(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
陽極側基板の厚み方向を向く板面上に導電性ダイアモンド膜を成膜し、前記導電性ダイアモンド膜上に、イオン交換シートと陰極側電極板とをこの順に積層し、前記イオン交換シートには、厚み方向に貫通したシート側通水孔を設け、前記陰極側電極板には、厚み方向に貫通した陰極側通水孔を設け、前記シート側通水孔と前記陰極側通水孔とが連通するように配置し、前記シート側通水孔と前記陰極側通水孔が連通する箇所で、前記導電性ダイアモンド膜が露出し、それ以外の箇所の前記導電性ダイアモンド膜上には、前記イオン交換シートと前記陰極側電極板が積層されるように設けたことを特徴とする電解電極ユニット。
【請求項２】
前記陽極側基板の表裏両側の前記板面に、前記導電性ダイアモンド膜を成膜し、両側の前記導電性ダイアモンド膜上に、前記イオン交換シートと前記陰極側電極板をそれぞれ積層したことを特徴とする請求項１に記載の電解電極ユニット。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の電解電極ユニットと、前記電解電極ユニットを水道管内に配置する支持構造と、を具備することを特徴とする電解水生成装置。
【請求項４】
前記支持構造は、板状をなす前記電解電極ユニットを、その厚み方向が水道管の径方向を向くように配置するものであることを特徴とする請求項３に記載の電解水生成装置。
【請求項５】
前記支持構造は、前記電解電極ユニットを、その厚み方向に隙間をあけて複数配列するものであることを特徴とする請求項４に記載の電解水生成装置。
【請求項６】
前記支持構造は、板状をなす前記電解電極ユニットを、その厚み方向が水道管の流れ方向を向くように配置するものであることを特徴とする請求項３に記載の電解水生成装置。
【請求項７】
前記電解電極ユニットを通過する水道水を乱流化するためのバッフル構造を具備することを特徴とする請求項３〜６のいずれか一項に記載の電解水生成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水を電解処理するための電解電極ユニット及びこれを用いた電解水生成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水を電気分解して得られるオゾン水等の電解水は、殺菌、洗浄等の優れた作用を有するものであり、さらに、副生成物を生成しないという利点や、残留性がなく環境に優しいという利点がある。
【０００３】
このような電解水を生成するものとして、例えば特許文献１に開示されるような、二室分離構造の電解水生成装置がある。この電解水生成装置は、陰極が配される陰極室と、陽極が配される陽極室とを形成し、イオン交換膜を介して両室を区画した構造である。
【０００４】
また、特許文献２には、陰極と陽極とを一体に設けた電解電極ユニットが開示されている（図８参照）。この電解電極ユニットは、金属棒である陽極５０の周囲にイオン交換膜５１をスパイラル状に巻き付け、このイオン交換膜５１の周囲に、さらに金属線からなる陰極５２をスパイラル状に巻き付けた構造である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２６９６８６号公報
【特許文献２】特開２００６−３４６２０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に開示される電解水生成装置によれば、電解水を効率的に生成することはできるが、水路が二経路に分かれるので装置全体が大型化し、設置箇所が制限されるという問題や、高コスト化を招くという問題がある。
【０００７】
これに対して、特許文献２に開示される電解電極ユニットを用いれば、二室を分離形成する必要がなく、水路は一経路で済む。そのため、小型化や低コスト化を図ることはできる。しかし、この電解電極ユニットを組立てるにあたっては、上述したように、陽極の周囲に、イオン交換膜と陰極を順にスパイラル状に巻き付けていく必要がある。そのため、組み立てに手間がかかるという問題や、組み立て精度にばらつきが生じやすいという問題がある。また、組み立て後の管理、移送時等の取り扱い性においても問題がある。
【０００８】
本発明は前記問題点に鑑みて発明したものであって、水路が一経路で済むようにして小型化、低コスト化を図るとともに、手間をかけることなく高精度に組立てることができ、しかも組み立て後の管理、移送時等の取り扱い性も良好な電解電極ユニット、及びこれを用いた電解水生成装置を提供することを、課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するために本発明の電解電極ユニットを、下記構成を具備したものとする。
【００１０】
本発明の電解電極ユニットでは、陽極側基板の厚み方向を向く板面上に導電性ダイアモンド膜を成膜し、前記導電性ダイアモンド膜上に、イオン交換シートと陰極側電極板とをこの順に積層する。前記イオン交換シートには、厚み方向に貫通したシート側通水孔を設け、前記陰極側電極板には、厚み方向に貫通した陰極側通水孔を設け、前記シート側通水孔と前記陰極側通水孔とが連通するように配置する。そして、前記シート側通水孔と前記陰極側通水孔が連通する箇所で、前記導電性ダイアモンド膜が露出し、それ以外の箇所の前記導電性ダイアモンド膜上には、前記イオン交換シートと前記陰極側電極板が積層されるように設ける。
【００１１】
本発明の電解電極ユニットでは、前記陽極側基板の表裏両側の前記板面に、前記導電性ダイアモンド膜を成膜し、両側の前記導電性ダイアモンド膜上に、前記イオン交換シートと前記陰極側電極板をそれぞれ積層することも好適である。
【００１２】
また、前記課題を解決するために本発明の電解水生成装置を、下記構成を具備したものとする。
【００１３】
本発明の電解水生成装置では、上述した構成の電解電極ユニットと、前記電解電極ユニットを水道管内に配置する支持構造と、を具備する。
【００１４】
本発明の電解水生成装置において、前記支持構造は、板状をなす前記電解電極ユニットを、その厚み方向が水道管の径方向を向くように配置するものであることが好適である。
【００１５】
さらにこのとき、前記支持構造は、前記電解電極ユニットを、その厚み方向に隙間をあけて複数配列するものであることも好適である。
【００１６】
また、本発明の電解水生成装置において、前記支持構造は、板状をなす前記電解電極ユニットを、その厚み方向が水道管の流れ方向を向くように配置するものであることも好適である。
【００１７】
また、本発明の電解水生成装置においては、前記電解電極ユニットを通過する水道水を乱流化するためのバッフル構造を具備することも好適である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明は、手間をかけることなく高精度に組立てることができ、しかも小型化、低コスト化を図ることができるという効果や、組み立て後の管理、移送時等の取り扱い性も良好になるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の電解電極ユニットの一実施形態を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略側断面図である。
【図２】本発明の電解電極ユニットの他の実施形態を示す概略側断面図である。
【図３】本発明の電解水生成装置の一実施形態を示す概略側断面図である。
【図４】本発明の電解水生成装置の設置箇所を示す説明図である。
【図５】本発明の電解水生成装置の他の実施形態を示す概略側断面図である。
【図６】本発明の電解水生成装置の他の実施形態を示す概略側断面図である。
【図７】本発明の電解水生成装置の他の実施形態を示す概略側断面図である。
【図８】従来の電解水生成装置に用いる電解電極ユニットを示す概略側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明を、添付図面に示す実施形態に基づいて説明する。図１には、本発明の電解電極ユニットＡの一実施形態を示している。
【００２１】
この電解電極ユニットＡは、基板となる陽極側基板１の厚み方向をむく一方の板面上に、導電性ダイアモンド膜２と、イオン交換シート３と、陰極側電極板４とを、この順に三層に積層したものである。陽極側基板１、導電性ダイアモンド膜２、イオン交換シート３及び陰極側電極板４は、いずれも平面視において幅２０ｍｍ、長さ５０ｍｍ程度の矩形状をなす。
【００２２】
陽極側基板１としては、チタン、カーボン、タングステン、ニオブ又はケイ素を用いて形成した導電性基板が用いられる。なお、コストや耐久性の面から、陽極側基板１の材料としてはチタン又はカーボンを用いることが好ましい。
【００２３】
薄板状の陽極側基板１の平坦な板面上には、プラズマＣＶＤ法によって、ボロンドープにより導電性を付与した導電性ダイアモンド膜２を、３μｍ程度の膜厚となるように形成している。
【００２４】
イオン交換シート３は、プロトン導電型のイオン交換フィルムであり、１００〜２００μｍ程度の厚みを有する。この薄膜状のイオン交換シート３には、厚み方向に貫通したシート側通水孔５を、複数形成している。ここでは、各シート側通水孔５を同一の角穴形状に設け、複数のシート側通水孔５を一列に設けているが、他の形状及び配列に設けてもよい。イオン交換シート３の膜厚についても、例えば３００μｍ程度の他の厚みであってもよい。
【００２５】
陰極側電極板４としては、厚みが１ｍｍ程度の金属製（例えばＳＵＳ３０４製）の電極板を用いる。この陰極側電極板４には、厚み方向に貫通した陰極側通水孔６を、複数形成している。この陰極側通水孔６と、イオン交換シート３に形成したシート側通水孔５とは、同一又は互いに近似（相似等）した開口形状を有する。また、この陰極側通水孔６は、シート側通水孔５の配列と同一ピッチで、同一方向に列設されている。
【００２６】
本例の電解電極ユニットＡの組み立ては、陽極側基板１に成膜した導電性ダイアモンド膜２上にイオン交換シート３を載せ、このイオン交換シート３上にステンレス製の陰極側電極板４を載せたうえで、陰極側電極板４を陽極側基板１に固着することで行う。
【００２７】
このとき、イオン交換シート３と陰極側電極板４とは、互いの通水孔５，６が１対１で厚み方向に連通するように、その位置合わせを行う。これにより、互いの通水孔５，６が連通する箇所では、導電性ダイアモンド膜２が露出し、それ以外の箇所では、導電性ダイアモンド膜２上にイオン交換シート３と陰極側電極板４が積層される。
【００２８】
位置合わせにおいては、イオン交換シート３上に陰極側電極板４を被せた状態で、互いのスリット状の通水孔５，６が１対１で重なり合う位置を目視にて確認しながら行えばよく、容易に行うことができる。陰極側電極板４の固着は、陰極側電極板４と陽極側基板１をネジ固定することにより行うが、他の方法で固着してもよい。
【００２９】
この電解電極ユニットＡでは、図示のように、電源部８の陽極側を陽極側基板１に接続し、電源部８の陰極側を陰極側電極板４に接続する。つまり、この電解電極ユニットＡを水中に浸したうえで電源部８により電圧を印加するだけで、該水中にて電解処理がなされる。この際の電解処理については、後述の電解水生成装置Ｂにおいて改めて説明する。
【００３０】
本例の電解電極ユニットＡは、ユニット全体が薄板状に形成されるため、小型化及び低コスト化が実現されるとともに、管理、移送時等の取り扱い性も良好なものとなる。また、電解電極ユニットＡの組み立ては上述したような簡易な作業で済み、高精度に組立てることも容易である。
【００３１】
図２には、電解電極ユニットＡの他の実施形態を示している。この電解電極ユニットＡでは、陽極側基板１の厚み方向をむく表裏両側の板面において、導電性ダイアモンド膜２、イオン交換シート３及び陰極側電極板４を積層している。その他の基本的構成は、図１に示す実施形態と同様である。
【００３２】
つまり、他例の電解電極ユニットＡでは、基板となる陽極側基板１の両側の平坦な板面上に、プラズマＣＶＤ法にて導電性ダイアモンド膜２を形成する。そして、一方の導電性ダイアモンド膜２上にイオン交換シート３と陰極側電極板４を被せて位置合わせを行い、イオン交換シート３を挟み込んだ形で陰極側電極板４を陽極側基板１に固着する。他方の導電性ダイアモンド膜２上にも、同様の手順でイオン交換シート３と陰極側電極板４を積層する。このとき、表裏両側において、イオン交換シート３と陰極側電極板４の互いの通水孔５，６が連通するように位置合わせ行う。
【００３３】
この電解電極ユニットＡでは、図示のように電源部８の陽極側を陽極側基板１に接続し、陰極側を表裏両側の陰極側電極板４に接続する。
【００３４】
以上、電解電極ユニットＡの実施形態について述べた。以下においては、この電解電極ユニットＡを用いた電解水生成装置Ｂの実施形態について述べる。
【００３５】
図３には、電解水生成装置Ｂの一実施形態を示している。この電解水生成装置Ｂは、図１に示した電解電極ユニットＡに加えて、この電解電極ユニットＡを水道管中に配置するための支持構造１０を備えている。この支持構造１０は、水道管の一部をなす筒型の管路ハウジング１１からなる。管路ハウジング１１は、アクリル等の樹脂を用いて形成した非導電性の部材であり、その内周面に電解電極ユニットＡを固着させる構造を有している。
【００３６】
電解電極ユニットＡは、陽極側基板１のうち導電性ダイアモンド膜２を成膜した側が流路側に露出するように、管路ハウジング１１に固定される。陽極側基板１は、管路ハウジング１１にネジ等の固着具や接着剤で固着してもよいし、一部が埋設された状態でインサート成形してもよい。
【００３７】
管路ハウジング１１に固着される電解電極ユニットＡにおいて、シート側通水孔５とこれに対応する陰極側通水孔６とは一連の通水孔１２をなし、各通水孔１２が、導電性ダイアモンド膜２を流路側に露出させる。つまり、各通水孔１２を通じて、導電性ダイアモンド膜２の一部表面に水道水が順次供給される構造である。
【００３８】
管路ハウジング１１の内周面のうち電解電極ユニットＡと対向する箇所には、管路ハウジング１１内を流れる水道水を乱流化するためのバッフル構造１３を設けている。このバッフル構造１３は、複数のバッフル板１４を管路ハウジング１１の内周面から突設した構造であるが、水道水を乱流化できるものであれば他の構造であってもよい。また、バッフル構造１３の配置箇所についても、電解電極ユニットＡより上流側の箇所等の、他の箇所であってもよい。
【００３９】
定電流ＤＣ電源からなる電源部８は、管路ハウジング１１の外部に配置している。電源部８は管路ハウジング１１と一体に組み付けてもよいし、管路ハウジング１１とは離間して設けてもよい。
【００４０】
前記構成からなる電解水生成装置Ｂは、例えば図４に示す洗面台２０に設置することができる。具体的には、洗面台２０の蛇口２１に水道水を送る水道管の途中に、管路ハウジング１１を介在させておく。管路ハウジング１１（つまり電解水生成装置Ｂ）は、蛇口２１の吐出口の上流側近傍に設置され、蛇口２１から吐出される直前の水道水を、以下に述べるように電気分解する。
【００４１】
上流側から管路ハウジング１１内に導入された水道水は、電解電極ユニットＡの表面に沿って下流側に流れる（図３中の矢印参照）。ここで、陽極側基板１と陰極側電極板４との間に、電源部８により１０Ｖ程度の電圧印加を行う。すると、陽極側基板１の導電性ダイアモンド膜２においては、陽極側の下記電気化学反応にてオゾン（Ｏ３）を発生させる。また、陰極側電極板４においては、陰極側の下記電気化学反応にて水素（Ｈ２）を発生させる。導電性ダイアモンド膜２と陰極側電極板４との間に挟持されるイオン交換シート３は、陽極側で生じた水素イオンを陰極側に導くものであり、このイオン交換シート３が介在することにより、陽極側及び陰極側の電気化学反応が速やかに進行される。
陽極；３Ｈ２Ｏ→Ｏ３＋６Ｈ＋＋６ｅ−
陰極；２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２
導電性ダイアモンド膜２表面にて発生したオゾンは、通水孔１２を通じて、水道水中に分子オーダーで略溶融されていく。溶融したオゾンの一部は陰極側の水素に反応するおそれもあるが、電解電極ユニットＡは蛇口２１等の吐出口の上流側近傍に設置するため、該吐出口から取り出した時点において、十分な量のオゾンを含むオゾン水として利用可能である。
【００４２】
図５〜図７には、電解水生成装置Ｂの他の実施形態を概略的に示している。図５に示す実施形態の電解水生成装置Ｂでは、支持構造１０をなす管路ハウジング１１が、その水流中心に電解電極ユニットＡを支持するための支持板１５を一体に有している。樹脂製の支持板１５上に固定される電解電極ユニットＡは、その厚み方向が管路ハウジング１１（水道管）の径方向を向くように配置され、管路ハウジング１１内を流下する水道水を基に、イオン水を順次生成する。なお、図中では電源部８や配線を省略している。
【００４３】
この電解水生成装置Ｂでは、図１に示す実施形態の電解電極ユニットＡを用いているが、図２に示す実施形態の電解電極ユニットＡを用い、表裏両側に導電性ダイアモンド膜２を有する電解電極ユニットＡを水流中に支持する構造としてもよい。
【００４４】
図６に示す実施形態の電解水生成装置Ｂでは、図５の実施形態と同様の支持板１５を二つ有し、各支持板１５に電解電極ユニットＡを固定している。これにより、電解電極ユニットＡを、その厚み方向に隙間をあけて二つ並設している。なお、同様の構造で電解電極ユニットＡを３以上並設してもよい。
【００４５】
図７に示す実施形態の電解水生成装置Ｂでは、管路ハウジング１１と一体に設けた支持板１５によって、電解電極ユニットＡを、その厚み方向が管路ハウジング１１（水道管）の流れ方向を向くように配置している。ここでは、図１に示す実施形態の電解電極ユニットＡを、導電性ダイアモンド膜２を成膜した側が上流側を向くように配している。なお、図２に示す実施形態の電解電極ユニットＡを配してもよく、その場合には、一方の導電性ダイアモンド膜２が上流側を向き、反対側の導電性ダイアモンド膜２が下流側を向く配置となる。
【００４６】
以上、電解電極ユニットＡやこれを用いた電解水生成装置Ｂの各種の実施形態について述べた。
【００４７】
各実施形態の電解電極ユニットＡでは、陽極側基板１の厚み方向を向く板面上に導電性ダイアモンド膜２を成膜し、この導電性ダイアモンド膜２上に、イオン交換シート３と陰極側電極板４とをこの順に積層している。そして、イオン交換シート３には、厚み方向に貫通したシート側通水孔５を設け、陰極側電極板４には、厚み方向に貫通した陰極側通水孔６を設け、シート側通水孔５と陰極側通水孔６とが連通するように配置している。
【００４８】
この電解電極ユニットＡによれば、陰極室と陽極室の二室を分離形成する必要がなく、小型化や低コスト化を図ることができる。しかも、この電解電極ユニットＡは、手間をかけることなく組立てることができ、組み立て精度にばらつきも生じにくい。また、ユニット全体が板状に形成されるので、組み立て後の管理、移送時等の取り扱い性も良好である。
【００４９】
さらに、図２に示す実施形態の電解電極ユニットＡでは、陽極側基板１の表裏両側の板面に、導電性ダイアモンド膜２を成膜し、両側の導電性ダイアモンド膜２上に、イオン交換シート３と陰極側電極板４をそれぞれ積層している。
【００５０】
これにより、板状をなす電解電極ユニットＡの表裏両側でオゾンを生成することができる。したがって、より高効率でのオゾン水生成が実現され、ひいては電解電極ユニットＡの一層の小型化にも寄与する。
【００５１】
そして、各実施形態の電解水生成装置Ｂでは、前記した電解電極ユニットＡと、この電解電極ユニットＡを水道管内に配置する支持構造１０とを具備している。
【００５２】
この電解水生成装置Ｂによれば、陰極室と陽極室の二室を分離形成する必要がなく、水路は一経路で済むため、小型化や低コスト化を図ることができる。しかも、電解電極ユニットＡは組立てが容易であり、精度にもばらつきが生じにくい。そのため、小型、低コストでありながら十分な量のオゾンを発生させることができ、特に民生分野にて応用の可能性が高いものとなる。
【００５３】
さらに、図３〜図６に示す実施形態の電解水生成装置Ｂでは、支持構造１０は、板状をなす電解電極ユニットＡをその厚み方向が水道管の径方向を向くように配置している。
【００５４】
これにより、水道管中での水道水の流れやすさを確保しながら、この流れ中にて電気分解によりオゾン水を生成することができる。
【００５５】
特に、図６に示す実施形態の電解水生成装置Ｂでは、支持構造１０は、電解電極ユニットＡをその厚み方向に隙間をあけて複数配列している。
【００５６】
これにより、水道管中での水道水の流れやすさを確保しながらも、電気分解によって大量のオゾンを生成しやすくなる。
【００５７】
また、図７に示す実施形態の電解水生成装置Ｂでは、支持構造１０は、板状をなす電解電極ユニットＡをその厚み方向が水道管の流れ方向を向くように配置している。
【００５８】
これにより、水道管内にて上流側から順次供給される水道水が、電解電極ユニットＡの板面に効率的に当たるようになる。したがって、より多くの水道水が電解電極ユニットＡでの電気分解に供されることになる。
【００５９】
また、図３に示す実施形態の電解水生成装置Ｂでは、電解電極ユニットＡを通過する水道水を乱流化するためのバッフル構造１３を具備している。
【００６０】
これにより、上流側から順次供給される水道水が、より効率的に、電解電極ユニットＡでの電気分解に供されることになる。なお、同様のバッフル構造１３は他の実施形態の電解水生成装置Ｂでも採用可能である。
【００６１】
以上、本発明を添付図面に示す実施形態に基づいて説明したが、本発明は前記各例の実施形態に限定されるものではなく、本発明の意図する範囲内であれば、各例において適宜の設計変更を行うことや、各例の構成を適宜組み合わせて適用することが可能である。
【符号の説明】
【００６２】
１  陽極側基板
２  導電性ダイアモンド膜
３  イオン交換シート
４  陰極側電極板
５  シート側通水孔
６  陰極側通水孔
１０  支持構造
１３  バッフル構造
Ａ  電解電極ユニット
Ｂ  電解水生成装置
【図１】
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【図２】
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【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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