JP3271987B2 - 圧力補正を伴う電気化学半電池 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電気化学半電池に関し、これに、電解液を受
け取る少なくとも１つの電極空間（electrode spac
e）、気体空間（gas space）、および上記気体空間と
電極空間を分離している少なくとも１つの気体拡散電極
（gas diffusion electrode）を陽極または陰極とし
て含め、ここでは、上記気体空間を、気体の流入および
気体の流出が個別の開口部を通して起こるように、２つ
以上の重畳（superimposed）、即ち重なり合うガスポケ
ット（gas pockets）に細分し、そして上記電極の電解
液側の圧力を、上記ガスポケットの電解液用開口部を通
して補正する（上記電極の気体側の圧力に比較して）。

例えば、ハロゲン化アルカリ電解で酸素消費電極（ox
ygen consumption cathode）として用いられる如き気
体拡散電極を基とする電気化学電池の運転は基本的に公
知で、例えば米国特許第４ 657 651号などに記述され
ている。

この気体拡散電極は、電解液と気体空間の間に位置し
ていて触媒を伴う導電層を有する開放孔（open−pore）
膜であり、これは、この膜内で起こる電気化学反応、例
えば酸素の還元などが電解液と触媒と反応体ガスの間の
３相境界で起こり得るようにすることを意図したもので
ある。この膜内の境界層は、一般に、疎水性電極材料に
かかる電解液の表面張力が上記膜にかかる電解液の水圧
に対抗することで保持されている。しかしながら、これ
に関連して、上記膜の気体側と液体側の間で起こり得る
許容される圧力降下は少しのみである。気体側の圧力が
あまりにも高くなりすぎると、気体が最終的に膜を透過
してその領域内で起こる電極の作動を邪魔することか
ら、電解過程が妨害される。他方、液体の圧力があまり
にも高くなりすぎると、上記膜内の触媒含有領域から上
記３相境界が追い出されることで同様に陰極の作動が妨
害され、そして圧力が更に高くなると、電解液が気体空
間の中に入り込んでしまう。所望生成物である塩素を効
率良く取り出すことができるように電極を垂直に配列す
る（例えば膜電解槽で要求とされるように）と、それに
よって上記気体拡散電極の構造的高さが制限される、と
言うのは、そのようにしないと、上記電極の上部で気体
が陰極空間の中に入り込みそしてまた電極の下部でも電
解液が気体空間の中に入り込むからである。従って、技
術的に達成可能な構造的高さは約20−30cmに制限され、
これは、通常の産業用膜電解装置にとっては魅力的でな
い。

圧力補正に関する問題を解決しようとする目的で従来
技術ではいろいろな構造配置が提案されてきた。

米国特許第４ 657 651号に従うと、陰極を気体の仕
込みが個別に起こる個々の水平チャンバに細分すること
を通して、気体拡散陰極の両側に位置する気体空間と電
解液空間の間の圧力補正を達成しており、そこでは、垂
直チャンバの深さが個々のチャンバの上の電解液の高さ
に相当するような様式で各場合とも溢れ出る気体流れが
垂直チャンバの中に入り込むようにすることを通して、
気体圧力の調節を行っている。このような構造配置の欠
点は、工業的実施の点で装置が複雑で高価である点であ
る。更に、個々の気体用チャンバ各々の中の圧力調整を
個々のバルブを通して個別に行う必要もある。

まだ公開されていないドイツ特許出願番号Ｐ ４ 44
4 114.2に気体拡散電極を伴う電気化学半電池を記述
し、そこでは、気体空間をカスケード（cascad）様式で
重なる２つ以上のガスポケットに細分することを通して
気体拡散電極の両側に位置する気体空間と電解液空間の
間の圧力補正を達成し、そこでのガスポケットは互いに
離れていて下部が電解液に向かって開いており、その結
果として、各ガスポケット内の圧力は電解液用開口部を
通して上記気体拡散電極の前方に位置する電極空間の相
当する部分内の電解液の液柱の圧力と平衡状態になる
が、そこでの気体流入および流出は全て上記電解液用開
口部を通って起こる。

出版物である“Meeting Abstracts 96−1,Abstract
s No.949,Spring Meeting May ５−10/1996"of th
e“Electrochemical Society"には、実験室規模のクロ
ル−アルカリ電解用酸素拡散陰極を伴う電池が開示され
ており、それは、ドイツ特許出願番号４ 444 114.2に
相当する圧力補正の概念の簡潔化バージョンである。Ab
stract No.949の図１に、酸素陰極の前方で気体空間を
２つの重畳ガスポケットに細分することが示されてお
り、その電池の床部から発泡する酸素は上記ガスポケッ
トの自由開口部の中を通って流れる。上記気体空間を垂
直方向に２つのガスポケットに細分することを通して圧
力補正を達成している。その膜にかかる最大圧力は、個
々のガスポケットの高さに相当する水圧に相当する。

上述した電解槽の設計および構造は拡散電極の運転を
妨害する数多くの欠点を有する。

気体の流入および流出はガスポケットに備わっている
同じ電解液用開口部を通して起こる。それによって、上
記ポケットに送り込まれる気体は上記ガスポケットの下
方縁（これは高い方に位置する次のガスポケットにつな
がっている）の上で一様に発泡し続けることから、個々
のガスポケットに入っている反応体ガスの交換はかなり
混乱する。単に上記電極後方の気体空間内で気泡が破裂
することにより、ある程度の混合が起こる。このような
公知電解槽では、望まれない外来ガスを上記電池の気体
空間から積極的に流出させて除去するのは不可能であ
る。

更に、その上昇する気泡を上方のガスポケットから等
しい幅で突き出ている収集用エプロンで捕捉するのは、
可能であるとしても制限された度合のみである。簡単な
実験により、気泡の大部分は上記公知電解槽に備わって
いる上方の収集用エプロンを通り過ぎることが示されて
いる。

更に、個々のガスポケット内に存在する電解液のメニ
スカス（meniscus）の所で気泡が破裂すると、結果とし
て、上記気体空間内で電解液の滴から成る望ましくない
スプレー霧が発生して上記拡散電極上に沈澱すること
で、上記電極の機能が邪魔される。

本発明の目的は、圧力補正が簡単であると言った利点
を有すると同時に上記公知電池の欠点を持たない電気化
学半電池、特に拡散電極の後方に位置する気体空間の排
気を積極的に行うことができる電気化学半電池を開発す
ることにあり、これは従来技術の改良を意味する。

この目的を、本発明に従い、本発明の主題である電気
化学半電池を用いて達成し、この電気化学半電池に、電
解液を受け取る少なくとも１つの電極空間、気体空間、
および上記気体空間と電極空間を分離している少なくと
も１つの気体拡散電極を陽極または陰極として含め、こ
こでは、上記気体空間を互いに分離している２つ以上の
重畳ガスポケットに細分して、それらの各々に電解液用
の開口部を持たせ、その結果として、各ガスポケット内
の圧力は、上記電解液用開口部により、上記気体拡散電
極の前方に位置する上記電極空間の相当する部分内の電
解液の液柱の圧力と平衡状態になり、ここでの電気化学
半電池は、個々のガスポケットの気体流入口（gas inf
low）と気体流出口が互いに空間的に離れていることを
特徴とする。

特に、ガスポケット内に電極気体（electrode gas）
の横方向流れが存在するように、上記ガスポケットの気
体流入口と気体流出口を互いに関して横方向にずれた状
態で配列させる。

上記電極気体の流れが補強されることから、個々のガ
スポケットにおける気体交換が向上しかつ望まれない外
来ガスの蓄積（例えば公知電池配置で起こる如き）が回
避される。

加うるに、電極気体と電解液が等温で直接接触するこ
とは、上記拡散電極の気体側に存在する気体が常に飽和
状態で湿っておりそしてそれによって特に上記拡散電極
の膜構造内で起こる電解質の「析出」が回避されること
を意味する。

それにより、今度は、電解液の結晶によって起こる不
可逆的な電極損傷が防止される。

本発明の特別な態様では、上記ガスポケットを万能型
密封チャンバとして構成させ、それが有する境界壁の１
つを気体拡散電極にし、そしてそれの側末端部に、電極
気体用の気体供給口、即ち流入口を持たせる。余分な電
極気体は、上記ガスポケットの別の側末端部の所から、
静止している圧力補正用電解液の中に浸漬しているディ
ップチューブを通って取り出される。このように上記ガ
スポケットの１つの側に気体供給口を配置しそしてもう
一方の側に余分な気体を排出させるための口を配置して
いることから、上記ガスポケットを通る電極気体の流れ
は積極的に横方向に押される。このような電池配置を用
いると、気体空間と電極空間の間の圧力補正が気体流出
口を通して起こる。上記簡単な構造配置と比較した時の
利点は、この上に示した半電池のデザインおよび構造に
よりガスポケット内で積極的な気体交換が起こりかつそ
の気体交換を余分な気体の量を変えることで管理するこ
とができる点である。それによって、妨害する外来気体
がガスポケット内に豊富に存在する可能性が防止され
る。更に、このようにすると、生じ得る生成物気体を電
極反応から取り出す時に、あまり高純度でない電極気体
を用いることも可能になる（これはまた本半電池の意図
した使用に依存する）。

本発明の好適な変形では、１つのガスポケットから高
い方に位置する次のガスポケットに向かってガスポケッ
トの気体流出口が高い方に位置する次のガスポケットの
気体流入口の下に位置するように気体流入口と気体流出
口を交互に配列することを通して、本半電池からの電極
気体の強制的な横方向排気を達成する。

上記ガスポケットに収集用エプロンを持たせてもよ
く、それを上記ガスポケットの後方壁にしっかりと固定
する。最も簡単な形態では、下方に位置するガスポケッ
トの出口から昇って来る気泡を集めるためのガイドプレ
ートまたはバッフルを上記ガスポケットの後方壁に垂直
方向に配置して、横方向に突き出るように、それの下に
位置するガスポケット流出口の上に位置させる。

本発明に従う半電池にこの上に示した構造配置を持た
せると、ガスポケットの後方壁の一部を形成している気
体収集用エプロンを有する重畳ガスポケットが備わって
いる従来技術で公知の構造配置に比較してずっと細い構
造に設計することができると言った利点が得られる、と
言うのは、公知構造配置の気体収集用エプロンは気体拡
散電極から後方に長く突き出ている一方そのように気体
収集用エプロンを横方向に配置すると電極表面から見た
それの垂直方向の高さを低く保つことができるからであ
る。

本発明の１つの変形では、横方向の気体収集用エプロ
ンの代わりに、下方向に突き出ていて電解液の中に向か
って開いているバブルチャンネル（bubble channel）
を、ガスポケット用気体流入口として用いることができ
る。このバブルチャンネルを、例えば、出て来る電極気
体の気泡が上昇して上記バブルチャンネルの中に入るよ
うに、下方のガスポケットの気体流出口の上に配置す
る。このバブルチャンネルの下方末端の所に横方向に広
がっているバブルトラップ（bubble trap）を持たせて
もよい。

別の変形では、その下方の出口をＵ字管として形成さ
せ、それのアーム（arms）の１つを若干であるがより広
く突き出させて、上記バブルチャンネルの開口部の中に
向かって開放させる。

上述した変形を用いると、電解液のメニスカスの所に
到達する電極気体の気泡の破裂がそれが実際上ガスポケ
ットの外側領域に居る間に起こるようなガスポケットか
らガスポケットへの電極気体の伝達が可能になる。それ
によって、電解液が拡散電極の後方側に噴霧されること
が回避される。このような有益な特徴は、特にまた、上
記バブルチャンネルまたは気体収集用エプロンを横方向
にずらした時、例えばそれを上記ガスポケットのチャン
バへの開口部の反対方向に向かって上記半電池の中央部
にまで動かした時に達成される。この場合、上記バブル
チャンバまたは気体収集用エプロン内に集められた気体
はパイプの中を横方向に移動して上記開口部に向かう。

このようにすると、スプレー霧の浄化および除去が特
に効果的に起こる。気泡の破裂によって引き起こされる
如何なる「脈動」もガスポケットに伝達されない。

各ガスポケットへの気体供給口は異なる様式で設計可
能である。簡単な開口部を用いるのとは別に、例えば電
極の後方側にそれの高さ全体に渡って新鮮な電極気体を
供給する目的で、複数の重畳開口部を設けるか或はガス
ポケットの高さのほぼ全体に及ぶ入り口スリット（inle
t slit）を１つ以上設けることも可能である。

スプレー霧を捕捉する目的で、電極壁（この壁の上
に、気体流れによって同伴され得る電解液が沈降するこ
とで、逆流が起こり得る）の反対側に位置させる遮蔽手
段としてバッフルを用いて、それで上記開口部を覆うこ
とも可能である。

本発明に従う圧力補正半電池のさらなる変形では、電
極気体流れが１つのガスポケットからその上に位置する
ガスポケットに流れ込むようにする代わりに、個々の重
畳ガスポケットの個々の供給口を気体供給ライン（状況
に応じてそれら自身のコントロールバルブおよびシャッ
トオフバルブを取り付けた）で与える。

個々のガスポケットの圧力補正は、各場合とも、電解
液の中に浸漬していて開いているガスポケット気体流出
口を通して起こる。

もし、例えば電極反応を抑制する有害な気体が電極反
応で生じそしてそれの蓄積が起こる場合（下方のガスポ
ケットから最上部のガスポケットに向かって流れる気体
が曲がりくねって流れる場合）などには、そのような好
適な構造配置を有利に用いる。

このような構造配置にすると、また、選択したガスポ
ケットを不活性ガス（例えば貴ガス）でフラッシュ洗浄
することを通して気体拡散電極の表面の一部を「開放す
る（disconnected）」ことも可能になる。このようにす
ると、半電池の運転時に、その「開放した」電極表面の
個々の性能を管理監視することができる。

本発明の上述した態様の全部において、各ガスポケッ
ト領域内の気体圧力は、液柱［個々の出口開口部、即ち
バブルメニスカスの下方縁から、ガスポケットカスケー
ドと電解槽の後方壁の間に存在する液柱の上方縁に至
る］に相当する。両方のチャンバが同じ高さにまで満た
されると（例えば両方のチャンバが互いに水圧で連結す
ると）、個々の気体出口開口部の所、即ち上述したバブ
ルメニスカスの下方位置の所が平衡状態になるように、
上記圧力が上記電極チャンバ内の液柱で補正される。関
連ガスポケット内に均一な圧力が行き渡ることから、平
均的に気体側には若干過剰な圧力が存在し、これはまた
例えば酸素の接触還元などの機能が最適になると言った
意味で望ましいことである。

具体的には、本発明に従う半電池の更に好適な変形で
は、電極空間と壁後方の電解液空間が水圧的に離れてい
ることから、両方のチャンバ内の充填レベル、即ちアウ
トフロー高（outflow height）が異なることによって
個々の差圧が調整され得る（これは勿論全チャンバに関
して同じである）。

例えば、気体が個別に除去されてパイプの中を上方に
向かって移動して気体排出ラインそしてそれの上に任意
に配置可能な電解液受け槽に向かうことで過剰な圧力が
調整され（これは管理可能である）、そしてその後、全
てのガスポケットに関する高さが電極空間を基準にして
同じになる。

他方、好適には、上記電池から流出する電解液がスタ
ンドパイプ（stand pipe）の中を通って下方に流れる
か或はまた場合により上記電池の側壁の所を通って流出
するようにした場合には、その電極空間から出る電解液
は排他的に上方に向かってガスポケット電極を上を流れ
て後方の電解液空間の中に入り込みそしてそこから余分
な酸素と一緒に上記スタンドパイプを通って上記電池か
ら下方に向かって流れ出ることができ、或はまた横方向
流出が起こるようにした場合には、その電解液は側面に
向かって流れることを通して余分な気体と一緒に直接除
去され得る。上記スタンドパイプの高さが異なると異な
る差圧が生じ、この時には液体の圧力の方が気体の圧力
よりも高くなり、これは、特に、ポケット様気体拡散電
極の表面全体が電流分配用グリッド（grid）に接触して
いる時に有利である。その場合、望まれるならば、実
際、電極を保持する装置および留める装置を省くことが
できる。この除去を、また、上記半電池に排出用パイプ
を横方向に配置して気体と電解液の分離を例えば上記電
池内ばかりでなくコレクター（collector）内でも起こ
させることを通して、上記スタンドパイプを通して電解
液と余分な気体を一緒に除去する様式と完全に同様な様
式で行うことができる。更に、このようにすると、液体
の圧力の方が気体拡散電極にかかる気体圧力よりも高く
なるように調整を行うことができる。

本発明に従う半電池は、ガスポケットの適切な数を任
意に選択しかつ技術的に可能な大きさにすることを通し
て拡張可能である。典型的な電解ロード（loads）に要
する気体（例えば酸素）量は例えば陰極表面１平方メー
トル当たり0.7から１標準立方メートル／時であること
から、水圧試験で実証する如く、気泡用開口部の適切な
サイズを選択することを通して必要な気体輸送を全く問
題なく達成することができる。

特に膜電解装置の半電池の場合の気体拡散電極の保持
および電気接触は基本的に公知である。気体拡散電極と
して数個の電極セグメントを用いる場合には、これらの
気体拡散電極セグメントを互いに関してかつ電極空間に
関して気密様式で保持する。

気体拡散電極保持用要素は、例えばクランピングスト
リップ（clamping strips）または適切に被覆された磁
気片などとして設計可能であり、それらをとりわけ取り
付け補助として用いる。

電解槽の間にイオン交換膜を位置させる場合には、そ
れを組み立てて取り付けた後、上記イオン交換膜をこれ
の後方に位置させた対電極構造物に面するように位置さ
せることを通して保持用要素を支えてもよく、このよう
に上記気体拡散電極に充分な圧縮力を与えることでまた
電気的にも充分に接触させる。

電解槽の場合の保持用要素には、イオン交換膜に面す
る電池側に、流れ方向に配列させた刻み目を持たせても
よく、このような刻み目により、電解槽を留め金で固定
するか或はクランプで固定した時にも電極空間の区分室
から区分室への均一なフロースルー（flowthrough）が
起こり得る。

この流入用刻み目を適切に分布させると（例えば刻み
目の数を底から上方に向かって多くして行くと）下方の
電極区分室に過剰な水圧がかからないようにする。

本発明の特に有利な構造配置では、狭い電極空間を弾
性スペーサー（spacer）で満たし、このスペーサーをス
ペーサーとして働かせかつ電解液流れに乱流を発生させ
る装置として働かせるばかりでなくまたそれを上述した
保持用要素の上に取り付けて上記保持用要素（複数）を
一緒に固定する働きをさせ、それによって、上記気体拡
散電極を圧縮して密封するさらなる弾性構成要素を形成
させることも可能である。

別の態様では、被覆ワイヤーを個々の区分室の中に垂
直に通して上記保持用要素の刻み目内に固定することを
通して、上記気体拡散電極と膜の間の間隔を確保する。

また、Ｔ字形保持具が有する長い方のアームをクリッ
プ内の適当な部分で終結させ、そして上記クリップを保
持用構造物を後部でしっかりと固定することができる様
式で例えば適切に配置した穴にクランピングウエッジ
（clamping wedges）を通すことなどで上記保持用構造
物の中に挿入することを通して、気体拡散電極セグメン
トの保持を達成することも可能である。このように、低
いインピーダンスの電力供給源として設計した上記保持
用構造物に対する気密性ばかりでなく良好な電流接触が
確保されるような様式で、上記Ｔ字形保持具の短い方の
アームで上記気体拡散電極および任意にシールを押し付
ける。

上記気体拡散電極への電流供給は本質的に公知の配置
を用いて実施可能である。好適には、上記気体拡散電極
の保持具を外部の電力源につながっている電解槽後方側
と一緒に低いインピーダン様式でつなげることを通して
電流を送り込むが、ここでは、この保持具の上に追加的
金属製グリッド構造物を取り付けて上記気体拡散電極を
上記グリッド構造物に気体側でか或は電解液側で接触さ
せ（電解液側と気体側の差圧に応じて）、そして上記グ
リッド構造物が短い電流路を与えるようにする。気体拡
散電極と一体式の金属製グリッドの場合、上記拡散電極
を別の簡単な支えで気体空間の方向に支えることができ
るならば、任意に、上記保持具の上に個別の金属製グリ
ッド構造物を取り付けなくてもよい。

好適には、また、本半電池の後方への低インピーダン
連結を通して電流を供給することも可能である。

本発明に従う半電池の有利な態様は、上記ガスポケッ
ト電極構造物全体を半電池、例えば電解用半電池から取
り外すことができるような設計であることを特徴とす
る。

本発明に従う半電池は、原則として、気体拡散電極が
電解液との直接的な接触で作動する電気化学過程全部で
使用可能である。本発明に従う半電池の使用例には下記
が含まれる： 例えば水素を消費する陽極が用いられているジクロム
酸ナトリウム電解；陰極における水素生産を酸素消費陰
極における酸素還元に置き換えることができる； 気体拡散陰極の所で酸素の還元を起こさせることによ
る過酸化水素の生産； 例えば水酸化ナトリウム溶液の濃縮などで用いられて
いるアルカリ燃料電池における使用。水素変換用陽極と
して連結している半電池を伴う上記燃料電池の運転を本
発明に相当する酸素還元用陰極を半電池として伴わせて
行うことができる。

本発明に従う半電池を用いると、ハロゲン化アルカリ
溶液電解の市場で入手可能な通常の膜電解槽を、それら
が充分に深い陰極用チャンバを有する限り、原則とし
て、例えば酸素を消費する陰極を伴うエネルギー節約型
運転に変えることができる。

また、このことは、特に、垂直なリブ構造または垂直
もしくは水平な内部構造リブを伴う種類の電池に当ては
まる。

本発明に従う半電池は原則として全種類の公知気体拡
散電極と一緒に使用可能であり、例えば支持用金属製グ
リッドまたは電流分配用グリッドが一体式になっている
種類の気体拡散電極、またはカーボンブラックまたは他
の導電性構造物に取り付けられている電極などと一緒に
使用可能である。

本発明に従う半電池の好適なさらなる態様を「本発明
の特徴および態様は以下のとうりである」の下に開示す
る。

ここに、図を用いて本発明をより詳細に説明するが、
しかしながら、これは本発明を制限するものでない。

本図において、 図１は、酸素を消費する陰極として設計した本発明に
従う半電池の変形（バブルチャンネルを伴う）を拡散電
極面に平行な断面で示す図である。

図２は、図１の線Ｂ−B'に相当する図１に従う半電池
を貫く断面図である。

図３は、図１の線Ｃ−C'に相当する図１に従う半電池
を貫く断面図である。

図４は、本発明に従う半電池の変形（個々の気体供給
口を伴う）の詳細図（図１に従う）である。

図５は、横方向に伸びている気体収集用エプロンを伴
う本発明に従う半電池の断面図である。

図６は、本発明に従う半電池の例（気体を個々のガス
ポケットに直接供給）断面図である。

図７は、図６の線Ａ−A'に相当する図６に従う半電池
を貫く断面図である。

図7aは、図７の拡大詳細図である。

図８は、図６の線Ｂ−B'に相当する図６に従う半電池
を貫む断面図である。

図９は、図６に従う半電池の変形［気体をプラグイン
パイプ（plug−in pipes）に通してガスポケットに供
給）］の断面図である。

図10は、図９の線Ａ−A'に相当する図９に従う半電池
を貫く断面図である。

実施例 実施例１ 酸素消費型陰極として連結させる電気化学半電池に下
記の基本的デザインおよび構造を持たせる（図２参
照）。

半電池１は膜13によって別の半電池（示していない）
から分離している。電解液100（このケースではNaOH水
溶液）を供給ライン９に通して電極空間20に加えると、
この液は膜13と気体拡散電極14の間の電解液用ギャップ
15の中を流れて収集用チャンバ５に向かう。この電極14
は外部の電力源に低いインピーダンスの電気接触（示し
ていない）で連結している。

上記拡散電極14の後方に位置する気体空間２は重畳ガ
スポケット2a、2b、2cおよび2dに細分されている。この
ガスポケット2a−2dの後方に位置する後方空間３には電
解液100が入っていて、これの圧力は上記収集用チャン
バ５を通して上記電解液用ギャップ15内の電解液100の
それと平衡状態になっている。

ガスポケット2a−2dの気体流入口および気体流出口の
個々の配置が基本的に互いに異なるいろいろな例を以下
に示す。

最下位のガスポケット2aに気体が直接供給されると、
図１に示すように、余分な気体はディップチューブ12a
を通ってバブルチャンネル3aの中に導かれる。このバブ
ルチャンネル3aは、その上部が開いており、このように
して、上記後方空間３に入っている圧力補正用電解液10
0と伝達状態にある。このバブルチャンネル3aは、それ
の側面および上部において、高い方に位置する次のガス
ポケット2bの開口部７の所まで閉じられている。このバ
ブルチャンネル3aの後方側を電気化学半電池１の後方壁
（図２の断面Ｂ−B'を参照）で構成させるか或は独立し
た密封壁（示していない）で構成させる。この後者の構
造にすると、例えば、挿入するガスポケットの取り付け
および取り外しを独立して行うことが可能になる。上昇
して来た気泡はバブルチャンネル3aの上方領域内のメニ
スカス（これのレベルは、バブルチャンネル3a内の泡効
果を考慮すると、ディップチューブ12bの末端部のレベ
ルで決まる）の面の所で電解液から分かれて、余分な気
体は、高い方に位置するガスポケット2bのもう一方の側
の所で除去される。圧力補正用背液（back liquid）
［このケースでは反応に積極的に参与する電解液100で
ある］における圧力補正は、後方の構成要素6a−6d（図
３の断面Ｃ−C'を参照）に開けた穴19を通して起こる。
後方空間３と電解液分配用チャンバ20の間に位置させた
バッフル18を用いて、膜13と気体拡散電極14の間に位置
する電解液用ギャップ15を通る積極的な流れを確保する
一方、上記の収集用チャンバ５内では、圧力補正の目的
で電解液用ギャップ15と後方空間３を互いに連結させ
る。

実施例２ 図１に示しかつ図４により詳細に示す如き特に有利な
半電池１変形では、バブルチャンネル3a−3dに個々のガ
スポケット2a、2b、2c、2dへの直接的な開口部を持たせ
ず、その代わりに、バブルチャンネル3a−3dに加えて、
領域22内の気泡が集まる上方領域の中に下方に向かって
のみ開いている横方向の連結部21を存在させる。図４に
示すように、スプレーによる気泡破裂を逃れた静的気体
が領域22から穴23を通って次のガスポケット2b−2dに導
かれる。このようなバブルチャンネル3a−3dの水平方向
配置は任意であり、これを支配するのは、個々の電気化
学半電池の構造的境界状態のみである。ガスポケット2
a、2b、2cおよび2dの中を通る流れを積極的に起こさせ
る決定的な要因は、単に各場合とも各ガスポケット2a−
2dの気体流入開口部と流出開口部が横方向に配列してい
る点にあり、気体流出口のケースでは任意に内部で気体
収集用管（示していない）を気体流入口と反対側に横方
向にずらして位置させることでそれを達成してもよい。

両方の場合とも、電極気体のさらなる添加を、下方の
ガスポケット2a−2cから高い方に位置する次のガスポケ
ット2b−2dに向かいそして消費されなかった電極気体の
排出口に至る同様なサブアセンブリ（sub−assemblie
s）によるカスケード様式で行い、その消費されなかっ
た電極気体は例えばパイプ11を通って電解質と一緒に取
り出される。

このような変形は垂直配列構造を持たせた電解槽で用
いるに特に適切である。

実施例３ 圧力補正を達成する別のさらなる方法は下記の要素を
特徴とする方法である：実施例１に記述したように最下
位のガスポケット2aに気体を仕込むと、余分な気体はガ
スポケット2aから図５に相当する開口部30aを通って出
て（それ以外の側面は全て閉じられていることから）、
そして側エプロン31a（これは個別に後方側が閉じられ
ている、即ち電気化学半電池の後方壁と一緒に気密シー
ルを形成している）内に集められる。その側エプロン31
aを通る余分な電極気体の気泡は、上記エプロンの底が
開いていて圧力補正用液体と伝達状態にあることから、
側エプロン32a（これの構造はエプロン31aに類似してい
る）の中に入る。この側エプロン32aは、ガスポケット3
1aから出て上昇する気泡をより確実に捕捉するに充分の
度合にまで横方向に広がっている。その電極気体はその
中に集められた後、開口部30bを通って高い方に位置す
る次のガスポケット2bの中に入る。その余分な気体は開
口部30cを通ってガスポケット2bから出て側エプロン31b
内に集められ、そこを溢れ出た後、側エプロン32bによ
って集められる。この過程が、実施例１に記述したのと
同様な様式で上記気体が電池を出るまでカスケード様式
で繰り返される。必須特徴は、ガスポケット2a−2dの後
方に位置していて側エプロンの外側に存在する領域が常
に圧力補正用液体で満たされる点である。このような構
造配置を用いると特に平らな半電池を構築することがで
きる。

実施例４ 具体的な用途、例えば有害または有毒ガスの蓄積を避
ける必要がある（これはガスポケット2a−2dのカスケー
ド型配列の場合不可避であり、特に上方に位置するガス
ポケットに関して不可避である）場合などでは、新鮮な
電極気体を個々のガスポケット2a−2dに直接仕込む必要
があり得る。図６に従う構造配置では、気体流出で用い
るバブルチャンネル42aから42dのデザインは実施例１の
デザインと同様である。しかしながら、実施例１の場合
とは対照的に、個々の気体流入用チャンネル40a、40b、
40cおよび40dは個々のガスポケットに直接向かうように
伸びており、そして図７の断面Ａ−A'の例えば41cで示
す如き相当する開口部を通って導かれてガスポケット2c
の中に入る。バブルチャンネル40a−40dは底が開いてい
て圧力補正用液体（電解液100）と直接伝達状態になっ
ていることが必須である。気体が分配用管44を通って送
り込まれると、各場合ともノズル45を通って関連のある
バブルチャンネル40a−40dの中に送り込まれることを中
して、上記バブルチャンネルに気体が送り込まれる。個
々のノズル45が圧力補正用液体と直接伝達状態にあるこ
とで等圧条件が存在する結果として個々のバブルチャン
ネルへの送り込みが均一に起こる。電解液100が逆流し
てノズル45の中へ入り込まないようにする目的で、後者
を密封用のコーン様キャップ46（図7aに示す断面Ａ−A'
の詳細Ａを参照）で覆っておく。気泡はキャップ46の下
方末端に位置させたスリット47を通ることで、それの制
御された放出が起こる。電極気体はガスポケットの通を
通った後、図８の断面Ｂ−B'に示すように、反対側末端
でディップチューブ42cを通ってポケット、例えばポケ
ット2cなどから出ることに加えて、圧力補正が起こる。
後方の構成要素6a−6e内にギャップ19を存在させている
ことから、気泡の自由な上昇そして必要な圧力補正が保
証される。

実施例５ 本発明に従う半電池のさらなる変形を図９に示し、こ
こでは、気体を直接挿入管50a、50b、50cおよび50dに通
して個々のガスポケット2a−2dの中に送り込む。この場
合、ガスポケット2a−2dへの均一な供給を確保すること
ができるように、個々のパイプ50a−50dを供給用パイプ
51に関係させて例えば絞り弁52a−52dなどで調節する必
要がある。この調節はオン−オフ様式または永久的取り
付け形態のように如何なる様式で行われてもよい。図10
の断面Ａ−A'に示すように、ガスポケット2cの中を流れ
た後の消費されなかった電極気体は、この上に示した実
施例に記述したのと正確に同じ様式で、ディップチュー
ブ42cを通って上記ガスポケット2cを出る。両方の場合
とも、気泡が自由に移動して出て行きそして圧力補正が
起こり得ることを確保する目的で、後方の構造要素6a−
6eにギャップを持たせる。

特に、この最後に示した変形は特に平らな半電池の構
築を可能にするものである。

なお、本発明の主たる特徴および態様は次のとおりで
ある。

1. 電解液（100）を受け取る少なくとも１つの電極空
間（３、15）、気体空間（２）、および該気体空間
（２）と電極空間（３、15）を分離している、陽極また
は陰極としての少なくとも１つの気体拡散電極（14）を
含んでおり、ここで、該気体空間（２）が互いに分離し
ている２つ以上の重畳ガスポケット（2a、2b、2c、2d）
に細分されていて、それらが、各ガスポケット（2a、2
b、2c、2d）内の圧力が該電解液（100）用の開口部
（７）を通して該気体拡散電極（14）の前方に位置する
該電極空間（３、15）の相当する部分（15）内の該電解
液（100）の液柱の圧力と平衡状態になるように、該電
解液（100）用の開口部（７）を有する、電気化学半電
池（１）であって、個々のガスポケット（2a、2b、2c、
2d）の気体流入口（７）と気体流出口（12a、12b、12
c、12d）が互いに空間的に離れていることを特徴とする
半電池。

2. 個々のガスポケット（2a、2b、2c、2d）内に電極気
体の横方向流れが存在するようにガスポケット（2a、2
b、2c、2d）の気体流入口（７）と気体流出口（12a、12
b、12c、12d）が互いから横方向にずれた状態で配列し
ていることを特徴とする上記１の半電池。

3. 下方のガスポケット（2a、2b、2c）の気体流出口
（12a、12b、12c、12d）がその上に位置するガスポケッ
ト（2b、2c、2d）の気体流入口（3a、3b、3c、3d）に連
結していることによって該重畳ガスポケット（2a、2b、
2c、2d）がカスケード様配列で互いに連結していること
を特徴とする上記１または２の半電池。

4. 該ガスポケット（2a、2b、2c、2d）が各々直接気体
流入口を有することを特徴とする上記１または２の半電
池。

5. 該ガスポケット（2a、2b、2c、2d）がこのガスポケ
ット（2a、2b、2c、2d）から余分な気体を除去するため
のディップチューブ（42a、42b、42c、42d）を有するこ
とを特徴とする上記１から４の半電池。

6. 該ガスポケット（2a、2b、2c、2d）が、流れ込む電
極気体を受け取るための、該開口部（７）に直接または
間接的に連結しているバブルチャンネル（3a、3b、3c、
3d）を有することを特徴とする上記１から５の半電池。

7. 該ガスポケット（2a、2b、2c、2d）が気体を集める
ための横方向エプロン（32a、32b、32c、32d）を気体流
入用として有しそして／または横方向エプロン（31a、3
1b、31c、31d）を気体流出用として有することを特徴と
する上記１から６の半電池。

8. 該ガスポケット（2a、2b、2c、2d）が、気体を独立
して直接供給するための、電解液（100）用のオープン
バブルチャンネル（40a、40b、40c、40d）を有すること
を特徴とする上記１から７の半電池。

9. 該バブルチャンネル（40a、40b、40c、40d）への気
体供給が絞りノズル（45）を通して起こり、この絞りノ
ズル（45）が、場合により、側スリットを有するシーリ
ングコーン（46）で覆われていてもよいことを特徴とす
る上記８の半電池。

10. 該ガスポケット（2a、2b、2c、2d）が、気体が直
接流れ込むようにするための挿入パイプ（50a、50b、50
c、50d）を有しており、それに加えて各場合とも場合に
より、該挿入パイプに、該ガスポケット（2a、2b、2c、
2d）に流れ込む気体流れを調節するためのコントロール
バルブ（52a、52b、52c、52d）が与えられていてもよい
ことを特徴とする上記４の半電池。

11. 重畳ガスポケット（2a、2b、2c、2d）の気体流入
口（７）と気体流出口（12a、12b、12c、12d）が交互側
にか或は各場合とも同じ側に位置することを特徴とする
上記１から10の半電池。

12. 電解液用ギャップ（15）と電解液用後方空間
（３）が水圧的に分離していることで該気体拡散電極
（14）の前方領域と後方領域の間の差圧を自由に調整す
ることができることを特徴とする上記１から11の半電
池。

13. 最下位のガスポケット（2a）への気体流入（10）
が該電極空間（３、15）への電解液の流入（９）と一緒
に連結用パイプ（10）を通して軸方向に起こりそして／
または余分な気体の排出が該電解液と一緒に流出用パイ
プ（11）を通して上部で起こることを特徴とする上記１
から12の半電池。

14. 該電解液用ギャップ（15）が上部で該ガスポケッ
ト（2a、2b、2c、2d）の後方の電解液用後方空間
（３）、即ち上記ガスポケットのオーバーフローに水圧
的に連結しており、そして該電解液と一緒に起こる余分
な気体の排出が、該ガスポケット（2a、2b、2c、2d）の
後方領域内のスタンドパイプを通って下方方向に起こる
か、或は同じ高さに位置する気液分離装置と一緒に横方
向に配置されているパイプ（22）を通って横向きに起こ
ることを特徴とする上記１から13の半電池。

15. 該電解液（100）の液体レベルが、該ガスポケット
（2a、2b、2c、2d）の後方の電解液用後方空間（３）内
のスタンドパイプの高さでか或は横方向に位置している
パイプの高さを通して、該電解液用ギャップ（15）内の
電解液（100）のレベルに関して異なる様式で調節可能
であり、このようにして、ガスポケット（2a、2b、2c、
2d）の全部に関する気体空間（２）と電解液用ギャップ
（15）の間の差圧も同様に可変であることを特徴とする
上記14の半電池。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C25B 1/00 - 15/08 H01M 4/86

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電解液（100）を受け取る少なくとも１つ
   の電極空間（３、15）、気体空間（２）、および該気体
   空間（２）と電極空間（３、15）を分離している、陽極
   または陰極としての少なくとも１つの気体拡散電極（1
   4）を含んでおり、ここで、該気体空間（２）が互いに
   分離している２つ以上の重畳ガスポケット（2a、2b、2
   c、2d）に細分されていて、それらが、各ガスポケット
   （2a、2b、2c、2d）内の圧力が該電解液（100）用の開
   口部（７）を通して該気体拡散電極（14）の前方に位置
   する該電極空間（３、15）の相当する部分（15）内の該
   電解液（100）の液柱の圧力と平衡状態になるように、
   該電解液（100）用の開口部（７）を有する、電気化学
   半電池（１）であって、個々のガスポケット（2a、2b、
   2c、2d）の気体流入口（７）と気体流出口（12a、12b、
   12c、12d）が互いに空間的に離れていることを特徴とす
   る半電池。
2. 【請求項２】個々のガスポケット（2a、2b、2c、2d）内
   に電極気体の横方向流れが存在するようにガスポケット
   （2a、2b、2c、2d）の気体流入口（７）と気体流出口
   （12a、12b、12c、12d）が互いから横方向にずれた状態
   で配列していることを特徴とする請求の範囲第１項記載
   の半電池。
3. 【請求項３】下方のガスポケット（2a、2b、2c）の気体
   流出口（12a、12b、12c、12d）がその上に位置するガス
   ポケット（2b、2c、2d）の気体流入口（3a、3b、3c、3
   d）に連結していることによって該重畳ガスポケット（2
   a、2b、2c、2d）がカスケード様配列で互いに連結して
   いることを特徴とする請求の範囲第１または２項記載の
   半電池。
4. 【請求項４】該ガスポケット（2a、2b、2c、2d）が各々
   直接気体流入口を有することを特徴とする請求の範囲第
   １または２項記載の半電池。
5. 【請求項５】該ガスポケット（2a、2b、2c、2d）がこの
   ガスポケット（2a、2b、2c、2d）から余分な気体を除去
   するためのディップチューブ（42a、42b、42c、42d）を
   有することを特徴とする請求の範囲第１から４項のいず
   れか１項に記載の半電池。