JP4252591B2 - オゾン製造装置 - Google Patents
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Description
本発明は、水電解により得られるオゾンガスを製造するに際して、電解セル内部の温度を下げることにより、より高効率でオゾンガスを得ると共に、電解セルを構成する各種部材の寿命を長くすることのできるオゾン製造装置に関するものである。
水電解によってオゾンガスを得る方法は、公知の技術であり、高濃度のオゾンガスを高電流効率にて得るには、電解温度を３０℃前後にして電解することが一般的である。しかし、オゾンガス発生用電解セルは、電解によって発熱し、３０℃を大幅に越えた高い温度となる為、電解セルを冷却し、内部の温度を下げることが必要となる。電解セルの冷却方法としては、図４に記載のように、例えば、電解セル３の陽極室１と陽極液の気液分離塔４との間で陽極液を循環させて、循環ラインからの放熱により温度を下げる方法、あるいは電解セル３を構成する陽極室２、陰極室１の外面に冷却ジャケット（図示せず。）を設けて、電解セル３の温度を下げる方法が知られている（特許文献１）。
しかしながら、特許文献１の装置では、陽極室内の温度の上昇を抑え、電解セルの温度を下げる効果はあるが、陰極冷却を行わないため温度は、高いままであり、電解セル内部、特に電解反応が起きているイオン交換膜と陽極、イオン交換膜と陰極の界面での温度を低下させるには十分でなかった。このため、電解セル内での温度分布が生じ、部材の劣化により経時的にオゾンガス濃度や電流効率の低下が起きやすく、性能を維持するためには頻繁な部材交換が発生するという問題があった。
そこで、本発明が解決しようとする課題は、上記の従来方法の欠点を解消し、水電解によりオゾンガスを製造するに際して、冷却効率を高めて、電解により発生する熱による電解セルの温度上昇を抑え、更に、電解セル内の温度を均一にすることによって高効率でオゾンガスを得ると共に、電解セルを構成する各種部材の寿命を長くすることにある。
本発明は、上記課題を解決するため、パーフルオロカーボン系のイオン交換膜９と、前記イオン交換膜９の両側に密着させた、オゾン発生用触媒を導電性多孔体に担持させた陽極８及び白金触媒を担持させた陰極１０と、前記陽極８の背面に装着した陽極室枠６と、前記陽極室枠６の内面と陽極８の背面間に形成した陽極室１と、前記陰極１０の背面に集電体１１を介して装着した陰極室枠１２と、前記陰極室枠１２の内面と前記集電体１１の背面間に形成した陰極室２と、前記陽極室枠６及び陰極室枠１２の外面に密着するよう設けた冷却ジャケット１６，１６とよりなり、純水を陽極室１内に供給してオゾンガスを発生させるオゾン発生用電解セル３において、前記陽極室枠６及び陰極室枠１２の内面に複数の溝１３を形成し、かつ、オゾン発生用電解セル３の外部に、陽極室１に接続して、陽極室１より発生するオゾン含有ガスと陽極液を分離する陽極液の気液分離塔４を設け、陽極液の気液分離塔４において分離された陽極液を陽極室１に循環させるとともに、陰極室２に接続して、陰極室２より発生する水素ガスと陰極液を気液分離する陰極液の気液分離塔５を設け、陰極液の気液分離塔５において分離された陰極液を陰極室２に循環させることにより、陽極液及び陰極液の冷却効果を向上し、高効率にオゾンガスを製造することを特徴とするオゾン製造装置を構成したことにある。
本発明によれば、冷却効率を高めて、電解により発生する熱による電解セルの温度上昇を抑え、更に、電解セル内の温度を均一にすることによって高効率でオゾンガスを得ると共に、電解セルを構成する各種部材の寿命を長くすることができる。
以下に、本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明によるオゾン製造装置の全体図、図２−ａは、本発明の電解セル３の上部から見た詳細図、図２−ｂは、本発明の電解セル３を横から見た詳細図、図３は、本発明による陽極室枠６及び陰極室枠１２の内面に形成した複数の溝１３の詳細図を示したものである。
図１は、本発明によるオゾン製造装置の全体図、図２−ａは、本発明の電解セル３の上部から見た詳細図、図２−ｂは、本発明の電解セル３を横から見た詳細図、図３は、本発明による陽極室枠６及び陰極室枠１２の内面に形成した複数の溝１３の詳細図を示したものである。
本発明によるオゾン製造装置は、図１に示すように、純水を供給してオゾン含有ガスを発生させる電解セル３と、電解セル３の上方空間に設けられた二つの気液分離塔４、５から構成される。一方の気液分離塔は、陽極液の気液分離塔４であって、電解セル３の陽極室１からオゾンガスを気泡として含んだ水を陽極液の気液分離塔４へ供給するフッ素樹脂製配管Ａと陽極液の気液分離塔４から水を陽極室１に戻すフッ素樹脂製配管Ｂが接続され、かつ、オゾン含有ガス出口１４を有している。もう一方の気液分離塔は、陰極液の気液分離塔５であって、電解セル３の陰極室２から水素を気泡として含んだ水を陰極液の気液分離塔５へ供給する配管Ｃと陰極液の気液分離塔５から水を陰極室２へ戻す配管Ｄが接続され、かつ、水素ガス出口１５を有している。
また、電解セル３は、図２−ａ及び図２−ｂに示すように、パーフルオロカーボン系のイオン交換膜９と、前記イオン交換膜９の両側に密着させた、オゾン発生用触媒を導電性多孔体に担持させた陽極８及び白金触媒を担持させた陰極１０と、前記陽極８の背面に装着した陽極室枠６と、前記陽極室枠６の内面と陽極８の背面間に形成した陽極室１と、前記陰極１０の背面に集電体１１を介して装着した陰極室枠１２と、前記陰極室枠１２の内面と前記集電体１１の背面間に形成した陰極室２により構成されている。７は、Ｏ−リングである。また、１６，１６は、陽極室枠６及び陰極室枠１２の外面には、密着するよう設けられた冷却ジャケットである。１３は、陽極室１、陰極室２を構成する陽極室枠６及び陰極室枠１２の内面に形成された複数の溝である。
複数の溝１３は、図３に示すように、縦横方向に複数形成されており、熱交換に用いられる面積を増加させ、冷却効率を上昇させるためのものである。従って、これらの複数の溝１３は、陽極液及び陰極液のそれぞれの液を循環し易くする事を目的としており、形状を限定するものではなく、放射状その他の形状に加工してもよい。
本発明によれば、電解セル３の陽極室１内に純水を供給して電解すると、陽極室１内にてオゾン含有ガスが発生し、このオゾン含有ガスは、陽極液とともに、配管Ａを通り、陽極液の気液分離塔４に供給され、陽極液の気液分離塔４内で気液分離され、オゾン含有ガスは、オゾン含有ガス出口１４より排出され、陽極液は、配管Ｂを通り、陽極室１に循環される。一方、陰極室２内にて水素ガスが発生し、この水素ガスは、陰極液とともに、配管Ｃを通り、陰極液の気液分離塔５に供給され、陰極液の気液分離塔５内で気液分離され、水素ガスは、水素ガス出口１５より排出され、陰極液は、配管Ｄを通り、陰極室２に循環される。本発明によれば、このように、陽極液の気液分離塔４及び陰極液の気液分離塔５と電解セル３の陽極室１及び陰極室２との間で、陽極液、陰極液を循環させているので、配管Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄや気液分離塔４及び５から放熱され、冷却が促進され、電解セル３の冷却効率を上げる事が出来る。また、その際に陽極室枠６及び陰極室枠１２の内面に、縦横方向、放射方向等に複数の溝１３が形成されているので、熱交換に用いられる面積も増加するとともに、電解セル３内の電解液通路の液抵抗が小さくなり、エアーリフト作用による陰極液、陽極液循環が一層促進される。本発明によれば、電解セル３の陰極側に循環系統を設けない場合に比べて、陽極室１、陰極室２とも温度の低下が見られ、また電解セル３内の温度分布も小さくなる。この温度の低減効果は発熱量が大きい高電流密度ほど顕著になる。更に、本発明によれば、陽極室枠６及び陰極室枠１２の外面に密着するよう、冷却ジャケット１６，１６が設けられている。従って、電解セル３の電解面積を一定にした場合、オゾンガス発生量を増加させるためには高電流密度で運転することになるが、電解による発熱が大きくなる為必然的にセル内、特にイオン交換膜と電極の接触部分の温度は上昇し、電流効率が低下する電解条件となるが、本発明によれば、電解セル３の温度上昇を抑制することで高い電流効率を保つことができ、同時に電解セル３を構成する部材の寿命を長くすることも出来る。即ち、本発明によれば、電解セル３内の温度は上昇せず、特に電解発熱部分であるイオン交換膜９近傍の温度は、図４に示すような従来の装置による運転時よりも低下した。また電解セル３全体の温度分布も小さくなった。省スペースで多量のオゾンガスを得るために電解セル３を高電流密度で運転する場合には電解による発熱が大きくなる為、本発明による温度低減効果が有効である。
＜実施例及び比較例＞
実施例として、図１に示すオゾン水製造装置を使用して電流密度２００Ａ／ｄｍ2にて電解を行った。図１の３で示すオゾン発生用水電解セルは、図２−ａ及び図２−ｂに示すセルを用いた。図２−ａ及び図２−ｂの８は、オゾン発生用触媒を導電性多孔体に担持させた陽極、９は、パーフルオロカーボンスルホン酸系イオン交換膜、１０は、白金触媒を担持させた陰極である。また６は、陽極室枠、１２は、陰極室枠であって、図３に記載の通り複数の溝１３を形成したものを使用した。陽極液、陰極液は、それぞれ陽極室１と陽極液の気液分離塔４、陰極室２と陰極液の気液分離塔５の間を循環した。陽極室枠６、陰極室枠１２の外側には、冷却ジャケット１６，１６を設けて、陽極室１及び陰極室２を冷却した。
比較例として、図４に示すように、陽極液のみを陽極室１と陽極液の気液分離塔４の間を循環し、陰極側に循環構造を持たないオゾン水製造装置を用いて電流密度２００Ａ／ｄｍ2にて電解を行った。この比較例においても、冷却ジャケット１６，１６を設けて、陽極室１及び陰極室２を冷却した。
実施例、比較例それぞれの結果を表１に示す。これらの結果より、陽極液、陰極液を、それぞれ陽極室１と陽極液の気液分離塔４、陰極室２と陰極液の気液分離塔５の間で循環した方が、陽極液のみを陽極室１と陽極液の気液分離塔４の間で循環した場合よりも、セル全体の温度が低下し、温度分布も小さくなり、高電流効率のオゾンを得ることができた。
実施例として、図１に示すオゾン水製造装置を使用して電流密度２００Ａ／ｄｍ2にて電解を行った。図１の３で示すオゾン発生用水電解セルは、図２−ａ及び図２−ｂに示すセルを用いた。図２−ａ及び図２−ｂの８は、オゾン発生用触媒を導電性多孔体に担持させた陽極、９は、パーフルオロカーボンスルホン酸系イオン交換膜、１０は、白金触媒を担持させた陰極である。また６は、陽極室枠、１２は、陰極室枠であって、図３に記載の通り複数の溝１３を形成したものを使用した。陽極液、陰極液は、それぞれ陽極室１と陽極液の気液分離塔４、陰極室２と陰極液の気液分離塔５の間を循環した。陽極室枠６、陰極室枠１２の外側には、冷却ジャケット１６，１６を設けて、陽極室１及び陰極室２を冷却した。
比較例として、図４に示すように、陽極液のみを陽極室１と陽極液の気液分離塔４の間を循環し、陰極側に循環構造を持たないオゾン水製造装置を用いて電流密度２００Ａ／ｄｍ2にて電解を行った。この比較例においても、冷却ジャケット１６，１６を設けて、陽極室１及び陰極室２を冷却した。
実施例、比較例それぞれの結果を表１に示す。これらの結果より、陽極液、陰極液を、それぞれ陽極室１と陽極液の気液分離塔４、陰極室２と陰極液の気液分離塔５の間で循環した方が、陽極液のみを陽極室１と陽極液の気液分離塔４の間で循環した場合よりも、セル全体の温度が低下し、温度分布も小さくなり、高電流効率のオゾンを得ることができた。
本発明によるオゾン発生装置によれば、冷却ジャケットにより陽極室及び陰極室が冷却されるとともに、電解セルの陽極液、陰極液を循環させることによって放熱が起こり、冷却が促進される。またその際に縦横方向、放射方向等に複数の溝を形成した陽極室、陰極室を用いることで、エアーリフト作用による陰極液、陽極液の循環を良好にして冷却効率を高め、電解により発生する熱によるセルの温度上昇を抑え、電解セル内の温度を均一にすることによって高効率でオゾンガスを得ると共に、電解セルを構成する各種部材の寿命を長くすることができる。
１：陽極室
２：陰極室
３：電解セル
４：陽極液の気液分離塔
５：陰極液の気液分離塔
６：陽極室枠
７：Ｏ−リング
８：陽極
９：イオン交換膜
１０：陰極
１１：集電体
１２：陰極室枠
１３：溝
１４：オゾン含有ガス出口
１５：水素ガス出口
１６：冷却ジャケット
２：陰極室
３：電解セル
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Claims (1)
- パーフルオロカーボン系のイオン交換膜９と、前記イオン交換膜９の両側に密着させた、オゾン発生用触媒を導電性多孔体に担持させた陽極８及び白金触媒を担持させた陰極１０と、前記陽極８の背面に装着した陽極室枠６と、前記陽極室枠６の内面と陽極８の背面間に形成した陽極室１と、前記陰極１０の背面に集電体１１を介して装着した陰極室枠１２と、前記陰極室枠１２の内面と前記集電体１１の背面間に形成した陰極室２と、前記陽極室枠６及び陰極室枠１２の外面に密着するよう設けた冷却ジャケット１６，１６とよりなり、純水を陽極室１内に供給してオゾンガスを発生させるオゾン発生用電解セル３において、前記陽極室枠６及び陰極室枠１２の内面に複数の溝１３を形成し、かつ、オゾン発生用電解セル３の外部に、陽極室１に接続して、陽極室１より発生するオゾン含有ガスと陽極液を分離する陽極液の気液分離塔４を設け、陽極液の気液分離塔４において分離された陽極液を陽極室１に循環させるとともに、陰極室２に接続して、陰極室２より発生する水素ガスと陰極液を気液分離する陰極液の気液分離塔５を設け、陰極液の気液分離塔５において分離された陰極液を陰極室２に循環させることにより、陽極液及び陰極液の冷却効果を向上し、高効率にオゾンガスを製造することを特徴とするオゾン製造装置。
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