JP2007520626A - 電気分解式オゾン発生装置 - Google Patents

Abstract

本発明は水を電気分解してオゾンを発生させる装置を開示する。この装置には、互いに対向する一対のフレームと、２つのフレームの間に対向して配置された陽極および陰極とを含む。陽極と陰極との間には、電気分解中に生成される水素イオンを移動させる固体高分子電解質膜が設けられている。さらに、補助電極を陰極と固体高分子電解質膜との間に設けることにより、この補助電極の表面にスケールが形成される。スペーサ６０は、陽極と陰極との間に挿入されている。原料水として純水や陽イオン交換処理をした水と同様に水道水も使用でき、高濃度のオゾン水を製造することが可能である。電極と固体高分子電解質膜との間の圧力の均一化を図ることができるので、安定した動作が実現できる。
【選択図】図１

Description

本発明は主にオゾン発生装置に係り、さらに詳しくは水を電気分解してオゾン水を製造する装置に関する。

一般的に、電気分解方式によるオゾン発生装置は、対向する一対の電極ならびにその間に固体高分子電解質を備えている。水中でこの電極に所定の電源を印加して、水の電気分解により水に溶解した高濃度のオゾンを製造することができる。

従来、オゾン水は２種類の方法で製造できる。

一番目の従来の方法では、コロナ放電でオゾンを放出させ、この放出されたオゾンを水中に混入させてオゾン水を製造する。この方法では、空気を供給する送風機や水中にオゾンを溶解しやすくする微細気泡発生器が必要である。しかし、これにより製造コストは増大し、製造効率は低下し、騒音もともなう。さらに、コロナ放電時空気中の窒素成分が酸化され窒素酸化物を発生させるなどの問題がある。

もう一つの方法では、水中で直接に分子状態のオゾンを発生させることができるので、前記技術の問題を解決する可能性がある。この方法は水中の対向電極構造に固体高分子電解質膜を設けるか否かによって、隔膜方式と無隔膜方式に類別される。

前記隔膜方式の場合、たとえばアメリカ特許第４，８３６，９２９号に開示されているように、鉛電極と白金黒電極をそれぞれ陽極・陰極として使用し、これら陽極と陰極との間に固体高分子電解質よりなる隔膜が挿入されている。しかしながら、電極と固体高分子電解質を均一に設置することが技術的に極めて難しい。さらに、動作中の部分的な過度の圧力などのような不均一さにより、電気分解中に固体高分子電解質が部分的に劣化し、著しい寿命の短縮を招く。

また、アメリカ特許第４，４１６，７４７号には固体高分子電解質の表面に白金などの貴金属をコーティングした電極組立体が開示されているが、実際には製造が難しく、製造コストが非常にかかる上、技術的に不安定なため信頼性に欠ける。

一方、電気分解によるオゾン発生中にはスケールの生成が必然的に伴う。スケールの生成を防止するため、公知の従来技術ではスケールを生成するカルシウムやマグネシウムなどの２価の陽イオン成分が除去された純水を使用してきた。そのため、利用に制限がある。

すなわち、強酸性陽イオン交換樹脂や逆浸透法などを用いて供給水からカルシウム、マグネシウムなどの２価の陽イオンを除去せず電気分解を行った場合、式（５）で生成されるＯＨ^-イオンは式（６）、式（７）のように水酸化物を沈澱させるために用いられて、陰極の表面にスケールが生成されるため、電気分解効率が低下する。

２Ｈ₂Ｏ＋２ｅ → Ｈ₂＋２ＯＨ^- （５）
Ｃａ²⁺＋２ＯＨ →Ｃａ（ＯＨ）₂（↓） （６）
Ｍｇ²⁺＋２ＯＨ →Ｍｇ（ＯＨ）₂（↓） （７）

無隔膜方式の場合、韓国特許第３６３８９号「水中におけるオゾン発生方法とその装置」に例示されているように、水中に白金族金属を用いた対向電極を複数組設け、この対向電極に電流を印加して強力な電界が周りに集中するようにする。したがって、水中に直接オゾンを放出させることができる。

しかし、上述の公知技術においては、水道水やそれに類する水質の水を供給水として用いた場合、水中で電流が流れるのに必要な電解質が足りないため、水の電気分解のためにより高い電圧が必要となり、消費電力が増大するので、電極の寿命を短縮させる。

あるいは、蒸留水や陽イオン交換樹脂を通過した純水を供給する場合、電極を介して水に流れる電流が著しく抑制される。したがって、実際の適用には限界がある。

先行技術の問題に対する別の解決法として、韓国特許出願１０−２００−００１１２０２「高濃度水中オゾン発生装置」は、オゾン発生装置の電解槽内に振動子を設けて電極表面に生成され成長する微細気泡を除去する技術を提案しているが、単に気泡を抑制することでは、先行技術の問題点全体の究極的な解決にはならない。

本発明の目的は、陰極でのスケールの生成を減少させ、原料水の水質を問わず高濃度オゾンを発生させることができる電気分解式オゾン発生装置を提供するところにある。

この目的を達成するために、本発明の一態様によれば、水を電気分解してオゾンを発生させる装置が提供される。この装置は、水中で電気分解により酸素、オゾン、およびその他の酸化物を発生させる陽極と、水中で電気分解により水素およびその他の生成物を発生させる陰極と、陽極と陰極との間に配置され、電気分解により発生する水素イオンを移動させる固体高分子電解質膜と、陰極と固体高分子電解質膜との間に配置された補助電極を備える。この補助電極は陽極で発生する水素イオンを陰極に通過させ、２価の陽イオンと陰極で発生するＯＨ^-イオンとの反応により補助電極の表面にスケールが生成されて、陰極の表面におけるスケールの発生が減少する。

補助電極は、網形状を有することが望ましく、ステンレススチール、チタン、白金または白金コーティングから作製することができる。さらに、この装置は固体高分子電解質膜と陽極との間に隙間を設けるためのスペーサを備えている。このスペーサはテフロンで作製することができる。

本発明に係るオゾン発生装置によれば、電極と固体高分子電解質膜との間の機械的圧力の均一性を獲得して、部分的な劣化を防止し、安定した動作を実現することができる。さらに、膜との間の不均一な隙間に起因する電解電圧の上昇を防ぐことができ、陰極でのスケールの生成を効果的に軽減できるため、純水の代わりに水道水を用いることが可能となる。したがって、低コストで高効率な信頼性の高いオゾン生成システムを実現できると同時に、多様な利用も可能である。

本発明のさらなる目的および効果は、以下に添付図面とともに詳しく述べることにより、より完全に理解されるであろう。

以下、添付した図面に基づき本発明の望ましい実施形態をさらに詳述する。

図１は本発明の一実施形態に係る電気分解によりオゾンを発生させる装置の分解斜視図であり、以下「オゾン発生装置」と称する。図２は図１のオゾン発生装置の組立図である。図１および図２を参照して、本発明に係るオゾン発生装置は、互いに対向する一対のフレーム１０と、一対のフレーム１０の間に対向して設けられた陽極２０および陰極３０とを含む。陽極２０と陰極３０との間には、電気分解中に生成される水素イオンを移動させる固体高分子電解質膜４０が設けられている。さらに、補助電極５０が陰極３０と固体高分子電解質膜４０との間に設けられており、スケールはこの補助電極５０の表面に形成される。スペーサ６０は、陽極２０と陰極３０との間に挿入されている。本発明に係るオゾン発生装置のさらなる詳細について、以下に説明する。

陽極２０では、式（１）に示されるように酸素と水素が放出され、式（２）および式（３）に示される反応によりオゾンが生成される。

２Ｈ₂Ｏ → Ｏ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^- （１）
Ｈ₂Ｏ＋Ｏ₂ → Ｏ₃＋２Ｈ⁺＋２ｅ^- （２）
３Ｈ₂Ｏ → Ｏ₃＋６Ｈ⁺＋６ｅ^- （３）

陰極３０では、式（４）および式（５）に示されるように水素が発生する。

ｎＨ⁺＋ ｎｅ^- → （ｎ／２）Ｈ₂（ｎ＝４〜６） （４）
２Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^- → Ｈ₂＋２ＯＨ^- （５）

本発明では、陰極３０の表面に生成されるスケールを低減するために、補助電極５０が陰極３０と固体高分子電解質膜４０との間に挿入されている。すなわち、生成されたスケールは水によって洗い流される。したがって、本発明の装置では、原料水を強酸性陽イオン交換樹脂あるいは逆浸透法によって前処理する必要がなく、水道水やそれに類する水質の水を使って、連続的にオゾンを発生させることができる。

補助電極５０は、上で述べたように陽極２０から発生する水素イオンを陰極３０に円滑に移動させることができる。次式（６）および式（７）に示されるように、陰極で発生するＯＨ^-イオンは、２価の陽イオンと反応してスケールを生成する。この発明では、スケールを補助電極５０の表面に生成させることにより、陰極３０の表面に生成されるスケールの量を最小にすることができる。

Ｃａ²⁺＋２ＯＨ^- → Ｃａ（ＯＨ）₂（↓） （６）
Ｍｇ²⁺＋２ＯＨ^- → Ｍｇ（ＯＨ）₂（↓） （７）

さらに、補助電極５０は、生成されたスケールが補助電極５０に付着し、その後に容易に離脱されるように、網形状になっており、細い針金で製作してもよい。図３は本発明の一実施形態にかかる補助電極５０の平面図である。したがって、本発明によれば、補助電極５０およびその構造的特徴によって、スケールの沈着と蓄積によって電解抵抗が増大するという先行技術における問題点が解消される。補助電極５０は、陰極２０と固体高分子電解質膜４０とが密着するように、細かく編まれた針金の形状を有することが望ましい。

図４は本発明の補助電極の有無による電解抵抗を電圧の面から示した図である。図４に示すように、補助電極の有無による電解抵抗の変化を検討するため、本発明のオゾン発生装置を定電流方式によって継続的に稼働させながら、補助電極５０を設置した場合と設置しない場合について試験した。

図４から理解されるように、定電流の条件下では、装置に印可される電圧は電解抵抗に比例して変化する。したがって、電解抵抗は電圧値の変化によって調べることができる。

図４において、符号Ａは補助電極５０と水道水（硬度６５ｐｐｍ）とを用いた場合を示し、Ｂは補助電極５０なしで水道水（硬度６５ｐｐｍ）を用いた場合を示している。符号Ｃは強酸性陽イオン交換樹脂を用いて水を硬度５ｐｐｍ以下になるまで前処理した場合を示す。１０００時間の運転中の電解電圧の変化をそれぞれの場合について示す。

陽イオン交換樹脂で２価の陽イオンが除去されたＣの場合が、最も一定な電解電圧を示している。２価の陽イオンを除去しないと（ＡおよびＢの場合）、電圧はＣの場合より高いことがわかった。

図４に示すように、補助電極５０を挿入したＡの場合は、補助電極を用いないＢの場合に比べて電解抵抗が効率よく減少したことがわかる。

補助電極５０として使用される材料は、酸、アルカリ、酸化性物質に対して強い耐性を有し、電気伝導性に優れていなければならない。好適な材料としては、ステンレススチール、チタン、カーボン等がある。電極５０は１０〜１００メッシュの網形状を有することが望ましい。厚さは０．１〜２．０ｍｍが補助電極５０として適当である。

上述したように、補助電極５０を有する電極組立体においては、陰極３０で生成するスケールによって電解抵抗が上昇する傾向が効果的に抑制できると同時に、固体高分子電解質膜に及ぼされる圧力を均一化できる。その結果、オゾン発生効率が大きく改善される。

白金は、陽極２０と陰極３０に適している。あるいは、他の適切な材料から製作された電極に白金コーティングを行ってもよい。陽極および陰極は板状であることが望ましく、ある割合の開口部分を設けて電極の表面に生成された気泡が効率的に電極から離れるようにするのが望ましい。電極は網形状であるのが望ましいが、固体高分子電解質膜と組み合わせるときには、網形状に特有の弾力性を考慮して、平坦さを維持できるように注意が必要である。貫通した板の場合は開口率が制限されるという欠点がある。本発明によれば、電極２０および３０に最も適する開口率は全体の面積に対して３０〜８０％である。

用途に応じて、さまざまな材料が固体高分子電解質膜４０として使用できる。たとえば、Ｎａｆｉｏｎ（商標、デュポン社製）が好適な材料として挙げられる。膜４０に必要な物理的特性は、伝導率０．０８３±０．００４Ｓ／ｃｍ、単位質量０．０７〜０．２３±０．０２ｇ／ｉｎｃｈ²、厚さ０．０５〜０．１８ｍｍである。膜４０の形状は電極を大きく拡大したものが望ましい。

図１に示すように、２つの電極２０，３０および固体高分子電解質膜４０は、物理的・化学的に劣化に対する耐性に優れた一対のフレーム１０によって組み立てられる。

２つのフレーム１０は、互いに対向するように組み立てられる。フレーム１０の内部には、電極を配置し定位置に固定するための溝１１および原料水（たとえば水道水）を通すための開口１２が設けられている。フレームは、その一方に形成された突起１３および他方に形成された孔１４によって組み立てられ、互いに固定される。

陽極２０および陰極３０は、所定の間隔をあけて配置された複数の平行するスリット２１を備える。陽極・陰極には、電流を供給するための端子部２２および３２がそれぞれ設けられている。

スペーサ６０は、固定高分子電解質膜４０と陽極２０との間に一定の空間を維持する機能を有する。スペーサ６０は陽極２０の端部および中心部と接触しており、劣化に対して優れた物理的・化学的耐性を有する材料からなるテープ、シート、フィルムから作製することが望ましい。あるいは、プラスチック構造物を使用してもよい。スペーサ６０と陽極２０との間の隙間は０．０１〜０．５ｍｍに保たれることが望ましい。

陽極２０、陰極３０、スペーサ６０には、それぞれその中心部に締結孔２３，３３，６１が形成されている。各フレーム１０には締結孔２３，３３，６１の位置に対応する位置に締結突起１５が形成されている。したがって、電極２０，３０、スペーサ６０をフレーム１０と組み合わせる時は、締結突起１５を締結孔に挿入することにより、すべての部品を固定し、正しい位置に維持できる。

固体高分子電解質膜４０は、陽極２０に隣接して配置され、補助電極５０は陰極３０に隣接している。固体高分子電解質膜４０および補助電極５０は、互いに対向するように隣接して配置されている。

スペーサ６０および補助電極５０はそれぞれ固体高分子電解質膜４０の両側に配置され、固体高分子電解質膜４０と各電極２０，３０との間に均一な圧力がかかるようにしているので、装置を安定して稼働できる。

上記した構造を有する電極結合体を水中に配置し、正の直流電流を陽極２０に印可し、負の直流電流を陰極３０に印可する。その結果、式（２）および（３）で示した電気化学反応が起こり、水中に溶解した高濃度のオゾンを発生させる。

電流は２種類の方法で供給することができる。一つ目の方法は、装置の特性に応じてあらかじめ設定された定電流を全稼働間を通して流すというものである。二つ目の方法は、水の性質によって変わる電解抵抗を測定し、測定した電解抵抗に応じて供給する電流を変えるというものである。図５は、本発明にしたがって生成されたオゾンの濃度を、定電流の方法と電流を変化させる方法について示す図である。図５において、グラフＡは定電流の方法を示し、グラフＢは電流を変化させる方法を示している。

上述したように、本発明のオゾン発生装置によれば、電極と固体高分子電解質膜との間の機械的圧力を均一化することができるので、部分的な劣化を防ぐことができ、安定した動作が実現できる。さらに、膜との間の不均一な隙間に起因する電解電圧の上昇を防ぐことができ、陰極でのスケールの生成を効果的に軽減できるため、純水の代わりに水道水を用いることが可能となる。したがって、低コストで高効率な信頼性の高いオゾン生成システムを実現できると同時に、多様な利用も可能である。

なお、具体的な実施態様の例を参照しながら本発明を記述してきたが、本発明はそれらの実施態様によってではなく、添付の請求の範囲によってのみ限定されるべきものである。また、当業者であれば本発明の範囲および精神から離れることなく、実施態様を変更したり修正したりすることが可能であることを認識すべきである。

本発明の一実施態様に係る電気分解式オゾン発生装置の分解斜視図である。 図１に示す装置を組み立てた構造を示す。 本発明の一実施態様に係る補助電極の平面図である。 本発明の補助電極の有無による電気分解抵抗の違いを電圧によって示した図である。 本発明によって発生させたオゾンの濃度を定電流の方法および電流を変化させる方法について示した図である。

Claims (5)

1. 水を電気分解してオゾンを発生させるオゾン発生装置において、
   ａ）水中で電気分解により酸素とオゾンを発生させる陽極と、
   ｂ）水中で電気分解により水素を発生させる陰極と、
   ｃ）前記陽極と陰極との間に配置され、電気分解により発生する水素イオンを移動させる固体高分子電解質膜と、
   ｄ）前記陰極と固体高分子電解質膜との間に配置され、前記陽極で発生する水素イオンを前記陰極に通過させ、２価の陽イオンと前記陰極で発生するＯＨ⁻イオンとの反応によりスケールを表面に生成させることにより、前記陰極の表面におけるスケール生成を減少させる補助電極と
   を含むことを特徴とする装置。
2. 前記補助電極は網形状よりなることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記補助電極は、ステンレススチール、チタン、白金または白金コーティングより形成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 前記固体高分子電解質膜と陽極との間に隙間を設けるためのスペーサをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
5. 前記スペーサはテフロンよりなることを特徴とする請求項４に記載の装置。

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