(57)【要約】【課題】小型で電解効率に優れた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は陽イオン透過膜であり、電極３ａ，３ｂは陽イオン透過膜２の両表面に密着して陽イオンが透過できる膜−電極構造体を形成していて、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陽イオン透過膜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
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【特許請求の範囲】
【請求項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、
該隔膜は陽イオン交換膜であり、該電極は該陽イオン交換膜の両表面に密着して陽イオンが透過できる膜−電極構造体を形成していることを特徴とする電解槽。
【請求項２】
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記載の電解槽。
【請求項３】
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記載の電解槽。
【請求項４】
前記電極は、導電性の粉体を含む導電性ペーストを前記陽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２または請求項３記載の電解槽。
【請求項５】
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、該隔膜は陽イオン交換膜であり、該電極は該電極は該陽イオン交換膜の両表面に密着して陽イオンが透過できる膜−電極構造体を形成している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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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）。
【０００５】
しかしながら、前記電解槽では、印加される電力に対する電解効率をある程度向上させることができるものの十分ではなく、しかも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いので、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という不都合がある。
【特許文献１】特開２００１−７３１７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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た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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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、該隔膜は陽イオン交換膜であり、該電極は該陽イオン交換膜の両表面に密着して陽イオンが透過できる膜−電極構造体を形成していることを特徴とする。
【０００８】
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し、前記陽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。このようにすると、陰極側の電解室では、水の電解による水素ガスと、水酸イオン（ＯＨ-）とが生成し、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、水の電解による酸素ガスと、水素イオン（Ｈ＋）とが生成し、該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。
【０００９】
このとき、本発明の電解槽によれば、前記両電極が前記陽イオン透過膜の両表面に密着して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。
【００１０】
一方、水の電解では標準酸化還元電位Ｅ0と実際の電極電位Ｅとの間には次式（１）で示される関係があることが知られている。
【００１１】
Ｅ＝Ｅ0  −  ０．０６ｐＨ          ・・・（１）
前記標準酸化還元電位Ｅ0は陽極側では、
２Ｈ2Ｏ  ＝  Ｏ2  ＋  ４Ｈ＋  ＋  ４ｅ−      Ｅ0＝１．２３（Ｖ）
となり、陰極側では、
２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−  ＝  Ｈ2                  Ｅ0＝０（Ｖ）
となる。従って、前記式（１）は、陽極側では次式（２）で示され、陰極側では次式（３）で示される。
【００１２】
Ｅ＝１．２３  −  ０．０６ｐＨ          ・・・（２）
Ｅ＝  −０．０６ｐＨ                    ・・・（３）
ここで、本発明の電解槽では、陽極側の電解室で生成する前記水素イオンの一部が前記陽イオン透過膜を介して陰極側の電解室に移動する。この結果、陽極側の電解室では、前記陽イオン透過膜に密着して形成されている前記電極の近傍で水素イオンが欠乏し、ｐＨが上昇する。また、陰極側の電解室では陽極側の電解室から移動してきた水素イオンにより前記陽イオン透過膜に密着して形成されている前記電極の近傍で水素イオンが富化し、ｐＨが低下する。
【００１３】
この結果、電極電位Ｅは、式（２）、（３）のいずれにおいても絶対値が小さくなり、より低い電圧で電解が可能になるので、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。
【００１４】
前記アルカリ性電解水を飲用に供する場合、前記電解質に塩化物を用いると、前記電解により該アルカリ性電解水中にトリハロメタンが生成する虞がある。そこで、前記電解質として塩化物に代えて、塩素を含まないカルシウム化合物を用いることが行われているが、前記カルシウム化合物を用いるとランニングコストの増大が避けられない。
【００１５】
しかし、本発明の電解槽によれば、前述のように優れた電解効率が得られるので、前記電解質としての前記カルシウム化合物を少なくしても電解が可能であり、ランニングコストを低減することができる。
【００１６】
また、本発明の電解槽によれば、前記電極が前記陽イオン透過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。
【００１７】
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、前記陽イオン交換膜の全面を電極で被覆したとしても、該陽イオン透過膜は、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、前記陽極側の電解室で生成した水素イオンを前記露出部分で前記陽イオン透過膜に接触させることができ、前記陰極側の電解室では前記陽イオン透過膜の表面近傍で水素イオンが富化した状態とすることができる。
【００１８】
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、前記陽イオン透過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。
【００１９】
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。
【００２０】
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陽イオン透過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。
【００２１】
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陽イオン透過膜の表面に塗布し、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陽イオン透過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。
【００２２】
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の小型化、軽量化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
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である。
【００２４】
図１に示すように、本実施形態の電解槽１は、陽イオン透過膜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。
【００２５】
膜−電極構造体４は、図２に示すように、陽イオン透過膜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。陽イオン透過膜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、陽イオン透過膜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、陽イオン透過膜２に密着し、陽イオン透過膜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、陽イオン透過膜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。
【００２６】
膜−電極構造体４では、陽イオン透過膜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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
本実施形態の電解槽１では、例えば電極３ａを陽極、電極３ｂを陰極とし、給水孔１１ａ，１１ｂを介して電解室１０ａ，１０ｂに電解質を含む原水として乳酸カルシ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。電解槽１では、前記電解質として前記乳酸カルシウムのような塩素を含まないカルシウム塩を用いるので、前記アルカリ性電解水はトリハロメタンを含むことが無く、飲用に好適に供することができる。
【００３１】
このとき、電極３ａ，３ｂは、陽イオン透過膜２の両表面に密着して陽イオン透過膜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。
【００３２】
尚、前記実施形態では、陽イオン透過膜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。
【００３３】
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陽イオン透過膜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陽イオン透過膜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。
【００３４】
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。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明に係る電解槽の一構成例を示す組立図。
【図２】図１に示す電解槽の膜−電極構造体の説明的断面図。
【図３】膜−電極構造体の他の例を示す平面図。
【図４】膜−電極構造体の他の例を示す平面図。
【符号の説明】
【００３６】
１…電解槽、  ２…陽イオン透過膜、  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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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