膜电极组件和使用膜电极组件的电解水生产装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种紧凑的膜电极组件，所述膜电极组件能够在家中或者在其他任何地方简单地生产出包含臭氧、过氧化氢、次氯酸等的电解水，本发明还涉及一种紧凑或便携的、使用膜电极组件的电解水生产装置。
【背景技术】
[0002]已经在2005年的关于制定用于家用电解水生产装置的JIS标准的公开文献中，在由教育部、文化部、体育部、科技部于2009年制定的学校午餐的卫生管理标准和相关的指南手册中，以及在健康部、劳工部和福利部监督下于2009年颁布的日本食品卫生协会所用的指导准则中描述了电解水的用途。因此，近来的关注点集中在电解水生产装置上。
[0003]术语“电解水”是通过施加直流电压来电解例如纯净水、自来水、软水或淡盐水这样的原料水而获得的水溶液的通用名称，所述水溶液包含电解产物例如臭氧、过氧化氢、次氯酸或其混合物。电解水生产装置通常具有双腔室或三腔室结构，在所述双腔室或三腔室结构中，存在于阳极侧和阴极侧的溶液或气体相互物理分离开。然而，在一些电解处理中，必须将或者要允许将阳极电解液和阴极电解液混合在一起。在此情况下，所使用的电解水生产装置也相应地具有单腔室结构。
[0004]在电解水生产装置具有双腔室或三腔室结构的情况下，在阳极侧获得“酸性电解水”。酸性电解水的主要成分是臭氧水、过氧化氢水和次氯酸水。另一方面，在阴极侧获得“碱性电解水”。在使用具有单腔室结构的电解水生产装置的情况下，获得酸性电解水和碱性电解水的混合物作为电解水。
[0005]日本未经审查的专利申请公报JP2006-346203、JP2008-73604、JP2008-127583、JP2009-125628和JP2009-138262公开了一种膜电极组件和使用膜电极组件的电解水生产装置。膜电极组件和电解水生产装置的特征在于片状离子交换膜以环的形式或者以螺旋方式设置在棒状或管状阳极的圆周周围，或者管状离子交换膜以管状方式设置在棒状或管状阳极的圆周周围，并且片状或线状阴极以环的形式或者以螺旋方式卷绕在离子交换膜的表面上。
[0006]膜电极组件和使用膜电极组件的电解水生产装置具有以下结构:通过在棒状或管状阳极周围设置片状或管状离子交换膜并且将片状或线状阴极卷绕在离子交换膜的表面上来制备膜电极组件。膜电极组件固定在管中，并且馈电端子连接至管中的阳极和/或阴极，由此形成电解单元。该电解单元、存储原料水的容器以及头部形成电解水喷射装置。从头部喷射出通过利用电解单元电解原料水而生成的电解水。
[0007]根据在上述专利文献中描述的膜电极组件和电解水生产装置，能够减小装置的尺寸，能够通过使用紧凑的装置来电解原料水溶液，并且能够立即喷射和使用所生成的电解水。
[0008]如上所述，在膜电极组件以及使用该膜电极组件的电解水生产装置中，阳极、膜和阴极相互结合成一体，通过将片状离子交换膜以环的形式或者以螺旋方式设置在棒状或管状阳极的圆周周围、或者将管状离子交换膜以管状方式设置在棒状或管状阳极的圆周周围，并且将片状或线状阴极以环的形式或者以螺旋方式卷绕在离子交换膜的表面上来生产所述膜电极组件。因此，一旦生产出膜电极组件，所述膜电极组件易于操纵并且能够轻易地安装在装置中。另外，通过调节棒状或管状阳极的直径、阳极的横截面形状、离子交换膜的厚度和宽度，以及在线状阴极且绕组间有间隔的情况下，通过适当地选择容纳该组件以形成反电极腔室的管的直径并且通过适当地确定所使用的棒状或管状阳极的数量，形成适于作为阳极腔室和阴极腔室的气液流动路径。另外，能够通过改变供水量和电流值而将电解水中的电解质组分的浓度设定为期望值。而且，能够通过将获得的电解水喷射或喷洒到目标物体上而在期望的浓度条件下利用电解质组分执行消毒。
[0009]然而，使用在上述专利文献中描述的膜电极组件的电解水生产装置存在以下问题:因为片状或线状阴极以环的形式或者以螺旋方式卷绕在离子交换膜的表面上(在下方中，这种电极称作“卷绕型电极”)，所以需要花费时间将线状阴极卷绕在离子交换膜的表面上，并且难以使得绕组的强度以及绕组的间隔均匀一致。另外，在这种卷绕型电极中，阴极线和离子交换膜的固定性能(保持力)可能会有所下降。在减小电解水生产装置的尺寸的情况下，必须用专业性的处理来生产该装置。因此，难以使生产过程机械化，从而导致增加了生产成本。
[0010]设想了以下两种方法作为用于将阴极线和离子交换膜固定(保持)在卷绕型金刚石电极上的方法。
[0011](1)第一种固定方法(非捆扎方法)
[0012]将片状离子交换膜卷绕在由棒状金刚石电极构成的阳极上，然后将阴极线以螺旋方式卷绕在离子交换膜上。由此，阴极线塑性变形，以便固定阴极线和离子交换膜。在卷绕之后，阴极线因回弹而一定程度上退卷。然而，由于离子交换膜的弹性，阴极线和离子交换膜以紧密接触的方式被保持在由棒状金刚石电极构成的阳极上。
[0013](2)第二种固定方法(捆扎方法)
[0014]在绕组的数量较小或阴极线较细的情况下，用于保持离子交换膜的力小于上述情况。因此，通过例如在阴极线绕组的起点和终点处以紧密接触的方式强力地多次卷绕阴极线来抑制退卷。因此，阴极线和离子交换膜被保持在由金刚石电极构成的阳极上。
[0015]整体上，从处理的复杂性和成本的角度看，优选地采用构成第一种固定方法的非捆扎方法作为用于将阴极线和离子交换膜固定(保持)在由金刚石电极构成的阳极上的方法。
[0016]然而，在采用非捆扎方法并且具有以非捆扎方式固定的阴极线的现有卷绕型金刚石电极的尺寸有所减小的情况下，会出现以下问题:具体地，当减少阴极线的绕组数量时，沿着金刚石电极的轴向方向的摩擦力根据减少的绕组数量而减小。结果，阴极线和离子交换膜易于沿着轴向方向移位。
[0017]而且，当减少绕组的数量(例如，减小至大约1至3)时，因为绕组的起点和终点并未捆扎，所以将离子交换膜压抵到金刚石电极上的阴极线的保持力(压力)减小。相应地，在使用具有少量阴极线绕组的金刚石电极以特定的电流密度执行电解的情况下，可以确信金刚石电极的电压变得高于阴极线的绕组数量更大的情况。因此，在使用现有的卷绕型金刚石电极和减少阴极线绕组数量的情况下，必须通过捆扎来固定阴极线的两端，以使得阴极线和离子交换膜不会沿着金刚石电极的轴向方向移位，并且获得用于保持离子交换膜的稳定力。
[0018]另一方面，在采用通过第二种固定方法实现的捆扎方法并且金刚石电极的尺寸有所减小(即，绕组数量有所减小)的情况下，减少了由金刚石电极构成的阳极的材料量并且减少了卷绕处理，由此削减了成本。然而，卷绕处理的设置(步骤的数量)并未改变。结果，卷绕处理的成本与金刚石电极的总成本之比有所增加。另外，因为必须通过捆扎来固定阴极线的两端，所以增加了捆扎步骤。
[0019]如上所述，在通过减少现有卷绕型金刚石电极中的绕组数量来生产紧凑的金刚石电极的情况下，显著增加了金刚石电极每生成单位量的03所消耗的生产成本。
[0020]作为因减小金刚石电极的尺寸而引发的问题(例如，由于减小了用于将离子交换膜与阴极线保持在一起的力而造成形状固定的不稳定、增加了电解池的电压、为了抑制这些问题而固定阴极线的两端、以及增加了由此导致的工时)的解决方案，本发明提供了一种夹型膜电极组件，其中，使用夹状阴极来替代阴极线。
【发明内容】
[0021]为了解决上述问题，本发明提供了一种紧凑的膜电极组件，所述膜电极组件能够在家中或者在其他任何地方简单地生产出包含臭氧、过氧化氢、次氯酸等的电解水，并且能够由此通过使用生产的电解水来执行消毒或杀菌，替代现有的卷绕型电极结构，所述膜电极组件具有新式的夹型电极结构。本发明还提供了一种紧凑或便携的使用所述膜电极组件的电解水生产装置。
[0022]本发明的第一方面提供了一种膜电极组件，其包括:棒状或管状的阳极；连接至阳极的阳极端子；阴极，所述阴极布置在与阳极间隔开的位置处，以便面向阳极；以及膜，所述膜将阳极和阴极相互分离开，其中，阴极包括线状或片状的阴极支撑部分和阴极爪，所述阴极爪从阴极支撑部分向左侧延伸、向右侧延伸或者向左侧和右侧延伸并且沿着阳极的外周弯曲，所述阴极支撑