(57)【要約】      （修正有）【課題】一回の通水では到達できない高濃度の機能水を製造できる水電解装置を提供する。【解決手段】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、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、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水電解セルと、第一電極部と第二電極部との間に電流を流して、水電解セルで水電解する電源と、前記一方の面と第一ターミナルプレートとの間の流路を流通した水を貯留する貯留部１１２と、貯留部の水を前記流路へ再び送るポンプ１６２と、を備える水電解装置１００。【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第一水が流通し、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第二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の間に電流を流して、前記水電解セルで水電解する電源と、
前記一方の面と前記第一ターミナルプレートとの間の流路を流通した第一水を貯留する貯留部と、
前記貯留部の第一水を前記流路へ再び送るポンプと、
を備える水電解装置。
【請求項２】
前記貯留部に予め貯留された第一水が、前記流路を流通してから前記貯留部に再び貯留されることで、前記貯留部と前記流路との間を循環し、
単位時間当たりの循環水量と運転時間との積が、前記貯留部に予め貯留された第一水の水量の２倍以上となる運転条件で運転される
請求項１に記載の水電解装置。
【請求項３】
前記他方の面と前記第二ターミナルプレートとの間の流路を流通した第二水を、該流路へ再び送って、前記第二水を循環させる
請求項１又は２に記載の水電解装置。
【請求項４】
前記水電解セルと前記貯留部との間に配置され、前記一方の面と前記第一ターミナルプレートとの間の流路を流通した第一水と該第一水に含まれる気体とを混合する気液混合器
を備える請求項１〜３のいずれか１項に記載の水電解装置。
【請求項５】
前記貯留部を冷却する冷却装置を備える請求項１〜４いずれか１項に記載の水電解装置。
【請求項６】
前記貯留部から前記第一水を抜き出し可能な抜出部と、
前記抜出部によって前記第一水が抜き出された貯留部に水を補充する補充部と、
を備える請求項１〜５のいずれか１項に記載の水電解装置。
【請求項７】
前記抜出部で前記第一水を前記貯留部から抜き出しつつ、抜き出した分の前記第一水を前記補充部で前記貯留部へ補充する場合において、
前記貯留部に予め貯留された第一水の貯留水量を、単位時間当たりに前記貯留部に補充される補充水量で割った値を平均滞留時間としたとき、
前記平均滞留時間と単位時間当たりの循環水量との積が、前記貯留水量の２倍以上となる運転条件で運転される
請求項６に記載の水電解装置。
【請求項８】
前記貯留部からの抜き出しを行わずに、前記一方の面と前記第一ターミナルプレートとの間の流路と前記貯留部との間で第一水を循環させる請求項１〜６のいずれか１項に記載の水電解装置。
【請求項９】
前記第一電極部が、陰極部とされ、
前記一方の面と前記第一ターミナルプレートとの間の流路で前記第一水を流通させて、水素水を製造する
請求項１〜８のいずれか１項に記載の水電解装置。
【請求項１０】
請求項１〜９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第一水及び第二水を複数回流通させつつ、前記水電解セルに電流を流して前記水電解セルで水電解し、該水電解より発生した気体を含む機能水を製造する水電解工程と、
を有する機能水の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水電解装置、機能水の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、Ｐｔ（プラチナ）などの金属メッシュを電極として用いた水電解セルに対して、水を供給して、水電解を行う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２００６−１７５３８４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、水電解セルに対して一回通水して、オゾン水、酸素水又は水素水（以下、これらを総称して機能水という）を製造する製造方法が知られている。この製造方法において、機能水の濃度を高めるためには、例えば、通水量を低減し且つ水電解セルの電流密度を上昇させて、生成されるガスと通水量の比率を大きくする操作が必要となる。このような操作を行っても、例えば、７０ｍｇ／Ｌを超える濃度のオゾン水や、飽和濃度を超える１．８ｍｇ／Ｌ以上の濃度の水素水や、６０ｍｇ／Ｌ以上の濃度の酸素水を製造することは難しい。
【０００５】
本発明は、上記事実を考慮し、一回の通水では到達できない高濃度の機能水を製造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の間に電流を流して、前記水電解セルで水電解する電源と、前記一方の面と前記第一ターミナルプレートとの間の流路を流通した水を貯留する貯留部と、前記貯留部の水を前記流路へ再び送るポンプと、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、電源が、第一電極部と第二電極部との間に電流を流して水電解セルで水電解する。この水電解によって生成された気体が、一方の面と第一ターミナルプレートとの間の流路を流通する水に溶解し、機能水が製造される。
【０００８】
当該流路を流通した機能水は、貯留部に貯留される。貯留部の機能水は、ポンプによって、当該流路へ再び送られる。
【０００９】
このように、請求項１の構成では、一方の面と第一ターミナルプレートとの間の流路を複数回通水できるので、複数回通水する毎に水電解して機能水の高濃度化を図ることができる。
【００１０】
また、請求項１の構成では、一方の面と第一ターミナルプレートとの間で一方の面に沿って水が流通するため、第一メッシュ電極内で微泡化された気体と水とを接触させることができ、機能水の高濃度化を図ることができる。
【００１１】
以上により、請求項１の構成では、一回の通水では到達できない高濃度の機能水を製造できる。
【００１２】
請求項２の発明では、前記貯留部に予め貯留された第一水が、前記流路を流通してから前記貯留部に再び貯留されることで、前記貯留部と前記流路との間を循環し、単位時間当たりの循環水量と運転時間との積が、前記貯留部に予め貯留された第一水の水量の２倍以上となる運転条件で運転される。
【００１３】
この構成によれば、貯留部に予め貯留された第一水が、一方の面と第一ターミナルプレートとの間の流路を２回以上流通することになるので、機能水の高濃度化を図ることができる。
【００１４】
請求項３の発明では、前記他方の面と前記第二ターミナルプレートとの間の流路を流通した第二水を、該流路へ再び送って、前記第二水を循環させる。
【００１５】
この構成によれば、第二水が循環するので、他方の面と第二ターミナルプレートとの間の流路を流通した第二水を廃棄する場合に比べ、第二水の使用量を低減できる。
【００１６】
請求項４の発明は、前記水電解セルと前記貯留部との間に配置され、前記一方の面と前記第一ターミナルプレートとの間の流路を流通した第一水と該第一水に含まれる気体とを混合する気液混合器を備える。
【００１７】
この構成によれば、水電解セルでは溶解しきれなかった気体を、気液混合器において水に溶解することができ、さらに、機能水の高濃度を図ることができる。
【００１８】
請求項５の発明は、前記貯留部を冷却する冷却装置を備える。
【００１９】
この構成によれば、冷却装置が貯留部を冷却するので、ヘンリーの法則により、生成された気体の液相から気相への移行が抑制され、さらに、機能水の高濃度を図ることができる。
【００２０】
請求項６の発明は、前記貯留部から前記第一水を抜き出し可能な抜出部と、前記抜出部によって前記第一水が抜き出された貯留部に水を補充する補充部と、を備える。
【００２１】
この構成によれば、抜出部によって貯留部から抜き出された機能水を、例えば消毒、洗浄、飲料用などに用いることができる。そして、抜き出した分の水を、補充部によって貯留部に補充できるので、貯留部の水を減らさずに連続的に機能水を製造できる。
【００２２】
請求項７の発明は、前記抜出部で前記第一水を前記貯留部から抜き出しつつ、抜き出した分の前記第一水を前記補充部で前記貯留部へ補充する場合において、前記貯留部に予め貯留された第一水の貯留水量を、単位時間当たりに前記貯留部に補充される補充水量で割った値を平均滞留時間としたとき、前記平均滞留時間と単位時間当たりの循環水量との積が、前記貯留水量の２倍以上となる運転条件で運転される。
【００２３】
この構成によれば、貯留部に補充された第一水が貯留部に滞留している時間内に、第一水が一方の面と第一ターミナルプレートとの間の流路を２回以上流通することになるので、高濃度化された機能水の濃度を維持できる。
【００２４】
請求項８の発明は、前記貯留部からの抜き出しを行わずに、前記一方の面と前記第一ターミナルプレートとの間の流路と前記貯留部との間で第一水を循環させる。
【００２５】
この構成によれば、貯留部からの抜き取りを行わずに、水電解セルの流路と貯留部との間で水を循環させるので、機能水を短時間で高濃度化することができる。
【００２６】
請求項９の発明は、前記第一電極部が、陰極部とされ、前記一方の面と前記第一ターミナルプレートとの間の流路で前記第一水を流通させて、水素水を製造する。
【００２７】
この構成によれば、陰極部側における一方の面と第一ターミナルプレートとの間の流路を複数回通水できるので、複数回通水する毎に水電解して、高濃度の水素水の製造できる。
【００２８】
請求項１０の発明は、請求項１〜９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第一水及び第二水を複数回流通させつつ、前記水電解セルに電流を流して前記水電解セルで水電解し、該水電解より発生した気体を含む機能水を製造する水電解工程と、を有する。
【００２９】
この製造方法によれば、請求項１〜９のいずれか１項に記載の水電解装置の水電解セルに水を流通させつつ、水電解セルに電流を複数回流して前記水電解セルで水電解し、該水電解より発生した気体を含む機能水を製造する。
【００３０】
このように、請求項１０の製造方法では、水電解セルに複数回通水し、複数回通水する毎に水電解して機能水の高濃度化を図ることができる。
【００３１】
また、請求項１０の製造方法では、一方の面と第一ターミナルプレートとの間で一方の面に沿って水が流通するため、第一メッシュ電極内で微泡化された気体と水とを接触させることができ、機能水の高濃度化を図ることができる。
【００３２】
以上により、請求項１０の製造方法では、一回の通水では到達できない高濃度の機能水を製造できる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明は、上記構成としたので、一回の通水では到達できない高濃度の機能水を製造できる水電解装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】第一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】第一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】第二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４】実施例１におけるオゾン水の濃度の経時変化を示すグラフである。
【図５】実施例２におけるオゾン水の濃度及び貯留部の水温の経時変化を示すグラフである。
【図６】超高濃度のオゾン水の製造条件におけるシミュレーション結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
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。
【００３６】
《第一実施形態》
〈水電解装置１００〉
まず、第一実施形態に係る水電解装置１００の構成を説明する。図１は、第一実施形態に係る水電解装置１００の構成を示す概略図である。
【００３７】
水電解装置１００は、純水（水の一例）を水電解してオゾン水（機能水の一例）を生成（製造）する装置である。具体的には、水電解装置１００は、図１に示されるように、水電解セル３０と、第一供給路１２０と、第一排出路１７０と、貯留部１１２と、第二供給路１６０と、第二排出路１９０と、気液混合器１９６と、溶存オゾン濃度計１６８と、抜出部４１０と、補充部４２０と、電源１８０と、を有している。
【００３８】
なお、水電解装置１００の各部の構成部品（例えば、筐体、タンク、ポンプ、配管、ミキサー、弁、継手、パッキン、及び水電解セルなど）は、耐オゾン性に優れる材料、例えば、テフロン（登録商標）、ステンレス等で構成されている。
【００３９】
［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、陽極部４０（第一電極部の一例）と、陰極部５０（第二電極部の一例）と、筐体３８（図１参照）と、を有している。
【００４０】
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。
【００４１】
陽極部４０は、板状（扁平状）とされた第一メッシュ電極４２、４３１、４３２、４３３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、４３１、４３２、４３３は、厚み方向に重ねられており、互いが厚み方向に接触するように配置されている。固体電解質膜３２の一方の面３２Ａは、第一メッシュ電極４２の一方の面４２Ａに接触している。第一ターミナルプレート４４の一方の面４４Ａは、平面状に形成されており、第一メッシュ電極４３３の一方の面４３３Ｂに接触している。第一ターミナルプレート４４は、具体的には、平板状とされており、第一ターミナルプレート４４の一方の面４４Ａには、水路を形成するための溝がなく、一方の面４４Ａは、全面が平面で形成されている。
【００４２】
陰極部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、５３は、厚み方向に重ねられており、互いが厚み方向に接触するように配置されている。固体電解質膜３２の他方の面３２Ｂは、第二メッシュ電極５２の一方の面５２Ａに接触している。第二ターミナルプレート５４の一方の面５４Ａは、平面状に形成されており、第二メッシュ電極５３の一方の面５３Ｂに接触している。第二ターミナルプレート５４は、具体的には、平板状とされており、第二ターミナルプレート５４の一方の面５４Ａには、水路を形成するための溝がなく、一方の面５４Ａは、全面が平面で形成されている。
【００４３】
したがって、第一メッシュ電極４２、４３１、４３２、４３３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４３３、第一メッシュ電極４３２、第一メッシュ電極４３１、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。
【００４４】
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。
【００４５】
固体電解質膜３２に接触しない第一、第二メッシュ電極４３１、４３２、４３３、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、４３１、４３２、４３３、５２、５３としては、例えば、平織りや綾織りなどで板状（扁平状）且つメッシュ状（網状）の電極が用いられる。
【００４６】
また、第一、第二メッシュ電極４２、４３１、４３２、４３３、５２、５３は、表裏の両面（一方の面及び他方の面）において、複数の凹凸を有している。これにより、第一ターミナルプレート４４、第一メッシュ電極４２、４３１、４３２、４３３、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は、互いに、隣接する部材に対して接触する部分と隙間を有する部分とが形成される。
【００４７】
陽極部４０では、固体電解質膜３２、第一メッシュ電極４２、４３１、４３２、４３３及び第一ターミナルプレート４４の各々の間の隙間部分と、第一メッシュ電極４２、４３１、４３２、４３３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、陽極部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、４３１、４３２、４３３の面）に沿って純水（第一水としてのアノード水）が当該流路を流通する。
【００４８】
また、陰極部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、陰極部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）に沿って塩水（第二水としてのカソード水）が当該流路を流通する。なお、図２には、水電解セル３０においてアソード水及びカソード水が流通する方向が矢印にて示されている。
【００４９】
第一、第二メッシュ電極４２、４３１、４３２、４３３、５２、５３の大きさ（面積）は、水電解セル３０で流すアソード水及びカソード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、４３１、４３２、４３３、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、４３１、４３２、４３３、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、４３１、４３２、４３３、５２、５３は、例えば、幅５０ｍｍ×長さ１００ｍｍの大きさとされる。また、第一、第二メッシュ電極４２、４３１、４３２、４３３、５２、５３の大きさは、固体電解質膜３２の大きさよりも小さくされている。
【００５０】
なお、上記のいずれの場合も、第一、第二メッシュ電極４２、４３１、４３２、４３３、５２、５３の縦横比が、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直交方向の幅より長くされている。また、第一、第二メッシュ電極４２、４３１、４３２、４３３、５２、５３としては、直交方向の幅が、流通方向の長さより広くされる構成であってもよい。
【００５１】
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との間に四枚の第一メッシュ電極４２、４３１、４３２、４３３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で流す純水の流量と、水電解セル３０内での圧力損失とによって規定される。
【００５２】
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で流す純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。
【００５３】
例えば、メッシュ電極を幅３０ｍｍ×長さ６０ｍｍの大きさとし、水電解セル３０で流す純水の流量を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。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。
【００５４】
［第一供給路１２０］
第一供給路１２０は、水電解セル３０の陰極部５０へカソード水（例えば、塩水）を供給するための流路である。この第一供給路１２０は、下流端部が水電解セル３０の陰極部５０に接続され、上流端部がカソード水を貯留する貯留部１２１に接続されている。
【００５５】
第一供給路１２０には、送水部としてのポンプ１２２が配置されている。このポンプ１２２によって、貯留部１２１に貯留されたカソード水が水電解セル３０の陰極部５０へ送られる。また、第一供給路１２０におけるポンプ１２２の下流側には、カソード水の流量を調整するための流量調整弁１２４が配置されている。
【００５６】
第一メッシュ電極４２として、Ｐｔなどの金属電極を用いる場合では、水電解の過程で酸化・劣化が生じやすい。そこで、本実施形態では、カソード水として塩水を用いて、金属電極の酸化を抑制し、水電解効率の低下を抑制する。なお、金属電極の酸化を抑制するメカニズムについては、特開２０１２−１０７３３１公報に記載されている。
【００５７】
なお、第一メッシュ電極４２として、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を用いる場合は、酸化・劣化が生じにくいので、カソード水として塩水を用いる必要はなく、カソード水として純水やイオン交換水を用いることができる。
【００５８】
［第一排出路１７０］
第一排出路１７０は、水電解セル３０の陰極部５０を流通したカソード水が排出される流路である。この第一排出路１７０の上流端部は、水電解セル３０の陰極部５０に接続されている。水電解セル３０の陰極部５０を流通したカソード水は、第一排出路１７０を通じて排出される。第一排出路１７０で排出されたカソード水は、第一供給路１２０を通じて、再び水電解セル３０の陰極部５０に供給してもよい。すなわち、カソード水を循環させてもよい。これにより、カソード水を循環させない構成に比べ、カソード水の使用量を低減できる。
【００５９】
［貯留部１１２］
貯留部１１２は、例えば、アソード水（純水）を貯留する容器で構成されている。貯留部１１２に貯留されたアソード水は、後述するように、水電解セル３０との間で循環するようになっている。
【００６０】
ここで、貯留部１１２内の水温が上昇すると、ヘンリーの法則によって液相から気相へのオゾンの移行が促進されるため、オゾン水の濃度上昇が抑制される。そこで、本実施形態では、貯留部１１２を冷却装置１１４に設置している。冷却装置１１４は、貯留部１１２を、例えば、２０℃以下、好ましくは１０℃以下に冷却する。これにより、生成されたオゾンの液相から気相への移行が抑制される。
【００６１】
なお、冷却装置としては、冷却コイル等で構成された冷却部を貯留部１１２内に入れる投げ込み式のクーラーであってもよいし、通常の熱交換器型の冷却器を第二排出路１９０に設置してもよい。また、貯留部１１２にアソード水と共に氷を入れておき、氷の融解熱で貯留部１１２内の水温を低く維持する構成であってもよい。さらに、後述の補充部４２０において、冷却したアソード水を貯留部１１２へ補充し、貯留部１１２内の水温を低く維持する構成であってもよい。
【００６２】
［第二供給路１６０］
第二供給路１６０は、貯留部１１２に貯留されたアソード水を水電解セル３０の陽極部４０へ供給するための流路である。この第二供給路１６０は、上流端部が貯留部１１２に接続され、下流端部が水電解セル３０の陽極部４０に接続されている。
【００６３】
第二供給路１６０には、送水部としてのポンプ１６２が配置されている。このポンプ１６２によって、アソード水が水電解セル３０の陽極部４０へ送られる。また、第二供給路１６０におけるポンプ１６２の下流側には、アソード水の流量を調整するための流量調整弁１６４が配置されている。また、第二供給路１６０における流量調整弁１６４の下流側には、第二供給路１６０内のアソード水の圧力を計測する圧力計１６６が配置されている。
【００６４】
［第二排出路１９０］
第二排出路１９０は、水電解セル３０の陽極部４０を流通したアソード水（オゾン水）を貯留部１１２へ排出する流路である。この第二排出路１９０は、上流端部が水電解セル３０の陽極部４０に接続され、下流端部が貯留部１１２に接続されている。第二排出路１９０を流通したアソード水は、貯留部１１２に貯留される。このように、第二排出路１９０及び前述の第二供給路１６０を通じて、アソード水が貯留部１１２と水電解セル３０の陽極部４０との間を循環する。なお、第二排出路１９０には、アソード水の流量を調整するための流量調整弁１９２が配置されている。
【００６５】
［気液混合器１９６］
気液混合器１９６は、気体（オゾン）を水に混合する機能を有している。この気液混合器１９６は、第二排出路１９０における流量調整弁１９２の下流側に配置されている。
【００６６】
気液混合器１９６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１９６では、メッシュ面に沿って、水とオゾンが流れて、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１９６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。
【００６７】
［溶存オゾン濃度計１６８］
溶存オゾン濃度計１６８は、アソード水に溶存するオゾン濃度を測定する機能を有している。この溶存オゾン濃度計１６８は、第二供給路１６０におけるポンプ１６２と流量調整弁１６４との間で第二供給路１６０から分岐する分岐路１６７に配置されている。分岐路１６７には、分岐路１６７を開閉する開閉弁１６９が配置されている。この開閉弁１６９が分岐路１６７を開放することで、ポンプ１６２で送られたアソード水が第二供給路１６０から溶存オゾン濃度計１６８へ流入し、そのアソード水に溶存するオゾン濃度を溶存オゾン濃度計１６８が測定する。
【００６８】
［抜出部４１０］
抜出部４１０は、貯留部１１２に貯留されたアソード水（オゾン水）を抜き出し可能な機能を有している。抜き出し部４１０は、貯留部１１２に接続された抜出路４１２と、抜出路４１２に配置された開閉弁４１４と、を有している。抜き出し部４１０では、開閉弁４１４が抜出路４１２を開放することで、貯留部１１２に貯留されたアソード水が、抜出路４１２を通じて抜き出される。アソード水の抜き出しは、例えば、溶存オゾン濃度計１６８によって、貯留部１１２内のアソード水の濃度が所定の濃度となったことが確認された後に行われる。また、加圧状態でオゾン水を抜き出す場合には、溶存オゾン濃度計１６８の配管（分岐路１６７）に枝管（ティーなど）を取り付けて、ポンプ１６２で加圧されたオゾン水を抜き出すこともできる。抜出部４１０によって抜き出されたアソード水（オゾン水）は、例えば、殺菌、消毒、洗浄などに用いられる。
【００６９】
［補充部４２０］
補充部４２０は、貯留部１１２にアソード水（純水）を補充する機能を有している。補充部４２０は、具体的には、例えば、補充用のアソード水を貯留する貯留部４２２と、貯留部４２２と貯留部１１２とに接続された補充路４２４と、補充路４２４に配置されたポンプ４２６と、を有している。補充部４２０では、貯留部４２２に貯留された補充用のアソード水が、ポンプ４２６によって貯留部１１２に補充される。
【００７０】
［電源１８０］
電源１８０は、陽極部４０の第一ターミナルプレート４４と陰極部５０の第二ターミナルプレート５４とに接続されている。この電源１８０には、直流電源が用いられている。そして、電源１８０は、例えば、パソコン１８２（ＰＣ）の操作により、定電流モードにて運転している。
【００７１】
水電解セル３０に流す電流の電流密度は、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、オゾン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、陽極部４０及び陰極部５０の各電極が劣化・消耗し、水電解装置１００の寿命が短くなる。さらに、電流密度が３．５Ａ／ｃｍ２を超えると、貯留部１１２内の水温が上昇する。その結果、ヘンリーの法則によって液相から気相へのオゾンの移行が促進されるため、オゾン水の濃度上昇が抑制される。
【００７２】
そして、水電解セル３０に直流電流を流すことで、水電解セル３０を流通するアソード水及びカソード水が電気分解される。アソード水及びカソード水が電気分解されると、陰極部５０に水素が生成され、陽極部４０にオゾンが生成される。
［水電解装置１００の運転条件］
水電解装置１００では、循環水量と運転時間との積が、貯留部１１２に予め貯留されたアソード水の水量の２倍以上となる運転条件で運転される。すなわち、貯留部１１２に予め貯留されたアソード水が、水電解セル３０を２回以上流通する運転条件で運転される。なお、循環水量は、単位時間当たりの循環水量であって、単位時間あたりに、貯留部１１２から水電解セル３０へ送られて貯留部１１２に再び戻ってくる水量である。
【００７３】
［水電解装置１００の循環水量］
水電解装置１００において、第二供給路１６０、水電解セル３０及び第二排出路１９０を循環するアソード水の循環水量は、多いほうが好ましい。その理由は、水電解セル３０で生成されたオゾンの気泡を効率よく、水電解セル３０の第一メッシュ電極４２、４３１、４３２、４３３から流し出すことができるためである。オゾン水は、濃度が高くなるにつれて、電解の際に水に溶解しきれずに気泡を形成するオゾンの量が増加する。その結果、水電解セル３０内に気泡が溜まるようになる。これらの気泡は、陽極部４０の第一メッシュ電極４２、４３１、４３２、４３３の有効面積を減らし、電解効率を低下させる。
【００７４】
そこで、循環水量を増加させて、第一メッシュ電極４２、４３１、４３２、４３３の有効面積の低下を抑制すると共に、単位時間当たりの水電解回数を増加させることで、オゾン水の高濃度化を図る。
【００７５】
特に、本実施形態のように、陽極部４０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、４３１、４３２、４３３の面）に沿ってアノード水を流通させる構成においては、第一メッシュ電極４２、４３１、４３２、４３３内で生成された気泡を流し出すことができ、気泡の影響を抑制する効果が高い。
【００７６】
［水電解装置１００を用いたオゾン水の製造方法］
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１００を準備する。
【００７７】
水電解工程では、循環水量と運転時間との積が、貯留部１１２に予め貯留されたアソード水の水量の２倍以上となる運転条件で、水電解装置１００を運転する。これにより、水電解装置１００の水電解セル３０の陽極部４０にアソード水を複数回流通させつつ、水電解セル３０に電流を流して水電解セル３０で水電解し、該水電解より発生したオゾン（気体の一例）を含むオゾン水を製造する。
【００７８】
具体的には、水電解工程は、以下のように行われる。すなわち、水電解装置１００の貯留部１１２に貯留されたアソード水が水電解セル３０の陽極部４０へ供給され、電源１８０によって水電解セル３０に電流を流して水電解セル３０で水電解が行われる。水電解より発生したオゾンが、水電解セル３０においてアソード水に溶解され、さらに、気液混合器１９６において、水電解セル３０で溶解しきれなかったオゾンがアソード水に溶解される。そして、気液混合器１９６からアソード水が貯留部１１２に戻される。この工程（サイクル）が複数回繰り返されて、オゾン水が製造される。
【００７９】
本実施形態では、製造されたオゾン水は、抜き出し部４１０によって、貯留部１１２から抜き出して使用される。具体的には、抜き出し部４１０では、開閉弁４１４が抜出路４１２を開放することで、貯留部１１２に貯留されたオゾン水が、抜出路４１２を通じて抜き出される。なお、オゾン水が抜き出された分、補充部４２０によって、アソード水（純水）が補充される。貯留部１１２からオゾン水を抜き出しつつ、貯留部１１２へアソード水を補充することで、連続的に、オゾン水を使用できる。
【００８０】
このとき、貯留部１１２へ補充される補充水が貯留部１１２に滞留している時間（平均滞留時間）を以下のように定義し、この平均滞留時間内に、水を２回以上電解させる。
【００８１】
平均滞留時間［ｍｉｎ］＝貯留水量［Ｌ］÷補充水量［Ｌ／ｍｉｎ］
【００８２】
なお、貯留水量は、貯留部１１２に予め貯留された水量である。補充水量は、単位時間あたりに貯留部１１２に補充される水量である。
【００８３】
平均滞留時間内に水を２回以上電解させる場合において、単位時間あたりに循環する循環水量と貯留水量との関係は次のとおりである。
【００８４】
平均滞留時間［ｍｉｎ］×循環水量［Ｌ／ｍｉｎ］≧貯留水量［Ｌ］×２
【００８５】
すなわち、本実施形態では、平均滞留時間と単位時間当たりの循環水量との積が、貯留水量の２倍以上となる運転条件で運転される。なお、循環水量は、単位時間あたりに、貯留部１１２から水電解セル３０へ送られて貯留部１１２に再び戻ってくる水量である。
【００８６】
製造された高濃度のオゾン水は、酸化・分解力、殺菌力、洗浄力が非常に強く、殺菌、消毒、洗浄などに使用することができる。また、製造された高濃度のオゾン水は、例えば、フォトレジストの剥離工程などに使用することが可能である。したがって、オゾン水が、フォトレジストの剥離工程などに現在使用されている酸やアルカリ水溶液を代替できる。また、使用後のオゾン水は、水と酸素に戻るため、環境負荷の低減につながる。
【００８７】
〈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。
【００８８】
本実施形態の構成によれば、前述のように、水電解セル３０の陽極部４０において、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との間に第一メッシュ電極４２、４３１、４３２、４３３が挟まれ且つその間を一方の面３２Ａに沿ってアソード水が流通する。そして、電源１８０が、陽極部４０と陰極部５０との間に電流を流して水電解セル３０で水電解する。この水電解によって生成されたオゾンが、一方の面３２Ａと第一ターミナルプレート４４との間の流路を流通する水に溶解し、オゾン水が製造される。
【００８９】
当該流路を流通したアソード水（オゾン水）は、貯留部１１２に貯留される。このアソード水は、ポンプ１６２によって、水電解セル３０の当該流路へ再び送られ、再び水電解が行われる。
【００９０】
このように、本実施形態の構成では、一方の面３２Ａと第一ターミナルプレート４４との間の流路を複数回通水できるので、複数回通水する毎に水電解してオゾン水の高濃度化を図ることができる。
【００９１】
特に、水電解装置１００では、循環水量と運転時間との積が、貯留部１１２に予め貯留されたアソード水の水量の２倍以上となる運転条件で運転される。これにより、貯留部１１２に予め貯留されたアソード水が、水電解セル３０を２回以上流通することになるので、オゾン水の高濃度化を図ることができる。
【００９２】
また、本実施形態では、一方の面３２Ａと第一ターミナルプレート４４との間で一方の面３２Ａに沿ってアソード水が流通するため、第一メッシュ電極４２、４３１、４３２、４３３内で微泡化されたオゾンと水とを接触させることができ、オゾン水の高濃度化を図ることができる。
【００９３】
また、本実施形態では、一方の面３２Ａと第一ターミナルプレート４４との間を流通したアソード水（オゾン水）が、気液混合器１９６を通過する。このため、水電解セル３０では溶解しきれなかったオゾンを、気液混合器１９６において水に溶解することができ、さらに、オゾン水の高濃度を図ることができる。
【００９４】
また、本実施形態では、貯留部１１２を冷却装置１１４に設置し、貯留部１１２を、例えば、２０℃以下に冷却する。これにより、ヘンリーの法則により、生成されたオゾンの液相から気相への移行が抑制され、さらに、オゾン水の高濃度を図ることができる。
【００９５】
以上により、本実施形態の構成では、一回の通水では到達できない高濃度のオゾン水を製造できる。
【００９６】
また、本実施形態では、抜出部４１０によって貯留部１１２から抜き出されたオゾン水を殺菌、消毒、洗浄などに用いることができる。そして、抜き出した分の水を、補充部４２０によって貯留部１１２に補充できるので、貯留部１１２の水を減らさずに連続的にオゾン水を製造できる。
【００９７】
さらに、本実施形態では、貯留部１１２へ補充される補充水が貯留部１１２に滞留している時間（平均滞留時間）内に、水を２回以上電解させるので、高濃度化されたオゾン水の濃度を維持できる。このように、本実施形態では、貯留部１１２のオゾン水を連続的に抜き取り、且つ、連続的に水を補充することで、濃度が一定に維持されたオゾン水を連続的に製造できる。
【００９８】
〈水電解装置１００の変形例〉
前述の水電解装置１００では、アソード水として純水を用いたが、これに限られず、例えば、イオン交換水であってもよい。
【００９９】
さらに、カソード水として塩水を用いる場合には、アソード水として水道水を用いてもよい。カソード水として塩水を用いた構成では、陰極部５０において、塩水の電解によって、ＮａＯＨが生成されるため、カソード水のｐＨが１１〜１２まで上昇する。そのｐＨ領域では、水道水中に含まれるミネラル成分の電解生成物（ＣａＣＯ３やＭｇ（ＯＨ）２等）の粒子が負に帯電するため、陰極部５０との静電反発により、電解生成物の析出が抑制される。このように、電解生成物の析出が抑制されるので、アソード水として水道水を用いることが可能となる。
【０１００】
また、前述の水電解装置１００では、製造されたオゾン水を貯留部１１２から抜き出して使用していたが、これに限られない。例えば、抜き出しを行わずに、アソード水をバッチ式に循環させ、製造したオゾン水を貯留部１１２に貯留する。そして、水電解装置１００の運転を停止し、例えば、貯留部１１２を水電解装置１００から取り外してから、製造されたオゾン水が使用してもよい。この場合では、オゾン水を短時間で高濃度化することができる。
【０１０１】
また、前述の水電解装置１００としては、貯留部１１２を耐圧性のものとし、圧力制御装置を設置して、加圧下で水電解装置１００を運転することが好ましい。数気圧の圧力下で水電解を行うと、ヘンリーの法則により、気相から液相への気体の溶解度が上昇するので、高濃度の機能水を得ることができる。
【０１０２】
〈水電解装置１００を酸素水の製造に用いる変形例〉
前述の水電解装置１００は、オゾン水を製造する装置として構成されていたが、酸素水（機能水の一例）を製造する装置として構成してもよい。この場合では、陽極部４０の第一メッシュ電極４２としては、水電解における酸素過電圧を低減し且つオゾンの生成を抑制する機能を有する触媒層（ＩｒＯ２）を形成したメッシュ電極が用いられる。メッシュ電極としては、例えば、Ｔｉメッシュが用いられる。
【０１０３】
また、酸素水を製造する場合では、陽極部４０の酸化・劣化のおそれが小さいので、カソード水として塩水を用いる必要がなく、カソード水としては、純水やイオン交換水を用いればよい。また、水電解装置１００の各部の材質は、耐オゾン性を有する必要がない。
【０１０４】
《第二実施形態》
〈水電解装置１０〉
まず、第二実施形態に係る水電解装置１０の構成を説明する。図３は、第二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。
【０１０５】
水電解装置１０は、純水（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３に示されるように、水電解セル３０と、第一供給路２０と、第一排出路７０と、貯留部１２と、第二供給路６０と、第二排出路９０と、溶存水素濃度計６８と、抜出部２１０と、補充部２２０と、電源８０と、を有している。
【０１０６】
［水電解セル３０］
水電解セル３０では、陽極部４０の第一メッシュ電極４２として、水電解における酸素過電圧を低減し且つオゾンの生成を抑制する機能を有する触媒層（ＩｒＯ２）を形成したメッシュ電極が用いられる。メッシュ電極としては、例えば、Ｔｉメッシュが用いられる。その他の点については、オゾンを製造する水電解装置１００の場合と同様である。
【０１０７】
なお、水電解装置１０では、陰極部５０が第一電極部の一例として、第二メッシュ電極５２、５３が第一メッシュ電極の一例として、第二ターミナルプレート５４が第一ターミナルプレートの一例として、他方の面３２Ｂが一方の面の一例として機能する。さらに、陽極部４０が第二電極部の一例として、第一メッシュ電極４２、４３１、４３２、４３３が第二メッシュ電極の一例として、第一ターミナルプレート４４が第二ターミナルプレート５４の一例として、一方の面３２Ａが他方の面の一例として機能する。
【０１０８】
［第一供給路２０］
第一供給路２０は、水電解セル３０の陽極部４０へ第二水としてのアノード水（純水）を供給するための流路である。この第一供給路２０は、下流端部が水電解セル３０の陽極部４０に接続され、上流端部が例えば、アノード水を貯留する貯留部に接続されている。
【０１０９】
第一供給路２０には、送水部としてのポンプ２２が配置されている。このポンプ２２によって、アソード水が水電解セル３０の陽極部４０へ送られる。また、第一供給路２０におけるポンプ２２の下流側には、アノード水の流量を調整するための流量調整弁２４が配置されている。なお、アソード水としては、イオン交換水を用いてもよい。
【０１１０】
［第一排出路７０］
第一排出路７０は、水電解セル３０の陽極部４０を流通したアノード水（酸素水）が排出される流路である。この第一排出路７０の上流端部は、水電解セル３０の陽極部４０に接続されている。第一排出路７０の下流端部は、例えば、第一供給路２０が接続された貯留部（図示省略）に接続されている。第一排出路７０を流通したアノード水は、貯留部（図示省略）に貯留され、当該貯留部にて酸素が除去されて、当該貯留部から第一供給路２０を通じて、再び水電解セル３０の陽極部４０に供給される。このように、アノード水が循環される（リサイクルされる）。
【０１１１】
［貯留部１２］
貯留部１２は、例えば、第一水としてのカソード水（純水）を貯留する容器で構成されている。貯留部１２に貯留されたカソード水は、後述するように、水電解セル３０の陰極部５０との間で循環するようになっている。なお、カソード水としては、イオン交換水を用いてもよい。
【０１１２】
［第二供給路６０］
第二供給路６０は、貯留部１２に貯留されたカソード水を水電解セル３０の陰極部５０へ供給するための流路である。この第二供給路６０は、上流端部が貯留部１２に接続され、下流端部が水電解セル３０の陰極部５０に接続されている。
【０１１３】
第二供給路６０には、送水部としてのポンプ６２が配置されている。このポンプ６２によって、カソード水が水電解セル３０の陰極部５０へ送られる。また、第二供給路６０におけるポンプ６２の下流側には、カソード水の流量を調整するための流量調整弁６４が配置されている。また、第二供給路６０における流量調整弁６４の下流側には、第二供給路６０内のカソード水の圧力を計測する圧力計６６が配置されている。
【０１１４】
［第二排出路９０］
第二排出路９０は、水電解セル３０の陰極部５０を流通したカソード水（水素水）を貯留部１２へ排出する流路である。この第二排出路９０は、上流端部が水電解セル３０の陰極部５０に接続され、下流端部が貯留部１２に接続されている。第二排出路９０を流通したカソード水は、貯留部１２に貯留される。このように、第二排出路９０及び前述の第二供給路６０を通じて、カソード水が貯留部１２と水電解セル３０の陰極部５０との間を循環する。なお、第二排出路９０には、カソード水の流量を調整するための流量調整弁９２が配置されている。
【０１１５】
［気液混合器９６］
気液混合器９６は、気体（水素）を水に混合する機能を有している。この気液混合器９６は、第二排出路９０における流量調整弁９２の下流側に配置されている。気液混合器９６は、水電解装置１００における気液混合器１９６と同様に構成されている。
【０１１６】
［溶存水素濃度計６８］
溶存水素濃度計６８は、カソード水に溶存する水素濃度を測定する機能を有している。この溶存水素濃度計６８は、第二供給路６０におけるポンプ６２と流量調整弁６４との間で第二供給路６０から分岐する分岐路６７に配置されている。分岐路６７には、分岐路６７を開閉する開閉弁６９が配置されている。この開閉弁６９が分岐路６７を開放することで、ポンプ６２で送られたカソード水が第二供給路６０から溶存水素濃度計６８へ流入し、そのカソード水に溶存する水素濃度を溶存水素濃度計６８が測定する。
【０１１７】
［抜出部２１０］
抜出部２１０は、貯留部１２に貯留されたカソード水（水素水）を抜き出す機能を有している。抜き出し部２１０は、貯留部１２に接続された抜出路２１２と、抜出路２１２に配置された開閉弁２１４と、を有している。抜き出し部２１０では、開閉弁２１４が抜出路２１２を開放することで、貯留部１２に貯留されたカソード水が、抜出路２１２を通じて抜き出される。カソード水の抜き出しは、例えば、溶存水素濃度計６８によって、貯留部１２内のカソード水の濃度が所定の濃度となったことが確認された後に行われる。また、加圧状態で水素水を抜き出す場合には、溶存水素濃度計６８の配管（分岐路６７）に枝管（ティーなど）を取り付けて、ポンプ６２で加圧された水素水を抜き出すこともできる。抜出部２１０によって抜き出されたカソード水（水素水）は、例えば、洗浄水として用いられる。
【０１１８】
［補充部２２０］
補充部２２０は、貯留部１２にカソード水（純水）を補充する機能を有している。補充部２２０は、具体的には、例えば、補充用のカソード水を貯留する貯留部２２２と、貯留部２２２と貯留部１２とに接続された補充路２２４と、補充路２２４に配置されたポンプ２２６と、を有している。補充部２２０では、貯留部２２２に貯留された補充用のカソード水が、ポンプ２２６によって貯留部１２に補充される。
【０１１９】
［電源８０］
電源８０は、陽極部４０の第一ターミナルプレート４４と陰極部５０の第二ターミナルプレート５４とに接続されている。この電源８０には、直流電源が用いられている。そして、電源８０は、例えば、パソコン８２（ＰＣ）の操作により、定電流モードにて運転している。
【０１２０】
水電解セル３０に流す電流の電流密度は、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、陽極部４０及び陰極部５０の各電極が劣化・消耗し、水電解装置１０の寿命が短くなる。
【０１２１】
そして、水電解セル３０に直流電流を流すことで、水電解セル３０を流通するアソード水及びカソード水が電気分解される。アソード水及びカソード水が電気分解されると、陰極部５０に水素が生成され、陽極部４０に酸素が生成される。
［水電解装置１０の運転条件］
水電解装置１０では、循環水量と運転時間との積が、貯留部１２に予め貯留されたカソード水の水量の２倍以上となる運転条件で運転される。すなわち、貯留部１２に予め貯留されたカソード水が、水電解セル３０を２回以上流通する運転条件で運転される。
【０１２２】
また、カソード水の循環水量は、多いほうが好ましい。その理由は、水電解セル３０で生成された水素の気泡を効率よく、水電解セル３０の第一メッシュ電極４２、４３１、４３２、４３３から流し出すことができるためである。水素水は、濃度が高くなるにつれて、電解の際に水に溶解しきれずに気泡を形成する水素の量が増加する。その結果、水電解セル３０内に気泡が溜まるようになる。これらの気泡は、陽極部４０の第一メッシュ電極４２、４３１、４３２、４３３の有効面積を減らし、電解効率を低下させる。
【０１２３】
そこで、循環水量を増加させて、第一メッシュ電極４２、４３１、４３２、４３３の有効面積の低下を抑制すると共に、単位時間当たりの水電解回数を増加させることで、水素水の高濃度化を図る。
【０１２４】
［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。
【０１２５】
水電解工程では、循環水量と運転時間との積が、貯留部１２に予め貯留されたカソード水の水量の２倍以上となる運転条件で、水電解装置１０を運転する。これにより、水電解装置１０の水電解セル３０の陰極部５０にカソード水を複数回流通させつつ、水電解セル３０に電流を流して水電解セル３０で水電解し、該水電解より発生した水素（気体の一例）を含む水素水を製造する。
【０１２６】
具体的には、水電解工程は、以下のように行われる。すなわち、水電解装置１０の貯留部１２に貯留されたカソード水が水電解セル３０の陰極部５０へ供給され、電源８０によって水電解セル３０に電流を流して水電解セル３０で水電解が行われる。水電解より発生した水素が、水電解セル３０においてカソード水に溶解され、さらに、気液混合器９６において、水電解セル３０で溶解しきれなかった水素がカソード水に溶解される。そして、気液混合器９６からカソード水が貯留部１２に戻される。この工程（サイクル）が複数回繰り返されて、水素水が製造される。
【０１２７】
本実施形態では、製造された水素水は、抜き出し部２１０によって、貯留部１２から抜き出して使用される。具体的には、抜き出し部２１０では、開閉弁２１４が抜出路２１２を開放することで、貯留部１２に貯留された水素水が、抜出路２１２を通じて抜き出される。なお、水素水が抜き出された分、補充部２２０によって、カソード水（純水）が補充される。貯留部１１２から水素水を抜き出しつつ、貯留部１１２へカソード水を補充することで、連続的に、水素水を使用できる。
【０１２８】
このとき、貯留部１１２へ補充される補充水が貯留部１１２に滞留している時間（平均滞留時間）を以下のように定義し、この平均滞留時間内に、水を２回以上電解させる。
【０１２９】
平均滞留時間［ｍｉｎ］＝貯留水量［Ｌ］÷補充水量［Ｌ／ｍｉｎ］
【０１３０】
なお、貯留水量は、貯留部１１２に予め貯留された水量である。補充水量は、単位時間あたりに貯留部１１２に補充される水量である。
【０１３１】
平均滞留時間内に水を２回以上電解させる場合において、単位時間あたりに循環する循環水量と貯留水量との関係は次のとおりである。
【０１３２】
平均滞留時間［ｍｉｎ］×循環水量［Ｌ／ｍｉｎ］≧貯留水量［Ｌ］×２
【０１３３】
すなわち、本実施形態では、平均滞留時間と単位時間当たりの循環水量との積が、貯留水量の２倍以上となる運転条件で運転される。なお、循環水量は、単位時間あたりに、貯留部１１２から水電解セル３０へ送られて貯留部１１２に再び戻ってくる水量である。
【０１３４】
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。
【０１３５】
〈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。
【０１３６】
本実施形態の構成によれば、前述のように、水電解セル３０の陰極部５０において、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４５との間に第二メッシュ電極５２、５３が挟まれ且つその間を他方の面３２Ｂに沿ってカソード水が流通する。そして、電源８０が、陽極部４０と陰極部５０との間に電流を流して水電解セル３０で水電解する。この水電解によって生成された水素が、他方の面３２Ｂと第二ターミナルプレート５４との間の流路を流通する水に溶解し、水素水が製造される。
【０１３７】
当該流路を流通したカソード水（水素水）は、貯留部１２に貯留される。このカソード水は、ポンプ６２によって、水電解セル３０の当該流路へ再び送られ、再び水電解が行われる。
【０１３８】
このように、本実施形態の構成では、他方の面３２Ｂと第二ターミナルプレート４５との間の流路を複数回通水できるので、複数回通水する毎に水電解して水素水の高濃度化を図ることができる。
【０１３９】
特に、水電解装置１０では、循環水量と運転時間との積が、貯留部１２に予め貯留されたカソード水の水量の２倍以上となる運転条件で運転される。これにより、貯留部１２に予め貯留されたカソード水が、水電解セル３０を２回以上流通することになるので、水素水の高濃度化を図ることができる。
【０１４０】
また、本実施形態では、他方の面３２Ｂと第二ターミナルプレート４５との間で他方の面３２Ｂに沿ってカソード水が流通するため、第二メッシュ電極５２、５３内で微泡化された水素と水とを接触させることができ、水素水の高濃度化を図ることができる。
【０１４１】
また、本実施形態では、他方の面３２Ｂと第二ターミナルプレート４５との間を流通したカソード水（水素水）が、気液混合器９６を通過する。このため、水電解セル３０では溶解しきれなかった水素を、気液混合器９６において水に溶解することができ、さらに、水素水の高濃度を図ることができる。
【０１４２】
以上により、本実施形態の構成では、一回の通水では到達できない高濃度の水素水を製造できる。
【０１４３】
また、本実施形態では、抜出部２１０によって貯留部１２から抜き出された水素水を、洗浄水として用いることができる。そして、抜き出した分の水を、補充部２２０によって貯留部１２に補充できるので、貯留部１２の水を減らさずに連続的に水素水を製造できる。
【０１４４】
さらに、本実施形態では、貯留部１１２へ補充される補充水が貯留部１１２に滞留している時間（平均滞留時間）内に、水を２回以上電解させるので、高濃度化されたオゾン水の濃度を維持できる。このように、本実施形態では、貯留部１１２の水素水を連続的に抜き取り、且つ、連続的に水を補充することで、濃度が一定に維持された水素水を連続的に製造できる。
【０１４５】
〈水電解装置１０の変形例〉
前述の水電解装置１０では、製造された水素水を貯留部１２から抜き出して使用していたが、これに限られない。例えば、抜き出しを行わずに、カソード水をバッチ式に循環させ、製造した水素水を貯留部１２に貯留する。そして、水電解装置１０の運転を停止し、例えば、貯留部１２を水電解装置１０から取り外してから、製造された水素水が使用してもよい。この場合では、水素水を短時間で高濃度化することができる。
【０１４６】
また、前述の水電解装置１０としては、貯留部１２を耐圧性のものとし、圧力制御装置を設置して、加圧下で水電解装置１０を運転することが好ましい。数気圧の圧力下で水電解を行うと、ヘンリーの法則により、気相から液相への気体の溶解度が上昇するので、高濃度の機能水を得ることができる。
【０１４７】
また、水電解装置１００と同様に、貯留部１２を冷却する構成であってもよい。貯留部１２を冷却することで、生成された水素の液相から気相への移行が抑制される。
【０１４８】
〈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。
【０１４９】
［実施例１］
実施例１では、水電解装置１００を用いて、抜出部４１０による抜き出しを行わずに、アソード水をバッチ式に循環させ、オゾン水を製造した。
【０１５０】
陽極部４０では、第一メッシュ電極４２として、＃８０のＰｔメッシュを用い、第一メッシュ電極４３１、４３２、４３３として、＃１００のＴｉメッシュを用いた。陰極部５０では、第二メッシュ電極５２として、＃８０のＰｔメッシュを用い、第二メッシュ電極５３として、＃１００のＴｉメッシュを用いた。メッシュ電極は、いずれも幅３０ｍｍ×長さ６０ｍｍとされ、平織りのメッシュとされている。貯留部１１２の水量を２．０Ｌとし、アソード水の循環水量を１．３６Ｌ／ｍｉｎとし、運転時間を３０分とした。
【０１５１】
また、水電解セル３０に２７Ａの電流を流した。カソード水として、０．５Ｍの濃度の塩水を用い、カソード水を３０ｍＬ／ｍｉｎの流量で流した。また、貯留部１１２に２Ｌの氷水を入れて、アソード水として水電解セル３０の陽極部４０に通水し、オゾン水を製造した。製造中に１分間隔で３ｍＬのオゾン水を取り出してオゾン水の濃度を分光法にて測定した。
【０１５２】
その結果を図４に示す。この図に示されるように、水電解開始から６分後に、１４０ｍｇ／Ｌという高濃度のオゾン水が製造できた。
【０１５３】
［実施例２］
実施例２では、実施例１の構成において、抜出部４１０によって、貯留部１１２からオゾン水を０．１Ｌ／ｍｉｎで常時抜き出しつつ、同量を補充部４２０で補充しながらオゾン水を製造した。抜き出したオゾン水の濃度を分光法にて測定し、運転中の貯留部１１２の温度も測定した。
【０１５４】
その結果を図５に示す。この図に示されるように、常時、オゾン水を抜き出しているにもかかわらず、運転開始から５分後には、６０ｍｇ／Ｌのオゾン水が、１５分後には、９０ｍｇ／Ｌのオゾン水が製造できた。また、貯留部１１２の温度が２０℃前後まで上昇すると、オゾン水の濃度が低下することが明らかとなった。
【０１５５】
なお、本発明者は、様々な条件でオゾン水を製造する実験を重ね、貯留部１２のオゾン水の濃度の変化を予測する数理モデルを作り、シミュレーションで予測した。この予測結果は、実施例１、２の結果と一致した。
【０１５６】
この数理モデルを利用して、１５０ｍｇ／Ｌの超高濃度のオゾン水を連続製造する条件を探索した結果、アソード水を７Ｌ／ｍｉｎで循環させ、水温を０℃に維持できれば、電流２７Ａ、貯留部１２の水量２Ｌの条件で、１５０ｍｇ／Ｌの超高濃度のオゾン水を０．１Ｌ／ｍｉｎで連続製造できることが明らかになった。そのシミュレーション結果を図６に示す。このシミュレーションでは、オゾン水の濃度は、運転開始と共に上昇し、３０分後に１５０ｍｇ／Ｌに達する。
【０１５７】
［実施例３］
実施例３では、実施例１の構成において、第一メッシュ電極４２を＃８０のＰｔメッシュから、触媒層（ＩｒＯ２）を形成したＴｉメッシュに変更して、抜出部４１０による抜き出しを行わずに、アソード水をバッチ式に循環させ、酸素水を製造した。実施例３では、貯留部１１２の冷却は、行わなかった。
【０１５８】
その結果、運転開始から７分後に６０ｍｇ／Ｌという過飽和の酸素水が２Ｌ製造できた。
【０１５９】
［実施例４］
実施例４では、水電解装置１０を用いて、抜出部２１０による抜き出しを行わずに、カソード水をバッチ式に循環させ、水素水を製造した。第一メッシュ電極４２として、触媒層（ＩｒＯ２）を形成したＴｉメッシュを用い、第二メッシュ電極５２として、＃８０のＰｔメッシュを用いた。貯留部１２の水量を２Ｌとし、電流を３０Ａとし、カソード水を流量３Ｌ／ｍｉｎで循環させた。なお、アソード水は、１Ｌ／ｍｉｎで循環させた。
【０１６０】
その結果、運転開始後３分後に、２．１ｍｇ／Ｌという高濃度の水素水が製造できた。なお、運転開始から９分以降は、貯留部１２の水温の上昇に伴って水素水の濃度低下が見られた。
［実施例５］
実施例５では、実施例４の構成において、抜出部２１０によって、貯留部１２から水素水を０．１Ｌ／ｍｉｎで常時抜き出しつつ、同量を補充部２２０で補充しながら水素水を製造した。
【０１６１】
その結果、運転開始後６分後に、１．９ｍｇ／Ｌという高濃度の水素水が製造できた。なお、運転開始から１３分以降は、貯留部１２の水温の上昇に伴って水素水の濃度低下が見られた。
【０１６２】
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】
【０１６３】
１０、１００  水電解装置
１２、１１２  貯留部
３０   水電解セル
３２   固体電解質膜
４０   陽極部（水電解装置１００において第一電極部の一例、水電解装置１０において第二電極部の一例）
４２、４３１、４３２、４３３第一メッシュ電極（水電解装置１００において第一メッシュ電極の一例、水電解装置１０において第二メッシュ電極の一例）
４４   第一ターミナルプレート（水電解装置１００において第一ターミナルプレートの一例、水電解装置１０において第二ターミナルプレートの一例）
５０   陰極部（水電解装置１００において第二電極部の一例、水電解装置１０において第一電極部の一例）
５２、５３    第二メッシュ電極（水電解装置１００において第二メッシュ電極の一例、水電解装置１０において第一メッシュ電極の一例）
５４   第二ターミナルプレート（水電解装置１００において第二ターミナルプレートの一例、水電解装置１０において第一ターミナルプレートの一例）
６２、１６２  ポンプ
８０、１８０  電源
９６、１９６  気液混合器
１１４ 冷却装置
２１０、４１０抜出部
２２０、４２０補充部
【図１】
2018076575.tif 000003
【図２】
2018076575.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2018076575.tif 000007
【図６】
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