JP2018076579A

JP2018076579A - 水電解装置、機能水の製造方法

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Publication number: JP2018076579A
Application number: JP2016220971A
Authority: JP
Inventors: 文雄岡田; Fumio Okada
Original assignee: Kogakuin University
Current assignee: Kogakuin University
Priority date: 2016-11-11
Filing date: 2016-11-11
Publication date: 2018-05-17

Abstract

【課題】水電解セル内の流路を流通する水と気体の偏流を抑制する水電解装置の提供。
【解決手段】第一ターミナルプレート４４及び第一メッシュ電極４２〜４３２を有する第一電極部４０と、第二ターミナルプレート５４及び第二メッシュ電極５２〜５３５を有する第二電極部５０とを有し、固体電解質膜３２の一方の面３２Ａと第一ターミナルプレートとの間に第一メッシュ電極が挟まれ、第一水が流通し、固体電解質膜の他方の面３２Ｂと第二ターミナルプレートとの間に第二メッシュ電極が挟まれ、第二水が流通する水電解セルと、第一電極部と第二電極部との間に電流を流して第二電極部に気体を生成する電源と、第二水の流通方向上流側に流通方向に対する直交方向に複数配置され流路に第二水を流入させる流入口３９１Ｃ，３９２Ｃと、第二水の流通方向下流側に直交方向に複数配置され流路から第二水を流出させる流出口３９１Ｄ，３９２Ｄとを備える水電解装置１０。
【選択図】図２

Description

本発明は、水電解装置、機能水の製造方法に関する。

特許文献１には、Ｐｔ（プラチナ）などの金属メッシュを電極として用いた水電解セルに対して、金属メッシュ面に沿って水を供給して水電解を行う構成が開示されている。

特開２００６−１７５３８４号公報

ここで、水電解セル内においてメッシュ電極の面に沿って水を流通させ、水電解により生成された気体（オゾン、酸素又は水素）を水に溶解して、オゾン水、酸素水又は水素水（以下、これらを総称して機能水という）を製造する方法が知られている。この構成において、面積の大きいメッシュ電極を用いた場合では、水が流通する流路の幅が広くなり、当該流路を流通する水及び気体に偏流が生じやすい。水及び気体に偏流が生じると、気液の接触が悪くなり、機能水の高濃度化が難しくなる。

本発明は、上記事実を考慮し、水電解セル内の流路を流通する水及び気体に生じる偏流を抑制することを目的とする。

請求項１の発明は、固体電解質膜と、第一ターミナルプレート及び板状の第一メッシュ電極を有する第一電極部と、第二ターミナルプレート及び板状の第二メッシュ電極を有する第二電極部と、を有する水電解セルであって、前記固体電解質膜の一方の面と前記第一ターミナルプレートとの間に前記第一メッシュ電極が挟まれ且つその間を第一流路として前記一方の面に沿って第一水が流通し、前記固体電解質膜の他方の面と前記第二ターミナルプレートとの間に前記第二メッシュ電極が挟まれ且つその間を第二流路として前記他方の面に沿って第二水が流通する前記水電解セルと、前記第一電極部と前記第二電極部との間に電流を流すことで前記水電解セルにおいて水電解して、前記第二電極部に気体を生成する電源と、前記水電解セルにおける前記第二水の流通方向上流側に設けられ、該流通方向と直交する方向に沿って複数配置され、前記第二流路に前記第二水を流入させる流入口と、前記水電解セルにおける前記第二水の流通方向下流側に設けられ、該流通方向と直交する方向に沿って複数配置され、前記第二流路から前記第二水を流出させる流出口と、を備える。

この構成によれば、水電解セルの第二流路に第二水を流入させる流入口が、第二水の流通方向と直交する直交方向に沿って複数配置されている。さらに、水電解セルの第二流路から第二水を流出させる流出口が、第二水の流通方向と直交する直交方向に沿って複数配置されている。

このため、流入口及び流出口が１つのみである構成に比べ、第二水が直交方向において偏って第二流路を流通することが抑制される。これにより、水電解により生成された気体も、直交方向において偏って第二流路を流通することが抑制される。このように、請求項１の構成によれば、水電解セル内の流路を流通する水及び気体に生じる偏流を抑制できる。

請求項２の発明では、前記水電解セルにおける前記第一水の流通方向上流側に設けられ、該流通方向と直交する方向に沿って複数配置され、前記第一流路に前記第一水を流入させる第一水用の流入口と、前記水電解セルにおける前記第一水の流通方向下流側に設けられ、該流通方向と直交する方向に沿って複数配置され、前記第一流路から前記第一水を流出させる第一水用の流出口と、を備える。

この構成によれば、水電解セルの第一流路に第一水を流入させる流入口が、第一水の流通方向と直交する直交方向に沿って複数配置されている。さらに、水電解セルの第一流路から第一水を流出させる流出口が、第一水の流通方向と直交する直交方向に沿って複数配置されている。

このため、流入口及び流出口が１つのみである構成に比べ、第一水が直交方向において偏って第一流路を流通することが抑制される。これにより、水電解により生成された気体も、直交方向において偏って第一流路を流通することが抑制される。このように、請求項２の構成によれば、水電解セル内の流路を流通する水及び気体に生じる偏流を抑制できる。

請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の水電解装置を準備する準備工程と、前記水電解装置の水電解セルに第一水及び第二水を流通させつつ、前記水電解セルに電流を流して前記水電解セルで水電解し、該水電解より発生した気体を含む機能水を製造する水電解工程と、を有する。

この製造方法によれば、流入口及び流出口が１つのみである水電解装置を用いる場合に比べ、水電解セル内の流路を流通する水及び気体に生じる偏流を抑制できる。このため、水と気体との接触が良くなり、製造される機能水の高濃度化につながる。

本発明は、上記構成としたので、水電解セル内の流路を流通する水及び気体に生じる偏流を抑制できる。

本実施形態に係る水電解装置の構成を示す概略図である。本実施形態に係る水電解セルの構成を示す分解斜視図である。本実施形態に係る水電解セルの構成を示す断面図である。本実施形態に係る水電解装置において酸素水を利用する変形例を示す概略図である。本実施形態に係る水電解装置においてオゾン水を生成する変形例を示す概略図である。本実施形態に係る水電解装置においてオゾン水を生成する際に、流入口と流出口を一つずつとした場合（比較例）のオゾン生成電流効率である。本実施形態に係る水電解装置においてオゾン水を生成する際に、流入口と流出口を二つずつとした場合のオゾン生成電流効率である。

以下に、本発明に係る実施形態の一例を図面に基づき説明する。

〈水電解装置１０〉
まず、本実施形態に係る水電解装置１０の構成を説明する。図１は、本実施形態に係る水電解装置１０の構成を示す概略図である。

水電解装置１０は、純水（水の一例）を水電解して、水素水を生成する装置である。具体的には、水電解装置１０は、図１に示されるように、第一供給路２０と、第二供給路６０と、水電解セル３０と、第一排出路７０と、第二排出路９０と、気液混合器９６と、溶存水素濃度計９４と、電源８０と、を有している。

［水電解セル３０］
水電解セル３０は、図２に示されるように、固体電解質膜３２と、陽極部４０（第一電極部の一例）と、陰極部５０（第二電極部の一例）と、筐体３８と、を有している。

固体電解質膜３２としては、例えば、ナフィオン膜（ナフィオンは登録商標）などの固体高分子電解質膜が用いられる。なお、固体電解質膜３２としては、ナフィオン膜に限られず、種々の固体電解質膜を用いることが可能である。

陽極部４０は、板状（扁平状）とされた第一メッシュ電極４２、４３１、４３２（以下、４２〜４３２と示す）と、板状とされた第一ターミナルプレート４４（端子）と、を有している。

第一メッシュ電極４２〜４３２は、厚み方向に重ねられており、互いが厚み方向に接触するように配置されている。固体電解質膜３２の一方の面３２Ａは、第一メッシュ電極４２の一方の面４２Ａに接触している。第一ターミナルプレート４４は、第一メッシュ電極４３２の一方の面４３２Ｂに接触している。第一ターミナルプレート４４は、具体的には、平板状とされており、第一メッシュ電極４３２に接触する接触面には、水路を形成するための溝がなく、当該接触面は、全面が平面で形成されている。

陰極部５０は、板状（扁平状）とされた第二メッシュ電極５２、５３１、５３２、５３３、５３４、５３５（以下、５２〜５３５と示す）と、板状とされた第二ターミナルプレート５４（端子）と、を有している。第二メッシュ電極５２〜５３５は、厚み方向に重ねられており、互いが厚み方向に接触するように配置されている。固体電解質膜３２の他方の面３２Ｂは、第二メッシュ電極５２の一方の面５２Ａに接触している。第二ターミナルプレート５４は、第二メッシュ電極５３５の一方の面５３５Ｂに接触している。第二ターミナルプレート５４は、具体的には、平板状とされており、第二メッシュ電極５３５に接触する接触面には、水路を形成するための溝がなく、当該接触面は、全面が平面で形成されている。

水電解セル３０では、第一メッシュ電極４２〜４３２と第二メッシュ電極５２〜５３５とで固体電解質膜３２を挟み込み、この挟み込んだものが、第一、第二ターミナルプレート４４、５４の間に配置されている。すなわち、水電解セル３０では、第一ターミナルプレート４４、第一メッシュ電極４３２、４３１、４２、固体電解質膜３２、第二メッシュ電極５２、５３１、５３２、５３３、５３４、５３５及び第二ターミナルプレート５４がこの順で積層されている。そして、この積層体が、筐体３８に収容されている。

第一、第二ターミナルプレート４４、５４としては、例えば、Ｔｉ又はステンレスが用いられる。固体電解質膜３２に接触する第一、第二メッシュ電極４２、５２としては、例えば、水の電気分解活性に優れた触媒電極が用いられる。この触媒電極としては、例えば、Ｐｔ・Ｎｉ・ステンレス等の金属、ＰｂＯ_２・ＮｉやＳｂをドープしたＳｎＯ_２・ＩｒＯ_２・Ｎｂ_２Ｏ_５・ＴａＯｘ等の酸化物、活性化炭素・ボロンドープダイヤモンド等の炭素電極などが用いられる。また、第一、第二メッシュ電極４２、５２としては、ＩｒＯ_２等の触媒粒子を担持したＴｉなどであってもよい。

固体電解質膜３２に接触しない第二メッシュ電極４３１、４３２、５３１、５３２、５３３、５３４、５３５としては、Ｔｉやステンレス等の耐酸化性に優れた材料が用いられる。これにより、水電解セル３０の劣化を抑制できる。

また、第一、第二メッシュ電極４２〜４３１、５２〜５３５としては、例えば、板状（扁平状）且つメッシュ状（網状）の電極が用いられる。具体的には、第一、第二メッシュ電極４２〜４３１、５２〜５３５は、例えば、平織りや綾織りなどによって、メッシュ状に形成されている。

また、第一、第二メッシュ電極４２〜４３２、５２〜５３５は、表裏の両面（一方の面及び他方の面）において、複数の凹凸を有している。これにより、第一ターミナルプレート４４、第一メッシュ電極４２〜４３２、固体電解質膜３２、第二メッシュ電極５２〜５３５及び第二ターミナルプレート５４は、互いに、隣接する部材に対して接触する部分と隙間を有する部分とが形成される。

陽極部４０では、図３に示されるように、固体電解質膜３２の一方の面３２Ａと第一ターミナルプレート４４との間に、純水（第一水としてのアノード水）が流通する流路４０Ａ（第一流路の一例）が形成されている。当該流路４０Ａは、具体的には、固体電解質膜３２、第一メッシュ電極４２〜４３２及び第一ターミナルプレート４４の各々の間の隙間部分と、第一メッシュ電極４２〜４３２の網目部分と、によって形成されている。そして、陽極部４０では、固体電解質膜３２の一方の面３２Ａと第一ターミナルプレート４４との間において、固体電解質膜３２の一方の面３２Ａ（第一メッシュ電極４２〜４３２の面）に沿って純水（アノード水）が当該流路４０Ａを流通する。

また、陰極部５０では、固体電解質膜３２の他方の面３２Ｂと第二ターミナルプレート５４との間に、純水（第二水としてのカソード水）が流通する流路５０Ａ（第二流路の一例）が形成されている。当該流路５０Ａは、具体的には、固体電解質膜３２、第二メッシュ電極５２〜５３５及び第二ターミナルプレート５４の各々の間の隙間部分と、第二メッシュ電極５２〜５３５の網目部分と、によって形成されている。そして、陰極部５０では、固体電解質膜３２の他方の面３２Ｂと第二ターミナルプレート５４との間において、固体電解質膜３２の他方の面３２Ｂ（第二メッシュ電極５２〜５３５の面）に沿って純水（カソード水）が当該流路５０Ａを流通する。なお、図２には、水電解セル３０においてアノード水及びカソード水が流通する方向が矢印にて示されている。

第一、第二メッシュ電極４２〜４３２、５２〜５３５は、水電解セル３０における水の流通方向の長さが、当該流通方向に直交する直交方向の幅より長くされている。第一、第二メッシュ電極４２〜４３２、５２〜５３５の大きさ（面積）は、例えば、幅３０ｍｍ×長さ６０ｍｍ（１：２）の大きさとされる。なお、第一、第二メッシュ電極４２〜４３２、５２〜５３５は、直交方向の幅が、流通方向の長さより広くされる構成であってもよい。この場合は、第一、第二メッシュ電極４２〜４３２、５２〜５３５の大きさ（面積）は、例えば、幅１２０ｍｍ×長さ２０ｍｍ（６：１）の大きさとしてもよい。

また、水電解セル３０では、固体電解質膜３２と第一ターミナルプレート４４との間に三枚の第一メッシュ電極４２〜４３２が配置され、固体電解質膜３２と第二ターミナルプレート５４との間に六枚の第二メッシュ電極５２〜５３５が配置されていたが、これに限られない。すなわち、固体電解質膜３２と第一、第二ターミナルプレート４４、５４の各々との間に配置されるメッシュ電極の枚数は、例えば、水電解セル３０で流す純水の流量と、水電解セル３０内での圧力損失とによって規定される。

メッシュ電極の枚数を増やすことで、固体電解質膜３２と第一、第二ターミナルプレート４４、５４の各々との間の隙間が大きくなり、流路断面積が大きくなるため、圧力損失を抑制できる。したがって、水電解セル３０で流す純水の流量を多くしつつ、圧力損失を抑制したい場合には、固体電解質膜３２と第一、第二ターミナルプレート４４、５４の各々との間に配置されるメッシュ電極の枚数が増加される。

さらに、筐体３８は、陽極部４０側の第一筐体３８１と、陰極部５０側の第二筐体３８２と、で構成されている。第一筐体３８１及び第二筐体３８２の各々は、具体的には、第一、第二ターミナルプレート４４、５４の各々にその厚み方向に対向する対向壁３８１Ａ、３８２Ａと、対向壁３８１Ａ、３８２Ａの四辺に沿って配置され陰極部５０及び陽極部４０の各々を囲む周壁３８１Ｂ、３８２Ｂと、を有している。第一筐体３８１及び第二筐体３８２は、例えば、テフロン製（テフロンは登録商標）とされている。

第一筐体３８１及び第二筐体３８２の各々の内部には、第一メッシュ電極４２〜４３２、第一ターミナルプレート４４と、第二メッシュ電極５２〜５３５、第二ターミナルプレート５４との各々が収容されている。この収容状態で、固体電解質膜３２の周縁部が、Ｏリング３７１、３７２を介して、第一筐体３８１の周壁３８１Ｂ及び第二筐体３８２の周壁３８２Ｂで挟まれて、第一筐体３８１及び第二筐体３８２がネジ止め等により固定されている。第一筐体３８１及び第二筐体３８２の各々の内部は、固体電解質膜３２によって仕切られている。

第一筐体３８１及び第二筐体３８２の各々に収容された第一、第二ターミナルプレート４４、５４に電流を流すための電極ロッド３３（図２参照）が、対向壁３８１Ａ、３８２Ａの各々を貫通し、第一、第二ターミナルプレート４４、５４の各々にネジ止めされている。この電極ロッド３３を、陽極部４０（第一ターミナルプレート４４）及び陰極部５０（第二ターミナルプレート５４）の各々に、複数本（例えば、３本）ずつ配置して、各メッシュ電極の電位と電流密度が等しくなるようにするとともに、電流を小分けにして電極ロッド３３の過熱が防止されている。なお、図２では、陰極部５０（第二ターミナルプレート５４）側に配置された電極ロッド３３が示されている。電極ロッド３３としては、例えば、直径６ｍｍのＳＵＳ製ロッドが用いられる。

第一筐体３８１の内部空間は、収容される第一メッシュ電極４２〜４３２の枚数が第二筐体３８２に収容される第二メッシュ電極５２〜５３５の枚数も少ないため、第二筐体３８２の内部空間よりも小さくされていてもよい。また、第一筐体３８１の内部空間を、第二筐体３８２の内部空間と同じとし、第一筐体３８１の内部空間にスペーサを収容して、空いた空間を埋めるように構成してもよい。当該スペーサは、例えば、平板で形成され、対向壁３８１Ａと、第一ターミナルプレート４４との間に収容される。また、当該スペーサは、例えば、第一筐体３８１及び第二筐体３８２と同じ材料で形成される。

第一筐体３８１の内部空間には、図３に示されるように、整流用の空間３８１Ｈ、３８１Ｇが、第一ターミナルプレート４４及び第一メッシュ電極４２〜４３２に対する流入側（図３における左側）及び流出側（図３における右側）に形成されている。アノード水は、第一筐体３８１の内部空間内では、流路４０Ａを通じて空間３８１Ｈから空間３８１Ｇへ流れる。また、第二筐体３８２の内部空間には、整流用の空間３８２Ｈ、３８２Ｇが、第二ターミナルプレート５４及び第二メッシュ電極５２〜５３５に対する流入側（図３における左側）及び流出側（図３における右側）に形成されている。カソード水は、第二筐体３８２の内部空間では、流路５０Ａを通じて空間３８２Ｈから空間３８２Ｇへ流れる。

また、第一メッシュ電極４２〜４３２の大きさは、第一ターミナルプレート４４の大きさと略同一とされている。第二メッシュ電極５２〜５３５の大きさは、第二ターミナルプレート５４の大きさと略同一とされている。このため、空間３８１Ｈ、３８１Ｇと、空間３８２Ｈ、３８２Ｇとは、固体電解質膜３２のみで仕切られる構造となっている。

なお、第一メッシュ電極４２〜４３２の大きさを第一ターミナルプレート４４の大きさと略同一にし、第二メッシュ電極５２〜５３５の大きさを第二ターミナルプレート５４の大きさと略同一にする理由として、以下の理由が挙げられる。すなわち、当該理由として、Ｐｔ等の高価なメッシュ電極を無駄に大きくしないこと、メッシュ電極の電極面全体をターミナルプレートに接触させることにより均一な電界を形成することなどが挙げられる。

また、陽極部４０側の空間３８１Ｈ、３８１Ｇと、陰極部５０側の空間３８２Ｈ、３８２Ｇとの差圧が大きくなるような運転条件（例えば、片側だけ大流量）にする場合には、差圧による固体電解質膜３２の変形・破損を防ぐため、固体電解質膜３２を支持するＴｉ等のメッシュを、固体電解質膜３２の両面側に入れてもよい。この支持用のメッシュは、例えば、Ｏリング３７１、３７２付近までの大きさがあり、固体電解質膜３２と共に第一筐体３８１の周壁３８１Ｂ及び第二筐体３８２の周壁３８２Ｂで挟まれて固定される。

第一筐体３８１の対向壁３８１Ａ及び第二筐体３８２の対向壁３８２Ａの各々には、流入口としての一対の流入管３９１Ｃ、３９２Ｃと、流出口としての一対の流出管３９１Ｄ、３９２Ｄと、が設けられている。対向壁３８１Ａ及び対向壁３８２Ａには、メネジ３５が形成されており、一対の流入管３９１Ｃ、３９２Ｃ及び一対の流出管３９１Ｄ、３９２Ｄの外周に形成されたオネジ３６がねじ込まれることで、各流入管３９１Ｃ、３９２Ｃ及び各流出管３９１Ｄ、３９２Ｄが取り付けられている。

一対の流入管３９１Ｃは、具体的には、流路４０Ａにアノード水を流入させる流入口として機能し、水電解セル３０におけるアノード水の流通方向上流側に設けられている。この一対の流入管３９１Ｃは、アノード水の流通方向と直交する方向（Ｙ方向）に沿って並んで配置されている。一対の流出管３９１Ｄは、具体的には、流路４０Ａからアノード水を流出させる流出口として機能し、水電解セル３０におけるアノード水の流通方向下流側に設けられている。この一対の流出管３９１Ｄは、アノード水の流通方向と直交する方向に沿って並んで配置されている。また、各流入管３９１Ｃと各流出管３９１Ｄとは、アノード水の流通方向において対向して配置されている。

一対の流入管３９２Ｃは、具体的には、流路５０Ａにカソード水を流入させる流入口として機能し、水電解セル３０におけるカソード水の流通方向上流側に設けられている。この一対の流入管３９２Ｃは、カソード水の流通方向と直交する方向（Ｙ方向）に沿って並んで配置されている。一対の流出管３９２Ｄは、具体的には、流路５０Ａからカソード水を流出させる流出口として機能し、水電解セル３０におけるカソード水の流通方向下流側に設けられている。この一対の流出管３９２Ｄは、カソード水の流通方向と直交する方向に沿って並んで配置されている。また、各流入管３９２Ｃと各流出管３９２Ｄとは、カソード水の流通方向において対向して配置されている。

［第一供給路２０］
第一供給路２０は、水電解セル３０の陽極部４０へアノード水（純水）を供給するための流路である。この第一供給路２０は、図１に示されるように、下流端部が例えば、分岐して水電解セル３０の一対の流入管３９１Ｃに接続され、上流端部が例えば、アノード水を貯留する貯留部（図示省略）に接続されている。

第一供給路２０には、送水部としてのポンプ２２が配置されている。このポンプ２２によって、純水が水電解セル３０の陽極部４０へ圧送される。また、第一供給路２０におけるポンプ２２の下流側には、アノード水の流量を調整するための流量調整弁２４が配置されている。

［第二供給路６０］
第二供給路６０は、水電解セル３０の陰極部５０へカソード水（純水）を供給するための流路である。この第二供給路６０は、下流端部が例えば、分岐して水電解セル３０の一対の流入管３９２Ｃに接続され、上流端部が例えば、カソード水を貯留する貯留部（図示省略）に接続されている。

第二供給路６０には、送水部としてのポンプ６２が配置されている。このポンプ６２によって、純水が水電解セル３０の陰極部５０へ圧送される。また、第二供給路６０におけるポンプ６２の下流側には、カソード水の流量を調整するための流量調整弁６４が配置されている。また、第二供給路６０における流量調整弁６４の下流側には、第二供給路６０内のカソード水の圧力を計測する圧力計６６が配置されている。

［第一排出路７０］
第一排出路７０は、水電解セル３０の陽極部４０を流通したアノード水（酸素水）が排出される流路である。この第一排出路７０の上流端部は、例えば、分岐して水電解セル３０の一対の流出管３９１Ｄに接続されている。第一排出路７０の下流端部は、例えば、第一供給路２０が接続された貯留部（図示省略）に接続されている。第一排出路７０を流通したアノード水は、例えば、貯留部（図示省略）に貯留され、当該貯留部にて酸素が除去されて、当該貯留部から第一供給路２０を通じて、再び水電解セル３０の陽極部４０に供給される。このように、アノード水が循環される（リサイクルされる）。

［第二排出路９０］
第二排出路９０は、水電解セル３０の陰極部５０を流通したカソード水（水素水）が排出される流路である。この第二排出路９０の上流端部は、例えば、分岐して水電解セル３０の一対の流出管３９２Ｄに接続されている。第二排出路９０を流通した水素水は、例えば、そのまま、洗浄水として用いてもよいし、タンクなど貯留部に貯留してから用いてもよい。なお、第二排出路９０には、カソード水の流量を調整するための流量調整弁９２が配置されている。この流量調整弁９２と流量調整弁６４とによって、陰極部５０の流路５０Ａ及び気液混合器９６でのカソード水の流量が調整される。

［気液混合器９６］
気液混合器９６は、水素を水に混合する機能を有している。この気液混合器９６は、第二排出路９０における流量調整弁９２の上流側に配置されている。

気液混合器９６としては、例えば、幅４０ｍｍ×長さ１００ｍｍの＃１００のＴｉメッシュを１３枚重ねてテフロン製（テフロンは登録商標）の缶体の内部に配置したものが用いられる。この気液混合器９６では、メッシュ面に沿って、水と水素が流れて、気液の接触面積の増大により混合が促進される。なお、気液混合器９６としては、例えば、スタティックミキサー（例えば、ノリタケ社製ＣＳＭ−１２−５）などを用いてもよい。なお、「＃１００」とは、１インチあたり、横線及び縦線が共に１００本存在することを意味する。

なお、気液混合器９６は、水電解セル３０と同様に、カソード水の流通方向上流側に設けられ且つ該流通方向と直交する方向に沿って複数配置され、カソード水を流入させる流入口と、カソード水の流通方向下流側に設けられ且つ該流通方向と直交する方向に沿って複数配置され、カソード水を流出させる流出口と、を有する構成であってもよい。

［溶存水素濃度計９４］
溶存水素濃度計９４は、カソード水に溶存する水素濃度を測定する機能を有している。この溶存水素濃度計９４は、第二排出路９０における流量調整弁９２の下流側に配置されている。

溶存水素濃度計９４としては、例えば、（有）共栄電子研究所製の溶存水素濃度計が用いられる。

［電源８０］
電源８０は、陽極部４０の第一ターミナルプレート４４と陰極部５０の第二ターミナルプレート５４とに電極ロッド３３を介して接続されている。この電源８０には、直流電源が用いられている。そして、電源８０は、例えば、パソコン８２（ＰＣ）の操作により、定電流モードにて運転している。

水電解セル３０に流す電流の電流密度は、０．１Ａ／ｃｍ^２以上３．５Ａ／ｃｍ^２以下が好ましい。電流密度が０．１Ａ／ｃｍ^２未満であると、水の電解反応が促進されず、水素水の濃度が上がらないためである。電流密度が３．５Ａ／ｃｍ^２を超えると、陽極部４０及び陰極部５０の各電極が劣化・消耗し、水電解装置１０の寿命が短くなる。

そして、水電解セル３０に直流電流を流すことで、水電解セル３０を流通する純水が電気分解される。純水が電気分解されると、陰極部５０で水素が生成され、陽極部４０で酸素が生成される。陰極部５０で生成された水素は、陰極部５０を流通する純水に溶解されて水素水が製造される。陽極部４０で生成された酸素は、陽極部４０を流通する純水に溶解されて酸素水が生じる。

［水電解装置１０を用いた水素水の製造方法］
本製造方法は、準備工程と、水電解工程と、を有している。準備工程では、前述した水電解装置１０を準備する。

水電解工程では、水電解装置１０の水電解セル３０に純水を流通させつつ、電源８０によって水電解セル３０に電流を流して水電解セル３０で水電解する。

そして、水電解より発生した水素が、水電解セル３０においてカソード水に溶解され、さらに、気液混合器９６において、水電解セル３０で溶解しきれなかった水素がカソード水に溶解される。これにより、水素水が製造される。

製造された水素水は、例えば、部品の洗浄に用いられる。具体的には、例えば、超音波の照射を併用しながら、半導体基板に付着したシリカやアルミナの微粒子の除去に水素水を用いる洗浄方法が考えられる。特に、この洗浄方法では、溶存水素濃度が０．９ｍｇ／Ｌ以上の水素水に１ｍｇ／Ｌのアンモニアを添加したものと、超音波の照射を併用して洗浄を行うと、半導体基板に付着したアルミナ微粒子を１００％近く除去できることが知られている。また、製造された水素水は、飲料用や農業用として利用することも可能である。

〈本実施形態に係る作用効果〉
次に、本実施形態に係る作用効果を説明する。

本実施形態の構成によれば、水電解セル３０の流路４０Ａにアノード水を流入させる流入管３９１Ｃが、アノード水の流通方向と直交する直交方向に沿って一対配置されている。さらに、水電解セル３０の流路４０Ａからアノード水を流出させる流出管３９１Ｄが、アノード水の流通方向と直交する直交方向に沿って一対配置されている。

このため、流入管３９１Ｃ及び流出管３９１Ｄが１つのみである構成に比べ、アノード水が直交方向において偏って流路４０Ａを流通することが抑制される。これにより、水電解により生成された酸素も、直交方向において偏って流路４０Ａを流通することが抑制される。

さらに、本実施形態の構成によれば、水電解セル３０の流路５０Ａにカソード水を流入させる流入管３９２Ｃが、カソード水の流通方向と直交する直交方向に沿って一対配置されている。さらに、水電解セルの流路５０Ａからカソード水を流出させる流出管３９２Ｄが、カソード水の流通方向と直交する直交方向に沿って一対配置されている。

このため、流入管３９２Ｃ及び流出管３９２Ｄが１つのみである構成に比べ、カソード水が直交方向において偏って流路５０Ａを流通することが抑制される。これにより、水電解により生成された水素も、直交方向において偏って流路５０Ａを流通することが抑制される。このように、本実施形態の構成によれば、水電解セル３０内の流路を流通するカソード水及び水素に生じる偏流を抑制できる。

カソード水及び水素に生じる偏流を抑制できるので、カソード水と水素との接触が良くなる。さらに、カソード水及び水素に生じる偏流を抑制することで、第二メッシュ電極５２〜５３５の網目部分で絡まっている水素を当該網目部分から効率よく排出でき、電極の有効面積を確保できる。これらにより、水素水の高濃度化につながる。カソード水及び水素において偏流が生じる場合では、流路５０Ａの一部でガス溜まりができて、その部分に、水が供給できなくなり、水電解が生じにくくなって、水素の生成効率が低下する。

〈水電解装置１０において酸素水を使用する変形例〉
生成された酸素水を使用する場合には、図４に示されるように、例えば、気液混合器９６を第一排出路７０に配置する。第一排出路７０における気液混合器９６の下流側に、アノード水の流量を調整するための流量調整弁９２を第一排出路７０に配置する。さらに、第一排出路７０における流量調整弁９２の下流側に、酸素水に溶存する酸素濃度を測定する溶存酸素濃度計７４を配置する。第一排出路７０を流通した酸素水は、例えば、飲料用などに用いられる。

また、第二排出路９０には、流量調整弁９２及び溶存水素濃度計９４を配置せず、第二排出路９０を流通したカソード水（水素水）を、第二供給路６０を戻すことで、カソード水を循環させる（リサイクル使用する）。なお、図４の構成においては、カソード水が第一水の一例として、アノード水が第二水の一例として機能する。

〈水電解装置１０においてオゾン水を生成する変形例〉
水を電気分解してオゾン水を製造する場合には、水電解装置１０は、例えば、以下のように構成される。

すなわち、本変形例では、第一メッシュ電極４２として、メッシュ状のPt電極が用いられる。また、触媒粒子を担持したメッシュ電極を用いても良い。触媒粒子としては、例えば、ＰｂＯ_２、ＴａＯｘ、ＮｂＯｘなどの粒子が用いられる。メッシュ電極としては、例えば、Ｔｉメッシュなどが用いられる。

また、図５に示されるように、例えば、気液混合器９６を第一排出路７０に配置する。第一排出路７０における気液混合器９６の下流側に、アノード水の流量を調整するための流量調整弁９２を第一排出路７０に配置する。さらに、第一排出路７０における流量調整弁９２の下流側に、オゾン水に溶存するオゾン濃度を測定する溶存オゾン濃度計７４を配置する。第一排出路７０を流通したオゾン水は、例えば、殺菌、消毒、洗浄などに用いられる。

さらに、第二排出路９０には、流量調整弁９２及び溶存水素濃度計９４を配置せず、第二排出路９０を流通したカソード水（水素水）を、第二供給路６０を戻すことで、カソード水を循環させる（リサイクル使用する）。なお、図５の構成においては、カソード水が第一水の一例として、アノード水が第二水の一例として機能する。

（評価）
オゾン水を生成する前述の変形例と、該変形例における各流入管３９１Ｃ、３９２Ｃ及び各流出管３９１Ｄ、３９２Ｄを１つ設けた比較例と、においてオゾン生成電流効率を評価した。本評価では、水電解セル３０に流す電流の電流密度を１Ａ／ｃｍ^２とし、流路４０Ａに流すアノード水の流量（Ｌ／ｍｉｎ）を上げていった場合のオゾン生成電流効率を評価した。電流効率は、オゾン生成に利用された電流（電気量）の割合を示し、この値が高いほどオゾン濃度の高度化を図れることを意味する。

この結果、比較例では、図６に示されるように、少なくとも、０．６Ｌ／ｍｉｎ〜１Ｌ／ｍｉｎの流量範囲において、アノード水の流量を上げると、オゾン生成の電流効率が低下する。これに対して、変形例の構成では、図７に示されるように、０．６Ｌ／ｍｉｎ〜１Ｌ／ｍｉｎの範囲を含む２．４Ｌ／ｍｉｎまでの流量範囲において、アノード水の流量（Ｌ／ｍｉｎ）を上げると、オゾン生成の電流効率が上昇する。これは、アノード水及びオゾンと酸素ガスに生じる偏流が抑制されることで、流量の増加に伴って、気泡がメッシュ電極の網目部分から効率よく排出され、電極の有効面積が増えたためと推測される。

〈他の変形例〉
本実施形態では、流入管３９１Ｃ、３９２Ｃ及び流出管３９１Ｄ、３９２Ｄは、それぞれ、一対設けられていたが、これに限られず、３つ以上設けられる構成であってもよい。流入管３９１Ｃ、３９２Ｃ及び流出管３９１Ｄ、３９２Ｄの各々は、流路４０Ａ及び流路５０Ａの流路幅（第一、第二メッシュ電極４２〜４３２、５２〜５３５の幅）に応じて個数を決定すればよい。例えば、流路４０Ａ及び流路５０Ａの流路幅が１２０ｍｍとされる場合には、流入管３９１Ｃ、３９２Ｃ及び流出管３９１Ｄ、３９２Ｄの各々を４つずつ設ける構成としてもよい。

本実施形態では、気液混合器９６を有していたが、気液混合器９６を有さない構成であってもよい。

本実施形態では、電気分解される水として、純水を用いたが、これに限られない。電気分解される水としては、イオン交換水、あるいは水道水などであってもよい。

本発明は、上記の実施形態に限るものではなく、その主旨を逸脱しない範囲内において種々の変形、変更、改良が可能である。例えば、上記に示した変形例は、適宜、複数を組み合わせて構成してもよい。

１０水電解装置
３０水電解セル
３２固体電解質膜
４０陽極部（図１の構成において第一電極部の一例、図４及び図５の構成において第二電極部の一例）
４０Ａ流路（図１の構成において第一流路の一例、図４及び図５の構成において第二流路の一例）
４２、４３１、４３２第一メッシュ電極（図１の構成において第一メッシュ電極の一例、図４及び図５の構成において第二メッシュ電極の一例）
４４第一ターミナルプレート（図１の構成において第一ターミナルプレートの一例、図４及び図５の構成において第二ターミナルプレートの一例）
５０陰極部（図１の構成において第二電極部の一例、図４及び図５の構成において第一電極部の一例）
５０Ａ流路（図１の構成において第二流路の一例、図４及び図５の構成において第一流路の一例）
５２、５３１、５３２、５３３、５３４、５３５第二メッシュ電極（図１の構成において第二メッシュ電極の一例、図４及び図５の構成において第一メッシュ電極の一例）
５４第二ターミナルプレート（図１の構成において第二ターミナルプレートの一例、図４及び図５の構成において第一ターミナルプレートの一例）
８０電源
３９１Ｃ流入管（図１の構成において第一水用の流入口の一例、図４及び図５の構成において流入口の一例）
３９１Ｄ流出管（図１の構成において第一水用の流出口の一例、図４及び図５の構成において流出口の一例）
３９２Ｃ流入管（図１の構成において流入口の一例、図４及び図５の構成において第一水用の流入口の一例）
３９２Ｄ流出管（図１の構成において流出口の一例、図４及び図５の構成において第一水用の流出口の一例）

Claims

固体電解質膜と、第一ターミナルプレート及び板状の第一メッシュ電極を有する第一電極部と、第二ターミナルプレート及び板状の第二メッシュ電極を有する第二電極部と、を有する水電解セルであって、前記固体電解質膜の一方の面と前記第一ターミナルプレートとの間に前記第一メッシュ電極が挟まれ且つその間を第一流路として前記一方の面に沿って第一水が流通し、前記固体電解質膜の他方の面と前記第二ターミナルプレートとの間に前記第二メッシュ電極が挟まれ且つその間を第二流路として前記他方の面に沿って第二水が流通する前記水電解セルと、
前記第一電極部と前記第二電極部との間に電流を流すことで前記水電解セルにおいて水電解して、前記第二電極部に気体を生成する電源と、
前記水電解セルにおける前記第二水の流通方向上流側に設けられ、該流通方向と直交する方向に沿って複数配置され、前記第二流路に前記第二水を流入させる流入口と、
前記水電解セルにおける前記第二水の流通方向下流側に設けられ、該流通方向と直交する方向に沿って複数配置され、前記第二流路から前記第二水を流出させる流出口と、
を備える水電解装置。
前記水電解セルにおける前記第一水の流通方向上流側に設けられ、該流通方向と直交する方向に沿って複数配置され、前記第一流路に前記第一水を流入させる第一水用の流入口と、
前記水電解セルにおける前記第一水の流通方向下流側に設けられ、該流通方向と直交する方向に沿って複数配置され、前記第一流路から前記第一水を流出させる第一水用の流出口と、
を備える請求項１に記載の水電解装置。
請求項１又は２に記載の水電解装置を準備する準備工程と、
前記水電解装置の水電解セルに第一水及び第二水を流通させつつ、前記水電解セルに電流を流して前記水電解セルで水電解し、該水電解より発生した気体を含む機能水を製造する水電解工程と、
を有する機能水の製造方法。