JP2014502312A - オゾン生成のための電解槽 - Google Patents

Abstract

電解槽は、少なくとも１つの自立構造で立っているダイアモンド電極と、自立構造で立っているダイアモンドであり得る第２電極と、を含んでおり、第２電極は膜によって分けられている。電解槽は、少なくとも約１Ａ／ｃｍ^２の電流密度で維持された電流を伝導させることができる。２つのダイアモンド電極を有する電解槽を動作させる方法は、電極を横切る極性を交互に反転させることを含んでいる。

Description

関連出願の参照

本特許出願は、２０１０年１２月３日に出願された米国仮特許出願第６１／４１９，５７４号（タイトルは“Electrolytic Cell for Ozone Production”、発明者はWilliam J. Yost III, Carl David Lutz, Jeff Booth, Don Boudreau, およびNick Lauder）の優先権を主張するものであり、当該出願の全体は、参照することにより本特許出願に組み入れられる。

本発明は、電解槽に係り、とりわけ、隙間の無い電解質の膜を有する、オゾン生成のための電解槽に関する。

電解槽は、様々な化学的性質（例えば、化合物および元素）の生成のために用いられ得る。電解槽の１つの応用は、オゾンの生成である。オゾンは、病原菌および細菌の効果的なキラー（killer）である。アメリカ食品医薬品局（ＦＤＡ）は、食物の接触面のための殺菌剤として、および、食料製品への直接的な適用のための殺菌剤として、オゾンの使用を認めている。オゾンを生成するため、および、オゾンを源水に直接的に溶解させ、これによって病原菌および細菌を水から取り除くため、電解槽が使用されてきた。結果として、電解槽は、ボトル水製品および工業水供給を浄化するという分野を見つけ出してきた。

第１の形態において、オゾンを生成するための電解槽が提供される。電解槽は、自立構造で立っているダイアモンド材料を含むアノードと、第１電極から離間しているカソードと、プロトン交換膜と、を含んでいる。プロトン交換膜は、アノードとカソードとの間にあり、そして、アノードとカソードとを分けている。

いくつかの形態において、カソードは、自立構造で立っているダイアモンド材料を含んでおり、電解槽は、アノードとカソードの間で極性を反転させるよう構成されている。いくつかの形態において、自立構造で立っているダイアモンド材料は、ボロンがドープされたダイアモンド材料を含んでいる。

いくつかの形態において、アノードおよびカソードは、共通の源からの水を受け取るよう流体連通（fluid communication）しており、またいくつかの形態において、電解槽は、源水流を第１水流および第２水流に分けるよう構成されており、この場合、第１水流がアノードに供給され、第２水流が第２電極に供給される。いくつかの形態において、電解槽は、第１水流および第２水流の少なくとも一方にオゾンが提供された後に第１水流および第２水流が合流するよう、構成されている。その他の形態において、合流した水流は、水を含有するチャンバーに供給され、これによって、チャンバーの中にある水がオゾンによって浄化される。

いくつかの形態において、電解槽は、パイプの中に設置されるよう構成されている。

その他の形態において、電解槽は、陰極液および陰極液用貯水槽を有していない。

いくつかの形態において、自立構造で立っているダイアモンド材料は、約１００マイクロメートルから約７００マイクロメートルの範囲内の厚みを有する、ボロンがドープされたダイアモンド材料を含んでいる。

いくつかの形態はまた、円筒形のハウジングと、第１の半円形のフレーム部材と、
第２の半円形のフレーム部材と、を含んでいる。そのような形態においては、アノード、カソードおよび膜が、第１の半円形のフレーム部材と第２の半円形のフレーム部材との間に挟まれており、そして、アノード、カソード、膜、第１の半円形のフレーム部材および第２の半円形のフレーム部材が、円筒形のハウジングの中にある。その他の形態において、第１の半円形のフレーム部材および第２の半円形のフレーム部材のうちの少なくとも一方は、アノード、カソードおよび膜への圧縮力を生成するよう、拡大可能である。

その他の形態において、ダイアモンド電極が、第１面と、第１面の反対側にある第２面と、少なくとも約１００マイクロメートルの厚みと、を有する、自立構造で立っているダイアモンド材料を含んでいる。電極はまた、自立構造で立っているダイアモンド材料の第１面に連結された電流拡散器（current spreader）を含んでいる。電流拡散器は、電気的接点と、メッシュ構造およびフレーム構造のいずれか一方と、を有している。そのような形態において、電極は、電極の電気的伝導能力またはオゾン生成能力を劣化させることなく、数時間の間、自立構造で立っているダイアモンド材料を通る少なくとも約１Ａ／ｃｍ^２の電流密度（すなわち、維持された電流密度）を伝導させることができる。その他の形態において、自立構造で立っているダイアモンド材料は、少なくとも約２００マイクロメートルの厚みを有している。

その他の形態において、電解槽を動作させる方法は、ダイアモンド材料からなる第１電極と、ダイアモンド材料からなる第２電極と、第１電極と第２電極との間に位置し、第１電極と第２電極とを分ける膜と、を有する電解槽を提供する工程を含んでいる。形態はさらに、一回目に、第１電極と第２電極とを横切る電圧差を提供する工程であって、前記電圧差は、第１極性を有する、工程と、一回目の後の二回目に、第１電極と第２電極とを横切る電圧差の極性を反転させる工程と、を含んでいる。二回目において、電圧差は、第２極性を有する。方法はその後、二回目の後の三回目に、第１電極と第２電極とを横切る電圧差の極性を反転させ、これによって、三回目には前記電圧差が第１極性を有する。

いくつかの形態は、電圧差が、第１極性と第２極性との間で周期的に交互になるよう、電圧差の極性を周期的に反転させる工程を含んでいる。

いくつかの形態において、電圧差が、第１のダイアモンド材料を通る電流を生成し、第１のダイアモンド材料を通る電流は、一回目と二回目との間の期間の全体にわたって、少なくとも約１Ａ／ｃｍ^２の電流密度を有する。

いくつかの形態はまた、電解槽に水を供給し、ここでは、全ての水が単一の源から供給される。また形態は、水を２つの流れに分け、ここでは、第１流は、第１電極に接しており、第２流は、第２電極に接している。第１流および第２流は、膜によって分けられている。方法は、その後、第１電極で第１流にオゾンを導入し、次に、オゾンを導入した後、結合流を生成するよう、第１流と第２流とを結合させる。いくつかの形態は、結合流を保持チャンバーへ向ける。その他の形態は、追加の水を保持チャンバーへ供給し、この場合、追加の水がオゾンによって浄化される。

図１Ａは、第１の形態による電解槽を示す図。 図１Ｂは、第１の形態による電解槽を示す図。 図２は、自立構造で立っているダイアモンドを有する電極を示す図。 図３は、従来技術における薄層状の電極を示す図。 図４Ａは、電流拡散器を一の方向から見た場合を示す図。 図４Ｂは、電流拡散器をその他の方向から見た場合を示す図。 図４Ｃは、電流拡散器をその他の方向から見た場合を示す図。 図４Ｄは、電流拡散器をその他の方向から見た場合を示す図。 図５は、その他の形態による電解槽を示す図。 図６は、その他の形態による電解槽を示す図。 図７は、ハウジングの中にある電解槽の一形態を示す図。 図８は、ハウジングの中にある電解槽のその他の形態を示す図。 図９は、チューブの中にある電解槽の一形態を示す図。 図１０は、システムの中にある電解槽の一形態を示す図。 図１１は、電解槽を動作させる方法を示す図。

各形態における上述の特徴は、付随する図を参照しながら、以下の詳細な説明を参照することにより、より容易に理解される。

一の形態によれば、流水においてオゾンを生成するための電解槽は、少なくとも１つの、自立構造で立っているダイアモンド電極を含んでいる。自立構造で立っているダイアモンド電極は、既知の電極に比べてかなりの高い電力を扱うことができ、また、その他の電極に比べて、より多くのオゾンを生成することができる。

電解槽１００の一形態が図１Ａに示されており、また、電解槽１００の断面が図１Ｂに示されている。図１Ｂでは、電解槽１００の内部の構成要素が見えるようになっている。

図１Ｂに示されているように、電解槽１００は、２つの電極、すなわちアノード１０１およびカソード１０２を有している。この形態において、カソード１０２は、ボロンがドープされた、自立構造で立っているダイアモンドアノードであり、一方、カソード１０２は、チタンまたはその他の伝導性材料から形成されている。アノード１０１およびカソード１０２は、それらの表面領域を増大させるための貫通孔特徴部１１０を含んでいてもよい。水は、貫通孔特徴部１１０を通ることができる。

オゾンを形成するため、水源が電解槽１００に供給され、正の電位がアノードに印加される。一方、アノード１０１およびカソード１０２を横切る電圧差（または電位差）を生じさせるよう、異なる電位がカソード１０２に印加される。図１に示される形態において、電位は、アノード接点１０３およびカソード接点１０４を介して印加される。電解槽１００のアノード側において、電位差が水分子を壊して１）酸素および２）水素カチオンにする。酸素はオゾンになり、水の中に溶解する。水素カチオンは、電解槽のアノード側からカソード側へ、カソード１０２に印加される負の電位によって引き寄せられる。電解槽のカソード側では、カチオンが水素バブルを形成する。

アノード１０１からカソード１０２へのプロトン（例えば水素カチオン）の移動を容易化するため、いくつかの形態においては、すき間のない膜１０５（例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）などの、プロトン交換膜（ＰＥＭ））が、すき間のない電解質として用いられており、また、アノード１０１とカソード１０２との間に配置されている。加えて、いくつかの場合には、膜１０５が、電解槽１００のカソード側での源水流を、電解槽１００のアノード側での源水から分離するためのバリアとして用いられる。構造的な完全性を膜１０５にもたらすため、膜は、支持用の母材（supporting matrix）（図示せず）をさらに含んでいてもよい。

図示されているように、膜１０５は、電極１０１および電極１０２、並びに、接点１０３および接点１０４の間にある。実際、そのような構造は、膜を、電極の間に挟まれたものとして説明することができる。また、電極１０１，１０２および膜１０５の配置、および／または、電極１０１，１０２、膜１０５、および接点１０３，１０４の配置は、電極のサンドイッチを形成するものとして説明され得る。サンドイッチは、これらの構成には限られず、様々な形態は、その他の構成または層を、サンドイッチされた積み重ねの中に含むことができる。

図１Ａおよび１Ｂの形態において、電解槽１００は、アノードフレーム１０６およびカソードフレーム１０７を含んでいる。フレーム１０６，１０７はいずれも、アノード１０１、カソード１０２、アノード接点１０３、カソード接点１０４および膜１０５の位置を定めており、かつ、アッセンブリに構造的な完全性をもたらしている。フレーム１０６，１０７はまた、１つまたは２つ以上の開口部１０８を含んでおり、開口部１０８を通って源水が流れることができる。開口部１０８の寸法および形状は、寸法、長さ、またはその他の幾何学的な側面によって開口部の流体抵抗を変えることによってカソードまたはアノード領域を通る様々な流速を実現するため、変えられ得る。いくつかの例証となる形態において、電解槽はまた、その外側の周囲にＯリング１０９を含んでいる。電解槽１００がパイプ（チューブまたはその他のハウジングであってもよい）の中に挿入されるとき、Ｏリング１０９は、パイプの内側の周縁への電解槽１００の固定および封止に役立つことができる。若しくは、またはそれに加えて、Ｏリング１０９は、フレーム１０６，１０７を互いにクランプすることを補助するための圧縮力をフレーム１０６，１０７に対して提供することもできる。

自立構造で立っているダイアモンド電極２００の形態が、図２に示されている。ダイアモンド電極２００は、電流拡散器２０１および自立構造で立っているダイアモンド２０２を含んでいる。

自立構造で立っているダイアモンド２０２は、第１面２０２Ａと、第１面の反対側にある第２面２０２Ｂと、を有している。ダイアモンドはまた、第１面２０２Ａと第２面２０２Ｂとの間の距離として定義される厚み２０２Ｃを有している。図２の形態において、自立構造で立っているダイアモンドは、ほぼ一様な厚みを有している。すなわち、自立構造で立っているダイアモンドの厚みは、全ての点でほぼ同一になっている。

本明細書および添付の特許請求の範囲において、「自立構造で立っているダイアモンド」とは、薄層状でない（non-laminated）、ドープされたダイアモンド材料であって、約１００μｍよりも大きい厚みを有するダイアモンド材料のことである。例えば、自立構造で立っているダイアモンドは、１００μｍ、２００μｍ、３００μｍ、４００μｍまたはそれを超える厚みを有している。実際、いくつかの形態は、５００μｍ、６００μｍ、７００μｍまたはそれを超える厚みを有している。

これらの厚いダイアモンドは、有利には、性能の著しい劣化を生じさせること無く、かつ実質的なダメージを招くこと無く、持続した期間にわたって、高い電流密度で電流を流すことができる。例えば、いくつかの形態において、自立構造で立っているダイアモンドは、１平方センチメートルあたり少なくとも１アンペア（または「ａｍｐ」）の持続した電流密度で導くことができ、一方、その他の形態は、例えば、１平方センチメートルあたり少なくとも２アンペアの持続した電流密度で導くことができる。テストの間、発明者らは、自立構造で立っているダイアモンド電極を、電極を損傷させることなく、またはその電流伝導またはオゾン生成性能を劣化させることなく、少なくとも５００時間にわたって連続的に、１平方センチメートルあたり約２アンペアの電流密度で動作させた。そのような電極は、既知の電極よりも、１平方センチメートルの表面積あたりでより多くのオゾンを生成することができ、従って、単位時間あたり同一の量のオゾンを生成するよう構成された従来の電極よりも、よりコンパクトに構成され得る。様々な形態による電極はまた、既知の電極よりも、より長い有用かつ生産性の高い寿命を有している。

対照的に、従来技術における電極は、基材上の薄いフィルムダイアモンドコーティングなどの、薄層状の薄いフィルムダイアモンド層を含んでいる。例えば、「Electrochemical Ozone Production Using Diamond Anodes And A Solid Polymer Electrolyte」というタイトルの文献を参照（Alexander Kraft など、 Electrochemistry Communications 8 (2006), 883-886ページ）。例示的な従来技術における電極３００が図３に示されている。電極３００は、基材３０１および薄いフィルムダイアモンド層３０２を含んでいる。薄いフィルムダイアモンド層３０２は、基材３０２上で成長したものであってもよい。そのようなダイアモンド層は、それが成長する以前には存在していない。対照的に、自立構造で立っているダイアモンドは、電流拡散器から独立して存在し得る。

電極３００の構造的および電気的な完全性は、ダイアモンド層３０２と基材３０１との間における物理的な接触に依存する。その接触は、すなわち電極３００の完全性は、ダイアモンド層３０２が基材３０１から剥離し始める場合に危うくなる。そのような剥離は、例えば、電極３００の内側における熱応力によって引き起こされ得る。特に、そのような熱応力は、ダイアモンド層３０２と基材３０１との界面において発現される。熱応力は、同様に、ダイアモンド層３０２と基材３０１での熱膨張係数の相違によって引き起こされ得る。さらに、熱応力は、ダイアモンド層の厚み３０３の増加に伴って増加する。

このため、既知の電極において用いられるダイアモンド層は、制限された厚みおよび制限された電流密度定格からなっていた。薄層状の電極におけるダイアモンド層の厚みを制限することは、ダイアモンド材料と基材での各々の熱膨張係数の相違の結果として生成される熱応力を制限する。一般に、ダイアモンド層の厚みは、約１０μｍまたはそれよりも小さい範囲に制限されてきた。

しかしながら、ダイアモンド層の厚みを制限することによって電極の構造的な完全性を守ることは、コスト高を招く。そのような電極は、電流密度容量を制限してきた。例えば、約４００ｍＡ／ｃｍ^２よりも小さい電流密度が、上述の文献“Electrochemical Ozone Production Using Diamond Anodes And A Solid Polymer Electrolyte”において報告された。実際、薄層状のダイアモンド電極の製造者は、電流密度を０．５Ａ／ｃｍ^２よりも下に維持することを推奨している。高い電流密度は、特に数分または数時間にわたって維持される場合、そのような電極を損傷させるかもしれず、および／または、ダイアモンド層と基材とが剥離し始めることを引き起こすことなどによって、性能の劣化を生じさせるかもしれない。そのような制限された電流容量は、電極のオゾン生成能を制限する。

図２に戻ると、電流拡散器２０１は、自立構造で立っているダイアモンド２０２に対して、固定されるとともに電気的に連結されている。動作中、自立構造で立っているダイアモンド２０２をホストシステムに接続するため、電圧供給が電流拡散器に連結されてもよい。例えば、電流拡散器２０２は、拡張部分２０３を含んでいる。拡張部分は、例えばワイヤがはんだ付けされ得る結合部などの電気的接点として用いられ得る。そのようなものとして、電流拡散器２０１は、電気的な伝導性を有している。いくつかの形態において、電流拡散器は、例えばチタンなどの金属を含んでいてもよい。

電流拡散器の様々な形態が、多様な形状をとることができる。例えば、電流拡散器は、メッシュまたは格子形状のものであってもよい。格子状の電流拡散器７０３が、例えば図７に示されている。

電流拡散器のその他の形態は、いわゆる“フレーム”形状を有している。なぜなら、フレームの一部分は矩形または正方形の形状を有しており、これによって、写真フレームの形状に似ているからである。電流拡散器４００のフレーム形状の一形態が、例えば図４Ａ〜４Ｄに示されている。具体的には、図４Ａは、電流拡散器４００の斜視図を表しており、一方、図４Ｂは、側面図を表しており、図４Ｃは、平面図を表しており、図４Ｄは、底面図を表している。電流拡散器４００は、伝導性を有しており、例えばチタンを含んでいてもよい。図４Ｄの寸法は、説明のためのものであり、その他の様々な形態を制限するものではない。

電流拡散器のフレーム部分４０１は、穴４０２を含んでいる。自立構造で立っているダイアモンド（図４には示されていない）に連結されるとき、穴４０２は、自立構造で立っているダイアモンドの大領域を水に対して向け、これによって、オゾンの生成を容易化する。フレーム部分４０１の周囲が所定の領域を画定する場合、穴４０２は、その領域の大部分を占める。例えば、穴４０２は、フレーム部分４０１の約８０％、約９０％またはそれ以上を占めてもよい。

電解槽５００のその他の形態が、図５に示されている。この形態は、接点５０３，５０４、膜５０５およびＯリング５０９など、上述の電解槽１００に類似したいくつかの特徴を有している。そのような特徴についてここで再び述べることはしない。

しかしながら電解槽５００は、電解槽１００とは異なるものである。なぜなら、少なくとも電解槽５００は、２つの自立構造で立っているダイアモンド電極５０１，５０２を有しているからである。そのようなものにおいて、１つの電極をアノードと同定し、その他の電極をカソードと同定する必要はない。電極５０１，５０２のいずれも、アノードとしてもカソードとしても機能することができる。または実際には、アノードおよびカソードの役割が交互に行ったり来たりしてもよい。いくつかの形態において、電解槽５００または電解槽５００をホストするシステムは、電圧入力の極性を電極に対して反転させる電気回路を含んでいてもよい。そのような電気回路は、例えば、選択的に、第１入力電圧を第１電極５０１に向け、第２電圧を第２電極５０２に向けるために、入力電圧と第１電極５０１および第２電極５０２との間に連結された多数のスイッチを有するスイッチネットワークを含んでいてもよい。そのようなものとして、入力電圧が第１の極性を有する場合、１つの第１電極５０１がアノードとして機能し、その他の第２電極５０２がカソードとして機能する。しかしながら、入力電圧の極性が反転される場合（すなわち、第２極性になる場合）、第１電極５０１がカソードとして機能し、第２電極がアノードとして機能する。

図６は、２つのダイアモンド電解槽のその他の形態６００を示している。図６において、電解槽６００は、膜６０３の同一の側に配置され、ボロンがドープされたダイアモンド電極６０１，６０２の直列構造を含んでいる。電極６０１，６０２はそれぞれ、電極接点６０４，６０５に接続されている。図６に示すように、膜６０３は、ダイアモンド電極６０１および６０２の両方に接触している。このような構造において、カチオンは、電極６０１と電極６０２との間で膜６０３を通って水平方向に移動する。

電解槽アッセンブリ７００のその他の形態が図７に示されている。この形態において、電解槽アッセンブリ７００は、円筒状の内部容積部７００Ｂを有するハウジング７００Ａ、ダイアモンド電極７０１，７０２、電流拡散器７０３，７０４、膜７０５、および、円筒状の内部容積部７００Ｂの内側にある半円形のフレーム７０６および７０７を含んでいる。ハウジング７００Ａは、その外側の形状を考慮しなければ、円筒形ハウジングとも称され得るものである。

この形態において、水は、ハウジング７００Ａの一部である水路７１０を介して電極７０１，７０２に供給される。水が電極７０１，７０２に近づくにつれて、水は、水路７１０の内側にある分割器７１１に出くわす。分割器は、水を第１流（第１水流とも称され得る）および第２流（第２水流とも称され得る）に分けるチャネルを効果的に形成している。これらのチャネルは、第１流を第１電極７０１へ向けており、かつ、第２流を第２電極７０２へ向けている。第１流および第２流はその後、独立に流れ、そして、アノード（電極に供給される電圧の極性に応じて、電極７０１または電極７０２のいずれでも有り得る）を通った流れの中のいくつかの水分子が、その水素原子および酸素原子を消失させ、そして、いくつかの酸素原子がオゾンを形成する。そのようにして、オゾンが流れの一方に導入される。いくつかの形態において、流れは、流れが電極７０１および電極７０２を通った後に所定の点で再び結合されてもよい。

いくつかの形態において、フレーム７０６およびフレーム７０７のうちの少なくとも一方は、電極のサンドイッチに圧縮力を生成するよう拡大可能であってもよい。例えば、フレーム７０６および／またはフレーム７０７は、ばねによって負荷がかけられた２つの部分を含んでいてもよい。はねは、２つの部分を引き離すことを促すように２つの部分を押圧し、このことにより、フレームが拡大する。そのようなものとして、フレームの一部がハウジングの円筒状の内部を押圧し、一方、フレームのその他の部分が電極のサンドイッチを押圧する。

電解槽８００アッセンブリのその他の形態が図８に示されている。この形態は、異なるハウジング８００Ａを含んでいるが、円筒形の内部容積部８００Ｂを有している。この形態８００は、円筒形の内部容積部８００Ｂの内側に電解槽８０１を含んでいる。特に、電解槽８０１は、少なくとも１つのフレームに成形された電流拡散器８０２を含んでおり、この電流拡散器８０２は、上述の電流拡散器４００と類似のものであってもよい。

図９は、電解槽９０１をホストするシステム９００の一形態を示している。システム９００は、チューブ９０２の内側の周囲の中に設置された電解槽９０１を含んでいる。この形態において、電解槽は、例えば上述の電解槽１００であってもよく、または、例えばここで説明される電解槽のその他の形態であってもよい。図９の形態においては、Ｏリング１０９が、電解槽９００とチューブ９０１の内側の周囲との間に水が流れることを防いでいる。

図１０は、電解槽１０００をホストするシステム１０００のその他の形態を示している。図１０は、本発明の一形態によるハウジング１００１の内側にある電解槽１００を示している。本形態における電解槽１００は、上述の電解槽１００であるが、電解槽５００など、本明細書に開示されているその他の形態の中から選択されたものであってもよく、または、全く異なるものであってもよい。

ハウジングは、入口部１００２、出口部１００３、および、入口部１００２を出口部１００３に接続する水路（またはパイプ）１００４を含んでいる。示されている形態において、入口部１００２および／または出口部１００３は、ハウジング１００１を源水供給部へ容易に接続するよう、プッシュロック式の（push-n-lock）チューブ接続部を含んでいる。用いられ得る接続部の例は、米国出願Ｎｏ．１２／７６９，１３３に記載されており、この出願の内容は、参照によりその全体が本願に組み込まれる。

本発明の様々な形態によれば、源水は、入口部１００２の中へ流れ、そして、図１０において矢印１００５で示されている方向において水路１００４、電解槽１００および出口部１００３を通って流れる。源水の一部分は、電解槽１００のアノード側を流れ、一方、源水のその他の部分は、電解槽１００のカソード側を流れる。

水が電解槽１００を通って流れるにつれて、正の電位がアノード１０１に印加され、一方、負の電位がカソード１０２に印加される。電位は、アノード接点１０３およびカソード接点１０４を介して印加され、その後、電気的なリード線１００６を介して電力源に接続される。示されている形態において、アノード接点１０３およびカソード接点１０４は、チタンメッシュまたはチタンフレームの電流拡散器によって形成されている。電流拡散器は、電気的なリード１００６にスポット溶接されている。このようにして、アノード接点１０３およびカソード接点１０４は、アノード１０１およびカソード１０２の表面に源水を接触させることができるようになる。電気的なリード線１００６は、水路１００４の壁を通り、そして、例示的な形態においては、ブッシングスクリュー１００７およびＯリング１００８が、端子と水路の壁との間で源水が漏れることを防ぐために用いられている。

上述のように、電解槽１００のアノード側の水は、１）酸素および２）水素カチオンを形成する。酸素は、水に溶解するオゾンになり、一方、水素カチオンは、電解槽のカソード側に向かって引き寄せられ、そして、水素バブルを形成する。例としてシステム１０００を用いることにより、電解槽１００のカソード側の（水素を含む）水および電解槽のアノード側の（オゾンおよびその他の種を含む）水が合流し、そして、出口部１００３から流出する。

発明者らは、電解槽１００のアノード側からの水と電解槽のカソード側からの水とを混合することが不利であることを理解した。電気分解反応の生成物が混合される場合、それらは、反応して再結合する。例えば、電解槽のカソード側の水素は、その他の化学的な種を形成するため、オゾン、ヒドロキシル基、および、アノード側からのその他の酸素派生物と再結合する。いくつかの場合では、約３０％ものオゾンが、電解槽１００の下流側で再結合することがあり、これによって、電解槽１００の正味のオゾン生成量が減少してしまう。

さらに、発明者らは、本発明の例証となる形態において、このような不利を、電解槽１００の簡易かつ経済的なデザインが上回ることを理解した。図９および１０のデザインに示されているように、電解槽１００のアノード側およびカソード側に供給する上で、単一の水供給部のみが必要になる。対照的に、従来の多くのシステムにおいては、アノードが１つの水供給部によって供給され、かつ、カソードが貯水槽からの陰極液によって供給される。このような従来の構成は、複雑さを増大させ、かつ、電解槽のコストを増大させる。

さらに発明者らは、水素やオゾンなどの生成物を混合することに関連する不利は、生成物の互いに対する露出時間を最小化することによって制限され得ることを実現した。具体的には、発明者らは、水および生成物を大きなチャンバーまたは貯水槽１０２０の中に流すことによって、露出時間が最小化され得ることを発見した。チャンバーにおいて、浮力がある水素バブルが、上面まで上がり、そしてオゾンから離れ、これによって、もはや反応および再結合が生じなくなる。本発明の１つの例証となる形態において、生成物は、それが形成された直後に大きなチャンバーの中へ流れ込む。典型的には、生成物（オゾンおよび水素）が水路の乱流の中ですごす時間が短いほど、それらが再結合して電解槽のオゾン生成物を無効にすることが少なくなる。

発明者らはまた、貯水槽から供給される陰極液を有さない電解槽に関連した不利があることを理解した。電気分解反応の間、源水からの薄片（例えば、炭酸カルシウム）が膜１０５上またはその他の構成要素上に積み重なり、または蓄積する。最終的には、それが上述のように積み重なる場合、薄片が、電解槽１００の中で電気化学反応を妨げる。電解槽１００の内部でのそのような蓄積は、電解槽の有効寿命を短くすることがあり、または、電解槽の性能やオゾンなどの目的の科学的性質の効率的な生成を回復させるために内部の構成要素を分解して洗浄することを求めることになる。この問題の予防に役立てるため、従来のシステムは、陰極液（例えば、塩化ナトリウムおよび／またはクエン酸を含む水）の貯水槽を利用して、当該液を膜の表面および従来のデバイスのカソードに適用していた。陰極液は、膜の上および陰極の上に薄片が積み重なることを防ぐのに役立ち、これによって、電解槽の効率を改善する。

陰極液が薄片の積み重なりを防ぐのに役立つが、それでもなお、陰極液は、追加の部品を必要とし、かつ電解槽のデザインおよびそれを利用するシステムの設計に対するコストを悪化させ、かつ追加する、ということを発明者らは理解している。発明者らはさらに、本発明の例証となる形態において、積み重ねられた薄片に関連する不利が、電解槽１００の簡易かつ経済的な設計によって無効化されることを理解した。図９および１０の設計に示されているように、例えば、本発明の例証となる形態は、貯水槽または陰極液を含んでいない。言い換えれば、そのような形態は、貯水槽および陰極液を用いない。この経済的かつ簡易な電解槽１００の設計は、電解槽１００がもはや有効でなくなったときにそれを交換することを可能にする。

本発明の例証となる形態は、とりわけ、使い捨て可能であるという点、および、水の浄化のための低コストの解決法であるという点で有益である。より高価かつ複雑な従来のシステムが、効率を回復させるために陰極液の交換および／または電解槽の分解を必要とするのに対して、電解槽の例証となる形態は、単純に、取り除かれ、廃棄され、そして、新たな電解槽アッセンブリに交換される。電解槽の例証となる形態は、制限された寿命（既知の電解槽よりも長い寿命ではあるが）を有するかもしれないが、より複雑な従来の電解槽をメンテナンスすることに代えて、使い捨て可能な電解槽を単に交換することは、よりコスト効率が良いことである。そのような使い捨て可能な電解槽は、とりわけ、源水供給部が低レベルの不純物を有している場合に有益である。そのような環境下において、薄片の積み重なりは低く、そして、陰極液の必要性を軽減する。陰極液の必要性を軽減するその他の要因もまた、存在し得る。

電解槽の操作方法１１００が図１１に示されている。上述のように、２つの自立構造で立っているダイアモンド電極を有する電解槽において、一方の電極をアノードとして同定し、他方の電極をカソードとして同定する必要はない。いずれの電極も、アノードとしてもカソードとしても機能することができる。または実際には、アノードおよびカソードの役割が交互に行ったり来たりしてもよい。この特徴は、薄片の積み重なりを軽減するように電解槽が動作することを可能にする。

そのようなものとして、方法は、ダイアモンド材料を含む第１電極およびダイアモンド材料を有する第２電極を含む電解槽を提供することによって開始する（工程１１０１）。電解槽は、上述の電解槽と類似のものであってもよく、または、その他の設計のものであってもよい。いくつかの形態において、ダイアモンド電極は、自立構造で立っているダイアモンドであるが、その他の形態において、ダイアモンド電極は、従来技術で知られているような、薄層状のダイアモンドを含んでいてもよい。電解槽はまた、第１電極と第２電極との間で第１電極と第２電極とを分離する膜を含んでいる。

動作の際、水が電解槽に供給される（工程１１０２）。上述のように、いくつかの形態は、入ってくる水を第１流および第２流に分離し、そして、第１流をアノードへ向け、第２流をカソードに向ける。そのようなものとして、いくつかの形態は、工程１１０２で、水をそのような複数の流れに分ける。上述のように、いくつかの形態は、陰極液を必要とせず、または使用しない。そのようなものとして、いくつかの水が１つの水源から供給され、異なる源から陰極液が供給されることよりもむしろ、全ての水が１つの共通の源から供給され得る。従って、いくつかの形態は、単一のまたは共通の源から水を電解槽に供給する。

上述のように、電解槽の動作の際、複数の電極を横切る電位差が提供される。そのようなものとして、方法はまた、工程１１０３において、一回目は、第１電極および第２電極を横切る電位差を提供し、この電位差は正の極性を有している。

一方、この形態においては、薄片が電極上に積み重なり始める、または積み重なり続けるかもしれない。薄片の積み重なりに対抗するため、次の工程は、第１電極および第２電極への電圧の極性を反転させる（工程１１０４）。この工程１１０４は、一回目の後の二回目に実施され、電圧差が第２の（反対の、または逆転した）極性を二回目で有するようになる。電圧の極性を反転させることにより、電極と薄片との間での引力もまた反転され、これによって、第１極性の下では薄片を引き寄せていた電極が、第２極性の下では薄片を遠ざけるようになる。経時的に繰り返される極性の反転（例えば、第１極性、第２極性、第１極性、第２極性、など）は、薄片の積み重なりを軽減することに役立ち、そして、既に積み重ねられた薄片を無効にすることさえもできる。

そのようなものとして、プロセスは、二回目の後の三回目におけるさらなる電圧差の反転を含んでいる（工程１１０５）。この新たな電圧差は、三回目で第１極性を有している。

極性を反転させるこのプロセスまたはサイクルは、周期的に繰り返されてもよい。サイクルの周期は、システムのオペレータによって決定され得る。また、選択された周期は、電解槽の寸法、電極を過ぎる水流の速度、および、水の内容物（例えば、不純物の量）などの要因に依存していてもよい。例えば、極性は、毎分１回、毎時１回、毎日１回、または、周期的に、または様々な間隔でランダムに反転されてもよい。

印加された電圧差が、第１ダイアモンド材料を通る電流を生成する。例証となる形態において、第１ダイアモンド材料を通るこの電流は、第１時間と第２時間との間の期間の全体にわたって、少なくとも約１Ａ／ｃｍ^２の電流密度を有している。例えば、この時間の間、電流は、約１．５Ａ／ｃｍ^２、約２Ａ／ｃｍ^２または３Ａ／ｃｍ^２の電流密度、または、当業者によって決定されるさらに高い電流密度を有していてもよい。

その後、方法は、工程１１０６で、第１電極の第１流の中にオゾンを導入する。最終的に、方法は、オゾン導入後、工程１１０７で結合流を生成するため、第１流および第２流を結合させる。

いくつかの形態はまた、結合流を保持チャンバーに向ける（工程１１０８）。さらに、いくつかの形態は、さらなる水を保持チャンバーに提供し、ここで、さらなる水がオゾンによって浄化される（工程１１０９）。さらなる水は、オゾンが入っている水の結合流が保持チャンバーに到着する前、後、またはその期間中に、提供され得る。

本発明の上述の形態は、単に説明のためのものであり、多くの変形例および修正例が当業者にとっては明らかである。例えば、限定はされないが、いくつかの形態は、特定の電解槽を有するシステムを説明しているが、一般には、そのようなシステムは、上述の電解槽のいずれかを用いて構成され得る。その他の例として、図１１の方法は、水を分離すること、および、電極を横切る電圧の極性を反転させることの両方を含んでいる。しかしながら、水流を分離する方法は、電圧の極性を反転させることなく実行されてもよい。また、電圧の極性を反転させる方法は、水流を分離することなく実行されてもよい。そのような変形例および修正例の全ては、特許請求の範囲に規定されている本発明の範囲内であることが意図されている。

Claims (21)

1. オゾンを生成するための電解槽であって、
   自立構造で立っているダイアモンド材料を含む第１電極と、
   前記第１電極から離間している第２電極と、
   前記第１電極と前記第２電極とを分けるプロトン交換膜と、を備え、
   前記プロトン交換膜は、前記第１電極と前記第２電極との間にある、電解槽。
2. カソードが、自立構造で立っているダイアモンド材料を含んでおり、
   電解槽は、第１電極と第２電極の間で極性を反転させるよう構成されている、請求項１に記載の電解槽。
3. 自立構造で立っているダイアモンド材料は、ボロンがドープされたダイアモンド材料を含んでいる、請求項１に記載の電解槽。
4. 第１電極および第２電極は、共通の源からの水を受け取るよう流体連通している、請求項１に記載の電解槽。
5. 電解槽は、源水流を第１水流および第２水流に分けるよう構成されており、
   電解槽は、第１水流を第１電極に供給する第１チャネルをさらに備え、
   電解槽はまた、第２水流を第２電極に供給する第２チャネルを備える、請求項４に記載の電解槽。
6. 電解槽は、第１水流および第２水流の少なくとも一方にオゾンが提供された後に第１水流および第２水流が合流するよう、構成されている、請求項５に記載の電解槽。
7. 合流した水流は、水を含有するチャンバーに供給され、これによって、チャンバーの中にある水がオゾンによって浄化される、請求項６に記載の電解槽。
8. 電解槽は、パイプの中に設置されるよう構成されている、請求項１に記載の電解槽。
9. 電解槽は、陰極液および陰極液用貯水槽を有していない、請求項１に記載の電解槽。
10. 自立構造で立っているダイアモンド材料は、約１００マイクロメートルから約７００マイクロメートルの範囲内の厚みを有する、ボロンがドープされたダイアモンド材料を含んでいる、請求項３に記載の電解槽。
11. 円筒形のハウジングと、
    第１の半円形のフレーム部材と、
    第２の半円形のフレーム部材と、をさらに備え、
    アノード、カソードおよび膜が、第１の半円形のフレーム部材と第２の半円形のフレーム部材との間に挟まれており、
    アノード、カソード、膜、第１の半円形のフレーム部材および第２の半円形のフレーム部材が、円筒形のハウジングの中にある、請求項１に記載の電解槽。
12. 第１の半円形のフレーム部材および第２の半円形のフレーム部材のうちの少なくとも一方は、アノード、カソードおよび膜への圧縮力を生成するよう、拡大可能である、請求項１１に記載の電解槽。
13. ダイアモンド電極であって、
    第１面と、第１面の反対側にある第２面と、少なくとも約１００マイクロメートルの厚みと、を有する、自立構造で立っているダイアモンド材料と、
    自立構造で立っているダイアモンド材料の第１面に連結された電流拡散器であって、電気的接点と、メッシュ構造およびフレーム構造のいずれか一方と、を有する、電流拡散器と、を備え、
    前記電極は、電極の電気的伝導能力またはオゾン生成能力を劣化させることなく、数時間の間、自立構造で立っているダイアモンド材料を通る少なくとも約１Ａ／ｃｍ^２で維持された電流密度を伝導させるよう、構成されている、ダイアモンド電極。
14. 電流拡散器は、フレーム構造を有する、請求項１３に記載のダイアモンド電極。
15. 自立構造で立っているダイアモンド材料は、少なくとも約２００マイクロメートルの厚みを有する、請求項１３に記載のダイアモンド電極。
16. 電解槽を動作させる方法であって、
    ダイアモンド材料を有する第１電極と、ダイアモンド材料を有する第２電極と、第１電極と第２電極との間に位置し、第１電極と第２電極とを分ける膜と、を備える電解槽を提供する工程と、
    一回目に、第１電極と第２電極とを横切る電圧差を提供する工程であって、前記電圧差は、第１極性を有する、工程と、
    一回目の後の二回目に、第１電極と第２電極とを横切る電圧差の極性を反転させ、これによって、二回目には前記電圧差が第２極性を有する、工程と、
    二回目の後の三回目に、第１電極と第２電極とを横切る電圧差の極性を反転させ、これによって、三回目には前記電圧差が第１極性を有する、工程と、を含む、電解槽を動作させる方法。
17. 電圧差が、第１極性と第２極性との間で周期的に交互になるよう、電圧差の極性を周期的に反転させる工程をさらに含む、請求項１６に記載の電解槽を動作させる方法。
18. 前記電圧差が、第１のダイアモンド材料を通る電流を生成し、
    第１のダイアモンド材料を通る電流は、一回目と二回目との間の期間の全体にわたって、少なくとも約１Ａ／ｃｍ^２の電流密度を有する、請求項１６に記載の電解槽を動作させる方法。
19. 電解槽に水を供給する工程であって、全ての水が単一の源から供給される、工程と、
    水を２つの流れに分ける工程であって、第１流は、第１電極に接しており、第２流は、第２電極に接しており、第１流および第２流は、膜によって分けられている、工程と、
    第１電極で第１流にオゾンを導入する工程と、
    オゾンを導入した後、結合流を生成するよう、第１流と第２流とを結合させる工程と、をさらに含む、請求項１６に記載の電解槽を動作させる方法。
20. 結合流を保持チャンバーへ向ける工程をさらに含む、請求項１９に記載の電解槽を動作させる方法。
21. 追加の水を保持チャンバーへ供給し、これによって追加の水がオゾンによって浄化される工程をさらに含む、請求項２０に記載の電解槽を動作させる方法。

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