固体高分子水電解セルにおけるオゾン水生成の多層電極等による特性改善（豊橋技術科学大学）○大庭貴弘

砂川大輔

竹澤伸也

荒木拓人

恩田和夫

Characteristics improvement of ozone water production by multi-layer electrodes atpolymer-electrolyte water-electrolysis cell

Takahiro Ohba, Daisuke Sunakawa, Shinya Takezawa, Takuto Araki, Kazuo Onda
Toyohashi University of Technology
1-1 Hibarigaoka, Tenpaku, Toyohashi, Aichi 441-8580, Japan
Recently, ozone is used for many purposes as an environmental friendly oxidant. Therefore,
the ozone generation device of high O3 concentration and highly efficient formation is desired.
In this paper, the stable ozone water concentration has been obtained by operating the cell forabout 8 hours. The optimum temperature and water flow rate and current density for ozone
water production are 25～30℃, 33L/h and 1.0A/cm2, respectively. And the effect of current
interception was observed.

Cathode

Anode

１．緒言
近年、オゾンは環境にクリーンな酸化体として、多くの用途に用いられている。そのため、高濃度かつ高生成効率のオゾン生成装置が望まれている。そこで我々は、小型で簡単に、しかも直接オゾン水を生成することができる固体高分子膜（PEM）を用いた水電解セルによるオゾン水生成に注目した。この方法はアノード触媒として PbO2を用い、高濃度のオゾン水を生成することができる(1)。これまで我々はアノード多層電極や、カソード側にのみ Pt を析出させる膜電極接合体（MEA）を用いることにより、V-I 特性を改善してきた(2)。今回更に、長時間運転、供給水流量、供給水温度や電流密度の影響や、電流遮断の効果を検討したので報告する。
２．実験方法図 1 に実験装置の構成図を示す。
TC Ozone gas densitometer
Thermo couple
Ozonegas
Ozone contact
ポンプで電解セルに純水を供給し、saturator
セルに電圧を印加し、電気分解を行
Ozone water densitometer
TCう。セルと気液分離器は一定温度にOzone water保たれるよう保温した。アノード側
H2O+H2で発生した O3 はオゾン飽和器で気Static mixer H2O+O2+O3
H2
Bubbler
相と液相に分けられ、それぞれの濃―＋SPE度が測定される。カソード側で発生した H2 は気液分離器で分離され、大H2 gas-liquidTCTC
Water
separator
electrolysis
気中へ放出される。本報告では、表 1cell
H2O
H2Oのように供給水流量、供給水温度、Pump
Pump
電流密度を変えて実験を行った。
Fig.1 Schematic diagram of experimental

2

Current density:1.0[A/cm ]Water temperature:25[℃]
Water flow rate:3[L/h]Ozone gas8680604402Ozone water

20012347060650

Cell supply water temperature:25[℃]
Supply water flow rate:3[L/h]Ozone water

4403020210Ozone concentration [mg/L]

Current efficiency [%]808002040Time [h]60802020018016014012010080604020035

Stucki et al

16

Ozone gas
This experiment

1282Current density:1.0[A/cm ]Water temperature:25[℃]
Ozone water

400510152025
Water flow rate [L/h]30

Ozone concentration [mg/L]

Fig.2 Change of current efficiency byoperation time

Fig.3 Change of current efficiency bywater flow rate
20

Stucki et al
15This experiment1052Current density:1.0[A/cm ]Supply water flow rate:33[L/h]01020304050
Water temperature [℃]60

Fig.4 Change of current efficiency bywater temperature
20Stucki et al
Current efficiency [%]100

Current interruption

Ozone concentration [mg/L]

Current efficiency [%]10Ozone gas

0Current efficiency [%]３．実験結果と考察
図 2 に長時間運転の効果を示す。図 2 から分かるように時間と共に電流効率、オゾン濃度は増加し、約８時間で安定したオゾン濃度が得られた。これは通電と共に PbO2アノードがオゾン生成に適したβPbO2 などになったためと考えられる。図 3 に供給水流量の効果、図 4 に供給水温度の効果、図 5に電流密度の効果を示す。各図から分かる
ように、それぞれの値には最適値が存在する場合とそうでない場合がある。本実験では、供給水流量 33L/h、供給水温度 25～30℃、電流密度 1.0 A/cm2 のときに最も効率良くオゾン水が生成できることが分かった。また、
図 6 に電流の 30 秒遮断の効果を示す。図か
ら分かるように電流を一度遮断してしまうと、その後約３時間たっても元の性能に戻らないことが分かる。これは、PbO2 のオゾン生成に適した結晶構造が電流遮断で元の結晶構造に戻ってしまうのではないかと考えられる。これを防ぐ手段としては、電解休止時にも微少の電流を流し続ける方法を現在検討中である。

10Current efficiency [%]Table.1 Experimental conditions
0.5～2.0
Current density [A/cm2]
Supply water temperature [℃]10～50
0.6～33
Supply water flow [L/h]16

Water flow rate:33[L/h]Water temperature:30[℃]

128This experiment
400.5

1.01.52.02

Current density [A/cm ]Time [h]Fig.5 Change of current efficiency by
Fig.6 Change of current efficiency by current
current density
interruption
謝辞：PbO2 触媒電極の作成をご指導頂いた(独)産業技術総合研究所・山根昌隆氏に感謝致します。
参考文献（１）S. Stucki et al, J. Electrochem. Soc. Vol.132, No.2 pp.367-371(1985)（２）大庭、楠、恩田ら、第 44 回電池討論会要旨集、3B02、pp222-223（2003）