JP5044228B2 - オゾン水生成装置 - Google Patents

Description

本発明は、オゾン水生成装置に関する。

現在、産業用に普及しているオゾン水の製法は、大別して放電により生成したオゾンガスに溶解させるガス溶解法、電解により生成したオゾンガスを水に溶解させる電解ガス溶解法、電解面に原料水を直接接触させてオゾン水を生成させる直接電解法の３方式が実用されている。直接電解法は、ガス溶解法や電解ガス溶解法に比べて、より簡単な方法で高濃度のオゾン水を生成できると知られている。
このような直接電解法は、具体的には、ケーシング内を固形電解質膜によって陽極室と陰極室とに仕切り、陽極室側の固形電解室膜面に陽極電極を、陰極室側の固形電解質膜面に陰極電極をそれぞれ圧接して設けた装置を使用して、陽極室及び陰極室に水を供給するとともに陽極電極と陰極電極との間に直流電圧を印加することによってオゾン水を生成している。
上記直接電解法において使用する触媒電極に直流電圧を印加する場合、例えば図４(a)，(b)に示すように、陽イオン交換膜５０１の一方の面に圧接した陽極電極５０２の厚さ方向に棒状電極５０３を設けてケーシング５０６の裏面に突出させ、陽イオン交換膜５０１の他方の面に圧接した陰極電極５０４側も同様に、厚さ方向に棒状電極５０５を設けてケーシング５０６の表面に突出させ、これら各棒状電極５０３，５０５を電極ターミナルとして、電源装置（図示しない）に接続している（例えば、特許文献１参照）。なお、図４(a)は、従来のオゾン水生成装置５００を表面から見た際の透視図、図４(b)は、切断線IV−IVに沿って切断した際の矢視断面図である。図中、符号５０７は、ケーシング５０６内に原料水を供給する供給路、符号５０８は、ケーシング５０６で生成されたオゾン水が排出される排出路を示している。
特開２００４−３１５８８６号公報

しかしながら、上記特許文献１に示すように、触媒電極の厚さ方向において各電極に接続する電極棒を設けているため、厚さが極めて分厚い構造となり、装置自体が大型化するという問題がある。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、薄型化を図ることのできるオゾン水生成装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、例えば、図１、図２に示すように、陽イオン交換膜２１の一方の面に陽極電極２６を圧接し、他方の面に陰極電極２７を圧接し、前記陽極電極及び前記陰極電極に水を供給するとともに前記陽極電極と前記陰極電極との間に直流電圧を印加することによってオゾン水を生成するオゾン水生成装置１００において、
前記陽極電極は、前記陽イオン交換膜の一方の面に圧接される陽極触媒２２と、前記陽極触媒の前記陽イオン交換膜と反対側の面に圧接される陽極電極板２４とを備え、
前記陰極電極は、前記陽イオン交換膜の他方の面に圧接される陰極触媒２３と、前記陰極触媒の前記陽イオン交換膜と反対側の面に圧接される陰極電極板２５とを備え、
内部が開口した枠状の容器１の開口部１１に、前記陽極触媒、前記陽イオン交換膜及び前記陰極触媒が順に重ねて配置され、この容器の表裏面に前記陽極電極板及び前記陰極電極板が前記陽極触媒及び前記陰極触媒を挟み込むようにして互いに対向して設けられており、
前記陽極電極板及び前記陰極電極板は、平面方向へと延出した延出部２４２，２５２をそれぞれ有し、前記延出部が各電極ターミナルであることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、陽極電極板及び陰極電極板は、平面方向へと延出した延出部をそれぞれ有し、延出部が各電極ターミナルであるので、従来のように陽極電極及び陰極電極の積層方向にそれぞれ上下に各電極ターミナルが突出している場合に比して、厚さを極めて薄くすることができる。また、新たに電極ターミナルを設ける必要もなく、陽極電極板及び陰極電極板の一部を延出させることで、容易に電極ターミナルとすることができ、コストの低減及び薄型化とともに構造の簡略化が図れ、部品点数も削減することができる。

請求項２の発明は、例えば、図１、図２に示すように、請求項１に記載のオゾン水生成装置において、
前記容器と前記陽極電極板との間及び前記容器と前記陰極電極板との間がシーリングされていることを特徴とする。

請求項２の発明によれば、容器と陽極電極板及び容器と陰極電極板との間がシーリングされているので、シーリングによって、容器と陽極電極板及び陰極電極板との間の水密性が確保され、発生したオゾン水等が外部に漏れるのを防止することができる。

請求項３の発明は、例えば、図３に示すように、請求項１又は２に記載のオゾン水生成装置において、
前記陽極電極板の前記陽イオン交換膜側を向く面に凹凸２４４Ａが形成されていることを特徴とする。

請求項３の発明によれば、陽極電極板の陽イオン交換膜側を向く面に凹凸が形成されているので、凹凸によって水流が攪拌されて、陽極触媒で発生したオゾン微泡が水流に速やかに溶解し、オゾン水生成効率の向上を図ることができる。

請求項４の発明は、例えば、図１、図２に示すように、請求項１〜３のいずれか一項に記載のオゾン水生成装置において、
前記容器には、前記陽極触媒に通じ、生成されたオゾン水を排出するオゾン水排出路１６が形成され、
前記オゾン水排出路内に、オゾン水の濃度を検出する濃度検出手段（濃度検出センサ３３）が設けられていることを特徴とする。

請求項４の発明によれば、容器には、陽極触媒に通じ、生成されたオゾン水を排出するオゾン水排出路が形成され、オゾン水排出路内にオゾン水の濃度を検出する濃度検出手段が設けられているので、濃度検出手段によって設定した所定の濃度のオゾン水を生成することができる。

請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載のオゾン水生成装置において、 前記陽極電極板及び前記陰極電極板の各電極ターミナルが鉛直方向を向くように配置されていることを特徴とする。

請求項５の発明によれば、陽極電極板及び陰極電極板の各電極ターミナルが鉛直方向を向くように配置されているので、設置した際に薄型化でき、コンパクトに配置されるので見栄えも良い。

本発明によれば、厚さを極めて薄くすることができ、また、陽極電極板及び陰極電極板の一部を延出することで、容易に電極ターミナルとすることができ、コストの低減及び薄型化とともに構造の簡略化が図れ、部品点数も削減することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図１(a)は、オゾン水生成装置１００の表面側から見た際の透視図、図１(b)は、切断線I(b)−I(b)に沿って切断した際の矢視断面図、図１(c)は、切断線I(c)−I(c)に沿って切断した際の矢視断面図、図２は、オゾン水生成装置１００の分解斜視図である。
なお、以下の説明において、上下方向とは図２に示すＺ方向を言い、左右方向とは図２に示すＹ方向を言い、表面や裏面は図２のＸ方向から見た場合を基準とする。
本発明に係るオゾン水生成装置１００は、触媒電極２に原料水（例えば、水道水）を供給し、触媒電極２に直流電圧を印加することによって微細オゾン気泡を発生させて、発生間近の微細オゾン気泡を水に溶解させることによりオゾン水を生成することのできる装置である。

触媒電極２は、陽イオン交換膜２１と、陽極電極２６と、陰極電極２７とを備えている。陽イオン交換膜２１は、枠状の容器１内に配置されており、陽極電極２６は、枠状の容器１内に配置されて陽イオン交換膜２１の一方の面（図２中、裏面）に圧接される陽極触媒２２と、陽極触媒２２の裏面に圧接される陽極電極板２４とから構成されている。陰極電極２７は、枠状の容器１内に配置されて陽イオン交換膜２１の他方の面（図２中、表面）に圧接される陰極触媒２３と、陰極触媒２３の表面に圧接される陰極電極板２５とから構成されている。

枠状の容器１は、左端部が凸状とされ、内部の略中央に矩形状の開口部１１が形成されており、この開口部１１に表面側から順に、陰極触媒２３、陽イオン交換膜２１及び陽極触媒２２が配置されている。
陽イオン交換膜（ナフイオン膜）２１としては、従来公知のものを使用することができ、発生するオゾンに耐久性の強いフッ素系陽イオン交換膜を使用することができ、例えば厚さおよそ１００〜３００μｍが好ましい。
陽極触媒２２としては、オゾン発生触媒機能を有した金属を使用し、例えば、白金又は白金被覆金属を使用することができる。陽極触媒２２は、水流が通過できるように、細い線材を格子状に織った織網状に形成することが好ましい。
陽極電極板２４は、矩形板状をなし、前後の長さは枠状の容器１（左端部の凸状部分以外の右端部側）と略等しく、左右の長さは容器１の長さよりも若干小さく形成されている。陽極電極板２４は、容器１の裏面に設けられて、開口部１１に配置された陽極触媒２２を陽イオン交換膜２１側に圧接するように、略中央に表面側を向くように平面視矩形状の凸部２４１が形成されている。また、陽極電極板２４の上面２４aには、陽極電極板２４の表裏面に沿って水平に延出する平面視矩形状の延出部２４２が形成されている。この延出部２４２は、容器１の上面１aから突出するようになっており、陽極電極２６の電極ターミナルとされている。このような陽極電極板２４としては、例えば、耐オゾン材料としてチタンを使用することが好ましい。さらに、陽極電極板２４と陽極触媒２２との間に、水の流路を形成するとともに攪拌効果を上げるためにチタン製のグレーチング（図示しない）を設けることが好ましい。グレーチングとは線材を溶接したような一体格子状のものが挙げられる。
このように陽イオン交換膜２１側に配置される陽極触媒２２を格子状とし目の粗さを細かくすることによって、水流と接触して渦流を生じ、陽極触媒２２で発生したオゾンの微泡を巻き込んで溶解を早めることができる。

陰極触媒２３としては、例えば、白金、銀、チタン等の金属や薄い銀製金網の表面に塩化銀被覆を施したものを使用することができ、陽極触媒２２と同様に水流が通過できるように織網状とすることが好ましい。
陰極電極板２５は、陽極電極板２４と同様に矩形板状で、陽極電極板２４と略等しい大きさをなし、枠状の容器１の表面に設けられて陽極電極板２４と対向して配置されている。そして、開口部１１に配置された陰極触媒２３を陽イオン交換膜２１側に圧接するように、略中央に裏面側を向くように平面視矩形状の凸部２５１が形成されている。陰極電極板２５としては、例えば、陽極電極板２４と同様にチタンを使用することが好ましいが、ステンレスなどの材料も使用することができる。陽極電極板２４と同様の材料を使用する方が、接触電位差を少なくすることができ、また、製造上好都合であるためである。さらに、陰極電極板２５と陰極触媒２３との間に、水の流路を形成するとともに攪拌効果を上げるためにチタン製のグレーチング（図示しない）を設けることが好ましい。グレーチングとは線材を溶接したような一体格子状のものが挙げられる。また、陰極電極板２５の上面２５aには、陰極電極板２５の表裏面に沿って水平に延出する平面視矩形状の延出部２５２が形成されている。この延出部２５２は、容器１の上面１aから突出するようになっており、陰極電極２７の電極ターミナルとされている。
そして、陽極電極２６の電極ターミナル（延出部２４２）と陰極電極２７の電極ターミナル（延出部２５２）に、電源装置（図示しない）の出力端が電気的に接続されて、直流電圧が印加されている。各電極ターミナルは、導線（図示しない）を介して電源装置に接続され、陽極電極２６と陰極電極２７間に印加する直流電圧は、例えば６〜１５ボルトが好ましい。
なお、陽極電極２６の電極ターミナル（延出部２４２）と陰極電極２７の電極ターミナル（延出部２５２）とは、平面視して互いに左右に配置されている。

以上のように、容器１の開口部１１内に陽極触媒２２、陽イオン交換膜２１及び陰極触媒２３が順に重ねられて平板状に形成され、容器１の表裏面に陽極電極板２４及び陰極電極板２５が陽極触媒２２及び陰極触媒２３を挟み込むようにして互いに対向して設けられ、これによって陽イオン交換膜２１、陽極触媒２２及び陰極触媒２３が陽極電極板２４の凸部２４１及び陰極電極板２５の凸部２５１に密着して圧接されている。

また、枠状の容器１には、開口部１１に配置された触媒電極２に原料水を供給するための原料水供給路１２，１３が表裏に二段形成されている。原料水供給路１２，１３は、容器１の右側面１bを貫通して形成された二つの原料水供給口１４，１５からそれぞれ左側に延在し、開口部１１を形成する内壁面に貫通し、側断面視直線状をなしている。これら二つの原料水供給路１２，１３のうち、表側の原料水供給路１２は、陰極触媒２３と陰極電極板２５とによって形成された陰極室に連通しており、表側の原料水供給路１２から供給された原料水は、陰極触媒２３及び陰極電極板２５に接触するようになっている。裏側の原料水供給路１３は、陽極触媒２２と陽極電極板２４とによって形成された陽極室に連通しており、裏側の原料水供給路１３から供給された原料水は、陽極触媒２２及び陽極電極板２４に接触するようになっている。
また、原料水供給口１４，１５には、原料水供給管（図示しない）が取り付けられるようになっている。さらに、原料水供給管には、例えば、図示しないが水が貯留されたタンクに接続された定吐出圧の小型ポンプや水道栓に連結されている。

また、枠状の容器１には、陽極電極２６側で生成されたオゾン水を排出するためのオゾン水排出路１６が形成されている。オゾン水排出路１６は、容器１の左側面１cを貫通して形成されたオゾン水排出口１８から右側に延在し、開口部１１を形成する内壁面に貫通し、側断面視直線状をなしている。このオゾン水排出路１６は、陽極触媒２２と陽極電極板２４とによって形成される陽極室に連通している。オゾン水排出口１８には、オゾン水排出管（図示しない）が取り付けられるようになっている。オゾン水排出管には、例えば図示しないが、水素水を貯留するタンクに接続するためのポンプやノズル等に連結されている。
さらに、枠状の容器１には、陰極電極２７側で生成された水素水を排出するための水素水排出路１７が形成されている。水素水排出路１７は、容器１の左側面１cを貫通して形成された陰極水排出口１９から右側に延在し、開口部１１を形成する内壁面に貫通し、側断面視直線状をなしている。この水素水排出路１７は、陰極触媒２３と陰極電極板２５とによって形成される陰極室に連通し、オゾン水排出路１６の表側にオゾン水排出路１６と略平行に設けられている。

また、オゾン水排出路１６には、図１(a)に示すように、生成したオゾン水のオゾン濃度を検出する濃度検出センサ（濃度検出手段）３３が設けられている。なお、図２では図面の関係上、濃度検出センサ３３の図示を省略している。
濃度検出センサ３３は、検出電極（図示しない）と電位測定の基準となる比較電極（図示しない）、これら検出電極及び比較電極の一方の端部に結線して電位を測定する電位差計（図示しない）等から構成されている。検出電極及び比較電極は、容器１の上面１a側からオゾン水排出路１６内にねじ込まれたネジの先端に固定されており、これによって検出電極及び比較電極がオゾン水排出路１６を流れるオゾン水に接触するようになっている。そして、オゾン水に接触することで、検出電極のオゾン濃度変化による検出電極と比較電極との電位差を検出して濃度を測定する。
検出電極としては、例えば白金や金等からなる電極を使用し、比較電極としては銀や塩化銀を使用することが好ましい。
このようにして検出されたオゾン濃度に基づいて、オゾン水生成装置１００内の制御部（図示しない）が予め設定されたオゾン濃度と一致するように、電源装置に陽極電極板２４及び陰極電極板２５間に印加する電圧を制御している。

陽極電極板２４の上面には、凸部２４１の周囲を囲むようにＯリング３１が嵌め込まれている。そして、陽極電極板２４の表面と容器１の裏面との間をシーリングし、耐圧性及び水密性を良好なものとしている。
同様に、陰極電極板２５の裏面には、凸部２５１の周囲を囲むようにＯリング３２が嵌め込まれている。そして、陰極電極板２５の裏面と容器１の表面との間をシーリングし、耐圧性及び水密性を良好なものとしている。

さらに、陰極電極板２５の表面の周縁部及び陽極電極板２４の裏面の周縁部に所定間隔で設けられた複数のボルトＢによって、陰極電極２７、容器１及び陽極電極２６が固定されている。なお、使用するボルトＢは、陽極電極板２４及び陰極電極板２５が短絡しないように絶縁性のものを使用する。

以上のように構成されたオゾン水生成装置１００は、使用時には、各電極ターミナルである延出部２４２，２５２が上方向（鉛直方向）を向くように配置される。このように各電極ターミナル（延出部２４２，２５２）が上方向を向くように配置することにより、設置した際に薄型化でき、見栄えが良い。

次に、上述の構成からなるオゾン水生成装置１００を使用したオゾン水生成方法について説明する。
二つの原料水供給路１２，１３を介して水を陽極室及び陰極室内に供給して、陽極触媒２２、陽極電極板２４、陰極触媒２３及び陰極電極板２５に水を連続接触させる。同時に電源装置を駆動させることによって、陽極電極２６及び陰極電極２７の各電極ターミナル（延出部２４２，２５２）を介して陽極電極板２４と陰極電極板２５との間に所定の電圧を印加する。この通電により水が電気分解されて、陽極電極２６側にはオゾン気泡が発生し、陰極電極２７側には水素気泡が発生する。発生したオゾン気泡は水に溶解してオゾン水となり、オゾン水排出路１６を通って容器１の外部へ排出される。一方、水素気泡は水に溶解して水素水となり、陰極水流路１７を通って容器１の外部に排出される。

また、通電中に、同時に濃度検出センサ３３によってオゾン水排出路１６内のオゾン水濃度が測定され、制御部は、予め設定されたオゾン濃度となるように電源装置の出力を行うことによって、陽極電極板２４及び陰極電極板２５間の電圧が制御される。以上のようにして設定濃度のオゾン水が生成される。

以上、本発明の実施の形態によれば、陽極電極板２４及び陰極電極板２５は平面方向へと延出し、容器１の上面１aから突出する延出部２４２，２５２をそれぞれ有し、延出部２４２，２５２が各電極ターミナルとされているので、従来のように陽極電極及び陰極電極の積層方向にそれぞれ表裏面に各電極ターミナルが突出している場合に比して、厚さを極めて薄くすることができる。また、新たに電極ターミナルを設ける必要もなく、陽極電極板２４及び陰極電極板２５の一部を延出させることで、容易に電極ターミナルとすることができ、コストの低減及び製造の簡略化を図ることができる。
また、容器１と陽極電極板２４及び容器１と陰極電極板２５との間がＯリング３１，３２によってシーリングされているので、容器１と陽極電極板２４及び陰極電極板２５との間の水密性が確保され、陽極触媒２２で発生したオゾン水等が外部に漏れるのを防止することができる。
容器１には、陽極触媒２３に通じ、生成されたオゾン水を排出するオゾン水排出路１６が形成され、オゾン水排出路１６内にオゾン水の濃度を検出する濃度検出センサ３３が設けられているので、設定した所定の濃度のオゾン水を生成することができる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、上記実施の形態では、格子状の陽極触媒２３及び陰極触媒２４は、それぞれ一枚ずつとしたが、これに限られるものではなく、その枚数は適宜変更可能である。また、陽イオン交換膜２１は一枚としたが、二枚以上を重ねて使用しても構わない。

また、例えば、図３に示すように、水流の攪拌手段として、陽極電極板２４Ａの陽イオン交換膜２１Ａ側を向く面（表面）に山形状となるように複数の凹凸２４４Ａを形成しても良い。このように凹凸２４４Ａを形成することによって、供給された水が攪拌されて、水へのオゾン微泡の溶解を促進させている。なお、図３中、図１と同様の構成部分については、同様の数字に英字Ａを付している。

(a)は、オゾン水生成装置１００の表面側から見た際の透視図、(b)は、切断線I(b)−I(b)に沿って切断した際の矢視断面図、(c)は、切断線I(c)−I(c)に沿って切断した際の矢視断面図である。 オゾン水生成装置１００の分解斜視図である。 変形例であるオゾン水生成装置１００Ａを示した図であり、(a)は、図１(b)と同様に切断線I(b)−I(b)に沿って切断した際の矢視断面図、(b)は、陽極電極板２４Ａの斜視図である。 従来例のオゾン水生成装置５００を示したものであり、(a)は、表面から見た際の透視図、(b)は、切断線IV−IVに沿って切断した際の矢視断面図である。

符号の説明

１ 容器
１１ 開口部
１６ オゾン水排出路
２１ 陽イオン交換膜
２２ 陽極触媒
２３ 陰極触媒
２４ 陽極電極板
２５ 陰極電極板
２６ 陽極電極
２７ 陰極電極
３３ 濃度検出センサ（濃度検出手段）
１００ オゾン水生成装置
２４２，２５２ 延出部
２４４Ａ 凹凸

Claims (5)

1. 陽イオン交換膜の一方の面に陽極電極を圧接し、他方の面に陰極電極を圧接し、前記陽極電極及び前記陰極電極に水を供給するとともに前記陽極電極と前記陰極電極との間に直流電圧を印加することによってオゾン水を生成するオゾン水生成装置において、
   前記陽極電極は、前記陽イオン交換膜の一方の面に圧接される陽極触媒と、前記陽極触媒の前記陽イオン交換膜と反対側の面に圧接される陽極電極板とを備え、
   前記陰極電極は、前記陽イオン交換膜の他方の面に圧接される陰極触媒と、前記陰極触媒の前記陽イオン交換膜と反対側の面に圧接される陰極電極板とを備え、
   内部が開口した枠状の容器の開口部に、前記陽極触媒、前記陽イオン交換膜及び前記陰極触媒が順に重ねて配置され、この容器の表裏面に前記陽極電極板及び前記陰極電極板が前記陽極触媒及び前記陰極触媒を挟み込むようにして互いに対向して設けられており、
   前記陽極電極板及び前記陰極電極板は、平面方向へと延出した延出部をそれぞれ有し、前記延出部が各電極ターミナルであることを特徴とするオゾン水生成装置。
2. 前記容器と前記陽極電極板との間及び前記容器と前記陰極電極板との間がシーリングされていることを特徴とする請求項１に記載のオゾン水生成装置。
3. 前記陽極電極板の前記陽イオン交換膜側を向く面に凹凸が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のオゾン水生成装置。
4. 前記容器には、前記陽極触媒に通じ、生成されたオゾン水を排出するオゾン水排出路が形成され、
   前記オゾン水排出路内に、オゾン水の濃度を検出する濃度検出手段が設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のオゾン水生成装置。
5. 前記陽極電極板及び前記陰極電極板の各電極ターミナルが鉛直方向を向くように配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のオゾン水生成装置。

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