JPWO2009122705A1

JPWO2009122705A1 - 電解槽

Info

Publication number: JPWO2009122705A1
Application number: JP2010505381A
Authority: JP
Inventors: 庵崎　雅章; 雅章庵崎; 喜則武内; 大介榊
Original assignee: Kinotech Solar Energy Corp
Current assignee: Kinotech Solar Energy Corp
Priority date: 2008-03-31
Filing date: 2009-03-30
Publication date: 2011-07-28
Also published as: WO2009122705A1

Abstract

陰極部（１０ｎ、１０ｎ’）を有する陰極部材（１０、１１０、２１０ａ、２１０ｅ、３１０）と、陰極部材の内方に画成され、液体電解質を収容する陰極室（２０）と、陽極部（３０ｐ、３０ｐ’）を有し、陰極部材に対向するように陰極室に侵入する陽極部材（３０、１３０、２３０ａ、２３０ｅ、３３０）と、陽極部材の内方に画成される陽極室（４０）と、陽極部材を貫いて、陰極室と陽極室とを連通する貫通孔（３６、３３６）と、を備える電解槽である。

Description

本発明は、電解槽に関し、特に、単極式の電解槽に関するものである。

アルミニウムやマグネシウム等の水溶液から電解析出させることができない卑金属の製造において、溶融塩電解法が採用されている。例えば、チタン素材の製造において四塩化チタンの還元剤として使うマグネシウムは、溶融無水塩化マグネシウムを電解して生成される。具体的には、陰極で金属マグネシウムを析出させると共に陽極で塩素ガスを発生させるものであり、金属マグネシウムは粉体として採取され、塩素ガスは捕集されて四塩化チタンの原料として利用される。

また、太陽電池用途のシリコン製造に特化したものであるが、四塩化珪素を亜鉛により還元する亜鉛還元法と呼ばれるシリコン製造方法において、副生する塩化亜鉛の電解を組入れたクローズドシステムが提案されている。ここに、亜鉛還元法の反応式は、ＳｉＣｌ_４＋２Ｚｎ→Ｓｉ＋２ＺｎＣｌ_２で示され、塩化亜鉛の電解の反応式は、ＺｎＣｌ_２→Ｚｎ＋Ｃｌ_２で示される。

かかる状況下で、特許文献１では、塩化マグネシウムの溶融塩電解に関し、陰極で析出して塩化マグネシウム溶融塩浴よりも比重の小さい金属マグネシウムを浮上させ、陰極上部に設けた空間から、隣接するマグネシウム収集槽に集めると共に、陽極で生成する塩素ガスと分離することを企図した単極式電解槽の構造が開示されている。また、特許文献２では、同様に塩化マグネシウムの溶融塩電解に関し、電解析出するマグネシウムを浮上させて、別室に移動させる複極式電解槽が開示されている。

また、特許文献３及び特許文献４では、亜鉛還元法シリコン製造プロセスに関連した塩化亜鉛を溶融塩電解するための複極式電解槽に関し、比抵抗の大きい溶融塩化亜鉛を実用的な消費電力で電解するためには、電解浴の温度を亜鉛の融点よりも更に高い５００℃以上の高温として、電極間の距離を狭く設計する必要があり、これを実現するためには、陰極で析出する亜鉛と陽極で生成する塩素ガスとの接触機会を減少させる必要があることについて言及されている。

また、非特許文献１では、塩化亜鉛を溶融塩電解するための単極式電解槽に関し、三角柱形状のグラファイト電極を組み合わせた構造を開示している。
特許昭６３−６０１１８号公報特開昭６３−１５７８９５号公報特開２００３−２９３１８１号公報特開２００３−３２８１７３号公報Ｎｏ．２１６，Ｖｏｌ．７８ＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧＯＦＥＮＥＲＧＹＡＮＤＭＥＴＡＬＬＩＣＭＩＮＥＲＡＬＳＡＩＣｈＥＳＹＭＰＯＳＩＵＭＳＥＲＩＥＳ

しかしながら、本発明者の検討によれば、特許文献１及び特許文献２に開示される構成では、電解析出したマグネシウムが、塩素ガスの流れと共に電解槽部分から別室に移動するが、この間においてマグネシウムと塩素ガスとが反応してしまう逆反応を、根本的に低減するための構造を提示し得ておらず、かかる観点では改善の余地がある。

また、特許文献３及び特許文献４に開示される構成では、塩化亜鉛溶融塩浴よりも比重が大きい亜鉛を電解槽底部から抜くものではあるが、陰極で析出した亜鉛が陽極で生成した塩素ガスによって再溶解する逆反応を、低減するための構造を提示し得ておらず、かかる観点では改善の余地がある。

また、特許文献２から特許文献４に開示される構成では、複極式電解槽に関するものであるが、かかる複極式電解槽は、中間電極への電源供給がいらないメリットがある反面、電極側面からの漏えい電流を防ぐための工夫が必要なため構造が複雑になる。特に、高電流密度で電解する場合、電極表面で生成するガスが滞留して実質的な有効電極面積を減少させ、電極間の電圧が上昇するから、直近で対向する電極対(本来の電解室部分)を飛び越えて流れる漏えい電流が増加して、想定外の効率低下を招く可能性があり、その設計は複雑なものとならざるを得ない。また、機械的な破損による漏えい電流の発生や短絡等の現象が発生すると、１つの電極群(陰極、複数の中間極及び陽極)の全てに影響が及び、内部における原因個所の特定が困難でもあり、かかる観点では改善の余地がある。

また、非特許文献１に開示される構成では、単極式電解槽に関するものであるが、電解反応を行う電解室部分は、傾斜した平面同士対向する狭い間隙に過ぎず、この間において亜鉛と塩素ガスとが反応してしまう逆反応を、根本的に低減するための構造を提示し得ておらず、かかる観点では改善の余地がある。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、比抵抗の大きい溶融塩を、実用的な電流密度と消費電力で電解するための電解槽を提供する、具体的には、電解槽を狭い電極間距離で設計する場合に生じる陰極及び陽極における両電極反応生成物の接触による逆反応を、電極間電圧を上昇させることなく低減し得る電解槽を提供することを目的とする。

併せて、本発明は、高温かつ高腐食性の電解浴や電解反応生成物を扱い得て、厳しい運転条件に耐え得る単純かつ保守の容易な構造を有し、及び工業化を前提とした大型の設備にスケールアップ可能で増産、増設が容易な構造を有する電解槽を提供することを目的とする。

本発明は、かかる事情に鑑み、内部空間を持つ陽極室の外表面を穴あき構造の陽極部とし、陽極反応で生成するガスをかかる内部空間へ導いて、陰極反応生成物との接触機会を根本的に低減し得る構成を完成させたものである。

具体的には、陽極室の外表面で生成する電解生成ガスを陽極室内部に導入し、陽極室上部の排出口から連続排出する。電解生成ガスを陽極室内部空間に導くための駆動力は、主として溶融塩化亜鉛電解浴とかかるガスとの比重差である。よって、陽極部を鉛直方向に配置する場合、陽極室の外表面と内部空間との貫通孔をガス流の行き先方向に対して上り勾配に配設すれば、比重差により上昇するガスを陽極室内に導くことができる。また、かかる貫通孔内部の電解浴も電解され、ガス生成により見かけ比重が低下して陽極室内部空間に向かう上昇流れを発生させるからさらに好ましい。

また、万一、陰極反応生成物(溶融亜鉛)の飛沫がガス流に同伴し陽極室内に入った場合、これを下方に排出できるよう陽極室の最低部に穴をあけておくことが好ましい。

また、陰極反応生成物(溶融亜鉛)を下方に落下させ、陽極反応生成物(塩素ガス)を上方に抜く場合、それらが互いに接触せずに目的の方向に移動しやすいように電極部分を鉛直方向から少し傾斜させることが好ましい。

また、単極式電解槽においては、電極と電源の接続を簡素化することが必要となる場合があるが、導体である陰極部と、それに隣接する導体である陽極部と、を電気的に接続された一体構造にし、これらを複数組み合わせて配置することにより、陰極部と陽極部とが直列接続された列を構成することも好ましい。つまり、かかる構成によれば、直流電源の設計を任意の電流定格、電圧定格に設定でき、大型設備へのスケールアップ、工業化が容易な設備を実現できる。また、完成後の増産、減産対応が容易な設備を実現できる。

また、本発明の適用を溶融塩化物の電解とした場合、高腐食性で強い毒性を有する塩素ガスを再利用するためには、できるだけその発生源近辺において冷却してから移送することが装置設計上好ましい。よって、陽極室が連絡する空間の一部に、熱交換器を設けて、ガスの冷却を行える構成にすることも好ましい。かかる熱交換器により、電解槽内の気相部を任意の温度に管理して副次的に蒸発した電解浴成分を冷却液化すれば、塩化亜鉛蒸気の揮散を低減できる。

また、本発明の適用を亜鉛還元法シリコンの製造までも視野に入れた場合、塩素ガスを、その原料としての使用目的物である四塩化珪素にして移送するほうが装置設計上都合よく安全でもある。よって、陽極室が連絡する空間の一部に、粗シリコンを供給して塩素ガスと接触させ四塩化珪素を生成する反応器を設けることも好ましい。かかる場合、塩素ガスとシリコンとの反応は発熱を伴うから、熱交換器を併設して塩素ガスを冷却し、その反応速度を制御することが好ましい。四塩化珪素は、冷却液化することにより装置内部に付着した塩化物結晶を洗い流す効果もあり、塩化亜鉛よりも低沸点なので電解浴に蓄積することもない。

つまり、本発明は、第１の局面において、陰極として機能する陰極部を有する陰極部材と、前記陰極部材の内方に画成され、液体電解質を収容する陰極室と、陽極として機能する陽極部を有し、前記陰極部材に対向するように前記陰極室に侵入する陽極部材と、前記陽極部材の内方に画成される陽極室と、前記陽極部材を貫いて、前記陰極室と前記陽極室とを連通する貫通孔と、を備え、前記陰極室内の前記陰極部材と前記陽極部材とが対向する領域の前記液体電解質における電解反応により生成された電解生成ガスが、前記貫通孔を通過して前記陽極室に流入し、前記電解反応により生成された溶融金属が前記陰極室内にためられる電解槽である。

また本発明は、かかる第１の局面に加えて、前記陽極室の上部には、流入する前記電解生成ガスを連続排出するための排出口が設けられ、前記貫通孔は、前記陽極部材の前記陽極部を前記陽極室に向かって上り勾配で貫通することを第２の局面とする。

また本発明は、かかる第１又は２の局面に加えて、前記陽極室の底部には、前記貫通孔を通過して前記陽極室に流入する前記電解生成ガスに伴って前記陽極室に流入した前記溶融金属を前記陰極室に排出する排出口が設けられることを第３の局面とする。

また本発明は、かかる第２又は３の局面に加えて、前記陰極部材と前記陽極部材とは、鉛直方向で同軸に立設され、前記陰極部材の前記陰極部と前記陽極部材の前記陽極部とは、前記鉛直方向に直交する方向において対向することを第４の局面とする。

また本発明は、かかる第４の局面に加えて、前記陽極部材は複数の陽極部材を含み、前記複数の陽極部材が、前記陰極部材において前記鉛直方向に直交する方向に配されることを第５の局面とする。

また本発明は、かかる第４又は５の局面に加えて、前記陰極部材は複数の陰極部材を含み、前記複数の陰極部材が、前記鉛直方向に直交する方向に配されることを第６の局面とする。

また本発明は、かかる第６の局面に加えて、前記複数の陰極部材における第１の陰極部材と、前記複数の陰極部材における前記第１の陰極部材に隣接する第２の陰極部材に配された前記陽極部材とは、電気的に接続された状態で一体化された一体構造をなすことを第７の局面とする。

また本発明は、かかる第１の局面に加えて、前記陽極室の上部には、流入する電解生成ガスを連続排出するための排出口が設けられ、前記貫通孔は、前記陽極部材の前記陽極部を鉛直方向に貫通することを第８の局面とする。

また本発明は、かかる第８の局面に加えて、前記陰極部材と前記陽極部材とは、鉛直方向で同軸に立設され、前記陰極部材の前記陰極部と前記陽極部材の前記陽極部とは、前記鉛直方向において対向することを第９の局面とする。

また本発明は、かかる第１から９のいずれかの局面に加えて、前記陽極室の上方には、前記貫通孔を経由して前記陽極室に流入し、前記陽極室を通過する前記電解生成ガスを冷却する熱交換器が設けられることを第１０の局面とする。

また本発明は、かかる第１０の局面に加えて、前記熱交換器の上方には、シリコンと前記電解生成ガスである塩素ガスとを反応させる反応器が設けられることを第１１の局面とする。

また本発明は、かかる第１から１１のいずれかの局面に加えて、前記液体電解質が、無水溶融塩化亜鉛又は塩化亜鉛を含む無水塩化物であることを第１２の局面とする。

本発明によれば、比抵抗の大きい溶融塩を、実用的な電流密度と消費電力で電解するための電解槽を提供することができ、具体的には、電解槽を狭い電極間距離で設計する場合に生じる陰極、陽極両電極反応生成物の接触による逆反応を、電極間電圧の上昇なく低減することができる電解槽を提供することができる。

併せて、本発明によれば、高温、高腐食性の電解浴や電解反応生成物を扱うような厳しい運転条件に耐える単純かつ保守の容易な構造の電解槽であって、大型の設備にスケールアップし工業化することを想定した増産、増設が容易な構造の電解槽を提供することができる。つまり、例えば、５００℃以上の高温で、亜鉛還元法シリコン製造における副生塩化亜鉛を溶融塩電解する用途として好適な無隔膜単極式電解槽を提供することができる。

本発明の第１の実施形態における電解槽の縦断面図である。本実施形態における電解槽の横断面図である。本実施形態の電解槽における陰極部材の模式的部分横断面図である。本実施形態の電解槽における陽極部材の拡大部分縦断面図である。本実施形態の電解槽における陽極部材の拡大横断面図である。本実施形態の変形例における電解槽の拡大部分縦断面図である。本実施形態のその他の変形例における電解槽の拡大部分縦断面図である。本実施形態のその他の変形例における電解槽の拡大部分縦断面図である。本実施形態のその他の変形例における電解槽の拡大部分縦断面図である。本実施形態のその他の変形例における電解槽の拡大部分縦断面図である。本実施形態のその他の変形例における電解槽の拡大部分縦断面図である。本発明の第２の実施形態における電解槽の縦断面図である。本実施形態における電解槽の横断面図である。本実施形態の電解槽における陽極部材の拡大部分縦断面図である。本実施形態の電解槽における陽極部材の拡大横断面図である。本発明の第３の実施形態における電解槽の縦断面図である。本実施形態における電解槽の横断面図である。本発明の第４の実施形態における電解槽の縦断面図である。本実施形態における電解槽の横断面図である。本発明の第５の実施形態における電解槽の縦断面図である。

以下、図面を適宜参照して、本発明の各実施形態における電解槽につき詳細に説明する。なお、図中、ｘ、ｙ、ｚ軸は、３軸直交座標系をなし、ｚ軸に平行な方向が、鉛直方向であり、適宜、ｚ軸の正方向を上方、ｚ軸の負方向を下方というものとする。

（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態における電解槽につき、図１から図４を参照して、詳細に説明する。

図１は、本実施形態における電解槽の縦断面図である。また、図２Ａは、本実施形態における電解槽の横断面図であり、図２Ｂは、本実施形態の電解槽における陰極部材の模式的部分横断面図である。また、図３は、本実施形態の電解槽における陽極部材の拡大部分縦断面図であり、図４は、本実施形態の電解槽における陽極部材の拡大横断面図である。なお、図１は、図２ＡのＡ−Ａ線による断面図であり、図２Ａは、図１のＢ−Ｂ線による断面図であり、図４は、図３のＣ−Ｃ線による断面図である。

図１から図４に示すように、本実施形態の電解槽Ｓ１は、ｚ軸と平行な中心軸ＣＡについて実質的に軸対称であり、底部が閉じられて側壁部に排出口１２を有する鉛直方向に直立した円筒状の陰極部材１０と、陰極部材１０の内方に画成されて溶融塩化亜鉛を収容する陰極室２０と、底部に連通口３２及び上部に排出口３４を各々有し、陰極部材１０に対向するように陰極室２０に侵入して固定され、鉛直方向に直立した中空円柱状の陽極部材３０と、陽極部材３０の内方に画成されて溶融塩化亜鉛を収容する陽極室４０と、を備える。また、陰極部材１０は、溶融塩化亜鉛を投入する投入口１４を有する。

かかる陰極部材１０は、導電性グラファイト製であるが、グラファイト素材の導体抵抗を低減して電極表面における電流分布を均一化するための構造を備えることが好ましく、電解浴と接する外表面部分を耐食層とし、その内部の、電解浴と接しない専ら導体として働く部分を給電層とする構造が効果的である。例えば、図２Ｂにおいて模式的部分断面図で示すように、陰極部材１０としては、耐食層１０ａの内層である給電層１０ｂを、銅網１６が埋設されたグラファイト材１８のような複合材とした構造を採用することが好ましい。また、陽極部材３０は、導電性グラファイト製の同一構造のユニットであり、陰極部材１０に対して、中心軸ＣＡについて軸対象に、例示的に４個設けられる。また、陰極室２０中の溶融塩化亜鉛は、電解浴であり、図示を省略する加熱ヒータにより、５５０℃に保たれる。なお、ここでは、液体電解質として、溶融塩化亜鉛を用いているが、典型的には、無水溶融塩化亜鉛又は塩化亜鉛を含む無水塩化物が好適に使用可能であり、必要に応じて支持電解質を加えてもよい。

より具体的には、陰極部材１０は、陽極部材３０にｚ軸方向に直交する方向で対向する部分において、陽極部材３０に向けて突出した突出部１０ｎを有する。かかる突出部１０ｎが陰極として機能する陰極部に相当し、突出部１０ｎに対向する陽極部材３０の部分３０ｐが陽極として機能する陽極部に相当する。また、陰極室２０は、陽極部材３０の下方に位置する下室２２と、下室２２の上方で陰極部材１０及び陽極部材３０の間に位置する電解室２４と、電解室２４の上方に位置する上室２６と、を連続的に有する。かかる下室２２及び上室は２６は、各陽極部材３０について共通である。

ここで、特に図１及び図２Ａに示すように、陰極部材１０の突出部１０ｎにおける電解室２４側の鉛直表面と、突出部１０ｎに対向する陽極部材３０の部分３０ｐにおける電解室２４側の鉛直表面とは、鉛直方向で同軸に配される。つまり、かかる表面間の距離は一定であって、つまり電解室２４の幅は一定である。なお、かかる表面間の距離は、突出部１０ｎの陽極部材３０に向けての突出量を調整すれば自在に設定できるが、１０ｍｍ以下の範囲内に保たれるのが好ましい。また、かかる構成は、各陽極部材３０において同様である。

また、陰極部材１０には、陰極電流フィーダ５０が連絡し、陽極部材３０には、陽極部材３０に固定された接続部材６０を介して陽極電流フィーダ７０が各々連絡する。かかる陰極電流フィーダ５０及び陽極電流フィーダ７０は、図示を省略する直流電源の陰極端子及び陽極端子に対応して連絡し、各陽極部材３０は、電気的に並列に接続される。また、陽極部材３０の上部には、陰極室２０及び陽極室４０に対して微減圧に設定された集合管８０が連絡し、陽極部材３０は、陰極部材１０の上方を覆う蓋部材９０を介して陰極部材１０に取り付けられる。かかる集合管８０は、内面にＰＴＦＥ(４弗化エチレン)ライニングを施した炭素鋼管であり、蓋部材９０は、ムライト等のセラミクス製又は石英製である。なお、蓋部材９０には、不要なガスを排出する排出口９０ａが設けられる。

ここに、直流電源からの電流が、陰極電流フィーダ５０及び陽極電流フィーダ７０を介して、陰極部材１０及び陽極部材３０に供給されることにより、陰極部材１０の陰極として機能する突出部１０ｎと、突出部１０ｎに対向する陽極部材３０の陽極として機能する部分３０ｐとは、陰極室２０の電解室２４に存在する溶融塩化亜鉛において電解反応を生じさせる。このように電解反応が生じると、突出部１０ｎの電解室２４側の鉛直表面に金属亜鉛が析出し、このように生成された金属亜鉛は溶融状態となり、溶融亜鉛Ｍとして、電解室２４から流下して、各電解室２４に共通に連なる下室２２へ至り、下室２２の底部にためられる。ここで、かかる溶融亜鉛Ｍが、陰極室２０の下室２２にためられていくことにより、陰極室２０、具体的にはその上室２６において溶融塩化亜鉛浴に対する下面(ボトム)高さが、一定に保たれる。また、電解に伴い溶融塩化亜鉛電解浴も減少するので、塩化亜鉛投入口１４から補充して電解浴の液面レベルを一定の範囲内に保ち、電流密度の変動を防ぐ。塩化亜鉛補充のための制御方法としては、オーバーフロー口を設置して増加した溶融塩化亜鉛を投入口１４から流出させる方法や、液面レベル検出のためのセンサを設置してその信号により補充量を制御する方法等が例示できる。

一方で、陽極部材３０の陽極として機能する部分３０ｐには、電解室２４と陽極室４０とを連通する貫通孔３６が設けられる。かかる貫通孔３６は複数設けられ、その各々が、特に図１及び図３に示すように、中心軸ＣＡに向かって仰角となるように、ｚ軸の正方向に電解室２４から陽極室４０に向かって斜めに上昇する上り勾配を有し、かつ特に図２Ａに示すように、中心軸ＣＡから放射状に配される。貫通孔３６の孔径と穿孔ピッチは、塩素ガスの発生量や貫通孔３６の長さに応じて設定すればよいが、孔径（直径）はφ２ｍｍ以上φ２０ｍｍ以下の範囲、及び穿孔ピッチは５ｍｍ以上５０ｍｍ以下の範囲が、実用上好ましい。なお、もちろん貫通孔３６と同様の機能が得られる網目やラスのような形状、又は多孔質構造体を用いてもよい。

また、陽極部材３０の陽極室４０の上部の壁部内には、冷却ジャケット３０ａが設けられ、冷却液Ｃを入口３０ｂから供給し出口３０ｃから排出して、陽極室４０を上方に向けて流れる塩素ガスＧを１００℃程度に冷却する。かかる冷却ジャケット３０ａは、陽極室４０の上方における熱交換器として機能する。

かかる構成において、電解室２４に存在する溶融塩化亜鉛につき電解反応を生じさせると、各陰極部材１０の突出部１０ｎに対向する陽極部材３０の部分３０ｐにおける電解室２４側の鉛直表面近傍で塩素ガスＧが発生する。かかる塩素ガスＧは、貫通孔３６を通過して陽極室４０に各々侵入し、陽極室４０内を上方に流れて冷却ジャケット３０ａで冷却された後、各排出口３４から集合管８０を経て、電解槽外における次工程へ送られる。ここに、陽極室４０は、集合管８０が微減圧に設定されていることに起因して、陰極室２０に対して微減圧に設定されている。かかる微減圧の程度は、塩素ガスＧが、貫通孔３６を通過して陽極室４０に侵入し、陽極室４０内を上方に流れて排出口３４から集合管８０を経て、電解槽外に送出されるに足る減圧のレベルであれば足りる。

ここに、陰極室２０内に収容される溶融塩化亜鉛は、陽極部材３０に貫通孔３６が設けられているため、貫通孔３６を介して陽極室４０の内部にも侵入して存在しているが、陽極室４０の内部は、その上部に連絡する集合管８０が微減圧に設定されているため、陽極室４０の内部に存在する溶融塩化亜鉛の液面高さは、陰極室２０、具体的にはその上室２６における溶融塩化亜鉛の液面高さよりも、所定量高くなっている。

また、このように塩素ガスＧが、貫通孔３６を介して陽極室４０へと流れることに伴って溶融亜鉛Ｍが陽極室４０内へ侵入することも考えられるが、かかる場合、侵入した溶融亜鉛Ｍは、陽極部材３０の底部に設けられた連通口３２を通って、電解室２０の下室２２へ流化して、下室２２の底部にためられる。

このように、下室２２の底部に溶融亜鉛Ｍがたまっていくと、溶融亜鉛Ｍは、陰極部材１０の側壁部に設けられた排出口１２を通って、外部に排出される。

以上の構成においては、陽極部材３０の陽極部として機能する部分３０ｐに貫通孔３６を設けることにより、陰極反応生成物である溶融亜鉛Ｍを下方に、陽極反応生成物である塩素ガスＧを上方に、互いに接触させずに確実に移動できる。

次に、電解反応で生成する溶融亜鉛Ｍと塩素ガスＧとの分離性を向上する本実施形態の変形例につき、図５を参照して、詳細に説明する。

図５は、本実施形態の電解槽における陰極部材及び陽極部材の拡大部分横断面図であり、位置関係は、図３に対応する。

図５に示すように、本変形例の電解槽Ｓ１’においても、陰極部材１０は、陽極部材３０に向けて突出した突出部１０ｎ’を有するが、かかる突出部１０ｎ’の電解室２４側の表面は、突出部１０ｎ’の陽極部材３０に向けての突出量が、ｚ軸の負方向に行くに従って増加するような傾斜角αを有する傾斜面とされる。

一方で、陽極部材３０の陽極部として機能する部分３０ｐ’にも、電解室２４と陽極室４０とを連通する貫通孔３６が設けられるが、かかる部分３０ｐ’における電解室２４側の表面は、中空円柱状の陽極部材３０の径が、ｚ軸の負方向に行くに従って減少するような傾斜角βを有する傾斜面とされる。

かかる傾斜角α及びβは、陰極部材１０の突出部１０ｎ’及びそれに対向する陽極部材３０の電極として機能する部分３０ｐ’の有効高さと有効電極間距離とを勘案して決定することになるが、傾斜角を大きくすると電極間の平均距離が増し電圧が上昇するため、鉛直方向に対して最大でも１５°以下の範囲が好ましく、また、ｚ軸負方向に行くほど析出する溶融亜鉛の液膜が厚くなるから、傾斜角同士の大小関係はα＜βとするのが好適である。

以上の構成においては、陰極部材１０における突出部１０ｎ’の電解室２４側の表面及び陽極部材３０における陽極部として機能する部分３０ｐ’の電解室２４側の表面を傾斜面とすることにより、陰極反応生成物である溶融亜鉛Ｍを下方に、陽極反応生成物である塩素ガスＧを上方に、互いに接触せずにより確実に移動できる。

次に、本実施形態の電解槽におけるその他の細部の変形例につき、図６Ａから図６Ｅを参照して、詳細に説明する。

まず、図１と同じ位置関係にある部分断面図である図６Ａに示すように、陰極部材１０における陽極部材３０に向けて突出した突出部１０ｎにおいて、陰極室２０の上室２６側の端面１０ｕを、陽極部材３０に向かって下降する傾斜面に形成し、陰極室２０の下室２２側の端面１０ｌを、陽極部材３０に向かって上昇する傾斜面に形成することが好ましい。かかる構成により、析出する溶融亜鉛が固化して、突出部１０ｎの端面１０ｕ及び１０ｌにおける角部１０ｃ近傍に付着した場合でも、短絡を防止することができる。なお、同様な理由から、陽極部材３０間に存在する陰極部材１０の上面１０ｕ’及び下面１０ｌ’も角部１０ｃを有するようなｙ−ｚ平面について対称な傾斜面に設定することが好ましい。

また、同じく図６Ａに示すように、陰極部材１０における陽極部材３０に向けて突出した突出部１０ｎ及び陽極部材３０間に存在する陰極部材１０において、陰極室２０の電解室２４側の端面を鉛直方向に延在する縦溝１０ｇを設けてもよい。かかる構成により、析出する亜鉛の融液がスムースに流下することができる。また、かかる陰極表面と亜鉛融液との濡れ性を調節して、できるだけ均一な液膜が形成されて安定した操業が維持されるように、陰極表面の粗さを調整してもよいし、陰極表面が多孔質素材の場合には、その気孔率を調整してもよい。

また、図１と同じ位置関係にある部分断面図である図６Ｂに示すように、陽極部材３０に設けられる冷却ジャケット３０ａに対応した位置における陽極室４０側の内面にフィン３０ｆを設けてもよい。かかる構成により、陽極室４０を流れるガスＧ側における陽極部材３０の伝熱性能を改善することができる。なおフィン３０ｆは、陽極部材３０の縦割りとなった分割体に一体成型した後で、かかる分割体を組み付けて完成品としてもよいし、上部が開いた陽極部材３０に挿入した後で、かかる上部を閉じて完成品としてもよい。

また、図１と同じ位置関係にある拡大部分断面図である図６Ｃに示すように、貫通孔３６における電解室２４側の開口壁部３６ａは、座ぐり加工等によりその表面が電解室２４側に盛り上がるように形成されて、開口端領域が円錐領域となって拡張されていてもよい。かかる構成により、ガスＧがスムースに流入できる他、電解有効表面積が拡大され得る副次的な効果もあり好ましい。

また、図１と同じ位置関係にある拡大部分断面図である図６Ｄに示すように、陽極部材３０は、グラファイト等の導電性材料で製作されている場合、その底表面３０ｓも陽極部として機能し、電解によりガスＧを生成することも考えられて、かかる場合には、連通口３２は、陽極室４０に流入した溶融亜鉛Ｍを下室２２に排出すると共に、陽極部材３０の底表面が電極として機能したことに起因するガスＧを陽極室４０内にスムースに導くことが好ましい。このような構成として、連通口３２は、その連通表面３２ａが、円錐殻状表面を有するような変化面に形成されて、連通領域が拡張するような形状を有することが好ましく、かかる形状は、座ぐり加工等により形成できる。また、かかる場合、図１と同じ位置関係にある拡大部分断面図である図６Ｅに示すように、更に、陽極部材３０の底表面３０ｓが、上方に凹む凹状断面を有していてもよい。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態における電解槽につき、図７から図１０を参照して、詳細に説明する。

図７は、本実施形態における電解槽の縦断面図であり、図８は、本実施形態における電解槽の横断面図である。また、図９は、本実施形態の電解槽における陽極部材の拡大部分縦断面図であり、図１０は、本実施形態の電解槽における陽極部材の拡大横断面図である。なお、図７は、図８のＤ−Ｄ線による断面図であり、図８は、図７のＥ−Ｅ線による断面図であり、図９は、図８のＦ−Ｆ線による断面図であり、図１０は、図９のＧ−Ｇ線による断面図である。

本実施形態における電解槽は、第１の実施形態のものに対して、陽極部材を中空四角柱状とし、それに伴って陰極部材を底部が閉じられた四角筒状にしたことが主たる相違点であり、対応して陰極部材の排出口及び投入口の配置や電流フィーダの取り回しは異なるが、残余の構成は同様である。よって、本実施形態においては、かかる相違点に着目して説明することとし、同様な構成については同一の符号を付して適宜説明を簡略化又は省略する。

図７から図１０に示すように、本実施形態の電解槽Ｓ２も、ｚ軸と平行な中心軸ＣＡについて実質的に軸対称であり、底部が閉じられて側壁部に排出口１２を有する鉛直方向に直立した四角筒状の陰極部材１１０と、陰極部材１１０の内方に画成されて溶融塩化亜鉛を収容する陰極室２０と、底部に連通口３２及び上部に図示を省略する排出口を各々有し、陰極部材１１０に対向するように陰極室２０に侵入して固定され、鉛直方向に直立した中空四角柱状の陽極部材１３０と、陽極部材１３０の内方に画成されて溶融塩化亜鉛を収容する陽極室４０と、を備える。

より具体的には、特に図８に示すように、陰極部材１１０には、同一構造のユニットである陽極部材１３０がｙ軸方向に３個整列して設けられ、かかる陰極部材１１０は、ユニット化されている。更に、かかるユニット化された陰極部材１１０は、ｘ軸方向に３個配列され、全陰極部材１１０について見れば、陽極部材１３０は、ｘ軸方向に３個整列して設けられることになる。また、このように陰極部材１１０が配列されることを考慮して、各陰極部材１１０の側壁部に設けられる排出口１２及び投入口１４は、ｙ軸方向に延在して外部と連通する。

また、各陰極部材１１０においては、陰極室２０が、各陽極部材１３０の下方に位置する下室２２と、下室２２の上方で陰極部材１１０及び陽極部材１３０の間に位置する電解室２４と、電解室２４の上方に位置する上室２６と、を連続的に有する。かかる下室２２及び上室は２６は、各陰極部材１１０において、各陽極部材１３０につき共通である。

ここで、特に図７及び図８に示すように、陰極部材１１０の突出部１０ｎにおける電解室２４側の鉛直表面と、突出部１０ｎに対向する陽極部材１３０の部分３０ｐにおける電解室２４側の鉛直表面とは、鉛直方向で同軸に配される。なお、かかる陽極部材１３０の陽極部として機能する部分３０ｐには、電解室２４と陽極室４０とを連通する貫通孔３６が設けられることは、第１の実施形態と同様である。

また、各陰極部材１１０には、ｘ軸方向に延在する陰極電流フィーダ１５０が連絡する。一方で、全陰極部材１１０においてｘ軸方向に整列する各陽極部材１３０には、かかる陽極部材１３０に固定された各接続部材１６０を介して、ｘ軸方向に延在する陽極電流フィーダ１７０が連絡する。かかる陰極電流フィーダ１５０及び陽極電流フィーダ１７０は、図示を省略する直流電源の陰極端子及び陽極端子に対応して連絡し、ｘ軸方向に整列する各陽極部材１３０は、電気的に直列に接続され、このように直列に接続された各陽極部材１３０の列は、更に電気的に並列に接続される。

かかる構成においても、直流電源からの電流が、陰極電流フィーダ１５０及び陽極電流フィーダ１７０を介して、陰極部材１１０及び陽極部材１３０に供給されることにより、各陰極室２０の電解室２４に存在する溶融塩化亜鉛において電解反応を生じさせる。このように電解反応が生じると、各突出部１０ｎの電解室２４側の鉛直表面に金属亜鉛が析出し、このように生成された金属亜鉛は溶融状態となり、溶融亜鉛Ｍとして、各電解室２４から流下して、各電解室２４に共通に連なる下室２２へ至り、下室２２の底部にためられる。同時に、陰極部材１１０の各突出部１０ｎに対向する陽極部材１３０の部分３０ｐにおける電解室２４側の鉛直表面近傍で塩素ガスＧが発生し、かかる塩素ガスＧは、貫通孔３６を通過して陽極室４０に各々侵入し、陽極室４０内を上方に流れて、各排出口から集合管を経て、次工程へ送られる。

このように、下室２２の底部に溶融亜鉛Ｍがたまっていくと、溶融亜鉛Ｍは、陰極部材１１０の側壁部に設けられた各排出口１２を通って、外部に排出される。

なお、本実施形態においても、第１の実施形態の変形例で説明した陰極部材における突出部の電解室２４側の表面と、陽極部材における陽極部として機能する部分の電解室２４側の表面とを、傾斜面とする構成や、その他の細部の変形例の構成を採用することも可能である。

以上の構成においては、陽極部材１３０の陽極部として機能する部分３０ｐに貫通孔３６を設けることにより、陰極反応生成物である溶融亜鉛Ｍを下方に、陽極反応生成物である塩素ガスＧを上方に、互いに接触せずにより確実に移動できることに加えて、同一構造の陰極部材１１０を複数整列させることにより、より拡張自由度のある構成を実現する。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態における電解槽につき、図１１及び図１２を参照して、詳細に説明する。

図１１は、本実施形態における電解槽の縦断面図であり、図１２は、本実施形態における電解槽の横断面図である。なお、図１１は、図１２のＨ−Ｈ線による断面図であり、図１２は、図１１のＩ−Ｉ線による断面図である。

本実施形態における電解槽は、第２の実施形態のものに対して、ｘ軸方向で隣接する陰極部材と陽極部材とを連絡して電気的に直列に接続したことが主たる相違点であり、対応して電流フィーダの取り回しは異なるが、残余の構成は同様である。よって、本実施形態においては、かかる相違点に着目して説明することとし、同様な構成については同一の符号を付して適宜説明を簡略化又は省略する。

図１１及び図１２に示すように、本実施形態の電解槽Ｓ３も、ｚ軸と平行な中心軸ＣＡについて実質的に軸対称であるが、陰極部材には、ｘ軸の正方向側に隣接する陽極部材と連絡して一体化された陰極部材２１０ａ及びｘ軸の正方向側に隣接する陽極部材を持たない陰極部材２１０ｅの２種類がある。ここに、陰極部材２１０ａ及び２１０ｅとも、底部が閉じられて側壁部に排出口１２を有する四角筒状であり、それらの内方で溶融塩化亜鉛を収容する陰極室２０を各々画成することは、第２の実施形態と同様である。

また、陽極部材にも、ｘ軸の負方向側に隣接する陰極部材と連絡して一体化された陰極部材２３０ａ及びｘ軸の負方向側に隣接する陰極部材を持たない陽極部材２３０ｅの２種類がある。ここに、陽極部材２３０ａ及び２３０ｅとも、底部に連通口３２及び上部に図示を省略する排出口を各々有し、対応する陰極部材に対向するように陰極室２０に侵入して固定される中空四角柱状であり、それらの内方で溶融塩化亜鉛を収容する陽極室４０を各々画成することは、第２の実施形態と同様である。

より具体的には、図１１及び図１２中で、左側から数えて１番目から３番目の陰極部材２１０ａには、それらに各々対応してｘ軸方向で隣接する陽極部材２３０ａが連絡部２８５を介して電気的に接続しながら連絡し、かかる陰極部材２１０ａと陽極部材２３０ａとは、対応して一体化されユニット化される。ここに、図中左側から２番目及び３番目の陽極部材２３０ａは、図中左側から数えて２番目及び３番目の陰極部材２１０ａの内方に画成される陰極室２０に各々侵入して固定される。

また、図１１及び図１２中で最も右側の陰極部材２１０ｅは、陽極部材とは連絡しない単独のユニットであり、図中最も右側の陽極部材２３０ａが、かかる陰極部材２１０ｅの内方に画成される陰極室２０に侵入して固定される。また、図中最も左側の陽極部材２３０ｅは、陰極部材とは連絡しない単独のユニットであり、図中最も左側の陰極部材２１０ａの内方に画成される陰極室２０に侵入して固定される。

また、特に図１２に示すように、各陰極部材２１０ａ及び２１０ｅには、同一構造の陽極部材２３０ａ及び２３０ｅが、対応してｙ軸方向に３個整列して設けられる。

ここで、排出口１２が、各陰極部材２１０ａ及び２１０ｅの側壁部に設けられ、各陰極部材２１０ａ及び２１０ｅにおける陰極室２０が、下室２２、電解室２４及び上室２６を有し、各陰極部材２１０ａ及び２１０ｅにおける突出部１０ｎが、各陽極部材２３０ａ及び２３０ｅの部分３０ｐに対応して対向し、貫通孔３６が、かかる陽極部材２３０ａ及び２３０ｅの陽極部として機能する部分３０ｐに設けられることは、第２の実施形態と同様である。

また、図１１及び図１２中で最も右側の陰極部材２１０ｅには、陰極電流フィーダ２５０が連絡する。一方で、図中最も左側の陽極部材２３０ｅにおけるｘ軸の負方向に突出する突出部２９０には、陽極電流フィーダ２７０が連絡する。かかる陰極電流フィーダ２５０び陽極電流フィーダ２７０は、直流電源ＰＳの陰極端子及び陽極端子に対応して連絡する。

かかる構成においても、直流電源ＰＳからの電流が、陰極電流フィーダ２５０及び陽極電流フィーダ２７０を介して、図１１及び図１２中で最も左側から順次、陽極部材２３０ｅ、陰極部材２１０ａ及び陽極部材２３０ａのユニット、並びに陰極部材２１０ｅを流れて供給されることにより、各陰極室２０の電解室２４に存在する溶融塩化亜鉛において電解反応を生じさせる。このように電解反応が生じると、各突出部１０ｎの電解室２４側の鉛直表面に金属亜鉛が析出し、このように生成された金属亜鉛は溶融状態となり、溶融亜鉛Ｍとして、電解室２４から流下して、各電解室２４に共通に連なる下室２２へ至り、下室２２の底部にためられる。同時に、陰極部材１１０の各突出部１０ｎに対向する陽極部材１３０の部分３０ｐにおける電解室２４側の鉛直表面近傍で塩素ガスＧが発生し、かかる塩素ガスＧは、貫通孔３６を通過して陽極室４０に各々侵入し、陽極室４０内を上方に流れて、各排出口から集合管を経て、次工程へ送られる。

このように、下室２２の底部に溶融亜鉛Ｍがたまっていくと、溶融亜鉛Ｍは、陰極部材２１０ａ及び２１０ｅの側壁部に設けられた各排出口１２を通って、外部に排出される。

なお、本実施形態においては、各陰極部材に複数の陽極部材を配しているが、もちろん各陰極部材に１つのみの陽極部材を配してもかまわない。

また、本実施形態においても、第１の実施形態の変形例で説明した陰極部材における突出部の電解室側の表面及び陽極部材における陽極部として機能する部分の電解室側の表面を、各々傾斜面とする構成や、その他の細部の変形例の構成を採用することも可能である。

以上の構成においては、陽極部材２３０ａ及び２３０ｅ０の陽極部として機能する部分３０ｐに貫通孔３６を設けることにより、陰極反応生成物である溶融亜鉛Ｍを下方に、陽極反応生成物である塩素ガスＧを上方に、互いに接触せずにより確実に移動できることに加えて、陰極部材２１０ａ及び陽極部材２３０ａを一体的にユニット化することにより、電流フィーダに取り回しを簡素化しつつ、より拡張自由度のある構成を実現する。

（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態における電解槽につき、図１３及び図１４を参照して、詳細に説明する。

図１３は、本実施形態における電解槽の縦断面図であり、図１４は、本実施形態における電解槽の横断面図である。なお、図１３は、図１４のＪ−Ｊ線による断面図であり、図１４は、図１３のＫ−Ｋ線による断面図である。

本実施形態における電解槽は、第１の実施形態のものに対して、陽極部材に設けられる貫通孔を、陽極部材を鉛直方向に貫く貫通孔としたことが主たる相違点であり、対応して陽極部材や電流フィーダの取り回しは異なるが、残余の構成は同様である。よって、本実施形態においては、かかる相違点に着目して説明することとし、同様な構成については同一の符号を付して適宜説明を簡略化又は省略する。

図１３及び図１４に示すように、本実施形態の電解槽Ｓ４も、ｚ軸と平行な中心軸ＣＡについて実質的に軸対称であり、底部が閉じられて側壁部に排出口１２を有し、鉛直方向に直立するが、形状が四角筒状とされた導電性グラファイト製の陰極部材３１０と、陰極部材３１０の内方に画成されて溶融塩化亜鉛を収容する陰極室２０と、を有するが、陽極部材３３０は、ｘ−ｙ平面と平行な導電性グラファイト製の平板状であり、かかる陽極部材３３０は、ムライト等のセラミクス製又は石英製で陰極部材３１０に固定される保持部材３３５に取り付けられる。かかる保持部材３３５は、直立した四角筒状であり、その内部に、陽極部材３３０と協働して陽極室４０を画成し、不要なガスを排出する排出口３３５ｐを有する。

ここで、陰極部材３１０の底壁部と、それにｚ軸方向で対向する陽極部材３３０とが、対応する電極部として各々機能するため、陰極室２０における陰極部材３１０の底壁部とそれにｚ軸方向で対向する陽極部材３３０との間の領域が、実質的に電解室２４であると考えてよい。また、平板状の陽極部材３３０には、かかる電解室２４として機能する陰極室２０と陽極室４０とを連通する貫通孔３３６が、陽極部材３３０を鉛直方向に貫いて設けられる。

また、陰極部材３１０には、陰極電流フィーダ３５０が連絡し、陽極部材３３０には、陽極部材３３０に固定された接続部材３６０を介して陽極電流フィーダ３７０が連絡する。かかる陰極電流フィーダ３５０及び陽極電流フィーダ３７０は、図示を省略する直流電源の陰極端子及び陽極端子に対応して連絡する。

なお、陰極部材３１０の側壁部と陽極部材３３０との間における電解反応の抑制、迷走電流の発生や短絡を防ぐため、ムライト等のセラミクス製又は石英製の絶縁部材３９５が、陰極部材３１０の側壁部内方に設けられる。

ここに、直流電源からの電流が、陰極電流フィーダ３５０及び陽極電流フィーダ３７０を介して、陰極部材３１０及び陽極部材３３０に供給されることにより、陰極部材３１０の底壁部と、それに対向する陽極部材３３０とは、陰極室２０（電解室２４）に存在する溶融塩化亜鉛において電解反応を生じさせる。このように電解反応が生じると、陰極部材３１０の底面に金属亜鉛が析出し、陰極室２０（電解室２４）の底部にためられる。この際、かかる溶融亜鉛は導電性であるので、陰極室２０（電解室２４）中の溶融亜鉛が、実質的な陰極部となる。また、陰極部材３１０の底面と溶融亜鉛との接触面積を増し十分な導通を確保するために、陰極部材３１０の底面の凹凸部３１０ａを設けてもよいし、表面濡れ性確保のためその粗さを調整したり、陰極表面が多孔質素材の場合その気孔率を調整することも好ましい。

このように、下室２２の底部に溶融亜鉛がたまっていくと、溶融亜鉛Ｍは、陰極部材１０の側壁部に設けられた排出口１２を通って、外部に排出される。

同時に、かかる電解反応が生じると、陽極部材３３０の下面近傍で塩素ガスＧが発生し、かかる塩素ガスＧは、貫通孔３３６を通過して陽極室４０に各々侵入し、陽極室４０内を上方に流れて、保持部材３３５の上方に設けられた管状部３３７等を経て、次工程へ送られる。

以上の構成においては、陽極部材３３０に鉛直方向に貫く貫通孔３３６を設けることにより、陰極反応生成物である溶融亜鉛を陰極室２０にためつつ、陽極反応生成物である塩素ガスＧを上方に、溶融亜鉛と塩素ガスとが互いに接触せずにより一層確実に移動できる。

（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態における電解槽につき、図１５を参照して、詳細に説明する。

図１５は、本実施形態における電解槽の縦断面図である。

本実施形態における電解槽は、第４の実施形態のものに対して、四塩化珪素を生成する反応器を付加したことが主たる相違点であり、残余の構成は同様である。よって、本実施形態においては、かかる相違点に着目して説明することとし、同様な構成については同一の符号を付して適宜説明を簡略化又は省略する。

図１５に示すように、本実施形態の電解槽Ｓ５では、第４の実施形態の電解槽の鉛直方向の上方に熱交換器を構成する冷却ジャケット３３５ａ及び反応器Ｒが設けられる。かかる熱交換器３３５ａ及び反応器Ｒよりも下部の構成は第４の実施形態におけるものと同様である。なお、陽極部材３３０の下面における貫通口３３６の貫通表面３３６ａを円錐殻状表面を有するような変化面に加工して、塩素ガスＧの陽極室４０への流入を容易にしてもよく、かかる構成は、もちろん第４の実施形態にも適用可能である。

具体的には、陽極部材３３０を保持する保持部材３３５の管状部３３７は、ｚ軸の正方向に延在される。このように延在される保持部材３３５には、陽極室４０の鉛直方向の上方において、ｚ軸の正方向に向けて順に、熱交換器を構成する冷却ジャケット３３５ａ、並びに反応器Ｒを構成する反応室４００、定量フィーダ４１０及びシリコンホッパ４２０が設けられる。なお、かかる熱交換器３３５ａは、ジャケット式の他、多管式、ひれ付管式、穴あきブロック式、プレート式等の構成が採用し得る。

かかる冷却ジャケット３３５ａには、冷却液Ｃを入口３３５ｂから供給してその内部を通過させた後、出口３３５ｃから排出して、陽極室４０を上方に向けて流れる塩素ガスＧを１００℃程度に冷却する。このように冷却された塩素ガスＧは、反応室４００へ至る。

一方で、最上部のシリコンホッパ４２０に対しては、粗シリコンＳｉを受け入れて、定量フィーダ４１０で計量された粗シリコンＳｉは、反応室４００へ至る。ここで、定量フィーダ４１０は、冷却液Ｃを入口Ｒａから供給してその周囲を通過させた後、出口Ｒｂから排出して、所定温度に冷却されており、併せて反応室４００も冷却される。また、粗シリコンＳｉが、不要に陽極室４０に落下しないように、邪魔板４３０が設けられる。

このように、反応室４００内に、塩素ガスＧと粗シリコンＳｉが供給されると、これらは反応して液化された四塩化珪素Ｌとなり、出口３３５ｄから外部に排出される。

なお、本実施形態の構成における反応器は、第１から第３の実施形態で説明した構成の陽極部材の各々の鉛直方向の上方に、又は陽極部材に連絡する集合管の鉛直方向の上方に、適宜配置することも可能である。

以上の構成においては、電解槽Ｓ５に熱交換器３３５ａや反応器Ｒを一体的に組み込むことにより、四塩化珪素Ｌを簡便な構成で効率よく生成することができる。

なお、本発明においては、部材の種類、配置、個数等は前述の実施形態に限定されるものではなく、その構成要素を同等の作用効果を奏するものに適宜置換する等、発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であることはもちろんである。

以上のように、本発明においては、比抵抗の大きい溶融塩を、実用的な電流密度と消費電力で電解するための電解槽の提供する、具体的には、電解槽を狭い電極間距離で設計する場合に生じる陰極及び陽極における両電極反応生成物の接触による逆反応を、電極間電圧を上昇させることなく低減し得る電解槽を提供し、併せて、高温かつ高腐食性の電解浴や電解反応生成物を扱い得て、厳しい運転条件に耐え得る単純かつ保守の容易な構造を有し、及び工業化を前提とした大型の設備にスケールアップ可能で増産、増設が容易な構造を有する電解槽を提供することができるものであり、その汎用普遍的な性格から太陽電池用シリコン等の製造分野に広範に適用され得るものと期待される。

Claims

陰極として機能する陰極部を有する陰極部材と、
前記陰極部材の内方に画成され、液体電解質を収容する陰極室と、
陽極として機能する陽極部を有し、前記陰極部材に対向するように前記陰極室に侵入する陽極部材と、
前記陽極部材の内方に画成される陽極室と、
前記陽極部材を貫いて、前記陰極室と前記陽極室とを連通する貫通孔と、を備え、
前記陰極室内の前記陰極部材と前記陽極部材とが対向する領域の前記液体電解質における電解反応により生成された電解生成ガスが、前記貫通孔を通過して前記陽極室に流入し、前記電解反応により生成された溶融金属が前記陰極室内にためられる電解槽。
前記陽極室の上部には、流入する前記電解生成ガスを連続排出するための排出口が設けられ、前記貫通孔は、前記陽極部材の前記陽極部を前記陽極室に向かって上り勾配で貫通する請求項１に記載の電解槽。
前記陽極室の底部には、前記貫通孔を通過して前記陽極室に流入する前記電解生成ガスに伴って前記陽極室に流入した前記溶融金属を、前記陰極室に排出する排出口が設けられる請求項１に記載の電解槽。
前記陰極部材と前記陽極部材とは、鉛直方向で同軸に立設され、前記陰極部材の前記陰極部と前記陽極部材の前記陽極部とは、前記鉛直方向に直交する方向において対向する請求項２に記載の電解槽。
前記陽極部材は複数の陽極部材を含み、前記複数の陽極部材が、前記陰極部材において前記鉛直方向に直交する方向に配される請求項４に記載の電解槽。
前記陰極部材は複数の陰極部材を含み、前記複数の陰極部材が、前記鉛直方向に直交する方向に配される請求項４に記載の電解槽。
前記複数の陰極部材における第１の陰極部材と、前記複数の陰極部材における前記第１の陰極部材に隣接する第２の陰極部材に配された前記陽極部材とは、電気的に接続された状態で一体化された一体構造をなす請求項６に記載の電解槽。
前記陽極室の上部には、流入する電解生成ガスを連続排出するための排出口が設けられ、前記貫通孔は、前記陽極部材の前記陽極部を鉛直方向に貫通する請求項１に記載の電解槽。
前記陰極部材と前記陽極部材とは、鉛直方向で同軸に立設され、前記陰極部材の前記陰極部と前記陽極部材の前記陽極部とは、前記鉛直方向において対向する請求項８に記載の電解槽。
前記陽極室の上方には、前記貫通孔を経由して前記陽極室に流入し、前記陽極室を通過する前記電解生成ガスを冷却する熱交換器が設けられる請求項１に記載の電解槽。
前記熱交換器の上方には、シリコンと前記電解生成ガスである塩素ガスとを反応させる反応器が設けられる請求項１０に記載の電解槽。
前記液体電解質が、無水溶融塩化亜鉛又は塩化亜鉛を含む無水塩化物である請求項１に記載の電解槽。