(57)【要約】【課題】陽極を均一に消耗させることができ、電解水の黒濁を抑制することができるとともに、溶存する二酸化炭素の濃度を高めることができる電解水の製造方法を提供する。【解決手段】陽極１及び陰極２を用いて水３を電気分解し、電解水を製造する方法であって、少なくとも陽極１として炭素電極を用い、陽極１と陰極２とを互いに平行に配置し、陽極１と陰極２間の距離ｄを０．３〜１．５ｍｍの範囲内に設定し、印加電流密度を１０ｍＡ／ｃｍ２未満として電気分解を行うことを特徴としている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
陽極及び陰極を用いて水を電気分解し、電解水を製造する方法であって、
少なくとも前記陽極として炭素電極を用い、前記陽極と前記陰極とを互いに平行に配置し、前記陽極と前記陰極間の距離を０．３〜１．５ｍｍの範囲内に設定し、印加電流密度を１０ｍＡ／ｃｍ２未満として電気分解を行う、電解水の製造方法。
【請求項２】
前記距離が、１．０〜１．５ｍｍの範囲内である、請求項１に記載の電解水の製造方法。
【請求項３】
陽極及び陰極を用いて水を電気分解し、電解水を製造する方法であって、
少なくとも前記陽極として炭素電極を用い、前記陽極と前記陰極とを互いに平行に配置し、前記陽極と前記陰極間の距離を１．５ｍｍ超１０ｍｍ以下の範囲内に設定し、印加電流密度を１０ｍＡ／ｃｍ２以上５０ｍＡ／ｃｍ２以下として電気分解を行う、電解水の製造方法。
【請求項４】
前記距離が、１．５ｍｍ超７．０ｍｍ以下の範囲内である、請求項１に記載の電解水の製造方法。
【請求項５】
前記炭素電極が、黒鉛系炭素電極である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の電解水の製造方法。
【請求項６】
前記黒鉛系炭素電極が、黒鉛粉末と樹脂バインダーの混合物を成形した電極である、請求項５に記載の電解水の製造方法。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の電解水の製造方法により電解水を製造することを特徴とする水電解装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも陽極として炭素電極を用いた電解水の製造方法及び水電解装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
少なくとも陽極として炭素電極を用い、水を電気分解して、陽極の炭素を消耗させながら二酸化炭素を生成し、二酸化炭素が溶存した電解水を製造する方法が知られている。特許文献１では、先端に近づくにつれて陽極と陰極の対向する表面間隔が漸次狭くなるように陽極及び陰極を配置することが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−２７９３７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の方法では、陰極と近接している陽極部分の消耗が大きくなり、陽極の消耗が不均一となり、陽極の一部が崩壊する等して電極の寿命が短くなるという問題があった。また、溶存する二酸化炭素の濃度を高めることができる条件については、詳細には検討されていなかった。
【０００５】
本発明の目的は、陽極を均一に消耗させることができ、電極の寿命短縮を抑制することができるとともに、溶存する二酸化炭素の濃度を高めることができる電解水の製造方法及び水電解装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、陽極及び陰極を用いて水を電気分解し、電解水を製造する方法であって、少なくとも陽極として炭素電極を用い、陽極と陰極とを互いに平行に配置する。印加電流密度が１０ｍＡ／ｃｍ２未満の場合は、陽極と陰極間の距離を０．３〜１．５ｍｍの範囲内に設定して電気分解を行うことを特徴としている。
【０００７】
本発明において、上記距離は、１．０〜１．５ｍｍの範囲内であることが好ましい。また印加電流密度が１０ｍＡ／ｃｍ２以上５０ｍＡ／ｃｍ２以下の場合は、陽極と陰極間の距離を１．５ｍｍ超１０ｍｍ以下の範囲内に設定して電気分解を行う。本発明において上記距離は１．５ｍｍ超７．０ｍｍ以下である事が好ましい。
【０００８】
炭素電極は、黒鉛系炭素電極であることが好ましい。黒鉛系炭素電極は、例えば、黒鉛粉末と樹脂バインダーの混合物を成形した電極であってもよい。
【０００９】
本発明の水電解装置は、上記本発明の方法により電解水を製造することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、陽極を均一に消耗させることができ、電極の崩壊等に起因する電極の寿命短縮を抑制することができるとともに、溶存する二酸化炭素の濃度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態における電解水の製造装置を示す模式的断面図である。
【図２】実施例１における電解時間と電解水中の溶存炭酸濃度の関係を示す図である。
【図３】実施例１における電解時間と電解水のｐＨの関係を示す図である。
【図４】実施例５における電解時間と電解水中の溶存炭酸濃度の関係を示す図である。
【図５】実施例５における電解時間と電解水のｐＨの関係を示す図である。
【図６】実施例６における電解後の陽極表面を示す写真である。
【図７】比較例３における電解後の陽極表面を示す写真である。
【図８】実施例７における電解時間と電解水中の溶存炭酸濃度及び電解水の水温との関係を示す図である。
【図９】実施例８〜１１における電解水の放置時間と電解水中の溶存炭酸濃度との関係を示す図である。
【図１０】比較例５における電解水の放置時間と電解水中の溶存炭酸濃度との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、好ましい実施形態について説明する。但し、以下の実施形態は単なる例示であり、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
【００１３】
図１は、本発明の実施形態における電解水の製造装置を示す模式的断面図である。図１に示すように、電解槽４内には、電解される液体としての水３が入られている。陽極１及び陰極２は、水３に浸漬されている。陽極１には、電源５のプラス極が接続され、陰極２には、電源５のマイナス極が接続されている。本実施形態において、陽極１及び陰極２は、黒鉛系炭素電極から構成されている。
【００１４】
陽極１及び陰極２に、電源５からの電流を供給することにより、水３を電気分解し、電解水を製造することができる。陽極１及び陰極２に電源５からの電流を供給することにより、以下のような電極反応が進行する。
【００１５】
（陽極反応）
Ｈ２Ｏ（ｌ）→Ｏ（ｇ）＋２Ｈ＋（ｌ）＋２ｅ−（ｌ）    ……（１）
Ｃ（ｓ）＋２Ｏ（ｇ）→ＣＯ２（ａｑ）    ……（２）
（陰極反応）
２Ｈ＋（ｌ）＋２ｅ−（ｌ）→Ｈ２（ｇ）    ……（３）
【００１６】
なお、上記各式において、（ｌ）は液体状態を示し、（ｇ）は気体状態を示し、（ｓ）は固体状態を示し、（ａｑ）は水への溶存状態を示す。
【００１７】
水の電気分解では、通常、陽極に酸素、陰極に水素が生じる。しかしながら、本実施形態のように、陽極として炭素電極を用いると、（１）式で生じた酸素は、（２）式で示すように、炭素電極に存在する炭素と反応して二酸化炭素を生じ、この二酸化炭素はすぐに水に溶けて溶存二酸化炭素となる。したがって、本実施形態では、水を電気分解して、二酸化炭素が溶存した電解水を製造することができる。
【００１８】
上記のように、陽極では、二酸化炭素が生じる際、陽極の炭素が消耗される。このため、長時間電気分解すると、陽極の局部的な崩壊が生じ、電極の寿命が短縮される場合がある。
【００１９】
本実施形態では、図１に示すように、陽極１と陰極２とを互いに平行に配置し、陽極１と陰極２との間の距離ｄを、印加電流密度が１０ｍＡ／ｃｍ２未満の場合は、０．３〜１．５ｍｍの範囲内に設定して電気分解を行っている。これにより、陽極１を均一に消耗させることができ、電極の崩壊等による寿命短縮を抑制することができる。また、効率良く水を電気分解することができ、溶存する二酸化炭素の濃度を高めることができる。陽極１と陰極２との間の距離ｄは、さらに好ましくは、１．０〜１．５ｍｍの範囲内である。
【００２０】
印加電流密度が１０ｍＡ／ｃｍ２以上５０ｍＡ／ｃｍ２以下の場合は、陽極１と陰極２との間の距離ｄを１．５ｍｍ超１０ｍｍ以下の範囲内に設定して電気分解を行っている。これにより、陽極１を均一に消耗させることができ、電極の崩壊等による寿命短縮を抑制することができる。また、効率良く水を電気分解することができ、溶存する二酸化炭素の濃度を高めることができる。陽極１と陰極２との間の距離ｄは、さらに好ましくは、１．５ｍｍ超７．０ｍｍ以下の範囲内である。この範囲内に設定することにより、さらに効率良く水を電気分解することができ、溶存する二酸化炭素の濃度をさらに高めることができる。
【００２１】
本実施形態では、上述のように、陽極１及び陰極２を黒鉛系炭素電極から構成している。具体的には、黒鉛粉末と樹脂バインダーの混合物を成形した樹脂結合黒鉛電極から構成している。樹脂結合黒鉛電極は、黒鉛粉末５０〜９０質量％と樹脂バインダー１０〜５０質量％とから形成されていることが好ましい。樹脂バインダーとしては、フェノール樹脂、メラミン樹脂などの熱硬化性樹脂を用いることが好ましい。黒鉛粉末とフェノール樹脂などの樹脂との混合物を、予熱した金型に入れ、加圧・加熱して成形することにより、樹脂結合黒鉛電極を製造することができる。
【００２２】
本実施形態では、陽極１及び陰極２をともに炭素電極から構成しているが、陰極２は炭素電極以外の電極から構成してもよい。このような電極としては、白金等の金属電極などが挙げられる。
【００２３】
（３）式に示すように、陰極２の近傍では、水中の水素イオンが消費される。このため、陰極２の近傍では、アルカリ性が高くなる。液全体のｐＨが高くなり、アルカリ性になると、陽極１での炭素の消耗速度が増加し、電解水が黒濁しやすくなる。電解水の黒濁を抑制する観点からは、電解水のｐＨを４〜７の範囲内に維持することが好ましい。本発明に従い、陽極１と陰極２とを互いに平行に配置し、陽極１と陰極２との間の距離ｄを電流密度が１０ｍＡ／ｃｍ２以下の場合は０．３〜１．５ｍｍの範囲内に設定し、１０ｍＡ／ｃｍ２以上５０ｍＡ／ｃｍ２以下の場合は１．５ｍｍ超１０ｍｍ以下の範囲内に設定して電気分解することにより、電解水のｐＨを４〜７の範囲内に維持することができる。
【実施例】
【００２４】
（実施例１〜５）
陽極及び陰極として、樹脂結合黒鉛電極を用い、電極を互いに平行に配置し、かつ電極間の距離を表１に示すように、０．３ｍｍ（実施例１）、０．６ｍｍ（実施例２）、０．９ｍｍ（実施例３）、１．２ｍｍ（実施例４）、１．５ｍｍ（実施例５）に設定して、水道水を電気分解した。この際の印加電流密度はすべて１０ｍＡ／ｃｍ２未満である。各電極の寸法は、３０ｍｍ×１５０ｍｍ×７ｍｍ（厚み）である。樹脂結合黒鉛電極は、フェノール樹脂４０重量部に対して天然黒鉛６０重量部を加えて、総重量を１００重量部とした。この混合物を、１７０乃至１９０℃に予熱した金型に入れ、１８０乃至１９０℃の熱板上で２００ｋｇ／ｃｍ２の圧力で３０分間熱圧成形し、１６０ｍｍ角、厚み７ｍｍの板状の成形体を得た。この成形体を、２００℃で５時間熱処理し、樹脂を完全に硬化させて得たものである。
【００２５】
電極間距離は、電極の間に、電極間距離に対応する厚みを有するポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）製シートを挟むことにより設定した。具体的には、電極の上下左右の四隅に、多数の穴を開けたＰＴＦＥ製シートを配置し、ポリカーボネート製のボルト及びナットを用いて電極間を固定した。
【００２６】
水道水の量は４００ｍｌとした。印加電流は、４０ｍＡ、８０ｍＡ、１００ｍＡ、２００ｍＡ（浸漬面積を３３．６ｃｍ２としているため、印加電流密度はそれぞれ１．１９ｍＡ／ｃｍ２、２．３８ｍＡ／ｃｍ２、２．９８ｍＡ／ｃｍ２、５．９５ｍＡ／ｃｍ２となる）とし、マグネティックスターラーを用いて水道水を５００ｒｐｍの速度で撹拌しながら、５時間定電流で電気分解した。所定時間ごとに、電解水中の二酸化炭素（炭酸）濃度及びｐＨを測定した。二酸化炭素濃度は、東亜ディーケーケー社製炭酸ガス濃度計（ＣＧＰ−３１）で測定した。ｐＨは、東亜ディーケーケー社製ｐＨメータ（ＨＭ−３０Ｐ）で測定した。
【００２７】
図２は、実施例１における電解時間と電解水中の溶存炭酸濃度の関係を示す図である。図３は、実施例１における電解時間と電解水のｐＨの関係を示す図である。図２に示すように、溶存炭酸濃度は、印加電流が大きくなるに従い、増加する傾向にあることがわかる。５時間後の溶存炭酸濃度は、３８〜１３０ｍｇ／Ｌの範囲となっている。また、図３に示すように、５時間後のｐＨ値は、５．５〜６．８の範囲となっている。
【００２８】
図４は、実施例５における電解時間と電解水中の溶存炭酸濃度の関係を示す図である。図５は、実施例５における電解時間と電解水のｐＨの関係を示す図である。図４に示すように、溶存炭酸濃度は、印加電流が大きくなるに従い、増加する傾向にあることがわかる。５時間後の溶存炭酸濃度は、７５〜２５０ｍｇ／Ｌの範囲となっている。また、図５に示すように、５時間後のｐＨ値は、５．２〜６．６の範囲となっている。
【００２９】
表１に、実施例１〜５における５時間後の溶存炭酸濃度の範囲及び５時間後のｐＨ値の範囲を示す。
【００３０】
【表１】
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【００３１】
表１に示す結果から明らかなように、電極間距離を０．３〜１．５ｍｍの範囲内に設定し、印加電流密度を１０ｍＡ／ｃｍ２未満として電気分解することにより、高い溶存炭酸濃度を得ることができ、ｐＨ値を４〜７の範囲内にすることができることがわかる。
【００３２】
また、実施例１〜５においては、電極の崩壊等は観察されなかった。
【００３３】
（比較例１）
電極間距離を０．２ｍｍとする以外は、実施例１〜５と同様にして、水道水を電気分解した。陰極から発生する水素が、電極間に残るため、これが抵抗となり電圧が急上昇した。したがって、実施例１〜５のような高い溶存炭酸濃度を得ることができなかった。
【００３４】
（比較例２）
電極間距離を２．０ｍｍとする以外は、実施例１〜５と同様にして、水道水を電気分解した。電極間の抵抗が高くなり、電流が極めて流れにくくなった。このため、実施例１〜５のような高い溶存炭酸濃度を得ることができなかった。
【００３５】
（実施例６）
実施例４と同様に、電極間距離を１．２ｍｍに設定し、２００ｍＡの印加電流で、水道水を７２時間電気分解した。本実施例においても、電極の崩壊等は観察されなかった。
【００３６】
図６は、実施例６における電解後の陽極表面を示す写真である。図６から明らかように、電極表面にひび割れ等の崩壊は認められなかった。
【００３７】
（比較例３）
特許文献１と同様にして、電極の下端における電極間距離を０．１ｍｍ、電極の上端における電極間距離を８．０ｍｍに設定して、陽極及び陰極をＶ字状に配置した。２００ｍＡの印加電流で、水道水を７２時間電気分解した。本比較例では、電極の崩壊が観察された。
【００３８】
図７は、比較例３における電解後の陽極表面を示す写真である。図７から明らかように、本比較例では、電極表面にひび割れ等の崩壊が認められた。
【００３９】
以上のように、本発明に従えば、陽極を均一に消耗させることができ、電解水の黒濁を抑制することができるとともに、溶存する二酸化炭素の濃度を高めることができることがわかる。
【００４０】
（実施例７）
次に、電極間距離を３ｍｍにすると共に、印加電流密度を３２．４ｍＡ／ｃｍ２とした以外は、実施例１と同様にして電気分解を行った。
【００４１】
この結果から、印加電流密度を１０〜５０ｍＡ／ｃｍ２として電気分解する場合には、電極間距離を１．５ｍｍ超１０ｍｍ以下の範囲内に設定することにより、図８に示す通り高い溶存炭酸濃度を得ることができることが判る。またｐＨ値は５．６であった。更に実施例７での印加電流密度では、熱エネルギーに変換されるエネルギー量が大きくなることで水温の上昇が確認された。
【００４２】
（比較例４）
電極間距離を１２ｍｍとし、印加電流密度を５５ｍＡ／ｃｍ２とした以外は、実施例１と同様にして電気分解を行った所、電圧が４０Ｖ近くにまで上昇し、また液温の上昇も顕著であったため、電解を継続することが出来なかった。
【００４３】
次に、電気分解により得られた電解水の溶存ＣＯ２濃度と、その溶存持続性について実験を行った。
【００４４】
（実施例８〜１１）
電極間距離を１．２ｍｍとし、印加電流を１００ｍＡ、２００ｍＡ（印加電流密度はそれぞれ２．９８ｍＡ／ｃｍ２と５．９５ｍＡ／ｃｍ２）とした以外は実施例１と同様にして電気分解を行った。
【００４５】
【表２】
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【００４６】
反応速度定数ｋ＝ｌｎ（Ｃ１／Ｃ０）
Ｃ０：溶存ＣＯ２の初期濃度
Ｃ１：時間ｔ（min）経過後の溶存ＣＯ２濃度
実施例８〜１１の何れについても反応速度定数は２〜３×１０−３ｍｉｎ−１、半減期は３．５時間以上と、高い値が得られた。
【００４７】
図９は、実施例８〜１１における電解水の放置時間と電解水中の溶存炭酸濃度との関係を示す図である。
【００４８】
（比較例５）
市販の炭酸水（アサヒ飲料  ウィルキンソンタンサン）で同様に溶存ＣＯ２濃度を測定した結果を図１０に示す。反応速度定数は１〜２×１０−３ｍｉｎ−１、半減期は１．１時間で、実施例８〜１１と比較して低い値となっている。
【符号の説明】
【００４９】
１…陽極
２…陰極
３…水
４…電解槽
５…電源
ｄ…電極間距離
【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８】
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【図９】
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【図１０】
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【図６】
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【図７】
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