JP7181966B1 - 電解槽及び給水装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素でコンパクトな電解槽等を提供する。【解決手段】電解槽１は、液体が供給される電解室２と、電解室２の外縁２１の少なくとも一部を区画する固体高分子膜３と、電解室２内で固体高分子膜３の第１面３１に接する第１電極４と、電解室２外で固体高分子膜３の第２面３２に接する第２電極５とを含む。【選択図】図１

Description

本発明は、液体を電気分解するための電解槽等に関する。

従来、種々の電解槽が提案されている。例えば、特許文献１には、第１極室と第２極室とが固体高分子膜によって区分されてなる電解槽が開示されている。

特開２０１７－２０９６２５号公報

しかしながら、上記構造の電解槽は、第１極室と第２極室とが電解槽の内部に形成される構造上、電解槽が複雑となり肥大化する。

本発明は、以上のような実状に鑑み案出されたもので、簡素でコンパクトな電解槽等を提供することを主たる目的としている。

本発明の電解槽は、液体を電気分解するための電解槽であって、前記液体が供給される電解室と、前記電解室の外縁の少なくとも一部を区画する固体高分子膜と、前記電解室内で前記固体高分子膜の第１面に接する第１電極と、前記電解室外で前記固体高分子膜の前記第１面とは異なる第２面に接する第２電極とを含む。

本発明に係る前記電解槽において、前記第１電極の少なくとも一部は、前記固体高分子膜を挟んで前記第２電極と対向するように配されている、ことが望ましい。

本発明に係る前記電解槽において、前記第２電極は、前記電解槽の外壁の少なくとも一部を構成する、ことが望ましい。

本発明に係る前記電解槽において、前記第１電極、前記固体高分子膜及び前記第２電極は、少なくとも一部において円筒状に形成された円筒状部を有する、ことが望ましい。

本発明に係る前記電解槽において、前記第１電極、前記固体高分子膜及び前記第２電極には、前記液体を前記第１電極の前記円筒状部の周方向に沿って流れるように供給するための供給口が形成されている、ことが望ましい。

本発明に係る前記電解槽において、前記電解室には、前記液体を前記第１電極の前記円筒状部の周方向に沿って螺旋状に導くためのスロープが設けられている、ことが望ましい。

本発明の給水装置は、前記電解槽を備える。

本発明に係る前記給水装置において、前記電解室に流入する前記液体または前記電解室から流出する前記液体に駆動されて発電し、前記第１電極及び前記第２電極に給電する発電装置をさらに備える、ことが望ましい。

本発明に係る前記給水装置において、前記給水装置は、シャワーヘッドを含む、ことが望ましい。

本発明の前記電解槽は、前記固体高分子膜が前記電解室の前記外縁の少なくとも一部を区画する。前記固体高分子膜の前記第１面は、前記電解室内に面し、前記第１電極と接する。一方、前記固体高分子膜の前記第２面は、前記電解室外に面し、前記第２電極と接する。すなわち、従来の電解槽の前記固体高分子膜は、前記電解室を前記第１電極側の第１室と前記第２電極側の第２室とに区分していたのに対して、本発明の前記固体高分子膜は、前記電解室の前記外縁を区画する。これにより、従来の前記第２室を省くことが可能となり、簡素でコンパクトな前記電解槽が得られる。

本発明の電解槽の概略構成を示す断面図である。 図１の電解槽の変形例を一部破断して示す斜視図である。 図２の電解槽の変形例を示す断面図である。 図３の電解槽の変形例を一部破断して示す斜視図である。 図１の電解槽を備えた給水装置の概略構成を示す断面図である。 図５の給水装置の変形例を示す断面図である。 図６の給水装置の変形例を一部破断して示す斜視図である。

以下、本発明の実施の一形態が図面に基づき説明される。
図１は、本実施形態の電解槽１の概略構成を示している。

電解槽１は、電解室２と、固体高分子膜３と、第１電極４と、第２電極５とを含んでいる。

電解室２の外縁２１は、電解槽１の外壁１１によって区画される。外壁１１は、例えば、合成樹脂等の絶縁体によって構成されている。

電解室２には、電解槽１にて電気分解される液体が供給される。液体には、例えば、水道水、井戸水、地下水等の水を用いることができる。電解補助液等の添加物が添加された水または水以外の液体が供給されてもよい。

固体高分子膜３には、例えば、スルホン酸基を有するフッ素系の樹脂材料が適用される。このような樹脂材料の固体高分子膜３を用いて水を電気分解する場合、電気分解の前後において、液体のｐＨを一定に維持可能である。

固体高分子膜３は、電解室２の外縁２１の少なくとも一部を区画する。すなわち、本実施形態の電解室２の外縁２１は、電解槽１の外壁１１及び固体高分子膜３によって区画されている。

固体高分子膜３は、電解室２内に面する第１面３１と、電解室２外に面する第２面３２とを有している。電解室２に供給された液体は、固体高分子膜３に浸透する。これにより、固体高分子膜３は、第１面３１から第２面３２にわたって、湿潤した状態に維持される。なお、液体の浸透性が不十分な固体高分子膜３が適用される場合であっても、固体高分子膜３の第２面３２は、電解室２外の湿気（空気に含まれる水滴または水蒸気）によって、第２電極５の表面と共に湿潤した状態となりうる。

第１電極４には、その板厚方向で水が行き来可能な構造、例えば、エクスパンドメタル等の網状の金属が適用されうる。本実施形態の第１電極４には、チタニウム製のエクスパンドメタルの表面に白金のめっき層が形成されたものが適用されている。第１電極４には、貫通孔が形成された板状のパンチングメタルが適用されてもよい。

第１電極４は、電解室２内に設けられている。第１電極４は、固体高分子膜３の第１面３１に接するように配されている。

第２電極５には、第１電極４と同様に、その板厚方向で水が行き来可能な構造、例えば、チタニウム製のエクスパンドメタルの表面に白金のめっき層が形成されたものが適用されている。第２電極５には、その板厚方向で水が行き来できない構造の金属板が適用されていてもよい。

第２電極５は、電解室２外に設けられている。第２電極５は、固体高分子膜３の第２面３２に接するように配されている。これにより、電解室２の内圧による固体高分子膜３の膨張が抑制される。

第１電極４及び第２電極５に電気分解のための電解電圧が印加されることにより、第１電極４及び第２電極５には、それぞれ異なる極性が付与される。

本実施形態の電解槽１では、第１電極４は陰極として第２電極５は陽極として機能するように電解電圧が印加される。このような電解槽１を用いて水を電気分解する場合、電解室２内で水素ガスが発生し電解室２で生成された電解水に溶け込む。このような電解水は、「電解水素水」とも称され、飲用はもとより入浴等の様々な分野での応用が期待されている。また、第２電極５では当該電気分解により酸素ガスが発生するが、同電極は電解室２外に設けられているため電解水に溶け込むことなく電解槽１の外部に放出される。すなわち、電解槽１に第２室を設けることなく第２電極５の側で発生したガスを放出することができる。

第１電極４は陽極として、第２電極５は陰極として機能するように電解電圧が印加されてもよい。このような電解槽１を用いて水を電気分解する場合、電解室２内で酸素ガスが発生する。

電解室２内に液体が供給され、同液体によって固体高分子膜３が湿潤した状態で、第１電極４と第２電極５との間に電圧が印加されると、固体高分子膜３を介して第１電極４及び第２電極５に電流が流れ、電解室２で電気分解が生ずる。

従来の電解槽の固体高分子膜は、電解室を第１電極側の第１室と第２電極側の第２室とに区分していたのに対して、本発明の固体高分子膜３は、電解室２の外縁２１を区画する。これにより、従来の第２室を省くことが可能となり、簡素でコンパクトな電解槽１が得られる。

本実施形態の電解槽１では、外壁１１の一部に外壁１１を貫通する窓１２が開口され、窓１２を内側から塞ぐように、固体高分子膜３が配されている。このような固体高分子膜３によって、電解室２の外縁２１の一部が区画される。固体高分子膜３によって、電解室２の外縁２１の一部が区画される。

固体高分子膜３の外縁部は、窓１２の周縁の外側に延出され、外壁１１に隙間なく固着されている。これにより、固体高分子膜３と外壁１１との間からの液漏れが抑制される。窓１２の内部には、第２電極５が配されている。第２電極５は、窓１２を介して電解槽１の外部に露出し、電解槽１の外壁の一部を構成している。電解室２の外縁２１の全体が固体高分子膜３によって区画される構成では、第２電極５が電解槽１の外壁の全体を構成するのが望ましい。

第１電極４は、固体高分子膜３を挟んで第２電極５と対向するように配されている、のが望ましい。本実施形態では、第１電極４の全体が、固体高分子膜３を挟んで第２電極５と対向するように配されている。これにより、電気分解の効率が容易に高められる。第１電極４の一部が、固体高分子膜３を挟んで第２電極５と対向するように配されていてもよい。

第２電極５の外側で窓１２が開口されることにより、電気分解の際に第２電極５の側で発生したガスが電解槽１の外部に排出可能となる。

なお、電解室２の外縁２１の全体が固体高分子膜３によって区画されるように構成されていてもよい。この場合、外壁１１が省かれて、固体高分子膜３の第２面３２の全体に第２電極５が配されるのが望ましい。これにより、外壁１１が省かれるだけでなく、電解室２の外縁２１の全体で電気分解が進行し、電気分解の効率が容易に高められる。

図２は、図１の電解槽１の変形例である電解槽１Ａの斜視図である。電解槽１Ａのうち、以下で説明されてない部分については、上述した電解槽１の構成が採用されうる。

電解槽１Ａにおいて、第１電極４、固体高分子膜３及び第２電極５は、円筒状に形成された円筒状部６を有している。

第１電極４、固体高分子膜３及び第２電極５に円筒状部６が形成されていることにより、第１電極４の内側で円筒状部６の周方向に沿って液体が流れ易くなり、液体のよどみが抑制される。また、周方向に沿って流れる液体は、その遠心力によって第１電極４に押し付けられる。これにより、電気分解に伴い第１電極４の表面で発生した気体は、液体の圧力を受け、早期に第１電極４から引き剥がされる。これにより、微細なバブルを含む電解液が容易に生成される。

本実施形態の円筒状部６は、第１電極４、固体高分子膜３及び第２電極５の全体に形成されている。これにより、微細なバブルを豊富に含む電解液が容易に生成される。なお、円筒状部６は、第１電極４、固体高分子膜３及び第２電極５のうち、少なくとも一部に形成されていればよい。

図２に示されるように、本実施形態の電解槽１Ａでは、外壁１１が円筒状に形成された円筒状部１３を有している。円筒状部１３は、円筒状部６と連続して形成されている。これにより、円筒状部６及び円筒状部１３の周方向に沿って流れる液体の速度が高く維持され、液体に作用する遠心力が大きくなり、微細なバブルを含む電解液がより一層容易に生成される。円筒状部１３は、円筒状部６との連携により、円筒状の電解槽１Ａの全周に亘って形成されている、のが望ましい。これにより、液体の速度がより一層高く維持されるので、微細なバブルを含む電解液がより一層容易に生成される。

図３は、図２の電解槽１Ａの変形例である電解槽１Ｂの斜視図である。電解槽１Ｂのうち、以下で説明されてない部分については、上述した電解槽１Ａの構成が採用されうる。

電解槽１Ｂでは、外壁１１に供給口１４が形成されている。図３中、電解室内に描かれた複数の矢印は、供給口１４から供給される電解室２内での液体の流れを示している。

供給口１４は、第１電極４、固体高分子膜３及び第２電極５には、液体を第１電極４の円筒状部６の周方向に沿って流れるように供給可能に形成されている。例えば、本実施形態の供給口１４は、円筒状部１３の接線方向からのびて、円筒状部１３に開口されている。このような構成により、供給口１４から流入した液体が第１電極４の円筒状部６の周方向に沿って円滑に流れるため、液体の速度が高く維持され、微細なバブルを含む電解液がより一層容易に生成される。なお、供給口１４は、外壁１１の底部に形成されていてもよい。

図４は、図３の電解槽１Ｂの変形例である電解槽１Ｃの斜視図である。電解槽１Ｃのうち、以下で説明されてない部分については、上述した電解槽１Ｂの構成が採用されうる。

電解槽１Ｃでは、電解室２にスロープ７が設けられている。スロープ７は、螺旋状に形成されたいわゆる螺旋スロープである。供給口１４から流入した液体は、スロープ７によって、第１電極４の円筒状部６の周方向に沿って螺旋状に導かれる。スロープ７によって、液体が円滑に流れるため、液体の速度が高く維持され、微細なバブルを含む電解液がより一層容易に生成される。また、スロープ７によって、液体が円筒状部６の軸方向にも円滑に導かれるため、供給口１４からの液体の流入が円滑となる。

上記バブルの微細化の観点から、本実施形態のスロープ７は、円筒状の電解室２の軸方向の全域に亘って形成されているのが望ましい。スロープ７は、第１電極４の円筒状部６の軸方向の両端に亘って形成されていてもよく、第１電極４の円筒状部６の少なくとも一部の領域に形成されていてもよい。

図４に示されるように、電解槽１Ｃでは、スリット状に開口された複数の窓１５が形成されていてもよい。複数の窓１５は、円筒状の外壁１１の軸方向に並ぶように配設されている。各窓１５は、外壁１１を厚さ方向に貫通し、外壁１１の周方向にのびて形成されている。第２電極５は、各窓１５を介して電解槽１の外部に露出している。これにより、すなわち固体高分子膜３の第２面３２及び第２電極５の表面に水分が付着可能となる。

また、各窓１５の間では、外壁１６によって第２電極５の外側の一部が覆われる。なお、第２電極５のうち外壁１６によって覆われた領域も、窓１５から浸入した水滴または水蒸気によって、湿潤可能となる。

図５は、電解槽１を備えた給水装置１００を示している。すでに述べたように、本電解槽1は、簡素でコンパクトな構成を有しているため、給水装置１００に容易に組み込むことができる。給水装置１００では、電解槽１の電解室２が給水経路Ｗの一部を構成する。給水装置１００は、電解室２に流入された原水を電気分解して電解水を生成し、装置外部に供給する。給水装置１００では、電解槽１に替えて、電解槽１Ａないし１Ｃが適用されてもよい。

図６は、図５の給水装置１００の変形例である給水装置１００Ａを示している。給水装置１００Ａのうち、以下で説明されてない部分については、上述した給水装置１００の構成が採用されうる。

給水装置１００Ａは、電解槽１Ａと、電解室２に流入する液体に駆動されて発電する発電装置１１０とを備える。電解槽１Ａに替えて、電解槽１、１Ｂまたは１Ｃが適用されてもよい。発電装置１１０は、電解槽１Ａの上流側に配されている。発電装置１１０は、電解室２から流出した液体に駆動される形態であってもよい。この場合、発電装置１１０は、電解槽１の下流側に配される。

発電装置１１０は、液体に駆動されて回転する回転部１１１と、回転部１１１の回転力を電力に変換する発電部１１２とを含んでいる。回転部１１１には、例えば、回転翼を有するタービンが適用される。発電装置１１０に流入した液体は、回転部１１１のタービンを回転駆動した後、電解室２に流れ込む。回転部１１１は、回転自在に発電部１１２と連結されている。従って、回転部１１１の回転力は、発電部１１２に伝達され、発電の動力源に供される。

本実施形態の発電装置１１０は、第１電極４及び第２電極５によって構成される電極対と直列に接続されている（図示せず）。発電装置１１０は、第１電極４及び第２電極５に給電する。これにより、給水装置１００Ａでは、電極対と発電装置１１０によって構成される電気回路が給水装置１００Ａの内部で完結し、給水装置１００Ａの外部からの給電は不要となる。従って、給水装置１００Ａの構成が簡素化される。

図７は、図６の給水装置１００Ａの変形例である給水装置１００Ｂを示している。給水装置１００Ｂのうち、以下で説明されてない部分については、上述した給水装置１００Ａの構成が採用されうる。

本給水装置１００Ｂは、電解槽１Ｃと発電装置１１０とを備え、シャワーヘッド１２０をさらに含んでいる。電解槽１Ｃに替えて、電解槽１、１Ａまたは１Ｂが適用されてもよい。

シャワーヘッド１２０は、柔軟性を有するシャワーホース１３０の先端側に配されている。発電装置１１０は、シャワーホース１３０とシャワーヘッド１２０との間に設けられている。すなわち、シャワーヘッド１２０は、発電装置１１０の下流に配置されている。

シャワーヘッド１２０は、円筒状の本体部１２１と、本体部１２１の先端部に設けられた吐出部１２２とを有している。電解槽１Ｃは、シャワーヘッド１２０の本体部１２１に設けられている。すなわち、電解槽１Ｃが本体部１２１の一部を構成する。本発明の電解槽１Ｃは、簡素でコンパクトな構成であるので、シャワーヘッド１２０を肥大化させることなく、電解槽１Ｃをシャワーヘッド１２０に組み込むことが可能となる。

本給水装置１００Ｂでは、発電装置１１０の下流に電解槽１Ｃが配されている。このような形態では、シャワーホース１３０の先端部は発電装置１１０に接続される。

発電装置１１０の上流に電解槽１Ｃが配されていてもよい。このような形態では、シャワーホース１３０の先端部は電解槽１Ｃに接続され、発電装置１１０は電解槽１Ｃと本体部１２１との間に設けられることになる。

いずれの形態にあっても、電解槽１の電解室２で生成された電解水は、本体部１２１の内部を通過して、吐出部１２２から吐出される。これにより、電解水のシャワーを気軽に使用することが可能となる。さらに、本給水装置１００Ｂでは、電解槽１Ｃによって微細なバブルを含む電解液が生成されるので、微細なバブルを含む電解液のシャワーを気軽に使用することが可能となる。

また、発電装置１１０によって得られた電力で電解槽１Ｃの電解を賄うことができ、シャワーホース１３０とシャワーヘッド１２０との間で電気回路が完結する。従って、シャワールーム等の壁面等に給電用のケーブルを施工する必要がないため、電解水のシャワーの設備を容易に導入することが可能となる。また、シャワーホース１３０の内部またはシャワーホース１３０に沿って給電用のケーブルを配する必要がないため、断線等によるトラブルが回避される。

なお、発電装置１１０及び電解槽１Ｃは、シャワーホース１３０の基端、例えば、混合水栓に設けられていてもよい。このような形態にあっても、シャワールーム等の壁面等に給電用のケーブルを施工する必要がないため、電解水のシャワーの設備を容易に導入することが可能となる。

図７に示されるように、電解槽１Ｃの外側には、窓１５の一部または全部を覆うカバー部材１７が設けられていてもよい。同図では、カバー部材１７の一部が破断されて描かれている。

本実施形態のカバー部材１７は、電解槽１Ｃに対して矢印Ａに往復移動することにより開閉可能に構成されている。カバー部材１７は、電解槽１Ｃに対して回動することにより開閉可能に構成されていてもよい。カバー部材１７が開放されることにより、電気分解によって生じた酸素ガスが窓１５を介して給水装置１００Ｂの外部に排出される。

通水中の給水装置１００Ｂでは、電解室２内に供給される水によって固体高分子膜３の湿潤状態は維持される。一方、通水が停止された給水装置１００Ｂでは、時間の経過により固体高分子膜３の表面の水分が蒸発し、同膜の湿潤状態が失われる可能性がある。乾燥した固体高分子膜３は収縮する。その後、通水によって、湿潤状態に復帰した固体高分子膜３は、初期状態と比較すると形状が歪となるため、第１電極４及び第２電極５との接触面積が減少し電気分解の効率が低下する可能性がある。

本給水装置１００Ｂでは、カバー部材１７によって窓１５を閉鎖することにより、固体高分子膜３の乾燥が抑制される。これにより、電気分解の効率の低下が抑制される。なお、カバー部材１７は、図１ないし６の電解槽１、１Ａ、１Ｂまたは１Ｃに設けられていてもよい。

以上、本発明の電解槽１等が詳細に説明されたが、本発明は上記の具体的な実施形態に限定されることなく種々の態様に変更して実施される。すなわち、本発明の電解槽１は、液体が供給される電解室２と、電解室２の外縁２１の少なくとも一部を区画する固体高分子膜３と、電解室２内で固体高分子膜３の第１面３１に接する第１電極４と、電解室２外で固体高分子膜３の第２面３２に接する第２電極５とを含んでいればよい。

１ 電解槽
１Ａ 電解槽
１Ｂ 電解槽
１Ｃ 電解槽
２ 電解室
３ 固体高分子膜
４ 第１電極
５ 第２電極
６ 円筒状部
７ スロープ
１１ 外壁
１３ 円筒状部
１４ 供給口
２１ 外縁
３１ 第１面
３２ 第２面
１００ 給水装置
１００Ａ 給水装置
１００Ｂ 給水装置
１１０ 発電装置
１２０ シャワーヘッド

Claims (7)

1. 液体を電気分解するための電解槽であって、
   前記液体が供給される電解室と、
   前記電解室の外縁の少なくとも一部を区画する固体高分子膜と、
   前記電解室内で前記固体高分子膜の前記電解室内に面する第１面に接する第１電極と、
   前記電解室外で前記固体高分子膜の前記第１面とは異なる第２面に接する第２電極とを含み、
   前記第１電極、前記固体高分子膜及び前記第２電極は、少なくとも一部において円筒状に形成された円筒状部の少なくとも一部を構成し、
   前記電解室には、前記液体を前記第１電極の前記円筒状部の少なくとも一部の内側に周方向に沿って螺旋状に導いて前記第１電極の内側表面で発生した気体を前記第１電極から引き剥がすための螺旋スロープが設けられている、
   電解槽。
2. 前記第１電極の少なくとも一部は、前記固体高分子膜を挟んで前記第２電極と対向するように配されている、請求項１に記載の電解槽。
3. 前記第２電極は、前記電解槽の外壁の少なくとも一部を構成する、請求項１または２に記載の電解槽。
4. 前記外壁には、前記液体を前記第１電極の前記円筒状部の少なくとも一部の周方向に沿って流れるように供給するための供給口が形成されている、請求項３に記載の電解槽。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の電解槽を備える、給水装置。
6. 前記電解室に流入する前記液体または前記電解室から流出する前記液体に駆動されて発電し、前記第１電極及び前記第２電極に給電する発電装置をさらに備える、請求項５に記載の給水装置。
7. 前記給水装置は、シャワーヘッドを含む、請求項６に記載の給水装置。

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