同軸円筒型触媒電極によるオゾン発生方法と装置
【課題】放電を受けた酸素ガスを接触させてオゾン生成を促進する同軸円筒型触媒電極によるオゾン発生方法と装置を提供する。
【解決手段】円筒状の誘電体１４と、当該円筒状の誘電体１４に対して同軸かつ前記誘電体１４外周面に対して所定間隔の隙間Ｓを有するように外側に配置した円筒状の電極１５と、を用いて、前記隙間Ｓに酸素を供給し、前記電極１５を放電させることによってオゾンを発生させるオゾン発生方法であって、前記円筒状の電極１５における前記誘電体１４外周面に対向する面に複数の突起１６を形成するとともに触媒金属を被膜した。
【解決手段】円筒状の誘電体１４と、当該円筒状の誘電体１４に対して同軸かつ前記誘電体１４外周面に対して所定間隔の隙間Ｓを有するように外側に配置した円筒状の電極１５と、を用いて、前記隙間Ｓに酸素を供給し、前記電極１５を放電させることによってオゾンを発生させるオゾン発生方法であって、前記円筒状の電極１５における前記誘電体１４外周面に対向する面に複数の突起１６を形成するとともに触媒金属を被膜した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、オゾンの発生効率を高めることができる同軸円筒型触媒電極によるオゾン発生方法と装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
上水道のオゾン処理は広く行われるようになり、下水処理水においても高度処理の要望がたかまっている。オゾン処理において、オゾンはエネルギー多消費型の原材料物質であり、１ｋｇのオゾンを製造するために１３ｋＷｈもの電力を要している。この製造コストの高さがオゾン処理の普及を阻害している。オゾン発生の原理としては、空気または酸素ガス中での電気放電および紫外線ランプを用いたものが大部分を占め、大規模・低コスト化が図れるのは電気放電を用いた方式である。電気放電方式では放電の制御方法や放電に用いられる電極が各種考案され数々のオゾン発生器が製造されてきた。
【０００３】
例えば、同軸円筒型の電極は、小型から大型のオゾン発生器に使われ、用途としては、上水道、下水処理場等である。また、同軸円筒型の電極を備え、酸素もしくは空気からオゾンを発生させるオゾン発生器としては、円筒形の高電圧電極をチューブ状の接地電極（ステンレス製）に挿通し、当該接地電極の反りや曲がりに順応するように構成してオゾン発生効率を向上させるものが知られている（特許文献１参照）。
【０００４】
また、従来のオゾン生成技術が有する問題を解消することを目的として、本発明者等は、先に非特許文献１を提案した。具体的には、オゾン生成の際、酸素分子と酸素原子とが結合した結果与えられたエネルギーが、オゾンの生成に必要なエネルギーを上回ると、オゾンが不安的な励起状態となって分解されやすく、オゾン生成効率が低下するおそれがあるが、非特許文献１に記載の技術では、電極の表面に第三体（触媒作用物質）を配置していると、酸素分子と酸素原子とが結合した結果与えられたエネルギーが、オゾンの生成に必要なエネルギーを上回った場合でも、余分なエネルギーを第三体に直ちに伝達させることができるので、生成されたオゾンが不安定な励起状態に留まることを確実に防ぐことができる。これにより、生成されたオゾンを安定化させることができるので、オゾン生成効率の向上を図ることができる。
【０００５】
また、特許文献２に記載されているオゾン発生器では、小型の平行平板でエキスパンドメタルを挟むように構成されており、このエキスパンドメタルの表面に第三体となるアンチモンを蒸着して触媒電極であるアンチモン電極を形成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１４６６２２号公報
【特許文献２】特開２００７−２１７２２９号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】金属触媒によるオゾン生成法の考察（平成１７年電気学会全国大会、平成１７年３月１７日）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
オゾン発生の技術においては、放電部分のメカニズムとオゾン生成のメカニズムについて個別に考慮して、検討が十分なされて来なかった。特に、空気を原料として放電を行う場合には、窒素ガスにも放電が行われるため、ＮＯｘなどの副産物が生成するとともに、電力をオゾンの生成に効率的に使用できない。また、酸素ガス（純酸素）を用いるオゾン発生器においても、酸素ガスのみを用いてオゾンを生成し続けた場合、一時的にはオゾン生成効率が上がりオゾン濃度が上昇するが、その後オゾン濃度が低下し、一定時間が過ぎるとついにはオゾンを生成できなくなる。このような現象は、窒素がオゾン生成を促進する触媒として作用していることによるものである。そのため、オゾン生成を停止しないように、原料ガスである純酸素に予め窒素を２％程度添加し、効率を下げかつＮＯｘなどの副産物を生成しながら運転している。
すなわち、窒素等の第三物質の作用を十分に認識していないまま、窒素の存在下においてオゾン生成を行い、オゾン生成効率を低下させてしまっているのである。
【０００９】
そのため、前述した非特許文献１に記載の技術を前述した同軸円筒型の電極に対しても適用することが考えられる。特許文献２に記載したようにエキスパンドメタルの表面に第三体となるアンチモンを蒸着した場合は、電極の周囲をアンチモンで覆って囲いこんでしまうため被膜が安定して形成され、電極が放電した際においてアンチモンが剥がれることはないが、特に大型の同軸円筒型の電極における内壁面においてアンチモンを蒸着した場合は、放電で容易に剥がれてしまう。
【００１０】
また、前述した特許文献１に記載された同軸円筒型の電極形態では、オゾン発生効率の向上が十分になし得ない。
【００１１】
つまり、同軸円筒型の電極に触媒金属を採用する際においては、放電で容易に剥がれず、かつオゾン生成効率が従来よりもさらに良くなる電極の形態が求められている。
【００１２】
そこで、本発明は、以上の課題に鑑みてなされたものであり、放電を受けた酸素ガスを接触させてオゾン生成を促進する同軸円筒型触媒電極によるオゾン発生方法と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】
【００１３】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
【００１４】
即ち、請求項１の同軸円筒型触媒電極によるオゾン発生方法は、
円筒状の誘電体と、
当該円筒状の誘電体に対して同軸かつ前記誘電体外周面に対して所定間隔の隙間を有するように外側に配置した円筒状の電極と、を用いて、
前記隙間に酸素を供給し、前記電極を放電させることによってオゾンを発生させるオゾン発生方法であって、
前記円筒状の電極における前記誘電体外周面に対向する面に複数の突起を形成するとともに触媒金属を被膜したものである。
【００１５】
請求項２の同軸円筒型触媒電極によるオゾン発生装置は、
円筒状の誘電体と、
当該円筒状の誘電体に対して同軸かつ前記誘電体外周面に対して所定間隔の隙間を有するように外側に配置した円筒状の電極と、を備え、
前記隙間に酸素を供給し、前記電極を放電させることによってオゾンを発生させるオゾン発生装置であって、
前記円筒状の電極における前記誘電体外周面に対向する面に複数の突起を形成するとともに触媒金属を被膜したものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
【００１７】
請求項１においては、前記電極における前記誘電体外周面に対向する面に複数の突起を形成するとともに触媒金属を被膜することで、触媒金属被膜が剥がれることを防止するとともに放電箇所が突起に特定されることでオゾン発生効率を向上させることができる。
【００１８】
請求項２においては、前記電極における前記誘電体外周面に対向する面に複数の突起を形成するとともに触媒金属を被膜することで、触媒金属被膜が剥がれることを防止するとともに放電箇所が突起に特定されることでオゾン発生効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本実施形態に係る試験装置の全体構成を示す模式図。
【図２】触媒電極式反応器を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図。
【図３】図２（ａ）におけるＡ−Ａ矢視断面図。
【図４】突起を有する電極を示す斜視図。
【図５】突起を有する電極を示す正面図。
【図６】図５におけるＢ部分の拡大図。
【図７】突起を有する電極を示す図であり、（ａ）は側面断面図、（ｂ）は側面図。
【図８】比較用反応器の内部構造を示す一部破断側面図。
【図９】図８におけるＡ部分の拡大図。
【図１０】触媒電極と誘電体との隙間を示す側面断面図。
【図１１】比較用電極と誘電体との隙間を示す側面断面図。
【図１２】比較用電極適用時における投入電力に対するオゾン濃度変化を示す図。
【図１３】比較用電極適用時における投入電力に対するオゾン製造効率を示す図。
【図１４】本実施形態に係る電極適用時における投入電力に対するオゾン濃度変化を示す図。
【図１５】本実施形態に係る電極適用時における投入電力に対するオゾン製造効率を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
次に、発明の実施の形態を説明する。
【００２１】
図１を用いてオゾン発生装置の一例である触媒電極式オゾン発生試験装置の全体構成を説明する。
なお、同一の形状及び機能を有する部材・装置等においては、同一符号を付して、その説明を省略する。
【００２２】
触媒電極式オゾン発生試験装置１（以下、試験装置１という）は、図１に示すように、酸素供給手段２と、オゾン発生器３、冷却手段４、オゾン濃度計５、電源６等により構成される。
【００２３】
酸素供給手段２は、オゾン発生器３にオゾン生成のための原料ガスとなる酸素を供給する手段であり、酸素ガスボンベ（図示せず）、ストップバルブ７、ガス流量制御装置８、により主に構成される。酸素ガスボンベは配管及びストップバルブ７を介してガス流量制御装置８に接続される。当該ガス流量制御装置８は、酸素ガス供給管９を介してオゾン発生器３に接続されている。酸素ガス供給管９は、当該酸素ガス供給管９の中途部において二方に分岐する分岐管であり、この分岐管が分岐する部分には切換バルブ９ａが設けられており、当該切換バルブ９ａを切り換えることによって二方の配管のうち、どちらか一方に酸素を供給することが可能となる。こうして、ストップバルブ７、ガス流量制御装置８及び切換バルブ９ａを操作することで酸素ガスボンベより所定量の酸素をオゾン発生器３に供給することが可能となる。
【００２４】
オゾン発生器３は、酸素供給手段２により供給された酸素に対して放電を行うことでオゾンを発生させる手段であり、触媒電極式反応器１０と、比較用反応器１１と、を主に備える。
【００２５】
触媒電極式反応器１０（図２参照）は、触媒金属が被膜された電極（放電体）である触媒電極１５（以下、電極１５という）を備えたオゾン発生手段であり、図３に示すように、円筒状の誘電体１４と、当該円筒状の誘電体１４に対して同軸かつ前記誘電体１４外周面に対して突起１６先端（図５参照）を接触するように配置した円筒状の電極１５と、を備える。また、突起１６先端を誘電体１４に接触するように配置した状態においては、図１０に示すように隙間Ｓを有する。電極１５の両端は、前述した酸素ガス供給管９と連通している。
誘電体１４は、鉄製の中空円筒体であり、その外周面に所定のセラミック被膜を形成したものである。また、誘電体１４の外周面の所定位置には、誘電体１４を電極１５内に挿通配置した際に誘電体１４と電極１５との軸心を同一にするように電極１５を保持するための所定高さの凸状保持部（図示せず）を備える。
電極１５は、真鍮製の円筒体であり、図４に示すように、当該円筒状の電極１５における前記誘電体１４外周面に対向する面に複数の突起１６を形成するとともに触媒金属であるアンチモンを被膜（本実施形態においては真空蒸着による被膜）したものである。すなわち、円筒状の電極１５には、図７（ａ）に示すように電極１５の内壁面がスパイラル状にネジ切りされた形状を有しており、当該ネジ切りされた形状におけるネジ谷部に沿って複数の突起１６が連続的に設けられている。突起１６は、図５、図６に示すように、正面視凹凸状（鋸刃状）に形成されている。円筒状の電極１５の内径（突起１６先端に沿った内径）は、誘電体１４の直径よりも少し大径となっている。
なお、触媒金属としては、特にアンチモンに限定するものではなく、オゾン発生を促進する触媒作用を有する金属であればよく、例えばビスマス等でもよく、これらを含む触媒金属のいずれか１種もしくは複数種類の混合物であってもかまわない。
【００２６】
こうして、前記円筒状の電極１５を同軸（同心）かつ前記誘電体１４の外周面に対して接するように配置することで、放電を行うための空間を制御することができる。酸素供給手段２は、隙間Ｓに連通する前記酸素ガス供給管９を介して所定流量の酸素を鋸刃状部分の隙間Ｓに対して供給することができる。
【００２７】
また、触媒電極式反応器１０の下流側には、当該触媒電極式反応器１０で生成されたオゾンガス等を排出するため二方の分岐管であるオゾンガス排出管１３の一方が接続されており、この分岐管が分岐する部分には切換バルブ１３ａが設けられており、オゾンガス排出管１３の他端はオゾン濃度計５に接続されている。
【００２８】
比較用反応器１１は、触媒電極式反応器１０が有する電極１５とは異なり突起を有さず触媒金属が被膜されていない電極（放電体）である比較用電極２５を備えたオゾン発生手段であり、触媒電極式反応器１０と比較用反応器１１のそれぞれが有する電極の特性を比較するために用いられる反応器である。比較用反応器１１は、図８、９に示すように、触媒電極式反応器１０と同じく円筒状の誘電体１４と、当該円筒状の誘電体１４に対して同軸かつ前記誘電体１４の外周面に対して所定間隔の隙間Ｓ´（図１１参照）を有するように外側に配置した円筒状の比較用電極２５と、を備える。
比較用反応器１１が有する円筒状の比較用電極２５は、触媒電極式反応器１０が有する電極１５とは異なり、図９に示すように、当該円筒状の比較用電極２５における前記誘電体１４外周面に対向する面に複数の突起及び触媒金属を有さない従来型のステンレス製電極である。すなわち、比較用電極２５における前記誘電体１４外周面に対向する面は、起伏を有さない滑らかな内壁面となっている。円筒状の比較用電極２５の内径は、誘電体１４の直径よりも大径となっている。
なお、比較用反応器１１において比較用電極２５以外の他の構成部分は、触媒電極式反応器１０と同様であり、説明は省略する。
【００２９】
こうして、前記円筒状の電極２５を同軸（同心）かつ前記誘電体１４の外周面に対して所定間隔の隙間Ｓ´を有するように配置することで、放電を行うための円筒状の空間（放電ギャップ）である隙間Ｓ´を形成することができる。酸素供給手段２は、当該隙間Ｓ´に連通する前記酸素ガス供給管９を介して所定流量の酸素を隙間Ｓ´に対して供給することができる。
【００３０】
また、比較用反応器１１の下流側には、当該比較用反応器１１で生成されたオゾンガス等を排出するため二方の分岐管であるオゾンガス排出管１３の他方が接続されており、この分岐管が分岐する部分には切換バルブ１３ａが設けられており、オゾンガス排出管１３の他端はオゾン濃度計５に接続されている。つまり、この切換バルブ１３ａを操作することで、オゾンガス排出管１３を介して前記触媒電極式反応器１０もしくは前記比較用反応器１１のどちらか一方とオゾン濃度計５とを接続することが可能であり、接続されたどちらか一方の反応器から送られてくる排出ガスをオゾン濃度計５の計測部５ａに導入してオゾン濃度を測定し、当該計測部５ａにて計測されたオゾン濃度をオゾン濃度計５の表示部５ｂにて表示することが可能である。
【００３１】
つまり、オゾン発生器３においては、触媒電極式反応器１０か比較用反応器１１のどちらかを選択して、触媒電極式反応器１０が有する電極１５と誘電体１４とにより形成される隙間Ｓ、もしくは比較用反応器１１が有する比較用電極２５と誘電体１４とにより形成される隙間Ｓ´に対して酸素が供給され、酸素に対して放電を行うことでオゾンを生成することが可能となる。また、生成したオゾンガスは、前記オゾンガス排出管１３を介してオゾン濃度計５に送られ、オゾン濃度の測定が行われる。
【００３２】
また、オゾン発生器３は、図１に示すように触媒電極式反応器１０及び比較用反応器１１を冷却するための冷却手段４を具備する。
【００３３】
冷却手段４は、冷却水供給装置（図示せず）、冷却水導入管４ａ、循環配管４ｂ及び冷却水排出管４ｃを備える。これにより、冷却水は、冷却水供給装置により冷却水入口（ストップバルブ）から供給され、冷却水導入管４ａを介して触媒電極式反応器１０内を通過し、触媒電極式反応器１０下流側から循環配管４ｂを介して比較用反応器１１上流側へと循環し、当該比較用反応器１１内を通過し、比較用反応器１１下流側に接続された冷却水排出管４ｃを介して冷却水出口（ストップバルブ）から排出され、排出された冷却水は冷却供給装置に回収されるようになっており、オゾン発生器３（触媒電極式反応器１０、比較用反応器１１）の温度を調節することが可能となっている。また、オゾン発生器３には、該オゾン発生器３内の電極１５、２５に電圧を印加するための電源６がインバータ１７を介して接続されている。電源６は、触媒電極式反応器１０、比較用反応器１１の各電極１５、２５に対して所定の電力を投入可能であり、投入電力を適宜所定値に設定可能である。
【００３４】
このように試験装置１を構成することにより、オゾン発生器３内の触媒電極式反応器１０によりオゾンを発生させる場合は、触媒電極式反応器１０に酸素を供給して生成後のオゾンを排出するために切換バルブ９ａ・１３ａを触媒電極式反応器１０に連通する側に操作して、酸素ガスボンベから高純度の酸素ガスを、ガス流量制御装置８により酸素ガス供給管９に流し、触媒電極式反応器１０の隙間Ｓへと導入する。そして、該触媒電極式反応器１０の隙間Ｓに導入された酸素ガスに対して、所定の投入電力に応じて電極１５により放電が行われて所定量のオゾンガスが生成する。該オゾンガスは、オゾンガス排出管１３からオゾン濃度計５に導入されて、オゾン濃度の測定が行われる。
【００３５】
一方、オゾン発生器３内の比較用反応器１１によりオゾンを発生させる場合は、比較用反応器１１に酸素を供給して生成後のオゾンを排出するために切換バルブ９ａ・１３ａを比較用反応器１１に連通する側に操作して、酸素ガスボンベから高純度の酸素ガスを、ガス流量制御装置８により酸素ガス供給管９に流し、比較用反応器１１の円筒状空間である隙間Ｓ´へと導入する。そして、該比較用反応器１１の隙間Ｓ´に導入された酸素ガスに対して、所定の投入電力に応じて比較用電極２５により放電が行われて所定量のオゾンガスが生成する。該オゾンガスは、オゾンガス排出管１３からオゾン濃度計５に導入されて、オゾン濃度の測定が行われる。
【００３６】
つまり、本実施形態に係る試験装置１では、電極形態の違いによるオゾン発生効率を比較するために異なる電極を有する反応器を併設した構成となっている。そして、試験装置１は、切換バルブ９ａ・１３ａの操作を行うことで、ひとつの酸素供給手段２、ひとつのオゾン濃度計５により、電極の違いによるオゾン濃度の比較を行うことが可能であり、触媒電極式反応器１０（電極１５）と比較用反応器１１（電極２５）とを同一の試験条件にてオゾン発生効率の比較のための試験測定が行えるように構成されている。
なお、本実施形態に係る試験装置１は、電極形態の違いによるオゾン発生効率の比較試験を行うために異なる電極を有する反応器を併設して構成したものであり、当然ながら、効率的にオゾンを発生させるためのオゾン発生装置の構成として、比較用反応器１１を備える必要はない。
以下に、触媒電極式反応器１０（電極１５）もしくは比較用反応器１１（電極２５）を適用してオゾンを発生させ、各オゾン濃度を測定した試験結果を実施例として示す。
【実施例】
【００３７】
次に、本実施形態の試験装置１における触媒電極式反応器１０と比較用反応器１１の各反応器によりオゾン発生を行い、各反応器における投入電力に対するオゾン濃度及びオゾン製造効率を測定した。
【００３８】
まずは、オゾン発生器３の比較用反応器１１に供給した酸素に対して放電を行って、オゾンを発生させた。こうして、比較用反応器１１適用時における投入電力に対するオゾン濃度を測定した（図１２参照）。
図１２は、比較用反応器１１への酸素供給量を変えて各投入電力（１００〜１８０Ｗ）におけるオゾン濃度（ｇ／Ｎｍ３）を測定し、プロットしたものである（図１２上に示す酸素供給量は、◇：０．５ｌ／ｍｉｎ、□：１．０ｌ／ｍｉｎ、△：２．５ｌ／ｍｉｎ、○：５．０ｌ／ｍｉｎである。）。
図１２において、横軸は投入電力（Ｗ）であり、縦軸はオゾン濃度（ｇ／Ｎｍ３）を示す。
また、図１２に示すオゾン濃度変化に基づき、消費電力量あたりのオゾン発生量（製造量）であるオゾン製造効率変化を求めた（図１３参照）。
図１３は、比較用反応器１１への酸素供給量を変えて各投入電力（１００〜１８０Ｗ）におけるオゾン製造効率（ｇ／ｋＷｈ）を取得し、プロットしたものである（図１３上に示す酸素供給量は、◇：０．５ｌ／ｍｉｎ、□：１．０ｌ／ｍｉｎ、△：２．５ｌ／ｍｉｎ、○：５．０ｌ／ｍｉｎである。）。
図１３において、横軸は投入電力（Ｗ）であり、縦軸はオゾン製造効率（ｇ／ｋＷｈ）を示す。
【００３９】
次に、オゾン発生器３の触媒電極式反応器１０に供給した酸素に対して放電を行って、オゾンを発生させた。こうして、触媒電極式反応器１０への投入電力に対するオゾン濃度を測定した（図１４参照）。
図１４は、触媒電極式反応器１０への酸素供給量を変えて各投入電力（１００〜１６０Ｗ）におけるオゾン濃度を測定し、プロットしたものである（図１４上に示す酸素供給量は、◇：０．５ｌ／ｍｉｎ、□：１．０ｌ／ｍｉｎ、■：２．０ｌ／ｍｉｎ、△：２．５ｌ／ｍｉｎ、○：５．０ｌ／ｍｉｎである。）。
図１４において、横軸は投入電力（Ｗ）であり、縦軸はオゾン濃度（ｇ／Ｎｍ３）を示す。
また、図１４に示すオゾン濃度変化に基づき、消費電力量あたりのオゾン発生量であるオゾン製造効率変化を求めた（図１５参照）。
図１５は、触媒電極式反応器１０への酸素供給量を変えて各投入電力（１００〜１６０Ｗ）におけるオゾン製造効率（ｇ／ｋＷｈ）を取得し、プロットしたものである（図１５上に示す酸素供給量は、◇：０．５ｌ／ｍｉｎ、□：１．０ｌ／ｍｉｎ、■：２．０ｌ／ｍｉｎ、△：２．５ｌ／ｍｉｎ、○：５．０ｌ／ｍｉｎである。）。
図１５において、横軸は投入電力（Ｗ）であり、縦軸はオゾン製造効率（ｇ／ｋＷｈ）を示す。
以下に、触媒電極式反応器１０（電極１５）適用時のオゾン濃度変化及びオゾン製造効率変化と、比較用反応器１１（電極２５）適用時のオゾン濃度変化及びオゾン製造効率変化とを比較した結果について説明する。
【００４０】
結果としては、触媒電極式反応器１０と比較用反応器１１、すなわち電極１５と比較用電極２５をそれぞれオゾンを発生させる際に適用した場合の投入電力毎のオゾン濃度及びオゾン製造効率をそれぞれ比較すると、オゾン濃度変化（図１２、図１４参照）において投入電力が１００Ｗの時では、比較用反応器１１（電極２５）に比べて触媒電極式反応器１０（電極１５）の方が各酸素供給量におけるオゾン濃度が上昇しており、これは電極１５の方が高効率にオゾンを発生させているといえる。また、オゾン製造効率（図１３、図１５参照）を比較すると各投入電力において比較用反応器１１（電極２５）の場合よりも触媒電極式反応器１０（電極１５）の方がオゾン製造効率が明らかに向上していることがわかる（投入電力１００Ｗ時においては、およそ２倍程度）。これは、円筒状電極の内壁面に複数の突起１６を形成するとともにアンチモンを被膜した電極１５を適用したことで、同じ投入電力において多くのオゾンが発生したものと考えられる。この結果から電極１５を適用することにより、同軸円筒型オゾン発生器の基本設計は変えることなく、電極形態を変更するだけで容易にオゾン発生効率を向上させることができるオゾン発生方法及びオゾン発生装置を提供することが可能となる。
【００４１】
つまり、本実施形態に係る試験装置１（触媒電極式反応器１０）は、円筒状の誘電体１４と、当該円筒状の誘電体１４に対して同軸かつ前記誘電体１４の外周面に対して突起１６が接触するように外側に配置した円筒状の電極１５と、を備え、前記誘電体１４に前記電極１５を挿通して配置することで形成される前記隙間Ｓに酸素を供給し、前記電極１５を放電させることによってオゾンを発生させるオゾン発生装置であって、前記円筒状の電極１５内の前記誘電体１４と対向する面に複数の突起１６を形成するとともに触媒金属であるアンチモンを被膜したものである。このように、前記電極１５における前記誘電体１４外周面に対向する面に複数の突起１６を形成するとともに触媒金属であるアンチモンを被膜することで、触媒金属であるアンチモン被膜が剥がれることを防止するとともに放電箇所が突起１６に特定されることでオゾン発生効率を向上させることができる。
【００４２】
また、本実施形態に係る触媒電極式反応器１０が有する電極１５は、その内壁面に突起１６を有することにより、電極１５における誘電体１４に対する対向面（放電面）上において、放電点を限定した範囲に収めることが可能となる。すなわち、電極１５における放電点は誘電体１４側により近接する部分である突起１６の頂点付近の範囲に限定される。これにより放電箇所は突起１６近傍となり、この放電箇所の放電により酸素分子から酸素原子を生成し、当該酸素原子は供給される酸素分子と結合してオゾンが生成されるのである。つまり、従来から用いられている円筒状電極である比較用電極２５は、放電箇所とオゾン発生箇所が混在化するのに対し、電極１５では、当該電極１５の放電面上（誘電体１４の対向面上）に突起１６を設ける電極形態としたことで放電箇所を特定し、放電箇所とオゾン発生箇所とを混在化せず分離したことがオゾン発生効率の向上に寄与したものと考えられる。
【００４３】
また、本実施形態に係る触媒電極式反応器１０が有する電極１５は、当該電極１５の放電面上（誘電体１４の対向面上）に突起１６を設けることで、電極ベース金属に対する触媒金属の密着性を向上させることができるため（突起１６を設けることで、表面積を増やすことによる密着性の向上、いわゆる、アンカー効果が得られるため）、真空蒸着により被膜した触媒金属であるアンチモンが剥がれることを防止できる。
【００４４】
本実施形態に係る電極１５は、その内壁面に複数の突起１６を有するとともに、内壁面上にオゾン生成を促進する触媒金属の一例であるアンチモンを蒸着薄膜として有しており、当該アンチモン蒸着膜に放電を行った酸素ガスを接触させることにより、オゾンの生成を促進するものである。酸素原料によるオゾンの生成において、電極を本実施形態に係るアンチモン被膜を有する電極１５に変更するだけで触媒として窒素を純酸素に添加する必要がなくなり、窒素ガスや供給ガスに窒素を混合するための窒素混合装置を省略できるとともにオゾン発生効率を高めることができ、かつ窒素酸化物（ＮＯｘ）を含まないオゾンを高効率で生産できる。
【符号の説明】
【００４５】
１ 触媒電極式オゾン発生試験装置
１４ 誘電体
１５ 触媒電極
１６ 突起
Ｓ 隙間
【技術分野】
【０００１】
本発明は、オゾンの発生効率を高めることができる同軸円筒型触媒電極によるオゾン発生方法と装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
上水道のオゾン処理は広く行われるようになり、下水処理水においても高度処理の要望がたかまっている。オゾン処理において、オゾンはエネルギー多消費型の原材料物質であり、１ｋｇのオゾンを製造するために１３ｋＷｈもの電力を要している。この製造コストの高さがオゾン処理の普及を阻害している。オゾン発生の原理としては、空気または酸素ガス中での電気放電および紫外線ランプを用いたものが大部分を占め、大規模・低コスト化が図れるのは電気放電を用いた方式である。電気放電方式では放電の制御方法や放電に用いられる電極が各種考案され数々のオゾン発生器が製造されてきた。
【０００３】
例えば、同軸円筒型の電極は、小型から大型のオゾン発生器に使われ、用途としては、上水道、下水処理場等である。また、同軸円筒型の電極を備え、酸素もしくは空気からオゾンを発生させるオゾン発生器としては、円筒形の高電圧電極をチューブ状の接地電極（ステンレス製）に挿通し、当該接地電極の反りや曲がりに順応するように構成してオゾン発生効率を向上させるものが知られている（特許文献１参照）。
【０００４】
また、従来のオゾン生成技術が有する問題を解消することを目的として、本発明者等は、先に非特許文献１を提案した。具体的には、オゾン生成の際、酸素分子と酸素原子とが結合した結果与えられたエネルギーが、オゾンの生成に必要なエネルギーを上回ると、オゾンが不安的な励起状態となって分解されやすく、オゾン生成効率が低下するおそれがあるが、非特許文献１に記載の技術では、電極の表面に第三体（触媒作用物質）を配置していると、酸素分子と酸素原子とが結合した結果与えられたエネルギーが、オゾンの生成に必要なエネルギーを上回った場合でも、余分なエネルギーを第三体に直ちに伝達させることができるので、生成されたオゾンが不安定な励起状態に留まることを確実に防ぐことができる。これにより、生成されたオゾンを安定化させることができるので、オゾン生成効率の向上を図ることができる。
【０００５】
また、特許文献２に記載されているオゾン発生器では、小型の平行平板でエキスパンドメタルを挟むように構成されており、このエキスパンドメタルの表面に第三体となるアンチモンを蒸着して触媒電極であるアンチモン電極を形成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１４６６２２号公報
【特許文献２】特開２００７−２１７２２９号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】金属触媒によるオゾン生成法の考察（平成１７年電気学会全国大会、平成１７年３月１７日）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
オゾン発生の技術においては、放電部分のメカニズムとオゾン生成のメカニズムについて個別に考慮して、検討が十分なされて来なかった。特に、空気を原料として放電を行う場合には、窒素ガスにも放電が行われるため、ＮＯｘなどの副産物が生成するとともに、電力をオゾンの生成に効率的に使用できない。また、酸素ガス（純酸素）を用いるオゾン発生器においても、酸素ガスのみを用いてオゾンを生成し続けた場合、一時的にはオゾン生成効率が上がりオゾン濃度が上昇するが、その後オゾン濃度が低下し、一定時間が過ぎるとついにはオゾンを生成できなくなる。このような現象は、窒素がオゾン生成を促進する触媒として作用していることによるものである。そのため、オゾン生成を停止しないように、原料ガスである純酸素に予め窒素を２％程度添加し、効率を下げかつＮＯｘなどの副産物を生成しながら運転している。
すなわち、窒素等の第三物質の作用を十分に認識していないまま、窒素の存在下においてオゾン生成を行い、オゾン生成効率を低下させてしまっているのである。
【０００９】
そのため、前述した非特許文献１に記載の技術を前述した同軸円筒型の電極に対しても適用することが考えられる。特許文献２に記載したようにエキスパンドメタルの表面に第三体となるアンチモンを蒸着した場合は、電極の周囲をアンチモンで覆って囲いこんでしまうため被膜が安定して形成され、電極が放電した際においてアンチモンが剥がれることはないが、特に大型の同軸円筒型の電極における内壁面においてアンチモンを蒸着した場合は、放電で容易に剥がれてしまう。
【００１０】
また、前述した特許文献１に記載された同軸円筒型の電極形態では、オゾン発生効率の向上が十分になし得ない。
【００１１】
つまり、同軸円筒型の電極に触媒金属を採用する際においては、放電で容易に剥がれず、かつオゾン生成効率が従来よりもさらに良くなる電極の形態が求められている。
【００１２】
そこで、本発明は、以上の課題に鑑みてなされたものであり、放電を受けた酸素ガスを接触させてオゾン生成を促進する同軸円筒型触媒電極によるオゾン発生方法と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】
【００１３】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
【００１４】
即ち、請求項１の同軸円筒型触媒電極によるオゾン発生方法は、
円筒状の誘電体と、
当該円筒状の誘電体に対して同軸かつ前記誘電体外周面に対して所定間隔の隙間を有するように外側に配置した円筒状の電極と、を用いて、
前記隙間に酸素を供給し、前記電極を放電させることによってオゾンを発生させるオゾン発生方法であって、
前記円筒状の電極における前記誘電体外周面に対向する面に複数の突起を形成するとともに触媒金属を被膜したものである。
【００１５】
請求項２の同軸円筒型触媒電極によるオゾン発生装置は、
円筒状の誘電体と、
当該円筒状の誘電体に対して同軸かつ前記誘電体外周面に対して所定間隔の隙間を有するように外側に配置した円筒状の電極と、を備え、
前記隙間に酸素を供給し、前記電極を放電させることによってオゾンを発生させるオゾン発生装置であって、
前記円筒状の電極における前記誘電体外周面に対向する面に複数の突起を形成するとともに触媒金属を被膜したものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
【００１７】
請求項１においては、前記電極における前記誘電体外周面に対向する面に複数の突起を形成するとともに触媒金属を被膜することで、触媒金属被膜が剥がれることを防止するとともに放電箇所が突起に特定されることでオゾン発生効率を向上させることができる。
【００１８】
請求項２においては、前記電極における前記誘電体外周面に対向する面に複数の突起を形成するとともに触媒金属を被膜することで、触媒金属被膜が剥がれることを防止するとともに放電箇所が突起に特定されることでオゾン発生効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本実施形態に係る試験装置の全体構成を示す模式図。
【図２】触媒電極式反応器を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図。
【図３】図２（ａ）におけるＡ−Ａ矢視断面図。
【図４】突起を有する電極を示す斜視図。
【図５】突起を有する電極を示す正面図。
【図６】図５におけるＢ部分の拡大図。
【図７】突起を有する電極を示す図であり、（ａ）は側面断面図、（ｂ）は側面図。
【図８】比較用反応器の内部構造を示す一部破断側面図。
【図９】図８におけるＡ部分の拡大図。
【図１０】触媒電極と誘電体との隙間を示す側面断面図。
【図１１】比較用電極と誘電体との隙間を示す側面断面図。
【図１２】比較用電極適用時における投入電力に対するオゾン濃度変化を示す図。
【図１３】比較用電極適用時における投入電力に対するオゾン製造効率を示す図。
【図１４】本実施形態に係る電極適用時における投入電力に対するオゾン濃度変化を示す図。
【図１５】本実施形態に係る電極適用時における投入電力に対するオゾン製造効率を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
次に、発明の実施の形態を説明する。
【００２１】
図１を用いてオゾン発生装置の一例である触媒電極式オゾン発生試験装置の全体構成を説明する。
なお、同一の形状及び機能を有する部材・装置等においては、同一符号を付して、その説明を省略する。
【００２２】
触媒電極式オゾン発生試験装置１（以下、試験装置１という）は、図１に示すように、酸素供給手段２と、オゾン発生器３、冷却手段４、オゾン濃度計５、電源６等により構成される。
【００２３】
酸素供給手段２は、オゾン発生器３にオゾン生成のための原料ガスとなる酸素を供給する手段であり、酸素ガスボンベ（図示せず）、ストップバルブ７、ガス流量制御装置８、により主に構成される。酸素ガスボンベは配管及びストップバルブ７を介してガス流量制御装置８に接続される。当該ガス流量制御装置８は、酸素ガス供給管９を介してオゾン発生器３に接続されている。酸素ガス供給管９は、当該酸素ガス供給管９の中途部において二方に分岐する分岐管であり、この分岐管が分岐する部分には切換バルブ９ａが設けられており、当該切換バルブ９ａを切り換えることによって二方の配管のうち、どちらか一方に酸素を供給することが可能となる。こうして、ストップバルブ７、ガス流量制御装置８及び切換バルブ９ａを操作することで酸素ガスボンベより所定量の酸素をオゾン発生器３に供給することが可能となる。
【００２４】
オゾン発生器３は、酸素供給手段２により供給された酸素に対して放電を行うことでオゾンを発生させる手段であり、触媒電極式反応器１０と、比較用反応器１１と、を主に備える。
【００２５】
触媒電極式反応器１０（図２参照）は、触媒金属が被膜された電極（放電体）である触媒電極１５（以下、電極１５という）を備えたオゾン発生手段であり、図３に示すように、円筒状の誘電体１４と、当該円筒状の誘電体１４に対して同軸かつ前記誘電体１４外周面に対して突起１６先端（図５参照）を接触するように配置した円筒状の電極１５と、を備える。また、突起１６先端を誘電体１４に接触するように配置した状態においては、図１０に示すように隙間Ｓを有する。電極１５の両端は、前述した酸素ガス供給管９と連通している。
誘電体１４は、鉄製の中空円筒体であり、その外周面に所定のセラミック被膜を形成したものである。また、誘電体１４の外周面の所定位置には、誘電体１４を電極１５内に挿通配置した際に誘電体１４と電極１５との軸心を同一にするように電極１５を保持するための所定高さの凸状保持部（図示せず）を備える。
電極１５は、真鍮製の円筒体であり、図４に示すように、当該円筒状の電極１５における前記誘電体１４外周面に対向する面に複数の突起１６を形成するとともに触媒金属であるアンチモンを被膜（本実施形態においては真空蒸着による被膜）したものである。すなわち、円筒状の電極１５には、図７（ａ）に示すように電極１５の内壁面がスパイラル状にネジ切りされた形状を有しており、当該ネジ切りされた形状におけるネジ谷部に沿って複数の突起１６が連続的に設けられている。突起１６は、図５、図６に示すように、正面視凹凸状（鋸刃状）に形成されている。円筒状の電極１５の内径（突起１６先端に沿った内径）は、誘電体１４の直径よりも少し大径となっている。
なお、触媒金属としては、特にアンチモンに限定するものではなく、オゾン発生を促進する触媒作用を有する金属であればよく、例えばビスマス等でもよく、これらを含む触媒金属のいずれか１種もしくは複数種類の混合物であってもかまわない。
【００２６】
こうして、前記円筒状の電極１５を同軸（同心）かつ前記誘電体１４の外周面に対して接するように配置することで、放電を行うための空間を制御することができる。酸素供給手段２は、隙間Ｓに連通する前記酸素ガス供給管９を介して所定流量の酸素を鋸刃状部分の隙間Ｓに対して供給することができる。
【００２７】
また、触媒電極式反応器１０の下流側には、当該触媒電極式反応器１０で生成されたオゾンガス等を排出するため二方の分岐管であるオゾンガス排出管１３の一方が接続されており、この分岐管が分岐する部分には切換バルブ１３ａが設けられており、オゾンガス排出管１３の他端はオゾン濃度計５に接続されている。
【００２８】
比較用反応器１１は、触媒電極式反応器１０が有する電極１５とは異なり突起を有さず触媒金属が被膜されていない電極（放電体）である比較用電極２５を備えたオゾン発生手段であり、触媒電極式反応器１０と比較用反応器１１のそれぞれが有する電極の特性を比較するために用いられる反応器である。比較用反応器１１は、図８、９に示すように、触媒電極式反応器１０と同じく円筒状の誘電体１４と、当該円筒状の誘電体１４に対して同軸かつ前記誘電体１４の外周面に対して所定間隔の隙間Ｓ´（図１１参照）を有するように外側に配置した円筒状の比較用電極２５と、を備える。
比較用反応器１１が有する円筒状の比較用電極２５は、触媒電極式反応器１０が有する電極１５とは異なり、図９に示すように、当該円筒状の比較用電極２５における前記誘電体１４外周面に対向する面に複数の突起及び触媒金属を有さない従来型のステンレス製電極である。すなわち、比較用電極２５における前記誘電体１４外周面に対向する面は、起伏を有さない滑らかな内壁面となっている。円筒状の比較用電極２５の内径は、誘電体１４の直径よりも大径となっている。
なお、比較用反応器１１において比較用電極２５以外の他の構成部分は、触媒電極式反応器１０と同様であり、説明は省略する。
【００２９】
こうして、前記円筒状の電極２５を同軸（同心）かつ前記誘電体１４の外周面に対して所定間隔の隙間Ｓ´を有するように配置することで、放電を行うための円筒状の空間（放電ギャップ）である隙間Ｓ´を形成することができる。酸素供給手段２は、当該隙間Ｓ´に連通する前記酸素ガス供給管９を介して所定流量の酸素を隙間Ｓ´に対して供給することができる。
【００３０】
また、比較用反応器１１の下流側には、当該比較用反応器１１で生成されたオゾンガス等を排出するため二方の分岐管であるオゾンガス排出管１３の他方が接続されており、この分岐管が分岐する部分には切換バルブ１３ａが設けられており、オゾンガス排出管１３の他端はオゾン濃度計５に接続されている。つまり、この切換バルブ１３ａを操作することで、オゾンガス排出管１３を介して前記触媒電極式反応器１０もしくは前記比較用反応器１１のどちらか一方とオゾン濃度計５とを接続することが可能であり、接続されたどちらか一方の反応器から送られてくる排出ガスをオゾン濃度計５の計測部５ａに導入してオゾン濃度を測定し、当該計測部５ａにて計測されたオゾン濃度をオゾン濃度計５の表示部５ｂにて表示することが可能である。
【００３１】
つまり、オゾン発生器３においては、触媒電極式反応器１０か比較用反応器１１のどちらかを選択して、触媒電極式反応器１０が有する電極１５と誘電体１４とにより形成される隙間Ｓ、もしくは比較用反応器１１が有する比較用電極２５と誘電体１４とにより形成される隙間Ｓ´に対して酸素が供給され、酸素に対して放電を行うことでオゾンを生成することが可能となる。また、生成したオゾンガスは、前記オゾンガス排出管１３を介してオゾン濃度計５に送られ、オゾン濃度の測定が行われる。
【００３２】
また、オゾン発生器３は、図１に示すように触媒電極式反応器１０及び比較用反応器１１を冷却するための冷却手段４を具備する。
【００３３】
冷却手段４は、冷却水供給装置（図示せず）、冷却水導入管４ａ、循環配管４ｂ及び冷却水排出管４ｃを備える。これにより、冷却水は、冷却水供給装置により冷却水入口（ストップバルブ）から供給され、冷却水導入管４ａを介して触媒電極式反応器１０内を通過し、触媒電極式反応器１０下流側から循環配管４ｂを介して比較用反応器１１上流側へと循環し、当該比較用反応器１１内を通過し、比較用反応器１１下流側に接続された冷却水排出管４ｃを介して冷却水出口（ストップバルブ）から排出され、排出された冷却水は冷却供給装置に回収されるようになっており、オゾン発生器３（触媒電極式反応器１０、比較用反応器１１）の温度を調節することが可能となっている。また、オゾン発生器３には、該オゾン発生器３内の電極１５、２５に電圧を印加するための電源６がインバータ１７を介して接続されている。電源６は、触媒電極式反応器１０、比較用反応器１１の各電極１５、２５に対して所定の電力を投入可能であり、投入電力を適宜所定値に設定可能である。
【００３４】
このように試験装置１を構成することにより、オゾン発生器３内の触媒電極式反応器１０によりオゾンを発生させる場合は、触媒電極式反応器１０に酸素を供給して生成後のオゾンを排出するために切換バルブ９ａ・１３ａを触媒電極式反応器１０に連通する側に操作して、酸素ガスボンベから高純度の酸素ガスを、ガス流量制御装置８により酸素ガス供給管９に流し、触媒電極式反応器１０の隙間Ｓへと導入する。そして、該触媒電極式反応器１０の隙間Ｓに導入された酸素ガスに対して、所定の投入電力に応じて電極１５により放電が行われて所定量のオゾンガスが生成する。該オゾンガスは、オゾンガス排出管１３からオゾン濃度計５に導入されて、オゾン濃度の測定が行われる。
【００３５】
一方、オゾン発生器３内の比較用反応器１１によりオゾンを発生させる場合は、比較用反応器１１に酸素を供給して生成後のオゾンを排出するために切換バルブ９ａ・１３ａを比較用反応器１１に連通する側に操作して、酸素ガスボンベから高純度の酸素ガスを、ガス流量制御装置８により酸素ガス供給管９に流し、比較用反応器１１の円筒状空間である隙間Ｓ´へと導入する。そして、該比較用反応器１１の隙間Ｓ´に導入された酸素ガスに対して、所定の投入電力に応じて比較用電極２５により放電が行われて所定量のオゾンガスが生成する。該オゾンガスは、オゾンガス排出管１３からオゾン濃度計５に導入されて、オゾン濃度の測定が行われる。
【００３６】
つまり、本実施形態に係る試験装置１では、電極形態の違いによるオゾン発生効率を比較するために異なる電極を有する反応器を併設した構成となっている。そして、試験装置１は、切換バルブ９ａ・１３ａの操作を行うことで、ひとつの酸素供給手段２、ひとつのオゾン濃度計５により、電極の違いによるオゾン濃度の比較を行うことが可能であり、触媒電極式反応器１０（電極１５）と比較用反応器１１（電極２５）とを同一の試験条件にてオゾン発生効率の比較のための試験測定が行えるように構成されている。
なお、本実施形態に係る試験装置１は、電極形態の違いによるオゾン発生効率の比較試験を行うために異なる電極を有する反応器を併設して構成したものであり、当然ながら、効率的にオゾンを発生させるためのオゾン発生装置の構成として、比較用反応器１１を備える必要はない。
以下に、触媒電極式反応器１０（電極１５）もしくは比較用反応器１１（電極２５）を適用してオゾンを発生させ、各オゾン濃度を測定した試験結果を実施例として示す。
【実施例】
【００３７】
次に、本実施形態の試験装置１における触媒電極式反応器１０と比較用反応器１１の各反応器によりオゾン発生を行い、各反応器における投入電力に対するオゾン濃度及びオゾン製造効率を測定した。
【００３８】
まずは、オゾン発生器３の比較用反応器１１に供給した酸素に対して放電を行って、オゾンを発生させた。こうして、比較用反応器１１適用時における投入電力に対するオゾン濃度を測定した（図１２参照）。
図１２は、比較用反応器１１への酸素供給量を変えて各投入電力（１００〜１８０Ｗ）におけるオゾン濃度（ｇ／Ｎｍ３）を測定し、プロットしたものである（図１２上に示す酸素供給量は、◇：０．５ｌ／ｍｉｎ、□：１．０ｌ／ｍｉｎ、△：２．５ｌ／ｍｉｎ、○：５．０ｌ／ｍｉｎである。）。
図１２において、横軸は投入電力（Ｗ）であり、縦軸はオゾン濃度（ｇ／Ｎｍ３）を示す。
また、図１２に示すオゾン濃度変化に基づき、消費電力量あたりのオゾン発生量（製造量）であるオゾン製造効率変化を求めた（図１３参照）。
図１３は、比較用反応器１１への酸素供給量を変えて各投入電力（１００〜１８０Ｗ）におけるオゾン製造効率（ｇ／ｋＷｈ）を取得し、プロットしたものである（図１３上に示す酸素供給量は、◇：０．５ｌ／ｍｉｎ、□：１．０ｌ／ｍｉｎ、△：２．５ｌ／ｍｉｎ、○：５．０ｌ／ｍｉｎである。）。
図１３において、横軸は投入電力（Ｗ）であり、縦軸はオゾン製造効率（ｇ／ｋＷｈ）を示す。
【００３９】
次に、オゾン発生器３の触媒電極式反応器１０に供給した酸素に対して放電を行って、オゾンを発生させた。こうして、触媒電極式反応器１０への投入電力に対するオゾン濃度を測定した（図１４参照）。
図１４は、触媒電極式反応器１０への酸素供給量を変えて各投入電力（１００〜１６０Ｗ）におけるオゾン濃度を測定し、プロットしたものである（図１４上に示す酸素供給量は、◇：０．５ｌ／ｍｉｎ、□：１．０ｌ／ｍｉｎ、■：２．０ｌ／ｍｉｎ、△：２．５ｌ／ｍｉｎ、○：５．０ｌ／ｍｉｎである。）。
図１４において、横軸は投入電力（Ｗ）であり、縦軸はオゾン濃度（ｇ／Ｎｍ３）を示す。
また、図１４に示すオゾン濃度変化に基づき、消費電力量あたりのオゾン発生量であるオゾン製造効率変化を求めた（図１５参照）。
図１５は、触媒電極式反応器１０への酸素供給量を変えて各投入電力（１００〜１６０Ｗ）におけるオゾン製造効率（ｇ／ｋＷｈ）を取得し、プロットしたものである（図１５上に示す酸素供給量は、◇：０．５ｌ／ｍｉｎ、□：１．０ｌ／ｍｉｎ、■：２．０ｌ／ｍｉｎ、△：２．５ｌ／ｍｉｎ、○：５．０ｌ／ｍｉｎである。）。
図１５において、横軸は投入電力（Ｗ）であり、縦軸はオゾン製造効率（ｇ／ｋＷｈ）を示す。
以下に、触媒電極式反応器１０（電極１５）適用時のオゾン濃度変化及びオゾン製造効率変化と、比較用反応器１１（電極２５）適用時のオゾン濃度変化及びオゾン製造効率変化とを比較した結果について説明する。
【００４０】
結果としては、触媒電極式反応器１０と比較用反応器１１、すなわち電極１５と比較用電極２５をそれぞれオゾンを発生させる際に適用した場合の投入電力毎のオゾン濃度及びオゾン製造効率をそれぞれ比較すると、オゾン濃度変化（図１２、図１４参照）において投入電力が１００Ｗの時では、比較用反応器１１（電極２５）に比べて触媒電極式反応器１０（電極１５）の方が各酸素供給量におけるオゾン濃度が上昇しており、これは電極１５の方が高効率にオゾンを発生させているといえる。また、オゾン製造効率（図１３、図１５参照）を比較すると各投入電力において比較用反応器１１（電極２５）の場合よりも触媒電極式反応器１０（電極１５）の方がオゾン製造効率が明らかに向上していることがわかる（投入電力１００Ｗ時においては、およそ２倍程度）。これは、円筒状電極の内壁面に複数の突起１６を形成するとともにアンチモンを被膜した電極１５を適用したことで、同じ投入電力において多くのオゾンが発生したものと考えられる。この結果から電極１５を適用することにより、同軸円筒型オゾン発生器の基本設計は変えることなく、電極形態を変更するだけで容易にオゾン発生効率を向上させることができるオゾン発生方法及びオゾン発生装置を提供することが可能となる。
【００４１】
つまり、本実施形態に係る試験装置１（触媒電極式反応器１０）は、円筒状の誘電体１４と、当該円筒状の誘電体１４に対して同軸かつ前記誘電体１４の外周面に対して突起１６が接触するように外側に配置した円筒状の電極１５と、を備え、前記誘電体１４に前記電極１５を挿通して配置することで形成される前記隙間Ｓに酸素を供給し、前記電極１５を放電させることによってオゾンを発生させるオゾン発生装置であって、前記円筒状の電極１５内の前記誘電体１４と対向する面に複数の突起１６を形成するとともに触媒金属であるアンチモンを被膜したものである。このように、前記電極１５における前記誘電体１４外周面に対向する面に複数の突起１６を形成するとともに触媒金属であるアンチモンを被膜することで、触媒金属であるアンチモン被膜が剥がれることを防止するとともに放電箇所が突起１６に特定されることでオゾン発生効率を向上させることができる。
【００４２】
また、本実施形態に係る触媒電極式反応器１０が有する電極１５は、その内壁面に突起１６を有することにより、電極１５における誘電体１４に対する対向面（放電面）上において、放電点を限定した範囲に収めることが可能となる。すなわち、電極１５における放電点は誘電体１４側により近接する部分である突起１６の頂点付近の範囲に限定される。これにより放電箇所は突起１６近傍となり、この放電箇所の放電により酸素分子から酸素原子を生成し、当該酸素原子は供給される酸素分子と結合してオゾンが生成されるのである。つまり、従来から用いられている円筒状電極である比較用電極２５は、放電箇所とオゾン発生箇所が混在化するのに対し、電極１５では、当該電極１５の放電面上（誘電体１４の対向面上）に突起１６を設ける電極形態としたことで放電箇所を特定し、放電箇所とオゾン発生箇所とを混在化せず分離したことがオゾン発生効率の向上に寄与したものと考えられる。
【００４３】
また、本実施形態に係る触媒電極式反応器１０が有する電極１５は、当該電極１５の放電面上（誘電体１４の対向面上）に突起１６を設けることで、電極ベース金属に対する触媒金属の密着性を向上させることができるため（突起１６を設けることで、表面積を増やすことによる密着性の向上、いわゆる、アンカー効果が得られるため）、真空蒸着により被膜した触媒金属であるアンチモンが剥がれることを防止できる。
【００４４】
本実施形態に係る電極１５は、その内壁面に複数の突起１６を有するとともに、内壁面上にオゾン生成を促進する触媒金属の一例であるアンチモンを蒸着薄膜として有しており、当該アンチモン蒸着膜に放電を行った酸素ガスを接触させることにより、オゾンの生成を促進するものである。酸素原料によるオゾンの生成において、電極を本実施形態に係るアンチモン被膜を有する電極１５に変更するだけで触媒として窒素を純酸素に添加する必要がなくなり、窒素ガスや供給ガスに窒素を混合するための窒素混合装置を省略できるとともにオゾン発生効率を高めることができ、かつ窒素酸化物（ＮＯｘ）を含まないオゾンを高効率で生産できる。
【符号の説明】
【００４５】
１ 触媒電極式オゾン発生試験装置
１４ 誘電体
１５ 触媒電極
１６ 突起
Ｓ 隙間
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状の誘電体と、
当該円筒状の誘電体に対して同軸かつ前記誘電体外周面に対して所定間隔の隙間を有するように外側に配置した円筒状の電極と、を用いて、
前記隙間に酸素を供給し、前記電極を放電させることによってオゾンを発生させるオゾン発生方法であって、
前記円筒状の電極における前記誘電体外周面に対向する面に複数の突起を形成するとともに触媒金属を被膜したことを特徴とする同軸円筒型触媒電極によるオゾン発生方法。
【請求項２】
円筒状の誘電体と、
当該円筒状の誘電体に対して同軸かつ前記誘電体外周面に対して所定間隔の隙間を有するように外側に配置した円筒状の電極と、を備え、
前記隙間に酸素を供給し、前記電極を放電させることによってオゾンを発生させるオゾン発生装置であって、
前記円筒状の電極における前記誘電体外周面に対向する面に複数の突起を形成するとともに触媒金属を被膜したことを特徴とする同軸円筒型触媒電極によるオゾン発生装置。
【請求項１】
円筒状の誘電体と、
当該円筒状の誘電体に対して同軸かつ前記誘電体外周面に対して所定間隔の隙間を有するように外側に配置した円筒状の電極と、を用いて、
前記隙間に酸素を供給し、前記電極を放電させることによってオゾンを発生させるオゾン発生方法であって、
前記円筒状の電極における前記誘電体外周面に対向する面に複数の突起を形成するとともに触媒金属を被膜したことを特徴とする同軸円筒型触媒電極によるオゾン発生方法。
【請求項２】
円筒状の誘電体と、
当該円筒状の誘電体に対して同軸かつ前記誘電体外周面に対して所定間隔の隙間を有するように外側に配置した円筒状の電極と、を備え、
前記隙間に酸素を供給し、前記電極を放電させることによってオゾンを発生させるオゾン発生装置であって、
前記円筒状の電極における前記誘電体外周面に対向する面に複数の突起を形成するとともに触媒金属を被膜したことを特徴とする同軸円筒型触媒電極によるオゾン発生装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１１−１０５５７７（Ｐ２０１１−１０５５７７Ａ）
【公開日】平成２３年６月２日（２０１１．６．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２６５５９６（Ｐ２００９−２６５５９６）
【出願日】平成２１年１１月２０日（２００９．１１．２０）
【出願人】（０００１５６９３８）関西電力株式会社 (1,442)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月２日（２０１１．６．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月２０日（２００９．１１．２０）
【出願人】（０００１５６９３８）関西電力株式会社 (1,442)
【Ｆターム（参考）】
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