JP6864939B1 - 電解セルおよびオゾン水散布装置 - Google Patents

Abstract

【課題】オゾン水を効率良く生成することができる電解セルおよびオゾン水散布装置を提供する。【解決手段】電解セル４は、原料水ＲＷからオゾン水ＯＷを生成する。電解セル４は、陽極３１と、陽極３１に隣接して配置されたイオン交換膜３２と、イオン交換膜３２を挟んで陽極３１と反対側に配置される第１陰極３３と、イオン交換膜３２および第１陰極３３の間に配置され、イオン交換性能を有する第２陰極３４と、これらを収容するハウジング１５とを含む。ハウジング１５は、原料水ＲＷを取り入れる水取入口１５ａ、および、オゾン水ＯＷを排出する水排出口１５ｂを有する。【選択図】図２

Description

この発明は、オゾン水を生成する電解セル、および、それを用いたオゾン水散布装置に関する。

下記の特許文献１に開示された電解セルは、陽極、陰極、および、イオン交換膜を有する。陽極および陰極の間に電圧が印加された状態で、電解セルの内部に原料水を通過させることによって、オゾン水が生成される。詳しくは、原料水の電気分解によってオゾンが生成され、生成されたオゾンが原料水に溶け込むことによって、オゾン水が得られる。

特許６２４９２００号公報

原料水として、脱イオン水と比較してミネラル成分を多く含有する水道水などを用いた場合、特許文献１の電解セルでは、ミネラル成分が陰極とイオン交換膜との間に塩として析出する。そのため、オゾン水の生成効率が低下するおそれがある。
この発明は、かかる背景のもとでなされたもので、オゾン水を効率良く生成することができる電解セルおよびオゾン水散布装置を提供することを目的とする。

本発明は、原料水からオゾン水を生成する電解セルであって、原料水を取り入れる水取入口、および、オゾン水を排出する水排出口を有するハウジングと、前記ハウジング内に配置された陽極と、前記ハウジング内おいて前記陽極に隣接して配置されたイオン交換膜と、前記ハウジング内おいて前記イオン交換膜を挟んで前記陽極と反対側に配置される第１陰極と、前記イオン交換膜および前記第１陰極の間に配置され、イオン交換性能を有する第２陰極とを含む、電解セルである。

本発明は、前記第２陰極が、カーボン繊維からなるカーボン陰極と、イオン交換性能を有し、前記カーボン繊維を被覆するコーティング部材とを含むことを特徴とする。
本発明は、前記カーボン陰極が、前記第１陰極に隣接する陰極側部分と、前記イオン交換膜に隣接する交換膜側部分とを含み、前記コーティング部材が、前記陰極側部分において前記カーボン繊維を被覆する低親水性コーティング部材と、前記交換膜側部分において前記カーボン繊維を被覆し、前記低親水性コーティング部材よりも親水性が高い高親水性コーティング部材とを含むことを特徴とする。

本発明は、前記カーボン陰極が、複数のシート部材によって構成されることを特徴とする。
本発明は、前記第２陰極に印加される電圧が、前記第１陰極に印加される電圧よりも低いことを特徴とする。
本発明は、前記電解セルと、原料水を貯留する貯留部と、前記電解セルによって生成されたオゾン水を散布する散布部と、前記電解セルを介して、前記貯留部から前記散布部へ向けて送水する送水部とを含む、オゾン水散布装置である。

本発明によれば、この電解セルでは、水取入口からハウジング内に取り入れられた原料水からオゾン水が生成され、生成されたオゾン水が水排出口から排出される。ハウジング内には、イオン交換膜を挟んで陽極とは反対側に第１陰極が配置されるため、原料水がハウジング内で電気分解され、オゾンが発生する。この電解セルでは、イオン交換膜と第１陰極との間に、イオン交換性能を有する第２陰極が配置される。そのため、原料水中のミネラル成分は、イオン交換膜と第１陰極との間に塩として析出せず、イオンの状態で第２陰極の表面を伝って第１陰極側に移動する。そして、ミネラル成分は、最終的に、第１陰極においてイオン交換膜とは反対側の部分に析出する。ミネラル成分がイオン交換膜と第１陰極との間で析出することを抑制できるため、オゾン水を効率良く生成できる。

特に、脱イオン水などと比較してミネラル成分を多く含有する水道水などを原料水として用いた場合であっても、オゾン水を効率良く生成できる。
本発明によれば、第２陰極がカーボン陰極およびコーティング部材を含む。カーボン陰極は、カーボン繊維からなるため、板状の金属と比較してその表面積が大きい。イオン交換性能を有するコーティング部材によってカーボン繊維が被覆されるため、第２陰極のイオン交換性能を高めることができる。そのため、原料水中のミネラル成分の第１陰極側への移動を促進できる。すなわち、イオン交換膜と第１陰極との間におけるミネラル成分の析出を一層抑制できる。

本発明によれば、カーボン陰極においてイオン交換膜に隣接する交換膜側部分の親水性が、カーボン陰極において第１陰極に隣接する第１陰極側部分の親水性よりも高い。そのため、イオン交換膜側でのミネラル成分の析出を一層抑制できる。
本発明によれば、カーボン陰極が、複数のシート部材によって構成される。そのため、シート部材毎にコーティング部材を変更することができる。これにより、イオン交換膜と第１陰極との間でのミネラル成分の析出の抑制に適したコーティングをシート部材毎に選択することができる。

本発明によれば、第２陰極に印加される電圧が第１陰極に印加される電圧よりも低い。そのため、第２陰極の近傍のイオン状態のミネラル成分が第１陰極側に引き寄せられやすい。そのため、原料水中のミネラル成分の第１陰極側への移動を促進できる。すなわち、イオン交換膜と第１陰極との間におけるミネラル成分の析出を一層抑制できる。
本発明によれば、貯留部に貯留される原料水が、送水部によって電解セルに送られる。電解セルに送られた原料水が電解セルによって電気分解されてオゾン水が生成される。そして、電解セルによって生成されたオゾン水が、送水部によって散布部に送られ、散布部からオゾン水散布装置の外部に向けて散布される。

図１は、本発明に係る電解セルが備えられるオゾン水スプレーの縦断面図である。 図２は、電解セルの分解斜視図である。 図３は、電解セルの断面図である。 図４は、電解セルに備えられる第２陰極の構成について説明するための模式図である。 図５Ａは、イオン交換性能を有する電解セルを用いた場合の析出量比較実験の結果を説明するための画像であり、塩酸洗浄前のイオン交換膜の表面の拡大画像である。 図５Ｂは、イオン交換性能を有しない電解セルを用いた場合の析出量比較実験の結果を説明するための画像であり、塩酸洗浄前のイオン交換膜の表面の拡大画像である。 図５Ｃは、イオン交換性能を有する電解セルを用いた場合の析出量比較実験の結果を説明するための画像であり、塩酸洗浄後のイオン交換膜の表面の拡大画像である。 図５Ｄは、イオン交換性能を有しない電解セルを用いた場合の析出量比較実験の結果を説明するための画像であり、塩酸洗浄後のイオン交換膜の表面の拡大画像である。

以下には、図面を参照して、この発明の実施形態について具体的に説明する。
＜オゾン水スプレーの構成＞
図１は、本発明に係るオゾン水散布装置としてのオゾン水スプレー１の縦断面図である。図１を参照して、オゾン水スプレー１は、筐体２、貯留部３、電解セル４、送水部５、散布部６および電力供給部７を含む。

筐体２は、貯留部３、電解セル４、送水部５、散布部６、および電力供給部７を収容する。貯留部３は、原料水ＲＷを貯留する。電解セル４は、原料水ＲＷを電気分解してオゾン水を生成する。散布部６は、電解セル４によって生成されたオゾン水ＯＷを外部へ向けて散布する。送水部５は、電解セル４を介して貯留部３から散布部６へ向けて送水する。電力供給部７は、電力をオゾン水スプレー１の各部材に供給する。

オゾン水スプレー１は、スイッチやレバーなどの操作部（図示せず）に対するユーザの操作に基づいて、原料水ＲＷからオゾン水ＯＷを生成し、生成されたオゾン水ＯＷを散布する。
筐体２は、胴体部１０、首部１１および頭部１２によって構成される。胴体部１０は、平坦な底部から上方に向かうに従って細くなるテーパ形状を有する。首部１１は、上下方向に延びる略円筒形状を有する。頭部１２は、首部１１に対して交差して延びる略方形筒状を有する。

貯留部３は、筐体２の胴体部１０に収容される容器である。貯留部３内に貯留される原料水ＲＷとしては、純水や水道水が挙げられる。
電解セル４は、貯留部３の底部の近傍において貯留部３内に配置される。詳しくは後述するが、電解セル４は、ハウジング１５を含み、ハウジング１５の内部空間１６に取り込んだ原料水ＲＷを電気分解してオゾン水ＯＷを生成する。ハウジング１５は、内部空間１６に原料水ＲＷを取り入れる水取入口１５ａと、内部空間１６からオゾン水ＯＷを排出する水排出口１５ｂと、オゾン水ＯＷの生成の際に発生する水素（Ｈ_２）を排出する水素排出口１５ｃとを有する。

散布部６は、シャワー状のオゾン水ＯＷを散布するシャワーノズル１７と、ミスト状のオゾン水ＯＷを散布するミストノズル１８とを含む。シャワーノズル１７は、筐体２の頭部１２の一端に配置され、ミストノズル１８は、筐体２の頭部１２の他端に配置される。
送水部５は、貯留部３内の原料水ＲＷを電解セル４の水取入口１５ａへ送り込む第１送水管１９と、電解セル４によって生成されたオゾン水ＯＷを電解セル４の排出口１６ｂから散布部６へ送り込む第２送水管２０と、第１送水管１９、電解セル４、および第２送水管２０を介して、貯留部３から散布部６に向けて水を送り出すポンプ２１とを含む。

ポンプ２１は、たとえば、ダイヤフラム駆動方式の小型ポンプである。ポンプ２１は、第１送水管１９に介装される。ポンプ２１は、ポンプ本体２２と、ポンプ本体２２に原料水ＲＷを吸い込ませる吸水口２１ａと、ポンプ本体２２内の原料水ＲＷを吐出する吐水口２１ｂとを有する。第１送水管１９は、吸水口２１ａに一端が接続される吸水管２３と、吐水口２１ｂに一端が接続される吐水管２４とを含む。吸水管２３の他端は、貯留部３内において原料水ＲＷの水面ＷＳよりも底部側に位置する。吐水管２４の他端は、電解セル４のハウジング１５の水取入口１５ａに接続される。

ポンプ２１は、ユーザによる操作部の操作によって、駆動状態および停止状態のいずれかに切り替えられる。散布部６の散布モードは、ユーザによる操作部の操作によって、シャワーノズル１７からオゾン水ＯＷを散布するシャワーモードと、ミストノズル１８からオゾン水ＯＷを散布するミストモードとのいずれかに切り替えられる。
電力供給部７は、筐体２の胴体部１０において、貯留部３の下方に配置されるバッテリなどの電源２５と、電源２５から電解セル４に向かって延びる複数の配線２６とを含む。図示しないが、電力供給部７は、ポンプ２１や操作部に電力を供給する配線を含んでいてもよい。

ポンプ２１を駆動させることで、貯留部３内の原料水ＲＷが第１送水管１９を介して電解セル４に供給される。原料水ＲＷは、電解セル４を通過する際にオゾン水ＯＷに変化する。電解セル４内で生成されたオゾン水ＯＷが第２送水管２０を介して散布部６に供給される。これにより、散布部６からオゾン水ＯＷが吐出される。図１は、シャワーノズル１７がオゾン水ＯＷを散布する状態を示す。

図２は、電解セル４の分解斜視図である。電解セル４は、分離式であり、全体が略円柱状である。
図２を参照して、電解セル４は、ハウジング１５、陽極通電端子３０、陽極３１、イオン交換膜３２、第１陰極３３、第２陰極３４、第１陰極通電端子３５、第２陰極通電端子３６および弾性部材３７を含む。

ハウジング１５は、第１ホルダ４０および第２ホルダ５０を有する。第１ホルダ４０は、有底の筒形状を有する。第１ホルダ４０は、円板状の底部４１と、底部４１の周縁部から底部４１と同軸状に延びる円筒部４２と、円筒部４２とは反対側に向かって底部４１から延びる直方体状部４３とを含む。
水取入口１５ａおよび水排出口１５ｂは、第１ホルダ４０の直方体状部４３に形成される。水取入口１５ａは、直方体状部４３および底部４１を貫通する。水排出口１５ｂは、直方体状部４３および底部４１を貫通する（後述する図３も参照）。

第２ホルダ５０は、有底の筒形状を有する。第２ホルダ５０は、第１ホルダ４０とは反対側に窪んだ形状を有する。第２ホルダ５０は、円板状の底部５１と、底部５１の周縁部から底部５１と同軸状に第１ホルダ４０に向かって延びる円筒部５２とを含む。水素排出口１５ｃは、第２ホルダ５０に形成される。
水素排出口１５ｃは、底部５１の中央を貫通する円形孔５１ａと、円形孔５１ａを取り囲むように、底部５１の周方向に沿って等間隔で配置され、底部５１を貫通する複数の円弧状孔５１ｂとを含む。

第１ホルダ４０は、円筒部４２の外面部に設けられた一対の係合凸部４４を有する。第２ホルダ５０は、円筒部５２に設けられ、対応する係合凸部４４にそれぞれ係合する一対の係合凹部５３を有する。一対の係合凸部４４のそれぞれを対応する係合凹部５３に嵌め込むことで、ハウジング１５が組み立てられる。図２の例とは異なり、第１ホルダ４０が係合凹部を有し第２ホルダ５０が係合凸部を有する構成であってもよい。

陽極３１、イオン交換膜３２、第２陰極３４、第１陰極３３および弾性部材３７は、第１ホルダ４０側から第２ホルダ５０側に向かってこの順番で配置される。
陽極３１は、たとえば、略直方体形状を有する。陽極３１は、たとえば、表面がコーティングされた合金である。陽極として用いられる合金には、タングステン、鉄、モリブデン、ニッケル、チタン、シリコン、タンタル、ニオブなどが含有されてもよい。陽極３１は、合金である必要はない。陽極３１は、酸化鉛、酸化錫、白金などの貴金属、貴金属の酸化物、カーボン、導電性ダイヤモンドなどであってもよい。

イオン交換膜３２は、たとえば、円形状の薄膜である。イオン交換膜３２は、たとえば、フッ素樹脂系および炭化水素樹脂系のいずれかであってもよい。イオン交換膜３２としては、オゾンや過酸化物に対する耐食性の観点から、フッ素樹脂系であることが好ましい。フッ素系樹脂としてナフィオン（登録商標）を用いることができる。ナフィオンは、スルホ化されたテトラフルオロエチレンを基にしたフッ素樹脂の共重合体であり、イオン電導性を有するポリマーである。ナフィオン内において、陰イオンや電子は移動せず、陽イオンである水素イオンだけが移動する。

イオン交換膜３２の厚さは、たとえば、３０μｍ以上で１．５ｍｍ以下である。イオン交換膜３２の厚さは、３０μｍ以上で１．０ｍｍ以下であることが好ましい。イオン交換膜３２の厚さは、３０μｍ以上で、２００μｍ以下であることが一層好ましい。イオン交換膜３２の厚さは、５０μｍ以上で、１２０μｍ以下であることがより一層好ましい。イオン交換膜３２の厚さは、５１μｍであることが特に好ましい。

第１陰極３３は、たとえば、円板形状を有する。第１陰極３３としては、水素によって脆化しない物質が用いられる。具体的には、第１陰極３３として用いられる物質として、白金族金属、ニッケル、ステンレス、チタン、ジルコニウム、金、銀、カーボン、ダイヤモンドなどが挙げられる。第１陰極３３は、第１陰極３３を貫通する複数の貫通孔３３ａを有する。

第２陰極３４は、イオン交換性能を有する円形状の複数のシートの積層体である。第２陰極３４は、イオン交換膜３２および第１陰極３３の間に配置される。第２陰極３４は、カーボン繊維からなるカーボン陰極６０と、イオン交換性能を有し、カーボン繊維を被覆するコーティング部材７０とを含む。
カーボン陰極６０は、カーボン繊維からなる円形状のシート部材６１によって構成される。図２の例では、シート部材６１が１１枚設けられるが、シート部材６１の枚数はこれに限られない。たとえば、シート部材６１は、１６枚設けられてもよい。

弾性部材３７は、たとえば、環状の皿ばねである。弾性部材３７は、第１陰極３３を陽極３１側に向かって弾性付勢する。これにより、陽極３１、イオン交換膜３２、第２陰極３４および第１陰極３３を密着させることができる。
陽極通電端子３０、第１陰極通電端子３５および第２陰極通電端子３６は、それぞれ、たとえば螺旋状に形成される。陽極通電端子３０は、陽極３１と第１ホルダ４０との間に配置され、陽極３１に接触する。第１陰極通電端子３５は、第１陰極３３と弾性部材３７との間に配置され、第１陰極３３に接触する。第２陰極通電端子３６は、シート部材６１同士の間に配置され、シート部材６１に接触する。

複数の配線２６は、陽極通電端子３０に接続される陽極側配線８０と、第１陰極通電端子３５および第２陰極通電端子３６に接続される陰極側配線８１とを含む。
第１陰極３３および第２陰極３４は、それぞれ、第１陰極通電端子３５および第２陰極通電端子３６を介して、共通の配線である陰極側配線８１に並列接続される。ただし、第２陰極通電端子３６が陰極側配線８１の先端に接続され、第１陰極通電端子３５が陰極側配線８１の先端よりも電源２５（後述する図４も参照）側に接続されるため、第２陰極３４に印加される電圧は、第１陰極３３に印加される電圧よりも低い。

図３は、電解セル４の縦断面図である。
ハウジング１５は、第１ホルダ４０と第２ホルダ５０との間に内部空間１６を有する。ハウジング１５の内部空間１６には、陽極通電端子３０、陽極３１、イオン交換膜３２、第１陰極３３、第２陰極３４、第１陰極通電端子３５、第２陰極通電端子３６および弾性部材３７が収容される。

内部空間１６は、イオン交換膜３２によって、陽極室１６Ａと陰極室１６Ｂとに隔てられる。陽極室１６Ａには、陽極通電端子３０および陽極３１が配置される。陰極室１６Ｂには、第１陰極３３、第２陰極３４、第１陰極通電端子３５、第２陰極通電端子３６および弾性部材３７が収容される。
陽極側配線８０は、たとえば、第１ホルダ４０に設けられた水取入口１５ａを介してハウジング１５の内部空間１６に進入する。陰極側配線８１は、たとえば、第２ホルダ５０の水素排出口１５ｃを介してハウジング１５の内部空間１６に進入する。

原料水ＲＷは、第１ホルダ４０に設けられた水取入口１５ａを介して、第１送水管１９から陽極室１６Ａに進入する。原料水ＲＷが陽極室１６Ａ内で電気分解されることによってオゾンが発生する。発生したオゾンが原料水ＲＷに溶解してオゾン水ＯＷが生成される。陽極室１６Ａ内で生成されたオゾン水ＯＷは、第１ホルダ４０に設けられた水排出口１５ｂを介して、陽極室１６Ａから第２送水管２０に排出される。

原料水ＲＷは、第２ホルダ５０に設けられた水素排出口１５ｃから陰極室１６Ｂ内に進入する。水素排出口１５ｃから陰極室１６Ｂ内に進入した原料水ＲＷは、第１陰極３３の貫通孔３３ａを介して、陰極室１６Ｂにおいて、第１陰極３３よりもイオン交換膜３２側に進入する。そのため、陰極室１６Ｂ内は、原料水ＲＷで満たされ、第２陰極３４の周囲には原料水ＲＷが存在する。

図４は、第２陰極３４の構成について説明するための模式図である。
図４を参照して、第２陰極３４のカーボン陰極６０は、第１陰極３３に隣接する陰極側部分６２と、イオン交換膜３２に隣接する交換膜側部分６３とを含む。陰極側部分６２は、第１陰極３３側の複数のシート部材６１によって構成され、交換膜側部分６３は、イオン交換膜３２側の複数のシート部材６１によって構成される。第２陰極通電端子３６は、陰極側部分６２のシート部材６１の間に配置される。図４では、説明の便宜上、シート部材６１の枚数が図２および図３とは異なる。

コーティング部材７０は、陰極側部分６２においてカーボン繊維を被覆する低親水性コーティング部材７１と、交換膜側部分６３においてカーボン繊維を被覆する高親水性コーティング部材７２とを含む。高親水性コーティング部材７２は、低親水性コーティング部材７１よりも親水性が高い。
低親水性コーティング部材７１は、半疎水性イオン交換樹脂７３を含む。半疎水性イオン交換樹脂７３としては、たとえば、スルホン酸基７３ａを有するナフィオンが用いられる。

高親水性コーティング部材７２は、半疎水性イオン交換樹脂７４、親水性イオン交換樹脂７５、イオン交換補助剤７６、および給水剤７７を含む。半疎水性イオン交換樹脂７４としては、たとえば、スルホン酸基７４ａを有するナフィオンが用いられる。
親水性イオン交換樹脂７５は、半疎水性イオン交換樹脂７３および７４よりも親水性が高い物質である。親水性イオン交換樹脂７５は、たとえば、ベラゾール（登録商標）などの有機導電性ポリマー、スルホン化ポリエーテルスルホン、修飾酸化グラフェンのうち少なくとも１つを含んでいてもよい。有機導電性ポリマーとしては、特に、ＰＥＤＯＴ（ポリ３，４−エチレンジオキチオフェン）にＰＳＳ（ポリスチレンスルホン酸）およびＰＴＳ（パラトルエンスルホン酸）がドーピングされた高分子材料を用いることが好ましい。修飾酸化グラフェンは、カルボキシ基修飾またはスルホン酸基修飾を用いたグラフェンの少なくいずれかを含んでいてもよい。

イオン交換補助剤７６は、半疎水性イオン交換樹脂７４よりも酸強度が高い物質であることが好ましい。酸強度とは、酸としての能力であり、酸強度には、ブレンステッド酸強度とルイス酸強度とが含まれる。イオン交換補助剤７６は、たとえば、固体酸触媒である。固体酸触媒としては、ゼオライト、モンモリロナイト、１２タングスト６リン酸セシウム塩等が挙げられる。１２タングスト６リン酸セシウム塩の酸強度は、半疎水性イオン交換樹脂７４の酸強度よりも高いため、イオン交換補助剤７６として用いられることが好ましい。

給水剤７７は、親水性が高く、微小粒径であり、化学耐性がある物質であることが好ましい。ここで、化学耐性とは、強酸や水素に対して耐性があることをいう。また、給水剤７７は、水中への拡散防止の観点から、水に対して不溶な固体であることが好ましい。給水剤７７は、適度に水分を保持できることが好ましく、そのような給水剤７７としては、たとえば、セルロースナノファイバが挙げられる。

高親水性コーティング部材７２の親水性は、親水性イオン交換樹脂、イオン交換補助剤および給水剤の作用によって、低親水性コーティング部材７１の親水性よりも高くなる。
コーティング部材７０は、カーボン繊維に、液状のコーティング部材を含浸させる含浸処理または、気体状のコーティング部材を蒸着させる蒸着処理によって形成される。
この実施形態によれば、この電解セル４では、水取入口１５ａからハウジング１５内に取り入れられた原料水ＲＷからオゾン水ＯＷが生成され、生成されたオゾン水ＯＷが水排出口１５ｂから排出される。ハウジング１５内には、イオン交換膜３２を挟んで陽極３１とは反対側に第１陰極３３が配置されるため、原料水ＲＷがハウジング１５内で電気分解され、オゾンが発生する。この電解セル４では、イオン交換膜３２と第１陰極３３との間に、イオン交換性能を有する第２陰極３４が配置される。そのため、原料水ＲＷ中のミネラル成分は、イオン交換膜３２と第１陰極３３との間に塩として析出せず、イオン状態で第２陰極３４の表面を伝って第１陰極３３側に移動する。そして、ミネラル成分の析出物１００は、最終的に、第１陰極３３の表面においてイオン交換膜３２とは反対側に形成される。ミネラル成分がイオン交換膜３２と第１陰極３３との間で析出することを抑制できるため、オゾン水ＯＷを効率良く生成できる。

特に、ミネラル成分を多量に含有する水道水などを原料水ＲＷとして用いた場合であっても、オゾン水ＯＷを効率良く生成できる。
より詳しくは、ミネラルイオンは、高親水性コーティング部材７２の半疎水性イオン交換樹脂７４および親水性イオン交換樹脂７５に引き付けられ、カーボン陰極６０よりも高電圧に印加されている第１陰極３３に運ばれる。

カーボン陰極６０には電流が常に充分に供給されるわけではない。そのため、半疎水性イオン交換樹脂７４および親水性イオン交換樹脂７５の周囲にミネラル成分が集まり第２陰極３４のイオン交換性能が低下するおそれがある。その場合であっても、スルホン酸基７４ａよりも高い酸活性を有するイオン交換補助剤７６がミネラルイオンを引き付ける。そのため、半疎水性イオン交換樹脂７４および親水性イオン交換樹脂７５が酸活性を取り戻す。イオン交換補助剤７６に引き付けられたミネラルイオンはカーボン陰極６０の周辺では析出せずに、高電圧が印加された第１陰極３３に引き寄せられる。

第１陰極３３に達したミネラルイオンは、カーボン陰極６０と第１陰極３３との間において析出することがあるが、カーボン陰極６０が陽極として機能してミネラル塩から電子を奪う。これにより、ミネラル塩が再びイオン化するため、第１陰極３３の陰極としての機能を維持できる。再びイオン化したミネラル成分は、カーボン陰極６０からの影響が充分に低減された位置、具体的には、第１陰極３３に対してカーボン陰極６０とは反対側の位置に移動して再度析出する。

この実施形態によれば、第２陰極３４がカーボン陰極６０およびコーティング部材７０を含む。カーボン陰極６０は、カーボン繊維からなるため、板状の金属と比較してその表面積が大きい。イオン交換性能を有するコーティング部材７０によってカーボン繊維が被覆されるため、第２陰極３４のイオン交換性能を高めることができる。そのため、原料水ＲＷ中のミネラル成分の第１陰極３３側への移動を促進できる。すなわち、イオン交換膜３２と第１陰極３３との間におけるミネラル成分の析出を一層抑制できる。

この実施形態によれば、カーボン陰極６０において、イオン交換膜３２に隣接する交換膜側部分６３の親水性が、第１陰極３３に隣接する陰極側部分６２の親水性よりも高い。そのため、イオン交換膜３２側でのミネラル成分の析出を一層抑制できる。
第２陰極通電端子３６が陰極側部分６２のシート部材６１の間に配置される。そのため、陰極側部分６２のシート部材６１は、弾性部材３７の弾性力によって第２陰極通電端子３６に押し付けられるため、カーボン繊維が切断されるおそれがある。また、陰極側部分６２は、イオン交換膜３２に接しないため、原料水ＲＷの電気分解に直接関与しない。さらに、陰極側部分６２は、イオン交換能力を求められるタイミングが交換膜側部分６３と比較して遅い。

そのため、陰極側部分６２には、高親水性コーティング部材７２よりもコーティングに用いられる物質の数が少なく高親水性コーティング部材７２よりも製造工数が少ない低親水性コーティング部材７１を用いることが好ましい。
ただし、カーボン陰極６０に大きな電流が流れる際においてもコーティング部材７０が化学的に安定している必要がある。そのため、低親水性コーティング部材７１として、科学的安定性に優れたナフィオンを用いることが好ましい。

この実施形態によれば、カーボン陰極６０が、複数のシート部材６１によって構成される。そのため、シート部材６１毎にコーティング部材７０を変更することができる。これにより、イオン交換膜３２と第１陰極３３との間でのミネラル成分の析出の抑制に適したコーティングをシート部材６１毎に選択することができる。
この実施形態によれば、第２陰極３４に印加される電圧が第１陰極３３に印加される電圧よりも低い。そのため、第２陰極３４の近傍のイオン状態のミネラル成分が第１陰極３３側に引き寄せられやすい。そのため、原料水ＲＷ中のミネラル成分の第１陰極３３側への移動を促進できる。すなわち、イオン交換膜３２と第１陰極３３との間におけるミネラル成分の析出を一層抑制できる。

この実施形態によれば、貯留部３に貯留される原料水ＲＷが、送水部５によって電解セル４に送られる。電解セル４に送られた原料水ＲＷが電解セル４によって電気分解されてオゾン水ＯＷが生成される。そして、電解セル４によって生成されたオゾン水ＯＷが散布部６から散布される。

＜析出量比較実験＞
次に、電解セル４の塩析出抑制効果について実証するために行った析出量比較実験について説明する。
図５Ａ〜図５Ｄは、析出量比較実験の結果を説明するための画像である。
析出量比較実験では、第２陰極としてイオン交換性能を有するカーボン陰極を用いた第１電解セルと、第２陰極としてイオン交換性能を有しないカーボン陰極を用いた第２電解セルとを用いた。析出量比較実験では、各電解セルを用いて、水道水を原料水として、オゾン水の生成を繰り返し行った後に、各電解セルに付着する塩の量を比較した。

第１電解セルと第２電解セルとは、カーボン陰極のシート部材の枚数が異なる。具体的には、第１電解セルが備えるカーボン陰極のシート部材の枚数が１６枚であるのに対して、第２電解セルが備えるカーボン陰極のシート部材の枚数が２枚である。
析出量比較実験では、ＴＤＳ（総溶解固形物）が３００ｐｐｍである水を用い、オゾン水の生成を２０００サイクル実行した。ＴＤＳが３００ｐｐｍである水は、水道水に相当する。オゾンの生成を５秒間行った後、オゾンの生成を５秒間停止することを１サイクルとする。

オゾン水の生成を２０００サイクル実行した後、密着した状態のイオン交換膜および第２陰極を各電解セルから取り出し、イオン交換膜の静止画像を撮影した。図５Ａに示すように、第１電解セルから取り出したイオン交換膜には、僅かな塩の析出が観測された。これに対して、図５Ｂに示すように、第２電解セルから取り出したイオン交換膜の内部に多量の塩の析出が観測された。

各電解セルから取り出したイオン交換膜を５％塩酸に３０分間浸漬して洗浄した後、イオン交換膜の静止画像を撮影した。図５Ｃに示すように、第１電解セルから取り出したイオン交換膜は、塩酸洗浄前後で大きな変化は観測されなかった。一方、図５Ｄに示すように、第２電解セルから取り出したイオン交換膜は、塩酸洗浄前（図５Ｂを参照）と比較して、イオン交換膜の透明度が高くなった。すなわち、塩酸洗浄によって、炭酸カルシウム塩などのミネラル塩が除去されたことが推察される。
したがって、第２陰極がイオン交換性能を有する電解セル（第１電解セル）を用いた場合、第２陰極がイオン交換性能を有しない電解セル（第２電解セル）を用いた場合と比較して、イオン交換膜の近傍におけるミネラル塩の析出を抑制できることがわかった。

＜電解実験＞
次に、コーティング部材の種類によるオゾン生成能力の違いを比較するための第１電解実験と、コーティング部材の有無によるオゾン生成能力の違いを比較するための第２電解実験とについて説明する。
電解試験では、コーティング部材が異なる５種類の電解セルをサンプルとして用いた。各サンプルのコーティング部材は以下の通りである。
サンプルＡ：ナフィオン、ベラゾール、１２タングスト６リン酸セシウム塩、セルロースナノファイバ
サンプルＢ：ナフィオン、セルロースナノファイバ
サンプルＣ：ナフィオン、ベラゾール、セルロースナノファイバ
サンプルＤ：ナフィオン、１２タングスト６リン酸セシウム塩、セルロースナノファイバ
サンプルＥ：イオン交換成分なし

＜第１電解実験＞
第１電解実験では、サンプルＡ〜サンプルＤの性能を比較した。
第１電解実験では、以下の条件で耐久試験を行った。詳しくは、実験開始から２４時間までの間、オゾンの生成を１０秒間行った後、オゾンの生成を５秒間停止することを１サイクルとする小サイクルを繰り返した。実験開始から２４時間経過した後においては、小サイクルを１０回繰り返した後、オゾンの生成を１５０分間停止させることを１サイクルとする大サイクルを繰り返した。

第１電解実験では、開始から２４時間までの間、ＴＤＳが３００ｐｐｍである水を使用した。実験開始から２４時間経過した後においては、１５０分間休止直後の電解セルのオゾン生成能力を観測するために、ＴＤＳが４５０ｐｐｍである水を使用した。
第１電解実験では、水温を２５℃以上３０℃以下で調整し、水の流量を１ｍＬ／秒以上１．２ｍＬ／秒以下に調整し、電流を１．２Ａ定電流とし、電圧を１８．０Ｖ以下とした。

オゾン濃度は、紫外線吸収法により、要所毎、および、２４時間毎に測定した。電圧値を１秒毎に２４時間監視し、オゾン濃度測定時には水温計を用いて水温を測定した。
下記表１は、第１電解実験の結果を示すテーブルである。表１において、「初回」は、１回目の大サイクルを意味し、「再開時」は、２回目以降の大サイクルを意味する。表１の「電圧」は、電解セル中の電圧を意味し、電圧が低いほど、ミネラル成分の析出量が少なくオゾン水を多量に生成できることを意味する。
表１の「安定時間」は、大サイクルの開始後、電圧が安定するまでに要した時間を意味し、安定時間が短いほど、水を安定して電気分解できることを意味する。

サンプルＡを用いた場合、初回および再開時のいずれにおいても電圧が安定するまでの時間がほぼ０秒であり非常に短かった。これにより、オゾン水スプレーの使用開始直後から安定して水を電気分解できることが推察される。また、サンプルＡを用いた場合、初回における電圧の最大値が８．６Ｖであり、再開時における電圧の最大値が９．２Ｖであった。これにより、イオン交換性能を有する第２陰極を有する電解セルを用いることで、ミネラル成分の析出を充分に抑制できることが推察される。

サンプルＢを用いた場合、再開時における電圧の最大値が１６．５Ｖであり、サンプルＣを用いた場合、再開時における電圧の最大値は１６．２Ｖであった。一方、サンプルＡを用いた場合、再開時における電圧の最大値が８．６Ｖであり、サンプルＤを用いた場合、再開時における電圧の最大値は１１．３Ｖであった。すなわち、再開時における電圧の最大値は、サンプルＡおよびサンプルＤよりもサンプルＢおよびサンプルＣの方が大きかった。

この結果は、サンプルＢおよびサンプルＣがイオン交換補助剤としての１２タングスト６リン酸セシウム塩を含んでいないことに関連すると考えられる。
詳しくは、サンプルＢおよびサンプルＣにおいて電気分解の停止時にミネラル成分が析出したために再開時の電圧が高くなったものと推察される。言い換えると、サンプルＡおよびサンプルＤにおいては、１２タングスト６リン酸セシウム塩が、電気分解停止中におけるミネラル成分の析出が抑制する作用を有することが推察される。

サンプルＢを用いた場合、初回の安定時間が６分５２秒であり、サンプルＤを用いた場合、初回の安定時間が９分５０秒であった。一方、サンプルＡを用いた場合、および、サンプルＣを用いた場合のいずれにおいても、初回の安定時間がほぼ０秒であった。すなわち、初回の安定時間は、サンプルＢおよびサンプルＤよりも、サンプルＡおよびサンプルＣの方が短かった。

この結果は、親水性イオン交換樹脂としてのベラゾールと、半疎水性イオン交換樹脂としてのナフィオンとの給水性能の差に起因すると考えられる。詳しくは、ベラゾールの方がナフィオンよりも親水性が高いため、カーボン繊維にナフィオンがコーティングされたサンプルＢおよびサンプルＤでは、カーボン繊維にベラゾールがコーティングされたサンプルＡおよびサンプルＣよりも水がカーボン陰極の付近に進入しくい。そのため、サンプルＢおよびサンプルＤの安定時間よりも、サンプルＡおよびサンプルＣの安定時間が短くなったものと考えられる。
第１電解実験の結果によれば、コーティング部材としては、半疎水性イオン交換樹脂、親水性イオン交換樹脂、イオン交換補助剤および給水剤を全て含むコーティング部材を用いることが好ましいことが分かった。

＜第２電解実験＞
次に、第２電解実験について説明する。第２電解実験では、サンプルＡとサンプルＥとを比較した。
サンプルＥは、サンプルＡと比較して、ミネラル耐性が低いため、第１電解実験と同様の実験条件では、イオン交換膜およびカーボン陰極に多量のミネラル成分が付着し、電圧の測定が困難となる。
そのため、サンプルＡについては、第１電解実験の結果を用い、サンプルＥについては、第１電解実験とは異なる条件で耐久試験を行った。

サンプルＥの耐久試験の条件は、以下の通りである。詳しくは、実験開始から６時間までの間、オゾンの生成を１０秒間行った後、オゾンの生成を５秒間停止することを１サイクルとする小サイクルを繰り返した。実験開始から２４時間経過した後においては、小サイクルを１０回繰り返した後、オゾンの生成を３０分間停止させることを１サイクルとする大サイクルを繰り返した。サンプルＥの耐久試験では、ＴＤＳが３００ｐｐｍである水を使用した。

サンプルＥの耐久試験では、水温を２５℃以上３０℃以下で調整し、水の流量を１ｍＬ／秒以上１．２ｍＬ／秒以下に調整し、電流を１．２Ａ定電流とし、電圧を１８．０Ｖ以下とした。
オゾン濃度は、紫外線吸収法により、要所毎、および、６時間毎に測定した。電圧値を１秒毎に２４時間監視し、オゾン濃度測定時には水温計を用いて水温を測定した。

下記表２は、第２電解実験の結果を示すテーブルである。表２において、「初回」は、１回目の大サイクルを意味し、「再開時」は、２回目以降の大サイクルを意味する。表２の「電圧」は、電解セル中の電圧を意味し、電圧が低いほど、ミネラル成分の析出量が少なくオゾン水を多量に生成できることを意味する。表２の「安定時間」は、大サイクルの開始後、電圧が安定するまでに要した時間を意味し、安定時間が短いほど、水を安定して電気分解できることを意味する。

サンプルＥを用いた場合、再開時における電圧の最大値が１８．５Ｖであり、再開時における安定時間が６０秒間であった。一方、サンプルＡを用いた場合、再開時における電圧の最大値が８．６Ｖであり、再開時における安定時間がほぼ０秒であった。したがって、サンプルＥを用いた場合には、サンプルＡを用いた場合と比較して、再開時において多くのミネラル成分が析出したという結果が得られた。
第２電解実験の結果によれば、イオン交換性能を有しないカーボン陰極を備える電解セルは、イオン交換性能を有しないカーボン陰極を備える電解セルと比較して、ミネラル成分の析出を抑制できることが推察される。

＜その他の実施形態＞
この発明は、以上に説明した実施形態に限定されるものではなく、さらに他の形態で実施することができる。
たとえば、図１に示すオゾン水スプレー１は、オゾン水ＯＷを、シャワー状およびミスト状のいずれかの状態で散布できる構成である。しかしながら、図１に示すオゾン水スプレー１とは異なり、シャワー状およびミスト状のいずれかの状態のオゾン水ＯＷのみを散布でできるオゾン水スプレーであってもよい。
たとえば、図２および図３に示すカーボン陰極６０は、複数のシート部材６１によって構成される。しかしながら、カーボン陰極６０は、必ずしもシート部材６１によって構成される必要はなく、たとえば、単一のカーボン繊維のブロックによって構成されてもよい。

たとえば、図４に示すように、カーボン陰極６０において、陰極側部分６２と交換膜側部分６３とで異なるコーティング部材７０が塗布される。しかしながら、陰極側部分６２および交換膜側部分６３のいずれにも高親水性コーティング部材７２が塗布されてもよい。あるいは、陰極側部分６２および交換膜側部分６３のいずれにも低親水性コーティング部材７１が塗布されてもよい。

この明細書において、「〜」または「−」を用いて数値範囲を示した場合、特に限定されて言及されない限り、これらは両方の端点を含み、単位は共通する。
その他、特許請求の範囲に記載した範囲で種々の変更を行うことができる。

１ ：オゾン水スプレー（オゾン水散布装置）
３ ：貯留部
４ ：電解セル
５ ：送水部
６ ：散布部
１５ ：ハウジング
１５ａ ：水取入口
１５ｂ ：水排出口
３１ ：陽極
３２ ：イオン交換膜
３３ ：第１陰極
３４ ：第２陰極
６０ ：カーボン陰極
６１ ：シート部材
６２ ：陰極側部分
６３ ：交換膜側部分
７０ ：コーティング部材
７１ ：低親水性コーティング部材
７２ ：高親水性コーティング部材
ＯＷ ：オゾン水
ＲＷ ：原料水

Claims (7)

1. 原料水からオゾン水を生成する電解セルであって、
   原料水を取り入れる水取入口、および、オゾン水を排出する水排出口を有するハウジングと、
   前記ハウジング内に配置された陽極と、
   前記ハウジング内おいて前記陽極に隣接して配置されたイオン交換膜と、
   前記ハウジング内おいて前記イオン交換膜を挟んで前記陽極と反対側に配置される第１陰極と、
   前記イオン交換膜および前記第１陰極の間に配置され、イオン交換性能を有する第２陰極とを含み、
   前記第２陰極は、原料水中のミネラル成分を、イオンの状態で前記第２陰極の表面を伝わせて前記第１陰極側に移動させる、電解セル。
2. 前記第２陰極が、カーボン繊維からなるカーボン陰極と、イオン交換性能を有し、前記カーボン繊維を被覆するコーティング部材とを含む、請求項１に記載の電解セル。
3. 前記カーボン陰極が、前記第１陰極に隣接する陰極側部分と、前記イオン交換膜に隣接する交換膜側部分とを含み、
   前記コーティング部材が、前記陰極側部分において前記カーボン繊維を被覆する低親水性コーティング部材と、前記交換膜側部分において前記カーボン繊維を被覆し、前記低親水性コーティング部材よりも親水性が高い高親水性コーティング部材とを含む、請求項２に記載の電解セル。
4. 前記カーボン陰極が、複数のシート部材によって構成される、請求項２または３に記載の電解セル。
5. 前記カーボン陰極が、単一のカーボン繊維のブロックによって構成される、請求項２または３に記載の電解セル。
6. 前記第２陰極に印加される電圧が、前記第１陰極に印加される電圧よりも低い、請求項１〜５のいずれか一項に記載の電解セル。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の電解セルと、
   原料水を貯留する貯留部と、
   前記電解セルによって生成されたオゾン水を散布する散布部と、
   前記電解セルを介して、前記貯留部から前記散布部へ向けて送水する送水部とを含む、オゾン水散布装置。

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