(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解液が流液する液体流路と、
前記液体流路の幅方向端部に接触して配設された気体流路であって、前記液体流路との境界面の近傍において前記液体流路で流液する電解液と気液界面を形成するための気体流路と、
前記液体流路及び／又は気体流路の内壁の少なくとも一部を構成するように配設され、前記電解液の電気分解を起こすための一対の電極であって、少なくとも一部が前記電解液と接触し、且つ前記電解液との接触領域全域が前記液体流路及び前記気体流路の境界面から１００μｍ以内に位置する一対の電極と、
を具備することを特徴とする電気分解セル。
【請求項２】
前記気体流路及び前記液体流路の断面が矩形で構成され、前記気体流路が前記液体流路よりも厚みが薄く、前記気体流路内壁における前記電解液に対する接触角が９０°以上である、ことを特徴とする請求項１に記載の電気分解セル。
【請求項３】
前記気体流路及び前記液体流路の断面が矩形で構成され、前記気体流路が前記液体流路よりも厚みが厚く、前記液体流路内壁における前記電解液に対する接触角が９０°以下である、ことを特徴とする請求項１に記載の電気分解セル。
【請求項４】
前記一対の電極の幅は、１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の電気分解セル。
【請求項５】
前記電気分解の反応が、水が酸素と水素に分解される反応であることを特徴とする請求項１に記載の電気分解セル。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載した電気分解セルを用い、前記一対の電極により前記電解液を電気分解する、ことを特徴とする電気分解方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解液の電気分解を生じさせることが可能な電気分解セル、及びそれを用いた電気分解方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気分解反応を行なう際、一対の電極間距離を近づけることにより、電気抵抗が低減され無駄なジュール熱の発生を抑制できるので消費電力が軽減されると考えられる。ところが、電気分解により気体が発生する反応においては、一対の電極間を近づけることにより発生する気体が電極に付着し、電流が流れにくくなり電力消費の軽減効果が減じられたり、電圧変動が大きくなったり、生成ガス量が減少するという問題があった。また、電極間を近づけることにより、陽極と陰極で発生した気体が混合しやすくなり、好ましくない。混合防止の目的で隔壁を設けると、電気抵抗が上昇するのでできれば無いほうがよい。
【０００３】
例えば、水の電気分解により発生する水素は、エネルギー有効利用の観点から注目されている。つまり、電力の豊富な地域や時間において、水を電気分解し水素として貯蔵し、電力が必要な地域や時間に供給することが考えられている。さらに詳しく説明すれば、大都市から離れた大河流域の大型ダムで製造された豊富な電力で、水の電気分解で水素を製造し、パイプラインにより工場や大都市に供給したり、化学物質の原料として消費したり、水素自動車や燃料電池の燃料としたりすることが可能である。また、電力需要の少ない深夜に余剰電力を用いて水の電気分解を行い水素として貯蔵し、電力需要の高まる時間に貯蔵した水素を燃料電池やガスタービンなどの燃料として電力を製造し供給することも可能である。
【０００４】
一方、水の電気分解により発生する酸素は、多くの産業上の利用や、医療用途などがある。
【０００５】
水の電気分解装置に関しては、数多くの報告がある（例えば、特許文献１〜３参照）。特に、特許文献３には、陽極室と陰極室を備え、固体電解液膜を隔膜として用いる、酸素・水素発生装置の水電解装置に用いる気液分離装置が報告されている。しかしながら、気液分離装置は電解セルの外部に設けられ、電極間距離を短くした場合の電極間に滞留する気体に関しては、何ら効果を発揮することはできない。
【０００６】
ところで、マイクロ流路内で気液分離する方法として、親水性表面を持つ深い液体チャンネルに沿って、疎水性表面を持つ浅い気体チャンネルを用いる方法が、特許文献４に報告されている。
【特許文献１】特開平９−１７６８８５号公報
【特許文献２】特開平８−３３３６９４号公報
【特許文献３】特開平８−１４４０７８号公報
【特許文献４】特開２００５−１６９３８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献４に開示されているマイクロ流路内で気液分離する方法は、マイクロ流路内で気液分離する方法として好適である。しかしながら、この構造を液体に混入した気体の分離や、気液抽出への応用は示されているが、電気分解反応への応用の記述はなく、もちろん、電気分解により生じた気体が付着した電極から当該気体を除去することに関しては一切述べられていないのが現状である。
【０００８】
電気分解反応において、電気分解により生じた気体が電極に付着したままであると、電極による電気分解能が低下するといった問題があり、改善が望まれている。
【０００９】
従って、本発明は、前記従来における諸問題を解決し、以下の目的を達成することを課題とする。即ち、本発明の目的は、電気分解により生じた気体を電極表面から速やかに取り除くことが可能な電気分解セル、及びそれを用いた電気分解方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題は、以下の手段により解決される。即ち、
本発明の電気分解セルは、
電解液が流液する液体流路と、
前記液体流路の幅方向端部に接触して配設された気体流路であって、前記液体流路との境界面の近傍において前記液体流路で流液する電解液と気液界面を形成するための気体流路と、
前記液体流路及び／又は気体流路の内壁の少なくとも一部を構成するように配設され、前記電解液の電気分解を起こすための一対の電極であって、少なくとも一部が前記電解液と接触し、且つ前記電解液との接触領域全域が前記液体流路及び前記気体流路の境界面から１００μｍ以内に位置する一対の電極と、
を具備することを特徴としている。
【００１１】
本発明の電気分解セルでは、電解液の電気分解により生じた気体が電極に付着しても、電解液との接触領域全域が前記液体流路及び前記気体流路の境界から上記範囲内に位置することで、電極に付着した気体が気液界面と接触するため、電気分解により生じた気体を電極表面から速やかに取り除くことを可能となる。
【００１２】
本発明の電気分解セルにおいては、前記気体流路及び前記液体流路の断面が矩形で構成され、前記気体流路が前記液体流路よりも厚みが薄い場合、前記気体流路内壁における前記電解液に対する接触角が９０°以上である、ことがよい。一方、前記気体流路及び前記液体流路の断面が矩形で構成され、前記気体流路が前記液体流路よりも厚みが厚い場合、前記液体流路内壁における前記電解液に対する接触角が９０°以下である、ことがよい。
【００１３】
本発明の電気分解セルにおいて、前記一対の電極の幅は、１００μｍ以下であることがよい。また、前記電気分解の反応が、水が酸素と水素に分解される反応であることがよい。
【００１４】
一方、本発明の電気分解方法は、上記本発明の電気分解セルを用い、前記一対の電極により前記電解液を電気分解する、ことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、電気分解により生じた気体を電極表面から速やかに取り除くことが可能な電気分解セル、及びそれを用いた電気分解方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明について図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、実質的に同一の機能を有する部材には、全図面通して同じ符合を付与し、重複する説明は省略する場合がある。また、図面における平面図では、わかり易いように、流路、電極などの内部構造も実線で描いている。
【００１７】
図１は、実施形態に係る電気分解セルを示す平面図である。図２は、実施形態に係る電気分解セルを示す断面図である。図３は、実施形態に係る電気分解セルにおける電極位置を示す部分拡大断面図である。図４は、他の実施形態に係る電気分解セルを示す断面図である。なお、図２〜４は、図１のＡ−Ａ断面図に相当する断面図である。
【００１８】
実施形態に係る電気分解セルは、図１〜２に示すように、電解液１８が流液する液体流路１０を有している。当該液体流路１０の一端には、電解液１８を導入する導入口１０Ａが連通しており、他端には電解液１８を排出する排出口１０Ｂが連通している。
【００１９】
液体流路１０の幅方向両端には、当該流路を挟んで任意の領域で接触し当該流路に流液する電解液１８と気液界面を形成させるための２つの気体流路１２が配設されている。気体流路１２は、電解液１８の電気分解により生じた気体１４を排出するためのものである。この気体流路１２は、図２に示すように、液体流路１０よりも深さを浅く構成している。また、この気体流路１２は、図４に示すように、液体流路１０よりも深さを深く構成してもよい。ここで、流路深さとは流路の厚みを示す。そして、気体流路１２には、気体排出用流路１２Ａを介して排出口１２Ｂが連通している。
【００２０】
ここで、電解液１８と気体１４との気液界面は、必ずしも液体流路１０と気体流路１２との境界２０と同一面で形成されるわけではないが、おおよそ、境界２０近傍で当該境界２０が形成する面に対して直交方向に沿った距離で当該境界面から気体流路１２側１５μｍ以内（好ましくは１０μ以内）の位置に形成される。
【００２１】
この気液界面の形成には、界面張力差を利用する。つまり、図２に示すように、気体流路１２が液体流路１０よりも深さが浅い場合、気体流路１２内壁が電解液１８に対する接触角が９０°以上であると、電解液１８が気体流路１２に入り込まない状況を作り出し、気液界面を形成することができる。
【００２２】
また、図４に示すように、気体流路１２が液体流路１０よりも深さが深い場合、液体流路１０内壁が電解液１８に対する接触角が９０°以下であると、電解液１８が気体流路１２に入り込まない状況を作り出し、気液界面を形成することができる。
【００２３】
さらに詳しく説明すれば、電解液１８の圧力が、電解液１８が気体流路１２に侵入するのに必要な圧力を上回らなければ、電解液１８は気体流路１２に侵入することが出来ず、液体流路１０及び気体流路１２の境界２０近傍に気液界面を形成することが可能となる。
【００２４】
ここで、図２に示すように、気体流路１２が液体流路１０よりも深さが浅い場合、電解液１８が気体流路１２に侵入するのに必要な圧力は、次のヤング−ラプラスの式により求められる。
式１：△Ｐ＝２γ[ｓｉｎ（θ−９０°）／ｒ］
（式中、△Ｐは気体流路１２に侵入するのに必要な圧力（Ｐａ）、γは電解液１８の界面張力（Ｎ／ｍ）、θは気体流路１２内壁の電解液１８に対する接触角（°）、ｒは気体流路１２の深さ（ｍ）
【００２５】
また、同様に、図４に示すように、気体流路１２が液体流路１０よりも深さが深い場合、電解液１８が気体流路１２に侵入するのに必要な圧力は、次のヤング−ラプラスの式により求められる。
式２：△Ｐ＝２γｃｏｓ（θ）／ｒ
（式中、△Ｐは気体流路１２に侵入するのに必要な圧力（Ｐａ）、γは電解液１８の界面張力（Ｎ／ｍ）、θは液体流路１０内壁の電解液１８に対する接触角（°）、ｒは気体流路１２の深さ（ｍ）
【００２６】
つまり、電解液１８と気体の圧力差が、ヤング−ラプラスの式から求められる圧力を上回らない条件が、電解液１８が気体流路１２に侵入しない条件ということになる。
【００２７】
また、図２に示すように、気体流路１２が液体流路１０よりも深さが浅い場合、（式１）より明らかなように、気体流路１２内壁の電解液１８に対する接触角が９０°未満では、電解液１８が気体流路１２に侵入する圧力は負になり、電解液１８が気体流路１２に侵入することになるので、気体流路１２内壁の電解液１８に対する接触角が９０°以上であることがよいことがわかる。
【００２８】
反対に、図４に示すように、気体流路１２が液体流路１０よりも深さが深い場合、（式２）から明らかなように、液体流路１０内壁の電解液１８に対する接触角が９０°を超えると、電解液１８が気体流路１２に侵入する圧力は負になり、電解液１８が気体流路１２に侵入することになるので、液体流路１０内壁の電解液１８に対する接触角が９０°以下であることがよいことがわかる。
【００２９】
なお、電解液１８と気体１４の圧力差は、ブルドン式圧力計、沈鐘式圧力計、リング式圧力計、分銅式圧力計、ダイヤフラムと歪みゲージが一体化した半導体圧力センサなどにより実測して求めてもよいし、流体の圧力損失は、層流の場合、次のハーゲン−ポアズイユの式からも計算できる。
式：△Ｐ＝２μｖｌ２Ｌ／Ｓ２
（上記式中、ΔＰは流路長さＬでの電解液の圧力損失（Ｐａ）、μは電解液の粘度（Ｐａ・ｓｅｃ）、ｖは電解液の流速（ｍ／ｓｅｃ）、ｌは流路の周長（ｍ）、Ｌは流路の長さ（ｍ）、Ｓは流路の断面積（ｍ２）を表す）
【００３０】
また、図２に示すように、気体流路１２が液体流路１０よりも深さが浅い場合、気体流路１２内壁の電解液１８に対する接触角は９０°以上が好ましいが、１１０°以上がさらに好ましく、１２０°以上がとりわけ好ましい。この接触角の上限は、幾何的に可能な１８０°である。このような接触角を満たすためには、気体流路１２を構成する部材（基板）として電解液１８に対する接触角が９０°以上の素材を用いても良く、素材の接触角が９０°未満であっても表面処理することにより、接触角を９０°以上にすることができれば使用することができる。
【００３１】
ここで言う表面処理方法についても特に限定されないが、例えば、市販のテフロン（登録商標）やシリコーンを用いた撥水スプレーによる処理、テトラフロオロメタン、テトラフロオロエタンなどのフッ素系ガスを用いたプラズマ処理、オクタデシルシランなどを用いて化学修飾する処理などが挙げられ、気体流路１２を形成する基板の素材や電解液１８の性質に応じて適宜選択することができる。また、電解液１８に対する接触角が９０°以上である気体流路１２の部材の表面に、微細な凹凸をつけることで接触角を高める工夫をしても良い。
【００３２】
具体的に、例えば、電解液１８が水溶液であれば、基板の素材としてテフロン（登録商標）なら表面処理することなく、電解液との接触角９０°以上が得られる。また、例えば、基板の素材としてアクリル、ポリカーボネート、ポリイミド等のプラスチップには、テトラフロオロメタンなどフッ素系ガスを用いるプラズマ処理を適用することができる。また、基板の素材としてガラス、石英、シリコンなどには、オクタデシルシランなどを用いる化学修飾法を適用することができる。また、基板の素材としてプラチナ、ステンレススチール、ニッケルなどの金属には、テフロン（登録商標）コート剤による処理を適用することができる。
【００３３】
一方、図４に示すように、気体流路１２が液体流路１０よりも深さが深い場合、液体流路１０内壁の電解液１８に対する接触角は９０°以下が好ましいが、７０°以下がさらに好ましく、３０°以下がとりわけ好ましい。なお、この接触角の下限は、幾何的に可能な０°である。このような接触角を満たすためには、液体流路１０を構成する部材（基板）として電解液１８に対する接触角が９０°以下の素材を用いても良く、素材の接触角が９０°を越えていても表面処理することにより、接触角を９０°以下にすることができれば使用することができる。
【００３４】
ここで言う表面処理方法についても特に限定されないが、液体流路１０を構成する部材（基板）の素材や電解液の性質に応じて適宜選択することができる。具体的には、例えば、電解液１８が水溶液であれば、基板の素材としてガラスや酸化チタンなら表面処理することなく、電解液１８に対する接触角９０°以下が得られ、また、基板の素材としてアクリルやポリカーボネートなどのプラスチックは、酸素ガスを用いたプラズマ処理や、ＵＶオゾン処理、などで親水化することが可能である。また、電解液１８に対する接触角が９０°以下である気体流路１２の部材の表面に、表面に微細な凹凸をつけて接触角を下げる工夫をしても良い。
【００３５】
ここで、電解液１８に対する接触角は、静止した状態の液滴と基板の接触角を測定する液滴法で測定した。測定には、協和界面科学株式会社製「接触角計ＣＡ−Ｘ型」を用いて、液滴と基板との断面の接点２ヶ所と液滴の頂点をコンピューター画面に入力して求める「３点クリック法」で行なった。また、液滴は、協和界面科学株式会社製「オートディスペンサＡＤ−２１型」を用いて、１．８μＬの液滴体積になるよう設定した。
【００３６】
また、図４に示すように、気体流路１２が液体流路１０よりも深さが深い場合、液体流路１０の深さは５０μｍ以下が好ましく、３０μｍ以下が好ましく、１５μｍ以下がとりわけ好ましい。なお、加工精度の観点から、下限は０．１μｍである。気体流路１２の深さが５０μｍ以下であると、発生した気体１４は液体流路１０に存在し難くなり、容易に気体流路１２に取り除かれる。反対に、液体流路の深さが５０μｍを超えると、発生した気体１４が液体流路１０に入り込みやすく、気体流路１２に取り除くのが難しくなることがある。
【００３７】
ここで、液体流路１０の流路長さは特に限定されず、反応液濃度、反応液流量、電流密度、電流効率などを考慮し適宜設計してよい。
【００３８】
また、液体流路１０に電解液１８を導入するための導入口１０Ａは、図示しないが、外部より流路内に流体を導入するための供給手段と接続されていてもよい。また、流路内に小型のポンプなどの供給手段を内蔵させてもよい。外部より液体流路１０に電解液１８を導入するための供給手段は、特に限定されるものではないが、例えば、種々のポンプや、圧送する方法、重力差を利用する方法、高圧に圧縮された容器から供給する方法、などを用いることができる。ポンプとして具体例を示すとすれば、１）シリンダー内の流体をピストンで押し込めるシリンジポンプ、２）ピストンポンプ、ダイヤフラムポンプといったピストンやプランジャーなどの往復運動を利用して圧力を高める往復式ポンプ、３）ギアポンプやペリスタポンプといった歯車やローラーを回転し、流体を空隙に閉じ込めて押し動かして輸送する回転式ポンプ、４）ボリュートポンプや、デフューザポンプといった、流体を回転羽根で回転しその遠心力によって圧力を高める遠心式ポンプや、その他一般的に知られているポンプなどが挙げられる。
【００３９】
また、液体流路１０の水力相当直径は、１μｍ以上２０００μｍ以下が好ましく、１０μｍ以上１０００μｍ以下がさらに好ましい。液体流路１０の水力相当直径が１０μｍ以下では、圧力損失が甚だ大きくなると共に、処理量も著しく少なくなることがあるため好ましくなく、２０００μｍ以上では温度制御が困難になるため副生成物が増加することがあるので好ましくない。ここで言う水力相当直径とは、（流路断面積×４÷濡れ辺長）で表すことができる。
【００４０】
なお、電解液１８の前処理方法や後処理方法は、特に限定されないが、液体流路１０と同様の水力相当直径の流路を使って、行なってもよい。
【００４１】
このような構成の液体流路１０及び／又は気体流路１２の内壁の少なくとも一部を構成するように、一対の電極１６が配設されている。一対の電極１６の露出部１６Ａが液体流路１０及び／又は気体流路１２の内壁の少なくとも一部を構成している。また、図示しないが、セルには一対の電極１６のそれぞれと電気的に接続し、外部電源と接続される端子も配設されている。
【００４２】
そして、一対の電極１６は、少なくとも一部が電解液１８と接触し、且つ電解液１８の接触領域全域が液体流路１０及び気体流路１２の境界から１００μｍ以内（好ましくは５０μｍ以内）に位置するように配設される。これにより、電気分解により発生した気体１４を、速やかに電極１６から気体流路１２に分離することが可能となる。
【００４３】
ここで、気体１４を分離するメカニズム、即ち電極１６で発生し付着した気体１４を電極１６から気体流路１２へ分離するメカニズムは、気泡と気泡が近づいていくと、ある時点で一つの気泡に合一が起こる現象は良く知られているが、この現象を応用したものである。つまり、電極１６で発生した気泡のそばに、電解液１８と気体１４との気液界面があれば、気泡は気液界面に接したときに合一することになり、電気分解セル外部に抜き取ることが可能となる。このような考えで電気分解セルを設計し実験したところ、電極１６で発生した気体１４は発生した直後は小さい気泡となり電極１６に付着しているが、発生した電極１６近傍に気液界面があり発生した気泡が接触すれば、気体１４（気泡）は気体流路１２側に引き込まれることが明らかになった。
【００４４】
詳しく検討した結果、電極１６は、電解液１８と接触し、且つ電解液１８との接触領域全域が液体流路１０及び気体流路１２の境界２０から１００μｍ以内（好ましくは５０μｍ以内）に設置すると、電気分解により生じた気体１４を電極１６表面から速やかに取り除くことが可能となることが明らかとなった。
【００４５】
ここで、「電解液１８との接触領域全域が液体流路１０及び気体流路１２の境界２０から所定範囲以内に位置する」とは、液体流路１０の電解液流液方向と直交に電気分解セルを切断したとき、その断面において、液体流路１０及び気体流路１２の境界２０のうち電極１６に最も近い部位から、電極１６の電解液接触領域のうち液体流路１０及び気体流路１２の境界２０に最も遠い部位までの距離が、所定範囲内にあることを意味する。
【００４６】
また、電極１６は、少なくとも電解液に接触していなければ電気分解を起こすことはできないのは自明であるが、その電解液接触領域が液体流路１０及び気体流路１２の境界２０から上記範囲を超えて離れていると、電気分解により発生した気体が気液界面に接触し難くなり、気泡が大きくなり気液界面に接触するまでに時間が掛かったり、気体流路１２に吸収されず液体流路を流れたりするようになる。このため、上記範囲内に電解液接触領域全域が存在することが必要である。
【００４７】
一方、電極１６は、電解液１８の電気分解反応を生じさせなければならないため、電解液１８と接触しなければならないが、気体流路１２側のみに電極１６が位置する場合、電極１６の少なくとも一部が液体流路１０及び気体流路１２の境界２０から１５μｍ以内（好ましくは１０μｍ以内）に位置することが好ましく、より好ましくは１０μｍ以内に位置することである。これは、おおよそ、気液界面が境界２０近傍で当該境界２０が形成する面に対して直交方向に沿った距離で当該境界面から気体流路１２側１５μｍ以内に形成されるためである。この範囲内に電極１６の少なくとも１部を位置させることで、気液界面が電極の一部にかかり電解液との接触領域を持つこととなる。
【００４８】
ここで、気体流路１２側のみに電極１６が位置する場合における「電極１６の少なくとも一部が液体流路１０及び気体流路１２の境界２０から所定範囲内に位置する」とは、液体流路１０の電解液流液方向と直交に電気分解セルを切断したとき、その断面において液体流路１０及び気体流路１２の境界２０のうち電極１６に最も近い部位から、電極１６のうち液体流路１０及び気体流路１２の境界２０に最も近い部位までの距離が、所定範囲内にあることを意味する。
【００４９】
以上をまとめると、図３に示すように、電極１６は、気体流路１２側のみに位置する場合、電極１６の少なくとも１部が電解液１８と接触する必要があるため、電極１６の少なくとも一部が液体流路１０及び気体流路１２の境界２０から１５μｍ以内位置することが必要であり、点線で描いた電極１６−１のように１５μｍを超えて位置すると電解液１８と接触しなくなる。
【００５０】
一方、電極１６は、液体流路１０側のみに位置する場合、電解液１８との接触領域全域が液体流路１０及び気体流路１２の境界２０から１００μｍ以内（好ましくは５０μｍ以内）に位置（点線で描いた電極１６−２、電極１６−３の位置）することが必要であり、点線で描いた電極１６−４のように１００μｍを超えて位置すると付着した気体１４が速やかに気体流路１２へ分離されなくなる。
【００５１】
なお、電極１６が、液体流路１０及び気体流路１２の境界２０をまたがるように配置される場合、上記各条件を満たす必要がある。
【００５２】
よって、本実施形態では、一対の電極１６は、少なくとも一部が電解液１８と接触し、且つ電解液１８の接触領域全域が液体流路１０及び気体流路１２の境界から１００μｍ以内（好ましくは５０μｍ以内）に位置するように配設されることが必要である。
【００５３】
電極１６の幅は、１００μｍ以下が好ましく、５０μｍ以下がさらに好ましく、１０μｍ以下がとりわけ好ましい。なお、微細加工の限界の点から電極１６幅の下限は０．１μｍである。電極１６の幅とは、液体流路１０の電解液流液方向と直交に電気分解セルを切断したとき、その断面において電極１６と電解液１８が接する面の最大距離を言う。具体的には、例えば、板状の電極１６端面が電解液接触領域に相当する場合、その板状体の厚みを示し、円筒形或いは円柱形のワイヤーなら直径を指す。電極１６の幅は、電極１６に付着する気泡の直径とよく相関しており、電極１６表面以外に付着する面がなければ、電極幅の約２〜３倍の直径の気泡が付着することが、電極１６表面の観察から明らかになった。また、電極１６幅が狭いほど、高い電流密度で電気分解しても気泡を抜き取ることができた。これは、気泡が小さい時点で、気体流路１２に取り込まれるためと考えられる。
【００５４】
電極１６の形状は、特に限定されない。ワイヤー状でも、板状でも、薄膜状でもよい。本実施形態では、断面Ｌ状の板状体を適用している。また、電極１６の設置形態は、特に限定されず、本実施形態では、流路の内壁の一部を構成するように設置しているが、例えば、一対の電極１６の間に絶縁性スペーサーを挟んで設置してもよい。
【００５５】
電極１６の作製方法は特に限定されない。好ましい方法として、ワイヤー状の導電体を液体流路１０と気体流路１２の境界２０上或いはその近傍に沿うように設置したり、板状（或いは薄膜状）の導電体を液体流路１０と気体流路１２の境界２０上或いはその近傍に配置したりしてもよい。なお、薄膜状の導電体を電極１６として用いる場合は、電極形状にくり貫いた薄板のマスクを被せたり、フォトレジストを使ったりしてから、金属を蒸着やスパッタリング技術を用いて形成する方法が挙げられる。本実施形態では、断面Ｌ状の板状体からなる導電体をその一端面（電極基板２４から露出する電極１６の露出部１６Ａ）が流路内壁の一部を構成するように、液体流路１０と気体流路１２の境界２０近傍に沿うよう配置している。
【００５６】
電極１６の素材は、通電すれば特に限定されない。例えば、パラジウム、プラチナ、ロジウム、イリジウム、ニッケル、金、タングステン、ニオブ、カドニウム、マンガン、タリウム、鉛、水銀などの金属や合金、グラッシーカーボン、分光分析級黒鉛、熱分解黒鉛、炭素クロスなどの炭素素材やそれらの粉末をキシレンワックス、エポキシ樹脂、シリコーンゴム、ヌジョールなどに分散させたものなどを使用することができる。また、上記金属を蒸着やスパッタを用いて付着させる際には、基板との付着性を向上させるために、下地としてクロムやチタンなどの薄膜を付着させてもよい。また、炭素は、金属電極の表面に炭素粉末を接着性のある素材に分散させたペーストを塗布しても良く、同様に金属電極の表面に炭化水素化合物を塗布し、減圧下で熱分解させて熱分解黒鉛としてもよい。
【００５７】
電極１６の表面には、金属めっきなどの手法を施し、電極表面を広げる工夫をしても良く、特に触媒活性の高い白金黒やパラジウム黒などを付着させてもよい。
【００５８】
電解液１８は、電極により電気化学反応を生じさせる媒体である。電気化学反応は、気体１４が発生する反応であれば特に限定されない。例えば、アルコール類の還元反応により水素を発生する反応や、カルボン酸類の酸化反応により二酸化炭素を発生する反応、水の電気分解により水素と酸素を発生させる反応や、塩化物イオンを含む水溶液の電気分解により水素と塩素を発生させる反応などが挙げられる。それらの中でも、水は表面張力が高いので、本発明の構造を用いれば比較的容易に気液界面を作り出すことができるので、水溶液を用いた反応は好ましく、水の電気分解により水素と酸素を発生させる反応がさらに好ましい。
【００５９】
また、電気化学反応としては、支持電解質を用いた電気化学反応でもよい。その種類や使用量は、反応溶液に溶解し導電性を持たせることができれば特に限定されない。支持電解質は溶媒中でイオンとして働くので、イオン化しやすいアニオンとカチオンで組み合わされた塩や酸やアルカリである。カチオンとしては、水素イオンや、Ｌｉ＋、Ｎａ＋、Ｋ＋、Ｒｂ＋、Ｃｓ＋などのアルカリ金属イオンや、アンモニウムイオン、テトラメチルアンモニウムイオン、テトラエチルアンモニウムイオン、テトラ（ｎ−プロピル）アンモニウムイオン、テトラ（ｉ−プロピル）アンモニウムイオン、テトラ（ｎ−ブチル）アンモニウムイオン、テトラ（ｎ−ヘキシル）アンモニウムイオンなどの第４級アルキルアンモニウムなどが挙げられる。アニオンとしては、Ｃｌ−、Ｂｒ−、Ｉ−などのハロゲンイオンや、水酸基イオン、酢酸イオン、硫酸イオン、硝酸イオン、過塩素酸イオン、ＢＦ４−、ＰＦ６−、ビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド、ビス（１，１，２，２，３，３，３−ヘプタフルオロ−１−プロパンスルホニル）イミド、ビス（１，１，２，２，３，３，４，４，４−ノナフルオロ−１−ブタンスルホニル）イミド、各種スルホン酸イオンなどが挙げられる。
【００６０】
本実施形態に係る電気分解セルは、例えば、各流路となる溝が形成された流路基板２２と、電極１６が表面に配設されたり、埋め込まれた電極基板２４とで構成している。
【００６１】
流路基板２２は、例えば、エッチングや機械加工などによって流路となる溝などを形成することで作製することができる。
【００６２】
電極基板２４は、例えば、基板に溝を形成し当該溝にワイヤや板状の導電体を埋め込むことで作製したり、基板に蒸着やスパッタにより薄膜状の導電体を堆積させて作製することができる。本実施形態では、電極基板２４は、開口２６Ａが設けられた開口基板２６と、当該開口基板２６の開口２６Ａに電極１６を介して嵌め込まれるように設けられた凸部２８Ａを有する凸状基板２８と、を、開口基板２６の開口２６Ａ内周部に断面Ｌ字状の電極１６の端面（電極基板２４から露出する電極１６の露出部１６Ａ）と凸部２８Ａ上面が露出するように、基板間に断面Ｌ字状の電極１６を介して積層している。
【００６３】
そして、流路に相当する溝、露出した電極側を対向させるように、熱圧着、熱融着など加熱し圧力を掛ける方法や、ねじを使って締め付ける方法や、接着剤による接着により、流路基板２２と電極基板２４とを貼り合わせることで、電気分解セルを得ることができる。
【００６４】
なお、流路基板２２及び電極基板２４の素材は、少なくとも表面が絶縁性であることが好ましい。電気分解セルに電極１６を組み込むため、電極１６間の絶縁性を確保するためである。一方、シリコンや金属など導電性材料であっても表面を絶縁化処理したものであれば使用することができる。
【００６５】
以上説明した本実施形態に係る電気分解セルでは、電解液１８の電気分解により生じた気体１４が電極１６に付着しても、電解液１８の接触領域全域が液体流路１０及び気体流路１２の境界２０から上記範囲内に位置しているので、電極１６に付着した気体１４が気液界面と接触するため、電気分解により生じた気体１４を電極１６表面から速やかに取り除くことを可能となる。
【００６６】
これにより、例えば、電極１６間の距離を小さくすることが可能であり、電極１６への気体１４付着面積や付着時間を抑制することが可能となり電気分解の際の電圧が安定したり、電極の消耗が抑制できたりする。また、両極で気体１４が発生する電気分解の場合は、気体１４の混合を抑制するための隔壁が不要になるなどの効果がある。
【００６７】
なお、本発明は、上記本実施形態に係る電気分解セルの構造に限られるわけではなく、他の形態、例えば、図９〜図１２に示す形態などにも適宜適用することができる。また、電気分解処理能力を高める目的のため、同一基板上に本発明の電気分解セルを並列させてもよく、また基板を複数枚重ねて使用することもできる。
【実施例】
【００６８】
以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により何ら限定されるものではない。
【００６９】
（実施例１−１）
以下のようにして、図５及び図６に示す電気分解セルを作製した。なお、図５は、実施例１−１で作製した電気分解セルを示す平面図である。図６は、図５の１−１断面図である。
【００７０】
１）流路基板２２としてのポリカーボネート板（３０ｍｍ×７０ｍｍ，２ｍｍｔ）を機械加工し、断面が矩形となるように、液体流路１０と液体流路１０を挟んで２本の気体流路１２となる溝を形成した。液体流路１０の寸法は、幅１．０ｍｍ、深さ５００μｍ、電極１６にかかる長さ（電極と接触する長さ）は２０ｍｍであった。また、気体流路１２の寸法は、幅１．０ｍｍ、深さ１００μｍ、電極１６にかかる長さは２０ｍｍであった。このようにして、気体流路１２が液体流路よりも深さが浅い流路基板２２を得た。
２）電極基板２４の開口基板２６としてのポリカーボネート板（３０ｍｍ×７０ｍｍ，１ｍｍｔ）を機械加工し、当該開口基板２６としてのポリカーボネート板と凸状基板２８としてのポリカーボネート板に加工した凸部２８Ａが収まる形状の開口２６Ａを形成した。開口２６Ａの寸法は、幅１．０２ｍｍ、長さ２０ｍｍであった。
３）電極基板２４の凸状基板２８としてのアクリル板（ポリメチルメタクリレート）板（３０ｍｍ×７０ｍｍ，２ｍｍｔ）を機械加工し、幅１ｍｍ、長さ２０ｍｍ、高さ１ｍｍの凸部２８Ａを形成した
【００７１】
４）厚さ１０μｍのプラチナ箔を加工し、末端部を折り曲げ、断面Ｌ字状の電極１６とし、これを開口基板２６と凸状基板２８との間に挟みこみ、開口基板２６の開口２６Ａ内周部に断面Ｌ字状の電極１６の端面と凸部２８Ａ上面が露出するように、重ね合わせ隙間を接着剤で埋めたて接着した。接着剤が硬化した後、表面を研磨し凹凸を１０μｍ以下に加工した。このようにして一対の電極１６を有する電極基板２４を作製した。
【００７２】
５）流路基板２２を、テトラフルオロメタンを用いたプラズマ処理をした。また、同様に、電極基板２４を、液体流路１０内壁を構成する面をポリイミドテープでマスキングした後、テトラフルオロメタンを用いたプラズマ処理をした。プラズマ処理条件は、各基板をカソードにセットし、テトラフルオロメタン流量５０ｓｃｃｍ、真空度１５０ｍＴｏｒｒ、パワー密度１．７８Ｗ／ｃｍ２、３０秒間処理した。このときの、処理面（流路基板２２の流路となる溝内壁と電極基板２４の液体流路１０内壁を構成する面以外の領域）の使用する電解液１８に対する接触角は、１２５°であった。
【００７３】
６）電極基板２４を、液体流路１０内壁を構成する面以外にポリイミドテープでマスキングした後、酸素を用いたプラズマ処理をした。プラズマ処理条件は、基板をアノードにセットし、酸素流量５０ｓｃｃｍ、真空度１５０ｍＴｏｒｒ、パワー密度１．２７Ｗ／ｃｍ２、５分間処理した。このときの、処理面（電極基板２４の液体流路１０内壁を構成する面）の使用する電解液１８に対する接触角は、１５°であった。
【００７４】
７）流路基板２２と電極基板２４とを、電極１６の露出部１６Ａの位置を正確に合わせて重ね合わせた。これらを厚さ１０ｍｍのアクリル板を加工した２枚の冶具で挟み込み、ねじを用いて締め付け、流路から電解液１８が漏れないようにした。電極１６の露出部１６Ａはその一辺が気体流路１２と液体流路１０の境界２０上に位置して気体流路１２側に１０μｍ延在するように配置されていた。このようにしてセルを得た。
【００７５】
作製したセルに対し、シリンジポンプを用いて０．０１Ｎの希硫酸を導入口１０Ａより液体流路１０へ供給した。１０ｍＬ／ｍｉｎの流量で供給しても、希硫酸は液体流路１０から気体流路１２に漏れることなく、また、液体流路１０と気体流路１２の境界２０近傍で気液界面が形成されていることが、顕微鏡による観察により確認した。
【００７６】
そして、電解液１８として０．０１Ｎの希硫酸を１０μＬ／ｍｉｎの流量でシリンジポンプを用いて供給しながら、一対の電極１６間に電圧を掛け２００μＡで定電流電解した。両電極１６から生じた気体１４は、最初は電極１６に付着するが、気液界面に接触すると速やかに気体流路１２の気体１４と合体し消滅する様子が確認できた。このときの電極１６に付着した気泡の直径は、２０〜３０μｍまで成長してから消滅した。電流を３００μＡまで上げて、上記と同様の条件で実験したところ、電極１６で発生した気泡は、気体流路１２に吸い込まれ気液分離することが出来た。このときの電流密度は、１５０ｍＡ／ｃｍ２であった。
【００７７】
（比較例１−１）
電極基板２４における電極１６の露出部１６Ａの位置を基板面と平行にずらし、気体流路１２と液体流路１０の境界２０から、気体流路１２側に１００μｍ離した以外は、実施例１−１と同様に実験した。電解液１８として０．０１Ｎの希硫酸を、液体流路１０に供給したが、希硫酸が電極１６の位置まで到達せず接しなかったので、電気分解をすることが出来なかった。
【００７８】
（比較例１−２）
電極基板２４における電極１６の露出部１６Ａの位置を基板面と平行にずらし、電極１６の位置を、気体流路１２と液体流路１０の境界２０から、液体流路１０側に１１５μｍ離した以外は、実施例１−１と同様に実験した。なお、電極１６の露出部１６Ａ全面が電解液接触領域となっており、その領域が境界２０から１００μｍを越えて位置していた。
【００７９】
そして、電解液１８として０．０１Ｎの希硫酸を１０μＬ／ｍｉｎの流量でシリンジポンプを用いて供給しながら、電極間に電圧を掛け３００μＡで定電流電解した。両電極から生じた気体１４は、電極に付着したまま大きくなり、気体流路１２に分離することができなかった。
【００８０】
（実施例１−２）
電極基板２４における電極１６の露出部１６Ａの位置を基板面と平行にずらし、電極１６の位置を、気体流路１２と液体流路１０の境界２０から、液体流路１０側に１００μｍ離した以外は、実施例１−１と同様に実験した。なお、電極１６の露出部１６Ａ全面が電解液接触領域となっており、その全領域が境界２０から１００μｍ以内に位置していた。
【００８１】
そして、電解液１８として０．０１Ｎの希硫酸を１０μＬ／ｍｉｎの流量でシリンジポンプを用いて供給しながら、電極間に電圧を掛け３００μＡで定電流電解した。両電極から生じた気体１４は、電極に付着したまま大きくなり、実施例１−１に比べて時間は掛かったが速やかに気体流路１２に分離することができた。
【００８２】
（実施例１−３）
電極基板２４における電極１６の露出部１６Ａの位置を基板面と平行にずらし、電極１６の位置を、気体流路１２と液体流路１０の境界２０から、液体流路１０側に５０μｍ離した以外は、実施例１−１と同様に実験した。なお、電極１６の露出部１６Ａ全面が電解液接触領域となっており、その全領域が境界２０から５０μｍ以内に位置していた。
【００８３】
そして、電解液１８として０．０１Ｎの希硫酸を１０μＬ／ｍｉｎの流量でシリンジポンプを用いて供給しながら、電極間に電圧を掛け３００μＡで定電流電解した。両電極から生じた気体１４は、電極に付着したまま大きくなり、実施例１−１に比べて時間は掛かったが実施例１−２よりも速やかに気体流路１２に分離することができた。
【００８４】
（実施例１−４）
厚さ１０μｍのプラチナ箔の替わりに厚さ５０μｍのプラチナ箔を用い、電極基板２４の開口基板２６の開口２６Ａの幅をプラチナ箔の厚さに合わせて広くした以外は、実施例１−１と同様に電気分解セルを作製し実験した。なお、電極１６の露出部１６Ａをその一辺が気体流路１２と液体流路１０の境界２０上に位置して液体流路１０側に５０μｍ延在するように配置させた。
【００８５】
そして、電解液１８として０．０１Ｎの希硫酸を１０μＬ／ｍｉｎの流量でシリンジポンプを用いて供給しながら、一対の電極１６間に電圧を掛け５００μＡで定電流電解した。両電極１６から生じた気体１４は、最初は電極１６に付着するが、気液界面に接触すると速やかに気体流路１２側に吸い込まれるように消滅する様子が確認できた。このときの電極１６に付着した気泡の直径は、１００〜１５０μｍで気体流路１２に吸い込まれた。電流を９００μＡまで上げて、上記と同様の条件で実験したが、電極１６で発生した気泡は、気体流路内の気体１４と合一し、気泡を分離することが出来た。このときの電流密度は、９０ｍＡ／ｃｍ２であった。
【００８６】
（実施例１−５）
厚さ１０μｍのプラチナ箔の替わりに厚さ１００μｍのプラチナ板を用い、電極基板２４の開口基板２６の開口２６Ａの幅をプラチナ板の厚さに合わせて広くした以外は、実施例１−１と同様に電気分解セルを作製し実験した。なお、電極１６の露出部１６Ａをその一辺が気体流路１２と液体流路１０の境界２０上に位置して液体流路１０側に１００μｍ延在するように配置させた。
【００８７】
そして、電解液１８として０．０１Ｎの希硫酸を１０μＬ／ｍｉｎの流量でシリンジポンプを用いて供給しながら、一対の電極１６間に電圧を掛け５００μＡで定電流電解した。両電極１６から生じた気体１４は、最初は電極１６に付着するが、気液界面に接触すると速やかに気体流路１２側に吸い込まれるように消滅する様子が確認できた。このときの電極１６に付着した気泡の直径は、２００〜３００μｍで気体流路１２に吸い込まれた。電流を１．４ｍＡまで上げて、上記と同様の条件で実験したが、電極１６で発生した気泡は、気体流路１２内の気体１４と合一し、気泡を分離することが出来た。このときの電流密度は、７０ｍＡ／ｃｍ２であった。
【００８８】
（実施例１−６）
流路基板２２と電極基板２４に、テトラフルオロメタンを用いたプラズマ処理を施さなかった点以外は、実施例１−１と同様にして実験した。このプラズマ処理非処理面（流路基板２２の流路となる溝内壁と電極基板２４の液体流路１０内壁を構成する面以外の領域）の使用する電解液１８に対する接触角は、８５°であった。
【００８９】
そして、電解液１８として０．０１Ｎの希硫酸を１０μＬ／ｍｉｎの流量でシリンジポンプを用いて供給しながら、一対の電極１６間に電圧を掛け５００μＡで定電流電解した。両電極１６から生じた気体１４は、最初は電極１６に付着するが、気液界面に接触すると速やかに気体流路１２側に吸い込まれるように消滅する様子が確認できた。しかし、気液界面は不安定で、しばらくすると電解液１８が気体流路１２に侵入し、気泡を分離することができなくなった。
【００９０】
（実施例１−７）
電極基板２４に、酸素を用いたプラズマ処理を施さなかった点以外は、実施例１−１と同様にして実験した。このプラズマ処理非処理面（電極基板２４の液体流路１０内壁を構成する面）の使用する電解液１８に対する接触角は、６５°であった。
【００９１】
そして、電解液１８として０．０１Ｎの希硫酸を１０μＬ／ｍｉｎの流量でシリンジポンプを用いて供給しながら、一対の電極１６間に電圧を掛け５００μＡで定電流電解した。両電極１６から生じた気体１４は、最初は電極１６に付着するが、気液界面に接触すると速やかに気体流路１２側に吸い込まれるように消滅する様子が確認できた。しかし、しばらくすると、発生した気体１４が液体流路１０の底面（電極基板２４の液体流路１０を構成する面）に付着して、気泡を分離できなかった。
【００９２】
（比較例１−３）
厚さ１０μｍのプラチナ箔の替わりに厚さ２００μｍのプラチナ板を用い、電極基板２４の開口基板２６の開口２６Ａの幅をプラチナ板の厚さに合わせて広くした以外は、実施例１−１と同様に電気分解セルを作製し実験した。なお、電極１６の露出部１６Ａをその一辺が気体流路１２と液体流路１０の境界２０上に位置して液体流路１０側に２００μｍ延在するように配置させた。このため、電極１６の露出部１６Ａ全面が電解液接触領域となっており、その領域のうち境界２０から１００μｍを越えて位置する領域が存在していた。
【００９３】
そして、電解液１８として０．０１Ｎの希硫酸を１０μＬ／ｍｉｎの流量でシリンジポンプを用いて供給しながら、一対の電極１６間に電圧を掛け５００μＡで定電流電解した。両電極１６から生じた気体１４は、電極１６に付着したまま大きくなり、電極１６上部の面（液体流路１０内壁）に接するようになり、気体流路１２に分離することができなかった。
【００９４】
（実施例２−１）
以下のようにして、図７及び図８に示す電気分解セルを作製した。なお、図７は、実施例２−１で作製した電気分解セルを示す平面図である。図８は、図７の２−２断面図である。
【００９５】
１）流路基板２２としてのアクリル板（３０ｍｍ×７０ｍｍ，２ｍｍｔ）を機械加工し、断面が矩形となるように、液体流路１０と液体流路１０を挟んで２本の気体流路１２となる溝を形成した。液体流路１０の寸法は、幅１．０ｍｍ、深さ１０μｍ、電極１６にかかる長さは２０ｍｍであった。また、気体流路１２の寸法は、幅１．０ｍｍ、深さ５００μｍ、電極１６にかかる長さは２０ｍｍであった。このようにして、気体流路１２が液体流路よりも深さが深い流路基板２２を得た。
【００９６】
２）電極基板２４の開口基板２６としてのアクリル板（３０ｍｍ×７０ｍｍ，１ｍｍｔ）を機械加工し、当該開口基板２６としてのポリカーボネート板と凸状基板２８としてのポリカーボネート板に加工した凸部２８Ａが収まる形状の開口２６Ａを形成した。開口２６Ａの寸法は、幅１．０２ｍｍ、長さ２０ｍｍであった。
【００９７】
３）電極基板２４の凸状基板２８としてのアクリル板（３０ｍｍ×７０ｍｍ，２ｍｍｔ）を機械加工し、幅１ｍｍ、長さ２０ｍｍ、高さ１ｍｍの凸部２８Ａを形成した。
【００９８】
４）厚さ１０μｍのプラチナ箔を加工し、末端部を折り曲げ、断面Ｌ字状の電極１６とし、これを開口基板２６と凸状基板２８との間に挟みこみ、開口基板２６の開口２６Ａ内周部に断面Ｌ字状の電極１６の端面と凸部２８Ａ上面が露出するように、重ね合わせ隙間を接着剤で埋めたて接着した。接着剤が硬化した後、表面を研磨し凹凸を１０μｍ以下に加工した。このようにして一対の電極１６を有する電極基板２４を作製した。
５）流路基板２２及び電極基板２４を、酸素を用いたプラズマ処理をした。プラズマ処理条件は、ポリカーボネート板をアノードにセットし、酸素流量５０ｓｃｃｍ、真空度１５０ｍＴｏｒｒ、パワー密度１．２７Ｗ／ｃｍ２、５分間処理した。このときの、処理面（流路基板２２の流路となる溝内壁と電極基板２４の各流路を構成する全面）の使用する電解液１８に対する接触角は、１５°であった。
【００９９】
６）流路基板２２と電極基板２４とを、電極１６の露出部１６Ａの位置を正確に合わせて重ね合わせた。これらを厚さ１０ｍｍのアクリル板を加工した２枚の冶具で挟み込み、ねじを用いて締め付け、流路から電解液１８が漏れないようにした。電極１６の露出部１６Ａはその一辺が気体流路１２と液体流路１０の境界２０上に位置して気体流路１２側に１０μｍ延在するように配置されていた。このようにしてセルを得た。
【０１００】
作製したセルに対し、シリンジポンプを用いて０．０１Ｎの希硫酸を導入口１０Ａより液体流路１０へ供給した。１０ｍＬ／ｍｉｎの流量で供給しても、希硫酸は液体流路１０から気体流路１２に漏れることなく、また、液体流路１０と気体流路１２の境界２０近傍で気液界面が形成されていることが、顕微鏡による観察により確認した。
【０１０１】
そして、電解液１８として０．０１Ｎの希硫酸を１０μＬ／ｍｉｎの流量でシリンジポンプを用いて供給しながら、一対の電極１６間に電圧を掛け２００μＡで定電流電解した。両電極１６から生じた気体１４は、最初は電極１６に付着するが、気液界面に接触すると速やかに気体流路１２の気体１４と合体し消滅する様子が確認できた。このときの電極１６に付着した気泡の直径は、２０〜３０μｍまで成長してから消滅した。電流を３００μＡまで上げて、上記と同様の条件で実験したところ、電極１６で発生した気泡は、気体流路１２に吸い込まれ気液分離することが出来た。このときの電流密度は、１５０ｍＡ／ｃｍ２であった。
【０１０２】
（実施例２−２）
液体流路１０の深さを５０μｍにした以外は、実施例２−１と同様に電気分解セルを作製し実験した。
【０１０３】
そして、電解液１８として０．０１Ｎの希硫酸をシリンジポンプを用いて流路に供給し、電極１６間に電圧を掛け２００μＡで定電流電解した。両電極１６から生じた気体１４は、速やかに気体流路１２の気体１４と合体し消滅する様子が確認できた。電流を５００μＡまで上げて、上記と同様の条件で実験したところ、電極１６で発生した気泡は、気体流路１２に吸い込まれ気液分離することが出来た。このときの電流密度は、２５０ｍＡ／ｃｍ２であった。
【０１０４】
（実施例２−３）
液体流路１０の深さを１００μｍにした以外は、実施例２−１と同様に電気分解セルを作製し実験した。
【０１０５】
そして、電解液１８として０．０１Ｎの希硫酸をシリンジポンプを用いて流路に供給し、電極１６間に電圧を掛け２００μＡで定電流電解した。両電極１６から生じた気体は、速やかに気体流路１２の気体１４と合体し消滅する様子が確認できた。しかし、しばらくすると、両電極１６から生じた気体１４は、一部気体流路１２の気体１４と合体し消滅する様子が確認できたが、大部分は液体流路上で合一し大きくなり、気体流路１２に引き抜かれることはなかった。
【０１０６】
（実施例２−４）
厚さ１０μｍのプラチナ箔の替わりに厚さ５０μｍのプラチナ箔を用い、電極基板２４の開口基板２６の開口２６Ａの幅をプラチナ箔の厚さに合わせて広くした以外は、実施例２−１と同様に電気分解セルを作製し実験した。なお、電極１６の露出部１６Ａをその一辺が気体流路１２と液体流路１０の境界２０上に位置して液体流路１０側に５０μｍ延在するように配置させた。
【０１０７】
そして、電解液１８として０．０１Ｎの希硫酸を、シリンジポンプを用いて流路に供給し、電極間に電圧を掛け２００μＡで定電流電解した。両電極から生じた気体１４は、速やかに気体流路１２の気体１４と合体し消滅する様子が確認できた。電流を１００μＡまで上げて、上記と同様の条件で実験したところ、電極で発生した気泡は、気体流路１２に吸い込まれ気液分離することが出来た。このときの電流密度は、１０ｍＡ／ｃｍ２であった。
【０１０８】
（実施例２−５）
流路基板２２と電極基板２４に、酸素を用いたプラズマ処理を施さなかった点以外は、実施例２−１と同様にして実験した。このプラズマ処理非処理面（流路基板２２の流路となる溝内壁と電極基板２４の液体流路１０内壁を構成する面の領域）の使用する電解液１８に対する接触角は、８５°であった。
【０１０９】
そして、電解液１８として０．０１Ｎの希硫酸を１０μＬ／ｍｉｎの流量でシリンジポンプを用いて供給しながら、一対の電極１６間に電圧を掛け１００μＡで定電流電解した。両電極１６から生じた気体１４は、最初は電極１６に付着するが、気液界面に接触すると速やかに気体流路１２側に吸い込まれるように消滅する様子が確認できた。しかし、気液界面は不安定で、しばらくすると電解液１８が気体流路１２に侵入し、気泡を分離することができなくなった。
【０１１０】
（実施例２−６）
流路基板２２と電極基板２４に、酸素を用いたプラズマ処理を施さず、替わりにテトラフルオロメタンを用いたプラズマ処理を施した点以外は、実施例２−１と同様にして実験した。プラズマ処理条件は、各基板をアノードにセットし、テトラフルオロメタン流量５０ｓｃｃｍ、真空度１５０ｍＴｏｒｒ、パワー密度１．２７Ｗ／ｃｍ２、９０秒間処理した。このプラズマ処理面（流路基板２２の流路となる溝内壁と電極基板２４の液体流路１０内壁を構成する面の領域）の使用する電解液１８に対する接触角は、９５°であった。
【０１１１】
そして、電解液１８として０．０１Ｎの希硫酸を１μＬ／ｍｉｎの流量でシリンジポンプを用いて供給しながら、一対の電極１６間に電圧を掛け１００μＡで定電流電解した。両電極１６から生じた気体１４は、最初は電極１６に付着するが、気液界面に接触すると速やかに気体流路１２側に吸い込まれるように消滅する様子が確認できた。しかし、気液界面は不安定で、しばらくすると電解液１８が気体流路１２に侵入し、気泡を分離することができなくなった。
【０１１２】
また、電解液１８として０．０１Ｎの希硫酸を１０μＬ／ｍｉｎの流量でシリンジポンプを用いて供給したところ、気液界面を形成することができず、電解液１８が気体流路１２に侵入してしまった。
【０１１３】
（実施例３−１）
以下のようにして、図９及び図１０に示す電気分解セルを作製した。なお、図９は、実施例３−１で作製した電気分解セルを示す平面図である。図１０は、図９の３−３断面図である。
【０１１４】
１）流路基板２２としてのポリカーボネート板（３０ｍｍ×７０ｍｍ、厚さ２ｍｍ）を機械加工し、断面が矩形となるように、液体流路１０と液体流路１０を挟んで２本の気体流路１２となる溝を形成した。液体流路１０の寸法は、幅１．４ｍｍ、深さ５００μｍ、電極１６にかかる長さは３０ｍｍであった。また、気体流路１２の寸法は、幅１．０ｍｍ、深さ１００μｍ、電極１６にかかる長さは３０ｍｍであった。このようにして、気体流路１２が液体流路１０よりも深さが浅い流路基板２２を得た。
【０１１５】
２）電極基板２４としてのポリカーボネート板（３０ｍｍ×７０ｍｍ、厚さ２ｍｍ）も機械加工し、プラチナワイヤーからなる電極１６が収まる形状の溝２４Ａを形成した。溝２４Ａの寸法は、幅１００μｍ、深さ１００μｍ、電極１６にかかる長さは３０ｍｍであった。また、プラチナワイヤーからなる電極１６の収まる溝２４Ａは、上記の１）で作製した液体流路１０と気体流路１２の境界２０が中央となるようにした形成した。プラチナワイヤーからなる電極１６は、直径１００μｍのものを用い、電極１６を溝に収めつつ、溝２４Ａの両端に空けた貫通孔から露出して端子３０とし、これを電源と接続した。このようにして、電極基板２４を得た。
【０１１６】
３）流路基板２２と電極基板２４を、テトラフルオロメタンを用いたプラズマ処理をした。プラズマ処理条件は、基板をカソードにセットし、テトラフルオロメタン流量５０ｓｃｃｍ、真空度１５０ｍＴｏｒｒ、パワー密度１．７８Ｗ／ｃｍ２、３０秒間処理した。このときの、処理面（流路基板２２の流路となる溝内壁と電極基板２４の各流路を構成する全面）の使用する電解液１８に対する接触角は、１２５°であった。
【０１１７】
４）流路基板２２と電極基板２４とを、電極１６の露出部１６Ａの位置を正確に合わせて重ね合わせた。これらを厚さ１０ｍｍのアクリル板を加工した２枚の冶具で挟み込み、ねじを用いて締め付け、流路から電解液１８が漏れないようにした。電極１６の露出部１６Ａはその中央が気体流路１２と液体流路１０の境界２０上に位置するように配置されていた。このようにしてセルを得た。
【０１１８】
作製したセルに対し、シリンジポンプを用いて０．０１Ｎの希硫酸を導入口１０Ａより液体流路１０へ供給した。１０ｍＬ／ｍｉｎの流量で供給しても、希硫酸は液体流路１０から気体流路１２に漏れることなく、また、液体流路１０と気体流路１２の境界２０近傍で気液界面が形成されていることが、顕微鏡による観察により確認した。
【０１１９】
そして、電解液１８として０．０１Ｎの希硫酸を１０μＬ／ｍｉｎの流量でシリンジポンプを用いて供給しながら、一対の電極１６間に電圧を掛け５００μＡで定電流電解した。両電極１６から生じた気体１４は、最初は電極１６に付着するが、気液界面に接触すると速やかに気体流路１２の気体１４と合体し消滅する様子が確認できた。このときの電極１６に付着した気泡の直径は、２０〜３０μｍまで成長してから消滅した。電流を２．０ｍＡまで上げて、上記と同様の条件で実験したところ、電極１６で発生した気泡は、気体流路１２に吸い込まれ気液分離することが出来た。しかしながら、電流を３．０ｍＡまで上げて、上記と同様の条件で実験したところ、電極で発生した気泡は液体流路に付着し大きくなり、ついには液体流路を流れるようになり、気体流路１２に吸収できないものが発生するようになった。
【０１２０】
（実施例３−２）
流路基板２２及び電極基板２４としてのポリカーボネート板をアクリル板に変更した以外は、実施例３−１と同様にして実験した。なお、アクリル板に対してテトラフルオロメタンを用いたプラズマ処理面（流路基板２２の流路となる溝内壁と電極基板２４の各流路内壁を構成する面）の使用する電解液１８に対する接触角は、１１０°であった。
【０１２１】
そして、電解液１８として０．０１Ｎの希硫酸を１０μＬ／ｍｉｎの流量でシリンジポンプを用いて供給しながら、電極間に電圧を掛け５００μＡで定電流電解した。両電極から生じた気体１４は、最初は電極に付着するが、気液界面に接触すると速やかに気体流路１２側に吸い込まれるように消滅する様子が確認できた。このときの電極に付着した気泡の直径は、平均２００〜３００μｍまで成長してから、気体流路１２内の気体１４と合一し、気泡を分離することが出来た。
【０１２２】
（比較例３−１）
電極基板２４におけるワイヤーからなる電極１６の位置を基板面と平行にずらし、電極１６の中心を気体流路１２と液体流路１０の境界２０から、気体流路１２側に１５０μｍ離した以外は、実施例３−１と同様に実験した。電解液１８として０．０１Ｎの希硫酸を、液体流路１０に供給したが、希硫酸が電極１６の位置まで到達せず接しなかったので、電気分解をすることが出来なかった。
【０１２３】
（比較例３−２）
電極基板２４におけるワイヤーからなる電極１６の位置を基板面と平行にずらし、電極１６の中心を気体流路１２と液体流路１０の境界２０から、液体流路１０側に１５０μｍ離した以外は、実施例３−１と同様に実験した。なお、電極１６の露出部１６Ａ全面が電解液接触領域となっており、その領域が境界２０から１００μｍを越えて位置していた。
【０１２４】
そして、電解液１８として０．０１Ｎの希硫酸を１０μＬ／ｍｉｎの流量でシリンジポンプを用いて供給しながら、電極間に電圧を掛け５００μＡで定電流電解した。電極１６で発生した気泡は、液体流路１０に付着したり、液体流路１０を流れたりして、気体流路１２に吸い込まれず、気液分離することは出来なかった。
【０１２５】
（実施例３−３）
テトラフルオロメタンを用いたプラズマ処理を行なわなかった点以外は、実施例３−２と同様にして電気分解セルを作製した。流路基板２２（アクリル板）及び電極基板２４（アクリル板）における非処理面（流路基板２２の流路となる溝内壁と電極基板２４の各流路を構成する面）の使用する電解液１８に対する接触角は、６５°であった。
【０１２６】
そして、電解液１８として０．０１Ｎの希硫酸を１０μＬ／ｍｉｎの流量でシリンジポンプを用いて供給しながら、電極間に電圧を掛け５００μＡで定電流電解した。両電極から生じた気体１４は、最初は電極に付着するが、気液界面に接触すると速やかに気体流路１２側に吸い込まれるように消滅する様子が確認できた。しかし、しばらくすると、発生した気体１４は液体流路１０を流れ、気液分離することは出来なかった。
【０１２７】
（実施例４）
以下のようにして、図１１及び図１２に示す電気分解セルを作製した。なお、図１１は、実施例４で作製した電気分解セルを示す平面図である。図１２は、図１１の４−４断面図である。
【０１２８】
流路基板２２としてのポリカーボネート板（３０ｍｍ×７０ｍｍ、厚さ２ｍｍ）を機械加工し、断面が矩形となるように、液体流路１０と液体流路１０を挟んで２本の気体流路１２となる溝を形成した。液体流路１０の寸法は、幅２００μｍ、深さ５００μｍ、電極１６にかかる長さは２０ｍｍであった。また、気体流路１２の寸法は、幅１．０ｍｍ、深さ１００μｍ、電極１６にかかる長さは２０ｍｍであった。このようにして、気体流路１２が液体流路１０よりも深さが浅い流路基板２２を得た。
【０１２９】
２）電極基板２４としてのポリカーボネート板（３０ｍｍ×７０ｍｍ、厚さ２ｍｍ）も機械加工し、厚さ１００μｍのプラチナ板からなる電極１６が収まる形状の窪み２４Ｂを形成した。窪み２４Ｂの寸法は、幅１０ｍｍ、長さ２０ｍｍ、深さ１００μｍであった。また、プラチナ板からなる電極１６の収まる窪み２４Ｂは２箇所作っている。そして、電極１６の端面（露出部１６Ａ）と窪み２４Ｂ側壁とが１０μｍの間隙２４Ｃを有し、且つ電極１６の端面（露出部１６Ａ）が液体流路１０と気体流路１２の境界２０上に位置するように、窪み２４Ｂに収めた。
【０１３０】
３）流路基板２２に、テトラフルオロメタンを用いたプラズマ処理をした。プラズマ処理条件は、基板をカソードにセットし、テトラフルオロメタン流量５０ｓｃｃｍ、真空度１５０ｍＴｏｒｒ、パワー密度１．７８Ｗ／ｃｍ２、３０秒間処理した。このときの、処理面（流路基板２２の流路となる溝内壁）の使用する電解液１８に対する接触角は、１２５°であった。
【０１３１】
４）電極基板２４の窪み２４Ｂに収める前のプラチナ板からなる電極表面にフッ素樹脂コーティング剤（耐熱ＴＦＥコート  ファインケミカルジャパン社製）をスプレーコートし、加熱硬化（１７５℃，１時間）させた。この処理面（電極１６表面）の使用する電解液１８に対する接触角は、１１９°であった。但し、電解液１８と接触する電極１６端面（露出部１６Ａ）を紙やすりで研磨し、フッ素樹脂コートを削り取り電極１６を露出させた。
【０１３２】
５）流路基板２２と電極基板２４とを、電極１６の露出部１６Ａの位置を正確に合わせて重ね合わせた。これらを厚さ１０ｍｍのアクリル板を加工した２枚の冶具で挟み込み、ねじを用いて締め付け、流路から電解液１８が漏れないようにした。電極１６の端面（露出部１６Ａ）は気体流路１２と液体流路１０の境界２０上に位置するように配置されていた。このようにしてセルを得た。
【０１３３】
なお、研磨し導電性のあるプラチナ板からなる電極１６の端面（露出部１６Ａ）と窪み２４Ｂ側壁との間には１０μｍの間隙２４Ｃを設けたため、間隙２４Ｃにも電解液１８が流液し、電極１６の端面（露出部１６Ａ）は電解液１８と接触しており、電気分解が生じることができる。
【０１３４】
作製したセルに対し、シリンジポンプを用いて０．０１Ｎの希硫酸を導入口１０Ａより液体流路１０へ供給した。１８０ｍＬ／ｍｉｎの流量で供給しても、希硫酸は液体流路１０から気体流路１２に漏れることなく、また、液体流路１０と気体流路１２の境界２０近傍で気液界面が形成されていることが、顕微鏡による観察により確認した。
【０１３５】
そして、電解液１８として０．０１Ｎの希硫酸を１０μＬ／ｍｉｎの流量でシリンジポンプを用いて供給しながら、一対の電極１６間に電圧を掛け５００μＡで定電流電解した。両電極１６から生じた気体１４は、最初は電極１６に付着するが、気液界面に接触すると速やかに気体流路１２の気体１４と合体し消滅する様子が確認できた。このときの電極１６に付着した気泡の直径は、２０〜３０μｍまで成長してから消滅した。電流を５．０ｍＡまで上げて、上記と同様の条件で実験したところ、電極１６で発生した気泡は、気体流路１２に吸い込まれ気液分離することが出来た。
【０１３６】
なお、上記いずれの実施例も、水の電気分解反応により、酸素と水素に分解され、それぞれ回収することができた。また、本実施例では、水の電気分解反応を生じさせるための物質として硫酸を用いた例を示したが、硫酸に限られず、他の物質であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１３７】
【図１】実施形態に係る電気分解セルを示す平面図である。
【図２】実施形態に係る電気分解セルを示す断面図である。
【図３】実施形態に係る電気分解セルにおける電極位置を示す部分拡大断面図である。
【図４】他の実施形態に係る電気分解セルを示す断面図である。
【図５】実施例１−１で作製した電気分解セルを示す平面図である。
【図６】図５の１−１断面図である。
【図７】実施例２−１で作製した電気分解セルを示す平面図である。
【図８】図７の２−２断面図である。
【図９】実施例３−１で作製した電気分解セルを示す平面図である。
【図１０】図９の３−３断面図である。
【図１１】実施例４で作製した電気分解セルを示す平面図である。
【図１２】図１１の４−４断面図である。
【符号の説明】
【０１３８】
１０   液体流路
１０Ａ 導入口
１０Ｂ 排出口
１２   気体流路
１２Ａ 気体排出用流路
１２Ｂ 排出口
１４   気体
１６   電極
１６Ａ 露出部
１８   電解液
２０   液体流路及び気体流路の境界
２２   流路基板
２４   電極基板
２４Ａ 溝
２４Ｂ 窪み
２４Ｃ 間隙
２６   開口基板
２６Ａ 開口
２８   凸状基板
２８Ａ 凸部
３０   端子
【図１】
0004832063.tif 000002
【図２】
0004832063.tif 000003
【図３】
0004832063.tif 000004
【図４】
0004832063.tif 000005
【図５】
0004832063.tif 000006
【図６】
0004832063.tif 000007
【図７】
0004832063.tif 000008
【図８】
0004832063.tif 000009
【図９】
0004832063.tif 000010
【図１０】
0004832063.tif 000011
【図１１】
0004832063.tif 000012
【図１２】
0004832063.tif 000013