JP4649200B2

JP4649200B2 - ラジカル酸素水生成装置及びラジカル酸素水生成システム

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Publication number: JP4649200B2
Application number: JP2004372596A
Authority: JP
Inventors: 健二福井; 一成納屋; 宏明神谷; 国男逆井
Original assignee: 株式会社ミカサベッツ
Priority date: 2004-12-24
Filing date: 2004-12-24
Publication date: 2011-03-09
Anticipated expiration: 2024-12-24
Also published as: JP2006175384A

Description

本発明は、ラジカル酸素水生成装置及びラジカル酸素水生成システムに関し、特に水を電気的に処理する方法を用いるラジカル酸素水生成装置及びラジカル酸素水生成システムに関する。

従来、水を電気分解する技術として様々な方法が知られている。例えば、ＧＥ社の開発した固体高分子膜を用いた電解法（ＳＰＥ電解法）は、イオン交換膜を隔膜及び電解質膜として用い、その両側に電極を接合し、純水を電解して高純度の水素を高い効率で得ることができる。また、豊橋技術科学大学で開発された方法は、ＳＰＥ電解法を応用した技術として、陰極側に白金析出のＭＥＡと酸素過電圧の高い酸化鉛とを白金メッキされたチタン多孔質電極に組み合わせた４層構造とし、アノード側で高濃度オゾン水を生成する（非特許文献１）。

関連する技術として、特開２００４−３５３０３３号公報（特許文献１）に、水の電気分解用膜・電極接合体およびそれを用いた水の電気分解装置が開示されている。この水の電気分解用膜・電極接合体は、固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜の一方側に接合された酸素極と、他方側に接合された水素極とを含む。前記酸素極は、イリジウムめっきされた多孔性のシート状カーボン素材と、前記固体高分子電解質膜に接する側の前記シート状カーボン素材の面に対してなされたカーボンと固体高分子膜用樹脂を含む混合物のコーティング層とを含む。前記水素極は、多孔性のシート状カーボン素材と、前記シート状カーボン素材に対してなされたカーボンおよび固体高分子膜用樹脂を含む混合物のコーティング層と、このコーティング層に対してさらにＰｔ（合金）および／またはＰｔ（合金）担持カーボンと固体高分子膜用樹脂を含む混合物のコーティング層とを含む。

"Ｏｚｏｎｅｗａｔｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｂｙｗａｔｅｒｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓｃｅｌｌｕｓｉｎｇｓｏｌｉｄｐｏｌｙｍｅｒｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ"、大庭貴弘、楠博敦、砂川大輔、恩田和夫（豊橋技術科学大学）、伊藤衡平（九州大学）、第４４回電池討論会、ｐｐ２２２−２２３（２００３）特開２００４−３５３０３３号

従って、本発明の目的は、ラジカル酸素を含むラジカル酸素水を効率的に生成可能なラジカル酸素水生成装置を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、水道水を用いてラジカル酸素を含むラジカル酸素水を効率的に生成可能なラジカル酸素水生成システムを提供することにある。

以下に、発明を実施するための最良の形態で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、特許請求の範囲の記載と発明を実施するための最良の形態との対応関係を明らかにするために括弧付きで付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、特許請求の範囲に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

従って、上記課題を解決するために、本発明のラジカル酸素水生成装置は、固体電解質膜（５）と、陽極部（６）と、陰極部（４）とを具備する。陽極部（６）は、固体電解質膜（５）の一方の面に接するように設けられ、水が流通可能である。陰極部（４）は、固体電解質膜（５）の他方の面に接合するように設けられ、水が流通可能である。陽極部（６）は、一方の面を固体電解質膜（５）に接するように設けられた陽極（６１）と、陽極（６１）の他方の面に接するように設けられた網状の構造を有する第１陽極保持部（６２〜６４）とを備える。陰極部（４）は、一方の面を固体電解質膜（５）に接するように設けられた陰極（４１）と、陰極（４１）の他方の面に接するように設けられた網状の構造を有する第１陰極保持部（４２）とを備える。陽極部（６）及び陰極部（４）へ電力を供給可能である。

上記のラジカル酸素水生成装置において、第１陽極保持部（６２〜６４）は、層状に重ねられた複数の金網を含む。複数の金網の各々における単位面積当たりの網目の数は、陽極（６１）に近い金網ほど多い。

上記のラジカル酸素水生成装置において、陽極（６１）は、表面に固体電解質材料の皮膜（６７）を有する。

上記のラジカル酸素水生成装置において、陰極部（４）は、陰極（４１）と固体電解質膜（５）との間に、両者に接するように設けられ、電解質の材料を含む電解質膜（４５）を更に備える。

上記のラジカル酸素水生成装置において、第１陽極保持部（６２〜６４）における陽極（６１）側とは反対の側に接するように設けられた第２陽極保持部（７）と、第１陰極保持部（４２）における陰極（４１）側とは反対の側に接するように設けられた第２陰極保持部（３）とを更に具備する。陽極部（６）における水が流通可能な領域は、固体電解質膜（５）と第２陽極保持部（７）との間の第１隙間（Ｓ１＋Ｓ２）である。陰極部（４）における水が流通可能な領域は、固体電解質膜（５）と第２陰極保持部（３）との間の第２隙間（Ｓ３＋Ｓ４）である。

上記のラジカル酸素水生成装置において、第２陽極保持部（７）は、第１陽極保持部（６２〜６４）と接する面に凹凸（７１〜７３）を有する。

上記のラジカル酸素水生成装置において、第２陽極保持部（７）の有する凹凸（７１〜７３）は、蛇行する凸部（７３）を有する。

上記のラジカル酸素水生成装置において、凸部（７３）の間隔（ｐ１、ｐ２）及び幅（ｐ３）は、１ｍｍ以上、５ｍｍ以下である。

上記のラジカル酸素水生成装置において、第１隙間（Ｓ１＋Ｓ２）の大きさは、０．３ｍｍ以上、１０ｍｍ以下である。

上記のラジカル酸素水生成装置において、第２陰極保持部（３）は、第１陰極保持部（４２）と接する面に凹凸（３１、３２）を有する。

上記のラジカル酸素水生成装置において、陽極部（６）へ水を供給可能な第１配管（２ｃ）と、第１配管（２ｃ）から分岐され陰極部（４）へ水を供給可能な第２配管（２ｄ）と、第１配管（２ｃ）と第２配管（２ｄ）との分岐点又は第２配管（２ｄ）の途中に設けられ第２配管（２ｄ）を流通する水の量を制限するメンブレン（８）とを更に具備する。

上記のラジカル酸素水生成装置において、陽極部（６）における水の流れる速度は、５０ｍｍ／ｓｅｃ．以上、５００ｍｍ／ｓｅｃ．以下である。

上記課題を解決するために、本発明のラジカル酸素水生成システムは、イオン交換部（９０）と、ラジカル酸素水生成装置（１）とを具備する。イオン交換部（９０）は、イオン交換樹脂フィルタを含み、供給された水道水の所定の不純物を除去する。ラジカル酸素水生成装置（１）は、所定の不純物を除去された水道水に電力を印加する。上記各項のいずれかに記載されている。

本発明により、水道水を用いてラジカル酸素を含むラジカル酸素水を所望の濃度で効率的に生成することが可能となる。

以下、本発明のラジカル酸素水生成装置及びラジカル酸素水生成システムの実施の形態に関して、添付図面を参照して説明する。まず、本発明のラジカル酸素水生成装置及びラジカル酸素水生成システムの実施の形態の構成について説明する。

図１は、本発明のラジカル酸素水生成システムの実施の形態の構成を示すブロック図である。ラジカル酸素水生成システム８０は、イオン交換部９０と、ラジカル酸素水生成装置１と、制御部８８、配管８４、８５、バルブ９４〜９８、逆止弁９９を具備する。矢印は、水の流れる方向を示す。

イオン交換部９０は、イオン交換樹脂フィルタ（図示されず）を含み、配管８４の途中に設けられている。イオン交換部９０は、イオン交換樹脂フィルタにより、供給された水（例示；水道水、以下同じ）の所定の不純物を除去する。所定の不純物は、ラジカル酸素水生成装置１のセル（後述）の行う水の電気的な処理に対して影響を及ぼす物質である。そのような物質としては、カルシウム、マグネシウム等のミネラル分が例示される。イオン交換樹脂フィルタは、陽イオン交換樹脂（塩型：例示、Ｎａ型）に例示される。更に、これに加えて、塩素を除去するために、活性炭フィルタや亜硫酸カルシュウムのフイルタ、陰イオン交換樹脂フィルタの少なくとも一つを有していても良い。

ここでは、イオン交換フィルタによるイオン交換以外は、ラジカル酸素水生成装置１における電気的な処理の効率を高める物質のような他の物質の添加は一切行っていない。

イオン交換樹脂フィルタは、セルの汚れや破損を極力抑えること、水本来の水素イオンレベルを安定させることに目的に絞っている。水に含まれる他物質を可能な限り除去する目的ではない。そのため、1種類のフィルターのみで良く、その構造、構成を簡単にすることができる。

ラジカル酸素水生成装置１は、配管８４の途中に設けられている。ラジカル酸素水生成装置１は、イオン交換部９０で処理され、所定の不純物を除去された水に電力を印加する電気的処理を施す。そして、陽極側（後述）でラジカル分子を豊富に含むラジカル酸素水を生成する。ラジカル分子は、活性酸素、過酸化水素、オゾン、ヒドロキシルラジカルに例示される。

配管８１は、水を供給する。バルブ９１は、配管８１の先端に設けられ、配管８１の水の流通を制御する。配管８２は、バルブ９１とバルブ９３との間に設けられ、ラジカル酸素水生成システム８０をバイパスする水が流通する。バルブ９２は、配管８２の途中に設けられ、バイパスする水の流通を制御する。配管８４は、配管８２のバルブ９１近傍からバルブ９４を介して分岐し、配管８２のバルブ９３近傍にバルブ９６を介して合流する。配管８４は、途中でイオン交換部９０、バルブ９５及びラジカル酸素水生成装置１にこの順に接続されている。バルブ９４は、水の配管８４への分岐を制御する。バルブ９５は、イオン交換部９０とラジカル酸素水生成装置１との間の処理された水の流通を制御する。バルブ９６は、水の配管８２への合流を制御する。逆止弁９８は、配管８２の水の配管８４への逆流を防止する。バルブ９７は、ラジカル酸素水生成装置１から配管８４へ送出されるラジカル酸素水を直接取り出すためのバルブである。配管８５は、ラジカル酸素水生成装置１に接続され、排水を排出する。バルブ９８は、配管８５の先端に設けられ、排水の排出を制御する。バルブ９３は、未処理の水及び合流した処理された水の配管８３への流通を制御する。

制御部８８は、バルブ９１〜９８、イオン交換部９０及びラジカル酸素水生成装置１の動作を制御する。ただし、全てを制御部８８で制御しなくても良い。また、制御部８８を設けず、全て手動で制御することも可能である。

ラジカル酸素水生成装置１について更に説明する。
図２は、本発明のラジカル酸素水生成装置の実施の形態の構成を示すブロック図である。ラジカル酸素水生成装置１は、ラジカル酸素水生成装置本体２、メンブレン８、セル１０、変圧・整流部１２、制御回路部１１を備える。矢印は、水等の流れる方向を示す。

変圧・整流部１２は、一般の１００Ｖ又は２００Ｖ電源から交流電力を供給され、所定の直流電力へ変換する。制御回路部１１は、所定の直流電力を供給され、セル１０の性能に対応した直流電力に変換して、セル１０へ出力する。出力する直流電力は、例えば、４〜２０Ｖ、セル１０の単位面積（ｃｍ^２）あたり０．１〜５Ａである。

ラジカル酸素水生成装置本体２は、領域２ａ、開口部２ｂ、２ｇ、２ｈ、配管２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆを含む。領域２ａは、ラジカル酸素水生成装置本体２の内部に設けられ、セル１０を保持する。開口部２ｂは、ラジカル酸素水生成装置本体２の外表面に設けられ、配管８４に接続され、イオン交換部９０で処理された水を供給される。

配管２ｃは、ラジカル酸素水生成装置本体２の内部に開口部２ｂに接続して設けられ、水を供給され、セル１０の陽極側（後述）へ供給する。配管２ｅは、ラジカル酸素水生成装置本体２の内部に開口部２ｇに接続して設けられ、セル１０の陽極側からのラジカル酸素水を開口部２ｇへ供給する。開口部２ｇは、ラジカル酸素水生成装置本体２の外表面に設けられ、配管８４に接続され、ラジカル酸素水を配管８４へ供給する。

配管２ｄは、ラジカル酸素水生成装置本体２の内部に開口部２ｃの途中に接続して設けられ、配管２ｃの途中から水を供給され、セル１０の陰極側（後述）へ供給する。配管２ｆは、ラジカル酸素水生成装置２の内部に開口部２ｈに接続して設けられ、セル１０の陰極側からの排水を開口部２ｈへ供給する。開口部２ｈは、ラジカル酸素水生成装置本体２の外表面に設けられ、配管８５に接続され、排水を排出する。

メンブレン８は、配管２ｄの途中に設けられ、配管２ｃから分岐して陰極側へ向かう水の流量を統制する。メンブレンの孔径は０．1 〜１０μｍが好ましい。メンブレンの面積は配管２ｄと同等若しくはその１／１０程度までが好ましい。この二つの条件を調整することで、陽極側に供給される水の量と、陰極側に供給される水の量との比を所望の値に設定することができる。これにより、外部で陰極側と陽極側との各々に流す水の流量を、それぞれ別々に調節して合わせる手間を省くことができる。これにより、配管の構成を簡略化することができる。

本発明では、陽極側の水の流れを乱して電気的処理の効率を向上していること、固体電解質膜５で陽極側からの不純物の流入を防止していることなどから、陰極側に流す水の量ｖ１は、陽極側に流す水の量ｖ２に比較して少なくすることができる。例えば、陰極側に流す水の量ｖ１を、ｖ１／ｖ２＝１／１０程度まで低減することができる。これにより、供給する水の単位体積当たりのラジカル酸素水生成量を向上することができる。

セル１０は、ラジカル酸素水生成装置本体２の領域２ａ内に設けられ、イオン交換部９０で処理された水及び制御回路部１１から直流電力を夫々供給され、ラジカル酸素水を生成する。セル１０は、第２陰極保持部３、陰極部４、固体電解質膜５、陽極部６、第２陽極保持部７を含む。なお、第２陰極保持部３は、陰極部４に含まれていても良い。第２陽極保持部７は、陽極部６に含まれていても良い。

固体電解質膜５は、プロトン導電膜（Ｈ型のイオン交換膜）である。プロトン導電膜としては、固体高分子膜のスルフォン酸型の強酸性陽イオン交換樹脂や、パーフルオロスルホン酸ポリマー膜に例示される。

陽極部６は、固体電解質膜５の一方の面に接するように設けられ、水が流通可能である。陽極部６は、制御回路部１１が直流電力をセル１０へ供給するとき、制御回路部１１の正極に接続されている。第２陽極保持部７は、一方の面をラジカル酸素水生成装置本体２の領域２ａの他の一側面に接し、他方の面を陽極部６における固体電解質膜５側の面とは反対側の面に接するように設けられている。

第２陰極保持部３は、一方の面をラジカル酸素水生成装置本体２の領域２ａの一側面に接し、他方の面を陰極部４における固体電解質膜５側の面とは反対側の面に接するように設けられている。陰極部４は、固体電解質膜５の他方の面に接合するように設けられ、水が流通可能である。陰極部４は、制御回路部１１が直流電力をセル１０へ供給するとき、制御回路部１１の負極に接続されている。

セル１０に直流電力を印加することにより、陽極部６側では、ラジカル酸素水を生成する。

セル１０において、第２陽極保持部７に制御回路部１１の正極、第２陰極保持部３に制御回路部１１の負極をそれぞれ接続する。そして、第２陽極保持部７を介して陽極部６へ、及び、第２陰極保持部３を介して陰極部４へ、制御回路部１１で直流電力を供給することにより、陽極部６において、ラジカル分子を豊富に含むラジカル酸素水を生成することができる。

図３は、セル１０の構成を示す断面図である。
陽極部６は、陽極６１と、第１陽極保持部６２、６３、６４とを備える。
陽極６１は、一方の面を固体電解質膜５に接し、他方の面を第１陽極保持部６２に接するように設けられている。陽極６１は、網状の構造を有する。その単位面積当たりの網目の数は、８０メッシュ以上が望ましい。陽極６１と固体電解質膜５との接触面積が多くなるからである。

陽極６１の材料は、貴金属系、金属酸化物系（導電性酸化物）、又は、炭素系の材料が好ましい。ここで、貴金属系の材料は、金、白金、ロジウム、又は、金、白金及びロジウムの少なくとも１種類を含む合金に例示される。金属酸化物系の材料は、酸化スズに例示される。酸化スズの場合、焼結多孔質の薄板の表面、貴金属系材料の電極の表面、チタンやステンレス系材料の電極の表面にコーティングされたものが好ましい。コーティングの方法は蒸着、スパック、レーザーアプレーション等の真空成膜する方法、スズめっきを行った後に酸化する方法、塩化物水溶液を付着させた後に酸化する方法などがある。炭素系の材料は、ダイアモンド、カーボンナノチューブをカーボンファイバ織物の表面や焼結多孔質の薄板の表面、貴金属系材料の電極の表面、チタンやステンレス系材料の電極の表面にコーティングされたものが好ましい。

陽極６１は、その表面にさらにプロトン伝導膜（固体電解質材料）を薄くコーティングしても良い。図６は、陽極６１の断面を示す図である。この場合、陽極６１の網構造を構成する糸６６は、固体電解質膜５と同質のプロトン導電膜６７をコーティングされている。ここで、糸６６の材料は、上述のように貴金属系、金属酸化物系（導電性酸化物）、又は、炭素系の材料である。
この製造方法としては、例えば、陽極６１の表面にフッ素系固体電解質の溶液をコーティングし乾燥する。コーティングしてできた膜をそのフッ素系固体電解質のガラス転移温度以上の温度で熱処理すると好ましい。また、そのコーティングしてできた膜に電子線を照射して多孔質化するとより好ましい。

第１陽極保持部６２は、一方の面を陽極６１に接し、他方の面を第１陽極保持部６３に接するように設けられている。第１陽極保持部６２は、網状の構造を有する。その単位面積当たりの網目の数は、８０メッシュ以上１００メッシュ以下であることが好ましい。１００メッシュより大きいと、水が陽極６１へ充分に供給され難くなる。８０メッシュより小さいと、水に充分な乱流が発生せず、陽極６１へ新鮮な水が供給され難くなる。

第１陽極保持部６３は、一方の面を第１陽極保持部６２に接し、他方の面を第１陽極保持部６４に接するように設けられている。第１陽極保持部６３は、網状の構造を有する。その単位面積当たりの網目の数は、４０メッシュ以上８０メッシュ以下であることが好ましい。８０メッシュより大きいと、水が第１陽極保持部６２を介して陽極６１へ充分に供給され難くなる。４０メッシュより小さいと、水に充分な乱流が発生せず、第１陽極保持部６２を介して陽極６１へ新鮮な水が供給され難くなる。

第１陽極保持部６４は、一方の面を第１陽極保持部６３に接し、他方の面を第２陽極保持部７に接するように設けられている。第１陽極保持部６３は、網状の構造を有する。その単位面積当たりの網目の数は、２０メッシュ以上４０メッシュ以下であることが好ましい。４０メッシュより大きいと、水が第１陽極保持部６２、６３を介して陽極６１へ充分に供給され難くなる。４０メッシュより小さいと、水に充分な乱流が発生せず、第１陽極保持部６２、６３を介して陽極６１へ新鮮な水が供給され難くなる。

なお、第１陽極保持部６２〜６４は、全て設ける必要は無く、セル１０の大きさや水の量に応じて第１陽極保持部６２のみ、又は、第１陽極保持部６２及び第１陽極保持部６３のみ、でも良い。ただし、単位面積当たりの網目の数は、陽極６１に近い第１陽極保持部ほど多くする。

第１陽極保持部６２〜６４は、耐腐食性があり、導電性があればどのような材料を用いても良い。例えば、ステンレスに例示される。また、第１陽極保持部６２〜６４は、陽極６１と固体電解質膜５との接合面にできるだけ新鮮な水が供給されるように、乱流を生じながら流通可能であれば、他の形状を有していても良い。

第２陽極保持部７は、第１陽極保持部６２〜６４と接する面に凹部７１、凹部７２、凸部７３を有する。
凸部７３は、陽極部６を保持する。凹部７１及び凹部７２は、凸部７３とともに水に乱流を生じさせる。第２陽極保持部７は、耐腐食性があり、導電性があればどのような材料を用いても良い。例えば、ステンレスに例示される。

陽極部６と第２陽極保持部７とにおける水が流通可能な領域は、固体電解質膜５と第２陽極保持部７との間の隙間Ｓ１と隙間Ｓ２である。ただし、隙間Ｓ１は、陽極６１と第１陽極保持部６２〜６４との網構造の部分である。隙間Ｓ２は、第２陽極保持部７に設けられた凹部７１である。

隙間Ｓ１の大きさは、０．３ｍｍ以上、５ｍｍ以下であることが好ましい。０．３ｍｍより小さいと、水の供給口付近（配管２ｃの出口付近）に陽極６１での反応が集中し、陽極６１の全面へ新鮮な水が供給され難くなる。５ｍｍより大きいと、水の一部が陽極６１で反応せずに流れ去ってしまう恐れがある。

隙間Ｓ２の大きさは、０．３ｍｍ以上、５ｍｍ以下であることが好ましい。０．３ｍｍより小さいと、水に生じる乱流が小さくなり、陽極６１へ新鮮な水が供給され難くなる。５ｍｍより大きいと、凹部７１に水が滞留する不要な領域ができる恐れがある。

陰極部４は、陰極４１と、第１陰極保持部４２と、電解質膜４５とを備える。
電解質膜４５は、一方の面を固体電解質膜５に接し、他方の面を陰極４１に接するように設けられている。電解質膜４５は、多孔質で薄い膜状の物体であり、この薄い膜状の物体に電解質の材料（例示：塩類の水溶液のような液体）を含浸、保持させたものである。これにより、陰極４１の表面での電流分布を均一化し、電流効率を上げることができる。電解質膜４５は、電解質の材料をゲル状の物質に添加したものでも良い。電解質の材料を固体電解質の材料としても良い。なお、電解質膜４５は、省略することも可能である。その場合、陰極４１は、一方の面を固体電解質膜５に接し、他方の面を第１陰極保持部４２に接するように設けられる。

陰極４１は、一方の面を電解質膜４５に接し、他方の面を第１陰極保持部４２に接するように設けられている。陰極４１は、網状の構造を有する。その単位面積当たりの網目の数は、８０メッシュ以上が望ましい。陽極６１と固体電解質膜５との接触面積が多くなるからである。

陰極４１の材料は、貴金属系の材料が好ましい。ここで、貴金属系の材料は、白金又は白金を含む合金に例示される。他の金属に白金の膜や白金微粒子をコーティングしたものでも良い。

第１陰極保持部４２は、一方の面を陰極４１に接し、他方の面を第２陰極保持部３に接するように設けられている。第１陰極保持部４２は、網状の構造を有する。その単位面積当たりの網目の数は、８０メッシュ以上１００メッシュ以下であることが好ましい。１００メッシュより大きいと、水が陰極４１へ充分に供給され難くなる。８０メッシュより小さいと、水に充分な乱流が発生せず、陰極４１へ新鮮な水が供給され難くなる。

なお、第１陰極保持部４２は、陽極部６のように複数設けても良い。その場合、単位面積当たりの網目の数は、陰極４１に近い第１陰極保持部ほど多くする。

第１陰極保持部４２は、耐腐食性があり、導電性があればどのような材料を用いても良い。例えば、ステンレスに例示される。また、第１陰極保持部４２は、陰極４１と電解質膜４５（又は固体電解質膜５）との接合面にできるだけ新鮮な水が供給されるように、乱流を生じながら流通可能であれば、他の形状を有していても良い。

第２陰極保持部３は、第１陽極保持部４２と接する面に凹部３１、凸部３２を有する。凸部３２は、陰極部4を保持する。凹部３１は、凸部３２とともに水に乱流を生じさせる。第２陰極保持部３は、耐腐食性があり、導電性があればどのような材料を用いても良い。例えば、ステンレスに例示される。

陰極部４と第２陰極保持部３とにおける水が流通可能な領域は、電解質膜４５（又は固体電解質膜５）と第２陰極保持部３との間の隙間Ｓ３と隙間Ｓ４である。ただし、隙間Ｓ３は、陰極４１と第１陰極保持部４２との網構造の部分である。隙間Ｓ４は、第２陰極保持部３に設けられた凹部３１である。

隙間Ｓ３の大きさは、０．３ｍｍ以上、５ｍｍ以下であることが好ましい。０．３ｍｍより小さいと、水の供給口付近（配管２ｄの出口付近）に陰極４１での反応が集中し、陰極４１の全面へ新鮮な水が供給され難くなる。５ｍｍより大きいと、水の一部が陰極４１で反応せずに流れ去ってしまう恐れがある。

隙間Ｓ４の大きさは、０．３ｍｍ以上、５ｍｍ以下であることが好ましい。０．３ｍｍより小さいと、水に生じる乱流が小さくなり、陰極４１へ新鮮な水が供給され難くなる。５ｍｍより大きいと、凹部３１に水が滞留する不要な領域ができる恐れがある。

陽極部６や陰極部４における水の流速は、５０ｍｍ／ｓｅｃ．以上、５００ｍｍ／ｓｅｃ．以下が好ましい。５０ｍｍ／ｓｅｃ．より小さいと、水の供給不足（供給律速）になり電気的処理の効率が低下する。５００ｍｍ／ｓｅｃ．より大きいと、電解反応が水の供給に間に合わず（反応律速）、電気的処理の効率が低下する。

第２陽極保持部７について更に説明する。
図４は、第２陽極保持部７を示す斜視図である。矢印は、水等の流れを示す。
第２陽極保持部７の有する凹凸（７１〜７３）は、凸部７３が蛇行した形状を有する。凸部７３の蛇行によりできる溝が凹部７１及び凹部７２である。イオン交換部９０で水は、まず凹部７１に入り、次に凸部７３を越えて凹部７２に入り、そして送出される。その際、その水は、第２陽極保持部７上の陽極部６で電気的に処理される。なお、第２陽極保持部７は、歯を入水側に向けた櫛形の形状を有していても良い。

図に示す凸部７３の幅ｐ３、凸部７３同士の間隔ｐ１、ｐ２（凹部７１、７２の幅）は、１ｍｍ以上、５ｍｍ以下であることが好ましい。５ｍｍより大きいと、乱流となる範囲（領域）が充分に取れない。１ｍｍより小さいと、水が入り難くなり圧力を上げる必要が出てくる。

この第２陽極保持部７により、その水は単に一方向へ流れるだけでなく、凹凸により流れが乱される。その乱流の発生により、常に陽極６１と固体電解質膜５との接合面に新鮮な水が供給される。それにより、電気的処理の効率を高めることができる。

なお、第２陽極保持部７の凹凸の構造は、この例に限定されるものではない。所望の乱流が発生するものであれば、他の構造も利用することができる。

第２陰極保持部３について更に説明する。
第２陰極保持部３を示す斜視図である。矢印は、水等の流れを示す。
第２陰極保持部３の有する凹凸（３１、３２）は、凸部３２が水流に垂直な方向に伸びる山型の形状を有する。ただし、山の頂上部分は陰極部４に影響を与えないように丸みや平坦な形状としても良い。二つの凸部３２間にできるＶ字型の溝が凹部３１である。イオン交換部９０で水は、凸部３２を越えて凹部３１に入る流れを繰り返し、そして送出される。その際、その水は、第２陰極保持部３上の陰極部４で電気的に処理される。なお、第２陰極保持部３は、第２陽極保持部７のような構造を有していても良い。

この第２陰極保持部３により、その水は単に一方向へ流れるだけでなく、凹凸により流れが乱される。その乱流の発生により、常に陰極４１と固体電解質膜５との接合面に新鮮な水が供給される。それにより、電気的処理の効率を高めることができる。

なお、第２陰極保持部３の凹凸の構造は、この例に限定されるものではない。

本発明においては、上述のように第２陽極保持部７や第２陰極保持部３に凹凸が設けられていること、第１陽極保持部６２〜６４や第１陰極保持部４２が網状になっていることにより、反応電極（６１、４１）と固体電解質膜５との接合面にできるだけ新鮮な水を流すことができる。これにより、非常に項高率な電気的処理を行うことができる。

次に、本発明のラジカル酸素水生成システムの実施の形態の動作について説明する。
図１を参照して、バルブ９１、９３、９５、９６、９８は開いている。バルブ９４は、所望の量のラジカル酸素水を生成するのに必要な量の水を配管８４へ流すような開度に開いている。バルブ９２は、水とラジカル酸素水とが所望の割合で混合されるのに必要な量の水を配管８２へ流すような開度に開いている。

配管８２及び配管８４を流通した水道水がイオン交換部９０へ供給される。イオン交換部９０は、ラジカル酸素水生成装置１のセル１０の行う水の電気的な処理に対して影響を及ぼす物質を水道水から除去する。イオン交換部９０で処理された水は、ラジカル酸素水生成装置１へ送出される。

図２を参照して、イオン交換部９０で処理された水が、ラジカル酸素水生成装置１の配管２ｃを流通して陽極部６へ供給されると共に、配管２ｃ−配管２ｄ（メンブレン８を含む）を流通して陰極部４へ供給される。ラジカル酸素水生成装置１は、セル１０において、陽極部６と陰極部４との間に制御回路部１１で直流電力を供給する。

図３〜〜図６を参照して、第２陽極保持部７の凹凸や第１陽極保持部６２〜６４、陽極６１の網構造により、陽極部６の水は流れが乱される。その乱流の発生により、常に陽極６１と固体電解質膜５との接合面に新鮮な水が供給される。それにより、高効率で電気的処理を実行することができる。それにより、陽極部６においてラジカル分子を豊富に含むラジカル酸素水が生成され、配管２ｅから送出される。陰極部４の水は配管２ｆにから送出される。本発明では、１０^１７個／Ｌ以上の濃度のラジカル分子を生成することができる。

同様に、第２陰極保持部３の凹凸や第１陰極保持部４２、陰極４１の網構造により、陰極部４の水は流れが乱される。その乱流の発生により、常に陰極４１と固体電解質膜５との接合面に新鮮な水が供給される。それにより、高効率で電気的処理を実行することができる。

図１を参照して、ラジカル酸素水生成装置１の陽極部６で生成されたラジカル酸素水は、イオン交換部９０及びラジカル酸素水生成装置１をバイパスした配管８２の水と混合される。そして、所望の濃度を有するラジカル酸素水として配管８３から送出される。ラジカル酸素水生成装置１の陰極部４の水は、配管８５から排出される。なお、配管８２の水と混合せずに、そのまま使用することも可能である。

本発明では、水道水の前処理として簡便なイオン交換部９０を設けるだけである。加えて、他物質の添加による機能効果の向上等は考えておらず、水の電気分解により発生する電解活性酸素種を媒体として、上記のラジカル分子をより多く生成することができる。すなわち、ラジカル酸素水生成装置１での電気的な処理に対応した物質の添加を行う必要が無い。従って、ラジカル酸素水生成システムの構成を簡略化することができる。なお、水道水を用いず、他の水（例示：他の水処理装置で不純物の一部を除去した水）を用いることも可能である。その場合、イオン交換部９０が不要になる。

本発明では、水本来の性質や特性を変える物ではなく、水に含有する酸素や水素の結合形態を一時的にラジカル化しやすい状態にし、水和というような水本来の特徴は失わないようにする技術である。よって、セル１０における各電極の面積とセル１０を流れる水流量とは比例関係にあり、水流が増加すればその分各電極の面積を増加させ、若干の電流量を可変するだけで対応が可能となる。

本発明において、原料の水である水道水を用いて生成されたラジカル酸素水は、含有されるラジカル量は従来の技術では見られない程多く、例えば、約１０^１７個／Ｌ以上である。そのため、原料の水である水道水に２０％〜３０％程度添加しても、その効果（例示：殺菌効果）が確認できる。従来型の電解水では希釈応用というような電解された水を薄めて応用する技術は、その性格上確認されていなかった。しかし、本発明のラジカル酸素水においては、上述の様に希釈応用の様な使用環境も可能となる。ただし、水で希釈した場合には、その希釈量に応じて本来の水に戻る作用も早くなる。

本発明では、水を酸性にする物質や、アルカリ性にする物質のような物質の混入は行っておらず、電極材料やそれらに係わる材料からも物質が水に溶出しないように設計している。また、電解時においても出来る限り水本来の特性を保つように、電解コントロールを行っている。そのため、物質の溶質による水素イオン濃度の変化も非常に少ない。よって、本発明で生成されたラジカル酸素水は、中性領域を保つようにコントロールされている。但し、酸化還元電位（ＯＲＰ）が１０４０mV以上に上昇した場合、ラジカル分子が持つ酸化特性によって若干ながらラジカル酸素水の水素イオン濃度は酸化傾向に傾く。すなわち、ｐＨは、概ね６．０から７．５である。

図１は、本発明のラジカル酸素水生成システムの実施の形態の構成を示すブロック図である。図２は、本発明のラジカル酸素水生成装置の実施の形態の構成を示すブロック図である。図３は、セル１０の構成を示す断面図である。図４は、第２陽極保持部７を示す斜視図である。図５は、第２陰極保持部３を示す斜視図である。図６は、陽極６１の断面を示す図である。

符号の説明

１ラジカル酸素水生成装置
２ラジカル酸素水生成装置本体
２ａ領域
２ｂ、２ｇ、２ｈ開口部、
２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆ配管
３第２陰極保持部
４陰極部
５固体電解質膜
６陽極部
７第２陽極保持部
８メンブレン
１０セル
１１制御回路部
１２変圧・整流部
３１、７１、７２凹部
３２、７３凸部
４１陰極
４２第１陰極保持部
４５電解質膜
６１陽極
６２、６３、６４第１陽極保持部
６６糸
６７プロトン導電膜
８０ラジカル酸素水生成システム
８１、８２、８３、８４、８５配管
８８制御部
９０イオン交換部
９１、９２、９３、９４、９５、９６、９７、９８バルブ
９９逆止弁

Claims

固体電解質膜と、
前記固体電解質膜の一方の面に接するように設けられ、水が流通可能な陽極部と、
前記固体電解質膜の他方の面に接合するように設けられ、水が流通可能な陰極部と
を具備し、
前記陽極部は、
一方の面を前記固体電解質膜に接するように設けられた陽極と、
前記陽極の他方の面に接するように設けられた網状の構造を有する第１陽極保持部と
を備え、
前記第１陽極保持部は、層状に重ねられた複数の金網を含み、
前記複数の金網の各々における単位面積当たりの網目の数は、前記陽極に近い金網ほど多く、
前記陰極部は、
一方の面を前記固体電解質膜に接するように設けられた陰極と、
前記陰極の他方の面に接するように設けられた網状の構造を有する第１陰極保持部と
を備え、
前記陽極部及び前記陰極部へ電力を供給可能である
ラジカル酸素水生成装置。
固体電解質膜と、
前記固体電解質膜の一方の面に接するように設けられ、水が流通可能な陽極部と、
前記固体電解質膜の他方の面に接合するように設けられ、水が流通可能な陰極部と
を具備し、
前記陽極部は、
一方の面を前記固体電解質膜に接するように設けられた陽極と、
前記陽極の他方の面に接するように設けられた網状の構造を有する第１陽極保持部と
を備え、
前記陰極部は、
一方の面を前記固体電解質膜に接するように設けられた陰極と、
前記陰極の他方の面に接するように設けられた網状の構造を有する第１陰極保持部と、
前記陰極と前記固体電解質膜との間に、両者に接するように設けられ、電解質の材料を含む電解質膜と、
を備え、
前記陽極部及び前記陰極部へ電力を供給可能である
ラジカル酸素水生成装置。
固体電解質膜と、
前記固体電解質膜の一方の面に接するように設けられ、水が流通可能な陽極部と、
前記固体電解質膜の他方の面に接合するように設けられ、水が流通可能な陰極部と、
前記陽極部へ水を供給可能な第１配管と、
前記第１配管から分岐され、前記陰極部へ水を供給可能な第２配管と、
前記第１配管と前記第２配管との分岐点又は前記第２配管の途中に設けられ、前記第２配管を流通する水の量を制限するメンブレンと
を具備し、
前記陽極部は、
一方の面を前記固体電解質膜に接するように設けられた陽極と、
前記陽極の他方の面に接するように設けられた網状の構造を有する第１陽極保持部と
を備え、
前記陰極部は、
一方の面を前記固体電解質膜に接するように設けられた陰極と、
前記陰極の他方の面に接するように設けられた網状の構造を有する第１陰極保持部と
を備え、
前記陽極部及び前記陰極部へ電力を供給可能である
ラジカル酸素水生成装置。
請求項１乃至３のいずれか一項に記載のラジカル酸素水生成装置において、
前記陽極は、表面に固体電解質材料の皮膜を有する
ラジカル酸素水生成装置。
請求項１乃至４のいずれか一項に記載のラジカル酸素水生成装置において、
前記第１陽極保持部における前記陽極側とは反対の側に接するように設けられた第２陽極保持部と、
前記第１陰極保持部における前記陰極側とは反対の側に接するように設けられた第２陰極保持部と
を更に具備し、
前記陽極部における水が流通可能な領域は、前記固体電解質膜と前記第２陽極保持部との間の第１隙間であり、
前記陰極部における水が流通可能な領域は、前記固体電解質膜と前記第２陰極保持部との間の第２隙間である
ラジカル酸素水生成装置。
請求項５に記載のラジカル酸素水生成装置において、
前記第２陽極保持部は、前記第１陽極保持部と接する側に凹凸を有する
ラジカル酸素水生成装置。
請求項６に記載のラジカル酸素水生成装置において、
前記第２陽極保持部の有する前記凹凸は、蛇行する凸部を有する
ラジカル酸素水生成装置。
請求項７に記載のラジカル酸素水生成装置において、
前記凸部の間隔及び幅は、１ｍｍ以上、５ｍｍ以下である
ラジカル酸素水生成装置。
請求項５乃至８のいずれか一項に記載のラジカル酸素水生成装置において、
前記第１隙間の大きさは、０．３ｍｍ以上、１０ｍｍ以下である
ラジカル酸素水生成装置。
請求項５乃至９のいずれか一項に記載のラジカル酸素水生成装置において、
前記第２陰極保持部は、前記第１陰極保持部と接する側に凹凸を有する
ラジカル酸素水生成装置。
請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のラジカル酸素水生成装置において、
前記陽極部における水の流れる速度は、５０ｍｍ／ｓｅｃ．以上、５００ｍｍ／ｓｅｃ．以下である
ラジカル酸素水生成装置。
イオン交換樹脂フィルタを含み、供給された水道水の所定の不純物を除去するイオン交換部と、
前記所定の不純物を除去された前記水道水に電力を印加する請求項１乃至１１のいずれか一項に記載のラジカル酸素水生成装置と
を具備する
ラジカル酸素水生成システム。