過酸化水素製造装置並びにそれを用いた空調機、空気清浄機および加湿器
【課題】 水と酸素含有ガスを用いて安定した状態で過酸化水素を製造できる過酸化水素製造装置並びにそれを用いた空気清浄機および加湿器を得ることを目的としている。
【解決手段】 水素イオン伝導性を有する電解質膜２と電解質膜２の第１の面に接して配置された陽極電極３と電解質膜の第２の面に接して配置された陰極電極４とにより構成される電解セル１と、陽極電極３に水を供給する手段９と、陰極電極４に酸素と水とを陰極に交互に供給する切替手段１３と、陽極電極３と陰極電極４との間に直流電圧を印加する電源１６とを備えたもので、過酸化水素を効率良く製造できる。
【解決手段】 水素イオン伝導性を有する電解質膜２と電解質膜２の第１の面に接して配置された陽極電極３と電解質膜の第２の面に接して配置された陰極電極４とにより構成される電解セル１と、陽極電極３に水を供給する手段９と、陰極電極４に酸素と水とを陰極に交互に供給する切替手段１３と、陽極電極３と陰極電極４との間に直流電圧を印加する電源１６とを備えたもので、過酸化水素を効率良く製造できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば酸素を含むガスと水から電気化学的に過酸化水素を製造する装置並びにそれを用いた空調機、空気清浄機及び加湿器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、過酸化水素は漂白、酸化作用を有しており、食品、医薬品を始め工業用に広く使用されている。また、殺菌効果や滅菌効果にも注目されており、家庭用電化製品においても、その殺菌性や防黴性を利用して、清潔で快適な環境を作るため、洗濯機、空気清浄機等への応用が期待されている。従来、過酸化水素はイオン交換膜を利用して電気化学反応にて製造されている。例えば、特許文献１の発明による過酸化水素製造装置では、電解槽に貯留された電解質溶液に少なくとも一対の電極の一部を浸漬し、電気化学的処理によって電解質溶液中に過酸化水素を生成している。過酸化水素が発生する電極側の電極材料にＴａ、Ｐｔなどを含む材料を用いることにより、酸素還元が効率的に進行し、過酸化水素を製造することができる。
また、特許文献２の発明による過酸化水素製造装置においては、親水性の多孔質層の片面にガス透過性の電極物質層を形成し、他面にイオン交換膜を密着形成したものがある。電解生成物は親水性多孔質層を介して排出しているため、過酸化水素が発生する電極への酸素ガス供給が円滑に行うことができる。これにより、効率良く過酸化水素を製造することができる。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１４６３４４号公報
【特許文献２】特許第３６２５６３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の過酸化水素製造装置においては、水と酸素含有ガスを用いて過酸化水素発生を行う場合には、陰極上の水が酸素の拡散を阻害するため、充分な過酸化水素の生成特性が得られないという問題点があった。
【０００５】
本発明は、上述のような問題点を解決するためになされたものであり、水と酸素含有ガスを用いて過酸化水素を効率良く生成できる過酸化水素製造装置を得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明に係る過酸化水素製造装置は、水素イオン伝導性を有する電解質膜とこの電解質膜の第１の面に接して配置された陽極電極と電解質膜の第２の面に接して配置された陰極電極とにより構成される電解セルと、陽極電極に水を供給する手段と、陰極電極に酸素含有ガスと水とを交互に供給する気液切替手段と、陽極電極と陰極電極との間に直流電圧を印加する電源とを備えたことを特徴とする。
【０００７】
本発明によれば、酸素含有ガスと水を間欠的に供給することにより陰極電極に十分な量の酸素を供給拡散させることが可能になり、効率良く過酸化水素を生成できる。
【０００８】
請求項６の構成では、過酸化水素製造装置において製造される過酸化水素を用いて熱交換器を洗浄する機能を有する空調機であることを特徴とする。
【０００９】
請求項７の構成では、過酸化水素製造装置において製造される過酸化水素を用いて空気除菌する機能を有する空気清浄機であることを特徴とする。
【００１０】
請求項８の構成では、過酸化水素製造装置において製造される過酸化水素を用いて加湿素子を洗浄する機能を有する加湿器であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、陰極に酸素と水とを交互に供給する切替え手段を有するので、陰極における酸素と水素イオンとの接触確率が高まり、過酸化水素の生成効率が上がるといった従来にない顕著な効果を奏するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態に係る過酸化水素製造装置について説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における過酸化水素製造装置を示す概略断面図である。図２は電解セル部の概略断面図を示す。
図１に示すように、過酸化水素製造装置の電解セル１は、水素イオン伝導性を有する電解質膜である高分子電解質膜２、この高分子電解質膜２の一方の面に接するように配設される陽極電極３、高分子電解質膜２の他方の面に接するように配設される陰極電極４で構成されており、さらに陽極電極３には陽極端子５、陰極電極４には陰極端子６が取付けられており、高分子電解質膜２、陽極電極３および陰極電極４はＯリング８により固定、密閉されてフランジ７a、７ｂに収められている。電解セル１の陽極側フランジ７aには陽極給水口９と陽極排出口１０が、陰極側フランジ７ｂには陰極給入口１１と過酸化水素水取出口１２が設けられ、陰極給入口１１には気液切替手段としての気液切替器１３を介して、酸素含有ガス供給口１４および陰極給水口１５がそれぞれ設けられ、また、電解セル１には陽極端子５、陰極端子６を介して直流電源１６が接続されている。
【００１３】
まず、図１と図２を用いて過酸化水素製造装置と電解セルの具体的な材料構成と作製方法について説明する。図２に示すように、電解セル１は高分子電解質膜２を、陽極電極３と炭素繊維４ａと触媒混合層４ｂとからなる陰極電極４とで挟み込んだ構造をしている。
【００１４】
陽極電極３は、基材と水の酸化反応を促進する酸化触媒から構成されている。基材としては、チタン（Ｔｉ）金属繊維の焼結体（繊維径２０μｍ、長さ５０〜１００ｍｍの単繊維を織り込んで焼結体としたもの）からなる密度２００ｇ／ｃｍ２の布（半径５０ｍｍ、厚み３００μｍ）や、チタン製の網目構造を持つエキスパンドメタルを用いる。基材の高分子電解質膜２に接する面に触媒となる白金（Ｐｔ）または、酸化イリジウム（ＩｒＯ２）を０．２５〜２ｍｇ／ｃｍ２の密度でめっきすることにより陽極電極３を形成する。水の酸化反応は、基材上に形成された酸化触媒と高分子電解質膜２の界面でのみ進行するので、基材としてエキスパンドメタルを用いる場合には、網目の密度が電解性能に影響する。具体的には、１インチあたり１０個以上の穴が開いたエキスパンドメタルを用いることが好ましい。
【００１５】
陰極電極４は、炭素系基材と酸素の還元反応を促進する還元触媒から構成されている。炭素系基材としては、半径５０ｍｍ、厚さ２００μｍの炭素繊維４ａ（繊維径約５〜５０μｍ、空隙率５０〜８０％）を用いる。炭素繊維４ａは、撥水化処理されている。例えば、フッ素ガスで処理され（室温、Ｆ２分圧：５０Ｔｏｒｒ）、表面官能基がＣ−Ｆ結合に置換されている。この炭素繊維４ａの高分子電解質膜２に接する面に、炭素粒子１７と高分子電解質粒子１８を混合した還元触媒層４ｂを形成する。具体的には、カーボン粉末と高分子電解質（パーフルオロスルホン酸）を分散した溶液を重量比で１０：１〜１：１０の割合で混合し、炭素繊維４ａ上に３０〜５００μｍの厚さに塗布した後、５０℃、真空下で乾燥させている。
【００１６】
フランジ７ａ、７ｂは、アクリル樹脂などの絶縁材料からなり、陽極端子５、陰極端子６により電解セル１を、面圧０．２×１０４〜１×１０４Ｐａで締め付けている。
陽極側のフランジ７ａには、陽極電極３に水を取り込むため凹部が設けられている。陰極側のフランジ７ｂには、フランジ７ａと同様、陰極電極４に水とガスを取り込むため凹部が設けられている。
【００１７】
陽極端子５、陰極端子６は、円状の平板（半径１ｃｍ、厚み２ｍｍ）に細い棒（外径２ｍｍ、長さ１５ｍｍ）を円板の中央から円板に垂直に溶接したもので、材料はチタン（Ｔｉ）からできている。電解セル１との接触面での腐食を防止するために、０．１〜３μｍ程度の厚みで白金（Ｐｔ）めっきすることが好ましい。また、比較的低コストで電極端子を作製する必要がある場合には、同様な形状に加工したカーボン板を用いてもよい。フランジ７ｂと陰極電極４の間隔ｄは０．０５ｍｍ〜５０ｍｍの範囲であればよい。
【００１８】
次に、実施の形態１の過酸化水素製造装置を用いた過酸化水素製造方法の動作原理について、図１および図２を参照して説明する。
直流電源１６により、陽極端子５と陰極端子６の間に連続的もしくは断続的に直流電圧を印加しながら電解セル１で電気化学反応をさせる。まず、フランジ７aの陽極給水口９から供給された水は、陽極電極３を通過して高分子電解質膜２に接触する。そして、水は高分子電解質膜２に吸収され、高分子電解質膜２内を拡散し、高分子電解質膜２で水が保持される。陽極電極３では、供給された水が反応式（１）で示すように酸素（Ｏ２ ）と水素イオン（Ｈ＋）とに分けられる。直流電源１６により電圧を印加すると、電流が流れ、陽極電極３の表面から酸素が発生する。
陽極： ２Ｈ２Ｏ → Ｏ２＋ ４Ｈ＋ ＋ ４ｅ− （１）
【００１９】
高分子電解質膜２は、気体を透過せず、電気絶縁性があり、水および水素イオン（Ｈ＋）のみを伝導する材質、例えば、パーフルオロスルホン酸膜でできており、陰極側フランジ７ｂに繋がる酸素含有ガス供給口１４および陰極給水口１５から、空気などの酸素（Ｏ２ ）を含有するガスおよび水（Ｈ２Ｏ）が供給されると、陰極電極４上で高分子電解質膜２との界面に達した陽極電極３から伝導した水素イオン（Ｈ＋）、および水素イオン（Ｈ＋）に起因する還元性物質と酸素ガス（Ｏ２ ）が反応し、反応式（２）で示す還元反応によって過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）が発生する。この過酸化水素を含む水溶液は、過酸化水素水取出口１２から取り出される。
高分子電解質膜２の水素イオン伝導度は、膜中の相対湿度すなわち水の量に比例して大きくなる。高分子電解質膜２が、パーフルオロスルホン酸膜の場合では、２０℃において、相対湿度２０％では１０−４Ｓｃｍ−１、４０％では２×１０−３Ｓｃｍ−１、６０％では１０−２Ｓｃｍ−１と大きく変化する。
陰極： Ｏ２ ＋ ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ− → Ｈ２Ｏ２ （２）
また、陰極電極４では、酸素（Ｏ２ ）が更に還元されて水（Ｈ２Ｏ）が生成する反応式（３）と水素イオン（Ｈ＋）が直接還元されて、水素（Ｈ２）が発生する反応式（４）も進行する。
陰極： Ｏ２ ＋ ４Ｈ＋ ＋ ４ｅ− → ２Ｈ２Ｏ （３）
２Ｈ＋ ＋ ２ｅ− → Ｈ２ （４）
【００２０】
さらに、図３を用いて反応の様子を詳しく説明する。高分子電解質膜２に隣接する炭素粒子１７と電解質粒子１８の還元触媒層４ｂにおいて、電解質粒子１８は３次元的に接合しており、陽極側で発生した水素イオン（Ｈ＋）が高分子電解質膜２を透過して伝達する。そして、陰極側から供給された酸素（Ｏ２ ）は、炭素粒子１７と電解質粒子１８の界面１９（黒点で示す部分）において電子を受けとり、過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）を生成する電気化学反応が進行する。本発明においては、反応式（２）で示すように酸素を水素イオンによって電気化学的に還元することを目的としているため、還元触媒層４ｂが水で被覆されてしまうと酸素の供給速度が激減し、過酸化水素の生成能力が低下する。水中とガス中における酸素の拡散係数は、それぞれ１．６ｘ１０−９（ｍ２／ｓ）、１ｘ１０−５（ｍ２／ｓ）程度であることから、陰極電極４の表面が水で覆われた場合には、酸素の供給速度が１／１００００に低下し、その結果、反応式（２）はほとんど進行しなくなる。
また、中性の水を用いた場合にも、反応式（３）および（４）が進行しやすいため、過酸化水素の生成効率が低下する原因ともなる。
【００２１】
本発明者らは、酸素と水を同時に電解セル１に供給するのではなく、交互に切り替えて供給することにより陰極電極４への酸素の供給速度を飛躍的に高めることができることを見出した。これにより、過酸化水素の生成効率を向上することができる。また、電極の性質として、親水性の材料よりも、撥水性の材料の方が酸素と水素イオンとの接触を高められることを確認している。従来は、親水性材料を用いれば生成物を効率的に生成できると考えられていたが、実際は親水性材料ではその表面が水で被覆されやすく、過酸化水素が発生する部位である高分子電解質膜２と陰極電極４と空気相の三つの異なる相の界面１９が水によって被覆されてしまうため効率が低下する。
【００２２】
水の供給方法としては、窒素などの不活性ガスを温水に通気して水分を電極に吹き付ける方法、超音波（１ｋＨｚ 〜２ＭＨｚ）振動を用いて水を直径数μｍ程度の水滴に微細化し、不活性ガスで霧状の水滴を同伴する方法、大気中に存在する水分を電子冷却器や冷媒を連続的に流通して表面を５℃〜３０℃に制御したアルミニウム（Ａｌ）板などによって強制冷却して結露した水を滴下する方法、液体状の水を直接供給する方法などがある。そして、水供給量及び供給方法は、必要とする過酸化水素の生成量に対応して決める。
陽極側に供給する水にカルシウム（Ｃａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カリウム（Ｋ）などの金属イオンに起因する陽イオンが含まれていると、高分子電解質膜２の内部の水素イオンが陽イオンに置換されるため水素イオン伝導速度が著しく低下するので、液体状の水を直接供給する場合も微細化した水を供給する場合にも、イオン交換水または超純水を用いる方が好ましい。水道水であれば、カルキ、トリハロメタンなどをフィルタで除去した水であって、電気伝導度が５μＳｃｍ−１以下であれば使用することができる。
【００２３】
陽極電極３と陰極電極４との間に印加した電圧の一部は接触抵抗や高分子電解質膜２でジュール熱として失われ、高分子電解質膜２や陽極電極３、陰極電極４の温度を上昇させる。温度上昇が著しい場合には、高分子電解質膜２が変質したり、変形して陽極電極３や陰極電極４と高分子電解質膜２の剥がれが発生したりするので望ましくない。そこで、電圧を断続的にＯＮ、ＯＦＦすることにより発熱を抑制することができる。具体的には、１〜３０分間隔で、ＯＦＦの時間を１とするとＯＮの時間を０．２〜５倍程度で操作することが望ましい。
また、パルス状の電圧印加によって水素イオンにのみにエネルギーを与えることで熱による損失を抑制することができる。このような場合には、１μｓｅｃ〜１０ｍｓｅｃ程度のパルス状の電圧を連続的に印加してＯＮ、ＯＦＦを行うことが好ましい。
【００２４】
次に、本発明の主な特徴である気液切替手段について詳細に説明する。気液切替手段である気液切替器１３は、酸素含有ガスと水を交互に流すことができ、酸素含有ガスの供給と水の供給との気液供給時間比（＝ガス供給時間／水供給時間）を制御することができる。酸素含有ガスと水の供給量を制御すれば、陰極電極４表面にあらゆる比率の酸素ガスと水の混合流体を形成することができる。気液切替器１３としては、例えば、マニホールド・バルブ、ダイヤフラム・シール・バルブ、ベローズ・シール・バルブ、ボールバルブなどを用いることができる。酸素含有ガスと水の気液供給時間比は、０．１〜５０の範囲であればよく、さらに望ましくは２〜２５に設定すれば効果が得られる。酸素含有ガスと水の供給時間の１サイクルは、１ｓｅｃから１時間の範囲であれば効果が期待できる。気液供給時間比は陰極に供給される水分量に依存するため、ガス流量、水流量、陰極電極４の撥水性によって上記範囲内での最適値が決定される。なぜなら、過酸化水素の生成能力は、供給される酸素含有ガスにおける酸素の量、水の量に依存するが、電極に対する酸素ガスおよび水の接触時間は流量に依存せず、それぞれの供給時間のみに依存するからである。
【００２５】
気液切替器１３は、単に陰極電極４とフランジ７ｂとの間に水または酸素含有ガスを供給するものではなく、陰極電極４を通過する単位時間、単位面積あたりの水および酸素の移動速度を制御する働きがある。例えば、導入する流体の線流速を増大したり、流体に物理的なエネルギーを与えたりして、水および酸素の陰極電極４表面への移動速度を増大させる。必ずしも、酸素含有ガスと水の気液供給時間比や１サイクル時間は一定である必要はなく、運転中変更してもよい。
【００２６】
実施の形態１では、高分子電解質膜２として、パーフルオロスルホン酸膜を使用する場合について述べたが、気体を透過せず、電気絶縁性があり、水分および水素イオンのみを伝導する材料であればよく、他にポリベンゾイミダゾール系イオン交換膜、ポリベンズオキサゾール系イオン交換膜、ポリアリーレンエーテル系イオン交換膜なども用いることができ、このとき高分子電解質膜２中に含まれる水の分子数に対して約２〜６倍のリン酸分子を添加すると水素イオン伝導性が高まり、過酸化水素の生成効率を改善できる。
また、陰極の炭素系基材として、炭素繊維以外にも、カーボンナノファイバ（太さ１０〜１００ｎｍ）、黒鉛または層間にアルカリ金属を挿入した黒鉛、単層または多層のカーボンナノチューブ（太さ１０ｎｍ以下）、繊維状活性炭または粒子状活性炭を用いることができる。
【００２７】
なお、フランジ７ａ、７ｂの材質は機械的強度を高めるためにカーボン、ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３０４など）を用いてもよい。また、フランジ７ａ、７ｂの材質に導電性を有するのものを用い、フランジ７ａ、７ｂ自体を陽極端子５、陰極端子６と一体の部材として利用し通電させてもよい。さらに、腐食を抑制するために、フランジ７ａ、７ｂの表面に０．０１〜４μｍ程度の厚みの白金（Ｐｔ）めっき、もしくはチタン（Ｔｉ）めっきを行ってもよい。
【００２８】
このように、実施の形態１の過酸化水素製造装置によると、酸素と水を交互に陰極へ導入する切替え手段を有するので、陰極電極表面を水が覆ってしまうことがなく、陰極における酸素と水素イオンとの接触確率を高めることができ、過酸化水素の生成効率が改善されるといった従来にない顕著な効果を得ることができる。
【００２９】
〔実施例１〕
実施の形態１の過酸化水素製造装置を用いた実施例１による過酸化水素生成特性の測定結果について述べる。過酸化水素製造装置全体については、図１に示すものを、電解セルについては図２に示すものを使用した。
電解セル１を構成する材料としては、陽極電極４の基材は、チタン製エキスパンドメタル（１インチ平方あたりのメッシュ数８０、線径０．１ｍｍ）、酸化触媒は酸化イリジウム（担持密度０．６ｍｇ／ｃｍ２、無電解めっきで形成）を用いた。陰極電極４は、炭素繊維（繊維径１０μｍ、空隙率７０％）を基材としてその上に、炭素粉末と高分子電解質（パーフルオロスルホン酸）粉末を分散した溶液を重量比で１：３の割合で混合し、５０〜４００μｍ厚で塗布した後、５０℃、真空下で乾燥して還元触媒層４ｂを形成した。高分子電解質膜２はパーフルオロスルホン酸である。
【００３０】
過酸化水素生成条件としては、印加電圧が２．０〜２．２Ｖ、温度が２５℃、供給する酸素ガス流量が１０〜５０ｃｃ／ｍｉｎ、陽極電極３と陰極電極４の面積が１９ｃｍ２、フランジ７ｂと陰極電極４の間の間隔ｄが３ｍｍである。気液切替器１３による気液供給時間比は４、酸素含有ガスと水の供給時間の１サイクルは１５ｍｉｎに設定した。陽極電極３には空気中から冷却によって水分を回収する状況を想定して、常温のイオン交換水を５ｃｃ／ｈｒの速度で供給した。また、陰極電極４の近傍に１００ｃｃのガラスビーカ（図示せず）を設置し、１０ｃｃの常温のイオン交換水を入れて、陰極電極４へ５０ｃｃ／ｈｒの速度で導入した。陰極から排出された過酸化水素水をガラスビーカへ戻し、水をガラスビーカと陰極電極４との間を循環させた。つまり、陰極電極４の表面で発生した過酸化水素はガラスビーカと陰極電極４の間を循環する水に徐々に蓄積していく。過酸化水素濃度の経時変化はガラスビーカの一部に紫外線吸光光度計（図示せず）を取付けて測定した。
【００３１】
図４に実施例１での過酸化水素濃度の時間変化を実線Ａで示す。比較のために図１において気液切替器１３を取り外し、酸素ガスで飽和した水のみ（酸素ガスなし）を供給した場合を比較例１−１として、図４に一点鎖線Ｂで示す。また、酸素ガス流量１０ｃｃ／ｍｉｎ、水流量５０ｃｃ／ｈｒで同時に酸素ガスと水を供給導入した場合を比較例１−２として、破線Ｃで示す。
実施例１では直流電源ＯＮとともに時間に比例して過酸化水素濃度が増加し、１６００ｍｉｎ後には最大で１６００ｍｇ／Ｌに達した。一旦供給された水は酸素によって瞬時に除去されるため、陰極に対する酸素と水素イオンの接触確率が高まり、過酸化水素の生成効率が維持されるためと考えられる。比較例１−１では，過酸化水素の発生量が非常に小さく、１６００ｍｉｎ後においても５０ｍｇ／Ｌ程度にとどまった。また、比較例１−２では、時間に比例して過酸化水素濃度が増加するが、比較例１の３〜４倍程度で１６００ｍｉｎ後においても、２００ｍｇ／Ｌ程度にとどまった。これは、比較例１−１においては陰極電極４の表面全体、比較例１−２においては陰極電極４の一部が水で覆われるため、電極表面への酸素の供給速度が著しく低下するためと考えられる。
【００３２】
〔実施例２〕
実施の形態１の過酸化水素製造装置を用いて気液供給時間比を変化させた実施例２による過酸化水素生成特性の測定結果について述べる。過酸化水素生成条件としては、印加電圧が２．０〜２．２Ｖ、温度が２５℃、陽極電極３と陰極電極４の面積が１９ｃｍ２、フランジ７ｂと陰極電極４との間隔ｄは３ｍｍである。電解セル１を構成する材料は、実施例１と同じであるので説明を省略する。図５に、気液切替器１３を調節して、酸素を含有するガスと水との気液供給時間比を０．１〜１８０の間で変化させた場合の過酸化水素の発生量を測定した結果を示す。
実施例２−１、２−２、２−３では、酸素のガス流量はそれぞれ３０ｃｃ／ｍｉｎ、１０ｃｃ／ｍｉｎ、５０ｃｃ／ｍｉｎで、水の流量はそれぞれ５０ｃｃ／ｈｒ、２５ｃｃ／ｈｒ、１００ｃｃ／ｈｒで供給した。酸素含有ガスと水の供給時間の１サイクルは、１５ｍｉｎに設定した。気液供給時間比には酸素ガスおよび水の流量の設定条件に係わらず、最適条件が存在する。その結果、過酸化水素の発生速度が０．２ｍｇ／ｍｉｎ以上があれば効果が期待でき、その気液供給時間比は０．１〜５０の間であることが明らかになった。望ましくは、気液供給時間比を２〜２５に設定すれば、過酸化水素の発生速度は０．８ｍｇ／ｍｉｎとさらに大きな効果が期待できる。気液供給時間比が４５よりもガス導入時間が長い場合には、ガス導入に伴って揮発する水分が大きくなり、電解質膜２のイオン伝導性が失われる結果、陰極電極４に供給される水素イオンと酸素の接触確率が低下し、過酸化水素の生成速度が減少したと考えられる。一方、気液供給時間比が０．５よりもガス導入時間が短い場合には、陰極電極４の一部が水で覆われるため、電極表面への酸素の供給速度が著しく低下したためと考えられる。
【００３３】
このように、実施の形態１の過酸化水素製造装置の実施例１、２によると、酸素を含有するガスと水を交互に陰極電極に供給する気液切替手段を有するので、陰極電極に対する酸素と水素イオンの接触確率が向上し、過酸化水素の生成効率が向上するといった従来にない顕著な効果を得ることができる。また、ガスと水との気液供給時間比については、特に２〜２５の間に保持することが望ましい。
【００３４】
実施の形態２．
図６は、本発明の実施の形態２における過酸化水素製造装置の電解セルの構成を示す概略断面図である。次に、実施の形態２における電解セル１の構成について説明する。陰極電極４は、炭素系材料として繊維径約２〜１００μｍ、空隙率５０〜８０％の炭素繊維から成る電極シート４ｃと、この電極シート４ｃの片面に貼り付けられている撥水処理層としてのキャスティングフィルム４ｄ（１５〜３０μｍ厚）と、電極シート４ｃの他の面に貼り付けられている支持体４ｆの３層により構成されている。キャスティングフィルム４ｄは、粒径０．１〜５０μｍのポリテトラフルオロエチレン粒子（ＰＴＦＥ：Ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ）からなるＰＴＦＥディスパージョンとグラファイト粉末からなる混合液を分散した後、乾燥しシート状にしたものである。好ましくはグラファイトを粉砕して微粒化した後、フッ素ガス処理を行ったフッ化グラファイトを用いることが望ましい。電極シート４ｃとキャスティングフィルム４ｄ、電極シート４ｃと支持体４ｆとはそれぞれ熱圧着により接合されている。
【００３５】
ここで、支持体４ｆは導電性の他に十分なガス透過性を有していることが要求される。ガス透過性の不十分な支持体を用いると反応式（４）による水素が発生するため、支持体４ｆとして、予めＰＴＦＥディスパージョンによって撥水処理した黒鉛繊維布を用いている。陰極電極４は高分子電解質膜２に対して、キャスティングフィルム４ｄ面が接するよう貼り付けられている。このようにして作製したガス透過性陰極電極４においては、比較的高い電流密度の電界下においても反応式（４）による水素発生は起こらなかった。なお、以上の熱圧着工程はホットプレスを用い、１５０〜３００℃、圧着時間１〜５分の条件で行った。陽極電極３の材料、構成については、図２の電解セル１と同様であるので、説明を省略する。
【００３６】
このように、陰極電極に還元触媒層として、撥水性を有するキャスティングフィルムを使用しているため陰極電極が水に覆われることがなく持続的に過酸化水素を生成することができるという効果がある。
【００３７】
〔実施例３〕
図７は、図６に示す実施の形態２の電解セルを用いた過酸化水素製造装置の実施例３における過酸化水素生成特性の測定結果を示す。生成条件としては、印加電圧が２．０〜２．２Ｖ、温度が２５℃、導入する酸素ガス流量が１０〜５０ｃｃ／ｍｉｎ、陽極電極３と陰極電極４の面積が１９ｃｍ２、フランジ７ｂと陰極電極４の間の間隔ｄは３ｍｍである。酸素ガス流量は３０ｃｃ／ｍｉｎに、水流量は５０ｃｃ／ｈｒに、気液供給時間比は気液切替器１３を用いて５に設定した。また、陽極電極３には空気中から冷却によって水分を回収する状況を想定して、常温のイオン交換水を５ｃｃ／ｈｒの速度で供給した。陰極電極４から取り出された過酸化水素水に含まれる過酸化水素濃度を紫外線吸光光度計（図示せず）によって測定した。図７に、電極シート４ｃの炭素系基材の違いによる過酸化水素濃度の時間変化を比較した結果を示す。電極シート４ｃは、実施例３Ａ（図７破線Ａ）では活性炭、実施例３Ｂ（図７実線Ｂ）ではカーボンブラック、実施例３Ｃ（図７鎖線Ｃ）では安定化カーボンブラック、実施例３Ｄ（図７一点鎖線Ｄ）では黒鉛を、それぞれ７０〜９０％含む。
【００３８】
ここで、活性炭とは、吸着性の高い大部分が炭素質の炭のことであり、カーボンブラックとは、天然ガスや石油などの炭化水素の熱分解と不完全燃焼の組合せによって得られる微細炭素粉末であり、安定化カーボンブラックとは、熱処理などで安定化して一部が六角形構造を持ったものであり、黒鉛（グラファイトともいう）とは、常圧で安定な炭素系の鉱物名であり、六方晶系の六角形の扁平な結晶を有しており、六角形構造比率（黒鉛化度）や配向性によって分類されるものである。黒鉛、カーボンブラック、安定化カーボンブラックは上記のほかに以下の特徴を持っている。各材料のラマンスペクトルにおける１３４０ｃｍ−１（Ｄ−ｂａｎｄ）付近および１６００ｃｍ−１（Ｇ−ｂａｎｄ）付近の２つのピークに着目すると、天然黒鉛を１とした場合、今回使用した黒鉛は０．６〜１．２、安定化カーボンブラックは０．２〜０．６、カーボンブラックは０．２以下である。
【００３９】
次に、炭素系材料の違いによる過酸化水素の生成特性について述べる。
図７に示すように、電極シート４ｃの材料が、活性炭（実施例３Ａ（図７破線Ａ））の場合は反応開始直後の生成効率も低く、電気化学反応の進行にともない急速に低下した。カーボンブラック（実施例３Ｂ（図７実線Ｂ））は反応開始直後の生成効率は比較的高いが、その後、徐々に低下する傾向を示した。一方、黒鉛系材料（実施例３Ｄ（図７一点鎖線Ｄ））は反応開始直後において最も高い効率を示し、その後、徐々に低下する傾向を示すものの、全般的に比較的高い効率を維持している。活性炭（実施例３Ａ（図７破線Ａ））は、反応式（２）の反応を加速すると共に、過酸化水素の分解反応の触媒ともなり、その原因は炭素表面の含酸素官能基の存在によるとされている。実験において活性炭の生成効率が低く、時間とともに急激に低下するのはこのような理由によるものと考えられる。また、化学的に安定化した黒鉛化カーボンブラック（実施例３Ｃ（図７鎖線Ｃ））の生成効率がカーボンブラックより低いのは、表面酸化処理されており、その表面に含酸素官能基が多い影響を受けた結果と思われる。従って、電極シート４ｃの材料としては、炭素系材料の中でも、黒鉛を使用したものが、過酸化水素の生成能力が優れていることが確認できた。
これらのことから、陰極電極４としてＰＴＦＥ粒子と超微粉末フッ化グラファイトから構成された撥水性を有するキャスティングフィルム４ｄと、特に、黒鉛からなる電極シートとの組合せを利用することにより、酸素と水素イオンの接触確率が増加するため、効率良く過酸化水素を生成することができる。
【００４０】
〔実施例４〕
図６に示す実施の形態２の電解セルを用いた過酸化水素製造装置の実施例４における過酸化水素生成特性の測定結果を図８に示す。図８は、電極シート４ｃのフッ素処理の有無による過酸化水素の生成濃度の時間変化を示すものである。ここで使用した電極シート４ｃの炭素系材料は、安定化カーボンブラックおよび黒鉛である。生成条件としては、印加電圧が２．０〜２．２Ｖ、温度が２５℃、導入する酸素ガス流量が１０〜５０ｃｃ／ｍｉｎ、陽極電極３と陰極電極４の面積が１９ｃｍ２、フランジ７ｂと陰極電極４の間の間隔ｄは３ｍｍである。酸素ガス流量は３０ｃｃ／ｍｉｎに、水流量は５０ｃｃ／ｈｒに、気液供給時間比は気液切替器１３を用いて５に設定した。また、陽極電極３には空気中から冷却によって水分を回収する状況を想定して、常温のイオン交換水を５ｃｃ／ｈｒの速度で供給した。陰極電極４から取り出された過酸化水素水に含まれる過酸化水素濃度は紫外線吸光光度計（図示せず）によって測定した。
【００４１】
電極シート４ｃの作製工程での加熱や汚染の影響を避けるため、フッ素ガス処理はキャスティングフィルム４ｄおよび支持体４ｆを電極シート４ｃに貼り付け陰極電極４を作製した後に行った。表面官能基をＣ−Ｆ結合で置換するため、フッ素ガス処理は室温で、Ｆ２分圧を５０Ｔｏｒｒとして実施した。
電極シート４ｃの炭素系材料が黒鉛の場合は、フッ素処理前（実施例４Ｄ（図８鎖線Ｃ））に比べてフッ素処理後（実施例４Ｄ−２（図８一点鎖線Ｄ））では明らかに過酸化水素の生成効率が向上し、官能基の置換処理が有効であることが分かった。しかし、生成効率が電気化学反応を繰り返すことによって低下し、初期の表面処理効果が見られなくなった。同じ電極シートを同条件でフッ素処理した細片試料をＥＳＣＡ（Ｘ線光電子分析装置：Ｘ−ｒａｙ Ｐｈｏｔｏ−ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｅ）で測定評価した結果から、表面処理効果の消失は、繰り返しの電気化学反応によって表面のＣ−Ｆ結合が切れ、消失したためと考えられる。また、化学的に安定化した安定化カーボンブラックに対してもフッ素処理の効果を評価したが、フッ素処理前（実施例４Ｃ（図８破線））に比べてフッ素処理後（実施例４Ｃ−２（図８実線Ｂ））は明らかに生成効率が向上し、官能基の置換処理が有効であることが分かった。黒鉛の生成効率が高いのは、黒鉛の表面官能基が主に結晶端面に存在し、全表面に対して表面官能基が相対的に少ないためと考えられ、また、このことがＦ２表面処理効果の小さい理由にもなっているものと考えられる。
【００４２】
これらの結果から、表面官能基が生成効率と深く関わっていることが明らかであり、電極シートの炭素系材料をフッ素処理することにより、撥水性を向上でき、過酸化水素の生成効率を向上させることができる。
【００４３】
〔実施例５〕
図２に示す実施の形態１および図６に示す実施の形態２の電解セルを用いた過酸化水素製造装置の実施例５における過酸化水素生成特性の測定結果を図９に示す。図９は、電解セルの構造の違いによる過酸化水素の生成濃度の時間変化を示すものである。実施例５−１は、実施の形態２の電解セルを用いたもので、電極シート４ｃの炭素系材料としては黒鉛を用い、フッ素処理を行っている。実施例５−２は、実施の形態１の電解セルを用いたものである。比較のため、実施の形態１の電解セルを用い、炭素繊維にフッ素処理による撥水化処理を行っていない場合の過酸化水素発生特性を比較例５として合わせて評価した。生成条件としては、印加電圧が２．０〜２．２Ｖ、温度が２５℃、供給する酸素ガス流量が１０〜５０ｃｃ／ｍｉｎ、陽極電極３と陰極電極４の面積が１９ｃｍ２、フランジ７ｂと陰極電極４の間の間隔ｄは３ｍｍである。酸素ガス流量は３０ｃｃ／ｍｉｎに、水流量は５０ｃｃ／ｈｒに、気液供給時間比は気液切替器１３により５に設定した。また、陽極３には空気中から冷却によって水分を回収する状況を想定して、常温のイオン交換水を５ｃｃ／ｈｒの速度で供給した。陰極電極４から取り出された過酸化水素水に含まれる過酸化水素濃度を紫外線吸光光度計（図示せず）によって測定した。
【００４４】
比較例５（図９鎖線Ｃ）と比較して、実施例５−２（図９実線Ｂ）は初期から高い過酸化水素濃度が得られた。これは、実施例５−２においては担体である炭素繊維４ａのカーボン粉末が撥水化されているため、撥水性が高まり、陰極電極４の表面が水に覆われることなく、電極表面への酸素の供給速度が低下することがないためである。
これに対して、実施例５−１（図９一点鎖線Ａ）では実施例５−２（図９実線Ｂ）と初期特性は同等であるが、経時的に過酸化水素濃度が低下することはなく、高い性能を長時間にわたって維持できた。これは、図６に示したように陰極電極４を電極シート４ｃ、キャスティングフィルム４ｂ、支持体４ｆの三層構造にしたことにより、長時間にわたり高い撥水性を維持できたためと考えられる。そして、電極シート４ｃ、支持体４ｆそれぞれに撥水加工することにより、陰極表面で進行する電気化学反応や、発生する過酸化水素によって表面が酸化、変質され表面置換基が変化しなかったことにより、陰極への酸素供給を促進し、陰極に対する酸素と水素イオンの接触確率が高まるためである。
【００４５】
このように、陰極電極に担持する炭素系材料の表面をフッ素で置換するか撥水性材料を混合するか、または電極を炭素材料を含む電極シートと支持体の複数層構造にしてそれぞれをフッ素などによる撥水化処理を行うことで、陰極における酸素と水素イオンの接触確率が高まり、過酸化水素の生成特性が改善する、といった従来にない顕著な効果を得ることができる。
【００４６】
実施の形態３．
図１０は、本発明の実施の形態３における過酸化水素製造装置を冷暖房機能を有する空調機に設置した例を示す概略断面図である。空気中の水蒸気は熱交換器２０の表面において冷却され、熱交換器２０の表面で凝縮され凝縮水２１となる（凝縮水のことを以下「ドレン水」と呼ぶ）。熱交換器２０の表面は親水化処理されているため、ある一定以上の凝縮水２１が付着すると自然落下を始めて、ドレン水２３として、ドレンパン２２に回収される。次に、ドレン水２３は水供給手段２４によって一定速度で過酸化水素製造装置２５の陽極電極に供給され、陰極電極には送風ファン（図示せず）によって送出された空気が供給される。生成された過酸化水素水は過酸化水素水供給手段２６によって熱交換器２０の表面に散布され、熱交換器２０の表面に発生、付着するカビや細菌などを除去する。
【００４７】
水供給手段２４、過酸化水素水供給手段２６としては、液送ポンプなどの動力や、繊維状の吸水性シートの毛管現象、超音波噴霧などを利用することができる。吸水性のシートとしては、パルプとポリエチレン繊維を編んだシートやセラミック繊維、ガラス繊維からなるシートを用いることができる。特に、過酸化水素を熱交換器２０へ供給する場合には、過酸化水素との反応性の低い、セラミック繊維、ガラス繊維を用いるのが好ましい。
【００４８】
このように、本発明の過酸化水素製造装置を設置した空調機によると、過酸化水素の生成に必要な水を確保できない環境下においても使用することができ、空気中に存在する希薄な水を利用して過酸化水素を生成することができるという効果があり、空調機内部にある熱交換器により凝縮された水を利用して過酸化水素製造装置により製造された過酸化水素で熱交換器を洗浄することで、熱交換器の表面に発生するカビや細菌の発生を抑制することができる効果がある。
【００４９】
〔実施例６〕
図１１は、本発明の実施の形態３における過酸化水素製造装置を設置した空調機による熱交換器に付着させた菌体に対する除菌効果を実施例６の測定結果を示す。以下のような設定条件で試験を実施した。過酸化水素の生成条件としては、実施の形態１において、電流値０．５〜５Ａ、温度２５℃、供給する空気流量が２０〜１００ｃｃ／ｍｉｎ、陽極電極３と陰極電極４の面積が１９ｃｍ２、フランジ７ｂと陰極電極４の間の間隔ｄは３ｍｍである。また、電解セル１を構成する材料は実施例１と同様のものを用いた。
【００５０】
空気中の水蒸気は熱交換器２０の表面において冷却され、熱交換器２０の表面で凝縮されて凝縮水２１となる。熱交換器２０の表面は親水化処理されているため、単位面積あたり０．１ｍｇ／ｃｍ２以上の凝縮水２１が付着すると自然落下を始めて、ドレンパン２２に回収される。次に、ドレンパン２２のドレン水２３は水供給手段２４によって一定速度で過酸化水素製造装置２５の陽極電極に供給され、陰極電極には送風ファン（図示せず）によって送出された空気が供給される。生成された過酸化水素水は過酸化水素水供給手段２６によって熱交換器２０の表面に散布される。予め熱交換器２０の表面には大腸菌を１ｃｍ２あたり９００個生息させておき、過酸化水素製造装置２５により生成された過酸化水素水溶液を噴霧した場合の大腸菌の菌体数を測定した。水供給手段２４としては、厚さが０．２５ｍｍから３ｍｍ、線径０．１μｍから１００μｍのガラス繊維を主成分とする無機酸化物からなる幅４０ｍｍ、長さ３０ｃｍの複合ペーパを用いた。過酸化水素水供給手段２６には、超音波噴霧装置（本田電子（株）、ＨＭ−３０３Ｎ）を用いた。噴霧速度としては２５０ｃｃ／ｈｒ、噴霧粒径は３μｍに設定した。
【００５１】
次に、熱交換器２０に生成された過酸化水素を散布した場合における熱交換器表面の菌体数の変化について詳細に述べる。図１１は、電流値を０．５Ａに設定した場合の前記菌体数の時間変化を実施例６−１として実線Ａで、電流値を５Ａに設定した場合の菌体数の時間変化を実施例６−２として一転鎖線Ｂで示す。また、比較のために本実施例において直流電源をＯＦＦして、電流値を０Ａに設定した場合の菌体の時間変化を比較例６として図１１に鎖線Ｃで示す。実施例６−１、６−２では直流電源ＯＮとともに時間に伴って大腸菌の菌体数が減少し、減少速度は電流値に比例して増加した。これは、電流値に比例して過酸化水素濃度が増加したためを考えられる。実施例６−１および実施例６−２での過酸化水素の生成量はそれぞれ１２０ｐｐｍ、８００ｐｐｍであった。これに対して、比較例６では過酸化水素が生成されないので、菌体数はほぼ８００〜９００個／ｃｍ２と一定であった。
【００５２】
このように、過酸化水素の生成に必要な水を確保できない環境下において使用される空調機においても、熱交換器により凝縮された水を利用して本発明の過酸化水素製造装置により製造された過酸化水素水で熱交換器を洗浄することにより空調機内部にある、熱交換器の表面に発生するカビや細菌の発生を抑制できる効果があることが確認できた。
【００５３】
実施の形態４．
図１２は、本発明の実施の形態４における過酸化水素製造装置を業務用に使用される空気清浄機に設置した例を示す概略断面図である。図１２に示すように、空気を循環させる送風機２７、温湿度調整を行う冷却コイル２８及び加熱コイル２９及び過酸化水素水を空気と接触させる水膜を形成する除菌エレメント３０が装置内部に設置されて空気清浄機３６が構成されている。
また、除菌エレメント３０に過酸化水素水を供給するための手段として過酸化水素水製造装置２８が設けられ、生成された過酸化水素水がポンプ３１、流量調整弁３２を介して、散水ヘッダ３３より除菌エレメント３０に供給されるように構成されている。そして、除菌エレメント３０設置側（図１１中、左側）から、除菌対象となる空気３４が空気清浄機３６内に吸引されるように構成されている。また、水膜を形成する除菌エレメント３０の中央部にはパッドが配設され、その上面には分散マット（図示せず）が取付けられている。そして、この分散マットに流量調整弁３２に接続された散水ヘッダ３３を介して過酸化水素水が供給されるように構成されている。さらに、除菌エレメント３０の下部にはドレンパン２２が配設され、パッドを流下した過酸化水素水を装置外部に排出できるように構成されている。
【００５４】
過酸化水素製造装置２８で生成された過酸化水素水はポンプ３１で吸い上げられ、流量調節弁３２を通して、散水ヘッダ３３により除菌エレメント３０の分散マットに散布される。一方、空気３４は送風機２７により、空気清浄機３６本体に取り込まれ、除菌エレメント３０でカビや細菌が除去され、冷却コイル２８で冷やされ、除湿された後、加熱コイル２９で暖められ、清浄化された空気３５が、空気清浄機３６から取り出される。
【００５５】
なお、水膜を形成する除菌エレメント３０のパッドとして、保水性の高い吸水性素材を使用すると、過酸化水素水の滴下量を低減することができるだけでなく、除菌対象となる空気との接触時間を長くすることができるので、除菌性能を向上させることができる。このパッドの材質としては、例えば、グラスファイバを骨材として焼成した複合セラミックスや、多孔質セラミックを用いることができる。また、ポリエステル、ポリエチレン等の化学繊維を用いた吸水性素材を用いてもよい。
【００５６】
このように、本発明による過酸化水素製造装置を業務用に使用される空気清浄機に設置することで、効率よく過酸化水素が生成され、除菌エレメントにより空気中に存在するカビや細菌を除去できる効果がある。
【００５７】
実施の形態５．
図１３は、本発明の実施の形態５における過酸化水素製造装置を加湿器に設置した例を示す概略断面図である。図１３に示すように加湿器は、空気を加湿するための水を貯めておく貯水タンク３７、加湿素子３８から水を回収するドレンパン２２、ドレンパン２２から貯水タンク３７にドレン水２３を送る配管４０、貯水タンク３７と加湿素子３８を結ぶ配管４１などから構成されている。
【００５８】
加湿用の水は、貯水タンク３７から水供給手段２４によって一定速度で過酸化水素製造装置２５の陽極電極に水が供給され、陰極電極には送風ファン（図示せず）によって送出された空気が供給される。過酸化水素製造装置２５で生成された過酸化水素水は過酸化水素水供給手段２６によって、加湿素子３８に散布される。過酸化水素水３９は加湿素子３８の表面を洗浄し、表面に発生するカビや細菌などを除去する。洗浄に使用された過酸化水素水３９はドレンパン２２で回収される。ドレンパン２２のドレン水２３は配管４０を通して貯水タンク３７に送られる。配管４１は、貯水タンク３７から加湿素子３８に水を供給するためのものである。
水供給手段２４、過酸化水素供給手段２６としては、液送ポンプなどの動力や、繊維状の吸水性シートの毛管現象、超音波噴霧などを利用することができる。吸水性のシートとしては、パルプとポリエチレン繊維を編んだシートやセラミック繊維、ガラス繊維からなるシートを用いることができる。特に、過酸化水素を加湿素子３８へ送出する場合には、過酸化水素との反応性の低い、セラミック繊維、ガラス繊維を用いるのがよい。
【００５９】
このように、加湿器で水分が蓄積しやすい部分、特に加湿素子、ドレンパンなどはカビが発生しやすいという問題があるが、加湿用の水の一部を利用して本発明による過酸化水素製造装置により過酸化水素を生成させて加湿素子を洗浄することにより、カビや細菌の発生を抑制する効果がある。また、一度、過酸化水素を供給した場所が乾燥した場合でも、過酸化水素は水と比較して蒸気圧が１／１０程度であるので蒸発しにくいため、過酸化水素が濃縮されてカビや細菌の除菌効果は飛躍的に向上する。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】実施の形態１における過酸化水素製造装置を示す概略断面図である。
【図２】実施の形態１における過酸化水素製造装置の電解セルの構成を示す概略断面図である。
【図３】実施の形態１における過酸化水素生成の説明図である。
【図４】実施の形態１における過酸化水素製造装置を用いた気液切替による過酸化水素生成特性を示す。
【図５】実施の形態１における過酸化水素製造装置を用いた気液供給時間による過酸化水素生成特性を示す。
【図６】実施の形態２における過酸化水素製造装置の電解セルの構成を示す概略断面図である。
【図７】実施の形態２における過酸化水素製造装置の電解セル材料の違いによる過酸化水素生成特性を示す。
【図８】実施の形態２における過酸化水素製造装置の電解セルのフッ素処理有無による過酸化水素生成特性を示す。
【図９】実施の形態１と実施の形態２における過酸化水素製造装置による過酸化水素生成特性の比較図である。
【図１０】実施の形態３における過酸化水素製造装置を空気清浄機に設置した例を示す概略断面図である。
【図１１】実施の形態３における過酸化水素製造装置を設置した空気清浄機の熱交換器に付着させた菌体に対する除菌効果の結果を示す。
【図１２】実施の形態４における過酸化水素製造装置を業務用に使用される空気清浄機に設置した例を示す概略断面図である。
【図１３】実施の形態５における過酸化水素製造装置を加湿器に設置した例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００６１】
１ 電解セル
２ 高分子電解質膜
３ 陽極電極
４ 陰極電極
９ 陽極給水口
１２ 過酸化水素水取出口
１３ 気液切替器
１４ 酸素含有ガス供給口
１５ 陰極給水口
１６ 直流電源
２０ 熱交換器
２５、２８ 過酸化水素製造装置
３０ 除菌エレメント
３８ 加湿素子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば酸素を含むガスと水から電気化学的に過酸化水素を製造する装置並びにそれを用いた空調機、空気清浄機及び加湿器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、過酸化水素は漂白、酸化作用を有しており、食品、医薬品を始め工業用に広く使用されている。また、殺菌効果や滅菌効果にも注目されており、家庭用電化製品においても、その殺菌性や防黴性を利用して、清潔で快適な環境を作るため、洗濯機、空気清浄機等への応用が期待されている。従来、過酸化水素はイオン交換膜を利用して電気化学反応にて製造されている。例えば、特許文献１の発明による過酸化水素製造装置では、電解槽に貯留された電解質溶液に少なくとも一対の電極の一部を浸漬し、電気化学的処理によって電解質溶液中に過酸化水素を生成している。過酸化水素が発生する電極側の電極材料にＴａ、Ｐｔなどを含む材料を用いることにより、酸素還元が効率的に進行し、過酸化水素を製造することができる。
また、特許文献２の発明による過酸化水素製造装置においては、親水性の多孔質層の片面にガス透過性の電極物質層を形成し、他面にイオン交換膜を密着形成したものがある。電解生成物は親水性多孔質層を介して排出しているため、過酸化水素が発生する電極への酸素ガス供給が円滑に行うことができる。これにより、効率良く過酸化水素を製造することができる。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１４６３４４号公報
【特許文献２】特許第３６２５６３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の過酸化水素製造装置においては、水と酸素含有ガスを用いて過酸化水素発生を行う場合には、陰極上の水が酸素の拡散を阻害するため、充分な過酸化水素の生成特性が得られないという問題点があった。
【０００５】
本発明は、上述のような問題点を解決するためになされたものであり、水と酸素含有ガスを用いて過酸化水素を効率良く生成できる過酸化水素製造装置を得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明に係る過酸化水素製造装置は、水素イオン伝導性を有する電解質膜とこの電解質膜の第１の面に接して配置された陽極電極と電解質膜の第２の面に接して配置された陰極電極とにより構成される電解セルと、陽極電極に水を供給する手段と、陰極電極に酸素含有ガスと水とを交互に供給する気液切替手段と、陽極電極と陰極電極との間に直流電圧を印加する電源とを備えたことを特徴とする。
【０００７】
本発明によれば、酸素含有ガスと水を間欠的に供給することにより陰極電極に十分な量の酸素を供給拡散させることが可能になり、効率良く過酸化水素を生成できる。
【０００８】
請求項６の構成では、過酸化水素製造装置において製造される過酸化水素を用いて熱交換器を洗浄する機能を有する空調機であることを特徴とする。
【０００９】
請求項７の構成では、過酸化水素製造装置において製造される過酸化水素を用いて空気除菌する機能を有する空気清浄機であることを特徴とする。
【００１０】
請求項８の構成では、過酸化水素製造装置において製造される過酸化水素を用いて加湿素子を洗浄する機能を有する加湿器であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、陰極に酸素と水とを交互に供給する切替え手段を有するので、陰極における酸素と水素イオンとの接触確率が高まり、過酸化水素の生成効率が上がるといった従来にない顕著な効果を奏するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態に係る過酸化水素製造装置について説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における過酸化水素製造装置を示す概略断面図である。図２は電解セル部の概略断面図を示す。
図１に示すように、過酸化水素製造装置の電解セル１は、水素イオン伝導性を有する電解質膜である高分子電解質膜２、この高分子電解質膜２の一方の面に接するように配設される陽極電極３、高分子電解質膜２の他方の面に接するように配設される陰極電極４で構成されており、さらに陽極電極３には陽極端子５、陰極電極４には陰極端子６が取付けられており、高分子電解質膜２、陽極電極３および陰極電極４はＯリング８により固定、密閉されてフランジ７a、７ｂに収められている。電解セル１の陽極側フランジ７aには陽極給水口９と陽極排出口１０が、陰極側フランジ７ｂには陰極給入口１１と過酸化水素水取出口１２が設けられ、陰極給入口１１には気液切替手段としての気液切替器１３を介して、酸素含有ガス供給口１４および陰極給水口１５がそれぞれ設けられ、また、電解セル１には陽極端子５、陰極端子６を介して直流電源１６が接続されている。
【００１３】
まず、図１と図２を用いて過酸化水素製造装置と電解セルの具体的な材料構成と作製方法について説明する。図２に示すように、電解セル１は高分子電解質膜２を、陽極電極３と炭素繊維４ａと触媒混合層４ｂとからなる陰極電極４とで挟み込んだ構造をしている。
【００１４】
陽極電極３は、基材と水の酸化反応を促進する酸化触媒から構成されている。基材としては、チタン（Ｔｉ）金属繊維の焼結体（繊維径２０μｍ、長さ５０〜１００ｍｍの単繊維を織り込んで焼結体としたもの）からなる密度２００ｇ／ｃｍ２の布（半径５０ｍｍ、厚み３００μｍ）や、チタン製の網目構造を持つエキスパンドメタルを用いる。基材の高分子電解質膜２に接する面に触媒となる白金（Ｐｔ）または、酸化イリジウム（ＩｒＯ２）を０．２５〜２ｍｇ／ｃｍ２の密度でめっきすることにより陽極電極３を形成する。水の酸化反応は、基材上に形成された酸化触媒と高分子電解質膜２の界面でのみ進行するので、基材としてエキスパンドメタルを用いる場合には、網目の密度が電解性能に影響する。具体的には、１インチあたり１０個以上の穴が開いたエキスパンドメタルを用いることが好ましい。
【００１５】
陰極電極４は、炭素系基材と酸素の還元反応を促進する還元触媒から構成されている。炭素系基材としては、半径５０ｍｍ、厚さ２００μｍの炭素繊維４ａ（繊維径約５〜５０μｍ、空隙率５０〜８０％）を用いる。炭素繊維４ａは、撥水化処理されている。例えば、フッ素ガスで処理され（室温、Ｆ２分圧：５０Ｔｏｒｒ）、表面官能基がＣ−Ｆ結合に置換されている。この炭素繊維４ａの高分子電解質膜２に接する面に、炭素粒子１７と高分子電解質粒子１８を混合した還元触媒層４ｂを形成する。具体的には、カーボン粉末と高分子電解質（パーフルオロスルホン酸）を分散した溶液を重量比で１０：１〜１：１０の割合で混合し、炭素繊維４ａ上に３０〜５００μｍの厚さに塗布した後、５０℃、真空下で乾燥させている。
【００１６】
フランジ７ａ、７ｂは、アクリル樹脂などの絶縁材料からなり、陽極端子５、陰極端子６により電解セル１を、面圧０．２×１０４〜１×１０４Ｐａで締め付けている。
陽極側のフランジ７ａには、陽極電極３に水を取り込むため凹部が設けられている。陰極側のフランジ７ｂには、フランジ７ａと同様、陰極電極４に水とガスを取り込むため凹部が設けられている。
【００１７】
陽極端子５、陰極端子６は、円状の平板（半径１ｃｍ、厚み２ｍｍ）に細い棒（外径２ｍｍ、長さ１５ｍｍ）を円板の中央から円板に垂直に溶接したもので、材料はチタン（Ｔｉ）からできている。電解セル１との接触面での腐食を防止するために、０．１〜３μｍ程度の厚みで白金（Ｐｔ）めっきすることが好ましい。また、比較的低コストで電極端子を作製する必要がある場合には、同様な形状に加工したカーボン板を用いてもよい。フランジ７ｂと陰極電極４の間隔ｄは０．０５ｍｍ〜５０ｍｍの範囲であればよい。
【００１８】
次に、実施の形態１の過酸化水素製造装置を用いた過酸化水素製造方法の動作原理について、図１および図２を参照して説明する。
直流電源１６により、陽極端子５と陰極端子６の間に連続的もしくは断続的に直流電圧を印加しながら電解セル１で電気化学反応をさせる。まず、フランジ７aの陽極給水口９から供給された水は、陽極電極３を通過して高分子電解質膜２に接触する。そして、水は高分子電解質膜２に吸収され、高分子電解質膜２内を拡散し、高分子電解質膜２で水が保持される。陽極電極３では、供給された水が反応式（１）で示すように酸素（Ｏ２ ）と水素イオン（Ｈ＋）とに分けられる。直流電源１６により電圧を印加すると、電流が流れ、陽極電極３の表面から酸素が発生する。
陽極： ２Ｈ２Ｏ → Ｏ２＋ ４Ｈ＋ ＋ ４ｅ− （１）
【００１９】
高分子電解質膜２は、気体を透過せず、電気絶縁性があり、水および水素イオン（Ｈ＋）のみを伝導する材質、例えば、パーフルオロスルホン酸膜でできており、陰極側フランジ７ｂに繋がる酸素含有ガス供給口１４および陰極給水口１５から、空気などの酸素（Ｏ２ ）を含有するガスおよび水（Ｈ２Ｏ）が供給されると、陰極電極４上で高分子電解質膜２との界面に達した陽極電極３から伝導した水素イオン（Ｈ＋）、および水素イオン（Ｈ＋）に起因する還元性物質と酸素ガス（Ｏ２ ）が反応し、反応式（２）で示す還元反応によって過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）が発生する。この過酸化水素を含む水溶液は、過酸化水素水取出口１２から取り出される。
高分子電解質膜２の水素イオン伝導度は、膜中の相対湿度すなわち水の量に比例して大きくなる。高分子電解質膜２が、パーフルオロスルホン酸膜の場合では、２０℃において、相対湿度２０％では１０−４Ｓｃｍ−１、４０％では２×１０−３Ｓｃｍ−１、６０％では１０−２Ｓｃｍ−１と大きく変化する。
陰極： Ｏ２ ＋ ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ− → Ｈ２Ｏ２ （２）
また、陰極電極４では、酸素（Ｏ２ ）が更に還元されて水（Ｈ２Ｏ）が生成する反応式（３）と水素イオン（Ｈ＋）が直接還元されて、水素（Ｈ２）が発生する反応式（４）も進行する。
陰極： Ｏ２ ＋ ４Ｈ＋ ＋ ４ｅ− → ２Ｈ２Ｏ （３）
２Ｈ＋ ＋ ２ｅ− → Ｈ２ （４）
【００２０】
さらに、図３を用いて反応の様子を詳しく説明する。高分子電解質膜２に隣接する炭素粒子１７と電解質粒子１８の還元触媒層４ｂにおいて、電解質粒子１８は３次元的に接合しており、陽極側で発生した水素イオン（Ｈ＋）が高分子電解質膜２を透過して伝達する。そして、陰極側から供給された酸素（Ｏ２ ）は、炭素粒子１７と電解質粒子１８の界面１９（黒点で示す部分）において電子を受けとり、過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）を生成する電気化学反応が進行する。本発明においては、反応式（２）で示すように酸素を水素イオンによって電気化学的に還元することを目的としているため、還元触媒層４ｂが水で被覆されてしまうと酸素の供給速度が激減し、過酸化水素の生成能力が低下する。水中とガス中における酸素の拡散係数は、それぞれ１．６ｘ１０−９（ｍ２／ｓ）、１ｘ１０−５（ｍ２／ｓ）程度であることから、陰極電極４の表面が水で覆われた場合には、酸素の供給速度が１／１００００に低下し、その結果、反応式（２）はほとんど進行しなくなる。
また、中性の水を用いた場合にも、反応式（３）および（４）が進行しやすいため、過酸化水素の生成効率が低下する原因ともなる。
【００２１】
本発明者らは、酸素と水を同時に電解セル１に供給するのではなく、交互に切り替えて供給することにより陰極電極４への酸素の供給速度を飛躍的に高めることができることを見出した。これにより、過酸化水素の生成効率を向上することができる。また、電極の性質として、親水性の材料よりも、撥水性の材料の方が酸素と水素イオンとの接触を高められることを確認している。従来は、親水性材料を用いれば生成物を効率的に生成できると考えられていたが、実際は親水性材料ではその表面が水で被覆されやすく、過酸化水素が発生する部位である高分子電解質膜２と陰極電極４と空気相の三つの異なる相の界面１９が水によって被覆されてしまうため効率が低下する。
【００２２】
水の供給方法としては、窒素などの不活性ガスを温水に通気して水分を電極に吹き付ける方法、超音波（１ｋＨｚ 〜２ＭＨｚ）振動を用いて水を直径数μｍ程度の水滴に微細化し、不活性ガスで霧状の水滴を同伴する方法、大気中に存在する水分を電子冷却器や冷媒を連続的に流通して表面を５℃〜３０℃に制御したアルミニウム（Ａｌ）板などによって強制冷却して結露した水を滴下する方法、液体状の水を直接供給する方法などがある。そして、水供給量及び供給方法は、必要とする過酸化水素の生成量に対応して決める。
陽極側に供給する水にカルシウム（Ｃａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カリウム（Ｋ）などの金属イオンに起因する陽イオンが含まれていると、高分子電解質膜２の内部の水素イオンが陽イオンに置換されるため水素イオン伝導速度が著しく低下するので、液体状の水を直接供給する場合も微細化した水を供給する場合にも、イオン交換水または超純水を用いる方が好ましい。水道水であれば、カルキ、トリハロメタンなどをフィルタで除去した水であって、電気伝導度が５μＳｃｍ−１以下であれば使用することができる。
【００２３】
陽極電極３と陰極電極４との間に印加した電圧の一部は接触抵抗や高分子電解質膜２でジュール熱として失われ、高分子電解質膜２や陽極電極３、陰極電極４の温度を上昇させる。温度上昇が著しい場合には、高分子電解質膜２が変質したり、変形して陽極電極３や陰極電極４と高分子電解質膜２の剥がれが発生したりするので望ましくない。そこで、電圧を断続的にＯＮ、ＯＦＦすることにより発熱を抑制することができる。具体的には、１〜３０分間隔で、ＯＦＦの時間を１とするとＯＮの時間を０．２〜５倍程度で操作することが望ましい。
また、パルス状の電圧印加によって水素イオンにのみにエネルギーを与えることで熱による損失を抑制することができる。このような場合には、１μｓｅｃ〜１０ｍｓｅｃ程度のパルス状の電圧を連続的に印加してＯＮ、ＯＦＦを行うことが好ましい。
【００２４】
次に、本発明の主な特徴である気液切替手段について詳細に説明する。気液切替手段である気液切替器１３は、酸素含有ガスと水を交互に流すことができ、酸素含有ガスの供給と水の供給との気液供給時間比（＝ガス供給時間／水供給時間）を制御することができる。酸素含有ガスと水の供給量を制御すれば、陰極電極４表面にあらゆる比率の酸素ガスと水の混合流体を形成することができる。気液切替器１３としては、例えば、マニホールド・バルブ、ダイヤフラム・シール・バルブ、ベローズ・シール・バルブ、ボールバルブなどを用いることができる。酸素含有ガスと水の気液供給時間比は、０．１〜５０の範囲であればよく、さらに望ましくは２〜２５に設定すれば効果が得られる。酸素含有ガスと水の供給時間の１サイクルは、１ｓｅｃから１時間の範囲であれば効果が期待できる。気液供給時間比は陰極に供給される水分量に依存するため、ガス流量、水流量、陰極電極４の撥水性によって上記範囲内での最適値が決定される。なぜなら、過酸化水素の生成能力は、供給される酸素含有ガスにおける酸素の量、水の量に依存するが、電極に対する酸素ガスおよび水の接触時間は流量に依存せず、それぞれの供給時間のみに依存するからである。
【００２５】
気液切替器１３は、単に陰極電極４とフランジ７ｂとの間に水または酸素含有ガスを供給するものではなく、陰極電極４を通過する単位時間、単位面積あたりの水および酸素の移動速度を制御する働きがある。例えば、導入する流体の線流速を増大したり、流体に物理的なエネルギーを与えたりして、水および酸素の陰極電極４表面への移動速度を増大させる。必ずしも、酸素含有ガスと水の気液供給時間比や１サイクル時間は一定である必要はなく、運転中変更してもよい。
【００２６】
実施の形態１では、高分子電解質膜２として、パーフルオロスルホン酸膜を使用する場合について述べたが、気体を透過せず、電気絶縁性があり、水分および水素イオンのみを伝導する材料であればよく、他にポリベンゾイミダゾール系イオン交換膜、ポリベンズオキサゾール系イオン交換膜、ポリアリーレンエーテル系イオン交換膜なども用いることができ、このとき高分子電解質膜２中に含まれる水の分子数に対して約２〜６倍のリン酸分子を添加すると水素イオン伝導性が高まり、過酸化水素の生成効率を改善できる。
また、陰極の炭素系基材として、炭素繊維以外にも、カーボンナノファイバ（太さ１０〜１００ｎｍ）、黒鉛または層間にアルカリ金属を挿入した黒鉛、単層または多層のカーボンナノチューブ（太さ１０ｎｍ以下）、繊維状活性炭または粒子状活性炭を用いることができる。
【００２７】
なお、フランジ７ａ、７ｂの材質は機械的強度を高めるためにカーボン、ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３０４など）を用いてもよい。また、フランジ７ａ、７ｂの材質に導電性を有するのものを用い、フランジ７ａ、７ｂ自体を陽極端子５、陰極端子６と一体の部材として利用し通電させてもよい。さらに、腐食を抑制するために、フランジ７ａ、７ｂの表面に０．０１〜４μｍ程度の厚みの白金（Ｐｔ）めっき、もしくはチタン（Ｔｉ）めっきを行ってもよい。
【００２８】
このように、実施の形態１の過酸化水素製造装置によると、酸素と水を交互に陰極へ導入する切替え手段を有するので、陰極電極表面を水が覆ってしまうことがなく、陰極における酸素と水素イオンとの接触確率を高めることができ、過酸化水素の生成効率が改善されるといった従来にない顕著な効果を得ることができる。
【００２９】
〔実施例１〕
実施の形態１の過酸化水素製造装置を用いた実施例１による過酸化水素生成特性の測定結果について述べる。過酸化水素製造装置全体については、図１に示すものを、電解セルについては図２に示すものを使用した。
電解セル１を構成する材料としては、陽極電極４の基材は、チタン製エキスパンドメタル（１インチ平方あたりのメッシュ数８０、線径０．１ｍｍ）、酸化触媒は酸化イリジウム（担持密度０．６ｍｇ／ｃｍ２、無電解めっきで形成）を用いた。陰極電極４は、炭素繊維（繊維径１０μｍ、空隙率７０％）を基材としてその上に、炭素粉末と高分子電解質（パーフルオロスルホン酸）粉末を分散した溶液を重量比で１：３の割合で混合し、５０〜４００μｍ厚で塗布した後、５０℃、真空下で乾燥して還元触媒層４ｂを形成した。高分子電解質膜２はパーフルオロスルホン酸である。
【００３０】
過酸化水素生成条件としては、印加電圧が２．０〜２．２Ｖ、温度が２５℃、供給する酸素ガス流量が１０〜５０ｃｃ／ｍｉｎ、陽極電極３と陰極電極４の面積が１９ｃｍ２、フランジ７ｂと陰極電極４の間の間隔ｄが３ｍｍである。気液切替器１３による気液供給時間比は４、酸素含有ガスと水の供給時間の１サイクルは１５ｍｉｎに設定した。陽極電極３には空気中から冷却によって水分を回収する状況を想定して、常温のイオン交換水を５ｃｃ／ｈｒの速度で供給した。また、陰極電極４の近傍に１００ｃｃのガラスビーカ（図示せず）を設置し、１０ｃｃの常温のイオン交換水を入れて、陰極電極４へ５０ｃｃ／ｈｒの速度で導入した。陰極から排出された過酸化水素水をガラスビーカへ戻し、水をガラスビーカと陰極電極４との間を循環させた。つまり、陰極電極４の表面で発生した過酸化水素はガラスビーカと陰極電極４の間を循環する水に徐々に蓄積していく。過酸化水素濃度の経時変化はガラスビーカの一部に紫外線吸光光度計（図示せず）を取付けて測定した。
【００３１】
図４に実施例１での過酸化水素濃度の時間変化を実線Ａで示す。比較のために図１において気液切替器１３を取り外し、酸素ガスで飽和した水のみ（酸素ガスなし）を供給した場合を比較例１−１として、図４に一点鎖線Ｂで示す。また、酸素ガス流量１０ｃｃ／ｍｉｎ、水流量５０ｃｃ／ｈｒで同時に酸素ガスと水を供給導入した場合を比較例１−２として、破線Ｃで示す。
実施例１では直流電源ＯＮとともに時間に比例して過酸化水素濃度が増加し、１６００ｍｉｎ後には最大で１６００ｍｇ／Ｌに達した。一旦供給された水は酸素によって瞬時に除去されるため、陰極に対する酸素と水素イオンの接触確率が高まり、過酸化水素の生成効率が維持されるためと考えられる。比較例１−１では，過酸化水素の発生量が非常に小さく、１６００ｍｉｎ後においても５０ｍｇ／Ｌ程度にとどまった。また、比較例１−２では、時間に比例して過酸化水素濃度が増加するが、比較例１の３〜４倍程度で１６００ｍｉｎ後においても、２００ｍｇ／Ｌ程度にとどまった。これは、比較例１−１においては陰極電極４の表面全体、比較例１−２においては陰極電極４の一部が水で覆われるため、電極表面への酸素の供給速度が著しく低下するためと考えられる。
【００３２】
〔実施例２〕
実施の形態１の過酸化水素製造装置を用いて気液供給時間比を変化させた実施例２による過酸化水素生成特性の測定結果について述べる。過酸化水素生成条件としては、印加電圧が２．０〜２．２Ｖ、温度が２５℃、陽極電極３と陰極電極４の面積が１９ｃｍ２、フランジ７ｂと陰極電極４との間隔ｄは３ｍｍである。電解セル１を構成する材料は、実施例１と同じであるので説明を省略する。図５に、気液切替器１３を調節して、酸素を含有するガスと水との気液供給時間比を０．１〜１８０の間で変化させた場合の過酸化水素の発生量を測定した結果を示す。
実施例２−１、２−２、２−３では、酸素のガス流量はそれぞれ３０ｃｃ／ｍｉｎ、１０ｃｃ／ｍｉｎ、５０ｃｃ／ｍｉｎで、水の流量はそれぞれ５０ｃｃ／ｈｒ、２５ｃｃ／ｈｒ、１００ｃｃ／ｈｒで供給した。酸素含有ガスと水の供給時間の１サイクルは、１５ｍｉｎに設定した。気液供給時間比には酸素ガスおよび水の流量の設定条件に係わらず、最適条件が存在する。その結果、過酸化水素の発生速度が０．２ｍｇ／ｍｉｎ以上があれば効果が期待でき、その気液供給時間比は０．１〜５０の間であることが明らかになった。望ましくは、気液供給時間比を２〜２５に設定すれば、過酸化水素の発生速度は０．８ｍｇ／ｍｉｎとさらに大きな効果が期待できる。気液供給時間比が４５よりもガス導入時間が長い場合には、ガス導入に伴って揮発する水分が大きくなり、電解質膜２のイオン伝導性が失われる結果、陰極電極４に供給される水素イオンと酸素の接触確率が低下し、過酸化水素の生成速度が減少したと考えられる。一方、気液供給時間比が０．５よりもガス導入時間が短い場合には、陰極電極４の一部が水で覆われるため、電極表面への酸素の供給速度が著しく低下したためと考えられる。
【００３３】
このように、実施の形態１の過酸化水素製造装置の実施例１、２によると、酸素を含有するガスと水を交互に陰極電極に供給する気液切替手段を有するので、陰極電極に対する酸素と水素イオンの接触確率が向上し、過酸化水素の生成効率が向上するといった従来にない顕著な効果を得ることができる。また、ガスと水との気液供給時間比については、特に２〜２５の間に保持することが望ましい。
【００３４】
実施の形態２．
図６は、本発明の実施の形態２における過酸化水素製造装置の電解セルの構成を示す概略断面図である。次に、実施の形態２における電解セル１の構成について説明する。陰極電極４は、炭素系材料として繊維径約２〜１００μｍ、空隙率５０〜８０％の炭素繊維から成る電極シート４ｃと、この電極シート４ｃの片面に貼り付けられている撥水処理層としてのキャスティングフィルム４ｄ（１５〜３０μｍ厚）と、電極シート４ｃの他の面に貼り付けられている支持体４ｆの３層により構成されている。キャスティングフィルム４ｄは、粒径０．１〜５０μｍのポリテトラフルオロエチレン粒子（ＰＴＦＥ：Ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ）からなるＰＴＦＥディスパージョンとグラファイト粉末からなる混合液を分散した後、乾燥しシート状にしたものである。好ましくはグラファイトを粉砕して微粒化した後、フッ素ガス処理を行ったフッ化グラファイトを用いることが望ましい。電極シート４ｃとキャスティングフィルム４ｄ、電極シート４ｃと支持体４ｆとはそれぞれ熱圧着により接合されている。
【００３５】
ここで、支持体４ｆは導電性の他に十分なガス透過性を有していることが要求される。ガス透過性の不十分な支持体を用いると反応式（４）による水素が発生するため、支持体４ｆとして、予めＰＴＦＥディスパージョンによって撥水処理した黒鉛繊維布を用いている。陰極電極４は高分子電解質膜２に対して、キャスティングフィルム４ｄ面が接するよう貼り付けられている。このようにして作製したガス透過性陰極電極４においては、比較的高い電流密度の電界下においても反応式（４）による水素発生は起こらなかった。なお、以上の熱圧着工程はホットプレスを用い、１５０〜３００℃、圧着時間１〜５分の条件で行った。陽極電極３の材料、構成については、図２の電解セル１と同様であるので、説明を省略する。
【００３６】
このように、陰極電極に還元触媒層として、撥水性を有するキャスティングフィルムを使用しているため陰極電極が水に覆われることがなく持続的に過酸化水素を生成することができるという効果がある。
【００３７】
〔実施例３〕
図７は、図６に示す実施の形態２の電解セルを用いた過酸化水素製造装置の実施例３における過酸化水素生成特性の測定結果を示す。生成条件としては、印加電圧が２．０〜２．２Ｖ、温度が２５℃、導入する酸素ガス流量が１０〜５０ｃｃ／ｍｉｎ、陽極電極３と陰極電極４の面積が１９ｃｍ２、フランジ７ｂと陰極電極４の間の間隔ｄは３ｍｍである。酸素ガス流量は３０ｃｃ／ｍｉｎに、水流量は５０ｃｃ／ｈｒに、気液供給時間比は気液切替器１３を用いて５に設定した。また、陽極電極３には空気中から冷却によって水分を回収する状況を想定して、常温のイオン交換水を５ｃｃ／ｈｒの速度で供給した。陰極電極４から取り出された過酸化水素水に含まれる過酸化水素濃度を紫外線吸光光度計（図示せず）によって測定した。図７に、電極シート４ｃの炭素系基材の違いによる過酸化水素濃度の時間変化を比較した結果を示す。電極シート４ｃは、実施例３Ａ（図７破線Ａ）では活性炭、実施例３Ｂ（図７実線Ｂ）ではカーボンブラック、実施例３Ｃ（図７鎖線Ｃ）では安定化カーボンブラック、実施例３Ｄ（図７一点鎖線Ｄ）では黒鉛を、それぞれ７０〜９０％含む。
【００３８】
ここで、活性炭とは、吸着性の高い大部分が炭素質の炭のことであり、カーボンブラックとは、天然ガスや石油などの炭化水素の熱分解と不完全燃焼の組合せによって得られる微細炭素粉末であり、安定化カーボンブラックとは、熱処理などで安定化して一部が六角形構造を持ったものであり、黒鉛（グラファイトともいう）とは、常圧で安定な炭素系の鉱物名であり、六方晶系の六角形の扁平な結晶を有しており、六角形構造比率（黒鉛化度）や配向性によって分類されるものである。黒鉛、カーボンブラック、安定化カーボンブラックは上記のほかに以下の特徴を持っている。各材料のラマンスペクトルにおける１３４０ｃｍ−１（Ｄ−ｂａｎｄ）付近および１６００ｃｍ−１（Ｇ−ｂａｎｄ）付近の２つのピークに着目すると、天然黒鉛を１とした場合、今回使用した黒鉛は０．６〜１．２、安定化カーボンブラックは０．２〜０．６、カーボンブラックは０．２以下である。
【００３９】
次に、炭素系材料の違いによる過酸化水素の生成特性について述べる。
図７に示すように、電極シート４ｃの材料が、活性炭（実施例３Ａ（図７破線Ａ））の場合は反応開始直後の生成効率も低く、電気化学反応の進行にともない急速に低下した。カーボンブラック（実施例３Ｂ（図７実線Ｂ））は反応開始直後の生成効率は比較的高いが、その後、徐々に低下する傾向を示した。一方、黒鉛系材料（実施例３Ｄ（図７一点鎖線Ｄ））は反応開始直後において最も高い効率を示し、その後、徐々に低下する傾向を示すものの、全般的に比較的高い効率を維持している。活性炭（実施例３Ａ（図７破線Ａ））は、反応式（２）の反応を加速すると共に、過酸化水素の分解反応の触媒ともなり、その原因は炭素表面の含酸素官能基の存在によるとされている。実験において活性炭の生成効率が低く、時間とともに急激に低下するのはこのような理由によるものと考えられる。また、化学的に安定化した黒鉛化カーボンブラック（実施例３Ｃ（図７鎖線Ｃ））の生成効率がカーボンブラックより低いのは、表面酸化処理されており、その表面に含酸素官能基が多い影響を受けた結果と思われる。従って、電極シート４ｃの材料としては、炭素系材料の中でも、黒鉛を使用したものが、過酸化水素の生成能力が優れていることが確認できた。
これらのことから、陰極電極４としてＰＴＦＥ粒子と超微粉末フッ化グラファイトから構成された撥水性を有するキャスティングフィルム４ｄと、特に、黒鉛からなる電極シートとの組合せを利用することにより、酸素と水素イオンの接触確率が増加するため、効率良く過酸化水素を生成することができる。
【００４０】
〔実施例４〕
図６に示す実施の形態２の電解セルを用いた過酸化水素製造装置の実施例４における過酸化水素生成特性の測定結果を図８に示す。図８は、電極シート４ｃのフッ素処理の有無による過酸化水素の生成濃度の時間変化を示すものである。ここで使用した電極シート４ｃの炭素系材料は、安定化カーボンブラックおよび黒鉛である。生成条件としては、印加電圧が２．０〜２．２Ｖ、温度が２５℃、導入する酸素ガス流量が１０〜５０ｃｃ／ｍｉｎ、陽極電極３と陰極電極４の面積が１９ｃｍ２、フランジ７ｂと陰極電極４の間の間隔ｄは３ｍｍである。酸素ガス流量は３０ｃｃ／ｍｉｎに、水流量は５０ｃｃ／ｈｒに、気液供給時間比は気液切替器１３を用いて５に設定した。また、陽極電極３には空気中から冷却によって水分を回収する状況を想定して、常温のイオン交換水を５ｃｃ／ｈｒの速度で供給した。陰極電極４から取り出された過酸化水素水に含まれる過酸化水素濃度は紫外線吸光光度計（図示せず）によって測定した。
【００４１】
電極シート４ｃの作製工程での加熱や汚染の影響を避けるため、フッ素ガス処理はキャスティングフィルム４ｄおよび支持体４ｆを電極シート４ｃに貼り付け陰極電極４を作製した後に行った。表面官能基をＣ−Ｆ結合で置換するため、フッ素ガス処理は室温で、Ｆ２分圧を５０Ｔｏｒｒとして実施した。
電極シート４ｃの炭素系材料が黒鉛の場合は、フッ素処理前（実施例４Ｄ（図８鎖線Ｃ））に比べてフッ素処理後（実施例４Ｄ−２（図８一点鎖線Ｄ））では明らかに過酸化水素の生成効率が向上し、官能基の置換処理が有効であることが分かった。しかし、生成効率が電気化学反応を繰り返すことによって低下し、初期の表面処理効果が見られなくなった。同じ電極シートを同条件でフッ素処理した細片試料をＥＳＣＡ（Ｘ線光電子分析装置：Ｘ−ｒａｙ Ｐｈｏｔｏ−ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｅ）で測定評価した結果から、表面処理効果の消失は、繰り返しの電気化学反応によって表面のＣ−Ｆ結合が切れ、消失したためと考えられる。また、化学的に安定化した安定化カーボンブラックに対してもフッ素処理の効果を評価したが、フッ素処理前（実施例４Ｃ（図８破線））に比べてフッ素処理後（実施例４Ｃ−２（図８実線Ｂ））は明らかに生成効率が向上し、官能基の置換処理が有効であることが分かった。黒鉛の生成効率が高いのは、黒鉛の表面官能基が主に結晶端面に存在し、全表面に対して表面官能基が相対的に少ないためと考えられ、また、このことがＦ２表面処理効果の小さい理由にもなっているものと考えられる。
【００４２】
これらの結果から、表面官能基が生成効率と深く関わっていることが明らかであり、電極シートの炭素系材料をフッ素処理することにより、撥水性を向上でき、過酸化水素の生成効率を向上させることができる。
【００４３】
〔実施例５〕
図２に示す実施の形態１および図６に示す実施の形態２の電解セルを用いた過酸化水素製造装置の実施例５における過酸化水素生成特性の測定結果を図９に示す。図９は、電解セルの構造の違いによる過酸化水素の生成濃度の時間変化を示すものである。実施例５−１は、実施の形態２の電解セルを用いたもので、電極シート４ｃの炭素系材料としては黒鉛を用い、フッ素処理を行っている。実施例５−２は、実施の形態１の電解セルを用いたものである。比較のため、実施の形態１の電解セルを用い、炭素繊維にフッ素処理による撥水化処理を行っていない場合の過酸化水素発生特性を比較例５として合わせて評価した。生成条件としては、印加電圧が２．０〜２．２Ｖ、温度が２５℃、供給する酸素ガス流量が１０〜５０ｃｃ／ｍｉｎ、陽極電極３と陰極電極４の面積が１９ｃｍ２、フランジ７ｂと陰極電極４の間の間隔ｄは３ｍｍである。酸素ガス流量は３０ｃｃ／ｍｉｎに、水流量は５０ｃｃ／ｈｒに、気液供給時間比は気液切替器１３により５に設定した。また、陽極３には空気中から冷却によって水分を回収する状況を想定して、常温のイオン交換水を５ｃｃ／ｈｒの速度で供給した。陰極電極４から取り出された過酸化水素水に含まれる過酸化水素濃度を紫外線吸光光度計（図示せず）によって測定した。
【００４４】
比較例５（図９鎖線Ｃ）と比較して、実施例５−２（図９実線Ｂ）は初期から高い過酸化水素濃度が得られた。これは、実施例５−２においては担体である炭素繊維４ａのカーボン粉末が撥水化されているため、撥水性が高まり、陰極電極４の表面が水に覆われることなく、電極表面への酸素の供給速度が低下することがないためである。
これに対して、実施例５−１（図９一点鎖線Ａ）では実施例５−２（図９実線Ｂ）と初期特性は同等であるが、経時的に過酸化水素濃度が低下することはなく、高い性能を長時間にわたって維持できた。これは、図６に示したように陰極電極４を電極シート４ｃ、キャスティングフィルム４ｂ、支持体４ｆの三層構造にしたことにより、長時間にわたり高い撥水性を維持できたためと考えられる。そして、電極シート４ｃ、支持体４ｆそれぞれに撥水加工することにより、陰極表面で進行する電気化学反応や、発生する過酸化水素によって表面が酸化、変質され表面置換基が変化しなかったことにより、陰極への酸素供給を促進し、陰極に対する酸素と水素イオンの接触確率が高まるためである。
【００４５】
このように、陰極電極に担持する炭素系材料の表面をフッ素で置換するか撥水性材料を混合するか、または電極を炭素材料を含む電極シートと支持体の複数層構造にしてそれぞれをフッ素などによる撥水化処理を行うことで、陰極における酸素と水素イオンの接触確率が高まり、過酸化水素の生成特性が改善する、といった従来にない顕著な効果を得ることができる。
【００４６】
実施の形態３．
図１０は、本発明の実施の形態３における過酸化水素製造装置を冷暖房機能を有する空調機に設置した例を示す概略断面図である。空気中の水蒸気は熱交換器２０の表面において冷却され、熱交換器２０の表面で凝縮され凝縮水２１となる（凝縮水のことを以下「ドレン水」と呼ぶ）。熱交換器２０の表面は親水化処理されているため、ある一定以上の凝縮水２１が付着すると自然落下を始めて、ドレン水２３として、ドレンパン２２に回収される。次に、ドレン水２３は水供給手段２４によって一定速度で過酸化水素製造装置２５の陽極電極に供給され、陰極電極には送風ファン（図示せず）によって送出された空気が供給される。生成された過酸化水素水は過酸化水素水供給手段２６によって熱交換器２０の表面に散布され、熱交換器２０の表面に発生、付着するカビや細菌などを除去する。
【００４７】
水供給手段２４、過酸化水素水供給手段２６としては、液送ポンプなどの動力や、繊維状の吸水性シートの毛管現象、超音波噴霧などを利用することができる。吸水性のシートとしては、パルプとポリエチレン繊維を編んだシートやセラミック繊維、ガラス繊維からなるシートを用いることができる。特に、過酸化水素を熱交換器２０へ供給する場合には、過酸化水素との反応性の低い、セラミック繊維、ガラス繊維を用いるのが好ましい。
【００４８】
このように、本発明の過酸化水素製造装置を設置した空調機によると、過酸化水素の生成に必要な水を確保できない環境下においても使用することができ、空気中に存在する希薄な水を利用して過酸化水素を生成することができるという効果があり、空調機内部にある熱交換器により凝縮された水を利用して過酸化水素製造装置により製造された過酸化水素で熱交換器を洗浄することで、熱交換器の表面に発生するカビや細菌の発生を抑制することができる効果がある。
【００４９】
〔実施例６〕
図１１は、本発明の実施の形態３における過酸化水素製造装置を設置した空調機による熱交換器に付着させた菌体に対する除菌効果を実施例６の測定結果を示す。以下のような設定条件で試験を実施した。過酸化水素の生成条件としては、実施の形態１において、電流値０．５〜５Ａ、温度２５℃、供給する空気流量が２０〜１００ｃｃ／ｍｉｎ、陽極電極３と陰極電極４の面積が１９ｃｍ２、フランジ７ｂと陰極電極４の間の間隔ｄは３ｍｍである。また、電解セル１を構成する材料は実施例１と同様のものを用いた。
【００５０】
空気中の水蒸気は熱交換器２０の表面において冷却され、熱交換器２０の表面で凝縮されて凝縮水２１となる。熱交換器２０の表面は親水化処理されているため、単位面積あたり０．１ｍｇ／ｃｍ２以上の凝縮水２１が付着すると自然落下を始めて、ドレンパン２２に回収される。次に、ドレンパン２２のドレン水２３は水供給手段２４によって一定速度で過酸化水素製造装置２５の陽極電極に供給され、陰極電極には送風ファン（図示せず）によって送出された空気が供給される。生成された過酸化水素水は過酸化水素水供給手段２６によって熱交換器２０の表面に散布される。予め熱交換器２０の表面には大腸菌を１ｃｍ２あたり９００個生息させておき、過酸化水素製造装置２５により生成された過酸化水素水溶液を噴霧した場合の大腸菌の菌体数を測定した。水供給手段２４としては、厚さが０．２５ｍｍから３ｍｍ、線径０．１μｍから１００μｍのガラス繊維を主成分とする無機酸化物からなる幅４０ｍｍ、長さ３０ｃｍの複合ペーパを用いた。過酸化水素水供給手段２６には、超音波噴霧装置（本田電子（株）、ＨＭ−３０３Ｎ）を用いた。噴霧速度としては２５０ｃｃ／ｈｒ、噴霧粒径は３μｍに設定した。
【００５１】
次に、熱交換器２０に生成された過酸化水素を散布した場合における熱交換器表面の菌体数の変化について詳細に述べる。図１１は、電流値を０．５Ａに設定した場合の前記菌体数の時間変化を実施例６−１として実線Ａで、電流値を５Ａに設定した場合の菌体数の時間変化を実施例６−２として一転鎖線Ｂで示す。また、比較のために本実施例において直流電源をＯＦＦして、電流値を０Ａに設定した場合の菌体の時間変化を比較例６として図１１に鎖線Ｃで示す。実施例６−１、６−２では直流電源ＯＮとともに時間に伴って大腸菌の菌体数が減少し、減少速度は電流値に比例して増加した。これは、電流値に比例して過酸化水素濃度が増加したためを考えられる。実施例６−１および実施例６−２での過酸化水素の生成量はそれぞれ１２０ｐｐｍ、８００ｐｐｍであった。これに対して、比較例６では過酸化水素が生成されないので、菌体数はほぼ８００〜９００個／ｃｍ２と一定であった。
【００５２】
このように、過酸化水素の生成に必要な水を確保できない環境下において使用される空調機においても、熱交換器により凝縮された水を利用して本発明の過酸化水素製造装置により製造された過酸化水素水で熱交換器を洗浄することにより空調機内部にある、熱交換器の表面に発生するカビや細菌の発生を抑制できる効果があることが確認できた。
【００５３】
実施の形態４．
図１２は、本発明の実施の形態４における過酸化水素製造装置を業務用に使用される空気清浄機に設置した例を示す概略断面図である。図１２に示すように、空気を循環させる送風機２７、温湿度調整を行う冷却コイル２８及び加熱コイル２９及び過酸化水素水を空気と接触させる水膜を形成する除菌エレメント３０が装置内部に設置されて空気清浄機３６が構成されている。
また、除菌エレメント３０に過酸化水素水を供給するための手段として過酸化水素水製造装置２８が設けられ、生成された過酸化水素水がポンプ３１、流量調整弁３２を介して、散水ヘッダ３３より除菌エレメント３０に供給されるように構成されている。そして、除菌エレメント３０設置側（図１１中、左側）から、除菌対象となる空気３４が空気清浄機３６内に吸引されるように構成されている。また、水膜を形成する除菌エレメント３０の中央部にはパッドが配設され、その上面には分散マット（図示せず）が取付けられている。そして、この分散マットに流量調整弁３２に接続された散水ヘッダ３３を介して過酸化水素水が供給されるように構成されている。さらに、除菌エレメント３０の下部にはドレンパン２２が配設され、パッドを流下した過酸化水素水を装置外部に排出できるように構成されている。
【００５４】
過酸化水素製造装置２８で生成された過酸化水素水はポンプ３１で吸い上げられ、流量調節弁３２を通して、散水ヘッダ３３により除菌エレメント３０の分散マットに散布される。一方、空気３４は送風機２７により、空気清浄機３６本体に取り込まれ、除菌エレメント３０でカビや細菌が除去され、冷却コイル２８で冷やされ、除湿された後、加熱コイル２９で暖められ、清浄化された空気３５が、空気清浄機３６から取り出される。
【００５５】
なお、水膜を形成する除菌エレメント３０のパッドとして、保水性の高い吸水性素材を使用すると、過酸化水素水の滴下量を低減することができるだけでなく、除菌対象となる空気との接触時間を長くすることができるので、除菌性能を向上させることができる。このパッドの材質としては、例えば、グラスファイバを骨材として焼成した複合セラミックスや、多孔質セラミックを用いることができる。また、ポリエステル、ポリエチレン等の化学繊維を用いた吸水性素材を用いてもよい。
【００５６】
このように、本発明による過酸化水素製造装置を業務用に使用される空気清浄機に設置することで、効率よく過酸化水素が生成され、除菌エレメントにより空気中に存在するカビや細菌を除去できる効果がある。
【００５７】
実施の形態５．
図１３は、本発明の実施の形態５における過酸化水素製造装置を加湿器に設置した例を示す概略断面図である。図１３に示すように加湿器は、空気を加湿するための水を貯めておく貯水タンク３７、加湿素子３８から水を回収するドレンパン２２、ドレンパン２２から貯水タンク３７にドレン水２３を送る配管４０、貯水タンク３７と加湿素子３８を結ぶ配管４１などから構成されている。
【００５８】
加湿用の水は、貯水タンク３７から水供給手段２４によって一定速度で過酸化水素製造装置２５の陽極電極に水が供給され、陰極電極には送風ファン（図示せず）によって送出された空気が供給される。過酸化水素製造装置２５で生成された過酸化水素水は過酸化水素水供給手段２６によって、加湿素子３８に散布される。過酸化水素水３９は加湿素子３８の表面を洗浄し、表面に発生するカビや細菌などを除去する。洗浄に使用された過酸化水素水３９はドレンパン２２で回収される。ドレンパン２２のドレン水２３は配管４０を通して貯水タンク３７に送られる。配管４１は、貯水タンク３７から加湿素子３８に水を供給するためのものである。
水供給手段２４、過酸化水素供給手段２６としては、液送ポンプなどの動力や、繊維状の吸水性シートの毛管現象、超音波噴霧などを利用することができる。吸水性のシートとしては、パルプとポリエチレン繊維を編んだシートやセラミック繊維、ガラス繊維からなるシートを用いることができる。特に、過酸化水素を加湿素子３８へ送出する場合には、過酸化水素との反応性の低い、セラミック繊維、ガラス繊維を用いるのがよい。
【００５９】
このように、加湿器で水分が蓄積しやすい部分、特に加湿素子、ドレンパンなどはカビが発生しやすいという問題があるが、加湿用の水の一部を利用して本発明による過酸化水素製造装置により過酸化水素を生成させて加湿素子を洗浄することにより、カビや細菌の発生を抑制する効果がある。また、一度、過酸化水素を供給した場所が乾燥した場合でも、過酸化水素は水と比較して蒸気圧が１／１０程度であるので蒸発しにくいため、過酸化水素が濃縮されてカビや細菌の除菌効果は飛躍的に向上する。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】実施の形態１における過酸化水素製造装置を示す概略断面図である。
【図２】実施の形態１における過酸化水素製造装置の電解セルの構成を示す概略断面図である。
【図３】実施の形態１における過酸化水素生成の説明図である。
【図４】実施の形態１における過酸化水素製造装置を用いた気液切替による過酸化水素生成特性を示す。
【図５】実施の形態１における過酸化水素製造装置を用いた気液供給時間による過酸化水素生成特性を示す。
【図６】実施の形態２における過酸化水素製造装置の電解セルの構成を示す概略断面図である。
【図７】実施の形態２における過酸化水素製造装置の電解セル材料の違いによる過酸化水素生成特性を示す。
【図８】実施の形態２における過酸化水素製造装置の電解セルのフッ素処理有無による過酸化水素生成特性を示す。
【図９】実施の形態１と実施の形態２における過酸化水素製造装置による過酸化水素生成特性の比較図である。
【図１０】実施の形態３における過酸化水素製造装置を空気清浄機に設置した例を示す概略断面図である。
【図１１】実施の形態３における過酸化水素製造装置を設置した空気清浄機の熱交換器に付着させた菌体に対する除菌効果の結果を示す。
【図１２】実施の形態４における過酸化水素製造装置を業務用に使用される空気清浄機に設置した例を示す概略断面図である。
【図１３】実施の形態５における過酸化水素製造装置を加湿器に設置した例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００６１】
１ 電解セル
２ 高分子電解質膜
３ 陽極電極
４ 陰極電極
９ 陽極給水口
１２ 過酸化水素水取出口
１３ 気液切替器
１４ 酸素含有ガス供給口
１５ 陰極給水口
１６ 直流電源
２０ 熱交換器
２５、２８ 過酸化水素製造装置
３０ 除菌エレメント
３８ 加湿素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素イオン伝導性を有する電解質膜と前記電解質膜の第１の面に接して配置された陽極電極と前記電解質膜の第２の面に接して配置された陰極電極とにより構成される電解セルと、
前記陽極電極に水を供給する手段と、
前記陰極電極に酸素含有ガスと水とを交互に供給する気液切替手段と、
前記陽極電極と前記陰極電極との間に直流電圧を印加する電源と、
を備えたことを特徴とする過酸化水素製造装置。
【請求項２】
陰極電極が、炭素系基材上に炭素粒子と電解質粒子から構成される還元触媒層を持ち、前記還元触媒層が電解質膜に接していることを特徴とする請求項１に記載の過酸化水素製造装置。
【請求項３】
陰極電極が、炭素系材料からなる電極シートと、前記電極シートの一方の面にＰＴＦＥ粒子とグラファイト粉末の分散層からなるキャスティングフイルムが接合され、前記電極シートの反対面にＰＴＦＥ粒子を表面に付着させた黒鉛繊維布からなる支持体が接合して構成され、前記キャスティングフイルムが電解質膜に接していることを特徴とする請求項１に記載の過酸化水素製造装置。
【請求項４】
炭素系材料として黒鉛を用いたことを特徴とする請求項３に記載の過酸化水素製造装置。
【請求項５】
陰極電極をフッ素ガス処理したことを特徴とする請求項３および請求項４のいずれかに記載の過酸化水素製造装置。
【請求項６】
酸素含有ガスと水の気液供給時間比が２から２５であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の過酸化水素製造装置。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれかに記載された過酸化水素製造装置において製造される過酸化水素を用いて熱交換器を洗浄することを特徴とする空調機。
【請求項８】
請求項１から請求項６のいずれかに記載された過酸化水素製造装置において製造される過酸化水素を用いて空気を除菌することを特徴とする空気清浄機。
【請求項９】
請求項１から請求項６いずれかに記載された過酸化水素製造装置において製造される過酸化水素を用いて加湿素子を洗浄することを特徴とする加湿器。
【請求項１】
水素イオン伝導性を有する電解質膜と前記電解質膜の第１の面に接して配置された陽極電極と前記電解質膜の第２の面に接して配置された陰極電極とにより構成される電解セルと、
前記陽極電極に水を供給する手段と、
前記陰極電極に酸素含有ガスと水とを交互に供給する気液切替手段と、
前記陽極電極と前記陰極電極との間に直流電圧を印加する電源と、
を備えたことを特徴とする過酸化水素製造装置。
【請求項２】
陰極電極が、炭素系基材上に炭素粒子と電解質粒子から構成される還元触媒層を持ち、前記還元触媒層が電解質膜に接していることを特徴とする請求項１に記載の過酸化水素製造装置。
【請求項３】
陰極電極が、炭素系材料からなる電極シートと、前記電極シートの一方の面にＰＴＦＥ粒子とグラファイト粉末の分散層からなるキャスティングフイルムが接合され、前記電極シートの反対面にＰＴＦＥ粒子を表面に付着させた黒鉛繊維布からなる支持体が接合して構成され、前記キャスティングフイルムが電解質膜に接していることを特徴とする請求項１に記載の過酸化水素製造装置。
【請求項４】
炭素系材料として黒鉛を用いたことを特徴とする請求項３に記載の過酸化水素製造装置。
【請求項５】
陰極電極をフッ素ガス処理したことを特徴とする請求項３および請求項４のいずれかに記載の過酸化水素製造装置。
【請求項６】
酸素含有ガスと水の気液供給時間比が２から２５であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の過酸化水素製造装置。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれかに記載された過酸化水素製造装置において製造される過酸化水素を用いて熱交換器を洗浄することを特徴とする空調機。
【請求項８】
請求項１から請求項６のいずれかに記載された過酸化水素製造装置において製造される過酸化水素を用いて空気を除菌することを特徴とする空気清浄機。
【請求項９】
請求項１から請求項６いずれかに記載された過酸化水素製造装置において製造される過酸化水素を用いて加湿素子を洗浄することを特徴とする加湿器。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００８−８１７６１（Ｐ２００８−８１７６１Ａ）
【公開日】平成２０年４月１０日（２００８．４．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２６０４２１（Ｐ２００６−２６０４２１）
【出願日】平成１８年９月２６日（２００６．９．２６）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年４月１０日（２００８．４．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年９月２６日（２００６．９．２６）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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