JP2009108365A

JP2009108365A - 電解装置

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Publication number: JP2009108365A
Application number: JP2007281224A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Ohashi; 忠大橋; Takashi Matsumura; 尚松村; Yoshinori Takeuchi; 喜則武内; Daisuke Sakaki; 大介榊
Original assignee: Kinotech Solar Energy Corp; Covalent Materials Corp
Current assignee: Coorstek KK; Kinotech Solar Energy Corp
Priority date: 2007-10-30
Filing date: 2007-10-30
Publication date: 2009-05-21
Also published as: WO2009057270A1; CN101842522A; EP2210969A1; EP2210969A4; US20100258436A1; TW200925329A

Abstract

【課題】電解液の温度を下げることなく、電解液の蒸発量を低減させることができ、これによって、排気管の閉塞等のトラブルを防止することができる電解装置の提供。
【解決手段】本発明に係わる電解装置１は、電解液７０が投入された電解槽１０と、電解槽１０の周囲に設けられた加熱部２０と、電解液７０を電気分解する電極部３０と、電解槽１０の上部に設けられ、電解液１０上方に空間領域４０を構成する上蓋４５と、上蓋４５に配置され、電解液７０の電気分解に伴って発生する副生ガスを空間領域４０から外部へ排出する排出部５０と、電解液７０の液面を覆うように該液面上に浮遊して載置され、電解液７０の蒸発を抑制する蒸発抑制部材６０と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属化合物で構成された電解液を電気分解して金属を製造する電解装置に関する。

近年、塩化亜鉛などの金属化合物を溶融して電解し、亜鉛などの金属を製造する電解装置が知られている。これらの電解装置は、例えば、グラファイトなどのルツボ（電解槽）に保持された金属化合物を、融点以上に加熱して溶融し、この溶融した金属化合物（以下、電解液という）に電極を浸漬して電流を流すことで、塩素などの化合物と、亜鉛などの金属とに分解することができる。

しかしながら、金属化合物を融点以上に、例えば、塩化亜鉛を融点より約５０℃高い４００℃に加熱すると、溶融した金属化合物の融液表面から、金属化合物の一部が気化する。気化した金属化合物は電解装置内を上昇し、液面上方で冷えて大量のミストが発生する。このミストが、電気分解に伴って発生する塩素ガスなどの副生ガスを排出する排気管の内面に付着してしまい、排気管の閉塞等の重大なトラブルが発生する。

このような電解液の蒸発に伴うトラブルを改善するために、電極と電解質液（電解液）を有する電解質液表面上の上部に電解ガスが対流できる空間を有し、該空間の上部にガス抜き用の配管を有し、該ガス抜き用の配管部分の温度が電解質液温度より低くなるようにすることで、電解質蒸気やミストを前記空間内で対流させて、電解質液に落とし、排ガス管には電解発生ガスのみを送る電解槽構造体が開示されている（例えば、特許文献１）。
特開２００５−２００７５８号公報

しかしながら、上述した特許文献１に記載の技術を用いても、電解液をより高い温度に加熱した場合には、その蒸発量は増加するため、電解質蒸気やミストを前記空間内で対流させて、電解質液に落とすには限界があった。

なお、当然の如く、金属化合物を加熱する温度を低くすることで、電解液の蒸発量を低減することができる。しかしながら、金属化合物の融液の温度が低いほど、分解電圧が高くなるとともに液抵抗が大きくなるので、電解に必要な電力が大きくなってしまう。また、低い融液温度では粘性が大きくなり、電解生成物の電極面からの離脱速度が遅くなってしまい効率的な電解反応の継続が難しくなる。従って、加熱温度を低くするには限界がある。

そこで、本発明は、電解液の温度を下げることなく、電解液の蒸発量を低減させることができ、これによって、排気管の閉塞等のトラブルを防止することができる電解装置を提供することを目的とする。

本発明に係わる電解装置は、電解液が投入された電解槽と、前記電解槽の周囲に設けられ、前記電解槽を加熱する加熱部と、前記電解液に浸漬される電極ユニットと、この電極ユニットを保持すると共に通電させる電極通電部とを有し、前記電解液を電気分解する電極部と、前記電解槽の上部に設けられ、前記電解液上方に空間領域を構成する上蓋と、前記上蓋に配置され、前記電解液の電気分解に伴って発生する副生ガスを前記空間領域から外部へ排出する排出部と、前記電解液の液面を覆うように該液面上に浮遊して載置され、前記電解液の蒸発を抑制する蒸発抑制部材と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、電解液の温度を下げることなく、電解液の蒸発量を低減させることができ、これによって、排気管の閉塞等のトラブルを防止することができる電解装置が提供される。

以下に、本発明に係わる実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、同一箇所には同一の符号を付して、重複した説明を省略している。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の電解装置に係わる第１の実施形態を説明するための断面図である。

本実施形態に係わる電解装置１は、図１に示すように、電解槽１０と、加熱部２０と、電極部３０と、上蓋４５と、排出部５０と、蒸発抑制部材６０とで構成されている。

電解槽１０は、塩化亜鉛などの金属化合物、更には、前記金属化合物が溶融された電解液７０をその内部に保持するためのものであり、例えば、断面凹形状で構成されている。電解槽１０は、例えば、グラファイトで構成されており、少なくとも電解液７０を保持する内面１０ａにはガラス状カーボンがコーティングされている。電解槽１０は、例えば、内径（Ｉ_ｔ）が４００ｍｍ、肉厚（Ｆ_ｔ）が２０ｍｍのルツボ形状のものが用いられる。

加熱部２０は、例えば、略箱型を成しており、電解槽１０を囲繞するように、電解槽１０の周囲に設けられている。加熱部２０の開放端側（紙面上側）は、電解槽１０の開放端側（紙面上側）の外面１０ｂで、電解槽１０に接するように屈曲している。したがって、電解槽１０の開放端は、加熱部２０の屈曲箇所から幾分か上方に突出している。

加熱部２０は、電解槽１０に保持された金属化合物を加熱し溶融させると共に、溶融した電解液７０を所定の温度に保持する。この保持は、電解液７０の液抵抗を十分に少なくするためであり、例えば塩化亜鉛の場合には、約５５０℃が好適である。

電極部３０は、電解液７０に浸漬しており、電解液７０を電気分解する。電極部３０は、電解液７０内に全体を浸漬させる電極ユニット３０ａと、電極ユニット３０ａを保持すると共に通電させる電極通電部３０ｂとで構成されている。

電極ユニット３０ａは、例えば、５枚の板状のグラファイト製電極３３を、間隙を持たせて並列させ、セラミックス基材３５で一体に固定させて構成している。セラミックス基材３５は、例えばアルミナ製が好適である。なお、本実施形態では、複極式の電極ユニットの例で説明したが、本願発明はこれに限定されるものではなく、単極式の電極ユニットを用いてもかまわない。

電極通電部３０ｂは、例えば、電極ユニット３０ａの両端側のグラファイト製電極３３に接続され、ムライト製の保護管（図示せず）で全体が覆われた鉄製の電極棒３７で構成されている。

上蓋４５は、電解槽１０の上部に設けられている。詳しくは、上蓋４５は、例えば、断面凹形状を有し、電解槽１０の開放端側の外面１０ｂと、上蓋４５の開放端側の内面４５ａとが接触し、図示しないシール等により一体に設けられている。これによって電解槽１０の上方には空間領域４０が形成されている。また、上蓋４５の上部（断面凹形状の底部）には、前述した電極通電部３０ｂの電極棒３７を通す貫通口が設けられ、電極棒３７が貫通して設けられている。

排出部５０は、例えば、上蓋４５の上部（断面凹形状の底部）に設けられた前記電極棒３７を貫通させる貫通口と異なる位置に連結された排気管５３と、排気管５３内に配設されたフィルター５７とで構成されている。

排気管５３は、電解液７０の電気分解に伴って発生する副生ガスを、前記空間領域４０から外部へ排出するためのものである。また、フィルター５７は、空間領域４０から流れ出た電解液ミストが排気系へ流入するのを、最終的に防ぐためのものである。また、排気管５３は、外部の排気系（図示せず）に接続されている。

図２に、図１に示す蒸発抑制部材６０の拡大上面図を、図３に、図１において上蓋４５、排出部５０及び加熱部２０を省略した時のα方向から見た電解液７０上に浮遊して載置された蒸発抑制部材６０の状態を示す上面図をそれぞれ示す。

蒸発抑制部材６０は、図３に示すように、電解液７０の液面のほぼ大部分を覆うように該液面上に浮遊して載置されている。本実施形態に係わる蒸発抑制部材６０は、図２に示すように、円盤板状の形状を有し、かつ、厚さ（Ｓ_ｔ）方向に貫通した第１の貫通口６０ａと、第２の貫通口６０ｂが設けられている。

第１の貫通口６０ａは、電極ユニット３０ａを電解液７０に浸漬させた際、電極棒３７を通すためのものであり、その開口径（Ｋ_１ｔ）は、保護管を含めた電極棒３７の直径（Ｌ_ｔ）よりも大きく設けられている。

第２の貫通孔６０ｂは、電解液７０の液面の一部を空間領域４０に露出させるものであり、蒸発抑制部材６０のＸ方向及びＹ方向に所定の間隔を持って複数設けられている。

なお、本実施形態に係わる蒸発抑制部材６０は、図２に示すように、円盤形状を備えているが、本発明はこれに限定されることなく、様々な形状を用いることができる。ただし、より好ましくは、図３に示すように、電解槽１０の開放端側の形状と類似する形状で構成した方が、電解液７０の液面のほぼ大部分を覆うように出来るため好ましい。

蒸発抑制部材６０は、例えば、外周（Ｏ_ｔ）が３９０ｍｍ、厚さ（Ｓ_ｔ）が５ｍｍであり、第１の貫通口６０ａの開口径（Ｋ_１ｔ）が６０ｍｍ、第２の貫通口６０ｂの開口径（Ｋ_２ｔ）が２０ｍｍのものが用いられる。電極棒３７は、例えば、保護管を含めた直径が５０ｍｍのものが用いられる。

なお、前記電解液７０が塩化亜鉛の融液である場合には、前記蒸発抑制部材６０はグラファイトで構成されていることが好ましい。これによって、電解液７０が塩化亜鉛の融液である場合には、容易に、蒸発抑制部材６０を前記電解液７０の該液面上に浮遊して載置させることができる。

このように、本実施形態に係わる電解装置１は、電解液７０の液面のほぼ大部分を覆うように、蒸発抑制部材６０が該液面上に浮遊して載置されており、蒸発抑制部材６０に設けられた第２の貫通孔６０ｂによって、電解液７０の液面の一部が空間領域４０に露出している。

前述したミストの発生は、電解液７０の蒸発量に比例し、更に、電解液７０の蒸発量は、液相と気相とが接する液相の露出面積、すなわち、電解液７０の液面と空間領域４０とが接する前記液面の露出面積に比例する。すなわち、このような構成を備えることで、電解液７０の温度が高温であっても、電解液７０の蒸発量を低減させることができるため、高温での高効率電解反応を実現しながら排気管５３の閉塞等のトラブルを防止することができる。

従って、本実施形態に示すような、電解液７０の液面に浮遊する蒸発抑制部材６０であれば、電解液７０の増減で液面が上下したとしても、常に、電解液７０の液面を、蒸発抑制部材６０で覆うことができるので、液面の露出面積を小さく保ち、電解液７０の蒸発量を抑制することができる。

さらに、適度に電解液７０の液面が空間領域４０に露出した構成を備えているため、電解液７０の電気分解に伴って発生する副生ガスがこの部分から空間領域４０に抜けていくため、蒸発抑制部材６０の下部に残留することはない。

また、電解液７０の蒸発量が減ることにより、電解液７０の放熱効果が低減されるため、結果的に、電解液７０の保温効果が増加し、加熱部２０の加熱効率も向上する。

（第２の実施形態）
次に、本発明に係わる電解装置の第２の実施形態について説明する。

図４は、第２の実施形態に係わる電解装置を説明するための断面図である。

本実施形態に係わる電解装置２は、第１の実施形態における蒸発抑制部材６０が、蒸発抑制部材８０に置き換えられた構成を備えている。その他の構成は、第１の実施形態と同様なため重複した説明を省略する。

図５に、図４に示す蒸発抑制部材８０の拡大上面図を、図６に、図４において上蓋４５、排出部５０及び加熱部２０を省略した時のα方向から見た電解液７０上に浮遊して載置された蒸発抑制部材８０の状態を示す上面図をそれぞれ示す。

蒸発抑制部材８０は、図６に示すように、電解液７０の液面のほぼ大部分を覆うように該液面上に浮遊して載置されている。本実施形態に係わる蒸発抑制部材８０は、図５に示すように、円盤板状の形状を有し、かつ、厚さ（Ｓ_ｔ）方向に貫通した第１の貫通口８０ａと、第２の貫通口８０ｂが設けられている。

第１の貫通口８０ａは、電極部３０の電極棒３７を通すためのものであり、その開口径（Ｋ_１ｔ）は、保護管も含めた電極棒３７の直径（Ｌ_ｔ）よりも大きく設けられている。

第２の貫通孔８０ｂは、第１の貫通口８０ａ、８０ａの間（第１の貫通口８０ａに通される電極棒３７、３７の間）の領域、例えば、定義するならば、第１の貫通口８０ａ、８０ａの中心点をつないだ直線を直径とする円周８５内のみに設けられている。言い換えれば、この構成は、電極部３０の電極ユニット３０ａが浸漬された位置の上方に前記第２の貫通口８０ｂが複数設けられている。

このように、本実施形態では、電解液７０に浸漬した電極ユニット３０ａの上方に位置する部分のみに複数の貫通口８０ｂが設けられ、他の部分は、蒸発抑制部材８０で覆われている構成を備えている。そのため電解液７０の液面の露出面積を小さく保ちつつも、電極ユニット３０ａでの電気分解に伴って発生した副生ガスをすぐにその上方で、効率よく空間領域４０に排出することができるため、蒸発抑制部材８０の下部に残留することはない。

なお、本実施形態に係わる蒸発抑制部材８０は、電極棒３７を通す第１の貫通口８０ａが設けられており、電極ユニット３０ａが浸漬された位置の上方に、電解液７０の液面を空間領域４０に露出する貫通口が設けられていれば、図５に示す蒸発抑制部材８０の形態に限定されない。

図７は、蒸発抑制部材８０の他の形態の一例を示す拡大上面図である。

例えば、蒸発抑制部材８０は、図７（ａ）に示すように、電極ユニット３０ａが浸漬された位置の上方のすべての領域が空間領域４０に露出する第２の貫通孔８０ｃとしてもよい。また、図７（ｂ）に示すように、電極ユニット３０ａのグラファイト製電極３３と同一形状で平行に第２の貫通口８０ｄを設けてもよい。

（第３の実施形態）
次に、本発明に係わる電解装置の第３の実施形態について説明する。

図８は、第３の実施形態に係わる電解装置を説明するための断面図である。

本実施形態に係わる電解装置３は、第２の実施形態における蒸発抑制部材８０の第２の貫通口８０ｂが、第２の貫通口８０ｅに置き換えられた構成を備えている。その他の構成は、第２の実施形態と同様なため重複した説明を省略する。

図９に、図８に示す蒸発抑制部材８０の電解液７０側から見た拡大上面図を、図１０に、第２の貫通口８０ｅの断面形状の拡大概念図をそれぞれ示す。

第２の実施形態で説明した蒸発抑制部材８０の第２の貫通口８０ｂは、図４に示すように、ストレートの断面形状を有しているのに対し、本実施形態で説明する第２の貫通口８０ｅは、図８、図９に示すように、蒸発抑制部材８０の電解液７０と接する面（第１面）の開口径（Ｋ_２ｔ）が、空間領域４０と接する面（第２面）の開口径（Ｋ_３ｔ）よりも大きく形成されている。

本実施形態に係わる第２の貫通口８０ｅは、例えば、電解液７０と接する面（第１面）の開口径（Ｋ_２ｔ）が２０ｍｍ、空間領域４０と接する面（第２面）の開口径（Ｋ_３ｔ）が１５ｍｍであるものが用いられる。

第２の貫通口８０ｅは、電解液７０と接する蒸発抑制部材８０の第１面側の開口部から、空間領域４０と接する第２面側の開口部までの開口径が減少する形状は、例えば、図１０（ａ）に示すように、斜め形状であってもよく、図１０（ｂ）に示すように段差形状であってもよく、また、図１０（ｃ）に示すように、曲面形状であってもよい。

このように、本実施形態では、蒸発抑制部材８０の電解液７０と接する面の第２の貫通口８０ｅの開口径が、空間領域４０と接する面の開口径よりも大きく形成されている。このため、電気分解で発生した副生ガスの第２の貫通口８０ｅの通過がよりスムーズとなる。その一方、電解槽１０からの放熱をより抑制することができる。

（その他の実施形態）
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は、その要旨を逸脱しない範囲において、各種の設計変更や改良を行うことができる。

例えば、第３の実施形態で説明した第２の貫通口８０ｅの図１０に示す断面形状を、第１の実施形態の第１の貫通孔６０ｂの一部、又は、全部に適用してもよく、また、第２の実施形態で説明した図７に示す第２の貫通口８０ｃ、８０ｄにも適用してもよい。

電極通電部３０ｂが電極ユニット３０ａの上方ではなく、側面や底面に設けられて電解液７０上面以外から通電される構成の電解槽１０の場合は、もちろん、電極通電部３０ｂに対応した貫通口は不要である。

以下、本発明を実施例に基づいてさらに具体的に説明するが、本発明は、下記実施例により制限されるものではない。

［実施例１］
第１の実施形態に係る電解装置（図１参照）を用いて下記の条件で電解液の電気分解を行った。

加熱部２０に内径（Ｉ_ｔ）４００ｍｍ、肉厚（Ｆ_ｔ）２０ｍｍの電解槽１０を配置し、電解槽１０内に金属化合物として塩化亜鉛を投入し、投入した塩化亜鉛の液抵抗が十分に小さくなる５５０℃まで加熱部２０により加熱して、塩化亜鉛を溶融して電解液７０とした。

続いて、保護管まで含めた直径（Ｌ_ｔ）が５０ｍｍの電極棒３７に保持された電極ユニット３０ａを電解液７０内に浸漬させ、グラファイトで構成させた外径（Ｏ_ｔ）３９０ｍｍ、厚さ（Ｓ_ｔ）５ｍｍ、第１の貫通口６０ａの開口径（Ｋ_１ｔ）が６０ｍｍ、第２の貫通口６０ｂの開口径（Ｋ_２ｔ）が２０ｍｍの蒸発抑制部材６０の第１の貫通口６０ａに、電極棒３７を通すようにして、電解液７０上に落とし、電解液７０の液面上に浮遊して載置させた。

次に、排気系に接続された排気部５０を有する上蓋４５の開放端側の内面４５ａと、電解槽１０の開放端側の外面１０ｂとをシールにより一体に固定させた。

その後、電極部３０に、電流密度０．５Ａ／ｃｍ^２の電界電流を流し、８時間の連続電気分解を行った。

電気分解後、電解液７０の蒸発（ミストの発生）を、カーボンフェルト製のフィルター５７の電気分解前後における重量の増加量で評価した。

［実施例２］
第２の実施形態に係る電解装置（図４参照）を用いて、実施例１と同様の条件で電解液の電気分解を行った。その他は、実施例１と同様な装置構成、及び条件で行い、電気分解後、電解液７０の蒸発（ミストの発生）を、カーボンフェルト製のフィルター５７の電気分解前後における重量の増加量で評価した。

［実施例３］
第３の実施形態に係る電解装置（図８参照）を用いて、実施例１と同様の条件で電解液の電気分解を行った。なお、蒸発抑制部材８０の貫通口８０ｅは、図１０（ａ）の形状のものを用い、開口径（Ｋ_３ｔ）は１５ｍｍである。その他は、実施例１と同様な装置構成、及び条件で行い、電気分解後、電解液７０の蒸発（ミストの発生）を、カーボンフェルト製のフィルター５７の電気分解前後における重量の増加量で評価した。

［比較例１］
蒸発抑制部材６０を用いず、その他は、実施例１と同様な装置構成、及び条件で行い、電気分解後、電解液７０の蒸発（ミストの発生）を、カーボンフェルト製のフィルター５７の電気分解前後における重量の増加量で評価した。

その結果、実施例１から実施例３では、８時間の連続分解中に、上蓋４５に設けられた図示しないビュースポットから上蓋４５内を観察すると、よく見通すことができた。これは、ミストの発生量を抑制することが出来たためである。

これに対し、比較例１では上蓋４５内は、塩化亜鉛の白色のミストが充満し、全く内部が見通せない状態となった。

また、フィルター５７の電気分解前後における重量の増加量は、実施例１から実施例３では、比較例１に比べて、１／１５にまで減少していた。この結果からも、電解液７０の蒸発（ミストの発生）を抑制できていることがわかる。

なお、このように、フィルター５７に付着するミストがより低減できるため、電解液７０の電気分解で発生した塩素を空間領域４０内から効率的に排出できるため、電解装置としての安全性も向上する。

本発明の電解装置に係わる第１の実施形態を説明するための断面図。図１に示す蒸発抑制部材６０の拡大上面図。図１において上蓋４５、排出部５０及び加熱部２０を省略した時のα方向から見た電解液７０上に浮遊して載置された蒸発抑制部材６０の状態を示す上面図。第２の実施形態に係わる電解装置を説明するための断面図。図４に示す蒸発抑制部材８０の拡大上面図。図４において上蓋４５、排出部５０及び加熱部２０を省略した時のα方向から見た電解液７０上に浮遊して載置された蒸発抑制部材８０の状態を示す上面図。蒸発抑制部材８０の他の形態の一例を示す拡大上面図。第３の実施形態に係わる電解装置を説明するための断面図。図８に示す蒸発抑制部材８０の電解液７０側から見た拡大上面図。第２の貫通口８０ｅの断面形状の拡大概念図。

符号の説明

１０電解槽
２０加熱部
３０電極部
３０ａ電極ユニット
３０ｂ電極通電部
４０空間領域
４５上蓋
５０排出部
６０蒸発抑制部材
７０電解液
８０蒸発抑制部材

Claims

電解液が投入された電解槽と、
前記電解槽の周囲に設けられ、前記電解槽を加熱する加熱部と、
前記電解液に浸漬される電極ユニットと、この電極ユニットを保持すると共に通電させる電極通電部とを有し、前記電解液を電気分解する電極部と、
前記電解槽の上部に設けられ、前記電解液上方に空間領域を構成する上蓋と、
前記上蓋に配置され、前記電解液の電気分解に伴って発生する副生ガスを前記空間領域から外部へ排出する排出部と、
前記電解液の液面を覆うように該液面上に浮遊して載置され、前記電解液の蒸発を抑制する蒸発抑制部材と、を備えることを特徴とする電解装置。
前記蒸発抑制部材には、前記電解液の液面を前記空間領域に露出させる貫通口が形成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。
前記貫通口は、前記電極部の電極ユニットが浸漬された位置の上方のみに設けられていることを特徴とする請求項２に記載の電解装置。
前記貫通口は、前記電解液と接する第１面側の開口径が、前記空間領域と接する第２面側の開口径よりも大きく形成されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の電解装置。
前記電解液は塩化亜鉛であり、前記蒸発抑制部材はグラファイトであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電解装置。