JP2018104790A - 電解用電極および水回り機器 - Google Patents

Abstract

【課題】大型化やコストの増加を抑制しつつ、寿命をさらに延ばすことが可能な電解用電極および水回り機器を提供する。【解決手段】実施形態に係る電解用電極は、チタンまたはチタン合金からなる基体と、前記基体の上に設けられ、酸化イリジウムと、酸化タンタルと、酸化ロジウムと、を少なくとも含む層が積層された触媒層と、を備え、前記触媒層の表面には、クラックが存在し、前記表面の面積に対する前記表面における前記クラックの面積の割合をｙ％とし、前記触媒層の厚さをｘμｍとした場合に、前記ｘが３．２以上４．０以下の範囲において、ｙ≦５ｘ＋７を満たす。【選択図】図１

Description

本発明の態様は、一般的に、電解用電極および水回り機器に関する。

特許文献１には、電解槽内で塩化物イオン含む水を電解し、これにより発生した次亜塩素酸を含む殺菌水を便器に噴霧し、菌の繁殖を抑制する技術が開示されている。
このような電解には、主に水道水が使用される。このため、水道水に含まれるナトリウム、カルシウム、カリウム、マグネシウム等を主成分とするスケールが、陰極表面に付着する。電極に付着するスケールの量が多くなると、電解性能が低下し、殺菌水生成能力が低下する可能性がある。

そこで、スケールの付着を抑制するために、陰極と陽極の極性を定期的に切替える「ポールチェンジ」を行って陰極に付着したスケールを除去することが行われている。ただし、ポールチェンジを行うことで電極へのスケールの付着を抑制できるものの、電極の寿命が短くなることが知られている。そのため、特許文献２では、ポールチェンジを行った場合でも、電極の寿命を延ばし、殺菌水の生成能力を向上させるための技術が開示されている。

特許第５０２９９３０号公報 特許第５６４６６７７号公報

しかし、電解水生成装置については、さらなる長寿命化が望まれている。電解水生成装置の寿命を延ばすためには、電解槽内に設けられる電極の触媒層を厚く形成する方法や、電極を大型化する方法もあるが、この場合、電界水生成装置の大型化やコストの増加といった課題が生じる。
本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたものであり、大型化やコストの増加を抑制しつつ、寿命をさらに延ばすことが可能な電解用電極および水回り機器を提供することを目的とする。

第１の発明は、チタンまたはチタン合金からなる基体と、前記基体の上に設けられ、酸化イリジウムと、酸化タンタルと、酸化ロジウムと、を少なくとも含む層が積層された触媒層と、を備え、前記触媒層の表面には、クラックが存在し、前記表面の面積に対する前記表面における前記クラックの面積の割合をｙ％とし、前記触媒層の厚さをｘμｍとした場合に、前記ｘが３．２以上４．０以下の範囲において、ｙ≦５ｘ＋７を満たす電解用電極である。

この電解用電極によれば、触媒層を厚膜化や大型化させずに、耐久寿命を延ばすことが可能である。

第２の発明は、第１の発明において、前記ｙは、１４以上である電解用電極である。

この電解用電極によれば、耐久寿命を延ばしつつ、製造に要する時間やコストの増大を抑制することができる。

第３の発明は、第１または第２の発明に記載の前記電解用電極を有する電解水生成装置を備えた水回り機器である。

この水回り機器によれば、電解水生成装置の交換周期を長くすることができ、より長期間連続して使用することが可能である。

本発明の態様によれば、寿命をさらに延ばすことが可能な電解用電極および水回り機器を提供することができる。

実施形態に係る電解用電極を有するトイレ装置の斜視図である。 図１に表したトイレ装置の水路系の要部構成を表すブロック図である。 実施形態に係る電解用電極を有する電解水生成装置の断面図である。 実施形態に係る電解用電極の断面図である。 電解用電極の触媒層の膜厚が３．６μｍの試料の観察結果である。 表１〜表３に表した各試料のクラック率と耐久寿命との関係を表すグラフである。 触媒層の膜厚と、耐久寿命の延びが止まるクラック率の境界値と、の関係を表すグラフである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

図１は、実施形態に係る電解用電極を有するトイレ装置の斜視図である。
図１に表したトイレ装置は、洋式腰掛便器（以下説明の便宜上、単に「便器」と称する）８０と、その上に設けられた衛生洗浄装置１０と、を備える。衛生洗浄装置１０は、ケーシング４０と、便座２０と、便蓋３０と、を有する。便座２０と便蓋３０とは、ケーシング４０に対して開閉自在にそれぞれ軸支されている。

ケーシング４０の内部には、便座２０に座った使用者の「おしり」などの洗浄を実現する身体洗浄機能部が内蔵されている。また、ケーシング４０の内部には、使用者のトイレ装置への接近および離反を検知する人体検知センサや、使用者が便座２０に座ったことを検知する着座検知センサなどが適宜設けられる。

使用者は、例えばリモコン５０を操作することで、洗浄ノズル４４を便器８０のボウル８１内に進出させたり、洗浄ノズル４４をケーシング４０の内部に後退させたりすることができる。なお、図１に表した衛生洗浄装置１０では、洗浄ノズル４４がボウル８１内に進出した状態を表している。

洗浄ノズル４４の先端部には、複数の吐水口（噴出孔）４５が設けられている。洗浄ノズル４４は、その先端部に設けられた吐水口４５から水を噴射して、便座２０に座った使用者の「おしり」などを洗浄することができる。

なお、本願明細書においては、便座２０に座った使用者からみて上方を「上方」とし、便座２０に座った使用者からみて下方を「下方」とする。また、便座２０に座った使用者からみて前方を「前方」とし、便座２０に座った使用者からみて後方を「後方」とする。便座２０に座った使用者からみて右側を「右側方」とし、便座２０に座った使用者からみて左側を「左側方」とする。

図２は、図１に表したトイレ装置の水路系の要部構成を表すブロック図である。

衛生洗浄装置１０は、水道や貯水タンクなどの給水源から供給された水道水を、洗浄ノズル４４の吐水口４５に導く流路（配管）４０ａを有する。流路４０ａの上流側には、電磁弁などのバルブ４２が設けられている。バルブ４２は、ケーシング４０の内部に設けられる制御部４１からの指令に基づいて、流路４０ａへの水道水の供給を制御する。

バルブ４２の下流には、電解水生成装置１が設けられる。なお、バルブ４２と電解水生成装置１との間には、安全弁や、流路４０ａを流れる水の圧力を調整する調圧弁、水の流速を変化させるポンプ、水を加温する熱交換器などが適宜設けられていてもよい。

電解水生成装置１は、その内部に一対の電極を有し、制御部４１からの通電の制御によって、内部を流れる水道水を電気分解する。水道水は、塩化物イオンを含んでいるため、塩化物イオンを電気分解することにより次亜塩素酸が生成される。その結果、電解水生成装置１において電気分解された水（電解水）は、次亜塩素酸を含む液に変化する。

次亜塩素酸は、殺菌成分として機能する。その次亜塩素酸を含む電解水は、洗浄ノズル４４の吐水口４５から噴射されたり、洗浄ノズル４４の外周表面（胴体）や吐水口４５へ向かって噴射される。これにより、電解水生成装置１よりも下流側の流路や、洗浄ノズル４４の外周表面および吐水口４５が、電解水により殺菌される。

電解水生成装置１の下流には、流路切替弁４３が設けられている。流路切替弁４３は、バキュームブレーカ（大気開放ポート）４３１と、流量調整弁４３２と、を有する。バキュームブレーカ４３１は、電解水生成装置１から供給された水あるいは電解水を洗浄ノズル４４の吐水口４５へ導く流路の途中に配置され、水あるいは電解水が逆流することを防止する。あるいは、バキュームブレーカ４３１は、空気を取り込むことにより、流路４０ａ内の水抜きを促進させる。

バキュームブレーカ４３１の下流（大気開放側）には、流量調整弁４３２が設けられている。流量調整弁４３２は、おしり洗浄用の吐水口４５に洗浄水を導く流路や、ビデ洗浄用の吐水口に洗浄水を導く流路、ノズル洗浄室４７に洗浄水を導く流路などへの給水の開閉や切り替えを行う。つまり、流量調整弁４３２は、複数の吐水口４５に選択的に連通可能な複数のポートを有する。

流量調整弁４３２の下流には、洗浄ノズル４４が設けられている。洗浄ノズル４４は、ノズルモータ４６からの駆動力を受け、ケーシング４０の内部から便器８０のボウル８１内へ向かって進出したり、ケーシング４０の内部へ後退することができる。つまり、ノズルモータ４６は、制御部４１からの指令に基づいて洗浄ノズル４４を進退させることができる。流量調整弁４３２は、洗浄ノズル４４の進退動作に伴って移動する。つまり、流量調整弁４３２は、洗浄ノズル４４と共に移動する。

流量調整弁４３２の下流には、ノズル洗浄室４７が設けられている。ノズル洗浄室４７は、ケーシング４０の内部に固定され、ケーシング４０の内部に後退した待機状態の洗浄ノズル４４を洗浄することができる。あるいは、ノズル洗浄室４７は、進退動作中の洗浄ノズル４４の外周表面を洗浄することができる。具体的には、ノズル洗浄室４７は、その内部に設けられた図示しない吐水部から電解水あるいは水を噴射することにより、洗浄ノズル４４の外周表面を殺菌あるいは洗浄することができる。

図３は、実施形態に係る電解用電極を有する電解水生成装置の断面図である。
図３に表したように、電解水生成装置１は、電解槽２と、実施形態に係る一対の電解用電極（以下、単に電極ともいう）３および４と、を有する。電極３および４は、電解槽２の内部に設けられ、電源に接続されている。電極３および４に電圧が印加されることで、電解槽２の内部を通過する水道水が電気分解される。なお、図３（ａ）は、電極３が陰極となり、電極４が陽極となるように電圧が印加された状態を表し、図３（ｂ）は、電極３が陽極となり、電極４が陰極となるように電圧が印加された状態を表している。

図３（ａ）に表したように、水道水を電気分解すると、陽極側の電極４では塩化物イオンから塩素が生成される。そして、発生した塩素が水に溶解し、次亜塩素酸が生成される。このとき、陰極側の電極３では、水道水中に含まれるカルシウム等のイオンからスケールが生成され、電極３の表面に付着する。このため、制御部４１は、所定のタイミングで、図３（ａ）に表す状態から図３（ｂ）に表す状態へとポールチェンジを行い、電極３と４に印加する電圧の極性を反転させる。

ポールチェンジを行うことで、陰極として機能していた電極３が陽極となり、陽極として機能していた電極４が陰極となる。スケールが付着していた電極３において酸が生成され、この酸によりスケールが溶解されるため、電極３に付着していたスケールを剥離させることができる。

制御部４１は、例えば、直前のポールチェンジの後に電解水生成装置１で電解を行った時間の累積を計測する。また、制御部４１には、予め、ポールチェンジを行う累積時間が設定されている。制御部４１は、電解を行った時間の累積が、予め設定された累積時間に達した際に、電源を制御してポールチェンジを行う。例えば、電極３と４の間に印加される電圧が５Ｖの場合、ポールチェンジは６０秒ごとに行われる。

図４は、実施形態に係る電解用電極の断面図である。
図４に表したように、電極３は、基体３ａと、その上に設けられた触媒層３ｂと、を有する。なお、図４では、電極３の構成を例示しているが、電極４も同様の構成を有する。

基体３ａは、例えば、チタンまたはチタン合金から構成される。チタン合金としては、チタンを主体とする耐食性のある導電性の合金が使用される。例えば、Ｔｉ−Ｔａ−Ｎｂ、Ｔｉ−Ｐｄ、Ｔｉ−Ｚｒ、Ｔｉ−Ａｌなどを用いることができる。

触媒層３ｂは、図４に表したように複数の層が積層されており、それぞれの層が、酸化イリジウムと、酸化タンタルと、酸化ロジウムと、を少なくとも含む。また、基体３ａと触媒層３ｂとの間に、他の中間層が設けられていてもよい。

酸化イリジウムは、塩素が生成される際に触媒として作用し、塩素の生成を促進させると考えられている。一方、酸化ロジウムは水素が生成される際に触媒として作用し、水素の生成を促進させると考えられている。酸化タンタルは、酸化イリジウムおよび酸化ロジウムを担持している。

電極３および４は、例えば、以下の方法で製造される。
まず、基体を用意し、基体の表面を洗浄する。次に、基体の表面に対して、薬剤エッチングやブラスト処理などを行い、粗面化する。さらに、処理後の基体を大気中で焼成することにより、基体の表面を酸化してもよい。

次に、基体の表面上に、例えば、イリジウム化合物、タンタル化合物、およびロジウム化合物が溶解された溶液を塗布する。続いて、溶液が塗布された基体を焼成することで、イリジウム化合物、タンタル化合物、およびロジウム化合物が、それぞれ、酸化イリジウム、酸化タンタル、および酸化ロジウムに転化し、触媒層が形成される。これらの塗布工程および焼成工程を複数回繰り返すことで、酸化イリジウム、酸化タンタル、および酸化ロジウムを含む層が積層された触媒層が形成される。

作製された触媒層の表面には、クラックが存在する。本願発明者は、このクラックと電極の寿命との関係を調べるために、以下の試料１〜試料９を作成し、それらの耐久寿命を調べた。

表１〜表３には、試料１〜試料９のそれぞれの、触媒層の厚さの設計値、触媒層の１層当たりの厚さ、触媒層における積層数、触媒層の表面におけるクラック率、および耐久寿命が表されている。なお、これらの結果は、電解を行う前の未使用の電極を測定した結果である。

クラック率は、以下の方法により測定した。
まず、使用前の電極の表面を観察する。電極表面の観察は、Ｏｌｙｍｐｕｓ製ＯＬＳ４１００のレーザ顕微鏡に、１００倍の倍率の対物レンズを用いて行った。観察時に電極表面の画像を撮影し、得られた画像を三谷商事製のＷｉｎ−Ｒｏｏｆ Ｖｅｒ７．４．５のソフトを用いて解析した。

具体的な解析の手順は、以下の通りである。
「画像処理」タブに含まれる「ＲＧＢ分解」を実行する。抽出された赤色画像を選択する。「２値化処理」タブに含まれる「２つの閾値による２値化」を実行する。閾値を０〜５４で実行し、２値化された後のクラックに対応する部分の面積割合を測定する。測定された面積割合をクラック率とする。

また、電極の耐久寿命は、以下の方法により測定した。
各試料の電極面積は、５２０ｍｍ^２である。電極同士の間隔は、０．４ｍｍとした。電極間に通水させる流量は、４５０ｍｌ／ｍｉｎとした。印加電圧は、印加開始時に０．５５Ａの電流が流れる電圧に、３Ｖを加えた値とした。５秒間の電圧オンと、１秒間の電圧オフと、を繰り返し行った。
これらの条件のもとで電解を行い、電解前後での塩素濃度の上昇量を測定した。塩素濃度上昇量が０．５ｐｐｍを下回るまでの累計時間を、電極の耐久寿命とした。

ここで、クラック率の算出の具体例を、図５に表す。
図５（ａ）〜図５（ｃ）は、電解用電極の触媒層の膜厚が３．６μｍの試料の観察結果である。
図５（ａ）〜図５（ｃ）の各画像は、試料表面の１２６７５μｍ^２の範囲を観察し、その観察結果を上述した方法で２値化して得られたものであり、クラックは黒く表示されている。

例えば図５（ａ）に表した結果では、撮影された領域の全体の面積に対する黒く表示された部分の面積の割合を測定すると、１４．４０％であり、この値をクラック率としている。同様に、図５（ｂ）および図５（ｃ）についても、撮影領域の全体の面積に対する黒く表示された部分の面積の割合を測定し、それぞれ、２５．４４％と３０．５３％の結果が得られた。

図６は、表１〜表３に表した各試料のクラック率と耐久寿命との関係を表すグラフである。
図６のグラフから、触媒層のいずれの膜厚においても、クラック率が低い場合の方が、クラック率が高い場合よりも耐久寿命が長いことがわかる。また、それぞれの膜厚において、クラック率がある値よりも低くなると、耐久寿命の延びが止まり、耐久寿命はおおよそ一定の値となっていることがわかる。そして、耐久寿命の延びが止まるクラック率の境界値は、膜厚に応じて変化していることがわかる。

図７は、触媒層の膜厚と、耐久寿命の延びが止まるクラック率の境界値と、の関係を表すグラフである。
図７のグラフから、触媒層の膜厚が小さくなるほど、クラック率の境界値も小さくなっていることがわかる。また、膜厚と境界値との関係は、ほぼ線形的に変化していることもわかる。そこで、触媒層の膜厚をｘμｍ、クラック率の境界値をｙ％として、図７に表したプロットの近似曲線を求めると、以下の式（１）が得られた。
ｙ＝５ｘ＋７ （１）

これらの結果から、ｘが３．２以上４．０以下の範囲において、ｙが以下の式（２）を満たす場合に、それぞれの膜厚ｘにおいて長い耐久寿命が得られることがわかる。
ｙ≦５ｘ＋７ （２）

なお、表１〜表３に表した結果から、１層の厚さを小さくして触媒層における積層数を増加させるほど、クラック率が小さくなることがわかる。具体的には、それぞれの膜厚において、積層数が５以上のとき、または１層あたりの厚さが０．６μｍ以下のときに、高い耐久寿命が得られていることがわかる。これは、このような条件を満たすことで、焼成時に発生したクラックが、その後に塗布される溶液で埋め込まれ易くなるためと考えられる。従って、上述した製造方法において、１層の厚さを小さくし、塗布および焼成を繰り返し行う回数を増加させることでクラック率を小さくすることができ、式（２）を満たすクラック率を有する電極を作製することができる。

この他に、以下の方法でもクラック率を調整することが可能である。
例えば、溶液の塗布は、刷毛による塗装や、基体の溶液中への浸漬、スプレーによる吹き付けなどによって行われる。このうち、スプレーを用いて基体表面により均一に溶液を塗布することで、焼成後のクラック率を小さくすることができる。
また、溶液を塗布した後、焼成を行う前に、溶液を乾燥させることでも、クラック率を小さくすることができると考えられる。

焼成は、例えば、４００℃〜６００℃の範囲で行われる。このとき、溶液に含まれるイリジウム、タンタル、およびロジウムが焼結する範囲において、温度が比較的低い方が、クラックは発生し難いと考えられる。
また、触媒層形成時の基体の表面については、粗さが小さいと、基体と触媒層の密着性が低下するものの、粗さが過度に大きいと、クラック率が増大すると考えられる。従って、製造工程および電極の使用中において触媒層の剥離が生じない範囲で、基体の表面粗さは小さいことが望ましい。

なお、上述した通り、積層数を増加させるほどクラック率は小さくなるが、積層数を増加させると、触媒層の製造に要する時間やコストが増大する。従って、それぞれの膜厚において耐久寿命を延ばしつつ製造時間や製造コストの過度な増大を抑制するためには、クラック率の最小値は、現実的には、表１〜表３の結果に表されるように１４％程度であると考えられる。

以上の通り、本実施形態によれば、触媒層を厚膜化や大型化させずに、電解用電極の耐久寿命を延ばすことが可能となる。例えば、耐久寿命が長い電解用電極を有する電解水生成装置を用いることで、電解水の生成に伴う次亜塩素酸の濃度の低下を抑制でき、殺菌作用の低下を抑制することができる。また、この電解水生成装置をトイレ装置に用いた場合、電解水生成装置の交換周期を長くすることができ、トイレ装置をより長期間連続して使用することが可能となる。

なお、ここでは、実施形態に係る電解用電極を有する電解水生成装置を、トイレ装置に適用した場合について説明したが、この電解水生成装置は、トイレ装置以外の他の水回り機器にも適用することが可能である。こうすることで、水回り機器における電解水生成装置の交換周期を長くすることができ、当該水回り機器をより長期間連続して使用することが可能となる。このような水回り機器としては、例えば、小便器や、浴室、キッチン、洗面所などが挙げられる。電解水生成装置で生成された電解水を、小便器のボウル面や、浴室の洗い場床、キッチンのシンク、洗面所のボウル面へ散布することで、これらの場所における菌の繁殖を抑制することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの記述に限定されるものではない。前述の実施の形態に関して、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、電解水生成装置１が備える各要素の形状、寸法、配置、設置形態などは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。
また、前述した各実施の形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

１ 電解水生成装置、 ２ 電解槽、 ３、４ 電解用電極、 ３ａ 基体、 ３ｂ 触媒層、 １０ 衛生洗浄装置、 ２０ 便座、 ３０ 便蓋、 ４０ ケーシング、 ４０ａ 流路、 ４１ 制御部、 ４２ バルブ、 ４３ 流路切替弁、 ４３１ バキュームブレーカ、 ４３２ 流量調整弁、 ４４ 洗浄ノズル、 ４５ 吐水口、 ４６ ノズルモータ、 ４７ ノズル洗浄室、 ５０ リモコン、 ８０ 便器、 ８１ ボウル

Claims (3)

1. チタンまたはチタン合金からなる基体と、
   前記基体の上に設けられ、酸化イリジウムと、酸化タンタルと、酸化ロジウムと、を少なくとも含む層が積層された触媒層と、
   を備え、
   前記触媒層の表面には、クラックが存在し、
   前記表面の面積に対する前記表面における前記クラックの面積の割合をｙ％とし、前記触媒層の厚さをｘμｍとした場合に、前記ｘが３．２以上４．０以下の範囲において、
   ｙ≦５ｘ＋７
   を満たす電解用電極。
2. 前記ｙは、１４以上である請求項１記載の電解用電極。
3. 請求項１または２に記載の前記電解用電極を有する電解水生成装置を備えた水回り機器。