(57)【要約】【課題】酸素を含むガスと水を用いて過酸化水素を効率良く生成できる過酸化水素製造装置並びにそれにより製造された過酸化水素を洗浄に利用した空調機、空気清浄機及び加湿器を提供することを目的としている。【解決手段】水素イオン伝導性を有する電解質膜３と電解質膜３の第一の面に接して配設された陽極電極４と電解質膜３の第二の面に接して配設された陰極電極５とにより構成された電解セル２と、電解セル２の陽極電極４側に設けられた陽極水槽１０と、電解セル２の陰極電極５側に設けられた陰極水槽１１と、陰極電極５に周期的に水を供給する水供給手段と、陽極電極４と陰極電極５とに直流電圧を印加する直流電源１８と、を備えたもので、効率良く過酸化水素を生成できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素イオン伝導性を有する電解質膜と前記電解質膜の第一の面に接して配設された陽極電極と前記電解質膜の第二の面に接して配設された陰極電極とにより構成された電解セルと、
前記陽極電極に水を供給する水供給手段と、
前記陰極電極に周期的に水を供給する水供給手段と、
前記陽極電極と前記陰極電極とに直流電圧を印加する直流電源と、
を備えたことを特徴とする過酸化水素製造装置。
【請求項２】
陰極電極に周期的に水を供給する水供給手段が、前記陰極電極側に陰極水槽を設け、前記陰極水槽の水位を変化させるものであることを特徴とする請求項１に記載の過酸化水素製造装置。
【請求項３】
水位の変化を上昇速度が０．１から５０ｍｍ／ｓ、下降速度が０．１から１０ｍｍ／ｓとなるよう制御することを特徴とする請求項２に記載の過酸化水素製造装置。
【請求項４】
陰極電極に周期的に水を供給する水供給手段が、前記陰極電極側に上下、左右に可動自在なノズルを設け、前記ノズルにより陰極電極に水を噴霧するものであることを特徴とする請求項１に記載の過酸化水素製造装置。
【請求項５】
陰極電極に酸素を含むガスを供給するガス供給手段が設けられていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の過酸化水素製造装置。
【請求項６】
陰極電極に供給される水に、添加剤として酢酸若しくはカルボキシル基以外の親水性の残基（−ＯＨ、−ＮＨ２（第１アミン）、−ＮＨ−（第２アミン）、−Ｎ＜（第３アミン）、−Ｃ（Ｏ）ＮＨ−（ペプチド結合）、−Ｃ（Ｏ）ＮＨ２（第１アミド）、（−Ｃ（Ｏ））２ＮＨ（第２アミド）、（−Ｃ（Ｏ））３Ｎ（第３アミド）、−Ｏ−、−ＳＯ３Ｈ、−ＰＯ４Ｈ、−Ｆ、−ＮＯ２、−Ｓ（Ｏ）−、−ＣＮ）のいずれかを持つカルボン酸を単独または混合したもの添加したことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の過酸化水素製造装置。
【請求項７】
酸素を含むガスに、添加剤としてエチルグリコール、１−プロパノール、２−プロパノール、テトラヒドロフラン、４−オキシ−４メチル−２ペンタモーン、１−ブタノール、２−ブタノール、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、アセトン、ｎ−プロピルアルコールおよびジメチルエーテルのいずれかの単独または混合したものを添加したことを特徴とする請求項５に記載の過酸化水素製造装置。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれかに記載の過酸化水素製造装置を備え、前記過酸化水素製造装置により製造される過酸化水素を用いて熱交換器を洗浄する機能を有する空調機。
【請求項９】
請求項１から請求項７いずれかに記載の過酸化水素製造装置を備え、前記過酸化水素製造装置により製造される過酸化水素を用いて加湿素子を洗浄する機能を有する加湿器。
【請求項１０】
請求項１から請求項７のいずれかに記載の過酸化水素製造装置を備え、前記過酸化水素製造装置製造により製造される過酸化水素を用いて空気を除菌する機能を有する空気清浄機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、酸素を含むガスと水から電気化学的に過酸化水素を製造する装置並びにそれを用いた空調機、空気清浄機及び加湿器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、過酸化水素は漂白、酸化作用を有しており、食品、医薬品を始め工業用に広く使用されている。また、殺菌効果や滅菌効果にも注目されており、家庭用電化製品においても、その殺菌性や防黴性を利用して、清潔で快適な環境を作るため、洗濯機、空気清浄機等への応用が期待されている。従来、過酸化水素はイオン交換膜を利用して電気化学反応にて製造されている。
【０００３】
例えば、特許文献１の発明による過酸化水素製造装置では、陽イオン交換膜により陽極室と陰極室に区画され、陽イオン交換膜の陽極室側には、チタンなどの基材に貴金属酸化膜等の触媒を担持してなる多孔質陽極を設置し、陽イオン交換膜の陰極室側にはチタンなどの基材に炭素、金などの触媒を担持してなる多孔質陰極を設置する。それぞれの多孔質電極は陽イオン交換膜に密着した状態で保持されている。塩水を電解してアルカリ水溶液を製造し、アルカリ水溶液及び酸素を含むガスを加えながら水を電解し、陰極室において過酸化水素を生成する。
【０００４】
また、特許文献２の発明による過酸化水素製造装置では、陽イオン交換膜により陽極室と陰極室に区画され、陽イオン交換膜の陽極室側には多孔質陽極を設置し、陽イオン交換膜の陰極室側には多孔質陰極を設置する。多孔質陽極は陽イオン交換膜に密着した状態で設置されるが、多孔質陰極は親水性多孔質層を間に挟んで陽イオン交換膜に密着している。水酸化ナトリウム水溶液などの生成物が、多孔質陰極であるガス拡散層を透過せず、反応ガスである酸素の供給方向とは対向することなく、親水性多孔質層を介してイオン交換膜表面から取り出すことができる。
【特許文献１】特開平０８−２９６０７６号公報
【特許文献２】特開平１１−１７２４８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の過酸化水素の製造方法においては、生成した過酸化水素水が陽イオン交換膜や陰極上に蓄積し、反応ガスである酸素や陽イオン交換膜を透過する水素イオンの供給を阻害するため、充分な過酸化水素の生成特性が得られないという問題点があった。
【０００６】
本発明は、上述のような問題点を解決するためになされたものであり、水と酸素を含むガスを用いて過酸化水素を効率良く生成できる過酸化水素製造装置並びにそれにより製造された過酸化水素を洗浄に利用した空調機、空気洗浄機及び加湿器を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明に係る過酸化水素製造装置は、水素イオン伝導性を有する電解質膜と電解質膜の第一の面に接して配設された陽極電極と電解質膜の第二の面に接して配設された陰極電極とにより構成された電解セルと、陽極電極に水を供給する水供給手段と、陰極電極に周期的に水を供給する水供給手段と、陽極電極と陰極電極とに直流電圧を印加する直流電源と、を備えたことを特徴とする。
【０００８】
請求項８の構成では、過酸化水素製造装置において製造される過酸化水素を用いて熱交換器を洗浄する機能を有する空調機であることを特徴とする。
【０００９】
請求項９の構成では、過酸化水素製造装置において製造される過酸化水素を用いて空気を除菌する機能を有する空気清浄機であることを特徴とする。
【００１０】
請求項１０の構成では、過酸化水素製造装置において製造される過酸化水素を用いて加湿素子を洗浄する機能を有する加湿器であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、陰極水槽における水の注入及び排出量を制御することにより、水素イオン伝導性の電解質膜と陰極電極に蓄積した過酸化水素を効率よく排出することにより、陰極電極に十分な量の酸素及び水素イオンを供給拡散させることができ、過酸化水素の生成効率の高い過酸化水素製造装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態に係る過酸化水素製造装置並びにそれを用いた空調機、空気清浄機及び加湿器について説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における過酸化水素製造装置を示す概略断面図である。図２は、過酸化水素製造装置の電解セル部の概略断面図を示す。
図１に示すように、過酸化水素製造装置１の電解セル２は、水素イオン伝導性を有する電解質膜である高分子電解質膜３、この高分子電解質膜３の第一の面に接するように配設された陽極電極４、高分子電解質膜３の第二の面に接するように配設された陰極電極５で構成されており、さらに、陽極電極４には陽極端子６、陰極電極５には陰極端子７が取付けられており、電解セル２を入れる水槽８は、電解セル２と隔壁９により陽極水槽１０と陰極水槽１１に分割され、陽極電極４に水を供給する手段として、陽極水槽１０には水１２が貯えられて陽極電極４に供給され、また、陰極電極５に周期的に水を供給する水供給手段として、液送ポンプ１４によってバッファタンク１５の水の注入、排出することにより、陰極水槽１１に貯えられた水１３の水位１６を制御する水位制御装置１７が設けられており、電解セル２には、陽極端子６と陰極端子７を介して直流電圧を印加する直流電源１８が接続され、直流電圧が印加された電解セル２の化学反応により陽極電極４では酸素からなる気泡１９と陰極電極５では水素からなる気泡２０がそれぞれ発生する。
【００１３】
次に、図１と図２を用いて過酸化水素製造装置１と電解セル２の具体的な材料構成と作製方法について説明する。図２に示すように、電解セル２は高分子電解質膜３を、陽極電極４と炭素繊維５ａと触媒混合層５ｂとからなる陰極電極５とで挟み込んだ構造をしている。
【００１４】
陽極電極４は、基材と水の酸化反応を促進する酸化触媒から構成されている。基材としては、チタン（Ｔｉ）金属繊維の焼結体（繊維径２０μｍ、長さ５０〜１００ｍｍの単繊維を織り込んで焼結体としたもの）からなる密度２００ｇ／ｃｍ２の布（厚み３００μｍ）や、チタン製の網目構造を持つエキスパンドメタルを用いる。基材の高分子電解質膜３に接する面には触媒となる白金（Ｐｔ）または、酸化イリジウム（ＩｒＯ２）を０．２５〜２ｍｇ／ｃｍ２の密度でめっきすることにより陽極電極４を形成する。水の酸化反応は、基材上に形成された酸化触媒と高分子電解質膜３の界面でのみ進行するので、基材としてエキスパンドメタルを用いる場合には、網目の密度が電解性能に影響する。具体的には、１インチあたり１０個以上の穴が開いたエキスパンドメタルを用いることが好ましい。
【００１５】
陰極電極５は、炭素系基材と酸素の還元反応を促進する還元触媒から構成されている。炭素系基材としては、厚さ２００μｍの炭素繊維５ａ（繊維径約５〜５０μｍ、空隙率５０〜８０％）を用いる。また、炭素繊維５ａは、撥水化処理されている。例えば、フッ素ガスで処理され（室温、Ｆ２分圧：６．７×１０３Ｐａ）、表面官能基がＣ−Ｆ結合に置換されている。この炭素繊維５ａの高分子電解質膜３に接する面に、炭素粒子２１と高分子電解質粒子２２を混合した還元触媒層５ｂを形成する。具体的には、カーボン粉末と高分子電解質（パーフルオロスルホン酸）を分散させた溶液を重量比で１０：１〜１：１０の割合で混合し、炭素繊維５ａ上に３０〜５００μｍの厚さに塗布した後、５０℃、真空下で乾燥させている。
【００１６】
水槽８、すなわち陽極水槽１０及び陰極水槽１１は、例えば、アクリル樹脂などからなり、電解セル２の陽極電極４及び陰極電極５は、それぞれ陽極端子６及び陰極端子７により、面圧２×１０２〜１×１０５Ｐａで締め付けられている。また、陽極端子６及び陰極端子７は、例えば、円状の平板（半径１ｃｍ、厚み２ｍｍ）に細い棒（外径２ｍｍ、長さ１５ｍｍ）を円板の中央から円板に垂直に溶接したもので、材料はチタン（Ｔｉ）からできている。電解セル２との接触面での腐食を防止するために、０．１〜３μｍ程度の厚みで白金（Ｐｔ）をめっきすることが好ましい。また、比較的低コストで電極端子を作製する必要がある場合には、同様な形状に加工したカーボン板を用いてもよい。
【００１７】
次に、実施の形態１の過酸化水素製造装置を用いた過酸化水素製造方法の動作原理について、図１及び図２を参照して説明する。
陽極水槽１０に貯えられている水１２（Ｈ２Ｏ）は、陽極電極４を通過して高分子電解質膜３に接触する。さらに、この水１２は高分子電解質膜３に吸収され、高分子電解質膜３内を拡散し、高分子電解質膜３で保持される。陽極電極４では、供給された水が酸化され、反応式（１）で示すように酸素（Ｏ２）と水素イオン（Ｈ＋）とに分離される。直流電源１８により陽極電極４と陰極電極５の間に連続的もしくは断続的に直流電圧を印加すると、電流が流れ、陽極電極４の表面で酸素が生成され、酸素の気泡１９が発生する。
陽極： ２Ｈ２Ｏ → Ｏ２＋ ４Ｈ＋ ＋ ４ｅ−            （１）
高分子電解質膜３は、気体を透過せず、電気絶縁性があり、水及び水素イオン（Ｈ＋）のみを伝導する材質、例えば、パーフルオロスルホン酸膜でできており、陽極電極４で分離され高分子電解質膜３を透過した水素イオン（Ｈ＋）と陰極水槽１１から供給された水１３（Ｈ２Ｏ）に含まれる酸素（Ｏ２）とが、陰極電極５上で反応し、反応式（２）で示す還元反応によって過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）が生成される。生成された過酸化水素は陰極水槽１１の水１３に徐々に蓄積され、過酸化水素水として利用することができる。
陰極： Ｏ２ ＋ ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ− → Ｈ２Ｏ２           （２）
高分子電解質膜３の水素イオン伝導度は、膜中の相対湿度すなわち水の量に比例して大きくなる。高分子電解質膜３が、パーフルオロスルホン酸膜の場合では、２０℃において、相対湿度２０％では１０−４Ｓｃｍ−１、４０％では２×１０−３Ｓｃｍ−１、６０％では１０−２Ｓｃｍ−１と大きく変化する。
【００１８】
また、陰極電極５では、過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）が更に還元されて水（Ｈ２Ｏ）が生成する反応（３）と水素イオン（Ｈ＋）が直接還元されて、水素（Ｈ２）が発生する反応式（４）も進行する。
陰極： Ｈ２Ｏ２＋ ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ− → ２Ｈ２Ｏ      （３）
２Ｈ＋ ＋ ２ｅ−          → Ｈ２               （４）
【００１９】
さらに、図２を用いて反応の様子を詳しく説明する。高分子電解質膜３に隣接する炭素粒子２１と電解質粒子２２の還元触媒層５ｂにおいて、電解質粒子２２は３次元的に接合しており、陽極電極４側で発生した水素イオン（Ｈ＋）が高分子電解質膜３を透過して伝達する。そして、陰極電極５側から供給された酸素（Ｏ２）は、炭素粒子２１と電解質粒子２２の界面２３（黒点で示す部分）において電子（ｅ−）を受けとり、過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）を生成する電気化学反応が進行する。
【００２０】
本発明においては、反応式（２）で示すように酸素を水素イオンによって電気化学的に還元することを目的としているため、還元触媒層５ｂが水で被覆されてしまうと酸素の供給速度が激減し、過酸化水素の生成能力が低下する。水中とガス中における酸素の拡散係数は、それぞれ１．６×１０−９（ｍ２／ｓ）、１×１０−５（ｍ２／ｓ）程度であることから、陰極電極５の表面が水で覆われた場合には、酸素の供給速度が１／１０，０００に低下し、その結果、反応式（２）はほとんど進行しなくなる。
【００２１】
また、陰極電極５の内部に過酸化水素が蓄積し高濃度化された場合にも、高分子電解質膜３から供給される水素イオンと過酸化水素が更に反応し、式（３）に示すように水に変化することとなる。通電によって輸送された水素イオンのうち過酸化水素生成に使われる割合が低下するので、過酸化水素の生成効率は低下する。したがって、酸素の還元反応の生成物である過酸化水素と高分子電解質膜３を介して拡散する水を陰極電極５の内部から排出しないと、過酸化水素の生成能力が十分に得られないことが明らかになった。
【００２２】
そこで、上述した反応過程を詳細に検討した結果、本発明者らは、陰極電極における水の供給を周期的に行うことにより、水が陰極電極表面を覆っている時間を減らし、陰極電極に十分な量の酸素及び水素イオンを供給拡散させるとともに、水素イオン伝導性の電解質膜と陰極電極に蓄積した生成物である過酸化水素を速やかに除去することができ、高濃度な過酸化水素が蓄積することを抑制できることを見出した。これにより、反応式（２）の反応を促進し、過酸化水素の生成能力を低下させないように工夫している。過酸化水素の生成効率を向上させることができる。
【００２３】
具体的な陰極水槽１１における水１３の水位制御方法としては、バッファタンク１５に貯えられた水を水位制御装置１７により液送ポンプ１４で周期的に、陰極水槽１１に注入、排出することにより陰極水槽１１の水位１６を周期的に変化させ、陰極電極５表面における水の濡れ時間の制御を行っている。陰極電極５への酸素の供給方法としては、陰極水槽１１の水１３を昇降させる際に空気中の酸素が水１３に取り込まれる酸素を利用する。バッファタンク１５の容量は、想定される陰極水槽１１の最大水量をＶとすると、Ｖ以上の容量を持つバッファタンクを用意すればよく、水の供給及び排出の速度を制御できる液送ポンプ１４を備えた手段を用いることができる。液送圧力や流量は電解セル２のサイズや必要とされる過酸化水素生成量により設定すればよいが、液送ポンプ１４からの吐出圧力の変動が小さいものが望ましい。液送ポンプ１４としては、一定の空間容積にある液を往復運動または回転運動にて容積変化させ液体にエネルギーを与える容積形ポンプが望ましい。容積形ポンプとしては、ピストンポンプ、プランジャーポンプ、ダイヤフラムポンプ、ローターや歯車の回転運動により吸込と吐出し作用を行う回転ポンプなどが使用できる。
【００２４】
陰極水槽１１に供給する水１３としては、イオン交換水や水道水を用いることが望ましい。水道水であれば、カルキ、トリハロメタンなどをフィルタで除去した水であって、電気伝導度が１０ｍＳｃｍ−１以下であれば使用することができる。
【００２５】
このように、実施の形態１の過酸化水素製造装置によると、水位制御装置により陰極電極における水の供給を周期的に水位を昇降させることにより行い、陰極電極に十分な量の酸素を供給拡散させるとともに、陰極電極表面を洗い流すことにより、電解質膜や陰極電極に生成、蓄積される過酸化水素を効率よく排出させ、過酸化水素が高濃度に蓄積されることを抑制して、過酸化水素の生成効率を上げることができるといった従来にはない顕著な効果を得ることができる。
【００２６】
なお、実施の形態１では、水素イオン伝導性を有する電解質膜として高分子電解質膜３のパーフルオロスルホン酸膜を使用する場合について述べたが、気体を透過せず、電気絶縁性があり、水分及び水素イオンのみを伝導する材料であればよく、他にポリベンゾイミダゾール系イオン交換膜、ポリベンズオキサゾール系イオン交換膜、ポリアリーレンエーテル系イオン交換膜なども用いることができ、このとき高分子電解質膜３中に含まれる水の分子数に対して約２〜６倍のリン酸分子を添加すると水素イオン伝導性が高まり、過酸化水素の生成効率を改善できる。また、陰極電極５の炭素系基材として、炭素繊維以外にも、カーボンナノファイバ（太さ１０〜１００ｎｍ）、黒鉛または層間にアルカリ金属を挿入した黒鉛、単層または多層のカーボンナノチューブ（太さ１０ｎｍ以下）、繊維状活性炭または粒子状活性炭を用いることができる。
【００２７】
また、実施の形態１では、水槽８を電解セル２と隔壁９により、陽極水槽１０と陰極水槽１１に分割しているが、隔壁を設けずに電解セル２で分割してもよい。
【００２８】
〔実施例１〕
図３は、実施の形態１の過酸化水素製造装置を用いた実施例１による過酸化水素生成特性の測定結果を示す。過酸化水素製造装置全体については、図１に示すものを使用した。電解セル２を構成する材料としては、陽極電極４の基材は、チタン製エキスパンドメタル（１インチ平方あたりのメッシュ数８０、線径０．１ｍｍ）、酸化触媒は酸化イリジウム（担持密度０．６ｍｇ／ｃｍ２、無電解めっきで形成）を用いた。陰極電極５は、炭素繊維（繊維径１０μｍ、空隙率７０％）を基材としてその上に、炭素粉末と高分子電解質（パーフルオロスルホン酸）粉末を分散した溶液を重量比で１：３の割合で混合し、５０〜４００μｍ厚で塗布した後、５０℃、真空下で乾燥して還元触媒層５ｂを形成した。高分子電解質膜３はパーフルオロスルホン酸である。
【００２９】
過酸化水素の生成条件としては、印加電圧が２．５Ｖ、温度が２５℃、導入する酸素ガス流量が１０ｃｃ／ｍｉｎ、陽極電極４と陰極電極５の面積が９ｃｍ２、陽極水槽１０には常温のイオン交換水を５０ｃｃ入れた。また、陰極水槽１１には常温のイオン交換水を１００ｃｃ入れた。陰極電極５で生成された過酸化水素は陰極水槽１１内に徐々に蓄積される。過酸化水素濃度の経時変化は、紫外線吸光光度計（図示せず）を取付けて、１８０〜２５０ｎｍの範囲の波長を用いて測定した。
【００３０】
実施例１においては、水位制御装置１７により、５分を一周期として、陰極水槽１１の水１３の水位１６を昇降させた。昇降する範囲としては、陰極電極５が完全に水没する位置（図１の位置Ａ）から完全に露出する位置（図１の位置Ｄ）とした。陰極電極５の浸漬時間を変化させて過酸化水素の生成速度との関係を調べた。ここで、定義した浸漬時間とは、陰極電極５の各部位における浸漬時間を平均化したものである。つまり、図１のＸ軸に沿った陰極電極５の実質の浸漬時間をＴ（Ｘ）とすると、浸漬時間＝１／Ｘ０×∫Ｔ（Ｘ）ｄＸで表される。ここで、図１における位置ＡをＸ＝Ｘ０、位置ＤをＸ＝０とする。図３に実施例１での過酸化水素の生成速度（単位時間あたりの生成量）を示す。過酸化水素の生成速度は２００時間連続通電した後の値である。陰極電極５を常時浸漬した場合（浸漬時間５分）や陰極電極５を浸漬しなかった場合（浸漬時間０分）と比較して、浸漬時間が１〜４分の場合には過酸化水素の生成速度が向上した。特に、浸漬時間１〜３分の場合には生成速度が０．２ｍｇ／ｈｒ以上となり、常時浸漬した場合と比較して、１０倍以上の生成速度が得られた。
【００３１】
次に、陰極水槽１１の水１３の昇降により過酸化水素の生成速度が増加するメカニズムを図４に示す。陰極電極５は通電による発熱で局所的に温度が高く、気液界面近傍の界面張力が低くなっている。水位１６の上昇時（図４（ａ））には、気液界面近傍の界面張力の変化の影響により、界面張力が低い箇所から高い箇所に水の流れ２４が発生する。この流れにより高分子電解質膜３と陰極電極５に蓄積した生成物である過酸化水素２５（Ｈ２Ｏ２）を効率よく排出することが可能になる。一方、水位１６の下降時（図４（ｂ））には、上昇時と比較して陰極電極５の温度上昇は小さいが、気液界面近傍の界面張力の変化の影響により、界面張力が低い箇所から高い箇所に水の流れ２４が発生する。この流れにより高分子電解質膜３と陰極電極５に蓄積した過酸化水素２５（Ｈ２Ｏ２）を効率よく排出することができる。また、水位１６の下降時には水面が陰極電極５の表面に引っ張られることで、気液界面上方に薄い水膜が形成されるが、その水膜を介して気相からの酸素２６の取り込み速度が向上するという効果が得られる。
【００３２】
以上のことから、陰極水槽１１の水１３を昇降させることにより、陰極電極５の近傍に陰極電極５から離れる方向に流れが発生するので、陰極電極５近傍の過酸化水素が効率的に水中に排出される。また、水位１６の下降時には、気相からの酸素の取り込み速度が向上するという効果もある。その結果、陰極電極に十分な量の酸素及び水素イオンを供給拡散させるとともに、電解質膜や陰極電極に過酸化水素が高濃度に蓄積することを抑制できるので、過酸化水素の生成効率が上がるといった従来にはない顕著な効果を得ることができる。
【００３３】
〔実施例２〕
図５は、実施の形態１の過酸化水素製造装置を用いた実施例２による過酸化水素の生成速度の通電時間に対する経時変化特性の測定結果を示すものである。過酸化水素製造装置としては、図１に示すものを使用した。過酸化水素生成条件としては、印加電圧が２．５Ｖ、温度が２５℃、陽極電極４と陰極電極５の面積がそれぞれ９ｃｍ２である。電解セル２の材料、構成は、実施例１と同じであるので説明を省略する。
【００３４】
実施例２（図５のＡで示す）では、実施例１と同様、水位制御装置１７を制御して陰極電極５の浸漬時間を１分に設定した。ここで、浸漬時間とは、陰極電極５の各部位における浸漬時間を平均化したものである。つまり、図１のＸ軸に沿った陰極電極５の実質の浸漬時間をＴ（Ｘ）で定義すると、浸漬時間＝１／Ｘ０×∫Ｔ（Ｘ）ｄＸで定義される。ここで、図１における位置ＡをＸ＝Ｘ０、位置ＤをＸ＝０とする。比較例１として、陰極水槽１１の水位１６を図１の位置Ｂ（陰極電極５が７５％浸漬した状態）、及び比較例２として、水位１６を図１の位置Ｃ（陰極電極５が１０％浸漬した状態）で一定とした場合の過酸化水素生成速度（図５のＢ、Ｃで示す）をそれぞれ測定した。
【００３５】
陰極水槽１１の水位１６を昇降させた実施例２（図５のＡで示す）での過酸化水素の生成速度（単位時間あたりの発生量）は通電時間によらずほぼ一定であった。これに対して、水位１６を位置Ｂで一定とした比較例１（図５のＢで示す）では、初期の生成速度は０．２〜０．６ｍｇ／ｈｒと比較的高いが、通電時間が３０時間を過ぎると急激に性能が低下し、１２０時間後には０．０２ｍｇ／ｈｒ以下にまで減少した。また、水位１６を位置Ｃで一定とした比較例２（図５のＣで示す）では、開始直後に０．０２ｍｇ／ｈｒにまで急激に低下し、１２０時間後には、過酸化水素の生成がほぼ停止した。比較例１において、過酸化水素の生成能力が急激に低下したのは、高分子電解質膜３と陰極電極５に過酸化水素などの生成物が蓄積し、反応式（３）、（４）による過酸化水素が生成されない、もしくは消費する反応が進行したことが原因と考えられる。実施例２では、陰極電極５に十分な量の酸素及び水素イオンを供給拡散させるとともに、高分子電解質膜３や陰極電極５上に過酸化水素が高濃度に蓄積することを抑制できるので、長期間にわたり安定した過酸化水素の生成速度を実現している。このことからも、陰極水槽１１の水位１６を周期的に変化させることは、安定的に効率よく過酸化水素を生成する上で有効であることが確認できた。
【００３６】
〔実施例３〕
実施の形態１の過酸化水素製造装置１を用いた陰極水槽１１の水位１６の昇降速度を変えた場合における過酸化水素の生成速度との関係について検討した実施例３の結果について述べる。水位制御装置１７を操作して、陰極電極５表面の浸漬時間を一定に保持した状態で水位１６の上昇速度及び下降速度を０．１〜１００ｍ／ｓの範囲で変化させた。過酸化水素生成条件としては、印加電圧が２．５Ｖ、温度が２５℃、陽極電極４と陰極電極５の面積がそれぞれ９ｃｍ２である。ここで、浸漬時間を３分と一定に設定した。電解セル２の材料、構成は、実施例１と同じであるので説明を省略する。ここで、浸漬時間とは、実施例１、２と同様、陰極電極５の各部位における浸漬時間を平均化したものである。つまり、図１のＸ軸に沿った陰極電極５の実質の浸漬時間をＴ（Ｘ）で定義すると、浸漬時間＝１／Ｘ０×∫Ｔ（Ｘ）ｄＸで定義される。ここで、図１における位置ＡをＸ＝Ｘ０、位置ＤをＸ＝０とする。
【００３７】
図６に実施例３での過酸化水素生成速度（単位時間あたりの発生量）を示す。陰極水槽１１の水位１６の上昇速度１ｍｍ／ｓ、下降速度を１ｍｍ／ｓに設定した場合の過酸化水素生成速度を１００とした場合に対する相対値を示す。この図から、水位１６の上昇速度は５０ｍｍ／ｓ以下が望ましく、また、水位下降速度は１０ｍｍ／ｓ以下が望ましいことが分かった。ただし、上昇速度と下降速度を同時に極端に小さくすると、１周期あたりに必要な時間が長くなってしまい、陰極水槽１１の水位１６を変化させない場合と大差がなくなるため、水位１６を昇降させる効果が小さくなる。具体的には、水位１６が陰極電極５の任意の２点の間を移動する昇降の周期は１時間以下に設定することが望ましい。水位１６の上昇速度及び下降速度を０．１ｍ／ｓ以下に設定すると、気液界面付近の温度変化が小さくなり界面張力の差が急激に小さくなる。従って、水位１６の上昇速度及び下降速度は０．１ｍ／ｓ以上に設定することが望ましい。更に安定して過酸化水素生成を行うためには、水面１６の上昇速度を０．１〜５０ｍｍ／ｓ、水面の下降速度を０．１〜１０ｍｍ／ｓに設定することが望ましい。
【００３８】
実施の形態２．
図７は、本発明の実施の形態２における過酸化水素製造装置を示す概略断面図である。
図７に示すように、実施の形態２における過酸化水素製造装置には、実施の形態１の水位制御装置１７の他、酸素を含むガスを発生するガス発生装置２７が設けられ、このガス発生装置２７で発生されたガスを陰極水槽１１の水１３に供給するガス供給管２８が設けられ、このガス供給管２８の先端の孔２９から酸素を含むガスの気泡３０として、陰極水槽１１の水１３に導入される。実施の形態２の過酸化水素製造装置において、図１と同一符号は、同一または相当部分を示すので、説明を省略する。
【００３９】
次に、実施の形態２の過酸化水素製造装置にガス発生装置を設置した場合の動作について説明する。実施の形態１では、陰極電極５への酸素の供給方法としては、陰極水槽１１の水位１６を昇降させる際に空気中から取り込まれる酸素を利用しているが、実施の形態２では、さらに効率よく酸素を陰極電極５に供給するために、ガス供給手段としてのガス発生装置２７を別途設置して、酸素を含むガスをガス供給管２８の先端に設けた孔２９から水１３の中に導入するものである。これにより、水には十分な酸素を含ませた状態に保つことができ、陰極電極５に安定的に酸素を供給し、高い効率で過酸化水素を生成することができる。
【００４０】
ガス供給管２８の材料としては、アクリル、塩化ビニル、ガラス、ＴｉＯ２、酸化アルミ、カーボンなどの親水性を有するものを用いると、気泡３０が孔２９から離れやすくなるため微細な気泡を形成できる。具体的にはこれにより０．１ｍｍ程度まで気泡を微細化できる。微細な気泡を形成すれば、陰極電極５表面により均一に酸素と水を同時に供給できるので、電解セル２のより安定した運転を実現できる。また、陽極水槽１０、陰極水槽１１及びガス供給管２８の材料としては、過酸化水素に対する分解性能が低いものがよく、樹脂材料全般、チタン、カーボン、ガラス、金などを用いることができる。一方、ステンレス鋼、銅、白金、マンガン、マンガン酸化物、パラジウム、鉄などを含む材料を用いるとその表面において過酸化水素が分解されるため望ましくない。
【００４１】
また、陰極水槽１１での水中、もしくは陰極電極５表面近傍において、ガス発生装置２７によって形成された気泡３０同士の融合を防止する目的で、水１３に添加剤を加えてもよい。具体的には、酢酸や、カルボキシル基以外の親水性の残基（−ＯＨ、−ＮＨ２（第１アミン）、−ＮＨ−（第２アミン）、−Ｎ＜（第３アミン）、−Ｃ（Ｏ）ＮＨ−（ペプチド結合）、−Ｃ（Ｏ）ＮＨ２（第１アミド）、（−Ｃ（Ｏ））２ＮＨ（第２アミド）、（−Ｃ（Ｏ））３Ｎ（第３アミド）、−Ｏ−、−ＳＯ３Ｈ、−ＰＯ４Ｈ、−Ｆ、−ＮＯ２、−Ｓ（Ｏ）−、−ＣＮなど）を持つ有機酸（カルボン酸）が使用可能である。また、水に対し、残基（カルボキシル基）の濃度が０．００１〜１ｍｏｌ／Ｌとなるように用いると好ましく、０．０１〜０．２ｍｏｌ／Ｌとなるように用いるとさらに好ましい。残基の濃度が０．００１ｍｏｌ／Ｌよりも低い場合、発生する気泡の径が大きくなってしまう傾向があり、残基の濃度が１ｍｏｌ／Ｌよりも高い場合には、浮上した気泡がなかなか消滅しない傾向がある。なお、ここで残基の濃度とは、分子の濃度に１分子中の残基（この例ではカルボキシル基）の数を乗じた値を意味する。また、この水のｐＨは、４以下であると好ましく、３以下であるとさらに好ましい。水のｐＨが４よりも大きい場合、発生する気泡の径が大きくなってしまう傾向がある。一方、無機化合物を添加する場合には、塩化ナトリウム、塩化カリウム、硫酸ナトリウム、硫酸カリウムなどの強電離性の塩を用いるのがよい。塩濃度は０．１重量％以上にするのが望ましい。
【００４２】
このように、実施の形態２の過酸化水素製造装置によると、水位制御装置により陰極電極における水の供給を周期的に行い、水位を昇降させることと、ガス発生装置により酸素を含むガスを陰極水槽の水に供給することにより、陰極電極に十分な量の酸素を供給拡散させるとともに、陰極電極表面を洗い流すことにより、電解質膜や陰極電極に生成、蓄積される過酸化水素を効率よく排出させ、過酸化水素が高濃度に蓄積されることを抑制して、過酸化水素の生成効率を上げることができるといった従来にはない顕著な効果を得ることができる。
【００４３】
実施の形態３．
図８は、本発明の実施の形態３における過酸化水素製造装置を示す概略断面図である。
図８に示すように、実施の形態３における過酸化水素製造装置には、水供給手段として、水供給装置３１から水供給管３２を通して陰極電極５表面に水を噴霧する回転機構を有するノズル３３が設けられ、陰極水槽１１の水１３を循環配管３４、送水ポンプ３５により水供給装置３１に循環送水する。実施の形態３の過酸化水素製造装置において、図１と同一符号は、同一または相当部分を示すので、説明を省略する。
【００４４】
次に、実施の形態３の過酸化水素製造装置の動作について説明する。実施の形態１では、陰極電極５への酸素の供給方法としては、陰極水槽１１の水１３を昇降させる際に空気中から取り込まれる酸素を利用しているが、実施の形態３では、水供給装置３１とノズル３３により水が陰極電極５に向かって噴霧される際に取り込まれる空気中の酸素を利用している。陰極水槽１１の底部から水１３を送水ポンプ３５により循環配管３４を通して水供給装置３１に送水し、水供給管３２の先端部に取り付けられたノズル３３をスキャンさせながら、水を陰極電極５表面に噴霧する。水がノズル３３から陰極電極５に噴霧される際に、取り込まれる空気中の酸素を陰極電極５に供給する。ノズル３３は上下左右に走査可能で、水が万遍なく陰極電極５表面に噴霧される。これにより、陰極電極５に安定的に酸素を供給し、高い効率で過酸化水素を生成することができる。また、高分子電解質膜３と陰極電極５で生成された過酸化水素を噴霧水で常に洗い流すことにより、高濃度の過酸化水素が高分子電解質膜３や陰極電極５に蓄積されないので、過酸化水素の生成を阻害することがなく、効率よく過酸化水素を生成することができる。水１３に過酸化水素が蓄積され、過酸化水素水として利用できる。
【００４５】
このように、実施の形態３の過酸化水素製造装置によると、水供給装置により陰極電極表面に向かってノズルから水を噴霧することにより、陰極電極に十分な量の酸素を供給拡散させるとともに、陰極電極表面を洗い流すことにより、電解質膜や陰極電極に生成、蓄積される過酸化水素を効率よく排出させ、過酸化水素が高濃度に蓄積されることを抑制して、過酸化水素の生成効率を上げることができるといった従来にはない顕著な効果を得ることができる。
【００４６】
〔実施例４〕
実施の形態３の過酸化水素製造装置において、図８に示した回転機構を有するノズル３３によって陰極電極５に水を噴霧した場合の過酸化水素生成特性について詳細に検討した結果について述べる。水１３の水位１６を図１に相当するＡ〜Ｄの間の任意の位置に設定した後、水供給装置３１とノズル３３を回転操作して、陰極電極５に対して連続的、断続的に水を供給した。過酸化水素生成条件としては、印加電圧が２．５Ｖ、温度が２５℃、陽極電極４と陰極電極５の面積が９ｃｍ２である。噴霧する水の流量は０．１〜１０Ｌ／ｍｉｎ、ノズル３３から陰極電極５への噴霧角度αは−９０〜９０度、ノズル３３の先端から陰極電極５までの距離は１ｍｍ〜１００ｍｍ、浸漬時間は３分で一定に設定した。電解セル２を構成する材料は、実施例１と同じであるので説明を省略する。ここで、浸漬時間とは、陰極電極５の各部位における浸漬時間を平均化したものである。つまり、図１に相当するＸ軸に沿った陰極電極５の実質の浸漬時間をＴ（Ｘ）で定義すると、浸漬時間＝１／Ｘ０×∫Ｔ（Ｘ）ｄＸで定義される。ここで、図１に相当する位置ＡをＸ＝Ｘ０、位置ＤをＸ＝０とする。
【００４７】
ノズル３３から陰極電極５に向かって噴霧された水は陰極電極５の表面を伝って陰極水槽１１に回収される。従って、ノズル３３の走査速度を調節することにより、陰極電極５の各部位の浸漬時間が制御され、陰極電極５の全体の平均浸漬時間を制御することが可能である。また、ノズル３３の噴霧角度αの変化速度を調節すると、陰極電極５上に形成される気液界面の移動速度を制御することも可能である。ノズル３３の形状として、ライン状のスリットを持つものを用いると陰極電極５を図８の紙面に垂直な方向においても同等の条件を実現することができる。また、円状に穴の開いたノズルを使用する場合には、図８の紙面に垂直な方向にノズルを複数設置することが望ましい。実施例４においては、実施の形態３における水供給装置３１を制御して５分を一周期として、ノズル３３からの水の噴霧パターンを変化させた。また、陰極水槽１１の水１３の水位１６は図１のＤの位置に設置した後、ノズル３３から水の噴霧を行った。
【００４８】
実施例４での過酸化水素の生成速度（単位時間あたりの生成量）を評価した結果を以下に示す。陰極電極５を常時浸漬した場合（浸漬時間５分）や陰極電極５を浸漬しなかった場合（浸漬時間０分）と比較して、浸漬時間０．８〜４．２分の場合には過酸化水素生成速度が向上した。特に、浸漬時間１．２〜３．２分の場合には生成速度が０．２ｍｇ／ｈｒ以上となり、常時浸漬した場合と比較して、１０倍以上の生成速度が得られた。また、ノズル３３の噴霧角度αを調節して気液界面の移動速度を変化させて過酸化水素発生速度を調べた。陰極電極５上において水が陰極電極５面に沿う方向に移動する速度を１ｍｍ／ｓに設定した場合の生成速度を１００とすると、移動速度が１０ｍｍ／ｓ以上では４０以下に低下し、５０ｍｍ／ｓ以上では２０以下に低下した。逆に、移動速度を０．１ｍｍ／ｓ以下にしても、相対的な過酸化水素生成速度は１０以下に低下した。
【００４９】
陰極電極５上における気液界面の移動速度に極端に小さくすると、１周期あたりに必要な時間が長くなってしない、陰極水槽１１の水位１６を変化させない場合と大差なくなるため、噴霧の効果が小さくなる。具体的には、ノズル３３からの水の噴霧パターンの１周期は１時間以下に設定することが望ましい。また、水噴霧の効果を最大限発揮させるには、陰極電極５の全体に噴霧する方が良いので、ノズル３３から水の噴霧を開始する前には、水位１６を図１のＤの位置（陰極電極５が浸漬しない位置）か、それ以下の位置に設定することが望ましい。
【００５０】
実施の形態４．
図９は、本発明の実施の形態４における過酸化水素製造装置を示す概略断面図である。
図９に示すように、実施の形態４における過酸化水素製造装置には、実施の形態１の水位制御装置１７の他、酸素を含む有機ガス３６を発生するガス発生装置３５が設けられ、このガス発生装置３５で発生された有機ガス３６が、ガス供給管３７を通して陰極水槽１１の水１３に供給される。実施の形態４の過酸化水素製造装置において、図１と同一符号は、同一または相当部分を示すので、説明を省略する。
【００５１】
次に、実施の形態４の過酸化水素製造装置の動作について説明する。
実施の形態４では、ガス発生装置３５において、酸素を含む有機ガス３６を発生させ、この有機ガス３６を陰極電極５の上方に設置されたガス供給管３７の先端部から陰極水槽１１の気相へ有機ガス３６を供給し、酸素を電解セル２へ供給することによって過酸化水素の生成を行うものである。
【００５２】
有機ガス３６を導入することにより、有機物が水１３に徐々に溶解し、水１３の水面近傍の有機物濃度が上昇する。一般的に有機物の界面張力は水と比較して小さいため、有機物の添加がない場合と比較して、気液界面付近の水の界面張力をより小さくすることが可能である。水位の昇降時には、気液界面近傍の界面張力の変化の影響により、界面張力が低い所から高い所に流れが発生する。したがって、有機物と酸素を陰極電極５に接触する気相部分に供給することで、有機物がない場合と比較して、気液界面付近の水の界面張力をより小さくすることが可能であり、陰極水槽１１の水１３の水位１６を昇降させると陰極電極５付近でより大きな水の流れ発生させることができる。この流れにより、水素イオン伝導性の電解質膜や陰極電極に蓄積した過酸化水素を効率よく排出させることができる。
【００５３】
ここで、ガス供給管３７は水没しないことが望ましい。このため、水位センサ（図示しない）によって陰極水槽１１の水位１６を監視し、水位１６がガス供給管３７よりも低い場合にのみ、有機ガスの供給を行うようにする。
【００５４】
このように、実施の形態４の過酸化水素製造装置によると、水位制御装置により陰極電極における水の供給を周期的に行い、水位を昇降させることと、有機物を陰極水槽の水に添加にすることにより、気液界面付近の水の界面張力をより小さくすることで、水位の昇降に伴って生じる水の流れをより大きくさせて、陰極電極に十分な量の酸素を供給拡散させるとともに、電解質膜や陰極電極に生成、蓄積される過酸化水素をより効率よく排出させ、過酸化水素が高濃度に蓄積されることを抑制して、過酸化水素の生成効率を上げることができるといった従来にはない顕著な効果を得ることができる。
【００５５】
〔実施例５〕
実施の形態４の過酸化水素製造装置を用いて、有機物と酸素を含む有機ガスを陰極電極５に接触する気相部分に供給した。ガス発生装置３５に導入する有機物としては、例えば、エチルグリコール（ｅｔｈｌｇｌｙｃｏｌ）、１−プロパノール（１−ｐｒｏｐａｎｏｌ）、２−プロパノール（２−ｐｒｏｐａｎｏｌ）、テトラヒドロフラン（ｔｅｔｒａｈｙｄｒｏｆｕｒａｎｅ）、４−オキシ−４メチル−２ペンタモーン（４−ｈｙｄｒｏｘｙ−４−ｍｅｔｈｌ−２−ｐｅｎｔａｍｏｎｅ）、１−ブタノール（１−ｂｕｔａｎｏｌ）、２−ブタノール（２−ｂｕｔａｎｏｌ）、メタノール（ｍｅｔｈａｎｏｌ）、エタノール（ｅｔｈａｎｏｌ）、イソプロピルアルコール（ｉｓｏｐｒｏｐｙｌａｌｃｏｈｏｌ）、アセトン（ａｔｅｔｏｎｅ）、ｎ−プロピルアルコール（ｎ−ｐｒｏｐｙｌａｌｃｏｈｏｌ）または、ジメチルエーテル（ｄｉｍｅｔｈｌｅｔｈｅｒ）を用いることができる。
２５℃における水の界面張力が７２．７５ｄｙｎ／ｃｍであるのに対して、メタノールは２４ｄｙｎ／ｃｍ、エタノールは２４．１ｄｙｎ／ｃｍ、ｎ−プロピルアルコール及びイソプロピルアルコールは２２．９ｄｙｎ／ｃｍ、アセトンは２６．３ｄｙｎ／ｃｍの表面張力を有する。
【００５６】
前記の有機物が陰極電極５の気液界面に溶解されると、実施例１で説明した気液界面近傍の界面張力の変化の影響で発生する流れの強度を更に強化することができる。また、水位１６の下降時には水位１６が陰極電極５の表面に引っ張られることで引き起こされる気相からの酸素の取り込み速度も更に強化することができる。
【００５７】
実施例５においては、過酸化水素生成条件として、印加電圧が２．５Ｖ、温度が２５℃、陽極電極４と陰極電極５の面積が９ｃｍ２である。電解セル２を構成する材料は、実施例１と同じであるので説明を省略する。有機物としては、エチレングリコール、ブタノール、１−プロパノール、エタノール、メタノールを用いて、その添加濃度を０．０１〜１０％の範囲で変化させた場合の過酸化水素発生速度を評価した。図１０は、実施例５での過酸化水素生成速度（単位時間あたりの発生量）であり、エチレングリコール１％の場合の過酸化水素発生速度を１００とした場合の相対値を示す。エチレングリコール（Ａ）、ブタノール（Ｂ）、１−プロパノール（Ｃ）、エタノール（Ｄ）、メタノール（Ｅ）のいずれにおいても有機物濃度が０．０１％以下では生成速度が３０以下、１０％以上では生成速度は５０以下となった。有機物濃度が０．０１％以下では有機物による界面張力の変化が十分でなく、有機物の添加の効果が見られなかったものと考えられる。一方、１０％以上では添加した有機物は過酸化水素との反応によって酸化され、過酸化水素を消費したため生成速度が低下したと考えられる。従って、添加する有機物濃度は０．０１〜１０％の範囲が望ましい。更に安定して過酸化水素を発生するには、添加する有機物濃度を０．１〜１０％の範囲に設定することが望ましい。
【００５８】
有機ガス３６の水１３への溶解に伴って、水１３中の有機物濃度が増大する。電気分解によって生成した過酸化水素は有機物と反応する可能性があるが、水１３に含まれる全有機炭素量が１００ｍｇ／Ｌを超えると過酸化水素の分解速度が０．１ｍｇ／ｈｒを超えることがわかった。過酸化水素の生成速度が最大で０．２〜０．４ｍｇ／ｈｒ程度なので、全有機炭素量は１００ｍｇ／Ｌを超えないことが望ましい。また、全有機炭素量が１００ｍｇ／Ｌ以下であっても、水１３の溶存有機物濃度が飽和濃度に到達すると、気液界面近傍と離れた位置での濃度が同等となる。水１３内の有機物濃度が均一となると気液界面付近の水の界面張力が界面から離れた位置の界面張力が同等となり、水位の昇降時に発生する流れが弱められる。具体的には水１３の溶存有機物濃度は、気相に存在する有機物濃度に対する飽和濃度の１／５以下に制御することが望ましい。制御方法としては、有機濃度が高濃度化する前に過酸化水素水を取り出す、新たに水を追加する、もしくは有機物を吸収する吸着剤を投入するなどが考えられる。なお、使用する有機物は前記のいずれかの単体または混合物であってもよい。
【００５９】
以上のことから、有機物の添加により陰極電極５の近傍に陰極電極５から離れる方向に発生する流れが大きくなるので、陰極電極５近傍の過酸化水素が効率的に水中に排出される。また、水位１６の下降時には、気相からの酸素の取り込み速度も向上するという副次的効果もある。
【００６０】
なお、本発明の実施の形態１から実施の形態４の説明では、高分子電解質膜３として、パーフルオロスルホン酸膜を使用する場合について述べたが、気体を透過せず、電気絶縁性があり、水分及び水素イオンのみを伝導する材料であればよく、他にポリベンゾイミダゾール系イオン交換膜、ポリベンズオキサゾール系イオン交換膜、ポリアリーレンエーテル系イオン交換膜なども用いることができる。さらに、高分子電解質膜３中に含まれる水の分子数の約２〜６倍のリン酸分子を添加すると水素イオン伝導性が高まり、過酸化水素の生成効率が改善される。
【００６１】
また、陰極電極材料としては、実施の形態で述べた炭素繊維以外にも、基材として、カーボンナノファイバ（太さ１０〜１００ｎｍ）、黒鉛または層間にアルカリ金属を挿入した黒鉛、単層または多層のカーボンナノチューブ（太さ１０ｎｍ以下）、繊維状活性炭または粒子状活性炭を用いることができる。
【００６２】
実施の形態５．
図１１は、本発明の実施の形態５における空調機の熱交換器部を示す概略断面図である。
熱交換器を有する空調機に過酸化水素製造装置を設置したもので、空気中の水蒸気は熱交換器３８の表面において冷却され、熱交換器３８の表面で凝縮され凝縮水３９となる（凝縮水のことを以下「ドレン水」と呼ぶ）。熱交換器３８の表面は親水化処理されているため、ある一定以上の凝縮水３９が付着すると自然落下を始めて、ドレン水４０として、ドレンパン４１にて回収される。次に、ドレン水４０は水供給手段４２によって一定速度で過酸化水素製造装置４３に供給され、生成された過酸化水素水４５は過酸化水素水供給手段４４によって熱交換器３８の表面に散布され、熱交換器３８の表面に発生、付着するカビや細菌などを除去する。
【００６３】
水供給手段４２、過酸化水素水供給手段４４としては、液送ポンプなどの動力や、繊維状の吸水性シートの毛管現象、超音波噴霧などを利用することができる。吸水性のシートとしては、パルプとポリエチレン繊維を編んだシートやセラミック繊維、ガラス繊維からなるシートを用いることができる。特に、過酸化水素水４５を熱交換器３８へ供給する場合には、過酸化水素との反応性の低い、セラミック繊維、ガラス繊維を用いるのが好ましい。
【００６４】
このように、本発明の過酸化水素製造装置を設置した空調機によると、空調機内部にある熱交換器により凝縮された水を利用して、過酸化水素製造装置により製造された過酸化水素で熱交換器を洗浄することで、熱交換器の表面に発生するカビや細菌の発生を抑制することができるという効果がある。また、熱交換器の凝縮による空気中に存在する希薄な水を利用して過酸化水素を生成しているので、過酸化水素の生成に必要な水を確保できない環境下においても使用することができるという効果もある。
【００６５】
〔実施例６〕
図１２は、本発明の実施の形態５における過酸化水素製造装置を設置した空調機の熱交換器に付着させた菌体に対する除菌効果を実施例６による測定結果を示す。以下のような設定条件で試験を実施した。過酸化水素の生成条件としては、実施の形態１において、電流値０．５〜５Ａ、温度２５℃、供給する空気流量が２０〜１００ｃｃ／ｍｉｎ、陽極電極４と陰極電極５の面積が２０ｃｍ２である。また、電解セル２を構成する材料は実施例１と同様のものを用いた。
【００６６】
空気中の水蒸気は熱交換器３８の表面において冷却され、熱交換器３８の表面で凝縮されて凝縮水３９なる。熱交換器３８の表面は親水化処理されているため、単位面積あたり０．１ｍｇ／ｃｍ２以上の凝縮水３９が付着すると自然落下を始めて、ドレンパン４１に回収される。次に、ドレンパン４１のドレン水４０は水供給手段４２によって一定速度で過酸化水素製造装置４３の陽極電極に供給され、さらに、陰極電極には送風ファン（図示せず）によって送出された空気が供給される。生成された過酸化水素水４５は過酸化水素水供給手段４４によって熱交換器３８の表面に散布される。予め熱交換器３８の表面には大腸菌を１ｃｍ２あたり９００個生息させておき、過酸化水素製造装置４３により生成された過酸化水素水溶液を散布した場合の大腸菌の菌体数を測定した。水供給手段４２としては、厚さが０．２５ｍｍから３ｍｍ、線径０．１μｍから１００μｍのガラス繊維を主成分とする無機酸化物からなる幅４０ｍｍ、長さ３０ｃｍの複合ペーパを用いた。過酸化水素水供給手段４６には、超音波噴霧装置を用いた。噴霧速度としては２５０ｃｃ／ｈｒ、噴霧粒径は３μｍに設定した。
【００６７】
次に、熱交換器３８に生成された過酸化水素水４５を散布した場合における熱交換器表面の菌体数の変化について詳細に述べる。図１２において、電流値を０．５Ａに設定した場合の前記菌体数の時間変化を実線Ａで、電流値を５Ａに設定した場合の菌体数の時間変化を一点鎖線Ｂで示す。また、比較のために本実施例において電源をＯＦＦして、電流値を０Ａに設定した場合の菌体の時間変化を比較例として破線Ｃで示す。Ａ及びＢでは電源ＯＮとともに時間に伴って大腸菌の菌体数が減少し、減少速度は電流値に比例して増加した。これは、電流値に比例して過酸化水素濃度が増加したためと考えられる。Ａ及びＢでの過酸化水素の生成量はそれぞれ１２０ｐｐｍ、８００ｐｐｍであった。これに対して、比較例のＣでは、過酸化水素が生成されず、菌体数はほぼ８００〜９００個／ｃｍ２と一定で変化が認められなかった。
【００６８】
このように、過酸化水素の生成に必要な水を確保できない環境下において使用される空調機においても、熱交換器により凝縮された水を利用して本発明の過酸化水素製造装置により製造された過酸化水素で熱交換器を洗浄することにより空調機内部にある熱交換器の表面に発生するカビや細菌の発生を抑制できる効果があることが確認できた。
【００６９】
実施の形態６．
図１３は、本発明の実施の形態６における加湿器を示す概略断面図である。
過酸化水素製造装置を加湿器に設置したもので、空気を加湿するための水を貯めておく貯水タンク４６、貯水タンク４６から加湿用の水を加湿素子４７に送る配管４８と、加湿素子４７で余剰となった加湿水４９を回収するドレンパン５０、ドレンパン５０にて回収されたドレン水５１を貯水タンク４６に送る配管５２で構成されている。さらに、貯水タンク４６から過酸化水素を製造するための水を過酸化水素製造装置５３に供給する水供給手段５４と、過酸化水素製造装置５３で生成された過酸化水素水５５を加湿素子４７の表面に散布する過酸化水素水供給手段５６によって構成され、加湿素子４７の表面に発生、付着するカビや細菌などを過酸化水素水５５により除去し、洗浄に使用された過酸化水素水５５はドレンパン５０にて回収される。
【００７０】
水供給手段５８、過酸化水素水供給手段６０としては、液送ポンプなどの動力や、繊維状の吸水性シートの毛管現象、超音波噴霧などを利用することができる。吸水性のシートとしては、パルプとポリエチレン繊維を編んだシートやセラミック繊維、ガラス繊維からなるシートを用いることができる。特に、過酸化水素水５９を加湿素子５１へ送出する場合には、過酸化水素との反応性の低い、セラミック繊維、ガラス繊維を用いるのがよい。
【００７１】
このように、加湿器で水分が蓄積しやすい部分、特に加湿素子、ドレンパンなどはカビが発生しやすいという問題があるが、加湿用の水の一部を利用して本発明による過酸化水素製造装置により過酸化水素水を生成させて加湿素子を洗浄することにより、カビや細菌の発生を抑制する効果がある。また、一度、過酸化水素水を供給した場所が乾燥した場合でも、過酸化水素は水と比較して蒸気圧が１／１０程度であるので蒸発しにくいため、過酸化水素が濃縮されてカビや細菌の除菌効果は飛躍的に向上する。
【００７２】
実施の形態７．
図１４は、本発明の実施の形態７における空気清浄機を示す概略断面図である。
過酸化水素製造装置を業務用に使用される空気清浄機５７に設置したもので、空気を循環させる送風機５８、温湿度調整を行なう冷却コイル５９及び加熱コイル６０及び過酸化水素水を空気と接触させる水膜を形成する除菌エレメント６１が装置内部に設置されて空気清浄機５７が構成されている。また、除菌エレメント６１に過酸化水素水を供給するための手段として過酸化水素製造装置６２が設けられ、生成された過酸化水素水がポンプ６３、流量調整弁６４を介して、散水ヘッダ６５より除菌エレメント６１に供給されるように構成されている。そして、除菌エレメント６１設置側（図１４中、左側）から、除菌対象となる空気６６が空気清浄機５７内に吸引されるように構成されている。また、水膜を形成する除菌エレメント６１の中央部にはパッドが配設され、その上面には分散マット（図示せず）が取付けられている。そして、この分散マットに流量調整弁６４に接続された散水ヘッダ６５を介して過酸化水素水が供給されるように構成されている。さらに、除菌エレメント６１の下部にはドレンパン６７が配設され、パッドを流下した過酸化水素水を装置外部に排出できるように構成されている。
【００７３】
過酸化水素製造装置６２で生成された過酸化水素水はポンプ６３で吸い上げられ、流量調節弁６４を通して、散水ヘッダ６５により除菌エレメント６１の分散マットに噴霧される。一方、除菌対象となる空気６６は送風機５８により、空気清浄機５７本体に取り込まれ、除菌エレメント６１でカビや細菌が除去され、冷却コイル５９で冷やされ、除湿された後、加熱コイル６０で暖められ、清浄化された空気６８が、空気清浄機５７から取り出される。
【００７４】
なお、水膜を形成する除菌エレメント６１のパッドとして、保水性の高い吸水性素材を使用すると、過酸化水素の滴下量を低減することができるだけでなく、除菌対象となる空気との接触時間を長くすることができるので、除菌性能を向上させることができる。このパッドの材質としては、例えば、グラスファイバを骨材として焼成した複合セラミックスや、多孔質セラミックを用いることができる。また、ポリエステル、ポリエチレン等の化学繊維を用いた吸水性素材を用いてもよい。
【００７５】
このように、本発明による過酸化水素製造装置を業務用に使用される空気清浄機に設置することで、効率よく過酸化水素水を生成でき、除菌エレメントを過酸化水素により空気中に存在するカビや細菌を除去できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】実施の形態１における過酸化水素製造装置を示す概略断面図である。
【図２】実施の形態１における過酸化水素製造装置の電解セル部の構成を示す概略断面図である。
【図３】実施の形態１における過酸化水素製造装置を用いた実施例１による浸漬時間と過酸化水素生成速度の測定結果を示す図である。
【図４】実施の形態１における過酸化水素製造装置を用いた水位昇降による過酸化水素生成速度の増加メカニズムを示す図である。
【図５】実施の形態１における過酸化水素製造装置を用いた実施例２による通電時間と過酸化水素生成速度の測定結果を示す図である。
【図６】実施の形態１における過酸化水素製造装置を用いた実施例３による水位昇降と過酸化水素生成速度の測定結果を示す図である。
【図７】実施の形態２における過酸化水素製造装置を示す概略断面図である。
【図８】実施の形態３における過酸化水素製造装置を示す概略断面図である。
【図９】実施の形態４における過酸化水素製造装置を示す概略断面図である。
【図１０】実施の形態４における過酸化水素製造装置を用いた実施例５による有機溶剤蒸気濃度と過酸化水素生成速度の測定結果を示す図である。
【図１１】実施の形態５における空調機を示す概略断面図である。
【図１２】実施の形態５における空調機の実施例６による接触時間と菌体数の測定結果を示す図である。
【図１３】実施の形態６における加湿器を示す概略断面図である。
【図１４】実施の形態７における空気清浄機を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００７７】
１，４３，５３，６２  過酸化水素製造装置
２  電解セル
３  高分子電解質膜
４  陽極電極
５  陰極電極
１０  陽極水槽
１１  陰極水槽
１２，１３  水
１６  水位
１７  水位制御装置
１８  直流電源
２７  ガス発生装置
２８  ガス供給管
３１  水供給装置
２７  水供給管
３３  ノズル
３５  ガス発生装置
３７  ガス供給管
３８  熱交換器
４５，５５  過酸化水素水
４７  加湿素子
６１  除菌エレメント
５７  空気清浄機
【図１】
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【図２】
2010001519.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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