(57)【要約】【課題】バイポーラ電極を備える電極構造において、電極間での損耗の差を小さくする。【解決手段】陽極２と陰極３との間にバイポーラ電極４を介在させた電極構造において、前記バイポーラ電極４の内部抵抗が、前記陽極２および陰極３のうち、バイポーラ電極４と同材質の電極の内部抵抗より大きくする。電極が基板に導電性ダイヤモンド膜を形成したものである場合、バイポーラ電極における基板または導電性ダイヤモンド膜もしくは両者の内部抵抗を大きくする。バイポーラ電極の電極抵抗と、該電極と同材質の電極の電極抵抗の差が小さくなり、両電極の経時的な電極損耗の差が小さくなるので電極交換頻度を少なくして作業負担を小さくできる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
陽極と陰極との間にバイポーラ電極を介在させた電極構造において、
前記バイポーラ電極の内部抵抗が、前記陽極および陰極のうち、前記バイポーラ電極と同材質の電極の内部抵抗より大きくされていることを特徴とする電極構造。
【請求項２】
前記バイポーラ電極と、前記陽極および陰極のうち該バイポーラ電極と同材質の電極とが導電性ダイヤモンド電極であることを特徴とする請求項１記載の電極構造。
【請求項３】
前記導電性ダイヤモンド電極が自立型導電性ダイヤモンドまたは基板に導電性ダイヤモンド膜を形成したものであることを特徴とする請求項１または２に記載の電極構造。
【請求項４】
導電性ダイヤモンド電極からなる前記バイポーラ電極は、前記陽極および陰極のうち導電性ダイヤモンド電極からなる電極より導電性ダイヤモンドの内部抵抗を大きくしていることを特徴とする請求項２または３に記載の電極構造。
【請求項５】
導電性ダイヤモンド電極からなる前記バイポーラ電極は、前記陽極および陰極のうち導電性ダイヤモンド電極からなる電極より基板の内部抵抗を大きくしていることを特徴とする請求項３または４に記載の電極構造。
【請求項６】
前記バイポーラ電極の内部抵抗が、前記陽極および陰極のうち、前記バイポーラ電極と同材質の電極の接触抵抗を含む電極抵抗と略同等にされていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の電極構造。
【請求項７】
硫酸を電解する電解装置に備えるものであることを特徴する請求項１〜６のいずれかに記載の電極構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、陽極と陰極との間にバイポーラ電極を介在させて、溶液の電解などに利用される電極構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電解に用いる電解装置では、配線の簡素化、電流効率の向上などの観点からバイポーラ電極を用いたものが知られている。バイポーラ電極は、陽極と陰極との間に陽極と陰極に平行になるように１枚又は複数枚を配置するものであり、陽極、陰極に通電することで電源に接続することなく分極が生じて電解に寄与することができるものである。また、陽極、陰極、バイポーラ電極に用いる電極材料としては白金、酸化鉛、酸化すずといった種々のものが知られており、さらには、腐食性のある電解液や酸化性の強い電解液に対しても安定性の高い導電性ダイヤモンド電極が知られている（例えば特許文献１参照）。導電性ダイヤモンド電極は、ダイヤモンドにホウ素や窒素をドープすることによって導電性を与えたものであり、基板上に導電性ダイヤモンドを形成した後に基板を取り除いた自立型や、シリコンなどの基板に導電性ダイヤモンド膜を形成したものが用いられている。
【特許文献１】特開２００４−２３７１６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記のように、導電性ダイヤモンド電極は、化学的に安定したものと知られているが、酸化力の強い硫酸の電解などに用いると、経時的に損耗することが分かってきているが、発明者らは新たに以下の現象を明らかにした。まず溶液の温度が高いほど導電性ダイヤモンドの損耗が少ない。さらに、陽極、陰極とバイポーラ電極に同じ材質の導電性ダイヤモンド電極を用いたものでは、バイポーラ電極での損耗が陽極や陰極よりも早期に進行する。
【０００４】
これらの原因は、必ずしも明確ではないが、電極面での温度差が電極の損耗に影響を与えていると考えられる。そして、バイポーラ電極での損耗が、両端の陽極、陰極よりも早く進行するのも、電極面の温度差にあり、その要因は電極抵抗にあると考えられる。電極材の組成が同等であれば、陽極、陰極、バイポーラ電極のいずれにあっても内部抵抗は同等になる。しかし、両端にある陽極および陰極には、集電体を接続して電源からの通電を行うことが必要であり、この集電体の接続による接触抵抗が生じる。この接触抵抗は、通常、内部抵抗に比べて遙かに大きい。このため、電極における接触抵抗と内部抵抗を含む電極抵抗が、陽極、陰極については、バイポーラ電極よりも明らかに大きくなる。このため通電に際しては、ジュール熱によって、陽極、陰極の電極面温度がバイポーラ電極のそれよりも高くなり、結果的に陽極、陰極での損耗がバイポーラ電極の損耗よりも小さくなっていると推定される。
【０００５】
ところで、陽極、陰極およびバイポーラ電極は、通常は電解セルに組み込んで使用され、そのうちのいずれかの電極が早期に損耗すると電解セル全体における電解効率が低下するため、損耗の小さい電極があるにも拘わらず電極の交換や電解セル毎の交換が必要になり、作業負担やコストが増大するという問題がある。
【０００６】
この発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、同種材料の電極を含む電極構造において、電極材同士の損耗のばらつきを小さくして、電極の交換頻度を少なくすることができる電極構造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】
【０００７】
すなわち、本発明の電極構造のうち、第１の本発明は、陽極と陰極との間にバイポーラ電極を介在させた電極構造において、前記バイポーラ電極の内部抵抗が、前記陽極および陰極のうち、前記バイポーラ電極と同材質の電極の内部抵抗より大きくされていることを特徴とする。
【０００８】
第２の本発明の電極構造は、前記第１の本発明において、前記バイポーラ電極と、前記陽極および陰極のうち該バイポーラ電極と同材質の電極とが導電性ダイヤモンド電極であることを特徴とする。
【０００９】
第３の本発明の電極構造は、前記第１または第２の本発明において、前記導電性ダイヤモンド電極が自立型導電性ダイヤモンドまたは基板に導電性ダイヤモンド膜を形成したものであることを特徴とする。
【００１０】
第４の本発明の電極構造は、前記第２または第３の本発明において、導電性ダイヤモンド電極からなる前記バイポーラ電極は、前記陽極および陰極のうち導電性ダイヤモンド電極からなる電極より導電性ダイヤモンドの内部抵抗を大きくしていることを特徴とする。
【００１１】
第５の本発明の電極構造は、前記第３または第４の本発明において、導電性ダイヤモンド電極からなる前記バイポーラ電極は、前記陽極および陰極のうち導電性ダイヤモンド電極からなる電極より基板の内部抵抗を大きくしていることを特徴とする。
【００１２】
第６の本発明の電極構造は、前記第１〜第５の本発明のいずれかにおいて、前記バイポーラ電極の内部抵抗が、前記陽極および陰極のうち、前記バイポーラ電極と同材質の電極の接触抵抗を含む電極抵抗と略同等にされていることを特徴とする。
【００１３】
第７の本発明の電極構造は、前記第１〜第６の本発明のいずれかにおいて、硫酸を電解する電解装置に備えるものであることを特徴する。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように、本発明の電極構造によれば、陽極と陰極との間にバイポーラ電極を介在させた電極構造において、前記バイポーラ電極の内部抵抗が、前記陽極および陰極のうち、前記バイポーラ電極と同材質の電極の内部抵抗より大きくされているので、バイポーラ電極の電極抵抗と、該電極と同材質の電極の電極抵抗の差が小さくなる。これにより両電極の経時的な電極損耗の差が小さくなるので電極交換頻度を少なくして作業負担を小さくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に、本発明の一実施形態を説明する。
図１は、ダイヤモンド電極で構成される陽極２、陰極３、バイポーラ電極４…４を備える硫酸電解用の電解セル１を示すものであり、それぞれの電極は図１（ｂ）に示すようにＳｉなどによって構成される基板１０の両面にダイヤモンド薄膜１１を形成したものであり、ダイヤモンド薄膜１１には、ホウ素や窒素などが所定の濃度でドープされている。
【００１６】
ダイヤモンド電極の製造は、既知の方法により行うことができるが、この発明では、バイポーラ電極４の内部抵抗を、陽極２、陰極３の内部抵抗よりも大きくしている。この実施形態で、電極の内部抵抗を大きくするためには、基板１０の内部抵抗を大きくするか、ダイヤモンド薄膜１１の内部抵抗を大きくするか、もしくは両者ともに内部抵抗を大きくすればよい。
シリコン基板の内部抵抗、ダイヤモンド薄膜の抵抗率は、それぞれドープする元素の濃度によって調整することができる。
【００１７】
ダイヤモンド電極の製造工程は、本発明としては特に限定されるものではなく、例えば基板を一方向凝固や引き上げ法によって製造することができ、製造過程で不純物元素を添加して内部抵抗を調整することができる。
ダイヤモンド薄膜については、ＣＶＤなどによる成膜によって基板上にダイヤモンド薄膜を形成することができ、その際に不純物イオン量を調整しつつ導入することで、ダイヤモンド薄膜の内部抵抗を調整することができる。また、ダイヤモンド電極は、基板上にダイヤモンド膜を生成した後、基板を取り去ることで自立型のダイヤモンド電極とするものであってもよい。
【００１８】
上記のように内部抵抗を調整したダイヤモンド電極のうち、内部抵抗が低いものを陽極２、陰極３として集電体５、５と接触させるようにして電解セルの両端に設置し、これら陽極２、陰極３の間に所定枚数のバイポーラ電極４…４を配置する。このときのバイポーラ電極の枚数は任意に設定することができる。なお、集電体５、５は、陽極２、陰極３に対する接触抵抗を小さくするように、コイルスプリングなど（図示しない）によって電極側に付勢する。集電体５、５には、図示しない電源を接続して通電可能にする。
【００１９】
上記電解セル１は、各電極が電解液に浸漬している状態にすることで、通電に際し、バイポーラ電極４が分極して各電極での電解が可能になり、硫酸が電解されて過硫酸が生成される。なお、電解セル１は、流体入口１ａ、流体出口１ｂを設けて電解液を通液することも可能である。
【００２０】
上記電解セル１では、陽極２、陰極３は、内部抵抗、接触抵抗を含めた高い電極抵抗を有している。一方、バイポーラ電極４…４では接触抵抗を有しないが、内部抵抗を高くしているため、陽極２、陰極３との電極抵抗の差が小さくなっている。理想的には略同等の電極抵抗が望ましい。各電極では、通電によってジュール熱が生じており、各電極の内部抵抗が同等である従来の電極構造では、陽極２、陰極３での電極面温度は、バイポーラ電極４の電極面温度に対し明らかに高くなる。これに比べて、本実施形態では各電極での電極抵抗の差が小さくなっており、したがって、陽極２、陰極３の電極面温度とバイポーラ電極４の電極面温度との差は小さくなる。これにより陽極２、陰極３の経時的な損耗と、バイポーラ電極４の経時的な損耗の差が小さくなり、電極の交換頻度を抑えることができ、作業負担が小さくなる。
【００２１】
なお、上記実施形態では、陽極、陰極ともに導電性ダイヤモンド電極として説明をしたが、例えば陰極などの一方の電極がダイヤモンド電極以外の電極材料で構成されているものであってもよい。また、この実施形態では、損耗が生じる電極材料として導電性ダイヤモンドを説明したが、これ以外に、経時的な損耗が問題になる電極材料で構成される電極構造においても同様に本願発明を適用することが可能である。
また、上記実施形態では、硫酸の電解を行うものとして説明をしたが、本発明としてはこれに限定をされるものではなく、炭酸、酢酸、ホウ酸、などの弱酸にも適用が可能である。なお上記には無隔模式の電解セルについてのみ説明しているが、本発明はこれに限定されず、隔模式の電解セルについても適用される。
【実施例】
【００２２】
以下に、本発明の実施例および比較例について説明する。
［比較例１］
内部抵抗０．０４Ωのダイヤモンド電極を陽極、陰極、バイポーラ電極として電解セルに組み込んだ。バイポーラ電極は３枚とした。
この電解セル内に硫酸濃度８５ｗｔ％、電解セル入口温度４０℃の硫酸溶液を流入し、電流密度５０Ａ／ｄｍ２で連続５０時間通電したところ、陽極、陰極のダイヤモンド電極には損耗は見られなかったが、バイポーラ電極には４μｍの損耗が見られた。
【００２３】
［比較例２］
内部抵抗０．０４Ωのダイヤモンド電極を陽極、陰極、バイポーラ電極として、電解セルに組み込んだ。バイポーラ電極は３枚とした。
この電解セル内に硫酸濃度８５ｗｔ％、電解セル入口温度３０℃の硫酸溶液を流入し、電流密度５０Ａ／ｄｍ２で連続５０時間通電したところ、陰極のダイヤモンド電極には損耗は見られなかったが、陽極のダイヤモンド電極には３μｍの損耗が、バイポーラ電極のダイヤモンド電極には７μｍの損耗が見られた。比較例１と比べ、電極面温度が下がったために、より大きな損耗に繋がったことが示された。
【００２４】
［実施例１］
内部抵抗０．０４Ωのダイヤモンド電極を陽極及び陰極として電解セルに組み込んだ。このとき接触抵抗は０．１４Ωであった。また、導電性ダイヤモンド薄膜の内部抵抗を高め、電極全体の内部抵抗を０．０８Ωに調整したダイヤモンド電極をバイポーラ電極として３枚電解セルに組み込んだ。これにより電解セル内の各電極の電極抵抗を近づけるように調整した。
この電解セル内に硫酸濃度８５ｗｔ％、電解セル入口温度４０℃の硫酸溶液を流入し、電流密度５０Ａ／ｄｍ２で連続５０時間通電したところ、陽極、陰極のダイヤモンド電極には損耗は見られなかったが、バイポーラ電極には損耗が見られた。ただし損耗を１μｍに軽減することができた。
【００２５】
［実施例２］
内部抵抗０．０４Ωのダイヤモンド電極を陽極及び陰極として電解セルに組み込んだ。このとき接触抵抗は０．１４Ωであった。また、基板の内部抵抗を高め、電極全体の内部抵抗を０．１４Ωに調整したダイヤモンド電極をバイポーラ電極として３枚電解セルに組み込んだ。これにより電解セル内の各電極の電極抵抗を近づけるように調整した。
この電解セル内に硫酸濃度８５ｗｔ％、電解セル入口温度４０℃の硫酸溶液を流入し、電流密度５０Ａ／ｄｍ２で連続５０時間通電したところ、陽極、陰極のダイヤモンド電極には損耗は見られなかったが、バイポーラ電極には損耗が見られた。ただし損耗を０．５μｍに軽減することができた。
【００２６】
［実施例３］
内部抵抗０．０４Ωのダイヤモンド電極を陽極及び陰極として電解セルに組み込んだ。このとき接触抵抗は０．１４Ωであった。また、導電性ダイヤモンド薄膜の内部抵抗および基板の内部抵抗を高め、電極全体の内部抵抗を０．１８Ωに調整したダイヤモンド電極をバイポーラ電極として３枚電解セルに組み込んだ。これにより電解セル内の各電極の電極抵抗が同等となるように調整した。
この電解セル内に硫酸濃度８５ｗｔ％、電解セル入口温度４０℃の硫酸溶液を流入し、電流密度５０Ａ／ｄｍ２で連続５０時間通電したところ、陽極、陰極、パイポーラ電極いずれのダイヤモンド電極にも損耗は見られなかった。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施形態における電極構造を示すものである。
【符号の説明】
【００２８】
１    電解セル
２    陽極
３    陰極
４    バイポーラ電極
５    集電体
【図１】
2009242898.tif 000003