(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解液中に浮遊電位となるように挿入され、前記電解液中の負イオンを介して酸化反応を行う駆動陽極と、
該駆動陽極と直接対向し、且つ互いに平行に前記電解液中に浮遊電位となるように挿入され、前記電解液中の正イオンを介して還元反応を行う駆動陰極と、
前記駆動陽極と前記駆動陰極とからなる駆動電極ペアを挟み、平行に対向して前記電解液中に挿入される誘導陽極及び誘導陰極を有し、前記駆動陽極と前記駆動陰極との間に誘導電位差を発生させ、前記駆動陽極から前記駆動陰極に向かう駆動電気力線と同一方向の誘導電気力線を前記駆動電気力線に重畳する誘導電気力線生成手段
とを備え、前記駆動電気力線と前記誘導電気力線との重畳による前記駆動陽極と前記駆動陰極の間に生じる重畳電位差により、前記酸化反応及び前記還元反応を開始させることを特徴とする電気分解システム。
【請求項２】
前記誘導電気力線により、前記駆動陽極の表面の負イオンと前記駆動陰極の表面の正イオンとからなる電気二重層を、前記酸化反応及び前記還元反応が開始する直前の飽和状態にする飽和電気二重層形成電圧を、前記駆動陽極と前記駆動陰極との間に生じさせ、
前記駆動電気力線が前記駆動陽極と前記駆動陰極との間に生じさせる過電圧を、前記飽和電気二重層形成電圧に重畳することにより、前記酸化反応及び前記還元反応を開始させることを特徴とする請求項１に記載の電気分解システム。
【請求項３】
前記誘導陽極にプラスの端子を接続し、前記誘導陰極にマイナスの端子を接続し、前記誘導陽極と前記誘導陰極との間に前記誘導電気力線を生じさせ、前記駆動陽極と前記駆動陰極との間に、前記飽和電気二重層形成電圧を生じさせる第１直流電源と、
前記駆動陽極にプラスの端子を接続し、前記駆動陰極にマイナスの端子を接続し、前記飽和電気二重層が誘導された状態で、前記駆動陽極と前記駆動陰極の間に前記過電圧分の電位差を増加させる、前記第１直流電源とは独立した第２直流電源
とを更に備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の電気分解システム。
【請求項４】
平板状の前記駆動陽極及び前記駆動陰極のそれぞれが、前記電解液を収納する電解槽の底面及び対向する２つの側壁に接し、これにより、前記電解液の一部を密閉して収納する一つの容器をなすことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電気分解システム。
【請求項５】
電解液中に浮遊電位となるように挿入され、前記電解液中の負イオンを介して酸化反応を行う駆動陽極と、
該駆動陽極と直接対向し、且つ互いに平行に前記電解液中に浮遊電位となるように挿入され、前記電解液中の正イオンを介して還元反応を行う駆動陰極と、
前記電気分解ユニットを構成する前記駆動電極ペアを挟み、平行に対向して前記電解液中に挿入される誘導陽極及び誘導陰極を有し、前記駆動陽極と前記駆動陰極との間に誘導電位差を発生させ、前記駆動陽極から前記駆動陰極に向かう駆動電気力線と同一方向の誘導電気力線を前記駆動電気力線に重畳する誘導電気力線生成手段
とを備える電気分解ユニットを複数備え、
それぞれの電気分解ユニットにおいて、前記駆動電気力線と前記誘導電気力線との重畳による前記駆動陽極と前記駆動陰極の間に生じる重畳電位差により、前記酸化反応及び前記還元反応を駆動し、且つ、
それぞれの電気分解ユニットの前記駆動陽極と前記駆動陰極とからなる駆動電極ペアが、互いに電気的に直列に接続されていることを特徴とする電気分解システム。
【請求項６】
電解液中に浮遊電位となるように挿入され、前記電解液中の負イオンを介して酸化反応を行う駆動陽極、該駆動陽極と直接対向し、且つ互いに平行に前記電解液中に浮遊電位となるように挿入され、前記電解液中の正イオンを介して還元反応を行う駆動陰極からなる駆動電極ペアを複数、電気的に直列接続した多段駆動電極構造と、
それぞれの前記駆動電極ペアにおいて、前記駆動陽極と前記駆動陰極との間に誘導電位差を発生させ、前記駆動陽極から前記駆動陰極に向かう駆動電気力線と同一方向の誘導電気力線を前記駆動電気力線に重畳する誘導電気力線生成手段
とを備え、前記誘導電気力線生成手段が、それぞれの前記駆動電極ペアを挟み、平行に対向して前記電解液中に挿入される誘導陽極と誘導陰極とからなる誘導電極ペアを備え、該誘導電極ペアが電気的に並列接続され、それぞれの前記駆動電極ペアにおいて、前記駆動電気力線と前記誘導電気力線との重畳による前記駆動陽極と前記駆動陰極の間に生じる重畳電位差により、前記酸化反応及び前記還元反応を開始させることを特徴とする電気分解システム。
【請求項７】
互いに隣接する駆動電極ペアのそれぞれの駆動陰極を、前記誘導陰極の１を挟んで互いに対向させ、挟まれた前記誘導陰極の１を前記隣接する駆動電極ペアに共通の誘導陰極としたことを特徴とする請求項６に記載の電気分解システム。
【請求項８】
互いに隣接する駆動電極ペアのそれぞれの駆動陽極を、前記誘導陽極の１を挟んで互いに対向させ、挟まれた前誘導陽極の１を、前記隣接する駆動電極ペアに共通の誘導陽極としたことを特徴とする請求項６に記載の電気分解システム。
【請求項９】
平板状の前記駆動陽極、前記駆動陰極、誘導陽極及び誘導陰極が、それぞれ前記電解液を収納する電解槽の底面に対して垂直に配置されることにより、互いに平行となり、且つ、
前記駆動陽極、前記駆動陰極、誘導陽極及び誘導陰極のそれぞれが、前記電解槽の底面及び対向する２つの側壁に接し、これにより、前記電解液の一部をそれぞれ密閉して収納する独立した複数の容器をなすことを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の電気分解システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エネルギー関連分野に関わり、特に、水の電気分解による水素の製造をはじめ、塩化ナトリウム、塩化マグネシウム及び酸化アルミニウムなどの電気分解による水酸化ナトリウム、マグネシウム及びアルミニウムなどの製造に用いる電気分解システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気分解は、世界的に莫大量の電気エネルギーを消費する大規模産業技術として位置づけられており、製造技術の革新による電力効率の改善の必要性は論を待たない。  
水素製造のための水電気分解における電力効率一つ取り上げてもその抜本的改善は、将来の燃料として水素エネルギー社会の実現を左右する課題である。又、これに対してここに言う電力効率の改善とは、現在の電気分解技術の改良による所謂電気エネルギー消費量の単なる低減ではなく、電気分解システムの作動原理そのものに新規な要素を加えることによる電力消費の著しい低減であることが必要不可欠である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、従来技術に係る電気分解に比して、その消費電力を大きく削減できる新たな構成と新たな原理に基づく電気分解システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本明細書では、従来の一つの直流電源１による電気分解を「１電源電気分解」、本発明で提案する独立した２つの直流電源を併用する電気分解を「２電源電気分解」と定義する。
【０００５】
一般に、化合物の電気分解は、分解反応が自発的に進行し得ない物理化学的条件下にある化合物を、電気化学リアクター内で電気エネルギーを化学エネルギーへ変換することにより、分解反応を起こさせるためのエネルギー変換技術の一種である。実用的には、水や塩化ナトリウムの電気分解のように、常温付近の水溶液電気分解と、例えばアルミニウム、マグネシウム、希土類元素やウラン、トリウムなどの金属単体を、それぞれの化合物を分解して析出させる高温の溶融塩電気分解などがあり、いずれも１００％電気エネルギーを用いて採取されている。まず図１２〜図１４を用いて、１電源電気分解の機構を説明する（図１２に示すような、一つの直流電源１を陽極３ａと陰極３ｂの一対の電極に接続する電気分解が、上記定義による１電源電気分解に対応する。）。  
（ステップ１）  電気分解しようとする化合物を水又は溶融塩中に溶解して正負のイオンに解離し、これを電解液４とする。
【０００６】
（ステップ２）  一対の平板形状の導電体を垂直もしくは水平に対向して電解液４の中に浸漬し、一方を陽極３ａ、他方を陰極３ｂとする。それぞれの端子を直流電源１の正及び負の端子と導線２ａ，２ｂで接続する。
【０００７】
（ステップ３）  直流電源１の出力電圧（直流電源電圧）を０から増加して陽極３ａと陰極３ｂの間に電位差を与えていくと、ある特定の電圧までは電極反応は起こらず、したがって電気分解回路に電流は流れない。一般に、電極反応が起こり電解液４の中の化合物の分解が起こり始める直前の閾値電圧を「分解電圧」と称すが、本明細書では、この閾値電圧を、「飽和電気二重層形成電圧ＥＤ」と定義する。飽和電気二重層形成電圧ＥＤは、分解しようとする化合物に特有の値であり、温度、圧力及び化合物の濃度などの熱力学的条件によって影響を受ける。
【０００８】
（ステップ４）  閾値電圧（飽和電気二重層形成電圧）ＥＤを超えて電圧を電極間に加えると電気分解電流が流れ、１電源電気分解が開始する。実際に電気分解電流が流れているときの電圧を「電解電圧ＥE」、実際に電気分解電流を流すために必要となる飽和電気二重層形成電圧ＥＤからの超過分の電圧を「過電圧ΔＥ」と定義する。電解液４の中では解離して存在している正負のイオンが、回路の導体中では電子が電流の担体となっている。各ステップを通して化合物の分解・析出を行う電気分解に特有の電圧―電流の関係（Ｖ−Ｉ曲線）は図１３のように電圧と電流が比例しない非線形である。  
ステップ３において直流電源電圧を０から立ち上げていくと、陽極３ａ中の電子は直流電源１の駆動力により導線２ａ，２ｂを通って陰極３ｂへ流れ込み、陰極３ｂの表面は過剰の電子により負の電荷が、陽極３ａの表面は電子の欠乏した状態の正の電荷が、そのときの直流電源電圧に応じた密度（電極の表面電荷密度）で現れる。その結果、陽極３ａと接する電解液４の界面には電解液４の中の負イオンが、陰極３ｂ側には正イオンが引き付けられ、電気回路のコンデンサに類似した電気二重層が形成される。図１２は電気二重層をイメージとして描いた模式図である。電気二重層の構造は実際には極めて複雑であり、その実態は現在も学術的に解明し尽くされているとは言い難いが、その実在は古くから実証されており、本発明はこの電気二重層の存在に基礎を置いている。  
更に、ステップ３において、両極の間に与えられている電圧（電位差）が飽和電気二重層形成電圧ＥＤよりも低い段階では、陽極３ａ表面の正電荷は近傍の電解液４の負イオンを引き付けているが、未だ両者は結合するに至らない。同様に陰極３ｂでも表面負電荷は正イオンを引き付けているが、両者が結合するには未だ電界強度（電気力線の本数）が足りない。電極の表面電荷と電解液４のイオンとの結合、即ち電極反応を開始させるためには、引き続き電極間に与える電圧を増加して飽和電気二重層形成電圧ＥＤを超過しなければならない。飽和電気二重層形成電圧ＥＤでは界面の電気二重層が飽和に達し、界面における静電的な電界強度（電気力線の本数）が極大になる。言い換えれば電極の表面電荷密度が飽和に達している。直流電源電圧を更に加えてこの飽和表面電荷密度を超えて電荷を増強しようとすると、超過分の電荷は遂にイオンと結合するようになる。これが所謂電極反応であり、分子や中性の単体が電極上に析出する。水の電気分解を例に電極反応を表せば、陽極３ａでは：
ＯＨ−  ＝  (１／２)Ｏ２  ＋  Ｈ＋  ＋  ２ｅ−          ・・・・・（１）
の酸化反応が起こり、陰極３ｂでは：
２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−  ＝  Ｈ２                            ・・・・・（２）
の還元反応となる。  
以上の如く電極反応は、両極界面における飽和電気二重層の存在の上に成り立つもので、そのために直流電源１によって電極反応に必要な最小限の飽和電気二重層形成電圧Ｅ Dを両極間に加えるともに、同時に電極反応の駆動に必要な過電圧ΔＥを上乗せして与えなければならない。即ち：
ＥE  ＝  （ＥD  ＋  ΔＥ）                            ・・・・・（３）
が電解電圧ＥEと呼ばれるものであり、電気分解反応が行われているときに陽極３ａと陰極３ｂの間に掛かっている電位差に相当する。  
飽和電気二重層は陽極３ａと陰極３ｂの間に飽和電気二重層形成電圧ＥＤを加えることによって電極の界面に形成され、電圧を掛けている限り安定的に維持されているが、静電的に成り立っているため回路に電流は流れない。したがって、一度飽和電気二重層がセットされると直流電源１は電力を消費しない。しかし、電圧を下げると消滅していくので、実際に電極反応を起こさせるには、直流電源１の出力電圧としての如く飽和電気二重層形成電圧ＥＤと過電圧ΔＥの和即ち電解電圧ＥEを加えることが不可欠である。したがって、一つの直流電源１でこれを行う場合、図１４に示すように飽和電気二重層形成電圧Ｅ Dに過電圧ΔＥを追加すると、電気分解のための電流値としてＩ（Ａ）が回路に流れて直流電源１の消費電力Ｐ1は：
Ｐ1  ＝  （ＥＤ  ＋  ΔＥ）Ｉ                        ・・・・・（４）  
となる。
【０００９】
本発明の第１の態様は、（イ）電解液中に挿入され、電解液中の負イオンを介して酸化反応を行う駆動陽極と、（ロ）この駆動陽極と直接対向し、且つ互いに平行に電解液中に挿入され、電解液中の正イオンを介して還元反応を行う駆動陰極と、（ハ）駆動陽極から駆動陰極に向かう駆動電気力線と同一方向の誘導電気力線を駆動電気力線に重畳する誘導電気力線生成手段とを備える電気分解システムであることを要旨とする。そしてこの電気分解システムでは、駆動電気力線と誘導電気力線との重畳による駆動陽極と駆動陰極の間に生じる電位差により、酸化反応及び還元反応を開始させることを特徴とする。
【００１０】
本発明の第１の態様は、式（３）で示したように、電解電圧ＥEを飽和電気二重層形成電圧ＥDと過電圧ΔＥとに分離し、両者を独立した閉回路として駆動・制御する２電源電気分解のシステムである。２電源により分離した２つの閉回路を構成し、分離した２つの閉回路より駆動電気力線と誘導電気力線とを重畳（代数和）することにより、電解電圧ＥEを達成している。後述するように、一方の電源で駆動される駆動陽極と駆動陰極との間で電気分解が起こっているときは、誘導電気力線生成手段を構成する誘導陽極と駆動陽極との間、及び駆動陰極と誘導電気力線生成手段を構成する誘導陰極との間では理論的のみならず実際的にも電気分解は起こり得ない。したがって、２電源を構成する他方の電源により駆動される誘導電気力線生成手段で消費される電力を０とすることができるので、その消費電力は、従来技術に係る１電源電気分解に比して、大きく削減できる。本発明の第１の態様において適用する過電圧ΔＥを小さくすればするほど２電源電気分解の消費電力は従来技術に係る１電源電気分解に比して、大きく削減できる。
【００１１】
本発明の第２の態様は、（イ）電解液中に挿入され、電解液中の負イオンを介して酸化反応を行う駆動陽極と、（ロ）この駆動陽極と直接対向し、且つ互いに平行に電解液中に挿入され、電解液中の正イオンを介して還元反応を行う駆動陰極と、（ハ）駆動陽極から駆動陰極に向かう駆動電気力線と同一方向の誘導電気力線を駆動電気力線に重畳する誘導電気力線生成手段とを備える電気分解ユニットを複数備える電気分解システムであることを要旨とする。そしてこの電気分解システムのそれぞれの電気分解ユニットにおいて、駆動電気力線と誘導電気力線との重畳による駆動陽極と駆動陰極の間に生じる電位差により、酸化反応及び還元反応を駆動し、且つ、それぞれの電気分解ユニットの駆動陽極と駆動陰極とからなる駆動電極ペアが、互いに電気的に直列に接続されていることを特徴とする。
【００１２】
本発明の第２の態様は、本発明の第１の態様で説明した電気分解システムを電気分解ユニットを複数個多段接続した電気分解システムに対応し、本発明の第１の態様の説明と同様に、消費電力を従来技術に係る１電源電気分解に比して、大きく削減させることができる。
【００１３】
本発明の第３の態様は、（イ）電解液中に挿入され、電解液中の負イオンを介して酸化反応を行う駆動陽極、この駆動陽極と直接対向し、且つ互いに平行に電解液中に挿入され、電解液中の正イオンを介して還元反応を行う駆動陰極からなる駆動電極ペアを複数、電気的に直列接続した多段駆動電極構造と、（ロ）それぞれの駆動電極ペアにおいて、駆動陽極から駆動陰極に向かう駆動電気力線と同一方向の誘導電気力線を駆動電気力線に重畳する誘導電気力線生成手段とを備える電気分解システムであることを要旨とする。そしてこの電気分解システムでは、それぞれの駆動電極ペアにおいて、駆動電気力線と誘導電気力線との重畳による駆動陽極と駆動陰極の間に生じる電位差により、酸化反応及び還元反応を開始させることを特徴とする。
【００１４】
本発明の第３の態様は、本発明の第２の態様と同様に、本発明の第１の態様で説明した電気分解システムを電気分解ユニットを複数個多段接続した電気分解システムに対応し、消費電力を従来技術に係る１電源電気分解に比して、大きく削減させることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、従来技術に係る電気分解に比して、その消費電力を大きく削減できる新たな構成と新たな原理に基づく電気分解システム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】
次に、図面を参照して、本発明の第１〜第３の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。又、以下に示す第１〜第３の実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
【００１７】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る電気分解システムは、図１の概念図に示すように、電解液４中に挿入され、電解液４中の負イオンを介して酸化反応を行う駆動陽極２１と、この駆動陽極２１と直接対向し、且つ互いに平行に電解液４中に挿入され、電解液４中の正イオンを介して還元反応を行う駆動陰極２２と、駆動陽極２１から駆動陰極２２に向かう駆動電気力線と同一方向の誘導電気力線を駆動電気力線に重畳する誘導電気力線生成手段（１１，１２）とを備える。ここで、誘導電気力線生成手段（１１，１２）は、駆動陽極２１と駆動陰極２２とからなる駆動電極ペアを挟み、平行に対向して電解液４中に挿入される誘導陽極１１及び誘導陰極１２を備える。図１では、原理の説明の便宜上、誘導陽極１１，誘導陰極１２，駆動陽極２１及び駆動陰極２２は、電解液４を収納する電解槽６中に等間隔に設置しているが、等間隔に設置された配置に限定されるものではない。電解槽６はプラスチックやセラミック等の絶縁体で構成されている。
【００１８】
第１の実施の形態に係る電気分解システムにおいては、駆動電気力線と誘導電気力線との重畳による駆動陽極２１と駆動陰極２２の間に生じる電位差により、駆動陽極２１における酸化反応及び駆動陰極２２における還元反応を開始させ、更にこれらの酸化反応及び還元反応を必要時間維持する。このため、誘導陽極１１にプラスの端子を接続し、誘導陰極１２にマイナスの端子を接続し、誘導陽極１１と誘導陰極１２との間に誘導電気力線を生じさせ、駆動陽極２１と駆動陰極２２との間に、飽和電気二重層形成電圧を生じさせる第１直流電源ＰＳ１と、駆動陽極２１にプラスの端子を接続し、駆動陰極２２にマイナスの端子を接続し、飽和電気二重層が誘導された状態で、駆動陽極２１と駆動陰極２２の間に過電圧分の電位差を増加させる、第１直流電源ＰＳ１とは独立した第２直流電源ＰＳ２とを更に備える。
【００１９】
即ち、第１の実施の形態に係る電気分解システムでは、図１に示すように、電極界面に飽和電気二重層を誘導する第１直流電源ＰＳ１と電気分解反応を開始させる第２直流電源ＰＳ２の２つの直流電源ＰＳ１，ＰＳ２に分離された構造に特徴がある。図１において中央で対向する駆動陽極２１と駆動陰極２２は、実際に電極反応が起こる電極となり、電気分解は駆動陽極２１と駆動陰極２２との間のチャンネルで行われる。
【００２０】
駆動陽極２１と駆動陰極２２からなる駆動電極ペアの外側に位置する誘導陽極１１と誘導陰極１２は、中央の駆動陽極２１と駆動陰極２２の間に飽和電気二重層形成電圧ＥＤに相当する電位差を与え、それによって飽和電気二重層を誘導し安定化させるための誘導電気力線生成手段（１１，１２）である。誘導陽極１１と駆動陽極２１との間の極間距離、及び誘導陰極１２と駆動陰極２２の間の極間距離は、それぞれ、その間隙に電解液４が浸入し得、且つ両者が短絡する恐れが無い限り接近させることができる。
【００２１】
誘導陽極１１と誘導陰極１２は、電極界面飽和電気二重層を誘導する第１直流電源ＰＳ１に接続されており、駆動陽極２１と駆動陰極２２は、電気分解反応を開始させる第２直流電源ＰＳ２に、接続されているが、それぞれの回路は電解液４を介して相互に非接触である。
【００２２】
本発明の第１の実施の形態に係る電気分解システムにおける電気分解の作動原理は以下のように要約される：
（ステップ１）分解せんとする化合物を水又は溶融塩中に溶解して正負のイオンに解離し、これを電解液４とする。
【００２３】
（ステップ２）２対の平板形状の導電体を垂直もしくは水平に対向して電解液４の中に浸漬する。外側に位置する誘導陽極１１を第１直流電源ＰＳ１のプラス出力端子に、外側に位置する誘導陰極１２を第１直流電源ＰＳ１をマイナス出力端子に導線で接続する。次に、中央に位置する駆動陽極２１と駆動陰極２２のうち、誘導陽極１１に隣接する駆動陽極２１を第２直流電源ＰＳ２のプラス出力端子に導線で接続し、誘導陰極１２に隣接する駆動陰極２２を、第２直流電源ＰＳ２のマイナス出力端子に導線で接続する。
【００２４】
（ステップ３）  図２（ａ）において、第２直流電源ＰＳ２の出力電圧を０に保ったまま、第１直流電源ＰＳ１の出力電圧を０から立ち上げ、誘導陽極１１と誘導陰極１２の間の誘導電気力線の本数（電界強度）を増加し、誘導陽極１１と誘導陰極１２の間の電位差を増加していくと、誘導陽極１１と駆動陽極２１との間，駆動陽極２１と駆動陰極２２との間，誘導陰極１２と駆動陰極２２との間のそれぞれの電位差も自動的に増加する。誘導陽極１１，誘導陰極１２，駆動陽極２１及び駆動陰極２２は等間隔に設置されているので、図２（ｂ）の各電極の電位プロファイルが示すように、これらの電位差は飽和電気二重層形成電圧ＥＤに相当する電位差で等しくなる。このとき誘導陽極１１と誘導陰極１２との間の電位差は３ＥＤの値を示している。このようにして、対向する駆動陽極２１と駆動陰極２２が仕切るチャンネルに、電気分解反応が起こるための必要条件である飽和電気二重層が形成されたことになる。
【００２５】
（ステップ４）  次に、第１直流電源ＰＳ１の出力はステップ３の電圧そのままにして、第２直流電源ＰＳ２の出力電圧を０から加えていき、駆動陽極２１と駆動陰極２２との間の駆動電気力線の本数を増加すると、誘導電気力線と同一方向の駆動電気力線が誘導電気力線線に重畳され、図２（ｃ）に示すように駆動陽極２１と駆動陰極２２の間の電位差は飽和電気二重層形成電圧ＥＤを越えて過電圧ΔＥが加わったことになり、駆動陽極２１と駆動陰極２２の間に電極反応が開始する。逆に、誘導陽極１１と駆動陽極２１との間及び誘導陰極１２と駆動陰極２２の間の電位差は飽和電気二重層形成電圧ＥＤよりも低下していくために電気分解反応は起こり得ず、第２直流電源ＰＳ２の回路のみに電気分解電流が流れ始める。即ち、駆動陽極２１の表面に近接する電解液４の中の負イオンが電子を駆動陽極２１へ放出して分子又は単体を析出し、駆動陰極２２の表面では正イオンが駆動陰極２２から電子を受け取って分子又は単体として析出する。
【００２６】
以上のように、第１の実施の形態に係る電気分解システムでは誘導電気力線により、駆動陽極２１の表面の負イオンと駆動陰極２２の表面の正イオンとからなる電気二重層を、酸化反応及び還元反応が開始する直前の飽和状態にする飽和電気二重層形成電圧を、駆動陽極２１と駆動陰極２２との間に生じさせ、駆動電気力線が駆動陽極２１と駆動陰極２２との間に生じさせる過電圧を、飽和電気二重層形成電圧に重畳することにより、酸化反応及び還元反応を駆動している。
【００２７】
第１の実施の形態に係る電気分解システムにおいては、電極界面での電気二重層の形成は、クーロン力の働く静電界による仕事であるため、それを維持するため誘導電気力線を形成していれば良く、回路に電流を流すことを要しない。したがって、この仕事を受け持つ第１直流電源ＰＳ１は電力を消費しない。一方、出力として電気分解反応の駆動力を受け持つ第２直流電源ＰＳ２は、駆動電気力線により過電圧ΔＥを与え電気分解電流が流れるので電力を消費する。この場合の電力値は：
Ｐ2  ＝  Ｉ  ΔＥ                                    ・・・・・（５）
で表される。
【００２８】
第１の実施の形態に係る電気分解システムにおける２電源電気分解で消費する電力Ｐ2を、電気分解反応にとって本質的な飽和電気二重層形成電圧Ｅ D  及び過電圧ΔＥを用いて、従来の１電源電気分解に対する（４）式で示されるＰ1との比率で比較すると、同じ電気分解電流値に対して：
Ｐ2  ／Ｐ1  ＝  ΔＥ    ／  （ＥＤ  ＋  ΔＥ）      ・・・・・（６）
と書ける。飽和電気二重層形成電圧ＥＤの値が大きい場合、過電圧ΔＥを小さくすれば２電源電気分解による消費電力低減の効果は格段に顕著になる。
【００２９】
一般に電気分解は、分解しようとする化合物を水溶液もしくは溶融塩の形態の電解液４の中でイオンに解離させ、電解液４の中に浸漬した導電性の陽極と陰極の間に電位差を与えて単体又は分子として析出させる電気化学操作である。
【００３０】
本発明は、電気分解を司る駆動陽極２１と駆動陰極２２のそれぞれの背面に対向するように、誘導陽極１１と誘導陰極１２を配置し、電気分解反応の駆動用の第２直流電源ＰＳ２とは別の、第１直流電源ＰＳ１を用いて誘導陽極１１と誘導陰極１２に電位差を与え、電解液４を介して化合物の電解電圧ＥEを駆動陽極２１と駆動陰極２２の間に誘導する新しい電気分解の形態である。
【００３１】
電気分解を司る駆動陽極２１と駆動陰極２２に対する誘導陽極１１と誘導陰極１２の形状及び幾何学的配置は主として気体、液体、固体の析出物形態、それらの電解液４に対する比重並びに導電性等によって決定されるべきものである。例えば、水素製造の水電気分解やマグネシウム電気分解の場合は、析出物は水電気分解が気体分子、マグネシウム電気分解が気体と液体であるが、いずれも電解液４より軽いために析出と同時に気体は気泡、液体は液滴となって電極面から離れ、電解液４の中を上昇する。このような析出物の挙動を示す電気分解においては、誘導陽極１１，誘導陰極１２，駆動陽極２１及び駆動陰極２２は平板状をなし、電解液４の中に垂直・平行に浸漬されることが望ましい。
【００３２】
＜２電源電気分解の実証＞
図３及び図４を用いて、第１の実施の形態に係る電気分解システムにおいて、２電源電気分解が原理の通り作動していることを実証する。このため、図３に示す回路構成において、第１直流電源ＰＳ１による誘導電気力線により、駆動陽極２１と駆動陰極２２の間に飽和電気二重層形成電圧ＥＤ＝１．８０Ｖを与え、その上に電気分解反応駆動用の第２直流電源ＰＳ２を用いて駆動電気力線に重畳し、これにより過電圧ΔＥを加え駆動陽極２１と駆動陰極２２との間の電位差と電気分解電流を測定したとき、図４に示すように、１電源電気分解の電圧―電流曲線と一致することを説明する。  
図３は、図１に示した第１の実施の形態に係る電気分解システムの概念図に対応するが、図４に示す電圧―電流曲線を得るため、より具体的に、スイッチＳ、直流電流計７１、７２及び直流電圧計８２、８３，８４を付加した回路構成を説明するための、略図である。誘導陽極１１，駆動陽極２１，駆動陰極２２及び誘導陰極１２の４つの板状電極は電解液４への浸漬表面積が等しく７．５ｃｍ2であり、相互に垂直・平行に配置されている。したがって、電解液４は３等分に仕切られており、誘導陽極１１，駆動陽極２１，駆動陰極２２及び誘導陰極１２の各電極からの電気力線の漏洩を防止するため、各部屋間の流通はいささかも無いように、電極板の周辺は絶縁体で完全にシールされている。即ち、図３（ｂ）に示すように、矩形で、平板状の誘導陽極１１，駆動陽極２１，駆動陰極２２及び誘導陰極１２のそれぞれが、電解液４を収納する電解槽６の底面及び対向する２つの側壁に接し、これにより、電解液４の一部を密閉して収納する３つの容器に分離されている（図３（ｂ）では、駆動陽極２１について例示しているが、誘導陽極１１，駆動陰極２２及び駆動陽極２１についても同様であることは勿論である。）。
【００３３】
図３に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る電気分解システムは２つの電気回路からなっている。第１電源回路 は、第１直流電源ＰＳ１のプラス端子―直流電流計７１―誘導陽極１１―電解液４―駆動陽極２１―電解液４―駆動陰極２２−電解液４―誘導陰極１２―スイッチＳ―第１直流電源ＰＳ１のマイナス端子の経路をなしている。一方、第２電源回路は、第２直流電源ＰＳ２のプラス端子―直流電流計７２―駆動陽極２１―電解液４―駆動陰極２２―第２直流電源ＰＳ２のマイナス端子のサイクルをなしている。又、
誘導陽極１１と駆動陽極２１との間の電位差を直流電圧計８２により、駆動陽極２１と駆動陰極２２との間の電位差を直流電圧計８３により、駆動陰極２２と誘導陰極１２との間の電位差を直流電圧計８４により測定する。電解液４は、温度２５ｏＣの１０％ＮａＯＨ水溶液であり、それに浸漬する誘導陽極１１，駆動陽極２１，駆動陰極２２及び誘導陰極１２は酸化防止のためニッケル（Ｎｉ）めっき鋼板を用いる。  
（イ）図３に示す回路構成において、まず、スイッチＳを開放して第２電源回路のみで駆動陽極２１と駆動陰極２２の間で通常の１電源電気分解を行い、駆動陽極２１−駆動陰極２２間の電位差ＥJと回路電流Ｉ2との関係を測定する。測定結果の１例を、白抜きの丸印で図４に示す通り、典型的な１電源電気分解の挙動が認められ、電気分解条件下で水の飽和電気二重層形成電圧ＥＤは、１．８０Ｖを示した。２５ｏＣにおける水の理論電解電圧Ｅtheory＝１．２３Ｖに対して実際に電気分解反応はかなり高い電圧で起こっていることが分かる。飽和電気二重層形成電圧ＥＤ以上の電位差でほぼ直線で表される領域が実際の定常状態での１電源電気分解の条件である。図４に示す電圧―電流曲線の勾配の逆数は抵抗である。この抵抗は、１電源電気分解では、ほぼ電極界面での電気二重層による抵抗（分極抵抗）と電解液４抵抗の和である。
【００３４】
（ロ）次に、図３における第１電源回路のスイッチＳを閉じ、第２直流電源ＰＳ２の出力電圧を０にしたまま第１直流電源ＰＳ１を昇圧し、駆動陽極２１と駆動陰極２２との間の電位差が丁度１．８０Ｖになる電圧に一旦保持する。又、この間第１電源回路の電流Ｉ1及び第２電源回路電流Ｉ2は０のままであった。更に、このときの各電極間の電位差を、直流電圧計８２、８３，８４で測定したところ、誘導陽極１１と誘導陰極１２との間の電位差は５．４４Ｖを、誘導陽極１１と駆動陽極２１との間は１．８３Ｖ、駆動陰極２２と誘導陰極１２との間は１．８０Ｖを示し、原理通りの電圧値であった。
【００３５】
（ハ）次に、第２直流電源ＰＳ２を用いて駆動電気力線に重畳し、駆動陽極２１と駆動陰極２２との間の初期電位差１．８０Ｖの上に新たに電位差を加えて電気分解反応を開始させ、その都度電気分解電流Ｉ2を測定すると共に、誘導陽極１１と駆動陽極２１との間の電位差も測定する。そして、駆動陽極２１と駆動陰極２２との間の電位差と電気分解電流の関係を、図４に重ねてプロットする。
【００３６】
図４から明らかなように、黒塗りの丸印で示した２電源電気分解における電圧―電流の関係は、白抜きの丸印で示した１電源電気分解の電圧―電流の関係と一致している。又、電気分解反応が起こる電圧領域における誘導陽極１１と駆動陽極２１との間の極間電圧ＥAは、図５に見られるように駆動陽極２１と駆動陰極２２との間の極間電圧ＥJの増加と共に減少するので、駆動陽極２１と駆動陰極２２との間で電気分解が起こっているときは、誘導陽極１１と駆動陽極２１との間、及び駆動陰極２２と誘導陰極１２との間では理論的のみならず実際的にも電気分解は起こり得ず、したがって、第１電源回路の電流Ｉ1は０である。以上の測定結果を勘案するならば、第１の実施の形態に係る電気分解システムにおいて、２電源電気分解はその原理に従って機能しているものと見なして差し支えない。
【００３７】
＜２電源電気分解の原理とその消費電力＞
第１の実施の形態に係る電気分解システムにおける２電源電気分解の原理とその消費電力を、図６に示す等価回路を用いて以下に説明する。図６は第２電源回路に対する等価回路を描いたものであり、第２直流電源ＰＳ２と電気分解部よりなる。第２直流電源ＰＳ２はダイオードによる整流回路であるか又はトランジスタによる整流回路であるかは問わない。図ではダイオードで代表している。これらの整流器の特性として、順方向に電流は流れ得るが、逆方向には流れない。電気分解部の構成要素は、図１〜図３に示した駆動陽極２１、駆動陰極２２及び電解液４であるが、駆動陽極２１と駆動陰極２２には外部から化合物の飽和電気二重層形成電圧ＥＤに相当する一定の電位差が非接触で与えられているので、電解液との界面に電気二重層が存在する。そのため界面の電気的性質には飽和電気二重層容量ＣDをもつコンデンサに類似した成分がある。その上に、実際に電極反応が進行している状況の下では、電極反応進行の抵抗となるファラデーインピーダンスＺFと呼ばれる成分が存在するので、結局、駆動陽極２１，駆動陰極２２と電解液４との界面の電気的性質は、飽和電気二重層容量ＣDをファラデーインピーダンスＺFで短絡したモデルが適当であると考えられている。ファラデーインピーダンスＺFは更に、界面でのイオンの移動抵抗ＲSとイオン濃度勾配に基づく容量（電気分解容量）ＣSからなっている。これらの電気的成分に直列に電解液４自体の抵抗Ｒsolnが繋がっている。電気分解システムにおけるこれらの電気的性質は電気分解反応速度を律する要因であるが、図４に示したように１電源電気分解と２電源電気分解の電気分解において電圧―電流曲線に違いが無いことから、両者の電気分解そのもののメカニズムは同一であると判断される。  
第２直流電源ＰＳ２の整流回路は本発明の電気分解プロセスの原理と密接な係わり合いがある。即ち、図６のようにダイオードの順方向が駆動陽極２１に直結しているので、誘導陽極１１と誘導陰極１２との間に飽和電気二重層形成電圧ＥＤの３倍の電位差３ＥＤを与えると、駆動陽極２１から駆動陰極２２へダイオードを通って電子が流れ込み、図２（ｂ）に示すように駆動陽極２１と駆動陰極２２との間に飽和電気二重層形成電圧ＥＤに相当する電位差が生じる。もしダイオードの逆方向に接続した場合は、駆動陽極２１と駆動陰極２２との間に飽和電気二重層形成電圧ＥＤは現れない。  
次には、本発明の２電源電気分解が消費する電力を通常の１電源電気分解と比較すると以下のようになる。一般に電気分解で消費される電力は、第１直流電源ＰＳ１の電力効率及び第１直流電源ＰＳ１から電解槽６までの導線の抵抗、導線と電極との接触抵抗、電極そのものの抵抗などによるジュール熱損失を考慮に入れる必要がある。しかしここでは、電気分解に本質的な要素により消費される電力に限定することにする。  
この場合、式（６）が１電源電気分解に対する２電源電気分解の消費電力の比Ｐ２  ／Ｐ１であり、ここで用いている過電圧ΔＥはあくまで、駆動陽極２１と駆動陰極２２との間に与えられ電気分解反応に寄与している電圧を指している。又、式（６）は、同じ電流値即ち水素の生産速度の比較になっている。表１は本発明の実施の形態の２５ｏＣの水電気分解において、飽和電気二重層形成電圧ＥＤ＝１．８０Ｖに対する過電圧ΔＥと消費電力比Ｐ２／Ｐ１比の理論値である。
【表１】
0004562634.tif 000002
【００３８】
表１から明らかなように、適用する過電圧ΔＥを小さくすればするほど２電源電気分解の消費電力は大きく削減される。又、電気分解では一般に過電圧ΔＥを小さくして電流密度を低下させると電力効率が向上する。したがって、理論的には低い過電圧ΔＥの電気分解がエネルギーの観点から有利である。しかし反面、小さな過電圧ΔＥと電流密度は電解槽６の大型化に繋がるため、工業的には総合的に判断して適切な過電圧ΔＥを採用しなければならない。  
（第２の実施の形態）
第１の実施の形態に係る電気分解システムでは４枚の矩形の平行平板で、誘導陽極１１，駆動陽極２１，駆動陰極２２及び誘導陰極１２を構成する例を示したが、誘導陽極１１，駆動陽極２１，駆動陰極２２及び誘導陰極１２の形状は、平板に限定されるものではない。即ち、本発明の第２の実施の形態に係る電気分解システムは、図７の概念図に示すように、電解液４を収納する円筒状の側壁を有する絶縁体の電解槽６と、電解液４中に挿入され、電解液４中の負イオンを介して酸化反応を行う円筒状の駆動陽極２１と、この駆動陽極２１の内側に、駆動陽極２１と直接対向し、且つ駆動陽極２１と互いに同心円状に平行に電解液４中に挿入され、電解液４中の正イオンを介して還元反応を行う円筒状の駆動陰極２２と、駆動陽極２１から駆動陰極２２に向かう駆動電気力線と同一方向の誘導電気力線を駆動電気力線に重畳する誘導電気力線生成手段（１１，１２）とを備える。ここで、誘導電気力線生成手段（１１，１２）は、円筒状の駆動陽極２１の外側を同心円状に周回するように配置された円筒状の誘導陽極１１と、円筒状の駆動陰極２２の中心位置に配置された円柱状の誘導陰極１２を備える。誘導陽極１１と誘導陰極１２とは、両側から駆動陽極２１と駆動陰極２２とからなる駆動電極ペアを挟むように、互いに同心円状に平行に対向し、電解液４中に挿入されている。図７では、誘導陽極１１に複数のスリット１１Ｓが設けられているが、スリット１１Ｓが設けられた構造に限定されるものではない。
【００３９】
誘導陽極１１に複数のスリット１１Ｓが設けられた構造では、電解液４は円筒状の駆動陽極２１及び駆動陰極２２により、３等分に仕切られており、電気力線の漏洩を防止するため、各部屋間の流通はいささかも無いように、駆動陽極２１及び駆動陰極２２の周辺は絶縁体で完全にシールされている。即ち、図７に示すように、円筒状の駆動陽極２１，駆動陰極２２のそれぞれの底辺が、電解液４を収納する電解槽６の底面に接し、これにより、電解液４の一部を密閉して収納する３つの容器に分離されている。
【００４０】
第２の実施の形態に係る電気分解システムにおいても、第１の実施の形態に係る電気分解システムと同様に、駆動電気力線と誘導電気力線との重畳による駆動陽極２１と駆動陰極２２の間に生じる電位差により、駆動陽極２１における酸化反応及び駆動陰極２２における還元反応を開始させ、更にこれらの酸化反応及び還元反応を必要時間維持する。このため、誘導陽極１１にプラスの端子を接続し、誘導陰極１２にマイナスの端子を接続し、誘導陽極１１と誘導陰極１２との間に誘導電気力線を生じさせ、駆動陽極２１と駆動陰極２２との間に、飽和電気二重層形成電圧を生じさせる第１直流電源ＰＳ１と、駆動陽極２１にプラスの端子を接続し、駆動陰極２２にマイナスの端子を接続し、飽和電気二重層が誘導された状態で、駆動陽極２１と駆動陰極２２の間に過電圧分の電位差を増加させる、第１直流電源ＰＳ１とは独立した第２直流電源ＰＳ２とを更に備えている。
【００４１】
第２の実施の形態に係る電気分解システムにおいても、式（６）に示す１電源電気分解に対する２電源電気分解の消費電力の比Ｐ２  ／Ｐ１の関係が成立し、第１の実施の形態の表１と同様に、駆動陽極２１と駆動陰極２２との間に印加する過電圧ΔＥを小さくすればするほど２電源電気分解の消費電力は大きく削減される。
【００４２】
＜第２の実施の形態の第１変形例＞
本発明の第２の実施の形態の第１変形例に係る電気分解システムは、図８の概念図に示すように、電解槽を兼ねる円筒状の側壁を有する誘導陽極１１と、誘導陽極１１に収納された電解液４中に挿入され、電解液４中の負イオンを介して酸化反応を行う円筒状の駆動陽極２１と、この駆動陽極２１の内側に、駆動陽極２１と直接対向し、且つ駆動陽極２１と互いに同心円状に平行に電解液４中に挿入され、電解液４中の正イオンを介して還元反応を行う円筒状の駆動陰極２２と、駆動陽極２１から駆動陰極２２に向かう駆動電気力線と同一方向の誘導電気力線を駆動電気力線に重畳する誘導電気力線生成手段（１１，１２）とを備える。ここで、誘導電気力線生成手段（１１，１２）は、円筒状の駆動陽極２１の外側を同心円状に周回するように配置された円筒状の誘導陽極１１と、円筒状の駆動陰極２２の中心位置に配置された円柱状の誘導陰極１２を備える。誘導陽極１１と誘導陰極１２とは、両側から駆動陽極２１と駆動陰極２２とからなる駆動電極ペアを挟むように、互いに同心円状に平行に対向し、電解液４中に挿入されている。
【００４３】
第２の実施の形態の第１変形例に係る電気分解システムにおいても、第１及び第２の実施の形態に係る電気分解システムと同様に、駆動電気力線と誘導電気力線との重畳による駆動陽極２１と駆動陰極２２の間に生じる電位差により、駆動陽極２１における酸化反応及び駆動陰極２２における還元反応を開始させ、更にこれらの酸化反応及び還元反応を必要時間維持する。このため、誘導陽極１１にプラスの端子を接続し、誘導陰極１２にマイナスの端子を接続し、誘導陽極１１と誘導陰極１２との間に誘導電気力線を生じさせ、駆動陽極２１と駆動陰極２２との間に、飽和電気二重層形成電圧を生じさせる第１直流電源ＰＳ１と、駆動陽極２１にプラスの端子を接続し、駆動陰極２２にマイナスの端子を接続し、飽和電気二重層が誘導された状態で、駆動陽極２１と駆動陰極２２の間に過電圧分の電位差を増加させる、第１直流電源ＰＳ１とは独立した第２直流電源ＰＳ２とを更に備えている。
【００４４】
図８の構造では、誘導陽極１１が電解槽を兼ねているが、円筒状の側壁のみを金属で構成し、底部を絶縁体で構成すれば良い。図７と同様に、電気力線の漏洩を防止するため、各部屋間の流通はいささかも無いように、円筒状の駆動陽極２１，駆動陰極２２のそれぞれの底辺が、電解液４を収納する電解槽６の底面に接し、これにより、電解液４の一部を密閉して収納する３つの容器に分離されている。
【００４５】
第２の実施の形態の第１変形例に係る電気分解システムにおいても、式（６）に示す１電源電気分解に対する２電源電気分解の消費電力の比Ｐ２  ／Ｐ１の関係が成立し、第１の実施の形態で説明した表１と同様に、駆動陽極２１と駆動陰極２２との間に印加する過電圧ΔＥを小さくすればするほど２電源電気分解の消費電力は大きく削減される。
【００４６】
＜第２の実施の形態の第２変形例＞
本発明の第２の実施の形態の第２変形例に係る電気分解システムは、図８の概念図に示すように、電解槽を兼ねる円筒状の側壁を有する誘導陰極１２と、誘導陰極１２に収納された電解液４中に挿入され、電解液４中の正イオンを介して還元反応を行う円筒状の誘導陰極２２と、この誘導陰極２２の内側に、誘導陰極２２と直接対向し、且つ誘導陰極２２と互いに同心円状に平行に電解液４中に挿入され、電解液４中の負イオンを介して酸化反応を行う円筒状の駆動陽極２１と、誘導陰極２２から駆動陽極２１に向かう駆動電気力線と同一方向の誘導電気力線を駆動電気力線に重畳する誘導電気力線生成手段（１１，１２）とを備える。ここで、誘導電気力線生成手段（１１，１２）は、円筒状の誘導陰極２２の外側を同心円状に周回するように配置された円筒状の誘導陰極１２と、円筒状の駆動陽極２１の中心位置に配置された円柱状の誘導陽極１１を備える。誘導陰極１２と誘導陽極１１とは、両側から誘導陰極２２と駆動陽極２１とからなる駆動電極ペアを挟むように、互いに同心円状に平行に対向し、電解液４中に挿入されている。
【００４７】
第２の実施の形態の第２変形例に係る電気分解システムにおいても、第１及び第２の実施の形態に係る電気分解システムと同様に、駆動電気力線と誘導電気力線との重畳により、誘導陰極２２と駆動陽極２１の間に生じる電位差により、誘導陰極２２における酸化反応及び駆動陽極２１における還元反応を開始させ、更にこれらの酸化反応及び還元反応を必要時間維持する。このため、誘導陰極１２にプラスの端子を接続し、誘導陽極１１にマイナスの端子を接続し、誘導陰極１２と誘導陽極１１との間に誘導電気力線を生じさせ、誘導陰極２２と駆動陽極２１との間に、飽和電気二重層形成電圧を生じさせる第１直流電源ＰＳ１と、誘導陰極２２にプラスの端子を接続し、駆動陽極２１にマイナスの端子を接続し、飽和電気二重層が誘導された状態で、誘導陰極２２と駆動陽極２１の間に過電圧分の電位差を増加させる、第１直流電源ＰＳ１とは独立した第２直流電源ＰＳ２とを更に備えている。
【００４８】
図９の構造は、誘導陽極１１が電解槽を兼ねているが、図８の構造と同様に、円筒状の側壁のみを金属で構成し、底部を絶縁体で構成すれば良い。図７及び図８と同様に、電気力線の漏洩を防止するため、各部屋間の流通はいささかも無いように、円筒状の駆動陽極２１，駆動陰極２２のそれぞれの底辺が、電解液４を収納する電解槽６の底面に接し、これにより、電解液４の一部を密閉して収納する３つの容器に分離されている。
【００４９】
第２の実施の形態の第２変形例に係る電気分解システムにおいても、式（６）に示す１電源電気分解に対する２電源電気分解の消費電力の比Ｐ２  ／Ｐ１の関係が成立し、第１の実施の形態で説明した表１と同様に、誘導陰極２２と駆動陽極２１との間に印加する過電圧ΔＥを小さくすればするほど２電源電気分解の消費電力は大きく削減される。
【００５０】
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態に係る電気分解システムは、図１０の概念図に示すように、電解液４中に挿入され、電解液４中の負イオンを介して酸化反応を行う駆動陽極２１r（ｒ＝１〜２ｎ＋１）と、この駆動陽極２１rと直接対向し、且つ互いに平行に電解液４中に挿入され、電解液４中の正イオンを介して還元反応を行う駆動陰極２２rと、駆動陽極２１rから駆動陰極２２rに向かう駆動電気力線と同一方向の誘導電気力線を駆動電気力線に重畳する誘導電気力線生成手段（１１s，１２s：ｓ＝１〜ｎ＋１）とを備える電気分解ユニット（１１s，１２s；２１r，２２r）を複数（２ｎ＋１）個備える。ここで、ｎは１以上の正の整数である。それぞれの電気分解ユニット（１１s，１２s；２１r，２２r）において、駆動電気力線と誘導電気力線との重畳による駆動陽極２１rと駆動陰極２２rの間に生じる電位差により、酸化反応及び還元反応を駆動し、且つ、図１０に示すように、それぞれの電気分解ユニット（１１s，１２s；２１r，２２r）の駆動陽極２１rと駆動陰極２２rとからなる駆動電極ペア（２１r，２２r）が、互いに電気的に直列に接続されている。ここで、それぞれの電気分解ユニット（１１s，１２s；２１r，２２r）において、誘導電気力線生成手段（１１s，１２s）は、電気分解ユニット（１１s，１２s；２１r，２２r）を構成する駆動電極ペア（２１r，２２r）を挟み、平行に対向して電解液４中に挿入される誘導陽極１１s及び誘導陰極１２sを備える。
【００５１】
別の見方をすれば、図１０に示す第３の実施の形態に係る電気分解システムは、電解液４中に挿入され、電解液４中の負イオンを介して酸化反応を行う駆動陽極２１p（ｐ＝１〜２ｎ＋１）この駆動陽極２１pと直接対向し、且つ互いに平行に電解液４中に挿入され、電解液４中の正イオンを介して還元反応を行う駆動陰極２２pからなる駆動電極ペア（２１p，２２p）を複数、電気的に直列接続した（２ｎ＋１）段の多段駆動電極構造と、それぞれの駆動電極ペア（２１p，２２p）において、駆動陽極２１pから駆動陰極２２pに向かう駆動電気力線と同一方向の誘導電気力線を駆動電気力線に重畳する誘導電気力線生成手段（１１q，１２q）とを備える（前述したように、ｎは１以上の正の整数である。）。そして、それぞれの駆動電極ペア（２１p，２２p）において、駆動電気力線と誘導電気力線との重畳による駆動陽極２１pと駆動陰極２２pの間に生じる電位差により、酸化反応及び還元反応を開始させる。誘導電気力線生成手段（１１q，１２q）は、図１０に示すように、それぞれの駆動電極ペア（２１p，２２p）を挟み、平行に対向して電解液４中に挿入される誘導陽極１１q（ｑ＝１〜ｎ＋１）と誘導陰極１２qとからなる誘導電極ペア（１１q，１２q）を備え、この誘導電極ペア（１１q，１２q）が電気的に並列接続されている。図１０では、互いに隣接する駆動電極ペア（２１2j-1，２２2j-1；２１2j，２２2j）のそれぞれの駆動陰極２２2j-1；２２2jを、誘導陰極の一つ１２j-1を挟んで互いに対向させ、挟まれた誘導陰極の一つ１２j-1を隣接する駆動電極ペア（２１2j-1，２２2j-1；２１2j，２２2j）に共通の誘導陰極１２jとしている。例えば、図１０に示すように、互いに隣接する駆動電極ペア（２１1，２２1；２１2，２２2）のそれぞれの駆動陰極２２1；２２2を、誘導陰極１２1を挟んで互いに対向させ、挟まれた誘導陰極１２1を隣接する駆動電極ペア（２１1，２２1；２１2，２２2）に共通の誘導陰極１２1とし、互いに隣接する駆動電極ペア（２１3，２２3；２１4，２２4）のそれぞれの駆動陰極２２3；２２4を、誘導陰極１２2を挟んで互いに対向させ、挟まれた誘導陰極１２2を隣接する駆動電極ペア（２１3，２２3；２１4，２２4）に共通の誘導陰極１２2としている。
【００５２】
又、互いに隣接する駆動電極ペア（２１2j，２２2j；２１2j+1，２２2j+1）のそれぞれの駆動陽極２１2j；２１2j+1を、誘導陽極の一つ１１j+1を挟んで互いに対向させ、挟まれた誘導陽極一つ１１j+1を、隣接する駆動電極ペア（２１i，２２i）に共通の誘導陽極１１j+1としている。例えば、図１０に示すように、互いに隣接する駆動電極ペア（２１2，２２2；２１3，２２3）のそれぞれの駆動陽極２１2；２１3を、誘導陽極１１2を挟んで互いに対向させ、挟まれた誘導陽極１１2を、隣接する駆動電極ペア（２１i，２２i）に共通の誘導陽極１１2とし、互いに隣接する駆動電極ペア（２１4，２２4；２１5，２２5）のそれぞれの駆動陽極２１4；２１5を、誘導陽極１１3を挟んで互いに対向させ、挟まれた誘導陽極１１3を、隣接する駆動電極ペア（２１i，２２i）に共通の誘導陽極１１3としている。
【００５３】
図１０においては、平板状の駆動陽極２１p、駆動陰極２２p、誘導陽極１１q及び誘導陰極１２qが、それぞれ電解液４を収納する電解槽６の底面に対して垂直に配置されることにより、互いに平行となり、且つ、駆動陽極２１p、駆動陰極２２p、誘導陽極１１q及び誘導陰極１２qのそれぞれが、電解槽６の底面及び対向する２つの側壁に接し、これにより、電解液４の一部をそれぞれ密閉して収納する独立した複数の容器をなしている。電解槽６は絶縁体で構成されている。密閉して収納する独立した複数の容器を構成することにより、駆動陽極２１p、駆動陰極２２p、誘導陽極１１q及び誘導陰極１２qからの電気力線の漏洩を防止している。
【００５４】
第３の実施の形態に係る電気分解システムにおいても、第１及び第２の実施の形態に係る電気分解システムと同様に、それぞれの駆動電極ペア（２１p，２２p）において、駆動電気力線と誘導電気力線との重畳による駆動陽極２１pと駆動陰極２２pの間に生じる電位差により、駆動陽極２１pにおける酸化反応及び駆動陰極２２pにおける還元反応を開始させ、更にこれらの酸化反応及び還元反応を必要時間維持する。このため、それぞれの駆動電極ペア（２１p，２２p）に対応する、誘導陽極１１qにプラスの端子を接続し、誘導陰極１２qにマイナスの端子を接続し、誘導陽極１１qと誘導陰極１２qとの間に誘導電気力線を生じさせ、駆動陽極２１pと駆動陰極２２pとの間に、飽和電気二重層形成電圧を生じさせる第１直流電源ＰＳ１が、それぞれの駆動電極ペア（２１p，２２p）に対し並列接続されている。一方、駆動陽極２１pにプラスの端子を接続し、駆動陰極２２pにマイナスの端子を接続し、飽和電気二重層が誘導された状態で、駆動陽極２１pと駆動陰極２２pの間に過電圧分の電位差を増加させる、第１直流電源ＰＳ１とは独立した第２直流電源ＰＳ２は、それぞれの駆動電極ペア（２１p，２２p）を電気的に直列接続している閉回路に直列接続されている。
【００５５】
第３の実施の形態に係る電気分解システムにおいても、式（６）に示す１電源電気分解に対する２電源電気分解の消費電力の比Ｐ２  ／Ｐ１の関係が成立し、第１の実施の形態で説明した表１と同様に、駆動陽極２１pと駆動陰極２２pとの間に印加する過電圧ΔＥを小さくすればするほど２電源電気分解の消費電力は大きく削減される。
【００５６】
図１０に示すように、複数の電気分解ユニットを、長さ方向のシーケンスとして配列し、多段に構成し、誘導陽極１１qと誘導陰極１２qは並列接続にて第１直流電源ＰＳ１へ、駆動陽極２１pと駆動陰極２２pを、直列接続にて第２直流電源ＰＳ２へ向かう構造とすれば、工業的生産用装置に好適な電気分解システムが提供できる。
【００５７】
＜第３の実施の形態の変形例＞
本発明の第３の実施の形態の変形例に係る電気分解システムは、図１１の概念図に示すように、電解液４中に挿入され、電解液４中の負イオンを介して酸化反応を行う駆動陽極２１p（ｐ＝１〜２ｎ＋１）この駆動陽極２１pと直接対向し、且つ互いに平行に電解液４中に挿入され、電解液４中の正イオンを介して還元反応を行う駆動陰極２２pからなる駆動電極ペア（２１p，２２p）を複数、電気的に直列接続した（２ｎ＋１）段の多段駆動電極構造と、それぞれの駆動電極ペア（２１p，２２p）において、駆動陽極２１pから駆動陰極２２pに向かう駆動電気力線と同一方向の誘導電気力線を駆動電気力線に重畳する誘導電気力線生成手段（１１q，１２q）とを備える（前述したように、ｎは１以上の正の整数である。）。そして、それぞれの駆動電極ペア（２１p，２２p）において、駆動電気力線と誘導電気力線との重畳による駆動陽極２１pと駆動陰極２２pの間に生じる電位差により、酸化反応及び還元反応を開始させ、更にこれらの酸化反応及び還元反応を必要時間維持する。誘導電気力線生成手段（１１q，１２q）は、図１１に示すように、それぞれの駆動電極ペア（２１p，２２p）を挟み、平行に対向して電解液４中に挿入される誘導陽極１１q（ｑ＝１〜ｎ＋１）と誘導陰極１２qとからなる誘導電極ペア（１１q，１２q）を備え、この誘導電極ペア（１１q，１２q）が電気的に並列接続されている。図１１では、互いに隣接する駆動電極ペア（２１2j-1，２２2j-1；２１2j，２２2j）のそれぞれの駆動陰極２２2j-1；２２2jを、誘導陰極の一つ１２j-1を挟んで互いに対向させ、挟まれた誘導陰極の一つ１２j-1を隣接する駆動電極ペア（２１2j-1，２２2j-1；２１2j，２２2j）に共通の誘導陰極１２jとし、互いに隣接する駆動電極ペア（２１2j，２２2j；２１2j+1，２２2j+1）のそれぞれの駆動陽極２１2j；２１2j+1を、誘導陽極の一つ１１j+1を挟んで互いに対向させ、挟まれた誘導陽極一つ１１j+1を、隣接する駆動電極ペア（２１i，２２i）に共通の誘導陽極１１j+1としている点では図１０に示した構造と同様である。
【００５８】
第３の実施の形態の変形例に係る電気分解システムにおいても、第１及び第２の実施の形態に係る電気分解システムと同様に、それぞれの駆動電極ペア（２１p，２２p）において、駆動電気力線と誘導電気力線との重畳による駆動陽極２１pと駆動陰極２２pの間に生じる電位差により、駆動陽極２１pにおける酸化反応及び駆動陰極２２pにおける還元反応を開始させ、更にこれらの酸化反応及び還元反応を必要時間維持する。このため、それぞれの駆動電極ペア（２１p，２２p）に対応する、誘導陽極１１qにプラスの端子を接続し、誘導陰極１２qにマイナスの端子を接続し、誘導陽極１１qと誘導陰極１２qとの間に誘導電気力線を生じさせ、駆動陽極２１pと駆動陰極２２pとの間に、飽和電気二重層形成電圧を生じさせる第１直流電源ＰＳ１が、それぞれの駆動電極ペア（２１p，２２p）に対し、図１０と同様に、並列接続されている。しかし、図１０とは異なり、駆動陽極２１pにプラスの端子を接続し、駆動陰極２２pにマイナスの端子を接続し、飽和電気二重層が誘導された状態で、駆動陽極２１pと駆動陰極２２pの間に過電圧分の電位差を増加させる、第１直流電源ＰＳ１とは独立した第２直流電源ＰＳ２は、それぞれの駆動電極ペア（２１p，２２p）と並列接続している。
【００５９】
第３の実施の形態の変形例に係る電気分解システムにおいても、式（６）に示す１電源電気分解に対する２電源電気分解の消費電力の比Ｐ２  ／Ｐ１の関係が成立し、第１の実施の形態で説明した表１と同様に、駆動陽極２１pと駆動陰極２２pとの間に印加する過電圧ΔＥを小さくすればするほど２電源電気分解の消費電力は大きく削減される。
【００６０】
図１１に示すように、複数の電気分解ユニットを、長さ方向のシーケンスとして配列し、多段に構成し、誘導陽極１１qと誘導陰極１２qは並列接続にて第１直流電源ＰＳ１へ、駆動陽極２１pと駆動陰極２２pを、並列接続にて第２直流電源ＰＳ２へ向かう構造としても、工業的生産用装置に好適な電気分解システムが提供できる。
【００６１】
更に、図１０に示した回路構成と図１１に示した回路構成を組み合わせ、複数の電気分解ユニットを、多段に構成し、誘導陽極１１qと誘導陰極１２qは並列接続にて第１直流電源ＰＳ１へ、駆動陽極２１pと駆動陰極２２pを、直列接続と並列接続とを併用して、第２直流電源ＰＳ２へ向かう構造とすれば、大型の工業的生産用装置に好適な電気分解システムが提供できる。
【００６２】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は第１〜第３の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００６３】
例えば、誘導陽極１１，駆動陽極２１，駆動陰極２２及び誘導陰極１２にＮｉめっき鋼板を用いる場合を例示したが、駆動陽極２１には、電解液の性質に応じて、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、タンタル（Ｔａ）、イリジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、オスミウム（Ｏｓ）などの酸化物の薄膜で被覆（コーティング）したチタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）等の金属電極を不溶性陽極として採用可能である。誘導陽極１１，駆動陰極２２及び駆動陽極２１にも、これらの金属酸化物の薄膜で被覆（コーティング）した金属電極を用いても良いが、水の電気分解等であれば、ステンレス鋼等を用いても良い。
【００６４】
又、第１〜第３の実施の形態においては、概念的な模式図で説明したが、例えば、電解槽６には攪拌装置が備えられていても良く、電解液４の温度を制御する加熱装置や温度制御装置等が含まれていても構わないことは勿論である。
【００６５】
又、第１の実施の形態の説明においては誘導陽極１１，駆動陽極２１，駆動陰極２２及び誘導陰極１２の各電極からの電気力線の漏洩を防止するため、各部屋間の流通はいささかも無いように、電極板の周辺は絶縁体で完全にシールされていると説明したが、誘導陽極１１，駆動陽極２１，駆動陰極２２及び誘導陰極１２にそれぞれの電極間距離の１／１０以下の径の開口部があっても、静電的に電気力線の漏洩を遮蔽（シールド）可能であるので、必ずしも、完全密閉構造に限定されるものでもない。要は、各電極からの電気力線の漏洩を防止できる電極構造であれば良いのである。このことは、第２及び第３の実施の形態においても同様である。
【００６６】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る電気分解システムの構成を示す模式図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る電気分解システムにおいて、２電源電気分解が作動した際の電極電位分布を定性的に表した図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る電気分解システムにおいて各電極間の電位を測定しながら、水の電気分解を行うための回路構成を示す模式図である。
【図４】２５ｏＣの水電気分解において電極間電圧に対して流れる電気分解電流を、１電源電気分解の場合と２電源電気分解の場合とで比較する図である。
【図５】２電源電気分解において駆動陽極と駆動陰極において、電気分解が行われているとき、誘導陽極と誘導陰極に接続される閉回路に電流は流れないことを説明するために、誘導陽極と駆動陽極との間の極間電圧ＥAと、駆動陽極と駆動陰極との間の極間電圧ＥJの関係を示す図である。
【図６】２電源電気分解における駆動陽極と駆動陰極とを含む閉回路の電気化学的な等価回路を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係る電気分解システムの構成を示す模式図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態の第１変形例に係る電気分解システムの構成を示す模式図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態の第２変形例に係る電気分解システムの構成を示す模式図である。
【図１０】本発明の第３の実施の形態に係る電気分解システムの構成を示す模式図である。
【図１１】本発明の第３の実施の形態の変形例に係る電気分解システムの構成を示す模式図である。
【図１２】１電源電気分解の原理を説明する模式図で、化合物の分解を目的とする電気分解に特有の、電極と電解液との界面に形成される電気二重層を示している。
【図１３】化合物の分解を目的とする電気分解に特有の電極間電圧と電気分解電流との関係を定性的に描いた図である。
【図１４】化合物の分解を目的とする電気分解において、化合物に固有の飽和電気二重層形成電圧ＥDが存在し、飽和電気二重層形成電圧ＥDに過電圧ΔＥを加えた電圧ＥEで初めて電気分解電流が流れ始めることを説明するための図である。
【符号の説明】
【００６８】
１…直流電源
２ａ，２ｂ…導線
３ａ…陽極
３ｂ…陰極
４…電解液
６…電解槽
１１，１１j，１１q，１１s…誘導陽極
１１Ｓ…スリット
１２，１２j，１２q，１２s…誘導陰極
２１，２１p，２１r…駆動陽極
２２，２２p，２２r…駆動陰極
７１，７２…直流電流計
８２，８３，８４…直流電圧計
ＲL…負荷
ＲS…移動抵抗
Ｒsoln…抵抗
Ｓ…スイッチ
ＺF…ファラデーインピーダンス
ＰＳ１…第１直流電源
ＰＳ２…第２直流電源
【図１】
0004562634.tif 000003
【図２】
0004562634.tif 000004
【図３】
0004562634.tif 000005
【図４】
0004562634.tif 000006
【図５】
0004562634.tif 000007
【図６】
0004562634.tif 000008
【図７】
0004562634.tif 000009
【図８】
0004562634.tif 000010
【図９】
0004562634.tif 000011
【図１０】
0004562634.tif 000012
【図１１】
0004562634.tif 000013
【図１２】
0004562634.tif 000014
【図１３】
0004562634.tif 000015
【図１４】
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