JP2008081786A - 電解装置の電極構造、電解装置、および金属精錬方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電極部材に電力を供給するための金属製の通電部材の腐食を防止できる電解装置の電極構造、電解装置、および金属精錬方法を提供する。
【解決手段】電解装置は、電気分解によって金属塩化物から金属を取り出すための装置である。電解装置は、電極構造体を備える。電極構造体は、隙間をあけて並置された複数の電極板７と、複数の電極板７の両端の電極と電気的に接続されて電力を供給する金属製の一対の通電棒１１と、通電棒１１のそれぞれに設けられ、対応する通電棒１１を覆うセラミックス製の複数の保護管１３とを備える。保護管１３と通電棒１１との間には隙間２１があいており、保護管１３は、希ガス等の気体Ｘを隙間２１に取り入れるための導入口１３ｂを有する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、電解装置の電極構造および金属精錬方法に関するものである。

金属塩化物を電解するための装置としては、例えば特許文献１に記載された電解装置がある。この電解装置は、直立的に置かれた少なくとも一組の陽極および陰極を備えており、これらの電極には軟鋼製の通電体が取り付けられている。
特開２００５−２００７５９号公報

金属塩化物を電気分解するための電解装置において、電極部材に電力を供給するための通電部材としては一般的に金属製のものが使用される。しかし、金属塩化物を電気分解すると塩素ガスが発生する。そして、金属製の通電部材は塩素ガスによって腐食し易い。このため、従来の電解装置においては、通電部材を頻繁に取り替える必要があった。

本発明は、上記した問題点を鑑みてなされたものであり、電極部材に電力を供給するための金属製の通電部材の腐食を防止できる電解装置の電極構造、電解装置、および金属精錬方法を提供することを目的とする。

上記した課題を解決するために、本発明による電解装置の電極構造は、電気分解によって金属塩化物から金属を取り出すための電解装置の電極構造であって、隙間をあけて並置された複数の電極部材と、複数の電極部材の両端の電極と電気的に接続されて電力を供給する金属製の一対の通電棒と、一対の通電棒のそれぞれに設けられ、対応する通電棒を覆うセラミックス製の複数の保護管とを備え、保護管と通電棒との間には隙間があいており、保護管が、所定の気体を保護管と通電棒との隙間に取り入れるための導入口を有することを特徴とする。

この電解装置の電極構造においては、金属製の通電棒がセラミックス製の保護管によって覆われている。セラミックスは塩素ガスに対する耐食性が極めて高いので、この電極構造によれば、塩素ガスから通電棒を好適に保護できる。また、金属塩化物を電気分解する際には金属塩化物を溶融させるため高温（例えば５００℃以上）に保つ必要があるが、セラミックス製の保護管と金属製の通電棒とを密着させずに隙間を設けることにより、互いの熱膨張率の差を好適に吸収できる。また、保護管と通電棒との隙間に導入口から所定の気体を取り入れることにより、この隙間を陽圧に保って塩素ガスの侵入を確実に防ぐことができる。このように、上記した電解装置の電極構造によれば、塩素ガスから通電棒を確実に保護し、通電棒の腐食を防止できる。

また、電解装置の電極構造は、保護管の電極部材側の端部が電極部材に気密に固定されていることを特徴としてもよい。これにより、保護管と通電棒との隙間への塩素ガスの侵入をより確実に防ぐことができる。

また、本発明による電解装置は、電気分解によって金属塩化物から金属を取り出すための電解装置であって、溶融した金属塩化物を収容するための電解槽と、電解槽に設置されて金属塩化物を電解するための上記した何れかの電極構造と、電解槽を加熱して金属塩化物の溶融状態を維持するための熱源とを備えることを特徴とする。この電解装置によれば、上記した何れかの電極構造を備えることによって、塩素ガスから通電棒を確実に保護し、通電棒の腐食を防止できる。

また、本発明による金属精錬方法は、上記した何れかの電解装置の電極構造、または上記電解装置を用いた金属精錬方法であって、溶融した金属塩化物中に複数の電極部材を浸し、保護管の導入口から保護管と通電棒との隙間へ所定の気体を導入しつつ、複数の電極部材に電位差を与えて金属塩化物を電解することにより金属塩化物を金属と塩素とに分離することを特徴とする。この金属精錬方法によれば、上記した何れかの電解装置の電極構造、または上記電解装置を用いることによって、塩素ガスから通電棒を確実に保護し、通電棒の腐食を防止できる。

また、金属精錬方法は、所定の気体が、金属塩化物、通電棒、保護管及び生成された金属の何れとも反応しない気体であることを特徴としてもよい。これにより、金属塩化物の電気分解を妨げることなく、また、通電棒及び保護管を腐食させることなく、保護管と通電棒との隙間を陽圧に保つことができる。この場合、所定の気体は、窒素及び希ガスのうち少なくとも一方を含むことが好ましい。

本発明による電解装置の電極構造、電解装置、および金属精錬方法によれば、電極部材に電力を供給するための金属製の通電部材の腐食を防止できる。

以下、添付図面を参照しながら本発明による電解装置の電極構造、電解装置、および金属精錬方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明による電解装置の一実施形態を示す側面断面図である。本実施形態の電解装置１は、例えば塩化亜鉛（ＺｎＣｌ_２）などの金属塩化物を電気分解して純金属を取り出すための装置である。図１を参照すると、電解装置１は、本体部３及び電極構造体５を備える。

本体部３は、例えば炭素（カーボン）等の耐熱性材料からなり、溶融した金属塩化物を収容するとともに該金属塩化物を電解するための電解槽３１と、溶融した金属塩化物を導入する導入管３２と、生成された塩素ガスを排出する塩素排出管３３と、生成された純金属を排出する金属排出管３４と、電解槽３１の内部を加熱するための熱源であるヒータ３５とを有する。電解槽３１の上方には空間３６が設けられ、該空間３６の水平方向の一端に導入管３２が配置され、他端に塩素排出管３３が配置されている。導入管３２から導入された金属塩化物の融液は、電解槽３１へ導かれる。また、電解槽３１において発生した塩素ガスは、空間３６を通って塩素排出管３３から排出される。金属排出管３４は電解槽３１の底部に連結されており、電解槽３１の底部に堆積した純金属は、この金属排出管３４から取り出される。

電極構造体５は、複数の電極板７を有する。複数の電極板７は、本実施形態における電極部材であり、隙間をあけて板厚方向に並置され、該板厚方向を水平方向として電解槽３１内に配置されている。複数の電極板７は、例えば高純度炭素材料といった、高温に強く塩素に対し耐食性を有する導電性物質からなり、水平方向に延設された一または複数の棒状部材９によって貫通され、相互の位置関係が保持されている。

また、電極構造体５の両端の電極板７は、通電棒１１と、保護管１３とを更に有する。通電棒１１は、金属製（例えば鉄やステンレス等）の棒状部材であり、電解装置１の外部へ延びている。また、保護管１３は、セラミックス製の筒状部材であり、通電棒１１に対応して各々設けられている。なお、保護管１３に用いられるセラミックスとしては、例えばアルミナ（酸化アルミニウム、Ａｌ_２Ｏ_３）、スピネル、ムライト（ｘＡｌ_２Ｏ_３（１−ｘ）ＳｉＯ_２、ｘは混合比）、マグネシア（酸化マグネシウム、ＭｇＯ）等が好適である。

一対（一本の正極と一本の負極との組み合わせ）の通電棒１１の一端は、両端の電極板７のそれぞれに取り付けられ、電気的に接続されている。具体的には、水平方向の一端に位置する電極板７には通電棒１１を介して所定の正電圧が印加され、この電極板７は陽極１５として機能する。また、水平方向の他端に位置する電極板７には通電棒１１を介して所定の負電圧が印加され、この電極板７は陰極１７として機能する。これら陽極１５および陰極１７の間に配置された電極板７には、溶融した金属塩化物を介して、上記した正電圧および負電圧の間で電位勾配が与えられ、これらの電極板７はそれぞれ中間電極１９として機能する。なお、陽極１５と陰極１７との間の電位差は、例えば５Ｖ程度である。また、隣り合う各電極間を流れる電流は、例えば電解面積１ｍ^２あたり８０００Ａ程度である。ここでいう電解面積とは、例えば図１のように各電極板７の極間が６つ存在する場合、各電極板７の一方の板面積の６倍となる。

ここで、図２は、本実施形態の電極板７、通電棒１１、および保護管１３の構成を拡大して示す側面断面図である。図２に示すように、通電棒１１は、通電棒１１の長手方向Ａと交差する電極板７の表面（上面７ａ）に取り付けられており、通電棒１１の一端部１１ａは電極板７の上面７ａに形成されたネジ穴７ｂに螺合して電極板７に固定されている。また、保護管１３は、対応する通電棒１１のうち少なくとも電解槽３１及び空間３６に配置される部分（但し、電極板７に螺合している部分を除く）を覆うように、通電棒１１の周囲に隙間２１をあけて配置されている。保護管１３における電極板７側の一端部１３ａは、電極板７の上面７ａに形成された凹部７ｃに挿入されている。そして、この凹部７ｃの側壁と保護管１３の外周面との隙間は、アルミナ等のセラミックス材料を主に含む接合剤（パテ）２３によって気密に封止され、これにより保護管１３の一端部１３ａと電極板７とが互いに固定されている。また、保護管１３の他端部には、所定の気体Ｘを隙間２１に取り入れるための導入口１３ｂが設けられている。なお、保護管１３の他端側における保護管１３と通電棒１１との境界部分１４は、保護管１３と通電棒１１とが互いに密着するか、或いは図示しない接着剤や充填剤（セラミックスセメントなど）が間に設けられることによって気密に封止されるとよい。

所定の気体Ｘは、通電棒及び保護管１３の何れとも反応しない気体である。さらに、所定の気体Ｘは、電解装置１において電気分解の対象となる金属塩化物、通電棒１１、保護管１３及び電解槽３１において生成される金属の何れとも反応しない気体であることが好ましい。このような気体Ｘとしては、例えば、ヘリウム、アルゴン、及びネオン等の不活性ガス（希ガス）や、窒素ガスなどが好適である。

以上の構成を備える電解装置１を用いた金属精錬方法について、図３を参照しつつ説明する。図３は、本実施形態による金属精錬方法を示すフローチャートである。なお、以下の説明では金属塩化物として塩化亜鉛を例示しているが、本実施形態の電解装置１および金属精錬方法は、塩化亜鉛以外の金属塩化物の電解にも好適に用いられる。

まず、溶融した塩化亜鉛を導入管３２を介して電解装置１の内部へ導入し、電解槽３１に取り込む（ステップＳ１）。電解槽３１内はヒータ３５によって例えば５００℃以上の高温に保たれるので、塩化亜鉛は溶融状態のまま維持される。また、電解槽３１の内部には複数の電極板７が配置されており、溶融した塩化亜鉛中に複数の電極板７が浸される。そして、保護管１３の導入口１３ｂから隙間２１へ気体Ｘを導入しつつ（ステップＳ２）、所定の電位差を両端の電極板７に与える（ステップＳ３）。これにより、隣り合う電極板７同士の対向する面（電解面）を介して塩化亜鉛中に電流が流れ、塩化亜鉛が塩素と純亜鉛とに電気分解される（ステップＳ４）。こうして生成された純亜鉛は、塩化亜鉛より比重が大きいので電解槽３１の底部に堆積し、金属排出管３４から取り出される（ステップＳ５）。また、生成された塩素は、気体となって電解槽３１の上方へ移動し、塩素排出管３３を介して電解装置１の外部へ排出される。

以上に説明した本実施形態による電解装置１の電極構造、電解装置１、および金属精錬方法の効果について説明する。前述したように、金属塩化物を電気分解するための電解装置においては、電極板に電力を供給するための通電棒として一般的に金属部材が使用される。しかし、金属は塩素ガスによって腐食し易いので、従来の電解装置においては通電棒を頻繁に取り替える必要があった。このような課題に対し、例えばグラファイトといった耐熱・耐食性が高い導電性材料によって通電棒を構成することも考えられるが、このような物質は金属と比較して電気抵抗率が高く、電力効率が低下してしまう。また、電極板に十分な電力を供給するために断面積を大きくして抵抗値を下げることもできるが、現実的ではない。また、金属製の通電棒の表面にセラミックス膜などの耐熱・耐食性が高い絶縁被膜を設けることも考えられるが、金属とセラミックスとでは熱膨張率の差が大きく、５００℃以上といった高温になる電解槽内では被膜の割れにより信頼性が不足してしまう。

本実施形態の電解装置１および金属精錬方法においては、金属製の通電棒１１をセラミックス製の保護管１３により覆っている。セラミックスは塩素ガスに対する耐食性が極めて高いので、この構成によって、塩素ガスから通電棒１１を好適に保護できる。また、セラミックス製の保護管１３と金属製の通電棒１１とを密着させずに隙間２１を設けることにより、互いの熱膨張率の差を好適に吸収できるので、信頼性を高め実用に供することができる。また、保護管１３と通電棒１１との隙間２１に導入口１３ｂから気体Ｘを取り入れることにより、この隙間２１を陽圧に保って塩素ガスの侵入を確実に防ぐことができる。従って、本実施形態の電解装置１および金属精錬方法によれば、塩素ガスから通電棒１１を確実に保護し、通電棒１１の腐食を防止できる。

また、本実施形態の電解装置１によれば、保護管１３と通電棒１１との隙間２１を陽圧に保つことにより、この隙間２１を通って塩素ガスが外部へ漏出することも好適に防止できる。

また、本実施形態のように、保護管１３の一端部１３ａは、電極板７に気密に固定されていることが好ましい。これにより、隙間２１への塩素ガスの侵入をより確実に防ぐことができる。なお、一端部１３ａを電極板７に気密に固定する方式としては、本実施形態のようにセラミック製の接合剤（パテ）２３を用いる方式の他にも、例えば一端部１３ａと電極板７とを密着させる方式でもよい。また、隙間２１の内部は陽圧に保たれているので気密でなくとも上記効果を得ることはできるが、溶融した金属塩化物中に気体Ｘが過度に漏れ出すと、その泡沫によって金属塩化物が飛散して塩素排出管３３が閉塞し易くなると同時に、飛散した金属塩化物が無駄になる。従って、保護管１３の一端部１３ａは、電極板７に気密に固定されていることが好ましい。

また、本実施形態のように、気体Ｘは、金属塩化物、通電棒１１、及び生成された金属の何れとも反応しない気体（希ガスや窒素など）であることが好ましい。これにより、金属塩化物の電気分解を妨げることなく、また、通電棒１１を腐食させることなく、隙間２１を陽圧に保つことができる。

なお、本実施形態における電極構造の好適な実施例を以下に示す。
電極板７の数：１０枚
電極板７の水平方向の幅：２００ｍｍ
電極板７の垂直方向の幅：２５０ｍｍ
電極板７の厚さ：１０ｍｍ
電極板７同士の間隔：５ｍｍ
通電棒１１の材質：鉄（Ｆｅ）
通電棒１１の長さ：１ｍ
通電棒１１の直径：８ｍｍ

本実施形態の電解装置１および金属精錬方法は、例えば、次のような場面において特に効果的である。すなわち、塩化物法により多結晶シリコンを製造する際には、シリコンの塩化物（例えば四塩化珪素や三塩化シラン）を亜鉛で還元して多結晶シリコンを得ると共に、還元用の亜鉛は塩化亜鉛として取り出される。そして、塩化亜鉛を電解することにより純亜鉛を得、この純亜鉛を再びシリコン塩化物の還元に用いることができる。この塩化亜鉛を電解する工程において、本実施形態の電解装置１および金属精錬方法が好適に用いられる。

本発明による電解装置の電極構造、電解装置、および金属精錬方法は、上記した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、通電棒と保護管との隙間においては、通電棒と保護管とが部分的に接触していてもよい。また、上記実施形態では、金属塩化物、通電棒、保護管及び生成された金属の何れとも反応しない気体として窒素ガス及び希ガスを例示しているが、本発明における所定の気体はこれらに限られるものではなく、電気分解の対象となる金属塩化物および電解後の金属と反応しない気体であれば、様々な気体を適用できる。

図１は、本発明による電極構造を備える電解装置の一実施形態を示す側面断面図である。 図２は、電極板、通電棒、および保護管の構成を拡大して示す側面断面図である。 図３は、金属精錬方法の一実施形態を示すフローチャートである。

符号の説明

１…電解装置、３…本体部、５…電極構造体、７…電極板、９…棒状部材、１１…通電棒、１３…保護管、１５…陽極、１７…陰極、１９…中間電極、２１…隙間、３１…電解槽、３２…導入管、３３…塩素排出管、３４…金属排出管、３５…ヒータ。

Claims (6)

1. 電気分解によって金属塩化物から金属を取り出すための電解装置の電極構造であって、
   隙間をあけて並置された複数の電極部材と、
   前記複数の電極部材の両端の電極と電気的に接続されて電力を供給する金属製の一対の通電棒と、
   前記一対の通電棒のそれぞれに設けられ、対応する前記通電棒を覆うセラミックス製の複数の保護管と
   を備え、
   前記保護管と前記通電棒との間には隙間があいており、
   前記保護管が、所定の気体を前記保護管と前記通電棒との隙間に取り入れるための導入口を有することを特徴とする、電解装置の電極構造。
2. 前記保護管の前記電極部材側の端部が前記電極部材に気密に固定されていることを特徴とする、請求項１に記載の電解装置の電極構造。
3. 電気分解によって金属塩化物から金属を取り出すための電解装置であって、
   溶融した前記金属塩化物を収容するための電解槽と、
   前記電解槽に設置されて前記金属塩化物を電解するための請求項１または２に記載の電極構造と、
   前記電解槽を加熱して前記金属塩化物の溶融状態を維持するための熱源と
   を備えることを特徴とする、電解装置。
4. 請求項１または２に記載の電解装置の電極構造、または請求項３に記載の電解装置を用いた金属精錬方法であって、
   溶融した前記金属塩化物中に前記複数の電極部材を浸し、前記保護管の前記導入口から前記保護管と前記通電棒との隙間へ前記所定の気体を導入しつつ、前記複数の電極部材に電位差を与えて前記金属塩化物を電解することにより前記金属塩化物を金属と塩素とに分離することを特徴とする、金属精錬方法。
5. 前記所定の気体が、前記金属塩化物、前記通電棒、前記保護管及び生成された前記金属の何れとも反応しない気体であることを特徴とする、請求項４に記載の金属精錬方法。
6. 前記所定の気体が窒素及び希ガスのうち少なくとも一方を含むことを特徴とする、請求項５に記載の金属精錬方法。

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