JP2014217820A - 電解水生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】容易に加工可能で、オゾンの発生量を向上し、導電性膜の劣化を低減する電解水生成装置を提供する。【解決手段】電解水生成装置は、内部に水が供給されるハウジング３と、ハウジング３の内部に収容され、平板状の給電体１１、給電体１１の上面に成膜された導電性ダイヤモンドからなる陽極１２、陽極１２の上面に形成される導電性膜１３及び導電性膜１３の上面に形成される陰極１４を備え、ハウジング３に供給された水を電解することにより電解水を生成する電解素子１と、陰極１４の表面の一部が、ハウジング３に供給された水に対して露出するように、陰極１４の表面を遮蔽する遮蔽部２１とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、水を電解処理する電解水生成装置に関する。

水を電解処理することにより、オゾンが溶解された電解水を生成する電解水生成装置として、内側から順に、円筒状の陽極、導電性膜（イオン交換膜）及び陰極が、それぞれ接触するように配置された電解水生成装置が提案されている（特許文献１参照）。一般的な電解水生成装置は、陽極において発生したオゾンが陰極において還元されることにより過酸化水素水が発生し、過酸化水素水が酸化することにより発生したヒドロキシルラジカル（ＯＨラジカル）が、有機材料からなる導電性膜を劣化させる可能性がある。特許文献１に記載の電解水生成装置は、陽極と陰極とが、導電性膜を隔てて配置されるため、陽極において発生したオゾンが、陰極に到達しにくく、導電性膜の劣化を低減できる。

特開２０００−１６９９８９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の電解水生成装置は、陽極が白金からなるため、加工性が良く網状に加工できるが、オゾンの発生量が比較的少なくなってしまう。
本発明は、上記問題点を鑑み、容易に加工可能で、オゾンの発生量を向上し、導電性膜の劣化を低減する低減電解水生成装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第１の態様は、内部に水が供給されるハウジングと、前記ハウジングの内部に収容され、平板状の給電体、前記給電体の上面に成膜された導電性ダイヤモンドからなる陽極、前記陽極の上面に形成される導電性膜及び前記導電性膜の上面に形成される陰極を備え、前記ハウジングに供給された水を電解することにより電解水を生成する電解素子と、前記陰極の表面の一部が、前記ハウジングに供給された水に対して露出するように、前記陰極の表面を遮蔽する遮蔽部とを備える電解水生成装置であることを要旨とする。

本発明の第２の態様に係る電解水生成装置は、第１の態様に係る電解水生成装置において、前記導電性膜は、それぞれ帯状であり、互いに平行に複数形成され、前記陰極は、それぞれ平板状であり、複数の前記導電性膜の上面の全面にそれぞれ形成されることを特徴とする。

本発明の第３の態様に係る電解水生成装置は、第１又は第２の態様に係る電解水生成装置において、前記遮蔽部は、一体成型され、前記導電性膜と前記陰極との界面を含むように前記陰極の側面を遮蔽することを特徴とする。

本発明の第４の態様に係る電解水生成装置は、第１〜第３のいずれかの態様に係る電解水生成装置において、前記遮蔽部は、前記ハウジングと一体成型されることを特徴とする。

本発明によれば、容易に加工可能で、オゾンの発生量を向上し、導電性膜の劣化を低減する電解水生成装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る電解水生成装置の基本的な構成を説明する模式的な斜視図である。 （ａ）は、本発明の第１実施形態に係る電解水生成装置が備える電解素子を説明する模式的な斜視図である。（ｂ）は、（ａ）のＸ−Ｘ方向から見た断面図である。（ｃ）は、（ａ）のＹ−Ｙ方向から見た断面図である。 本発明の第２実施形態に係る電解水生成装置の基本的な構成を説明する模式的な斜視図である。 （ａ）は、本発明の第２実施形態に係る電解水生成装置が備える電解素子を説明する模式的な斜視図である。（ｂ）は、（ａ）のＸ−Ｘ方向から見た断面図である。 本本発明の第２実施形態に係る電解水生成装置が備える遮蔽部を説明する模式的な平面図である。 （ａ）は、本発明の第３実施形態に係る電解水生成装置の基本的な構成を説明する模式的な斜視図である。（ｂ）は、（ａ）のＸ−Ｘ方向から見た断面図である。 図６（ｂ）に対応する分解断面図である。 本発明の他の実施形態に係る電解水生成装置が備える遮蔽部を説明する模式的な断面図である。

次に、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付し、重複する説明を省略している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。また、以下に示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係る電解水生成装置は、図１に示すように、水を電解することにより、オゾンが溶解された電解水を生成する電解素子１と、ハウジング３と、配管４ａ，４ｂと、電解素子１に電力を供給する電源部５とを備える。

ハウジング３は、例えば両端側が塞がれた円筒状であり、内部に電解素子１を収容する。ハウジング３は、両端側に、それぞれ内部に通じる配管４ａ，４ｂが接続される。ハウジング３は、一端側の配管４ａから内部に水が供給され、電解素子１により生成された電解水を、他端側の配管４ｂから外部に吐出する。ハウジング３は、例えばアクリル、ＡＢＳ樹脂等の耐オゾン性を有する絶縁体からなる。

配管４ａは、例えば、水道圧やポンプ等により、ハウジング３の内部に水を供給する。配管４ｂは、下流側を吐出口としてそのまま吐出するようにしてもよく、下流側に水処理用の反応漕を接続し、反応漕に吐出するようにしてもよい。ハウジング３の内部に供給する原水は、水道水であってもよく、純水であってもよい。

電解素子１は、図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、平板状の給電体１１と、給電体１１の上面に成膜された陽極１２と、陽極１２の上面に複数形成された導電性膜１３と、導電性膜１３の上面にそれぞれ形成された陰極１４とを備える。給電体１１は、電源部５の正極に接続される。陰極１４は、電源部５の負極にそれぞれ接続される。

給電体１１は、例えばニオブ（Ｎｂ）、チタン（Ｔｉ）等の金属やシリコン（Ｓｉ）等の半導体からなり、幅１０ｍｍ、長さ５０ｍｍ程度の導電性基板である。陽極１２は、ホウ素（Ｂ）等がドーピングされた導電性ダイヤモンドからなる。陽極１２は、例えば、プラズマ化学気相成長（ＣＶＤ）法や熱フィラメント法等により、３μｍ程度の厚さを有するように、給電体１１の上面に成膜された後、ドーパントが導入される。

導電性膜１３は、それぞれ帯状であり、陽極１２の上面に、互いに平行に形成される。導電性膜１３は、プロトン導電型のイオン交換膜である。導電性膜１３は、例えば１００〜２００μｍ程度の厚さを有する。陰極１４は、それぞれ平板状であり、導電性膜１３の上面の全面にそれぞれ形成される。陰極１４は、例えば、白金（Ｐｔ）、ステンレス等の金属材料からなり、１ｍｍ程度の厚さを有する。

導電性膜１３及び陰極１４は、水が配管４ａ側から配管４ｂ側へ流れる方向に沿うようにそれぞれ形成される。陽極１２、導電性膜１３及び陰極１４は、互いが囲む箇所に水の流路を複数形成することにより、水を整流することができる。

第１実施形態に係る電解水生成装置は、陰極１４の表面の一部が、ハウジング３に供給される水に対して露出するように、陰極１４の表面を遮蔽する遮蔽部２１を更に備える。遮蔽部２１は、絶縁体からなる。遮蔽部２１は、陰極１４の上面から長手方向の側面までを被覆するように形成されるが、陰極１４の上面と遮蔽部２１とが間隙を有するように形成される。遮蔽部２１は、例えば断面がＵ字型の溝部を有する。遮蔽部２１は、図２（ａ）〜（ｃ）に示す例において、陰極１４の長手方向の側面を被覆し、短手方向の側面を露出するが、短手方向の側面を被覆するようにしてもよい。

なお、陰極１４を被覆する領域の遮蔽部２１は、完全に陰極１４と接している必要はなく、陽極１２側において発生したオゾンが、水の摩擦係数及び粘性によって、陰極１４と遮蔽部２１との間に入らない程度に、実質的に被覆していればよい。

ハウジング３の内部に配管４ａを介して水が供給されると、電解素子１が水に浸漬される。電解素子１は、電源部５から電力が供給されることにより、陽極１２と陰極１４との間に電圧が印加され、ハウジング３に供給された水を電解し、陽極１２とイオン供給する導電性膜１３との界面においてオゾン（Ｏ_３）及び酸素（Ｏ_２）を発生させる。陽極１２側における電気化学反応は、式（１）、（２）のように表される。陰極１４側における電気化学反応は、式（３）のように表される。
３Ｈ_２Ｏ→Ｏ_３＋６Ｈ^＋＋６ｅ^- …（１）
２Ｈ_２Ｏ→Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ^- …（２）
２Ｈ_２Ｏ＋２ｅ^-→２ＯＨ^-＋Ｈ_２ …（３）

陽極１２側におけるオゾン及び酸素の発生割合は、陽極１２及び陰極１４の材料や電位差等により決定される。陽極１２と陰極１４との間の電圧は、例えば数Ｖ〜数十Ｖであり、電圧が高いほどオゾン発生量が大きくなる。陽極１２と導電性膜１３との界面において発生したオゾンは、配管４ａ側から配管４ｂ側に流れる水に流され、配管４ｂを介してハウジング３の外部に吐出される。

一般に、陽極側において発生したオゾンは、陰極近傍において還元され、過酸化水素水となり、過酸化水素水とオゾンが反応してＯＨラジカルが生成される。ＯＨラジカルは、導電性膜のスルホン酸基（−ＳＯ_３Ｈ）と反応し、導電性膜の劣化を促進する。

第１実施形態に係る電解水生成装置は、陽極１２側において発生したオゾンが、導電性膜１３及び陰極１４の長手方向に沿って流れ、ハウジング３の外部に吐出される。この為、発生したオゾンは、陽極１２、導電性膜１３及び陰極１４の近傍において段差なく水に流され、水に溶解されやすい。加えて、第１実施形態に係る電解水生成装置は、遮蔽部２１を備えることにより、陽極１２側において発生したイオンが、陰極１４側において還元されにくくなる。したがって、第１実施形態に係る電解水生成装置は、過酸化水素水の発生を低減できるので、ＯＨラジカルの生成を低減し、導電性膜１３の劣化を低減することができる。

また、第１実施形態に係る電解水生成装置は、陽極１２が導電性ダイヤモンドからなるので、二酸化鉛（ＺｎＯ_２）、白金（Ｐｔ）、酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）等の他の材料と比較して電位窓大きいことなどが電気化学的に優れ、オゾンの発生効率が高い。また、第１実施形態に係る電解水生成装置は、加工性が低い導電性ダイヤモンドからなる陽極１２が、給電体１１の上面に成膜されるので、陽極１２に対する他の工程が不要であり、容易に加工可能である。

また、第１実施形態に係る電解水生成装置は、遮蔽部２１が、陰極１４の表面の一部が露出するように、陰極１４の表面を遮蔽することにより、陰極１４側において発生する水素ガスを陰極１４と遮蔽部２１との間から水中に逃がすことができる。よって、遮蔽部２１の剥離や変形を低減することができ、より確実に導電性膜１３の劣化を低減することができる。

また、第１実施形態に係る電解水発生装置は、遮蔽部２１が陰極１４の配管４ａ側の側面を被覆するようにしてもよい。これにより、過酸化水素水の生成を更に低減することができるので、導電性膜１３の劣化を更に低減することができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態に係る電解水発生装置は、図３に示すように、溝部を有する遮蔽部２１でなく、一体成型された櫛歯状の遮蔽部２２を備える点で第１実施形態と異なる。第２実施形態において説明しない他の構成は、第１実施形態と実質的に同様であるので、重複する説明を省略する。

遮蔽部２２は、図４（ａ），（ｂ）、図５に示すように、帯状の根元部２２１と、根元部２２１から、根元部２２１に対してそれぞれ垂直に延伸するそれぞれ帯状の櫛歯部２２２とを備える。遮蔽部２２は、例えば、耐オゾン性を有するアクリル、プラスチック、ゴム等からなる平板状の絶縁体を櫛歯状に加工することにより形成される。遮蔽部２２は、櫛歯部２２２の側面が、導電性膜１３と陰極１４との界面と接触するように、隣り合う導電性膜１３と陰極１４との間隙に挿入される。櫛歯部２２２は、根元部２２１の側面が導電性膜１３と陰極１４との界面と接触するまで挿入される。

遮蔽部２２は、陰極１４の表面の一部が、ハウジング３に供給される水に対して露出し、前記導電性膜と前記陰極との界面を含むように、陰極１４の表面を遮蔽する。遮蔽部２２は、隣り合う導電性膜１３と陰極１４との間隙において、遮蔽部２２の上方及び下方に水の流路を形成する。

第２実施形態に係る電解水発生装置は、陽極１２側において発生したオゾンが、遮蔽部２２の下方に形成された流路を流れ、ハウジング３の外部に吐出される。この為、発生したオゾンは、陽極１２、導電性膜１３及び陰極１４の近傍において段差なく水に流され、水に溶解されやすい。加えて、第２実施形態に係る電解水生成装置は、遮蔽部２２を備えることにより、陽極１２側において発生したイオンが、陰極１４側において還元されにくくなる。したがって、第２実施形態に係る電解水生成装置は、過酸化水素水の発生を低減できるので、ＯＨラジカルの生成を低減し、導電性膜１３の劣化を低減することができる。

また、第２実施形態に係る電解水生成装置は、陽極１２が導電性ダイヤモンドからなるので、二酸化鉛（ＺｎＯ_２）、白金（Ｐｔ）、酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）等の他の材料と比較して電位窓大きいことなどが電気化学的に優れ、オゾンの発生効率が高い。また、第２実施形態に係る電解水生成装置は、加工性が低い導電性ダイヤモンドからなる陽極１２が、給電体１１の上面に成膜されるので、陽極１２に対する他の工程が不要であり、容易に加工可能である。

また、第２実施形態に係る電解水生成装置は、遮蔽部２２が、陰極１４の表面の一部が露出するように、陰極１４の表面を遮蔽することにより、陰極１４側において発生する水素ガスを陰極１４と遮蔽部２１との間から水中に逃がすことができる。よって、遮蔽部２２の剥離や変形を低減することができる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態に係る電解水発生装置は、図６（ａ），（ｂ）に示すように、箱状のハウジング３Ａと、ハウジング３Ａと一体成型されたリブ状の遮蔽部２３を備える点で第１実施形態と異なる。第３実施形態において説明しない他の構成は、第１実施形態と実質的に同様であるので、重複する説明を省略する。

ハウジング３Ａは、上面の全面を開口する直方体の箱状の容器３２と、容器３２の上面を塞ぐ蓋部３１とから構成される。容器３２は、内部に電解素子１を収容する。容器３２は、両端側の側壁に、それぞれ内部に通じる配管４ａ，４ｂが接続される。容器３２は、一端側の配管４ａから内部に水が供給され、電解素子１により生成された電解水を、他端側の配管４ｂから外部に吐出する。ハウジング３Ａは、例えばアクリル、ＡＢＳ樹脂等の耐オゾン性を有する絶縁体からなる。

蓋部３１は、下面に、導電性膜１３及び陰極１４に対して平行な複数の遮蔽部２３が形成される。遮蔽部２３は、それぞれ、四角柱状であり、１つの側面が蓋部３１の下面と連結する。遮蔽部２３は、それぞれ、互いに対向する２つの側面が、導電性膜１３と陰極１４との界面と接触するように、隣り合う導電性膜１３と陰極１４との間隙に挿入される。

遮蔽部２３は、陰極１４の表面の一部が、ハウジング３Ａに供給される水に対して露出するように、陰極１４の表面を遮蔽する。蓋部３１は、陰極１４の上面と蓋部３１の下面とが間隙を有するように形成される。

第３実施形態に係る電解水発生装置は、陽極１２側において発生したオゾンが、遮蔽部２３の下方に形成された流路を流れ、ハウジング３Ａの外部に吐出される。この為、発生したオゾンは、陽極１２、導電性膜１３及び陰極１４の近傍において段差なく水に流され、水に溶解されやすい。加えて、第３実施形態に係る電解水生成装置は、遮蔽部２３を備えることにより、陽極１２側において発生したイオンが、陰極１４側において還元されにくくなる。したがって、第３実施形態に係る電解水生成装置は、過酸化水素水の発生を低減できるので、ＯＨラジカルの生成を低減し、導電性膜１３の劣化を低減することができる。

また、第３実施形態に係る電解水生成装置は、陽極１２が導電性ダイヤモンドからなるので、二酸化鉛（ＺｎＯ_２）、白金（Ｐｔ）、酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）等の他の材料と比較して電位窓大きいことなどが電気化学的に優れ、オゾンの発生効率が高い。また、第３実施形態に係る電解水生成装置は、加工性が低い導電性ダイヤモンドからなる陽極１２が、給電体１１の上面に成膜されるので、陽極１２に対する他の工程が不要であり、容易に加工可能である。

また、第３実施形態に係る電解水生成装置は、遮蔽部２３が、陰極１４の表面の一部が露出するように、陰極１４の表面を遮蔽することにより、陰極１４側において発生する水素ガスを陰極１４と遮蔽部２３との間から水中に逃がすことができる。よって、遮蔽部２３の剥離や変形を低減することができる。

また、第３実施形態に係る電解水発生装置は、遮蔽部２３がハウジング３Ａの蓋部３１と一体成型されることにより、図７に示すように、容器３２の内部に電解素子１を収容し、蓋部３１を上方から設置することにより組み立て可能である。よって、第３実施形態に係る電解水発生装置は、サイズを低減でき、組み立て作業が容易となり、製造コストを低減できる。

（その他の実施形態）
上記のように、本発明を実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

例えば、既に述べた第１実施形態おいて、電解水生成装置は、図８に示すように、陰極１４の側面の全面を被覆し、陰極１４の上面の全面を露出する遮蔽部２１Ａを備えるようにしてもよい。また、遮蔽部２１Ａは、導電性膜１３と陰極１４との界面を含むように陰極１４を遮蔽してもよく、陰極１４の上面を超えて上方に延伸するようにしてもよい。

また、既に述べた第１〜第３実施形態において、電解水発生装置は、水を用いてオゾンを発生させることに限らず、例えば、食塩水を用いて次亜塩素酸（ＨＣｌＯ）を発生させるようにして、殺菌や水処理に利用してもよい。

また、既に述べた第１〜第３実施形態において、ハウジング３は、円筒状、箱状に限らず、内部に電解素子１を収容し、水を流すことができ形状であれば、種々の形状であってよい。

また、既に述べた第１〜第３実施形態において、電解水発生装置は、ハウジング３の内部にオゾンによる気泡が滞留した場合において、気泡を外部に逃がすため排出手段を備えるようにしてもよい。排出手段は、例えば、気液分離槽、排気弁等により構成可能である。この場合、排出手段は、オゾンを分解する分解手段を備えるようにしてもよい。分解手段は、活性炭、紫外線ランプ、紫外線ＬＥＤ等により構成可能である。

また、既に述べた第１〜第３実施形態において、電解水生成装置は、原水が著しく汚れている場合において、配管４ａの上流側に、浄水処理を行う浄化手段を備えても良い。浄化手段は、例えば、原水の水質に応じて、逆浸透（ＲＯ）膜やナノフィルタ（ＮＦ）膜などの分離膜や、活性炭などの吸着手段、砂ろ過フィルター、不織布、イオン交換樹脂等により構成可能である。

また、既に述べた第１〜第３実施形態に係る電解水生成装置は、例えば平均流速を上げることにより、発生したオゾンを陰極１４側に到達する前に素早く外部に吐出するようにしてもよい。この場合、例えば配管４ａの上流側にポンプを備え、ポンプの出力を上げることで平均流速を増大させることができる。

この様に、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

１ 電解素子
３，３Ａ ハウジング
４ａ，４ｂ 配管
１１ 給電体
１２ 陽極
１３ 導電性膜
１４ 陰極
２１，２１Ａ，２２，２３ 遮蔽部

Claims (4)

1. 内部に水が供給されるハウジングと、
   前記ハウジングの内部に収容され、平板状の給電体、前記給電体の上面に成膜された導電性ダイヤモンドからなる陽極、前記陽極の上面に形成される導電性膜及び前記導電性膜の上面に形成される陰極を備え、前記ハウジングに供給された水を電解することにより電解水を生成する電解素子と、
   前記陰極の表面の一部が、前記ハウジングに供給された水に対して露出するように、前記陰極の表面を遮蔽する遮蔽部と
   を備えることを特徴とする電解水生成装置。
2. 前記導電性膜は、それぞれ帯状であり、互いに平行に複数形成され、
   前記陰極は、それぞれ平板状であり、複数の前記導電性膜の上面の全面にそれぞれ形成されることを特徴とする請求項１に記載の電解水生成装置。
3. 前記遮蔽部は、一体成型され、前記導電性膜と前記陰極との界面を含むように前記陰極の側面を遮蔽することを特徴とする請求項１又は２に記載の電解水生成装置。
4. 前記遮蔽部は、前記ハウジングと一体成型されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電解水生成装置。

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