JP6062597B2 - 電解装置、電極ユニットおよび電解水生成方法 - Google Patents

Description

本実施形態は、電解装置、電解装置の電極ユニット、および電解水生成方法に関する。

アルカリイオン水、オゾン水または次亜塩素酸水などを生成する電解装置として、３室型の電解槽（電解セル）を有する電解装置が用いられている。３室型の電解槽は、その内部の電解室が、隔膜によって陽極室、中間室および陰極室と３室に区切られる。隔膜としては、陰極側にはナフィオン（商標）等の陽イオン交換膜、陽極側には四級アンモニウム塩や四級ホスホニウム塩等を有する陰イオン交換膜が使用される。陽極室および陰極室には、多孔構造を有する陽極および陰極がそれぞれ配置されている。

このような電解装置では、例えば、中間室に塩水を流し、左右の陰極室および陽極室に水を流して、中間室の塩水を陰極および陽極で電解することで、陽極室で発生した塩素ガスから次亜塩素酸水を生成するとともに、陰極室で水酸化ナトリウム水を生成する。生成した次亜塩素酸水は殺菌消毒水として、水酸化ナトリウム水は洗浄水として活用される。

このような３室型電解槽では陰イオン交換膜は塩素や次亜塩素酸により劣化しやすい。そのため、パンチング等で作製した多孔構造の陽極と陰イオン交換膜との間に、オーバーラップや切り込みを入れた不織布を挿入して塩素によるイオン交換膜の劣化を低減させる技術が提案されている。また、電極の多数の孔を塞がないように多孔膜を配置する技術が知られている。

特開２０１２−１７２１９９ 特開２００６−３２２０５３ 特開平１１−１００６８８

しかしながら、上述した構成の電解装置では、非常に長期間の運転により、不織布の劣化およびそれに伴う隔膜の劣化が生じる。
本発明が解決しようとする課題は、隔膜の劣化を抑制し長寿命の電解装置、電極ユニット、および電解水生成方法を提供することにある。

実施形態によれば、電解装置は、１ｃｍ^２当たりの透水量が２０ＫＰａの差圧下で０．００２４〜０．６ｍＬ／ｍｉｎである透水性を有する多孔質膜からなる隔膜と、前記隔膜に対向して設けられた第１電極と、前記隔膜を介して前記第１電極に対向する第２電極と、を備え、前記多孔質膜の両側に掛かる水圧差が、±２０ｋＰａ以内である。

図１は、第１の実施形態に係る電解装置を示す断面図。 図２は、第１の実施形態に係る電解装置の電極ユニットを示す分解斜視図。 図３は、第１電極および多孔質膜の一部を拡大して示す断面図。 図４は、多孔質膜に様々な水圧差を印加したときに多孔質膜を透過する透水量を実測した結果を示す図。 図５は、横軸に印加水圧差を、縦軸に１ｃｍ^２当たり１分あたりに換算した透水量を示すグラフ。 図６は、前記多孔質膜を用い、陽極室と中間室の水圧を様々に変えて陽極室で生成する電解水の水質を実測した結果を示す図。 図７は、横軸に陽極室と中間室の水圧差を、縦軸に有効塩素濃度を示すグラフ。 図８は、横軸に陽極室と中間室の水圧差（塩水圧−酸性水圧）を、縦軸にＮａイオン濃度を示すグラフ。 図９は、縦軸に指標を、横軸に水圧差（中間室−陽極室）を示すグラフ。 図１０は、前記電解装置の第１電極および多孔質膜を拡大して示す断面図。 図１１は、前記電解装置の第１電極および多孔質膜を拡大して示す断面図。 図１２は、第２の実施形態に係る電解装置を概略的に示す断面図。 図１３は、第３の実施形態に係る電解装置を概略的に示す断面図。 図１４は、第３の実施形態に係る電解装置の電極ユニットを示す分解斜視図。

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装置を概略的に示す図である。電解装置１０は、例えば、３室型の電解槽（電解セル）１１を備えている。電解槽１１は、偏平な矩形箱状に形成され、その内部の電解室は、第１隔膜２４ａおよび第２隔膜２４ｂにより、３室に仕切られている。すなわち、電解室は、第１隔膜２４ａにより陽極室１６と中間室１９とに仕切られ、第２隔膜２４ｂにより中間室１９と陰極室１８とに仕切られている。第１隔膜２４ａおよび第２隔膜２４ｂは、間隔を置いて、互いにほぼ平行に対向している。電解槽１１は、陽極室１６内に配置され第１隔膜２４ａに対向する第１電極（陽極）２０と、陰極室１８内に配置され第２隔膜２４ｂに対向する第２電極（陰極、対向電極）２２と、を有している。中間室１９内の電解液が直接、第１電極２０あるいは第２電極２２と接しないよう、第１および第１隔膜２４ａ、２４ｂの上下端に、それぞれシール部３１を設けても良い。また、中間室１９内に、電解液を保持する保持体として、多孔質スペーサを設置してもよい。

電解装置１０は、電解槽１１の第１および第２電極２０、２２に電圧を印加する電源３０、電流計３２、電圧計３４、およびこれらを制御する制御装置３６を備えている。陽極室１６、陰極室１８には流体の流路を設けても良い。電解装置１０は、電解槽１１の中間室１９に電解液、例えば、飽和食塩水を供給する電解液供給部５０と、陽極室１６および陰極室１８に被電解水、例えば、水を供給する水供給部５１と、を備えている。

電解液供給部５０は、飽和食塩水を生成する塩水タンク５２と、塩水タンク５２から中間室１９の下部に飽和食塩水を導く供給配管５０ａと、供給配管５０ａ中に設けられた送液ポンプ５４と、中間室１９内を流れた電解液を中間室１９の上部から塩水タンク５２に送る排水配管５０ｂと、を備えている。排水配管５０ｂには、調整弁５３が設けられている。

水供給部５１は、水を供給する図示しない給水源と、給水源から陽極室１６および陰極室１８の下部に水を導く給水配管５１ａと、陽極室１６を流れた水を陽極室１６の上部から排出する第１排水配管５１ｂと、陰極室１８を流れた水を陰極室１８の上部から排出する第２排水配管５１ｃと、第１排水配管５１ｂ中に設けられた調整弁（絞り弁）５５ａと、第２排水配管５１ｃ中に設けられた調整弁５５ｂと、を備えている。

中間室１９に電解液を供給する送液ポンプ５４の供給流量を調整することにより、あるいは、調整弁５３、５５ａ、５５ｂによって水の流量あるいは電解液の流量を調整することにより、陽極室１６内の水圧、陰極室１８内の水圧、および中間室１９内の水圧、これらの水圧差を調整することができる。

上記のように構成された電解装置１０により、実際に食塩水を電解して酸性水（次亜塩素酸水および塩酸）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５４を作動させ、電解槽１１の中間室１９に飽和食塩水を供給するとともに、陽極室１６および陰極室１８に水を給水する。同時に、電源３０から正電圧および負電圧を第１電極２０および第２電極２２にそれぞれ印加する。中間室１９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、第２電極２２に引き寄せられ、第２隔膜２４ｂを通過して、陰極室１８へ流入する。そして、陰極室１８において、第２電極２２で水が電気分解されて水素ガスと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（アルカリ性水）および水素ガスは、陰極室１８から第２排水配管５１ｃに流出し、第２排水配管５１ｃを通って排出される。

また、中間室１９内の塩水中において電離している塩素イオンは、第１電極２０に引き寄せられ、第１隔膜２４ａを通過して、陽極室１６へ流入する。そして、第１電極２０にて塩素イオンが陽極に電子を与えて塩素ガスが発生する。その後、塩素ガスは陽極室１６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（次亜塩素酸水および塩酸）は、陽極室１６から第１排水配管５１ｂを通って排出される。

次に、電解槽１１内に設けられた電極ユニット１２について詳細に説明する。図２は、電極ユニット１２を示す分解斜視図である。図１および図２に示すように、電極ユニット１２は、前述した第１および第２電極２０、２２と、第１および第２隔膜２４ａ、２４ｂとを備え、さらに、シール部３１を備えていることが望ましい。なお、シール部３１は電極ユニット側でなく電解槽１１側に設けてもよい。

第１電極２０は、例えば、矩形状の金属板からなる基材２１に多数の貫通孔１３を形成した多孔構造を有している。基材２１は、第１表面２１ａおよび、第１表面２１ａとほぼ平行に対向する第２表面２１ｂを有している。第１表面２１ａと第２表面２１ｂとの間隔、すなわち、電極の板厚はＴ１に形成されている。第１表面２１ａは第１隔膜２４ａに対向し、第２表面２１ｂは陽極室１６に対向する。

貫通孔１３は、第１電極２０の全面に亘って多数形成されている。各貫通孔１３は、第１表面２１ａおよび第２表面２１ｂに開口している。貫通孔１３は、第１表面２１ａ側の開口径が第２表面２１ｂ側の開口径よりも大きくなるように、テーパー状の壁面、あるいは湾曲した壁面により形成してもよい。この場合、第１電極２０の貫通孔１３による第１隔膜２４ａへの応力集中を低減することができる。貫通孔１３は、矩形状、円形、楕円形等、種々の形状を用いることができる。また、貫通孔１３は、規則的に限らず、ランダムに並んで形成してもよい。

第１電極２０の基材２１としては、チタン、クロム、アルミニウムやその合金等の弁金属、導電性金属を用いることができる。電解反応によっては、第１電極２０の第１表面２１ａおよび第２表面２１ｂに電解触媒（触媒層）を形成することが好ましい。陽極として用いる場合、電極の基材自体として白金等の貴金属触媒や酸化イリジウム等の酸化物触媒を用いることが好ましい。電解触媒の単位面積当たりの量が第１電極２０の両面で異なるように形成してもよい。これにより副反応等を抑制することができる。あるいは、第１電極２０の第１隔膜２４ａと反対側の表面（第２表面２１ｂ）を電気絶縁性膜で覆うことにより、副反応を低減することが可能である。

図１および図２に示すように、本実施形態では、第２電極（陰極、対向電極）２２は、第１電極２０と同様に構成されている。すなわち、第２電極２２は、例えば、矩形状の金属板からなる基材２３に多数の貫通孔１５を形成した多孔構造を有している。基材２３は、第１表面２３ａおよび、第１表面２３ａとほぼ平行に対向する第２表面２３ｂを有している。第１表面２３ａは第２隔膜２４ｂに対向し、第２表面２３ｂは陰極室１８に対向する。

第１隔膜２４ａは、透水性を有する連続的な多孔質膜２４により形成されている。本実施形態において、多孔質膜２４は、例えば、第１電極２０とほぼ等しい寸法の矩形状に形成され、第１電極２０の第１表面２１ａと第２電極２２の第１表面２３ａとの間に配置されている。多孔質膜２４は、第１電極２０の第１表面２１ａに対向して位置し、第１表面２１ａ全体および貫通孔１３を覆っている。

多孔質膜２４としては、化学的に安定な無機酸化物を含有する連続的な無機酸化物多孔質膜を用いている。無機酸化物としては種々のものを用いることができる。例えば、酸化チタン、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化ニッケルを用いることができ、この中では、酸化チタン、酸化ケイ素、酸化アルミニウムが好ましい。

第１電極２０を陽極として用いる場合、多孔質膜２４の無機酸化物としては、酸性領域でゼータ電位が正になりやすい酸化チタンや酸化アルミニウムが陰イオン交換機能を発揮することら、好ましい。陰極に用いる場合、多孔質膜２４の無機酸化物としては、アルカリ性領域でゼータ電位が負になりやすい酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ケイ素が陽イオン交換機能を発揮することから、好ましい。
多孔質膜２４には、無機酸化物の他に、塩素、フッ素系のハロゲン化高分子を有する多孔質ポリマー等を用いることができる。

多孔質膜２４は、孔径が１０〜２００ｎｍであり、透水性を有している。多孔質膜２４は、例えば、多孔質膜２４の１ｃｍ^２当たりの透水量が２０ＫＰａの差圧下で０．０１２〜０．２４ｍＬ／ｍｉｎとなる透水性を有している。また、多孔質膜２４を挟んだ陽極室１６の水圧と中間室１９の水圧は、ほぼ同様に設定され、圧力差が±６ｋＰａ以内の水圧値になるよう調整されている。

従来の第１隔膜は、透水性がなく陰イオンのみを透過する陰イオン交換膜が用いられていたが、本実施形態では、透水性のある多孔質膜２４を特定の水圧差で用いることで、イオン交換膜を用いる場合よりも特性が良好で、かつ余分な電解質を含まない電解水を生成できることを見出した。

以下、多孔質膜２４についてより詳細に説明する。
図３に模式的に示すように、多孔質膜２４は、第１電極２０の第１表面２１ａ部分に対向して設置され、多孔質膜２４の全面には孔径１００ｎｍ前後の小さな孔が無数に空いている。図３（ａ）では模式的に孔形態として膜を貫通する直線状に表しているが、実質的には図３（ｂ）に拡大して示すように、多孔質形態の空隙部分として孔が面内および立体的に不規則に形成され、矢印に示すような複雑な孔経路を通して多孔質膜２４を透水することができる。

図４は、この多孔質膜２４の５ｃｍ×５ｃｍ面積に様々な水圧差を印加したときに多孔質膜２４を透過する透水量を実測した結果を示している。例えば、５ｃｍ×５ｃｍの多孔質膜２４に０．０３３ＭＰａの水圧を２０分間にわたり掛けたときに透水した透水量は８６ｍＬであったことなどを示している。また、図５は、横軸に多孔質膜に印加する水圧差（多孔質膜の両側に作用する水圧の差）を、縦軸に１ｃｍ^２当たり、１分あたりに換算した多孔質膜の透水量を示すグラフである。

図４および図５に示すように、多孔質膜２４の透水量は、単純に圧力に比例して増加し、透水率は６ｍＬ／分／ｃｍ^２／ＭＰａである。これは、圧力差２０ｋＰａ印加時の透水量にすると、０．１２ｍＬ／分／ｃｍ^２に相当する。また、多孔質膜２４を特殊処理することで孔径を変え、透水率が孔径にも単純比例することを確認した。また、従来のイオン交換膜では多孔質膜のような孔は存在せず、２ｎｍ以下の高分子間の隙間をイオンが通過する構成となっており、図４に示した範囲の水圧と時間では透水量は実測できる値にはならず零である。

図６は、この多孔質膜２４を用い、陽極室１６および中間室１９の水圧を様々に変えて陽極室１６で生成する電解水の水質を実測した結果を示している。ここでは、中間室１９には電解質として塩水を投入し、電極に一定の電解電流（９Ａ）を流し、第１電極２０で多孔質膜２４を通過した塩素イオンより塩素ガスを生成し、塩素ガスと水の反応より次亜塩素酸を生成させたものである。水質としては、生成効率の指標となる次亜塩素酸の有効塩素濃度と、透水性のある多孔質膜２４で懸念される電解水中の塩分濃度（具体的にはＮａ濃度）を測定した。

図７および図８は、横軸に陽極室と中間室の水圧差を、縦軸に有効塩素濃度、およびＮａイオン濃度を示したものである。なお、水圧差は、中間室１９の入口および出口の水圧平均値から、陽極室１６の入口および出口の水圧平均値を差し引いたものである。例えば、中間室１９に電解液を供給する送液ポンプ５４の供給流量を調整することにより、あるいは、陽極室１６および陰極室１８の第１排水配管５１ｂ、第２排水配管５１ｃに設けられた調整弁５５ａ、５５ｂによって水の流量を調整することにより、陽極室１６内の水圧および中間室１９内の水圧、これらの水圧差を調整することができる。

図７に示すように、有効塩素濃度については、第１隔膜２４ａとして従来構成の陰イオン交換膜を用いた場合は５０ｐｐｍ程度であったが、本実施形態の多孔質膜２４を用いた場合では、中間室１９の水圧が陽極室１６の水圧に対して−６ｋＰａよりも高ければ従来よりも高い生成効率を示した。これは、多孔質膜２４自体が透水性を有することで従来の陰イオン交換膜よりも格段に塩素イオンを透過しやすくなっていることと、水圧差により中間室１９から陽極室１６に通過する塩素イオン量が変わり、中間室１９の水圧が強いほど塩素イオンが多く透過してくるためである。この結果、塩素イオン濃度が高まることで競合する酸素生成反応が抑制されて塩素生成反応が増加していることを示している。すなわち、透水性のある多孔質膜２４を隔膜として用いて、かつ水圧条件（多孔質膜２４の両側に掛かる水圧差）を適切に設定することにより、生成効率が従来構成より改善することが分かる。

一方、多孔質膜２４は、余分なＮａイオンも透過してしまうため、陽極室１６で生成する電解水に塩分が混入する懸念がある。図８に示すように、本実施形態では、中間室１９の水圧が陽極室１６の水圧に対して＋６ｋＰａよりも低ければ、Ｎａイオン濃度が１５０ｐｐｍを下回ることが確認された。塩分に関しては、水道水基準で３００ｐｐｍとしており、１５０ｐｐｍ以下のＮａ濃度であれば水道水レベルであるといえる。

この生成効率と塩分混入は二律相反する関係にある。すなわち、陰イオン交換膜のようなイオン選択透過性を持たない多孔質膜２４においては、中間室１９からの塩素イオン透過量が多ければ生成効率は向上するが、同時にナトリウムイオンも透過するため塩分混入が増大してしまう関係にあった。ところが、この関係は完全に相反するものではなく、上述したように限られた水圧条件範囲では生成効率向上と塩分混入低減が両立する範囲があることを見出した。

図６に示す表の最下欄に指標を設定している。この指標は、二律相反する生成効率と塩分混入の総合的な良し悪しを示したもので、（１）有効塩素濃度と、（２）３００ｐｐｍよりＮａイオン濃度を差し引いた値と、を掛けあわせたものである。すなわち、この指標の値が高いほど生成効率が高く、かつ、塩分混入が低いことを示している。

図９は、この指標を縦軸に示し、横軸に水圧差（中間室の水圧−陽極室の水圧）を示したグラフである。水圧差に対する指標の変化は単純な増大や減少ではなく、水圧差を零とすることで指標が極大値となっている。すなわち、透水性のある第１隔膜２４ａを用いて中間室１９と陽極室１６の水圧差を零とすることで、従来構成では達成できない優れた電解装置を実現することができる。

実用的には、多孔質膜２４として孔径１０〜２００ｎｍ、透水率０．６〜１２ｍＬ／分／ｃｍ^２／ＭＰａ（１ｃｍ^２当たり２０ｋＰａ水圧差において透水量０．０１２〜０．２４ｍＬ／分）を用い、中間室１９と陽極室１６の水圧差（多孔質膜２４の両側に掛かる水圧差）として±６ｋＰａの範囲に設定することで実施形態の機能を発揮することができる。

また、上述した各種の値は望ましい範囲であり、実用できる範囲としては、孔径２〜５００ｎｍ、透水率０．１２〜３０ｍＬ／分／ｃｍ^２／ＭＰａ（１ｃｍ２あたり２０ｋＰａ水圧差において透水量０．００２４〜０．６ｍＬ／分）、中間室１９と陽極室１６の水圧差（多孔質膜２４の両側に掛かる水圧差）として±２０ｋＰａの範囲で設定してもよい。

図１０に模式的に示すように、多孔質膜２４は、第１電極２０の第１表面２１ａ部分に対向する第１領域２５ａと、貫通孔１３の開口を覆う第２領域２５ｂと、を有している。第１領域２５ａは無孔に形成されてもよい。あるいは、第１領域２５ａにおける孔の径が第２領域２５ｂにおける孔の径よりも小さいくなるように多孔質膜２４を形成してもよい。また、第１領域２５ａは、第２領域２５ｂの孔とほぼ同一径の多数の孔を有していてもよい。ここでも、模式的に膜を貫通する直線状の孔で表したが、膜形態としては多孔質膜でよく、第１領域２５ａと第２領域２５ｂで多孔質膜２４の孔径や密度が変わっていればよい。

また、図１１に模式的に示すように、多孔質膜２４の孔径は、第１電極２０側の開口径と第２電極２２側の開口径とが異なっていてもよい。孔の第２電極２２側の開口径を第１電極２０側の開口径より大きくすることにより、イオンの移動をより容易にすることができる。更に、多孔質膜２４の孔は、面内および立体的に不規則な孔を有することができる。ここでも、孔を模式的に表したが、多孔質膜としては孔径の異なる膜を積層し、最も第１電極２０側の層で孔径が小さくなる構成であればよい。

多孔質膜２４は、孔径の異なる複数の多孔質膜の積層膜を用いてもよい。この場合、第２電極２２側に位置する多孔質膜の孔径を、第１電極２０側に位置する多孔質膜の孔径よりも大きくすることにより、イオンの移動をより容易にするとともに電極の貫通孔による応力集中を低減することができる。
図１および図２に示すように、第２隔膜２４ｂは、例えば、第２電極２２とほぼ等しい寸法の矩形状に形成され、第２電極２０の第１表面２３ａに隣接対向して設けられている。また、第２隔膜２４ｂは、第１隔膜２４ａと所定の間隔を置いて対向している。第２隔膜２４ｂとしては、種々の電解質膜やナノポアを有する多孔質膜を用いることができる。電解質膜としては、高分子電解質膜、例えば、陽イオン交換固体高分子電解質膜、具体的には、カチオン交換性の膜を用いることができる。カチオン交換性の膜としては、ＮＡＦＩＯＮ（イー アイ デュポン社：商標）１１２、１１５、１１７、フレミオン（旭硝子株式会社：商標）、ＡＣＩＰＬＥＸ（旭化成株式会社：商標）、ゴアセレクト（ダブリュー．エル．ゴア アンド アソシエーツ社：商標）が挙げられる。ナノポアを有する多孔質膜としては、多孔質ガラス、多孔質アルミナ、多孔質チタニア等の多孔質セラミックス、多孔質ポリエチレン、多孔質プロピレン等の多孔質ポリマー等を用いることができる。

図１に示すように、上記構成の電解装置１０において、電源３０の両極は第１電極２０と第２電極２２に電気的に接続されている。電源３０は、制御装置３６による制御の下、第１および第２電極２０、２２に電圧を印加する。電圧計３４は、第１電極２０と第２電極２２に電気的に接続され、電解槽１１に印加される電圧を検出する。その検出情報は、制御装置３６に供給される。電流計３２は、電解槽１１の電圧印加回路に接続され、電解槽１１を流れる電流を検出する。その検出情報は制御装置３６に供給される。制御装置３６は、メモリに記憶されたプログラムに従い、前記検出情報に応じて、電源３０による電解槽１１に対する電圧の印加もしくは負荷を制御する。電解装置１０は、中間室１９、陽極室１６および陰極室１８に反応対象物質が供給された状態で、第１電極２０と第２電極２２との間に電圧を印加あるいは負荷して、電解のための電気化学反応を進行させる。

本実施形態の電解装置１０は、塩素イオンを含む電解質を電解することが好ましい。例えば、次亜塩素酸水を生成する電解装置１０とする場合、中間室１９に塩水を流し、左右の陽極室１６および陰極室１８に水を流して、中間室１９の塩水を第１電極（陽極）２０および第２電極（陰極）２２で電解する。これにより、陽極室１６で発生した塩素ガスから次亜塩素酸水を生成するとともに、陰極室１８で水酸化ナトリウム水を生成する。生成した次亜塩素酸水は殺菌消毒水として、水酸化ナトリウム水は洗浄水として活用される。

以上のように構成された電解装置、電解槽および電極ユニットによれば、化学的に安定な無機酸化物を含有する連続的な多孔質膜２４を第１電極２０の第１表面２１ａおよび貫通孔１３を覆うように設けることにより、第１電極２０と第２電極２２との距離を一定に保ち、液体の流れを均一化することができる。これにより、電解反応が電極界面で均一に起こることが可能となる。電解反応が均一に起こることから、触媒の劣化や電極金属の劣化が均一に生じ、化学的に安定な無機酸化物を用いることも相まって、隔膜および電解槽の寿命を非常に長くすることができる。また、電解反応をむらなく均一に生じさせ、電解装置の反応効率向上および電極、隔膜の劣化防止を図ることができる。

多孔構造の第１電極２０において、第１表面側の開口が広くなるテーパー面や湾曲面で貫通孔を形成することにより、貫通孔の開口との多孔質膜２４との接触角が鈍角となり、多孔質膜２４への応力集中を低減することができる。
更に、第１隔膜２４ａを多孔質膜２４のみによって構成することにより、イオン選択性は低減するが、素子構造が簡略化され、さらなる長寿命化と低コスト化を実現できる。

以上のことから、長期間に亘って電解性能を維持できる長寿命の電解装置が得られる。

なお、第１の実施形態において、第２電極２２は、多数の貫通孔を有する多孔構造としたが、これに限らず、貫通孔を持たない平板状の電極としてもよい。同様に、第１電極２０も多孔構造に限らず、平板状の電極としてもよい。

次に、他の実施形態に係る電解セルおよび電解装置について説明する。なお、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１２は、第２の実施形態に係る電解装置を概略的に示す断面図である。第２の実施形態によれば、第１隔膜２４ａは、多孔質膜２４に加えて、他の第３隔膜２４ｃを備えている。第３隔膜２４ｃは、多孔質膜２４の第２電極２２側に設けられている。第３隔膜２４ｃは、例えば、第１電極２０とほぼ等しい寸法の矩形状に形成され、多孔質膜２４の全面に対向している。本実施形態において、第３隔膜２４ｃは、多孔質膜２４に接している。これにより、第１隔膜２４ａである多孔質膜２４は、第３隔膜２４ｃと第１電極２０との間に挟まれている。また、第３隔膜２４ｃは、第２隔膜２４ｂと所定の間隔を置いてほぼ平行に対向している。

第３隔膜２４ｃとしては、種々の電解質膜やナノポアを有する多孔質膜を用いることができる。電解質膜としては、高分子電解質膜、例えば、陰イオン交換固体高分子電解質膜、具体的には、アニオン交換性の膜、或いは炭化水素系の膜を用いることができる。アニオン交換性の膜としては、株式会社トクヤマ製のＡ２０１等が挙げられる。ナノポアを有する多孔質膜としては、多孔質ガラス、多孔質アルミナ、多孔質チタニア等の多孔質セラミックス、多孔質ポリエチレン、多孔質プロピレン等の多孔質ポリマー等がある。このような第３隔膜２４ｃを設けることにより、イオン選択性を向上することができる。また、陰イオン交換膜は塩素ガスなどで劣化しやすいが、耐久性の高い多孔質膜２４が第１電極２０との間に挿入されることでイオン交換膜の劣化をほぼ完全に解消することができる。このように、第１隔膜２４ａである多孔質膜２４と陰イオン交換膜からなる第３隔膜２４ｃを積層することで、生成効率は上がらないものの、耐久性と塩分遮蔽に優れた電解装置１０を実現することができる。

第２の実施形態において、電解装置１０の他の構成は、前述した第１の実施形態と同一である。

（第３の実施形態）
図１３は、第３の実施形態に係る電解装置を概略的に示す断面図、図１４は、電極ユニットの分解斜視図である。第３の実施形態によれば、電解槽１１は、２室型の電解槽として構成され、また、第１電極２０は多孔構造およびメッシュ構造を有し、その貫通孔は、第１表面２１ａ側と第２表面２１ｂ側とで開口径が相違している。

図１３に示すように、電解槽１１は、偏平な矩形箱状に形成され、その内部の電解室は、電極ユニットにより、陽極室１６と陰極室１８との２室に仕切られている。電極ユニットは、陽極室１６内に位置する第１電極（陽極）２０と、陰極室１８内に位置する第２電極（対向電極、陰極）２２と、第１および第２電極間に設けられた第１隔膜２４ａと、を有している。第１隔膜２４ａは、前述した第１の実施形態と同様の多孔質膜２４により形成され、この第１隔膜２４ａにより、電解室内を陽極室１６と陰極室１８とに仕切っている。第１電極２０および第２電極２２は互いに対向し、第１隔膜２４ａは、第１電極２０と第２電極２２との間に挟まれ、第１電極２０および第２電極２２に接触している。

図１３および図１４に示すように、第１電極２０は、例えば、矩形状の金属板からなる基材２１に多数の貫通孔を形成した多孔構造を有している。基材２１は、第１表面２１ａおよび、第１表面２１ａとほぼ平行に対向する第２表面２１ｂを有している。第１表面２１ａは多孔質膜２４に対向し、第２表面２１ｂは陽極室１６に対向する。

基材２１の第１表面２１ａに複数の第１孔部４０が形成され、第１表面２１ａに開口している。また、第２表面２１ｂに複数の第２孔部４２が形成され、第２表面２１ｂに開口している。多孔質膜２４側となる第１孔部４０の開口径Ｒ１は、第２孔部４２の開口径Ｒ２よりも小さく、また、孔部の数は、第１孔部４０が第２孔部４２よりも多く形成されている。第１孔部４０の深さはＴ２、第２孔部４２の深さはＴ３である。本実施形態において、Ｔ２＜Ｔ３に形成されている。

第２孔部４２は、例えば、矩形状に形成され、第２表面２１ｂにマトリクス状に並んで設けられている。各第２孔部４２を規定している周壁は、孔部の底から開口に向かって、すなわち、第２表面側に向かって、径が広くなるようなテーパー面あるいは湾曲面により形成してもよい。隣り合う第２孔部４２間の間隔、すなわち、電極の線状部６０ａの幅はＷ２に設定されている。なお、第２孔部４２は、矩形状に限定されることなく、他の種々の形状としてもよい。また、第２孔部４２は、規則的に限らず、ランダムに並んで形成してもよい。

第１孔部４０は、例えば、矩形状に形成され、第１表面２１ａにマトリクス状に並んで設けられている。各第１孔部４０を規定している壁面は、孔部の底から開口に向かって、すなわち、第１表面２１ａに向かって、径が広くなるようなテーパー面あるいは湾曲面により形成してもよい。本実施形態において、複数、例えば、１６個の第１孔部４０が、１つの第２孔部４２と対向して設けられている。これら１６個の第１孔部４０は、それぞれ第２孔部４２に連通し、第２孔部４２と共に基材２１を貫通する貫通孔を形成している。隣合う第１孔部４０間に網目状の線状部６０ｂが形成され、線状部６０ｂの幅Ｗ１は、第２孔部４２間の線状部６０ａの幅Ｗ２よりも小さく設定されている。これにより、第１表面２１ａにおける第１孔部４０の数密度は、第２表面２１ｂにおける第２孔部４２の数密度よりも充分に大きい。

なお、第１孔部４０は、矩形状に限定されることなく、他の形状としてもよい。第１孔部４０は、規則的に限らず、ランダムに並んで形成してもよい。更に、全ての第１孔部４０が第２孔部４２に連通している構成に限らず、第２孔部４２に連通していない第１孔部を含んでいてもよい。

多孔質膜２４は、第１電極２０の第１表面２１ａ上に形成され、第１表面２１ａの全面および第１孔部４０を覆っている。この多孔質膜２４は、前述した第１の実施形態と同様の多孔質膜を用いている。

図１３および図１４に示すように、第２の実施形態によれば、第２電極（陰極、対向電極）２２は、第１電極２０と同様に、多孔構造およびメッシュ構造に構成されている。すなわち、第２電極２２は、例えば、矩形状の金属板からなる基材２３を有し、基材２３は、第１表面２３ａおよび、第１表面２３ａとほぼ平行に対向する第２表面２３ｂを有している。第１表面２３ａは多孔質膜２４に対向し、第２表面２３ｂは陰極室１８に対向する。

基材２３の第１表面２３ａに複数の第１孔部４４が形成され、第１表面２３ａに開口している。また、第２表面２３ｂに複数の第２孔部４６が形成され、第２表面２３ｂに開口している。第１隔膜２４ａ側となる第１孔部４４の開口径は、第２孔部４６の開口よりも小さく、また、孔部の数は、第１孔部４４が第２孔部４６よりも多く形成されている。第１孔部４４の深さは、第２孔部４６の深さよりも小さく形成されている。

複数、例えば、１６個の第１孔部４４が、１つの第２孔部４６と対向して設けられている。これら９個の第１孔部４４は、それぞれ第２孔部４６に連通し、第２孔部４６とともに基材２３を貫通する貫通孔を形成している。隣合う第１孔部４４間に幅の細いメッシュ状の線状部が形成され、隣合う第２孔部４６間に幅の広い網目状、格子状の線状部が形成されている。第１表面２３ａにおける第１孔部４４の数密度は、第２表面２３ｂにおける第２孔部４６の数密度よりも充分に大きい。

第１隔膜２４ａとしての多孔質膜２４は、第１電極２０と第２電極２２との間に挟まれ、第１電極２０の第１表面２１ａの全面と対向しているとともに、第２電極２２の第１表面２３ａの全面と対向している。

第３の実施形態において、電解装置１０の他の構成は、前述した第１の実施形態と同一である。本実施形態の電解装置１０は、塩素イオンを含む電解質を電解することが好ましい。以上のように構成された第３の実施形態においても、前述した第１の実施形態と同様に、隔膜の劣化を防止し、反応効率が高く、長寿命の電解装置が得られる。

次に、種々の実施例および比較例について説明する。
（実施例１）
第１隔膜２４ａを構成する多孔質膜として、ユアサメンブレンシステム製のＹ-９２１１Ｔを用い、陰極側の第２隔膜２４ｂとして、陽イオン交換膜のデュポン製ナフィオンＮ１１７（商標）を用い、陽極側の第３隔膜２４ｃとして陰イオン交換膜のアストム製ＡＨＡを用いて、図５で示した電極ユニットおよび電解槽１１を作成する。電解液を保持する保持体として、厚さ５ｍｍの多孔質ポリスチレンを用いる。この電解槽１１を用いて、電解装置１０を作製する。

電解槽１１の陽極室１６および陰極室１８は、それぞれストレート流路が形成された塩化ビニル製の容器で形成している。制御装置３６、電源３０、電圧計３４、電流計３２を設置する。陽極室１６および陰極室１８に水道水を供給するための配管とポンプを電解槽１１に接続し、電極ユニットの保持体（多孔質ポリスチレン）、あるいは中間室に飽和塩水を循環供給するための飽和食塩水タンク、配管、ポンプを電解槽１１に接続する。

電解装置１０を用いて、電圧５．２Ｖ、電流２５Ａで電解を行い、第１電極（陽極）２０側では有効塩素濃度６０ｐｐｍの次亜塩素酸水を生成し、第２電極（陰極）２２側では水酸化ナトリウム水を生成する。２０００時間の連続運転後でも、電圧上昇や生成水の水質変化はほとんど見られず、安定した電解処理を実行することができた。

（実施例２）
陽極側の第３隔膜２４ｃを用いないことを除いては実施例１と同様にして電解装置を作製する。すなわち、図１に示した電解装置を作製する。この電解装置１０を用いて、電圧４．０Ｖ、電流２５Ａで電解を行い、陽極側では有効塩素濃度６０ｐｐｍの次亜塩素酸水を生成し、陰極側では水酸化ナトリウム水を生成する。

実施例１と比べると約０．１％、次亜塩素酸水に含まれる塩化ナトリウムの濃度が上昇する。３０００時間の連続運転後でも電圧上昇や生成水の水質変化はほとんど見られず安定である。

（比較例１）
多孔質膜２４としてポリプロピレン性の不織布を用いることを除いては実施例１と同様にして電解装置１０を作製する。
この電解装置１０を用いて、電圧５Ｖ、電流２５Ａで電解を行い、陽極側では次亜塩素酸水を生成し、陰極側では水酸化ナトリウム水を生成する。１０００時間の連続運転後では、電圧の大幅上昇や生成水の有効塩素濃度の低下が見られ、長期安定性に欠けていた。

本発明は上述した実施形態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１電極および第２電極は、矩形状に限定されることなく、他の種々の形状を選択可能である。各構成部材の材料は、前述した実施形態および実施例に限定されるものではなく、他の材料を適宜選択可能である。電極装置の電解槽は、３室型あるいは２室型の電解槽に限定されることなく、１室型の電解槽、その他、電極を用いた電解槽全般に適用することができる。電解質や生成物も塩や次亜塩素酸に限るものではなく、様々な電解質や生成物に展開してもよい。

Claims (15)

1. １ｃｍ² 当たりの透水量が２０ＫＰａの差圧下で０．００２４〜０．６ｍＬ／ｍｉｎである透水性を有する多孔質膜からなる隔膜と、前記隔膜により仕切られた第１電解室および第２電解室と、を有する電解槽と、
   前記第１電解室内で前記隔膜に対向して設けられた第１電極と、
   前記第２電解室に設けられ前記隔膜を介して前記第１電極に対向する第２電極と、を備え、
   前記多孔質膜の両側に掛かる水圧差が、±２０ｋＰａ以内である電解装置。
2. １ｃｍ ² 当たりの透水量が２０ＫＰａの差圧下で０．００２４〜０．６ｍＬ／ｍｉｎである透水性を有する多孔質膜からなる第１隔膜と、前記第１隔膜と間隔を置いて対向して設けられた第２隔膜と、前記第１隔膜および第２隔膜により仕切られ、前記第１隔膜と第２隔膜との間に位置する中間室、前記中間室の両側に位置する陽極室および陰極室と、を有する電解槽と、
   前記第１隔膜に対向して前記陽極室に設けられた第１電極と、
   前記陰極室に設けられ前記２隔膜を介して前記第１電極に対向する第２電極と、を備え、前記多孔質膜の両側に掛かる水圧差が、±２０ｋＰａ以内である電解装置。
3. １ｃｍ ² 当たりの透水量が２０ＫＰａの差圧下で０．００２４〜０．６ｍＬ／ｍｉｎである透水性を有する多孔質膜からなる第１隔膜と、前記第１隔膜と間隔を置いて対向して設けられた第２隔膜と、前記第１隔膜に接して設けられ、前記第２隔膜と隙間をおいて対向する第３隔膜と、前記第１隔膜および第３隔膜により仕切られた陽極室および中間室と、前記第２隔膜により仕切られた前記中間室および陰極室と、を有する電解槽と、
   前記第１隔膜に対向して前記陽極室に設けられた第１電極と、
   前記陰極室に設けられ前記２隔膜を介して前記第１電極に対向する第２電極と、を備え、前記多孔質膜の両側に掛かる水圧差が、±２０ｋＰａ以内である電解装置。
4. 前記多孔質膜は、１ｃｍ² 当たりの透水量が２０ｋＰａの差圧下で０．０１２〜０．２４ｍＬ／ｍｉｎである請求項１から３のいずれか１項に記載の電解装置。
5. 前記多孔質膜の両側に掛かる水圧差が、±６ｋＰａ以内である請求項１から３のいずれか１項に記載の電解装置。
6. 前記多孔質膜の両側に掛かる水圧差が無くなるように調整されている請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電解装置。
7. 前記多孔質膜は、平均的な孔径が２〜５００ｎｍである請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電解装置。
8. 前記多孔質膜は、平均的な孔径が１０〜２００ｎｍである請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電解装置。
9. 前記多孔質膜は、無機酸化物あるいはハロゲン化高分子で形成されている請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電解装置。
10. 前記無機酸化物は、酸化チタン、酸化ケイ素、酸化アルミニウムの中から選ばれた少なくとも１つである請求項９に記載の電解装置。
11. 前記多孔質膜は、面内および立体的に不規則な孔を有する請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電解装置。
12. 前記多孔質膜の孔の孔径が前記第１電極側と前記第２電極側とで異なる請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電解装置。
13. 前記第３隔壁は、イオンを透過する隔膜である請求項３に記載の電解装置。
14. 塩素イオンを含む電解質を前記第１電極および第２電極により電解するように構成されている請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電解装置。
15. 透水性を有する多孔質膜からなる隔膜と、前記隔膜により仕切られた第１電解室および第２電解室と、を有する電解槽と、前記隔膜に対向して前記第１電解室に設けられた第１電極と、前記隔膜を介して前記第１電極に対向する第２電極と、を備える電解装置を用いて電解水を製造する電解水生成方法であって、
    前記第２電解室に塩素イオンを含む電解質液を供給し、
    前記第１電解室に水を供給し、
    前記隔膜の両面に２０ＫＰａの差圧を印加して、前記第２電解室内の前記電解質液中の塩素イオンを１ｃｍ² 当たり０．００２４〜０．６ｍＬ／ｍｉｎの透水量で前記隔膜を通して前記第１電極へ送り、
    前記第１電極に電圧を印加して前記電解質液を電解して塩素ガスを発生させ、
    前記塩素ガスおよび前記第２電解室内の水から酸性水を生成する
    電解水生成方法。

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