JPH11302888A - Water electrolysis type ozonizer - Google Patents

Water electrolysis type ozonizer

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JPH11302888A
JPH11302888A JP10107559A JP10755998A JPH11302888A JP H11302888 A JPH11302888 A JP H11302888A JP 10107559 A JP10107559 A JP 10107559A JP 10755998 A JP10755998 A JP 10755998A JP H11302888 A JPH11302888 A JP H11302888A
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JP
Japan
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anode
water
cathode
hydrogen
ozone
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Pending
Application number
JP10107559A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Mitsuyuki Imaizumi
泉 三 之 今
Tokushige Yokomatsu
松 得 滋 横
Kenro Mitsuta
田 憲 朗 光
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Optec Dai Ichi Denko Co Ltd
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Optec Dai Ichi Denko Co Ltd
Mitsubishi Electric Corp
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Publication date
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  • Electrodes For Compound Or Non-Metal Manufacture (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To surely prevent a hydrogen gas produced on a cathode of a water electrolysis type ozonizer which electrolyzes water to produce ozone from diffusing through a solid polymer electrolytic membrane to reach an anode and to prevent the reduction of the anode metal and therefore, to prevent a decrease in the produced amt. of the ozone. produced. SOLUTION: A catalyst layer 9 is formed in a solid polymer electrolyte membrane 8 disposed between an anode 6 and a cathode 7. Water is electrolyzed on the anode 6 to produce an oxygen, ozone and hydrogen ion. The hydrogen ion reaches the cathode 7 to be changed into hydrogen which then, again diffuses through the solid polymer electrolytic membrane 8 toward the anode 6. In this process, since the oxygen and ozone diffusing from the anode 6 side react on the catalyst layer with the hydrogen diffusing from the cathode 7 side to produce water, the hydrogen produced on the cathode 7 does not reach the anode 6.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、水を原料とし、そ
の水を電気分解してオゾンを発生する水電解式オゾナイ
ザーに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a water electrolysis type ozonizer which uses water as a raw material and electrolyzes the water to generate ozone.

【0002】[0002]

【従来の技術】例えば、オゾンを水に溶かしたオゾン水
は、オゾンの強い酸化作用により、上下水道の水処理、
ホテル,病院の殺菌・脱臭、各種食品の殺菌・脱臭など
の目的に使用される。このオゾン水を製造する方法とし
ては、従来より、水電解式オゾナイザーを用いて水を電
気分解し、得られたオゾンを水中に溶かしてオゾン水と
する水電解法が知られている。
2. Description of the Related Art For example, ozone water obtained by dissolving ozone in water is subjected to water treatment of water supply and sewerage by strong oxidizing action of ozone.
It is used for sterilization and deodorization of hotels and hospitals, and sterilization and deodorization of various foods. As a method for producing this ozone water, a water electrolysis method in which water is electrolyzed using a water electrolysis ozonizer and the obtained ozone is dissolved in water to obtain ozone water is conventionally known.

【0003】 図4はこのような従来の水電解式オゾナ
イザーを用いたオゾン水製造装置を示し、反応容器21
が、その内部に配設された水電解式オゾナイザー22に
より、オゾン水生成室23と処理用空気供給室24に仕
切られている。このオゾナイザー22は、水を電気分解
して酸素やオゾンを発生する二酸化鉛からなる陽極25
と、陽極25で生成された水素イオンに水素に還元する
陰極26との間に、水素イオンを透過する水素イオン交
換膜となる固体高分子電解質膜27が挟持された構造と
なっている。
FIG. 4 shows an ozone water producing apparatus using such a conventional water electrolysis type ozonizer.
Is separated into an ozone water generation chamber 23 and a processing air supply chamber 24 by a water electrolysis type ozonizer 22 provided therein. The ozonizer 22 has an anode 25 made of lead dioxide that generates oxygen and ozone by electrolyzing water.
A solid polymer electrolyte membrane 27 serving as a hydrogen ion exchange membrane through which hydrogen ions pass is sandwiched between a hydrogen ion generated by the anode 25 and a cathode 26 that reduces the hydrogen ions to hydrogen.

【0004】 そして、図5に示すように、水電解式オ
ゾナイザー22の陽極25に面したオゾン水生成室23
に水(H2 O)を供給すると、陽極25では、 3H2 O → O3 +6H+ +6e- 2H2 O → O2 +4H+ +4e- の二つの反応が同時に進行して、オゾン(O3 )と酸素
(O2 )の混合気体が得られ、これが当該オゾン水生成
室23内の水(H2 O)に溶けてオゾン水が得られる。
As shown in FIG. 5, an ozone water generation chamber 23 facing an anode 25 of a water electrolysis type ozonizer 22 is provided.
In water the (H 2 O) to supply, at the anode 25, 3H 2 O → O 3 + 6H + + 6e - 2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e - two reaction proceeds simultaneously, ozone (O 3) A mixed gas of oxygen and oxygen (O 2 ) is obtained, and this is dissolved in the water (H 2 O) in the ozone water generation chamber 23 to obtain ozone water.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】このとき、副生成物と
して陽極25で生成された水素イオン(H+ )は、固体
高分子電解質膜27内を移動して陰極26に達し、陰極
26で電子を受け取り、 6H+ + 6e- → 3H2 (4H+ + 4e- → 2
2 ) の反応により、水素ガス(H2 )となる。そして、この
水素ガス(H2 )が、固体高分子電解質膜27中を拡散
して陽極25に到達し、 PbO2 +H2 → HPbO2 - +H+ →PbO+H2
O の反応により、陽極25の触媒電極である二酸化鉛(P
bO2 )を還元して触媒機能を低下させるため、長期間
使用していると、オゾンの発生量が減少してくるという
問題があった。この水素ガスの拡散による影響を少なく
するため、固体高分子電解質膜27の膜厚を厚くするこ
とが試みられている。しかし、固体高分子電解質膜27
の膜厚を厚くすると、電気抵抗が増大するため同じ電源
電圧では電流密度が低下してオゾンの発生量が少なくな
ってしまう。また、膜厚を厚くすることは、水素ガスの
拡散を防止するものではなく、水素ガスが拡散して陽極
25に到達するまでの時間を延ばすものに過ぎないの
で、やはりオゾンの発生量が低下してくるという問題を
解決することはできない。
At this time, hydrogen ions (H.sup. + ) Generated at the anode 25 as a by-product move in the solid polymer electrolyte membrane 27 to reach the cathode 26, where the hydrogen ions (H.sup. + ) receipt, 6H + + 6e - → 3H 2 (4H + + 4e - → 2
H 2 ) produces hydrogen gas (H 2 ). Then, the hydrogen gas (H 2 ) diffuses through the solid polymer electrolyte membrane 27 and reaches the anode 25, where PbO 2 + H 2 → HPbO 2 + H + → PbO + H 2
Due to the reaction of O 2, lead dioxide (P
Since the catalyst function is reduced by reducing bO 2 ), there has been a problem that the amount of generated ozone is reduced when used for a long time. Attempts have been made to increase the thickness of the solid polymer electrolyte membrane 27 in order to reduce the influence of the diffusion of hydrogen gas. However, the solid polymer electrolyte membrane 27
When the film thickness is increased, the electric resistance increases, so that the current density decreases at the same power supply voltage and the amount of generated ozone decreases. Also, increasing the film thickness does not prevent the diffusion of hydrogen gas, but merely extends the time until the hydrogen gas diffuses and reaches the anode 25, so that the amount of ozone generated also decreases. The problem of coming up cannot be solved.

【0006】 そこで本発明は、陰極で生成された水素
ガスが固体高分子電解質膜中に拡散して陽極に到達する
のを確実に阻止して陽極金属が還元されるのを防止し、
ひいては、オゾン発生量が低下しないようにすることを
技術的課題としている。
Accordingly, the present invention reliably prevents the hydrogen gas generated at the cathode from diffusing into the solid polymer electrolyte membrane and reaching the anode, thereby preventing the anode metal from being reduced,
Further, it is a technical problem to prevent the ozone generation amount from decreasing.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に、本発明は、原料となる水をオゾン,酸素及び水素イ
オンに電気分解する陽極と、陽極で生成された水素イオ
ンを水素に還元する陰極との間に、水素イオン交換膜と
なる固体高分子電解質膜が挟持された水電解式オゾナイ
ザーにおいて、前記固体高分子電解質膜内には、陽極側
から拡散してくる酸素やオゾンと陰極側から拡散してく
る水素とを反応させて水に変換する触媒層が形成された
ことを特徴とする。
In order to solve this problem, the present invention provides an anode for electrolyzing water as a raw material into ozone, oxygen and hydrogen ions, and a method for reducing hydrogen ions generated at the anode to hydrogen. In a water electrolysis type ozonizer in which a solid polymer electrolyte membrane serving as a hydrogen ion exchange membrane is sandwiched between a cathode and a cathode, oxygen and ozone diffused from the anode side and the cathode are contained in the solid polymer electrolyte membrane. The catalyst layer is characterized in that a catalyst layer that reacts with hydrogen diffused from the side and converts it into water is formed.

【0008】 本発明によれば、オゾン水生成室に供給
された水が陽極で、酸素とオゾンと水素イオンに電気分
解される。陽極で生成された水素イオンは固体高分子電
解質膜内を通り陰極へ移動し、陰極で電子を受け取って
水素ガスとなり、その一部が固体高分子電解質膜内を拡
散して陽極側へ向かって移動する。一方、陽極で生成さ
れた酸素やオゾンは、その一部が外部へ放出され、一部
は固体高分子電解質膜内を拡散して陰極側へ向かって移
動する。このとき、固体高分子電解質膜内には触媒層が
形成されており、陰極側から触媒層に達した水素と、陽
極側から触媒層に達した酸素やオゾンが反応して水が生
成されるので、陰極で生成された水素が陽極に達するこ
とを確実に阻止することができ、したがって、この水素
により二酸化鉛などの陽極金属が還元されることもな
く、オゾンの発生量が低下することもない。なお、触媒
層で発生した水は、固体高分子電解質膜の湿度勾配に従
って湿度の低い方へ移動する。
According to the present invention, water supplied to the ozone water generation chamber is electrolyzed to oxygen, ozone, and hydrogen ions at the anode. Hydrogen ions generated at the anode pass through the solid polymer electrolyte membrane to the cathode, receive electrons at the cathode and become hydrogen gas, and part of the hydrogen diffuses through the solid polymer electrolyte membrane toward the anode. Moving. On the other hand, part of the oxygen and ozone generated at the anode is released to the outside, and part of the oxygen and ozone diffuses in the solid polymer electrolyte membrane and moves toward the cathode. At this time, a catalyst layer is formed in the solid polymer electrolyte membrane, and hydrogen that reaches the catalyst layer from the cathode side and oxygen or ozone that reaches the catalyst layer from the anode side react with each other to generate water. Therefore, it is possible to reliably prevent the hydrogen generated at the cathode from reaching the anode, so that the hydrogen does not reduce the anode metal such as lead dioxide and the amount of generated ozone is reduced. Absent. The water generated in the catalyst layer moves to a lower humidity according to the humidity gradient of the polymer electrolyte membrane.

【0009】 固体高分子電解質膜内に形成された触媒
層は、水素と酸素の反応を促進する触媒が用いられ、例
えば、白金,パラジウム,ロジウム,ルテニウム及びイ
リジウムから選ばれた1種又は2種以上の金属層で形成
され、または、これらの金属を触媒担体に担持させて形
成されている。そして、この触媒層は、固体高分子電解
質膜中を拡散する水素ガス及び酸素ガスを可能な限り接
触して水を生成するために、これらのガスの拡散方向に
対して直角に配置されることが望ましい。具体的には、
片面側に触媒金属粒子を所定の厚さ塗布して触媒層を形
成した固体高分子電解質膜と、触媒層を形成していない
固体高分子電解質膜を、前記触媒層を挟んで重ねてホッ
トプレスすることにより一体化して形成したり、固体高
分子電解質膜の片面側に触媒金属粒子を所定の厚さ塗布
し、これを加熱融着させて触媒層を形成した後、当該触
媒層の上から固体高分子電解質溶液を所定の厚さ塗布
し、これを加熱融着させて形成してもよい。
The catalyst layer formed in the solid polymer electrolyte membrane uses a catalyst that promotes the reaction between hydrogen and oxygen. For example, one or two selected from platinum, palladium, rhodium, ruthenium and iridium are used. It is formed of the above-mentioned metal layers, or formed by supporting these metals on a catalyst carrier. The catalyst layer is arranged at right angles to the diffusion direction of these gases in order to generate water by contacting hydrogen gas and oxygen gas diffusing in the solid polymer electrolyte membrane as much as possible. Is desirable. In particular,
A solid polymer electrolyte membrane having a catalyst layer formed by applying catalyst metal particles to a predetermined thickness on one side and a solid polymer electrolyte membrane having no catalyst layer are stacked with the catalyst layer interposed therebetween and hot-pressed. After forming a catalyst layer by applying a predetermined thickness to one side of the solid polymer electrolyte membrane, applying heat and fusing it to form a catalyst layer, The solid polymer electrolyte solution may be formed by applying a predetermined thickness and heating and fusing it.

【0010】 また、陽極としては、例えば、触媒電極
として二酸化鉛が用いられる。この二酸化鉛には、α−
二酸化鉛とβ−二酸化鉛があり、β−二酸化鉛の方が活
性が高いためオゾン発生能力に優れているが、これに限
るものではない。この陽極は、例えば、ナフィオン(デ
ュポン社の商品名)溶液に二酸化鉛の粉末を混合させた
ものを固体高分子電解質膜に直接塗布乾燥させて形成し
たり、白金メッキしたチタンメッシュに二酸化鉛を電着
または塗布して形成することができる。
As the anode, for example, lead dioxide is used as a catalyst electrode. This lead dioxide contains α-
There are lead dioxide and β-lead dioxide, and β-lead dioxide has higher ozone generation ability due to higher activity, but is not limited thereto. The anode is formed, for example, by directly applying a powder of lead dioxide to a Nafion (trade name of DuPont) solution onto a solid polymer electrolyte membrane and drying it, or forming lead dioxide on a platinum-plated titanium mesh. It can be formed by electrodeposition or coating.

【0011】 さらに、固体高分子電解質膜には、スル
フォン酸基を有するフッ素系樹脂であるナフィオン(デ
ュポン社の商品名),フレミオン(旭硝子社の商品
名),アシプレックス(旭化成社の商品名),ゴアセレ
クト(ジャパンゴアテックス社の商品名)などを用いる
ことができる。さらにまた、陰極としては、白金黒,白
金微粒子などをカーボン粒子担体の表面に担持させた触
媒を多孔質カーボンシートなどの導電性基材に塗布させ
た触媒電極を使用できる。
Further, the solid polymer electrolyte membrane includes Nafion (trade name of DuPont), Flemion (trade name of Asahi Glass Co., Ltd.), and Aciplex (trade name of Asahi Kasei Co., Ltd.), which are fluororesins having sulfonic acid groups. , Gore Select (trade name of Japan Gore-Tex Corporation) and the like can be used. Still further, as the cathode, a catalyst electrode in which a catalyst in which platinum black, platinum fine particles and the like are supported on the surface of a carbon particle carrier is applied to a conductive substrate such as a porous carbon sheet can be used.

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて具体的に説明する。図1は本発明に係る水電
解式オゾナイザーを利用したオゾン水製造装置を示す説
明図、図2は水電解式オゾナイザーの分解組立図、図3
は水電解式オゾナイザー内の化学変化を示す説明図であ
る。
Embodiments of the present invention will be specifically described below with reference to the drawings. FIG. 1 is an explanatory view showing an ozone water producing apparatus using a water electrolysis ozonizer according to the present invention, FIG. 2 is an exploded view of the water electrolysis ozonizer, FIG.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a chemical change in a water electrolysis type ozonizer.

【0013】 図1に示すオゾン水製造装置1は、反応
容器2内が水電解式オゾナイザー3を介して、水が供給
されるオゾン水生成室4と、外気が導入される処理空気
供給室5との二つの部屋に仕切られ、オゾン水生成室4
には水の流入口4inと流出口4out が形成され、処理空
気供給室5には外気を導入する外気導入口5inと供給室
5内の空気を排出する排気口5out が形成されている。
The ozone water production apparatus 1 shown in FIG. 1 has an ozone water generation chamber 4 into which water is supplied through a water electrolysis type ozonizer 3 and a processing air supply chamber 5 into which outside air is introduced, via a water electrolysis type ozonizer 3. And ozone water generation room 4
The processing air supply chamber 5 is provided with an outside air inlet 5in for introducing outside air and an exhaust port 5out for discharging air from the supply chamber 5.

【0014】 水電解式オゾナイザー3は、オゾン水生
成室4に供給された水を酸素,オゾン及び水素イオンに
電気分解する陽極6と、当該陽極6で生成された水素イ
オンを水素に還元する陰極7との間に、水素イオン交換
膜となる陽極イオン選択透過性の固体高分子電解質膜8
を挟持して形成され、当該固体高分子電解質膜8内に
は、陽極6側から拡散してくる酸素と陰極7側から拡散
している水素とを反応させて水に変換する触媒層9が形
成されている。
The water electrolysis type ozonizer 3 includes an anode 6 for electrolyzing water supplied to the ozone water generation chamber 4 into oxygen, ozone and hydrogen ions, and a cathode for reducing hydrogen ions generated by the anode 6 to hydrogen. 7, a solid polymer electrolyte membrane having an anode ion-selective permeability, which serves as a hydrogen ion exchange membrane.
And a catalyst layer 9 for converting oxygen diffused from the anode 6 side and hydrogen diffused from the cathode 7 side into water in the solid polymer electrolyte membrane 8. Is formed.

【0015】 陽極6は、固体高分子電解質膜8の表面
に形成された触媒電極6aと、当該触媒電極6aに正の
直流電圧を印加する集電極6bからなる。触媒電極6a
は、α−二酸化鉛を重量比でその2倍の5%ナフィオン
(デュポン社の商品名)水溶液に混合し、これを固体高
分子電解質膜8を構成する厚さ50μmのナフィオン膜
8Aの片面に塗布乾燥させて、α−二酸化鉛が単位面積
当たり4mg/cm2 となるように形成した。なお、集
電極6bは、厚さ50μmのチタンメッシュシートに厚
さ1μmの白金を電気メッキしてシート状に形成されて
いる。
The anode 6 includes a catalyst electrode 6a formed on the surface of the polymer electrolyte membrane 8, and a collector electrode 6b for applying a positive DC voltage to the catalyst electrode 6a. Catalyst electrode 6a
Is mixed with an aqueous solution of 5% Nafion (trade name of DuPont) at twice the weight ratio of α-lead dioxide, and the mixture is applied to one surface of a 50 μm thick Nafion membrane 8A constituting the solid polymer electrolyte membrane 8. It was applied and dried to form α-lead dioxide at a concentration of 4 mg / cm 2 per unit area. Note that the collector electrode 6b is formed in a sheet shape by electroplating 1 μm thick platinum on a 50 μm thick titanium mesh sheet.

【0016】 固体高分子電解質膜8を構成する厚さ5
0μmのもう一つのナフィオン膜8Bの片面には、白金
を30%担持した白金担持カーボン触媒を重量比でその
2倍の5%ナフィオン(デュポン社の商品名)水溶液に
混合したものを塗布乾燥させて、白金担持量が 0.3mg
/cm2 となるように触媒層9が形成されている。
The thickness 5 constituting the solid polymer electrolyte membrane 8
On one surface of another Nafion membrane 8B having a thickness of 0 μm, a mixture of a platinum-supported carbon catalyst carrying 30% of platinum in a 5% aqueous solution of Nafion (trade name of DuPont) twice as much as the weight ratio was applied and dried. The platinum loading amount is 0.3mg
/ Cm 2 , the catalyst layer 9 is formed.

【0017】 陰極7は、テフロン(商品名)ディスパ
ージョン30%水溶液を3倍に希釈した溶液中に、厚さ
0.3 mmの多孔質カーボンシートからなる多孔質導電性
基材7aを浸漬し、350℃加熱により融着して撥水処
理を施す。次いで、白金を30%担持させたカーボンの
触媒粒子と、少量のテフロンディスパージョン,増粘剤
及びイソプロピルアルコールなどを混合した触媒ペース
トを前記導電性基材の片面又は両面にスクリーン印刷な
どで塗布乾燥した後、350℃で加熱融着させて触媒層
7b,7bを形成した触媒電極とし、さらにナフィオン
5%水溶液を含浸させ乾燥させた後、130℃で加熱融
着して集電極を兼ねる電極とした。
The cathode 7 has a thickness of 30% in a solution obtained by diluting a 30% aqueous solution of Teflon (trade name) dispersion.
A porous conductive base material 7a made of a 0.3 mm porous carbon sheet is immersed and fused by heating at 350 ° C. to perform a water-repellent treatment. Next, a catalyst paste containing a mixture of carbon catalyst particles carrying 30% of platinum and a small amount of Teflon dispersion, a thickener, isopropyl alcohol, etc. is applied to one or both surfaces of the conductive substrate by screen printing or the like and dried. After that, the resultant was heated and fused at 350 ° C. to form a catalyst electrode having the catalyst layers 7b and 7b formed thereon, and further impregnated with a 5% Nafion aqueous solution and dried. did.

【0018】 そして、陽極6の集電極6b,片面に陽
極6を構成する触媒電極6aを形成したナフィオン膜8
A,片面に触媒層9を形成したナフィオン膜8B,陰極
7を積層して、160℃,50kg/cm2 の圧力で2
分間ホットプレスすることにより、水電解式オゾナイザ
ー3を形成した。なお、10は陽極6及び陰極7間に所
定の直流電圧を供給する直流電源装置である。
A Nafion film 8 having a collector electrode 6 b of the anode 6 and a catalyst electrode 6 a constituting the anode 6 on one side is formed.
A, and Nafion membrane 8B forming the catalyst layer 9 on one side, a cathode 7 are stacked, 160 ° C., 2 at a pressure of 50 kg / cm 2
By hot pressing for minutes, a water electrolysis type ozonizer 3 was formed. Reference numeral 10 denotes a DC power supply that supplies a predetermined DC voltage between the anode 6 and the cathode 7.

【0019】 以上が本発明の一例構成であって、次に
その作用を説明する。図3は水電解式オゾナイザー3内
の化学変化を模式的に示す説明図であって、陽極6及び
陰極7間に所定電圧を印加して、原料となる水をオゾン
水生成室4に供給すると、陽極6では、水(H2 O)
が、酸素(O2 )とオゾン(O3 )と水素イオン
(H+ )に電気分解される。そして、電気分解により発
生した酸素(O2 )とオゾン(O3 )の一部はオゾン水
生成室4に放出され、当該生成室4内の水に溶けてオゾ
ン水が生成され、残部は固体高分子電解質膜8内を陰極
7に向かって拡散していく。
The above is an example of the configuration of the present invention, and its operation will be described below. FIG. 3 is an explanatory view schematically showing a chemical change in the water electrolysis type ozonizer 3. When a predetermined voltage is applied between the anode 6 and the cathode 7, water as a raw material is supplied to the ozone water generation chamber 4. In the anode 6, water (H 2 O)
Is electrolyzed into oxygen (O 2 ), ozone (O 3 ), and hydrogen ions (H + ). Then, part of the oxygen (O 2 ) and ozone (O 3 ) generated by the electrolysis is released to the ozone water generation chamber 4, dissolved in the water in the generation chamber 4 to generate ozone water, and the rest is solid It diffuses in the polymer electrolyte membrane 8 toward the cathode 7.

【0020】 一方、陽極6で発生した水素イオン(H
+ )は、固体高分子電解質膜8内を通り、触媒層9を通
過して、陰極7に達したところで、電子を受け取り、こ
れが二つ結合して、水素ガス(H2 )となる。そして、
この水素(H2 )の一部は、陰極7に担持された触媒の
作用により外気に含まれる酸素(O2 )により酸化され
て、水蒸気(H2 O)となって外部に放出されると共
に、酸化しきれなかった水素(H2 )は、固体高分子電
解質膜8内を陽極6へ向かって拡散していく。
On the other hand, hydrogen ions (H
+ ) Passes through the solid polymer electrolyte membrane 8, passes through the catalyst layer 9, and reaches the cathode 7, receives electrons, and combines them into hydrogen gas (H 2 ). And
Part of the hydrogen (H 2 ) is oxidized by oxygen (O 2 ) contained in the outside air by the action of the catalyst supported on the cathode 7, and is released to the outside as water vapor (H 2 O). The hydrogen (H 2 ) that has not been completely oxidized diffuses in the solid polymer electrolyte membrane 8 toward the anode 6.

【0021】 そして、固体高分子電解質膜8内に形成
された触媒層9では、陽極6側から拡散してくる酸素
(O2 )やオゾン(O3 )と、陰極7側から拡散してく
る水素(H2 )が反応して水(H2 O)に変化し、固体
高分子電解質膜8内を湿度の低い方へ向かって移動す
る。例えば、固体高分子電解質膜8の陰極7側のナフィ
オン膜8Bの方が湿度が低い場合は、水蒸気(H2 O)
は陰極7側に移動し、処理空気供給室5に放出される。
In the catalyst layer 9 formed in the solid polymer electrolyte membrane 8, oxygen (O 2 ) and ozone (O 3 ) diffuse from the anode 6 side, and diffuse from the cathode 7 side. Hydrogen (H 2 ) reacts and changes to water (H 2 O), and moves inside the solid polymer electrolyte membrane 8 toward a lower humidity. For example, when the humidity of the Nafion membrane 8B on the cathode 7 side of the solid polymer electrolyte membrane 8 is lower, water vapor (H 2 O)
Moves to the cathode 7 side and is discharged to the processing air supply chamber 5.

【0022】 本例では、陽極6及び陰極7間に直流電
圧3Vを印加したところ、0.1 mg/hr/cm2 のオ
ゾンの発生が確認された。また、有効膜面積6cm2
本発明に係る水電解式オゾナイザーを、容積が40リッ
トルのステンレス製の反応容器2の中に配置し、室温で
連続駆動したところ、容器内のオゾン濃度は駆動初期で
40ppmを示し、12000時間経過後してもオゾン
濃度はほとんど低下しなかった。
In this example, when a DC voltage of 3 V was applied between the anode 6 and the cathode 7, generation of 0.1 mg / hr / cm 2 of ozone was confirmed. Further, the water electrolysis type ozonizer according to the present invention having an effective membrane area of 6 cm 2 was placed in a stainless steel reaction vessel 2 having a volume of 40 liters, and was continuously driven at room temperature. And the ozone concentration hardly decreased even after 12,000 hours had passed.

【0023】 なお、陽極6は、α−二酸化鉛に限ら
ず、β−二酸化鉛を用いてもよいことはもちろんであ
る。また、触媒層9は、白金を用いる場合に限らず、白
金,パラジウム,ロジウム,ルテニウム及びイリジウム
のうち1種又は2種以上の金属を用いて形成するもので
あってもよい。さらに、陰極7を触媒電極に形成すれ
ば、陰極7で生成された水素が、すぐに酸化されて水と
なるので、処理空気供給室5に水素が放出されることが
ない。したがって、爆発の危険のある水素と空気の混合
気体が発生せず、別途水素処理装置を設ける必要もな
い。
The anode 6 is not limited to α-lead dioxide, but may be β-lead dioxide. Further, the catalyst layer 9 is not limited to the case of using platinum, and may be formed by using one or more metals among platinum, palladium, rhodium, ruthenium, and iridium. Furthermore, if the cathode 7 is formed on the catalyst electrode, the hydrogen generated at the cathode 7 is immediately oxidized to water, so that no hydrogen is released into the processing air supply chamber 5. Therefore, a gas mixture of hydrogen and air which may cause an explosion is not generated, and there is no need to provide a separate hydrogen treatment device.

【0024】[0024]

【比較例】なお、図4に示すように、陽極25と陰極2
6の間に厚さ100μmの固体高分子電解質膜27を挟
持させ、当該固体高分子電解質膜27内に触媒層を形成
せしていない従来の水電解式オゾナイザー22でオゾン
を生成したところ、駆動初期ではオゾンの発生量及び反
応容器21内のオゾン濃度は、図1に示す本発明に係る
水電解式オゾナイザー3と同様であったが、室温で連続
駆動した場合に、4000時間経過後のオゾン濃度は初
期濃度の1/2以下に低下した。これにより、本発明の
水電解式オゾナイザー3が従来のオゾナイザー22に比
して十分に寿命が長いことがわかる。
COMPARATIVE EXAMPLE As shown in FIG.
6, a 100 μm-thick solid polymer electrolyte membrane 27 was sandwiched therebetween, and ozone was generated by a conventional water electrolysis type ozonizer 22 having no catalyst layer formed in the solid polymer electrolyte membrane 27. Initially, the amount of generated ozone and the ozone concentration in the reaction vessel 21 were the same as those of the water electrolysis ozonizer 3 according to the present invention shown in FIG. 1, but when continuously driven at room temperature, the ozone after 4000 hours had passed. The concentration dropped to less than half of the initial concentration. This indicates that the water electrolysis ozonizer 3 of the present invention has a sufficiently longer life than the conventional ozonizer 22.

【0025】[0025]

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、固
体高分子電解質膜中に、陰極から拡散してきた水素と、
陽極から拡散してきた酸素やオゾンを反応させて水に変
化させる触媒層が形成されており、陰極で生成された水
素は触媒層で水に変化し、そのまま陽極に達することが
ないので、陽極金属が水素により還元されることがな
く、したがって、長期間連続運転してもオゾン発生量を
駆動初期の状態に維持することができるという大変優れ
た効果を有する。
As described above, according to the present invention, the hydrogen diffused from the cathode into the solid polymer electrolyte membrane,
A catalyst layer is formed that reacts oxygen and ozone diffused from the anode into water by reacting it.Hydrogen generated at the cathode changes into water at the catalyst layer and does not reach the anode as it is. Is not reduced by hydrogen, and therefore has an excellent effect that the amount of generated ozone can be maintained in the initial drive state even when the apparatus is continuously operated for a long time.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の水電解式オゾナイザーを用いたオゾン
水製造装置を示す図。
FIG. 1 is a diagram showing an ozone water producing apparatus using a water electrolysis type ozonizer of the present invention.

【図2】水電解式オゾナイザーの分解組立図。FIG. 2 is an exploded view of the water electrolysis type ozonizer.

【図3】水電解式オゾナイザー内での化学変化を示す模
式図。
FIG. 3 is a schematic diagram showing a chemical change in a water electrolysis type ozonizer.

【図4】従来の水電解式オゾナイザーを示す説明図。FIG. 4 is an explanatory view showing a conventional water electrolysis ozonizer.

【図5】従来の水電解式オゾナイザー内での化学変化を
示す模式図。
FIG. 5 is a schematic diagram showing a chemical change in a conventional water electrolysis ozonizer.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1・・・オゾン水製造装置 3・・・水電解式オゾナイザー 6・・・陽極 6a・・触媒電極 6b・・集電極 7・・・陰極 7a・・多孔質導電性基材 7b・・触媒層 8・・・固体高分子電解質膜 9・・・触媒層 10・・・直流電源装置 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Ozone water production apparatus 3 ... Water electrolysis-type ozonizer 6 ... Anode 6a ... Catalyst electrode 6b ... Collector electrode 7 ... Cathode 7a ... Porous conductive base material 7b ... Catalyst layer 8 solid polymer electrolyte membrane 9 catalyst layer 10 DC power supply

フロントページの続き (72)発明者 今 泉 三 之 静岡県小笠郡大東町浜川新田1933−1 株 式会社オプテックディディ・メルコ・ラボ ラトリー内 (72)発明者 横 松 得 滋 静岡県小笠郡大東町浜川新田1933−1 株 式会社オプテックディディ・メルコ・ラボ ラトリー内 (72)発明者 光 田 憲 朗 東京都千代田区丸の内二丁目2番3号 三 菱電機株式会社内Continued on the front page (72) Inventor Miyuki Imaizumi 193-1-1, Hamakawashinda, Oto-cho, Ogasa-gun, Shizuoka Prefecture Inside of Optic Didi Melco Laboratory Co., Ltd. (72) Inventor Tokushi Yokomatsu Ogasa-gun, Shizuoka Prefecture 193-1 Higashicho Hamakawa Nitta Inside Optec Didi Melco Laboratory Co., Ltd. (72) Inventor Kenro Mitsuda 2-3-2 Marunouchi, Chiyoda-ku, Tokyo Mitsubishi Electric Corporation

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 原料となる水をオゾン,酸素及び水素イ
オンに電気分解する陽極(6)と、陽極(6)で生成さ
れた水素イオンを水素に還元する陰極(7)との間に、
水素イオン交換膜となる固体高分子電解質膜(8)が挟
持された水電解式オゾナイザーにおいて、前記固体高分
子電解質膜(8)内には、陽極(6)側から拡散してく
る酸素やオゾンと陰極(7)側から拡散してくる水素と
を反応させて水に変換する触媒層(9)が形成されたこ
とを特徴とする水電解式オゾナイザー。
An anode (6) for electrolyzing water as a raw material into ozone, oxygen and hydrogen ions, and a cathode (7) for reducing hydrogen ions generated at the anode (6) to hydrogen.
In a water electrolysis type ozonizer in which a solid polymer electrolyte membrane (8) serving as a hydrogen ion exchange membrane is sandwiched, oxygen and ozone diffused from the anode (6) side are provided in the solid polymer electrolyte membrane (8). A water electrolysis type ozonizer, comprising: a catalyst layer (9) for converting water diffused from the cathode (7) side into hydrogen by reacting the same with water.
【請求項2】 前記陽極(6)が、α−二酸化鉛または
β−二酸化鉛で形成された触媒電極(6a)を備えてなる
請求項1記載の水電解式オゾナイザー。
2. A water electrolysis ozonizer according to claim 1, wherein said anode (6) comprises a catalyst electrode (6a) formed of α-lead dioxide or β-lead dioxide.
【請求項3】 前記固体高分子電解質膜(8)が、スル
フォン酸基を有するフッ素系樹脂で形成され、前記触媒
層(9)が、白金,パラジウム,ロジウム,ルテニウム
及びイリジウムのうち1種又は2種以上の金属層で形成
され、または、これらの金属を触媒担体に担持させて形
成されてなる請求項1記載の水電解式オゾナイザー。
3. The solid polymer electrolyte membrane (8) is formed of a fluororesin having a sulfonic acid group, and the catalyst layer (9) is formed of one or more of platinum, palladium, rhodium, ruthenium and iridium. 2. The water electrolysis ozonizer according to claim 1, wherein the water electrolysis ozonizer is formed of two or more metal layers, or formed by supporting these metals on a catalyst carrier.
【請求項4】 前記陰極(7)が、多孔質導電性基材
(7a)に白金,パラジウム,ロジウム,ルテニウム及び
イリジウムから選ばれた1種又は2種以上の金属を含む
触媒層(7b)が形成されてなる請求項1記載の水電解式
オゾナイザー。
4. The catalyst layer (7b), wherein the cathode (7) comprises a porous conductive substrate (7a) containing one or more metals selected from platinum, palladium, rhodium, ruthenium and iridium. The water electrolysis ozonizer according to claim 1, wherein
【請求項5】 前記陰極(7)を構成する前記多孔質導
電性基材が、炭素繊維又は粒状黒鉛の焼結体からなるシ
ート状,フェルト状又はクロス状の成形体である請求項
4記載の水電解式オゾナイザー。
5. The sheet, felt or cloth formed of a sintered body of carbon fiber or granular graphite, wherein the porous conductive substrate constituting the cathode (7) is formed. Water electrolysis ozonizer.
【請求項6】 前記陽極(6)及び陰極(7)が、所定
の電源電圧を供給する直流電源装置(10)に接続されて
なる請求項1記載の水電解式オゾナイザー。
6. The water electrolysis ozonizer according to claim 1, wherein the anode (6) and the cathode (7) are connected to a DC power supply (10) for supplying a predetermined power supply voltage.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014198310A (en) * 2013-03-29 2014-10-23 国立大学法人福井大学 Compact electrolytic water generator
CN115925057A (en) * 2022-12-22 2023-04-07 广东省科学院资源利用与稀土开发研究所 Electrolytic device for efficiently removing COD (chemical oxygen demand) in organic wastewater

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