(57)【要約】      （修正有）【課題】交流電源を用いた構成において、酸素と水素との燃焼反応を抑制できる水電解装置を提供する。【解決手段】水電解装置１０は、固体電解質膜３２と、第一ターミナルプレート及び板状の第一メッシュ電極を有する第一電極部４０と、第二ターミナルプレート及び板状の第二メッシュ電極を有する第二電極部５０と、を有する水電解セル３０であって、前記固体電解質膜の一方の面と前記第一ターミナルプレートとの間に前記第一メッシュ電極が挟まれ且つその間を前記一方の面に沿って水が流通し、前記固体電解質膜の他方の面と前記第二ターミナルプレートとの間に前記第二メッシュ電極が挟まれ且つその間を前記他方の面に沿って水が流通する前記水電解セルと、前記第一電極部と前記第二電極部とが所定の反転周期で陰極と陽極とに反転するように、前記水電解セルに交流電流を流して、前記水電解セルで水電解する交流電源と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質膜と、第一ターミナルプレート及び板状の第一メッシュ電極を有する第一電極部と、第二ターミナルプレート及び板状の第二メッシュ電極を有する第二電極部と、を有する水電解セルであって、前記固体電解質膜の一方の面と前記第一ターミナルプレートとの間に前記第一メッシュ電極が挟まれ且つその間を前記一方の面に沿って水が流通し、前記固体電解質膜の他方の面と前記第二ターミナルプレートとの間に前記第二メッシュ電極が挟まれ且つその間を前記他方の面に沿って水が流通する前記水電解セルと、
前記第一電極部と前記第二電極部とが所定の反転周期で陰極と陽極とに反転するように、前記水電解セルに交流電流を流して、前記水電解セルで水電解する交流電源と、
を備える水電解装置。
【請求項２】
前記水電解セルを流通する水の前記水電解セルでの滞留時間が、前記所定の反転周期よりも短い
請求項１に記載の水電解装置。
【請求項３】
前記水電解セルを流通する水の前記水電解セルでの滞留時間が、前記第一電極部及び前記第二電極部の極性が反転してから標準電位に達するまでの時間を前記所定の反転周期に加えた時間よりも短い
請求項１に記載の水電解装置。
【請求項４】
前記水電解セルを流通する水の前記水電解セルでの滞留時間が、前記所定の反転周期を２倍した時間よりも短い
請求項１に記載の水電解装置。
【請求項５】
前記交流電源が前記水電解セルに流す交流電流の電流密度は、０．１Ａ／ｃｍ２以上３．５Ａ／ｃｍ２以下とされている
請求項１〜４のいずれか１項に記載の水電解装置。
【請求項６】
前記交流電源は、商用周波数による半周期で、前記第一電極部と前記第二電極部とが陰極と陽極とに反転するように、前記水電解セルに交流電流を流して、前記水電解セルで水電解する
請求項１〜５のいずれか１項に記載の水電解装置。
【請求項７】
前記水電解セルは、前記水としての水道水が流通されて水電解がなされる
請求項１〜６のいずれか１項に記載の水電解装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の水電解装置を準備する準備工程と、
前記水電解装置の水電解セルに水を流通させつつ、前記水電解セルに交流電流を流して前記水電解セルで水電解して、水素水を製造する水電解工程と、
を有する水素水の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水電解装置、水素水の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、極低周波（例えば、１０−３Ｈｚ）の交流電圧を電解用電極に印加して水電解する構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１８６０３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、商用周波数（５０Ｈｚや６０Ｈｚ）の交流電流を用いて水電解する場合では、一対の電極部が短時間で陽極と陰極とに交互に反転する。このため、各電極部において、短時間で酸素と水素が交互に生成され、酸素と水素との燃焼反応によって、再び水に戻ってしまうおそれがある。したがって、商用周波数（５０Ｈｚや６０Ｈｚ）の交流電流を用いて水電解する構成は、実用されていなかった。
【０００５】
本発明は、上記事実を考慮し、交流電源を用いた構成において、酸素と水素との燃焼反応を抑制できる水電解装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１の発明は、固体電解質膜と、第一ターミナルプレート及び板状の第一メッシュ電極を有する第一電極部と、第二ターミナルプレート及び板状の第二メッシュ電極を有する第二電極部と、を有する水電解セルであって、前記固体電解質膜の一方の面と前記第一ターミナルプレートとの間に前記第一メッシュ電極が挟まれ且つその間を前記一方の面に沿って水が流通し、前記固体電解質膜の他方の面と前記第二ターミナルプレートとの間に前記第二メッシュ電極が挟まれ且つその間を前記他方の面に沿って水が流通する前記水電解セルと、前記第一電極部と前記第二電極部とが所定の反転周期で陰極と陽極とに反転するように、前記水電解セルに交流電流を流して、前記水電解セルで水電解する交流電源と、を備える。
【０００７】
この構成によれば、水電解セルの第一電極部では、固体電解質膜の一方の面と第一ターミナルプレートとの間に板状の第一メッシュ電極が挟まれ且つその間を前記一方の面に沿って水が流通する。水電解セルの第二電極部では、固体電解質膜の他方の面と第二ターミナルプレートとの間に板状の第二メッシュ電極が挟まれ且つその間を前記他方の面に沿って水が流通する。そして、交流電源が、第一電極部と第二電極部とが所定の反転周期で陰極と陽極とに反転するように、水電解セルに交流電流を流して水電解セルで水電解する。
【０００８】
ここで、請求項１の構成では、第一電極部と第二電極部とが所定の反転周期で陰極と陽極とに反転するため、第一電極部及び第二電極部において酸素と水素が交互に生成される。請求項１では、板状の第一メッシュ電極が挟まれた固体電解質膜と第一ターミナルプレートとの間、及び、板状の第二メッシュ電極が挟まれた固体電解質膜と第二ターミナルプレートとの間において、水が流通する。このように、断面積が制限された流路を水が流通するため、水の流速を高めることができ、水電解セルでの水の滞留時間を制限できる。
【０００９】
したがって、交互に生成される酸素及び水素の一方を、他方が生成される前に水電解セルから排出することが可能になる。または、交互に生成される酸素及び水素の一方が生成されてからその次に当該一方が生成される前に水電解セルから排出することが可能となり、当該一方の水電解セルでの量を抑え、酸素と水素との燃焼反応を抑制できる。このため、酸素と水素との燃焼反応を抑制できる。
【００１０】
請求項２の発明では、前記水電解セルを流通する水の前記水電解セルでの滞留時間が、前記所定の反転周期よりも短い。
【００１１】
この構成によれば、水電解セルを流通する水の水電解セルでの滞留時間が、所定の反転周期よりも短いので、滞留時間が所定の反転周期以上の長さである場合に比べ、酸素と水素との燃焼反応を抑制できる。
【００１２】
請求項３の発明では、前記水電解セルを流通する水の前記水電解セルでの滞留時間が、前記第一電極部及び前記第二電極部の極性が反転してから標準電位に達するまでの時間を前記所定の反転周期に加えた時間よりも短い。
【００１３】
この構成によれば、水電解セルを流通する水の水電解セルでの滞留時間が、第一電極部及び第二電極部の極性が反転してから標準電位に達するまでの時間を所定の反転周期に加えた時間以上の長さである場合に比べ、酸素と水素との燃焼反応を抑制できる。
【００１４】
請求項４の発明では、前記水電解セルを流通する水の前記水電解セルでの滞留時間が、前記所定の反転周期を２倍した時間よりも短い。
【００１５】
この構成によれば、水電解セルを流通する水の水電解セルでの滞留時間が、所定の反転周期を２倍した時間よりも短いので、滞留時間が所定の反転周期を２倍した時間以上の長さである場合に比べ、酸素と水素との燃焼反応を抑制できる。
【００１６】
請求項５の発明は、前記交流電源が前記水電解セルに流す交流電流の電流密度は、０．１Ａ／ｃｍ２以上３．５Ａ／ｃｍ２以下とされている。
【００１７】
ここで、交流電源が水電解セルに流す交流電流の電流密度が、０．１Ａ／ｃｍ２未満であると、水の電解反応が促進されず、水素水の濃度が上がらない。これに対して、請求項４では、当該電流密度が０．１Ａ／ｃｍ２以上されているので、水の電解反応が促進され、水素水の濃度を高めることができる。
【００１８】
また、当該電流密度が、３．５Ａ／ｃｍ２を超えると、水素と酸素との燃焼反応により、固体電解質膜の損傷を引き起こすおそれがある。これに対して、請求項４では、当該電流密度が３．５Ａ／ｃｍ２以下されているので、水素と酸素との燃焼反応により、固体電解質膜の損傷を抑制できる。
【００１９】
請求項６の発明では、前記交流電源は、商用周波数による半周期で、前記第一電極部と前記第二電極部とが陰極と陽極とに反転するように、前記水電解セルに交流電流を流して、前記水電解セルで水電解する。
【００２０】
この構成によれば、商用周波数による半周期で第一電極部と第二電極部とが陰極と陽極とに反転するので、商用周波数を周波数の変換を行わずに用いることができる。
【００２１】
請求項７の発明では、前記水電解セルは、前記水としての水道水が流通されて水電解がなされる。
【００２２】
この構成によれば、水道水を用いるので、安価に水素水を製造できる。
【００２３】
請求項８の発明は、請求項１〜６のいずれか１項に記載の水電解装置を準備する準備工程と、前記水電解装置の水電解セルに水を流通させつつ、前記水電解セルに交流電流を流して前記水電解セルで水電解して、水素水を製造する水電解工程と、を有する。
【００２４】
この構成によれば、交流電源を用いた構成において、酸素と水素との燃焼反応を抑制できるので、水素水の製造の電力効率を高めることができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明は、上記構成としたので、交流電源を用いた構成において、酸素と水素との燃焼反応を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本実施形態に係る水電解装置の構成を示す概略図である。
【図２】本実施形態に係る水電解セルの内部構成を示す分解斜視図である。
【図３】本実施形態に係る第一電極部及び第二電極部での電解生成物の経時変化が示すグラフである。
【図４】実施例１の構成において水素水を製造した際のＩ−Ｖ特性が示すグラフである。
【図５】実施例１の構成において水素水を製造した際の電流密度と水素水中の溶存水素濃度との関係を示すグラフである。
【図６】実施例１の構成において水素水を製造した際の電流密度と水素水中の溶存オゾン濃度との関係を示すグラフである。
【図７】実施例１の構成において水素水を製造した際における水電解セルに流した電流に対する、酸素と水素の燃焼に消費された電流の比率を示す結果表である
【図８】水道水中のミネラル分の電析の有無を評価するための結果表である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下に、本発明に係る実施形態の一例を図面に基づき説明する。
【００２８】
〈水電解装置１０〉
まず、本実施形態に係る水電解装置１０の構成を説明する。図１は、本実施形態に係る水電解装置１０の構成を示す概略図である。
【００２９】
水電解装置１０は、水道水（水の一例）を水電解して、水素水を生成する装置である。具体的には、水電解装置１０は、図１に示されるように、水供給部１２と、供給路２０と、水電解セル３０と、排出路７０と、交流電源８０と、を有している。
【００３０】
［水電解セル３０］
水電解セル３０は、図２に示されるように、固体電解質膜３２と、第一電極部４０と、第二電極部５０と、筐体３８（図１参照）と、を有している。
【００３１】
固体電解質膜３２としては、例えば、ナフィオン膜（ナフィオンは登録商標）などの固体高分子電解質膜が用いられる。なお、固体電解質膜３２としては、ナフィオン膜に限られず、種々の固体電解質膜を用いることが可能である。
【００３２】
第一電極部４０は、板状（扁平状）とされた第一メッシュ電極４２と、板状とされた第一ターミナルプレート４４（端子）と、を有している。第一メッシュ電極４２は、一方の面４２Ａが固体電解質膜３２の一方の面３２Ａに接触するように配置されている。第一ターミナルプレート４４は、第一メッシュ電極４２の他方の面４２Ｂに接触するように配置されている。第一ターミナルプレート４４は、平板状とされており、少なくとも、第一メッシュ電極４２に接触する接触面が平面とされている。
【００３３】
第二電極部５０は、板状（扁平状）とされた第二メッシュ電極５２、５３と、板状とされた第二ターミナルプレート５４（端子）と、を有している。第二メッシュ電極５２は、一方の面５２Ａが固体電解質膜３２の他方の面３２Ｂに接触するように配置されている。第二メッシュ電極５３は、一方の面５３Ａが第二メッシュ電極５２の他方の面５２Ｂに接触するように配置されている。第二ターミナルプレート５４は、第二メッシュ電極５３の他方の面５３Ｂに接触するように配置されている。第二ターミナルプレート５４は、平板状とされており、少なくとも、第二メッシュ電極５３に接触する接触面が平面とされている。
【００３４】
したがって、第一メッシュ電極４２と第二メッシュ電極５２、５３とで固体電解質膜３２を挟み込み、この挟み込んだものが、第一、第二ターミナルプレート４４、５４の間に配置されている。すなわち、水電解セル３０では、第一ターミナルプレート４４、第一メッシュ電極４２、固体電解質膜３２、第二メッシュ電極５２、第二メッシュ電極５３及び第二ターミナルプレート５４がこの順で積層されている。そして、この積層体が、筐体３８に収容されている。
【００３５】
第一、第二ターミナルプレート４４、５４としては、例えば、Ｔｉ又はステンレスが用いられる。固体電解質膜３２に接触する第一、第二メッシュ電極４２、５２としては、例えば、水の電気分解活性に優れた触媒電極が用いられる。この触媒電極としては、例えば、Ｐｔ・Ｎｉ・ステンレス等の金属、ＰｂＯ２・ＮｉやＳｂをドープしたＳｎＯ２・ＩｒＯ２・Ｎｂ２Ｏ５・ＴａＯｘ等の酸化物、活性化炭素・ボロンドープダイヤモンド等の炭素電極などが用いられる。また、第一、第二メッシュ電極４２、５２としては、ＩｒＯ２等の触媒粒子を担持したＴｉなどであってもよい。
【００３６】
固体電解質膜３２に接触しない第二メッシュ電極５３としては、Ｔｉやステンレス等の耐酸化性に優れた材料が用いられる。これにより、水電解セル３０の劣化を抑制できる。また、第一、第二メッシュ電極４２、５２、５３としては、例えば、平織りや綾織りで板状（扁平状）且つメッシュ状（網状）の電極が用いられる。
【００３７】
また、第一、第二メッシュ電極４２、５２、５３は、一方の面４２Ａ、５２Ａ、５３Ａ及び他方の面４２Ｂ、５２Ｂ、５３Ｂにおいて複数の凹凸を有している。これにより、固体電解質膜３２及び第一ターミナルプレート４４に対して接触する部分と隙間を有する部分とが第一メッシュ電極４２に形成される。また、固体電解質膜３２及び第二メッシュ電極５３に対して接触する部分と隙間を有する部分とが第二メッシュ電極５２に形成される。さらに、第二メッシュ電極５２及び第二ターミナルプレート５４に対して接触する部分と隙間を有する部分とが第二メッシュ電極５３に形成される。
【００３８】
第一電極部４０では、第一メッシュ電極４２における固体電解質膜３２及び第一ターミナルプレート４４に対する隙間部分と、第一メッシュ電極４２の網目部分と、によって水が流通する流路が形成される。そして、第一電極部４０では、固体電解質膜３２と第一ターミナルプレート４４との間において、固体電解質膜３２の一方の面３２Ａ（第一メッシュ電極４２の面）に沿って水道水が当該流路を流通する。
【００３９】
また、第二電極部５０では、固体電解質膜３２、第二メッシュ電極５２、５３及び第二ターミナルプレート５４の各々の間の隙間部分と、第二メッシュ電極５２、５３の網目部分と、によって水が流通する流路が形成される。そして、第二電極部５０では、固体電解質膜３２と第二ターミナルプレート５４との間において、固体電解質膜３２の他方の面３２Ｂ（第二メッシュ電極５２、５３の面）に沿って水道水が当該流路を流通する。なお、図２には、水電解セル３０において水道水が流通する方向が矢印にて示されている。
【００４０】
第一、第二メッシュ電極４２、５２、５３の大きさ（面積）は、水電解セル３０で流す水道水の流量によって規定される。例えば、当該流量が１Ｌ／ｍｉｎ程度である場合には、第一、第二メッシュ電極４２、５２、５３は、例えば、幅１０ｍｍ×長さ２０ｍｍの大きさとされる。また、例えば、当該流量が４〜６Ｌ／ｍｉｎ程度である場合には、第一、第二メッシュ電極４２、５２、５３は、例えば、幅３０ｍｍ×長さ６０ｍｍの大きさとされる。また、例えば、当該流量が１０Ｌ／ｍｉｎ程度である場合には、第一、第二メッシュ電極４２、５２、５３は、例えば、幅５０ｍｍ×長さ１００ｍｍの大きさとされる。
【００４１】
なお、上記のいずれの場合も、第一、第二メッシュ電極４２、５２、５３の縦横比は、通常１：２とされており、水電解セル３０における水の流通方向の長さが、当該流通方向に直交する方向の幅より長くされている。また、メッシュ電極内での水の圧力損失を抑制して多量の水を流す場合には、直交方向の幅が、流通方向の長さより広くされる構成（縦横比を例えば２：１〜６：１程度）を用いて、メッシュ部入口の断面積を増加させることも可能である。この場合は、メッシュ電極内での気液接触時間が短くなるので、水電解セル３０の下流に気液ミキサーを設置することが好ましい。
【００４２】
なお、水電解セル３０では、固体電解質膜３２と第一ターミナルプレート４４との間に一枚の第一メッシュ電極４２が配置され、固体電解質膜３２と第二ターミナルプレート５４との間に二枚の第二メッシュ電極５２、５３が配置されていたが、これに限られない。すなわち、固体電解質膜３２と第一、第二ターミナルプレート４４、５４の各々との間に配置されるメッシュ電極の枚数は、水電解セル３０で流す水道水の流量と、水電解セル３０内での圧力損失とによって規定される。
【００４３】
メッシュ電極の枚数を増やすことで、固体電解質膜３２と第一、第二ターミナルプレート４４、５４の各々との間の隙間が大きくなり、流路断面積が大きくなるため、圧力損失を抑制できる。したがって、水電解セル３０で流す水道水の流量を多くしつつ、圧力損失を抑制したい場合には、固体電解質膜３２と第一、第二ターミナルプレート４４、５４の各々との間に配置されるメッシュ電極の枚数が増加される。
【００４４】
例えば、第一、第二メッシュ電極４２、５２、５３を幅３０ｍｍ×長さ６０ｍｍの大きさとし、水電解セル３０で流す水道水の流量を４Ｌ／ｍｉｎとする場合には、固体電解質膜３２と第一、第二ターミナルプレート４４、５４の各々との間に、６枚ずつ（合計１２枚）のメッシュ電極を配置する。これにより、ポンプを用いずに、水道水の供給元の元圧のみで、水電解装置１０を運転することが可能となる。なお、このときの筐体３８の大きさは、例えば、幅５６ｍｍ×長さ９５ｍｍ×高さ３１ｍｍとされる。
【００４５】
筐体３８の材料は、プラスチックや金属など、種々の材料を用いることができる。交流電源８０を用いた水電解装置１０では、酸化及び分解力の強いオゾンがほとんど発生しないためである。
【００４６】
［供給路２０］
供給路２０は、水供給部１２から水電解セル３０へ水道水を供給するための流路である。この供給路２０は、上流端部が水供給部１２に接続され、中間部で２つに分岐されて、各下流端部が水電解セル３０の第一電極部４０及び第二電極部５０に接続されている。
【００４７】
具体的には、供給路２０は、水供給部１２に接続された流路２４と、上流端部が流路２４の下流端部と連通し下流端部が第一電極部４０に接続された第一分岐路２１と、上流端部が流路２４の下流端部と連通し下流端部が第二電極部５０に接続された第二分岐路２２と、を有している。なお、流路２４には、水道水の流量と水電解セル３０の圧力を調整するための流量調整弁２８が配置されている。また、第一分岐路２１には、第一分岐路２１内の水道水の圧力を計測する圧力計２９が配置されている。
【００４８】
［水供給部１２］
水供給部１２としては、例えば、所定の水圧が付与された水道管に接続された水栓とさせる。この場合では、例えば、水栓が供給路２０の流路２４に接続される。また、水供給部１２は、ポンプ等の送水部を有する構成であってもよい。この場合では、送水部が、水栓からの水道水や貯留された水道水を水電解セル３０へ圧送する。
【００４９】
［排出路７０］
排出路７０は、水電解セル３０を流通した水（水素水）が排出される流路である。この排出路７０は、上流端部が２つに分岐されており、各上流端部が水電解セル３０の第一電極部４０及び第二電極部５０に接続され、中間部で合流している。具体的には、排出路７０は、上流端部が第一電極部４０に接続された第一流路７１と、上流端部が第二電極部５０に接続された第二流路７２と、第一流路７１と第二流路７２とが合流して形成された合流路７４と、を有している。
【００５０】
合流路７４を流通した水素水は、例えば、そのまま、洗浄水として用いてもよいし、タンクなど貯留部に貯留してから用いてもよい。なお、合流路７４には、流路２４には、水道水の流量と水電解セル３０の圧力を調整するための流量調整弁７８が配置されている。
【００５１】
［交流電源８０］
交流電源８０は、第一電極部４０の第一ターミナルプレート４４と第二電極部５０の第二ターミナルプレート５４とに接続されている。そして、交流電源８０は、第一電極部４０と第二電極部５０とが所定の周期で陰極と陽極とに反転するように、水電解セル３０に交流電流を流す。交流電源８０の周波数としては、例えば、商用周波数（５０Ｈｚ・６０Ｈｚ）が用いられる。
【００５２】
水電解セル３０に流す交流電流の電流密度は、０．１Ａ／ｃｍ２以上３．５Ａ／ｃｍ２以下が好ましい。電流密度が０．１Ａ／ｃｍ２未満であると、水の電解反応が促進されず、水素水の濃度が上がらないためである。電流密度が３．５Ａ／ｃｍ２を超えると、水素と酸素との燃焼反応により、固体電解質膜３２の損傷を引き起こすおそれがあるためである（後述の〔確認試験〕を参照）。
【００５３】
したがって、交流電源８０として、第一、第二メッシュ電極４２、５２、５３の面積に比例して大きな容量の電源を用いる必要がある。電源の種類としては、スライダックのような可変交流電源であってもよいし、電流値及び電圧値を固定して使用する場合では、定電圧電源を用いてもよい。
【００５４】
そして、水電解セル３０に交流電流を流すことで、水電解セル３０を流通する水道水が電気分解される。水道水が電気分解されると、第一電極部４０及び第二電極部５０のうち、陰極となった電極部に水素が生成され、陽極となった電極部に酸素が生成される。
【００５５】
ここで、図３には、５０Ｈｚの交流電流を水電解セル３０に流して水道水を電気分解した場合における第一電極部４０及び第二電極部５０での電解生成物の経時変化が示されている。図３では、第一電極部４０が最初に陽極（アノード）となる例が示されている。
【００５６】
図３に示されるように、最初に陽極となる第一電極部４０では、０〜０．０１秒の間に、酸素（Ｏ２）及びオゾン（Ｏ３）が生成される。その後、０．０１〜０．０２秒の間は、第一電極部４０は極性が反転して陰極（カソード）となり、水素（Ｈ２）が生成される。その際、陽極であった０〜０．０１秒の間に生成された酸素及びオゾンが、第一電極部４０の近傍に存在すると、水素との燃焼反応により、酸素と水素が水に戻る場合がある。
【００５７】
したがって、第一電極部４０が陰極となる前に、陽極時に生成した酸素及びオゾンを水電解セル３０の外に排出しておけばよい。なお、酸素、水素等の一般的なガス成分の水中での拡散速度は、１０−９ｍ２／Ｓ程度と小さく、数分の内に、酸素（オゾン）及び水素が水中を拡散する距離は、１ｍｍに満たない。したがって、極性が反転するまでの短時間での「拡散」では、陽極時に生成した酸素及びオゾンを水電解セル３０の外に排出することは困難である。そこで、本実施形態では、水を強制的に流す「移流」によって、陽極時に生成した酸素及びオゾンを水電解セル３０の外に排出する。以下、運転条件について説明する。
【００５８】
［運転条件］
５０Ｈｚの交流電流で水電解する場合は、前述のように、第一電極部４０及び第二電極部５０では、０．０１秒周期（反転周期（５０Ｈｚの半周期））で極性が反転するため、理論的には、水電解セル３０内での水の滞留時間を０．０１秒未満とすれば、極性の反転に伴う酸素と水素との燃焼反応を防止できる。なお、水の電気分解の標準電位は、１．２３Ｖであるため、酸素を生成していた陽極から陰極に反転しても、直ちに水素を生成するわけではなく、電位が１．２３Ｖを超えた時点から水素の生成が始まる。したがって、０．０１秒よりも水の滞留時間が長くなっても、酸素と水素との燃焼反応は抑制できる。
【００５９】
水電解セル３０内での水の滞留時間が０．０２秒未満（１周期未満）あれば、０〜０．０１秒の間に生成された酸素は、０．０１〜０．０２秒の間に生成された水素と水電解セル３０内で存在することになるが、次に酸素が生成されるまでに、水電解セル３０から排出されることになる。すなわち、０〜０．０１秒の間に生成された酸素と、０.０２〜０．０３秒の間に生成された酸素とが、水電解セル３０内で一緒に存在しない。このように、滞留時間が０．０２秒（１周期）を超えなければ、水電解セル３０内での酸素量又は水素量が極端に増加せず、酸素と水素との燃焼反応は抑制できる。
【００６０】
そこで、本実施形態では、水電解セル３０の滞留時間を、０．０２秒よりも短く、好ましくは、電極部の極性が反転してから標準電位に達するまでの時間を０．０１秒に加えた時間よりも短く、さらに好ましくは、０．０１秒よりも短くする。
【００６１】
なお、滞留時間は、「第一電極部４０及び第二電極部５０における第一、第二メッシュ電極４２、５２、５３の空隙容量[ｍＬ]」を「水流量[ｍＬ/s]」で割ることにより求められる時間である。当該空隙容量は、例えば、「固体電解質膜３２と第一、第二ターミナルプレート４４、５４の各々との間の容量」から「第一、第二メッシュ電極４２、５２、５３の金属部分の容量」を差し引くことで求められる。「固体電解質膜３２と第一、第二ターミナルプレート４４、５４の各々との間の容量」は、例えば、「第一、第二メッシュ電極４２、５２、５３の面積」と「第一、第二メッシュ電極４２、５２、５３の厚みの合計」との積で求められる。「第一、第二メッシュ電極４２、５２、５３の金属部分の容量」は、例えば、「メッシュの重量［ｇ］」を「メッシュの密度［ｇ／ｍＬ］」で割ったものと、「メッシュ枚数」と、の積で求められる。
【００６２】
また、第一電極部４０と第二電極部５０とでの滞留時間の差を小さくするため、第一電極部４０及び第二電極部５０で、メッシュ電極の枚数を同じにして空隙容量を同等にすることが好ましい。
【００６３】
また、水電解セル３０での水の流速を、０．２ｍ／ｓ以上、好ましくは、１ｍ／ｓ以上とする。流速を速くすると、水電解セル３０内での気液混合が促進され、また、水素と酸素の燃焼反応による熱を除去して、固体電解質膜３２を保護できるためである。なお、流速は、水電解セル３０内の流路の長さ（第一、第二メッシュ電極４２、５２、５３の流通方向の長さ）を滞留時間で割ることで求められる。
【００６４】
［水電解装置１０を用いた水素水の製造方法］
本製造方法は、準備工程と、水電解工程と、を有している。準備工程では、前述した水電解装置１０を準備する。
【００６５】
水電解工程では、水電解装置１０の水電解セル３０に水道水を流通させつつ、交流電源８０によって水電解セル３０に交流電流を流して水電解セル３０で水電解する。これにより、水素水を製造する。
【００６６】
製造された水素水は、例えば、部品の洗浄に用いられる。具体的には、例えば、超音波の照射を併用しながら、半導体基板に付着したシリカやアルミナの微粒子の除去に水素水を用いる洗浄方法が考えられる。特に、この洗浄方法では、溶存水素濃度が０．９ｍｇ／Ｌ以上の水素水に１ｍｇ／Ｌのアンモニアを添加したものと、超音波の照射を併用して洗浄を行うと、半導体基板に付着したアルミナ微粒子を１００％近く除去できることが知られている。また、製造された水素水は、飲料用や農業用として利用することも可能である。
【００６７】
なお、本実施形態では、第一電極部４０及び第二電極部５０の各々において、水素だけでなく、酸素も生成されるため、酸素を含む水素水が製造される。したがって、水道水中には、もともと、８ｍｇ／Ｌ程度の酸素が溶存しているが、製造された水素水では、溶存酸素濃度が、例えば、９ｍｇ／Ｌ程度に上昇する。
【００６８】
〈本実施形態に係る作用効果〉
次に、本実施形態に係る作用効果を説明する。
【００６９】
本実施形態の構成によれば、水電解セル３０の第一電極部４０では、固体電解質膜３２の一方の面３２Ａと第一ターミナルプレート４４との間に板状の第一メッシュ電極４２が挟まれ且つその間を一方の面３２Ａに沿って水が流通する。水電解セル３０の第二電極部５０では、固体電解質膜３２の他方の面３２Ｂと第二ターミナルプレート５４との間に板状の第二メッシュ電極５２、５３が挟まれ且つその間を他方の面３２Ｂに沿って水が流通する。そして、交流電源８０が、第一電極部４０と第二電極部５０とが所定の反転周期で陰極と陽極とに反転するように、水電解セル３０に交流電流を流して水電解セルで水電解する。
【００７０】
ここで、本実施形態の構成では、第一電極部４０と第二電極部５０とが所定の反転周期で陰極と陽極とに反転するため、第一電極部４０及び第二電極部５０において酸素と水素が交互に生成される。本実施形態の構成では、板状の第一メッシュ電極４２が挟まれた固体電解質膜３２と第一ターミナルプレート４４との間、及び、板状の第二メッシュ電極５２、５３が挟まれた固体電解質膜３２と第二ターミナルプレート５４との間において、水が流通する。このように、断面積が制限された流路を水が流通するため、水の流速を高めることができ、水電解セル３０での水の滞留時間を制限できる。
【００７１】
したがって、交互に生成される酸素及び水素の一方を、他方が生成される前に水電解セル３０から排出することが可能となり、酸素と水素との燃焼反応を抑制できる。または、交互に生成される酸素及び水素の一方が生成されてから、その次に当該一方が生成される前に水電解セル３０から排出することが可能となり、当該一方の水電解セルでの量を抑え、酸素と水素との燃焼反応を抑制できる。また、メッシュ空隙部でのガスと水との気液混合が促進されるため、装置下流に気液混合装置を設置しなくても、高濃度の水素水を生成できる。
【００７２】
特に、本実施形態では、水電解セル３０での水の滞留時間が、好ましくは、第一電極部４０及び第二電極部５０の極性が反転してから標準電位に達するまでの時間を所定の反転周期（５０Ｈｚにおいて０．０１秒）に加えた時間よりも短くされている。
【００７３】
このため、当該滞留時間が、第一電極部４０及び第二電極部５０の極性が反転してから標準電位に達するまでの時間を所定の反転周期（５０Ｈｚにおいて０．０１秒）に加えた時間以上の長さである場合に比べ、酸素と水素との燃焼反応を抑制できる。
【００７４】
さらに、好ましくは、当該滞留時間は、所定の反転周期（５０Ｈｚにおいて０．０１秒）よりも短くされるので、滞留時間が所定の反転周期以上の長さである場合に比べ、酸素と水素との燃焼反応を抑制できる。
【００７５】
また、本実施形態では、水電解セル３０に流す交流電流の電流密度は、０．１Ａ／ｃｍ２以上３．５Ａ／ｃｍ２以下とされている。当該電流密度が０．１Ａ／ｃｍ２以上されていることで、水の電解反応が促進され、水素水の濃度を高めることができる。また、当該電流密度が３．５Ａ／ｃｍ２以下されることで、水素と酸素との燃焼反応により、固体電解質膜の損傷を抑制できる。
【００７６】
また、本実施形態では、商用周波数による半周期で第一電極部４０と第二電極部５０とが陰極と陽極とに反転するので、商用電源を、周波数を変換せずに用いることができる。
【００７７】
また、本実施形態では、水道水を用いているため、水道水に含まれるＣａＣＯ３やＭｇ（ＯＨ）２などのミネラル分が、第一電極部４０及び第二電極部５０のうち、陰極となった電極部にミネラル粒子として析出することが考えられる。ミネラル粒子は、水道水のｐＨ領域（７〜８）では、正に帯電している。そして、本実施形態では、第一電極部４０と第二電極部５０とが所定の反転周期で陰極と陽極とに反転するため、ミネラル粒子が陰極に析出する前に陰極が陽極に反転し、静電反発によりミネラル粒子が析出することが抑制される。また、本実施形態では、水の流速を高めることができ、水電解セル３０での水の滞留時間を制限できるので、ミネラル粒子の水電解セル３０外への排出が促進される。
【００７８】
したがって、本実施形態では、水道水を用いても、ミネラル粒子が析出せず、長時間にわたって安定的に電気分解できる。このように、水道水を用いて電気分解できるので、安価に水素水を製造できる。
【００７９】
以上のように、本実施形態では、交流電源を用いた構成において、酸素と水素との燃焼反応を抑制できるので、水素水の製造の電力効率を高めることができる。
【００８０】
〈変形例〉
本実施形態では、さらに、水素を水に混合する気液混合器を排出路７０の合流路７４に設けてもよい。気液混合器により、水電解セル３０では溶解しきれなかった水素を水に溶解することができ、水素水の高濃度を図ることができる。
【００８１】
気液混合器としては、例えば、幅４０ｍｍ×長さ１００ｍｍの＃１００のＴｉメッシュを１３枚重ねてテフロン製（テフロンは登録商標）の缶体の内部に配置したものが用いられる。この気液混合器では、メッシュ面に沿って、水と水素が流れて、気液の接触面積の増大により混合が促進される。なお、気液混合器としては、例えば、スタティックミキサー（例えば、ノリタケ社製ＣＳＭ−１２−５）などを用いてもよい。なお、「＃１００」とは、１インチあたり、横線及び縦線が共に１００本存在することを意味する。以下、同様である。
【００８２】
本実施形態では、電気分解される水として、水道水を用いたが、これに限られない。電気分解される水としては、純水やイオン交換水であってもよい。特に、半導体の基板や搭載部品などの精密部品を洗浄するのに水素水を用いる場合は、純水などの不純物が少ない水を用いることが好ましい。
【００８３】
〈実施例〉
以下に、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００８４】
［実施例１］
実施例１では、水電解セル３０（図２参照）を有する前述の水電解装置１０（図１参照）が用いられる。水電解セル３０の第一、第二メッシュ電極４２、５２として、＃８０であるＰｔメッシュを用いた。水電解セル３０の第二メッシュ電極５３として、＃１００のＴｉメッシュを用いた。第一、第二メッシュ電極４２、５２、５３は、いずれも、幅１０ｍｍ×長さ２０ｍｍの大きさを有する平織りのメッシュとされている。
【００８５】
第一、第二ターミナルプレート４４、５４を含む水電解セル３０全体の大きさは、幅３０ｍｍ×長さ６０ｍｍ×３０ｍｍとされ、水電解セル３０は、コンパクトな水電解セルである。この水電解セル３０に、水道水を２８４．５ｍＬ/ｍｉｎ、５９２．３ｍＬ/ｍｉｎの流量で流して電気分解を行った。水電解セル３０内の水の滞留時間と流速は、２８４．５ｍＬ/ｍｉｎの流量では０．０１６ｓ、１．２３ｍ／ｓ、５９３．３ｍＬ／ｍｉｎの流量では０．００７８ｓ、２．５６ｍ／ｓであった。
【００８６】
交流電源８０として、東芝製スライダックＳＤ１２０を用いて、水道水の電気分解を行い、水素水を製造した。なお、水電解セル３０に流した電流と印加した電圧とは、電源配線中に設置した２台のデジタルマルチメーター（エー・アンド・デイ製、ＡＤ−５５０２及びＡＤ−５５１８）で読み取った。
【００８７】
図４には、水素水を製造した際のＩ−Ｖ特性（電圧と電流との関係）が示されている。図４では、交流電流の実効電流値を示し、比較用に直流電源を用いた場合のＩ−Ｖ特性も示している。この図からわかるように、交流電源、直流電源を問わず、ほぼ同じＩ−Ｖ特性になり、交流電源を用いた場合でも、直流電源を用いた場合と同様に、水の電気分解ができることが分かる。
【００８８】
図５には、交流電流を流した場合の電流密度と溶存水素濃度の関係が示されている。流量の大小に関わらず、電流密度を上げるほど水素濃度が直線的に上昇する。電流密度を４Ａ／ｃｍ２にした場合には、水道水流量が２８４．５ｍＬ/ｍｉｎにおいて０．７３ｍｇ／Ｌ、水道水流量が５９２．３ｍＬ/ｍｉｎにおいて０．５４ｍｇ／Ｌという高濃度な水素水が製造できた。なお、水道水流量が２８４．５ｍＬ/ｍｉｎの場合、水の滞留時間が０．０１６ｓであったが、水の滞留時間を例えば０．０１９ｓとしても、すなわち、水の滞留時間が０．０２ｓ未満の範囲で増加させても、同様の結果が得られるものと考えられる。
【００８９】
なお、電流密度を３．５Ａ／ｃｍ２を超えると、固体電解質膜３２の劣化により、電圧を上げても電流が直線的には上がらないという現象が見られた。このことから、電流密度を３．５Ａ／ｃｍ２以下にして運転することが好ましいことが分かった。
【００９０】
図６には、水素水中に含まれる溶存オゾンの濃度が示されている。この図から、水道水流量が２８４．５ｍＬ/ｍｉｎという低流量である場合には、水道水流量が５９２．３ｍＬ/ｍｉｎという高流量である場合に比べ、オゾンの濃度が高くなることが分かるが、溶存オゾンの濃度は最大でも０．０１７３ｍｇ／Ｌ（１７．３ｐｐｂ）という低濃度であり、人体への影響がないレベルであることが分かった。
【００９１】
［実施例２］
実施例２では、実施例１の構成に加え、排出路７０の合流路７４に、幅４０ｍｍ×長さ１００ｍｍの＃１００のＴｉメッシュを１３枚重ねてテフロン製の缶体の内部に配置した気液混合器を設けた。実施例２では、水道水流量を０．２８Ｌ／ｍｉｎにし、固体電解質膜３２が劣化しない上限に近い電流値である６．６２Ａ（３．３Ａ／ｃｍ２）を流して水電解を行った。水電解セル３０内の水の滞留時間と流速は、０．０１７ｓ、１．２１ｍ／ｓであった。なお、実施例２では、実施例１の試験後に、実施例１の装置において固体電解質膜３２を新しいものに替えて試験を行った。
【００９２】
この結果、製造された水素水中の溶存水素濃度は、１．２２ｍｇ／Ｌという高濃度となった。このように、交流電源８０を用いた水電解装置１０であっても、１ｍｇ／Ｌを超える濃度の水素水を製造できた。また、本実施例では、水の滞留時間が０．０１７ｓであったが、水の滞留時間を例えば０．０１９ｓとしても、すなわち、水の滞留時間が０．０２ｓ未満の範囲で増加させても、同様の結果が得られるものと考えられる。
【００９３】
〔評価１〕
評価１では、実施例２において、溶存酸素、溶存水素、及び、溶解せずに水電解セル３０から排出されたガス量を計測して、水電解セル３０に流した電流のうち、何％が酸素と水素の燃焼に消費されたかを評価した。この評価結果が図７に示されている。なお、図７に示す結果表では、水素及び酸素ガスの生成速度の合計（結果表の最左欄）及び電流値から計算した生成物の生成速度（理論値）では、水素：酸素の比を２：１として生成速度を計算した。また、オゾンについては、生成速度が非常に小さいので、無視をした。
【００９４】
結果表に示されるように、水電解セル３０の出口で実測した生成物（酸素・水素）の生成速度は、０．１３６ｍｏｌ／ｈであり、電流値から計算した生成物の生成速度（理論値）の０．１８５ｍｏｌ／ｈよりも少ない。理論値と実測値との差は、燃焼反応により焼失した酸素と水素の量であり、流した電流のうち、２６．５％分が、水電解セル３０の外に排出されることなく、水電解セル３０内で水となった酸素と水素の生成に消費されたものといえる。
【００９５】
なお、水電解セル３０に流す水の流速をさらに上げて、水の滞留時間を短くすると、電流の損失を抑制でき、水素生成の電力効率が上昇すると考えられる。
【００９６】
〔確認試験〕
固体電解質膜３２の劣化原因を確認するための確認試験を行った。本確認試験では、実施例１の装置において、水道水流量を０．２８Ｌ／ｍｉｎにし、９．９Ａ（５．０Ａ／ｃｍ２）を流して水電解を行った。
【００９７】
この結果、燃焼反応により、固体電解質膜３２が損傷し、固体電解質膜３２に接触していた第一、第二メッシュ電極４２、５２に固体電解質膜３２が炭化して黒い跡が残った。したがって、電流密度を上げすぎると、酸素と水素との燃焼反応により、固体電解質膜３２の炭化が生じることが明らかになった。このため、高電圧下では、電流密度が直線的に上昇しないものと考えられる。本実施例から、交流電流による水電解の際には、燃焼反応による固体電解質膜３２の損傷を抑制するため、電流密度を３．５Ａ／ｃｍ２以下に抑えて運転する必要があることが確認できた。
【００９８】
〔評価２〕
評価２では、実施例１及び実施例２の試験後、固体電解質膜３２に接触していた第一、第二メッシュ電極４２、５２の重量を測定して、水道水中のミネラル分の電析の有無を評価した。この評価では、まず、試験後の第一、第二メッシュ電極４２、５２を７０℃のホットプレート上で１０分間加熱して重量を測定した。その後、第一、第二メッシュ電極４２、５２を１０％のクエン酸溶液中に入れ、マグネットスタラーで３０分間、撹拌洗浄してＣａＣＯ３やＭｇ（ＯＨ）２などのミネラル分を除去し、再び７０℃のホットプレート上で１０分間加熱し、乾いた後の重量を測定した。この評価結果が図８に示されている。
【００９９】
クエン酸による洗浄後に第一、第二メッシュ電極４２、５２の重量が減少すれば、第一、第二メッシュ電極４２、５２に付着したミネラル分が除去されると判断できるが、本評価では、図８の結果表に示されるように、重量の減少が全くなかった。したがって、３０時間にわたって交流電流による水電解を行ったが、第一、第二メッシュ電極４２、５２にミネラル分が付着しなかったことがわかった。また、ミネラル分の粒子が、第一、第二メッシュ電極４２、５２に電析した場合には、白い粉状の物質が目視にて確認できるが、そのような電析物も確認できなかった。したがって、本実施形態の装置によれば、長時間にわたって、安定的に水道水を電解できることが明らかとなった。
【０１００】
〔実施例３〕
実施例３では、実施例１の構成において、第一、第二メッシュ電極４２、５２として、ＩｒＯ２触媒粒子が担持された＃１００Ｔｉメッシュを用いた。また、実施例３では、水道水流量を０．３Ｌ／ｍｉｎにし、２．５Ａ／ｃｍ２を流して水電解を行った。水電解セル３０内の水の滞留時間と流速は、０．０１５ｓ、１．３０ｍ／ｓであった。
【０１０１】
この結果、製造された水素水中の溶存水素濃度は、０．９９ｍｇ／Ｌという高濃度な水素水を製造できた。また、本実施例では、水の滞留時間が０．０１５ｓであったが、水の滞留時間を例えば０．０１９ｓとしても、すなわち、水の滞留時間が０．０２ｓ未満の範囲で増加させても、同様の結果が得られるものと考えられる。
【０１０２】
本発明は、上記の実施形態に限るものではなく、その主旨を逸脱しない範囲内において種々の変形、変更、改良が可能である。例えば、上記に示した変形例は、適宜、複数を組み合わせて構成してもよい。
【符号の説明】
【０１０３】
１０   水電解装置
３０   水電解セル
３２   固体電解質膜
４０   第一電極部
４２   第一メッシュ電極
４４   第一ターミナルプレート
５０   第二電極部
５２   第二メッシュ電極
５３   第二メッシュ電極
５４   第二ターミナルプレート
８０   交流電源
【図１】
2018076577.tif 000003
【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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