JP4721370B2 - 電極構造 - Google Patents

Description

この発明は、排水の浄化のための電気分解などに使用される電極の構造に関するものである。

従来より、排水の浄化のためなどに電気分解が行われており、その電極として高価な白金電極が主として使用されている。
これに対し、本発明者は電気分解に有用なフェライト電極を開発し、プール水や工場排水などの浄化に実用化している。このフェライト電極は、既存の白金メッキ製の電極と比較して高電流を流すことが可能である（白金メッキは高電流下で層間剥離を起こし易い）と共に非常に長寿命であるという利点を有する。そして、本発明者は次の提案を行っている（特許文献１）。
この文献１は、電極面積あたりの通電量を上げても長時間耐久性能が良く電解効率の高い電解装置を提供することを課題として、筒形の陽極と陰極を交互に同心円状に極間距離をとり、重ねて配置し、陽極はその軸芯方向に長い孔があるフェライトのパイプとして、その孔の中に導電性の金属端子本体を挿入すると共に常温で液体である水銀で充たしておき、フェライト電極と金属端子との水銀を介した電気的導通を十分にとることにより、相互間の導電性を高めるようにしたものである。
しかし、この発明にはフェライト電極と金属端子との導電性に優れるという大きな利点があるものの、電気分解時にフェライト電極の温度が上昇してくると、フェライト電極と金属端子との間に充填した水銀が熱膨張して漏出することがあるという問題があった。
特開２００１−３４７２７０号公報

そこでこの発明は、電極自体と（外部）接続用端子との間の導電性に優れると共に従来よりも熱的に安定な電極構造を提供しようとするものである。

前記課題を解決するためこの発明では次のような技術的手段を講じている。
(１)この発明の電極構造は、電極とその制御用機器とを電気的に接続する接続用端子とを具備し、前記電極と接続用端子との相互間にはイオン液体を介在させるようにしたことを特徴とする。
この発明でイオン液体とは室温でも液体で存在する塩であって、電流を流すことができ、100℃以下での体積変化が小さいものをいう。前記電極としてセラミックス電極（フェライト電極など）、白金電極を例示することができ、その形状として板状（フラット）のものや円筒状のものを例示することができる。前記セラミックス電極は焼き物であって脆性を有し基本的に電極端子を取り付けにくいものであるので、電極端子の取り付けが不要となるこの発明を特に好適に適用することができる。前記電極として主として陽極（溶出側であって溶出が少ないセラミックス電極が好適である）に適用することができるが、陰極にももちろん適用することができる。

このように構成し、電極と接続用端子との相互間にイオン液体を介在させるようにしたので、電極と接続用端子とがイオン液体との界面を介して電気が流れることとなる。よって、電極自体に電極端子を無理に取り付ける必要はない。
また、電気分解の際に高電流を流すと電極やその近傍の温度が上昇することがあるが、前記温度が50〜70℃、昇温が著しい場合100℃近くに昇温しても介在するイオン液体の容積は殆ど変化することがない。この電極構造は電気分解や電池その他に適用することができる。
ここで、前記イオン液体は例えばイミダゾリウム，ピリジニウム，第４級アンモニウム，第４級ホスホニウムなどのカチオンと，ハロゲン，トリフラート，テトラフルオロボラート，ヘキサフルオロホスフェートなどのアニオンから成る塩とすることができ，比較的低温で液体状態となる。イオン液体は基本的にはイオンのみから構成される液体であり，塩を溶媒に溶解させた溶液よりも大きなイオン密度を有し、また広い電位窓を有する。
そして水に電圧がかかった場合、陰極側で水素イオンが電子を受け取って水素が発生し電気分解が起こり易いが（なお電極の材質等にも依存）、イオン液体は広い電位窓を有するので電圧がかかっても電気分解は発生し難い。

(２) 前記イオン液体は形態安定性が付与されたものとしてもよい。前記イオン液体に形態安定性を付与する手段として、イオン液体を保液性素材に含浸させたりイオン液体をゲル状に形成したりすることを例示できる。前記保液性素材としてフェルト、スポンジ、布、活性炭、珪藻土などを例示することができる。保液性素材の態様として、柔軟でポーラスな樹脂を例示することができる。このように構成すると、イオン液体が漏洩し難いものとなる。
（３）前記電極と接続用端子とを多層に配設してもよい。このように構成すると、例えば端部側から接続用端子−イオン液体−電極（陽極）／（被処理液体）／電極（陰極）−イオン液体−接続用端子−イオン液体−電極（陰極）／（被処理液体）／電極（陽極）−イオン液体−接続用端子などと配置して、被処理液体の処理流路を複数本乃至多数本形成することができ、電極を集積した状態で高効率で処理を行うことができる。
（４）前記イオン液体は金属微粒子が分散されたものであることとしてもよい。具体的には、イオン液体に白金、金、銀、銅、アルミニウム、チタン、ニッケル、ステンレス、カーボンなどの微粒子パウダーが混合され液中に分散され保持されたものを例示できる。このように構成すると、元々の導電率がそれ程までは高くないイオン液体（導電率で例えば数十ｍS/cmなど）であっても、その導電率を向上させて電極と接続用端子との間に好適に電気を流すことができる。

この発明は上述のような構成であり、次の効果を有する。
電極と接続端子とがイオン液体との界面を介して電気が流れることとなるので、電極自体と（外部）接続用端子との間の導電性に優れる。また、前記温度が50〜70℃、昇温が著しい場合100℃近くに昇温しても介在するイオン液体の容積は殆ど変化することがないので、従来よりも熱的に安定な電極構造を提供することができる。

以下、この発明の実施の形態を説明する。
（実施形態１）
図１及び図２に示すように、この実施形態の電極構造は、電極１とその外部の制御用機器（図示せず）とを電気的に接続する接続用端子２とを具備し、前記電極１と接続用端子２との相互間にはイオン液体３を介在させるようにしている。なお接続用端子２を、図１では円柱状のもの、図２では角柱状のものとして図示している。前記接続用端子２からは、外部の制御用機器へと電線Wで電気的に接続している。
陽極電極（溶出側）1Aとするセラミックス電極の形状は円筒状とした。この内周に金属製（ステンレス製）で柱状の接続用端子２を挿入し、セラミックス電極1A（フェライト電極）と接続用端子２の相互間にイオン液体３を封入（封入状態は図示せず）している。前記円筒状の陽極電極1Aの外周側にはこれよりも大径のチタン製の陰極電極1Bを同芯円状に配しており、このチタン製の陰極電極1Bから外部の制御用機器へと電線Wで電気的に接続している。そして、陽極電極1Aと陰極電極1Bとの相互間の被処理液体４に電圧をかけて電気分解するようにしている。前記被処理液体４が排水の場合には電気分解により浄化してCODを低減することができ、前記被処理液体４が食塩水の場合には電気分解により次亜塩素酸を有する殺菌水を生成させることができる。

前記イオン液体３は室温でも液体で存在する塩であって、電流を流すことができ、100℃以下での体積変化が小さいものである。このイオン液体３は例えばイミダゾリウム，ピリジニウム，第４級アンモニウム，第４級ホスホニウムなどのカチオンと，ハロゲン，トリフラート，テトラフルオロボラート，ヘキサフルオロホスフェートなどのアニオンから成る塩とすることができ，比較的低温で液体状態となる。イオン液体３は基本的にはイオンのみから構成される液体であり，塩を溶媒に溶解させた溶液よりも大きなイオン密度を有し、また広い電位窓を有する。
すなわち水に電圧がかかった場合、陰極側で水素イオンが電子を受け取って水素が発生し電気分解が起こり易いが（なお電極の材質等にも依存）、イオン液体は広い電位窓を有するので電圧がかかっても電気分解は発生し難い。

次に、この実施形態の電極構造の使用状態を説明する。
この電極構造は上記のように構成し、セラミックス電極1Aと接続用端子２との相互間にイオン液体３を介在させるようにしたので、セラミックス電極1Aと接続用端子２とがイオン液体３との界面を介して電気が流れることとなり、セラミックス電極1A自体と外部の制御用機器への接続用端子２との間の導電性に優れる。よって、脆性を有するセラミックス電極自体に電極端子を無理に取り付ける必要はないという利点を有する。
また、電気分解の際に高電流を流すとセラミックス電極1Aやその近傍の温度が上昇することがあるが、前記温度が50〜70℃、昇温が著しい場合100℃近くに昇温しても介在するイオン液体３の容積は殆ど変化することがなく従来よりも熱的に安定であるという利点を有する。
さらに、前記陽極電極1Aはセラミックス電極であり、このセラミックス電極1Aは焼き物であって脆性を有し基本的に電極端子を取り付けにくいものであるので、電極端子の取り付けが不要となるこの発明を特に好適に適用することができる。

（実施形態２）
図３に示すように、この実施形態では、セラミックス製の陽極電極1Aとチタン製の陰極電極1Bの形状を直方体状の板状（フラット）として対向して配置するようにしている。セラミックス製の陽極電極1Aとチタン製の陰極電極1Bの外側には同様の形状で少し薄いステンレス製の接続用端子２を配し、これら相互間にイオン液体３を封入（封入状態は図示せず）している。前記接続用端子２からは、外部の制御用機器（図示せず）へと電線Wで電気的に接続している。なお、前記チタン製の陰極電極1Bの方は、その端部から直接電線を引き出せるような構造に形成してもよい。
また、前記イオン液体３は形態安定性が付与されたものとしている。前記イオン液体３に形態安定性を付与する手段として、イオン液体３を保液性素材に含浸させたりイオン液体３をゲル状に形成したりすることを例示できる。前記保液性素材としてフェルト、スポンジ、布、活性炭、珪藻土などを例示することができる。保液性素材の態様として、柔軟でポーラスな樹脂を例示することができる。このように、イオン液体３は形態安定性が付与されたものとしているので、イオン液体が漏洩し難いものとなるという利点を有する。
（実施形態３）
図４に示すように、この実施形態では電極１と接続用端子２とを多層に配設している。すなわち、左側端部から接続用端子２−イオン液体３−電極１（セラミックス製の陽極電極1A）／（被処理液体４）／電極１（チタン製の陰極電極1B）−イオン液体３−接続用端子２−イオン液体３−電極１（チタン製の陰極電極1B）／（被処理液体４）／電極１（セラミックス製陽極電極1A）−イオン液体３−接続用端子２と配置している。そして前記接続用端子２からは、外部の制御用機器（図示せず）へと電線Wで電気的に接続している。
このように構成しており、被処理液体４の処理流路を複数本乃至多数本形成することができ、電極１を集積した状態で高効率で処理を行うことができるという利点を有する。
以上の各電極構造は、電気分解や電池その他に適用することができる。

電極自体と（外部）接続用端子との間の導電性に優れ、従来よりも熱的に安定な電極構造を提供することができるので、種々の電極の用途に適用することができる。

この発明の電極構造の実施形態１の陽極電極と接続用端子とを特に説明する斜視図。 この発明の電極構造の実施形態１を説明する斜視図。 この発明の電極構造の実施形態２を説明する斜視図。 この発明の電極構造の実施形態３を説明する斜視図。

符号の説明

１ 電極
２ 接続用端子
３ イオン液体

Claims (3)

1. 排水の浄化のための電気分解に有用なフェライト電極と接続用端子との間の構造が導電性に優れ熱的に安定なものとするためにイオン液体を用い、前記電極とその制御用機器とを電気的に接続する接続用端子とを具備し、前記電極と接続用端子との相互間にはイオン液体を介在させるようにし、前記イオン液体は形態安定性が付与されたものであることを特徴とする電極構造。
2. 前記電極と接続用端子とを多層に配設した請求項１記載の電極構造。
3. 前記イオン液体は金属微粒子が分散されたものである請求項１又は２記載の電極構造。