(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも正負一対の電極を電解液に浸漬して電気分解する電解方法において、正負対の電極が、電解液への浸漬側先端に行くにつれ電極同士の対向する表面間隔が漸次狭くなるように設けられて電解液を電気分解する電解方法であって、前記電極同士の対向する表面間隔が下記式（１）を満たすものであることを特徴とする電解方法。
（2ａ×ｂ）×0.5 ≦（ｇ−ｈ）≦（2ａ×ｂ）×5 ------（１）
但し、ａ：電解液界面から電解液中先端部の間の電極抵抗（Ω）
ｂ：電解液の電気伝導度（s／m）
ｇ：電解液界面での電極間距離（m）
ｈ：電解液中の先端部の電極間距離（m）
【請求項２】
請求項１記載の電解方法に用いる電極であって、形状が円錐台、角錐台又は台形体に形成されてなる電極。
【請求項３】
請求項１記載の電解方法に用いる電極であって、正負対の電極の一方が円筒体、他方がその円筒体の中心部に設けられた丸棒からなり、円筒体が逆円錐台形状及び／又は丸棒が円錐台形状を有する電極。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、正負対の電極を電解液に浸漬して電気分解する電解方法に関し、詳細には、希土類の電解採取や水中に二酸化炭素を生成させるなどのように電極を消耗させながら電解液を電気分解する電解方法とその電解方法に用いる電極に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
正負対の電極を電解液に浸漬して電気分解する電解方法は周知の技術であって、通常、電解槽に電解液を注入及び排出させつつ収容した電解液に正負対の電極を浸漬し両極間に隔膜を設けて行われる。この場合、電極は、平板、丸棒等の形状のものが電解槽内に正負対を平行に配設されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の電解方法において、電極として固有抵抗の大きな材料を使用し電解槽内に平行に配設し電解すると、電解液の界面近くでのみ電気化学反応が進み、電極が炭素電極等の消耗電極の場合には当該部位が侵食され電極が崩壊したり折損したりする問題が起こる。
【０００４】
一方、本出願人は、先に植物類生育用二酸化炭素溶液の製造方法等（特願平  ６−２５７６９７号、特願平  ６−３４１０４２号参照）を発明し提案している。この提案のものは、少なくとも陽極に炭素質電極を用い水又は水溶液を電気分解することで、陽極における電気化学反応により二酸化炭素を生成させ二酸化炭素溶液を製造するものであるが、その電気分解の際にも、電解液となる水又は水溶液の界面近くでのみ電気化学反応が進み、当該部位のみが消耗し電極が崩壊したり折損したりする問題が観察されている。
【０００５】
本発明は、上記の事情に鑑みてなしたものであって、その目的は、電極が崩壊したり折損したりすることなくほぼ均一に消耗し得る電解方法と、電解においてほぼ均一に消耗し寿命の向上を図るとともに、電解効率を向上させ得る電極を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明に係る電解方法は、少なくとも正負一対の電極を電解液に浸漬して電気分解する電解方法において、正負対の電極が、電解液への浸漬側先端に行くにつれ電極同士の対向する表面間隔が漸次狭くなるように設けられて電解液を電気分解するものであって、前記電極同士の対向する表面間隔が下記式（１）を満たすものである。
（2ａ×ｂ）×0.5 ≦（ｇ−ｈ）≦（2ａ×ｂ）×5 ------（１）
但し、ａ：電解液界面から電解液中先端部の間の電極抵抗（Ω）
ｂ：電解液の電気伝導度（ s／m ）
ｇ：電解液界面での電極間距離（m ）
ｈ：電解液中の先端部の電極間距離（m ）
【０００８】
また、上記の電解方法に用いる電極は、その形状が円錐台、角錐台又は台形体に形成されているものが好適に使用できる。
【０００９】
また、上記の電解方法に用いる電極は、正負対の電極の一方が円筒体、他方がその円筒体の中心部に設けられた丸棒からなり、円筒体が逆円錐台形状及び／又は丸棒が円錐台形状を有するものであってもよい。
【００１０】
次に、上記本発明の構成並びに作用について詳細に説明する。
本発明者等は、上述した先願の植物類生育用二酸化炭素溶液の製造方法等を研究開発する過程で、電極（炭素質電極）の折損等による寿命の短命を問題としてその改善をすべく研究を並行して行って来た。その結果、電極の折損等の現象は電極自体の抵抗により電極の電流導入部と先端部の間で電圧の低下が生じ電解液の界面近くと電極先端部では電解電位差が異なるために生じることを見出すとともに、更なる研究の結果、正負対の電極の電解液界面での電極間距離を電解液中の先端部の電極間距離より大きくすることにより上記現象が防止できることを見出したものである。
【００１１】
図１は、本発明方法の原理を説明するための電解液に浸漬されている電極部分の模式図であって、この図に基づいて本発明を説明する。図において、ｇは電解液界面での電極間距離（点ｃ，ｄ間）、ｈは電解液中の先端部の電極間距離（点ｅ，ｆ間）を示す。他方、電極材の固有抵抗をρ（Ωｍ  ）、電極の横断面積をＳ（ｍ２）、電極の有効長さ（電解液中に浸漬している電極の長さ）をＬ（ｍ）  とすると、電解液界面から電解液中先端部の間の電極抵抗ａは、ａ＝ρ×Ｌ／Ｓ（Ω）となる。また、電解液の電気伝導度をｂ（  ｓ／ｍ  ）とすると、液間比抵抗は１／ｂ（Ωｍ  ）となるので、点ｃ，ｄ間を通る液間の抵抗はｇ×（１／ｂ）＝ｇ／ｂとなる。同様に点ｅ，ｆ間の液間抵抗はｈ／ｂとなる。点ｃ，ｅ，ｆ，ｄを通る経路の抵抗はａ＋（ｈ／ｂ）＋ａ＝  ２ａ＋（ｈ／ｂ）となる。
【００１２】
ここで電極が従来のように平行配列とした場合は電極間距離ｇとｈは等しく（ｇ＝ｈ）なるので、（ｇ／ｂ）＜〔  ２ａ＋（ｈ／ｂ）〕＝〔  ２ａ＋（ｇ／ｂ）〕となり、点ｃ，ｄ間を通る抵抗が点ｃ，ｅ，ｆ，ｄを通る経路の抵抗より  ２ａだけ小さいので電流は主に点ｃ，ｄの間で流れることになり、これが、電解液の界面近くでのみ電気化学反応が進み、電極の折損等が生じる原因となる。そこで、この問題を改善するためには、点ｃ，ｄ間を通る抵抗（ｇ／ｂ）と点ｃ，ｅ，ｆ，ｄを通る経路の抵抗〔  ２ａ＋（ｈ／ｂ）〕が同じになるように電極間距離ｇ，ｈを変えればよい。すなわち、ｇ／ｂ＝  ２ａ＋（ｈ／ｂ）、これを変形して（ｇ−ｈ）＝  ２ａ×ｂとなる。つまり、電極間距離の差（ｇ−ｈ）を、電解液中の正負両極の電気抵抗（  ２ａ）に電解液の電気伝導度（ｂ）を掛けた値にすればよく、本発明では図２に示すように、正負対の電極１、２を、電解液３への浸漬側先端４，５に行くにつれ電極同士の対向する表面間隔を漸次狭くなるように設け電解液３を電気分解することにしたものである。なお、図中、６は電解槽、７は電源を示す。
【００１３】
ところで、電極間距離の差（ｇ−ｈ）を上記計算値（  ２ａ×ｂ）より大きくした場合、電極先端部での消耗が多くなるとともに、更に大きくし過ぎた場合には電極の電解液面近くの部分に電解電流が流れなくなり、電極の有効面積が減少することが起こる。このため、これらを考慮すると電極間距離の差（ｇ−ｈ）は計算値（  ２ａ×ｂ）の  ０．５〜  ５倍の範囲内で設定することが好ましい。
【００１４】
また、電極間距離の差（ｇ−ｈ）を計算値（  ２ａ×ｂ）となるようにするためには、図２に示すように正負対の電極１、２を傾斜させて先端部側の間隔ｇを狭く設定してもよいが、電極１、２自体の少なくとも対向する面側を図３に示すように傾斜させた形状としてもよいし、あるいは図４に示すように円錐台、角錐台又は台形体に形成したものでもよく、図２に示す電極１、２を傾斜させるよりは後者のように対向面を予め傾斜面に形成する方が設定がし易く効率的である。また、図４に示す電極１（２）では反転させることで表裏面が使用できるので、より効果的な使用ができる。また、前記形状の電極を組合わせて使用することも可能である。また更に、図５及び図６に示すように、正負対の電極１、２の一方が円筒体、他方がその円筒体の中心部に設けられた丸棒から形成されてあってもよく、更に円筒体が逆円錐台形状及び／又は丸棒が円錐台形状に形成された電極の組合せでもよい。また図５及び図６の円筒体電極１が半割り状に形成されてあってもよい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を説明する。本発明に係る電解方法は、図２に模式的に示す構成の電解槽により行われるもので、正負対の電極１、２として炭素電極を用い、また電解液３として実験容易な水を用い、下記要領で実施するとともに、電極間距離ｇ，ｈを変えて比較を行った。
【００１６】
【実施例】
〔実施例１〕
固有抵抗ρ＝  ０．１Ωｃｍ、横断面積Ｓ＝２５ｃｍ２  、電極有効長さＬ＝５０ｃｍの炭素電極材を用いて、電極間距離ｇ＝  ２．０ｃｍ、電極間距離ｈ＝  ０．５ｃｍに設定し、電気伝導度ｂ＝  ８ｍｓ／ｍ  の水を  ０．５Ａ  の電流で電気分解したところ、電極の対向表面はほぼ均等に消耗し、１年以上の使用ができた。
なお、電極間距離の差（ｇ−ｈ）は、計算値（  ２ａ×ｂ）では０．３２ｃｍ、設定後の実測値では  １．５ｃｍであり、実測値は計算値の  ０．５〜５  倍の範囲内で良好な結果となった。
【００１７】
〔実施例２〕
電極間距離ｇ＝  ０．８ｃｍ、電極間距離ｈ＝  ０．５ｃｍに設定する以外の実施条件を上記実施例と同じにして水を電気分解したところ、電極の対向表面はほぼ均等に消耗し、１年以上の使用ができた。
なお、電極間距離の差（ｇ−ｈ）は、計算値（  ２ａ×ｂ）では０．３２ｃｍ、設定後の実測値では  ０．３ｃｍであり、実測値は計算値の  ０．５〜５  倍の範囲内で良好な結果となった。
【００１８】
〔実施例３〕
固有抵抗ρ＝  ０．００８Ωｃｍ、横断面積Ｓ＝  ０．４ｃｍ２  、電極有効長さＬ＝２０ｃｍの炭素電極材を用いて、電極間距離ｇ＝  １．３ｃｍ、電極間距離ｈ＝  ０．５ｃｍに設定し、電気伝導度ｂ＝２０ｍｓ／ｍ  の水を  ０．１Ａ  の電流で電気分解したところ、電極の対向表面はほぼ均等に消耗し、５カ月間使用ができた。
なお、電極間距離の差（ｇ−ｈ）は、計算値（  ２ａ×ｂ）では  １．６ｃｍ、設定後の実測値では  ０．８ｃｍであり、実測値は計算値の  ５倍で、比較的良好な結果となった。
【００１９】
〔比較例１〕
固有抵抗ρ＝  ０．００８Ωｃｍ、横断面積Ｓ＝  ０．４ｃｍ２  、電極有効長さＬ＝２０ｃｍの炭素電極材を用いて、電極間距離（ｇ＝ｈ）を  １ｃｍの平行に配列して、電気伝導度ｂ＝２０ｍｓ／ｍ  の水を  ０．１Ａ  の電流で電気分解したところ、電極は、当初より液面近くでの反応が観察され２週間で液面近くで折損した。
なお、電極間距離の差（ｇ−ｈ）は、計算値（  ２ａ×ｂ）では  １．６ｃｍ、設定後の実測値は平行配列としたので  ０ｃｍであり、実測値は計算値の  ０．５倍未満で、液面近くでの反応が観察され電極寿命が短かった。
【００２０】
〔比較例２〕
固有抵抗ρ＝  ０．１Ωｃｍ、横断面積Ｓ＝２５ｃｍ２  、電極有効長さＬ＝５０ｃｍの炭素電極材を用いて、電極間距離ｇ＝  ２．５ｃｍ、電極間距離ｈ＝  ０．５ｃｍに設定し、電気伝導度ｂ＝  ８ｍｓ／ｍ  の水を  ０．５Ａ  の電流で電気分解したところ、電極は折損もなく７カ月以上使用できた。しかし、使用後の電極を観察すると、電解液面付近にあまり消耗していない部分が観察され、電極間距離ｇ＝  ２．５ｃｍと広すぎたためと思われる。
なお、電極間距離の差（ｇ−ｈ）は、計算値（  ２ａ×ｂ）では０．３２ｃｍ、設定後の実測値では  ２．０ｃｍであり、実測値は計算値の  ５倍を越えており、電極間隔が広すぎ電解液面付近での電気化学反応が起こらず電極先端側での消耗となり、折損しなかった分、比較的電極寿命は長く維持できた。
【００２１】
なお、上記実施例では電極として炭素電極、電解液として水を採用した例を説明したが、本発明はこの例に限定されるものではなく、電解によって同様の現象を起こす電極及び電解液にも適用し得ることは言うまでもない。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る電解方法によれば、電極を崩壊させたり折損させることなくほぼ均一に消耗させることができ電極の寿命の向上が図れるとともに、電解効率を向上させることができる。また、本発明に係る電極によっても、同様の効果を得ることができる。すなわち、電極を崩壊させたり折損させることなくほぼ均一に消耗させることができ電極の寿命の向上が図れるとともに、電解効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電解方法の原理を説明するための電解液に浸漬されている電極部分の模式図である。
【図２】本発明に係る電解方法に適用する電解槽の模式図である。
【図３】本発明に係る電極の斜視図であって、ａは片面に勾配を有する台形体の例、ｂは円錐台を半割りした形状の例をそれぞれ示す。
【図４】本発明に係る別の実施形態の電極の斜視図であって、ａは両面に勾配を有する台形体の例、ｂは円錐台、ｃは角錐台をそれぞれ示す。
【図５】本発明に係る別の実施形態の電極の斜視図であって、丸棒電極がストレートで円筒体電極が逆円錐形の例を示す。
【図６】本発明に係る別の実施形態の電極の斜視図であって、ａは丸棒電極が円錐台で円筒体電極がストレートの例、ｂは丸棒電極が円錐台で円筒体電極が逆円錐形の例をそれぞれ示す。
【符号の説明】
１，２：電極            ３：電解液              ４，５：浸漬側先端
６：電解槽              ７：電源
ｇ：電解液界面での電極間距離
ｈ：電解液中の先端部の電極間距離
ｃ，ｄ：電極の電解液界面側の点
ｅ，ｆ：電極の先端部側の点
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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