電解用電極及びその電解用電極を用いたオゾン生成装置
【課題】高効率でオゾン水を生成することができる電解用電極、及びその電解用電極を用いたオゾン生成装置を提供する。
【解決手段】基材１１の少なくとも一方の面に溝１３を形成し、溝１３に沿うように導電性ダイヤモンド膜を成膜して電解用電極１を構成する。そして、この電解用電極１をオゾン生成装置１０の電解セルの陽極１Ｐとして用いる。溝１３が被処理液の流路として機能し、電解セルに供給される被処理液の流量が増し、高効率にオゾン水を生成することができる。
【解決手段】基材１１の少なくとも一方の面に溝１３を形成し、溝１３に沿うように導電性ダイヤモンド膜を成膜して電解用電極１を構成する。そして、この電解用電極１をオゾン生成装置１０の電解セルの陽極１Ｐとして用いる。溝１３が被処理液の流路として機能し、電解セルに供給される被処理液の流量が増し、高効率にオゾン水を生成することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解用電極、及びその電解用電極を陽極として持つオゾン生成装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
オゾンは酸化力の非常に強い物質であり、その酸化力に由来する殺菌、脱色、及び脱臭作用が様々な分野で応用されている。オゾンを利用した殺菌方法及び脱色方法等は、オゾン自身が容易に自然分解して酸素となるため、二次汚染のない安全な処理方法であり、近年注目されている。オゾンが水に溶け込んだオゾン水は酸化力が更に向上し、一般に殺菌等に用いられている。これらの目的のために、オゾン水のより簡便かつ高効率な生成手法の開発が求められている。
【０００３】
オゾン水を得るための手段としては、オゾンガスを生成し、このオゾンガスを水中に溶解させる手法や、オゾン水を直接生成する電解法が知られている。オゾンガスを水中に溶解させる手法は、無声放電法でオゾンガスを生成させ、気液溶解塔に通じて水に溶解させるため、装置構成が大型及び複雑になる。
【０００４】
一方、電解法では、多孔質状或いは網状の陽極と陰極とで固体高分子膜を挟むことで電解セルを構成し、この電解セルに水道水や純水を流すことでオゾン水が得られるため、装置構成が小型になる。
【０００５】
この電解法に用いられる電解セルの陽極として、例えば、特許文献１には、基材の片面にダイヤモンドの薄膜を付着させた多孔性グラファイト板を採用したものが開示されている。しかしながら、基材にダイヤモンドの薄膜を付着させるとダイヤモンドが剥離するという問題がある。また、メッシュ状の基材にダイヤモンドを形成する場合には、ダイヤモンドを成膜する際に、電解分布が均一ではなく、プラズマの集中が起こり局所的な加熱による破損や、ピンホールの発生が懸念される。
【０００６】
そこで、特許文献２には、レーザ加工によりダイヤモンド板の表面を多孔質状又は網状の構に加工したものを電解セルの陽極として使用する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平９−２６８３９５号公報
【特許文献２】特開２００５−３３６６０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献２では、陽極の表面に形成された孔の間隔が１ｍｍ程度と大きいため、陽極、固体高分子膜、及び水が同時に接触する三相界面の領域を充分に確保することができず、高効率でオゾンを生成させることができないという問題がある。
【０００９】
また、特許文献１、２共、陽極の表面において、被処理液を流し易くする措置が何ら採られていないため、高効率でオゾンを生成させるために更なる改善の余地がある。
【００１０】
本発明の目的は、高効率でオゾン水を生成することができる電解用電極、及びその電解用電極を用いたオゾン生成装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
（１）本発明による電解用電極は、略平板形状を持つ基材と、前記基材の少なくとも一方の面に形成された導電性ダイヤモンド膜と、前記導電性ダイヤモンド膜が形成された面に形成され、被処理液の流路である溝とを備える。
【００１２】
この構成によれば、基材が概略平板形状を持つため、基材の表面にプラズマＣＶＤ法を用いて導電性ダイヤモンドを成膜する場合、プラズマの集中が避けられ、導電性ダイヤモンドを均一、かつ、優れた密着力で成膜することができる。
【００１３】
一方で、電解用電極の表面が平坦であれば、この陽極をオゾン生成装置に適用した場合、陽極、固体高分子膜、及び水が接触する三相界面の領域を確保することが困難であるため、良好な電解を行うことができない。
【００１４】
そこで、本構成では、電解用電極の表面に被処理液を流す流路である溝を形成した。そのため、三相界面を確保すると同時に被処理液の流量を増大させることができ、高効率でオゾン水を生成することができる。
【００１５】
（２）前記溝は、略平行に複数形成されていることが好ましい。この構成によれば、溝の長手方向を被処理液の上流から下流方向に向けて配置することで流量を増加させ、より多くのオゾン水を生成することができる。
【００１６】
（３）前記溝は、相互に接続されるように複数形成されていることが好ましい。この構成によれば、溝を相互に接続することで被処理液をスムーズに流すことができ、かつ、三相界面を増大させることができる。溝を相互に接続させる具体例としては、例えば、格子状や網目状が挙げられる。格子状としては、電解用電極の縦方向に一定の間隔で複数の溝を平行に形成し、かつ、電解用電極の横方向に一定の間隔で複数の溝を平行に形成する態様を採用すればよい。或いは、電解用電極の所定の第１斜め方向に一定の間隔で複数の溝を平行に形成し、かつ、第１斜め方向と交差する第２斜め方向に一定の間隔で複数の溝を平行に形成する態様を採用すればよい。網目状としては、例えば、タイルの目地のように溝を形成する態様を採用すればよい。その他、溝として、樋形状、三角状等が挙げられる。いずれにせよ溝の形状は、ダイヤモンドのつきまわりに影響が無い範囲で任意である。更に、溝の内壁に凹凸を設ける態様が好ましい。これにより、反応に寄与する三相界面が増大するとともに、電極表面で発生したオゾンを乱流を利用して速やかに溶解することができるため、オゾン水をさらに高効率で生成することができる。
【００１７】
（４）前記基材は、シリコンであることが好ましい。
【００１８】
この構成によれば、最も実績があり、かつ、スケール（酸化カルシウムやリン酸塩、シリカ等を成分とする析出物）が付着し難いシリコンが用いられているため、耐久性の高い電解用電極を提供することができる。なお、基材としてシリコンを用い、ＣＶＤで導電性ダイヤモンドを成膜する場合、成膜中に界面に炭化物が形成されるため、導電性ダイヤモンドの密着度をより向上させることができる。
【００１９】
（５）前記基材は、チタン、ニオブ、タンタル、チタン炭化物、ニオブ炭化物、又はタンタル炭化物であることが好ましい。この構成によれば、基材として、チタン、ニオブ、タンタル、又はこれらの炭化物が採用されているため、機械加工を用いて容易に溝を形成することができる。
【００２０】
（６）前記導電性ダイヤモンド膜は、プラズマＣＶＤ法により製造されることが好ましい。ＣＶＤ法として熱フィラメントを用いる手法やプラズマＣＶＤ法が知られているが、中でもプラズマＣＶＤ法を使用すると、溝の内部への導電性ダイヤモンド膜へのコーティングを確実に行うことができる。また、プラズマＣＶＤ法は、工業的に最も安定で、かつドーピングの再現性に優れるといったメリットもある。そこで、本構成では、プラズマＣＶＤ法を用いることが好ましい。
【００２１】
（７）本発明によるオゾン生成装置は、水を電気分解してオゾンを生成するオゾン生成装置であって、固体高分子膜と、前記固体高分子膜を挟んで配設された陰極及び陽極とを備え、前記陽極は、（１）〜（６）のいずれかに記載の電解用電極を用いて構成され、前記溝の形成された面が前記固体高分子膜に密着して配置され、前記溝に被処理液を供給する供給部とを備える。
【００２２】
この構成によれば、（１）〜（６）のいずれかの電解用電極が陽極として用いられているため、高効率でオゾン水を生成することができる。また、陽極は溝の形成された面が固体高分子膜に密着されているため、陽極と固体高分子膜との距離が短くなり、電気分解により発生したオゾンを速やかに移動させ、かつ、電気分解に寄与しない水の流れを最小限にすることができる。また、陽極と固体高分子膜とを密着させることで、装置構成をコンパクトにすることができる。更に、陽極が溝を備えているため、固体高分子膜と溝とを密着させても三相界面が確保され、高効率でオゾン水を生成することができる。
【００２３】
（８）前記供給部は、前記被処理液を前記溝に供給する供給路と、前記溝を通った被処理液が、前記供給路に戻らないように前記被処理液を排出する排水路とを備えることが好ましい。
【００２４】
この構成によれば、排出した被処理液が再度、陽極に供給されることが防止され、高効率にオゾン水を生成することができる。
【００２５】
（９）前記陽極は、前記被処理液の流れる方向に対する長さが、前記固体高分子膜の前記方向の長さよりも長いことが好ましい。
【００２６】
この構成によれば、被処理液体を上流から下流にスムーズに流すことができ、高効率でオゾン水を生成することができる。
【００２７】
（１０）前記陽極は、前記被処理液の流れる方向に対する長さが、前記固体高分子膜の前記方向の長さよりも短いことが好ましい。
【００２８】
この構成によれば、陽極の被処理液に流れる方向の長さが、固体高分子膜の同方向の長さよりも長くされているため、供給口及び排出口を陽極に面して配置することができ、セッティングの自由度が広がる。また、陽極の両面に導電性ダイヤモンド膜及び溝を形成して、陽極の両面に被処理液を流すことができ、オゾンの生成効率を更に高めることができる。
【００２９】
（１１）前記陰極は、メッシュ構造を持つことが好ましい。ここで、メッシュ構造としては、例えば水の出入りが容易な多孔質構造を採用すればよい。
【００３０】
この構成によれば、陰極がメッシュ構造を持つため、陰極を固体高分子膜と密着させても陰極側でのイオン交換を効率よく行うことができる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、高効率にオゾン水を生成する電解用電極及びオゾン生成装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施の形態による電解用電極の構成図である。
【図２】溝を電解用電極の表面に平行に複数設けた場合の電解用電極の上面図である。
【図３】複数の溝を相互に接続させた場合の電解用電極の上面図である。
【図４】本発明の実施の形態によるオゾン生成装置の全体構成図である。
【図５】（Ａ）は図４のオゾン生成装置を水平方向に置いたときのオゾン生成装置の全体構成図であり、（Ｂ）は（Ａ）の陽極、固体高分子膜、及び陰極を溝に沿って切ったときの断面図である。
【図６】両面に溝が形成された電解用電極を陽極として用いた場合のオゾン生成装置の全体構成図である。
【図７】図５に示すオゾン生成装置において、固体高分子膜２の方向Ｌ１の長さを陽極の長さよりも長くした場合のオゾン生成装置の全体構成図を示している。
【図８】図７のオゾン生成装置を溝に沿って切断したときの断面図である。
【図９】陽極の両面に溝を形成した場合において、固体高分子膜に陰極を密着させた場合の電解セルの構成図を示している。
【図１０】陽極の一方の面のみに溝を形成し、かつ、陰極をスペーサーを介して固体高分子膜に取り付けた場合の電解セルの構成図を示している。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、本発明の実施の形態による電解用電極について説明する。図１は、本発明の実施の形態による電解用電極１の構成図であり、（Ａ）は溝１３の構成図であり、（Ｂ）〜（Ｅ）は、溝１３の変形例を示した構成図である。
【００３４】
図１（Ａ）に示すように電解用電極１は、基材１１、導電性ダイヤモンド膜１２、及び溝１３（流路の一例）を備える。基材１１は、略平板形状を持ち、上面視において四角形状を持つ。基材１１としては、ダイヤモンドとの密着性が高いシリコンを採用することが好ましい。
【００３５】
後述するように導電性ダイヤモンド膜１２の成膜は８００℃の高温で行われた後、冷却されるため、基材１１として熱膨張率の高い物質を採用すると、導電性ダイヤモンド膜１２が剥離する虞がある。そのため、基材１１としては、熱膨張率の小さい物質であるチタン、ニオブ、又はタンタル等のカーバイトフォーミングメタル（炭化物成長金属）を採用してもよい。
【００３６】
また、チタン、ニオブ、又はタンタルは、炭化されると熱膨張率が更に低下する。したがって、熱膨張率を低下させるという観点からは、チタンの炭化物、ニオブの炭化物、又はタンタルの炭化物を採用することが好ましい。
【００３７】
導電性ダイヤモンド膜１２は、基材１１の上面に形成されている。溝１３は、導電性ダイヤモンド膜１２が形成された面に形成されている。このように、電解用電極１の表面に溝１３が形成されているため、電解用電極１を図４等に示すオゾン生成装置の陽極１Ｐとして用いた場合、被処理液の流量を増大させることができ、高効率でオゾン水を生成することができる。
【００３８】
なお、図１の例では、電解用電極１は、上面のみに導電性ダイヤモンド膜１２及び溝１３を持っているが、両面に導電性ダイヤモンド膜１２及び溝１３を持っていても良い。こうすることで、電解用電極１をオゾン生成装置の陽極１Ｐとして用いた場合、被処理液を陽極の両面に流し、より多くのオゾン水を生成することができる。
【００３９】
溝１３の高さｈは、例えば０．２〜１．２ｍｍ、好ましくは０．２５〜１．１ｍｍ、より好ましくは１ｍｍ程度であるが、薄いシリコン基板を基材として用いる場合には、破損を避けるため、厚みの１／２程度に抑えることが望ましい。また、溝１３の幅ｗは、例えば０．５ｍｍ〜２．２ｍｍ、好ましくは、０．８ｍｍ〜２．１ｍｍ、より好ましくは２ｍｍ程度である。陽極、水、及び固体高分子膜が同時に接触する三相界面を増やしてオゾンを高効率で生成するという観点からは小さな溝１３を高密度で設けることが好ましい。しかしながら、本実施の形態では、溝１３に対して、被処理液を流す流路としての機能も持たせている。したがって、溝１３を大きくすると被処理液の流量が増えるため、溝１３を流路として機能させるという観点からは、溝１３を大きくすることが好ましい。そこで、本実施の形態では、三相界面を確保すると同時に溝１３を流路として機能させるために、溝１３の高さｈ及び幅ｗとして上記の値を採用している。
【００４０】
なお、図１（Ａ）では、溝１３の断面形状として底面がフラットで、内壁が底面に直交する形状を採用したが、図１（Ｂ）に示すように、溝１３の断面形状を鋸状としてもよい。また、図１（Ｃ）に示すように溝１３の断面形状を半円状としてもよい。
【００４１】
また、図１（Ｄ）に示すように、溝１３の断面形状として底面に凹凸を設けたものを採用してもよい。この凹凸はたとえば単結晶シリコン基板を用いる場合では、ＫＯＨやＴＭＡＨによる異方性エッチングを行うか、部分的にダイシングソーにて切込みを入れることで形成可能である。こうすることで、溝１３の表面積が増えて三相界面が増大し、オゾン水を高効率に生成することができる。また、図１（Ｅ）に示すように、上面視において溝１３に凹凸を設けてもよい。この場合、三相界面を更に増大させることができる。
【００４２】
図２は、溝１３を電解用電極１の表面に平行に複数設けた場合の電解用電極１の上面図である。図２の例では、溝１３は一定の間隔ｄで平行に複数設けられている。ここで、間隔ｄとしては、三相界面の確保と流路機能の確保という観点から高密度にすることが好ましいが、製造上の観点から高密度にするにも一定の限界がある。そこで、本実施の形態では、両観点を考慮に入れた値が間隔ｄとして採用されている。間隔ｄとしては、例えば０．５ｍｍ〜２．２ｍｍ、好ましくは、０．８ｍｍ〜２．１ｍｍ、より好ましくは１ｍｍ程度である。
【００４３】
図３は、複数の溝１３を相互に接続させた場合の電解用電極１の上面図であり、（Ａ）及び（Ｂ）は、溝１３を格子状に形成した場合を示し、図３（Ｃ）は溝１３を網目状に形成した場合を示し、図３（Ｄ）は溝１３をハニカム状に形成した場合を示している。
【００４４】
図３（Ａ）においては、電解用電極１の横方向に間隔ｄ１で複数の溝１３が平行に形成され、かつ、電解用電極の縦方向に間隔ｄ２で複数の溝１３が平行に形成されている。なお、間隔ｄ１，ｄ２としては同じ値を採用してもよいし、異なる値を採用してもよい。また、縦の溝１３と横の溝１３とでサイズを変えても良い。
【００４５】
図３（Ｂ）においては、電解用電極１の所定の第１斜め方向ｄｒ１とほぼ平行に複数の溝１３が形成され、かつ、第１斜め方向ｄｒ１と交差する第２斜め方向ｄｒ２とほぼ平行に複数の溝１３が形成されている。ここで、第１斜め方向ｄｒ１，と第２斜め方向ｄｒ２とのなす角度θとしては、種々の角度を採用することができるが、図３（Ｂ）では例えば９０度程度が採用されている。また、図３（Ｂ）の例では、第１斜め方向ｄｒ１の溝１３の間隔と、第２斜め方向ｄｒ２の溝１３の間隔とはほぼ一定であるが、一定にしなくてもよい。また、第１、第２斜め方向ｄｒ１、ｄｒ２の溝１３の向きに多少のバラツキを与えても良い。
【００４６】
図３（Ｃ）においては、タイルの目地のように溝１３が形成され、溝１３が網目状に形成されている。また、図３（Ｄ）においては、上辺と下辺とが接するようにほぼ六角形の溝１３が複数配列されている。図３（Ａ）〜（Ｄ）に示すように少なくとも２方向に複数の溝１３を形成すると、三相界面を増大すると同時に被処理液の流量を増大させることができる。
【００４７】
図４は、本発明の実施の形態によるオゾン生成装置１０の全体構成図である。オゾン生成装置１０は、陽極１Ｐ、固体高分子膜２、陰極３、供給路４１（供給部の一例）、排水路４２（供給部の一例）、固定ジグ５、陽極ホルダ６、及びパッキン７を備えている。
【００４８】
陽極１Ｐは、図１〜図３のいずれかに示す電解用電極１が採用されている。陽極１Ｐは、溝１３が形成された面が固体高分子膜２の一方の面に密着して配置されている。
【００４９】
固体高分子膜２は、平板形状を持ち、陽極１Ｐと陰極３とで挟まれている。固体高分子膜２としては、例えばデュポン社製のナフィオン（登録商標）が採用されている。固体高分子膜２は、固定ジグ５の下面（図の右側の面）に嵌め込まれて固定されている。また、固体高分子膜２は、供給口４１ｘと排出口４２ｘとの間に設けられている。これにより、供給路４１と排水路４２とが固体高分子膜２及び陽極１Ｐにより隔離され、排水路４２から排出された被処理液が、再度、陽極１Ｐ側に戻ることを防止することができる。
【００５０】
陰極３は、平板状の部材により構成され、固定ジグ５の上面（陽極１Ｐが配置された面と反対側の面）に配置されている。
【００５１】
固定ジグ５の中央にはスペーサー５１が嵌め込まれ、陰極３はスペーサー５１に密着している。スペーサー５１は、多孔質の物質により構成されている。したがって、陰極３は、固体高分子膜２と多少離間して配置されている。
【００５２】
なお、スペーサー５１を用いずに、陰極３を固体高分子膜２から距離を離して設置してもよい。或いは、陰極３としてメッシュ構造を持つものを採用すれば、スペーサー５１を介さずに陰極３を、固体高分子膜２に密着させることができる。この場合、陰極３側でのイオン交換をより効率良く行うことができる。
【００５３】
陽極１Ｐは、被処理液の流れる方向Ｌ１（上下方向）に対する長さが、固体高分子膜２の方向Ｌ１の長さよりも長い。また、固体高分子膜２は、陽極１Ｐのほぼ中央に配置されている。そのため、陽極１Ｐの方向Ｌ１の上流側と下流側とにおいて固体高分子膜２から露出した領域Ｄ１，Ｄ２が確保される。これにより、領域Ｄ１に供給路４１を配置し、かつ、領域Ｄ２に排水路４２を配置することができ、供給路４１及び排水路４２を陰極３側にのみ設けることができる。その結果、陽極１Ｐ側に供給路４１、陰極３側に排水路４２を設ける場合に比べ、装置構成のコンパクト化を図ることができる。
【００５４】
供給路４１は、陽極１Ｐの領域Ｄ１と対向する位置に供給口４１ｘが位置し、かつ、固定ジグ５の上面側に配置された管状の部材から構成され、上側に接続された図略の被処理液供給部から供給される被処理液を陽極１Ｐに供給する。被処理液としては水道水又は軟水が採用される。供給路４１は、下流側の一部が固定ジグ５を連通する孔により構成されている。
【００５５】
排水路４２は、排出口４２ｘが陽極１Ｐの領域Ｄ２と対向する位置に位置するように固定ジグ５に形成された孔である。パッキン７は、陽極ホルダ６の外周と固定ジグ５の外周とに介設さている。これにより、固定ジグ５の外部に被処理液が流れることを防止することができる。オゾンを含む排水は、タンク２０に混合されるが、供給路４１と同様に管状の部材を配置し、タンク２０等に混じることなく引き出してもよい。この場合、さらに高密度のオゾン水を得ることができる。
【００５６】
タンク２０は、オゾン生成装置１０の下部の４／３程度を収納可能なサイズを持ち、上側が開口する有底の箱体により構成され、被処理液を貯蔵する。オゾン生成装置１０は、少なくとも陰極３が水に浸されるように、タンク２０内の被処理液に浸漬される。また、タンク２０は、排水路４２から排出される被処理液を貯蔵する。
【００５７】
このように構成されたオゾン生成装置１０では、被処理液は、供給路４１から供給され、陽極１Ｐの溝１３、排水路４２、及びタンク２０へと流れている。この状態で、陽極１Ｐ、及び陰極３の間に電圧を印加する。すると、陽極１Ｐにて、２Ｈ２Ｏ→Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−、３Ｈ２Ｏ→Ｏ３＋６Ｈ＋＋６ｅ−の反応が起こり、陰極３にて、ｎＨ＋＋ｎｅ−→（ｎ／２）Ｈ２（但し、ｎ＝４ｏｒ６）の反応が起こり、オゾンが発生する。そして、このオゾンが被処理液である水に溶けオゾン水となって排水路４２から排出される。
【００５８】
このように、本実施の形態によるオゾン生成装置１０では、表面に複数の溝１３を持つ電解用電極１が陽極１Ｐとして用いられているため、高効率にオゾン水を生成することができる。
【００５９】
図５（Ａ）は、図４のオゾン生成装置１０を水平方向に置いたときのオゾン生成装置１０の全体構成図であり、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）の陽極１Ｐ、固体高分子膜２、及び陰極３を含む電解セルを溝１３に沿って切ったときの断面図である。
【００６０】
陽極ホルダ６は、凹部６１を備え、この凹部６１に陽極１Ｐが嵌め込まれている。また、陽極ホルダ６の底面中央には、電極板１ｘが取り付けられている。電極板１ｘには導線ＬＮ１が接続されている。陰極３には導線ＬＮ２が接続されている。
【００６１】
図６は、両面に溝１３が形成された電解用電極１を陽極１Ｐとして用いた場合のオゾン生成装置１０の全体構成図である。図６に示すように陽極１Ｐは両面に溝１３ａ，１３ｂが形成されている。図５では、陽極１Ｐは固定ジグ５と陽極ホルダ６とで挟まれていたが、図６では、陽極１Ｐは一対の固定ジグ５ａ，５ｂで挟まれている。陽極１Ｐには導線ＬＮ１が接続され、導線ＬＮ１を介して正の電圧が印加される。陰極３，３にはそれぞれ導線ＬＮ２が接続され、導線ＬＮ２を介して負の電圧が印加される。
【００６２】
また、固定ジグ５ａと固定ジグ５ｂとは、図５の固定ジグ５と同一形状であり、供給路４１ａ，４１ｂと、排水路４２ａ，４２ｂとが対向するように陽極１Ｐを挟んでいる。図６に示すオゾン生成装置１０も図４と同様にして、被処理液を貯蔵するタンク２０内に浸漬され、供給路４１ａと供給路４１ｂとから同時に被処理液が供給される。そして、供給路４１ａから供給された被処理液は、溝１３ａを通って排水路４２ａから排出される。また、供給路４１ｂから供給された被処理液は、溝１３ｂを通って排水路４２ｂから排出される。
【００６３】
この状態で固定ジグ５ａの陽極１Ｐ及び陰極３間に電圧が供給され、かつ、固定ジグ５ｂの陽極１Ｐ及び陰極３間に電圧が供給される。すると、溝１３ａ，１３ｂのそれぞれにおいてオゾンが生成され、生成されたオゾンが水に溶解してオゾン水となって排水路４２ａ，４２ｂから排出される。
【００６４】
そのため、図６に示すオゾン生成装置１０は、図５に示すオゾン生成装置１０よりも２倍のオゾンを生成することができ、より高効率にオゾン水を生成することができる。
【００６５】
図７は、図５に示すオゾン生成装置１０において、固体高分子膜２の方向Ｌ１の長さを陽極１Ｐの長さよりも長くした場合のオゾン生成装置１０の全体構成図を示している。図８は、図７のオゾン生成装置１０を溝１３に沿って切断したときの断面図である。
【００６６】
図７の場合、固体高分子膜２は、方向Ｌ１の長さが陽極１Ｐよりも長く、陽極ホルダ６の上面をほぼ覆うように配置されている。そのため、供給路４１及び排水路４２は、固定ジグ５ではなく、陽極ホルダ６に設けられている。具体的には、供給路４１及び排水路４２は、陽極ホルダ６を中心に左右対称に設けられている。
【００６７】
このように構成されたオゾン生成装置１０を図４と同様にしてタンク２０の被処理液に浸漬させる。そして、供給路４１から被処理液を供給すると、被処理液は溝１３を通って排水路４２から排出される。この状態で、陰極板１ｘにプラス、陰極３にマイナスの電圧を印加すると、陽極１Ｐにてオゾンが発生し、このオゾンが被処理液である水に溶けてオゾン水となって、排水路４２から排出される。
【００６８】
図９は、図８のオゾン生成装置１０において、陽極１Ｐの両面に溝１３を形成した場合の電解セルの構成図を示している。図９に示す電解セルは、溝１３の長手方向から見た状態を示している。図９に示すように、陰極３は固体高分子膜２に密着している。そのため、図６に示すスペーサー５１が不要となり、オゾン生成装置１０の高さを小さくし、コンパクト化を図ることができる。また、陽極１Ｐの両面に溝１３が設けられているため、図６と同様、一方の面にのみ溝１３を設けた場合に比べてより多くのオゾンを生成することができる。
【００６９】
図１０は、図９に示すオゾン生成装置１０において、陽極１Ｐの一方の面のみに溝１３を形成し、かつ、陰極３を多孔質状のスペーサー５１を介して固体高分子膜２に取り付けた場合の電解セルの構成図を示している。なお、図１０に示す電解セルは溝１３の方向から見た状態を示している。このように水が自由に電極部分に流れることができる多孔質状のスペーサー５１を介して陰極３を設けることで、高効率にオゾン水を生成することができる。
【００７０】
次に、電解用電極１の製造方法について説明する。まず、表面に例えば２５０μｍの深さを持つ溝１３が形成された基材１１を用意する。ここで、溝１３は、厚さが例えば５００μｍのシリコン基板に対してダイシングソーにより切り込みを入れることで形成される。
【００７１】
次に、溝１３が形成された基材１１に対してパウダー処理を行う。ここで、パウダー処理とは、ダイヤモンドパウダーを含有するエタノール中に基材１１を浸漬させ、超音波を印加する処理である。
【００７２】
次に、基材１１の溝１３が形成された側の表面にプラズマＣＶＤ法により導電性ダイヤモンド膜１２を形成する。ここでは、マイクロ波プラズマＣＶＤ装置を用いて導電性ダイヤモンド膜１２を成膜する。マイクロ波プラズマＣＶＤ装置は、ステンレス製のチャンバを備え、その中には、モリブデン製の基板ホルダが設置されている。
【００７３】
この基板ホルダに基材１１を設置する。そして、メタン０．５ｖｏｌ％を水素で稀釈した混合ガスを、圧力５０Ｔｏｒｒ、流量１００ｓｃｍの条件でチャンバ内に流すと同時に、チャンバ内にマイクロ波を放射することにより、チャンバ内にプラズマを発生させる。また、ダイヤモンド膜を導電性にするためにチャンバ内にシボランを１０ｐｐｍ添加する。そして、基材１１の温度が８００℃に保持されるようにマイクロ波の出力を調整して約３時間経過させる。これにより、基材１１の表面に導電性ダイヤモンド膜１２が成膜される。次に、マイクロ波の放射を停止し、自然冷却して、基材１１をチャンバから取り出す。以上により、ダイヤモンドにボロンがドープされた導電性ダイヤモンド膜１２が溝１３の形に添うように形成され、電解用電極１が完成する。
【符号の説明】
【００７４】
１ 電解用電極
１Ｐ 陽極
１ｘ 電極板
２ 固体高分子膜
３ 陰極
５，５ａ，５ｂ 固定ジグ
６ 陽極ホルダ
７ パッキン
１０ オゾン生成装置
１１ 基材
１２ 導電性ダイヤモンド膜
１３，１３ａ，１３ｂ 溝
２０ タンク
４１，４１ａ，４１ｂ 供給路
４２，４２ａ，４２ｂ 排水路
５１ スペーサー
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解用電極、及びその電解用電極を陽極として持つオゾン生成装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
オゾンは酸化力の非常に強い物質であり、その酸化力に由来する殺菌、脱色、及び脱臭作用が様々な分野で応用されている。オゾンを利用した殺菌方法及び脱色方法等は、オゾン自身が容易に自然分解して酸素となるため、二次汚染のない安全な処理方法であり、近年注目されている。オゾンが水に溶け込んだオゾン水は酸化力が更に向上し、一般に殺菌等に用いられている。これらの目的のために、オゾン水のより簡便かつ高効率な生成手法の開発が求められている。
【０００３】
オゾン水を得るための手段としては、オゾンガスを生成し、このオゾンガスを水中に溶解させる手法や、オゾン水を直接生成する電解法が知られている。オゾンガスを水中に溶解させる手法は、無声放電法でオゾンガスを生成させ、気液溶解塔に通じて水に溶解させるため、装置構成が大型及び複雑になる。
【０００４】
一方、電解法では、多孔質状或いは網状の陽極と陰極とで固体高分子膜を挟むことで電解セルを構成し、この電解セルに水道水や純水を流すことでオゾン水が得られるため、装置構成が小型になる。
【０００５】
この電解法に用いられる電解セルの陽極として、例えば、特許文献１には、基材の片面にダイヤモンドの薄膜を付着させた多孔性グラファイト板を採用したものが開示されている。しかしながら、基材にダイヤモンドの薄膜を付着させるとダイヤモンドが剥離するという問題がある。また、メッシュ状の基材にダイヤモンドを形成する場合には、ダイヤモンドを成膜する際に、電解分布が均一ではなく、プラズマの集中が起こり局所的な加熱による破損や、ピンホールの発生が懸念される。
【０００６】
そこで、特許文献２には、レーザ加工によりダイヤモンド板の表面を多孔質状又は網状の構に加工したものを電解セルの陽極として使用する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平９−２６８３９５号公報
【特許文献２】特開２００５−３３６６０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献２では、陽極の表面に形成された孔の間隔が１ｍｍ程度と大きいため、陽極、固体高分子膜、及び水が同時に接触する三相界面の領域を充分に確保することができず、高効率でオゾンを生成させることができないという問題がある。
【０００９】
また、特許文献１、２共、陽極の表面において、被処理液を流し易くする措置が何ら採られていないため、高効率でオゾンを生成させるために更なる改善の余地がある。
【００１０】
本発明の目的は、高効率でオゾン水を生成することができる電解用電極、及びその電解用電極を用いたオゾン生成装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
（１）本発明による電解用電極は、略平板形状を持つ基材と、前記基材の少なくとも一方の面に形成された導電性ダイヤモンド膜と、前記導電性ダイヤモンド膜が形成された面に形成され、被処理液の流路である溝とを備える。
【００１２】
この構成によれば、基材が概略平板形状を持つため、基材の表面にプラズマＣＶＤ法を用いて導電性ダイヤモンドを成膜する場合、プラズマの集中が避けられ、導電性ダイヤモンドを均一、かつ、優れた密着力で成膜することができる。
【００１３】
一方で、電解用電極の表面が平坦であれば、この陽極をオゾン生成装置に適用した場合、陽極、固体高分子膜、及び水が接触する三相界面の領域を確保することが困難であるため、良好な電解を行うことができない。
【００１４】
そこで、本構成では、電解用電極の表面に被処理液を流す流路である溝を形成した。そのため、三相界面を確保すると同時に被処理液の流量を増大させることができ、高効率でオゾン水を生成することができる。
【００１５】
（２）前記溝は、略平行に複数形成されていることが好ましい。この構成によれば、溝の長手方向を被処理液の上流から下流方向に向けて配置することで流量を増加させ、より多くのオゾン水を生成することができる。
【００１６】
（３）前記溝は、相互に接続されるように複数形成されていることが好ましい。この構成によれば、溝を相互に接続することで被処理液をスムーズに流すことができ、かつ、三相界面を増大させることができる。溝を相互に接続させる具体例としては、例えば、格子状や網目状が挙げられる。格子状としては、電解用電極の縦方向に一定の間隔で複数の溝を平行に形成し、かつ、電解用電極の横方向に一定の間隔で複数の溝を平行に形成する態様を採用すればよい。或いは、電解用電極の所定の第１斜め方向に一定の間隔で複数の溝を平行に形成し、かつ、第１斜め方向と交差する第２斜め方向に一定の間隔で複数の溝を平行に形成する態様を採用すればよい。網目状としては、例えば、タイルの目地のように溝を形成する態様を採用すればよい。その他、溝として、樋形状、三角状等が挙げられる。いずれにせよ溝の形状は、ダイヤモンドのつきまわりに影響が無い範囲で任意である。更に、溝の内壁に凹凸を設ける態様が好ましい。これにより、反応に寄与する三相界面が増大するとともに、電極表面で発生したオゾンを乱流を利用して速やかに溶解することができるため、オゾン水をさらに高効率で生成することができる。
【００１７】
（４）前記基材は、シリコンであることが好ましい。
【００１８】
この構成によれば、最も実績があり、かつ、スケール（酸化カルシウムやリン酸塩、シリカ等を成分とする析出物）が付着し難いシリコンが用いられているため、耐久性の高い電解用電極を提供することができる。なお、基材としてシリコンを用い、ＣＶＤで導電性ダイヤモンドを成膜する場合、成膜中に界面に炭化物が形成されるため、導電性ダイヤモンドの密着度をより向上させることができる。
【００１９】
（５）前記基材は、チタン、ニオブ、タンタル、チタン炭化物、ニオブ炭化物、又はタンタル炭化物であることが好ましい。この構成によれば、基材として、チタン、ニオブ、タンタル、又はこれらの炭化物が採用されているため、機械加工を用いて容易に溝を形成することができる。
【００２０】
（６）前記導電性ダイヤモンド膜は、プラズマＣＶＤ法により製造されることが好ましい。ＣＶＤ法として熱フィラメントを用いる手法やプラズマＣＶＤ法が知られているが、中でもプラズマＣＶＤ法を使用すると、溝の内部への導電性ダイヤモンド膜へのコーティングを確実に行うことができる。また、プラズマＣＶＤ法は、工業的に最も安定で、かつドーピングの再現性に優れるといったメリットもある。そこで、本構成では、プラズマＣＶＤ法を用いることが好ましい。
【００２１】
（７）本発明によるオゾン生成装置は、水を電気分解してオゾンを生成するオゾン生成装置であって、固体高分子膜と、前記固体高分子膜を挟んで配設された陰極及び陽極とを備え、前記陽極は、（１）〜（６）のいずれかに記載の電解用電極を用いて構成され、前記溝の形成された面が前記固体高分子膜に密着して配置され、前記溝に被処理液を供給する供給部とを備える。
【００２２】
この構成によれば、（１）〜（６）のいずれかの電解用電極が陽極として用いられているため、高効率でオゾン水を生成することができる。また、陽極は溝の形成された面が固体高分子膜に密着されているため、陽極と固体高分子膜との距離が短くなり、電気分解により発生したオゾンを速やかに移動させ、かつ、電気分解に寄与しない水の流れを最小限にすることができる。また、陽極と固体高分子膜とを密着させることで、装置構成をコンパクトにすることができる。更に、陽極が溝を備えているため、固体高分子膜と溝とを密着させても三相界面が確保され、高効率でオゾン水を生成することができる。
【００２３】
（８）前記供給部は、前記被処理液を前記溝に供給する供給路と、前記溝を通った被処理液が、前記供給路に戻らないように前記被処理液を排出する排水路とを備えることが好ましい。
【００２４】
この構成によれば、排出した被処理液が再度、陽極に供給されることが防止され、高効率にオゾン水を生成することができる。
【００２５】
（９）前記陽極は、前記被処理液の流れる方向に対する長さが、前記固体高分子膜の前記方向の長さよりも長いことが好ましい。
【００２６】
この構成によれば、被処理液体を上流から下流にスムーズに流すことができ、高効率でオゾン水を生成することができる。
【００２７】
（１０）前記陽極は、前記被処理液の流れる方向に対する長さが、前記固体高分子膜の前記方向の長さよりも短いことが好ましい。
【００２８】
この構成によれば、陽極の被処理液に流れる方向の長さが、固体高分子膜の同方向の長さよりも長くされているため、供給口及び排出口を陽極に面して配置することができ、セッティングの自由度が広がる。また、陽極の両面に導電性ダイヤモンド膜及び溝を形成して、陽極の両面に被処理液を流すことができ、オゾンの生成効率を更に高めることができる。
【００２９】
（１１）前記陰極は、メッシュ構造を持つことが好ましい。ここで、メッシュ構造としては、例えば水の出入りが容易な多孔質構造を採用すればよい。
【００３０】
この構成によれば、陰極がメッシュ構造を持つため、陰極を固体高分子膜と密着させても陰極側でのイオン交換を効率よく行うことができる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、高効率にオゾン水を生成する電解用電極及びオゾン生成装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施の形態による電解用電極の構成図である。
【図２】溝を電解用電極の表面に平行に複数設けた場合の電解用電極の上面図である。
【図３】複数の溝を相互に接続させた場合の電解用電極の上面図である。
【図４】本発明の実施の形態によるオゾン生成装置の全体構成図である。
【図５】（Ａ）は図４のオゾン生成装置を水平方向に置いたときのオゾン生成装置の全体構成図であり、（Ｂ）は（Ａ）の陽極、固体高分子膜、及び陰極を溝に沿って切ったときの断面図である。
【図６】両面に溝が形成された電解用電極を陽極として用いた場合のオゾン生成装置の全体構成図である。
【図７】図５に示すオゾン生成装置において、固体高分子膜２の方向Ｌ１の長さを陽極の長さよりも長くした場合のオゾン生成装置の全体構成図を示している。
【図８】図７のオゾン生成装置を溝に沿って切断したときの断面図である。
【図９】陽極の両面に溝を形成した場合において、固体高分子膜に陰極を密着させた場合の電解セルの構成図を示している。
【図１０】陽極の一方の面のみに溝を形成し、かつ、陰極をスペーサーを介して固体高分子膜に取り付けた場合の電解セルの構成図を示している。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、本発明の実施の形態による電解用電極について説明する。図１は、本発明の実施の形態による電解用電極１の構成図であり、（Ａ）は溝１３の構成図であり、（Ｂ）〜（Ｅ）は、溝１３の変形例を示した構成図である。
【００３４】
図１（Ａ）に示すように電解用電極１は、基材１１、導電性ダイヤモンド膜１２、及び溝１３（流路の一例）を備える。基材１１は、略平板形状を持ち、上面視において四角形状を持つ。基材１１としては、ダイヤモンドとの密着性が高いシリコンを採用することが好ましい。
【００３５】
後述するように導電性ダイヤモンド膜１２の成膜は８００℃の高温で行われた後、冷却されるため、基材１１として熱膨張率の高い物質を採用すると、導電性ダイヤモンド膜１２が剥離する虞がある。そのため、基材１１としては、熱膨張率の小さい物質であるチタン、ニオブ、又はタンタル等のカーバイトフォーミングメタル（炭化物成長金属）を採用してもよい。
【００３６】
また、チタン、ニオブ、又はタンタルは、炭化されると熱膨張率が更に低下する。したがって、熱膨張率を低下させるという観点からは、チタンの炭化物、ニオブの炭化物、又はタンタルの炭化物を採用することが好ましい。
【００３７】
導電性ダイヤモンド膜１２は、基材１１の上面に形成されている。溝１３は、導電性ダイヤモンド膜１２が形成された面に形成されている。このように、電解用電極１の表面に溝１３が形成されているため、電解用電極１を図４等に示すオゾン生成装置の陽極１Ｐとして用いた場合、被処理液の流量を増大させることができ、高効率でオゾン水を生成することができる。
【００３８】
なお、図１の例では、電解用電極１は、上面のみに導電性ダイヤモンド膜１２及び溝１３を持っているが、両面に導電性ダイヤモンド膜１２及び溝１３を持っていても良い。こうすることで、電解用電極１をオゾン生成装置の陽極１Ｐとして用いた場合、被処理液を陽極の両面に流し、より多くのオゾン水を生成することができる。
【００３９】
溝１３の高さｈは、例えば０．２〜１．２ｍｍ、好ましくは０．２５〜１．１ｍｍ、より好ましくは１ｍｍ程度であるが、薄いシリコン基板を基材として用いる場合には、破損を避けるため、厚みの１／２程度に抑えることが望ましい。また、溝１３の幅ｗは、例えば０．５ｍｍ〜２．２ｍｍ、好ましくは、０．８ｍｍ〜２．１ｍｍ、より好ましくは２ｍｍ程度である。陽極、水、及び固体高分子膜が同時に接触する三相界面を増やしてオゾンを高効率で生成するという観点からは小さな溝１３を高密度で設けることが好ましい。しかしながら、本実施の形態では、溝１３に対して、被処理液を流す流路としての機能も持たせている。したがって、溝１３を大きくすると被処理液の流量が増えるため、溝１３を流路として機能させるという観点からは、溝１３を大きくすることが好ましい。そこで、本実施の形態では、三相界面を確保すると同時に溝１３を流路として機能させるために、溝１３の高さｈ及び幅ｗとして上記の値を採用している。
【００４０】
なお、図１（Ａ）では、溝１３の断面形状として底面がフラットで、内壁が底面に直交する形状を採用したが、図１（Ｂ）に示すように、溝１３の断面形状を鋸状としてもよい。また、図１（Ｃ）に示すように溝１３の断面形状を半円状としてもよい。
【００４１】
また、図１（Ｄ）に示すように、溝１３の断面形状として底面に凹凸を設けたものを採用してもよい。この凹凸はたとえば単結晶シリコン基板を用いる場合では、ＫＯＨやＴＭＡＨによる異方性エッチングを行うか、部分的にダイシングソーにて切込みを入れることで形成可能である。こうすることで、溝１３の表面積が増えて三相界面が増大し、オゾン水を高効率に生成することができる。また、図１（Ｅ）に示すように、上面視において溝１３に凹凸を設けてもよい。この場合、三相界面を更に増大させることができる。
【００４２】
図２は、溝１３を電解用電極１の表面に平行に複数設けた場合の電解用電極１の上面図である。図２の例では、溝１３は一定の間隔ｄで平行に複数設けられている。ここで、間隔ｄとしては、三相界面の確保と流路機能の確保という観点から高密度にすることが好ましいが、製造上の観点から高密度にするにも一定の限界がある。そこで、本実施の形態では、両観点を考慮に入れた値が間隔ｄとして採用されている。間隔ｄとしては、例えば０．５ｍｍ〜２．２ｍｍ、好ましくは、０．８ｍｍ〜２．１ｍｍ、より好ましくは１ｍｍ程度である。
【００４３】
図３は、複数の溝１３を相互に接続させた場合の電解用電極１の上面図であり、（Ａ）及び（Ｂ）は、溝１３を格子状に形成した場合を示し、図３（Ｃ）は溝１３を網目状に形成した場合を示し、図３（Ｄ）は溝１３をハニカム状に形成した場合を示している。
【００４４】
図３（Ａ）においては、電解用電極１の横方向に間隔ｄ１で複数の溝１３が平行に形成され、かつ、電解用電極の縦方向に間隔ｄ２で複数の溝１３が平行に形成されている。なお、間隔ｄ１，ｄ２としては同じ値を採用してもよいし、異なる値を採用してもよい。また、縦の溝１３と横の溝１３とでサイズを変えても良い。
【００４５】
図３（Ｂ）においては、電解用電極１の所定の第１斜め方向ｄｒ１とほぼ平行に複数の溝１３が形成され、かつ、第１斜め方向ｄｒ１と交差する第２斜め方向ｄｒ２とほぼ平行に複数の溝１３が形成されている。ここで、第１斜め方向ｄｒ１，と第２斜め方向ｄｒ２とのなす角度θとしては、種々の角度を採用することができるが、図３（Ｂ）では例えば９０度程度が採用されている。また、図３（Ｂ）の例では、第１斜め方向ｄｒ１の溝１３の間隔と、第２斜め方向ｄｒ２の溝１３の間隔とはほぼ一定であるが、一定にしなくてもよい。また、第１、第２斜め方向ｄｒ１、ｄｒ２の溝１３の向きに多少のバラツキを与えても良い。
【００４６】
図３（Ｃ）においては、タイルの目地のように溝１３が形成され、溝１３が網目状に形成されている。また、図３（Ｄ）においては、上辺と下辺とが接するようにほぼ六角形の溝１３が複数配列されている。図３（Ａ）〜（Ｄ）に示すように少なくとも２方向に複数の溝１３を形成すると、三相界面を増大すると同時に被処理液の流量を増大させることができる。
【００４７】
図４は、本発明の実施の形態によるオゾン生成装置１０の全体構成図である。オゾン生成装置１０は、陽極１Ｐ、固体高分子膜２、陰極３、供給路４１（供給部の一例）、排水路４２（供給部の一例）、固定ジグ５、陽極ホルダ６、及びパッキン７を備えている。
【００４８】
陽極１Ｐは、図１〜図３のいずれかに示す電解用電極１が採用されている。陽極１Ｐは、溝１３が形成された面が固体高分子膜２の一方の面に密着して配置されている。
【００４９】
固体高分子膜２は、平板形状を持ち、陽極１Ｐと陰極３とで挟まれている。固体高分子膜２としては、例えばデュポン社製のナフィオン（登録商標）が採用されている。固体高分子膜２は、固定ジグ５の下面（図の右側の面）に嵌め込まれて固定されている。また、固体高分子膜２は、供給口４１ｘと排出口４２ｘとの間に設けられている。これにより、供給路４１と排水路４２とが固体高分子膜２及び陽極１Ｐにより隔離され、排水路４２から排出された被処理液が、再度、陽極１Ｐ側に戻ることを防止することができる。
【００５０】
陰極３は、平板状の部材により構成され、固定ジグ５の上面（陽極１Ｐが配置された面と反対側の面）に配置されている。
【００５１】
固定ジグ５の中央にはスペーサー５１が嵌め込まれ、陰極３はスペーサー５１に密着している。スペーサー５１は、多孔質の物質により構成されている。したがって、陰極３は、固体高分子膜２と多少離間して配置されている。
【００５２】
なお、スペーサー５１を用いずに、陰極３を固体高分子膜２から距離を離して設置してもよい。或いは、陰極３としてメッシュ構造を持つものを採用すれば、スペーサー５１を介さずに陰極３を、固体高分子膜２に密着させることができる。この場合、陰極３側でのイオン交換をより効率良く行うことができる。
【００５３】
陽極１Ｐは、被処理液の流れる方向Ｌ１（上下方向）に対する長さが、固体高分子膜２の方向Ｌ１の長さよりも長い。また、固体高分子膜２は、陽極１Ｐのほぼ中央に配置されている。そのため、陽極１Ｐの方向Ｌ１の上流側と下流側とにおいて固体高分子膜２から露出した領域Ｄ１，Ｄ２が確保される。これにより、領域Ｄ１に供給路４１を配置し、かつ、領域Ｄ２に排水路４２を配置することができ、供給路４１及び排水路４２を陰極３側にのみ設けることができる。その結果、陽極１Ｐ側に供給路４１、陰極３側に排水路４２を設ける場合に比べ、装置構成のコンパクト化を図ることができる。
【００５４】
供給路４１は、陽極１Ｐの領域Ｄ１と対向する位置に供給口４１ｘが位置し、かつ、固定ジグ５の上面側に配置された管状の部材から構成され、上側に接続された図略の被処理液供給部から供給される被処理液を陽極１Ｐに供給する。被処理液としては水道水又は軟水が採用される。供給路４１は、下流側の一部が固定ジグ５を連通する孔により構成されている。
【００５５】
排水路４２は、排出口４２ｘが陽極１Ｐの領域Ｄ２と対向する位置に位置するように固定ジグ５に形成された孔である。パッキン７は、陽極ホルダ６の外周と固定ジグ５の外周とに介設さている。これにより、固定ジグ５の外部に被処理液が流れることを防止することができる。オゾンを含む排水は、タンク２０に混合されるが、供給路４１と同様に管状の部材を配置し、タンク２０等に混じることなく引き出してもよい。この場合、さらに高密度のオゾン水を得ることができる。
【００５６】
タンク２０は、オゾン生成装置１０の下部の４／３程度を収納可能なサイズを持ち、上側が開口する有底の箱体により構成され、被処理液を貯蔵する。オゾン生成装置１０は、少なくとも陰極３が水に浸されるように、タンク２０内の被処理液に浸漬される。また、タンク２０は、排水路４２から排出される被処理液を貯蔵する。
【００５７】
このように構成されたオゾン生成装置１０では、被処理液は、供給路４１から供給され、陽極１Ｐの溝１３、排水路４２、及びタンク２０へと流れている。この状態で、陽極１Ｐ、及び陰極３の間に電圧を印加する。すると、陽極１Ｐにて、２Ｈ２Ｏ→Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−、３Ｈ２Ｏ→Ｏ３＋６Ｈ＋＋６ｅ−の反応が起こり、陰極３にて、ｎＨ＋＋ｎｅ−→（ｎ／２）Ｈ２（但し、ｎ＝４ｏｒ６）の反応が起こり、オゾンが発生する。そして、このオゾンが被処理液である水に溶けオゾン水となって排水路４２から排出される。
【００５８】
このように、本実施の形態によるオゾン生成装置１０では、表面に複数の溝１３を持つ電解用電極１が陽極１Ｐとして用いられているため、高効率にオゾン水を生成することができる。
【００５９】
図５（Ａ）は、図４のオゾン生成装置１０を水平方向に置いたときのオゾン生成装置１０の全体構成図であり、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）の陽極１Ｐ、固体高分子膜２、及び陰極３を含む電解セルを溝１３に沿って切ったときの断面図である。
【００６０】
陽極ホルダ６は、凹部６１を備え、この凹部６１に陽極１Ｐが嵌め込まれている。また、陽極ホルダ６の底面中央には、電極板１ｘが取り付けられている。電極板１ｘには導線ＬＮ１が接続されている。陰極３には導線ＬＮ２が接続されている。
【００６１】
図６は、両面に溝１３が形成された電解用電極１を陽極１Ｐとして用いた場合のオゾン生成装置１０の全体構成図である。図６に示すように陽極１Ｐは両面に溝１３ａ，１３ｂが形成されている。図５では、陽極１Ｐは固定ジグ５と陽極ホルダ６とで挟まれていたが、図６では、陽極１Ｐは一対の固定ジグ５ａ，５ｂで挟まれている。陽極１Ｐには導線ＬＮ１が接続され、導線ＬＮ１を介して正の電圧が印加される。陰極３，３にはそれぞれ導線ＬＮ２が接続され、導線ＬＮ２を介して負の電圧が印加される。
【００６２】
また、固定ジグ５ａと固定ジグ５ｂとは、図５の固定ジグ５と同一形状であり、供給路４１ａ，４１ｂと、排水路４２ａ，４２ｂとが対向するように陽極１Ｐを挟んでいる。図６に示すオゾン生成装置１０も図４と同様にして、被処理液を貯蔵するタンク２０内に浸漬され、供給路４１ａと供給路４１ｂとから同時に被処理液が供給される。そして、供給路４１ａから供給された被処理液は、溝１３ａを通って排水路４２ａから排出される。また、供給路４１ｂから供給された被処理液は、溝１３ｂを通って排水路４２ｂから排出される。
【００６３】
この状態で固定ジグ５ａの陽極１Ｐ及び陰極３間に電圧が供給され、かつ、固定ジグ５ｂの陽極１Ｐ及び陰極３間に電圧が供給される。すると、溝１３ａ，１３ｂのそれぞれにおいてオゾンが生成され、生成されたオゾンが水に溶解してオゾン水となって排水路４２ａ，４２ｂから排出される。
【００６４】
そのため、図６に示すオゾン生成装置１０は、図５に示すオゾン生成装置１０よりも２倍のオゾンを生成することができ、より高効率にオゾン水を生成することができる。
【００６５】
図７は、図５に示すオゾン生成装置１０において、固体高分子膜２の方向Ｌ１の長さを陽極１Ｐの長さよりも長くした場合のオゾン生成装置１０の全体構成図を示している。図８は、図７のオゾン生成装置１０を溝１３に沿って切断したときの断面図である。
【００６６】
図７の場合、固体高分子膜２は、方向Ｌ１の長さが陽極１Ｐよりも長く、陽極ホルダ６の上面をほぼ覆うように配置されている。そのため、供給路４１及び排水路４２は、固定ジグ５ではなく、陽極ホルダ６に設けられている。具体的には、供給路４１及び排水路４２は、陽極ホルダ６を中心に左右対称に設けられている。
【００６７】
このように構成されたオゾン生成装置１０を図４と同様にしてタンク２０の被処理液に浸漬させる。そして、供給路４１から被処理液を供給すると、被処理液は溝１３を通って排水路４２から排出される。この状態で、陰極板１ｘにプラス、陰極３にマイナスの電圧を印加すると、陽極１Ｐにてオゾンが発生し、このオゾンが被処理液である水に溶けてオゾン水となって、排水路４２から排出される。
【００６８】
図９は、図８のオゾン生成装置１０において、陽極１Ｐの両面に溝１３を形成した場合の電解セルの構成図を示している。図９に示す電解セルは、溝１３の長手方向から見た状態を示している。図９に示すように、陰極３は固体高分子膜２に密着している。そのため、図６に示すスペーサー５１が不要となり、オゾン生成装置１０の高さを小さくし、コンパクト化を図ることができる。また、陽極１Ｐの両面に溝１３が設けられているため、図６と同様、一方の面にのみ溝１３を設けた場合に比べてより多くのオゾンを生成することができる。
【００６９】
図１０は、図９に示すオゾン生成装置１０において、陽極１Ｐの一方の面のみに溝１３を形成し、かつ、陰極３を多孔質状のスペーサー５１を介して固体高分子膜２に取り付けた場合の電解セルの構成図を示している。なお、図１０に示す電解セルは溝１３の方向から見た状態を示している。このように水が自由に電極部分に流れることができる多孔質状のスペーサー５１を介して陰極３を設けることで、高効率にオゾン水を生成することができる。
【００７０】
次に、電解用電極１の製造方法について説明する。まず、表面に例えば２５０μｍの深さを持つ溝１３が形成された基材１１を用意する。ここで、溝１３は、厚さが例えば５００μｍのシリコン基板に対してダイシングソーにより切り込みを入れることで形成される。
【００７１】
次に、溝１３が形成された基材１１に対してパウダー処理を行う。ここで、パウダー処理とは、ダイヤモンドパウダーを含有するエタノール中に基材１１を浸漬させ、超音波を印加する処理である。
【００７２】
次に、基材１１の溝１３が形成された側の表面にプラズマＣＶＤ法により導電性ダイヤモンド膜１２を形成する。ここでは、マイクロ波プラズマＣＶＤ装置を用いて導電性ダイヤモンド膜１２を成膜する。マイクロ波プラズマＣＶＤ装置は、ステンレス製のチャンバを備え、その中には、モリブデン製の基板ホルダが設置されている。
【００７３】
この基板ホルダに基材１１を設置する。そして、メタン０．５ｖｏｌ％を水素で稀釈した混合ガスを、圧力５０Ｔｏｒｒ、流量１００ｓｃｍの条件でチャンバ内に流すと同時に、チャンバ内にマイクロ波を放射することにより、チャンバ内にプラズマを発生させる。また、ダイヤモンド膜を導電性にするためにチャンバ内にシボランを１０ｐｐｍ添加する。そして、基材１１の温度が８００℃に保持されるようにマイクロ波の出力を調整して約３時間経過させる。これにより、基材１１の表面に導電性ダイヤモンド膜１２が成膜される。次に、マイクロ波の放射を停止し、自然冷却して、基材１１をチャンバから取り出す。以上により、ダイヤモンドにボロンがドープされた導電性ダイヤモンド膜１２が溝１３の形に添うように形成され、電解用電極１が完成する。
【符号の説明】
【００７４】
１ 電解用電極
１Ｐ 陽極
１ｘ 電極板
２ 固体高分子膜
３ 陰極
５，５ａ，５ｂ 固定ジグ
６ 陽極ホルダ
７ パッキン
１０ オゾン生成装置
１１ 基材
１２ 導電性ダイヤモンド膜
１３，１３ａ，１３ｂ 溝
２０ タンク
４１，４１ａ，４１ｂ 供給路
４２，４２ａ，４２ｂ 排水路
５１ スペーサー
【特許請求の範囲】
【請求項１】
略平板形状を持つ基材と、
前記基材の少なくとも一方の面に形成された導電性ダイヤモンド膜と、
前記導電性ダイヤモンド膜が形成された面に形成され、被処理液の流路である溝とを備える電解用電極。
【請求項２】
前記溝は、略平行に複数形成されている請求項１記載の電解用電極。
【請求項３】
前記溝は、相互に接続されるように複数形成されている請求項１又は２に記載の電解用電極。
【請求項４】
前記基材は、シリコンである請求項１〜３のいずれかに記載の電解用電極。
【請求項５】
前記基材は、チタン、ニオブ、タンタル、チタン炭化物、ニオブ炭化物、又はタンタル炭化物である請求項１〜３のいずれかに記載の電解用電極。
【請求項６】
前記導電性ダイヤモンド膜は、プラズマＣＶＤ法により製造される請求項１〜５のいずれかに記載の電解用電極。
【請求項７】
水を電気分解してオゾンを生成するオゾン生成装置であって、
固体高分子膜と、
前記個体高分子膜を挟んで配設された陰極及び陽極とを備え、
前記陽極は、請求項１〜６のいずれかに記載の電解用電極を用いて構成され、前記溝の形成された面が前記固体高分子膜に密着して配置され、
前記溝に被処理液を供給する供給部とを備えるオゾン生成装置。
【請求項８】
前記供給部は、前記被処理液を前記溝に供給する供給路と、前記溝を通った被処理液が、前記供給路に戻らないように前記被処理液を排出する排水路とを備える請求項７記載のオゾン生成装置。
【請求項９】
前記陽極は、前記被処理液の流れる方向に対する長さが、前記固体高分子膜の前記方向の長さよりも長い請求項７又は８記載のオゾン生成装置。
【請求項１０】
前記陽極は、前記被処理液の流れる方向に対する長さが、前記固体高分子膜の前記方向の長さよりも短い請求項７又８記載のオゾン生成装置。
【請求項１１】
前記陰極は、メッシュ構造を持つ請求項７〜１０のいずれかに記載のオゾン生成装置。
【請求項１】
略平板形状を持つ基材と、
前記基材の少なくとも一方の面に形成された導電性ダイヤモンド膜と、
前記導電性ダイヤモンド膜が形成された面に形成され、被処理液の流路である溝とを備える電解用電極。
【請求項２】
前記溝は、略平行に複数形成されている請求項１記載の電解用電極。
【請求項３】
前記溝は、相互に接続されるように複数形成されている請求項１又は２に記載の電解用電極。
【請求項４】
前記基材は、シリコンである請求項１〜３のいずれかに記載の電解用電極。
【請求項５】
前記基材は、チタン、ニオブ、タンタル、チタン炭化物、ニオブ炭化物、又はタンタル炭化物である請求項１〜３のいずれかに記載の電解用電極。
【請求項６】
前記導電性ダイヤモンド膜は、プラズマＣＶＤ法により製造される請求項１〜５のいずれかに記載の電解用電極。
【請求項７】
水を電気分解してオゾンを生成するオゾン生成装置であって、
固体高分子膜と、
前記個体高分子膜を挟んで配設された陰極及び陽極とを備え、
前記陽極は、請求項１〜６のいずれかに記載の電解用電極を用いて構成され、前記溝の形成された面が前記固体高分子膜に密着して配置され、
前記溝に被処理液を供給する供給部とを備えるオゾン生成装置。
【請求項８】
前記供給部は、前記被処理液を前記溝に供給する供給路と、前記溝を通った被処理液が、前記供給路に戻らないように前記被処理液を排出する排水路とを備える請求項７記載のオゾン生成装置。
【請求項９】
前記陽極は、前記被処理液の流れる方向に対する長さが、前記固体高分子膜の前記方向の長さよりも長い請求項７又は８記載のオゾン生成装置。
【請求項１０】
前記陽極は、前記被処理液の流れる方向に対する長さが、前記固体高分子膜の前記方向の長さよりも短い請求項７又８記載のオゾン生成装置。
【請求項１１】
前記陰極は、メッシュ構造を持つ請求項７〜１０のいずれかに記載のオゾン生成装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−１４４７７８（Ｐ２０１２−１４４７７８Ａ）
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−４３６１（Ｐ２０１１−４３６１）
【出願日】平成２３年１月１２日（２０１１．１．１２）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月１２日（２０１１．１．１２）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
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