JP2000273672A - 電解式オゾン発生セル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電極と固体高分子電解質膜との剥離を防止
し、極高湿度での長期間使用に耐えるものとすることが
できる電解式オゾン発生素子を得る。 【解決手段】 陽極１と陰極２との間に挟持された固体
高分子電解質膜３とを備え、陽極１および陰極２の少な
くと一方に、固体高分子電解質膜３との間に空間を形成
するように変形させた凸部分１ａを分散的に設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子電解質
膜を挟んで、陽極と陰極を対峙させ、直流電圧を印加し
て陽極からオゾンを発生させる電解式オゾン発生セルに
関し、特に、オゾン発生セルに用いられる電極の幾何学
的形状による信頼性向上に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】固体高分子電解質膜電解式オゾン発生セ
ルは、陽極、陰極及びこれら陽極と陰極とに挟持された
固体高分子電解質膜から構成される。先に発明者らは、
陽極として、チタンの薄板に交互に細かくスリット状に
切れ目をいれ、切れ目に直角方向に伸延させて細かな菱
形の格子状としたもの（以下では エキスパンド網と呼
ぶ）に二酸化鉛（ＰｂＯ₂）を電解酸化によって電着し
たもの用い、陰極にはカーボンペーパと呼ばれる繊維状
の炭素を薄くフエルト状に漉いて焼結したものを基体と
し、これに白金属触媒を添着したものを用い、これらの
陽極と陰極を固体高分子電解質膜の両面に熱圧着してセ
ルを構成したものを示している（特願平１１−０５３５
５４号）。

【０００３】固体高分子電解質膜としては熱に耐え、ま
た、化学的にも安定なフッ素樹脂系の高分子電解質膜が
用いられる。なお、陰極の基体としてはカーボンペーパ
に限らずエキスパンド網を用いることもできる。

【０００４】上記オゾン発生セルの製法は、陽極と陰極
の間にサンドイチ状に固体高分子電解質膜を挟んだ状態
で熱板の間に挟んで一定時間をかけてプレスすることに
よって熱圧着し、陽極、固体高分子電解質膜、陰極を一
体化するものであり、機械的に陽極、陰極を多孔板など
を介して固体高分子電解質膜に対して圧締するものに比
べて、締付け枠やビスなどの部品が必要となり、また組
立の工数も減少するので極めて安価にできるというメリ
ットがあった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記従来のオゾン発生
セルは、６０％前後の通常湿度下では数千時間の経過後
であっても初期オゾン発生量の７０％程度の実績を持つ
が、９０％を越えるような高湿度下では剥離に基づく劣
化が激しく２週間程度でオゾン発生量は初期値の１／２
程度となる。したがって、従来のものは通常湿度では、
実用上支障はないが、９０％を越える極高湿度では短時
間で特性が劣化するという問題があった。

【０００６】本発明は、上記のような問題を解決し、固
体高分子電解質膜と電極の剥離を防止し、極高湿度での
長期間使用に耐えるものとすることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明は、
陽極と、陰極と、この陽極と陰極との間に挟持された固
体高分子電解質膜とを備え、上記陽極および陰極の少な
くと一方に、上記固体高分子電解質膜との間に空間を形
成するように変形させた凸部分を分散的に設けた電解式
オゾン発生セルである。

【０００８】請求項２に係る発明は、請求項１記載の電
解式オゾン発生セルにおいて、凸部が、単位セルを取り
囲む土手状に形成されているものである。

【０００９】請求項３に係る発明は、請求項１記載の電
解式オゾン発生セルにおいて、凸部が、独立した峰状に
形成されているものである。

【００１０】

【発明の実施の形態】固体高分子電解質は高湿度下で水
分を吸収して膨張する性質をもっている。そのため、固
体高分子電解質膜は高湿度下に置かれると伸長する。一
方、電極は金属あるいは炭素が主成分であるから高湿度
下での伸縮は起らない。したがって、高湿度下では電極
と固体高分子電解質膜と間で伸長の差が生じ、この伸長
の差が剥離の駆動力となる。

【００１１】固体高分子電解質膜は柔軟性があるので、
通常の湿度条件下（８５％以下）では、その伸長は吸収
され剥離には至らない。しかし、９０％を超える極高湿
度条件下で剥離が起る。このように、９０％を越える極
高湿度条件下で剥離が起るのは柔軟性による吸収の限度
を超えるためと考えられる。

【００１２】上記剥離について、従来例によって説明す
る。図３は、従来のオゾン発生セルの構造を示すもので
あり、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）の
Ａ−Ａ断面である。図３に示したオゾン発生セルは、エ
キスパンド網に二酸化鉛を電着したものを陽極とし、ま
た、カーボンペーパに白金属触媒を添加したものを陰極
として、平滑な固体高分子電解質膜に熱圧着することに
よって製作している。図において、１は陽極、２は陰
極、３は固体高分子電解質膜である。図３（ｂ）に示し
たように、電極、特に陽極１は固体高分子電解質膜３に
めり込んでいる。陽極１のエキスパンド網は、例えば厚
さ０．０５ｍｍ〜０．１ｍｍ、格子のピッチは０．５ｍ
ｍ〜２ｍｍのものを用い、固体高分子電解質膜３には、
例えば厚さは０．１５ｍｍ〜０．３ｍｍのものを用い、
陰極２には、例えば厚さは０．１ｍｍ〜０．２ｍｍのも
のを用いる。

【００１３】図４（ａ）〜（ｄ）は、図３の断面拡大図
で、模式的に示したものである。図４(ａ）は剥離の起
っていない場合であり、図４（ｂ）〜（ｄ）は高湿度下
で電極１と固体高分子電解質膜３との剥離が起った状況
を示したものである。剥離が生じたものは、いずれも固
体高分子電解質膜３の伸長が一次的な原因となってい
て、図４（ｂ）の剥離形態（陽極１と固体高分子電解質
膜３間で剥離が起っている）は、高湿度下で固体高分子
電解質膜３が伸長した際に、陽極１と固体高分子電解質
膜３との密着力が陰極２と固体高分子電解質膜３との密
着力より相対的に弱い結果起った剥離と判断される。図
４（ｃ）の剥離形態（陰極２と固体高分子電解質膜３と
の界面で剥離が起っている）は、図４（ｂ）とは逆に陰
極２と固体高分子電解質膜３との密着力が相対的に弱い
結果起ったと判断される。また、図４（ｄ）のように陽
極１、陰極２ともに固体高分子電解質膜３から剥離が起
っている状況もみられた。いずれにしても、これらは高
湿度下で固体高分子電解質膜３が伸長したことが剥離の
一次的な原因と判断される。

【００１４】すなわち、電極は陽極１も陰極２も高湿度
で延びることはなく、また、材質的にも変形が起りにく
い。これに対して、固体高分子電解質膜３は、高湿度下
で大きく伸長する（６０％から９０％へ湿度が上昇する
と５〜１０％延びる)性質を持っている。したがって、
高湿度下で伸長の差を生ずるが、固体高分子電解質膜３
は柔軟性をもっているので、ある程度の伸長はそれ自体
で吸収される。しかし、接着している範囲が広い場合に
は、接着の中心から離れるにつれて伸長の差が累積され
て変位が大きくなり、剥離に至ると考えられる。

【００１５】上記知見に基づき、本発明は、電極に押出
し等によって固体高分子電解質膜と電極間に空間を形成
するように凸部分を分散的に設け、この凸部分に形成さ
れた蒸気空間で固体高分子電解質膜の伸長を吸収するよ
うにして、固体高分子電解質膜と電極間の剥離を防止す
るようにしたものである。

【００１６】

【実施例】以下、実施例を示すが、本発明がこれら実施
例に限定されるものでない。 実施例１．図１及び図２は、本発明の一実施例を示す図
で、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ
−Ａ断面図、図２は図１（ｂ）の断面の部分拡大図で、
図２（ｂ）は高湿度条件で固体高分子電解質膜が伸長し
た場合を示している。図において、１はエキスパンド網
を用いた陽極、２は陰極、３は固体高分子膜で、陽極１
には、六角形を単位のセルとして、その周囲に土手状に
凸部分１ａを設け、全体として蜂の巣状に構成してい
る。３ａは高湿度下で伸長した固体高分子電解質膜３
が、電極１に形成された凸部分の下の空間でアーチ状に
湾曲して伸長を吸収している状態を示す部分である。

【００１７】図１（ａ）において六角形状の凸部１ａ
は、図１（ｂ）の断面図から分るように、上に押出して
凸状としている。オゾン発生セルの表面からみると、周
囲に土手状に凸部分のある小さな六角形の集りであり、
ちょうど、セルの細かい蜂の巣のように見える（以下、
このような形状に成形した電極を、蜂の巣状成形電極と
呼ぶことにする）。蜂の巣状成形電極のこのような形状
は、この凸部分に対応した雄、雌の圧し板（型）を用い
たプレスによる押出し成形で容易に成形できる。

【００１８】図２は、この発明の作用を示す図である。
図２（ａ）は通常湿度における状態を示す断面図であ
り、図２（ｂ）は高湿度下での状態を示す断面である。
エキスパンド網の、２本の網線の両側に凸部分１ａがあ
り、伸長した固体高分子電解質膜３は、この凸部分１ａ
の下の隙間でアーチ状に湾曲した湾曲部３ａが形成さ
れ、高湿度下での固体高分子電解質膜の伸長が吸収され
ている。固体高分子電解質膜３は２本の網線１ｂ間の中
心から左右に離れるように伸長しているが、この範囲で
あれば固体高分子電解質膜は網線から剥離することなく
密着している。図２（ｂ）〜（ｄ）からも網線２本の範
囲であれば密着が維持されることが分る。網線１ｂの直
下では熱圧着の際に圧力がかかるので、固体高分子電解
質膜３は陰極２と接着されるが、陽極１の凸部分１ａの
下では固体高分子電解質膜３に圧力がかからないので固
体高分子電解質膜３は陰極２の上に乗っているだけで接
着されていない。したがって、固体高分子電解質膜３の
伸長が起るとこのようにアーチ状に浮き上がって湾曲し
た状態になり、固体高分子電解質膜３の伸長が吸収され
る。

【００１９】実施例２．実施例１では陽極１を蜂の巣状
成形電極とし、陰極２はカーボンペーパを用いたものと
しているが、陰極２にエキスパンド網等のプレス成形可
能材料を用いる場合は、陰極２に対しても蜂の巣状成形
電極を使用し、陽極１と対称的に配置してもよい。この
場合、凸部分の下の空間に伸長した固体高分子電解質膜
が湾曲して伸長が吸収される以外に、両電極は固体高分
子電解質膜の伸長に合わせて凸部分の頂角が開き、実質
的に固体高分子電解質膜の伸長に追従できるので、これ
によっても剥離は防止される。

【００２０】また、陽極は蜂の巣状成形を施さず、フラ
ットなまま使用し、陰極のみを蜂の巣状成形電極とする
ことによっても、固体高分子電解質膜の伸長を吸収し、
剥離を防止することができる。

【００２１】実施例３．実施例１および２において、単
位のセルの形状が六角形のものを示したが、単位のセル
の形状は六角形に限るものではなく、四角形でもよく、
三角形でもよい。また、六角形であっても角張ったもの
ではなく、角の円い円形に近いもの、さらには、円形あ
るいは楕円形等であってもよい。この形状によって電解
オゾン発生反応の有効面積に大小の差は生じるが、実用
上の支障となることはない。

【００２２】実施例４．実施例１ないし３において、種
々の形状の単位セルの周囲に土手状の凸部を形成したも
のを示したが、単位セルの周囲に土手状に凸部分を設け
るのではなく、独立した峰（単独の一つの山）状の凸部
分を分散的に設けることも一応の効果を有するので、そ
のような形状の電極であってもよい。なお、単位セルの
直径あるいは独立峰のピッチは、固体高分子電解質膜の
柔軟性、およびエキスパンド網の網目のピッチにもよる
が、２〜５ｍｍ程度が適当であった。

【００２３】なお、電極の凸部分下の隙間は、以上の説
明から容易にわかるように、固体高分子電解質膜の伸
長、すなわち、膨張を吸収する必要があるので、電極の
凸部分下空間の容積は、少なくとも 固体高分子電解質
の膨張に対応する容積が必要である。したがって、極高
湿度下で固体高分子電解質が８％膨張する性質のもので
あれば、凸部分下空間の累積容積は固体高分子電解質膜
体積の８％は必要となる。

【００２４】

【発明の効果】請求項１ないし３に係る発明によれば、
電極に固体高分子電解質膜との間に空間を形成するよう
に変形させた凸部分を分散的に設けたので、上記空間で
固体高分子電解質膜の伸長を吸収することができ、電極
と固体高分子電解質膜との剥離を防止し、極高湿度での
長期間使用に耐えるものとすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１の実施例を示す平面図（ａ）お
よび断面図（ｂ）である。

【図２】 本発明の第１の実施例における作用効果を説
明するための断面図である。

【図３】 従来のオゾン発生セルを示す平面図（ａ）
および断面図（ｂ）である。

【図４】 従来のオゾン発生セルの電極と固体高分子電
解質膜の接着状態を示す断面拡大図である

【符号の説明】

１ 陽極、２ 陰極、３ 固体高分子電解質膜、１ａ
陽極の凸部分、１ｂ 網目、３ａ 湾曲部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4K011 AA23 AA31 AA65 BA04 BA07 BA11 4K021 AA01 AA09 AB15 DB12 DB18 DB19 DB22 DB53 DC15

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 陽極と、陰極と、この陽極と陰極との間
   に挟持された固体高分子電解質膜とを備え、上記陽極お
   よび陰極の少なくと一方に、上記固体高分子電解質膜と
   の間に空間を形成するように変形させた凸部分を分散的
   に設けたことを特徴とする電解式オゾン発生セル。
2. 【請求項２】 凸部が、単位セルを取り囲む土手状に形
   成されていることを特徴とする請求項１記載の電解式オ
   ゾン発生セル。
3. 【請求項３】 凸部が、独立した峰状に形成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の電解式オゾン発生セ
   ル。