JPH07501852A - 電解槽 - Google Patents

Abstract

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Description

【発明の詳細な説明】 ！照遭 本発明は、電解槽、特に、オゾンを生成する電解槽に関するものである。

水を素成分すなわち０２及びＨ２に分解して、そのアノード、カソードからそれ ぞれ放出していく電解槽は公知である。適当な条件の元では、アノードから０３ も取り出せる。

欧州特許明細言下００４１３６５号には、電気陰性度の非常に強い陰イオンを含 む水溶液から成る電解物、例えば、六フッ化（陰）イオンを持つ酸や塩が電解し てオゾンを生成する電解プロセスが開示されている。

オゾン生産については３５％までの高い電流効率が報告されている。電流効率（ オゾン生産効率としても知られている）とは、実際のオゾン生産対理論上のオゾ ン生産の、所与電流入力に関する尺度のことである。すなわち、３５％の電流効 率とは、一定の条件のもとでは、アノードから放出される０２　０３ガスには（ 理論上の０３生産では）３５重量％のオゾンが含まれており、供給電流の３５％ がオゾン生産に使われているという意味である。

また、エアーカソードを有し、カソード反応を行って酸性の電解液中で雰囲気の 水への還元が起こり、その後アノードで水を酸化して、酸素とオゾンとにするオ ゾン生産用の電解槽も知られている。結果として、カソード表面では水素は生成 されないので、電解槽の電圧は実質的に低減される。さらに、電解槽の構造は、 水素放出カソードを有する電解槽よりも簡単になっている。例えば、アノードと カソードの間の隔離板は、カソードから水素が放出されないので必要ないし、プ ロセス全体の管理も、定期的に水を加える必要が少なくなっているので、簡単に なっている。

従って、米国特許第４．５４１．９８９号には、外面が管状エアーカソード構造 内でアノードとして機能し、内面がカソードとして機能する管状アノード構造体 を有するオゾン生産用電解槽について開示されている。前述の米国特許の中で開 示されているように、オゾン生産用電解槽では、アノード表面の電流密度はカソ ード表面のそれよりも大きいほうが望ましい。特に、アノード表面の電流密度は 、カソード表面での分極損失に要する消費電力を減らし、それによって水素の発 生を回避し、空気カソードの寿命を伸ばすために、カソード表面の密度の少なく とも２倍位であるのが望ましい。

更に、電気分解によるオゾン生産では、アノードの表面を冷たくしておく必要が ある。アノードの表面を冷たくしておくと、電解過程の電流効率が実質的に高く なる。

例えば、アノードの温度を２５℃から０℃へ下げると、電流効率が４倍になる場 合があることが分かつている。更に、オゾン生産用電解槽内のアノードを冷却し ておくと、アノードの寿命が伸びる場合が多い。

一般に、アノードはアノード内の冷却液の流れによつて冷却されている。従って 、電解液と有効な熱交換ができ、アノードが効率よく冷却されているのが確認で きるように、アノードの表面積をできるだけ大きくするのは大切なことである。

一方、アノードの電流密度を高くするには、カソードの表面積に比べてアノード の表面積を小さくするのが望ましい。

米国特許番号４．５４１．９８９に記載の同心管状構造によって、依然として効 率的な熱交換が続いているのに、カソードよりもアノードで、電流密度が大きく なっているという１つの方向が示されている。

しかし、上記の同心管状構造は、カソードの表面積に比べてアノードの表面積を 小さくするために、アノード外面とカソード内面の間の距離を示す電極間ギャッ プを不都合な程大きくするという不利な立場に陥ることはない。例えば、２セン チの外径を持つ内側の管状アノードと、アノードの２倍の内表面積を持つ外側管 状カソードとから成る電解槽では、カソードの内径は４センチとなり、電極間ギ ャップは、２センチとなる。上記のように電極間ギャップが大きいと、電解槽中 の電流に高い電気抵抗がかかり、電解槽の電圧が望ましくない程上昇してしまう 。

上記不具合は特にカソードがエアーカソードである上記構造で発生する。前記の 動作に関する不具合に加えて、エアーカソードは、管状にするのが難しく、例え ば電解槽内への封入などの電解槽の製造中に、機械的な不具合となってしまう。

本発明の第１の特徴によれば、第１及び第２電極構造体を有し、少なくとも第１ 電極構造体が電解液と熱交換関係にある表面積を持ち、上記表面積の一部だけが 電解的に活性である電解槽が提供される。

一般に、第１及び第２電極構造体は、それぞれ電解液と熱交換関係にある表面積 を持っており、第１電極構造体の上記表面積の一部だけが電解的に活性であり、 第２電極構造体の電解可能表面積は、第１電極構造体より大きくされている。

オゾン生産用電解槽では、第１電極構造体はアノードに、第２電極構造体はカソ ードになっており、カソードの電解可能表面積はアノードよりも大きくなってい る。

本発明は、オゾン生産用電解槽について説明しているが、オゾン以外の製品の生 成に応用されてもよい。

アノード及びカソード構造体の電解可能表面積は、通常、動作中は、アノード構 造体の表面の確定電流密度が、カソード構造体の表面の確定電流密度よりも少な くとも２０％だけ大きくなる程度となるであろう。

アノード構造体の表面の確定電流密度は、カソード構造体の表面のそれよりも少 なくとも５０％、特別な場合は、少なくとも８０％大きくなるのが望ましい。

アノード構造体は、電解液との熱交換が可能な広い表面積を持っていてもよく、 表面積が広ければ熱交換の効率が上がることになる。しかしながら、その表面積 の一部しか電解的に活性でないので、カソードの電流密度に比べてアノードの電 流密度は確かに比較的高めとなっている。

「電解的に活性なアノードの表面」とは、電解プロセスが発生し、カソードの表 面が密接な電気的相互作用を持つアノード表面の部分のことであり、「電気的相 互作用を持つ」とは、活性なアノード表面とカソード表面の間に電流が発生し電 解液の中でイオンの流れとなって流れることをいう。

本発明の一興体例では、アノード構造体は、異なった素材で造られていてもよい 。例えば、アノード構造体の一部は上記の電解的に活性なアノード表面になるよ うな素材で造られ、別な部分は電解的に活性なアノード表面として機能できない 素材で造られていてもよい。この場合、アノードの表面には、電解可能な表面に なるような素材で造られている表面と、そのような素材で造られていない表面か できることになる。その場合、電解可能な表面になるような素材で造られている 表面だけが電解可能な表面として機能する。

しかし、製造の簡素化のためには、少なくとも、電解槽の動作中は表面が電解液 にさらされるアノード構造体の部分だけは全部、アノードとしての使用に適した 素材で造り、電解液にさらされるアノード表面の一部は、その部分とカソード構 造の間の電解作用を抑制することによって電解可能アノード表面として機能しな いようにするほうがよい。電解作用を抑制するには、アノード表面のその部分を カソード表面からマスクする手段を用いてもよい。

本発明の第２の特徴によれば、第１及び第２電極構造体を有し、少なくとも第１ 電極構造体の表面の一部だけが電解的に活性であり、また第１電極構造体の表面 の残りの部分を実質的に電解に不活性な状態にするために、残りの部分をマスク する手段を有することを特徴とする電解槽が提供される。

マスク手段には、例えば、被覆、カバー、挿入物、アノード表面のマスクした部 分とカソード表面の間における事実上オゾン生産電解作用がない他の適切な部分 といったものがある。

マスク手段は、アノード表面のマスク部分とカソード表面の間の電解作用を抑制 するものならば、どんな形であってもよい。従って、マスクの役割を果たすため に使われる素材は、概して電気絶縁素材である。上記素材は、また、電解液と化 学作用を起こさないものでなければならないが、腐食性は高くてもよい。適切な 素材としては、塩化ビニル、ポリフッ化ポリマー、または、電気絶縁体であり、 酸化ガスに耐性があり、強い酸性腐食性溶液に対して優れた耐性を持つポリテト ラフルオルエチレンのような不活性の重合体素材などがある。

マスクの程度は、活性なアノード表面とカソード表面間の望ましい電流密度差が 達成できる程度とする。従って、活性なアノード表面として機能する、マスクさ れないアノードの表面積は、およそ８０％のカソードの表面積よりも少なくなく てはならないし、およそ６０％のカソード表面より少ないのが望ましい。

アノード構造体は、どんな形であってもよく、例えば、管状であっても、平面的 な形であってもよい。アノード構造体の電解的に活性及び不活性な表面積は、ア ノード構造体の表面に散在していてもよい。アノード構造は、細長い形をしてい てもよく、電解的に活性及び不活性な表面は、細長いアノード構造体の縦方向に 伸びていてもよい。

電解層は、更に、アノード構造体との熱転移を行う冷却液の循環手段を持つのが 望ましい。その循環方式は、アノード構造体の電解的に活性及び不活性な表面を 通して、冷却液と電解液の間で、熱交換が行われるものである。上記の冷却液の 循環が可能なアノードの特に望ましい形は、管状アノードであり、その内腔は、 冷却液の流路となる。冷却液は、アノードの内腔を伝って流れてもよ（、内腔に は、内腔内に伸びている部材が付いていてもよい。上記部材の例としては、冷却 液が流れるようにするための、中が空洞になっている指状突起がある。例えば、 上記指状突起は、銅で冷間加工されてもよい。

電解液にさらされる管状アノード構造体の表面は、管状構造の外面でもよく、従 って、上記外面の電解的に活性及び不活性な部分は、管状構造の周辺及びその縦 方向に伸びて散在していてもよい。

アノード構造体の電解的に不活性な表面を通して熱交換を行うためには、電解槽 に、アノード構造体の表面の実質上電解的に不活性になっている部分と熱交換が 行われる流路に沿って電解液のルートを決める手段が装備されているのが望まし い。アノードが細長い構造をしている場合は、ルーティング手段によって、アノ ード構造体の縦方向に伸びる、少なくとも１本の流路ができるのが望ましい。

アノード構造体の活性表面と不活性表面は、アノード構造体の縦方向にほぼ同一 面積になるように広がっていてもよい。

カソード構造体とアノードの電解に不活性な表面の間に発生する電解作用をでき るだけ少なくするためには、電解槽に、電解液がアノード構造体の電解可能表面 との間を循環している区域から、電解に不活性な表面が存在する区域まで、アノ ード構造体周辺の電解液の流れを妨げるための手段が装備されているのが望まし い。

カソード構造体は、一般的には、平坦な構造、または管状構造をしているのが望 ましいが、どんな形をしていてもよい。カソード構造体が管状である場合は、管 の内面は、電解可能カソード表面であってよい。また、カソード構造体の内面積 は、米国特許第４．５４１．９８９号に関連した前記のカソード構造体の内面積 よりも小さくてもよい。従って、電極間ギャップも小さくなるが、アノードの電 解可能表面とカソード表面との電流密度の差は維持される。

しかし、カソード構造体は、前記のように空気カソードの採用が望ましいので、 平坦な構造をしているほうがよい。平坦な構造の空気カソードは、製造するのも 、電解槽に取り付けるのも容易である。更に、少なくとも１本の管式アノードと 少なくとも１個の平坦なカソードから成る電解槽は、以下に記述するずっと大き なサイズまで、電解槽の大きさを決めるのが容易であり、また、本発明の第一の 局面に従って定義されている、アノードの電解可能表面とカソード表面とで電流 密度に差をつけるのも容易である。カソード構造体が平坦な構造をしている場合 は、電解槽内に、カソードが２本あるのが望ましく、アノード構造体はその間に 、カソードと一定の距離をおいて置かれるのが望ましい。また、アノード構造体 には、カソード構造体と向かい合うように、電解可能な表面が点在しているのが 望ましい。その場合、アノード構造体には、上記の点在する電解可能表面の間に 、電解に不活性な表面が存在してもよい。特に望ましいのは、上記のような、１ 本のアノードに電解可能な表面と不活性な表面があるようなアノード構造体を持 ったアノードを複数備えているものである。アノード構造体は、２本の平坦な形 をしたカソード構造体の間に、それらと平行に置かれてもよい。

本発明の第３の特徴によれば、外面がアノード表面として機能する少なくとも１ 本の管状構造体と、少なくとも１本の平坦な形をしたカソード構造体とから成る オゾン生産用電解槽が提供されている。

本発明の上記第３の特徴による電解槽は、前記の本発明の第１、第２の特徴の特 色を（幾つか、または全部、または状況が許せばそれらを組み合わせて）組み入 れていてもよい。

本発明の上記第３特徴の具体例では、電解槽は、少なくとも２本の平坦な形をし たカソードと、それらの間に置かれる１本または複数の管式アノード（２本以上 の管式アノードが望ましい）とから成っている。採用される管式アノードの数は 、少なくともある程度までは、要求されているオゾンの生産率、管式アノードの 大きさく特に長さと直径）、および電解槽の動作中の、電解可能アノード表面で の電流密度によって決められる。従って、時間当り　１００ｇのオゾン生産が望 まれる場合は、電解槽は、１２本までの管式アノードを備えることが可能である 。

オゾンの生産率を上げるためには、ただ、エアーカソードの間に置かれる管式ア ノードの数を増やしたり、アノード管の長さを伸ばしたり、平坦な形をしたエア ーカソードの面積を増やしたりするだけで、電解槽の規模が簡単に大きくなるの が、本発明の第３の特徴の大きな利点である。

更に、電解槽は、平坦な形をした２本以上のカソード構造体と、各カソードの間 に配設される１本またはそれ以上の管式アノード構造体とから成っていてもよい 。また、電解槽は、それぞれが向かい合っている平坦な形をしたカソードの間に 、管式アノードが一列に並んでいる構造であってもよい。

更に、本発明の第３の特徴による電解槽では、電解液と熱交換が行われる管式ア ノードの外面の一部だけが、電解可能となっているのが望ましい。また、電解槽 が、アノード構造体表面の残りの部分を実質的に電解に不活性な状態にするため に、前記の部分をマスクする手段を備えているのが望ましい。

アノード表面の活性および不活性な部分は、以下に述べる第１と第２の境界手段 を電解槽に装備することによって定められる。第１の境界手段とは、それによっ て上記のアノード表面の一部だけがアノード構造体の内の電解可能な表面を構成 することになる電解液囲い込みチャンバーを、カソード構造体およびアノード構 造体表面の一部だけと、結び付ける手段のことである。第２の境界手段とは、上 記チャンバーと連絡している電解液の少なくとも１本の流路を、上記アノード構 造体表面のさらに別の一部と結び付ける手段のことであり、上記の流路は、アノ ード構造体表面の上記の更に別の一部に電解液の流れがかかるようにするための ものである。上記の更に別の部分とは、はぼアノード構造体の電解に不活性な表 面に当たる。第１、第２の境界手段は、更に、上記のマスク手段を備えていても よい。また、例えば、アノード表面とカソード表面の間に伸びる絶縁体を備えて いてもよい。絶縁体は、例えば、くさび形部材や先端を切りとった円錐形の形を していてもよい。前記円錐形は、狭い方と広い方の両端面を持っており、狭い方 の端面ば、カソード表面から広い方の端面まで接触しながら伸びており、広い方 の端面は、１本またはそれ以上のアノード構造体の外面と接触している。また、 上記絶縁体は、カソード表面と向き合っていない、アノード構造体表面部分を、 カソード表面からマスクするためのものである。

第１および第２の境界手段、例えば、１個またはそれ以上の絶縁体は、電解槽内 に個々に差入れてもよい。しかし、絶縁体は、アノードおよびカソード構造体が サポートされる電解槽本体の一部として形成するのが便利である。従って、電解 槽本体が、カソード表面と向き合っていないアノード表面をマスクするような構 造になっていてもよい。

上記の場合、電解可能なアノード表面とは、カソード表面に隣接するアノード表 面のことであり、電解可能アノード表面とカソード表面との間の距離は、１０ミ リより小さくなっているのが望ましく、５ミリまたは４ミリより小さくなってい るのは特に望ましい。前記のように、アノード構造体のできるだけ大きな部分が 、電解液と接触しているのが望ましい。その理由は、そうすると、電解液とアノ ード表面との間で高い熱交換率が達成できるからであり、よれによって、電解可 能なアノード表面が、効率よく冷却できるからである。従って、アノードのマス クされた表面を電解液にさらさないほうがよい。

マスク手段が、カソード表面からアノード表面まで伸びている、１個またはそれ 以上のくさび形絶縁体である場合は、くさびが、マスクされたアノード表面の小 さな部分としか接触しないような形にするとよい。例えば、循環路を形成するた めに、くさびを切り離してもよい。

切り離してよいくさびの部分は、電解液が、マスクするためのくさび部材とアノ ード表面の間を、アノード表面上を通って循環するようにマスクしたアノード表 面に隣合った部分である。

従って、たとえアノード構造体のマスクした部分が、電解作用に何等重要な役割 を果たさなくとも、電解液が、アノード構造体のマスクした部分および電解に不 活性な部分のほぼ全部または一部の上を自由に流れるようにしてよい。そうする と、熱交換が行われる表面積が増し、電解可能なアノード表面が冷却されること になる。

アノードのマスク部分と電解に不活性な部分付近に、例えば、再循環路を設ける ことの更に別な利点は、電解液の再循環流が、電解可能なアノード表面の上を通 れることである。上記再循環流は、電解可能なアノードの表面で形成される気体 の産物に混じる気泡を取り除く働きをしている。気泡を取り除かないと、電解槽 内の電圧の上昇につながる。再循環流内では電気分解がほとんど起こらないので 、上記の電解液の流れは可能となったのであるが、その結果、その流れの中の電 解液は気化されない傾向がある。ところが、気化電解物を造るための電解液チャ ンバーの中では、電気分解によって気体が作り出されているのである。電解液の 再循環流は、気化された電解物と気化されない電解液の間の密度の差によってつ くりだされるのである。

電解可能なアノード表面とカソード表面の間の電解液から、再循環流内を流れる 電解液へと電流が漏れるのを防ぐために、電解液チャンバーは、再循環流が入っ てこないように密閉する必要がある。

本発明の第４の特徴によれば、アノード構造体、カソード構造体、および電解液 が入っているチャンバーから成り、上記チャンバーの中には、電気分解が起こる 電解液と、電解液と流れの行き来はあるがその中では電気分解が起こらない、少 なくとも１つの再循環流路を造り出している電解液の両方が含まれている、オゾ ン生産用電解槽が提供されている。

再循環流路は、電解槽内に設けられても、電解槽の外側に設けられてもよい。

前記のように、再循環流路を電解槽内に設けるのが望ましく、電解に不活性なア ノードの表面付近に設けるのが最も望ましい。

電解槽内に、電解の産物である気体のためのディスエントレインメント領域と電 解液貯臓器の両方の働きをし得る上端部を設けてもよい。電解可能なアノード表 面とカソード表面の間にある電解液チャンバーから来た（／へと帰る）電解液と 再循環流は、上記上端部へと（／から）流れ、産物の気体は、上記上端部から回 収される。

エアーカソードは（市販の部品である）、一般に、小量の触媒、例えばプラチナ を用いて生成した、ポリテトラフルオルエチレン結合炭素から造られている。

本発明による電解槽のアノードの表面に使われている素材は、例を挙げると、欧 州特許第００４１３６５号に詳細に記載されている従来のアノード素材と同じで よい。

アノードの表面は、プラチナか二酸化鉛、特にベータ結晶状の二酸化鉛で造られ てもよい。しかし、アノード表面の素材として使うには、特別な形の炭素、つま り、ガラス質の炭素が特に望ましい。それは、上記の炭素が酸素と結合すると超 過電圧が生じ、従って、効率よくオゾンが生産されるからであり、強い酸性の電 解液の中でも安定しており、電解槽に生じた酸化状態にも安定しているからであ る。更に、ガラス質の炭素は、導電率が極めて低い素材である。結果として、電 流が、アノードの電解可能な表面にだけ隣接して設けられる（以下に述べる）導 電部材を通してアノード構造体に供給される場合は、電流は、電解可能なアノー ド表面から、電解に不活性なアノード表面まで漏出しない傾向がある。

電解槽で使われている電解液は、一般に知られている電解液、例えば、欧州特許 第００４１３６５号に記載の、陰性度の強い陰イオン（および会合陽イオン）を 含む水溶液である。使われる負の電荷をもった陰イオンは、できるだけ陰性度が 強いものが望ましい。最も望ましいのは、フッ素イオン（陰イオン）である。フ ッ素イオンは、周期表の５Ｂ族元素、例えば、六フッ化イオンを形成する三価の リンを含むフッ素イオンや５価のヒ素を含むフッ素イオンでもよい。ケイ素やア ンチモンのような、他の関連非金属元素もまた、六フッ化イオンを形成する。他 の適切なフッ素イオンの名を挙げると、ＰＯ２Ｆ２−、■ＴｉＦ６−＋ＮｂＦ７ ２−．　ＴａＦ７２−、Ｎ１Ｆ６２−、ＺｒＦ６２−、ＧａＦ２”ミ　ＦｅＦ６ ２−がある。三価のリンを含む、５価のヒ素を含む、ホウ素の、およびケイ素の 各フッ素イオンは、水から成る電解液、特に、ポリハロゲン化ボランに加えられ るには、望ましいイオンである。特に、テトラフルオロボレートイオンを使うの が望ましい。

フッ素イオンは、それぞれ酸の形で、または水溶性の塩として、水から成る電解 溶液に加えられてよい。酸の形をしたフッ素イオンは、水によく溶けるため望ま しいが、ナトリウム、カリウムといったフッ素イオンを含む塩は、その水溶液が 、それぞれの酸が含まれる溶液よりもペーハー水素イオン指数が高いという利点 を提供するものである。従って、上記のフッ素イオンを含む塩は、カソードに対 してより腐食性が低くなっている。

電流効率については、イオン濃度を上げることによって、オゾンの電流効率が高 められるので、電解液の中のフッ素イオン濃度を最高の溶解度まで上げるのが、 望ましい。しかし、イオン濃度を上げる古、力゛ノードζこ文１する、電解液の 腐食性もまた、高められること１こなる。適切なイオン濃度は、日常の実験で決 定してよ０゜電解槽の製造は、これまで定義されてきた本発明の様々な局面に従 ったその製造は別にして、フ・ソ素イオンを含む電解液の腐食性やオゾンガスの 強い酸化力に考慮力＜１ムわれできた従来の技術に従ってよい。従って、腐食性 の高０電解液や電気分解による酸化産物に接触する電解槽の部分は、腐食性の高 い電解液や酸化ガスの両方１こ対して化学作用を起こさない素材から造られるの が望ましくへ〇従って、電解槽本体は、ポリ塩化ビニルやポリフＪレオＩＪネイ ティッドポリマー、酸化ガスに耐性があり、腐食性の強い酸性溶液に優れた耐性 がある、ポリテトラフルオロエチレン から造ったり、コートしてよい。

電解槽で起こるカソードの反応によって水素力（発生する場合は、電解槽のアノ ードとカソードは、力゛ノードで発生する水素が、アノードで発生する気体と流 体の流れにのって接触することがないように、仕切りで隔てる必要かある。上記 の隔離板は、技術の分野で（よよく知られている。それらの隔離板は、従来から 、［ナフィオン］（Ｅ．１．　デュポンの登録商標）といった、ツクーフル第１ ）ネイテイツド重合体イオン交換素材から造られて０る。

上記の隔離板は、空気カソードが使われたり、力゛ノード、の作用で水素が発生 しない場合は、本発明の優先具体例では必要とされない。

アノードおよびカソード構造体は、電解槽の外側にまで達するリード線を付けて 電解槽内に配設される。例えば、銅から造られている導電部材を使って、アノー ド構造体の電解可能な表面部分に相当するアノード構造体の表面の一部だけに接 触することによって、アノードに電位をかけてもよい。電位は、電流が、カソー ドからマスクされているアノードの表面にではなく、主として電解可能なアノー ド表面に供給されるように、電解可能なアノード表面付近に縦方向に与えられる 。導電部材は、電解液と直接接触しないアノードの表面に装備されるのが望まし い。例えば、アノードが中空の管の形をしている場合は、導電部材は、電解液か ら保護するために、管の内腔内に装備してよい。

電解槽は、使用に先だって密閉され、その上端部分には、必要ならば、水の補給 や（水素を造る場合は）カソードとアノードから発生する気体の回収に適当な注 入路および流出路が装備される。必要ならば、カソードで発生した気体とアノー ドで発生した気体を別々にしておくための２つの別個の気体除去装置を使っても よい。カソードとアノードで発生した気体を伴出し、電解槽から、保管されるか 望ましい用途に利用されることになる外部へと運び出すために、窒素および／ま たは空気を加えたり、例えば、気体処理装置を通して注入してもよい。

アノード構造体とカソード構造体は、前記リード線によって、通したければ導電 部材を通って、電解槽の外にある電源に接続されている。一般に、電解槽は、３ から７ボルトに相当する電位で動作する。アノード表面の電流密度は、電解可能 なアノード表面の平方センナ当りおよそ１０分の１アンペアから、電解可能なア ノード表面の平方センチ当りおよそ１．０アンペアまでの範囲内にあればよい。

以下の添付図面を参照して本発明を説明する。

第１図は、本発明による電解槽の概略部分切断面図である。

第２図は、第１図のＡ−Ａ線に沿った断面図である。

第３図は、第２図のＢ−Ｂ線に沿った図１に示す電解槽の断面図である。

第４図は、第２図のＣ−Ｃ線に沿った図１に示す電解槽の断面図である。

第５図は、第３図に示すＤ−Ｄ線に沿った断面図である。

第６図は、第３図に示すＥ−Ｅ線に沿った断面図である。

第７図は、第３図に示すＦ−Ｆ線に沿った断面図である。

第１図から第７図を参照する゛と、第１図に１として示されているオゾンの生成 に適切な電解槽は、上端部４と底部６、およびその間に伸びており間隔を置いて 並んでいる柱状体８を持つ電解槽本体２から成っている。１組の末端柱状体８Ａ および中間柱状体８Ｂの上記３本の柱状体８が図示実施例に載っているが、採用 されたアノード構造体の数によって、多くしたり少なくしたりしてもよい。エア ーカソード１ｏの間にあるがそれから離れたところにあるエアーチャンバー１２ と関連を持つ１組のエアーカソード１０．および１組の管式ガラス質炭素アノー ド１４が、電解槽本体にサポートされている。互いに離れたところにあるアノー ドとカソードをサポートしている柱状体８は、エアーカソード１ｏの活性表面と 、エアーカソードの活性表面と向がい合っているアノード１８の外面の一部、お よび電解液チャンバー２０と共に、境界を定める手段とから成っている。電解液 チャンバー２０は、上端部４から底部６まで縦に伸びており、各先端で、それぞ れ上端部４および底部６内にある上部電解槽空間２２および下部電解槽空間２４ （第３図参照）に開いており、各電解槽空間は、アノード１４の反対側にある１ 組の電解液チャンバー２０と連通ずるように配列されている。

柱状体は、くさび形の構造をしており、柱状体によって境界が限られるカソード 表面１６の半分の面積を持つ、縦に伸びる電解可能なアノード表面の境界を定め るために、カソードからアノードまで収れんする角度で互いに近づき合う、隣接 する柱状体の内表面２６をもっている。

電解可能なアノード表面とカソード表面に必要とされる格差によって、使用中は 、電解可能なアノード表面とカソード表面の間で必要とされる電流密度の格差が 提供されるが、４ミリより小さい、電解可能表面とカソード表面の間の距離は、 その存在を許される。

柱状体８は、カソードの表面から、アノード表面２８の残りをマスクしており、 少なくともアノードの電解に不活性な表面の一部２８ａに隣接する、湾曲した、 例えば、半円形の輪郭を持つ再循環用側溝を造っている溝すなわち側溝が形成さ れている。各側溝３０は、上端部４から底部６まで縦に伸びており、各先端で、 上端部４と底部６内にある上部電解槽空間２２と下部電解槽空間２４（第４図参 照）に開いている。前記のように、空洞２２．２４は、隣接する柱状体と１組の 電解液チャンバー２０と関連を持っている１組の側溝３０と連通ずるように配列 される。アノードの表面と電解槽本体の柱状体の間には、縦に伸びる弾力的に変 形可能なシール３２によって、流体の漏らないシールが維持される。シールによ って、電解液チャンバー２０から再循環路３０までのアノード周辺の、電解液の 循環する流れが妨げられる。各アノードの内腔３４には、アノード１８の電解可 能表面に隣接して銅の同体３６が取り付けられている。前記導体を通じて、アノ ード１８の電解可能な表面と電源とが、接続される。アノードは、導電率が低く 、従って、電流が、再循環路３０に隣接するアノードの電解に不活性な表面へ漏 出する傾向を減らす働きをする、ガラス質の炭素から造られている。内腔は、ま た、アノード構造体の電解可能表面と不活性な表面の両方との、熱転移が行われ ることになる、冷却剤の循環路となっている。

第３図から第７図の断面図は、１組のエアーカソードの間に配設される１本のア ノードの周りの電解液の流れをより鮮明に示している。第３図は、電解槽上部の 空間２２から、再循環路３０を下方に流れる電解液の流れを示している。前記再 循環路は、アノード構造体の縦方向に、下部電解槽空間２４まで伸びている。ま た、第４図は、下部電解槽空間２４から電解液チャンバー２０を上方へ流れる電 解液の流れを示している。電解液チャンバーもまた、アノード構造体の縦方向に 、上部電解槽空間２２まで伸びている。産物の気体は、上部電解槽空間から造ら れている気体出口３８から回収される。第５図から第７図は、電解槽内への電解 槽上部空間２２（第５図）および電解槽下部空間２４（第７図）の配設をはっき りと示している。前記の空間へ（から）、再循環路と電解液チャンバーの両方か ら電解液が流れる。

電解槽の動作が始まると、電解液が、電解槽に満たされ、電極１０および１４は 、電源（示されていない）に接続される。空気ポンプ（示されていない）が空気 チャンバー１２を通じて空気を注入する。また、冷却液を電解槽の外部にある冷 却装置（示されていない）からアノードの内腔３４に入れ、その中を循環させる 。電解液から、電解可能なアノード表面１８で生成された気体の産物は、電解液 を、電解液チャンバー２０の中を電解槽上部空間２２まで上方に流れさせる。前 記上部空間で、気体の産物は取り出され、その後、電解液は、そこでは何の気体 も電気分解では生成されない、マスクされているか、電解に不活性なアノード表 面に隣接する再循環路３０を通って下方へと流れる。産物の気体は気体出口３８ を通して回収される。

国際調査報告 国際調査報告 ＧＢ　９２０２１５７ ＳＡ　６６Ｂ８８

Claims (33)

【特許請求の範囲】
1. １．第１、第２電極構造体を有し、少なくとも第１電極構造体が電解液と熱伝導 関係にある表面を持ち、またこの表面の一部だけが電解的に活性であることを特 徴とする電解槽。
2. ２．上記の第１、第２電極構造体の各々が、電解液と熱伝導関係にある表面を持 ち、第１電極構造体の上記表面の一部だけが、電解に活性であり、上記第２電極 構造体の活性表面が第１電極構造体のそれよりも大きい請求項１に記載の電解槽 。
3. ３．上記活性の表面が、動作中は、上記第１電極構造体で確定している電流密度 が第２電極構造体の表面で確定している値よりも少なくとも２０％だけ大きいよ うにのびている請求項１または２に記載の電解槽。
4. ４．第１、第２の電極構造体を有し、少くとも第１電極構造体の表面の一部だけ が電気分解に活性であり、また第１電極構造体の表面の残りの部分をマスクして ほとんど電気分解に不活性にさせる手段を有することを特徴とする電解槽。
5. ５．第１、第２の電極構造体を有し、少なくとも第１電極構造体の表面の一部が 電解液との相互作用にさらされ、また第１電極構造体の表面の電気分解にほとん ど不活性な部分と熱交換が行われる道筋に沿って電解液の流路を決める手段を有 することを特徴とする電解槽。
6. ６．第１電極構造体の活性の表面と不活性の表面を、第１電極構造体の周辺に記 設した請求項１〜５のいずれか一項に記載の電解槽。
7. ７．第１電極構造体が細長い形をしており、第１電極構造体の活性表面および不 活性表面が第１電極構造体の縱方向に伸びている請求項１〜６のいずれか一項に 記載の電解槽。
8. ８．第１電極構造体の活性表面および不活性表面を通じて、冷却剤と電解液の間 の熱交換を確実に行うために、第１電極構造体と熱伝導を行う、冷却剤の循環手 段を含む請求項１〜７のいずれか一項に記載の電解槽。
9. ９．第１電極構造体が細長い形をしており、上記のルーティング手段が、第１電 極構造体の縱方向に伸びる、少なくとも１本の流路を形成する請求項５〜８のい ずれか一項に記載の電解槽。
10. １０．活性表面と不活性表面が、第１電極構造体の縱方向に、互いに並んで広が っている請求項７、または請求項７に従属している請求項８および９のいずれか 一項に記載の電解槽。
11. １１．上記活性表面と不活性表面が第１電極構造体の縱方向に、互いに大体同じ 空間に広がっている請求項１０に記載の電解槽。
12. １２．電解液が上記活性表面と連通する区域から不活性の表面が存在する区域ま で、第１電極手段の周辺では電解液が流れないようにするための手段を含む請求 項１〜１１のいずれか一項に記載の電解槽。
13. １３．第１電極構造体の活性表面領域に相当する、その周辺の表面の一部だけと 接触することによって、上第１電極構造体に電位をかけるための印加手段を含む 請求項１〜１２のいずれか一項に記載の電解槽。
14. １４．第１電極構造体が、導電率の低い素材から造られている請求項１３に記載 の電解槽。
15. １５．上記第１電極構造体が管の形をしている請求項１〜１４のいずれか一項に 記載の電解槽。
16. １６．上記第２電極構造体が平坦な形をしている請求項１〜１５のいずれか一項 に記載の電解槽。
17. １７．上記第２電極構造体が２個存在し、第１電極構造体が上記２個の第２電極 構造体の間に配設されているが、それらとは離れたところに配設されており、第 ２電極構造体と向き合うように活性の表面領域が点在している請求項１６に記載 の電解槽。
18. １８．上記第１電極手段の表面に、上記の点在している活性の表面領域間に不活 性の表面領域を備えている請求項１７に記載の電解槽。
19. １９．各々に、前記のように、活性の表面領域と不活性の表面領域を備えている 複数の上記第１電極構造体を含む請求項１〜１８のいずれか一項に記載の電解槽 。
20. ２０．上記第１電極構造体が、上記第２電極構造体とは平行になるように配設さ れているが、それらと離れたところに配設されている請求項１７に従属している 請求項１８または１９に記載の電解棺。
21. ２１．上記活性表面領域に相当するある限られた領域で、上記第１電極構造体と 噛み合う接点を含む、上記第１、第２電極構造体に電位をかけるための印加手段 を有し、第１電極構造体が、不活性の表面領域では有効な電位を下げさせる導電 率が低い素材から造られている請求項１〜１８のいずれか一項に記載の電解槽。
22. ２２．細長い形のアノード構造体； カソード構造体； 互いに一定の距離だけ離れてアノードおよびカソード構造体を支持する手段； 上記カソード構造体と上記アノード構造体表面領域の一部だけと共に電解液の囲 いとしてのチャンバーの境界を定め、それによって、上記の一部がアノード構造 体の電解可能な表面領域を構成するようにする第１の境界手段；上記アノードの 表面領域の更に別の一部と共に、アノード構造体の表面領域の上記更に別の一部 の上に、電解液の流れを造るために、上記チャンバーと流体が行ったり来たりす る少なくとも１本の流路の境界を定め、上記更に別な一部がアノード構造体の電 解に不活性の表面領域を構成している第２の境界手段；及び 上記活性表面領域とおおむね不活性表面領域を通って、冷却剤と電解液の間で熱 交換が発生可能なように、アノード構造体を通って冷却剤の少なくとも１本の流 路を形成する手段 を有することを特徴とする電解槽。
23. ２３．アノード構造体が管の形をしており、その空洞の内部に、上記の冷却剤の 流路が形成されている請求項２２に記載の電解槽。
24. ２４．上記チャンバーと上記流路が、アノード構造体の縱方向に伸びている請求 項２２または２３に記載の電解槽。
25. ２５．上記第１および／または第２境界手段が、上記支持手段と一体に形成され ている請求項２２〜２４のいずれか一項に記載の電解槽。
26. ２６．カソード構造体が、平坦なエアーカソードによって構成されている請求項 ２２〜２５のいずれか一項に記載の電解槽。
27. ２７．オゾンの電気化学的生成に適した電解液を含む請求項１〜２６のいずれか 一項に記載の電解槽。
28. ２８．外面がアノードとして機能する少なくとも１本の管式電極、および少なく とも１個の平坦な形のカソード構造体を有することを特徴とするオゾン生成用電 解槽。
29. ２９．請求項１〜２７のいずれか一項に従い変更した請求項２８に記載の電解槽 。
30. ３０．第１、第２電極構造体と、内部で電気分解が発生する電解液を入れて置く ための少なくとも１個のチャンバーを有し、更に、電解液と連通はしているが、 その内部で電気分解は発生しない、少なくとも１本の再循環流路を有することを 特徴とする電解槽。
31. ３１．請求項１〜２８のいずれか一項に従い変更した請求項３０に記載の電解槽 。
32. ３２．以下の動作から成る、電気分解実施方法：第１電極構造体と第２電極構造 体との間に電位差を印加して液体を電気分解し； 上記第２構造体と第１電極構造体の表面領域の一部との間の電解相互作用を抑制 して、上記構造体の内の１つで、他の構造体よりも、電流密度が大きくなるよう にし；そして、上記第２構造体と、上記第１電極構造体の残りの表面領域との間 の相互作用から生ずる電気分解の生成物を回収することから成ることを特徴とす る電解方法。
33. ３３．請求項１〜３１のいずれか一項に記載の電解槽内に含まれる第１電極構造 体と第２電極構造体との間に電位差を印加することによって液体を電気分解する ことから成ることを特徴とする電解方法。