JP3228885B2

JP3228885B2 - 水素酸素ガス添加水製造装置

Info

Publication number: JP3228885B2
Application number: JP06621597A
Authority: JP
Inventors: 信一安井; 清司平井; 明子三宅; 宏子小林; 輝行森岡
Original assignee: 神鋼パンテツク株式会社
Priority date: 1997-03-19
Filing date: 1997-03-19
Publication date: 2001-11-12
Anticipated expiration: 2017-03-19
Also published as: JPH10259490A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は水素酸素ガス添加水
製造装置（以下、単にガス添加水製造装置という）に関
する。さらに詳しくは、水を電気分解することによって
高純度の水素ガスおよび酸素ガスを発生させ、該発生ガ
スをそれぞれ電気分解用として供給された純水に溶解さ
せて酸素ガス添加水および水素ガス添加水を得るための
ガス添加水製造装置に関する。このガス添加水の利用分
野は限定されないが、半導体デバイスの製造プロセス、
液晶のガラス基盤の製造プロセスおよびファインケミカ
ルの製造プロセス等においてとくに高い清浄度が要求さ
れる洗浄水として使用される場合にその効果が大きい。

【０００２】

【従来の技術】過去、各種固体製品や固体中間製品等の
表面を洗浄する場合、洗浄効果を促進するために薬品を
直接使用したり、液体洗浄媒体に薬品を添加することが
行われていた。たとえば、半導体デバイスの製造プロセ
スを例にとると、シリコンウェファーの表面等、デバイ
スの洗浄には高濃度且つ高温の酸やアルカリの溶液が洗
浄液として大量に使用されていた。このことは、洗浄液
のコストはもとより、洗浄液の排水処理にかかるコスト
もまたデバイスの生産コスト低減への障害となってい
た。

【０００３】一方、純水は溶解力が高く清浄な洗浄媒体
として種々の製造分野において用いられているが、その
ままでは洗浄能力として不十分な面もあるため薬品と組
み合わせて使用するのが一般的である。また、水に特定
のガスを溶解させることによって該溶液の酸化還元電位
が変化することは周知の事実である。したがって、廃棄
処理を必要とする薬品を一切添加せず、純水が本来持っ
ている溶解力に加えコントロールしうる酸化還元性を具
備させることによって強力な洗浄能力を発揮せしめるこ
とは、前述の半導体デバイス産業に限らず、各種洗浄プ
ロセスにおける使用薬品量を削減するという観点からも
非常に有用な手段といえる。

【０００４】そこで、従来、かかる洗浄液を得るために
ガスを水に溶解させる手段としてディフューザ（散気
管）が装備されたガス溶解装置が用いられている。図７
にその原理を概略図示すようにこの装置５１は、多数個
の通気孔５２が穿孔された散気管（以下、ディフューザ
という）５３が配管された溶解タンク５４と、前記ディ
フューザ５３に接続されうる酸素ガスまたは水素ガスの
ボンベ５５とを備えたものである。そして、溶解タンク
５４に純水Ｗを注入したうえでボンベ５５から酸素ガス
または水素ガスをディフューザ５３に供給し、ディフュ
ーザ５３から純水Ｗ中に散気（バブリングともいう）さ
せて溶解させるのである。

【０００５】また、図示してはいないが、前記溶解タン
ク５４内に攪拌翼を配設することによって溶解を促進す
ることも行われる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
従来の装置ではそのガス溶解効率が低く、しかも、ディ
フューザ等からの汚染のおそれがあり、清浄なガス溶液
が得られないおそれがある。また、構造が複雑であり、
そのためもあって操作性に難があり、全体的に大形とな
るため設置スペース上の問題も生じる。

【０００７】一方、酸素ガスおよび水素ガスの供給源に
注目した場合、ボンベは取扱が煩雑となり、また、新旧
ボンベの交換は非常に注意を要する作業である。また、
ボンベに代えて水電解式ガス発生装置を用いる場合、ガ
スの純化装置等の手段が必要となり、オンサイトでの使
用は極めて困難である。

【０００８】本発明はかかる問題を解決するためになさ
れたものであり、水を電気分解することによって高純度
の水素ガスおよび酸素ガスを発生させ、該発生ガスをそ
れぞれ電気分解用として供給された純水に溶解させて酸
素ガス添加水および水素ガス添加水を得るためのガス添
加水製造装置の供給を目的とするものである。このよう
に、発生直後の酸素ガスおよび／または水素ガスを該ガ
ス発生部に充満する純水に瞬時に溶解させるため、装置
の構造が単純なものとなり、しかも、不純物の混入の心
配がなく、取扱が容易である。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明のガス添加水製造
装置は、正負の両電極板のあいだに電解質膜によって仕
切られた酸素発生室および水素発生室を有する電解セル
と、前記酸素発生室および水素発生室それぞれに連通さ
れた純水を供給するための純水供給手段と、前記酸素発
生室に配設された、酸素ガス添加水と酸素ガスとを分離
する酸素ガス添加水用気液分離器を有する、酸素ガス添
加水を取り出すための酸素取り出し手段と、前記水素発
生室に配設された、水素ガス添加水と水素ガスとを分離
する水素ガス添加水用気液分離器を有する、水素ガス添
加水を取り出すための水素取り出し手段とを備えてお
り、前記純水供給手段は、前記両取り出し手段を経由せ
ずに酸素発生室および水素発生室へそれぞれ純水を供給
するように構成されている。

【００１０】それにより、純水の電気分解によって酸素
発生室で発生した酸素ガスが酸素発生室に充満している
純水に溶解することにより酸素ガス添加水が得られ、同
じく純水の電気分解によって水素発生室で発生した水素
ガスが水素発生室に充満している純水に溶解することに
より水素ガス添加水が得られる。このように、発生直後
の酸素ガスおよび水素ガスが個別に純水に溶解されるた
め、活性酸素や活性水素も溶解され、しかも、発生から
供給までの経路において不純物の混入する余地もない。
また、気液分離器により、前記酸素および水素の各取り
出し手段から取り出されたガス添加水に混入する酸素ガ
スおよび水素ガスを除去し、実際に洗浄等に必要なガス
添加水だけをユースポイントに供給しうる点で好まし
い。

【００１１】その結果、清浄且つ洗浄効果の高いガス添
加水が得られる。しかも、従来技術のように溶解機構と
ガス源とが別体ではないので、装置全体が簡易且つ小型
となり、取扱およびメンテナンスも容易且つ安全なもの
となる。

【００１２】さらに、陽極室および陰極室の圧力制御、
電解セルに印加する電流密度の制御およびガス発生室へ
の純水供給流量の制御により、酸素ガス添加水の溶存酸
素濃度（陽極水の酸化還元電位：ＯＲＰ）および水素ガ
ス添加水の溶存水素濃度（陰極水の酸化還元電位：ＯＲ
Ｐ）を調節することが可能である。たとえば、系内圧力
を高くすれば高濃度のガス添加水を得ることができる。
この高濃度のガス添加水を用いれば、洗浄時に発泡する
ので、その発泡による衝撃波によって高い洗浄効果が得
られる。

【００１３】そして、酸素ガス添加水によれば固体表面
の洗浄や酸化処理が可能となり、水素ガス添加水によれ
ば固体表面の洗浄や還元処理が可能となる。前記洗浄に
ついては、水素ガス添加水は固体表面の微粒子付着防止
や酸化防止に効果的であり、酸素ガス添加水は金属付着
防止、有機物除去および殺菌の高い効果がある。

【００１４】もちろん、陽極室および陰極室に調整され
た薬剤を供給することにより、前記ＯＲＰとともにｐＨ
をも調整して一層高い洗浄能力を有する水素ガス添加水
および酸素ガス添加水を得ることもできる。その一例と
して、陽極室には塩酸を供給し、陰極室には炭酸アンモ
ニウムを供給することが好ましい。

【００１５】また、前記電解セルが、陽極室および陰極
室それぞれに電極板と電気的接触がなされるように多孔
質給電体が配設され、該多孔質給電体の外周側に配設さ
れたガスケットによって外部から画されたガス添加水製
造装置にあっては、前記電解セルが機能上効果的に且つ
コンパクトに構成される点で好ましい。

【００１６】さらに、前記酸素ガス添加水用気液分離器
および水素ガス添加水用気液分離器において分離された
気体状ガスを排気するように構成することも可能であ
る。

【００１７】また、前記電解セルに加えて、取り出され
た酸素ガス添加水および／または酸素ガスと水素ガス添
加水および／または水素ガスとを酸化触媒を用いて酸化
反応させて通常水に変える酸化処理器を備えてなるガス
添加水製造装置にあっては、各取り出し手段から取り出
されたガス添加水に混入する酸素ガスおよび水素ガスが
不要である場合にこれらを反応させて純水に変えて廃棄
または再利用しうる点で好ましく、さらに、使用済みの
酸素ガス添加水および水素ガス添加水同士を反応させて
通常の水に変えうるため、特別な廃棄物処理を必要とす
ることなく安全な状態で廃棄することができるので好ま
しい。

【００１８】なお、特許請求の範囲でいう酸素ガスとは
活性酸素をも含む意味であり、水素ガスとは活性水素を
も含む意味である。

【００１９】

【発明の実施の形態】つぎに、添付図面に示された実施
形態を参照しつつ本発明のガス添加水製造装置を説明す
る。

【００２０】図１は本発明のガス添加水製造装置の一実
施形態の概略を示すフローチャート、図２は図１のガス
添加水製造装置における電解セルを示す組み立て前断面
図、図３は図２の電解セルを示す組み立て後断面図、図
４は図２の電解セルの要部を示す組み立て前斜視図、図
５は図２および図３の電解セルにおける電気分解反応を
示す説明図、図６（ａ）および図６（ｂ）はそれぞれ本
発明のガス添加水製造装置の他の実施形態におけるガス
処理部を示す断面図である。

【００２１】図１に示すガス添加水製造装置１は、純水
Ｗを電気分解して酸素ガスおよび水素ガスを発生せしめ
る電解セル２と、この電解セル２に供給すべき純水Ｗを
貯留するための純水供給タンク３と、電解セル２の陽極
室４から取り出された気液混合酸素ガス添加水を酸素ガ
スと酸素ガス添加水とに分離するための酸素ガス添加水
用気液分離器（以下、単に酸素気液分離器という）５
と、電解セル２の陰極室６から取り出された気液混合水
素ガス添加水を水素ガスと水素ガス添加水とに分離する
ための水素ガス添加水用気液分離器（以下、単に水素気
液分離器という）７とを備えている。

【００２２】陽極室４から酸素気液分離器５には酸素取
り出し管８が配管されており、陰極室６から水素気液分
離器７には水素取り出し管９が配管されている。純水供
給タンク３からはポンプ１０によって陽極室４および陰
極室６それぞれに純水を送るための純水供給管１１が配
管されている。酸素気液分離器５および水素気液分離器
７にはそれぞれガス取り出し管１２が配設されている。
図中、１３は全て止め弁である。

【００２３】電解セル２には、その陽極室４が陽極側と
なり陰極室６が陰極側となるように直流電源１４が接続
されている。

【００２４】本実施形態では前記電解セル２は円柱形を
呈しており、正負両電極板のあいだに電解質膜によって
仕切られた前記陽極室４と陰極室６とを有し、周囲をガ
スケット等の部材によって囲まれたものである。

【００２５】この電解セル２の詳細が図２〜４に示され
ている。

【００２６】図２は組み立て前の電解セル２を示し、図
３は組み立て後の電解セル２を示している。図中、２１
は円板状の電極板である。２２は円板状の固体電解質膜
であり、膜状の固体高分子電解質２２ａの両面に施され
た電解触媒としての多孔質白金メッキ層２２ｂが形成さ
れたものである。２３は陽極室４および陰極室６にそれ
ぞれ収容された円板状の多孔質給電体であり、２３ａは
多孔質給電体２３の固体電解質膜２２側の面における外
周に沿って貼設された円輪状の保護プレートである。２
４は円輪状のガスケット、２５は円輪状の保護シートで
ある。そして、２６は陰極室６に連通する水素取り出し
通路、２７は陽極室４に連通する酸素取り出し通路であ
り、水素取り出し通路２６は図１に示す水素取り出し管
９に接続され、酸素取り出し通路２７は図１に示す酸素
取り出し管８に接続される。２８ａおよび２８ｂは端板
である。

【００２７】なお、図２および図３においては、理解容
易のために水素ガス取り出し通路２６と酸素ガス取り出
し通路２７とは上下１８０°の方向に対向して示されて
いるが、実際は図４に示すように両取り出し通路２６、
２７は上部に互いに近づけて形成されている。

【００２８】また、図４に示すように、ガスの取り出し
通路２６、２７とは別に陰極室６に連通する純水供給通
路３０と陽極室４に連通する純水供給通路３１とが形成
されている。陰極室６用の純水供給通路３０は水素ガス
取り出し通路２６と同一構成であり、単に電解セル２の
下部に形成されているだけである。また、陽極室４用の
純水供給通路３１は酸素ガス取り出し通路２７と同一構
成であり、単に電解セル２の下部に形成されているだけ
である。なお、図４は電解セル２の中の一つの電解セル
ユニット（正負両電極板２１間に固体電解質膜２２によ
って仕切られた陽極室４および陰極室６を有するユニッ
ト）を示しており、電極板２１の図中左面側が正極とな
り、右面側が負極となる。

【００２９】図３に示すように、ボルト２９によって叙
上の各部品類を両端板２８ａ、２８ｂで挟持するように
締結すれば電解セル２となる。なお、多孔質給電体２３
の部分がその外周を円輪状のガスケット２４によって外
部から隔離されて陽極室および陰極室が構成される。こ
の電解セル２はさらに別の容器内に収容してもよい。そ
して、該容器内圧を昇圧することによって電解セル２の
内圧をも昇圧し、取り出されるガス添加水の溶存酸素濃
度および溶存水素濃度を高くすることができ、洗浄効果
を向上させることができる。

【００３０】一般に前記ガスケット２４はシリコンゴム
から形成され、多孔質給電体２３は網状のチタンから形
成されている。そして、前記保護プレート２３ａは一般
に厚さが０．０５〜０．１ｍｍ程度のチタン板から形成
されている。この保護プレート２３ａは、ボルト２９締
結によって電解セル２を組み立てるときに、多孔質給電
体２３の外周縁角部によって固体電解質膜２２が損傷す
ることを防止するために設けられている。なぜなら、多
孔質給電体２３は一般に複数枚のいわゆるエクスパンド
メタルから形成され、その外周縁側は該エクスパンドメ
タルの切断縁となっているため、固体電解質膜２２とと
もにボルト２９で挟圧されると固体電解質膜２２が損傷
しやすいからである。

【００３１】前記保護シート２５は厚さが約１０〜８０
μｍのフッ素樹脂フィルムから形成され、運転中に強酸
性となる固体電解質膜２２から前記ガスケット２４を保
護するためのものである。

【００３２】つぎに、前述の固体電解質膜としては、固
体高分子電解質を膜状に成形したものの両面に貴金属、
とくに白金族金属からなる多孔質層を化学的に無電解メ
ッキによって形成した固体高分子電解質膜を使用するの
が好ましい。前記固体高分子電解質としては、カチオン
交換膜（フッ素樹脂系スルフォン酸カチオン交換膜であ
り、たとえば、デュポン社製「ナフィオン１１７」）が
好ましい。また、この場合、前記多孔質メッキ層として
は白金族金属のうち白金が好ましく、とくに白金とイリ
ジウムとからなる二重構造とすれば、８０°Ｃにおいて
２００Ａ／ｄｍ²の高電流密度で四年間の長期にわたっ
て電気分解することが可能である。ちなみに、たとえば
従来の、電極を物理的にイオン交換膜に接触させた構造
の固体電解質膜では５０〜７０Ａ／ｄｍ²程度の電流密
度である。前記イリジウムの他に、二種類以上の白金族
金属をメッキした多層構造の固体電解質膜も使用するこ
とができる。

【００３３】また、以上のごとく構成された固体電解質
膜２２では、固体高分子電解質と多孔質メッキ層とのあ
いだには水は存在しないので、溶液抵抗やガス抵抗が少
ない。したがって、固体高分子電解質と両多孔質メッキ
層とのあいだの接触抵抗が低くなり、電圧降下が少なく
なり、電流分布が均一となる。その結果、高電流密度
化、高温水電解、高圧水電解が可能となり、高純度の酸
素ガスおよび水素ガスを効率よく得ることが可能とな
る。

【００３４】また、前記固体高分子電解質膜の他、セラ
ミック膜等の他の固体電解質膜を使用することも可能で
ある。

【００３５】如上の電解セル２を作動させるには電解セ
ル２の各純水供給通路３０、３１から陰極室６および陽
極室４にそれぞれ純水を供給し、端部の電極板２８ａ、
２８ｂに高電流を印加する。図５は電解セル２の中の一
つの電解セルユニットを示している。

【００３６】そうすると、図５に示すように、各ユニッ
トの電極板２１から多孔質給電体２３および固体電解質
膜の多孔質白金メッキ層２２ｂに給電され、その結果、
陽極側（陽極室４側）では、2H₂O → O₂＋4H⁺＋4e^-
の反応が起こって酸素ガスが発生し、陰極側（陰極室６
側）では、4H⁺＋4e^-→ 2H₂の反応が起こって水素ガス
が発生する。

【００３７】そして、陰極室６および陽極室４に加えら
れている水圧、端部電極板２８ａ、２８ｂに印加されて
いる電流値および純水供給流量に応じた溶解度（溶存ガ
ス濃度）に基づいて、発生した水素ガスおよび酸素ガス
が陰極室６および陽極室４にそれぞれ充満した純水に溶
解する。この水素ガス添加水は水素取り出し通路２６
（図２〜４）を通して水素取り出し管９（図１）から取
り出され、酸素ガス添加水は酸素取り出し通路２７（図
２〜４）を通して酸素取り出し管８（図１）から取り出
される。

【００３８】なお、図１において、水素取り出し管９か
ら取り出された水素ガス添加水には水素が気体状で混合
している場合があり、酸素取り出し管８から取り出され
た酸素ガス添加水には酸素が気体状で混合している場合
がある。これら、ガス添加水はともに洗浄効果を奏する
が、気体状のままの水素ガスおよび酸素ガスは洗浄効果
を奏しないので図６に示す処理装置３２、３３を配備す
ることによりこれらの気体状ガスを廃棄することもでき
る。また、使用済みの水素ガス添加水および酸素ガス添
加水も図６に示す処理装置３２、３３によって同様に処
理することができる。

【００３９】上記気体状ガスを廃棄する場合、図６
（ａ）に示す処理装置３２を用いる。図１の気液分離器
５、７からガス取り出し管１２を通してそのまま大気へ
放出することも可能である。また、使用済みの水素ガス
添加水および酸素ガス添加水を個別に図示の大気圧脱気
槽３２に貯留し、溶存水素または溶存酸素を大気に放出
した後、水のみを廃棄するものである。

【００４０】ついで、図６（ｂ）の処理装置３３は、パ
ラジウム族等の酸化触媒また酸化触媒含有樹脂を充填し
た反応カラム３３ａに、図１の気液分離器５、７からガ
ス取り出し管１２を通して取り出した水素ガスおよび酸
素ガスを通し、互いに反応させて純水に変えてから廃棄
するものである。また、使用済みの水素ガス添加水およ
び酸素ガス添加水を同時に前記反応カラム３３ａに通
し、溶存水素と溶存酸素とを反応させて純水に変えてか
ら廃棄することも可能である。

【００４１】このように、特別の廃棄物処理用薬剤を使
用せずに、清浄な純水として廃棄することができる。

【００４２】なお、本発明は如上の実施形態のように円
柱形電解セルのみならず、角柱形や楕円柱形の電解セル
にも適用しうることは明らかである。

【００４３】

【発明の効果】本発明によれば、純水の電気分解によっ
て陽極室で発生した酸素ガスが陽極室に充満している純
水に溶解することにより酸素ガス添加水が得られ、同じ
く純水の電気分解によって陰極室で発生した水素ガスが
陰極室に充満している純水に溶解することにより水素ガ
ス添加水が得られる。このように、発生直後の酸素ガス
および水素ガスが個別に純水に溶解されるため、活性酸
素や活性水素も溶解され、しかも、不純物の混入する余
地もない。

【００４４】その結果、清浄且つ洗浄効果の高いガス添
加水が得られる。しかも、従来技術のように溶解機構と
ガス源とが別体ではないので、装置全体が簡易且つ小型
となり、取扱およびメンテナンスも容易なものとなる。

【００４５】さらに、ガスの溶解度は、陽極室および陰
極室の圧力制御、電解セルに印加する電流密度の制御お
よびガス発生室への純水供給流量の制御によって調節す
ることが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のガス添加水製造装置の一実施形態の概
略を示すフローチャートである。

【図２】図１のガス添加水製造装置における電解セルを
示す組み立て前断面図である。

【図３】図２の電解セルを示す組み立て後断面図であ
る。

【図４】図２の電解セルの要部を示す組み立て前斜視図
である。

【図５】図２および図３の電解セルにおける電気分解反
応を示す説明図である。

【図６】（ａ）および（ｂ）はそれぞれ本発明のガス添
加水製造装置の他の実施形態におけるガス処理部を示す
断面図である。

【図７】従来のガス添加水製造装置の一例を示す概略断
面図である。

【符号の説明】

１・・・ガス添加水製造装置２・・・電解セル３・・・純水供給タンク４・・・陽極室５・・・酸素気液分離器６・・・陰極室７・・・水素気液分離器８・・・酸素取り出し管９・・・水素取り出し管１１・・・純水供給管１２・・・ガス取り出し管２１・・・電極板２２・・・固体電解質膜２３・・・多孔質給電体２４・・・ガスケット２５・・・保護シート２６・・・水素取り出し通路２７・・・酸素取り出し通路２８ａ・・端板２８ｂ・・端板２９・・・ボルト３０、３１・・・純水供給通路３２・・・大気圧脱気槽３３・・・処理装置３３ａ・・反応カラム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小林宏子兵庫県神戸市長田区名倉町５丁目８番11 号 (72)発明者森岡輝行兵庫県加古川市平岡町土山934−４ (56)参考文献特開平８−311676（ＪＰ，Ａ) 特開平８−193287（ＪＰ，Ａ) 特開平７−126883（ＪＰ，Ａ) 特開平９−291385（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C25B 1/00 - 15/08

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】正負の両電極板のあいだに電解質膜によ
って仕切られた酸素発生室および水素発生室を有する電
解セルと、前記酸素発生室および水素発生室それぞれに連通された
純水を供給するための純水供給手段と、前記酸素発生室に配設された、酸素ガス添加水と酸素ガ
スとを分離する酸素ガス添加水用気液分離器を有する、
酸素ガス添加水を取り出すための酸素取り出し手段と、前記水素発生室に配設された、水素ガス添加水と水素ガ
スとを分離する水素ガス添加水用気液分離器を有する、
水素ガス添加水を取り出すための水素取り出し手段とを
備えており、前記純水供給手段は、前記両取り出し手段を経由せずに
酸素発生室および水素発生室へそれぞれ純水を供給する
ように構成されてなる水素酸素ガス添加水製造装置。
【請求項２】前記電解セルが、酸素発生室および水素
発生室それぞれに電極板と電気的接触がなされるように
多孔質給電体が配設され、該多孔質給電体の外周側に配
設されたガスケットによって外部から画されてなる請求
項１記載の水素酸素ガス添加水製造装置。
【請求項３】前記酸素ガス添加水用気液分離器および
水素ガス添加水用気液分離器において分離された気体状
ガスを排気するように構成されてなる請求項１または２
記載の水素酸素ガス添加水製造装置。
【請求項４】前記電解セルに加えて、取り出された酸素ガス添加水および／または酸素ガスと
水素ガス添加水および／または水素ガスとを酸化触媒を
用いて酸化反応させて通常水に変える酸化処理器を備え
てなる請求項１〜３のうちのいずれか一の項に記載の水
素酸素ガス添加水製造装置。