JP5271896B2 - 電気分解装置、それに用いる電極および電気分解方法 - Google Patents

Description

本発明は、電解液を電気分解するための電気分解装置、それに用いる電極および電気分解方法に関するものである。

半導体製造装置等をクリーニングするガスとして、温暖化係数の小さいフッ素ガスが注目されている。しかしながら、フッ素ガスは爆発性が強く、高圧でガスボンベに充填することができず、さらにこれらの性質により運搬コストが高くなるという問題がある。そのため、フッ素ガスを使用する場所に供給することができるフッ素ガス発生装置が開発されている（例えば、特許文献１参照)。
特許文献１には、隔壁によって正極室と負極室に分離された電解槽と、前記正極室と前記負極室にそれぞれガスを供給し、前記正極室及び前記負極室内を所定の圧力に維持する圧力維持手段を備えたフッ素ガス発生装置が記載されている。特許文献１には、このようなフッ素ガス発生装置によれば、フッ化水素を含む混合溶融塩を電気分解して高純度のフッ素ガスを生成することができると記載されている。
特開２００２−３３９０９０号公報

しかしながら、電解液を電気分解する過程において発生したガス等の処理が不適切であると、電解液中の成分と相まって電極の表面に絶縁性の化合物が形成される。このような電極の表面を被覆する絶縁性化合物を未処理の状態で電気分解を継続した場合、電気分解が停止することもあった。詳しくは以下のとおりである。

１）電気分解で発生したガスが、電極の表面から剥離せず、電極の表面に長時間にわたって付着する。
２）電圧が印加された電極には電流が生じており、電気分解で発生したガスとの電気化学作用によって、そのガスが電極の表面に絶縁性化合物を形成する。
３）気泡が付着している電極の表面は電解液に接触していないので、電流は流れず電気分解に寄与しない。一方、気泡が付着していない電極の表面は、相対的に電流密度が上昇する。このように、同一電極表面における電流密度の不均一が生じ、効率よく所望のガスを生成することができない。特に電気分解装置を駆動した場合、気泡が付着している電極の表面に絶縁性化合物が形成される場合があり、この結果、電極表面の電流密度の不均一性が増大することがあった。
４）上記のように電極面における発生ガスの影響を受けるので、電極構造および電解槽の設計の自由度が制限されていた。

本発明は、上述の事情を鑑みてなされたものであり、電気分解の効率を向上することによって所望のガスを効率良く生成することが可能な電気分解装置、それに用いる電極および電気分解方法を提供するものである。

本発明は以下の構成を備える。
（１）電解液に接する陽極および陰極を備える電気分解装置であって、
前記陽極および前記陰極の少なくとも一方が、
前記電解液を電気分解することにより気体が発生するガス生成面と、
前記ガス生成面から他方の面に通じ、該ガス生成面で発生した前記気体を選択的に通過させる多数の貫通孔と、
前記ガス生成面から前記貫通孔を介して供給された前記気体を放出する、前記他方の面であるガス放出面と、を備える通気性構造の電気導電体からなり、
前記ガス生成面に前記電解液に対して親液性となる表面処理および前記ガス放出面に前記電解液に対して疎液性となる表面処理の少なくとも一方の処理が施されていることを特徴とする電気分解装置。

（２）前記電解液が貯留槽に充填されていることを特徴とする（１）に記載の電気分解装置。

（３）前記陽極および前記陰極は並行に設けられ、各々の前記ガス生成面は対向していることを特徴とする（１）または（２）に記載の電気分解装置。

（４）前記陽極および前記陰極の少なくとも一方は、前記電解液の液面に対し垂直方向に浸漬していることを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載の電気分解装置。

（５）前記陽極および前記陰極の少なくとも一方の前記ガス放出面を覆い、前記ガス放出面から放出された前記気体を収容するガス収容部を備えたことを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかに記載の電気分解装置。

（６）少なくとも２対の前記陽極および前記陰極を備えるとともに、前記陽極の前記ガス放出面同士および前記陰極の前記ガス放出面同士の少なくとも一方が対向しており、
対向する一対の前記ガス放出面のいずれも覆う前記ガス収容部を備えることを特徴とする（５）に記載の電気分解装置。

（７）前記ガス収容部は不活性ガス供給部を備え、前記ガス収容部内に前記不活性ガス供給部から不活性ガスを供給することにより換気可能に構成されていることを特徴とする（５）または（６）に記載の電気分解装置。

（８）前記陽極または前記陰極の前記ガス収容部は原材料ガス供給部を備え、
前記原材料ガス供給部から供給された原材料ガスを、前記貫通孔を介して前記電解液に供給可能に構成されていることを特徴とする（５）または（６）に記載の電気分解装置。

（９）前記陽極および前記陰極の少なくとも一方は、前記電解液面に対して水平に配設されるとともに、前記ガス生成面のみが前記電解液の液面に接触していることを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかに記載の電気分解装置。

（１０）前記電解液面に対して水平に配設された前記陽極および前記陰極の少なくとも一方は、上下動可能に構成されていることを特徴とする（９）に記載の電気分解装置。

（１１）前記貯留槽には原材料ガス供給部が設けられており、
前記原材料ガス供給部から前記電解液に原材料ガスを供給可能に構成されていることを特徴とする（２）に記載の電気分解装置。

（１２）前記陽極または前記陰極の少なくとも一方に対して超音波を印加する超音波発生手段を備えたことを特徴とする（１）乃至（１１）のいずれかに記載の電気分解装置。

（１３）親液性となる前記表面処理はプラズマ処理、オゾン処理またはコロナ放電処理であり、
疎液性となる前記表面処理はフッ素樹脂コーティング処理、フッ素系のガスを用いたプラズマ処理またはフッ素ガス処理であることを特徴とする（１）乃至（１２）のいずれかに記載の電気分解装置。

（１４）前記陽極および前記陰極の少なくとも一方は、メッシュ構造、ポーラス構造、多孔質膜構造およびフィルム状または板状の前記電気導電体の厚さ方向に多数の前記貫通孔が設けられた構造から選択される通気性構造を有することを特徴とする（１）乃至（１３）のいずれかに記載の電気分解装置。

（１５）前記電解液は、フッ化水素を含む溶融塩であり、前記原材料ガスが、フッ化水素を含み、
前記陽極においてフッ素ガスを発生させることを特徴とする（８）、（１１）乃至（１４）のいずれかに記載の電気分解装置。

（１６）電解液を電気分解することにより気体が発生するガス生成面と、
前記ガス生成面から他方の面に通じる多数の貫通孔と、
前記ガス生成面から前記貫通孔を介して供給された前記気体を放出する、前記他方の面であるガス放出面と、を備える通気性構造の電気導電体からなり、
前記ガス生成面に前記電解液に対して親液性となる表面処理および前記ガス放出面に前記電解液に対して疎液性となる表面処理の少なくとも一方の処理が施されていることを特徴とする電極。

（１７）（１）乃至（１５）のいずれかに記載の電気分解装置を用いた電気分解方法。

（１８）任意の一面から背反面に通じる多数の貫通孔を擁した電気導電体に対し、電解液で濡らしたい面を親液性とする表面処理と、電解液で濡らしたくない背反面を疎液性とする表面処理との、何れか、もしくは両方を施すことにより気体のみを通過する通気性構造の導電体でなる電極を、陽極もしくは陰極の少なくとも何れかに用いたことを特徴とする電気分解装置。

本発明の電気分解装置によれば、電極の表面における気泡の付着およびそれに伴う絶縁性化合物の生成を抑制することにより、電極の単位面積あたりの電流密度が長時間に亘り均一なものとなるので、電気分解において効率的に所望のガスを得ることができる。さらに、電極面における発生ガスの影響が抑制されるので、電極構造および電解槽の設計の自由度が向上する。

本実施形態に係る電気分解装置の概略構成図である。 本実施形態に係る電気分解装置に用いる電極の拡大平面図である。 図３（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は本実施形態に係る電気分解装置に用いる電極の拡大縦断面図である。 本実施形態に係る電気分解装置に用いる電極の（ａ）正面図、（ｂ）上面図である。 本実施形態に係る電気分解装置に用いる電極の（ａ）正面図、（ｂ）縦断面図、他の電極の（ｃ）正面図、および（ｂ）縦断面図である。 本実施形態に係る電気分解装置に用いるメッシュ電極の拡大平面図である。 本実施形態に係る電気分解装置に用いる換気ダクト付電極の概略構成図である。 本実施形態に係る換気ダクト付電極を用いた電気分解装置の概略構成図である。 本実施形態に係るガス放出面に気体流路を配設した電気分解装置の概略構成図である。 本実施形態に係る落し蓋形状の電極を用いた電気分解装置の概略構成図である。 本実施形態に係る落し蓋形状の電極を用いた電気分解装置の概略構成図である。 本実施形態に係る短冊状の複数の電極を用いた電気分解装置の概略構成図である。 本実施形態に係る短冊状の複数の電極を用いた電気分解装置の概略構成図である。 本実施形態に係る陽極および陰極が水平に配設された電気分解装置の概略構成図である。 本実施形態に係る陽極および陰極が水平に配設された電気分解装置の概略構成図である。 本実施形態に係る超音波発生装置を備える電気分解装置の概略構成図である。 本実施形態に係る電気分解セル実験装置の（ａ）平面図、（ｂ）正面図である。 本実験装置における電気分解セルの（ａ）正面図、（ｂ）そのＤ−Ｄ断面図である。 本実験装置における電気分解セル用の（ａ）電極の正面図、（ｂ）通電用金属枠の正面図である。 実験１において、電気分解する時間と電流密度の関係を示すグラフである。 実験３において、電気分解する時間と電流密度の関係を示すグラフである。 本実施形態に係る電気分解セルの（ａ）上面図、（ｂ）Ａ−Ａ線断面図である。 本実施形態に係る電気分解セルのカソード電極の側面図である。 本実施形態に係る電気分解セルの（ａ）上面図、（ｂ）Ａ−Ａ線断面図である。 本実施形態に係る電気分解セルの（ａ）上面図、（ｂ）アノード電極の側面図である。 図２５（ｂ）のカソード電極のＡ−Ａ線断面図である。 本実施形態に係る、対向するガス生成面をいずれも囲繞するガス収容部を備えた電気分解装置の概略構成図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

以下、図１に基づいて第１実施形態について説明する。
（第１実施形態）
本実施形態に係る電気分解装置は、電解液７に接する陽極５ａおよび陰極５ｂを備える。この陽極５ａおよび陰極５ｂの少なくとも一方は、以下の構成を備える通気性構造の電気導電体からなる。

（ａ）電解液７を電気分解することにより気体が発生するガス生成面αと、ガス放出面βに通じる多数の貫通孔６と、ガス生成面αから貫通孔６を介して供給された気体を放出するガス放出面βとを備える。
（ｂ）次の少なくとも一つの処理が施されている。（ｉ）ガス生成面αに電解液７に対して親液性となる表面処理。（ii）ガス放出面βに電解液７に対して疎液性となる表面処理。

図１は本実施形態に係る電気分解装置の概略断面図である。図１に示すように、電気分解装置は、貯留槽である電解槽１００に、溶融塩を含む電解液７を満たし、その電解液７中に、直流電源に接続された電極５が浸漬されている。電極５は、陽極（アノード電極）５ａ、陰極（カソード電極）５ｂとからなる。

電解槽１００の一端には、気体流路入口（以下、「原材料ガス入口」ともいう）１が配設されている。原材料ガス入口１を介して、電解槽１００の電解液７中に原材料ガス８０が吹き込まれ、電解槽１００の底部の一角から電解液７中に気泡８１として導入される（バブリング）。これにより、電解液７の濃度を維持することができるとともに電解液７の濃度を均一にすることができる。なお、電解槽１００は、別途、電解液７を撹拌することにより電解液７の濃度を均一にすることができる撹拌手段が設けられていてもよい。

また、電解槽１００のほぼ中央の上部には仕切１０が設けられている。この仕切１０の両側に陽極５ａ、陰極５ｂが配設されており、電気分解の進行に伴って所望の気体が仕切１０の両側において、混合することなく区別されながら得られるように構成されている。

電解槽１００は、電解液７の上部空間から所望の気体を排出することができる気体流路出口（以下、「ガス出口」ともいう）２Ａ，２Ｂを備える。
ガス出口２Ａは、陽極５ａにおいて発生した気体（気泡８ａ，８Ａ）を効率良く回収することができるように構成されている。ガス出口２Ｂは、陰極５ｂにおいて発生した気体（気泡８ｂ，８Ｂ）を効率良く回収することができるように構成されている。

陽極５ａおよび陰極５ｂは、気体を選択的に通過する通気性の貫通孔（気体微細流路）６を備えている。この貫通孔６を備える電極は、メッシュ構造（図６）と、ポーラス構造（図示せず）と、多孔質膜構造（図示せず）と、フィルム状または板状の電気導電体の厚さ方向に多数の貫通孔６を設けた構造（図５，６等）と、織物構造（図７）の少なくとも何れかの構造を有する。

図２は本実施形態に係る電気分解装置に用いる電極５の部分拡大平面図である。図２に示すように、電極５には直径１００μｍの貫通孔６が１５０μｍピッチに６０度の角度で千鳥状に規則正しく開口している。

本実施形態においては、取り扱うガスや電解液７の種類、電解槽１００の形態、電解液７の撹拌方式によっては、例えば、直径が０．０５〜１ｍｍ程度の貫通孔６が多数形成された構造とし、電気分解の結果発生した気泡８ａ，８Ａ，８ｂ，８Ｂがこの貫通孔６を通過させる構成とすることもできる。

図３（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態に係る電気分解装置に用いる電極５の拡大縦断面図である。図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、電解液７に対して親液性となる表面処理１１０および／または疎液性となる表面処理１１１が施されている。

図３（ａ）に示す電極５は、異極に対向する電極面であって、電解液７を電気分解して気体が発生するガス生成面（以下、「対向電極面」、「電極おもて面」または「おもて面」ともいう）αに、電解液７に対し親液性の表面処理１１０が施してある。一方、ガス生成面αの裏面は、ガス放出面（以下、「電極裏面」または「裏面」ともいう）βであり、無処理である。

このような電極５を電解液７に浸して電気分解を行うと、電気分解の結果、ガス生成面αにおいて気体が発生する。親液性のガス生成面αは、電解液７と馴染みやすいので、ガス生成面αにおいて電気分解により発生した気体（気泡８ａ，８ｂ）は、貫通孔６を介してガス生成面αの裏面であるガス放出面βに移動する力を受ける。

電極５のガス放出面βに、気泡８ａ，８ｂが集まって気泡８が形成されると、更に効率よく気泡８ａ，８ｂが気泡８へ移動する。つまり、電極５のガス生成面αの液体と、電極５のガス放出面βの気体との気液界面において、気液分離が行われる。その結果、ガス生成面αにおいて気泡８ａ，８ｂを速やかに除去することが可能となる。そして、ガス放出面βにおいて気体の蓄積量が所定量以上となると、気泡８Ａ，８Ｂとして放出される（図１）。

また、図３（ｂ）に示す電極５は、ガス生成面αは無処理であり、ガス生成面αの裏面に位置するガス放出面βは、電解液７に対し疎液性の表面処理１１１が施してある。
このように、ガス放出面βは、ガス生成面αと比較して疎液性であり電解液７よりも気体と馴染みやすいので、ガス生成面αにおいて電気分解により発生した気体（気泡８ａ，８ｂ）は、貫通孔６を介してガス生成面αの裏面に位置するガス放出面βに移動する。そして、ガス放出面βにおいて、気泡８における気体の蓄積量が所定量以上となると、気泡８Ａ，８Ｂとして放出される（図１）。

また、図３（ｃ）に示す電極５は、ガス生成面αに電解液７に対し親液性の表面処理１１０が施してあり、ガス放出面βに電解液７に対し疎液性の表面処理１１１が施してある。ガス生成面αにおいて電気分解により発生した気体は、貫通孔６を介してガス生成面αの裏面に位置するガス放出面βにさらに効果的に移動する（図１）。

以下に説明するような、液体の表面張力に関連する作用によって、気泡８ａ，８ｂはガス生成面αに付着せず速やかに排除される。
液体の表面張力γ［Ｎ／ｍ］、電極と液体の接触角θ［deg］、電極の貫通孔の半径ｒ［ｍ］に対して、液体が穴の内部に入り込むために必要な圧力「ヤング・ラプラス圧力」△Ｐは以下のように定義される。
△Ｐ＝−２γｃｏｓθ／ｒ
そして、電解液７に発生する圧力として、電解液７の深さによる圧力があるが、その圧力が前記△Ｐ以下であれば、電解液７は電極５の貫通孔６を通過することができず、ガス放出面βに気泡８がより安定的に形成され保持される。
本実施形態において電極５の貫通孔６は上記の式を考慮して形成される。

以下に、本実施形態において用いることができる電極５の構造についてさらに説明する。
図５（ａ）は、本実施形態に係る電気分解装置に用いられる電極５の正面図であり、図５（ｂ）は縦断面図である。

図５（ｃ）および（ｄ）に示される電極５'は、図５（ａ）および（ｂ）に示される電極５よりも、貫通孔６'のサイズが小さく、貫通孔６'の数が多い電極である。図５（ｃ）は、電極５'の正面図であり、図５（ｄ）は縦断面図である。なお、図５（ａ）、図５（ｂ）に示す電極５において、貫通孔６の寸法や形状や配置を適宜に選択することにより、所望の電極構造を作成することができる。

図６は本実施形態に係る電気分解装置に用いられるメッシュ構造の電極の拡大平面図である。図６に示すように、複数の導電性の繊維を織り込んだメッシュ電極は、各繊維が所定範囲の隙間を確保している。そのため、この隙間によって気体微細通路を確保することが可能である。

この気体微細通路は、電解液７に対してはその表面張力により浸入・透過・浸潤を阻み、生成された気体のみは通過できるような微小な大きさの穴が通路として多数形成されている。なお、メッシュ電極の構造は、図６の構造に限定されるものではなく、気体微細通路が形成されるのであれば、導電性の繊維の編み方を適宜選択することができる。

以下に、図５に示される電極５（５'）の製造方法を説明する。
まず、板状またはフィルム状の電気導電体からなる電極板に、ドリル加工、レーザ加工やサンドブラスト加工等で貫通孔６（６'）を穿設する。また、電気導電体で作製した多孔質構造等の電極板も使用することができる。電気導電体としては、炭素材や金属を挙げることができる。

電極板のガス生成面αには、電解液７に対して親液性となるような表面処理を施すことができる。親液性の表面処理としては、プラズマ処理、オゾン処理、コロナ放電処理等を挙げることができる。

一方、ガス生成面αの裏面に位置するガス放出面β（他方の電極と対面しない面）には、電解液７に対して疎液性となるような表面処理を施すことができる。疎液性の表面処理としては、フッ素樹脂コーティング、フッ素系ガスによるプラズマ処理、フッ素ガス処理等を挙げることができる。フッ素樹脂コーティング材料としては、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）やアモルファスフッ素樹脂（製品名：ＣＹＴＯＰ（旭硝子株式会社製））を挙げることができる。

また、他の製造方法として、以下のような方法を挙げることもできる。
まず、電極板に、電解液７に対して疎液性の材料板を張り合わせて積層板を作成し、ドリル加工、レーザ加工、サンドブラスト加工等によりその積層板に貫通孔を形成する。そして、更に親液性となるような前述の表面処理を電極板表面に施す。
さらに、多孔質やメッシュ構造の電極の一方の面に、電解液７に対して疎液性の材料で作製した多孔質やメッシュを貼り付け、更に前記親液性となるような表面処理を施す方法を挙げることもできる。

なお、陽極５ａ、陰極５ｂのいずれにおいても、ガス生成面における電極の劣化等が問題になり、速やかな気泡の除去が要求される場合は、本実施形態のように陽極５ａおよび陰極５ｂのいずれも上記の電極を用いることができる。これに対し、一方の電極の劣化等が問題にならない場合、その電極は通常の棒状、板状あるいは、他方の電極を取り囲むような円筒状であってもよい。

本実施形態において、電解液７としては、フッ化水素を含む溶融塩を挙げることができ、原材料ガス８０としては、フッ化水素ガスを用いることができる。さらにこの場合、陽極５ａのガス生成面αで発生する気体はフッ素ガスであり、陰極５ｂのガス生成面αで発生する気体は水素ガスである。

以下に、本実施形態の電気分解装置における効果を説明する。
本実施形態の電気分解装置において、ガス生成面αに電解液７に対して親液性となる表面処理、ガス放出面βに電解液７に対して疎液性となる表面処理の少なくとも一方が施された電極が用いられている。

これにより、ガス生成面αの表面の気泡８ａ，８ｂを速やかに除去することができ、電極の表面における気泡の付着およびそれに伴う絶縁性化合物の生成が抑制される。そのため、電極の単位面積あたりの電流密度が長時間に亘り均一なものとなり、電気分解において効率的に所望のガスを得ることができる。

さらに、ガス生成面αおよびガス放出面βが電解液７に接触している場合には、ガス生成面αの表面に生成した気泡８ａ，８ｂがガス放出面βにおいて気泡８を形成する。そのため、気泡８ａ，８ｂは、さらにガス放出面βに移動しやすくなり、ガス生成面αの表面の気泡８ａ，８ｂをより効率よく除去することが可能となる。

また、電極５の貫通孔６は、ガス生成面αで発生した気体を選択的に通過させる。つまり、電解液７にその深さに応じた圧力（液圧）が発生した場合においても、気泡８側への電解液７の流出が抑制されている。
これにより、電解液７が貫通孔６を介してガス放出面β側に移動するのを抑制することができ、気泡８ａ，８ｂの移動が阻害されず、効率よく電気分解を行うことができる。

また、本実施形態の電気分解装置は、貯留槽（電解槽１００）に電解液７が充填されている。
本実施形態においては、上記のような表面処理が施された電極５を用いており、ガス生成面αから気泡８ａ，８ｂを容易に除去することができるので、生成ガスによる電気分解の阻害を抑制することができる。そのため、比較的大型の装置構成とすることができ、所望のガスを効率よくかつ多量に供給することができる。

本実施形態においては、陽極５ａおよび陰極５ｂは並行に設けられ、陽極５ａのガス生成面αおよび陰極５ｂのガス生成面αは対向している。
これにより、電気分解装置における面積効率が向上し、電極構造および電解槽の設計の自由度が向上する。

本実施形態において、陽極５ａおよび陰極５ｂの少なくとも一方は、電解液７の液面に対し垂直方向に浸漬している。
これにより、ガス生成面αからの気泡８ａ，８ｂの剥離が促進されるため、電極の単位面積あたりの電流密度が長時間に亘り均一なものとなる。そのため、電気分解において効率的に所望のガスを得ることができる。

本実施形態においては、原材料ガス供給部から電解液７に原材料ガス８０を供給可能に構成されている。
これにより、継続して電気分解を行うことができるとともに、原材料の濃度を一定に保つことができるので効率よく所望のガスを得ることができる。

また、原材料ガス供給部から電解液７に原材料ガス８０を供給する際に、原材料ガス８０は電解槽１００の底部からバブリングにより電解液７中に導入することができる。
そのため、電解槽１００の容積不足や、陽極５ａ，陰極５ｂの間隔が狭い等の理由で、電解液７の撹拌が不完全であっても、電解槽１００の内部や電極５の近傍において原材料濃度を均一にすることができ、そして電極５の表面における電流密度を均一にすることができる。これにより、効率よく電気分解を行って所望のガスを得ることができる。この際、電解槽１００を局所的に加熱することによって電解液７に自然対流を起こすことが好ましい。また、ポンプ等により強制的に液を流すことも可能である。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態に係る電気分解装置について、図７，図８に沿って説明する。
図７の電極５の概略構成図に示すように、電極５のガス放出面βを覆い、ガス放出面βから放出された気体を収容する気体流路３を内部に有するガス収容部（以下、換気ダクトともいう）１２が設けられている。

これにより、図８に示すように、電気分解に伴ってガス生成面αで発生した気泡８ａ，８ｂが、ガス放出面βにあるガス収容部１２の気体流路３Ａ，３Ｂへ速やかに放出される。ガス収容部１２は上部に開口部を有し、開口部から放出されたガスは気体流路出口（排出口）２Ａ，２Ｂから排出され回収される。

図９は、本実施形態の他の態様の電気分解装置であり、図８に示された電気分解装置と異なり、陽極５ａと陰極５ｂ間においてのみ電解液７が充填されている。電解槽１００には、不活性ガス供給部１Ａ，１Ｂが設けられており、不活性ガス供給部１Ａ，１Ｂより気体流路３Ａ，３Ｂに窒素やヘリウム等の不活性ガスを供給することができるように構成されている。これにより、気体流路出口（排出口）２Ａ，２Ｂから生成された気体が排出され回収される。

図９の電気分解装置においては、不活性ガスに変えて、原材料ガスを陽極５ａおよび／または陰極５ｂの貫通孔６を介して電解液７に供給されるように構成することができる。

気体を選択的に通過可能な貫通孔６を通して、原材料ガスはガス収容部１２から電解液７に供給され、電解液７に溶解する。そして、電気分解によって生成された気泡８ａ，８ｂはガス生成面αからガス収容部１２内に移動する。原材料ガスは電解液７に容易に溶解するので、原材料ガスが選択的に貫通孔６を通過して電解液７に溶解される。すなわち、目的生成ガスは電極５のガス生成面αからガス放出面βの向きに電極５の貫通孔６を通過して分離され、原材料ガスは電極５のガス放出面βからガス生成面αの向きに、電極５の貫通孔６を通過して電解液７中に分散され、原材料が補充される。
本実施形態においては、電解液としてフッ化水素を含む溶融塩を用い、原材料ガスとしてのフッ化水素ガスを、水素ガスが発生する陰極側のガス収容部１２に供給した例によって示す。

図２７は、本実施形態の他の態様の電気分解装置であり、図８に示された電気分解装置と異なり、対向するガス放出面β，βをいずれも囲繞するようにガス収容部１２が設けられている。ガス放出面βから放出されたガスは、ガス収容部１２の気体流路３Ａ，３Ｂへ速やかに放出される。ガス収容部１２は上部に気体流路出口（排出口）２Ａ，２Ｂを備え、気体流路出口２Ａ，２Ｂから生成ガスが排出され回収される。

以下に、本実施形態の電気分解装置における効果を説明する。
本実施形態の電気分解装置は、陽極５ａおよび陰極５ｂの少なくとも一方のガス放出面βを覆い、ガス放出面βから放出された気体を収容するガス収容部１２を備える。
ガス放出面βが気体で覆われている場合、気泡８ａ，８ｂが貫通孔６を介して効果的にガス放出面β側に移動するため、電極５の劣化を抑制するとともに、生成ガスを回収する能力を高めることもできる。そのため、本実施形態の電気分解装置は、比較的大型の装置においても好ましく用いることができる。

また、本実施形態の他の電気分解装置は、ガス収容部１２内に、不活性ガス供給部１Ａ，１Ｂから不活性ガスを供給することにより換気可能に構成されている。
不活性ガスの供給により気体流路３Ａ，３Ｂ内に気体の流れが形成されるので、気体８ａ，８ｂを気体流路３Ａ，３Ｂ内へ吸引する表面張力が働く。そのため、効率よく電気分解を行うことができる。

本実施形態の電気分解装置は、陽極５ａまたは陰極５ｂのガス収容部１２にガス供給部が設けられており、該ガス供給部から供給された原材料ガスを貫通孔６を介して電解液７に供給可能に構成されている。
これにより、継続して電気分解を行うことができるとともに、原材料の濃度を一定に保つことができるので効率よく電気分解を行うことができる。

本実施形態の電気分解装置は、少なくとも２対の陽極５ａおよび陰極５ｂを備え、陽極５ａのガス放出面β同士および陰極５ｂのガス放出面β同士の少なくとも一方が対向している。そして、対向する一対のガス放出面βのいずれも覆うガス収容部１２を備える。
これにより、装置構成を簡略化することでき、電解槽の設計の自由度が向上する。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態に係る電気分解装置について、図１０〜図１３に沿って説明する。
図１０〜図１３は、電解液７の液面に対して水平に配設されるとともに、ガス生成面が電解液７の液面に接触する陽極または陰極を備える電気分解装置である。
図１０は、陽極５２ａおよび陰極５２ｂのいずれもが、ガス生成面αが電解液７の液面に接触する電気分解装置の概略構成図である。これらの電極の位置決めは、電極を電解液７液面に浮かせる方法、または液面を常時管理する方法等を挙げることができる。このような構成によれば、気泡８ａ，８ｂを速やかに回収することができる。
また、陽極５２ａまたは陰極５２ｂは上下動可能に構成することができる。

図１１は、貫通孔６を有する陽極５２ａのみが、そのガス生成面αで電解液７の液面に接触する電気分解装置の概略構成図である。なお、陰極５０としては、貫通孔が形成されていない電極が用いられている。陰極５０は、棒状や板状であってもよい。陰極５０において生成される気体が電気分解を阻害しない場合、このような構成を採用することもできる。

本実施形態において、電解液７としては、フッ化水素を含む溶融塩を挙げることができ、陽極５２ａのガス生成面αで発生する気体はフッ素ガスであり、陰極５２ｂで発生する気体は水素ガスである。

なお、本発明の他の実施形態として、相互に隙間を空けてほぼ等間隔に配設された複数の短冊状の電極から構成された電極５３を備え、複数の短冊状の前記電極のうち両端に位置する電極間に直流電圧を印加することにより電気分解を行う電気分解装置を挙げることもできる。

図１２は、ガス生成面が電解液７の液面に接触する分割された電極５３を備える電気分解装置の概略構成図である。電極５３は上蓋９の下面側に配設されており、両端の電極は断面Ｌ字状であり電解槽１０４の外に突出して直流電圧を印加することができるように構成されている。

図１２に示すように、短冊状に分割された電極間の上蓋９の下面に、気体流路３Ａ，３Ｂが配設されている。気体流路３Ａは陽極で発生する気体の流路であり、気体流路３Ｂは陰極で発生する気体の流路である。気体流路３Ａを通って回収されたガスは気体流路出口２Ａへと導かれ、気体流路３Ｂを通って回収されたガスは気体流路出口２Ｂへと導かれるように構成されている。

図４（ａ）（ｂ）に、図１２の電気分解装置に用いられる電極５３を示す。
図４（ａ）は、電極５３の正面図であり、図４（ｂ）はその側面図である。図４（ａ）、図４（ｂ）に示すように、電極５３は、短冊状に分割され相互に隙間４を空けて配設された複数の電極からなり、両端に位置する電極５３′，５３′に直流電圧を印加することができる。
図１２に示すように、分割された電極においてガスを発生させるには、分割された電極の長尺方向の長さに比べ、電極５３′と電極５３′との間の距離が短いことが必要である。

図１３は、図１２の電気分解装置において、電解液７に下方から原材料ガス８０を供給することができるように構成されている。具体的には、電解槽１０４の底部に気体のみ通過可能な底基板１３が設けられている。電解槽１０４と底基板１３との間には、空間が形成され、この空間内に原材料ガスを圧送すれば、底基板１３の上方に位置する電解液７に原材料を供給することができる。一方、電解液７は底基板１３を下向きに透過して漏洩することはない。

このように構成された電気分解装置によれば、同一電解槽１０４の電解液７中において、これら分割された電極５３の配列の両端に位置する電極５３′の相互間は、電線等で結線することなしに、実質上、直列接続されていることに等しい電気化学的な作用効果がある。この電極列５３′〜５３′を用いて電気分解すれば、気体流路３Ａ、３Ｂから気泡８ａ，８ｂが排除されるので、気泡を除去する効率が高められる（図４，図１２参照）。

以下に、本実施形態の電気分解装置における効果を説明する。
本実施形態の電気分解装置（図１０、１１）は、陽極５２ａおよび陰極５２ｂの少なくとも一方が、前記電解液７の液面に対して水平に配設されるとともに、ガス生成面αが電解液７の液面に接触する。
これにより、ガス放出面βが気体に覆われ、気泡８ａ，８ｂはより迅速にガス放出面β側へ移動するので、気泡８ａ，８ｂを回収する効率を高めることができる。さらに、電解液７と接するガス生成面αの親液性が低下しても、貫通孔６を介して電解液７がガス放出面β側に移動することがないので、気相と液相との分離が容易であり、ガス回収能力は低下しない。

また、本実施形態においては、電解液７の液面に対して水平に配設された陽極５２ａおよび陰極５２ｂの少なくとも一方は、ガス生成面αが電解液７の液面に接触するとともに、上下動可能に構成されている。これにより、電極５２ａの位置決めが容易になるとともにメンテナンスが容易になる。

また、図１２，１３に示される電気分解装置は、相互に隙間を空けてほぼ等間隔に配設された複数の短冊状の電極から構成された電極５３を備え、複数の短冊状の前記電極のうち両端に位置する電極５３'間に直流電圧を印加することにより電気分解を行う。
これにより、電解液中において、これら分割された複数の短冊状の電極５３間は、電線等で結線することなしに、実質上、直列接続されていることに等しい作用効果がある。そして、前記電極列を用いて電気分解すれば、隙間から気泡が排除されるので、気泡を除去する効率が高められる。

（第４実施形態）
次に、第４実施形態に係る電気分解装置について、図１４，図１５に沿って説明する。
図１４，１５に示すように、陽極５ａおよび陰極５ｂは対向して配置されるとともに、水平に配設されている。これらの電極の間には、電解液７が充填されている。

図１４の電気分解装置においては、電解槽１０６に設けられた気体流路入口（導入口）１Ａを介してガス収容部内に原材料ガス８０を供給することができ、原材料ガス８０を陰極５ｂの貫通孔６を介して電解液７に供給されるように構成されている。なお、原材料ガス８０は、陽極５ａの貫通孔６を介して電解液７に供給されるように構成することもできる。

気体を選択的に通過可能な貫通孔６を通して、原材料ガスはガス収容部から電解液７に供給され、電解液７に溶解する。そして、電気分解によって生成された気泡８ａはガス生成面αからガス収容部に移動する。原材料ガス８０は電解液７に容易に溶解するので、原材料ガスが選択的に貫通孔６を通過して電解液に溶解される。すなわち、目的生成ガスは電極５のガス生成面αからガス放出面βの向きに電極の貫通孔６を通過する。一方、原材料ガスは電極５のガス放出面βからガス生成面αの向きに、電極５の貫通孔６を通過して電解液７中に分散される。これにより、電解液７に原材料を補充することができる。

気泡８ａ，８ｂのいずれかが所望の気体である場合には、所望の気体が生成する電極の貫通孔６を介して原材料ガス８０を補充せず、目的生成ガスのみを回収するように構成することができる。本実施形態においては、電解液としてフッ化水素を含む溶融塩を用い、原材料ガス８０としてフッ化水素ガスを、水素ガスが発生する陰極側のガス収容部に供給した例によって示す。

図１５は、図１４に示される電気分解装置において、電解液７へ原材料ガスをバブリングする電気分解装置の概略構成図である。
図１５に示す電気分解装置は、図１４に沿って前述した電気分解装置において、電極５の貫通孔６を通して原材料ガスを供給していたことに代えて、電解液７へ直接バブリングするように構成されている。具体的には、電解槽１０７の気体流路入口１から電解液７に直接原材料ガス８０を供給する。

陽極５ａおよび陰極５ｂの間隔が離れている場合は、電解電圧が高くなる等の弊害が生じる場合があり、所望の電解電圧とするために陽極５ａおよび陰極５ｂの間隔を狭くする場合がある。

陽極５ａおよび陰極５ｂの間隔が狭くなると、これらの電極間においては加熱による対流や、バブリングによる対流が起き難くなり、電極間において電解液７の濃度が低くなり、もしくは濃度が不均一となり、電界が一定でなくなる場合がある。また、電解槽１０７の深さ（陽極５ａと陰極５ｂとの距離）が、電極５の幅および面積や電解槽１０７の幅および面積と比較して浅い場合は、加熱による対流や、バブリングによる対流が起き難くなり、電極間において電解液７の濃度が低くなり、もしくは濃度が不均一となり、電界が一定でなくなる場合がある。この現象を解決するために、図１５において、陽極５ａおよび陰極５ｂのガス放出面βから原材料ガス８０を供給する方法を採用することもできる。

以下に、本実施形態の電気分解装置における効果を説明する。
本実施形態の電気分解装置は、陽極５ａまたは陰極５ｂのガス収容部１２にガス供給部が設けられており、該ガス供給部から供給された原材料ガス８０を貫通孔６を介して電解液７に供給可能に構成されている。
これにより、継続して電気分解を行うことができるとともに、原材料の濃度を一定に保つことができるので効率よく電気分解を行うことができる。
なお、図１５のように、電解槽１０７の気体流路入口１から電解液７に直接原材料ガス８０を供給する構成であれば、図１４の構成と比較して、原材料ガスの混入しない目的生成ガスのみを、陽極５ａおよび／または陰極５ｂから取得することが可能である。

（第５実施形態）
次に、第５実施形態に係る電気分解装置について、図１６に沿って説明する。
図１６は、図１の電気分解装置において、陽極５ａに超音波１３１を印加する超音波発生手段（超音波素子１３０）を設けた電気分解装置の概略構成図である。図１６に示すように、電気分解装置は、電解槽１００の側壁に超音波素子１３０を配設されている。なお、陰極５ｂに超音波が印加されるように構成することもできる。
以下に、本実施形態の電気分解装置における効果を説明する。
陽極５ａに超音波を印加する超音波素子１３０が設けられているので、超音波素子１３０から発生する超音波１３１の振動が陽極５ａに付与されるため、この陽極５ａのガス生成面αから気泡８ａが容易に剥離する。これにより、ガス生成面αの表面の気泡８ａを速やかに除去することができ、電極の表面における気泡の付着およびそれに伴う絶縁性化合物の生成が抑制される。そのため、電極の単位面積あたりの電流密度が長時間に亘り均一なものとなり、電気分解において効率的に所望のガスを得ることができる。このような効果は、電極５が電解液７に垂直に浸漬している場合に効果的である。

（第６実施形態）
第６実施形態に係る電気分解装置は、陽極のガス生成面αにおいて発生する気体が電解液７の電気分解を阻害する場合に、陽極に貫通孔６を備える通気性構造の電極を用いたものである。この電気分解装置（電気分解セル）について、図２２〜２６に沿って説明する。なお、本実施形態においては、電解液としてフッ化水素を含む溶融塩を用い、陽極からフッ素ガス、陰極から水素ガスが生成する例によって示す。
図２２〜２６は、フィルム状または板状の電気導電体の厚さ方向に多数の貫通孔が設けられたに電極を陽極として用いた電気分解装置を示す。

図２２は、陽極１２２のガス生成面αが電解液の液面に接触するように配置される電気分解装置の概略構成図である。なお、電解液槽および電解液の図示を省略する。
図２２（ａ）は、電気分解装置の概略上面図であり、図２２（ｂ）は図２２（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。図２３は、陰極１１２の平面図である。

図２２（ａ）（ｂ）に示すように、ガス収容部１１０は、陽極１２２のガス放出面βを覆っている。陽極１２２は接続部１１６，１１６を介して陰極１１２と電気的に接続されており、これらの電極間に電圧を印加できるように構成されている。さらに、ガス収容部１２の上面には不活性ガス導入口１１８、ガス排出口１２０が設けられている。これにより、陰極１２２において発生したガスを回収することができる。
ガス収容部１１０の両脇には２つの陰極１１２，１１２が配置されている。陽極１２２は接続部１１４，１１４を介して陽極１２２と電気的に接続されており、これらの電極間に電圧を印加できるように構成されている（図２３）。

図２２〜２３に示す電気分解装置において、陽極１２２のガス生成面αにて発生したガスは、貫通孔６を介してガス収容部１１０内に移動する。そして、不活性ガス導入口１１８からガス収容部１１０に不活性ガスを導入し、そしてガス排出口１２０から不活性ガスとともに所望のガスを回収する。

一方、図２２（ａ）に示すように、２つの陰極１１２、１１２は、陽極１２２の両サイドに配置され、電解液の液面に対して垂直に設置されている。陰極１１２は貫通孔６を有しておらず、陰極１１２で発生するガスはガス生成面αにおいて気泡となって成長する。そして、気泡は、所定の大きさとなるとガス生成面αから浮上し、回収される。

図２４は、陽極１３２と陰極１３４が対向して並行に配置され、これらの電極間に電解液を充填して水平に設けられている電気分解装置の概略構成図である。
図２４（ａ）は、電気分解装置の概略上面図であり、図２４（ｂ）は図２４（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。

図２４（ｂ）に示すように、陽極１３２と陰極１３４は対向して並行に配置され、これらの電極間に電解液７を充填して水平に設けられている。陽極１３２は陰極１３４の下方に位置する。ガス収容部１２は、陽極１３２のガス放出面βを覆っている。ガス収容部１３０には不活性ガス導入口１３８が設けられており、ガス排出口１３９から所望のガスを回収することができるように構成されている。

電気分解装置において、陽極１３２のガス生成面αにて発生したガスは、貫通孔６から表面張力によって下方に位置するガス収容部１２内に移動する。そして、不活性ガス導入口１３１からガス収容部１２に不活性ガスを導入し、そして図示しないガス排出口から不活性ガスとともに所望のガスを回収する。

一方、陰極１３４は、ガス生成面αが電解液に接しており、ガス生成面αで発生した気体は貫通孔６を通って、上方に抜けるように構成されている。陰極１３４の上面にも図示しないガス収容部が設けられており、陰極１３４において生成した気体を回収することができる。陰極１３４にて発生した気体は、浮力によって貫通孔６を通り上方に抜けるので、例えばニッケル網のような構造を使用することも可能である。

図２５は、陽極１５２のガス放出面βのみがガス収容部に覆われている電気分解装置の概略構成図である。図２５（ａ）は、電気分解装置の概略上面図であり、図２５（ｂ）は図２５（ａ）の陽極１５２の平面図である。図２６は、図２５（ｂ）に示す陽極１５２のＡ−Ａ断面図である。なお、電解液槽および電解液の図示を省略する。

図２５に示すように、陽極１５２と陰極１１２は対向して並行に配置され、これらの電極は電解液面に対していずれも垂直に設けられる。図２６に示すように、ガス収容部１５０は、陽極１５２のガス放出面βを覆っている。ガス収容部１５０には不活性ガス導入口１１８が設けられており、ガス排出口１２０から所望のガスを回収することができるように構成されている。

電気分解装置において、陽極１５２のガス生成面αにて発生したガスは、貫通孔６から表面張力によってガス収容部１５０内に移動する。そして、不活性ガス導入口１１８からガス収容部１５０に不活性ガスを導入し、そしてガス排出口１２０から不活性ガスとともに所望のガスを回収する。
一方、陰極１１２で発生するガスはガス生成面αにおいて気泡となって成長する。そして、気泡は、所定の大きさとなるとガス生成面αから浮上し、回収される。

なお、本実施形態においては、陽極に貫通孔６を備えた構造の電極を用いた例によって示したが、陰極において生成するガスが電気分解を阻害する場合には、陰極に貫通孔６を備えた構造の電極を用いこともできる。

以下に、本実施形態の電気分解装置における効果を説明する。
本実施形態の電気分解装置は、電解液７の電気分解を阻害する気体が発生する電極のみ（陽極）を、貫通孔６を備える通気性構造の電極としている。これにより、他方の電極（陰極）の設計の自由度が向上し、ひいては電気分解装置の設計の自由度が向上する。

［実験１］
以下に、図１７〜図１９に沿って、電気分解セル実験装置（以下、「本実験装置」という）による実験結果を説明する。
図１７（ａ）は本実験装置の上面図、図１７（ｂ）は正面図である。

図１７（ａ）、図１７（ｂ）に示す電気分解セル実験装置は、溶融塩槽３５の中央部に電気分解セルＥを組み込んで電気分解の実験を行なう装置である。溶融塩槽３５は図示する便宜上、内部を透視した状態で図示している。

溶融塩槽３５の上部を覆う天蓋３６には、予備も含めて複数のテフロン（登録商標）管２２，２３が、テフロン（登録商標）ジョイント２８により垂直に固定されている。

図１７（ｂ）に示すように、棒状の電極３２が、電解液７に浸漬するとともに、その上部が溶融塩槽３５外に存在している。電極３２は、図示せぬ導線を通じて直流電源の負極に接続されている。さらに、溶融塩槽３５の中央部には、電気分解セルＥが天蓋３６から吊り下げられて電解液７に浸されている。以下に、図１８を参照して、電気分解セルＥについて説明する。

図１８（ａ）は、本実験装置における電気分解セルＥの断面図、図１８（ｂ）は図１８（ａ）のＤ−Ｄ断面図である。図１８（ａ）、図１８（ｂ）に示すように、電気分解セルＥは、絶縁材料による電気分解セル本体２９の前面中央に電極５１が配設されている。電極５１は、電極押さえ板２７で固定されている。電極押さえ板２７により電極５１のガス発生面αを電極液７に接触させることができる。電極５１は通電用金属ワイヤ（ニッケルワイヤ）２６を通じて直流電源の正極に接続されている。

電気分解セル本体２９は、ＰＴＦＥ板からなり、３５ｍｍ×４０ｍｍ×１５ｍｍｔの形状を有する。さらに、その中央部に深さ１０ｍｍの凹部３７を備え、窓３１が形成されている。電極５１のガス放出面βは凹部３７内にさらされている。さらに、電気分解セル本体２９には、気体流路３がテフロン（登録商標）管２２，２３内に設けられ、外部から凹部内空間３４に気体を導入、排出することができる。

凹部３７の前縁部には凹部が形成されており、この凹部に、通電用金属枠３０がはめ込まれている。一方、電極押さえ板２７の凹部３７には、電極５１がはめ込まれており、電極押さえ板２７を電気分解セル本体２９に接続することにより、電極５１は電気分解セルＥに固定される。

電気分解セルＥに接続されたテフロン（登録商標）管２２により、窒素ガスを凹部内空間３４内に導入し、排出管であるテフロン（登録商標）管２３から排出する。テフロン（登録商標）管２３から流出するガスを採集して分析することができる。

負の電極３２は直径３ｍｍのニッケル棒２本により構成されている。この電極３２は、電極５１を観察する視界を遮らないように、電極５１の正面を避けて脇に寄せ、かつ、正負の電極間距離を均等にするため、左右対称な位置に２本設置されている。

溶融塩液面レベル３３は、電気分解セルＥの電極５１が電解液７に浸る高さに維持する。なお、電解液７の液面が、電極５１の最下部より４ｃｍ以上上方に存在している状態で、電解液７が貫通孔を介して凹部３７内に浸潤・透過・漏洩しないことが必須要件である。

溶融塩槽３５の底部は銅製のヒータブロック１８にテフロン（登録商標）シート（ｔ＝０．２ｍｍ）を挟んで載置されるように構成さている。そのヒータブロック１８にはロッドヒータ２０および熱電対２１が配設され、溶融塩槽３５の底部から電解液７を適宜に加熱する。電解液７の温度は、熱電対２１の検出する温度情報を図示せぬサーモスタット等にフィードバックし、指定の温度に保持することが可能である。

本実験例において、Ｆ_２ガスを得るために、ＨＦを含む電解液を電気分解する。一般的に、無水ＨＦは電気抵抗が高く、電気分解し難いが、例えばＫＦとＨＦを反応させて、ＨＦ・nＨＦの電解液７を作製すると、電解液７の電気抵抗は低く、電解液７中のＨＦの電気分解が可能となる。
２ＨＦ→Ｈ_２＋Ｆ_２

この反応において、ＫＦは消費されず、原材料としてのＨＦのみが消費される。したがって、生成されたＦ_２ガスの量に応じてＨＦガスを電解液７中に供給する必要がある。そこで電解槽３５内の電解液７にＨＦガスをバブリングする等して、電解液７にＨＦを供給する。電解液７はその融点以上に加熱されており、その内部には対流が発生し、さらにバブリングにより発生する対流の効果と合わせて電解液７は撹拌されている。したがって、電解液７に供給されたＨＦは電解液７内にほぼ均一に拡散する。

図１９（ａ）は本実験装置における電気分解セルＥ用の電極５１の正面図、図１９（ｂ）は、通電用金属枠３０の正面図である。図１９（ａ）に示す電極５１は、炭素板（東海カーボン社製 Ｇ３４８ １ｍｍｔ）を、２４ｍｍ×１４ｍｍ（ｒ＝１ｍｍ）とした後、ざぐり面１４に深さ０．６ｍｍだけ凹部を形成し、このざぐり面１４の凹部に、炭素板の厚さ方向に貫通孔を設けることにより製造される。

貫通孔６は、図２にも示したように、ドリル（超硬ソリッドルーマドリルＡＤＲ−０．１）によって、直径１００μｍ、１５０μｍピッチで６０度の千鳥に穿設した。また、貫通孔６の加工された面と電解液７の接する有効電極面は１０ｍｍ×２０ｍｍとした。

図１９（ｂ）に示す通電用金属枠３０は、図１８（ｂ）に示すように、電極５１を支えると共に正の電圧を印加するように通電するための金属枠である。通電用金属枠３０は、外側寸法２４ｍｍ×１４ｍｍ×２ｍｍｔ（ｒ＝１ｍｍ）のニッケル板に、２０ｍｍ×１０ｍｍ（ｒ＝０．５ｍｍ）の窓が切削加工により形成されたニッケル枠である。

この通電用金属枠３０から正の電源までの間は、通電用金属ワイヤ２６である直径０．５ｍｍのニッケルワイヤを介して接続されている。電気分解セル本体２９の上部にテフロン（登録商標）ジョイント２８が配設され、このテフロン（登録商標）ジョイント２８にテフロン（登録商標）管２２，２３が固定されている。このテフロン（登録商標）管２２内を通電用金属ワイヤ２６が通り抜けて、電気分解セルＥの外部の直流電源と接続できるように電気分解セルＥおよび電気分解セル実験装置が構成されている。

この電気分解セル実験装置において、電極５１を陽極、棒状の電極３２を陰極として、これら両極間に直流電圧７．０Ｖを印加して定電圧電解した。それぞれの気体流路入口（導入口）であるテフロン（登録商標）管２２より窒素を１０ｍＬ／ｍｉｎの流量で供給した。この状態で電極５１から生じたガスは、貫通孔６を通して凹部３７内の空間に排出され、気体流路出口（導出口）であるテフロン（登録商標）管２３から窒素ガスとともに排出された。なお、電極５１の表面から電解液７の液面に浮き上がる気泡が存在しないことが観察された。

気体流路出口（導出口）２３から排出された気体をテドラーパックに採集し、フッ素ガス検知管（株式会社ガステック社製ガス検知管Ｎｏ．１７）を使って測定したところ、検知管の指示薬が白色に脱色しフッ素ガスが生成されたことを確認した。このときの電流密度の時間に対する変化量は、安定時の平均電流密度は約５０ｍＡ／ｃｍ^２であった。電圧を８Ｖにしたときの平均電流密度は約１２０ｍＡ／ｃｍ^２であり、電圧を９Ｖにしたときの平均電流密度は約２５０ｍＡ／ｃｍ^２であった。このことは図２０のグラフに示すとおりである。

［実験２］
電極５１に設けた貫通孔６のピッチを１ｍｍにした以外は、実験１と同様にして電気分解を行った。電解液７の液面を電極５１の最下部から４ｃｍ上の位置まで満たしたが、電解液７は貫通孔６を通して気体流路３に漏れることがないことを、実験１同様に確認した。また、電圧を７Ｖにしたときの安定時の平均電流密度は約８０ｍＡ／ｃｍ^２であり、電圧を８Ｖにしたときの平均電流密度は約１５０ｍＡ／ｃｍ^２であった。そして、電圧を９Ｖにしたときの平均電流密度は約２００ｍＡ／ｃｍ^２であった。

［実験３］ 電極５１に貫通孔６を形成しなかったこと以外は、実験１と同様にして電気分解を行った。電圧７Ｖを印加した直後は、約９０ｍＡ／ｃｍ^２の電流密度で電流が流れたが、しだいに減少し、約２０分経過した時点でほとんど電流が流れなくなった。このことは図２１のグラフに示すとおりである。

なお、前記いずれの実験も、フッ化水素の電気分解反応により、フッ素と水素に分解され、それぞれ回収することができた。また、本実験では、フッ化水素の電気分解反応をさせるための物質としてフッ化水素を含有する電解液７を用いて例示したが、この電解液７は他の物質であっても構わない。

本発明に係る電気分解装置およびその電極によれば、以下の効果が得られた。
１）電極の表面における気泡の付着を抑制することにより電極の劣化を抑制する。
２）電極の表面における気泡の付着を抑制することにより電極の単位面積あたりの電流密度を均一なものとする。
３）電流密度を均一なものとし、長時間に亘り効率的に電気分解を行い、所望のガスを生成する。
４）原材料成分の電極の表面における濃度分布の偏りをなくし、均一化することによって電極の劣化を防止する。
５）電極構造、電解槽、原材料ガスの供給効率および設計の自由度等を総合的に改善する。

また、本発明は以下の構成とすることもできる。
（１）任意の一面から背反面に通じる多数の貫通孔を擁した電気導電体に対し、電解液で濡らしたい面を親液性とする表面処理と、電解液で濡らしたくない背反面を疎液性とする表面処理との、何れか、もしくは両方を施すことにより気体のみを通過する通気性構造の導電体でなる電極を、陽極もしくは陰極の少なくとも何れかに用いたことを特徴とする電気分解装置。

（２）前記貫通孔を擁した電極が、メッシュ構造、ポーラス構造、多孔質膜構造、多数の貫通孔を穿設した構造の何れかであることを特徴とする（１）に記載の電気分解装置。

このように構成することで、異極に対向して電気分解に有効な電極面、すなわち対向電極面（あるいは電極おもて面）に親液性の表面処理が施してあれば、電気分解により発生した気泡は、対向電極面にまとわりつかず速やかに排除される。
一方、通気性の電極において、対向電極面の裏側である背反電極面に疎液性の表面処理が施してあれば、電気分解により発生した気泡は、対向電極面から背反電極面へ通過しやすく、対向電極面の気泡を速やかに除去することが可能である。

（３）短冊状に分割され相互に隙間を空けてほぼ等間隔に配設された電極列の両端に位置する電極に正負の直流電圧を印加することを特徴とする（１）または（２）に記載の電気分解装置。
このように構成された電気分解装置によれば、短冊状に分割され相互に隙間を空けてほぼ等間隔に配設された電極列に対し、その電極列の両端に位置する電極から正負の直流電圧を印加される。

そうすると、同一電解槽の電解液中において、これら分割された電極列の相互間は、電線等で結線することなしに、実質上、直列接続されていることに等しい作用効果がある。
そして、前記電極列を用いて電気分解すれば、前記隙間から気泡が排除されるので、気泡を除去する効率が高められる。

（４）前記電極の背反面に覆い被せて気泡を捕捉し換気可能な換気ダクトを備えたことを特徴とする（１）または（２）に記載の電気分解装置。
このように構成することで、背反電極面に寄せ集められた気泡は、その背反電極面に覆い被せられた換気ダクトで残らず捕捉され回収されるので、電極面から気泡を除去する効率が高められる。

（５）前記電解液に接触して水平に配設されることを特徴とする（１）乃至（４）の何れかに記載の電気分解装置。
このように構成することで、前記電解液に接触して水平に配設された電極を用いて電気分解すれば、液に接触している下側で発生した気泡が、上側に抜けて容易に排除されるので、気泡を除去する効率が高められる。

しかも、この電極の下側の電解液が上側へ抜けて移動することはない。なお、電解液に接触して水平に配設される電極の構成であれば、電解槽の底部から液面までの何れの高さであっても構わないので、設計の自由度が確保される。

（６）前記電極は前記電解液の液面に接触して被さる落し蓋の構成であることを特徴とする（４）に記載の電気分解装置。
このように構成することで、電解液に被さる落し蓋の構成である電極を用いて電気分解すれば、液面に接触している下面側で発生した気泡が、上面側に抜けて容易に排除されるので、気泡を除去する効率が高められる。しかも、前記落し蓋の構成である電極の下から上方向へは電解液が漏洩しない。

（７）前記電極は前記電解液に浸漬されて鉛直方向に配設されることを特徴とする（１）乃至（４）の何れかに記載の電気分解装置。
このように構成することで、超音波発生手段によって、超音波振動を付与された電解液または電極は、電極の表面からの気泡の剥離が促進される。

（８）正負の電極それぞれから発生する２種類の気体のうち何れか一方が価値の低い劣後気体である場合、前記劣後気体を発生する方の電極に付設された前記換気ダクトから原材料ガスを前記電解液に供給することを特徴とする（４）乃至（７）の何れかに記載の電気分解装置。

このように構成することで、電気分解で得られる２種類の気体のうち一方の必要性が高く、他方は不要であるならば、価値がより低い気体を発生する方の電極に付設された前記換気ダクトから原材料ガスを供給することによって、気体を通過する通気性の電極を介し、原材料ガスを電解液に溶解させる。そうすると、電解液における原材料の濃度を高めることになり、電気分解の効率を高めることが可能である。

（９）前記電極を、前記換気ダクトを挟む形で構成した一対電極に構成し、かつ前記一対電極を交互に配置することを特徴とする（４）乃至（７）の何れかに記載の電気分解装置。

（１０）前記電解液または前記電極に対して超音波振動を付与する超音波発生手段を備えたことを特徴とする（１）乃至（９）の何れかに記載の電気分解装置。

（１１）前記電解液としてフッ化水素を含む溶融塩を用いたものであって、前記電極を陽極として用いフッ素ガスを発生させることを特徴とする（１）乃至（１０）の何れかに記載の電気分解装置。
このように構成することで、電解液としてフッ化水素を含む溶融塩を用いた電気分解装置によれば、陽極からフッ素ガスを発生し、陰極から水素ガスを発生させることが可能である。

（１２）（１）乃至（１１）の何れかに記載の電気分解装置で用いる電極。このような構成の電極は補修部品として交換自在であり、単品販売することも可能である。

（１３）多数の一面から背反面に通じる貫通孔を擁した電気導電体に対し、電解液に対して電解液に接する側を親液性となる表面処理を施すとともに、電解液に接していない背反面に疎液性となる表面処理を施すことにより気体のみを通過する通気性の構造を有する導電体でなる電極を、陽極もしくは陰極の少なくとも何れかに採用し、かつ前記電極の背反面に覆い被せて気泡を補足すると共に換気も可能な換気ダクトを採用した電気分解装置を用いて電気分解により発生する気体を捕集することを特徴とした電気分解方法。

Claims (18)

1. 電解液に接する陽極および陰極を備える電気分解装置であって、
   前記陽極および前記陰極の少なくとも一方が、
   前記電解液を電気分解することにより気体が発生するガス生成面と、
   前記ガス生成面から他方の面に通じ、該ガス生成面で発生した前記気体を選択的に通過させる多数の貫通孔と、
   前記ガス生成面から前記貫通孔を介して供給された前記気体を放出する、前記他方の面であるガス放出面と、を備える通気性構造の電気導電体からなり、
   前記ガス生成面に前記電解液に対して親液性となる表面処理および前記ガス放出面に前記電解液に対して疎液性となる表面処理の少なくとも一方の処理が施されていることを特徴とする電気分解装置。
2. 前記電解液が貯留槽に充填されていることを特徴とする請求項１に記載の電気分解装置。
3. 前記陽極および前記陰極は並行に設けられ、各々の前記ガス生成面は対向していることを特徴とする請求項１または２に記載の電気分解装置。
4. 前記陽極および前記陰極の少なくとも一方は、前記電解液の液面に対し垂直方向に浸漬していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電気分解装置。
5. 前記陽極および前記陰極の少なくとも一方の前記ガス放出面を覆い、前記ガス放出面から放出された前記気体を収容するガス収容部を備えたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電気分解装置。
6. 少なくとも２対の前記陽極および前記陰極を備えるとともに、前記陽極の前記ガス放出面同士および前記陰極の前記ガス放出面同士の少なくとも一方が対向しており、
   対向する一対の前記ガス放出面のいずれも覆う前記ガス収容部を備えることを特徴とする請求項５に記載の電気分解装置。
7. 前記ガス収容部は不活性ガス供給部を備え、
   前記ガス収容部内に前記不活性ガス供給部から不活性ガスを供給することにより、換気可能に構成されていることを特徴とする請求項５または６に記載の電気分解装置。
8. 前記陽極または前記陰極の前記ガス収容部は原材料ガス供給部を備え、
   前記原材料ガス供給部から供給された原材料ガスを、前記貫通孔を介して前記電解液に供給可能に構成されていることを特徴とする請求項５または６に記載の電気分解装置。
9. 前記陽極および前記陰極の少なくとも一方は、前記電解液面に対して水平に配設されるとともに、前記ガス生成面のみが前記電解液の液面に接触していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電気分解装置。
10. 前記電解液面に対して水平に配設された前記陽極および前記陰極の少なくとも一方は、上下動可能に構成されていることを特徴とする請求項９に記載の電気分解装置。
11. 前記貯留槽には原材料ガス供給部が設けられており、
    前記原材料ガス供給部から前記電解液に原材料ガスを供給可能に構成されていることを特徴とする請求項２に記載の電気分解装置。
12. 前記陽極または前記陰極の少なくとも一方に対して超音波を印加する超音波発生手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の電気分解装置。
13. 親液性となる前記表面処理はプラズマ処理、オゾン処理またはコロナ放電処理であり、
    疎液性となる前記表面処理はフッ素樹脂コーティング処理、フッ素系のガスを用いたプラズマ処理またはフッ素ガス処理であることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の電気分解装置。
14. 前記陽極および前記陰極の少なくとも一方は、メッシュ構造、ポーラス構造、多孔質膜構造およびフィルム状または板状の前記電気導電体の厚さ方向に多数の前記貫通孔が設けられた構造から選択される通気性構造を有することを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の電気分解装置。
15. 前記電解液は、フッ化水素を含む溶融塩であり、前記原材料ガスが、フッ化水素を含み、
    前記陽極においてフッ素ガスを発生させることを特徴とする請求項８、請求項１１乃至１４のいずれか一項に記載の電気分解装置。
16. 電解液を電気分解することにより気体が発生するガス生成面と、
    前記ガス生成面から他方の面に通じる多数の貫通孔と、
    前記ガス生成面から前記貫通孔を介して供給された前記気体を放出する、前記他方の面であるガス放出面と、を備える通気性構造の電気導電体からなり、
    前記ガス生成面に前記電解液に対して親液性となる表面処理および前記ガス放出面に前記電解液に対して疎液性となる表面処理の少なくとも一方の処理が施されていることを特徴とする電極。
17. 請求項１乃至１５のいずれか一項に記載の電気分解装置を用いた電気分解方法。
18. 任意の一面から背反面に通じる多数の貫通孔を擁した電気導電体に対し、電解液で濡らしたい面を親液性とする表面処理と、電解液で濡らしたくない背反面を疎液性とする表面処理との、何れか、もしくは両方を施すことにより気体のみを通過する通気性構造の導電体でなる電極を、陽極もしくは陰極の少なくとも何れかに用いたことを特徴とする電気分解装置。

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