(57)【要約】      （修正有）【課題】高温溶融塩電解用の電解槽に使用する電流効率を高く保持し、しかも漏洩電流を最小とする複極型電解部構造体を提供する。【解決手段】電極群と、側壁５と、上部電極枠３と、下部電極枠４とからなる。電極群は、片面を陽極とし他面を陰極とする複数の複極電極２と、電極面が陰極又は陽極のみである複数の端部電極１とが、相互に電極間距離を持って平行に配置される。側壁は電極群の側面を取り囲む。上部電極枠は電極群の上部に設置され、一端が各電極の陽極面と同一面となる。下部電極枠は電極群の下部に設置され、一端が各電極の陰極面と同一面となる。【選択図】図１
0003158996.tif 000002
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
電極面がほぼ垂直となるように片面を陽極とし他面を陰極とする複数の複極電極と電極面が陰極又は陽極のみである複数の端部電極とからなり、これら電極が相互に電極間距離に相当する隙間を持って平行に配置された電極群と該電極群の側面を取り囲む側壁と該電極群の上部に設置され該電極間の各隙間に相当する位置に電極幅と同じ幅で電極間隙間より細く、その隙間の一端が陽極面と同一面となる隙間を有し高さを有する上部電極枠と、該電極群の下部に設置され該電極間の各隙間に相当する位置に電極幅と同じ幅で電極間隙間より細く、その隙間の一端が陰極面と同一面となる隙間を有し高さを有する下部電極枠とからなる、電解部構造体。
【請求項２】
電極面が陽極面を下向きとなるように垂直から０から１０度傾いて配置されてなることを特徴とする請求項１の電解部構造体。
【請求項３】
前記電極間距離に相当する隙間が５〜１０ｍｍであり、該隙間の上下にある電極枠の隙間が２〜５ｍｍである請求項１の電解部構造体。
【請求項４】
下方電極枠の陰極面と同一面となる隙間の下端が面取りをされてなることを特徴とする請求項１の電解部構造体。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本考案は、電解浴中に浸漬あるいは設置して電解により、陽極からガスを陰極から溶融金属を得るための複極型電解槽用電解部構造体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】高温溶融金属塩から電解により陽極からはガスを陰極からは溶融金属を得る電解槽では、電極部分は完全に融体中に浸漬してしまうことが必要になる。つまり高温溶融塩では溶融塩融体それ自身は加熱されあるいは融体中の良好な熱伝導並びに対流により、高温に維持されるが、融体上の気相では熱伝導が悪く、また通常は加熱もされないために融体に接している表面は別として、通常はその温度は低く、電解生成物である金属や電解質そのものが固化してしまう。そのような部分に電極部が出ていると電解により生成した金属が固化してしまい電極間がこのようにして生成した金属でつながってしまい、短絡することがしばしば見られる。これをさけるために電極部分を完全に電解浴中に浸漬する必要がある。一方電解部を小型化し、さらに電解槽を小型化して過剰な熱放散を防ぎ、消費エネルギーを低減するには、小型化でき、構造も簡単になる複極式電解槽が望ましく、その場合には漏洩電流を如何に小さくするかが関心事であった。さらに高温溶融塩電解では電極間に隔膜を入れることがほとんどできず、陽極生成物と陰極生成物が会合することによる逆反応での効率の低下が起こることがしばしば見られる。これを防ぐにはある程度大きな電極間距離を設けることが必要であった。大きな電極間距離は、通常電圧が大きくなり消費電力を大きくするという問題点はあるものの、高温に保持するようにヒータなどを使用する必要性からは、必ずしも問題ではなく、また必ずしも莫大な消費電力の増大をもたらすという結果にはならないので、実質的には電力消費と電流効率を考慮した電極間距離が必要である。【０００３】このように、複極式電解部を液中に浸漬して使用する、更にそこでは電極間距離は出来るだけ大きくすることが必要であり、それは溶融塩電解の場合は必ずしも不利にはならないが、一方このような条件での最も大きな問題は電極間をとばして電流が生じる、いわゆる漏洩電流であり、大きな効率低下につながるという問題があった。これを如何に小さくするかが従来からの課題であった。このために本考案者らは特許文献１で、複極式電解槽の電極部の上下に電流流路を規制するための電極枠を設ける様にした。また特許文献２では漏洩電流が電解槽に供給される最大電圧によっていることから、電極配置を複極電解部の数を減らして複極の単位を多数作り、それらを並列に接続することで総電圧を低くすることに成功し小型の漏洩電流防止用の電極枠で漏洩電流を小さくすることに成功している。ただこれらにあっても電極間距離が大きくなるとそれに伴い電極枠に設けた電流流路も広がってしまい電極枠の高さを大きくする必要が生じること、また、それを防ぐために電極間距離を小さくすると今度は電解電流効率が低下してしまうという問題を有していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２００７５９号公報
【特許文献２】特開２００８−１１５４５５号公報
【考案の概要】
【考案が解決しようとする課題】
【０００５】本考案では主に高温溶融塩電解用の電解槽に使用する電流効率を高く保持し、しかも漏洩電流を最小とする複極型電解部構造体を提供することを課題とした。
【課題を解決するための手段】
【０００６】本考案は電極面がほぼ垂直となるように片面を陽極とし他面を陰極とする複数の複極電極と電極面が陰極又は陽極のみである複数の端部電極とからなり、これら電極が相互に電極間距離に相当する隙間を持って平行に配置された電極群と該電極群の側面を取り囲む側壁と該電極群の上部に設置され該電極間の各隙間に相当する位置に電極幅と同じ幅で電極間隙間より細く、その隙間の一端が陽極面と同一面となる隙間を有し高さを有する上部電極枠と、該電極群の下部に設置され該電極間の各隙間に相当する位置に電極幅と同じ幅で電極間隙間より細く、その隙間の一端が陰極面と同一面となる隙間を有し高さを有する下部電極枠とからなる、電解部構造体である。これにより、相対面する電極間の距離を陽極及び陰極電解生成物がお互いに会合することによる電流効率の低下を最小とするように広げることができ、しかも陰極生成物は陽極ガスに伴う液流があっても電極より上に上昇するのを防がれ、また陰極生成物の流下に伴う陽極生成物の落下を防いで電流効率の低下を防ぐと共に、漏洩電流が流れるべき流路を十分に狭くすることができ、漏洩電流を最小にすることができた。
更に必要に応じて、陰極生成物である、融体金属が下部に排出されるように、液流に沿った電極枠の下端の面取りをして液流をスムースに下方に落とすようにする。これは下端に角部を有すると溶融金属の表面張力により角部に融体金属がたまってしまい電極枠の隙間を塞いでしまう、或いは短絡につながる可能性があるからで、それを防ぐためである。又融体金属の下方への流れが滞ると陰極表面の金属膜が厚くなってしまい、その部分を通じての漏洩電流が増加する可能性が生じることになるので、それを防ぐためでもある。
【考案の効果】
【０００７】高温溶融金属塩電解では通常陽極で陽極生成物としてガスを発生し、また陰極は融体金属を生成する。当然のことながらガスは陽極面に沿い電解液中にわずかに広がりながら上方に抜けて行き、陰極で生成した金属融体は電解浴より比重が軽く、電解浴中を上方に移動する場合もあるが通常は電極面に沿って下方に落下し、電極下端から液滴となって更に落下する。この陽極発生ガスと陰極生成金属が会合するとそこで反応して再び金属塩となってしまい見かけ上の電流効率の低下となることがある。これを防ぐためには相隣り合う電極間距離を大きくすることが必要である。つまり電解浴、あるいは電解質によって異なるが、たとえば溶融塩化亜鉛電解では３〜５ｍｍより小さくなると電流効率の低下が顕著になるので、５〜１０ｍｍ程度に保持することが望ましい。さらに陽極ガスをできるだけ陽極面から離れないようにするために陽極面を下向きとなるよう、垂直からわずかに傾けることが望ましく、その角度は０〜１０度である。これより大きいとガス抜けが悪くなりガスによる電気抵抗の上昇が起こってしまう。また陰極生成物が電極面に厚く保持される様になり逆効果になることがある。【０００８】一方漏洩電流は電極の上下にある電極枠の隙間とその高さとで出来る部分の液抵抗の大きさによって決まってくるので、如何に液抵抗を大きくするか、つまり電流方向の断面積を小さくし、高さを大きくするかによって決まってくる。またこの場合枠の高さを大きくするには電極とこれらの枠からなる電解部構造体が大きくなり、その結果、電解槽の深さを深くしなければならなくなるので、ここでは断面積を小さくすることが望ましい。つまりガスあるいは融体金属が流れると共に電流の流れる部分の断面積を半分にすれば、枠の高さも半分でよいことになる。また上部電極枠の片面は陽極面と同一とするので、陰極面の上面はひさし状にふさがれることになり、陰極生成物が上昇することは完全に防がれるようになる。また下部電極枠についても同じであり、陽極ガスは電極枠よりも下部に行くことはなくなって電流効率をより高く保持することができる。これらによって、電極間の隙間、並びに電極枠の隙間は電解条件電解浴によってその最適な条件は異なるが、塩化亜鉛の直接電解では、電極間距離は５ｍｍ以上が望ましく、電極枠はガス抜けを考えると２〜３ｍｍが望ましいことがわかった。【０００９】融体金属を通して電流が漏洩する可能性があるが、それについては融体金属の下方への落下を促すように下部電極枠の陰極面側の下端の面取りを行う。或いは丸く削ることにより、融体金属の下方流れがスムースとなり、融体金属膜をより薄くすることによって防ぐことの出来る事が分かった。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】電解部構造体の立面断面図であり、図３のａ−ａ’断面図である。
【図２】電解部構造体の立面断面図であり、電極枠下部の面取りをした場合の図３のａ−ａ’断面図である。
【図３】電解部構造体の平面図である。
【図４】本願実施の電解部構造体の態様図の例である。
【考案を実施するための形態】
【００１１】本考案について図１〜図４で説明する。つまりここでは電極群としているが、通電部分を有する陽極あるいは陰極のみの電極面を有する端部電極１と片面が陽極・片面が陰極として使用される複極電極２からなりそれが電極間距離の隙間を開けて面が平行になるように並び電極群を構成する。端部電極は図４に示すように電極群端部のみではなく中間に置くこともでき、機能上これも端部電極としている。図４は二つの複極電解のユニットが二つ並列に接続された構造を示した。なおここでは電極は垂直面から傾いておかれているが垂直であっても差し支えない。電極の上部には上部電極枠３が電極隙間に相当する部分に隙間６を有して取り付けられる。なお該電極枠の隙間の一端は陽極面と同一の面上となる。また下部電極枠４についても同様であり、下部に端面が陰極面と同一面となるように開けられた隙間を有する下部電極枠を有する。またこれらの電極群の周囲は側壁５によって囲まれている。以下実施例によって説明する。
【実施例】
【００１２】図４に示す様に配置された電極群を有する電解部構造体を組んだ。つまり３つの端部電極を有し、中央を陰極とし両端を陽極となるように配置した。電極は垂直に対して陽極面が下向きとなるように５度傾けた。この側面を側壁として厚さ１０ｍｍの多孔質ジルコニアにジルコニアセメントを含浸した成形体で取り囲んだ。この側壁は複極電極２を保持するための溝を有するものであり、端部電極に窒化ケイ素製のボルトにより固定された。側壁は電極群側方全体を覆うようにした。なお電極材質として高密度グラファイトに樹脂を含浸し、更に加熱処理を行って密度を特に高くしたグラファイト質炭素を使用した。ここでは複極５枚を一対として二対からなり片側６電解単位、合計１２の電解単位からなる。電極間距離を１０ｍｍとし上部及び下部の電極枠の高さをそれぞれ２０ｍｍとし、電極枠部分の隙間を３ｍｍとした。この様にして構成した電解部構造体を電解浴槽内に浸漬して、５５０℃の塩化亜鉛融体を電解液として電解を行ったところ、電流密度４０００Ａ／ｍ２において発生塩素によって計測した見かけ電流効率は９６％であり、十分な漏洩電流の防止ができていることがわかった。ここで電極距離と電極枠隙間を同じとした場合は見かけ電流効率が８４％であり、大きな漏洩電流があるものと推定された。
【産業上の利用可能性】
【００１３】今後大きな拡大が見込めるソーラーセル用の超高純度シリコンの製造用として注目されている亜鉛還元法では亜鉛を還元剤として使用し亜鉛は塩化亜鉛となるが、その亜鉛のリサイクルは必須であり、リサイクルは通常の化学法では不可能であるためにすべて電解で行う必要がある。それに使用する電解用として今後きわめて大きな利用が行われると考えられる。
【符号の説明】
【００１４】１  端部電極
２  複極電極
３  上部電極枠
４  下部電極枠
５  側壁
６  電極枠隙間
７  電解電源・陰極
８  電解電源・陽極
【図１】
0003158996.tif 000003
【図２】
0003158996.tif 000004
【図３】
0003158996.tif 000005
【図４】
0003158996.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成22年2月12日(2010.2.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】実用新案登録請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
電極面が電解液面に対してほぼ垂直となるように配置された、片面を陽極とし他面を陰極とする複数の複極電極と電極面が陰極又は陽極のみである複数の端部電極とからなり、これら電極が相互に電極間距離に相当する隙間を持って平行に配置された電極群と該電極群の側面を取り囲む側壁と該電極群の上部に設置され該電極間の各隙間に相当する位置に電極幅と同じ幅で電極間隙間より細く、その隙間の一端が陽極面と同一面となる隙間を有し高さを有する上部電極枠と、該電極群の下部に設置され該電極間の各隙間に相当する位置に電極幅と同じ幅で電極間隙間より細く、その隙間の一端が陰極面と同一面となる隙間を有し高さを有する下部電極枠とからなる、電解部構造体。
【請求項２】
電極面が陽極面を下向きとなるように電解液面に対して９０〜８０度の角度に配置されてなることを特徴とする請求項１の電解部構造体。
【請求項３】
前記電極間距離に相当する隙間が５〜１０ｍｍであり、該隙間の上下にある電極枠の隙間が２〜５ｍｍである請求項１の電解部構造体。
【請求項４】
下部電極枠の陰極面と同一面となる隙間の下端が面取りをされてなることを特徴とする請求項１の電解部構造体。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】本考案は電極面が電解液面に対してほぼ垂直となるように配置された、片面を陽極とし他面を陰極とする複数の複極電極と電極面が陰極又は陽極のみである複数の端部電極とからなり、これら電極が相互に電極間距離に相当する隙間を持って平行に配置された電極群と該電極群の側面を取り囲む側壁と該電極群の上部に設置され該電極間の各隙間に相当する位置に電極幅と同じ幅で電極間隙間より細く、その隙間の一端が陽極面と同一面となる隙間を有し高さを有する上部電極枠と、該電極群の下部に設置され該電極間の各隙間に相当する位置に電極幅と同じ幅で電極間隙間より細く、その隙間の一端が陰極面と同一面となる隙間を有し高さを有する下部電極枠とからなる、電解部構造体である。これにより、相対面する電極間の距離を陽極及び陰極電解生成物がお互いに会合することによる電流効率の低下を最小とするように広げることができ、しかも陰極生成物は陽極ガスに伴う液流があっても電極より上に上昇するのを防がれ、また陰極生成物の流下に伴う陽極生成物の落下を防いで電流効率の低下を防ぐと共に、漏洩電流が流れるべき流路を十分に狭くすることができ、漏洩電流を最小にすることができた。