JP4232027B2 - オゾン発生装置 - Google Patents
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Description
本発明は、オゾン発生装置に関し、より詳しくは、純水などの原料水を電気分解してオゾンを発生する電解式のオゾン発生装置に関する。
従来のオゾン発生装置として、イオン交換膜（固体高分子電解質膜）を用いて純水を電気分解することによりオゾンを生成する電解式のものが知られており、例えば、特許文献１に開示されている。
図２に示すように、このオゾン発生装置５０は、電解槽５１の内部がイオン交換膜６１で仕切られており、イオン交換膜６１の両側に、白金からなる陰極６２及び二酸化鉛からなる陽極６３が配置された電解セル６０を備えている。イオン交換膜６１でセパレートされた電解槽５１の陰極６２側には、水素出口６４が形成されており、陽極６３側には、原料水入口６５及び原料水出口６６が形成されている。
このオゾン発生装置５０によれば、電解セル６０に直流電圧を印加した状態で原料水入口６５から原料水としての純水を供給することにより、電解槽５１の陽極６３側において純水が酸素、オゾンおよび水素イオンに分解される。発生した水素イオンは、イオン交換膜６１を通過して、陰極６２側において電子を受け取ることにより水素ガスとなって、水素出口６４から排出される。
一方、原料水出口６６からは、酸素及びオゾンを含有する原料水が排出され、気液分離タンク（図示せず）においてオゾンガスが分離され、配管（図示せず）を介して排出される。また、オゾンガスが分離された原料水は、電解槽５１に再び供給される。
上記従来のオゾン発生装置５０においては、高濃度のオゾンガスを効率良く生成するため、陽極６３に二酸化鉛が使用されるのが一般的である。この場合、オゾン発生装置５０の停止時に陽極６３中の二酸化鉛が放電して鉛イオンとなり、原料水などに溶解して、オゾン発生効率が低下するおそれがある。このため、上記特許文献１には、オゾン発生装置５０の停止中も電解セル６０に微小電流を流すことにより、陽極６３の放電を防止して不溶性を維持することが記載されている。
特開平７−２４２４０２号公報
ところで、電解槽５１の陰極６２側で発生した水素は、全てが水素出口６４から排出されるのではなく、一部がイオン交換膜６１を拡散して陽極６３側に移動するので、電解槽５１から排出される原料水には、酸素及びオゾンと共に微量の水素が含まれる。オゾン発生装置５０の作動中は、前記気液分離タンクで分離されたオゾンガスが連続的に排出されるため、オゾンガスに含まれる水素の濃度も十分低レベル（例えば、数百ｐｐｍ程度）で特に問題になることはない。
ところが、上述のように、オゾン発生装置５０の停止後も電解セル６０に電流を流す場合には、気液分離タンクからオゾンガスが排出されずに滞留するため、電解槽５１の陽極６３側に水素が連続的に供給されることによって、気液分離タンクやその下流側の配管等における水素濃度が徐々に上昇する。この結果、これらの材料（例えば、チタン材）が水素脆化を生じて耐久性が悪化したり、安全管理上の問題を生じるおそれがあった。
本発明は、このような問題を解決すべくなされたものであって、耐久性及び安全性を向上させることができるオゾン発生装置の提供を目的とする。
本発明の前記目的は、陰極及び陽極で挟持されたイオン交換膜によって仕切られた陰極室及び陽極室を有し、前記陽極が水素を活性化しない材料からなる電解セルと、前記陽極室に接続され、供給された原料水に含まれるオゾンガスを分離する気液分離タンクと、前記気液分離タンクの気体出口に接続されたオゾンガス排出ラインと、前記陽極室にパージガスを供給するパージガス供給手段と、前記オゾンガス排出ラインに分岐接続されたパージガス排出ラインと、前記オゾンガス排出ラインを通過する気体の流路を前記パージガス排出ラインに切り替える流路切替手段と、オゾンガス発生スイッチの操作に連動して、前記パージガス供給手段の作動、前記電解セルへの印加電流、及び、前記流路切替手段の設定を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記オゾンガス発生スイッチがオンの状態において、前記パージガス供給手段を停止させ、前記電解セルへの印加電流を第１の電流に設定し、前記気液分離タンクから排出された気体が前記オゾンガス排出ラインから排出されるように前記流路切替手段を設定するオン動作を実行する一方、前記オゾンガス発生スイッチがオフの状態において、前記パージガス供給手段を作動させ、前記電解セルへの印加電流を前記第１の電流よりも低い第２の電流に設定し、前記気液分離タンクから排出された気体が前記オゾンガス排出ラインから前記パージガス排出ラインを経て排出されるように前記流路切替手段を設定するオフ動作を実行するオゾン発生装置により達成される。
また、このオゾン発生装置は、前記オゾンガス排出ライン又は前記パージガス排出ラインを通過するパージガスに含まれる水素濃度を検出する水素濃度検出装置を更に備えることが好ましい。この構成によれば、前記制御手段は、前記操作スイッチがオフ状態からオン状態に切り替わると、前記水素濃度検出装置の検出濃度が所定値以下となるまでは前記オフ動作を継続し、前記検出濃度が所定値以下になった時点で前記オン動作を開始することができる。
また、前記パージガス供給手段は、パージガスとして空気を用いることができる。
また、前記流路切替手段は、前記オゾンガス排出ラインに介設された第１の開閉弁と、前記パージガス排出ラインに介設された第２の開閉弁とを備える構成にすることができる。
本発明によれば、耐久性及び安全性を向上させることができるオゾン発生装置を提供することができる。
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るオゾン発生装置の概略構成図である。このオゾン発生装置１は、複数（図１では２つ）の電解セル１０，１０と、各電解セル１０，１０で生成されたオゾン水からオゾンガスを分離する気液分離タンク２０と、気液分離タンク２０で分離されたオゾンガスが通過するオゾンガス排出ライン３０とを備えている。
電解セル１０は、陰極１１及び陽極１２により挟持されたイオン交換膜１３で電解槽１４の内部を仕切ることにより形成された陰極室１５及び陽極室１６を備えている。
陰極１１及び陽極１２は、通気性のある多孔質体により構成されている。陰極１１としては、チタンなどの基材をめっき等により白金で被覆したものを例示することができ、陽極１２としては、同じくチタンなどの基材を二酸化鉛で被覆したものを例示することができる。陽極１２の材料としては、二酸化鉛の他に、二酸化錫やダイヤモンドなど、水素を活性化しない材料を例示することができる。
陰極室１５は、水素が排出される水素出口１７を有しており、陽極室１６は、純水などの原料水が供給される原料水入口１８、及び生成されたオゾンを含む原料水を排出する原料水出口１９を有している。各電解セル１０，１０は、互いに連結されてスタックを構成しており、直流電源２００から各電解セル１０，１０に所望の電流を印加することができる。
気液分離タンク２０は、チタン等からなる容器であり、原料水となる純水を貯留すると共に、原料水から分離されたオゾンガスなどの気体を、上部に形成された気体出口２１から排出可能に構成されている。気液分離タンク２０は、原料水供給ライン２２ａ及び原料水回収ライン２２ｂからなる循環ライン２２を介して電解セル１０，１０に接続されており、原料水供給ライン２２ａを介して原料水入口１８，１８から陽極室１６，１６に原料水を供給する一方、原料水出口１９，１９から排出された原料水を原料水回収ライン２２ｂから回収する。循環ライン２２による原料水の循環は、原料水供給ライン２２ａに介設された循環ポンプ２３によって行われる。尚、気液分離タンク２０への原料水の補充は、原料水補充ライン２４を介して適宜行うことができる。本実施形態においては、気液分離タンク２０を、各電解セル１０，１０に対して循環ライン２２により接続しているが、各電解セル１０，１０が気液分離タンクを個別に内蔵する構成にすることも可能である。
オゾンガス排出ライン３０は、気液分離タンク２０の気体出口２１に接続されており、第１の開閉弁３１が介設されている。
また、上記オゾンガス発生装置１は、パージガス供給手段１００と、パージガス排出ライン１１０と、水素モニター１２０とを備えている。パージガス供給手段１００は、パージガス供給源及び減圧弁（いずれも図示せず）を備えており、所定の圧力及び流量（例えば、圧力：０．１ＭＰａ、流量：約１Ｌ／分）に調整されたパージガスを、供給ライン２２ａに分岐接続されたパージガス供給ライン１０１を介して陽極室１６，１６に供給する。パージガス供給ライン１０１にはパージガス供給弁１０２が介設されており、パージガス供給手段１００の作動及び停止は、パージガス供給弁１０２の開閉によって行われる。パージガス供給手段１００のパージガス供給源として、本実施形態では圧縮空気（工場のサービスエア等）を使用している。
パージガス排出ライン１１０は、オゾンガス排出ライン３０における第１の開閉弁３１の上流側（すなわち、気液分離タンク２０と第１の開閉弁３１との間）に分岐接続されており、第２の開閉弁１１１が介設されている。このように、オゾンガス排出ライン３０に設けられた第１の開閉弁３１と、パージガス排出ライン１１０に設けられた第２の開閉弁１１１とによって、流路切替手段が構成されており、気液分離タンク２０から排出された気体の流路を、オゾンガス排出ライン３０とパージガス排出ライン１１０との間で切り替え可能に構成されている。流路切替手段の構成は本実施形態のものに限定されず、例えば、本実施形態のように第１の開閉弁３１及び第２の開閉弁１１１を設ける代わりに、オゾンガス排出ライン３０とパージガス排出ライン１１０との分岐部に三方弁を設けて、流路を切り替え可能に構成してもよい。
水素モニター１２０は、パージガスの水素濃度を検出する水素濃度検出装置であり、例えば、接触燃焼式の可燃性ガス検知器を使用することができる。水素モニター１２０の検出信号は、後述する制御装置１３０にリアルタイムに送信される。本実施形態においては、水素モニター１２０は、オゾンガス排出ライン３０におけるパージガス排出ライン１１０との分岐部よりも上流側において、検出ライン１２１を介して接続されているが、検出ライン１２１をパージガス排出ライン１１０に接続して、パージガス排出ライン１１０を通過するパージガスの水素濃度を検出するようにしてもよい。
また、検出ライン１２１には、水素モニター１２０をオゾンから保護するためのオゾン分解器１２２が介設されている。オゾン分解器１２２は、例えば、マンガンを主成分とする金属の酸化物をペレット状に形成したオゾン分解触媒と、このオゾン分解触媒を所定温度（例えば、約５０℃）に加熱するヒータとを備えている。
循環ポンプ２３やパージガス供給手段１００の作動、直流電源２００による電解セル１０への印加電流、並びに、第１の開閉弁３１及び第２の開閉弁１１１における開閉状態の設定は、制御装置１３０によって行われ、制御装置１３０は、オゾンガス発生スイッチ１３１の操作に連動して、所定の作動制御を行う。
次に、上述したオゾン発生装置１の作動を説明する。オゾンガス発生スイッチ１３１がオンの状態において、制御装置１３０は、循環ポンプ２３を作動させて、各電解セル１０，１０と気液分離タンク２０との間で原料水を循環させると共に、各電解セル１０，１０への印加電流を、所定（例えば約８００Ａ）の作動電流（第１の電流）に設定する。このとき、パージガス供給手段１００のパージガス供給弁１０２は閉じ、第１の開閉弁３１は開き、第２の開閉弁１１１は閉じておく。このようなオン動作を行うことにより、気液分離タンク２０に貯留された原料水は、各電解セル１０，１０に供給され、各電解セル１０，１０において水素、酸素、オゾンが生成される。発生した水素は、水素出口１７から不図示の排出ラインを介して排出される一方、発生した酸素及びオゾンは、原料水と共に気液分離タンク２０に供給され、気液分離タンク２０において原料水から分離される。こうして、オゾンガス排出ライン３０から高濃度のオゾンガスが連続的に排出され、ユースポイントに供給される。
この状態からオゾンガス発生スイッチ１３１をオフにすると、制御装置１３０は、パージガス供給手段１００のパージガス供給弁１０２を開き、第１の開閉弁３１は閉じて、第２の開閉弁１１１は開く。また、各電解セル１０，１０への印加電流は、上述した作動電流よりも低い、所定（例えば約４Ａ）の待機電流（第２の電流）に設定する。また、原料水の循環ポンプ２３は停止する。このようなオフ動作を行うことにより、オゾンガス排出ライン３０からのオゾンガスの排出が停止すると共に、パージガス供給手段１００から供給されるパージガスが、各電解セル１０，１０の陽極室１６，１６、気液分離タンク２０、及びオゾンガス排出ライン３０を経て、パージガス排出ライン１１０から排出される。この結果、各電解セル１０，１０への待機電流の印加により発生して陽極室１６，１６に拡散した水素を、パージガスによりパージすることができ、気液分離タンク２０やオゾンガス排出ライン３０における水素濃度を十分低レベルに維持することができるので、水素脆化による耐久性の悪化や安全管理上の問題を解消することができる。
また、本実施形態においては、オゾンガスの排出停止と同時にパージを開始するようにしているので、気液分離タンク２０で分離された気体中の水素濃度が上昇するおそれがない。したがって、パージの対象となるガスが水素であっても、空気を用いたパージを安全に行うことができる。尚、パージガスとして、空気以外に窒素ガスなどを使用可能であることは言うまでもない。
オゾンガス発生スイッチ１３１の操作によりオフ状態から再びオン状態に切り替わると、制御装置１３０は、水素モニター１２０が検出する水素濃度が所定値（例えば、１％）より大きい場合には、上述したオフ動作を継続し、パージを続ける。そして、水素モニター１２０の検出濃度が所定値以下になった時点で、上述したオン動作に切り替えて、オゾンガス排出ライン３０からのオゾンガス排出を開始する。これにより、ユースポイント等へのオゾンガスの供給時において、オゾンガスに含まれる水素濃度の管理をより確実に行うことができるので、更なる安全性の向上を図ることができる。
オゾンガス発生スイッチ１３１の前記オフ動作によるパージの効果を確認するため、図１に示すオゾン発生装置（電解セル１０は１５個用意し、複極式にて構成）において、前記オン動作を開始した後のオゾンガスに含まれる水素モニター１２０の検出濃度が、パージの有無によってどの程度異なるかを調べた。水素モニター１２０としては、新コスモス電機（株）製の接触燃焼式可燃性ガス検知器を使用した。この可燃性ガス検知器は、モニター指示値のフルスケール（１００％）が水素濃度４％に対応するように設定されている。
オフ動作を２４時間行った後にオン動作を開始した場合には、モニター指示値が約２分後に２０％を瞬間的に示した後、徐々に低下し、約５分後にはモニター指示値が０％になった。この結果は、オフ動作を７２時間行った後にオン動作を開始した場合もほぼ同様であった。
これに対し、オフ動作を行わずにオゾン発生装置を２４時間停止させた後、オン動作を開始した場合には、モニター指示値が約１．５分後に１００％を超え、約５分後に１００％まで下がった。モニター指示値が０％になったのは、約１５分後であった。また、オフ動作を行わずにオゾン発生装置を７２時間停止させた後、オン動作を開始した場合には、約１０分後にようやく１００％まで下がり、モニター指示値が０％になったのは、約２５分後であった。
１ オゾンガス発生装置
１０ 電解セル
１１ 陰極
１２ 陽極
１３ イオン交換膜
１５ 陰極室
１６ 陽極室
２０ 気液分離タンク
２１ 気体出口
３０ オゾンガス排出ライン
３１ 第１の開閉弁
１００ パージガス供給手段
１１０ パージガス排出ライン
１１１ 第２の開閉弁
１２０ 水素モニター
１３０ 制御装置
１３１ オゾンガス発生スイッチ
１０ 電解セル
１１ 陰極
１２ 陽極
１３ イオン交換膜
１５ 陰極室
１６ 陽極室
２０ 気液分離タンク
２１ 気体出口
３０ オゾンガス排出ライン
３１ 第１の開閉弁
１００ パージガス供給手段
１１０ パージガス排出ライン
１１１ 第２の開閉弁
１２０ 水素モニター
１３０ 制御装置
１３１ オゾンガス発生スイッチ
Claims (4)
- 陰極及び陽極で挟持されたイオン交換膜によって仕切られた陰極室及び陽極室を有し、前記陽極が水素を活性化しない材料からなる電解セルと、
前記陽極室に接続され、供給された原料水に含まれるオゾンガスを分離する気液分離タンクと、
前記気液分離タンクの気体出口に接続されたオゾンガス排出ラインと、
前記陽極室にパージガスを供給するパージガス供給手段と、
前記オゾンガス排出ラインに分岐接続されたパージガス排出ラインと、
前記オゾンガス排出ラインを通過する気体の流路を前記パージガス排出ラインに切り替える流路切替手段と、
オゾンガス発生スイッチの操作に連動して、前記パージガス供給手段の作動、前記電解セルへの印加電流、及び、前記流路切替手段の設定を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記オゾンガス発生スイッチがオンの状態において、前記パージガス供給手段を停止させ、前記電解セルへの印加電流を第１の電流に設定し、前記気液分離タンクから排出された気体が前記オゾンガス排出ラインから排出されるように前記流路切替手段を設定するオン動作を実行する一方、
前記オゾンガス発生スイッチがオフの状態において、前記パージガス供給手段を作動させ、前記電解セルへの印加電流を前記第１の電流よりも低い第２の電流に設定し、前記気液分離タンクから排出された気体が前記オゾンガス排出ラインから前記パージガス排出ラインを経て排出されるように前記流路切替手段を設定するオフ動作を実行するオゾン発生装置。 - 前記オゾンガス排出ライン又は前記パージガス排出ラインを通過するパージガスに含まれる水素濃度を検出する水素濃度検出装置を更に備え、
前記制御手段は、前記操作スイッチがオフ状態からオン状態に切り替わると、前記水素濃度検出装置の検出濃度が所定値以下となるまでは前記オフ動作を継続し、前記検出濃度が所定値以下になった時点で前記オン動作を開始する、請求項１に記載のオゾン発生装置。 - 前記パージガス供給手段は、パージガスとして空気を用いる請求項１または２に記載のオゾン発生装置。
- 前記流路切替手段は、前記オゾンガス排出ラインに介設された第１の開閉弁と、前記パージガス排出ラインに介設された第２の開閉弁とを備える請求項１から３のいずれかに記載のオゾン発生装置。
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| JP2005248212A (ja) | 2005-09-15 |
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