JP3240981B2

JP3240981B2 - 電解式オゾン発生器

Info

Publication number: JP3240981B2
Application number: JP33565997A
Authority: JP
Inventors: 憲朗光田; 秀雄前田; 久敏福本; 康司畠中; 毅相沢; 誠反町; 哲也阿部
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1997-12-05
Filing date: 1997-12-05
Publication date: 2001-12-25
Anticipated expiration: 2017-12-05
Also published as: JPH11171504A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、空気や水の脱臭、
防カビ、滅菌、殺菌処理などを目的として使用されるオ
ゾンを発生させる電解式オゾン発生器に関する。

【０００２】

【従来の技術】水電解式のオゾナイザーの基本的な構造
・原理は、１９７０年代後半に、開発されたもので、米
国特許４，３１６，７８２号（１９８２）や米国特許
４，５４１，９８９号（１９８５）明細書には、固体高
分子電解質膜（Ｎａｆｉｏｎ：デュポン社）やＨＢＦ₄
溶液を電解質として用い、陽極に二酸化鉛（ＰｂＯ₂）
や白金電極を用いて、水を供給して酸素と共にオゾンを
発生させ、陰極にガス拡散電極を用いて、水素を発生さ
せるかもしくは空気を供給して水を発生させるという基
本的な水電解式オゾナイザーの構成が記載されている。

【０００３】また、特開平５−１０９４１８号公報で
は、陰極側に空気、陽極側に水を供給してオゾンを発生
させるセル構成が示されている。さらに、特開平３−２
７１３８５号公報では、複数の電解槽を積層し、陽極お
よび陰極に水を循環させて、陽極からオゾンを発生させ
る構造が記載されている。

【０００４】図１０は従来の代表的な水電解式オゾナイ
ザーの構成を示すフロー図である。図において、６１は
水電解式オゾナイザーの陽極、６２は陽極側プレート、
６３は陽極水流路、６４は水電解式オゾナイザーの陰
極、６５は陰極側プレート、６６は陰極水流路、６７は
電解質膜である。なお、これら水電解式オゾナイザーの
陽極６１、陽極側プレート６２、陽極水流路６３、水電
解式オゾナイザーの陰極６４、陰極側プレート６５、陰
極水流路６６、電解質膜６７は構造をわかりやすくする
ため、水の流通方向における断面での断面図で示してい
る。

【０００５】６８は水循環ポンプ、６９は脱イオンフィ
ルター、７０は陽極水排出ポンプ、７１は陰極水排出ポ
ンプ、７２は陽極水出口配管、７３はオゾンを含む酸素
の排出配管、７４は気液分離用陽極水タンク、７５は陰
極水出口配管、７６は水素排出配管、７７は水素の触媒
燃焼器、７８は排気管、７９は気液分離用陰極水タン
ク、８０は水循環配管、８１は陽極への水供給配管、８
２は陰極への水供給配管、８３は水貯蔵タンク、８３ａ
は外部から水貯蔵タンク８３に水を供給する水供給配
管、８４は外部直流電源、８５は通電板である。

【０００６】水電解式オゾナイザーの陽極６１には、例
えば白金メッキしたチタンメッシュに二酸化鉛を電着さ
せたものが用いられ、電解質膜６７には、ナフィオン
（デュポン社）が、また水電解式オゾナイザーの陰極６
４には、チタンメッシュまたはカーボンペーパーに白金
微粒子粉末または白金微粒子を担持したカーボン粉末を
塗布したものなどが一般的に用いられている。

【０００７】水電解式オゾナイザーでは、陽極６１及び
陰極６４に水が直接供給され、数Ｖの直流電圧が印加さ
れて、陽極側でオゾンや酸素が発生し、陰極側で水素が
生じる。従って、陽極水出口７２には酸素とオゾンを含
む水が排出され、気液分離用タンク７４で酸素及びオゾ
ンが気体として分離され、オゾン処理に用いられる。

【０００８】一方、陰極水出口７５には水素を含む水が
排出され、気液分離用タンク７９で水素が気体として分
離され、触媒燃焼器７７で空気によって酸化され排出さ
れる。触媒燃焼器７７ではアルミナ担体に白金粒子を担
持させた酸化触媒などを用いて、空気の存在下で低温で
接触酸化させ、水に変換される。このように水素分離塔
を設け、気液混合物を循環させて水素を分離する方法は
特開平４−１１９９０３号公報などに記載されている。

【０００９】酸素やオゾンを分離した水はポンプ７０を
用いて水貯蔵タンク８３に移動される。同様に水素を分
離した水はポンプ７１を用いて水貯蔵タンク８３に移動
される。水電解によって、水が定常的に消費されるの
で、外部から水供給口８３ａを用いて水を補給する。

【００１０】また、水循環ポンプ６８で循環している水
は、配管などからのイオンの混入があるため、脱イオン
フィルター６９を用いてイオンを取り除く必要がある。
これは、イオンが混入すると、電解質膜６７のイオン伝
導抵抗を高めたり、陽極６１や陰極６４の反応を阻害し
てオゾン発生性能を著しく低下させる恐れがあるためで
ある。外部から水を補給する場合も、例えば水道水では
カルシウムなどのイオンが多く含まれるので、脱イオン
フィルター６９で除去しておく必要がある。また、脱イ
オンフィルター６９は定常的にイオンが蓄積してイオン
交換能力が低下するので、定期的に交換する必要があ
る。

【００１１】一方、このような水電解式オゾナイザーで
は、陽極及び陰極に水を直接循環することにより、水電
解によって発生する熱を容易に除去することができる。
また、陽極で発生するガスが酸素とオゾンだけで占めら
れており、空気中の窒素などが含まれていないので、オ
ゾンの発生効率を高く保つことができ、また高濃度のオ
ゾンを得ることができる。

【００１２】しかし、陽極側がほとんど純酸素に近い雰
囲気に置かれるので、酸素特有の危険性、例えば油のよ
うなものが存在すればすぐに燃えてしまうなどの危険性
が潜在的にある。また、陰極側からは大量の水素が発生
し水素が滞留する空間が多いので、水素爆発に対する対
策など、安全に対する万全の設備が必要である。このた
め、水電解式オゾナイザーでは、装置が複雑になる欠点
があった。

【００１３】また、発生水素の処理方法としては、上記
説明した他に、陰極で発生した水素を外部短絡した燃料
電池の燃料極側に導き、空気極側には空気を送って、電
気化学反応によって水素を酸化処理する方法が特開平２
−１０１１８４号公報に記載されている。しかし、この
ような方法を用いても、やはり純水素が常に大量に発生
し、水素が滞留する空間も存在するので安全性の問題が
存在していた。

【００１４】水電解式オゾナイザーの用途としては、オ
ゾンの酸化力を利用した水処理や空気処理が主で、殺
菌、脱臭、防カビなどが使用目的になっている。従っ
て、オゾン処理を行う水や空気に、オゾン発生器で発生
させたオゾンを溶解あるいは混合する方法がとられてい
る。このときのオゾン処理で必要なオゾン濃度は、水、
空気いずれの場合もせいぜい１００ｐｐｍのオーダーで
あり、かなり希薄な濃度のオゾンを必要としている。し
かし、陽極から発生する気体は酸素とオゾンの混合物で
あり、オゾンの濃度も数パーセントと高いものである。

【００１５】一方、オゾン処理を行う水や空気には、油
やアルコールなどの可燃物や有機物が含まれている可能
性がある。純酸素は極めて支燃性が高く、また高濃度の
オゾンは爆発の恐れがあるので、オゾン処理を行う水や
空気に対して細心の注意をもって混合させる必要があっ
た。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】従来の電解式オゾナイ
ザーは、以上のように水が直接陽極や陰極に供給される
ような構成にされているので、水の純度を常に高く保
ち、補給水についても脱イオンフィルターであらかじめ
イオンを取り除いておく必要があった。また、純酸素及
び純水素が大量に発生し滞留する空間が存在し、安全上
の問題点があった。さらに、高濃度の酸素とオゾンの混
合物をオゾン処理を行う水や空気に対して混合する場合
に、安全上の問題点があった。

【００１７】

【００１８】本発明は、上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、直接水を陽極や陰極に供給する
のではなく、加湿した空気を陽極や陰極に供給すること
により、水の純度を高く保つ必要のない電解式オゾン発
生器を提供することを目的とする。また、純酸素及び純
水素が滞留する空間をなくし、安全性の高い電解式オゾ
ン発生器を提供することを目的とする。さらにまた、純
酸素や高濃度オゾンとオゾン処理を行う水や空気とを混
合する際の安全性の危険性をなくすために、できるだけ
空気と同じ酸素濃度で比較的低濃度のオゾンを発生する
電解式オゾン発生器を提供することを目的とする。

【００１９】

【００２０】

【課題を解決するための手段】本発明に係る電解式オゾ
ン発生器は、電解質膜を挟んで互いに対向するように設
けられた陽極及び陰極からなる一対の電極と、陽極に加
湿空気を供給する第１の加湿空気供給手段と、陰極に加
湿空気を供給する第２の加湿空気供給手段と、陽極及び
陰極間に電圧を印加する電圧印加手段とを備え、電極間
の電圧印加により電極に供給される加湿空気中の水分を
電気分解させるものである。

【００２１】また、陽極近傍に設けられ第１の加湿空気
供給手段により加湿空気が供給される第１の加湿空気流
通路と、陰極近傍に設けられ第２の加湿空気供給手段に
より加湿空気が供給される第２の加湿空気流通路とを備
えている。

【００２２】さらに、第１の加湿空気流通路の加湿空気
流出口と第２の加湿空気流通路の加湿空気流出口とに結
合された出口排管を備えている。

【００２３】また、空気を加湿させて加湿空気を生成す
る加湿空気生成手段を設け、加湿空気生成手段によって
生成された加湿空気を加湿空気供給手段によって加湿空
気流通路に供給する。

【００２４】また、加湿空気流通路近傍に水を流す流水
通路を設けている。さらに、加湿空気生成手段は、流水
通路を流れる水を利用して加湿空気を生成する。さらに
また、流水通路と接するように透水性の膜を設け、透水
性の膜を透過する水により空気を加湿する。

【００２５】また、第１の加湿空気流通路は、分岐のな
い流路である。さらに、第１の加湿空気流通路は、蛇腹
型流路である。

【００２６】また、複数の積層された電解式オゾン発生
器と、電解式オゾン発生器間に設けられた冷却器とを備
えている。さらに、第２の加湿空気供給手段は各々の電
解式オゾン発生器の第２の加湿空気流通路に並列に加湿
空気を供給する。

【００２７】さらにまた、電解式オゾン発生器の第１の
加湿空気流通路の流出側と他の電解式オゾン発生器の第
１の加湿空気流通路の流入側とを結合し、電解式オゾン
発生器の第１の加湿空気流通路に加湿空気が直列に供給
されるようにする。

【００２８】

【００２９】

【発明の実施の形態】実施の形態１．図１は、この実施
の形態１の電解式オゾン発生器の構成を示すフロー図で
ある。図において、１は電解式オゾン発生器の陽極側プ
レート、２は電解式オゾン発生器の陰極側プレート、３
は電解質膜を挟んで陽極と陰極を対峙させた電極・膜接
合体、４は陽極側プレート１、陰極側プレート２、電極
・膜接合体３を挟んで対峙させた通電板、５は通電板４
に電圧を印加する外部直流電源である。６は空気を供給
する空気ブロワー、７は空気ブロワー６から供給された
空気を加湿する外部加湿器で、この外部加湿器７には水
を供給するための水供給口７ａ、及び外部加湿器７から
水を排出するための水排出口７ｂが設けられている。

【００３０】８は空気ブロワー６から供給される空気を
外部加湿器７に供給する空気配管、９は外部加湿器７に
よって加湿された空気を加湿空気供給配管１０、１１に
供給する配管、１０は配管９と結合され陽極側プレート
１へ加湿空気を供給する加湿空気供給配管、１１は配管
９と結合され陰極側プレート２へ加湿空気を供給する加
湿空気供給配管、１２は陽極側プレート１からのオゾン
及び酸素濃度の上昇した空気を含む陽極出口ガスを排出
する出口配管、１３は陰極側プレート２からの酸素濃度
の低下した空気を含む陰極出口ガスを排出する出口配
管、１４は出口配管１２及び出口配管１３と結合されオ
ゾンを含む空気を排出する出口配管である。

【００３１】図２は、図１に示した陽極側プレート１、
陰極側プレート２、電極・膜接合体３の構造を示す断面
側面図である。また、図３は、図２に示したＡＡ断面を
電解質膜側からみた平面図である。図において、３は電
極・膜接合体で、電解式オゾン発生器の陽極３ａ、電解
式オゾン発生器の陰極３ｂ、電解質膜３ｃとから成る。
１５は陽極側プレート１の加湿空気流通路で、陽極側プ
レート１の空気供給溝１５ａ、陽極側内部マニホールド
１５ｂから構成されている。１６は陰極側プレート２の
加湿空気流通路で、陰極側プレート２の空気供給溝１６
ａ、陰極側内部マニホールド１６ｂか構成されている。
１７は陽極側ガスケット、１８は陰極側ガスケットであ
る。

【００３２】その他の符号は図１で説明したものと同様
であるので説明は省略する。なお、図３において陽極側
プレート１の形状を説明したが、本実施の形態では、陰
極側プレート２も陽極側プレート１と同様の形状をして
いるものとする。

【００３３】陽極側プレート１は、高い電位での耐腐食
性が求められるので、空気供給溝１５ａ及び内部マニホ
ールド１５ｂからなる加湿空気流通路１５には機械加工
したチタン板に白金メッキを施したものを用いたが、ス
テンレス板に白金や金メッキを施したものなどを用いる
こともできる。また、空気供給溝１５ａや内部マニホー
ルド１５ｂはチタン板をプレス加工することでも成形す
ることができる。

【００３４】それに対して、陰極側プレート２には、陰
極側が電位が低いために耐食性を必要としないので、カ
ーボン板を機械加工して空気供給溝１６ａ及び内部マニ
ホールド１６ｂを設けたものを用いたが、陽極側プレー
ト１と同様にチタン板を用いても良い。

【００３５】電解質膜３ｃにはプロトン伝導性の固体高
分子電解質膜を用いたが多孔質な電子絶縁性材料に酸性
電解液やアルカリ性電解液を含浸したものを用いること
もできる。陽極３ａは、β−ＰｂＯ₂の微粉末をシート
状にしたものを用い、チタン製のメッシュを集電体とし
て用いた。また、陰極３ｂにはカーボンペーパーにカー
ボン担体に白金微粒子を担持した触媒粉末を塗布したも
のを用いた。

【００３６】一方、陽極側ガスケット１７と陰極側ガス
ケット１８には、フッ素系の樹脂を材料とするシートを
くり貫いて用いた。なお、陽極３ａ及び陰極３ｂと電解
質膜３ｃは、ガスケット１７、１８と共にホットプレス
により、電解質膜３ｃに接合して電極・膜接合体３を作
成した。しかしながら、電極３ａ、３ｂと電解質膜３ｃ
は接着されている必要はなく、物理的に密着していれば
よい。

【００３７】次に動作について説明する。空気ブロワー
６で大気中の空気を配管８により外部加湿器７に導いて
水中バブリングさせることで空気を加湿する。そして、
加湿された空気を配管９、加湿空気供給管１０により陽
極側プレート１に供給し、配管９、加湿空気供給管１１
により陰極側プレート２に供給する。

【００３８】陽極側プレート１に供給された加湿空気は
加湿空気流通路１５（空気供給溝１５ａ、内部マニホー
ルド１５ｂ）を通ることにより、この加湿空気流通路１
５を通る空気の水分が電解質膜３ｃに取り込まれ、電解
質膜３ｃが酸性の場合には、陽極３ａで水分が電気分解
されてオゾン及び酸素が発生する。そして、生成された
オゾン及び酸素は空気と共に出口排管１２から排出され
る。

【００３９】一方、陰極側プレート２に供給された加湿
空気は加湿空気流通路１６（空気供給溝１６ａ、内部マ
ニホールド１６ｂ）を通ることにより、この加湿空気流
通路１６を通る空気中の酸素と上記陽極側３ａでの電気
分解時に生じるプロトンが電解質膜３ｃを介して陰極３
ｂに達したものとが結合して水が生成される。生成され
た水は加湿空気流通路１６を介して出口排管１３より空
気とともに排出されるが、一部は再び電解質膜３ｃに吸
収され、陽極側３ａに拡散によって戻って電気分解にも
用いられる。

【００４０】上記電気分解の詳細を説明する。なお、電
気は外部直流電源５から通電板４を通じて陽極３ａ及び
陰極３ｂに流れ、電解が起こる。加湿された空気中の水
分は、陽極側、陰極側の双方から電極を介して電解質膜
３ｃに浸透し、陽極３ａではこの水分を反応物として、
下記（式１）及び（式２）により酸素及びオゾンが発生
する。２Ｈ₂Ｏ→Ｏ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^- （式１）３Ｈ₂Ｏ→Ｏ₃＋６Ｈ⁺＋６ｅ^- （式２）

【００４１】従って、陽極３ａの出口側（加湿空気流通
路１５の出口側）では、オゾンを含み、酸素濃度が増加
し、湿度が低下した空気が出てくる。プロトンは電解質
膜３ｃを介して陰極３ｂ側に達し、電子は外部回路およ
び直流電源５を通って陰極３ｂ側に達する。

【００４２】一方、陰極側では、十分な空気の供給があ
るので、下記（式３）の反応により水が発生する。この
水は陰極側に空気とともに排出されるが、一部は電解質
膜３ｃを介して陽極側に拡散し、陽極反応の反応物とし
て用いられる。Ｏ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^-→２Ｈ₂Ｏ（式３）

【００４３】従って、陰極の出口側（加湿空気流通路１
６の出口側）では、酸素濃度が低下した空気が出てく
る。また、陽極出口ガスの出口配管１２のガスと陰極出
口ガスの出口配管１３のガスを一緒にすることで、出口
配管１４からは、酸素濃度が大気中とほとんど同じでオ
ゾンが付加された空気が得られる。

【００４４】ここで、酸素濃度が大気中とほとんど同じ
になるのは、陽極で（式１）の反応で酸素が発生する
が、陰極で（式３）の反応でほぼ同じ量の酸素が消費さ
れるためである。このように、酸素濃度が大気中とほと
んど同じオゾン含有ガスであれば、酸素濃度の点ではど
のような場所で用いても問題なく、また、人体への影響
もない。

【００４５】従来の水電解式のオゾナイザーでは、陽極
側に直接、水を循環して供給するので、外部から補給す
る水は常に高い純度を要求され、高価な脱イオンフィル
ターを備えて、水に含まれているイオンを全て除去する
必要があった。また、もし、水道水などを直接用いる
と、陽極側でカルシウムが取り込まれ、電解質膜中に浸
透して抵抗を著しく高めて性能を劣化させたり、陰極側
で析出して反応を阻害するなどの恐れがあった。さら
に、脱イオンフィルターを頻繁に交換する必要があっ
た。

【００４６】しかし、本実施の形態では、加湿器におい
て蒸発した水が陽極側に供給されるので、加湿器に用い
る水としては水道水などの通常の水をそのまま用いるこ
とができる。また、水道水に含まれるカルシウムなどの
不純物は蓄積されるが、加湿器に水を供給する時に、水
の排出口から残っている水を排出し、新たな水を水の供
給口から供給すれば、容易に濃縮された不純物を除去す
ることができるので、脱イオンフィルターを備えるより
も簡便かつ経済的である。

【００４７】さらに、加湿した空気の流量を加減するこ
とでオゾン発生量を制御できるので、必要に応じてオゾ
ン発生量を自由に加減することができる。

【００４８】本実施の形態では、陽極および陰極に加湿
した空気を送ることで、陽極で発生する酸素の濃度を希
釈して高濃度酸素の支燃性についての危険性を減じるこ
とができ、また陰極で水素が発生したとしても陰極で発
生する水素を空気中の酸素で酸化することで、水素の危
険性を大幅に軽減することができるので、特別な安全対
策を講じることなく安全性を保つことができる。

【００４９】また、加湿した空気で、反応に用いられる
水分を補給するので、水タンクの水が多少汚れていて
も、汚れた水が直接陽極や陰極に達する恐れは少なく、
従ってイオン交換器を備える必要がない。また、加湿し
た空気の流量を加減することでオゾン発生量を制御でき
るので、必要に応じてオゾン発生量を自由に制御するこ
とができる。

【００５０】なお、陽極及び陰極の面積を２５ｃｍ²と
して、図１に示した構造の電解式オゾン発生器におい
て、３．５Ｖの直流電圧を印加し、陽極および陰極に合
わせて１分間に２リットルの割合で空気を供給して運転
したところ、出口ガス温度が４０℃、酸素濃度が２０％
で平均９００ｐｐｍのオゾン濃度のオゾン含有ガスが安
定して得られた。

【００５１】実施の形態２．図４はこの実施の形態２の
電解式オゾン発生器の構成を示すフロー図である。図に
おいて、１９は図３に示したような流路形状を形成した
カーボン製の冷却器、２０は冷却水循環ポンプ、２１は
冷却水の配管、２２は冷却器１９に水を供給する配管で
ある。その他は実施の形態１と同様であるので説明は省
略する。なお、冷却器１９では、図３と同様の流路形状
を形成したカーボン製の板に直接水を流す構成とした
が、金属製のパイプなどを配置してもよい。

【００５２】次に動作について説明する。冷却器１９に
よって冷却すること以外は実施の形態１で説明した動作
と同様であるので他の説明は省略する。冷却水循環ポン
プ２０によって外部加湿器７に蓄えられている水を配管
２２を介して冷却器１９に供給し、冷却器１９からの水
を配管２１を介して外部加湿器７に循環するようにす
る。このとき、水が冷却器１９内を通ることになり、陽
極側プレート１を冷却することができる。

【００５３】陽極では発熱が大きく、温度が上昇すると
オゾンの発生効率が低下する恐れがあるが、本実施の形
態では冷却器を具備しているので、陽極側プレート１を
冷却し、電解によって生じる熱を取り去ることでオゾン
発生の反応温度を低く抑えることができる。

【００５４】また、暖められた冷却水は加湿器に供給さ
れ、加湿水を加温することになり、空気を十分に加湿す
ることができる。従って、実施の形態１の場合よりも大
きな電極面積の電解式オゾン発生器を用いることができ
る。

【００５５】本実施の形態では、冷却器１９が陽極側プ
レート側に配置されているが、これは特に限定するもの
ではなく、陰極側プレート側あるいは両プレート側に配
置してもよく、電解によって生じる熱が取り去ることが
できるように配置されればよい。

【００５６】本実施の形態では、陽極および陰極の近傍
に冷却水が流れるので、効果的に冷却し、電流が増加し
ても温度を一定に保って運転することができる。また、
暖まった冷却水を空気の加湿に用いることで、空気に十
分な水分を与えることができ、また水が蒸発する際に蒸
発熱を奪っていくので、冷却水を効果的に冷やすことが
できる。

【００５７】なお、陽極および陰極の面積を１００ｃｍ
²として、図４に示した構成の電解式オゾン発生器にお
いて、３．５Ｖの直流電圧を印加し、陽極および陰極に
合わせて１分間に８リットルの割合で空気を供給して運
転したところ、出口ガス温度が３５℃、酸素濃度が２０
％で平均１１００ｐｐｍのオゾン濃度のオゾン含有ガス
が安定して得られた。

【００５８】また、本実施の形態では、外部加湿器の水
を冷却用に用いているが、他の水タンクに蓄えられた水
を循環させるようにしてもよいし、新たな水が供給され
るような構造にしてもよい。

【００５９】実施の形態３．図５はこの実施の形態３の
電解式オゾン発生器の構成を示すフロー図である。図に
おいて、２３は図３に示したような流路形状を形成した
カーボン製の加湿兼冷却水プレート、２４は加湿兼冷却
水プレート２３と接するように設けられた透水膜、２５
は透水膜２４を介して加湿兼冷却水プレート２３と逆側
に設けられた空気加湿プレートである。２６は水を供給
する水供給口２６ａと水を排出する排出口２６ｂを有す
る水タンクである。その他の符号は実施の形態２と同様
であるので説明は省略する。

【００６０】空気加湿プレート２５及び加湿兼冷却水プ
レート２３としてはカーボン板に図３と同様の流路を形
成したものを用い、透水膜２４を介して空気加湿プレー
ト２５及び加湿兼冷却水プレート２３の流路が向かい合
う構成とした。透水膜２４としては、カーボン製のフェ
ルトを用いた。その他としては、固体高分子電解質膜や
カーボン製、フッ素系やポリプロピレン製の多孔質膜な
どが適している。

【００６１】次に動作について説明する。加湿兼冷却水
プレート２３によって冷却し、空気加湿プレート２５で
空気を加湿すること以外は実施の形態１で説明した動作
と同様であるので他の説明は省略する。

【００６２】冷却水循環ポンプ２０によって水タンク２
６に蓄えられている水を配管２２を介して加湿兼冷却水
プレート２３に供給し、加湿兼冷却水プレート２３から
の水を配管２１を介して水タンク２６に循環するように
する。このとき、電解セルからの伝熱により暖められた
加湿兼冷却水プレート２３内の水が透水膜２４を介して
空気加湿プレート２５に供給され、この加湿された空気
が配管９に供給される。

【００６３】このように、水が加湿兼冷却水プレート２
３を通ることにより、陽極側プレート１、陰極側プレー
ト２、電極・膜接合体３からなる電解セルを冷却すると
共に、透水膜２４を介して空気を加湿する。空気加湿プ
レート２５は、加湿兼冷却水プレート２３を介して電解
セルからの伝熱によって暖められるので、空気に対して
十分な加湿が行われる。

【００６４】本実施の形態では、湿った膜の表面を空気
が通過するだけで十分な加湿が行われ、空気を水中でバ
ブリングさせる必要がないので、空気を送るポンプの動
力を低く抑えて効率的に運転することができる。

【００６５】なお、陽極および陰極の面積を１００ｃｍ
²として、図５に示した構成の電解式オゾン発生器にお
いて、３．５Ｖの直流電圧を印加し、陽極および陰極に
合わせて１分間に８リットルの割合で空気を供給して運
転したところ、出口ガス温度が３５℃、酸素濃度が２０
％で平均１０００ｐｐｍのオゾン濃度のオゾン含有ガス
が安定して得られた。

【００６６】実施の形態４．図６はこの実施の形態４の
電解式オゾン発生器の陽極側プレートの空気供給溝側か
ら見た平面図である。図において、１５は陽極側プレー
トの加湿空気流通経路である蛇腹型流路、１５ｃは蛇腹
型流路１５における陽極空気入口側領域、１５ｄは蛇腹
型流路１５における陽極空気出口側領域である。なお、
陽極側プレート１としては、実施の形態１の場合と同様
に、チタン板を機械加工して溝を構成し、白金メッキを
施したものを用いた。

【００６７】本実施の形態では、空気の流路が蛇腹型
（別名サーペンタイン型）になっているため、空気入口
領域１５ｃではほとんど含まれていないオゾンが蛇腹型
流路１５の空気出口領域１５ｄに近づくにつれて徐々に
増加し、空気出口領域１５ｄでは最も高い濃度になる。

【００６８】実施の形態１の図３に示したような型の流
路の場合には、面内に反応分布を生じ、場所によって発
生するオゾン量が異なるので、空気の流速が早い場合に
は高い濃度のオゾンは得られないが、図６に示した型の
流路の場合には、反応分布に左右されることなく高濃度
のオゾンが得られる。

【００６９】また、酸素濃度が高くなるほどオゾン発生
の効率が高くなることが知られているが、図６に示した
構成では、空気入口領域から空気出口領域にかけて酸素
の発生とともに徐々に酸素濃度が高まるので、オゾン発
生の電流効率が徐々に高められ、より高濃度のオゾンが
得られる。

【００７０】本実施の形態では、陽極側プレート１の加
湿空気流通路を蛇腹型にしているが、これは特に限定す
るものではなく、加湿空気流通路が途中で分岐したりす
ることなく、常に１経路になるようなものであればよ
い。

【００７１】本実施の形態では、陽極側の空気供給溝が
蛇腹型流路になっているので、出口側に近づくにつれて
酸素濃度が高まり、オゾン発生の電流効率を高めて効率
良く運転することができる。

【００７２】なお、陽極および陰極の面積を２５ｃｍ²
として、図１に示した構造の電解式オゾン発生器のプレ
ートを図６に示した構成にして３．５Ｖの直流電圧を印
加し、陽極および陰極に合わせて１分間に２リットルの
割合で空気を供給して運転したところ、出口ガス温度が
３５℃、酸素濃度が２０％で平均１５００ｐｐｍのオゾ
ン濃度のオゾン含有ガスが安定して得られた。

【００７３】実施の形態５．図７はこの実施の形態５の
電解式オゾン発生器の構成を示す図で、図７（ａ）は電
解式オゾン発生器の平面図、図７（ｂ）は電解式オゾン
発生器の正面図である。

【００７４】図において、１０は陽極側プレート１へ加
湿空気を供給する入口ポート、１１は陰極側プレート２
へ加湿空気を供給する入口ポート、１２は陽極側プレー
ト１からのオゾン及び酸素濃度の上昇した空気を含む陽
極出口ガスを排出する出口ポート、１３は陰極側プレー
ト２からの酸素濃度の低下した空気を含む陰極出口ガス
を排出する出口ポートである。

【００７５】１９は２セルおきに電解セル間に挿入され
た冷却器、２７は押え板、２８は締め付け治具で、複数
の積層された電解セルと電解セル間に挿入された冷却器
１９とを両側の押さえ板２７で押さえ、この締め付け治
具２８を締め付けることにより固定する。２９は通電板
４の端子取り付け部分、３０は冷却器１９に冷却水を供
給するための冷却水入口ポート、３１は冷却器１９から
冷却水を排出させるための冷却水出口ポートである。こ
こで、電解セルは、電極・膜接合体を意味するもので、
以下でも同様の意味で用いるものとする。

【００７６】本実施の形態の電解式オゾン発生器は積層
型の電解式オゾン発生器であり、有効面積１００ｃｍ²
の電極・膜接合体３を４セル積層している。また、２セ
ルおきに冷却器１９を挿入し、各冷却器１９の冷却水は
共通した内部マニホールド（図示せず）を介して、冷却
水入口ポート３０から流し、冷却水出口ポート３１から
取り出すようになっている。

【００７７】次に動作について説明する。加湿した空気
を入口ポート９、１０、及び出口ポート１１、１２を用
いて、陽極側プレート１、陰極側プレート２、電極・膜
接合体３、冷却器１９等からなる積層体を貫通する内部
マニホールド（図示せず）を介して各プレートに供給・
排出する。ここで、内部マニホールドは円筒状の空間で
各プレートの入口側または出口側に連絡しているものと
する。

【００７８】図７には、加湿タンクや冷却水循環ルー
プ、空気の配管などは省略して示しているが、実施の形
態１の図１の場合と同様の構成を用いることができる。
なお、実施の形態３のように積層体に接して加湿部を設
けてもよい。

【００７９】本実施の形態では、複数の電解セルに対し
て数セルおきに挿入した冷却器を用いて効果的に冷却
し、温度を一定に保って運転することができる。

【００８０】なお、陽極及び陰極の面積を１００ｃｍ²
として、図７に示した構造の４セル積層型の電解式オゾ
ン発生器において、１４Ｖの直流電圧を印加し、陽極
側、陰極側合わせて１分間に３０リットルの割合で空気
を供給して運転したところ、出口ガス温度が３５℃、酸
素濃度が２０％で平均９００ｐｐｍのオゾン濃度のオゾ
ン含有ガスが安定して得られた。

【００８１】実施の形態６．図８はこの実施の形態６の
電解式オゾン発生器の構成を示す積層体のガスフロー図
である。図において、３２は電解セルで、積層されてい
る順に第１のセル３２ａ、第２のセル３２ｂ、第３のセ
ル３２ｃ、第４のセル３２ｄである。３３は第１のセル
３２ａの陽極出口から第２のセル３２ｂの陽極入口への
空気配管、３４は第２のセル３２ｂの陽極出口から第３
のセル３２ｃの陽極入口への空気配管、３５は第３のセ
ル３２ｄの陽極出口から第４のセル３２ｄの陽極入口で
の空気配管である。

【００８２】なお、陽極ガスの配管３３、３４，３５及
び陰極ガスの配管は、各プレートに共通して設けてある
円筒状の内部マニホールドを用いて行った。たとえば、
第１のセル３２ａの陽極出口から第２のセルの陽極入口
への空気配管３３では、周辺ガスシール部に設けた円筒
状のマニホールドが第１のセル３２ａの陽極出口と第２
のセル３２ｂの陽極入口の間のみ連通するようにし、第
２のセル３２ｂの陽極出口から第３のセル３２ｃの陽極
入口への空気配管３４では、周辺ガスシール部に設けた
円筒状のマニホールドが第２のセル３２ｂの陽極出口と
第３のセル３２ｃの陽極入口の間のみ連通するようにし
た。

【００８３】このような構造には、例えば、特開平６−
２１５７８１号公報に記載されているような固体高分子
型燃料電池で用いられている内部マニホールド型積層体
構造を適用することができる。

【００８４】本実施の形態では、それぞれ積層されてい
る複数の陽極側プレートの加湿空気流通路が直列、すな
わち、１つ手前の加湿空気流通路の出口が次の加湿空気
流通路の入口と結合されているので、複数個の陽極に対
して加湿した空気が直列に流れ、下流側の陽極ほど酸素
濃度が高くなり、オゾン発生の電流効率を高めることが
できる。

【００８５】また、本実施の形態では、それぞれ積層さ
れている複数の陰極側プレートの加湿空気流通路を並列
にしているので、各陰極側の加湿空気流通路に一定の酸
素濃度の空気を供給することができ、それぞれの陰極で
の水素発生を確実に防止することができる。

【００８６】なお、陽極及び陰極の面積を１００ｃｍ²
として、図８に示した構造の４セル積層型の電解式オゾ
ン発生器を図４に示した構成にして１４Ｖの直流電圧を
印加し、陽極側、陰極側合わせて１分間に３０リットル
の割合で空気を供給して運転したところ、出口ガス温度
が３５℃、酸素濃度が平均１３００ｐｐｍのオゾン濃度
のオゾン含有ガスが安定して得られた。

【００８７】参照例．図９は残存水素処理装置を示す図である。図において、
５１は残存水素処理アノードプレート、５２はアノード
側電極、５３は電解質膜、５４は残存水素処理カソード
プレート、５５はカソード側電極、５６は抵抗、５７は
外部配線、５８は集電板、５９はアノード側流路、６０
はカソード側流路、６１はアノードガス入口、６２はア
ノードガス出口、６３はカソードガス入口、６４はカソ
ードガス出口である。

【００８８】なお、流路構成は図３とほぼ同じ構成にな
っており、アノードプレート５１とカソードプレート５
４の材質はカーボンである。また、アノード側電極５２
およびカソード側電極５５にはカーボン粉末に白金微粒
子を担持した触媒をカーボンペーパーに塗布し、熱処理
したものを用いた。電解質膜としては固体高分子電解質
膜を用いた。流路５９、６０については、カーボン板に
機械加工により図３とほぼ同じ形状の流路を設けた。

【００８９】次に動作について説明する。アノードガス
入口６１に処理すべき水素を供給し、カソードガス入口
６３に空気を供給する。このアノードガス入口６１から
供給された水素はアノード側流路（空気供給溝、内部マ
ニホールド）５９を通ることにより、このアノード側流
路５９を通る水素が電解質膜５３に取り込まれ、陽極５
２では、この水素を反応物として、下記に示すように水
素が電気分解される。２Ｈ₂→４Ｈ⁺＋２ｅ^-

【００９０】一方、カソードガス入口６３から供給され
た空気はカソード側流路（空気供給溝、内部マニホール
ド）６０を通ることにより、このカソード側流路６０を
通る空気中の酸素が電解質膜５３に取り込まれ、陰極側
では、十分な酸素の供給があるので、下記に示す反応に
より水が発生する。Ｏ₂＋４Ｈ⁺＋２ｅ^-→２Ｈ₂Ｏこの場合、上記陽極及び陰極で生じるエネルギーは、ほ
とんどが電気エネルギーに変換されることになる。そし
て、上記反応により生じる電気エネルギーは、外部配線
５７を介して集電板５８間に接続されている抵抗５６で
消費されることになる。

【００９１】ここでは、負荷として抵抗を接続している
が、これは特に限定するものではなく、電気エネルギー
を消費するものであればよい。

【００９２】図９に示した残存水素処理装置では、陽極
及び陰極での反応時に発生する電気エネルギーを電極間
に接続されている負荷によって消費するようにしている
ので、陽極及び陰極で発生する熱の量を少なくすること
ができる。

【００９３】本実施の形態１〜６では、相対湿度の低い
空気を加湿することで、オゾンの発生のための水の電気
分解に必要な水分の絶対量を増やすことができる。絶対
湿度は、温度によって大きく異なり、温度の上昇ととも
に急激に増加するので、暖まった冷却水を加湿に用いる
ことで、絶対湿度すなわち水分の供給量を大幅に増加さ
せることができる。また、ヒーター等の加熱によって、
加湿水の温度を高めて、絶対湿度を高めてもよい。

【００９４】加湿の程度は、流す空気の流量によって変
化するが、相対湿度で７０％以上、できれば１００％近
くになっていることが望ましい。加湿空気の相対湿度を
高める方法としては、従来の加湿器やガス洗浄ビンの構
造で十分であるが、透水性の膜を介して加湿するのが、
上記実施の形態の中では最も効果的であった。

【００９５】

【発明の効果】本発明に係る空気供給型電解式オゾン発
生器では、電解質膜を挟んで互いに対向するように設け
られた陽極及び陰極からなる一対の電極と、前記陽極に
加湿空気を供給する第１の加湿空気供給手段と、前記陰
極に加湿空気を供給する第２の加湿空気供給手段と、前
記陽極及び陰極間に電圧を印加する電圧印加手段とを備
え、前記電極間の電圧印加により前記電極に供給される
加湿空気中の水分を電気分解させるので、陽極及び陰極
に供給する水が汚れていても、汚れた水が直接陽極や陰
極に達する恐れが少なく、従ってイオン交換器等を備え
る必要がない。

【００９６】陽極近傍に設けられ第１の加湿空気供給手
段により加湿空気が供給される第１の加湿空気流通路
と、陰極近傍に設けられ第２の加湿空気供給手段により
加湿空気が供給される第２の加湿空気流通路とを備えて
いるので、陽極及び陰極近傍における加湿空気の流通す
る経路を定めることができる。

【００９７】第１の加湿空気流通路の加湿空気流出口と
第２の加湿空気流通路の加湿空気流出口とに結合された
出口排管を備えているので、陽極での酸素の危険性及び
陰極で水素が発生した場合における危険性を大幅に軽減
することができ安全性を保つことができる。

【００９８】空気を加湿させて加湿空気を生成する加湿
空気生成手段を設け、前記加湿空気生成手段によって生
成された加湿空気を加湿空気供給手段によって加湿空気
流通路に供給するので、陽極及び陰極に供給する加湿空
気の湿度を調整することができる。

【００９９】加湿空気流通路近傍に水を流す流水通路を
設けたので、電極や電解質膜を効率よく冷却することが
できる。そのため、電流が増加しても温度を一定に保っ
て運転することもできる。

【０１００】加湿空気生成手段は、流水通路を流れる水
を利用して加湿空気を生成するので、電極・膜接合体
の発熱によって暖められた流水通路中の冷却水を空気加
湿用の加湿水として用いることがでる。また、暖まった
冷却水を空気の加湿に用いることで、空気に十分な水分
を与えることができ、さらに水の蒸発熱が奪われるの
で、冷却水を効率的に冷やすことができる。

【０１０１】透水性の膜を介して流水通路と空気とを対
峙させ、透水性の膜を透過する水により空気を加湿する
ので、しめった膜の表面を空気が通過するだけで十分な
加湿が行われ、空気を水中でバブリングさせる必要がな
く、空気を送るポンプの動力を低く押さえて効率的に運
転することができる。

【０１０２】第１の加湿空気流通路は、分岐のない流路
であるので、出口側に近づくにつれて酸素濃度が高ま
り、オゾン発生の電流効率を高めて効率良く運転するこ
とができる。

【０１０３】第１の加湿空気流通路は、蛇腹型流路であ
るので、第１の加湿空気流通路が陽極近傍をむらなく通
るようにすることができ、出口側に近づくにつれて酸素
濃度が高まり、オゾン発生の電流効率を高めて効率良く
運転することができる。

【０１０４】複数の積層された電解式オゾン発生器と、
電解式オゾン発生器間に設けられた冷却器とを備えてい
るので、複数の電解セルに対して数セルおきに挿入した
冷却器を用いて効率的に冷却し、温度を一定に保って運
転することができる。

【０１０５】第２の加湿空気供給手段は各々の電解式オ
ゾン発生器の第２の加湿空気流通路に並列に加湿空気を
供給するので、一定の酸素濃度の空気をそれぞれの陰極
に供給することができ、それぞれの陰極での水素発生を
確実に防止することができる。

【０１０６】電解式オゾン発生器の第１の加湿空気流通
路の流出側と他の電解式オゾン発生器の第１の加湿空気
流通路の流入側とを結合し、電解式オゾン発生器の第１
の加湿空気流通路に加湿空気が直列に供給されるように
したので、下流側の陽極ほど酸素濃度が高くなり、オゾ
ン発生の電流効率を高めることができ、効率良く運転す
ることができる。

【０１０７】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１の電解式オゾン発生器
を示す図である。

【図２】図１に示した陽極側プレートの側面断面図で
ある。

【図３】図１に示した陽極側プレートの平面図であ
る。

【図４】本発明の実施の形態２の電解式オゾン発生器
を示す図である。

【図５】本発明の実施の形態３の電解式オゾン発生器
を示す図である。

【図６】本発明の実施の形態４の電解式オゾン発生器
の陽極側プレートの平面図である。

【図７】本発明の実施の形態５の電解式オゾン発生器
を示す図である。

【図８】本発明の実施の形態６の電解式オゾン発生器
を示す図である。

【図９】水素処理装置を示す側面断面図である。

【図１０】従来の水電解式オゾナイザーの断面模式図
である。

【符号の説明】

１陽極側プレート２陰極側プ
レート３電極・膜接合体３ａ電解式オ
ゾナイザーの陽極３ｂ電解式オゾナイザーの陰極３ｃ電解質膜４通電板５外部直流
電源６空気ブロワー７外部加湿
器７ａ水供給口７ｂ水排出口８空気配管９配管１０加湿空気供給配管１１加湿空
気供給配管１２陽極出口ガスの出口配管１３陰極出
口ガスの出口配管１４出口配管１５加湿空
気流通路１５ａ空気供給溝１５ｂ陽極側
内部マニホールド１５ｃ陽極空気入口側領域１５ｄ陽極空
気出口側領域１６加湿空気流通路１６ａ空気供
給溝１６ｂ陰極側内部マニホールド１７陽極側
ガスケット１８陰極側ガスケット１９冷却器２０冷却水循環ポンプ２１冷却水
の配管２２配管２３加湿兼
冷却水プレート２４透水膜２５空気加
湿プレート２６水タンク２６ａ水供給
口２６ｂ水排出口２７押え板２８締め付け治具２９通電板
の端子取り付け部分３０冷却水入口ポート３１冷却水
出口ポート３２電解セル３３〜３５空
気配管５１残存水素処理アノードプレート５２アノード側電極５３電解質
膜５４残存水素処理カソードプレート５５カソード側電極５６抵抗５７外部配線５８集電板５９アノード側流路６０カソー
ド側流路６１アノードガス入口６２アノー
ドガス出口６３カソードガス入口６４カソー
ドガス出口６５陰極側プレート６６陰極水
流路６７電解質膜６８水循環
ポンプ６９脱イオンフィルター７０陽極水
排出ポンプ７１陰極水排出ポンプ７２陽極水
出口配管７３排出配管７４気液分
離用陽極水タンク７５陰極水出口配管７６水素排
出配管７７水素の触媒燃焼器７８排気管７９気液分離用陰極水タンク８０水循環
配管８１陽極への水供給配管８２陰極へ
の水供給配管８３水貯蔵タンク８３ａ水供給
配管８４外部直流電源８５通電板

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＨ０１Ｍ 8/02 Ｈ０１Ｍ 8/10 8/10 Ａ０１Ｎ 59/00 Ｚ // Ａ０１Ｎ 59/00 Ｃ２５Ｂ 1/00 Ｆ (72)発明者畠中康司兵庫県三田市三輪二丁目６番１号菱電化成株式会社内 (72)発明者相沢毅東京都大田区久が原２−14−10 株式会社オプテックディディ・メルコ・ラボラトリー内 (72)発明者反町誠東京都台東区北上野２−６−４東洋高砂乾電池株式会社内 (72)発明者阿部哲也兵庫県尼崎市塚口本町８丁目１番１号菱彩テクニカ株式会社内 (56)参考文献特開平２−101184（ＪＰ，Ａ) 特開平７−240220（ＪＰ，Ａ) 特開平８−106914（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−216714（ＪＰ，Ａ) 特開平４−289664（ＪＰ，Ａ) 特開平９−161819（ＪＰ，Ａ) 特開平９−50819（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−216714（ＪＰ，Ａ) 特公平６−33494（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C25B 1/00 - 15/08 H01M 8/10 H01M 8/02 A61L 2/20 A61L 9/015 C01B 13/10 A01N 59/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】電解質膜を挟んで互いに対向するように
設けられた陽極及び陰極からなる一対の電極と、前記陽
極に加湿空気を供給する第１の加湿空気供給手段と、前
記陰極に加湿空気を供給する第２の加湿空気供給手段
と、前記陽極及び陰極間に電圧を印加する電圧印加手段
とを備え、前記電極間の電圧印加により前記電極に供給
される加湿空気中の水分を電気分解させることを特徴と
する電解式オゾン発生器。
【請求項２】陽極近傍に設けられ第１の加湿空気供給
手段により加湿空気が供給される第１の加湿空気流通路
と、陰極近傍に設けられ第２の加湿空気供給手段により
加湿空気が供給される第２の加湿空気流通路とを備えた
ことを特徴とする請求項１記載の電解式オゾン発生器。
【請求項３】第１の加湿空気流通路の加湿空気流出口
と第２の加湿空気流通路の加湿空気流出口とに結合され
た出口排管を備えたことを特徴とする請求項２記載の電
解式オゾン発生器。
【請求項４】空気を加湿させて加湿空気を生成する加
湿空気生成手段を設け、前記加湿空気生成手段によって
生成された加湿空気を加湿空気供給手段によって加湿空
気流通路に供給することを特徴とする請求項２または請
求項３記載の電解式オゾン発生器。
【請求項５】加湿空気流通路近傍に水を流す流水通路
を設けたことを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項
記載の電解式オゾン発生器。
【請求項６】加湿空気生成手段は、流水通路を流れる
水を利用して加湿空気を生成することを特徴とする請求
項５記載の電解式オゾン発生器。
【請求項７】流水通路と接するように透水性の膜を設
け、前記透水性の膜を透過する水により空気を加湿する
ことを特徴とする請求項６記載の電解式オゾン発生器。
【請求項８】第１の加湿空気流通路は、分岐のない流
路であることを特徴とする請求項２〜７のいずれか１項
記載の電解式オゾン発生器。
【請求項９】第１の加湿空気流通路は、蛇腹型流路で
あることを特徴とする請求項８記載の電解式オゾン発生
器。
【請求項１０】複数の積層された請求項２〜９のいず
れか１項記載の電解式オゾン発生器と、前記電解式オゾ
ン発生器間に設けられた冷却器とを備えたことを特徴と
する電解式オゾン発生器。
【請求項１１】第２の加湿空気供給手段は各々の電解
式オゾン発生器の第２の加湿空気流通路に並列に加湿空
気を供給することを特徴とする請求項１０記載の電解式
オゾン発生器。
【請求項１２】電解式オゾン発生器の第１の加湿空気
流通路の流出側と他の電解式オゾン発生器の第１の加湿
空気流通路の流入側とを結合し、電解式オゾン発生器の
第１の加湿空気流通路に加湿空気が直列に供給されるよ
うにしたことを特徴とする請求項１０または請求項１１
記載記載の電解式オゾン発生器。