、電解効率を低下させてしまうなどの問題があった。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的は、電解効率を向上できる電解水生成装置を提供するものである。

かかる課題を解決するため、本発明の電解水生成装置は、
陽極を有するアノード室と陰極を有するカソード室とを少なくとも有する２室型又は３室型の電気分解部と、
アノード室及びカソード室のうち、少なくとも一方である原水供給室に対して原水を供給する原水供給部と、
電解質が供給される電解質供給室に対して電解質が溶解した電解質水溶液を供給する供給経路に対して前記電解質水溶液を供給すると共に前記電解質供給室から排出される電解質水溶液が戻る電解質循環部と、
前記供給経路に対して電解質水溶液を供給する電解質供給部と
を有することを特徴とする。

本発明は、電解効率を向上できる電解水生成装置を実現できる。

本実施の形態における電解水生成装置の構成を示す略線図である。 他の実施の形態における電解水生成装置（１）の構成を示す略線図である。 他の実施の形態における電解水生成装置（２）の構成を示す略線図である。

次に本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。

＜実施の形態＞
図１において１０は、全体として本発明の電解水生成装置を示している。電解水生成装置１０は、３室型の電気分解部１２によって電気分解を行い、電解水を生成する。電解水生成装置１０では、電気分解部１２で使用された電解質水溶液が電解質循環部１３に戻って再利用されると共に、新しい電解質水溶液が電解質供給部１４から供給されるようにさなれている。

なお図示しないが、電解水生成装置１０は、図示しないＭＰＵ（Micro Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）から構成される制御部２０（図示せず）が電解水生成装置１０の全体を統括的に制御するようになされている。

原水供給部１１は、制御部２０による開閉機構４１の開閉制御により、電解水を生成するときに原水を電気分解部１２に供給する。原水供給部１１は、圧力をかけた状態で電気分解部１２に対して原水を供給する。また、接続された水道水などの水圧が高すぎる場合には、減圧バルブなどの減圧機構を構成しても良い。

原水としては、水道水や電解水、純水、精製水など種々のものを使用できる。また、原水供給部１１の一部として各種フィルターを設置することにより、不純物などの不要成分を除去した水を使用しても良い。

電気分解部１２は、陰極２４を有するカソード室２１と、陽極２５を有するアノード室２２と、カソード室２１及びアノード室２２との中間に位置し隔膜２６及び２７によって隔てられた中間室２３とを有する３室型の電解槽である。

電解質循環部１３は、電解質水溶液を貯留するタンクである。電解質水溶液が含有する電解質としては特に制限されず、水に溶解して電解質としての特性を示す既知の化合物を適宜使用することができる。便宜上、電解質として塩化ナトリウムを使用した場合について説明するが、これに限られない。

電解水生成装置１０では、通常時において制御部２０の制御によってポンプ４７が駆動され、電解質循環部１３を供給元として電解質水溶液が必要量だけ電気分解部１２へ供給される。電解質供給部１４は、電解質循環部１３よりも容量の大きいタンクを有しており、未使用の電解質水溶液が貯留されている。

すなわち、電気分解部１２は、原水供給部１１から配管４２及び４３を介してカソード室２１及びアノード室２２に原水が供給されると、電気分解を行い、配管４４を介してアルカリ性電解水をアルカリ性電解水排出口１７へ供給する一方、配管４５を介して酸性電解水を酸性電解水排出口１８へ供給する。この結果、アルカリ性電解水排出口１７からはアルカリ性電解水が、酸性電解水排出口１８からは酸性電解水が供給される。なお、アルカリ性電解水又は酸性電解水の一方を使用しない場合には、アルカリ性電解水排出口１７又は酸性電解水排出口１８が廃棄用の配管に接続され、廃棄されてもよい。

このとき、電解質循環部１３から配管４８を介して中間室２３に供給された電解質水溶液中の電解質が隔膜２６及び２７を介してカソード室２１及びアノード室２２に供給され、電解質の一部が消費されると共に、配管４６を介して電解質循環部１３へと戻される。

電解質循環部１３の上部には、電解質水溶液を排出するための配管５２が接続されており、配管５２を介してオーバーフローした電解質水溶液が排出される。これにより、中間室２３の圧力が高くならないように調整されている。

次に、電解質水溶液の供給元の切替について説明する。

従来、電解質供給部から電解質循環部に対して電解質水溶液を供給するのが一般的であった。この場合、未使用の電解質水溶液は循環済の電解質水溶液に希釈されてしまい、未使用の電解質水溶液の特性を活かすことが困難であった。また混合した電解質水溶液を一部廃棄することは、未使用の電解質水溶液の一部を廃棄することになってしまっていた。一方、電解質循環部の全量を入替えする場合、入替え直後の電解効率を高くすることができるが、電解質水溶液の入替え直前の電解効率が低下してしまい、トータルでの電解効率が芳しくなかった。

これに対して本願発明人は、電解質供給部１４から中間室２３に対して直接的に電解質水溶液を供給することにより、電気分解部１２におけるトータルの電解効率を向上させ得ることを見出した。

すなわち、電解質供給部１４は、電解質循環部１３と中間室２３とを繋ぐ配管４８に対して配管５１が接続されており、配管４８を介して中間室２３に電解質水溶液を供給する。ポンプ４９は、配管５１に設けられており、電解質循環部１３から電解質水溶液が供給されるときに使用されるポンプ４７とは別に設けられている。なお配管４８において、配管５１との合流箇所より前段の経路を配管４８Ａ、後段の合流後の経路を配管４８Ｂとする。

制御部２０（図示せず）は、ポンプ４７及びポンプ４９を切替えて駆動し、電解質循環部１３又は電解質供給部１４のいずれか一方から電気分解部１２に対して電解質水溶液を供給させる。

通常時において、制御部２０は、ポンプ４７を駆動させ、電解質循環部１３から配管４８Ａ，４８Ｂを介して中間室２３へ電解質水溶液を供給する。この結果中間室２３の電解質水溶液は、押し出され、配管４６を介して電解質循環部１３に戻る。このとき、電解質水溶液の全体の容量は殆ど変わらないため、電解質循環部１３における電解質水溶液は殆ど排出されない。

一方、未使用電解質投入時において、制御部２０は、ポンプ４９を駆動させ、電解質供給部１４から配管５１、配管４８Ｂを介して中間室２３へ電解質水溶液を供給する。この結果中間室２３の電解質水溶液は押し出され、配管４６を介して電解質循環部１３に戻る。このとき、電解質水溶液の全体の容量が増大するため、電解質循環部１３における電解質水溶液の一部はオーバーフローにより配管５２から排出される。

このとき、排出されるのは既に電解質循環部１３又は配管４６内（すなわち中間室２３より後段側）に充填されていた電解質水溶液となり、未使用の電解質水溶液が混合することなく循環済の電解質水溶液が確実に排出される。電解質供給部から１回に供給される未使用の電解質水溶液の量に特に制限はないが、循環済の電解質水溶液を確実に排出するため、中間室２３の容積及び配管４６の容積を加算した加算容積未満、特に加算容積の２／３未満であることが好ましい。

制御部２０は、電気分解部１２の稼動時間に応じて定期的にポンプ４７及びポンプ４９を切替えることにより、定期的に未使用の電解質水溶液を中間室２３に投入する。ポンプ４７を駆動させて循環済の電解質水溶液を一定時間、中間室２３に投入した後、ポンプ４７からポンプ４９に駆動を切替え、さらに一定時間、未使用の電解質水溶液を中間室２３に投入しても良い。これにより、電解水生成装置１０は、未使用の電解質水溶液をこまめに中間室２３に投入して循環済の電解質水溶液と入替えを行うことができ、電気分解部１２における電解効率を全体的に向上させることができる。

＜第２の実施の形態＞
次に、第２の実施の形態について説明する。図２を用いて説明する第２の実施の形態の電解水生成装置１０Ｘでは、センサ６１を有する点と、ポンプ４７及び４９を同時に駆動させる点が図１に示した第１の実施の形態と相違している。第１の実施の形態と同一箇所に同一符号を附し、説明を省略する。

電解水生成装置１０Ｘの制御部２０Ｘ（図示しない）は、ポンプ４７及び４９を同時に駆動させて循環済の電解質水溶液と未使用の電解質水溶液とを混合しながら電気分解部１２に供給する。これにより、未使用の電解質水溶液が電気分解部１２に供給されることにより電解質循環部１３や配管４６に位置する循環済の電解質水溶液が押し出される形でオーバーフローにより排出されるため、電解質循環部１３に供給された未使用の電解質水溶液がそのままオーバーフローによって排出されることを抑制できる。

制御部２０Ｘは、ポンプ４７及びポンプ４９の圧力を調整することにより、循環済の電解質水溶液と未使用の電解質水溶液との割合を調整する。ポンプ４７及びポンプ４９として、ＤＣ（Direct Current）モータを使用したポンプを使用しており、印加された電圧値に応じてＤＣモータの回転数が変化し、ポンプの出力（電気分解部１２に供給される電解質水溶液の供給量）が変化する。

このとき、制御部２０は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号を用いたディーティ比の調整によりＤＣモータの回転数を変化させ、ポンプ４７及びポンプ４９のそれぞれから電気分解部１２に供給される電解質水溶液の比率を調整する。

電気分解部１２と酸性電解水排出口１８との間に設けられたセンサ６１は、例えば塩素濃度、酸化還元電位、ｐＨなどの水質を表す水質値を測定するセンサであり、配管４５を通過する酸性電解水の水質値を測定し、測定値を制御部２０Ｘに供給する。

制御部２０Ｘは、センサ６１によって測定された水質値に基づき、ポンプ４７及びポンプ４９のそれぞれから電気分解部１２に供給される電解質水溶液の比率を調整する。

具体的に、制御部２０Ｘは、電化水質値として例えば塩素濃度値を測定し、水質値が所定の閾値範囲内になるよう電解質水溶液の比率を調整する。制御部２０Ｘは、塩素濃度が循環閾値範囲内である場合には、所定の通常比率（例えば９０：１０）となるよう循環済の電解質水溶液と未使用の電解質水溶液の比率を調整する。

一方、制御部２０Ｘは、塩素濃度が循環閾値範囲未満である場合には、通常比率よりも未使用の電解質水溶液の比率が増大する増大比率（例えば６０：４０）となるよう循環済の電解質水溶液と未使用の電解質水溶液の比率を調整する。

また、制御部２０Ｘは、塩素濃度が循環閾値範囲以上である場合には、通常比率よりも未使用の電解質水溶液の比率が減少する減少比率（例えば９５：５）となるよう循環済の電解質水溶液と未使用の電解質水溶液の比率を調整する。

このように、電解水生成装置１０Ｘでは、生成された電解水の水質に応じて循環済の電解質水溶液と未使用の電解質水溶液の比率を調整するため、電解水の水質を安定化することができる。

＜動作及び効果＞
以下、上記した実施形態から抽出される発明群の特徴について、必要に応じて課題及び効果等を示しつつ説明する。なお以下においては、理解の容易のため、上記各実施形態において対応する構成を括弧書き等で適宜示すが、この括弧書き等で示した具体的構成に限定されるものではない。また、各特徴に記載した用語の意味や例示等は、同一の文言にて記載した他の特徴に記載した用語の意味や例示として適用しても良い。

以上の構成において、本発明の電解水生成装置は、陽極を有するアノード室と陰極を有するカソード室とを少なくとも有する２室型又は３室型の電気分解部（電気分解部１２）と、
アノード室及びカソード室のうち、少なくとも一方である原水供給室に対して原水を供給する原水供給部（原水供給部１１）と、
電解質が供給される電解質供給室（中間室２３）に対して電解質が溶解した電解質水溶液を供給する供給経路（配管４８Ｂ）に対して前記電解質水溶液を供給すると共に前記電解質供給室から排出される電解質水溶液が戻る電解質循環部（電解質循環部１３）と、
前記供給経路に対して電解質水溶液を供給する電解質供給部（電解質供給部１４）とを備えることを特徴とする。

これにより、電解質供給部から供給される未使用の電解質水溶液を直接的に電解質供給室に供給できるため、電気分解部における電解効率を向上させ得る。

電解水生成装置において、前記電解質循環部は、
オーバーフローにより電解質水溶液を排出する排出部が設けられていることを特徴とする。

これにより、循環使用した電解質水溶液の排出経路を供給経路から離間させ、循環済の電解質水溶液を確実に排出することができる。

電解水生成装置では、前記電解質循環部と前記供給経路との間に設けられた第１のポンプ（ポンプ４７）と、前記電解質供給部と前記供給経路との間に設けられた第２のポンプ（ポンプ４９）と、前記第１のポンプ及び前記第２のポンプを制御する制御部とを有することを特徴とする。

これにより、第１及び第２のポンプを制御することにより、循環済の電解質水溶液と未使用の電解質水溶液とを供給経路に供給することができる。

電解水生成装置において、前記制御部は、
前記第１のポンプと前記第２のポンプとの圧力比率を調整することを特徴とする。

これにより、供給経路に供給される循環済の電解質水溶液と未使用の電解質水溶液との供給量を自在に制御することができる。

電解水生成装置では、前記電気分解部の後段に設けられたセンサを備え、
前記制御部は、
前記センサによって測定された水質の測定値である水質値に基づいて、前記第１のポンプと前記第２のポンプとの圧力比率を調整することを特徴とする。

これにより、電気分解部の後段における循環済の電解質水溶液又は生成された電解水の水質に応じて循環済の電解質水溶液と未使用の電解質水溶液との供給量を調整できるため、生成される電解水の品質を安定化させることができる。

電解水生成装置において、前記供給経路に対して電解質水溶液を供給する供給元を、電解質循環部及び電解質供給部のいずれか一方に切替える切替機構（ポンプ４７及び４９）とを備えることを特徴とする。

これにより、供給元が電解質供給部の場合には、未使用の電解質水溶液のみを確実に電解質供給室に供給できる。

電解水生成装置において、前記制御部は、
前記第１のポンプ及び前記第２のポンプのいずれか一方を駆動させることを特徴とする。

これにより、ポンプの切替によって容易に供給元を切替えることができる。

電解水生成装置において、前記切替機構は、
前記供給経路への電解質水溶液の供給元を前記電解質循環部及び前記電解質供給部のいずれかに切替える切替バルブと
前記供給元を切替える制御部とを有することを特徴とする。

これにより、切替バルブの切替によって容易に供給元を切替えることができる。

電解水生成装置において、前記切替機構は、
前記電気分解部の稼動時間に応じて、前記供給経路に対して電解質水溶液を供給する供給元を電解質循環部及び電解質供給部のいずれか一方に切替えることを特徴とする。

これにより、電気分解部の稼動時間に応じた適したタイミングで未使用の電解質水溶液を投入できる。

＜他の実施の形態＞
なお上述実施形態では、電気分解部１２が３室型の電解槽でなり、中間室２３に電解質水溶液を循環させるようにしたが、本発明はこれに限らず、図３に示すように、２室型の電解槽である電気分解部１１２にも本発明を適用することができる。この場合、アノード室を電解質供給室として酸性電解水を循環させたり（図示しない）、図３のようにカソード室１２１を電解質供給室としてアルカリ性電解水を循環させたりすることができる。

上述実施形態では、生成した電解水をそのまま排出するようにしたが、本発明はこれに限らず、電気分解部の後段に微細気泡を含有させる微細気泡生成部を設け、電解水に微細気泡を含有させるようにしても良い。微細気泡生成部を設ける構成は、例えば特許文献２（特願２０１６−２２９５１９号）などに記載されている。微細気泡生成部としては特に限定されず、圧力開放方式、高速旋回方式、ベンチュリー方式など公知の手法を用いることができる。もちろん、複数の方式を組み合わせても良い。

上述実施形態では、電解質供給部１４に電解質水溶液が貯留されているが、電解質供給部において電解質水溶液を調製しても良い。例えば電解質供給部に攪拌機構を有し、水と電解質とを混合することにより電解質水溶液が調製される。

上述実施形態では、電解質循環部１３において電解質水溶液をオーバーフローさせるようにしたが、本発明はこれに限られない。例えば、配管４６と電解質循環部１３との間に分岐路（排出路）を設けて電解質水溶液を排出するようにしても良い。この場合であっても、循環使用した電解質水溶液を優先的に廃棄できるといった上述の実施形態と同様の効果を得ることができる。循環済の電解質水溶液の排出経路は、中間室２３よりも後段（すなわち配管４６上又はそれ以降）に設けることにより、未使用の電解質水溶液との混合希釈を確実に避けることができ、好ましい。

上述実施形態では、電圧のデューティ比によってポンプ４７及び４９の圧力比率を調整するようにしたが、本発明はこれに限られない。例えば、出力の相違するポンプをポンプ４７及び４９として使用したり、電圧を変化させたりすることによって圧力比率の調整を行っても良い。また、通常時にはポンプ４７にのみ電圧をかけてポンプ４７のみを稼動させ、所定時間間隔で所定の稼動時間だけポンプ４７及び４９の両方を稼動させることも可能である。

上述実施形態では、センサ６１が電気分解部１２と酸性電解水排出口１８との間に設けられたが、本発明はこれに限られない。例えば、電気分解部１２と電解質循環部１３との間（配管４６上）、電気分解部１２とアルカリ性電解水排出口１７（配管４４上）に設けるようにしても良い。また、測定する水質を表す水質値としては塩素濃度、酸化還元電位、ｐＨに限らず、塩分濃度、電流値、水温などを測定しても良い。

上述実施形態では、水質値が循環閾値範囲内に入るようにポンプ４７及びポンプ４９のそれぞれから電気分解部１２に供給される電解質水溶液の比率を調整したが、本発明はこれに限られない。例えば、所定の閾値以上か否かによって比率を調整しても良い。また、水質値に応じた比率を予め定めておき、定められた比率になるように調整することもできる。

上述実施形態では、ポンプ４７及び４９を切替える構成としたが、本発明はこれに限られない。例えば図３に示す電解水生成装置１０Ｙのように、配管４８Ｂと配管５１との合流箇所に切替バルブ１４８を設け、供給元を電解質循環部１３又は電解質供給部１４のいずれか一方に切替えるようにしても良い。この場合、ポンプ１４７は切替バルブ１４８の後段に設けられることが好ましい。切替バルブ１４８の前段に設ける場合（２つのポンプが必要）と比較して、ポンプの数を減少させて構成を簡易にできる。

さらに、上述の実施の形態においては、電気分解部としての電気分解部１２と、原水供給部としての原水供給部１１と、電解質循環部としての電解質循環部１３と、電解質供給部としての電解質供給部１４とによって電解水生成装置１０を構成したが、本発明はこれに限らず、その他種々の構成による電気分解部と、原水供給部と、電解質循環部と、電解質供給部とによって本発明の電解水生成装置を構成しても良い。

本発明は、例えば酸性電解水及びアルカリ性電解水を生成する電解水生成装置などに使用することができる。

１０：電解水生成装置、１１：原水供給部、１２：電気分解部、１３：電解質循環部、１４：電解質供給部、１７：アルカリ性電解水排出口、１８：酸性電解水排出口、２０：制御部、２１：カソード室、２２：アノード室、２３：中間室、２４：陰極、２５：陽極、２６：隔膜、２７：隔膜、４１：開閉機構、４２：配管、４３：配管、４４：配管、４５：配管、４６：配管、４７：ポンプ、４８：配管、４８Ａ：配管、４８Ｂ：配管、４９：ポンプ、５１：配管、５２：配管、６１：センサ、１４７：ポンプ、１４８：切替バルブ

かかる課題を解決するため、本発明の電解水生成装置は、
陽極を有するアノード室と陰極を有するカソード室とを少なくとも有する２室型又は３室型の電気分解部と、
アノード室及びカソード室のうち、少なくとも一方である原水供給室に対して原水を供給する原水供給部と、
電解質が供給される電解質供給室に対して電解質が溶解した電解質水溶液を供給する供給経路に対して電解質水溶液を供給すると共に前記電解質供給室から排出される電解質水溶液が配管を介して戻る電解質循環部と、
前記供給経路に対して電解質水溶液を供給する電解質供給部とを備え、
前記電解質供給部から供給された未使用の電解質水溶液は、前記供給経路、前記電解質供給室、前記配管を通って前記電解質循環部に供給され、
電解質循環部から供給される循環済の電解質水溶液は、前記供給経路、前記電解質供給室、前記配管を通って前記電解質循環部に戻る
ことを特徴とする。

Claims (9)

1. 陽極を有するアノード室と陰極を有するカソード室とを少なくとも有する２室型又は３室型の電気分解部と、
   アノード室及びカソード室のうち、少なくとも一方である原水供給室に対して原水を供給する原水供給部と、
   電解質が供給される電解質供給室に対して電解質が溶解した電解質水溶液を供給する供給経路に対して電解質水溶液を供給すると共に前記電解質供給室から排出される電解質水溶液が戻る電解質循環部と、
   前記供給経路に対して電解質水溶液を供給する電解質供給部と
   を備えることを特徴とする電解水生成装置。
2. 前記電解質循環部は、
   オーバーフローにより電解質水溶液を排出する排出部が設けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載の電解水生成装置。
3. 前記電解質循環部と前記供給経路との間に設けられた第１のポンプと、
   前記電解質供給部と前記供給経路との間に設けられた第２のポンプと、
   前記第１のポンプ及び前記第２のポンプを制御する制御部と
   を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電解水生成装置。
4. 前記制御部は、
   前記第１のポンプと前記第２のポンプとの圧力比率を調整する
   ことを特徴とする請求項３に記載の電解水生成装置。
5. 前記電気分解部の後段に設けられたセンサを備え、
   前記制御部は、
   前記センサによって測定された水質の測定値である水質値に基づいて、前記第１のポンプと前記第２のポンプとの圧力比率を調整する
   ことを特徴とする請求項４に記載の電解水生成装置。
6. 前記供給経路に対して電解質水溶液を供給する供給元を、前記電解質循環部及び電解質供給部のいずれか一方に切替える切替機構と
   を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の電解水生成装置。
7. 前記制御部は、
   前記第１のポンプ及び前記第２のポンプのいずれか一方を駆動させる
   ことを特徴とする請求項３に記載の電解水生成装置。
8. 前記切替機構は、
   前記供給経路への電解質水溶液の供給元を前記電解質循環部及び前記電解質供給部のいずれかに切替える切替バルブと
   前記供給元を切替える制御部とを有する
   ことを特徴とする請求項６に記載の電解水生成装置。
9. 前記切替機構は、
   前記電気分解部の稼動時間に応じて、前記供給経路に対して電解質水溶液を供給する供給元を前記電解質循環部及び前記電解質供給部のいずれか一方に切替える
   ことを特徴とする請求項８に記載の電解水生成装置。
   
   
   

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