(57)【要約】      （修正有）【課題】小型、かつ低コストな、次亜塩素酸水及びアルカリ水を製造する三槽式電解槽からなる電解装置の提供。【解決手段】三槽式電解装置１００は、陽極電極４を有する陽極室７、陽極室７とアニオン交換膜３により仕切られた中間室２、及び中間室２とカチオン交換膜５により仕切られた、陰極電極６を有する陰極室８を含む電解槽１を持ち、無機塩化物粒子収納カートリッジ１０に中間室２に供給される無機塩化物粒子２４が収容されている電解装置１００。【選択図】図１
2016060949.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
陽極電極を有する陽極室、該陽極室とアニオン交換膜により仕切られた中間室、中間室に収容された無機塩化物粒子、及び該中間室とカチオン交換膜により仕切られた、陰極電極を有する陰極室を含む電解槽と、
前記陽極室から次亜塩素酸水を取り出す第１のラインと、
前記陰極室からアルカリ性水を取り出す第２のラインとを具備する電解装置。
【請求項２】
前記無機塩化物粒子を収容したカートリッジと、該無機塩化物粒子を該中間室に供給する供給機構とをさらに具備する請求項１に記載の電解装置。
【請求項３】
前記供給機構に設けられ、該無機塩化物粒子を該中間室に供給するとともに該中間室の圧力を前記陽極室及び前記陰極室の圧力よりも高くする圧力印加部をさらに具備する請求項２に記載の電解装置。
【請求項４】
前記カートリッジは、前記中間室に対して重力方向上部に配置される請求項２または３に記載の電解装置。
【請求項５】
前記カートリッジは、タブレット状の無機塩化物粒子もしくはカプセルに覆われた無機塩化物粒子を収納する請求項２ないし４のいずれか１項に記載の電解装置。
【請求項６】
前記カートリッジ内の無機塩化物粒子に関する情報を検知する検知部をさらに具備する請求項２ないし５のいずれか１項に記載の電解装置。
【請求項７】
前記中間室は、多孔質体をさらに含む請求項１ないし５のいずれか１項に記載の電解装置。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれか１項に記載の電解装置を用いた電解方法であって、
前記陽極室及び前記陰極室から前記中間室に水を拡散させ、前記中間室内の前 
記無機塩化物粒子を溶解してイオン化し、電解に供することにより、前記陽極にて
次亜塩素酸水を生成させ、かつ前記陰極にてアルカリ性水を生成する電解方法。
【請求項９】
前記中間室には、無機塩化物を含む水を供給しないことを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記中間室に固体状の無機塩化物粒子が存在するように電解の電圧または電流、
前記無機塩化物粒子の供給量の少なくともいずれかを制御する請求項８または９
に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、電解装置及び電解方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
三槽式電解槽は、アニオン交換膜と、アニオン交換膜から所定の間隔を介して配置された陽極と、陽極室と、カチオン交換膜と、カチオン交換膜から所定の間隔を介して配置された陰極と、陰極室と、アニオン交換膜とカチオン交換膜の間に設けられた中間室とから構成される。中間室は電解液を蓄えた外部タンクと配管等により流体的に接続され、ポンプ等で外部タンク内の電解液を中間室に循環させる。三槽式電解装置は電解液を蓄えた中間室を陰極室、陽極室と独立させることで、電解液内の特定のイオンが陰極室、陽極室に流入するのを防止できるメリットを有する。ただし、電解槽に加えこれら電解槽を運転するのに必要な循環ポンプ、循環ポンプと外部タンクとの接続配管という補器を必要とするため、一槽式電解装置および二槽式電解装置に比べ、システムが大型化し、コストが高い課題があった。そのため、ポータブル用途もしくは狭い設置スペースにて運転する場合、システムの小型化と低コスト化が求められていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−２５５２００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の課題は、小型、かつ低コストな電解装置を得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態によれば、陽極電極を有する陽極室、該陽極室とアニオン交換膜により仕切られた中間室、中間室に収容された無機塩化物粒子、及び該中間室とカチオン交換膜により仕切られた、陰極電極を有する陰極室を含む電解槽と、
前記陽極室から次亜塩素酸水を取り出す第１のラインと、
前記陰極室からアルカリ性水を取り出す第２のラインとを具備する電解装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】第１の実施形態に係る三槽式電解装置の概略的な構成を表す図である。
【図２】図１の中間室を詳細に表す図である。
【図３】第２の実施形態に係る三槽式電解装置の概略的な構成を表す図である。
【図４】第３の実施形態に係る三槽式電解装置の概略的な構成を表す図である。
【図５】第３の実施形態に用いられる多孔質体の構成を表す図である。
【図６】第４の実施形態に係る三槽式電解装置の概略的な構成を表す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
実施形態にかかる電解装置は、陽極電極を有する陽極室、陽極室とアニオン交換膜により仕切られた中間室、中間室に収容された無機塩化物粒子、及び中間室とカチオン交換膜により仕切られた、陰極電極を有する陰極室を含む電解槽を有している。
【０００８】
陽極室では、陽極電極にて塩素イオンの電子が奪われて塩素が発生し、またその塩素の一部が水に溶解して次亜塩素酸が発生する。
【０００９】
陰極室は、陰極電極にて、無機塩化物粒子として例えば塩化ナトリウム粒子を使用した場合には、水酸化物イオンとナトリウムイオンとが結合して水酸化ナトリウムが生成し、アルカリ性水が得られる。
【００１０】
中間室には無機塩化物粒子が収容されている。陽極室及び陰極室に、水を供給する給水ラインが接続されている。陽極室には、次亜塩素酸水と塩素ガスを取り出す第１のラインが接続されている。陰極室には、アルカリ性水を取り出す第２のラインが接続されている。
【００１１】
実施形態によれば、陽極室と陰極室に供給された水が、各々、アニオン交換膜及びカチオン交換膜を介して中間室へ拡散し、無機塩化物粒子を溶解してイオン化させる。無機塩化物粒子の溶解により得られた塩素イオンは、アニオン交換膜を透過して陽極室へ移動し、陽極電極にて塩素ガス及び次亜塩素酸を発生する。また、塩化ナトリウム粒子を用いた場合には、塩化ナトリウムの溶解により得られたナトリウムイオンは、カチオン交換膜を透過して陰極室へ移動する。
【００１２】
実施形態にかかる電解装置では、陽極室と陰極室に導入された水を中間室に拡散させるだけで、無機塩化物の陰イオン及び陽イオンを各々陽極室と陰極室に供給することができる。この電解装置は、中間室に、ポンプを有する大がかりな循環装置を用いて無機塩化物の飽和水溶液を循環させる必要がないので、小型、かつ低コストであり、また、無機塩化物の飽和水溶液による循環装置の配管の腐食の問題もなく、耐久性が良好となる。
【００１３】
中間室には、無機塩化物粒子を供給するための供給機構を設けることができる。
【００１４】
無機塩化物粒子を収容する無機塩化物粒子収容カートリッジとともに使用可能な供給機構として、中間室の開口、塩化物粒子を中間室に供給し、かつ加圧する圧力印加部材、及び無機塩化物粒子収容カートリッジと中間室を接続する配管等を、単独、あるいは組み合わせて使用できる。
【００１５】
また、実施形態にかかる電解方法は、陽極電極を有する陽極室、陽極室とアニオン交換膜により仕切られた中間室、中間室に収容された無機塩化物粒子、及び中間室とカチオン交換膜により仕切られた、陰極電極を有する陰極室を含む電解槽とを含む電解装置を用意して陽極室及び前極室に各々水を供給し、
陽極室及び陰極室から中間室に水を拡散させ、中間室内の無機塩化物粒子を溶解してイオン化し、電気分解に供することにより、陽極にて次亜塩素酸水と塩素ガスを生成させ、かつ陰極にてアルカリ性水を生成することを含む。中間室に固体状の無機塩化物粒子が存在するように電解の電圧または電流、無機塩化物粒子の供給量の少なくともいずれかを制御することができる。
【００１６】
以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１７】
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。
【００１８】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る三槽式電解装置の概略的な構成を表す図である。
【００１９】
三槽式電解装置１００は、電解槽１と、無機塩化物粒子収納カートリッジ１０とから構成される。
【００２０】
電解槽１は、陽極電極４を有する陽極室７と、無機塩化物粒子２４を収納する中間室２と、陰極電極６を有する陰極室８とを含む。陽極室７と中間室２との間はアニオン交換膜３により仕切られている。一方、陰極室８と中間室２との間はカチオン交換膜５で仕切られている。
【００２１】
無機塩化物粒子収納カートリッジ１０は、電解質として無機塩化物粒子２４を内部に収納した容器で、無機塩化物粒子として、例えば、塩化ナトリウム、及び塩化カリウムなどを用いることができる。無機塩化物粒子２４は０．１〜２０ｍｍの直径を有することが好ましく、より好ましくは３〜１０ｍｍ程度の球状に成形加工されたもの、扁平のタブレット状に成形加工されたもの、もしくは水溶性のカプセル内に無機塩化物粒子を収納したものなどを用いることができる。無機塩化物粒子２４の直径が０．１ｍｍ未満であると粒子間への水の拡散が起こりにくくなる傾向があり、２０ｍｍ以上であると、中間室への充填密度が低下してしまう傾向がある。
【００２２】
無機塩化物粒子収納カートリッジ１０内の無機塩化物粒子は、電解装置の使用者もしくは搬送機械によって中間室２に直接供給することができる。
【００２３】
図２に、中間室２の詳細を表す図を示す。
【００２４】
中間室２は例えば、重力方向上部に開口２１を有し、かつアニオン交換膜３に隣接する面に開口２２、カチオン交換膜５と隣接する面に開口２３を有する。開口２２、開口２３は、開口径が無機塩化物粒子よりも小さく、面に対する開口率を５０〜９０％程度有することが望ましい。中間室２には、上記無機塩化物粒子２４が、無機塩化物粒子と水溶液の合計重量に対し５０ｗｔ％〜９０ｗｔの範囲で充填される。上記濃度では中間室内には固体状の無機塩化物粒子が常に存在する。例えば、無機塩化物として塩化ナトリウムを使用する場合、５０ｗｔ％より低いと中間室２に含まれるナトリウムイオン、塩化物イオンの量が少ないため、電解可能な時間が短くなる。また、５０ｗｔ％より低下した場合、アニオン交換膜３を介して陽極電極４へと移動する塩化物イオンの濃度が水に希釈されるため、陽極電極４での塩素生成効率が低下する課題がある。無機塩化物粒子２４の充填濃度をさらに７０ｗｔ％以上にすると、中間室の重力方向上部にも無機塩化物粒子２４が充填、重力方向に対するナトリウムイオン、塩化物イオンの濃度差をなくすことができるため、好ましい。一方、固体塩の粒子間に隙間が発生するため、中間室２への充填率は９０ｗｔ％が最大となる。無機塩化物粒子の充填濃度は無機塩化物粒子収納カートリッジ１０から無機塩化物粒子２４を中間室２に供給した後に中間室２の固体塩重量を測定することで把握することができる。
【００２５】
アニオン交換膜３は、塩素イオン、水酸化物イオンなどの陰イオンを透過する膜であり、例えばアニオン交換膜ＡＭＸ（株式会社  アストム製）を用いることができる。陽極４は基材となる開口を有する弁金属に触媒を塗布したものであり、基材としてチタン、クロム、アルミニウムやその他合金等を、触媒として酸化イリジウム等の酸化物触媒などを用いることができる。カチオン交換膜５は水素イオン、ナトリウムイオンなどの陽イオンを透過する膜であり、例えばＤｕｐｏｎｔ社製のナフィオンを用いることができる。陽極６は基材となる開口を有する弁金属に触媒を塗布したものであり、基材としてチタン、クロム、アルミニウムやその他合金などを、触媒として白金等の貴金属触媒などを用いることができる。
【００２６】
陽極室７は図示しない給水ラインに接続された供給口７１と図示しない第１のラインに接続された排出口７２を備えている。外部のポンプ等によって供給口７１から供給された水は陽極室７に流入し、排出口７２へと排出される。なお、供給口７１を水道栓に接続し、水道供給圧力によって水を供給しても良い。陽極室７内に塩化ビニル等で供給口から排出口方向にストレート状の流路もしくは、供給口から排出口方向をつなぐサーペンタイン流路を形成することができる。陰極室８は図示しない給水ラインに接続された供給口８１と図示しない第２のラインに接続された排出口８２を備えている。外部のポンプ等によって供給口８１から供給された水は陰極室８に流入し、排出口８２へと排出される。なお、供給口８１を水道栓に接続し、水道供給圧力によって水を供給しても良い。陰極室８内に塩化ビニル等で供給口から排出口方向にストレート状の流路もしくは、供給口から排出口方向をつなぐサーペンタイン流路を形成することができる。
【００２７】
次に、三槽式電解装置１００の運転方法について説明する。
【００２８】
まず、電解装置の無機塩化物粒子収納カートリッジ１０内の無機塩化物粒子を、開口２１を通して中間室２に供給する。次に、陽極室７及び陰極室８に水を供給した後、陰極６と陽極４の間に電圧を付加する。陽極室７の水はアニオン交換膜３を拡散し、開口２１を経由して中間室２に供給される。また、陰極室８の水はカチオン交換膜５を拡散し、開口２２を経由して中間室２に供給される。これら拡散によって供給された水により、無機塩化物粒子２４が融解し、イオン化する。ここで、無機塩化物粒子に塩化ナトリウムを用いた場合、両電極４、６間に電圧を付加した場合、中間室２で透過した水により融解した塩化物イオンはアニオン交換膜３を通り陽極４にて次亜塩素酸水を生成する。一方、中間室で融解したナトリウムイオンはカチオン交換膜５を通り陰極６にて水酸化ナトリウムを生成する。
【００２９】
このようにして、実施形態にかかる電解方法によれば、陽極室７から第１のラインを介して次亜塩素酸水を取り出すことができる。また、陰極室８から第２のラインを介してアルカリ性水として水酸化ナトリウム水溶液を取り出すことができる。
【００３０】
第１の実施の形態では、中間室２に直接無機塩化物粒子２４を供給し、アニオン交換膜３およびカチオン交換膜５を介した水の拡散を利用して中間室の無機塩化物粒子２４を融解する。無機塩化物を融解させた飽和溶液を中間室に供給する方式を用いた場合には、飽和濃度以上の無機塩化物を溶液内に含むことができないため、低温環境で使用する場合などには、溶液内の食塩量が低下して、短時間しか運転できない課題がある。また、飽和溶液を中間室２に外部から中間室に供給・循環すると、これら供給配管、ポンプが必要となり、システムが大型化してしまう課題がある。これに対し、実施形態にかかる電解装置では、中間室２に無機塩化物粒子を直接供給するので、水溶液の飽和濃度以上の無機塩化物粒子を直接中間室に供給できるため、長時間運転可能なシステムにてシステムサイズを小型化することが可能となる。
【００３１】
なお、運転終了時に、中間室２に拡散した水を排出するため、中間室２の重力方向下部に排水ドレインをさらに設けることができる。
【００３２】
（第２の実施形態）
図３に、第２の実施形態に係る三槽式電解装置の概略的な構成を表す図を示す。
【００３３】
三槽式電解装置２００は、電解槽１と、無機塩化物粒子収納カートリッジ１１と、カートリッジ接続配管９と、圧力印加手段１２とから構成される。
【００３４】
電解槽１の構成は第１の実施形態に用いられる電解槽と同様である。
【００３５】
無機塩化物粒子収納カートリッジ１１は中間室２に対して重力方向上部に配置され、カートリッジ接続配管９を介して接続される。圧力印加部材１２は無機塩化物粒子収納カートリッジ内に圧力ＰＨを与える。この圧力が印加されることにより、無機塩化物粒子収納カートリッジ１１内の無機塩化物粒子はカートリッジ接続配管９を介して中間室２へと供給される。圧力印加部材１２は、コンクリート、水タンクなどの重りの他、圧力調整が任意で可能な、モータを用いた圧力印加機構を用いることができる。ここで、圧力印加手段１２が無機塩化物粒子収納カートリッジに与える圧力をＰＨ、陽極室７に供給される水圧をＰａ、陰極室８に供給される水圧をＰｃとすると、式（１）を満たすよう、ＰＨが与えられる。
【００３６】
ＰＨ＞Ｐａ  かつ  ＰＨ＞Ｐｃ                        式（１）
アニオン交換膜３、カチオン交換膜５を介し陽極室７、陰極室８から水が過剰に流入すると、中間室２内のスペースの多くを水が占めるようになり、無機塩化物粒子２４の供給量が減少する傾向がある。そこで、ＰＨをＰａより高くし、圧力差によってアニオン交換膜３を通し、中間室２の水を排出することで、中間室２への過剰な水の流入を抑制することができる。同様に、ＰＨをＰｃより高くし、圧力差によってカチオン交換膜５を通し中間室の水を排出することで、中間室２への過剰な水の流入を抑制することができる。ＰＨの圧力が高くても、イオン交換膜内の濃度拡散による水の移動は起こるため、反応に必要な最低限な水を中間室２に供給させる。
【００３７】
この三槽式電解装置において、無機塩化物粒子収納カートリッジに与える圧力ＰＨは、例えば、中間室内の圧力を測定する圧力センサ４１を設置して測定することができる。
【００３８】
また、陽極室７に供給される水圧Ｐａ、陰極室８に供給される水圧Ｐｃは、例えば、各々、供給口７１，８１に圧力センサ４２，４３を設置して測定することができる。
【００３９】
図３に示す電解装置の陽極室、陰極室、及び中間室の容量は、例えば、各々、２リットル、２リットル、０．５リットルにすることができる。このとき、圧力ＰＨは、例えば、０．２５ＭＰa〜０．６ＭＰaにすることができる。０．２５ＭＰａ未満であると、陽極室と陰極室に供給される水の水圧を下回るとなる傾向があり、０．６ＭＰａを越えるとアニオン交換膜、カチオン交換膜が破れてしまう傾向がある。
【００４０】
また、式（１）のように圧力印加部材１２で中間室に圧力ＰＨを与えることで、アニオン交換膜３と陽極４の距離、および、カチオン交換膜５と陰極６の距離を一定間隔に近づけることができる。陽極室７、陰極室８の圧力変動によりイオン交換膜と電極の距離が離れると、イオン交換膜を通して移動したイオンが電極まで拡散する距離が増加し、反応抵抗が増加する課題がある。本実施の形態では、これを中間室への圧力印加で防止することで反応抵抗の増加を抑制し、電解効率を高めることが可能となる。
【００４１】
（第３の実施形態）
図４に、第３の実施形態に係る三槽式電解装置の概略的な構成を表す図を示す。
【００４２】
三槽式電解装置３００は、電解槽１５と、無機塩化物粒子収納カートリッジ１０とから構成される。
【００４３】
電解槽１５は、陽極電極４を有する陽極室７と、無機塩化物粒子２４を収納する中間室３０と、陰極電極６を有する陰極室８とを含む。陽極室７と中間室３０との間はアニオン交換膜３により仕切られている。一方、陰極室８と中間室３０との間はカチオン交換膜５で仕切られている。
【００４４】
中間室３０には、多孔質体３１が収納されている。
【００４５】
第３の実施形態に用いられる多孔質体の構成を表す図を図５に示す。
【００４６】
多孔質体３１は、無機塩化物粒子よりも小さな細孔を開口率３０〜９５％の範囲で有する。多孔質材料として、ポリエステル製硬質多孔体（ユニチカ製ユニベックス）や発泡金属を用いることができる。多孔質体３１はさらに、無機塩化物粒子収納カートリッジ１０内に含まれる無機塩化物粒子の粒よりも大きな開口３１０を有する。開口３１０は重量方向に対して少なくとも１つ以上設けられ、開口３１０を通して重力方向上部から下部方向へと無機塩化物粒子が供給される。 
電解槽１５を運転中、陽極室７及び陰極室８の水はアニオン交換膜３、カチオン交換膜５を介し、これらのイオン交換膜と中間室３０との界面にそれぞれ拡散する。この時、多孔質体３１の細孔を通して水・蒸気が供給され、開口３１０内の無機塩化物粒子を融解する。
【００４７】
中間室３０に拡散する水の量が電極面内でばらつくと、中間室３０内の水分濃度にムラが生じ、電解効率が低下する傾向がある。また、陽極室７と陰極室８からの圧力が脈動すると、中間室３０が変形し、セルの強度が低下する傾向がある。これに対し、第３の実施形態では、多孔質体３１の細孔によりイオン交換膜から供給される水・蒸気を電極面方向に拡散することができるため、電解効率が低下する課題を改善できる、また、多孔質体３１の剛性により、中間室３０の強度を保つことができる。一方、無機塩化物粒子がアニオン交換膜３およびカチオン交換膜５に直接接触すると、イオン交換膜表面が無機塩化物粒子に覆われ、イオン交換膜を構成する高分子材料が劣化してしまう傾向がある。これに対し、第３の実施形態では、開口３１０内の無機塩化物粒子の粒子サイズが多孔質体３１の細孔よりも大きいため、多孔質体の細孔内に無機塩化物粒子が入り込むことが防止され、各イオン交換膜表面に無機塩化物粒子が直接付着することを防止できる。
【００４８】
（第４の実施形態）
図６に、第４の実施形態に係る三槽式電解装置の概略的な構成を表す図を示す。
【００４９】
三槽式電解装置４００は、電解槽１と、無機塩化物粒子収納カートリッジ１０とから構成される。
【００５０】
電解槽１は、第１の実施形態に用いられる電解槽１と同様の構成を有する。
【００５１】
無機塩化物粒子収納カートリッジ１３はメモリ４０を有しており、メモリ４０と電解槽１とは、信号配線Ｌ１を通して電気的に接続される。信号配線Ｌ１は、無機塩化物粒子収納カートリッジ１３を交換する際には両者の接続が脱着可能な構成を有している。メモリ４０には、収納する無機塩化物粒子の種類、製造番号、及び無機塩化物粒子収納重量などの情報が記憶されており、ラインＬ１を通してメモリ４０から電解槽１に情報を送ることができる。電解槽１は、異なる種類のカートリッジが接続された場合、もしくは、無機塩化物粒子収納重量が下限にある場合に、エラー情報を例えば図示しない表示装置あるいはアラームなどによりユーザーに伝達する。これにより、電解槽１の異常運転を防止することができる。また、電解槽１はラインＬ１を通してメモリ４０に運転情報を適宜蓄積することができる。使用済みの無機塩化物粒子収納カートリッジをユーザーが販売先に返却する際、メモリ４０の運転情報を販売先が読み出すことで、電解槽１の不具合を把握でき、修理、メンテナンスを促すことが可能となる。
【００５２】
なお、電解槽１とメモリ４０をつなぐ信号配線Ｌ１は、有線のケーブルに限らず、無線の通信手段を用いても良い。
【００５３】
実施の形態により、三槽式電解装置４００の作業性、メンテナンスを容易にすることが可能となる。
【００５４】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５５】
１…電解槽、２…中間室、３…アニオン交換膜、４…陽極電極、５…カチオン交換膜、６…陰極電極、７…陽極室、８…陰極室、１０…無機塩化物粒子収納カートリッジ、２４…無機塩化物粒子、７１…供給口、７２…排出口、８１…供給口、８２…排出口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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