膜保持構造物、電極、これらを用いた電解水の製造装置及びその製造方法
【課題】 陽極で発生する塩素ガスによる陰イオン交換膜の劣化防止することが可能な膜保持構造物、電極、これらを用いた電解水の製造装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】 前記陽極室と前記中間室とを隔てる陰イオン交換膜を備えた第１の膜保持構造物と、前記第１の膜保持構造物に重ねて配置される陽極と、前記陰極室と前記中間室とを隔てる陽イオン交換膜を備えた第２の膜保持構造物と、前記第２の膜保持構造物に対して間隔を空けて配置される陰極とから構成されることを特徴とする。
【解決手段】 前記陽極室と前記中間室とを隔てる陰イオン交換膜を備えた第１の膜保持構造物と、前記第１の膜保持構造物に重ねて配置される陽極と、前記陰極室と前記中間室とを隔てる陽イオン交換膜を備えた第２の膜保持構造物と、前記第２の膜保持構造物に対して間隔を空けて配置される陰極とから構成されることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜保持構造物、電極、これらを用いた電解水を製造する製造装置及び製造方法に関するものであり、特に、塩素ガスによる陰イオン交換膜の損傷を防止することができる膜保持構造物、電極、これらを用いた電解水の製造装置及び製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な電解水の製造装置は、殺菌効果を示す酸性の電解水を得ることを目的として用いられており、主に医療分野や農業分野等に利用されている。酸性の電解水は、次亜塩素酸を成分としたものであり、例えば、三室型電解槽で製造される。
この三室型電解槽は、陽極室と陰極室及び中間室とから構成されており、陽極室と陰極室には原水を通水させ、中間室には電解質水溶液（例えば、食塩水）を充填させる。そして、陽極と陰極に直流電圧を負荷させると、中間室に存在する塩化物イオンが電気泳動により陽極室に移動し、陽極での電解反応により次亜塩素酸を含む酸性の電解水が製造される。
【０００３】
ところが、このような電解水の製造装置では、陽極と陰イオン交換膜との距離が近傍に設置されているために、陽極で発生する塩素ガスによって陰イオン交換膜を劣化させてしまい、効率的な酸性の電解水の製造を困難にさせてしまう。
【０００４】
そこで、特許文献１に開示されている電極では、陽極と不織布と陰イオン交換膜との順に積層したものを使用することで、陽極で発生する塩素ガスから保護膜となる不織布によって陰イオン交換の劣化を防止するというものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４０９１０６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記したように、特許文献１に開示されている電極は、塩素ガスによる陰イオン交換膜の劣化を防止するために、陽極と陰イオン交換膜との間に保護膜として不織布を配置している。ところが、不織布は３０〜５０μｍの厚さであり、スリットが形成されている。つまり、陽極と陰イオン交換膜との距離は不織布の厚さ分しかない。そのため、陽極で発生する塩素ガスは、スリットを通過して陰イオン交換膜に接触してしまい、劣化を防止することが困難となる。
【０００７】
本発明は係る問題に鑑みてなされたものであり、陽極で発生する塩素ガスによる陰イオン交換膜の劣化防止することが可能な膜保持構造物、電極、これらを用いた電解水の製造装置及びその製造方法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】
【０００８】
上記目的を解決するために、本発明の膜保持構造物は、電解水の製造装置に利用するイオン交換膜を保持する膜保持構造物であって、前記イオン交換膜の一方の面に設けられ該イオン交換膜を保持する第１の保持部材と、前記イオン交換膜の他方の面に設けられ該イオン交換膜を保持する第２の保持部材とからなり、前記第１の保持部材と前記第２の保持部材によって前記イオン交換膜を密着挟持して保持することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の膜保持構造物は、電解水の製造装置に利用するイオン交換膜を保持する膜保持構造物であって、前記イオン交換膜の一方の面に該イオン交換膜を保持する保持部材を設けたことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の膜保持構造物は、前記第１の保持部材は板状の部材であって、表面に複数の孔が設けられていることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の膜保持構造物は、前記第２の保持部材は板状の部材であって、一方の面に複数の凸条が設けられ、隣り合う該凸条の間に複数の孔が設けられていることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の電極は、電解水の製造装置に利用する電極であって、複数の平板電極が間隔を空けて整列して構成されていることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の電極は、前記電極は、複数の平板電極から構成されており、前記複数の平板電極は間隔を空け、横に並列に配列させ、該複数の平板電極の両端が固定されていることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の電極は、前記電極は、複数の平板電極から構成されており、前記複数の平板電極は間隔を空け、縦に並列に配列させ、該平板電極はそれぞれの一部で連結一体化されていることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の電解水の製造装置は、請求項１から４のいずれかに記載の膜保持構造物と、請求項５から７のいずれかに記載の電極と、を用いたことを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の電解水の製造装置は、前記陽極室と前記陰極室とを連通させる連通路を有することを特徴とする。
【００１７】
さらに、本発明の電解水の製造方法は、請求項１から４のいずれかに記載の膜保持構造物と、請求項５から７のいずれかに記載の電極とを用いた陽極室と陰極室並びに中間室から構成される三室型電解槽で構成される電解水の製造装置を利用した電解水の製造方法であって、前記陽極室及び前記陰極室に電解原水を通過させ、前記陽極室及び前記陰極室で電解原水を電気分解すると共に、前記中間室から電解イオン物質を前記陽極室及び前記陰極室に供給し、前記陽極室及び前記陰極室で電解水を生成し、生成された前記電解水を前記陽極室又は前記陰極室で混合させ、ｐＨ調整された電解水を得ることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、陰イオン交換膜の一方の面に固定部材を密着させて設けることで陽極表面で発生する塩素ガスが陰イオン交換膜側に移動することができず、陰イオン交換膜の劣化を防止することができる膜保持構造物と、複数の平板電極を並列状に並べることで、限られたスペースの中で表面積を飛躍的に増やすことができ、電解効率を向上させる電極とを用いた電解水の製造装置は、陰イオン交換膜の劣化を防止することで長時間の運転を可能とし、高品質な電解水を生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第１の実施形態に係る電解水の製造装置の構成を示した図である。
【図２】第１の隔壁の構成を示した斜視図である。
【図３】第１の隔壁の構成を示した分解斜視図である。
【図４】固定枠の構成を示した図である。
【図５】スペーサの構成を示した図である。
【図６】第２の隔壁の構成を示した斜視図である。
【図７】第２の隔壁の構成を示した分解斜視図である。
【図８】電極の構成を示した図である。
【図９】電極の構成を示した図である。
【図１０】第２の実施形態の電解水の製造装置の構成を示した図である。
【図１１】第３の実施形態の電解水の製造装置の構成を示した図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の好適な実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００２１】
本実施の形態では、本発明に係る電解水の製造装置が次亜塩素酸の製造の場合に適用した例について示す。
なお、本発明の本実施形態では陽極室、中間室、陰極室とからなる三室型の電解装置について説明するが、本発明は陽極室、陰極室とからなる二室型の電解装置についても適用することは可能である。
【００２２】
＜第１の実施形態＞
図１は、電解水の製造装置（以下、「電解装置」という）の模式図である。
図１に示すように、電解装置１００は、中央に配設された中間室４００と、中間室４００の一方の片側に陽極室２００が配設され、他方の片側に陰極室３００が配設されている。中間室４００と陽極室２００とは陰イオン交換膜２１を備える第１の隔壁２０で隔てられており、中間室４００と陰極室３００とは陽イオン交換膜３１を備える第２の隔壁３０で隔てられている。そして、陽極室２００には陽極２０１が設けられ、陰極室３００には陰極３０１が設けられている。
【００２３】
陽極２０１は、第１の隔壁２０に対して重ねて配置されており、陰極３０１は、第２の隔壁３０に対して間隔を空けて配置されている。また、陰極３０１は、全体を通水性のシート状部材３０１ａで覆われている。
【００２４】
第１の隔壁２０は、固定板２２と、陰イオン交換膜２１と、スペーサ２３とを順に積層した構成であり、第２の隔壁３０は、陽イオン交換膜３１の陰極３０１の反対側にスペーサ３２を積層した構成である。また、スペーサ２３とスペーサ３２とは、中間室４００内に隙間なく設置されている。第１の隔壁２０は陽極２０１とは、電解装置１００を組み立てる際に陽極室２００内に設けられている凸部２００ａの押圧によって陽極室２００内に設置されている。同様に、第２の隔壁３０と陰極３０１は、陰極室３００内の凸部３００ａの押圧によって設置されている。
【００２５】
陽極２０１は直流電源６００のプラス側に接続され、陰極３０１には直流電源６００のマイナス側に接続されている。直流電源６００は、その電圧や電流を任意に設定できる構成になっている。例えば、電圧は５〜２０ボルト程度の範囲で任意に選択でき、電流についても３〜２６アンペアの範囲で適宜選択して設定することができるものを挙げることができる。
【００２６】
陽極２０１と陰極３０１との大きさや形状を非対称、すなわち、電極表面積の大きさを異ならせてもよい。これにより、陽極２０１の電解量と陰極３０１の電解量とを変えることができる。また、陽極電極の電極体積と陰極電極の電極体積とを異ならせることで、混合された電解生成水の酸性度を適宜調整することができる。つまり、陽極２０１の電極体積は陰極の電極体積より大きいことで、酸性電解生成水の発生量がアルカリ性電解生成水の発生量より多くなるため、酸性度を高めることができる。一方で、陰極３０１の電極体積を陽極２０１の電極体積より大きくすることで、アルカリ性電解生成水の発生量が酸性電解生成水の発生量より多くなるため、アルカリ性の度合いを高めることができる。
【００２７】
電解装置１００は、陽極室２００に電解原水を給水するための第１の給水口２０２と、陰極室３００に電解原水を給水するための第２の給水口３０２とが設けられている。第１の給水口２０２及び第２の給水口３０２に繋がる流路は、１つの流路が分岐されて構成されている。その流路の分岐したところには、陽極室２００及び陰極室３００への分配する水量を調整するための分配割合調整バルブ７００が設けられている。分配割合調整バルブ７００は、電解装置１００に電解原水を供給する量を調整する供給量調整機能をもたせてもよい。
【００２８】
また、電解装置１００は、陽極室２００の液体を吐出させるための第１の吐出口２０３と、陰極室３００の液体を吐出させるための第２の吐出口３０３とが設けられている。さらに、電解装置１００は、第１の吐出口２０３から吐出される液体の量を調整する第１の吐出バルブ２０４と、第２の吐出口３０３から吐出される液体の量を調整する第２の吐出バルブ３０４とを有する。
【００２９】
図１に示すように、第１の吐出口２０３及び第２の吐出口３０３は、陽極室２００及び陰極室３００のそれぞれの下部に設け、第１の給水口２０２及び第２の給水口３０２を陽極室２００及び陰極室３００のそれぞれの上部に設けている。これにより、各給水口から給水された液体（電解原水）が電極表面に発生する塩素ガス（Ｃｌ２）の上昇に逆らって上から下へ向かって流れ、効率良く気液接触させることができる。従って、陽極２０１で発生する気体（電解質水溶液が塩化ナトリウムや塩化カリウムの場合は塩素）からなる気泡と水との気液接触時間が長くなり、次亜塩素酸への反応を確実に行うことができる。
【００３０】
陽極室２００は、縦長であるとよい。具体的には、陽極２０１と直交する方向の陽極室２００の幅よりも陽極室２００の高さの方が大きいとよい。その陽極室の幅に対する陽極室の高さの比（高さ／幅）は、例えば、１．５以上、好ましくは１．５〜５．０とすることができる。このような縦長であることにより、陽極室２００で発生した上昇する塩素ガス（Ｃｌ２）が水と接触する時間を長くすることができ、塩素と水との反応を確実に行うことができる。また、陰極３０１も同様とするとよい。
【００３１】
中間室４００には、供給タンク４０１からパイプ４０２を介して供給される電解質水溶液が充填されており、電解質水溶液に含まれる電解イオン物質を陽極室２００及び陰極室３００に供給する。この電解質水溶液は、例えば、塩化物塩水溶液（塩化ナトリウム水溶液や塩化カリウム水溶液）である。中間室４００を通過した水溶液を供給タンク４０１に戻して電解室水溶液として再利用して循環させてもよいし、消費した分だけの電解質水溶液を中間室４００に補充してもよい。なお、電解質水溶液の濃度は、例えば、電解質の飽和濃度とすることができる。
【００３２】
また、中間室４００の上部及び下部には、陽極室２００と陰極室３００で生成される電解水が双方向に移動することができる連通孔５００が設けられている。
【００３３】
次に、図２及び図３を参照して、第１の隔壁２０の構成について説明する。
図２は、第１の隔壁２０の構成を示した斜視図であり、図３は、第１の隔壁２０の分解した状態を示した斜視図であり、図４は、固定板の構成を示した図であり、図５（ａ）は、スペーサの表面を示した正面図であり、図５（ｂ）は、スペーサの裏面を示した正面図である。
【００３４】
図２及び図３に示すように、第１の隔壁２０は、固定板２２と陰イオン交換膜２１とスペーサ２３との順で積層された状態で構成されており、固定板２２の陰イオン交換膜２１が積層された反対側に陽極２０１が重ねて配置されている。陰イオン交換膜２１は、それ自身では形状を保持することができないため、固定板２２とスペーサ２３とで挟むことで形状を保持している。
【００３５】
図４に示すように、固定板２２は、厚みのある樹脂製の板状の部材であって、板状表面には複数の孔２２ａが設けられている。孔２２ａの形状は任意であるが、円形が好ましく、孔の直径は１〜３ｍｍが好ましい。また、固定板２２の厚みは１〜５ｍｍが好ましい。
【００３６】
図５（ａ）に示すように、スペーサ２３は厚みのある樹脂製の板状の部材であって、板状表面には複数の孔２３ａが設けられている。そして、図５（ｂ）に示すように、スペーサ２３の裏面には、スペーサ２３本体の斜め方向に対して凸条２３ｂが複数設けられている。そして、隣り合う凸条２３ｂの間には、表面に設けられている孔２３ａと連通した孔が設けられている。
なお、凸条２３ｂは、スペーサ２３の高さ方向や網目状に設けてもよい。
スペーサ２３の厚さは、１〜５ｍｍが好ましく、孔２３ａの形状は任意であるが、円形が好ましく、孔の直径は１〜３ｍｍが好ましい。
【００３７】
次に、図６及び図７を参照して第２の隔壁３０の構成について説明する。
図示するように、第２の隔壁３０は、スペーサ３２に陽イオン交換膜３１を積層することで構成されており、陽イオン交換膜３１のスペーサ３２が積層された反対側には、所定の間隔を空けてシート状部材３０１ａで覆われた陰極３０１が配置されている。シート状部材３０１ａは、通水性を有するものであればよく、例えば、布や不織布といったものが挙げられる。陽イオン交換膜３１は、上記した陰イオン交換膜２１と同様に、それ自身では形状を保持することができないため、スペーサ３２に陽イオン交換膜３１を積層した状態で陰極室３００と中間室４００との間に配設することでその形状を保持される。
【００３８】
次に、第１の隔壁２０及び第２の隔壁３０の作用について説明する。
まず、第１の隔壁２０は、陽極室２００と中間室４００との間に配設される。この時、固定板２２が陽極室２００側、スペーサ２３が中間室４００側となって配設され、第２の隔壁３０は、陽イオン交換膜３１が陰極３００側、スペーサ３２が中間室４００側となって配設される。このようにそれぞれの隔壁が配設されることで、スペーサ２３とスペーサ３２とが中間室４００内に隙間なく嵌め込まれる。
【００３９】
電解反応が行われると、中間室４００から電解イオン物質である塩化物イオンが陽極室２００へ移動する。塩化物イオンはスペーサ２３に設けられている孔２３ａ、陰イオン交換膜２１、固定板２２に設けられている孔２２ａを介して陽極室２００へ移動し、陽極２０１表面で電子の移動によって塩素ガスが発生する。この塩素ガスは、陰イオン交換膜を損傷させる原因となるものであるが、本実施形態では、陰イオン交換膜２１の前面に固定板２２を重ねて配設することで、塩素ガスによる陰イオン交換膜２１の損傷を防止することができる。
【００４０】
固定板２２は、上記したように１〜５ｍｍの厚さがあることで陽極２０１と陰イオン交換膜２１とで距離があり、まず、陽極２０１表面で発生する熱を遮断することができる。また、固定板２２に設けられている孔２２ａは、固定板２２が陰イオン交換膜２１と重ねて配置されていることから孔２２ａの陰イオン交換膜２１側は塞がれた状態であって、孔２２ａ内部に満たされている原水は移動することができないこと、かつ、塩化物イオンが中間室４００から移動してくるため、陽極２０１表面で発生する塩素ガスは、固定板２２の１〜５ｍｍの厚さ分の孔２２ａを通過することができない。
よって、陽極２０１表面で発生する塩素ガスによる陰イオン交換膜２１の損傷を防止することができる。
【００４１】
一方、第２の隔壁３０は、スペーサ３２を中間室４００側、陽イオン交換膜３１を陰極室３００側になるように配設される。このとき、中間室４００に対して、第１の隔壁２０のスペーサ２３の裏面（凸条２３ｂが設けられている面）と、第２の隔壁３０のスペーサ３３の裏面（凸条３３ｂが設けられている面）が対向する。中間室４００において、互いのスペーサ２３，３３が密着するようにしてもよい。中間室４００の上部から供給される電解質水溶液は、スペーサ２３，３３の間を通過する際に凸条２３ｂ，３２ｂに沿って流れるため、中間室４００内部をくまなく、そしてゆっくり流れるため、陽極室２００及び陰極室３００に対して高濃度な電解イオン物質を供給することができる。
【００４２】
また、中間室４００内でペーサ２３とスペーサ３１とが隙間なく重ね合わされるため、陽極室２００と陰極室３００とに電解原水が供給される際の水圧により、陽極２０１や陰極３０１が変形せず、安定した電気分解を行うことができる。
【００４３】
次に、図８及び図９を参照して、陽極２０１及び陰極３０１に採用する電極の構成について説明する。
図５（ａ）は、平板電極を横置き状態にした電極の構成を示した図であり、図５（ｂ）は、平板電極を縦置き状態にした電極の構成を示した図である。
なお、図５に示す電極は、陽極２０１及び陰極３０１の両方に採用するものであり、ここでは、陽極２０１についてのみ説明する。
【００４４】
図５（ａ）に示す電極２０１は、両端に設けられた縦長の平板電極２０１ａの間に、複数の横長の平板電極２０１ｂを、縦長の平板電極２０１ａの高さ方向に対して整列させて連結一体化させた電極である。それぞれの横長の平板電極２０１ｂは平行に整列させてもよいし、傾きを持たせて整列させてもよい。なお、平板電極２０１ｂを陽極室２００に対して上向き方向に傾きを持たせた場合には、陽極２０１表面で発生する塩素ガスが平板電極２０１ｂの上向き方向に沿って移動するため、より固定板２２側に塩素ガスが移動することを防止できる。
【００４５】
図５（ｂ）に示す電極２０１は、縦長の平板電極２０１ａを短冊状に並列させた電極であり、各平板電極２０１ａの上部で連結一体化をなしている。
なお、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示す平板電極２０１ａ，２０１ｂは、網状や多孔質体で形成してもよい。
【００４６】
上記した電極体２０１は、従来の平板電極を一枚平面状に使用する場合に比較して、数倍から数十倍の電解面積を獲得することができる。
例えば、従来の一枚の平板電極の規格寸法は、縦１５０ｍｍ、横１００ｍｍであり、表面積は電極の表裏を合わせると、
１５０×１００×２＝３００００ｍｍ２
となる。
そこで、例えば図５（ａ）に示した陽極２０１と比較すると、平板電極２０１ａの寸法は、縦２０ｍｍ、横１００ｍｍであり、表面積は電極の表裏を合わせると、
２０×１００×２＝４０００ｍｍ２
となる。
また、平板電極２０１ａの厚さが０．３ｍｍであり、各平板電極３０１ａの間隔を２ｍｍとすると、１枚当たり２．３ｍｍの幅であり、縦１５０ｍｍに対して並列に配列すると、
１５０ｍｍ／２．３ｍｍ≒６５
であり、６５枚の平板電極２０１ａを並べることができる。
よって、１枚の平板電極２０１ａの表面積が４０００ｍｍ２であって、これを６５枚配列させると、
４０００ｍｍ２×６５枚＝２６００００ｍｍ２
となり、従来の１枚の平板電極（３００００ｍｍ２）と比較すると、
２６００００ｍｍ２／３００００ｍｍ２≒８
であり、従来の１枚の平板電極に比べて８倍の表面積を得ることができる。
また、平板電極２０１ａに変えて、例えば、多孔質体の電極を用いた場合には、これ以上の表面積を得ることができ、電解面積を飛躍的に向上させることができる。
【００４７】
また、本発明の出願人は、平板電極の外形線付近で電解反応が顕著に行われることを見出したことから、平板電極の表面に凹凸を形成することで水との接触機会を増やすことができる。
【００４８】
このような電極を用いることは、陽極室及び陰極室の限られた容積の中で飛躍的な電極面積を得ることができ、電解効率を向上させることができる。また、陽極室及び陰極室を流れる原水に対して抵抗を生じるため、原水に対して十分な電位を与えることもできる。
【００４９】
＜電解水の製造装置の動作について＞
次に、電解装置１００の動作について説明する。
まず、分配割合調整バルブ７００の調整によって液体（原水）を陽極室２００及び陰極３００に供給する。水量は、例えば０．５〜１．５ｌ／分とする。この原水の供給に併せて陽極２０１と陰極３０１との間で電位を印加し電気分解を行う。ここで、電気分解時の電圧は、例えば、５〜１０Ｖとし、電流を３〜１０Ａとする。
【００５０】
陽極２０１と陰極３０１との間に電位を印加すると、中間室４００の陽イオン（電解質が塩化ナトリウムの場合にはナトリウムイオン）が陽イオン交換膜３１を備える第２の隔壁３０を通過して陰極室３００に移動する。一方で、中間室４００の陰イオン（電解質が塩化ナトリウムの場合には塩化物イオン）が陰イオン交換膜２１を備える第１の隔壁２０を通過して陽極室２００に移動する。
【００５１】
陽極室２００では、陽極２０１にて塩化物イオンが次式（１）の反応を起こし、塩素が発生する。
２Ｃｌ−→Ｃｌ２＋２ｅ−・・・（１）
この塩素は、さらに、次式（２）に示すように、水を反応して次亜塩素酸が生成される。
Ｃｌ２＋Ｈ２Ｏ→ＨＣｌＯ＋ＨＣｌ・・・（２）
【００５２】
一方で、陰極室３００では、陰極３０１にて次式（３）の反応が起こる。
Ｈ２Ｏ＋２ｅ−→１／２Ｈ２＋ＯＨ−・・・（３）
この電気分解において、中間室４００の上下に設けられている連通孔５００から陽極室２００及び陰極室３００で生成される電解水が双方向に移動させることが可能であることから、例えば、陽極室２００で生成された酸性の電解水を陰極室３００に移動させることで陰極３０１にスケールが付着することを防止することができる。
【００５３】
また、この電気分解において第１の吐出バルブ２０４と第２の吐出バルブ３０４とを調整し、陽極室２００及び陰極室３００からの吐出される電解水の量を制御することができる。
【００５４】
第１の吐出口２０３から吐出された電解生成水と、第２の吐出口３０３から吐出された電解水とを混合することで、弱アルカリ性、中性または弱酸性の次亜塩素酸を含む電解生成水が生成される。
【００５５】
なお、第１の吐出バルブ２０４または第２の吐出バルブ３０４の一方を完全に閉め、第１の吐出口２０３または第２の吐出口３０３のいずれかのみから吐出してもよい。この場合には、陽極室２００または陰極室３００の内部で混合水が生成されることになる。
【００５６】
一般的に陰極室２００の陰極３０１には、中間室４００から供給された陽イオンがスケールとして付着する。しかし、第１の実施形態の電解装置１００によれば、陽極室２００で生成された酸性の電解水を陰極室３００に誘導混合させることで、陰極３０１にスケールが付着しない。このように陰極３０１にスケールがつかないことで、陰極３０１に付着したスケールを除去する工程が不要または減らすことができるため、連続運転が可能になる。
【００５７】
また、陰極３０１をシート体９０で覆うことで、電解される水を陰極３０１の付近に滞留することとなる。このため、陰極３０１の付近に滞留する水に対するチャージ量が増すことになる。水に対するチャージ量が増した分だけ、陽イオンに基づくスケールが付着することがさらに減ることになる。その結果、連続運転をよりし易くなると共に、陰極３０１を逆洗浄が不要になるか又は頻度を減らすことができるため、産業的な用途においてより有利な電解装置を実現することができる。併せて、陰極３０１にスケールが成長してイオン交換膜５４を破損するのを防ぐことができるため、イオン交換膜を保護する役割も果たすことができる。なお、陽極２０１も陰極３０１と同様にシート体で覆ってもよい。
【００５８】
また、第２の吐出バルブ３０４のみを開き、陰極室３００の第２の吐出口３０３のみから電解水を吐出することで、陽極室２００で生成された酸性の電解水が陰極室３００側に流れ、高濃度の次亜塩素酸を含有したアルカリ性の電解水を生成することが可能になる。さらに、一層陰極３０１にはスケールの付着は起こらなくなる。
【００５９】
また、第１の実施形態に係る電解装置１００では、陽極室２００で生成された電解水と陰極室３００で生成された電解水とを混合することで、弱アルカリ性、中性または弱酸性を示す混合水を生成することができる。さらに、従来では、陽極室２００または陰極室３００の一方で生成された電解水を使用し、他方の電解水は廃棄していたが、双方の電解生成水を使用することができるため、水資源を有効に使用することができる。
【００６０】
陽極室２００側への分配量が低いと、陽極室２００で生成した電解水と陰極室３００で生成した電解水とを混合した場合には、次亜塩素酸の濃度が大きく低下すると思われる。しかし、第１の実施の形態に係る電解装置１００により得られた電解水は、次亜塩素酸の濃度（有効塩素濃度）が大きく低下しない。したがって、本実施の形態によれば、得られる電解生成水が高濃度の次亜塩素酸を含有するため、殺菌力が低下しない。
【００６１】
なお、次亜塩素酸は陽極側で生成された酸性の電解水中に含まれるものであることが一般的に知られているが、ｐＨ値が微酸性、中性もしくは微アルカリ性に調整された次亜塩素酸水を製造しようとする場合は、工業的に製造された次亜塩素酸ナトリウム（ソーダ）に塩酸を加えてｐＨ値を調整するか、または前記文献１により生成された塩化ナトリウムを含む酸性電解生成水とアルカリ性電解生成水とを適当量混合して製造することが考えられるが、いずれの場合も有効塩素濃度をあまり変化させずにｐＨ値を単独に調整することは行われていない。
【００６２】
そこで、第１の実施の形態では、陽極室２００に供給される水の量と陰極室３００に供給される水の量との大小関係、および、第１の吐出バルブ２０４と第２の吐出バルブ３０４との開閉量（絞り量）の大小関係を組み合わせることで、表１に示すように弱酸性から弱アルカリ性の範囲で様々なｐＨ調整が可能となる。
【００６３】
【表１】
【００６４】
なお、第１の吐出バルブ２０４と第２の吐出バルブ３０４とを同じ程度開放することで、陽極室２００で生成された電解水と陰極室３００で生成された電解水との混合比率は下がることになるため、混合比率は特に第１および第２の吐出バルブ２０４，３０４で調整することができる。
【００６５】
従来は、どちらか一方を使用している時は一方を廃棄していたが、この製法により大切な水資源を無駄に捨てないで済むようになった。
【００６６】
中性付近電解生成水の生成により排水基準などの適合も未処理で実現するため、環境汚染など環境に負荷を与えないという利点がある。
【００６７】
電解次亜塩素酸は有機物と接触する事で簡単に中和する特長も持ち合わせている。
【００６８】
陽極室と陰極室とが連通していない状態で電解を行った場合に、陰極室から吐出される電解水は、沈殿物（炭酸カルシウム）を含んでしまう。しかし、第１の実施形態に係る電解装置１００は、陽極室２００と陰極室３００とが連通した状態で電解を行うことで、陰極室３００から吐出された電解水は陽極室２００から陰極室３００に流入した電解水も含むため、その沈殿物が生じない。これにより、たとえば次の効果が奏される。
【００６９】
陰極室３００から吐出された電解水をタンクに貯めて、必要に応じて使用する場合が考えられる。この場合に、電解水に沈殿物が含まれていると、タンクの内壁に沈殿物が付着し、頻繁に洗浄をする必要がある。また、取水口に沈殿物が貯まり通水ができなくなり、故障の要因となる場合がある。しかし、沈殿物が含まない電解生成水であると、タンクの内壁に沈殿物が付着せず洗浄回数を減らすことができ、取水口に沈殿物が貯まらないため通水を確実に確保することができる。
【００７０】
＜第２の実施形態＞
図１０は、第２の実施形態に係る電解水の製造装置の構成を示した図である。
図示するように、第２の実施形態に係る電解装置１００では、陽極室２００と陰極室３００とを連通孔５００で連通させる代わりに、別途連通路５０１を設けて連通させてもよい。連通路５０１の設置によって陽極室２００と陰極室３００との間を行き来する水の量を把握し易いという利点がある。そして、この連通路５０１に開閉量調整バルブ５０２を設けることで陽極室２００と陰極室３００との間を行き来する水の量を容易に調整することができる。
【００７１】
＜第３の実施形態＞
図１１は、第３の実施形態に係る電解水の製造装置の構成を示した図である。
図示するように、第３の実施形態に係る電解装置１００は、陽極室２００に対して電解原水を供給するか否かを決める第１の開閉バルブ２０２ａを設けている。通常の電解装置であれば、陽極室及び陰極室の双方に電解原水を供給しなければ電解することはできない。しかし、第３の実施形態の電解装置１０によれば、陽極室２００と陰極室３００とは、連通孔５００によって連通しているため、この第１の開閉バルブ２０２ａを閉じても、陽極室２００には、陰極室３００を通じて電解原水が供給されることになり、通常の電解装置ではできない手法の電解が可能となる。これにより、第１の開閉バルブ２０２ａを閉じ、陽極室２００側のみから電解水を吐出した場合には、強い酸性を有する電解水を生成することができる。
【００７２】
また、同様に、陰極３００に対して電解原水を供給するか否かを決める第２の開閉バルブ３０２ａを設けてもよい。第２の開閉バルブ３０２ａを閉じても、第１の開閉バルブ２０２ａが空いていれば、陰極室３００には、陽極室２００を通じて電解原水が供給されることにより、通常の電解装置ではできない手法での電解が可能となる。例えば、第２の開閉バルブ３０２ａを閉じ、陰極室３００側のみから電解水を吐出した場合には、強いアルカリ性を有する電解水を生成することができる。
【符号の説明】
【００７３】
２０ 第１の膜保持構造物
２１ 陰イオン交換膜
２２ 固定板
２２ａ、２３ａ、３２ａ 孔
２３ｂ、３２ｂ 凸条
２３、３２ スペーサ
３０ 第２の膜構造物
３１ 陽イオン交換膜
１００ 電解装置
２００ 陽極室
２００ａ、３００ａ 凸部
２０１ 陽極
２０２ 給水口
２０２ａ 第１の開閉バルブ
２０３ 吐出口
２０４ 第１の吐出バルブ
３００ 陰極室
３０１ 陰極
３０２ 給水口
３０２ａ 第２の開閉バルブ
３０３ 吐出口
３０４ 第２の吐出バルブ
４００ 中間室
４０１ 供給タンク
４０２ パイプ
５００ 連通孔
５０１ 連通路
５０２ 開閉量調整御バルブ
６００ 電源
７００ 分配割合調整バルブ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜保持構造物、電極、これらを用いた電解水を製造する製造装置及び製造方法に関するものであり、特に、塩素ガスによる陰イオン交換膜の損傷を防止することができる膜保持構造物、電極、これらを用いた電解水の製造装置及び製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な電解水の製造装置は、殺菌効果を示す酸性の電解水を得ることを目的として用いられており、主に医療分野や農業分野等に利用されている。酸性の電解水は、次亜塩素酸を成分としたものであり、例えば、三室型電解槽で製造される。
この三室型電解槽は、陽極室と陰極室及び中間室とから構成されており、陽極室と陰極室には原水を通水させ、中間室には電解質水溶液（例えば、食塩水）を充填させる。そして、陽極と陰極に直流電圧を負荷させると、中間室に存在する塩化物イオンが電気泳動により陽極室に移動し、陽極での電解反応により次亜塩素酸を含む酸性の電解水が製造される。
【０００３】
ところが、このような電解水の製造装置では、陽極と陰イオン交換膜との距離が近傍に設置されているために、陽極で発生する塩素ガスによって陰イオン交換膜を劣化させてしまい、効率的な酸性の電解水の製造を困難にさせてしまう。
【０００４】
そこで、特許文献１に開示されている電極では、陽極と不織布と陰イオン交換膜との順に積層したものを使用することで、陽極で発生する塩素ガスから保護膜となる不織布によって陰イオン交換の劣化を防止するというものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４０９１０６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記したように、特許文献１に開示されている電極は、塩素ガスによる陰イオン交換膜の劣化を防止するために、陽極と陰イオン交換膜との間に保護膜として不織布を配置している。ところが、不織布は３０〜５０μｍの厚さであり、スリットが形成されている。つまり、陽極と陰イオン交換膜との距離は不織布の厚さ分しかない。そのため、陽極で発生する塩素ガスは、スリットを通過して陰イオン交換膜に接触してしまい、劣化を防止することが困難となる。
【０００７】
本発明は係る問題に鑑みてなされたものであり、陽極で発生する塩素ガスによる陰イオン交換膜の劣化防止することが可能な膜保持構造物、電極、これらを用いた電解水の製造装置及びその製造方法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】
【０００８】
上記目的を解決するために、本発明の膜保持構造物は、電解水の製造装置に利用するイオン交換膜を保持する膜保持構造物であって、前記イオン交換膜の一方の面に設けられ該イオン交換膜を保持する第１の保持部材と、前記イオン交換膜の他方の面に設けられ該イオン交換膜を保持する第２の保持部材とからなり、前記第１の保持部材と前記第２の保持部材によって前記イオン交換膜を密着挟持して保持することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の膜保持構造物は、電解水の製造装置に利用するイオン交換膜を保持する膜保持構造物であって、前記イオン交換膜の一方の面に該イオン交換膜を保持する保持部材を設けたことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の膜保持構造物は、前記第１の保持部材は板状の部材であって、表面に複数の孔が設けられていることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の膜保持構造物は、前記第２の保持部材は板状の部材であって、一方の面に複数の凸条が設けられ、隣り合う該凸条の間に複数の孔が設けられていることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の電極は、電解水の製造装置に利用する電極であって、複数の平板電極が間隔を空けて整列して構成されていることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の電極は、前記電極は、複数の平板電極から構成されており、前記複数の平板電極は間隔を空け、横に並列に配列させ、該複数の平板電極の両端が固定されていることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の電極は、前記電極は、複数の平板電極から構成されており、前記複数の平板電極は間隔を空け、縦に並列に配列させ、該平板電極はそれぞれの一部で連結一体化されていることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の電解水の製造装置は、請求項１から４のいずれかに記載の膜保持構造物と、請求項５から７のいずれかに記載の電極と、を用いたことを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の電解水の製造装置は、前記陽極室と前記陰極室とを連通させる連通路を有することを特徴とする。
【００１７】
さらに、本発明の電解水の製造方法は、請求項１から４のいずれかに記載の膜保持構造物と、請求項５から７のいずれかに記載の電極とを用いた陽極室と陰極室並びに中間室から構成される三室型電解槽で構成される電解水の製造装置を利用した電解水の製造方法であって、前記陽極室及び前記陰極室に電解原水を通過させ、前記陽極室及び前記陰極室で電解原水を電気分解すると共に、前記中間室から電解イオン物質を前記陽極室及び前記陰極室に供給し、前記陽極室及び前記陰極室で電解水を生成し、生成された前記電解水を前記陽極室又は前記陰極室で混合させ、ｐＨ調整された電解水を得ることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、陰イオン交換膜の一方の面に固定部材を密着させて設けることで陽極表面で発生する塩素ガスが陰イオン交換膜側に移動することができず、陰イオン交換膜の劣化を防止することができる膜保持構造物と、複数の平板電極を並列状に並べることで、限られたスペースの中で表面積を飛躍的に増やすことができ、電解効率を向上させる電極とを用いた電解水の製造装置は、陰イオン交換膜の劣化を防止することで長時間の運転を可能とし、高品質な電解水を生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第１の実施形態に係る電解水の製造装置の構成を示した図である。
【図２】第１の隔壁の構成を示した斜視図である。
【図３】第１の隔壁の構成を示した分解斜視図である。
【図４】固定枠の構成を示した図である。
【図５】スペーサの構成を示した図である。
【図６】第２の隔壁の構成を示した斜視図である。
【図７】第２の隔壁の構成を示した分解斜視図である。
【図８】電極の構成を示した図である。
【図９】電極の構成を示した図である。
【図１０】第２の実施形態の電解水の製造装置の構成を示した図である。
【図１１】第３の実施形態の電解水の製造装置の構成を示した図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の好適な実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００２１】
本実施の形態では、本発明に係る電解水の製造装置が次亜塩素酸の製造の場合に適用した例について示す。
なお、本発明の本実施形態では陽極室、中間室、陰極室とからなる三室型の電解装置について説明するが、本発明は陽極室、陰極室とからなる二室型の電解装置についても適用することは可能である。
【００２２】
＜第１の実施形態＞
図１は、電解水の製造装置（以下、「電解装置」という）の模式図である。
図１に示すように、電解装置１００は、中央に配設された中間室４００と、中間室４００の一方の片側に陽極室２００が配設され、他方の片側に陰極室３００が配設されている。中間室４００と陽極室２００とは陰イオン交換膜２１を備える第１の隔壁２０で隔てられており、中間室４００と陰極室３００とは陽イオン交換膜３１を備える第２の隔壁３０で隔てられている。そして、陽極室２００には陽極２０１が設けられ、陰極室３００には陰極３０１が設けられている。
【００２３】
陽極２０１は、第１の隔壁２０に対して重ねて配置されており、陰極３０１は、第２の隔壁３０に対して間隔を空けて配置されている。また、陰極３０１は、全体を通水性のシート状部材３０１ａで覆われている。
【００２４】
第１の隔壁２０は、固定板２２と、陰イオン交換膜２１と、スペーサ２３とを順に積層した構成であり、第２の隔壁３０は、陽イオン交換膜３１の陰極３０１の反対側にスペーサ３２を積層した構成である。また、スペーサ２３とスペーサ３２とは、中間室４００内に隙間なく設置されている。第１の隔壁２０は陽極２０１とは、電解装置１００を組み立てる際に陽極室２００内に設けられている凸部２００ａの押圧によって陽極室２００内に設置されている。同様に、第２の隔壁３０と陰極３０１は、陰極室３００内の凸部３００ａの押圧によって設置されている。
【００２５】
陽極２０１は直流電源６００のプラス側に接続され、陰極３０１には直流電源６００のマイナス側に接続されている。直流電源６００は、その電圧や電流を任意に設定できる構成になっている。例えば、電圧は５〜２０ボルト程度の範囲で任意に選択でき、電流についても３〜２６アンペアの範囲で適宜選択して設定することができるものを挙げることができる。
【００２６】
陽極２０１と陰極３０１との大きさや形状を非対称、すなわち、電極表面積の大きさを異ならせてもよい。これにより、陽極２０１の電解量と陰極３０１の電解量とを変えることができる。また、陽極電極の電極体積と陰極電極の電極体積とを異ならせることで、混合された電解生成水の酸性度を適宜調整することができる。つまり、陽極２０１の電極体積は陰極の電極体積より大きいことで、酸性電解生成水の発生量がアルカリ性電解生成水の発生量より多くなるため、酸性度を高めることができる。一方で、陰極３０１の電極体積を陽極２０１の電極体積より大きくすることで、アルカリ性電解生成水の発生量が酸性電解生成水の発生量より多くなるため、アルカリ性の度合いを高めることができる。
【００２７】
電解装置１００は、陽極室２００に電解原水を給水するための第１の給水口２０２と、陰極室３００に電解原水を給水するための第２の給水口３０２とが設けられている。第１の給水口２０２及び第２の給水口３０２に繋がる流路は、１つの流路が分岐されて構成されている。その流路の分岐したところには、陽極室２００及び陰極室３００への分配する水量を調整するための分配割合調整バルブ７００が設けられている。分配割合調整バルブ７００は、電解装置１００に電解原水を供給する量を調整する供給量調整機能をもたせてもよい。
【００２８】
また、電解装置１００は、陽極室２００の液体を吐出させるための第１の吐出口２０３と、陰極室３００の液体を吐出させるための第２の吐出口３０３とが設けられている。さらに、電解装置１００は、第１の吐出口２０３から吐出される液体の量を調整する第１の吐出バルブ２０４と、第２の吐出口３０３から吐出される液体の量を調整する第２の吐出バルブ３０４とを有する。
【００２９】
図１に示すように、第１の吐出口２０３及び第２の吐出口３０３は、陽極室２００及び陰極室３００のそれぞれの下部に設け、第１の給水口２０２及び第２の給水口３０２を陽極室２００及び陰極室３００のそれぞれの上部に設けている。これにより、各給水口から給水された液体（電解原水）が電極表面に発生する塩素ガス（Ｃｌ２）の上昇に逆らって上から下へ向かって流れ、効率良く気液接触させることができる。従って、陽極２０１で発生する気体（電解質水溶液が塩化ナトリウムや塩化カリウムの場合は塩素）からなる気泡と水との気液接触時間が長くなり、次亜塩素酸への反応を確実に行うことができる。
【００３０】
陽極室２００は、縦長であるとよい。具体的には、陽極２０１と直交する方向の陽極室２００の幅よりも陽極室２００の高さの方が大きいとよい。その陽極室の幅に対する陽極室の高さの比（高さ／幅）は、例えば、１．５以上、好ましくは１．５〜５．０とすることができる。このような縦長であることにより、陽極室２００で発生した上昇する塩素ガス（Ｃｌ２）が水と接触する時間を長くすることができ、塩素と水との反応を確実に行うことができる。また、陰極３０１も同様とするとよい。
【００３１】
中間室４００には、供給タンク４０１からパイプ４０２を介して供給される電解質水溶液が充填されており、電解質水溶液に含まれる電解イオン物質を陽極室２００及び陰極室３００に供給する。この電解質水溶液は、例えば、塩化物塩水溶液（塩化ナトリウム水溶液や塩化カリウム水溶液）である。中間室４００を通過した水溶液を供給タンク４０１に戻して電解室水溶液として再利用して循環させてもよいし、消費した分だけの電解質水溶液を中間室４００に補充してもよい。なお、電解質水溶液の濃度は、例えば、電解質の飽和濃度とすることができる。
【００３２】
また、中間室４００の上部及び下部には、陽極室２００と陰極室３００で生成される電解水が双方向に移動することができる連通孔５００が設けられている。
【００３３】
次に、図２及び図３を参照して、第１の隔壁２０の構成について説明する。
図２は、第１の隔壁２０の構成を示した斜視図であり、図３は、第１の隔壁２０の分解した状態を示した斜視図であり、図４は、固定板の構成を示した図であり、図５（ａ）は、スペーサの表面を示した正面図であり、図５（ｂ）は、スペーサの裏面を示した正面図である。
【００３４】
図２及び図３に示すように、第１の隔壁２０は、固定板２２と陰イオン交換膜２１とスペーサ２３との順で積層された状態で構成されており、固定板２２の陰イオン交換膜２１が積層された反対側に陽極２０１が重ねて配置されている。陰イオン交換膜２１は、それ自身では形状を保持することができないため、固定板２２とスペーサ２３とで挟むことで形状を保持している。
【００３５】
図４に示すように、固定板２２は、厚みのある樹脂製の板状の部材であって、板状表面には複数の孔２２ａが設けられている。孔２２ａの形状は任意であるが、円形が好ましく、孔の直径は１〜３ｍｍが好ましい。また、固定板２２の厚みは１〜５ｍｍが好ましい。
【００３６】
図５（ａ）に示すように、スペーサ２３は厚みのある樹脂製の板状の部材であって、板状表面には複数の孔２３ａが設けられている。そして、図５（ｂ）に示すように、スペーサ２３の裏面には、スペーサ２３本体の斜め方向に対して凸条２３ｂが複数設けられている。そして、隣り合う凸条２３ｂの間には、表面に設けられている孔２３ａと連通した孔が設けられている。
なお、凸条２３ｂは、スペーサ２３の高さ方向や網目状に設けてもよい。
スペーサ２３の厚さは、１〜５ｍｍが好ましく、孔２３ａの形状は任意であるが、円形が好ましく、孔の直径は１〜３ｍｍが好ましい。
【００３７】
次に、図６及び図７を参照して第２の隔壁３０の構成について説明する。
図示するように、第２の隔壁３０は、スペーサ３２に陽イオン交換膜３１を積層することで構成されており、陽イオン交換膜３１のスペーサ３２が積層された反対側には、所定の間隔を空けてシート状部材３０１ａで覆われた陰極３０１が配置されている。シート状部材３０１ａは、通水性を有するものであればよく、例えば、布や不織布といったものが挙げられる。陽イオン交換膜３１は、上記した陰イオン交換膜２１と同様に、それ自身では形状を保持することができないため、スペーサ３２に陽イオン交換膜３１を積層した状態で陰極室３００と中間室４００との間に配設することでその形状を保持される。
【００３８】
次に、第１の隔壁２０及び第２の隔壁３０の作用について説明する。
まず、第１の隔壁２０は、陽極室２００と中間室４００との間に配設される。この時、固定板２２が陽極室２００側、スペーサ２３が中間室４００側となって配設され、第２の隔壁３０は、陽イオン交換膜３１が陰極３００側、スペーサ３２が中間室４００側となって配設される。このようにそれぞれの隔壁が配設されることで、スペーサ２３とスペーサ３２とが中間室４００内に隙間なく嵌め込まれる。
【００３９】
電解反応が行われると、中間室４００から電解イオン物質である塩化物イオンが陽極室２００へ移動する。塩化物イオンはスペーサ２３に設けられている孔２３ａ、陰イオン交換膜２１、固定板２２に設けられている孔２２ａを介して陽極室２００へ移動し、陽極２０１表面で電子の移動によって塩素ガスが発生する。この塩素ガスは、陰イオン交換膜を損傷させる原因となるものであるが、本実施形態では、陰イオン交換膜２１の前面に固定板２２を重ねて配設することで、塩素ガスによる陰イオン交換膜２１の損傷を防止することができる。
【００４０】
固定板２２は、上記したように１〜５ｍｍの厚さがあることで陽極２０１と陰イオン交換膜２１とで距離があり、まず、陽極２０１表面で発生する熱を遮断することができる。また、固定板２２に設けられている孔２２ａは、固定板２２が陰イオン交換膜２１と重ねて配置されていることから孔２２ａの陰イオン交換膜２１側は塞がれた状態であって、孔２２ａ内部に満たされている原水は移動することができないこと、かつ、塩化物イオンが中間室４００から移動してくるため、陽極２０１表面で発生する塩素ガスは、固定板２２の１〜５ｍｍの厚さ分の孔２２ａを通過することができない。
よって、陽極２０１表面で発生する塩素ガスによる陰イオン交換膜２１の損傷を防止することができる。
【００４１】
一方、第２の隔壁３０は、スペーサ３２を中間室４００側、陽イオン交換膜３１を陰極室３００側になるように配設される。このとき、中間室４００に対して、第１の隔壁２０のスペーサ２３の裏面（凸条２３ｂが設けられている面）と、第２の隔壁３０のスペーサ３３の裏面（凸条３３ｂが設けられている面）が対向する。中間室４００において、互いのスペーサ２３，３３が密着するようにしてもよい。中間室４００の上部から供給される電解質水溶液は、スペーサ２３，３３の間を通過する際に凸条２３ｂ，３２ｂに沿って流れるため、中間室４００内部をくまなく、そしてゆっくり流れるため、陽極室２００及び陰極室３００に対して高濃度な電解イオン物質を供給することができる。
【００４２】
また、中間室４００内でペーサ２３とスペーサ３１とが隙間なく重ね合わされるため、陽極室２００と陰極室３００とに電解原水が供給される際の水圧により、陽極２０１や陰極３０１が変形せず、安定した電気分解を行うことができる。
【００４３】
次に、図８及び図９を参照して、陽極２０１及び陰極３０１に採用する電極の構成について説明する。
図５（ａ）は、平板電極を横置き状態にした電極の構成を示した図であり、図５（ｂ）は、平板電極を縦置き状態にした電極の構成を示した図である。
なお、図５に示す電極は、陽極２０１及び陰極３０１の両方に採用するものであり、ここでは、陽極２０１についてのみ説明する。
【００４４】
図５（ａ）に示す電極２０１は、両端に設けられた縦長の平板電極２０１ａの間に、複数の横長の平板電極２０１ｂを、縦長の平板電極２０１ａの高さ方向に対して整列させて連結一体化させた電極である。それぞれの横長の平板電極２０１ｂは平行に整列させてもよいし、傾きを持たせて整列させてもよい。なお、平板電極２０１ｂを陽極室２００に対して上向き方向に傾きを持たせた場合には、陽極２０１表面で発生する塩素ガスが平板電極２０１ｂの上向き方向に沿って移動するため、より固定板２２側に塩素ガスが移動することを防止できる。
【００４５】
図５（ｂ）に示す電極２０１は、縦長の平板電極２０１ａを短冊状に並列させた電極であり、各平板電極２０１ａの上部で連結一体化をなしている。
なお、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示す平板電極２０１ａ，２０１ｂは、網状や多孔質体で形成してもよい。
【００４６】
上記した電極体２０１は、従来の平板電極を一枚平面状に使用する場合に比較して、数倍から数十倍の電解面積を獲得することができる。
例えば、従来の一枚の平板電極の規格寸法は、縦１５０ｍｍ、横１００ｍｍであり、表面積は電極の表裏を合わせると、
１５０×１００×２＝３００００ｍｍ２
となる。
そこで、例えば図５（ａ）に示した陽極２０１と比較すると、平板電極２０１ａの寸法は、縦２０ｍｍ、横１００ｍｍであり、表面積は電極の表裏を合わせると、
２０×１００×２＝４０００ｍｍ２
となる。
また、平板電極２０１ａの厚さが０．３ｍｍであり、各平板電極３０１ａの間隔を２ｍｍとすると、１枚当たり２．３ｍｍの幅であり、縦１５０ｍｍに対して並列に配列すると、
１５０ｍｍ／２．３ｍｍ≒６５
であり、６５枚の平板電極２０１ａを並べることができる。
よって、１枚の平板電極２０１ａの表面積が４０００ｍｍ２であって、これを６５枚配列させると、
４０００ｍｍ２×６５枚＝２６００００ｍｍ２
となり、従来の１枚の平板電極（３００００ｍｍ２）と比較すると、
２６００００ｍｍ２／３００００ｍｍ２≒８
であり、従来の１枚の平板電極に比べて８倍の表面積を得ることができる。
また、平板電極２０１ａに変えて、例えば、多孔質体の電極を用いた場合には、これ以上の表面積を得ることができ、電解面積を飛躍的に向上させることができる。
【００４７】
また、本発明の出願人は、平板電極の外形線付近で電解反応が顕著に行われることを見出したことから、平板電極の表面に凹凸を形成することで水との接触機会を増やすことができる。
【００４８】
このような電極を用いることは、陽極室及び陰極室の限られた容積の中で飛躍的な電極面積を得ることができ、電解効率を向上させることができる。また、陽極室及び陰極室を流れる原水に対して抵抗を生じるため、原水に対して十分な電位を与えることもできる。
【００４９】
＜電解水の製造装置の動作について＞
次に、電解装置１００の動作について説明する。
まず、分配割合調整バルブ７００の調整によって液体（原水）を陽極室２００及び陰極３００に供給する。水量は、例えば０．５〜１．５ｌ／分とする。この原水の供給に併せて陽極２０１と陰極３０１との間で電位を印加し電気分解を行う。ここで、電気分解時の電圧は、例えば、５〜１０Ｖとし、電流を３〜１０Ａとする。
【００５０】
陽極２０１と陰極３０１との間に電位を印加すると、中間室４００の陽イオン（電解質が塩化ナトリウムの場合にはナトリウムイオン）が陽イオン交換膜３１を備える第２の隔壁３０を通過して陰極室３００に移動する。一方で、中間室４００の陰イオン（電解質が塩化ナトリウムの場合には塩化物イオン）が陰イオン交換膜２１を備える第１の隔壁２０を通過して陽極室２００に移動する。
【００５１】
陽極室２００では、陽極２０１にて塩化物イオンが次式（１）の反応を起こし、塩素が発生する。
２Ｃｌ−→Ｃｌ２＋２ｅ−・・・（１）
この塩素は、さらに、次式（２）に示すように、水を反応して次亜塩素酸が生成される。
Ｃｌ２＋Ｈ２Ｏ→ＨＣｌＯ＋ＨＣｌ・・・（２）
【００５２】
一方で、陰極室３００では、陰極３０１にて次式（３）の反応が起こる。
Ｈ２Ｏ＋２ｅ−→１／２Ｈ２＋ＯＨ−・・・（３）
この電気分解において、中間室４００の上下に設けられている連通孔５００から陽極室２００及び陰極室３００で生成される電解水が双方向に移動させることが可能であることから、例えば、陽極室２００で生成された酸性の電解水を陰極室３００に移動させることで陰極３０１にスケールが付着することを防止することができる。
【００５３】
また、この電気分解において第１の吐出バルブ２０４と第２の吐出バルブ３０４とを調整し、陽極室２００及び陰極室３００からの吐出される電解水の量を制御することができる。
【００５４】
第１の吐出口２０３から吐出された電解生成水と、第２の吐出口３０３から吐出された電解水とを混合することで、弱アルカリ性、中性または弱酸性の次亜塩素酸を含む電解生成水が生成される。
【００５５】
なお、第１の吐出バルブ２０４または第２の吐出バルブ３０４の一方を完全に閉め、第１の吐出口２０３または第２の吐出口３０３のいずれかのみから吐出してもよい。この場合には、陽極室２００または陰極室３００の内部で混合水が生成されることになる。
【００５６】
一般的に陰極室２００の陰極３０１には、中間室４００から供給された陽イオンがスケールとして付着する。しかし、第１の実施形態の電解装置１００によれば、陽極室２００で生成された酸性の電解水を陰極室３００に誘導混合させることで、陰極３０１にスケールが付着しない。このように陰極３０１にスケールがつかないことで、陰極３０１に付着したスケールを除去する工程が不要または減らすことができるため、連続運転が可能になる。
【００５７】
また、陰極３０１をシート体９０で覆うことで、電解される水を陰極３０１の付近に滞留することとなる。このため、陰極３０１の付近に滞留する水に対するチャージ量が増すことになる。水に対するチャージ量が増した分だけ、陽イオンに基づくスケールが付着することがさらに減ることになる。その結果、連続運転をよりし易くなると共に、陰極３０１を逆洗浄が不要になるか又は頻度を減らすことができるため、産業的な用途においてより有利な電解装置を実現することができる。併せて、陰極３０１にスケールが成長してイオン交換膜５４を破損するのを防ぐことができるため、イオン交換膜を保護する役割も果たすことができる。なお、陽極２０１も陰極３０１と同様にシート体で覆ってもよい。
【００５８】
また、第２の吐出バルブ３０４のみを開き、陰極室３００の第２の吐出口３０３のみから電解水を吐出することで、陽極室２００で生成された酸性の電解水が陰極室３００側に流れ、高濃度の次亜塩素酸を含有したアルカリ性の電解水を生成することが可能になる。さらに、一層陰極３０１にはスケールの付着は起こらなくなる。
【００５９】
また、第１の実施形態に係る電解装置１００では、陽極室２００で生成された電解水と陰極室３００で生成された電解水とを混合することで、弱アルカリ性、中性または弱酸性を示す混合水を生成することができる。さらに、従来では、陽極室２００または陰極室３００の一方で生成された電解水を使用し、他方の電解水は廃棄していたが、双方の電解生成水を使用することができるため、水資源を有効に使用することができる。
【００６０】
陽極室２００側への分配量が低いと、陽極室２００で生成した電解水と陰極室３００で生成した電解水とを混合した場合には、次亜塩素酸の濃度が大きく低下すると思われる。しかし、第１の実施の形態に係る電解装置１００により得られた電解水は、次亜塩素酸の濃度（有効塩素濃度）が大きく低下しない。したがって、本実施の形態によれば、得られる電解生成水が高濃度の次亜塩素酸を含有するため、殺菌力が低下しない。
【００６１】
なお、次亜塩素酸は陽極側で生成された酸性の電解水中に含まれるものであることが一般的に知られているが、ｐＨ値が微酸性、中性もしくは微アルカリ性に調整された次亜塩素酸水を製造しようとする場合は、工業的に製造された次亜塩素酸ナトリウム（ソーダ）に塩酸を加えてｐＨ値を調整するか、または前記文献１により生成された塩化ナトリウムを含む酸性電解生成水とアルカリ性電解生成水とを適当量混合して製造することが考えられるが、いずれの場合も有効塩素濃度をあまり変化させずにｐＨ値を単独に調整することは行われていない。
【００６２】
そこで、第１の実施の形態では、陽極室２００に供給される水の量と陰極室３００に供給される水の量との大小関係、および、第１の吐出バルブ２０４と第２の吐出バルブ３０４との開閉量（絞り量）の大小関係を組み合わせることで、表１に示すように弱酸性から弱アルカリ性の範囲で様々なｐＨ調整が可能となる。
【００６３】
【表１】
【００６４】
なお、第１の吐出バルブ２０４と第２の吐出バルブ３０４とを同じ程度開放することで、陽極室２００で生成された電解水と陰極室３００で生成された電解水との混合比率は下がることになるため、混合比率は特に第１および第２の吐出バルブ２０４，３０４で調整することができる。
【００６５】
従来は、どちらか一方を使用している時は一方を廃棄していたが、この製法により大切な水資源を無駄に捨てないで済むようになった。
【００６６】
中性付近電解生成水の生成により排水基準などの適合も未処理で実現するため、環境汚染など環境に負荷を与えないという利点がある。
【００６７】
電解次亜塩素酸は有機物と接触する事で簡単に中和する特長も持ち合わせている。
【００６８】
陽極室と陰極室とが連通していない状態で電解を行った場合に、陰極室から吐出される電解水は、沈殿物（炭酸カルシウム）を含んでしまう。しかし、第１の実施形態に係る電解装置１００は、陽極室２００と陰極室３００とが連通した状態で電解を行うことで、陰極室３００から吐出された電解水は陽極室２００から陰極室３００に流入した電解水も含むため、その沈殿物が生じない。これにより、たとえば次の効果が奏される。
【００６９】
陰極室３００から吐出された電解水をタンクに貯めて、必要に応じて使用する場合が考えられる。この場合に、電解水に沈殿物が含まれていると、タンクの内壁に沈殿物が付着し、頻繁に洗浄をする必要がある。また、取水口に沈殿物が貯まり通水ができなくなり、故障の要因となる場合がある。しかし、沈殿物が含まない電解生成水であると、タンクの内壁に沈殿物が付着せず洗浄回数を減らすことができ、取水口に沈殿物が貯まらないため通水を確実に確保することができる。
【００７０】
＜第２の実施形態＞
図１０は、第２の実施形態に係る電解水の製造装置の構成を示した図である。
図示するように、第２の実施形態に係る電解装置１００では、陽極室２００と陰極室３００とを連通孔５００で連通させる代わりに、別途連通路５０１を設けて連通させてもよい。連通路５０１の設置によって陽極室２００と陰極室３００との間を行き来する水の量を把握し易いという利点がある。そして、この連通路５０１に開閉量調整バルブ５０２を設けることで陽極室２００と陰極室３００との間を行き来する水の量を容易に調整することができる。
【００７１】
＜第３の実施形態＞
図１１は、第３の実施形態に係る電解水の製造装置の構成を示した図である。
図示するように、第３の実施形態に係る電解装置１００は、陽極室２００に対して電解原水を供給するか否かを決める第１の開閉バルブ２０２ａを設けている。通常の電解装置であれば、陽極室及び陰極室の双方に電解原水を供給しなければ電解することはできない。しかし、第３の実施形態の電解装置１０によれば、陽極室２００と陰極室３００とは、連通孔５００によって連通しているため、この第１の開閉バルブ２０２ａを閉じても、陽極室２００には、陰極室３００を通じて電解原水が供給されることになり、通常の電解装置ではできない手法の電解が可能となる。これにより、第１の開閉バルブ２０２ａを閉じ、陽極室２００側のみから電解水を吐出した場合には、強い酸性を有する電解水を生成することができる。
【００７２】
また、同様に、陰極３００に対して電解原水を供給するか否かを決める第２の開閉バルブ３０２ａを設けてもよい。第２の開閉バルブ３０２ａを閉じても、第１の開閉バルブ２０２ａが空いていれば、陰極室３００には、陽極室２００を通じて電解原水が供給されることにより、通常の電解装置ではできない手法での電解が可能となる。例えば、第２の開閉バルブ３０２ａを閉じ、陰極室３００側のみから電解水を吐出した場合には、強いアルカリ性を有する電解水を生成することができる。
【符号の説明】
【００７３】
２０ 第１の膜保持構造物
２１ 陰イオン交換膜
２２ 固定板
２２ａ、２３ａ、３２ａ 孔
２３ｂ、３２ｂ 凸条
２３、３２ スペーサ
３０ 第２の膜構造物
３１ 陽イオン交換膜
１００ 電解装置
２００ 陽極室
２００ａ、３００ａ 凸部
２０１ 陽極
２０２ 給水口
２０２ａ 第１の開閉バルブ
２０３ 吐出口
２０４ 第１の吐出バルブ
３００ 陰極室
３０１ 陰極
３０２ 給水口
３０２ａ 第２の開閉バルブ
３０３ 吐出口
３０４ 第２の吐出バルブ
４００ 中間室
４０１ 供給タンク
４０２ パイプ
５００ 連通孔
５０１ 連通路
５０２ 開閉量調整御バルブ
６００ 電源
７００ 分配割合調整バルブ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解水の製造装置に利用するイオン交換膜を保持する膜保持構造物であって、
前記イオン交換膜の一方の面に設けられ該イオン交換膜を保持する第１の保持部材と、
前記イオン交換膜の他方の面に設けられ該イオン交換膜を保持する第２の保持部材とからなり、
前記第１の保持部材と前記第２の保持部材によって前記イオン交換膜を密着挟持して保持することを特徴とする膜保持構造物。
【請求項２】
電解水の製造装置に利用するイオン交換膜を保持する膜保持構造物であって、
前記イオン交換膜の一方の面に該イオン交換膜を保持する保持部材を設けたことを特徴とする膜保持構造物。
【請求項３】
前記第１の保持部材は板状の部材であって、表面に複数の孔が設けられていることを特徴とする請求項１記載の膜保持構造物。
【請求項４】
前記第２の保持部材は板状の部材であって、一方の面に複数の凸条が設けられ、隣り合う該凸条の間に複数の孔が設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の膜保持構造物。
【請求項５】
電解水の製造装置に利用する電極であって、
複数の平板電極が間隔を空けて整列して構成されていることを特徴とする電極。
【請求項６】
前記電極は、複数の平板電極から構成されており、
前記複数の平板電極は間隔を空け、横に並列に配列させ、該複数の平板電極の両端が固定されていることを特徴とする請求項５記載の電極。
【請求項７】
前記電極は、複数の平板電極から構成されており、
前記複数の平板電極は間隔を空け、縦に並列に配列させ、該平板電極はそれぞれの一部で連結一体化されていることを特徴とする請求項５記載の電極。
【請求項８】
請求項１から４のいずれかに記載の膜保持構造物と、
請求項５から７のいずれかに記載の電極と、
を用いたことを特徴とする電解水の製造装置。
【請求項９】
前記陽極室と前記陰極室とを連通させる連通路を有することを特徴とする請求項８記載の電解水の製造装置。
【請求項１０】
請求項１から４のいずれかに記載の膜保持構造物と、請求項５から７のいずれかに記載の電極とを用いた陽極室と陰極室並びに中間室から構成される三室型電解槽で構成される電解水の製造装置を利用した電解水の製造方法であって、
前記陽極室及び前記陰極室に電解原水を通過させ、
前記陽極室及び前記陰極室で電解原水を電気分解すると共に、前記中間室から電解イオン物質を前記陽極室及び前記陰極室に供給し、
前記陽極室及び前記陰極室で電解水を生成し、
生成された前記電解水を前記陽極室又は前記陰極室で混合させ、ｐＨ調整された電解水を得ることを特徴とする電解水の製造方法。
【請求項１】
電解水の製造装置に利用するイオン交換膜を保持する膜保持構造物であって、
前記イオン交換膜の一方の面に設けられ該イオン交換膜を保持する第１の保持部材と、
前記イオン交換膜の他方の面に設けられ該イオン交換膜を保持する第２の保持部材とからなり、
前記第１の保持部材と前記第２の保持部材によって前記イオン交換膜を密着挟持して保持することを特徴とする膜保持構造物。
【請求項２】
電解水の製造装置に利用するイオン交換膜を保持する膜保持構造物であって、
前記イオン交換膜の一方の面に該イオン交換膜を保持する保持部材を設けたことを特徴とする膜保持構造物。
【請求項３】
前記第１の保持部材は板状の部材であって、表面に複数の孔が設けられていることを特徴とする請求項１記載の膜保持構造物。
【請求項４】
前記第２の保持部材は板状の部材であって、一方の面に複数の凸条が設けられ、隣り合う該凸条の間に複数の孔が設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の膜保持構造物。
【請求項５】
電解水の製造装置に利用する電極であって、
複数の平板電極が間隔を空けて整列して構成されていることを特徴とする電極。
【請求項６】
前記電極は、複数の平板電極から構成されており、
前記複数の平板電極は間隔を空け、横に並列に配列させ、該複数の平板電極の両端が固定されていることを特徴とする請求項５記載の電極。
【請求項７】
前記電極は、複数の平板電極から構成されており、
前記複数の平板電極は間隔を空け、縦に並列に配列させ、該平板電極はそれぞれの一部で連結一体化されていることを特徴とする請求項５記載の電極。
【請求項８】
請求項１から４のいずれかに記載の膜保持構造物と、
請求項５から７のいずれかに記載の電極と、
を用いたことを特徴とする電解水の製造装置。
【請求項９】
前記陽極室と前記陰極室とを連通させる連通路を有することを特徴とする請求項８記載の電解水の製造装置。
【請求項１０】
請求項１から４のいずれかに記載の膜保持構造物と、請求項５から７のいずれかに記載の電極とを用いた陽極室と陰極室並びに中間室から構成される三室型電解槽で構成される電解水の製造装置を利用した電解水の製造方法であって、
前記陽極室及び前記陰極室に電解原水を通過させ、
前記陽極室及び前記陰極室で電解原水を電気分解すると共に、前記中間室から電解イオン物質を前記陽極室及び前記陰極室に供給し、
前記陽極室及び前記陰極室で電解水を生成し、
生成された前記電解水を前記陽極室又は前記陰極室で混合させ、ｐＨ調整された電解水を得ることを特徴とする電解水の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−１１０８０９（Ｐ２０１２−１１０８０９Ａ）
【公開日】平成２４年６月１４日（２０１２．６．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２６０４６２（Ｐ２０１０−２６０４６２）
【出願日】平成２２年１１月２２日（２０１０．１１．２２）
【出願人】（５００１１１８０６）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月１４日（２０１２．６．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月２２日（２０１０．１１．２２）
【出願人】（５００１１１８０６）
【Ｆターム（参考）】
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