(57)【要約】【課題】電圧異常における複極式電解セルの全体交換を無くすと共に、セル内の急激な圧力上昇を未然に防止する危機管理に優れた複極式電解セルを提供することにある。【解決手段】少なくとも一対の電極と、該一対の電極に挟持されるカチオン交換膜からなる単電解セルを複数連接してなる複極式電解セルにおいて、前記単電解セル毎の印加電圧を監視するための電圧監視部を設置する。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一対の電極と、該一対の電極に挟持されるカチオン交換膜からなる単電解セルを複数連接してなる複極式電解セルにおいて、前記単電解セル毎の印加電圧を監視するための電圧監視部を設置したことを特徴とする複極式電解セル。
【請求項２】
前記電圧監視部は、前記単電解セルから引き出された電圧測定用電線がそれぞれ絶縁されて固定される端子台と、該端子台の端子の中から任意の一つ以上の単電解セルの電圧信号を取り込む電圧信号切替部と、該電圧信号切替部によって出力された任意の電圧信号を交互に表示する電圧表示部とからなることを特徴とする請求項１記載の複極式電解セル。
【請求項３】
原料水を電気分解して、オゾンガス、酸素ガス、水素ガス又はこれらのガスのいずれかを含有する混合ガスを得ることを特徴とする請求項１又は２記載の複極式電解セル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電圧異常における複極式電解セルの全体交換を無くすと共に、ガスの混合によるセル内部の急激な圧力上昇を未然に防止する危機管理に優れた複極式電解セルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、シリコンウエハや半導体デバイス、液晶用ガラス基板、磁気記録メディアなどの電子部品材料の洗浄において、しばしばオゾン溶解水や水素溶解水などの気体溶解水が用いられる。これら気体溶解水は機能水と呼ばれ、薬品使用量の削減、洗浄効果の向上などを目的としてその利用が急速に広がりつつある。
【０００３】
機能水の製造方法には種々の方法があるが、このうち、水の電気分解により得られる陽極ガスや陰極ガスを超純水に溶解する方法が、陽極ガスや陰極ガスの純度が極めて高いこと、また原料である純水や超純水の洗浄装置周辺での用力確保が容易であること等の理由から広く採用されている。
【０００４】
洗浄用機能水は、多くの電子部品材料に適用されると共に、液晶用ガラス基板等は大型化の傾向にあり、より高い表面清浄度の要求に応えるべく単位時間当たりの洗浄水供給量も増加の傾向にあるため、電解生成ガスを用いたガス溶解水においては、ガス発生量の増加の要求が高まっている。
【０００５】
電解生成ガスを効率よく量産するために、単電解セルを複数連接させてなる複極式電解セルが用いられる。ガス発生量は電解電流値に比例して増大させることができる。電解電流値としては数十〜数百アンペアの直流電流を供給することが多く、電極面積を抑え、且つ大電流用の電線敷設を最低限に抑えることができる複極式電解セルは、機構面及び性能面共に好ましいものである。
【０００６】
従来、複極式電解セルの異常や劣化は、図５に示すように、その両端での電圧、すなわち電解用の直流電源装置５２の出力電圧指示計５２１で管理していた。このため、複極式電解セル本体部５１を構成する特定の単電解セル５３の電圧異常があったとしても、複極式電解セル全体の不良として判断され、全体が交換されていた。このように複極式電解セルの異常や劣化を直流電源装置の出力電圧で管理を行なっていた理由としては、当初使用されていた単電解セルにも直流電源装置の出力電圧指示計が備えられており、この単電解セルが、ガス発生量の増加の要求が高まるにつれ対応できず、現在の複極式電解セルに発展した経緯から電解セル全体の電圧管理は出力電圧で足り、単電解セルの電圧を個別に監視するという発想がなかったこと、複極式電解セルの異常や劣化は直流電流を流すことからそれぞれの電極が同じように消耗するため、出力電圧が異常値を示してもこの電極の消耗による寿命と考えられていたこと等が挙げられる。しかしながら、例えばある特定の単電解セルのみの電圧異常により、複極式電解セル全体を交換することは交換に要する費用を上昇させると共に、正常な単電解セルを廃棄するという無駄もあった。一方、複極式電解セルにおいて、稀に発生するセル内部の急激な圧力上昇が直流電源装置の出力電圧の管理では回避できない、という他の問題もあった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、電圧異常における複極式電解セルの全体交換を無くすと共に、セル内部の急激な圧力上昇を未然に防止する危機管理に優れた複極式電解セルを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
かかる実状において、本発明者らは鋭意検討を行なった結果、電圧異常は意外にも連接された複数の単電解セルのうち一部の単電解セルでのみ進行することが多いこと、この電圧異常は主に陽極のガス透過性能が低下することで、陽極とカチオン交換膜との間にガスの残留が生じ、該ガスの絶縁性により通電面積の低下と電気抵抗の上昇が生じるためであること、該ガスの残留が生じると高い電流密度を惹起しガスの混合によるセル内部の急激な圧力上昇に繋がること、従って、複極式電解セルにおいて、単電解セル毎の印加電圧を監視するための電圧監視部を設置し、常時監視すれば、一部の単電解セルで発生する電圧異常を早期に発見し、当該部品のみを交換することで足り、複極式電解セルの全体交換を無くすと共に、セル内部の急激な圧力上昇を未然に防止することができること等を見出し、本発明を完成するに至った。
【０００９】
すなわち、本発明（１）は、少なくとも一対の電極と、該一対の電極に挟持されるカチオン交換膜からなる単電解セルを複数連接してなる複極式電解セルにおいて、前記単電解セル毎の印加電圧を監視するための電圧監視部を設置した複極式電解セルを提供するものである。単電解セル毎の電圧を常時監視できるため、一部単電解セルで電圧異常が生じた場合に不具合セルの特定が容易であり、不具合セルだけを交換すればよいのでセル組み立て時間及び部品交換費用を大幅に削減できる。また、従来のように複極式電解セル全体としての電圧だけを見る場合には、一部の単電解セルだけで大きな電圧変動が生じたとしても全体としてはわずかな電圧変動としてしか認知することができないため、例えば電極間抵抗の増大したセルに対しても隣接する正常なセルと同じ電流を流すことになり、ガスの混合によるセル内部の急激な圧力上昇が起きることも考えられるが、本発明によれば早期にそれぞれの電圧異常を知ることができるので該急激な圧力上昇を回避することができる。
【００１０】
また、本発明（２）は、前記電圧監視部は、前記単電解セルから引き出された電圧測定用電線がそれぞれ絶縁されて固定される端子台と、該端子台の端子の中から任意の一つ以上の単電解セルの電圧信号を取り込む電圧信号切替部と、該電圧信号切替部によって出力された任意の電圧信号を交互に表示する電圧表示部とからなる前記複極式電解セルを提供するものである。各単電解セルの電圧値をセル段数分全て一度に表示させることは、全てのセルを常時監視できるので好ましい。しかしながら、セル段数が多くなると表示部設置場所の確保、設置費用の増加が伴い、セル段数が４段以上となることの多い最近ではその傾向は更に顕著となる。しかし、上記方法によれば複数の電圧値を例えば１台の電圧表示部がまかなうので設置場所及び設置費用ともに低減することができる。
【００１１】
また、本発明（３）は、原料水を電気分解して、オゾンガス、酸素ガス、水素ガス又はこれらのガスのいずれかを含有する混合ガスを得る前記複極式電解セルを提供するものである。かかる構成を採ることにより、コストが低減されたオゾン溶解水や水素溶解水を安定して供給することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態における複極式電解セルを図１〜図３を参照して説明する。図１は本例の複極式電解セルの全体を表す模式図、図２は単電解セルの分解模式図、図３は単電解セルの縦断面図である。図中、複極式電解セル１０は、４つの単電解セルを直列に連接したもので、複極式電解セル本体部１１と、出力電圧指示計１２ａ及び出力電流指示計１２ｂを備える直流電源装置１２と、単電解セル１３、１３、１３、１３のそれぞれの印加電圧を表示する個別の電圧指示計１４、１４、１４、１４とからなる。
【００１３】
単電解セル１３は、特に制限されないが、本例では図２及び図３に例示されるように、陽極ハウジング１５１及び陽極１５２からなる陽極部１５と、陰極ハウジング１７１、集電体１７２及び陰極１７３からなる陰極部１７と、陽極部１５と陰極部１７で挟持される隔膜としてのカチオン交換膜１６とから構成される。陽極ハウジング１５１は、本体部１５１ａがチタン製円盤状部材の一端面が該円盤形状より小さな円盤形状でくり抜かれた構造で、このくり抜かれた空間部に陽極１５２が収納される。また、空間部の背面には陽極ガスが流通する流路１５１ｅが形成され、本体部１５１ａの上方に接続する陽極ガス回収管１５１ｂに繋がっている。また、本体部１５１ａの下方には空間部に原料水を供給する原料水供給配管１５１ｃが接続されている。陽極１５２は通常、チタン基体の不織布状焼結体で二酸化鉛が被覆されており、気体透過性を有する。
【００１４】
一方、陰極部ハウジング１７１は、本体部１７１ａがステンレス製円盤状部材の一端面がくり抜かれた構造で、この空間部に気体透過性に優れるチタン基体の不織布状焼結体である集電体１７２と陰極１７３が収納される。また、空間部の背面には陰極ガスが流通する流路１７１ｅが形成され、本体部１７１ａの上方に接続する陰極ガス回収管１７１ｂに繋がっている。陰極１７３は通常、粉末カーボンと白金をフッ素樹脂で結合させたシート状であり、気体透過性を有する。
【００１５】
上記構造を有する単電解セル１３は、図３に示すように、左側に配した陽極１５２と右側に配した陰極１７３との間に隔膜であるカチオン交換膜１６が密接配置されている。このような単電解セル１３を複数直列に連接することにより複極式電解セル本体部１１が得られる。単電解セルの連接は一の単電解セルの陰極ハウジング１７１の背面と隣接する他の単電解セルの陽極ハウジング１５１の背面との当接により行なわれる。このような密接配置により電解セルの電解電圧を低く抑えることができる。また、この接触は陽極ハウジングがチタン製、陰極ハウジングがステンレス製であり、更に各単電解セルは隣接する単電解セルの逆極側と接触配置されているので特段の工夫をすることなく全ての単電解セルには同じ電流が供給できる。また、陽極１５２、集電体１７２及び陰極１７３は共に、気体透過性に優れた構造であるため、電極とカチオン交換膜とが密接して配されていても電解で発生するガスが電極と隔膜との間に滞留して隔膜のずれを生じさせたり、該滞留ガスが絶縁物として作用し抵抗の増大を招くことが無い。
【００１６】
複極式電解セル１０は、従来と同様に直流電源装置１２を有しており、該直流電源装置１２には出力電圧指示計１２ａと出力電流指示計１２ｂが搭載されている。この指示値により直流電源装置１２の出力を調整している。また、出力電圧指示計１２ａと出力電流指示計１２ｂにより、複極式電解セル全体への供給電圧と印加電圧を知ることができる。また、複極式電解セル１０は、更に単電解セル１３毎の印加電圧を監視するための電圧監視部である電圧指示計１４、１４、１４、１４を配置している。このように電極とカチオン交換膜とが密接配置されている場合には、もともとの電極間抵抗が極めて小さいことからセル内部での膜ずれや滞留ガスによる電圧上昇を察知し易く、本方法による電圧監視が好適である。このため、いずれかの単電解セルのみで生じる電圧異常をいち早く知ることができる。本例で用いる電圧指示計１４は公知の電圧計でよい。
【００１７】
このような複極式電解セル１０の運転方法を説明する。先ず、原料の純水又は超純水を原料水供給配管１５１ｃを通して陽極ハウジング１５１内の流通溝（不図示）に流通させ、陽極１５２、カチオン交換膜１６及び陰極１７３を浸透して陰極ハウジング１７１の流通溝（不図示）内に流通させる。このような状態で陽極１５２と陰極１７３間に電気を流すと、カチオン交換膜１６と陽極１５２間との界面から酸素やオゾンなどの陽極ガスが発生し、カチオン交換膜１６と陰極１７３との界面から水素などの陰極ガスが発生する。発生した陽極ガスは陽極１５２を透過して陽極ハウジング１５１のガス流路１５１ｅを通って陽極ガス回収管１５１ｂから回収される。一方、発生した陰極ガスは陰極１７３を透過して陰極ハウジング１７１のガス流路１７１ｅを通って陰極ガス回収管１７１ｂから回収される。
【００１８】
このような複極式電解セルを用いて水の電解を長期間に亘り連続して行なうと、単電解セル毎の印加電圧を監視する複数の電圧指示計のうち、ある一つの電圧指示計に異常電圧が表示されることがある。これにより不具合セルの特定が容易となる。また、不具合部分だけの部品を交換すればよいのでセル組み立て時間及び部品交換費用を大幅に削減できる。また、電圧異常の発見が遅れれば、電極間抵抗の増大したセルに対しても隣接する正常なセルと同じ電流を流すことになるためにセル内部の急激な圧力上昇が起きることも考えられるが、本発明によれば早期にそれぞれの電圧異常を知ることができるので該急激な圧力上昇を回避することができる。
【００１９】
電圧異常の原因としては、例えば電極のガス透過性が低下し、残留ガスに起因する電気抵抗の上昇が挙げられる。すなわち、ガス発生セル内では隔膜であるカチオン交換膜に接した陽極および陰極とのそれぞれの界面でガスの発生が生じる。陽極および陰極はいずれもガス透過性を有しており隔膜との界面で発生したガスは電極を透過して背面側へと抜ける。この場合、何らかの理由で電極のガス透過性能が低下すると、電極とカチオン交換膜との間にガスの残留が生じ、絶縁体である該ガスの残留によって通電面積の低下と電気抵抗の上昇が生じると思われる。このガスの残留は陽極側で起こり易い。陽極は前述の如く、チタン基体の不織布状焼結体で二酸化鉛が被覆されており、この二酸化鉛の触媒層は人手により何度も重ね塗りして炉内で焼成する工程を繰り返す。このため、品質のバラツキが生じ易い。また、二酸化鉛の触媒層は水に溶け易く電極からの脱落も起こり易く、運転を長期間に亘り継続するうちに脱落した触媒が電極内に散らばり、空孔を閉塞するようになる。
【００２０】
また、本発明において、電圧監視部としては、上記のように単に単電解セル毎に電圧指示計を設置して監視する方法の他、単電解セルから引き出された電圧測定用電線がそれぞれ絶縁されて固定される端子台と、該端子台の端子の中から任意の一つ以上の単電解セルの電圧信号を取り込む電圧信号切替部と、該電圧信号切替部によって出力された任意の電圧信号を交互に表示する電圧表示部を設けたものであってもよい。具体的には、図４に示すように、電圧監視部は単電解セル１３、１３、１３、１３から電圧測定用電線１８を通って引き出された電圧信号を一旦信号切り替え器４１に取り込み、１又は２以上の電圧信号を一定間隔で該信号切り替え器４１からシーケンサー４２へ電圧値を出力し、シーケンサー４２から表示部４３へ電圧信号の出力を行うものである。この方法によれば、例えば複数の電圧値のうちの一つの電圧信号を交互にシーケンサーに取り込み、更に表示するので特に電解セルの段数が多くなった場合に有効である。シーケンサーの信号入力端子が１つの場合、搭載するシーケンサーの信号入力端子を大幅に節約できる点で好ましい。また、複極式電解セルを構成する単電解セルの段数によっては信号切り替え器に一旦取り込んだ電圧信号を２つ又はそれ以上の信号でシーケンサーへ出力してもよい。また、シーケンサーの信号入力端子の数に十分な余裕がある場合には信号切り替え器の機能をシーケンサーに持たせるものであってもよい。信号切替時間の間隔としては、特に制限されないが、５秒〜３０秒程度が、画面上で作業者が確認できると共に、異常電圧の早期発見という観点からも好ましい。
【００２１】
【発明の効果】
本発明によれば、電圧異常における複極式電解セルの全体交換を無くすことができる。すなわち、不具合部分だけの部品を交換すればよいのでセル組み立て時間及び部品交換費用を大幅に削減できる。また、電極とカチオン交換膜との間のガスの残留現象をいち早く発見できるため、セル内部の急激な圧力上昇を未然に防止するため危機管理に優れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における複極式電解セルの模式図である。
【図２】単電解セルの分解模式図である。
【図３】単電解セルの縦断面図である。
【図４】本発明の他の実施の形態における複極式電解セルの模式図である。
【図５】従来の複極式電解セルの模式図である。
【符号の説明】
１０、１０ａ、５０　複極式電解セル
１１、５１　　　　　複極式電解セル本体部
１２、５２　　　　　直流電源装置
１２ａ、５２１　　　出力電圧指示計
１２ｂ、５２２　　　出力電流指示計
１３、５３　　　　　単電解セル
１４　　　　　　　　電圧指示計
１５　　　　　　　　陽極部
１６　　　　　　　　カチオン交換膜（隔膜）
１７　　　　　　　　陰極部
４１　　　　　　　　信号切り替え器
４２　　　　　　　　シーケンサー
４３　　　　　　　　表示部
１５１　　　　　　　　陽極ハウジング
１５２　　　　　　　　陽極
１７１　　　　　　　　陰極ハウジング
１７２　　　　　　　　集電体
１７３　　　　　　　　陰極
【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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