JP5279419B2 - 水電解装置及び水電解システム - Google Patents

Description

本発明は、水電解装置及び水電解システムに関し、特に水を電気分解で処理する水電解装置及び水電解システムに関する。

従来、水を電気分解する技術として電解装置が知られている。従来の電解装置は、イオン伝導膜（固体（高分子）電解質膜）の一方の面が陽極に接し、他方の面が陰極に接するというサンドウィッチ構造を用いている。すなわち、イオン伝導膜の両面は、それぞれ陽極及び陰極に密着している。このような構造の電解装置で水の電気分解を行う場合、陰極側では水素が発生し、陽極側では酸素が発生する。従って、発生した水素や酸素を逃がすために、陰極及び陽極として多孔体状や網状の電極を用いることは不可欠である。そのような構造の一例として、特開２００４−３５３０３３号公報が挙げられる。

特開２００４−３５３０３３号公報には、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。すなわち、この例では、多孔性のシート状カーボン素材を主体とした水素極（陰極）及び酸素極（陽極）を用いている。

特開２００４−３５３０３３号公報

しかし、上記のような構造において、例えば、イオン伝導膜と陰極とが密着した部分を詳細に観察すると、イオン伝導膜と陰極とが接触している部分と接触していない部分とが混在する。そのため、イオン伝導膜と陰極とが密着した部分では、電界の不均衡が発生していると考えられる。すなわち、イオン伝導膜内には、局所的に電界が集中する部分が存在すると考えられる。この電界集中により、イオン伝導膜内での電圧ロスが増大し、電界効率が低下し、更には、電解装置の劣化が引き起こされる原因となっていると考えられる。

発明者らは、その研究により、上記のような従来の構造の電解装置で発生する劣化のメカニズムが少なくとも二種類あることを、今回初めて見出した。第１の劣化のメカニズムは、陽極側からイオン導電膜中を移動してくる陽イオンのうち、水素やアルカリ金属を除く陽イオンが、陰極側の電界集中部分において析出し、そのイオン伝導膜の陰極側で析出した物質（主に金属）が、イオン伝導膜を破壊したり、イオン伝導膜中のイオン伝導を妨げたりする、というものである。この劣化は、主に電解装置の運転中に発生する。

第２の劣化のメカニズムは、陽極で発生し、イオン伝導膜内を陰極へ移動して、陰極で水素となって遊離するはずの水素イオンが、電源遮断（電源オフ）時に、陰極からイオン伝導膜内を陽極へ移動して、陽極と反応することで陽極の触媒活性を低下させる、というものである。この劣化は、主に電解装置の運転終了後に発生する。

これら２つの劣化原因により、電解装置の動作時間に対応して劣化が進みつつ（第１の劣化のメカニズム）、動作の断続によって急激に劣化する（第２の劣化のメカニズム）という現象が起きていた。また、これらの２つの劣化原因は、上記電気分解と正反対の反応を用いた固体高分子形燃料電池においても、陰極と陽極とは逆になるが、同様に発生していると考えられる。

従って、本発明の目的は、水を電気分解で処理するとき、イオン伝導膜や電極で発生する劣化現象を抑制可能な水電解装置及び水電解システムを提供することにある。また、本発明の他の目的は、水素と酸素とを用いて発電するとき、イオン伝導膜や電極で発生する劣化現象を抑制可能な固体高分子型燃料電池を提供することにある。

この発明のこの目的とそれ以外の目的と利益とは以下の説明と添付図面とによって容易に確認することができる。

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。

本発明の水電解装置は、固体電解質膜（１０）と、陽極（４）と、陰極（８）と、流路（３ｃ）とを具備する。固体電解質膜（１０）は、第１の面（１０ａ）と、第１の面（１０ａ）と反対側の第２の面（１０ｂ）とを有する。陽極（４）は、第１の面（１０ａ）の側に、第１の面（１０ａ）に接して設けられ、水が流通可能である。陰極（８）は、第２の面（１０ｂ）の側に、第２の面（１０ｂ）から離れて設けられている。流路（３ｃ）は、陰極（８）と第２の面（１０ｂ）との間に設けられ、電解液（２３）が介在可能である。

上記の水電解装置において、第２面（１０ｂ）と陰極（８）との距離は、固体電解質膜（１０）の第１の面（１０ａ）と第２の面（１０ｂ）との間で生じる電位差の１／１０倍以上４倍以内の電位差が生じる距離であることが好ましい。一方、上記の水電解装置において、第２の面（１０ｂ）の側の電解液（２３）の圧力は、第１の面（１０ａ）の側の水（２１）の圧力よりも高いことが好ましい。

上記の水電解装置において、流路（３ｃ）は、一方の面を第２の面（１０ｂ）に接し、他方の面を陰極（８）に接して設けられ、電解液（２３）を内部に流通可能な非導電性部材（７）を備えることが好ましい。上記の水電解装置において、非導電性部材（７）は、非導電性材料で形成され、電解液（２３）が内部を流通可能な多孔体を含むことが好ましい。上記の水電解装置において、非導電性部材（７）は、電解液（２３）を含有するゲル状物質を含むことが好ましい。

上記の水電解装置において、電解液（２３）は、強酸とアルカリ金属との塩を含有する水溶液を含むことが好ましい。上記の水電解装置において、塩は、塩化ナトリウム、硫酸ナトリウム及び硝酸ナトリウムの少なくとも一つを含むことが好ましい。上記の水電解装置において、電解液（２３）は、更に、第１３族元素を含む化合物及び第１５族元素を含む化合物の少なくとも一方を含むことが好ましい。上記の水電解装置において、電解液（２３）は、更に、金属錯体を形成する酸を含むことが好ましい。あるいは、上記の水電解装置において、電解液（２３）は、イオン液体又はそのゲル化物を含むことが好ましい。

本発明の水電解システムは、水（２１）を供給する水供給部（９０など）と、電解液（２３）を供給する電解液供給部（８９など）と、水（２１）と電解液（２３）とを供給され、水（２１）を電気分解する処理を実行し、処理後の水を送出する上記の段落に記載の水電解装置（１）とを具備する。ここで、上記の水電解システムにおいて、電解液供給部（８９など）は、電解液（２３）を水電解装置（１）へ循環的に供給することが好ましい。

本発明の水電解方法は、固体電解質膜（１０）の第１の面（１０ａ）に接して設けられ水が流通可能な陽極（４）に、水を流すステップと、固体電解質膜（１０）の第２の面（１０ｂ）の側に第２の面（１０ｂ）から離れて設けられた陰極（８）と、第２の面（１０ｂ）との間に電解液（２３）を流すステップと、陽極（４）と陰極（８）との間に直流電力を印加するステップとを具備する。

本発明の固体高分子型燃料電池装置は、固体電解質膜（１０）と、アノード（４）と、カソード（８）と、流路（３ｃ）とを具備する。固体電解質膜（１０）は、第１の面（１０ａ）と、第１の面（１０ａ）と反対側の第２の面（１０ｂ）とを有する。アノード（４）は、第１の面（１０ａ）の側に、第１の面（１０ａ）に接して設けられ、燃料が流通可能である。カソード（８）は、第２の面（１０ｂ）の側に、第２の面（１０ｂ）から離れて設けられている。流路（３ｃ）は、カソード（８）と第２の面（１０ｂ）との間に設けられ、酸化剤と電解液（２３）が介在可能である。

本発明により、水を電気分解で処理するとき、イオン伝導膜や電極で発生する劣化現象を抑制することが可能となる。また、本発明により、水素と酸素とを用いて発電するとき、イオン伝導膜や電極で発生する劣化現象を抑制することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態に係る水電解装置及び水電解システムに関して、添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る水電解装置を含む水電解システムの構成を示すブロック図である。水電解システム８０は、イオン交換部９０、電解液供給部８９、水電解装置１、制御部８８、配管８２〜８６、バルブ９４〜９９を具備する。矢印は、水の流れる方向を示す。

本発明では、水を電気分解で処理する水電解装置１に、水だけでなく電解液を供給して電気的処理の劣化現象を抑制する。水電解装置１における電解液の供給方法及びその役割については、後述する。以下、本実施の形態について詳細に説明する。

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８２ａに接続されている。イオン交換部９０は、配管８２ａを介して供給された水（例示：水道水、以下同じ）の所定の不純物を、イオン交換樹脂フィルタにより除去する。所定の不純物は、水電解装置１のセル（後述）の行う水の電気分解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。イオン交換部９０は、不純物を除去された水を、配管８３（及びバルブ９５）を介して、水電解装置１へ供給する。

本実施の形態では、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種類のフィルタのみで良く、その構造、構成を簡単にすることができる。ただし、水に含まれる他物質を可能な限り除去する装置を更に付加しても良い。

電解液供給部８９は、配管８２ｂを介して供給された水を用いて電解液を生成する。電解液供給部８９は、例えば、供給された水に、予めタンク等に貯蔵された電解質材料又は高濃度の電解液を所定の量だけ添加した後、水電解装置１へ供給する方法などで電解液を生成する。電解液供給部８９は、生成された電解液を、配管８５（及びバルブ９６）を介して、水電解装置１へ供給する。電解液の詳細については後述する。なお、タンク等は外部の別の場所に設けても良い。また、高濃度の電解液を所定の量だけ添加する箇所は、電解液供給部８９以外でもよく、例えば、水電解装置１内の陰極とイオン導電膜（後述）との間に供給しても良い。

電解液を循環させる場合、例えば、電解液供給部８９−配管８５（バルブ９６）−水電解装置１−配管８６（バルブ９８）−電解液供給部８９の循環路を用いることができる。その場合、例えば、塩素等の特定のアニオンを吸着させたアニオン交換樹脂や、ナトリウム等の特定のカチオンを吸着させたカチオン交換樹脂を電解液供給部８９に配置する。それにより、電解液の組成変化を緩和し、電解液の交換頻度を低減できる。これは、陽極に供給される水が純粋でない場合（軟水、水道水、その他淡水や海水等）、非常に効果的である。

電解液供給部８９の他の形態としては、この他に、例えば、別の場所に電解液を貯蔵するタンクを配置して、ポンプにて水電解装置１の陰極とイオン伝導膜との間へ供給する方法が考えられる。

水電解装置１は、陽極用の水を供給される側を配管８３に、排出する側を配管８４にそれぞれ接続され、陰極用の電解液を供給される側を配管８５に、排出する側を配管８６にそれぞれ接続されている。水電解装置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を陽極側に、電解液供給部８９で処理され所定の濃度を有する電解液を陰極側に、それぞれ供給される。そして、水に電力を印加する電気的処理（電気分解）を実行する。この電気分解で水分子が分解される。それにより、水に印加する電力の大きさに対応した生成物が生成する。例えば、通常の電気分解で用いられる電力（電圧、電流）を用いれば、陽極側で酸素ガスが生成される。また、陰極側で水素ガスが生成される。一方、通常の電気分解で用いられる電力よりも高い電力（高い電圧、電流）を用いれば、陽極側でラジカル分子を豊富に含むラジカル酸素水が生成される。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。また、陰極側では水素ガス、又は水素ラジカルが生成される。

配管８１は、水（例示：水道水）を供給する。バルブ９１は、配管８１の途中に設けられ、配管８１の水の流通を制御する。バルブ９２とバルブ９３は、配管８１の途中に設けられ、水電解システム８０をバイパスする水の流通を制御する。配管８２は、バルブ９１とバルブ９２との間の配管８１から分岐し、バルブ９４に接続されている。バルブ９４は、水電解システム８０への水の供給を制御する。配管８２ａは、バルブ９４とイオン交換部９０との間を接続している。配管８２ｂは、バルブ９４と電解液供給部８９との間を接続している。配管８３はバルブ９５を介して、イオン交換部９０と水電解装置１（陽極側）とを接続している。配管８５はバルブ９６を介して、電解液供給部８９と水電解装置１（陰極側）とを接続している。配管８４は、水電解装置１（陽極側）に接続され、バルブ９７を介して（陽極側の）水を排水可能であり、また、バルブ９９及び逆止弁を介して配管８１へ水を排出可能である。配管８６は、水電解装置１（陰極側）に接続され、バルブ１００を介して（陰極側の）電解液を排出可能であり、また、バルブ９８を介して電解液供給部８９へ電解液を循環可能である。

制御部８８は、バルブ９１〜１００、イオン交換部９０、電解液供給部８９及び水電解装置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く、複数の制御装置で制御しても良い。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。

水電解装置１について更に説明する。図２は、本発明の実施の形態に係る水電解装置の構成を示す概略断面図である。水電解装置１は、電源部１ｂと、水電解装置本体１ａとを備える。電源部１ｂの動作は、制御部８８に制御されている。矢印は、水等の流れる方向を示す。ここでは、通常の電気分解ではなく、ラジカル酸素水を生成する電気分解を行う水電解装置について説明する。ただし、印加する電力を低く変更すれば、通常の電気分解用の水電解装置になる。

電源部１ｂは、水電解装置本体１ａに電力を供給する。電源部１ｂは、交流電源３２及び変換部３１を含む。交流電源３２は、所定の交流電力を供給する。交流電源３２は、系統電源（電力会社が保有する商用の配電線網から供給される電源、例示：１００Ｖ又は２００Ｖ）に例示される。変換部３１は、交流電源３２から交流電力を供給され、所定の直流電力へ変換する。そして、その直流電力を水電解装置本体１ａへ供給する。供給される直流電力は、例えば、電圧：４〜２０Ｖ、水電解装置本体１ａのセルの単位面積あたりの電流：０．１〜５Ａ／ｃｍ^２である。この電圧及び電流は通常の水の電気分解の直流電力よりも大きいため、陽極での反応によりオゾンや活性酸素が生成し易くなる。従って、この場合、水電解装置１はラジカル酸素水を生成する。

水電解装置本体１ａは、イオン交換部９０で処理された水２１を陽極側に、電解液供給部８９で処理された電解液２３を陰極側に、それぞれ供給される。そして、電源部１ｂから供給される電力で、水２１を電気的に処理（電気分解）して、ラジカル酸素水２２として、外部に送出する。水電解装置本体１ａは、陽極側流路２、陰極側流路３、セル１３を備える。セル１３は、イオン伝導膜１０、陽極部１１、陰極部１２を含む。

陽極側流路２は、開口部２ａ、流路２ｂ、２ｃ、２ｄ、開口部２ｅを有する。開口部２ａは、水電解装置本体１ａの外表面に設けられ、配管８３に接続されている。イオン交換部９０で処理された水２１を水電解装置本体１ａへ導入する。配管の端部に例示される。流路２ｂは、開口部２ａから水電解装置本体１ａの内部の陽極部１１の端部に向かって設けられている。配管に例示される。開口部２ａを介して供給された水２１を陽極部１１へ供給する。流路２ｃは、陽極部１１の陽極４及びＴｉ金網５（後述）の内部の隙間部分である。すなわち、供給された水２１は、流路２ｃとしての陽極４及びＴｉ金網５（後述）の内部の隙間部分を流通する。ただし、陽極４とイオン伝導膜１０とは接触している部分と接触していない部分とが混在している。流路２ｄは、陽極部１１の端部から水電解装置本体１ａの外表面に向かって設けられている。配管に例示される。陽極部１１で処理されたラジカル酸素水２２を開口部２ｅへ送出する。開口部２ｅは、水電解装置本体１ａの外表面に設けられ、配管８４に接続されている。流路２ｄからの水２２を水電解装置本体１ａから送出する。配管の端部に例示される。

陰極側流路３は、開口部３ａ、流路３ｂ、３ｃ、３ｄ、開口部３ｅを有する。開口部３ａは、水電解装置本体１ａの外表面に設けられ、配管８５に接続されている。電解液供給部８９で処理された電解液２３を水電解装置本体１ａへ導入する。配管の端部に例示される。流路３ｂは、開口部３ａから水電解装置本体１ａの内部の陰極部１２の端部に向かって設けられている。配管に例示される。開口部３ａを介して供給された電解液２３を陰極部１２へ供給する。流路３ｃは、陰極部１２の陰極８とイオン伝導膜１０（後述）との間に設けられた隙間（一部、陰極８の内部の隙間部分を含む）である。すなわち、供給された電解液２３は、流路３ｃとしての陰極８とイオン伝導膜１０との間の隙間を流通する。ただし、陰極８とイオン伝導膜１０とは、接触している部分がなく、互いに全く接触していない。流路３ｄは、陰極部１２の端部から水電解装置本体１ａの外表面に向かって設けられている。配管に例示される。流路３ｃを通過した電解液２４を開口部３ｅへ送出する。開口部３ｅは、水電解装置本体１ａの外表面に設けられ、配管８６に接続されている。流路３ｄからの電解液２４を水電解装置本体１ａから送出する。配管の端部に例示される。

セル１３は、水電解装置本体１ａ内に設けられている。イオン交換部９０から供給された水２１を陽極側流路２を介して陽極部１１に、電解液供給部８９から供給された電解液２３を陰極側流路３を介して陰極部１２に、それぞれ供給される。そして、電源部１ｂから陽極部１１と陰極部１２とに供給される直流電力で、陽極部１２内の水２１を電気的に処理して、ラジカル酸素水２２を生成する。セル１３は、既述のように、イオン伝導膜１０、陽極部１１、陰極部１２を含む。

イオン導電膜（固体電解質膜）１０は、陽極側の第１面１０ａと陰極側の第２面１０ｂを有するプロトン導電膜（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。例えば、ナフィオン膜（登録商標：デュポン社製）に例示される。膜厚は、例えば、０．２ｍｍである。

陽極部１１は、イオン導電膜１０の一方の面１０ａに接するように設けられ、水２１が流通可能である。陽極部１１は、電源部１ｂから直流電力を供給される電極として機能する。陽極部１１は、第１電極部６、第２電極部５及び陽極５とを含む。第１電極部６は、変換部３１が直流電力をセル１３へ供給するとき、変換部３１の正極に接続されている。第１電極部６は、導電性の板であり、Ｔｉ（チタン）板に例示される。第２電極部５は、一方の面を第１電極部６に密着し、他方の面を陽極４に密着するように設けられている。第２電極部５は、水２１が透過可能な導電性の多孔体又は網であり、Ｔｉ（チタン）金網に例示される。金網は、例えば、０．４〜０．６ｍｍφ、４０メッシュである。陽極４は、一方の面を第２電極部５に密着し、他方の面をイオン伝導膜１０の一方の面１０ａに密着するように設けられている。陽極４は、水２１が透過可能で導電性があり、電解反応の触媒機能を有する多孔体又は網であり、Ｐｔ（白金）金網に例示される。金網は、例えば、０．０５〜０．１ｍｍφ、８０メッシュである。

陰極部１２は、イオン導電膜１０の他方の面１０ｂから離れて（接しないように）設けられている。供給される電解液２３は、陰極部１２とイオン導電膜１０との間（隙間）である流路３ｃを流通可能である。陰極部１２は、電極部９と陰極８とを含む。電極部９は、変換部３１が直流電力をセル１３へ供給するとき、変換部３１の負極に接続されている。電極部９は、導電性の板であり、Ｔｉ（チタン）板に例示される。陰極８は、一方の面を電極部９に密着し、他方の面をイオン伝導膜１０の他方の面１０ｂから離れて設けられている。供給される電解液２３は、陰極８とイオン導電膜１０との間（隙間）である流路３ｃを流通可能である。陰極８は、電解液２３が透過可能で導電性があり、電解反応の触媒機能を有する多孔体又は網であり、Ｐｔ（白金）金網に例示される。金網は、例えば、０．０５〜０．１ｍｍφ、８０メッシュである。

第２電極部５として金網（例示：Ｔｉ金網）を用い、陽極４として金網（例示：Ｐｔ金網）を用いた場合、Ｔｉ金網とＰｔ金網とが重なり狭隘な水路を形成している。そのため、第２電極部５及び陽極４とイオン伝導膜１０との接触部分である金網中を、供給された水２１が高速で通過するとき、乱流状態となる。一方、陰極８として金網（例示：Ｐｔ金網）を用いた場合、Ｐｔ金網が狭隘な流路を形成している。そのため、供給された電解液２３は、金網中及びイオン伝導膜１０と陰極８との間に充填された状態となる。このような状態において、陽極部１１と陰極部１２との間に電力を供給して起こす電解によって、陽極側で生成されたオゾン等が効率よく水中へ溶存することができる。すなわち、供給された水２１は、陽極４の近傍を通過する際に効率的に電解され、オゾンや酸素が溶存したラジカル酸素水２２となって送出される。

電解液２３としては、水を溶媒とした場合、塩酸、硫酸、硝酸、亜硫酸等の強酸や、塩化ナトリウム、硫酸ナトリウム、硝酸ナトリウム等の強酸とアルカリ金属との塩などに例示される。特に、塩化ナトリウム、硫酸ナトリウム、硝酸ナトリウム等の強酸とアルカリ金属との塩の水溶液が好ましい。また、塩化物を使用することも効果的である。亜硫酸塩等も使用可能である。ただし、配管等の腐食が問題となる場合には強酸は用いないことが好ましい。

また、電解液２３には、第１３族元素（ホウ素族）を含む化合物（例示：ホウ酸、ホウ砂）や、第１５族元素（窒素族）を含む化合物（例示：リン酸、リン酸塩）を添加すると、電界効率が上昇するため、好ましい。それら物質の一部が陽極側へ泳動し、陽極４の表面での電解反応を促進させたり、陽極４の劣化を抑制する効果があるからである。例えば、陽極４がＰｔの場合、表面のＰｔ酸化物にホウ素が微量ドープされた状態になり、Ｐｔ酸化物にＰ型半導体の性質を付加することになる。このことは、Ｐｔ酸化物が強力な酸化触媒として機能することを示唆しており、オゾン発生の電解効率を向上させる効果を持つ。また、陽極４がホウ素ドープダイアモンドである場合、長時間の電解によって表面のホウ素が脱落し、電極表面の導電性を低下させてしまう場合がある。しかし、ホウ素を含む物質を電解液に添加することで、陽極４の周囲に微量のホウ素が存在する状態を作り出し、ホウ素の脱落を阻止することができる。

更に、電解液２３に金属錯体を形成する酸（例示：強酸、酢酸、クエン酸、アスコルビン酸）を添加すると、陰極８の表面に物質が析出することを抑制することができ、好ましい。

陰極８とイオン伝導膜１０との距離ｄは、大きければ大きいほどイオン伝導膜１０の劣化が少なくなる。しかし、逆に大きすぎると電解液の伝導度の限界によって電力損失が増大してしまう。従って、下限としては、劣化防止等の効果を考慮して、少なくともイオン伝導膜１０の陰極側と陽極側との間で生じる電位差ΔＶの１／１０の電位差が生じる距離が好ましい。一方、上限としては、電解液の伝導度の限界を考慮して、電位差ΔＶの４倍の電位差が生じる距離が好ましい。

電解液として例えば塩化ナトリウム水溶液を用いる場合、陰極８とイオン伝導膜１０との距離ｄは以下のようになる。電解液２３が１０重量％の塩化ナトリウム水溶液であれば、その導電率は１２１ｍＳ／ｃｍである。この値は、例えば、ナフィオン等のイオン伝導膜１０の導電率とほぼ同等である。そのため、この程度の濃度の電解液２３を使用する場合、イオン伝導膜１０と陰極８との距離ｄはイオン伝導膜１０の膜厚の０．１〜４倍とすることができる。すなわち、イオン伝導膜１０の膜厚を０．２ｍｍとすれば、イオン伝導膜１０と陰極８との距離ｄは０．０２ｍｍから０．８ｍｍとなる。

陰極８とイオン伝導膜１０との間に隙間（流路３ｃ）を設ける方法としては、例えば、陽極部１１とイオン伝導膜１０とを一体的に水電解装置本体１ａの筐体に保持させる一方、陰極部１２をイオン伝導膜１０から離して水電解装置本体１ａの筐体に保持させることが考えられる。また、陰極８とイオン伝導膜１０との間は、例えば、陰極側の電解液２３に陽極側の水２１よりも高い圧力をかけることで、イオン伝導膜１０と陽極４との密着性を確保すると共に、イオン伝導膜１０と陰極８との距離ｄを一定に保つような構成にすることもできる。すなわち、陽極４とイオン伝導膜１０の密着性を確保するため、例えば陽極４とイオン伝導膜１０を熱圧着してもよいが、それでもイオン伝導膜１０の陰極側は構造的に弱いため、陰極側に一定の圧力をかけて、イオン伝導膜１０を陽極４に押さえつける。

次に、本実施の形態に係る水電解装置の技術的効果について説明する。図３は、従来の電解装置でのイオン伝導膜と陰極の近傍の構成を示す概略断面図である。図４は、本発明の実施の形態に係る水電解装置でのイオン伝導膜と陰極の近傍の構成を示す概略断面図である。

図３に示されるように、イオン伝導膜に陰極を密着させる従来の構造の場合、イオン伝導膜と陰極の近傍を拡大すると、細部においてはイオン伝導膜と陰極とが接触している部分と接触していない部分とができる。これは、陰極において発生する水素を逃がすためには、陰極を平滑な面としてイオン導電膜に密着させる訳にはいかないからである。そして、この状態で電解（電気分解）を行うと、陰極とイオン伝導膜とが接触している部分に電界が集中する（図中、電気力線の集中している部分）。

これは、イオン伝導膜を有効に利用しているとは言い難く、イオンの流れもこの電気力線で表現されているように接触部分に集中する。そのため、電圧ロスが起こり効率が低下する原因となる。加えて、陰極の表面に発生した水素の微小バブルによる応力や振動が集中してイオン伝導膜を損傷する原因にもなる。さらに、最も深刻な問題は、接触部分の界面に析出してくる不純物である。この不純物は陽極に供給される水に含まれる金属類のイオンや陽極から溶出するイオンなどである。界面に析出した物質はイオン伝導膜内に電気力線に沿うように成長して行くため、イオン伝導膜を破壊することとなる。また、イオンの移動も阻害するため、効率低下の原因となる。

上記の問題は主に電解中に発生する。しかし、従来の電解装置では、更に電解の終了後にも問題が発生する。すなわち、電解を停止し、電源を遮断（電源オフ）とした場合、陰極の近傍に存在する水素イオンやイオン伝導膜中にある水素イオンが陽極側に移動する。そうなると、移動した水素イオンが陽極と反応するため、陽極の触媒活性を低下させてしまう。

一方、図４に示されるように、本実施の形態では、陰極８をイオン伝導膜１０から離し、その間の流路３ｃに電解液２３を満たしている。このような構造では、イオン伝導膜１０内での電界はほぼ均一な状態になる。電界の集中する部分が電解液２３中に移動するためである。この効果は、電解液２３の伝導度や陰極８とイオン伝導膜１０との距離ｄによっても変わるが、距離ｄを「電解時にイオン伝導膜１０で生じる電位差の１／１０以上の電位差が生じる距離」とする条件であれば、イオン伝導膜１０内での電界集中は緩和される。このような条件では、イオン伝導膜１０中を移動するイオンの密度はほぼ均一となり、イオン伝導膜１０での電圧ロスも最小限にすることができる。

また、陰極８の近傍における電界集中も緩和されるため、陰極８の表面に析出する物質がイオン伝導膜１０に応力を及ぼすことは無い。加えて、陰極８の表面に析出する物質がイオン伝導膜１０内に入り込むこともない。更に、電解液２３が錯体を形成するような物質を含む場合には、陰極８の表面での物質の析出そのものが抑制される。

更に、陰極８とイオン伝導膜１０との間に電解液２３が存在する構造である場合、電解を行っているときには電解液２３中の微量のアニオンがイオン伝導膜１０を泳動して陽極側にも移動することがわかっている。この微量のアニオンは、イオン導電膜１０と陽極４の表面との接触不均衡に対して、それを緩和する働きをする。更に、この微量のアニオンは、陽極４の表面での電解反応を促進するため、電解効率の向上にも大きく貢献する。更に、この微量のアニオンは、陽極４の近傍でのイオン伝導膜１０の損傷を抑制する。この効果も、劣化の防止に貢献する。

更に、電源の遮断（電源オフ）時には、陰極８の近傍の水素イオンは電解液２３中のアニオンにトラップされる。そのため、その水素イオンはイオン伝導膜１０中に移動することは無い。加えて、イオン伝導膜１０中の水素イオンもイオン伝導膜１０中にあるアニオンにトラップされる。そのため、陽極側に移動する水素イオンは非常に少なくなる。従って、陽極４が水素と反応することは大きく抑制されるため、陽極４の触媒活性は電源の遮断時でも維持される。

以上のような効果により、イオン伝導膜１０の劣化は最小限に抑えられると共に電界効率の向上を図ることができる。その結果、水電解装置の寿命及び効率は大幅に改善される。

次に、本発明の実施の形態に係る水電解システムの動作について説明する。ここでは、通常の電気分解ではなく、ラジカル酸素水を生成する電気分解を行う水電解装置について説明する。ただし、印加する電力を低く変更すれば、通常の電気分解用の水電解装置になる。

図１を参照して、バルブ９１、９３、９４、９５、９６、９８、９９は開いている。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、８２ａ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、水電解装置１のセル１３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２１は、配管８３を介して水電解装置１の陽極側へ供給される。一方、配管８２、８２ｂを流通した水道水が電解液供給部８９へ供給される。電解液供給部８９は、水道水を用いて電解液２３を生成する。電解液供給部８９で生成された電解液２３は、配管８５を介して水電解装置１の陰極側へ供給される。

図２を参照して、イオン交換部９０で処理された水２１が、水電解装置１の流路２ｂを流通して陽極部１１へ供給される。水２１は、第２電極部５及び陽極４の中を流通する。一方、電解液供給部８９で生成された電解液２３が、水電解装置１の流路３ｂを流通して陰極部１２へ供給される。電解液２３は、陰極８及び流路３ｃの中を流通する。電源部１ｂの変換部３１は、陽極部１１と陰極部１２との間に所定の直流電圧を供給する。その結果、陰極８とイオン伝導膜１０と陽極４との間で、電解反応が行われる。電解反応により、陽極側で、酸素ガスよりもオゾンや活性酸素が多く生成される。その結果、陽極側で、活性酸素、過酸化水素、オゾン及びヒドロキシルラジカルのようなラジカル分子を豊富に含むラジカル酸素水２２が生成される。ラジカル酸素水２２は、流路２ｄを介して水電解装置１の外部（配管８４）へ送出される。また、陰極側では電解液中に水素ガス又は水素ラジカルが生成される。

図４を参照して、この電解反応において、陰極８をイオン伝導膜１０から離しているので、イオン伝導膜１０内での電界はほぼ均一な状態になる。それにより、イオン伝導膜１０中を移動するイオンの密度はほぼ均一となり、イオン伝導膜１０での電圧ロスも最小限にすることができる。その結果、陰極８の近傍における電界集中も緩和されるため、イオン伝導膜１０の表面に物質が析出することは無い。それにより、イオン伝導膜１０が損傷することや、イオン伝導が妨げられることを防止することができる。更に、電解液２３中の微量のアニオンは、陽極４の表面での電解反応を促進するとともに、陽極４の近傍でのイオン伝導膜１０の損傷を抑制する。更に、電解を行っているときには微量のアニオンがイオン伝導膜１０を泳動して陽極側にも移動することがわかっている。この微量のアニオンは、イオン導電膜１０と陽極４の表面との接触不均衡に対して、それを緩和する働きをする。

図１を参照して、ラジカル酸素水２２は、配管８４及びバルブ９９を介して、イオン交換部９０及び水電解装置１をバイパスした配管８１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２２としてバルブ９３から送出される。なお、ラジカル酸素水２２を、配管８１の水と混合せずに、バルブ９７を介してそのまま使用することも可能である。一方、水電解装置１の陰極部１２で使用された排電解液２４は、配管８６を介し電解液供給部８９へ循環、再利用される。ただし、バルブ１００を介して外部へ排出しても良い。

その後の水電解装置１の電源の遮断（電源オフ）時には、陰極８の近傍の水素イオンは電解液２３中のアニオンにトラップされる。そのため、その水素イオンはイオン伝導膜１０中に移動することは無い。加えて、イオン伝導膜１０中の水素イオンもイオン伝導膜１０中にあるアニオンにトラップされる。そのため、陽極側に移動する水素イオンは非常に少なくなる。従って、陽極４が水素と反応することは大きく抑制されるため、陽極４の触媒活性は電源の遮断時でも維持される。

以上のように、本発明の実施の形態に係る水電解システムは動作することができる。

本発明は、陰極をイオン伝導膜に密着させず、イオン伝導膜の表面から離して配置し、陰極とイオン伝導膜との間は電解液で満たす構造としている。このような構造にすることにより、電界集中の起こり易い部分（陰極表面）をイオン伝導膜から隔離することができる。それにより、イオン伝導膜内での物質の析出を防止することができるとともに、イオン伝導膜の破壊やイオン伝導の妨害の発生を防止することが可能となる。

また、電源遮断（電源オフ）時では、陰極近傍に存在する水素イオンが電解液のアニオンにトラップされるとともに、イオン伝導膜中に存在する水素イオンがイオン伝導膜中に拡散した電解液のアニオンにトラップされる。それにより、陽極側に水素イオンが移動することを防止でき、陽極と水素イオンとの間の反応を起こり難くすることができる。それにより、陽極の劣化を防止することができ、長期間安定的に動作することができる。

上記実施の形態では、陰極８とイオン伝導膜１０との間には電解液２３のみが存在している。しかし、本発明はその例に限定されるものではない。すなわち、陰極８とイオン伝導膜１０との間に、電解液２３を含んだ非導電性部材を有していても良い。図５は、本発明の実施の形態に係る水電解装置の他の構成を示す概略断面図である。この水電解装置１は、基本的には図２の水電解装置１と同じである。ただし、陰極８とイオン伝導膜１０との間（流路3ｃ）に非導電性部材７を有している点で、図２の場合と異なる。

非導電性部材７は、陰極８とイオン伝導膜１０との間（流路３ｃ）に設けられ、非導電性の材料で形成されている。非導電性部材７は、電解液２３を内部に流通可能であり、多孔体又は網状体に例示される。非導電性部材７は、例えば、スポンジや、綿などを用いることができる。非導電性部材７は、弾性力のあるものが好ましい。その場合、陰極側の電解液２３に、陽極側の水２１よりも高い圧力をかけるのではなく、イオン伝導膜１０と陰極８との間に弾性力を持った非導電性部材７を挟み、その非導電性部材７の弾性力でイオン伝導膜１０を陽極４に押さえつける構造をとることが可能となる。

また、電解液２３は非導電性部材７としてのスポンジや綿に含んだ状態で存在しても良いし、更に外側に電解液２３を貯蔵したタンクを設け、ポンプで循環する構造としても良い。こうすることにより、電解液２３の組成変化が少なくなるとともに、電解液２３の補充や交換が容易になる。

さらに、スポンジや綿の替わりに、例えば、ゲル状の物質を使用し、そのゲル状の物質に電解液を含ませたものを使用しても同様の効果を得ることが出来る。

本実施の形態において、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。

本実施の形態の技術は、既述のように、通常の水の電気分解を行う電解装置に適用することができる。加えて、電気分解の正反対の反応である燃料電池の発電に対しても同様に適用することができる。すなわち、上記電気分解と正反対の反応を用いた固体高分子形燃料電池においても、本実施の形態の技術を適用することで、固体高分子形燃料電池においても発生している劣化現象を同様に抑制することができる。その場合、例えば、図２の水電解装置本体１ａにおいて、陰極部１２の側（流路３ｃ）に酸化剤（例示：酸素）及び電解液を、陽極部１１の側に燃料（例示：水素ガス、水素ガス＋水）をそれぞれ供給し、必要に応じて所定の温度に加熱する。そうすると、陽極部１１の水素ガスは水素イオンとなりイオン導電膜１０中を陰極部１２の側へ移動してくる。この場合、陰極部１２が固体高分子形燃料電池のカソード部１２（陰極８はカソード８）となり、陽極部１１が固体高分子形燃料電池のアノード部１１（陽極４はアノード４）となる。

本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、発明の範囲及び精神を逸脱しない変形や変更が可能であることは明らかである。

図１は本発明の実施の形態に係る水電解装置を含む水電解システムの構成を示すブロック図である。 図２は本発明の実施の形態に係る水電解装置の構成を示す概略断面図である。 図３は従来の電解装置でのイオン伝導膜と陰極の近傍の構成を示す概略断面図である。 図４は本発明の実施の形態に係る水電解装置でのイオン伝導膜と陰極の近傍の構成を示す概略断面図である。 図５は、本発明の実施の形態に係る水電解装置の他の構成を示す概略断面図である。

符号の説明

１ 水電解装置（１ｂ 電源部、１ａ 水電解装置本体）
２ 陽極側流路（２ａ、２ｅ 開口部、２ｂ、２ｃ、２ｄ 流路）
３ 陰極側流路（３ａ、３ｅ 開口部、３ｂ、３ｃ、３ｄ 流路）
４ 陽極（アノード） ５ 第２電極部
６ 第１電極部 ７ 非導電性部材
８ 陰極（カソード） ９ 電極部
１０ イオン伝導膜（１０ａ 第１面、１０ｂ 第２面）
１１ 陽極部（アノード部） １２ 陰極部（カソード部）
１３ セル ２１ 水（供給水）
２２ ラジカル酸素水 ２３ 電解液
２４ 排電解液 ３１ 変換部
３２ 交流電源 ８０ 水電解システム
８１、８２、８２ａ、８２ｂ、８３、８４、８５、８６ 配管
８８ 制御部 ９０ イオン交換部
９１、９２、９３、９４、９５、９６、９７、９８、９９、１００ バルブ

Claims (9)

1. 第１の面と、前記第１の面と反対側の第２の面とを有する固体電解質膜と、
   前記第１の面の側に、前記第１の面に接して設けられ、水が流通可能な陽極と、
   前記第２の面の側に、前記第２の面から離れて設けられた陰極と、
   前記陰極と前記第２の面との間に設けられ、電解液が介在可能な流路と、
   前記陰極と前記陽極との間に直流電力を印加する電源部と
   を具備し、
   前記第２の面と前記陰極との距離は、前記陰極と前記固体電解質膜との間で電界集中が起こらないように、前記電解液を挟んで前記第２の面と前記陰極との間で生じる電位差が、前記固体電解質膜の前記第１の面と前記第２の面との間で生じる電位差の１／１０倍以上４倍以内となる距離である
   水電解装置。
2. 請求項１に記載の水電解装置において、
   前記電解液は、
   強酸とアルカリ金属との塩を含有する水溶液と、
   第１３族元素を含む化合物と
   を含む
   水電解装置。
3. 請求項１又は２に記載の水電解装置において、
   前記流路は、一方の面を前記第２の面に接し、他方の面を前記陰極に接して設けられ、
   前記電解液を内部に流通可能な非導電性部材を備える
   水電解装置。
4. 請求項２に記載の水電解装置において、
   前記電解液は、更に、金属錯体を形成する酸を含む
   水電解装置。
5. 請求項１又は２に記載の水電解装置において、
   前記電解液は、イオン液体又はそのゲル化物を含む
   水電解装置。
6. 水を供給する水供給部と、
   電解液を供給する電解液供給部と、
   前記水と前記電解液とを供給され、前記水を電気分解する処理を実行し、前記処理後の
   前記水を送出する請求項１乃至５のいずれか一項に記載の水電解装置と
   を具備する
   水電解システム。
7. 請求項６に記載の水電解システムにおいて、
   前記電解液供給部は、前記電解液を水電解装置へ循環的に供給する
   水電解システム。
8. 固体電解質膜の第１の面に接して設けられ水が流通可能な陽極に、水を流すステップと、
   前記固体電解質膜の第２の面の側に前記第２の面から離れて設けられた陰極と、前記第２の面との間に電解液を流すステップと、
   前記陽極と前記陰極との間に直流電力を印加するステップと
   を具備し、
   前記第２の面と前記陰極との距離は、前記陰極と前記固体電解質膜との間で電界集中が起こらないように、前記電解液を挟んで前記第２の面と前記陰極との間で生じる電位差が、前記固体電解質膜の前記第１の面と前記第２の面との間で生じる電位差の１／１０倍以上４倍以内となる距離である
   水電解方法。
9. 請求項８に記載の水電解方法において、
   前記第２の面の側の前記電解液の圧力は、前記第１の面の側の前記水の圧力よりも高い
   水電解方法。

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