(57)【要約】【課題】電極の損傷を防止して、安定的に電解水を生成する。【解決手段】本実施形態に係る電解水生成装置は、水を電気分解することで、酸性水又はアルカリ性水を生成する電解水生成装置であって、オーステナイト系のステンレス鋼からなり、ニッケル（Ｎｉ）の含有量が、１７％より大きく２３％未満である。またクロム（Ｃｒ）の含有量が、２３％より大きく２９％未満である。【選択図】図１
2017148714.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水を電気分解することで、酸性水および／又はアルカリ性水を生成する電解水生成装置であって、
オーステナイト系のステンレス鋼からなり、Ｎｉの含有量Ａ％と、Ｃｒの含有量Ｂ％とが、以下の条件を満たす陰極を備える電解水生成装置。
１７＜Ａ％＜２３
２３＜Ｂ％＜２９
【請求項２】
前記陰極は、固溶体化処理が施されている請求項１に記載の電解水生成装置。
【請求項３】
前記陰極は、ＪＩＳ規格番号ＳＵＳ３１０Ｓで示されるステンレス鋼かならなる請求項１又は２に記載の電解水生成装置。
【請求項４】
電解槽と、
前記電解槽を、陽極が配置される陽極室と、前記陰極が配置される陰極室、及び、前記陽極室と前記陰極室とに隣接する中間室に区分する１組の隔壁と、
を備える請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電解水生成装置。
【請求項５】
前記陰極に電圧を印加する電源を備え、
前記電源は、前記陰極の電流密度が０．０５Ａ／ｃｍ２以上５Ａ／ｃｍ２以下となる電圧を印加する請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電解水生成装置。
【請求項６】
前記陰極は複数の孔を有する請求項１乃至５のいずれか一項に記載の電解水生成装置。
【請求項７】
前記孔は、エッチング法により形成される請求項６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、電解水生成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
塩化ナトリウムなどの電解質を添加した水に通電すると、陽極側に酸性水が生成され、陰極側にアルカリ性水が生成される。陽極側に生成される酸性水は、次亜塩素酸を含み殺菌作用を有している。このため、酸性水は、消毒や殺菌に使用される。また、近年では、脱臭手段としての利用が検討されている。
【０００３】
一方、陰極側に生成されるアルカリ性水は、水酸化ナトリウムを含んでいる。アルカリ性水は、水酸化ナトリウムの濃度が高い場合には、脱脂作用を発揮する。このため、アルカリ性水は、業務用の食器洗浄機や洗濯機などで利用される。
【０００４】
電解水生成装置では、表面に触媒層が形成された電極が陰極として用いられてきたが、近年、装置の製造コストやランニングコストの削減を図る観点から、この種の電極として、触媒層のない電極や、触媒層の膜厚が比較的薄い電極が用いられるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−１１３３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
電解水の生成に、触媒層のない電極や、触媒層の膜厚が比較的薄い電極などを用いると、電解槽の内部抵抗が急峻に上昇することがある。電解用の電源として多用されている、定電流特性を有する電源を用いた場合、電解槽の内部抵抗が急峻に上昇すると、電極に印加される電圧が高くなるため、触媒層の劣化や下地金属の酸化による電極の損傷が起こることが考えられる。
【０００７】
本発明は、上述の事情の下になされたもので、電極の損傷を防止して、安定的に電解水を生成することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本実施形態に係る電解水生成装置は、水を電気分解することで、酸性水又はアルカリ性水を生成する電解水生成装置であって、オーステナイト系のステンレス鋼からなり、Ｎｉの含有量Ａ％と、Ｃｒの含有量Ｂ％とが、以下の条件を満たす陰極を備える。
１７＜Ａ％＜２３
２３＜Ｂ％＜２９
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施形態に係る電解水生成装置の概略構成を示す図である。
【図２】ＳＳＲＴ（低歪速度引張試験）の手順を説明するための図である。
【図３】電極の斜視図である。
【図４】電極の斜視図である。
【図５】電極の断面を示す図である。
【図６】電極の断面を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。実施形態の説明にあたっては、相互に直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる直交座標系を適宜用いる。
【００１１】
《装置構成》
図１は、本実施形態に係る電解水生成装置１０の概略構成を示す図である。電解水生成装置１０は、塩水を電気分解することにより、酸性の次亜塩素酸を含む酸性水と、アルカリ性の水酸化ナトリウムを含むアルカリ性水と、を生成する装置である。
【００１２】
図１に示されるように、電解水生成装置１０は、電解槽１１、塩水タンク１２、循環ポンプ３１、圧力調整バルブ３２、直流電源３３を備えている。
【００１３】
電解槽１１は、樹脂やステンレス鋼などからなる容体である。電解槽１１の内部は、１組のイオン交換膜２１，２２によって、中間室Ｓ１，陽極室Ｓ２，陰極室Ｓ３に区分されている。イオン交換膜２１は、例えば塩素イオンＣｌ−などの陰イオンを通過させる性質を有する陰イオン交換膜である。また、イオン交換膜２２は、例えばナトリウムイオンＮａ＋などの陽イオンを通過させる性質を有する陽イオン交換膜である。
【００１４】
陰イオン交換膜としては、アトムス社のネオセプタ（登録商標）、ＡＧＣエンジニアリング社のセレミオン（登録商標）などを用いることができる。陽イオン交換膜としては、例えば、イーアイデュポン社のＮＡＦＩＯＮ（登録商標）１１２，１１５，１１７や、旭硝子株式会社のフレミオン（登録商標）、旭化成株式会社のＡＣＩＰＬＥＸ（登録商標）などを用いることができる。
【００１５】
また、イオン交換膜２１，２２の双方、或いは一方に代えて、多孔質膜を用いることもできる。多孔質膜としては、ポリオレフィンやフッ素化合物のような化学的に安定な有機高分子材料薄膜に、微多孔を形成して得られる有機微多孔膜や、無機酸化物多孔質膜などを用いることができる。無機酸化物としては種々のものを用いることができる。例えば、酸化チタン、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化ニッケルを用いることができる。特に、酸化チタン、酸化ケイ素、酸化アルミニウムを用いることが好ましい。その他の多孔質膜としては、塩素、フッ素系のハロゲン化高分子を有する多孔質ポリマー等を用いることもできる。
【００１６】
中間室Ｓ１は、２つのイオン交換膜２１，２２によって挟まれる空間である。中間室Ｓ１は、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）を電解質とする水が充填される。中間室Ｓ１は、電解槽１１に設けられる給水口１１１と排水口１１２を介して、外部空間と通じている。
【００１７】
陽極室Ｓ２は、イオン交換膜２１を介して、中間室Ｓ１に隣接する空間である。陽極室Ｓ２には、酸性水を生成するための電極２３が配置される。陽極室Ｓ２は、電解槽１１に設けられる給水口１１３と排水口１１４を介して、外部空間と通じている。
【００１８】
また、陰極室Ｓ３は、イオン交換膜２２を介して、中間室Ｓ１に隣接する空間である。陰極室Ｓ３は、アルカリ性水を生成するための電極２４が配置される。陰極室Ｓ３は、電解槽１１に設けられる給水口１１５と排水口１１６を介して、外部空間と通じている。
【００１９】
陽極室Ｓ２、及び陰極室Ｓ３には、給水口１１３，１１５から、原水が供給される。原水としては、例えば、水道水、井戸水等を用いることができる。陽極室Ｓ２，及び陰極室Ｓ３に供給される原水は、炭酸カルシウムを主成分とするスケールの堆積を防止する観点から、アルカリ成分が低減された軟水を用いることが好ましい。この種の軟水は、例えば、イオン交換樹脂を利用した軟水器を用いることで、生成することができる。
【００２０】
塩水タンク１２は、塩水を貯留するタンクである。塩水タンク１２には、電解槽１１との間で塩水を循環させるための流出口１２１と流入口１２２が設けられている。
【００２１】
塩水としては、例えば、水（Ｈ２Ｏ）に、電解質として塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）を加えることにより生成される塩水、或いは、水に、塩素を含む塩化カリウム（ＫＣｌ）などの塩を加えることにより生成される塩水が用いられる。塩水の濃度は特に制限されるものではないが、電解時の安定性を考慮すると、ある程度濃度が高い方が好ましい。塩水として飽和塩化ナトリウムを用いることで、塩水の濃度を一定に維持することが容易になる。
【００２２】
圧力調整バルブ３２は、塩水タンク１２の流入口１２２と中間室Ｓ１の排水口１１２にわたって敷設される管路に設けられている。
【００２３】
循環ポンプ３１は、塩水タンク１２の流出口１２１と中間室Ｓ１の給水口１１１にわたって敷設される管路に設けられている。循環ポンプ３１は、塩水タンク１２の塩水を、電解槽１１の中間室Ｓ１に供給する。これにより、塩水が、電解槽１１の中間室Ｓ１と塩水タンク１２の間を循環する。圧力調整バルブ３２によって、中間室Ｓ１から塩水タンク１２にもどる塩水の量を制限することで、中間室Ｓ１に供給される塩水に圧力を印加することが可能となる。
【００２４】
陽極となる電極２３は、例えば、チタン（Ｔｉ）、ステンレス鋼（ＳＵＳ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、或いはこれらの合金、クラッド材からなる。電極２３は、長方形板状に整形されており、原水を流通させるとともに表面積を増加させるために、複数の貫通孔が形成されている。貫通孔は、開口径が一定のストレート孔である。なお、電極２３の貫通孔は、電極２３の一側の面と他側の面とで径が異なるテーパー形状に整形されていてもよく、内壁面が曲面になるように整形されていてもよい。
【００２５】
貫通孔の形状は、矩形、円形、楕円形など、任意の形状とすることができる。また、貫通孔は、マトリクス状、或いはハニカム状に規則的に配列されていてもよく、不規則に配列されていてもよい。
【００２６】
電極２３の表面には、例えば、白金（Ｐｔ）などの貴金属触媒や、酸化イリジウムなどの酸化物触媒が添着されている。
【００２７】
陰極となる電極２４は、オーステナイト系のステンレス鋼からなる。電極２４を構成するステンレス鋼のニッケルの含有量Ａ％は、１７％より大きく２３％未満である。また、クロムの含有量Ｂ％は、２３％より大きく２９％未満である。
【００２８】
１７＜Ａ％＜２３
２３＜Ｂ％＜２９
【００２９】
電極２４も、電極２３と同様に、長方形板状に整形されており、原水を流通させるとともに表面積を増加させるために、複数の貫通孔が形成されている。貫通孔は、開口径が一定のストレート孔である。なお、電極２４の貫通孔は、電極２４の一側の面と他側の面とで径が異なるテーパー形状に整形されていてもよく、内壁面が曲面になるように整形されていてもよい。電極２４の表面には、例えば白金（Ｐｔ）などの金属触媒が添着されていてもよい。
【００３０】
直流電源３３は、電極２３と電極２４に電圧を印加する。電解水生成装置１０では、電極２３が陽極で、電極２４が陰極になるように、それぞれの電極２３，２４に電圧が印加される。
【００３１】
《装置動作》
次に、上述のように構成される電解水生成装置１０の動作について説明する。電解水生成装置１０では、循環ポンプ３１が運転されと、塩水タンク１２の塩水が、電解槽１１の中間室Ｓ１に供給される。そして、中間室Ｓ１に塩水が一定量蓄えられると、中間室Ｓ１からの塩水が、圧力調整バルブ３２を介して、塩水タンク１２に戻る。これにより、中間室Ｓ１と塩水タンク１２との間で塩水が循環し、中間室Ｓ１には、一定濃度の塩水が蓄えられている状態になる。また、陽極室Ｓ２及び陰極室Ｓ３には、所定の流量で原水が供給される。
【００３２】
陽極室Ｓ２及び陰極室Ｓ３に原水が供給されると、直流電源３３によって、電極２３，２４に電圧が印加される。これにより、電極２３と電極２４の間にある中間室Ｓ１から、塩水中の塩素イオンＣｌ−が、イオン交換膜２１を通過して、陽極室Ｓ２へ移動する。陽極室Ｓ２へ移動した、塩素イオンＣｌ−は酸化されるとともに、陽極室Ｓ２の水（Ｈ２０）と反応する。これにより、次式（１）に示されるように、陽極室Ｓ２では、次亜塩素酸と塩酸を含有し、酸性を呈する酸性水が生成される。
【００３３】
２Ｃｌ−＋Ｈ２０→ＨＣｌＯ＋ＨＣｌ＋２ｅ−  …（１）
【００３４】
また、中間室Ｓ１から、ナトリウムイオンＮａ＋が、イオン交換膜２２を通過して、陰極室Ｓ３へ移動する。陰極室Ｓ３へ移動したナトリウムイオンＮａ＋は、陰極室Ｓ３の水酸イオンＯＨ−と反応する。これにより、水酸化ナトリウムが生成される。また、陰極室Ｓ３では、水酸イオンＯＨ−の対イオンである水素イオンＨ＋が還元されて水素ガスが生成される。次式（２）に示されるように、陰極室Ｓ３では、水酸化ナトリウムを含有し、アルカリ性を呈するアルカリ性水と、水素ガスが生成される。
【００３５】
２Ｎａ＋＋２ｅ−＋２Ｈ２０→２ＮａＯＨ＋Ｈ２  …（２）
【００３６】
陽極室Ｓ２に生成される酸性水は、陽極室Ｓ２に通じる排水口１１４から回収される。また、陰極室Ｓ３に生成されるアルカリ性水は、陰極室Ｓ３に通じる排水口１１６から回収される。
【００３７】
《実施形態の効果》
上記電解水生成装置１０とは異なり、主として耐食性の観点から電解用電極として多用されるチタンからなる電極を備える電解水生成装置では、まれに電極に割れが発生することがあった。特に運転時間が長くなったり、電流密度が高くなると電極割れの発生頻度が増加していた。また、装置の低コスト化を図る観点から、一般的に広く用いられるステンレス鋼であるＳＵＳ３０４からなる電極を備える電解水生成装置では、電極の腐食が認められた。また、チタンからなる電極と比較して発生頻度は低いものの、電極の割れも確認された。
【００３８】
電極に割れが発生すると、電極内部に導電パスが切れることにより非導通となる箇所や、抵抗値が高くなる箇所が現れたり、電極の一部が欠落したりする。その結果、電極の実効的に有効な面積が小さくなるとともに、電極を流れる電流の密度にもバラつきが生じる。そのため、電極では、局所的に大電流が流れることになり、電極の割れの発生がさらに促進されることになる。その結果、比較的短時間に電極の破損などに至ることがある。特に、電解水生成装置で、電源装置が電極を流れる電流を一定にする制御が行われる場合には、電極間に印加される電圧が、電極の抵抗値の増加にともなって大きくなる。このため触媒層の劣化や下地金属の酸化により、電極が短時間のうちに破損に至る。
【００３９】
また、電極に腐食が発生すると、腐食に伴い発生する腐食生成物により、腐食箇所の抵抗値が局所的に増加する。この場合にも、電極の実質的に有効な面積が小さくなるとともに、電極を流れる電流の密度にもバラつきが生じる。この場合には、電極に新たな割れが発生したり、既存の割れが促進され拡大する。その結果、比較的短時間のうちに電極の破損などに至る。
【００４０】
本実施形態に係る電解水生成装置１０では、陰極となる電極２４は、チタンやステンレス鋼ＳＵＳ３０４とは異なり、ニッケルの含有量が１７％より大きく２３％未満であり、クロムの含有量が２３％より大きく２９％未満であるステンレス鋼からなる。したがって、電極の劣化を抑制し、電極の寿命を延ばすことができる。その結果、装置のランニングコストを削減することが可能となる。
【００４１】
《効果の根拠》
以下、上記実施形態によって奏する効果の根拠について説明する。本願の発明者等は、既存の電解水生成装置の解析を実施した。具体的には、割れの発生したチタンからなる電極（チタン電極）について、破面近傍に存在する黒色の微粉を収集し、これらの微粉に対して、Ｘ線回折装置(ＸＲＤ）を用いた分析を行った。その結果、黒色の微粉が、チタンの水素化物であることが確認された。
【００４２】
電解水生成装置の陰極では、上記式（２）に示される反応により、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）と、水素（Ｈ２）が生成される。このため、チタン電極は、腐食することはないが、水素がチタン電極内に侵入して、チタン水素化物が局所的に生成されると考えられる。水素化物は脆性が高く、水素が侵入した分、堆積膨張が生じるため、チタン電極では、水素化物が発生した部分で、電極の割れが発生したものと考えられる。
【００４３】
割れの発生したステンレス鋼ＳＵＳ３０４からなる電極（ステンレス電極）については、水素化物からなる微粉などは認められなかったものの、電極自体の機械的な強度の低下が確認された。また、ステンレス電極に対して、金属組織観察を行ったところ、クロム化合物が粒界に偏析していることが確認された。そして、クロム化合物などの偏析物の近傍に、腐食が多く発生していることが認められた。
【００４４】
ステンレス電極においては、水素化物による脆化を主要因とする電極の割れの発生頻度は、チタン電極に比較して低い。しかしながら、ステンレス電極では、ステンレス自体の強度が低下する現象が認められた。特に、イオン交換膜として、多孔質膜を用いた場合には、中間室から陰極室へ、微量の塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）の侵入が発生する。そのため、ステンレス電極では、陰極室へ侵入する塩化ナトリウムの塩素イオン（Ｃｌ−）による腐食が確認された。
【００４５】
そこで、発明者等は、ステンレス電極に発生する現象を調査するとともに、電極に最適なステンレス鋼を選定することを目的として、種々の組成、組織を有する厚さ５ｍｍのステンレス鋼板を入手した。そして、入手したステンレス鋼板について、水素脆化特性と耐食性試験を行った。
【００４６】
水素脆化特性の評価は、２５０Ｋと３００Ｋの２つの温度環境下でＳＳＲＴ（低歪速度引張試験）を行い、その結果により行う。試験サンプルとしては、１つのステンレス鋼板から切り出した４つのダンベル形状の試験片を準備して、各温度環境下における評価に用いる。
【００４７】
図２は、ＳＳＲＴの手順を示すフローチャートである。以下、図２を参照して、ＳＳＲＴについて説明する。
【００４８】
温度環境が２５０ＫでのＳＳＲＴでは、まず、２つの試験片Ａ、試験片Ｂを準備する（ステップＳ１０１）。そして、一方の試験片Ａを、１０ＭＰａの水素環境下に放置して、試験片Ａに水素を含浸させる（ステップＳ１０２）。また、他方の試験片Ｂは、１０ＭＰａのヘリウム環境下に放置する（ステップＳ１０３）。
【００４９】
次に、引張試験機を用いて、試験片Ａの両端を相互に離間する方向に引っ張って、試験片Ａを破断する（ステップＳ１０４）。同様に、試験片Ｂについても、その両端を相互に離間する方向に引っ張って、破断する（ステップＳ１０５）。
【００５０】
次に、破断結果から、破断に至るまでの試験片Ａの伸びＧＡと試験片Ｂの伸びＧＢの比率Ｒ（＝ＧＡ／ＧＢ）を求める（ステップＳ１０６）。
【００５１】
上述のような試験を、６種類のステンレス鋼板について行う。これによって、温度環境が２５０Ｋにおける各ステンレス鋼板についての伸びの比率Ｒ（２５０）が得られる。次に、温度環境が３００Ｋにおいて、６種類のステンレス鋼板について上記ＳＳＲＴを行う。これにより、温度環境が３００Ｋにおける各ステンレス鋼板についての伸びの比率Ｒ（３００）が得られる。
【００５２】
次表１は、上記試験を行うことにより得られる試験結果を示す。「鋼板番号」は、６種類のステンレス鋼板それぞれに付与された識別番号である。表中の「Ｎｉ」は、ステンレス鋼板に含まれるニッケルの含有量を示す。また、表中の「Ｃｒ」は、ステンレス鋼板に含まれるクロムの含有量を示す。「金属相」は、金属の相構造を示す。「腐食被覆率」は、各種ステンレス鋼板から切り出した試験片に対して、下記にて詳述する耐食性試験を実施した際の各試験片表面積に対する腐食が発生した領域の面積の比である。
【００５３】
【表１】
2017148714.tif 000003
【００５４】
比率Ｒ（３００），Ｒ（２５０）が１００％であるということは、水素環境下であってもヘリウム環境下であっても、試験片が破断するまでの伸びに差がないことを示す。この場合には、試験片に水素による脆化が生じていないと判断することができる。電解水生成装置では、比率Ｒ（３００），Ｒ（２５０）が、９５％以上となるステンレス鋼を用いることが望ましいと考えられる。６種類のステンレス鋼板のうち、比率Ｒ（３００）が９５％以上となったのは、鋼板番号が１乃至３のステンレス鋼であった。また、比率Ｒ（２５０）が９５％以上となったのは、鋼板番号が１のステンレス鋼のみであった。
【００５５】
次に、各種ステンレス鋼板の耐食性を調べるための耐食性試験を実施した。耐食性試験は、まず、電解水生成時の陰極周囲の腐食劣化を加速模擬する模擬環境を生成し、模擬環境下で各ステンレス鋼板から切り出した試験片を観察することにより行う。
【００５６】
ここでは、３％の水酸化ナトリウム水溶液へ、２００ｐｐｍの塩化ナトリウム、及び１００ｐｐｍの次亜塩素酸を添加することにより得られる溶液を生成した。そして、生成した溶液を、各ステンレス鋼板から切り出した１辺が５０ｍｍの試験片に１０００時間噴霧した。その後、試験片の表面を観察した。
【００５７】
いずれの試験片においても、一般的な鉄材でよく観察される赤さびの発生は認められなかったが、表面に腐食生成物による被膜が観察された。この腐食生成物被膜により試験片表面が覆われている領域の割合を示す被覆率を、腐食被覆率とした。また、試験片によっては、腐食生成物の中心部に、孔食による痕跡が観察された。表１に示されるように、クロムとニッケルの含有量が多いステンレス鋼板ほど、腐食被覆率が低くなり、腐食生成物の発生が抑制されることが確認された。鋼板番号１のステンレス鋼板には、腐食生成物が発生せず、また水素脆化特性に特に優れていることが確認された。
【００５８】
ステンレス鋼板の金属相がマルテンサイト相になると、耐食性が低下すること、またフェライト相が生成されると水素脆化が進むことがわかる。このことから、陰極に使用するステンレスは、ニッケル（Ｎｉ）とクロム（Ｃｒ）の含有量が所定範囲にあり、なおかつオーステナイト相であることが望ましい。なお、ステンレス鋼板がオーステナイト系になるためには、ニッケルの含有量が２３％未満、クロムの含有量が２９％未満である必要がある。そのため、電極材料となるステンレス鋼では、ニッケルの含有量が２３％未満、かつクロムの含有量が２９％未満である必要がある。
【００５９】
次表２は、鋼板番号１のステンレス鋼板（以下、ステンレス鋼板Ｎ１）と鋼板番号７のステンレス鋼板（以下、ステンレス鋼板Ｎ７）の耐食性評価結果を示す。ステンレス鋼板Ｎ７は、ステンレス鋼板Ｎ１を焼鈍して得られるものである。ステンレス鋼板Ｎ７についても、上述のＳＳＲＴ及び耐食性試験を行った。
【００６０】
【表２】
2017148714.tif 000004
【００６１】
表２に示されるように、ステンレス鋼板を焼鈍させると、水素脆化特性が劣化するとともに、耐食性が大きく低下する現象が確認された。この現象を調べるため、まず、ステンレス鋼板Ｎ１，Ｎ７から切り出した試験片に対し、シュウ酸溶液中で電解エッチングを行った。電解エッチングは、ＪＩＳ  Ｇ０５７１に準拠した手順で実施した。次に、電解エッチングが施された試験片を、顕微鏡で金相観察した。その結果、試験片に粒界が認められた。
【００６２】
さらに、これらの試験片を電子顕微鏡で観察しながら、エネルギー分散型Ｘ線（ＥＤＸ）分析装置を用いた元素マッピング分析を行った。その結果、試験片Ｎ７の粒界にはクロムが偏析していることが確認された。これは、試験片に、鋭敏化および鋭敏化に伴う耐食性の低下が生じたものと推察される。
【００６３】
以上説明したように、電解水生成装置１０では、陰極として機能する電極２４を構成する材料が、表１の鋼板番号１に相当するステンレス鋼板に相当するものであることが好ましい。具体的には、ニッケルの含有量が１７％より大きく２３％未満であり、クロムの含有量が２３％より大きく２９％以下であるステンレス鋼から、少なくとも陰極が構成されていることが好ましい。この条件を満たすステンレス鋼を、電解水生成装置の電極に用いることで、電極の損傷を防止して、安定的に電解水を生成することが可能になる。
【００６４】
次に、本実施形態の効果を示す実施例について説明する。
【００６５】
《実施例１》
ＪＩＳ  Ｇ４３０５（２０１３）に規定される、ステンレス鋼ＳＵＳ３０４，ステンレス鋼ＳＵＳ３１６，ステンレス鋼ＳＵＳ３１０Ｓからなる陰極と、チタンからなる陰極とを作成した。ステンレス鋼それぞれの組成は、次表３に示される通りである。なお、表中の「Ｃ」，「Ｓｉ」，「Ｍｎ」は、それぞれステンレス鋼板に含まれる炭素、珪素、マンガンの含有量を示す。
【００６６】
【表３】
2017148714.tif 000005
【００６７】
これらの陰極は、厚さ０．５ｍｍ、高さ１５ｃｍ、幅１０ｃｍの板状に整形されている。各陰極の一側の面と他側の面の面積は１５０ｃｍ２である。陰極には、一側の面から他側の面に貫通する直径３ｍｍの複数の開口が形成されている。これらの陰極を、図１に示される構成を有する電解水生成装置に用いた。
【００６８】
電解水生成装置の陽極として、チタンを素材とする陽極を用いた。この陽極には、一側の面から他側の面に貫通する直径３ｍｍの複数の開口が形成されている。また、陽極の表面には、白金イリジウムが触媒層とし形成されている。白金イリジウムからなる触媒層の触媒担持量は、１ｍ２あたり１０ｇ程度の量である。
【００６９】
イオン交換膜としては、ユアサメンブレンシステム製で品番Ｙ−９２１１Ｔの多孔質膜を使用し、塩水として、飽和食塩水を用いた。また、陰極を流れる電流は５０Ａに維持することとした。
【００７０】
上述の陰極をセットした電解水生成装置を１０００時間運転した後に、陰極をとり出して、とり出した陰極の状態を観察した。その結果、ニッケルの含有量が２０．２％で、クロムの含有量が２４．８％であるステンレス鋼ＳＵＳ３１０Ｓからなる陰極では、水素脆化に起因する割れ、腐食ともに認められなかった。
【００７１】
一方、ニッケルの含有量が９．１％で、クロムの含有量が１８．５％であるステンレス鋼ＳＵＳ３０４からなる陰極では、水素脆化に起因する電極表面の微小なクラックと、電極表面のスポット的な腐食痕が認められた。また、ニッケルの含有量が１０．９％で、クロムの含有量が１６．４％であるステンレス鋼ＳＵＳ３１６からなる陰極では、水素脆化に起因する電極表面の微小なクラックが僅かながら認められた。また、スポット的な腐食痕も、若干ではあるが認められた。
【００７２】
チタンからなる陰極では、電極の腐食は認められなかったが、多孔質膜に対向した面全域に黒色のチタン水素化物の付着が認められた。また、電極全面に微小クラックが認められ、それらのうちのいくつかは、電極の一側から他側へ貫通したものであった。
【００７３】
以上より、ステンレス鋼ＳＵＳ３１０Ｓからなる陰極を用いることで、安定的に電解水を生成することが可能となることがわかる。
【００７４】
《実施例２》
表３に示されるステンレス鋼ＳＵＳ３１０Ｓからなる陰極（以下、陰極Ｎ１）と、ステンレス鋼ＳＵＳ３０４からなる陰極（以下、陰極Ｎ２）について、電流密度に起因する影響を調査した。本実施例では、実施例１と同様の電解水生成装置を使用し、陰極の電流をそれぞれ５Ａ，１０Ａ，５０Ａ，１００Ａ，５００Ａ，１０００Ａとした。この条件で、電解水生成装置を１０００時間運転した後に、陰極をとり出して、とり出した電極の状態を観察した。次表４は、上記観察の結果を示す。
【００７５】
【表４】
2017148714.tif 000006
【００７６】
陰極の電流が５Ａ（電流密度：０．０３３Ａ／ｃｍ２）と小さかった場合には、陰極Ｎ１，Ｎ２双方で、水素脆化に起因する電極のクラックや腐食痕は認められなかった。
【００７７】
陰極の電流が１０Ａ（電流密度：０．０６７Ａ／ｃｍ２）から５００Ａ（電流密度：３．３Ａ／ｃｍ２）であった場合には、陰極Ｎ１には、水素脆化に起因する電極のクラックや、腐食痕等は認められなかった。一方で、陰極Ｎ２には、水素脆化に起因する微小なクラックが電極表面に認められた。また、腐食痕も確認された。陰極Ｎ２のクラックは、電流が大きくなるほど、クラックの量や深さが増加した。
【００７８】
陰極の電流が１０００Ａ（電流密度：６．７Ａ／ｃｍ２）であった場合には、陰極Ｎ２には、水素脆化に起因するクラックが認められた。また、陰極Ｎ１にも、微小なクラックが認められた。陰極での電流が大きくなるにつれて、電極表面での水素発生量が増加するため、電極での水素脆化が促進される。したがって、陰極の電流が１０００Ａに達したときには、陰極Ｎ１においても、水素の侵入量が増加し、軽微な水素脆化が生じたものと考えられる。
【００７９】
実施例２での結果により、例えばステンレス鋼ＳＵＳ３１０Ｓに代表されるように、ニッケルの含有量Ａ％と、クロムの含有量Ｂ％とが、以下の条件（１），（２）を満たすステンレス鋼からなる陰極は、例えばステンレス鋼ＳＵＳ３０４などの条件（１），（２）を満たさないステンレス鋼からなる陰極よりも、安定的に電解水を生成することが可能となることがわかる。
【００８０】
１７＜Ａ％＜２３…（１）
２３＜Ｂ％＜２９…（２）
【００８１】
《実施例３》
上記実施例１、２においては、電極として直径３ｍｍの丸穴を多数形成したパンチングメタルを用いたが、エッチング技術により電極に複雑な開口を形成することもできる。エッチング技術により開口を形成することで、陰極に生成する水素ガスの抜けを改善したり、電極の電位分布を均一化したりすることができる
【００８２】
本実施例では、実施例１で用いた４種類の材料に対して、以下に記述する形状のエッチングを施した電極を作成し、実施例１で説明した試験と同等の試験を行った。図３及び図４は、電極１００の斜視図である。電極１００は、厚さが１ｍｍ程度で、Ｘ軸方向を長手方向とする長方形板状に整形されている。電極１００は、枠状のフレーム部１０１と、Ｘ軸方向を長手方向とする複数の格子部１０２と、Ｙ軸方向を長手方向とするビーム部１０３の３部分からなる。
【００８３】
格子部１０２とビーム部１０３は、フレーム部１０１に規定される空間に、相互に交差するように設けられている。電極１００では、格子部１０２は、フレーム部１０１に規定される空間に、Ｘ軸に平行になるように張り渡されている。また、ビーム部１０３は、フレーム部１０１に規定される空間に、Ｙ軸に平行になるように張り渡されている。
【００８４】
図５は、図３におけるＡＡ断面を示す図である。図５に示されるように、格子部１０２は、ピッチＰ１が０．５ｍｍとなるように、Ｙ軸に沿って等間隔に配列されている。また、格子部１０２は、厚さＤ１が０．１〜０．２ｍｍで、断面が台形になるように整形されている。そのため、格子部１０２に挟まれる開口部は、＋Ｚ側のＹ軸方向の寸法Ｗ１が０．４ｍｍであり、−Ｚ側のＹ軸方向の寸法が０．２ｍｍとなっている。
【００８５】
図６は、図４におけるＢＢ断面を示す図である。図６に示されるように、ビーム部１０３は、ピッチＰ２が２．４ｍｍとなるように、Ｘ軸に沿って等間隔に配列されている。また、ビーム部１０３は、厚さＤ２が０．６〜０．７ｍｍで、断面が台形になるように整形されている。そのため、ビーム部１０３に挟まれる開口部は、−Ｚ側のＸ軸方向の寸法Ｗ３が２．４ｍｍであり、＋Ｚ側のＸ軸方向の寸法が１．２ｍｍとなっている。
【００８６】
上述のように構成される電極１００は、例えば、厚さが１ｍｍ程度で、ステンレス鋼或いはチタンからなる金属板の両面に、エッチング処理を施すことにより製造することができる。そのため、フレーム部１０１の＋Ｚ側の面と、格子部１０２の＋Ｚ側の面は同一面内に位置し、フレーム部１０１の−Ｚ側の面と、ビーム部１０３の−Ｚ側の面は同一面内に位置する。
【００８７】
なお、図３及び図４では、１０本の格子部１０２が描かれているが、実際の電極には、数十〜数百の格子部１０２が形成される。これにより、電極１００の＋Ｚ側の面の面積Ａ０に対して、格子部１０２に挟まれる領域の面積Ａ１の割合は約８０％となる。電極１００は、長手方向が鉛直方向となり、＋Ｚ側の面がイオン交換膜に対向するように配置される。
【００８８】
図３及び図４では、３本のビーム部１０３が描かれているが、実際の電極には、数十のビーム部１０３が形成される。このため、電極１００を貫通する開口部の面積Ａ２は、電極１００の＋Ｚ側の面の面積Ａ０の１６％程度となっている。電極１００では、面積Ａ１に対する面積Ａ２の割合が５０％以下であることが好ましい。
【００８９】
また、格子部１０２、ビーム部１０３の断面形状は、台形に限らず、矩形状、半円形状、楕円形上、円弧形状等、任意の形状とすることができる。また、格子部１０２、ビーム部１０３は、交差していればよく、必ずしも直交していなくてもよい。
【００９０】
本実施例では、上述した電極１００を、ステンレス鋼ＳＵＳ３０４，ステンレス鋼ＳＵＳ３１６，ステンレス鋼ＳＵＳ３１０Ｓ、及びチタンから作成した。そして、実施例１で説明した評価を行った。
【００９１】
チタンからなる陰極では、格子部１０２の数か所において、水素脆化による折損が認められた。ステンレス鋼ＳＵＳ３０４からなる陰極については、当該陰極を湾曲させた際に、格子部１０２の数か所において折損が認められた。この現象は、陰極に軽微な水素脆化が生じていることを示唆するものである。また、ステンレス鋼ＳＵＳ３１６からなる陰極については、目視ではクラックが認められなかったが、顕微鏡を用いた観察では、微小なクラックが数点確認された。一方、ステンレス鋼ＳＵＳ３１０Ｓからなる陰極については、クラックが認められなかった。
【００９２】
また、チタンからなる陰極と、ステンレス鋼ＳＵＳ３１０Ｓからなる陰極には、腐食が認められなかったが、ステンレス鋼ＳＵＳ３０４からなる陰極と、ステンレス鋼ＳＵＳ３１６からなる陰極には、腐食が確認された。特に、ステンレス鋼ＳＵＳ３０４からなる陰極では、フレーム部１０１と格子部１０２のコーナー部分や、フレーム部１０１とビーム部１０３のコーナー部分に、腐食痕が多数認められた。
【００９３】
以上より、ステンレス鋼ＳＵＳ３１０Ｓからなる陰極を用いることで、安定的に電解水を生成することが可能となることがわかる。
【００９４】
以上、本発明の実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施しうるものであり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００９５】
１０  電解水生成装置
１１  電解槽
１１１，１１３，１１５  給水口
１１２，１１４，１１６  排水口
１２  塩水タンク
１２１  流出口
１２２  流入口
２１  イオン交換膜
２２  イオン交換膜
２３，２４  電極
３１  循環ポンプ
３２  圧力調整バルブ
３３  直流電源
１００  電極
１０１  フレーム部
１０２  格子部
１０３  ビーム部
Ｓ１  中間室
Ｓ２  陽極室
Ｓ３  陰極室
【図１】
2017148714.tif 000007
【図２】
2017148714.tif 000008
【図３】
2017148714.tif 000009
【図４】
2017148714.tif 000010
【図５】
2017148714.tif 000011
【図６】
2017148714.tif 000012