JP6911491B2 - 電極構造体 - Google Patents

Description

本発明は、電極構造体に関するものである。

従来より、高速亜鉛めっき等の高速電解めっきや電解では、電極板をセグメント化してそれを複数支持板（給電体）に固定してなる電極構造体を用いることで、接触などの事故の場合も部分的な補修ですむようにしている。電極板のセグメントは、給電体に対して接続部を介して接続されているが、電解時に例えば電流密度１００Ａ／ｄｍ^２〜３００Ａ／ｄｍ^２という大電流を流すと、そうした接続部には、相対的に大電流が流れることになる。この場合、接続部の電気抵抗が高いと発熱量が過大となり、電極板、延いては電極構造体の劣化の原因となる虞がある。

例えば、特許文献１では、電極板と給電体の間の接続部に鉛板を挟む技術が示されている。鉛板を挟むことにより、電極板と給電体との接触がより緊密化され電気抵抗の増大を防ぎ、発熱を抑制することができる。

特開平７−３３１４９５号公報

しかしながら、特許文献１のものでは、乾燥状態で使用するには非常に有効に機能するものの、硫酸液のような液中に浸漬された場合には絶縁性の硫酸鉛を生成することや、通電によって部分的にではあるが電解に寄与してしまい鉛それ自身が消耗するという問題があった。

そこで本発明では、電極構造体自体の温度上昇による影響を緩和することで、電極構造体の劣化を抑制し、延いては電極寿命の長い電極構造体をもたらすことを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明では、接続部以外の電極板と給電体との間に電解液が通液可能な間隙を設け、その間隙を電解液が通液することにより電極板を表裏両面から冷却するとともに、接続部についても冷却できるようにした。

すなわち、ここに開示する電極構造体は、チタン又はチタン合金を基材とする電極板と、前記電極板を支持する給電体とを備えた電極構造体であって、電解時の電流密度が１００Ａ／ｄｍ ^２ 〜５００Ａ／ｄｍ ^２ である電解用の電極として用いられ、前記電極板は、複数に分割された複数のセグメント電極板からなり、前記電極板と前記給電体とは、接続部を介して密着固定されており、電解液に浸漬したときに、前記接続部以外の前記電極板と前記給電体との間に該電解液が通液可能となるように、前記電極板と前記給電体との間に間隙が設けられており、前記電極板と前記給電体との前記間隙は１ｍｍ以上２０ｍｍ以下であり、隣接する前記セグメント電極板間にも前記電解液の流れが生じるように、隣接する前記セグメント電極板間には１ｍｍ以上３ｍｍ以下の間隔が設けられていることを特徴とする。

本発明者らは、例えば高速亜鉛めっきラインでは、図１２に示すように、電解液の温度、すなわち電解温度が６０℃を超えて上昇すると、電極板の電極寿命は低下し、７０℃以上では電極寿命は半分未満にまで低下することを見出した。電解時における電極構造体の温度上昇は、主として、電極板の電極表面における電極反応にかかる過電圧、電極板、給電体及びこれらの接続部の電気抵抗に起因する発熱により生じ得る。高速亜鉛めっきラインでは、電解液の温度は通常６０℃程度で一定に保持されているが、電極構造体における発熱量が大きくなることで、電極構造体自体の温度が電解液の６０℃程度よりも高くなり、電極構造体の劣化が促進される虞がある。

上記構成によれば、接続部以外の電極板−給電体間に電解液が通液可能となるように間隙が設けられているため、電極構造体を電解液に浸漬したときに、電解液が電極板−給電体間に流入し、電極板−給電体間の空間に電解液の流れが生じる。そうすると、電解液により電極板自体が表裏両面から冷却されるので、電極板の冷却面積を増加させることができる。また、電極板−給電体間の空間に電解液の流れが生じることで、接続部周りにも電解液の流れが生じ、発熱量の高い接続部も冷却される。さらに給電体の冷却も促進させることができる。そうして、電極板の過熱を防いで電極板温度を電解液と同程度の温度近傍まで低下させることができ、延いては電極構造体の電極寿命を延命させることができる。

なお、間隙の大きさは接続部の長さにより調整されるが、接続部の長さが長くなるにつれて接続部の電気抵抗が大きくなり、発熱量が上昇する。間隙の大きさを上記範囲とすることにより、接続部の電気抵抗の上昇を抑えて、発熱量を抑制しつつ、電極板−給電体間に流れ込む電解液量を確保して、電極板及び接続部の冷却を十分に行うことができる。

また、本構成では、前記電極板は、複数に分割された複数のセグメント電極板からなり、隣接する前記セグメント電極板間にも前記電解液の流れが生じるように、隣接する前記セグメント電極板間には１ｍｍ以上３ｍｍ以下の間隔が設けられている。

本構成によれば、隣接するセグメント電極板間にも間隔を設けることで、電解液の流れがセグメント電極板間にも生じる。そうして、電極板や接続部の冷却が促進され、電極板の過熱を防いで電極寿命を効果的に延ばすことができる。

好ましい態様では、前記電流密度は１００Ａ／ｄｍ ^２ 〜３００Ａ／ｄｍ ^２ である。
好ましい態様では、前記接続部は、前記セグメント電極板及び前記給電体の少なくとも一方に設けられた凸状部と、前記凸状部において前記電極板と前記給電体とを取付固定する取付部材とを備えている。

本構成によれば、電極板を複数に分割することで、電極板の修理交換等のメンテナンス性が向上する。また、接続部を凸状部とすることで、電極板−給電体間に流入した電解液が接続部周りに流れ、接続部を効果的に冷却することができる。

前記取付部材は、ボルトであることが好ましい。これにより、電極板と給電体とを確実に密着固定させることができる。

また、前記接続部の径は、前記給電体を介して前記電極板に電流密度１００Ａ／ｄｍ ^２ 〜５００Ａ／ｄｍ ^２ の定格電流で通電したときに、前記接続部における電流密度が、０．３Ａ／ｍｍ^２以上１．０Ａ／ｍｍ^２以下となる径であることが好ましい。これにより、電解に必要な電流量を確保しつつ、通電に伴う接続部の発熱量が過大となることを防ぐことができる。

なお、好ましい態様では、前記接続部の通電方向に垂直な断面の形状は、前記給電体に前記電極板を取付固定した状態で前記電解液に浸漬したときに前記間隙に通液される電解液の流れが層流となる形状である。これにより、接続部周りの電解液流れに乱流が生じないため、接続部周りの電解液の流れが促進され、高い冷却効果を得ることができる。

前記接続部における前記電極板及び前記給電体の接触面は白金族金属により被覆されていることが好ましい。本構成により、接触面の電気抵抗を低下させることができ、接続部における発熱量を低減させることができる。

また、好ましい態様では、前記接続部における前記電極板及び前記給電体は、ワッシャを介して接合されている。本構成によれば、耐食性且つ金属製のワッシャを電極板及び給電体の接触面に挟むことにより、接続部の強度を高めることができる。

前記ワッシャが表面に白金を被覆したタンタルからなることが好ましい。本構成によれば、電極板及びワッシャの接触面や、給電体及びワッシャの接触面における発熱を抑制することができる。

好ましい態様では、前記電極板と前記給電体との前記間隙は３ｍｍ以上２０ｍｍ以下である。
これらの電極構造体は、電解めっき用陽極として好適に用いることができる。

以上述べたように、本発明によると、接続部以外の電極板−給電体間に電解液が通液可能となるように間隙が設けられているため、電極構造体を電解液に浸漬したときに、電解液が電極板−給電体間に流入し、電極板−給電体間の空間に電解液の流れが生じる。そうすると、電解液により電極板自体が表裏両面から冷却されるので、電極板の冷却面積を増加させることができる。また、電極板−給電体間の空間に電解液の流れが生じることで、接続部周りにも電解液の流れが生じ、発熱量の高い接続部も冷却される。さらに給電体の冷却も促進させることができる。そうして、電極板の過熱を防いで電極板温度を電解液と同程度の温度近傍まで低下させることができ、延いては電極構造体の電極寿命を延命させることができる。

実施形態１に係る電極構造体の平面図である。 図１の電極構造体のＩＩ−ＩＩ線における縦断面図である。 図１の電極構造体において、セグメント電極板を電極裏面側から見た図であり、接続部周りの電解液の流れを模式的に示す図である。 実施形態２に係る電極構造体の一例におけるセグメント電極板と給電体との接続部を示す縦断面図である。 実施形態２に係る電極構造体の一例の図４相当図である。 実施形態３に係る電極構造体の図４相当図である。 電極表面温度測定試験２に使用した電極構造体の平面図である。 図７の電極構造体のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線における縦断面図である。 電極表面温度測定試験３に使用した電極構造体の平面図である。 図９の電極構造体のＸ−Ｘ線における縦断面図である。 電極表面温度測定試験３における電極板−給電体間距離と電極表面温度との関係を示すグラフである。 電解温度と電極寿命の関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。

（実施形態１）
＜電極構造体及びその製造方法＞
図１及び図２に示すように、実施形態１に係る電極構造体１は、電極板２と、当該電極板２を支持する給電体３とを備えている。

電極構造体１は、亜鉛、クロム、錫等の高速電解めっき用の陽極として用いられる。なお、電極構造体１は、高速電解めっきに限らず、他の電解用の電極、液中における箔などへの給電体、表面酸化処理などの陰極等として使用することができる。

電極板２は、給電されることでその電極表面２１Ａにおいて電解反応を進行させる役割を有する。電極板２は、複数に分割された複数のセグメント電極板２１が集合して構成されている。電極板２は、分割されていないものでも、分割されたものでもよいが、修理交換等のメンテナンス性の観点から、分割されて複数のセグメント電極板が集合されてなり、給電体３に着脱可能に取付固定された構成とすることが望ましい。電極板２の電極表面の表面積、セグメント電極板２１の大きさ、形状、厚さ、枚数等は、電極構造体１の使用用途により適宜変更され得るものであり、特に限定されるものではない。

セグメント電極板２１は、基材と、その基材の片面に電極物質からなる電極被膜が形成されてなる電極表面２１Ａとを備えている。基材は、電解液として強酸性液を使用する場合であっても耐食性に優れたチタン又はチタン合金製である。チタンは例えばＪＩＳ１種、２種、チタン合金は例えばＴｉ／Ｐｄ合金等を用いることができる。電極物質は、特に限定されるものではないが、電極表面２１Ａ上における反応促進の観点から、例えばＩｒ／Ｔａ酸化物、Ｐｔ、Ｐｔ／Ｉｒ合金、Ｐｔ／Ｉｒ酸化物等である。電極被膜の形成方法は、特に限定されるものではなく、蒸着、めっき、熱分解、ＣＶＤ等により形成される。

給電体３は、電極板２を支持するとともに、給電体３の背面に接続された給電ケーブルを通じて電極板２に電気を供給するためのものである。給電体３は、一般的に用いられる材質のものを適宜採用することができるが、少なくともその表面の電解液に触れる部分は電解液に対して耐食性の金属製である。金属は、例えば、チタン、チタン合金、ジルコニウム、ニオブ、タンタルを挙げることができ、好ましくはチタン又はチタン合金製である。チタン又はチタン合金としては、具体的には電極板２の基材と同様のものを用いることができる。給電体３の大きさ、形状、厚さ、枚数等は、電極構造体１の使用用途により適宜変更され得るものであり、特に限定されるものではなく、例えば１枚板のような構成とすることもできるし、複数のセグメント電極板２１を備えた給電体３を複数枚並べて電極構造体１を構成することも可能である。

セグメント電極板２１と給電体３とは、接続部４を介して密着固定されている。

接続部４は、給電体３に供給された電気をセグメント電極板２１に通電させる役割を有し、図２に示すように、セグメント電極板２１に設けられた電極板ボス部４１Ａ（凸状部）と、電極板ボス部４１Ａにおいてセグメント電極板２１と給電体３とを取付固定するボルト４３（取付部材）とを備えている。

電極板ボス部４１Ａの中央近傍には、ボルト４３を挿通させるためのボルト挿通孔４２が形成されている。セグメント電極板２１と給電体３とは、電極板側接触面４４（接触面）と給電体側接触面４５（接触面）とにより互いに接触している。

電極板側接触面４４及び給電体側接触面４５（以下、「接触面４４，４５」と称することがある。）は、電気抵抗を低減させる観点から、研磨機により機械加工されている。そして、接触面４４，４５の少なくとも一方、より好ましくはその両方は、例えばＰｔ、Ｐｄ等の白金族金属により被覆されていることが望ましい。本構成により、接触面４４，４５における電気抵抗を低下させることができる。そうして、通電時における接続部４の発熱量を低減させることができる。なお、セグメント電極板２１の電極裏面２１Ｂ及び給電体３の給電体表面３Ａは、機械加工されていてもよいし、機械加工されていなくてもよい。

給電体側接触面４５の中央近傍、すなわち接触面４４，４５が互いに接触したときにボルト挿通孔４２に対応する位置には、ボルト穴４６が穿設されている。

セグメント電極板２１は、ボルト挿通孔４２に挿通されたボルト４３により給電体３のボルト穴４６に取付固定される。このとき、複数のセグメント電極板２１は、給電体３に対して上述の電極表面２１Ａの高さが同一となるように給電体３に取り付けられる。

給電体３へのセグメント電極板２１の取付固定の方法は、特に限定されるものではなく、一般的ないずれの方法も取り得るが、セグメント電極板２１と給電体３とを確実に密着固定させる観点から、好ましくは、ボルト止めである。本明細書において、「ボルト止め」とは、図２に示すように、電極表面２１Ａ側からボルト４３により給電体３へ固定される構成の他に、給電体３側からボルトによりセグメント電極板２１に固定する構成も含む。また、例えばセグメント電極板２１又は給電体３にスタッドボルトを配し、給電体３又はセグメント電極板２１に固定する構成としてもよい。これらを総称して、「ボルト止め」と称する。

ボルト４３の材質は、電解液に対して耐食性の金属製であり、好ましくはチタン又はチタン合金製である。チタン又はチタン合金は、具体的には電極板２の基材と同様のものを用いることができる。

接続部４の発熱量を抑えるとともに、電解液による冷却を促進させる観点から、接続部４は細い方が望ましい一方、電流密度の観点からは太い方が望ましい。接続部４の径は、印加される電流値により変動するものであるが、例えば定格電流（電流密度約１００Ａ／ｄｍ^２〜約５００Ａ／ｄｍ^２）で通電したときに、セグメント電極板２１への十分な給電量を確保しつつ接続部４の発熱量を抑える観点から、接続部４の電流密度が好ましくは０．３Ａ／ｍｍ^２以上１．０Ａ／ｍｍ^２以下、より好ましくは０．５５Ａ／ｍｍ^２以上０．７５Ａ／ｍｍ^２以下となる径である。

ここに、本実施形態に係る電極構造体１は、セグメント電極板２１と給電体３との間に間隙Ｃ１が設けられていることを特徴とする。間隙Ｃ１が存在することで、電極構造体１を電解液に浸漬したときに、接続部４以外のセグメント電極板２１と給電体３との間に電解液が通液可能となり、図２及び図３中矢印で示すように、セグメント電極板２１−給電体３間及び接続部４周りに電解液の流れが生じる。そうすると、電解液により、セグメント電極板２１自体が表裏両面から冷却されるので、セグメント電極板２１の冷却面積を増大させることができる。また、接続部４周りの電解液の流れにより、発熱量の大きい接続部４も冷却される。そうして、セグメント電極板２１の過熱を防いでセグメント電極板２１、延いては電極板２全体の電極表面温度を電解液と同程度の温度まで低下させることができ、電極構造体１の電極寿命を延命させることができる。なお、例えば特許文献１に記載されたような従来の電極構造体では、電極板と、給電体との接続部以外の電極板−給電体間には、電解液の侵入を防ぐ観点から間隙は設けられていないか、又は設けられているとしても通常０．５ｍｍ以下程度の僅かな間隙が形成されているだけである。僅かな間隙は、電解液中の不純物等が電極板−給電体間の間に挟まってショート等により電極が破損しないようにするためのものであるが、このような僅かな間隙では、電解液は浸入することがあっても流れを生じる程の液量の侵入は起こらない。

セグメント電極板２１と給電体３との間隙Ｃ１は、好ましくは１ｍｍ以上２０ｍｍ以下である。間隙Ｃ１が１ｍｍ未満では、電解液のスムーズな流れを得ることが困難となり、冷却効果が小さくなる虞がある。また、間隙Ｃ１が２０ｍｍを超えると、接続部４の長さが長くなることで接続部４の電気抵抗が大きくなり、接続部４の発熱量が上昇しすぎる虞がある。なお、電極構造体１を設置する電解槽等の装置のコンパクト化の観点から、間隙Ｃ１の大きさは、３ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることがより好ましい。

隣接するセグメント電極板２１は互いに接するように配置してもよいが、例えば図１及び図２に記載するように、セグメント電極板２１と給電体３との間隙Ｃ１に加え、隣接するセグメント電極板２１間にも間隔Ｃ２を設ける構成としてもよい。間隔Ｃ２を設けることで、図１に矢印で示すように、セグメント電極板２１間にも電解液の流れが生じる。そうして、電極板２や接続部４の冷却が促進され、電極板２の過熱を防いで電極寿命を効果的に延ばすことができる。間隔Ｃ２の大きさは、好ましくは１ｍｍ以上３ｍｍ以下とすることができる。図１に示すように、間隔Ｃ２は、第１間隔Ｃ２１と第２間隔Ｃ２２とに分けられる。間隔Ｃ２のうち、第１間隔Ｃ２１及び第２間隔Ｃ２２の少なくとも一方は設けられていることが望ましい。例えば、電極構造体１を金属板材のめっき用の陽極として使用する場合には、被めっき材である金属板材の流れの方向と垂直方向は１ｍｍ以上３ｍｍ以下の間隔Ｃ２を設けることによって、電解液が広がり、冷却効果が拡大する。また、被めっき材である金属板材の流れの方向と並行方向の間隙は形成してもよいが、めっき鋼板のめっきの厚さにムラが形成される虞があるので、電極板間の配置を考慮して間隔Ｃ２を設けることが望ましい。

なお、接続部４の形状は、特に限定されるものではないが、接続部４の発熱が大きく接続部４の冷却がより重要であることから、接続部４周りに電解液が十分位供給され、しかもできるだけ速い速度で流れることが重要である。従って、接続部４周辺では電解液は層流になっていることが望ましく、そのために接続部４には角部や変形部が最小になることが望ましい。すなわち、図３に示すように、接続部４の通電方向に垂直な断面の形状が角を有しない円形、楕円形状等であることが望ましく、すなわち接続部４は円柱状や楕円柱状であることが望ましい。これにより、接続部４周りの電解液の流れには乱流が生じず、層流となり、接続部４周りの電解液の流れが促進され、高い冷却効果を得ることができる。

なお、電極構造体１の電極表面温度は、電極寿命を延ばす観点から、電解液の温度との差が好ましくは６℃未満、より好ましくは５．５℃以内、特に好ましくは５℃以内となる温度であることが望ましい。

＜電解槽及び電解条件＞
電極構造体１をめっき用の陽極として用いる場合、電極構造体１を陽極、被めっき材（図示せず）を陰極とし、電解槽（図示せず）内に配置する。被めっき材は、例えば鉄、鋼板、銅、ニッケル等の導電性の金属のコイル、板、ワイヤー等である。陽極−陰極間距離は、めっき条件により適宜変更され得るが、例えば１０ｍｍ〜５０ｍｍとすることができる。なお、給電体裏面３Ｂには通電ケーブル（図示せず）が取り付けられている。電解液の種類、濃度、液量等の条件は、一般的に用いられる電解液の条件を使用することができるが、電極構造体１の使用用途により適宜変更され得る。なお、電解液の温度は、例えば電解液を電解槽と電解槽の外に設けられたヒータ装置との間を循環させることで、所望の温度を保持することができ、例えば高速亜鉛めっきの場合、約６０℃に保持することができる。電解条件は、電極構造体１の使用用途により適宜変更され得るが、例えば高速亜鉛めっきの電解条件は、電流密度１００Ａ／ｄｍ^２〜５００Ａ／ｄｍ^２とすることができる。

＜電極寿命＞
本実施形態に係る電極構造体１を電解めっき用陽極として使用した場合、その電極寿命は、間隙Ｃ１を設けていない電極構造体１を使用した場合と比較して、１．５倍以上、より好ましくは２倍以上延命され得る。

（実施形態２）
以下、本発明に係る他の実施形態について詳述する。なお、これらの実施形態の説明において、実施形態１と同じ部分については同じ符号を付して詳細な説明を省略する。

実施形態１では、図２に示すように、セグメント電極板２１側に電極板ボス部４１Ａを設ける構成であったが、図４に示すように、給電体３側に給電体ボス部４１Ｂを設ける構成としてもよい。また、図５に示すように、セグメント電極板２１及び給電体３の両方にそれぞれ電極板ボス部４１Ａ及び給電体ボス部４１Ｂを設ける構成としてもよい。図４、図５いずれの構成においてもセグメント電極板２１及び給電体３は接触面４４，４５において接触している。

（実施形態３）
実施形態１，２では、セグメント電極板２１及び給電体３は、接触面４４，４５において互いに接触している構成であったが、接続部４の強度を高める観点から、図６に示すように、電極板側接触面４４と給電体側接触面４５との間にワッシャ４８を介して両者を接合する構成としてもよい。この場合、接触面４４，４５は各々ワッシャ４８の表面と接触することから接触面が増加するので、これらの接触面での発熱を抑えるよう、ボルト止め時に表面がわずかに変形するような、例えば、タンタルのような柔らかさを有し且つ耐食性の金属製のワッシャ４８を使用することが望ましい。ワッシャ４８は、金属は具体的には例えばＴａやＴａ／Ｎｂ合金、白金、パラジウム、金等の白金族金属を用いることができる。ワッシャ４８の表面には、例えば白金被膜を設けるなどの通電保持処理を行うことが望ましい。

次に、具体的に実施した実施例について説明する。

（電極表面温度測定試験１）
＜実施例１＞
電極板２として、縦２００ｍｍ×横２００ｍｍ、厚さ１５ｍｍのチタン板の片面にＩｒ／Ｔａ酸化物からなる厚さ約２０μｍの電極被覆を施して電極表面としたものを用いた。また、給電体３として、縦２００ｍｍ×横２００ｍｍ、厚さ３０ｍｍのチタン板を用いた。接続部４として、給電体３の中央に直径５５ｍｍ、高さ３ｍｍの給電体ボス部を設け、その中央にＭ１２ボルト固定用のボルト穴を設けるとともに、ボルト穴以外の表面を機械加工して平坦化し、厚さ０．１μｍの白金めっきを行って給電体側接触面を得た。また、電極板２の電極裏面は、機械加工して平滑とした。そして、電極板２の中央部には給電体取付用のボルト挿通孔を設けた。電極板２はボルト挿通孔に挿通されたＭ１２チタンボルトにより給電体３の給電体ボス部に取付固定した。なお、電極板２−給電体３間の距離は３ｍｍである。

そして、電極板２の電極表面のボルト位置近傍にＰＲ熱電対を溶接し、溶接部をエポキシ樹脂でシールした。

このようにして用意した電極構造体１を陽極且つ上電極、縦２００ｍｍ×横２００ｍｍのジルコニウム板を陰極且つ下電極とし、極間２０ｍｍを隔てて互いに平行に配置するとともに、陽極の給電体３の上部が１０ｍｍ外に出るようにして、電解槽に設置した。なお、給電体３の裏面には通電ケーブルを取り付けられている。電解液として１５０ｇ／Ｌ硫酸水溶液を用い、電解液の温度を６０℃とした。なお電解液量は５０Ｌとした。液はヒータ部分との間を循環させて６０℃に温度を保持するようにした。そして、電流量１０００Ａ（電流密度２５０Ａ／ｄｍ^２）で電解を行い、電極表面温度を測定した。なお、接続部の電流密度は０．４２Ａ／ｍｍ^２に相当した。電解時間２０分で、電極表面温度はほぼ一定となり、その時の電極表面温度を測定値とした。

＜比較例１＞
給電体の電極固定部分に高さを設けず電極裏面と共に給電体電極固定部全面を機械加工し、同じくＭ１２ボルトで固定した電極構造体を用意した以外は、実施例１と同様の方法により測定を行った。

＜結果及び考察＞
実施例１及び比較例１ともに、電解液温度は６０℃である。

そして、実施例１では、電極表面温度の測定値は６２℃であり、電解液の温度とほぼ同一の温度となっていることが判った。

一方、比較例１では、電極表面温度の測定値は６６℃であり、電解液の温度から６℃高いことが判った。比較例１の構成では、電極裏面及び接続部周りの電解液の流れが抑制されるので、電極板の裏側からの冷却がなく、電解液にさらされる電極表面片側からのみの冷却になるため、電極板の冷却が不十分になっているものと考えられる。

（電極表面温度測定試験２）
＜比較例２＞
図７及び図８に示すように、セグメント電極板２１として、縦１００ｍｍ×横１００ｍｍ、厚さ１５ｍｍのチタン板の片面にＩｒ／Ｔａ酸化物からなる厚さ約２０μｍの電極被覆を施して電極表面２１Ａを形成したものを４枚用意した。このセグメント電極板の電極裏面の中央に、接続部４を設けるため、直径２５ｍｍ高さ２ｍｍの電極板ボス部を設け、その電極板ボス部の中央にＭ１０チタンボルト締結用のボルト挿通孔を設けた。電極板ボス部のボルト挿通孔以外の表面を機械加工して平滑化し、電極板側接触面を得た。

一方、給電体３として縦２１０ｍｍ×横２１０ｍｍ、厚さ３０ｍｍのチタン板を用いた。接続部４を設けるため、このチタン板の片面に、電極板ボス部が配置される位置に合わせて直径２６ｍｍ、高さ２ｍｍの給電体ボス部を４個所設けた。給電体ボス部の中央に直径１２ｍｍのボルト穴を設けるとともに、ボルト穴以外の表面を機械加工により平滑化し、給電体側接触面を得た。

図７及び図８に示すように、上述の４枚のセグメント電極板をＭ１０ボルト４３により取付固定し、電極構造体１を得た。なお、このとき取り付けられた４枚のセグメント電極板２１は互いに平行で、隣接するセグメント電極板２１間の間隙が２ｍｍとなるようにした。なお、セグメント電極板２１と給電体３との距離は４ｍｍである。

次に、４枚のセグメント電極板２１と給電体３との間に挟み込むことで電極板−給電体間の間隙Ｃ１を埋めることが出来るＰＴＦＥ板（図示せず）を用意した。さらに、隣接するセグメント電極板２１間の間隔Ｃ２を埋めることが出来るＰＴＦＥ板（図示せず）を用意した。

上記電極構造体１について、間隙Ｃ１並びに間隔Ｃ２を全て埋めて陽極とし、実施例１と同じ電解槽に固定した。陰極も同ようにジルコニウム板を用い電解槽の底部においた。電極間距離を２０ｍｍとして電極構造体１を上側に陰極ジルコニウムを当該電極構造体１と平行に設置した。４つのセグメント電極板２１のうちの１つであって、電極板２の中央に近い部分にＰＲ熱電対を取り付けて、電極表面温度の測定を行った。

電解液は１５０ｇ／Ｌ硫酸＋５０ｇ／Ｌ硫酸ナトリウム（Ｎａ_２ＳＯ_４）水溶液とし、温度は６０℃とした。電解は各電極板に３００Ａの電流（電流密度は３００Ａ／ｄｍ^２）を流すことによって行った。接続部の電流密度は０．６１Ａ／ｍｍ^２に相当した。電解時間は２０分とし、電極板表面の温度を計測した。

＜実施例２＞
セグメント電極板２１−給電体３間の間隙Ｃ１を埋めるＰＴＦＥ板を除去した以外は、比較例２と同様の方法で測定を行った。

＜実施例３＞
間隙Ｃ１を埋めるＰＴＦＥ板及び隣接するセグメント電極板２１間の間隔Ｃ２を埋めるＰＴＦＥ板を除去した以外は、比較例２と同様の方法で測定を行った。

＜結果及び考察＞
比較例２及び実施例２，３の結果を表１に示す。

比較例２では、セグメント電極板の裏側からの冷却がないために温度が大きく上昇したと考えられる。

実施例２では、セグメント電極板−給電体間の間隙Ｃ１を埋めるＰＴＦＥ板を除去したことで、セグメント電極板２１の裏側に電解液が流れ、冷却液の役割を果たし、電極表面温度が電解液温度近傍まで低下したと考えられる。

また、実施例３では、実施例２の状態からセグメント電極板２１間の間隔Ｃ２を埋めるＰＴＦＥ板もさらに除去することで電極表面温度がさらに低下した。これは、セグメント電極板間を通しての液流が生じることで、液循環がさらによくなり、電解液流れによる冷却効果が向上したためと考えられる。

（電極表面温度測定試験３）
＜実施例４〜７、比較例３＞
図９及び図１０に示す電極構造体１を使用し、比較例２と同一の条件で電解を行い、電極板−給電体間の距離による電極表面温度の変化を調べた。

なお、図９及び図１０に示す電極構造体１の構成は、図７及び図８に示す比較例２の構成と以下の点を除いて同一である。

すなわち、図９及び図１０に示すように、セグメント電極板２１及び給電体３の外周に沿ってＰＴＦＥシール６を施し、電解液の出入りをセグメント電極板２１間の間隔Ｃ２からのみに制限した。このように、電極板−給電体間の距離が変化しても、間隙Ｃ１に流れ込む電解液の流速は一定となるようにした。

また、接続部４を構成するセグメント電極板２１の電極板側接触面４４及び給電体３の給電体側接触面４５の両方に、電気抵抗を低減させる観点から厚さ０．１μｍの白金めっきを施した。そして、接触面４４，４５の間に、白金被覆されたタンタル製のワッシャ４８を入れるようにした。電極板−給電体間距離は、５ｍｍ〜２５ｍｍの範囲で、当該ワッシャ４８の厚さを調節することにより、調整した。

実施例４〜７、比較例３の電極構造体１の電極板−給電体間距離の変化に伴う電極表面温度上昇について測定した結果を表２及び図１１に示す。

電極板−給電体間距離が５ｍｍから２５ｍｍまで増加するのに伴って、電極表面温度は徐々に上昇することが判った。これは、電極板−給電体間の距離が増加することによって、接続部４の周辺の液流速が小さくなること、及び、接続部４の発熱量が大きくなることが原因と考えられる。

（電極寿命確認試験）
＜実施例８及び比較例４＞
電極板２の裏面からの冷却により電極寿命が延命されることを確認するため、実際の連続高速亜鉛めっきラインでの運転試験を行った。

すなわち、実施例８の電極構造体１は以下の通り準備した。セグメント電極板２１として縦２００ｍｍ×横２００ｍｍ、厚さ２０ｍｍのチタン板の片面にＩｒ／Ｔａ酸化物からなる厚さ約２０μｍの電極被覆を施して電極表面を形成したものを用いた。セグメント電極板２１の電極裏面の一部を機械加工して円柱状の高さ４ｍｍの電極板ボス部を２個所形成し、平滑な給電体にセグメント電極板間距離３ｍｍを隔てて各々２本のボルトでボルト固定した。

比較例４の電極構造体としては、セグメント電極板の電極裏面を平滑として、平滑な給電体に直接ボルト止めをしたものを用いた。

電解液は高速亜鉛めっき浴（ＺｎＳＯ_４、２００ｇ／Ｌ）であり、電解液温度は６０±２℃であった。被めっき材として鋼板を使用した。電解電流密度は１２０Ａ／ｄｍ^２であり、めっきラインの電極として取り付けて連続電解を行った。

＜結果及び考察＞
比較例４のセグメント電極板−給電体間に間隙のない電極構造体は３ヶ月で寿命に達した。一方、実施例８の給電体−電極板間に４ｍｍの間隙を有するものでは、９ヶ月以上経過しても初期性能を維持することが判った。

本発明は、電極構造体自体の温度上昇による影響を緩和することで、電極構造体の劣化を抑制し、延いては電極寿命の長い電極構造体をもたらすことができるので、極めて有用である。

１ 電極構造体
２ 電極板
２１ セグメント電極板
２１Ａ 電極表面
２１Ｂ 電極裏面
３ 給電体
３Ａ 給電体表面
３Ｂ 給電体裏面
４ 接続部
４１Ａ 電極板ボス部（凸状部）
４１Ｂ 給電体ボス部（凸状部）
４２ ボルト挿通孔
４３ ボルト（取付部材）
４４ 電極板側接触面（接触面）
４５ 給電体側接触面（接触面）
４６ ボルト穴
４８ ワッシャ
Ｃ１ 間隙
Ｃ２ 間隔
Ｃ２１ 第１間隔
Ｃ２２ 第２間隔

Claims (10)

1. チタン又はチタン合金を基材とする電極板と、
   前記電極板を支持する給電体と
   を備えた電極構造体であって、
   電解時の電流密度が１００Ａ／ｄｍ ^２ 〜５００Ａ／ｄｍ ^２ である電解用の電極として用いられ、
   前記電極板は、複数に分割された複数のセグメント電極板からなり、
   前記電極板と前記給電体とは、接続部を介して密着固定されており、
   電解液に浸漬したときに、前記接続部以外の前記電極板と前記給電体との間に該電解液が通液可能となるように、前記電極板と前記給電体との間に間隙が設けられており、
   前記電極板と前記給電体との前記間隙は１ｍｍ以上２０ｍｍ以下であり、
   隣接する前記セグメント電極板間にも前記電解液の流れが生じるように、隣接する前記セグメント電極板間には１ｍｍ以上３ｍｍ以下の間隔が設けられていることを特徴とする電極構造体。
2. 前記電流密度は１００Ａ／ｄｍ ^２ 〜３００Ａ／ｄｍ ^２ であることを特徴とする請求項１に記載の電極構造体。
3. 前記接続部は、
   前記セグメント電極板及び前記給電体の少なくとも一方に設けられた凸状部と、
   前記凸状部において前記電極板と前記給電体とを取付固定する取付部材とを備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電極構造体。
4. 前記取付部材は、ボルトであることを特徴とする請求項３に記載の電極構造体。
5. 前記接続部の径は、前記給電体を介して前記電極板に電流密度１００Ａ／ｄｍ ^２ 〜５００Ａ／ｄｍ ^２ の定格電流で通電したときに、前記接続部における電流密度が、０．３Ａ／ｍｍ^２以上１．０Ａ／ｍｍ^２以下となる径であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電極構造体。
6. 前記接続部の通電方向に垂直な断面の形状は、前記給電体に前記電極板を取付固定した状態で前記電解液に浸漬したときに前記間隙に通液される電解液の流れが層流となる形状であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電極構造体。
7. 前記接続部における前記電極板及び前記給電体の接触面は白金族金属により被覆されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の電極構造体。
8. 前記接続部における前記電極板及び前記給電体は、ワッシャを介して接合されており、
   前記ワッシャが表面に白金を被覆したタンタルからなる
   ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の電極構造体。
9. 前記電極板と前記給電体との前記間隙は３ｍｍ以上２０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の電極構造体。
10. 電解めっき用陽極であることを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載の電極構造体。
    

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