电解装置和电解水生成方法与流程

这里叙述的实施方式涉及电解装置和电解水生成方法。

(关联申请的引用)

本申请以2014年9月22日申请的在先日本专利申请第2014-192939号为基础，要求其优先权的利益，同时，该日本专利申请的全部内容通过引用而包含在本申请中。

背景技术：

以往，作为生成碱离子水、臭氧水或次氯酸水等的装置，一直使用具有3室型的电解槽的电解水生成装置。3室型的电解槽中，由阳离子交换膜和阴离子交换膜所构成的隔膜将箱体内划分成阳极室、中间室和阴极室这3室。在阳极室和阴极室中分别配置有阳极和阴极。

在上述的电解水生成装置中，例如，使盐水流到中间室，并使水流到左右的阴极室和阳极室，从而使中间室的盐水在阴极和阳极电解，这样在阳极室由产生的氯气生成次氯酸水，同时在阴极室生成氢氧化钠水。生成的次氯酸水作为杀菌消毒水而被利用、氢氧化钠水作为洗涤水而被利用。有关上述技术的文献如下所示，全部内容通过引用而包含于此。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第3500173号公报

技术实现要素：

发明要解决的问题

可是，划分中间室和阳极室的阴离子交换膜对于阳极产生的氯气和酸碱缺乏耐久性。另外，对于上述的3室型的电解槽，由于对电解槽供给水和电解质液时产生的阳极室和/或阴极室与中间室的水压差等，电极与离子交换膜之间会产生间隙，电解特性有可能变动。

本实施方式要解决的课题是提供可实现耐久性或电解效率的提高的电解装置或电解水生成方法。

解决问题的手段

根据实施方式，电解装置具备：电解槽，所述电解槽具有：划分成流过电解质液的中间室和阳极室的第1隔膜、划分成所述中间室和阴极室的第2隔膜、与所述第1隔膜相对地设置于所述阳极室的阳极、和与所述第2隔膜相对地设置于所述阴极室的阴极；水供给部，所述水供给部向所述阳极室和所述阴极室供给水的同时，间歇地改变对所述阳极室和所述阴极室的至少一者的水的供给排出量；电解质液供给部，其对所述中间室供给和排出电解质液；和控制部，其在所述阳极室和所述阴极室的至少一者的所述水的供给排出量变小或静水的状态下，通过对所述阳极和所述阴极施加电压而电解所述电解质液。

附图说明

图1是第1实施方式的电解装置的概略构成图。

图2是第2实施方式的电解装置的概略构成图。

图3是第3实施方式的电解装置的概略构成图。

图4是第4实施方式的电解装置的概略构成图。

具体实施方式

以下，参照附图对各种实施方式进行说明。此外，对实施方式共通的构成标注相同的符号，并省略重复的说明。另外，各图是为了促进实施方式和其理解的示意图，其形状和尺寸、比例等有与实际的装置不同的地方，但这些可以参考以下的说明和公知的技术来适当地设计变更。此外，本申请中，“静水”未必一定要求是流体完全静止的状态。静水也可以是指流体的运动平稳，达到了不希望透过的离子物质在规定的时间内仅一点点透过无离子选择性的多孔质膜的程度，或者，也可以是指流体的压力充分小。

(第1实施方式)

图1是概略地表示第1实施方式的电解装置1整体的构成的图。如图1所示，电解装置1具有3室型的电解槽10。该电解槽10例如具有大致矩形箱状的箱体。箱体内被第1隔膜17a和第2隔膜17b隔开成中间室18a、和位于中间室18a的两侧的阳极室18b和阴极室18c。本实施方式中，第1隔膜17a和第2隔膜17b由相同规格的多孔质膜分别构成。在阳极室18b内，接近第1隔膜17a地设置了阳极15a，在阴极室18c内，接近第2隔膜17b地设置了阴极15b。

中间室18a具有流入电解质液的第1流入口14a和将中间室18a内流动的电解质液排出的第1流出口14b。阳极室18b具有流入电解水的第2流入口12a和将阳极室18b内流动的电解水排出的第2流出口12b。阴极室18c具有流入电解水的第3流入口16a和将阴极室18c内流动的电解水排出的第3流出口16b。在第1实施方式中，阳极室18b和阴极室18c的容量是双方均为500cc。一般地，阳极室18b和阴极室18c的容量如果为200cc以上，则下面进行说明的间歇动作的周期不会变短，控制容易。

构成第1隔膜17a和第2隔膜17b的多孔质膜可以选择基本上没有离子选择透过性，但对氯气有耐性的材料例如氧化物陶瓷、PVDF(polyvinylidenedifluoride，聚偏氟乙烯)树脂、PTFE(polytetrafluoroethylene，聚四氟乙烯)树脂。不过，将多孔质膜作为电解槽的隔膜使用时，必须能够透过电解质。多孔质膜由于没有离子选择性，结果，有透水性的多孔质膜的选择是不可缺的。多孔质膜可以使用透水性例如为10ml/分/cm²/MPa的多孔质膜。

另一方面，当使用没有离子选择性但有透水性的多孔质膜时，由于隔膜的两侧的水压差，多余的物质、例如对阳极室18b来说不需要的阳离子也会透过。因此，向中间室18a供给食盐水时，由于水压差，不需要的盐分有可能混入到阳极室18b或阴极室18c内。

如果使用上述的具有透水性的多孔质膜，则通过将中间室18a相对于阳极室18b和阴极室18c的相对水压设定为2kPa以下，在阳极室18b和阴极室18c中生成的碱性水和酸性水中的盐分的混入就变为300ppm以下，能够满足自来水基准。进而，如果使用透水性为0.1～10ml/分/cm²/MPa的范围内、孔径为2～100nm的范围内的多孔质膜，则上述相对水压即使在1～10kPa的范围内，也能够防止盐分混入。作为具有上述的透水性和孔径的多孔质膜，优选使用例如超滤膜。

本实施方式的电解装置1如下面说明的，能够在使中间室18a内的食盐水和阳极室18b和阴极室18c内的水为静水的状态下进行电解。换言之，能够在上述相对水压为0kPa的状态、或充分小的压力下进行电解，此时，即使使用透水性为0.1～100ml/分/cm²/MPa的范围内、孔径为2～1000nm的范围内的多孔质膜，也能够防止盐分混入。另外，透水性超过100mL/分/cm²/MPa的多孔质膜即使消除水压差，也会因扩散而混入不需要的盐分。透水性为0.1mL/分/cm²/MPa以下的多孔质膜不能让电解所需要的电解质充分透过，无法进行所期望的电解。

电解装置1除了具有电解槽10以外，还具有：向电解槽10的中间室18a供给电解质液、例如饱和食盐水的电解质液供给部20、向阳极室18b和阴极室18c供给电解水、例如水的水供给部80、和对阳极15a和阴极15b分别施加正电压和负电压的电源40。

电解质液供给部20具有：生成和收容饱和食盐水的盐水罐(电解质液罐)70、从盐水罐70通过第1流入口14a向中间室18a导入饱和食盐水的供给配管20a、设置于供给配管20a中的送液泵50、和使流过中间室18a的食盐水从第1流出口14b再次循环至盐水罐70的排出配管20b。如图1所示，第1实施方式的电解装置1是作为电解质液的食盐水通过送液泵50在中间室18a与盐水罐70之间循环的方案。

设置于给水配管80a上的后述的电磁阀100和送液泵50与控制部500连接，由该控制部50来控制动作。送液泵50与电磁阀100联动，分别每隔5秒进行一次工作和停止。即，送液泵50以10秒为1个周期来反复进行工作和停止。送液泵50工作时的中间室18a的水压为5～15kPa左右，送液泵50停止时的中间室18a的水压为0kPa或无限小的水压。此外，中间室18a内的食盐水在送液泵50停止的同时，迅速成为静水状态。

送液泵50的送水压力和电磁阀100的开闭时间也可以根据电解槽10的容量来决定。可是，当电解质液使用饱和食盐水时，由于消耗的电解质与流水量相比是极其微量的，所以送液泵50的工作未必一定要与电磁阀100的打开时间一致。例如，也可以将送液泵50的工作时间设定为2秒，将停止时间设定为8秒，也可以以相隔2～10个周期、即相隔20～100秒电磁阀100打开1次的时候使送液泵50工作的方式，减少工作频率使送液泵50工作。

本实施方式是通过送液泵50的工作和停止来切换送水和静水的方式，但实施方式的本质是通过间歇地改变流水量来控制水压。因此，电解装置1不一定仅仅要通过送液泵50的工作和停止来控制。例如，也可以使用变换器电路来改变送液泵50的送水量，间歇地设置增加送水量的时间和减少送水量的时间。即，实施方式的电解装置1只要能间歇地切换适当的水压控制即可。

水供给部80具有：供给水的未图示的给水源、从给水源向阳极室18b和阴极室18c的下部导入水的给水配管80a、设置于给水配管80a中的电磁阀100、将流过阳极室18b的水从阳极室18b的第2流出口12b排出的第1排水配管80b、将流过阴极室18c的水从阴极室18c的第3流出口16b排出的第2排水配管80c、和设置于第1排水配管80b和第2排水配管80c中的止回阀400b和400c。

给水配管80a在电磁阀100的前面分支成2支，分支的配管的一端与设置于阳极室18b上的第2流入口12a连接，另一端与设置于阴极室18c上的第3流入口16a连接。

由于设置于第1排水配管80b和第2排水配管80c上的止回阀400b、400c的存在，生成的酸性水和碱性水在阳极室18b和阴极室18c的水压高于规定值时被排出，但不会从下游侧逆流到阳极室18b和阴极室18c侧。因此，可以控制电解时发生的气体所造成的配管系统的内压上升、以及控制生成的酸性水和碱性水的逆流。另外，止回阀400b和400c还可以防止来自外部的虫和空气的混入。

当供给源的水压用调节器等调整为标准水压0.2MPa时，给水配管80a、第1排水配管80b和第2排水配管80c的标准流量设定成1L/5秒。此时，以阳极室18b和阴极室18c的水压变为20～30kPa的方式构成了流路和配管。

另外，电磁阀100与送液泵50联动，重复5秒打开5秒关闭的动作。其结果是，在电磁阀100打开期间，阳极室18b和阴极室18c内的水用5秒被挤出1L，各500cc容量的阳极室18b和阴极室18c内的水完全更换。

因此，阳极室18b和阴极室18c的水压在电磁阀100关闭时为0kPa、或无限小的水压，电磁阀100打开时为20～30kPa。另一方面，中间室18a的水压在送液泵50停止时为0kPa或无限小的水压，在送液泵50工作时，为5～15kPa。因此，在送液泵50工作的时候电磁阀100必须是打开的，阳极室18b和阴极室18c的水压变得比中间室18a的水压高，盐分不会从中间室18a通过多孔质膜而混入到阳极室18b和/或阴极室18c内。

此外，以上的说明中，通过电磁阀100的开闭，向阳极室18b和阴极室18c供给排出的水间歇地重复送水和静水。可是，本实施方式的电解装置间歇地控制流水压力是更重要的。流水压力的控制也可以通过减少对阳极室18b、阴极室19c和中间室18a的供给水量来实现。例如，也可以在给水配管80a上设置送水泵，通过变换器控制来控制送水泵的送水量，电解时减小送水量而使水压为规定值以下。换言之，也可以在对阳极室18b和阴极室18c的水的供给排出量变小的状态下，对阳极15a和阴极15c施加电压来电解电解质液。

以下，对使用上述构成的电解装置1来实际地电解食盐水而生成酸性水(次氯酸和盐酸)和碱性水(氢氧化钠)的动作进行说明。此外，在第1实施方式中，送液泵50、电源40和电磁阀100由控制部500控制，液的给水排出、阀的开闭、电压的施加设定为适当地同步。

首先，用调节器等将给水源的水压设定为标准水压0.2MPa，打开电磁阀100时，例如以送水量达到24L/分的方式预先进行压力调整。然后，使送液泵50的工作/停止和电磁阀100的开/闭同步进行，向电解槽10的中间室18a供给饱和食盐水的同时，向阳极室18b和阴极室18c供给水。送液泵50的工作时间和电磁阀100的开口时间分别设定为5秒。然后，同时进行送液泵50的停止和电磁阀100的关闭5秒。即，使送液泵50的工作停止和电磁阀100的开闭分别同步进行，同时以10秒为1个周期来重复实施。送液泵50的工作停止和电磁阀的开闭周期可以根据与阳极室18b、阴极室18c和中间室18a的容量和/或给水源的水压等的平衡来适时调整。

一般地，阳极室18b和阴极室18c的容量如果为200cc以上，则上述间歇动作的周期变长，控制容易。另外，间歇动作的周期如果变长，则装置负担减轻，送液泵的寿命延长。此外，打开电磁阀100送水的水量设定为阳极室18a的容量和阴极室18a的容量之和的2倍即2000cc左右。换言之，过量地送入各室的容量的2倍左右的量的水来更换成新的水。

在送液泵50停止，电磁阀100关闭期间，中间室18a和阳极室18b及阴极室18c内的食盐水和水成为静水，各室的水压达到0kPa或充分小的水压。这期间，对阳极15a和阴极15b施加电压，进行电解。第1送液泵50的停止和关闭电磁阀100和对阳极15a和阴极15b施加电压都由控制部500来同步进行。按照上述的设定，平均的话，阳极室18b和阴极室18c分别生成6L/分的酸性水和碱性水。

如上所述，送液泵50的送水压约为5～15kPa，给水源的送水压约为20～30kPa。因此，即使使用有透水性的多孔质膜17a、17b，将食盐水和水供给到电解槽10时，阳极室18b和阴极室18c的水压也变得比中间室18a的水压高，盐分不会从中间室18a混入到阳极室18b和/或阴极室18c内。另外，食盐水和水为静水状态时，也由于各室没有水压差，所以盐分不会从中间室18a混入到阳极室18b和/或阴极室18c内。

在对阳极15a和阴极15b施加电压、进行电解期间，流入到中间室18a内的食盐水中，电离的钠离子被阴极15b吸引，通过第2隔膜17b而向阴极室18c流入。然后，在阴极室18c内，水分解而产生氢气，生成氢氧化钠水溶液。同时，氯离子或水也能够通过有透水性的第2隔膜17b，但由于电解时各室的水压为0，所以氯离子的通过量要抑制为自来水基准以下的微量。如上所述地生成的氢氧化钠水溶液和氢气从阴极室18c的第3流出口16b通过第2排出配管80c而排出。

另外，中间室18a内的食盐水中电离的氯离子被阳极15a吸引，通过多孔质膜17a而向阳极室18b流入。然后，在阳极15a产生氯气，氯气在阳极室18b内与水反应而产生次氯酸和盐酸。同时，钠离子或水也能够通过有透水性的多孔质膜17a，但由于电解时各室的水压为0，所以钠离子的通过量要抑制为自来水基准以下的微量。如上所述地生成的酸性水(次氯酸和盐酸)从阳极室18b的第2流出口12b通过第1排出配管80b而流出。

以后，重复上面叙述的处理。以上是使用第1实施方式的电解装置1时的一连串的电解水生成动作的说明。

如上所述，第1实施方式的电解装置1不仅在食盐水和水分别为静水状态时，而且在食盐水和水分别为送水时，阳极室18b和阴极室18c的水压也变得比中间室18a的水压高，可以防止盐分从中间室18a混入到阳极室18b和阴极室18c内。

根据采用了上述构成的本发明的第1实施方式，具有3室型电解槽的电解装置1使用高耐性并有透水性的多孔质膜作为第1隔膜和第2隔膜的同时，电解时使各室的水流为静水而消除水压差，并且，送水时中间室比其它室的压力低，从而能够防止盐分混入到阳极室和阴极室内，并且不易因氯气等而损伤隔膜，能够实施稳定的电解。

(第2实施方式)

图2是第2实施方式的电解装置1的概略构成图。在第2实施方式的电解装置1中，在第1排水配管80b和第2排水配管80c上进一步设置了容量为2L的阳极辅助室90b和阴极辅助室90c。在第2实施方式中，电解装置1的其它构成与第1实施方式的电解装置1相同。

如上所述，如果设置阳极辅助室90b和阴极辅助室90c，则即使减小阳极室18b和阴极室18c的容量而小型化，也能够增加一次供给的水的量，可以将电磁阀100的开闭等间歇动作的周期延长至例如30秒(例如，将电磁阀100打开6秒而关闭24秒)。即，第2实施方式的电解装置1可以减轻装置负担。电磁阀100的开闭周期不限于上述30秒，也可以是20秒、40秒、50秒或60秒。另外，打开与关闭电磁阀100的时间之比不限于上述1:4，可以适当变更。例如，通过加粗给水配管80a和第1排水配管80b和第2排水配管80c的直径，也能够缩短打开电磁阀100的时间。

间歇送水动作在更换电解槽10的水时，如果不供给比电解槽10的容量更多的水，则不能顺利地更换。因此，将为了更换电解质液而预估比电解槽10的容量过量送水的量，电解产物会比目标浓度变大来生成碱性水和酸性水。另一方面，在阳极室18b生成的次氯酸水如果浓度变得过高，则酸度增加，次氯酸的一部分变成氯气而使次氯酸的生成效率下降。

第2实施方式中，在电解槽10以外，在排水配管中设置了辅助室，并为与电解槽10连通的状态。因此，阳极室18b(阴极室18c)和阳极辅助室90b(阴极辅助室90b)的总容量变大，可以减少送水时的过量的水，同时次氯酸水不易变成高浓度。

采用了上述构成的第2实施方式的电解装置1由于间歇动作的周期较长，所以装置负担减轻，并且阳极室18b的电解生成效率被维持在高的水平。

根据第2实施方式，与第1实施方式同样，具有3室型电解槽的电解装置1可以防止盐分混入到阳极室和阴极室内，并且不易因氯气等而损伤隔膜，能够实施稳定的电解。

(第3实施方式)

图3是第3实施方式的电解装置1的概略构成图。根据第3实施方式的电解装置1，作为电解槽10的第1隔膜和第2隔膜，使用防水性的离子交换膜13a和13b，划分了电解槽10内的空间。另外，不是使送液泵50间歇动作，而使其常时动作。即，饱和食盐水常时流入中间室18a。在第3实施方式中，电解装置1的其它构成与第1实施方式的电解装置1相同。

第3实施方式的电解装置1中，中间室18a常时被施加10kPa的水压，另一方面，通过电磁阀100间歇地对阳极室18b和阴极室18c供给水，电解在阳极室18b和阴极室18c内的水为静水状态并且水压为0kPa时进行。因此，电解时处于中间室18a的水压高于阳极室18b和阴极室18c的状态，离子交换膜因为水压而与电极密着。因此，碱性水和酸性水的生成效率和水质稳定性提高。

一般地，廉价的泵的送水压力低至10kPa左右，在阳极室18b和阴极室18c内流水的状态下中间室18a侧的水压会变低。可是，如果是图3的实施方式，则电解时由于阳极室18b和阴极室18c内无流水压力，所以能够在中间室18a比阳极室18b和阴极室18c的压力高的优选的状态下进行电解。

根据第3实施方式，与第1实施方式同样，具有3室型电解槽的电解装置1可以防止盐分混入到阳极室和阴极室内，能够实施稳定的电解。

(第4实施方式)

图4是第4实施方式的电解装置1的概略构成图。在第4实施方式的电解装置1中，在与阳极室18b的第2流入口12a连接的给水配管80a上设置有电磁阀100，仅阳极室18b被间歇地供给水。第4实施方式中，阴极室18c设定成以规定的流量常时流水的构成。此时，尽管阴极室18c与中间室18a之间产生水压差，但阳极室18b与中间室18a之间不产生水压差。因此，能够防止盐分混入到阳极室18b内。另外，作为第1隔膜，如果利用对氯气有耐性的多孔质膜17a，则能够进行稳定的电解。另外，考虑到有效利用氢氧化钠水，划分阴极室18c和中间室18a的第2隔膜使用即使有水压差但没有透水性、不会混入盐分的阳离子交换膜13b。此时，使用的隔膜的种类根据阳极室18b和阴极室18c的情况而不同，所以供给电解的食盐水的pH容易变动。因此，食盐水在基本上静水状态下供给至电解，在食盐水的消耗达到极限时更换食盐水(例如，30分钟1次使第1送液泵50工作)并废弃。因此，在供给配管20a上设置了止回阀400，以避免水质变动的食盐水从中间室18a逆拡散。在第4实施方式中，电解装置1的其它构成与第1实施方式的电解装置1相同。

根据第4实施方式，与第1实施方式同样，具有3室型电解槽的电解装置1可以防止盐分混入到阳极室18b和阴极室18c内，能够实施稳定的电解。

本发明不限于上述实施方式，在实施阶段，可以在不超出其要旨的范围内变更构成要素并具体化。另外，可以通过上述实施方式中公开的多个构成要素的适当组合来形成各种发明。例如，也可以从实施方式所示的全部构成要素中删除几个构成要素。进而，也可以适当组合不同的实施方式的构成要素。

例如，电解质液也可以是食盐水以外的物质，可以根据用途而适时选择。另外，生成的电解水也不限于次氯酸水和氢氧化钠水，可以根据用途而适时选择。

另外，上述的各实施方式中说明的、电磁阀100的开闭时间、供给电解的时间可以根据目的而适当变更。例如，想要使生成的次氯酸的浓度加倍时，可以使施加到阳极15a的电压的值加倍，也可以不改变施加的电压值，而将关闭电磁阀100的时间延长为2倍左右。另外，通过增大送液泵50的送水压力的设定值，也能够缩短打开电磁阀100的时间。