膜電極組件和使用膜電極組件的電解水生產(chǎn)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種緊湊的膜電極組件，所述膜電極組件能夠在家中或者在其他任何地方簡(jiǎn)單地生產(chǎn)出包含臭氧、過氧化氫、次氯酸等的電解水，本發(fā)明還涉及一種緊湊或便攜的、使用膜電極組件的電解水生產(chǎn)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]已經(jīng)在2005年的關(guān)于制定用于家用電解水生產(chǎn)裝置的JIS標(biāo)準(zhǔn)的公開文獻(xiàn)中，在由教育部、文化部、體育部、科技部于2009年制定的學(xué)校午餐的衛(wèi)生管理標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)的指南手冊(cè)中，以及在健康部、勞工部和福利部監(jiān)督下于2009年頒布的日本食品衛(wèi)生協(xié)會(huì)所用的指導(dǎo)準(zhǔn)則中描述了電解水的用途。因此，近來的關(guān)注點(diǎn)集中在電解水生產(chǎn)裝置上。
[0003]術(shù)語“電解水”是通過施加直流電壓來電解例如純凈水、自來水、軟水或淡鹽水這樣的原料水而獲得的水溶液的通用名稱，所述水溶液包含電解產(chǎn)物例如臭氧、過氧化氫、次氯酸或其混合物。電解水生產(chǎn)裝置通常具有雙腔室或三腔室結(jié)構(gòu)，在所述雙腔室或三腔室結(jié)構(gòu)中，存在于陽極側(cè)和陰極側(cè)的溶液或氣體相互物理分離開。然而，在一些電解處理中，必須將或者要允許將陽極電解液和陰極電解液混合在一起。在此情況下，所使用的電解水生產(chǎn)裝置也相應(yīng)地具有單腔室結(jié)構(gòu)。
[0004]在電解水生產(chǎn)裝置具有雙腔室或三腔室結(jié)構(gòu)的情況下，在陽極側(cè)獲得“酸性電解水”。酸性電解水的主要成分是臭氧水、過氧化氫水和次氯酸水。另一方面，在陰極側(cè)獲得“堿性電解水”。在使用具有單腔室結(jié)構(gòu)的電解水生產(chǎn)裝置的情況下，獲得酸性電解水和堿性電解水的混合物作為電解水。
[0005]日本未經(jīng)審查的專利申請(qǐng)公報(bào)JP2006-346203、JP2008-73604、JP2008-127583、JP2009-125628和JP2009-138262公開了一種膜電極組件和使用膜電極組件的電解水生產(chǎn)裝置。膜電極組件和電解水生產(chǎn)裝置的特征在于片狀離子交換膜以環(huán)的形式或者以螺旋方式設(shè)置在棒狀或管狀陽極的圓周周圍，或者管狀離子交換膜以管狀方式設(shè)置在棒狀或管狀陽極的圓周周圍，并且片狀或線狀陰極以環(huán)的形式或者以螺旋方式卷繞在離子交換膜的表面上。
[0006]膜電極組件和使用膜電極組件的電解水生產(chǎn)裝置具有以下結(jié)構(gòu):通過在棒狀或管狀陽極周圍設(shè)置片狀或管狀離子交換膜并且將片狀或線狀陰極卷繞在離子交換膜的表面上來制備膜電極組件。膜電極組件固定在管中，并且饋電端子連接至管中的陽極和/或陰極，由此形成電解單元。該電解單元、存儲(chǔ)原料水的容器以及頭部形成電解水噴射裝置。從頭部噴射出通過利用電解單元電解原料水而生成的電解水。
[0007]根據(jù)在上述專利文獻(xiàn)中描述的膜電極組件和電解水生產(chǎn)裝置，能夠減小裝置的尺寸，能夠通過使用緊湊的裝置來電解原料水溶液，并且能夠立即噴射和使用所生成的電解水。
[0008]如上所述，在膜電極組件以及使用該膜電極組件的電解水生產(chǎn)裝置中，陽極、膜和陰極相互結(jié)合成一體，通過將片狀離子交換膜以環(huán)的形式或者以螺旋方式設(shè)置在棒狀或管狀陽極的圓周周圍、或者將管狀離子交換膜以管狀方式設(shè)置在棒狀或管狀陽極的圓周周圍，并且將片狀或線狀陰極以環(huán)的形式或者以螺旋方式卷繞在離子交換膜的表面上來生產(chǎn)所述膜電極組件。因此，一旦生產(chǎn)出膜電極組件，所述膜電極組件易于操縱并且能夠輕易地安裝在裝置中。另外，通過調(diào)節(jié)棒狀或管狀陽極的直徑、陽極的橫截面形狀、離子交換膜的厚度和寬度，以及在線狀陰極且繞組間有間隔的情況下，通過適當(dāng)?shù)剡x擇容納該組件以形成反電極腔室的管的直徑并且通過適當(dāng)?shù)卮_定所使用的棒狀或管狀陽極的數(shù)量，形成適于作為陽極腔室和陰極腔室的氣液流動(dòng)路徑。另外，能夠通過改變供水量和電流值而將電解水中的電解質(zhì)組分的濃度設(shè)定為期望值。而且，能夠通過將獲得的電解水噴射或噴灑到目標(biāo)物體上而在期望的濃度條件下利用電解質(zhì)組分執(zhí)行消毒。
[0009]然而，使用在上述專利文獻(xiàn)中描述的膜電極組件的電解水生產(chǎn)裝置存在以下問題:因?yàn)槠瑺罨蚓€狀陰極以環(huán)的形式或者以螺旋方式卷繞在離子交換膜的表面上(在下方中，這種電極稱作“卷繞型電極”)，所以需要花費(fèi)時(shí)間將線狀陰極卷繞在離子交換膜的表面上，并且難以使得繞組的強(qiáng)度以及繞組的間隔均勻一致。另外，在這種卷繞型電極中，陰極線和離子交換膜的固定性能(保持力)可能會(huì)有所下降。在減小電解水生產(chǎn)裝置的尺寸的情況下，必須用專業(yè)性的處理來生產(chǎn)該裝置。因此，難以使生產(chǎn)過程機(jī)械化，從而導(dǎo)致增加了生產(chǎn)成本。
[0010]設(shè)想了以下兩種方法作為用于將陰極線和離子交換膜固定(保持)在卷繞型金剛石電極上的方法。
[0011](1)第一種固定方法(非捆扎方法)
[0012]將片狀離子交換膜卷繞在由棒狀金剛石電極構(gòu)成的陽極上，然后將陰極線以螺旋方式卷繞在離子交換膜上。由此，陰極線塑性變形，以便固定陰極線和離子交換膜。在卷繞之后，陰極線因回彈而一定程度上退卷。然而，由于離子交換膜的彈性，陰極線和離子交換膜以緊密接觸的方式被保持在由棒狀金剛石電極構(gòu)成的陽極上。
[0013](2)第二種固定方法(捆扎方法)
[0014]在繞組的數(shù)量較小或陰極線較細(xì)的情況下，用于保持離子交換膜的力小于上述情況。因此，通過例如在陰極線繞組的起點(diǎn)和終點(diǎn)處以緊密接觸的方式強(qiáng)力地多次卷繞陰極線來抑制退卷。因此，陰極線和離子交換膜被保持在由金剛石電極構(gòu)成的陽極上。
[0015]整體上，從處理的復(fù)雜性和成本的角度看，優(yōu)選地采用構(gòu)成第一種固定方法的非捆扎方法作為用于將陰極線和離子交換膜固定(保持)在由金剛石電極構(gòu)成的陽極上的方法。
[0016]然而，在采用非捆扎方法并且具有以非捆扎方式固定的陰極線的現(xiàn)有卷繞型金剛石電極的尺寸有所減小的情況下，會(huì)出現(xiàn)以下問題:具體地，當(dāng)減少陰極線的繞組數(shù)量時(shí)，沿著金剛石電極的軸向方向的摩擦力根據(jù)減少的繞組數(shù)量而減小。結(jié)果，陰極線和離子交換膜易于沿著軸向方向移位。
[0017]而且，當(dāng)減少繞組的數(shù)量(例如，減小至大約1至3)時(shí)，因?yàn)槔@組的起點(diǎn)和終點(diǎn)并未捆扎，所以將離子交換膜壓抵到金剛石電極上的陰極線的保持力(壓力)減小。相應(yīng)地，在使用具有少量陰極線繞組的金剛石電極以特定的電流密度執(zhí)行電解的情況下，可以確信金剛石電極的電壓變得高于陰極線的繞組數(shù)量更大的情況。因此，在使用現(xiàn)有的卷繞型金剛石電極和減少陰極線繞組數(shù)量的情況下，必須通過捆扎來固定陰極線的兩端，以使得陰極線和離子交換膜不會(huì)沿著金剛石電極的軸向方向移位，并且獲得用于保持離子交換膜的穩(wěn)定力。
[0018]另一方面，在采用通過第二種固定方法實(shí)現(xiàn)的捆扎方法并且金剛石電極的尺寸有所減小(即，繞組數(shù)量有所減小)的情況下，減少了由金剛石電極構(gòu)成的陽極的材料量并且減少了卷繞處理，由此削減了成本。然而，卷繞處理的設(shè)置(步驟的數(shù)量)并未改變。結(jié)果，卷繞處理的成本與金剛石電極的總成本之比有所增加。另外，因?yàn)楸仨毻ㄟ^捆扎來固定陰極線的兩端，所以增加了捆扎步驟。
[0019]如上所述，在通過減少現(xiàn)有卷繞型金剛石電極中的繞組數(shù)量來生產(chǎn)緊湊的金剛石電極的情況下，顯著增加了金剛石電極每生成單位量的03所消耗的生產(chǎn)成本。
[0020]作為因減小金剛石電極的尺寸而引發(fā)的問題(例如，由于減小了用于將離子交換膜與陰極線保持在一起的力而造成形狀固定的不穩(wěn)定、增加了電解池的電壓、為了抑制這些問題而固定陰極線的兩端、以及增加了由此導(dǎo)致的工時(shí))的解決方案，本發(fā)明提供了一種夾型膜電極組件，其中，使用夾狀陰極來替代陰極線。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0021]為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種緊湊的膜電極組件，所述膜電極組件能夠在家中或者在其他任何地方簡(jiǎn)單地生產(chǎn)出包含臭氧、過氧化氫、次氯酸等的電解水，并且能夠由此通過使用生產(chǎn)的電解水來執(zhí)行消毒或殺菌，替代現(xiàn)有的卷繞型電極結(jié)構(gòu)，所述膜電極組件具有新式的夾型電極結(jié)構(gòu)。本發(fā)明還提供了一種緊湊或便攜的使用所述膜電極組件的電解水生產(chǎn)裝置。
[0022]本發(fā)明的第一方面提供了一種膜電極組件，其包括:棒狀或管狀的陽極；連接至陽極的陽極端子；陰極，所述陰極布置在與陽極間隔開的位置處，以便面向陽極；以及膜，所述膜將陽極和陰極相互分離開，其中，陰極包括線狀或片狀的陰極支撐部分和陰極爪，所述陰極爪從陰極支撐部分向左側(cè)延伸、向右側(cè)延伸或者向左側(cè)和右側(cè)延伸并且沿著陽極的外周彎曲，所述陰極支撐