JP2010001519A - 過酸化水素製造装置並びにそれを用いた空調機、空気清浄機及び加湿器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】水素イオン伝導性を有する電解質膜3と電解質膜3の第一の面に接して配設された陽極電極4と電解質膜3の第二の面に接して配設された陰極電極5とにより構成された電解セル2と、電解セル2の陽極電極4側に設けられた陽極水槽10と、電解セル2の陰極電極5側に設けられた陰極水槽11と、陰極電極5に周期的に水を供給する水供給手段と、陽極電極4と陰極電極5とに直流電圧を印加する直流電源18と、を備えたもので、効率良く過酸化水素を生成できる。
【選択図】図1
Description
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1における過酸化水素製造装置を示す概略断面図である。図2は、過酸化水素製造装置の電解セル部の概略断面図を示す。
図1に示すように、過酸化水素製造装置1の電解セル2は、水素イオン伝導性を有する電解質膜である高分子電解質膜3、この高分子電解質膜3の第一の面に接するように配設された陽極電極4、高分子電解質膜3の第二の面に接するように配設された陰極電極5で構成されており、さらに、陽極電極4には陽極端子6、陰極電極5には陰極端子7が取付けられており、電解セル2を入れる水槽8は、電解セル2と隔壁9により陽極水槽10と陰極水槽11に分割され、陽極電極4に水を供給する手段として、陽極水槽10には水12が貯えられて陽極電極4に供給され、また、陰極電極5に周期的に水を供給する水供給手段として、液送ポンプ14によってバッファタンク15の水の注入、排出することにより、陰極水槽11に貯えられた水13の水位16を制御する水位制御装置17が設けられており、電解セル2には、陽極端子6と陰極端子7を介して直流電圧を印加する直流電源18が接続され、直流電圧が印加された電解セル2の化学反応により陽極電極4では酸素からなる気泡19と陰極電極5では水素からなる気泡20がそれぞれ発生する。
陽極水槽10に貯えられている水12(H2O)は、陽極電極4を通過して高分子電解質膜3に接触する。さらに、この水12は高分子電解質膜3に吸収され、高分子電解質膜3内を拡散し、高分子電解質膜3で保持される。陽極電極4では、供給された水が酸化され、反応式(1)で示すように酸素(O2)と水素イオン(H+)とに分離される。直流電源18により陽極電極4と陰極電極5の間に連続的もしくは断続的に直流電圧を印加すると、電流が流れ、陽極電極4の表面で酸素が生成され、酸素の気泡19が発生する。
陽極: 2H2O → O2+ 4H+ + 4e− (1)
高分子電解質膜3は、気体を透過せず、電気絶縁性があり、水及び水素イオン(H+)のみを伝導する材質、例えば、パーフルオロスルホン酸膜でできており、陽極電極4で分離され高分子電解質膜3を透過した水素イオン(H+)と陰極水槽11から供給された水13(H2O)に含まれる酸素(O2)とが、陰極電極5上で反応し、反応式(2)で示す還元反応によって過酸化水素(H2O2)が生成される。生成された過酸化水素は陰極水槽11の水13に徐々に蓄積され、過酸化水素水として利用することができる。
陰極: O2 + 2H+ + 2e− → H2O2 (2)
高分子電解質膜3の水素イオン伝導度は、膜中の相対湿度すなわち水の量に比例して大きくなる。高分子電解質膜3が、パーフルオロスルホン酸膜の場合では、20℃において、相対湿度20%では10−4Scm−1、40%では2×10−3Scm−1、60%では10−2Scm−1と大きく変化する。
陰極: H2O2+ 2H+ + 2e− → 2H2O (3)
2H+ + 2e− → H2 (4)
図3は、実施の形態1の過酸化水素製造装置を用いた実施例1による過酸化水素生成特性の測定結果を示す。過酸化水素製造装置全体については、図1に示すものを使用した。電解セル2を構成する材料としては、陽極電極4の基材は、チタン製エキスパンドメタル(1インチ平方あたりのメッシュ数80、線径0.1mm)、酸化触媒は酸化イリジウム(担持密度0.6mg/cm2、無電解めっきで形成)を用いた。陰極電極5は、炭素繊維(繊維径10μm、空隙率70%)を基材としてその上に、炭素粉末と高分子電解質(パーフルオロスルホン酸)粉末を分散した溶液を重量比で1:3の割合で混合し、50〜400μm厚で塗布した後、50℃、真空下で乾燥して還元触媒層5bを形成した。高分子電解質膜3はパーフルオロスルホン酸である。
図5は、実施の形態1の過酸化水素製造装置を用いた実施例2による過酸化水素の生成速度の通電時間に対する経時変化特性の測定結果を示すものである。過酸化水素製造装置としては、図1に示すものを使用した。過酸化水素生成条件としては、印加電圧が2.5V、温度が25℃、陽極電極4と陰極電極5の面積がそれぞれ9cm2である。電解セル2の材料、構成は、実施例1と同じであるので説明を省略する。
実施の形態1の過酸化水素製造装置1を用いた陰極水槽11の水位16の昇降速度を変えた場合における過酸化水素の生成速度との関係について検討した実施例3の結果について述べる。水位制御装置17を操作して、陰極電極5表面の浸漬時間を一定に保持した状態で水位16の上昇速度及び下降速度を0.1〜100m/sの範囲で変化させた。過酸化水素生成条件としては、印加電圧が2.5V、温度が25℃、陽極電極4と陰極電極5の面積がそれぞれ9cm2である。ここで、浸漬時間を3分と一定に設定した。電解セル2の材料、構成は、実施例1と同じであるので説明を省略する。ここで、浸漬時間とは、実施例1、2と同様、陰極電極5の各部位における浸漬時間を平均化したものである。つまり、図1のX軸に沿った陰極電極5の実質の浸漬時間をT(X)で定義すると、浸漬時間=1/X0×∫T(X)dXで定義される。ここで、図1における位置AをX=X0、位置DをX=0とする。
図7は、本発明の実施の形態2における過酸化水素製造装置を示す概略断面図である。
図7に示すように、実施の形態2における過酸化水素製造装置には、実施の形態1の水位制御装置17の他、酸素を含むガスを発生するガス発生装置27が設けられ、このガス発生装置27で発生されたガスを陰極水槽11の水13に供給するガス供給管28が設けられ、このガス供給管28の先端の孔29から酸素を含むガスの気泡30として、陰極水槽11の水13に導入される。実施の形態2の過酸化水素製造装置において、図1と同一符号は、同一または相当部分を示すので、説明を省略する。
図8は、本発明の実施の形態3における過酸化水素製造装置を示す概略断面図である。
図8に示すように、実施の形態3における過酸化水素製造装置には、水供給手段として、水供給装置31から水供給管32を通して陰極電極5表面に水を噴霧する回転機構を有するノズル33が設けられ、陰極水槽11の水13を循環配管34、送水ポンプ35により水供給装置31に循環送水する。実施の形態3の過酸化水素製造装置において、図1と同一符号は、同一または相当部分を示すので、説明を省略する。
実施の形態3の過酸化水素製造装置において、図8に示した回転機構を有するノズル33によって陰極電極5に水を噴霧した場合の過酸化水素生成特性について詳細に検討した結果について述べる。水13の水位16を図1に相当するA〜Dの間の任意の位置に設定した後、水供給装置31とノズル33を回転操作して、陰極電極5に対して連続的、断続的に水を供給した。過酸化水素生成条件としては、印加電圧が2.5V、温度が25℃、陽極電極4と陰極電極5の面積が9cm2である。噴霧する水の流量は0.1〜10L/min、ノズル33から陰極電極5への噴霧角度αは−90〜90度、ノズル33の先端から陰極電極5までの距離は1mm〜100mm、浸漬時間は3分で一定に設定した。電解セル2を構成する材料は、実施例1と同じであるので説明を省略する。ここで、浸漬時間とは、陰極電極5の各部位における浸漬時間を平均化したものである。つまり、図1に相当するX軸に沿った陰極電極5の実質の浸漬時間をT(X)で定義すると、浸漬時間=1/X0×∫T(X)dXで定義される。ここで、図1に相当する位置AをX=X0、位置DをX=0とする。
図9は、本発明の実施の形態4における過酸化水素製造装置を示す概略断面図である。
図9に示すように、実施の形態4における過酸化水素製造装置には、実施の形態1の水位制御装置17の他、酸素を含む有機ガス36を発生するガス発生装置35が設けられ、このガス発生装置35で発生された有機ガス36が、ガス供給管37を通して陰極水槽11の水13に供給される。実施の形態4の過酸化水素製造装置において、図1と同一符号は、同一または相当部分を示すので、説明を省略する。
実施の形態4では、ガス発生装置35において、酸素を含む有機ガス36を発生させ、この有機ガス36を陰極電極5の上方に設置されたガス供給管37の先端部から陰極水槽11の気相へ有機ガス36を供給し、酸素を電解セル2へ供給することによって過酸化水素の生成を行うものである。
実施の形態4の過酸化水素製造装置を用いて、有機物と酸素を含む有機ガスを陰極電極5に接触する気相部分に供給した。ガス発生装置35に導入する有機物としては、例えば、エチルグリコール(ethlglycol)、1−プロパノール(1−propanol)、2−プロパノール(2−propanol)、テトラヒドロフラン(tetrahydrofurane)、4−オキシ−4メチル−2ペンタモーン(4−hydroxy−4−methl−2−pentamone)、1−ブタノール(1−butanol)、2−ブタノール(2−butanol)、メタノール(methanol)、エタノール(ethanol)、イソプロピルアルコール(isopropylalcohol)、アセトン(atetone)、n−プロピルアルコール(n−propylalcohol)または、ジメチルエーテル(dimethlether)を用いることができる。
25℃における水の界面張力が72.75dyn/cmであるのに対して、メタノールは24dyn/cm、エタノールは24.1dyn/cm、n−プロピルアルコール及びイソプロピルアルコールは22.9dyn/cm、アセトンは26.3dyn/cmの表面張力を有する。
図11は、本発明の実施の形態5における空調機の熱交換器部を示す概略断面図である。
熱交換器を有する空調機に過酸化水素製造装置を設置したもので、空気中の水蒸気は熱交換器38の表面において冷却され、熱交換器38の表面で凝縮され凝縮水39となる(凝縮水のことを以下「ドレン水」と呼ぶ)。熱交換器38の表面は親水化処理されているため、ある一定以上の凝縮水39が付着すると自然落下を始めて、ドレン水40として、ドレンパン41にて回収される。次に、ドレン水40は水供給手段42によって一定速度で過酸化水素製造装置43に供給され、生成された過酸化水素水45は過酸化水素水供給手段44によって熱交換器38の表面に散布され、熱交換器38の表面に発生、付着するカビや細菌などを除去する。
図12は、本発明の実施の形態5における過酸化水素製造装置を設置した空調機の熱交換器に付着させた菌体に対する除菌効果を実施例6による測定結果を示す。以下のような設定条件で試験を実施した。過酸化水素の生成条件としては、実施の形態1において、電流値0.5〜5A、温度25℃、供給する空気流量が20〜100cc/min、陽極電極4と陰極電極5の面積が20cm2である。また、電解セル2を構成する材料は実施例1と同様のものを用いた。
図13は、本発明の実施の形態6における加湿器を示す概略断面図である。
過酸化水素製造装置を加湿器に設置したもので、空気を加湿するための水を貯めておく貯水タンク46、貯水タンク46から加湿用の水を加湿素子47に送る配管48と、加湿素子47で余剰となった加湿水49を回収するドレンパン50、ドレンパン50にて回収されたドレン水51を貯水タンク46に送る配管52で構成されている。さらに、貯水タンク46から過酸化水素を製造するための水を過酸化水素製造装置53に供給する水供給手段54と、過酸化水素製造装置53で生成された過酸化水素水55を加湿素子47の表面に散布する過酸化水素水供給手段56によって構成され、加湿素子47の表面に発生、付着するカビや細菌などを過酸化水素水55により除去し、洗浄に使用された過酸化水素水55はドレンパン50にて回収される。
図14は、本発明の実施の形態7における空気清浄機を示す概略断面図である。
過酸化水素製造装置を業務用に使用される空気清浄機57に設置したもので、空気を循環させる送風機58、温湿度調整を行なう冷却コイル59及び加熱コイル60及び過酸化水素水を空気と接触させる水膜を形成する除菌エレメント61が装置内部に設置されて空気清浄機57が構成されている。また、除菌エレメント61に過酸化水素水を供給するための手段として過酸化水素製造装置62が設けられ、生成された過酸化水素水がポンプ63、流量調整弁64を介して、散水ヘッダ65より除菌エレメント61に供給されるように構成されている。そして、除菌エレメント61設置側(図14中、左側)から、除菌対象となる空気66が空気清浄機57内に吸引されるように構成されている。また、水膜を形成する除菌エレメント61の中央部にはパッドが配設され、その上面には分散マット(図示せず)が取付けられている。そして、この分散マットに流量調整弁64に接続された散水ヘッダ65を介して過酸化水素水が供給されるように構成されている。さらに、除菌エレメント61の下部にはドレンパン67が配設され、パッドを流下した過酸化水素水を装置外部に排出できるように構成されている。
2 電解セル
3 高分子電解質膜
4 陽極電極
5 陰極電極
10 陽極水槽
11 陰極水槽
12,13 水
16 水位
17 水位制御装置
18 直流電源
27 ガス発生装置
28 ガス供給管
31 水供給装置
27 水供給管
33 ノズル
35 ガス発生装置
37 ガス供給管
38 熱交換器
45,55 過酸化水素水
47 加湿素子
61 除菌エレメント
57 空気清浄機
Claims (10)
- 水素イオン伝導性を有する電解質膜と前記電解質膜の第一の面に接して配設された陽極電極と前記電解質膜の第二の面に接して配設された陰極電極とにより構成された電解セルと、
前記陽極電極に水を供給する水供給手段と、
前記陰極電極に周期的に水を供給する水供給手段と、
前記陽極電極と前記陰極電極とに直流電圧を印加する直流電源と、
を備えたことを特徴とする過酸化水素製造装置。 - 陰極電極に周期的に水を供給する水供給手段が、前記陰極電極側に陰極水槽を設け、前記陰極水槽の水位を変化させるものであることを特徴とする請求項1に記載の過酸化水素製造装置。
- 水位の変化を上昇速度が0.1から50mm/s、下降速度が0.1から10mm/sとなるよう制御することを特徴とする請求項2に記載の過酸化水素製造装置。
- 陰極電極に周期的に水を供給する水供給手段が、前記陰極電極側に上下、左右に可動自在なノズルを設け、前記ノズルにより陰極電極に水を噴霧するものであることを特徴とする請求項1に記載の過酸化水素製造装置。
- 陰極電極に酸素を含むガスを供給するガス供給手段が設けられていることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれかに記載の過酸化水素製造装置。
- 陰極電極に供給される水に、添加剤として酢酸若しくはカルボキシル基以外の親水性の残基(−OH、−NH2(第1アミン)、−NH−(第2アミン)、−N<(第3アミン)、−C(O)NH−(ペプチド結合)、−C(O)NH2(第1アミド)、(−C(O))2NH(第2アミド)、(−C(O))3N(第3アミド)、−O−、−SO3H、−PO4H、−F、−NO2、−S(O)−、−CN)のいずれかを持つカルボン酸を単独または混合したもの添加したことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれかに記載の過酸化水素製造装置。
- 酸素を含むガスに、添加剤としてエチルグリコール、1−プロパノール、2−プロパノール、テトラヒドロフラン、4−オキシ−4メチル−2ペンタモーン、1−ブタノール、2−ブタノール、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、アセトン、n−プロピルアルコールおよびジメチルエーテルのいずれかの単独または混合したものを添加したことを特徴とする請求項5に記載の過酸化水素製造装置。
- 請求項1から請求項7のいずれかに記載の過酸化水素製造装置を備え、前記過酸化水素製造装置により製造される過酸化水素を用いて熱交換器を洗浄する機能を有する空調機。
- 請求項1から請求項7いずれかに記載の過酸化水素製造装置を備え、前記過酸化水素製造装置により製造される過酸化水素を用いて加湿素子を洗浄する機能を有する加湿器。
- 請求項1から請求項7のいずれかに記載の過酸化水素製造装置を備え、前記過酸化水素製造装置製造により製造される過酸化水素を用いて空気を除菌する機能を有する空気清浄機。
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