KR101201587B1 - 가스 생성 장치 및 가스 생성용 탄소 전극 - Google Patents

Abstract

본 발명의 가스 생성 장치는, 양극 또는 음극의 어느 한쪽 및 다른 쪽인 제 1 탄소 전극 및 제 2 전극의 사이에 전압을 걸어 전해액을 전기 분해하는 것에 의해 상기 제 1 탄소 전극에서 제 1 가스를 생성한다. 상기 제 1 탄소 전극에는, 상기 전해액을 통과시키지 않고, 한쪽의 면에서 생성된 상기 제 1 가스를 다른 쪽의 면에 선택적으로 통과시키는 복수의 기체 미세 유로가 형성되어 있다.

Description

가스 생성 장치 및 가스 생성용 탄소 전극{GAS GENERATING DEVICE AND CARBON ELECTRODE FOR GAS GENERATION}

이 발명은, 가스 생성 장치 및 가스 생성용 탄소 전극에 관한 것이다.

반도체 장치 제조시의 클리닝 가스로서, 활성이 높은 불소 가스를 이용하는 것이 검토되고 있다. 또한, 불소 가스는, 온난화 계수도 낮고, 오존층 파괴에의 영향도 낮기 때문에, 환경에 끼치는 영향이 적은 가스로서도 주목되고 있다. 그러나, 불소 가스는 폭발할 위험이 있기 때문에, 가스 봄베에 가압 충전할 때에도 그다지 압력을 걸 수 없다. 그 때문에, 취급이 곤란하고, 또한 수송 비용이 든다는 문제가 있었다.

특허문헌 1(일본 특허공개 2002-339090호 공보)에는, 불소 가스를 온-사이트(on-site)로 발생시키는 장치가 기재되어 있다. 상기 문헌에는, 격벽에 의해서 양극실과 음극실로 분리된 전해층과, 양극실과 음극실에 각각 가스를 공급하여, 양극실 및 음극실 내를 소정의 압력으로 유지하는 압력 유지 수단을 구비한 불소 가스 발생 장치가 기재되어 있다.

또한, 특허문헌 2에는, 유리상 탄소재로 이루어지는 불용성 탄소 전극이 기재되어 있다.

특허문헌 1: 일본 특허공개 2002-339090호 공보

특허문헌 2: 일본 특허공개 1999-236693호 공보

발명의 개시

그러나, 종래, 전극에서 생성된 가스가 전극 표면을 덮기 때문에, 새로운 반응이 저해되어 반응 효율이 저하된다고 하는 문제가 있었다. 특히, 양극의 전극 재료로서 탄소를 이용하여 불소 가스를 생성시키는 경우, 불소 가스와 탄소가 반응하여, 전극 표면에서 F-C 결합이 생성되어 전극 표면의 젖음성이 저하되기 때문에, 발생한 불소 가스에 의해 전극 표면이 덮여, 새로운 반응이 저해되고 있었다. 또한, 탄소와 불소 가스가 반응함으로써 CF₄ 등의 부생성물이 생성된다는 문제도 있었다.

본 발명은 이러한 점에 비추어 이루어진 것으로, 그 목적은, 전기 분해에 의해 효율적으로 가스를 생성하는 기술의 제공에 있다.

(1) 양극 또는 음극의 어느 한쪽 및 다른 쪽인 제 1 탄소 전극 및 제 2 전극의 사이에 전압을 걸어 전해액을 전기 분해하는 것에 의해 상기 제 1 탄소 전극에서 제 1 가스를 생성하는 가스 생성 장치로서,

상기 제 1 탄소 전극에는, 상기 전해액을 통과시키지 않고, 한쪽의 면에서 생성된 상기 제 1 가스를 다른 쪽의 면에 선택적으로 통과시키는 복수의 기체 미세 유로가 형성되어 있는 가스 생성 장치.

(2) 상기 전해액이 흐르는 액체 유로와,

상기 액체 유로에 각각 접하여, 상기 액체 유로를 끼어 설치된 상기 제 1 탄소 전극 및 상기 제 2 전극과,

상기 액체 유로와의 사이에 상기 제 1 탄소 전극을 끼어 설치되고, 상기 제 1 가스를 수용하는 제 1 가스 수용부

를 포함하고,

상기 제 1 탄소 전극에 형성된 상기 기체 미세 유로를 통해서 상기 액체 유로와 상기 제 1 가스 수용부가 연통하고 있는 (1)에 기재된 가스 생성 장치.

(3) 상기 제 1 탄소 전극 및 상기 제 2 전극의 사이에 전압을 걸어 상기 전해액을 전기 분해하는 것에 의해 상기 제 2 전극에서 제 2 가스가 생성되고,

상기 제 2 전극은 제 2 탄소 전극이고,

상기 액체 유로와의 사이에 상기 제 2 탄소 전극을 끼어 설치되고, 상기 제 2 가스를 수용하는 제 2 가스 수용부를 추가로 포함하고,

상기 제 2 탄소 전극에는, 상기 제 2 가스를 선택적으로 통과시키는 복수의 기체 미세 유로가 형성되어 있고, 상기 기체 미세 유로를 통해서 상기 액체 유로와 상기 제 2 가스 수용부가 연통하고 있는 (2)에 기재된 가스 생성 장치.

(4) 상기 제 1 가스 수용부는, 불활성 가스가 도입되는 가스 입구와, 상기 불활성 가스와 함께 상기 제 1 가스가 도출되는 가스 출구를 갖는 제 1 가스 유로 이고,

상기 제 2 가스 수용부는, 불활성 가스가 도입되는 가스 입구와, 상기 불활성 가스와 함께 상기 제 2 가스가 도출되는 가스 출구를 갖는 제 2 가스 유로인 (3)에 기재된 가스 생성 장치.

(5) 지지 기판과, 상기 지지 기판 상에 배치된 뚜껑 기판을 갖고,

상기 액체 유로는, 상기 지지 기판에 형성된 제 1 유로용 홈(溝)과, 상기 제 1 유로용 홈을 덮는 상기 뚜껑 기판으로부터 형성되고,

상기 제 1 가스 수용부 및 상기 제 2 가스 수용부는, 상기 지지 기판의 상기 제 1 유로용 홈의 양측방에 상기 제 1 유로용 홈과 간격을 두고 각각 형성된 제 2 유로용 홈 및 제 3 유로용 홈과, 상기 제 2 유로용 홈 및 상기 제 3 유로용 홈을 덮는 상기 뚜껑 기판으로부터 형성되고,

상기 제 1 탄소 전극은, 상기 지지 기판의 상기 제 1 유로용 홈과 상기 제 2 유로용 홈 사이에 이들에 접하여 설치된 제 1 전극 설치용 오목부 내에 설치되고,

상기 제 2 탄소 전극은, 상기 지지 기판의 상기 제 1 유로용 홈과 상기 제 3 유로용 홈 사이에 이들에 접함과 더불어, 상기 제 1 전극 설치용 오목부와 대향하는 위치에 설치된 제 2 전극용 오목부 내에 설치된 (4)에 기재된 가스 생성 장치.

(6) 상기 제 1 탄소 전극 및 상기 제 2 탄소 전극은, 각각, 상기 기체 미세 유로로 되는 홈이 형성된 판상 전극판에 의해 구성된 (3) 내지 (5)의 어느 것인가에 기재된 가스 생성 장치.

(7) 상기 제 1 탄소 전극 및 상기 제 2 탄소 전극은, 각각, 탄소판에 의해 구성된 (6)에 기재된 가스 생성 장치.

(8) 상기 제 1 탄소 전극은, 상기 기체 미세 유로로 되는 복수의 관통 구멍이 설치된 제 1 탄소판에 의해 구성되고,

상기 제 2 탄소 전극은, 상기 기체 미세 유로로 되는 복수의 관통 구멍이 설치된 제 2 탄소판에 의해 구성되며,

상기 제 1 탄소 전극 및 상기 제 2 탄소 전극은 상기 액체 유로를 사이에 두고 대향 배치되고, 상기 제 1 탄소판에 있어서 상기 제 2 탄소 전극과 대향하는 면의 이면측에 상기 제 1 가스 수용부를 구비하고, 상기 제 2 탄소판에 있어서 상기 제 1 탄소 전극과 대향하는 면의 이면측에 상기 제 2 가스 수용부를 구비하는 (3)에 기재된 가스 생성 장치.

(9) 복수의 상기 제 1 탄소 전극과 복수의 상기 제 2 탄소 전극이, 상기 제 2 탄소 전극, 상기 제 1 탄소 전극, 상기 제 1 탄소 전극, 상기 제 2 탄소 전극의 순으로 배치되고, 상기 제 1 탄소 전극과 상기 제 2 탄소 전극의 사이에 상기 액체 유로가 배치되고, 상기 제 1 전극과 상기 제 1 전극의 사이에 상기 제 1 가스 수용부가 배치되어 있는 (3) 내지 (8)의 어느 하나에 기재된 가스 생성 장치.

(10) 상기 전해액은, 불화수소를 포함하는 용융염이고,

상기 제 1 탄소 전극은 양극이고, 상기 제 1 탄소 전극에서 불소 가스가 생성되고, 상기 제 2 탄소 전극에서 수소 가스가 생성되는 (3) 내지 (9)의 어느 하나에 기재된 가스 생성 장치.

(11) 양극인 제 1 탄소 전극과 음극인 제 2 전극 사이에 전압을 걸어 전해액 을 전기 분해함으로써 상기 제 1 탄소 전극에서 제 1 가스를 생성하는 가스 생성 장치로서,

상기 전해액이 흐르는 액체 유로와,

상기 액체 유로를 끼어 설치되고, 대향하는 면이 상기 전해액에 접촉하는 상기 제 1 탄소 전극 및 상기 제 2 전극과,

상기 제 1 전극의 상기 전해액에 접촉하는 면의 이면을 위요(圍繞)하도록 설치된, 상기 제 1 가스를 수용하는 제 1 가스 수용부

를 구비하고,

상기 기체 미세 유로는 가스 투과용 관통 구멍이고,

상기 액체 유로와 상기 제 1 가스 수용부는 상기 가스 투과용 관통 구멍을 통해서 연통하고 있고, 상기 제 1 전극의 상기 전해액에 접촉하는 면에서 생성된 상기 제 1 가스를, 상기 가스 투과용 관통 구멍을 통해서 선택적으로 통과시켜 상기 제 1 가스 수용부에 공급하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 (1)에 기재된 가스 생성 장치.

(12) 상기 제 1 탄소 전극 및 상기 제 2 전극의 사이에 전압을 걸어 상기 전해액을 전기 분해하는 것에 의해 상기 제 2 전극에서 제 2 가스가 생성되고,

상기 제 2 전극의 상기 전해액에 접촉하는 면의 이면을 위요하도록 설치된, 상기 제 2 가스를 수용하는 제 2 가스 수용부

를 추가로 구비하고,

상기 제 2 전극은, 한쪽의 면에서 생성된 상기 제 2 가스를, 다른 쪽의 면에 선택적으로 통과시킬 수 있는 복수의 가스 투과용 관통 구멍이 형성된 제 2 탄소 전극이고,

상기 액체 유로와 상기 제 2 가스 수용부는 상기 가스 투과용 관통 구멍을 통해서 연통하고 있고, 상기 제 2 전극의 상기 전해액에 접촉하는 면에서 생성된 상기 제 2 가스를, 상기 가스 투과용 관통 구멍을 통해서 선택적으로 통과시켜 상기 제 2 가스 수용부에 공급하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 (11)에 기재된 가스 생성 장치.

(13) 상기 제 1 가스 수용부는, 불활성 가스가 도입되는 가스 입구와, 상기 불활성 가스와 함께 상기 제 1 가스가 도출되는 가스 출구를 갖는 제 1 가스 유로이고,

상기 제 2 가스 수용부는, 불활성 가스가 도입되는 가스 입구와, 상기 불활성 가스와 함께 상기 제 2 가스가 도출되는 가스 출구를 갖는 제 2 가스 유로인 것을 특징으로 하는 (12)에 기재된 가스 생성 장치.

(14) 상기 전해액이 충전된 저류조(貯留槽)와,

상기 저류조 내의 상기 전해액에 각각 접하여, 상기 저류조 내에 설치된 상기 제 1 탄소 전극 및 상기 제 2 전극을 구비하고,

상기 제 1 탄소 전극에 형성된 상기 기체 미세 유로는 관통 구멍인 것을 특징으로 하는 (1)에 기재된 가스 생성 장치.

(15) 상기 제 1 탄소 전극 및 상기 제 2 전극은 평행으로 설치되고, 상기 제 2 전극에 대향하는 상기 제 1 탄소 전극의 한쪽의 면에서 상기 제 1 가스가 생성되 는 것을 특징으로 하는 (14)에 기재된 가스 생성 장치.

(16) 상기 제 2 전극은, 한쪽의 면에서 생성된 상기 제 2 가스를, 다른 쪽의 면에 선택적으로 통과시킬 수 있는 복수의 관통 구멍이 형성된 제 2 탄소 전극이고,

상기 제 1 탄소 전극 및 상기 제 2 탄소 전극의 적어도 한쪽은, 상기 전해액의 액면에 대하여 수직 방향으로 침지되어 있는 것을 특징으로 하는 (14) 또는 (15)에 기재된 가스 생성 장치.

(17) 상기 제 1 탄소 전극 및 상기 제 2 탄소 전극 중 적어도 한쪽의 상기 다른 쪽의 면을 덮고, 상기 다른 쪽의 면으로부터 방출된 상기 기체를 수용하는 가스 수용부를 구비한 것을 특징으로 하는 (16)에 기재된 가스 생성 장치.

(18) 적어도 2쌍의 상기 제 1 탄소 전극 및 상기 제 2 탄소 전극을 구비함과 더불어, 상기 제 1 탄소 전극의 상기 다른 쪽의 면끼리 및 상기 음극의 상기 다른 쪽의 면끼리 중 적어도 한쪽의 면끼리가 대향하고 있고,

대향하는 한 쌍의 상기 다른 쪽의 면을 모두 덮는 상기 가스 수용부를 구비하는 것을 특징으로 하는 (17)에 기재된 전기 분해 장치.

(19) 상기 가스 수용부는 불활성 가스 공급부를 구비하고,

상기 가스 수용부 내에, 상기 불활성 가스 공급부로부터 불활성 가스를 공급하는 것에 의해 환기 가능하게 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 (16) 내지 (18)의 어느 하나에 기재된 가스 생성 장치.

(20) 상기 제 1 탄소 전극 또는 상기 제 2 탄소 전극의 상기 가스 수용부는 원재료 가스 공급부를 구비하고,

상기 원재료 가스 공급부로부터 공급된 원재료 가스를, 상기 관통 구멍을 통해서 상기 전해액에 공급 가능하게 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 (16) 내지 (19)의 어느 하나에 기재된 가스 생성 장치.

(21) 상기 제 1 탄소 전극 및 상기 제 2 탄소 전극의 적어도 한쪽은, 상기 전해액면에 대하여 수평으로 배설(配設)됨과 더불어, 상기 한쪽의 면만이 상기 전해액의 액면에 접촉하고 있는 것을 특징으로 하는 (14) 내지 (20)의 어느 하나에 기재된 가스 생성 장치.

(22) 상기 저류조에는 원재료 가스 공급부가 설치되어 있고,

상기 원재료 가스 공급부로부터 상기 전해액에 원재료 가스를 공급 가능하게 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 (14) 내지 (21)의 어느 하나에 기재된 가스 생성 장치.

(23) 상기 전해액은, 불화수소를 포함하는 용융염이고,

상기 제 1 탄소 전극은 양극이고, 상기 제 1 탄소 전극에서 불소 가스가 생성되고, 상기 제 2 탄소 전극에서 수소 가스가 생성되는 (14) 내지 (22)의 어느 하나에 기재된 가스 생성 장치.

(24) 상기 제 1 탄소 전극 및 상기 제 2 전극의 적어도 한쪽은 탄소재에 의해 구성되고, 상기 기체 미세 유로는 가스를 선택적으로 통과시키는 관통 구멍이고,

상기 관통 구멍의 개구폭은 1000μm 이하인 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (23)의 어느 하나에 기재된 가스 생성 장치.

(25) 상기 탄소재는, 비정질 탄소로 이루어지는 것을 특징으로 하는 (24)에 기재된 가스 생성 장치.

(26) 상기 탄소재는, 유리상 탄소재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 (25)에 기재된 가스 생성 장치.

(27) 상기 탄소재는, 필름상 또는 판상인 것을 특징으로 하는 (26)에 기재된 가스 생성 장치.

(28) 상기 탄소재는, 두께 방향으로 복수의 상기 관통 구멍이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 (27)에 기재된 가스 생성 장치.

(29) 상기 제 1 탄소 전극 또는 상기 제 2 전극은, 불소 가스 생성용 탄소 전극인 것을 특징으로 하는 (28)에 기재된 가스 생성 장치.

(30) 상기 관통 구멍의 내벽면은, 상기 가스의 투과하는 방향으로 향하여 테이퍼(taper)상으로 확경(擴徑)하고 있는 것을 특징으로 하는 (29)에 기재된 가스 생성 장치.

(31) 상기 탄소재는, 유기 수지를 700℃ 이상 3200℃ 이하의 온도로 소성하여 수득된 것을 특징으로 하는 (30)에 기재된 가스 생성 장치.

(32) 상기 유기 수지는, 질소 원자를 함유하는 방향족계 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 (31)에 기재된 가스 생성 장치.

(33) 상기 유기 수지는, 방향족 폴리이미드 수지 또는 아라미드 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 (32)에 기재된 가스 생성 장치.

(34) 탄소재에 의해 구성되고, 한쪽의 면에서 생성된 가스를, 다른 쪽의 면에 선택적으로 통과시킬 수 있는 기체 미세 유로가 복수 설치된, (1) 내지 (33)의 어느 하나에 기재된 가스 생성 장치에 사용되는 가스 생성용 탄소 전극으로서,

상기 가스 투과용 관통 구멍의 개구폭은 1000μm 이하인 것을 특징으로 하는 가스 생성용 탄소 전극.

(35) 탄소재에 의해 구성되고, 가스를 선택적으로 통과시키는 관통 구멍이 복수 설치된 가스 생성용 탄소 전극으로서,

상기 관통 구멍의 개구폭은 1000μm 이하인 것을 특징으로 하는 가스 생성용 탄소 전극.

(36) 상기 탄소재는, 비정질 탄소로 이루어지는 것을 특징으로 하는 (34) 또는 (35)에 기재된 가스 생성용 탄소 전극.

(37) 상기 탄소재는, 유리상 탄소재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 (36)에 기재된 가스 생성용 탄소 전극.

(38) 상기 탄소재는, 필름상 또는 판상인 것을 특징으로 하는 (37)에 기재된 가스 생성용 탄소 전극.

(39) 상기 탄소재는, 두께 방향으로 복수의 상기 관통 구멍이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 (38)에 기재된 가스 생성용 탄소 전극.

(40) 불소 가스 생성용 탄소 전극인 것을 특징으로 하는 (39)에 기재된 가스 생성용 탄소 전극.

(41) 상기 관통 구멍의 내벽면은, 상기 가스의 투과하는 방향으로 향하여 테 이퍼상으로 확경하고 있는 것을 특징으로 하는 (40)에 기재된 가스 생성용 탄소 전극.

(42) 상기 탄소재는, 유기 수지를 700℃ 이상 3200℃ 이하의 온도로 소성하여 수득된 것을 특징으로 하는 (41)에 기재된 가스 생성용 탄소 전극.

(43) 상기 유기 수지는, 질소 원자를 함유하는 방향족계 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 (42)에 기재된 가스 생성용 탄소 전극.

(44) 상기 유기 수지는, 방향족 폴리이미드 수지 또는 아라미드 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 (43)에 기재된 가스 생성용 탄소 전극.

(45) 유기 수지 재료를 준비하는 공정과,

상기 유기 수지 재료를 이용하여, 관통 구멍을 복수 구비하는 유기 수지막을 조제하는 공정과,

700℃ 이상 3200℃ 이하의 온도로, 상기 유기 수지막을 소성하는 것에 의해 탄소재를 얻는 공정

을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 생성용 탄소 전극의 제조방법.

(46) 상기 유기 수지 재료는 필름상 또는 판상의 유기 수지막이고,

상기 관통 구멍을 복수 구비하는 상기 유기 수지막을 조제하는 상기 공정에 있어서,

상기 유기 수지막의 두께 방향으로, 복수의 관통 구멍을 형성하는 것을 특징으로 하는 (45)에 기재된 가스 생성용 탄소 전극의 제조방법.

(47) 상기 관통 구멍을 복수 구비하는 상기 유기 수지막을 조제하는 상기 공 정에 있어서,

기계가공, 에칭, 사출 성형, 샌드 블래스트 가공 또는 레이저 가공에 의해 상기 관통 구멍을 형성하는 것을 특징으로 하는 (46)에 기재된 가스 생성용 탄소 전극의 제조방법.

(48) 상기 유기 수지막을 소성하는 것에 의해 상기 탄소재를 얻는 상기 공정은,

불활성 가스 분위기 중에서 행하는 것을 특징으로 하는 (47)에 기재된 가스 생성용 탄소 전극의 제조방법.

(49) 상기 불활성 가스는, 아르곤 또는 질소인 것을 특징으로 하는 (48)에 기재된 가스 생성용 탄소 전극의 제조방법.

(50) 전해액이 흐르는 액체 유로와,

상기 액체 유로에 접하여, 기체를 선택적으로 통과시키는 복수의 기체 미세 유로가 형성된 제 1 탄소 전극과,

상기 액체 유로에 접함과 더불어 상기 제 1 탄소 전극과의 사이에 상기 액체 유로를 끼어 설치된 제 2 전극과,

상기 액체 유로와의 사이에 상기 제 1 탄소 전극을 끼어 설치된 제 1 가스 수용부

를 포함하는 가스 생성 장치를 이용하여, 가스를 생성하는 방법으로서,

상기 액체 유로에 상기 전해액을 흐르게 하는 공정과,

상기 제 1 탄소 전극 및 상기 제 2 전극의 사이에 전압을 걸어 상기 전해액 을 전기 분해하여, 상기 제 1 탄소 전극에서 제 1 가스를 생성하는 공정

을 포함하고,

상기 제 1 가스를 생성하는 공정에 있어서, 상기 제 1 탄소 전극에서 발생한 상기 제 1 가스를 상기 기체 미세 유로를 통해서 상기 제 1 가스 수용부에 이동시키면서 상기 전기 분해를 행하는 가스 생성 방법.

(51) 전해액이 흐르는 액체 유로와,

상기 액체 유로를 끼어 설치되고, 대향하는 면이 상기 전해액에 접촉하는 제 1 탄소 전극 및 상기 제 2 전극과,

상기 제 1 탄소 전극의 상기 전해액에 접촉하는 면의 이면을 위요하도록 설치된 제 1 가스 수용부를 구비하고,

상기 제 1 탄소 전극으로서, (35) 내지 (44)의 어느 하나에 기재된 가스 생성용 탄소 전극을 구비한 가스 생성 장치를 이용하여 가스를 생성하는 방법으로서,

상기 액체 유로에 상기 전해액을 흐르게 하는 공정과,

상기 제 1 탄소 전극 및 상기 제 2 전극의 사이에 전압을 걸어 상기 전해액을 전기 분해하여, 상기 제 1 탄소 전극에서 제 1 가스를 생성하는 공정

을 포함하고,

상기 제 1 가스를 생성하는 공정에 있어서,

상기 전기 분해를 계속함과 더불어, 상기 제 1 탄소 전극에서 발생한 상기 제 1 가스를 상기 가스 투과용 관통 구멍을 통해서 선택적으로 통과시켜 상기 제 1 가스 수용부에 공급하는 공정을 포함하는, 가스 생성 방법.

본 발명에 의하면, 전기 분해에 의해 효율적으로 가스를 생성할 수 있는 가스 생성 장치, 그것에 사용되는 가스 생성용 탄소 전극, 상기 탄소 전극의 제조방법 및 가스 생성 방법을 제공할 수 있다.

[도 1] 본 발명의 실시의 형태에 있어서의 전기 분해 셀의 구성을 나타내는 모식도이다.

[도 2] 본 실시형태에 따른 전기 분해 장치의 개략 구성도이다.

[도 3] 도 3(a), (b) 및 (c)는, 본 실시형태에 따른 전기 분해 장치에 이용하는 전극의 확대 평면도이다.

[도 4] 본 실시형태에 따른 환기 덕트 구비 전극을 이용한 전기 분해 장치의 개략 구성도이다.

[도 5] 본 실시형태에 따른 가스 방출면에 기체 유로를 설치한 전기 분해 장치의 개략 구성도이다.

[도 6] 본 실시형태에 따른, 대향하는 가스 생성면을 어느 것도 위요하는 가스 수용부를 구비한 전기 분해 장치의 개략 구성도이다.

[도 7] 본 실시형태에 따른 오토시부타(냄비보다 작은 뚜껑) 형상의 전극을 이용한 전기 분해 장치의 개략 구성도이다.

[도 8] 본 실시형태에 따른 양극 및 음극이 수평으로 배설된 전기 분해 장치의 개략 구성도이다.

[도 9] 본 실시형태에 따른 양극 및 음극이 수평으로 배설된 전기 분해 장치의 개략 구성도이다.

[도 10] 본 실시형태에 따른 전기 분해 셀의 (a) 상면도, (b) A-A선 단면도이다.

[도 11] 본 실시형태에 따른 전기 분해 셀의 캐쏘드 전극의 측면도이다.

[도 12] 본 실시형태에 따른 전기 분해 셀의 (a) 상면도, (b) A-A선 단면도이다.

[도 13] 본 실시형태에 따른 전기 분해 셀의 (a) 상면도, (b) 애노드 전극의 측면도이다.

[도 14] 도 13(b)의 캐쏘드 전극의 A-A선 단면도이다.

[도 15] 본 실시형태에 있어서의 전기 분해 셀의 구성을 나타내는 그림이다.

[도 16] 도 15의 제 1 전극 및 제 2 전극을 확대하여 나타내는 부분 확대 평면도이다.

[도 17] 도 15의 A-A' 단면도이다.

[도 18] 도 15의 B-B' 단면도이다.

[도 19] 도 15의 C-C' 단면도이다.

[도 20] 도 15에 나타낸 전기 분해 셀을 부착한 전기 분해 셀 부착 장치의 구성을 나타내는 그림이다.

[도 21] 도 15에 나타낸 전기 분해 셀을 부착한 전기 분해 셀 부착 장치의 구성을 나타내는 그림이다.

[도 22] 실시예에 있어서의 전류 밀도의 시간에 대한 변화량을 나타내는 그림이다.

[도 23] 비교예에 있어서의 전류 밀도의 시간에 대한 변화량을 나타내는 그림이다.

[도 24] 실시예에 있어서의 전기 분해 셀의 다른 예의 구성을 나타내는 모식도이다.

[도 25] 실시예에 있어서의 전기 분해 셀의 구성을 나타내는 평면도이다.

[도 26] 도 25의 D-D' 단면도이다.

[도 27] 도 25의 E-E' 단면도이다.

[도 28] 도 25의 제 1 전극의 (a) 표면과 (b) 이면의 모식도이다.

[도 29] 제 1 전극의 기체 미세 유로 부분을 확대하여 나타내는 부분 확대도이다.

[도 30] 실시예에 있어서의 전류 밀도의 시간에 대한 변화량을 나타내는 그림이다.

[도 31] 실시예에 있어서의 전기 분해 셀 부착 장치의 측면 단면도이다.

[도 32] 실시예에 있어서의 전기 분해 셀 부착 장치의 상면 단면도이다.

[도 33] 실시예에 있어서의 전기 분해 셀의 구조를 나타내는 그림이다.

[도 34] 도 33의 F-F' 단면도이다.

[도 35] 실시예에 있어서의 전기 분해 셀의 다른 예의 구성을 나타내는 그림이다.

[도 36] 도 36(a) 내지 (c)는 영-라플라스의 식을 설명하는 그림이다.

[도 37] 실시예에서 제작한 구멍 절삭 가공 후의 수지판을 나타내는 평면 약도이다.

[도 38] 그림으로 나타낸 구멍 가공부의 확대 약도이다.

[도 39] 실시예에서 제작한 전기 분해 셀의 정면도이다.

[도 40] 도 39에 나타내는 전기 분해 셀의 A-A 단면도이다.

[도 41] 실시예에서 제작한 전기 분해 셀에 사용되는 통전용 금속 틀의 평면 약도이다.

[도 42] 실시예에서 사용하는 전기 분해 셀 실험 장치의 정면 투시도이다.

[도 43] 실시예에서 사용하는 전기 분해 셀 실험 장치의 상면 투시도이다.

[도 44] 실시예에 있어서의 경과 시간에 대한 전류 밀도의 변화량을 나타내는 그래프이다.

[도 45] 실시예에 있어서의 전기 분해 셀 실험 장치(본 실험 장치)의 (a) 평면도, (b) 정면도이다.

[도 46] 본 실험 장치에 있어서의 전기 분해 셀의 (a) 정면도, (b) 그 D-D 단면도이다.

[도 47] 본 실험 장치에 있어서의 전기 분해 셀용의 (a) 전극의 정면도, (b) 통전용 금속 틀의 정면도이다.

[도 48] 실험 1에 있어서, 전기 분해하는 시간과 전류 밀도의 관계를 나타내는 그래프이다.

[도 49] 실험 3에 있어서, 전기 분해하는 시간과 전류 밀도의 관계를 나타내는 그래프이다.

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

이하, 본 발명의 실시의 형태에 대하여, 도면을 이용하여 설명한다. 한편, 모든 도면에 있어서, 같은 구성 요소에는 같은 부호를 붙여, 적절히 설명을 생략한다.

우선, 본 실시형태의 가스 생성용 탄소 전극을, 가스 발생 장치(전기 분해 셀)의 구성을 나타내는 모식도를 이용하여 설명한다.

도 1은, 본 실시형태에 있어서의 전기 분해 셀의 구성을 나타내는 모식도이다.

전기 분해 셀(100)은, 전해액(114)이 흐르는 액체 유로(102)와, 액체 유로(102)에 각각 접하여, 액체 유로(102)를 끼어 설치된 필름상 또는 판상의 제 1 탄소 전극(108) 및 제 2 탄소 전극(110)(제 2 전극)과, 액체 유로(102)와의 사이에 제 1 탄소 전극(108)을 끼어 설치된 제 1 가스 유로(104)(제 1 가스 수용부)와, 액체 유로(102)와의 사이에 제 2 탄소 전극(110)을 끼어 설치된 제 2 가스 유로(106)(제 2 가스 수용부)를 포함한다. 제 1 탄소 전극(108) 및 제 2 탄소 전극(110)으로서, 어느 것이나 가스 생성용 탄소 전극을 이용할 수 있다. 본 실시형태에 있어서는, 음극인 제 2 전극에 탄소 전극을 이용한 예에 의해 나타내지만, 금속 전극을 이용할 수도 있다.

제 1 탄소 전극(108) 및 제 2 탄소 전극(110)이, 액체 유로(102)와 제 1 가스 유로(104) 사이, 및 액체 유로(102)와 제 2 가스 유로(106) 사이에 각각 배치되어 있다. 제 1 탄소 전극(108) 및 제 2 탄소 전극(110)에는, 가스를 선택적으로 투과하고, 전해액(114)을 통과시키지 않는 기체 미세 유로(가스 투과용 관통 구멍, 관통 구멍이라고도 한다)(112)가 두께 방향으로 복수 설치되어 있다. 가스 투과용 관통 구멍(112)을 통해서 액체 유로(102)와 제 1 가스 유로(104), 및 액체 유로(102)와 제 2 가스 유로(106)가 각각 연통하고 있다.

다음으로 본 실시형태에 있어서의 전기 분해 셀(100)의 동작을 설명한다.

여기서, 전해액(114)으로서 불화수소를 포함하는 용융염을 이용하여, 전기 분해에 의해 양극에서 불소 가스, 음극에서 수소 가스를 각각 생성하는 경우를 예 로 하여 설명한다.

이 경우, 전기 분해 셀(100)로서는 이하의 식(1)～(3)(반응식 1 내지 3)의 반응이 일어난다.

2HF → F₂ + H₂ (1)

양극에서의 반응은, 이하와 같이 된다.

2F^- → F₂ + 2e^- (2)

또한, 음극에서의 반응은, 이하와 같이 된다.

2H⁺ + 2e^- → H₂ (3)

이러한 구성의 전기 분해 셀(100)에 있어서, 액체 유로(102)에 그림 중 좌로부터 우로 용융액인 전해액(114)을 흐르게 한다. 또한, 제 1 가스 유로(104) 및 제 2 가스 유로(106)에는, 각각 그림 중 좌로부터 우로 예컨대 질소 가스인 불활성 가스(116, 118)를 흐르게 한다. 이 상태로, 제 1 탄소 전극(108)이 양극, 제 2 탄소 전극(110)이 음극이 되도록 제 1 탄소 전극(108)과 제 2 탄소 전극(110) 사이에 전압을 걸어, 용융염을 전기 분해한다. 이에 의해, 액체 유로(102)의 전해액(114)에 접하는, 제 1 탄소 전극(108)의 표면에서는 불소 가스가 생성되고, 제 2 탄소 전극(110)의 표면에서는 수소 가스가 생성된다.

여기서, 제 1 탄소 전극(108)에는 가스 투과용 관통 구멍(112)이 설치되어 있기 때문에, 제 1 탄소 전극(108) 표면에서 생성된 불소 가스는, 가스 투과용 관통 구멍(112)을 통과하여 제 1 가스 유로(104)에 이동하여, 불활성 가스(116)와 함께 제 1 가스 유로(104) 내를 그림 중 좌로부터 우로 이동한다. 마찬가지로, 제 2 탄소 전극(110)에는 가스 투과용 관통 구멍(112)이 설치되어 있기 때문에, 제 2 탄소 전극(110) 표면에서 생성된 수소 가스는, 가스 투과용 관통 구멍(112)을 통과하여 제 2 가스 유로(106)에 이동하여, 불활성 가스(118)와 함께, 제 2 가스 유로(106) 내를 그림 중 좌로부터 우로 이동한다. 이에 의해, 제 1 가스 유로(104) 및 제 2 가스 유로(106)로, 생성된 불소 가스 및 수소 가스를 각각 회수할 수 있다.

이러한 가스 생성 장치는, 후술하는 가스 생성용 탄소 전극을 이용하고 있고, 전극 표면에서 생성된 가스가 빠르게 전극 표면에서 제거되어, 새로운 전해액이 전극 표면에 공급되기 때문에, 효율적으로 전기 분해를 행할 수 있다. 또한, 각각의 전극 표면에서 생성된 가스가 가스 투과용 관통 구멍(112)을 통과하여 제 1 가스 유로(104) 또는 제 2 가스 유로(106)에 이동하여 분리되기 때문에, 스커트 등으로 격리할 필요가 없어진다.

<가스 생성용 탄소 전극>

이하, 본 실시형태에 따른 가스 생성용 탄소 전극에 대하여 설명한다.

본 실시형태의 제 1 탄소 전극(108)과 제 2 탄소 전극(110)으로서는, 가스를 선택적으로 투과하는 기체 미세 유로(가스 투과용 관통 구멍(112))가 복수 설치된 가스 생성용 탄소 전극이 사용된다. 가스 투과용 관통 구멍(112)의 위치는 특별히 한정되지 않고, 지그재그상, 격자상, 사격자(斜格子)상으로 형성되어 있더라도 좋다. 또한, 가스 투과용 관통 구멍(112)의 개구 형상은 특별히 한정되지 않고, 원형, 정방형을 포함하는 직사각형, 다각형이라도 좋고, 슬릿상이더라도 좋다. 전해의 안정성의 관점에서, 가스 투과용 관통 구멍(112)의 개구 치수는 될 수 있는 한 균일한 편이 바람직하다. 가스 투과용 관통 구멍(112)이, 가스를 선택적으로 통과시키는 점에 대하여 설명한다.

액체 유로(102)를 흐르는 전해액(114)의 압력 P₁과 제 1 가스 유로(104) 또는 제 2 가스 유로(106)를 흐르는 기체의 압력 P₂의 차이 ΔP(=P₁-P₂)가 이하의 영-라플라스의 식(식(4); 수학식 1)으로 구해지는 영-라플라스 압력 이하가 되도록 함으로써, 전해액(114)이 가스 투과용 관통 구멍(112)을 통과하지 않아, 기체를 선택적으로 통과시킬 수 있다.

ΔP(=P₁-P₂)≤-4γ cosθ/w (4)

(단, ΔP는 영-라플라스 압력, γ은 전해액(114)의 표면 장력, θ은 전해액(114)의 접촉각, w는 가스 투과용 관통 구멍(112)의 폭을 나타낸다.)

도 36도 참조하여, 영-라플라스의 식을 설명한다. 도 36(a)에 나타낸 바와 같이, 접촉각 θ로 접하는 전해액(114)을 가스 투과용 관통 구멍(112)의 방향으로 펼치는 데 필요한 힘은, -γ cosθ로 된다. 여기서, 도 36(b)에 나타낸 바와 같이, 가스 투과용 관통 구멍(112)의 개구부가, w×w의 직사각형 형상인 경우, 표면 장력은, 전해액(114)과 접하고 있는 변에 걸린다. 즉, 이 때에 전해액(114)을 가스 투과용 관통 구멍(112)에 밀어 넣는 데 필요한 힘은, -4 wγ cosθ로 된다. 이것을 가스 투과용 관통 구멍(112)의 면적(w²)으로 나누어 압력으로 환산하면, 영-라플라스의 식은 상기한 바와 같이 된다. 마찬가지로, 도 36(c)에 나타낸 바와 같이, 가스 투과용 관통 구멍(112)의 개구부가, 직경 w의 원형상인 경우, 전해액(114)을 가스 투과용 관통 구멍(112)에 밀어 넣는 데 필요한 힘은, -wπγ cosθ 로 된다. 이것을 가스 투과용 관통 구멍(112)의 면적(πw²/4)으로 나누어 압력으로 환산하면, 이 경우도 영-라플라스의 식은 상기한 바와 같이 된다. 이에 의해, 제 1 탄소 전극(108)이 액체 유로(102)와 접하는 면, 제 2 탄소 전극(110)이 액체 유로(102)와 접하는 면에 각각 기액 계면이 형성된다.

한편, 가스 투과용 관통 구멍(112)이 w×l(l?w)의 직사각형인 경우, 즉 개구부의 형상이 슬릿상인 경우는, ΔP=-2γ cosθ/w로 나타낼 수 있다.

본 실시형태에 있어서, 가스 투과용 관통 구멍(112)의 개구폭 w는, 압력 P₁및 압력 P₂가 취할 수 있는 값, 및 전해액(114)의 표면 장력 및 접촉각에 근거하여, 상기 식(4)가 만족되도록 결정된다.

본 실시형태에 있어서, 가스 투과용 관통 구멍(112)의 개구폭 w는, 1000μm 이하로 할 수 있다.

가스 생성용 탄소 전극이 용융염의 상면과 대략 수평이 되도록 침지되는 횡형의 가스 생성 장치의 경우에는, 가스 투과용 관통 구멍(112)의 개구폭 w는, 1000μm 이하, 바람직하게는 50μm 이상 500μm 이하, 더 바람직하게는 100μm 이상 300μm 이하로 할 수 있다.

횡형의 가스 생성 장치의 경우, 용융염에 침지시키는 전극의 깊이는 얕기 때문에, 가스 투과용 관통 구멍(112)의 개구폭 w를 크게 할 수 있다. 그 때문에, 전극의 가공이 용이하게 된다는 효과가 얻어진다. 예컨대, 용융염의 표면 장력이 9.4×10^-2N/m, 용융염의 비중이 2.0g/cm³, 용융염과 가스 생성용 탄소 전극의 접촉각이 140°로 했을 때, 가스 투과용 관통 구멍(112)의 개구폭 w가 1000μm이면 계산상 깊이 1.4cm까지 침지하는 것이 가능해지고, 용융염이 가스 투과용 관통 구멍(112) 내에 침입하는 일은 없다.

가스 생성용 탄소 전극이 전해액의 액면과 대략 직각이 되도록 침지되는 종형의 가스 생성 장치의 경우에는, 가스 투과용 관통 구멍(112)의 개구폭 w는, 300μm 이하, 바람직하게는 30μm 이상 200μm 이하, 더 바람직하게는 50μm 이상 150μm 이하로 할 수 있다.

종형의 가스 생성 장치의 경우, 전해액의 액면과 대략 직각이 되도록 탄소 전극을 침지시키기 때문에, 깊이에 비례하여 탄소 전극에 걸리는 압력이 증가한다. 그 때문에, 가스 투과용 관통 구멍(112)의 개구폭 w를 작게 할 필요가 있고, 한편으로, 복수의 전극을 평행하게 전해액에 꽂음으로써 보다 전극 면적을 증가시킬 수 있어, 컴팩트한 장치로 할 수 있다는 효과가 있다.

예컨대, 용융염의 표면 장력이 9.4×10^-2N/m, 용융염의 비중이 2.0g/cm³, 용융염과 가스 생성용 탄소 전극의 접촉각이 140°로 했을 때, 가스 투과용 관통 구멍(112)의 개구폭 w가 300μm이면 계산상 깊이 4.8cm까지 용융염이 가스 투과용 관통 구멍(112)에 침입하는 일은 없다. 가스 투과용 관통 구멍(112)의 개구폭 w가 작을수록, 전극을 보다 깊게 용융염에 침지시킬 수 있게 되지만, 관통 구멍을 작게 함에 따라 높은 기술이 필요해지고, 가공비도 높아지기 때문에 한계가 있다.

이러한 구성에 의해, 가스 생성용 탄소 전극 표면에서 생성된 가스가, 선택적으로 가스 투과용 관통 구멍(112)을 통하여 제거되기 때문에, 새로운 전해액이 전극 표면에 공급된다. 그 때문에, 이러한 가스 생성용 탄소 전극에 의하면, 전계 성능이 우수하여, 전기 분해를 효율적으로 할 수 있다.

본 실시형태에 있어서, 도 1에 나타내는 제 1 탄소 전극(108) 및 제 2 탄소 전극(110)의 두께 a는 3mm 이하, 바람직하게는 20μm 이상 1mm 이하로 할 수 있다. 한편, 탄소 전극(108) 및 제 2 탄소 전극(110)의 두께 a는 동일하지 않더라도 좋다.

가스 투과용 관통 구멍(112)의 대향하는 내벽면은, 가스의 투과하는 방향으로 향하여 테이퍼상으로 확경하도록 구성되어 있더라도 좋다. 이러한 구성에 의해, 용융염과 발생 가스의 계면을 양호하게 유지할 수 있기 때문에, 발생 가스의 분리 성능이 우수하다.

또한, 본 실시형태에 있어서의 가스 생성용 탄소 전극은, 비정질 탄소로 이루어지는 탄소재로부터 구성할 수 있다. 이 탄소재는, 유리상 탄소재인 것이 바람직하다. 이러한 구성의 가스 생성용 탄소 전극을 이용하는 것에 의해, 장시간에 걸쳐 전기 분해를 효율적으로 행할 수 있다.

양극의 전극 재료로서 흑연을 이용한 경우, 탄소와 불소가 반응하여 층상 화합물을 형성하여 전기적인 절연성이 높아져, 전해 성능이 저하되기 때문에, 비교적 단기간에 전극으로서의 성능이 저하되는 경우가 있었다.

이에 대하여, 비정질 탄소로 이루어지는 탄소재, 바람직하게는 유리상 탄소 재를 탄소 전극으로서 이용한 경우, 전해 성능이 유지되어, 장기간 전극으로서 사용할 수 있다.

본 실시형태의 가스 생성용 탄소 전극이 비정질 탄소로 이루어지는 탄소재에 의해 구성되는 경우, 레이저 라만법의 라만 스펙트럼에 있어서, G1 밴드의 반치폭은 40cm^-1 이상 100cm^-1 이하이다. 이와 같이 가스 생성용 탄소 전극은, 흑연화도가 낮은 탄소재에 의해 구성되어 있다.

또한, 본 실시형태의 가스 생성용 탄소 전극이 비정질 탄소로 이루어지는 탄소재에 의해 구성되는 경우, X선 회절(XRD)에 의해, 22°~ 27° 부근에서 측정되는 흑연의 002면에 대응하는 피크의 반치폭이 1.0° 이상 15.0° 이하이다. 이와 같이 가스 생성용 탄소 전극은, 흑연의 적층 구조에 규칙성이 적은 난층(亂層) 구조를 갖는 탄소재에 의해 구성되어 있다.

이러한 가스 생성용 탄소 전극을 이용한 가스 생성 장치(도 1)에 의하면, 전극 표면에서 생성된 가스가 빠르게 전극 표면으로부터 제거되기 때문에, 가스가 전극 표면을 덮고 체류하는 일 없이, 효율적으로 전기 분해를 행할 수 있다. 또한, 양극 표면에서 생성된 불소 가스가 빠르게 전극 표면으로부터 제거되기 때문에, 양극의 전극 재료로서 탄소를 이용한 경우에도, 불소 가스와 탄소의 반응이 억제되고, 새로운 전해액이 전극 표면에 공급되기 때문에, 효율적으로 전기 분해를 행할 수 있다. 또한, CF₄ 등의 부생성물의 생성도 억제할 수 있다.

또한, 본 실시형태의 가스 생성용 탄소 전극은, 후술하는 본 실시형태의 가 스 생성 장치에 적합하게 이용할 수 있다.

이러한 가스 생성용 탄소 전극은, 이하의 공정에 의해 제조할 수 있다.

(a) 유기 수지 재료를 준비하는 공정

(b) 상기 유기 수지 재료를 이용하여, 가스 투과용 관통 구멍을 복수 구비하는 유기 수지막을 조제하는 공정

(c) 700℃ 이상 3200℃ 이하의 온도로, 유기 수지막을 소성하는 것에 의해 탄소재를 얻는 공정

이하, 각 공정에 따라 설명한다.

(유기 수지 재료를 준비하는 공정(a))

후술하는 공정(b)에 있어서, 기계가공, 에칭, 샌드 블래스트 가공 또는 레이저 가공에 의해 가스 투과용 관통 구멍을 복수 갖는 유기 수지막을 조제하는 경우에는, 판상 또는 필름상의 유기 수지 재료를 준비한다. 이 경우, 유기 수지 재료를 별도 조제할 수도 있고, 시판품을 이용할 수도 있다. 한편, 공정(b)에 있어서, 사출 성형에 의해 가스 투과용 관통 구멍을 복수 갖는 유기 수지막을 조제하는 경우에는, 유기 수지 재료로서, 소정의 온도로 가열하는 것에 의해 수득된 유동성을 구비한 열경화성 수지를 이용할 수 있다.

유기 수지로서는, 폴리이미드 수지, 감광성 폴리이미드 수지, 아라미드 수지, 아크릴로나이트릴 수지, 폴리에터에터케톤 수지, 페놀 수지, 퍼퓨릴알코올 수지, 퓨란 수지, 폴리파라페닐렌바이닐렌 수지, 폴리옥사다이아졸 수지, 폴리염화바이닐리덴 수지 등을 이용할 수 있다. 본 실시형태에 있어서는, 질소 원자를 포함 하는 방향족계 수지를 이용하는 것이 바람직하다. 이러한 수지로서는, 방향족 폴리이미드 수지 또는 아라미드 수지 등을 들 수 있다. 질소 원자를 포함하는 것에 의해, 소성 과정에서 탄화 소성이 신속히 진행하기 때문에 바람직하다. 한편, 질소 원자를 포함하는 수지를 이용한 경우에 있어서도, 후술하는 공정(c)에 있어서의 소성 후, 탄소재 중에 질소가 포함되어 있더라도 좋다.

(가스 투과용 관통 구멍을 복수 구비하는 유기 수지막을 조제하는 공정(b))

가스 투과용 관통 구멍을 복수 구비하는 유기 수지막을 조제하는 방법으로서는, 기계가공, 에칭, 사출 성형, 샌드 블래스트 가공, 레이저 가공을 들 수 있다. 한편, 공정(c)의 소성에 있어서, 가스 투과용 관통 구멍의 개구폭이 축경(縮徑)하는 경우에는, 그 축경의 정도를 고려하여 가스 투과용 관통 구멍을 형성하는 것이 바람직하다.

기계가공에 의해 가스 투과용 관통 구멍을 복수 형성하기 위해서는, 판상 또는 필름상의 유기 수지막의 두께 방향으로, 드릴, 프레스 가공, 마이크로 임프린트 등의 방법에 의해 구멍 뚫기 가공을 실시할 수 있다. 마이크로 임프린트에 의해 가스 투과용 관통 구멍을 복수 형성하는 경우에는, 금형에 형성된 복수의 돌기를, 기판 상에 도포한 수지 재료에 꽉 눌러 형상을 전사하는 것에 의해 행할 수 있다.

에칭에 의해 가스 투과용 관통 구멍을 복수 형성하기 위해서는, 우선 판상 또는 필름상의 유기 수지막의 표면에, 포토레지스트막을 형성한다. 그리고, 포토레지스트막에 소정의 패턴을 형성한 후에, 통상의 에칭 방법에 의해 유기 수지막에 가스 투과용 관통 구멍을 복수 형성한다. 에칭 방법으로서는, 드라이 에칭 또는 웨트 에칭의 어느 방법도 이용할 수 있다. 에칭에 의해 가스 투과용 관통 구멍을 형성하는 경우, 가스 투과용 관통 구멍의 내벽면이 이면측으로 향하여 테이퍼상으로 확경한 형상으로 할 수 있다.

또한, 유기 수지막의 양면으로부터 에칭에 의해 가스 투과용 관통 구멍을 형성할 수도 있다.

사출 성형에 의해 가스 투과용 관통 구멍을 복수 형성하기 위해서는, 원하는 형상의 금형 내에 유동성을 갖는 유기 수지 재료를 사출 충전하여, 경화시킨다. 이 방법에 의하면, 가스 투과용 관통 구멍의 형상을 원하는 형상이 되도록 조제할 수 있다. 사출 성형에 이용하는 수지에는, 탄소 미분을 혼합할 수도 있다. 탄소 미분은 충전재로서 작용하여, 사출 성형 시에 성형성을 향상시키는 등의 효과가 있다.

레이저 가공에 의해 가스 투과용 관통 구멍을 복수 형성하기 위해서는, 엑시머 레이저 등을 이용한 레이저 가공에 의해 행할 수 있다. 이에 의해, 가스 투과용 관통 구멍의 내벽면이 이면측으로 향하여 테이퍼상으로 확경한 형상으로 할 수 있다.

본 실시형태에 있어서는, 양산성의 관점에서 에칭에 의해 가스 투과용 관통 구멍을 형성하는 것이 바람직하다.

(700℃ 이상 3200℃ 이하의 온도로, 유기 수지막을 소성하는 것에 의해 탄소재를 얻는 공정(c))

본 공정에서는, 우선, 상기 공정에서 가스 투과용 관통 구멍이 복수 형성된 유기 수지막을 소정의 소성 온도가 되도록 0.1℃/분 이상 30℃/분 이하로 승온시킨다. 그리고, 700℃ 이상 3200℃ 이하, 바람직하게는 900℃ 이상 2000℃ 이하로 소성을 행하는 것에 의해 탄소재를 얻을 수 있다. 소성 시간은, 유기 수지막을 구성하는 수지의 종류나 그 막 두께에 따라 적당한 최적의 범위가 다르지만, 소정의 소성 온도에 도달한 후, 30분간 이상 24시간 이하 정도이다.

본 공정에서 얻어지는 탄소재는, 비정질 탄소로 이루어지는 탄소재, 바람직하게는 유리상 탄소재로서 얻을 수 있다.

또한, 유기 수지막의 소성은, 불활성 가스 분위기 중에서 행하는 것이 바람직하다. 불활성 가스로서는, 아르곤 또는 질소를 들 수 있다. 탄화 소성의 관점에서는, 아르곤을 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 유기 수지막의 소성은, 0.1Pa 이하로 감압하여 행할 수도 있다.

한편, 소성 시에 있어서의 유기 수지막의 만곡을 억제하기 위해서, 유기 수지막은 내열성의 보강 부재에 의해 양면에서 협지(狹持)되어 있더라도 좋다.

공정(c)에 있어서의 소성에 의해, 공정(b)에 의해 작성된 가스 투과용 관통 구멍의 개구 직경이 작게 되기 때문에, 보다 작은 개구 직경을 갖는 전극을 용이하게 작성하는 것이 가능해진다.

그 후, 필요에 따라 소정의 형상이 되도록 절단 등을 행하여, 본 실시형태에 있어서의 가스 생성용 탄소 전극을 얻을 수 있다.

이상, 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태에 대하여 말했지만, 이들은 본 발명의 예시이며, 상기 이외의 다양한 구성을 채용할 수도 있다.

예컨대, 본 실시형태의 가스 생성 장치에 있어서는, 제 1 탄소 전극(108) 및 제 2 탄소 전극(110)의 어느 것에도 본 실시형태의 가스 생성용 탄소 전극을 이용한 예에 의해 설명했지만, 적어도, 불소 가스가 생성되는 제 1 탄소 전극(108)으로서 본 실시형태의 가스 생성용 탄소 전극을 이용하면 된다.

<가스 생성 장치>

다음으로 본 발명의 가스 생성 장치에 따른 실시의 형태에 대하여, 도면을 이용하여 설명한다. 한편, 모든 도면에 있어서, 같은 구성 요소에는 같은 부호를 붙여, 적당히 설명을 생략한다.

본 실시형태의 가스 생성 장치는, 제 1 탄소 전극(양극) 및 제 2 전극(음극)을 구비하여, 이들의 사이에 전압을 걸어 전해액을 전기 분해하는 것에 의해 양극에서 제 1 가스를 생성할 수 있다.

양극에는, 전해액을 통과시키지 않고, 한쪽의 면에서 생성된 제 1 가스를, 다른 쪽의 면에 선택적으로 통과시키는 복수의 기체 미세 유로가 형성되어 있다.

한편, 본 실시형태에 있어서, 양극 및/또는 음극으로서는, 전술한 가스 생성용 탄소 전극을 이용할 수 있다.

이하, 제 1 실시형태에 대하여 설명한다.

(제 1 실시형태)

본 실시형태에 따른 가스 생성 장치는, 전해액(7)에 접하는 양극(5a) 및 음극(5b)을 구비한다.

도 2는 본 실시형태에 따른 가스 생성 장치의 개략 단면도이다. 도 2에 나 타낸 바와 같이, 가스 생성 장치는, 저류조인 전해조(70)에, 용융염을 포함하는 전해액(7)을 채우고, 그 전해액(7) 중에, 직류 전원에 접속된 전극(5)이 침지되어 있다. 전극(5)은, 양극(애노드 전극)(5a), 음극(캐쏘드 전극)(5b)으로 이루어진다.

전해조(70)의 일단에는, 기체 유로 입구(이하, 「원재료 가스 입구」라고도 함)(1)가 배설되어 있다. 원재료 가스 입구(1)를 통해서, 전해조(70)의 전해액(7) 중에 원재료 가스(80)가 취입되어, 전해조(70)의 바닥부의 일각으로부터 전해액(7) 중에 기포(81)로서 도입된다(버블링). 이에 의해, 전해액(7)의 농도를 유지할 수 있음과 더불어 전해액(7)의 농도를 균일하게 할 수 있다. 한편, 전해조(70)는, 별도로, 전해액(7)을 교반하는 것에 의해 전해액(7)의 농도를 균일하게 할 수 있는 교반 수단이 설치되어 있더라도 좋다.

또한, 전해조(70)의 거의 중앙의 상부에는 칸막이(10)가 설치되어 있다. 이 칸막이(10)의 양측에 양극(5a), 음극(5b)이 설치되어 있어, 전기 분해의 진행에 따라 원하는 기체가 칸막이(10)의 양측에서, 혼합되는 일 없이 구별되면서 얻어지도록 구성되어 있다.

전해조(70)는, 전해액(7)의 상부 공간으로부터 원하는 기체를 배출할 수 있는 기체 유로 출구(이하, 「가스 출구」라고도 함)(2A, 2B)를 구비한다.

가스 출구(2A)는, 양극(5a)에서 발생한 제 1 가스(기포(8a, 8A))를 효율적으로 회수할 수 있도록 구성되어 있다. 가스 출구(2B)는, 음극(5b)에서 발생한 제 2 가스(기포(8b, 8B))를 효율적으로 회수할 수 있도록 구성되어 있다.

도 3은 본 실시형태에 따른 가스 생성 장치에 이용하는 전극(5)의 부분 확대 평면도이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 전극(5)에는 직경 100μm의 기체 미세 유로(관통 구멍(6))가 150μm 피치로 60도의 각도로 지그재그상으로 규칙적으로 개구되어 있다.

본 실시형태에 있어서는, 취급하는 가스나 전해액(7)의 종류, 전해조(70)의 형태, 전해액(7)의 교반 방식에 따라서는, 예컨대, 직경이 0.5~1mm 정도의 관통 구멍(6)이 다수 형성된 구조로 하여, 전기 분해 결과 발생한 기포(8a, 8A, 8b, 8B)가, 이 관통 구멍(6)을 통과하는 구성으로 할 수도 있다.

한편, 양극(5a), 음극(5b)의 어느 것에 있어서도, 가스 생성면에서의 전극의 열화 등이 문제가 되어, 빠른 기포의 제거가 요구되는 경우는, 본 실시형태와 같이 양극(5a) 및 음극(5b)의 어느 것이나 상기의 가스 생성용 탄소 전극을 이용할 수 있다. 이에 대하여, 한쪽 전극의 열화 등이 문제가 되지 않는 경우, 그 전극은 통상의 막대상, 판상 또는, 다른 쪽의 전극을 둘러싸는 원통상이더라도 좋다.

본 실시형태에 있어서, 전해액(7)으로서는, 불화수소를 포함하는 용융염을 들 수 있고, 원재료 가스(80)로서는, 불화수소 가스를 이용할 수 있다. 또한 이 경우, 양극(5a)의 가스 생성면에서 발생하는 제 1 가스는 불소 가스이며, 음극(5b)의 가스 생성면에서 발생하는 제 2 가스는 수소 가스이다.

이하에, 본 실시형태의 가스 생성 장치에 있어서의 효과를 설명한다.

본 실시형태에 있어서의 가스 생성 장치에 있어서, 전극(5)의 관통 구멍(6)은, 가스 생성면에서 발생한 기체를 선택적으로 통과시킨다. 즉, 전해액(7)에 그 깊이에 따른 압력(액압)이 발생한 경우에 있어서도, 가스 생성면으로부터 가스 방 출면으로의 전해액(7)의 유출이 억제되어 있다.

이에 의해, 전해액(7)이 관통 구멍(6)을 통해서 가스 방출면측으로 이동하는 것을 억제할 수 있어, 기포(8a, 8b)의 이동이 저해되지 않고, 효율적으로 전기 분해를 행할 수 있다.

또한, 본 실시형태의 가스 생성 장치는, 저류조(전해조(70))에 전해액(7)이 충전되어 있다.

본 실시형태에 있어서는, 상기와 같은 표면 처리가 실시된 전극(5)을 이용하고 있고, 가스 생성면(α)으로부터 기포(8a, 8b)를 용이하게 제거할 수 있기 때문에, 생성 가스에 의한 전기 분해의 저해를 억제할 수 있다. 그 때문에, 비교적 대형의 장치 구성으로 할 수 있어, 원하는 가스를 효율적으로 또한 다량으로 공급할 수 있다.

본 실시형태에 있어서는, 양극(5a) 및 음극(5b)은 평행으로 설치되고, 양극(5a)의 가스 생성면 및 음극(5b)의 가스 생성면은 대향하고 있다.

이에 의해, 가스 생성 장치에 있어서의 면적 효율이 향상되어, 전극 구조 및 전해조의 설계의 자유도가 향상된다.

본 실시형태에 있어서, 양극(5a) 및 음극(5b)의 적어도 한쪽은, 전해액(7)의 액면에 대하여 수직 방향으로 침지되어 있다.

이에 의해, 가스 생성면으로부터의 기포(8a, 8b)의 박리가 촉진되기 때문에, 전극의 단위 면적당의 전류 밀도가 장시간에 걸쳐 균일하게 된다. 그 때문에, 전기 분해에 있어서 효율적으로 원하는 가스를 얻을 수 있다.

본 실시형태에 있어서는, 원재료 가스 공급부로부터 전해액(7)에 원재료 가스(80)를 공급 가능하게 구성되어 있다.

이에 의해, 계속하여 전기 분해를 행할 수 있음과 더불어, 원재료의 농도를 일정하게 유지할 수 있기 때문에 효율적으로 원하는 가스를 얻을 수 있다.

또한, 원재료 가스 공급부로부터 전해액(7)에 원재료 가스(80)를 공급할 때에, 전해조(70)의 바닥부로부터 원재료 가스(80)를 버블링에 의해 전해액(7) 중에 도입할 수 있다.

그 때문에, 전해조(70)의 용적 부족이나, 양극(5a), 음극(5b)의 간격이 좁은 등의 이유로, 전해액(7)의 교반이 불완전하더라도, 전해조(70)의 내부나 전극(5)의 근방에 있어서 원재료 농도를 균일하게 할 수 있고, 그리고 전극(5)의 표면에서의 전류 밀도를 균일하게 할 수 있다. 이에 의해, 효율적으로 전기 분해를 행하여 원하는 가스를 얻을 수 있다. 이 때, 전해조(70)를 국소적으로 가열함으로써 전해액(7)에 자연 대류를 일으키는 것이 바람직하다.

(제 2 실시형태)

다음으로 제 2 실시형태에 따른 가스 생성 장치에 대하여, 도 4에 따라 설명한다.

도 4에 나타낸 바와 같이, 전극(5)의 가스 방출면(β)을 덮고, 가스 방출면(β)으로부터 방출된 기체를 수용하는 기체 유로(3A, 3B)를 내부에 갖는 가스 수용부(이하, 환기 덕트라고도 함)(12)가 설치되어 있다.

이에 의해, 도 4에 나타낸 바와 같이, 전기 분해에 따라 가스 생성면(α)에 서 발생한 기포(8a, 8b)가, 가스 방출면(β)에 있는 가스 수용부(12)의 기체 유로(3A, 3B)로 빠르게 방출된다. 가스 수용부(12)는 상부에 개구부를 갖고, 개구부로부터 방출된 가스는 기체 유로 출구(배출구)(2A, 2B)로부터 배출되어 회수된다.

도 5는, 본 실시형태의 다른 태양의 가스 생성 장치이고, 도 4에 나타내어진 가스 생성 장치와 달리, 양극(5a)과 음극(5b) 사이에 있어서만 전해액(7)이 충전되어 있다. 전해조(71)에는, 불활성 가스 공급부가 설치되어 있어, 기체 유로 입구(도입구)(1A, 1B)로부터 기체 유로(3A, 3B)에 질소나 헬륨 등의 불활성 가스를 공급할 수 있도록 구성되어 있다. 이에 의해, 기체 유로 출구(배출구)(2A, 2B)로부터 생성된 기체가 배출되어 회수된다.

도 5의 가스 생성 장치에 있어서는, 불활성 가스 대신에, 원재료 가스를 양극(5a) 및/또는 음극(5b)의 관통 구멍(6)을 통해서 전해액(7)에 공급되도록 구성할 수 있다.

기체를 선택적으로 통과 가능한 관통 구멍(6)을 통해서, 원재료 가스는 가스 수용부(12)로부터 전해액(7)에 공급되어, 전해액(7)에 용해된다. 그리고, 전기 분해에 의해서 생성된 기포(8a, 8b)는 가스 생성면(α)으로부터 가스 수용부(12) 내로 이동한다. 원재료 가스는 전해액(7)에 용이하게 용해되기 때문에, 원재료 가스가 선택적으로 관통 구멍(6)을 통과하여 전해액(7)에 용해된다. 즉, 목적 생성 가스는 전극(5)의 가스 생성면(α)으로부터 가스 방출면(β)의 방향으로 전극의 관통 구멍(6)을 통과하여 분리되고, 원재료 가스는 전극(5)의 가스 방출면(β)으로부터 가스 생성면(α)의 방향으로, 전극(5)의 관통 구멍(6)을 통과하여 전해액(7) 중에 분산되어, 원재료가 보충된다.

본 실시형태에 있어서는, 전해액으로서 불화수소를 포함하는 용융염을 이용하여, 원재료 가스로서의 불화수소 가스를, 수소 가스가 발생하는 음극측의 가스 수용부(12)에 공급한 예에 의해 나타낸다.

도 6은, 본 실시형태의 다른 태양의 전기 분해 장치이고, 도 4에 나타내어진 전기 분해 장치와 달리, 대향하는 가스 방출면(β, β)을 모두 위요하도록 가스 수용부(12)가 설치되어 있다. 가스 방출면(β)으로부터 방출된 가스는, 가스 수용부(12)의 기체 유로(3A, 3B)로 빠르게 방출된다. 가스 수용부(12)는 상부에 기체 유로 출구(배출구)(2A, 2B)를 구비하여, 기체 유로 출구(2A, 2B)로부터 생성 가스가 배출되어 회수된다.

이하에, 본 실시형태의 가스 생성 장치에 있어서의 효과를 설명한다.

본 실시형태의 가스 생성 장치는, 양극(5a) 및 음극(5b)의 적어도 한쪽의 가스 방출면(β)을 덮고, 가스 방출면(β)으로부터 방출된 기체를 수용하는 가스 수용부(12)를 구비한다.

가스 방출면(β)이 기체로 덮여 있는 경우, 기포(8a, 8b)가 관통 구멍(6)을 통해서 효과적으로 가스 방출면(β)측으로 이동하기 때문에, 전극(5)의 열화를 억제함과 더불어, 생성 가스를 회수하는 능력을 높이는 것도 가능하다. 그 때문에, 본 실시형태의 가스 생성 장치를, 비교적 대형의 장치에 있어서도 바람직하게 이용할 수 있다.

또한, 본 실시형태의 가스 생성 장치는, 가스 수용부(12) 내에, 불활성 가스 공급부로부터 불활성 가스를 공급하는 것에 의해 환기 가능하게 구성되어 있다.

불활성 가스의 공급에 의해 기체 유로(3A, 3B) 내에 기체의 흐름이 형성되기 때문에, 기체(8a, 8b)를 기체 유로(3A, 3B) 내로 흡인하는 표면 장력이 작용한다. 그 때문에, 효율적으로 전기 분해를 행할 수 있다.

본 실시형태의 가스 생성 장치는, 양극(5a) 또는 음극(5b)의 가스 수용부(12)에 가스 공급부가 설치되어 있고, 상기 가스 공급부로부터 공급된 원재료 가스를 관통 구멍(6)을 통해서 전해액(7)에 공급 가능하게 구성되어 있다.

이에 의해, 계속하여 전기 분해를 행할 수 있음과 더불어, 원재료의 농도를 일정하게 유지할 수 있기 때문에 효율적으로 전기 분해를 행할 수 있다.

본 실시형태의 전기 분해 장치는, 적어도 2쌍의 양극(5a) 및 음극(5b)을 구비하고, 양극(5a)의 가스 방출면(β)끼리 및 음극(5b)의 가스 방출면(β)끼리의 적어도 한쪽의 가스 방출면(β)끼리가 대향하고 있다. 그리고, 대향하는 한 쌍의 가스 방출면(β, β)을 모두 덮는 가스 수용부(12)를 구비한다.

이에 의해, 장치 구성을 간략화할 수 있어, 전해조의 설계의 자유도가 향상된다.

(제 3 실시형태)

다음으로 제 3 실시형태에 따른 가스 생성 장치에 대하여, 도 7에 따라 설명한다.

도 7은, 전해액(7)의 액면에 대하여 수평으로 배설됨과 더불어, 가스 생성면이 전해액(7)의 액면에 접촉하는 양극 또는 음극을 구비하는 가스 생성 장치이다.

도 7은, 관통 구멍(6)을 갖는 양극(52a)만이, 그 가스 생성면(α)에서 전해액(7)의 액면에 접촉하는 가스 생성 장치의 개략 구성도이다. 한편, 음극(50)으로서는, 관통 구멍이 형성되어 있지 않은 전극이 사용되고 있다. 양극(52a)의 위치 결정은, 전극을 전해액(7) 액면에 띄우는 방법, 또는 액면을 상시 관리하는 방법 등을 들 수 있다. 이러한 구성에 의하면, 기포(8a)를 빠르게 회수할 수 있다. 음극(50)은, 막대상이나 판상이더라도 좋다. 음극(50)에 있어서 생성되는 기체가 전기 분해를 저해하지 않는 경우, 이러한 구성을 채용할 수도 있다.

본 실시형태에 있어서, 전해액(7)으로서는, 불화수소를 포함하는 용융염을 들 수 있고, 양극(52a)의 가스 생성면(α)에서 발생하는 기체는 불소 가스이며, 음극(50)에서 발생하는 기체는 수소 가스이다.

이하에, 본 실시형태의 가스 생성 장치에 있어서의 효과를 설명한다.

본 실시형태의 가스 생성 장치(도 7)는, 양극(52a) 및 음극(50)의 적어도 한쪽이, 전해액(7)의 액면에 대하여 수평으로 배설됨과 더불어, 가스 생성면(α)이 전해액(7)의 액면에 접촉한다.

이에 의해, 가스 방출면(β)의 전면이 기체에 덮이고, 기포(8a)는 보다 신속하게 가스 방출면(β)측으로 이동하기 때문에, 기포(8a)를 회수하는 효율을 높일 수 있다. 또한, 전해액(7)과 접하는 가스 생성면(α)의 친액성이 저하되더라도, 관통 구멍(6)을 통해서 전해액(7)이 가스 방출면(β)측으로 이동하는 일이 없기 때문에, 기상과 액상의 분리가 용이하여, 가스 회수 능력은 저하되지 않는다.

(제 4 실시형태)

다음으로 제 4 실시형태에 따른 가스 생성 장치에 대하여, 도 8, 도 9에 따라 설명한다.

도 8, 도 9에 나타낸 바와 같이, 양극(5a) 및 음극(5b)은 대향하여 배치됨 과 더불어, 수평으로 배설되어 있다. 이들 전극의 사이에는, 전해액(7)이 충전되어 있다.

도 8의 가스 생성 장치에 있어서는, 전해조(76)에 설치된 기체 유로 입구(도입구)(1A)를 통해서 가스 수용부 내에 원재료 가스(80)를 공급할 수 있고, 원재료 가스(80)를 음극(5b)의 관통 구멍(6)을 통해서 전해액(7)에 공급하도록 구성되어 있다. 한편, 원재료 가스(80)는, 양극(5a)의 관통 구멍(6)을 통해서 전해액(7)에 공급되도록 구성할 수도 있다.

기체를 선택적으로 통과시킬 수 있는 관통 구멍(6)을 통하여, 원재료 가스(80)는 가스 수용부로부터 전해액(7)에 공급되어, 전해액(7)에 용해된다. 그리고, 전기 분해에 의해서 생성된 기포(8a)는 가스 생성면(α)으로부터 가스 수용부로 이동한다. 원재료 가스(80)는 전해액(7)에 용이하게 용해되기 때문에, 원재료 가스(80)가 선택적으로 관통 구멍(6)을 통과하여 전해액에 용해된다. 즉, 목적 생성 가스는 전극(5)의 가스 생성면(α)으로부터 가스 방출면(β)의 방향으로 전극의 관통 구멍(6)을 통과한다. 한편, 원재료 가스(80)는 전극(5)의 가스 방출면(β)으로부터 가스 생성면(α)의 방향으로, 전극(5)의 관통 구멍(6)을 통과하여 전해액(7) 중에 분산된다. 이에 의해, 전해액(7)에 원재료를 보충할 수 있다.

기포(8a, 8b)의 어느 것인가가 원하는 기체인 경우에는, 원하는 기체가 생성 되는 전극의 관통 구멍(6)을 통해서 원재료 가스(80)를 보충하지 않고, 목적 생성 가스만을 회수하도록 구성할 수 있다. 본 실시형태에 있어서는, 전해액으로서 불화수소를 포함하는 용융염을 이용하여, 원재료 가스(80)로서 불화수소 가스를, 수소 가스가 발생하는 음극측의 가스 수용부에 공급한 예에 의해 나타낸다.

도 9는, 도 8에 나타낸 가스 생성 장치에 있어서, 전해액(7)에 원재료 가스(80)를 버블링하는 가스 생성 장치의 개략 구성도이다.

도 9에 나타내는 가스 생성 장치는, 도 8에 따라 상술한 가스 생성 장치에 있어서, 전극(5)의 관통 구멍(6)을 통하여 원재료 가스(80)를 공급했던 것 대신에, 전해액(7)에 직접 버블링시켜 공급하도록 구성되어 있다. 구체적으로는, 전해조(77)의 기체 유로 입구(1)로부터 전해액(7)에 직접 원재료 가스(80)를 공급한다.

양극(5a) 및 음극(5b)의 간격이 떨어져 있는 경우는, 전해 전압이 높아지는 등의 폐해가 생길 경우가 있어, 원하는 전해 전압으로 하기 위해서 양극(5a) 및 음극(5b)의 간격을 좁게 하는 경우가 있다.

양극(5a) 및 음극(5b)의 간격이 좁게 되면, 이들 전극 사이에서는 가열에 의한 대류나, 버블링에 의한 대류가 일어나기 어렵게 되어, 전극 사이에서 전해액(7)의 농도가 낮아지거나, 또는 농도가 불균일해져, 전계가 일정하지 않게 되는 경우가 있다. 또한, 전해조(77)의 깊이(양극(5a)과 음극(5b)의 거리)가, 전극(5)의 폭 및 면적이나 전해조(77)의 폭 및 면적과 비교하여 얕은 경우는, 가열에 의한 대류나, 버블링에 의한 대류가 일어나기 어렵게 되어, 전극 사이에서 전해액(7)의 농도가 낮게 되거나, 또는 농도가 불균일하게 되어, 전계가 일정하지 않게 되는 경우가 있다. 이 현상을 해결하기 위해서, 도 9에 있어서, 양극(5a) 및 음극(5b)의 가스 방출면(β)으로부터 원재료 가스(80)를 공급하는 방법을 채용할 수도 있다.

이하에, 본 실시형태의 가스 생성 장치에 있어서의 효과를 설명한다.

본 실시형태의 가스 생성 장치는, 양극(5a) 또는 음극(5b)의 가스 수용부에 가스 공급부가 설치되어 있고, 상기 가스 공급부로부터 공급된 원재료 가스(80)를 관통 구멍(6)을 통해서 전해액(7)에 공급 가능하게 구성되어 있다.

이에 의해, 계속하여 전기 분해를 행할 수 있음과 더불어, 원재료의 농도를 일정하게 유지할 수 있기 때문에 효율적으로 전기 분해를 행할 수 있다.

한편, 도 9와 같이, 전해조(77)의 기체 유로 입구(1)로부터 전해액(7)에 직접 원재료 가스(80)를 공급하는 구성이면, 도 8의 구성과 비교하여, 원재료 가스가 혼입하지 않은 목적 생성 가스만을, 양극(5a) 및/또는 음극(5b)에서 취득하는 것이 가능하다.

(제 5 실시형태)

제 5 실시형태에 따른 가스 생성 장치는, 양극의 가스 생성면(α)에서 발생하는 기체가 전해액(7)의 전기 분해를 저해하는 경우에, 양극에 관통 구멍(6)을 구비하는 통기성 구조의 전극을 이용한 것이다. 이 가스 생성 장치(전기 분해 셀)에 대하여, 도 10~14에 따라 설명한다. 한편, 본 실시형태에 있어서는, 전해액으로서 불화수소를 포함하는 용융염을 이용하여, 양극으로부터 불소 가스, 음극으로부터 수소 가스가 생성되는 예에 의해 나타낸다.

도 10~14는, 필름상 또는 판상의 전기 도전체의 두께 방향으로 다수의 관통 구멍이 설치된 전극을 양극으로서 이용한 가스 생성 장치를 나타낸다.

도 10은, 양극(92)의 가스 생성면(α)이 전해액의 액면에 접촉하도록 배치되는 가스 생성 장치의 개략 구성도이다. 한편, 전해액조 및 전해액의 도시를 생략한다.

도 10(a)는, 가스 생성 장치의 개략 상면도이며, 도 10(b)는 도 10(a)의 A-A 단면도이다. 도 11은, 음극(82)의 평면도이다.

도 10(a)(b)에 나타낸 바와 같이, 가스 수용부(83)는, 양극(92)의 가스 방출면(β)을 덮고 있다. 양극(92)은 접속부(86, 86)를 통해서 음극(82)과 전기적으로 접속되어 있고, 이들 전극 사이에 전압을 인가할 수 있도록 구성되어 있다. 또한, 가스 수용부(83)의 상면에는 불활성 가스 도입구(88), 가스 배출구(90)가 설치되어 있다. 이에 의해, 양극(92)에서 발생한 가스를 회수할 수 있다.

가스 수용부(83)의 양옆에는 2개의 음극(82, 82)이 배치되어 있다. 양극(92)은 접속부(84, 84)을 통해서 양극(92)과 전기적으로 접속되어 있고, 이들 전극 사이에 전압을 인가할 수 있도록 구성되어 있다(도 11).

도 10~11에 나타내는 가스 생성 장치에 있어서, 양극(92)의 가스 생성면(α)에서 발생한 가스는, 관통 구멍(6)을 통해서 가스 수용부(83) 내로 이동한다. 그리고, 불활성 가스 도입구(88)로부터 가스 수용부(83) 내에 불활성 가스를 도입하고, 그리고 가스 배출구(90)로부터 불활성 가스와 함께 원하는 가스를 회수한다.

한편, 도 10(a)에 나타낸 바와 같이, 2개의 음극(82, 82)은, 양극(92)의 양 사이드에 배치되고, 전해액의 액면에 대하여 수직으로 설치되어 있다. 음극(82)은 관통 구멍(6)을 갖지 않고, 음극(82)에서 발생하는 가스는 가스 생성면(α)에서 기포가 되어 성장한다. 그리고, 기포는, 소정의 크기가 되면 가스 생성면(α)으로부터 부상하여, 회수된다.

도 12는, 양극(95)과 음극(96)이 대향하여 평행으로 배치되고, 이들 전극 사이에 전해액(7)을 충전하여 수평으로 설치되어 있는 가스 생성 장치의 개략 구성도이다.

도 12(a)는, 가스 생성 장치의 개략 상면도이며, 도 12(b)는 도 12(a)의 A-A 단면도이다.

도 12(b)에 나타낸 바와 같이, 양극(95)과 음극(96)은 대향하여 평행으로 배치되고, 이들 전극 사이에 전해액(7)을 충전하여 수평으로 설치되어 있다. 양극(95)은 음극(96)의 하방에 위치한다. 가스 수용부(94)는, 양극(95)의 가스 방출면(β)을 덮고 있다. 가스 수용부(94)에는 불활성 가스 도입구(98)가 설치되어 있고, 도시하지 않는 가스 배출구로부터 원하는 가스를 회수할 수 있도록 구성되어 있다.

가스 생성 장치에 있어서, 양극(95)의 가스 생성면(α)에서 발생한 가스는, 관통 구멍(6)으로부터 표면 장력에 의해서 하방에 위치하는 가스 수용부(94) 내로 이동한다. 그리고, 불활성 가스 도입구(98)로부터 가스 수용부(94)에 불활성 가스를 도입하고, 그리고 도시하지 않는 가스 배출구로부터 불활성 가스와 함께 원하는 가스를 회수한다.

한편, 음극(96)은, 가스 생성면(α)이 전해액에 접하고 있어, 가스 생성면 (α)에서 발생한 기체는 기체 미세 유로를 통하여, 상방으로 빠져나가도록 구성되어 있다. 음극(96)의 상면에도 도시하지 않는 가스 수용부가 설치되어 있어, 음극(96)에서 생성된 기체를 회수할 수 있다. 음극(96)에서 발생한 기체는, 부력에 의해서 기체 미세 유로를 통하여 상방으로 빠져나가기 때문에, 예컨대 니켈 망 같은 구조를 사용하는 것도 가능하다.

도 13은, 양극(99)의 가스 방출면(β)만이 가스 수용부에 덮여 있는 가스 생성 장치의 개략 구성도이다. 도 13(a)는, 가스 생성 장치의 개략 상면도이며, 도 13(b)는 도 13(a)의 양극의 측면도이다. 한편, 전해액조 및 전해액의 도시를 생략한다.

도 13에 나타낸 바와 같이, 양극(99)과 음극(82)은 대향하여 평행으로 배치되고, 이들 전극은 전해액면에 대하여 모두 수직으로 설치된다. 도 14는 도 13(b)에 나타내는 양극(99)의 A-A 단면도이다. 도 14에 나타낸 바와 같이, 가스 수용부(97)는, 양극(99)의 가스 방출면(β)을 덮고 있다. 가스 수용부(97)에는 불활성 가스 도입구(88)가 설치되어 있어, 가스 배출구(90)로부터 원하는 가스를 회수할 수 있도록 구성되어 있다.

가스 생성 장치에 있어서, 양극(99)의 가스 생성면(α)에서 발생한 가스는, 관통 구멍(6)으로부터 표면 장력에 의해서 가스 수용부(97) 내로 이동한다. 그리고, 불활성 가스 도입구(88)로부터 가스 수용부(97)에 불활성 가스를 도입하고, 그리고 가스 배출구(90)로부터 불활성 가스와 함께 원하는 가스를 회수한다.

한편, 음극(82)에서 발생하는 가스는 가스 생성면에서 기포로 되어 성장한 다. 그리고, 기포는, 소정의 크기가 되면 가스 생성면으로부터 부상하여, 회수된다.

한편, 본 실시형태에 있어서는, 양극에 관통 구멍(6)을 구비한 구조의 전극을 이용한 예에 의해 나타내었지만, 음극에서 생성되는 가스가 전기 분해를 저해하는 경우에는, 음극에 관통 구멍(6)을 구비한 구조의 전극을 이용할 수도 있다.

이하에, 본 실시형태의 가스 생성 장치에 있어서의 효과를 설명한다.

본 실시형태의 가스 생성 장치는, 전해액의 전기 분해를 저해하는 기체가 발생하는 전극만(양극)을, 관통 구멍(6)을 구비하는 통기성 구조의 전극으로 하고 있다. 이에 의해, 다른 쪽의 전극(음극)의 설계의 자유도가 향상되고, 나아가서는 가스 생성 장치의 설계의 자유도가 향상된다.

(제 6 실시형태)

제 6 실시형태에 따른 가스 생성 장치는, 지지 기판(유로 기판(150))과, 유로 기판(150) 상에 배치된 뚜껑 기판(152)을 갖는다. 유로 기판(150)에 형성된 제 1 유로용 홈과, 상기 제 1 유로용 홈을 덮는 뚜껑 기판(152)으로부터 형성된 액체 유로(102)를 구비한다.

제 1 가스 수용부(104) 및 제 2 가스 수용부(106)는, 유로 기판(150)의 상기 제 1 유로용 홈의 양측방에 상기 제 1 유로용 홈과 간격을 두고 각각 형성된 제 2 유로용 홈 및 제 3 유로용 홈과, 상기 제 2 유로용 홈 및 상기 제 3 유로용 홈을 덮는 뚜껑 기판(152)으로부터 형성된다.

제 1 탄소 전극(108)은, 유로 기판(150)의 제 1 유로용 홈과 제 2 유로용 홈 사이에 이들에 접하여 설치된 제 1 전극 설치용 오목부 내에 설치되어 있다. 제 2 탄소 전극(110)은, 유로 기판(150)의 제 1 유로용 홈과 제 3 유로용 홈 사이에 이들에 접함과 더불어, 상기 제 1 전극 설치용 오목부와 대향하는 위치에 설치된 제 2 전극 설치용 오목부 내에 설치된다.

본 실시형태에 있어서의 전기 분해 셀의 구성을 도 15 내지 도 19에 나타낸다. 또한, 도 15 내지 도 19에 나타낸 전기 분해 셀을 전기 분해 셀 부착 장치에 부착한 구성을 도 20 및 도 21에 나타낸다. 본 실시형태에서는, 전기 분해 셀(100)은, 지지 기판(유로 기판(150)) 및 유로 기판(150) 상에 배치된 뚜껑 기판(152)에 의해 구성된다. 이하에서는, 전기 분해 셀(100)이 마이크로리액터인 경우의 예를 나타낸다.

도 15는, 전기 분해 셀(100)의 평면도(뚜껑 기판(152)을 도시하지 않은 상태)를 나타낸다. 도 16은, 도 15의 제 1 전극(108) 및 제 2 전극(110)을 확대하여 나타내는 부분 확대 평면도이다. 도 17은, 도 15의 A-A' 단면도이다. 도 18은, 도 15의 B-B' 단면도이다. 도 19는, 도 15의 C-C' 단면도이다. 도 17~도 19에서는, 뚜껑 기판(152)도 포함하는 구성을 나타내고 있다.

본 실시예에서는, 액체 유로(102), 제 1 가스 유로(104), 및 제 2 가스 유로(106)는, 유로 기판(150)에 형성된 홈(유로용 홈)에 의해 구성된다. 또한, 유로 기판(150)에는, 탄소 기판인 제 1 전극(108) 및 제 2 전극(110)을 각각 끼워 넣는 오목부도 형성되어 있고, 제 1 전극(108) 및 제 2 전극(110)은, 각각 오목부 내에 끼워져 들어가 있다.

제 1 전극(108) 및 제 2 전극(110)에는, 제 1 가스 유로(104) 및 제 2 가스 유로(106)의 일부를 각각 구성하는 홈과, 기체 미세 유로(112)로 되는 복수의 미세 홈이 형성되어 있다. 여기서, 제 1 전극(108)과 제 2 전극(110)은, 액체 유로(102)를 끼어 대향하여 설치되어 있다. 또한, 제 1 전극(108) 및 제 2 전극(110)이 설치된 영역에서, 액체 유로(102), 제 1 가스 유로(104), 및 제 2 가스 유로(106)는, 서로 대략 평행하게 설치되어 있다. 또한, 제 1 가스 유로(104) 및 제 2 가스 유로(106)의 단부끼리는, 서로 이반(離反)하도록 굴곡하여, 유로 기판(150)의 네 구석에 각각 위치하고 있다.

이하에, 본 실시형태의 가스 생성 장치에 있어서의 효과를 설명한다.

본 실시형태의 가스 생성 장치에 있어서, 전극에, 기체가 통과 가능하고 전해액이 통과할 수 없는 복수의 기체 미세 유로를 형성하고, 전극의 한쪽 측에 전해액이 흐르는 액체 유로(102), 다른 쪽 측에 가스를 수용하는 가스 수용부(104(106))를 설치하여, 전극 표면에서 생성된 가스를 기체 미세 유로(112)를 통해서 가스 수용부(104(106))에 수용하도록 하고 있다.

이러한 구성에 의하면, 전극 표면에서 생성된 가스가 빠르게 전극 표면으로부터 제거되기 때문에, 새로운 전해액이 전극 표면에 공급되어, 효율적으로 전기 분해를 행할 수 있다. 또한, 전극 표면에서 생성된 가스가 그대로 전극에 형성된 기체 미세 유로(112)를 통과하여 가스 수용부로 이동하여 분리되기 때문에, 생성된 가스가 혼합되지 않도록 전극 사이에 격벽 등을 설치할 필요가 없어진다.

본 실시형태의 가스 생성 장치에 있어서, 제 1 전극(108) 및 제 2 전극(110) 사이에 전압을 걸어 전해액(114)을 전기 분해하는 것에 의해 제 2 전극(110)에서 제 2 가스가 생성된다. 액체 유로(102)와의 사이에 제 2 전극(110)을 통해서 설치되고, 제 2 가스를 수용하는 제 2 가스 수용부(106)를 추가로 포함할 수 있다. 제 2 전극(110)에는, 기체가 통과 가능하고 전해액(114)이 통과할 수 없는 복수의 기체 미세 유로(112)가 형성되어 있고, 기체 미세 유로(112)를 통해서 액체 유로(102)와 제 2 가스 수용부(106)가 연통된 구성으로 할 수 있다.

이러한 구성에 의하면, 각각의 전극 표면에서 생성된 가스가 그대로 전극에 형성된 기체 미세 유로(112)를 통과하여 제 1 가스 유로(104) 또는 제 2 가스 유로(106)로 이동하여 분리되기 때문에, 스커트 등으로 격리할 필요가 없어진다.

본 실시형태의 가스 생성 장치에 있어서, 제 1 가스 수용부(104)는, 불활성 가스가 도입되는 가스 입구(104a)와, 상기 불활성 가스와 함께 상기 제 1 가스가 도출되는 가스 출구(104b)를 갖는 제 1 가스 유로로 할 수 있다. 또한, 제 2 가스 수용부(106)는, 불활성 가스가 도입되는 가스 입구(106a)와, 상기 불활성 가스와 함께 상기 제 2 가스가 도출되는 가스 출구(106b)를 갖는 제 2 가스 유로로 할 수 있다.

본 실시형태의 가스 생성 장치는, 지지 기판(유로 기판(150))과, 유로 기판(150) 상에 배치된 뚜껑 기판(152)을 추가로 포함할 수 있고, 액체 유로(102)는, 유로 기판(150)에 형성된 제 1 유로용 홈에 의해 구성할 수 있다. 제 1 가스 수용부(104) 및 제 2 가스 수용부(106)는, 각각, 유로 기판(150)의 제 1 유로용 홈의 양측방에 상기 제 1 유로용 홈과 간격을 두고 형성된 제 2 유로용 홈 및 제 3 유로 용 홈 및 뚜껑 기판(152)에 의해 구성할 수 있다. 제 1 전극(108)은, 유로 기판(150)의 상기 제 1 유로용 홈과 상기 제 2 유로용 홈 사이에 이들에 접하여 설치된 제 1 전극 설치용 오목부 내에 설치할 수 있고, 제 2 전극(110)은, 유로 기판(150)의 상기 제 1 유로용 홈과 상기 제 3 유로용 홈 사이에 이들에 접함과 더불어, 상기 제 1 전극 설치용 오목부와 대향하는 부분을 갖도록 설치된 제 2 전극용 오목부 내에 설치할 수 있다.

이러한 구성에 의하면, 간이한 구성으로, 마이크로리액터를 구성할 수 있다.

본 실시형태의 가스 생성 장치에 있어서, 제 1 전극(108) 및 제 2 전극(110)은, 각각, 기체 미세 유로(112)를 구성하는 홈이 형성된 판상 전극판에 의해 구성할 수 있다.

본 실시형태의 가스 생성 장치에 있어서, 제 1 전극(108) 및 제 2 전극(110)은, 각각, 탄소판에 의해 구성할 수 있다.

본 실시형태의 가스 생성 장치에 있어서, 제 1 전극(108)을, 기체 미세 유로(112)로 되는 복수의 관통 구멍이 설치된 제 1 탄소판에 의해 구성하고, 제 2 전극(110)을, 기체 미세 유로(112)로 되는 복수의 관통 구멍이 설치된 제 2 탄소판에 의해 구성하고, 제 1 전극(108)의 표면 및 제 2 전극(110)의 표면을 대향 배치하고, 제 1 전극(108)과 제 2 전극(110) 사이에 액체 유로(102)를 설치하고, 제 1 전극(108)의 이면측에 제 1 가스 수용부(104)를 설치하고, 제 2 전극(110)의 이면측에 제 2 가스 수용부(106)를 설치한 구성으로 할 수 있다.

본 실시형태의 가스 생성 장치에 있어서, 복수의 제 1 전극(108)과 복수의 제 2 전극(110)을, 제 2 전극(110), 제 1 전극(108), 제 1 전극(108), 제 2 전극(110)의 순으로 배치할 수 있고, 제 1 전극(108)과 제 2 전극(110) 사이의 영역을 액체 유로(102)로 하고, 제 1 전극(108)과 제 1 전극(108) 사이의 영역을 제 1 가스 수용부(104)로 할 수 있다.

본 실시형태의 가스 생성 장치에 있어서, 전해액(114)은, 불화수소를 포함하는 용융염으로 할 수 있고, 제 1 전극(108)은 양극이고, 제 1 전극(108)에서 불소 가스가 생성되고, 제 2 전극(110)에서 수소 가스가 생성될 수 있다.

이러한 구성으로 하면, 양극인 제 1 전극(108)으로서 탄소 전극을 이용함과 더불어, 불소 가스를 생성시키도록 한 경우에도, 양극 표면에서 생성된 불소 가스가 빠르게 전극 표면으로부터 제거되기 때문에, 불소 가스와 탄소의 반응이 억제된다. 또한, 새로운 전해액이 전극 표면에 공급되기 때문에, 효율적으로 전기 분해를 행할 수 있다. 또한, CF₄ 등의 부생성물의 생성도 억제할 수 있다.

한편, 이상의 구성 요소의 임의의 조합, 본 발명의 표현을 방법, 장치 등의 사이에서 변환한 것도 또한, 본 발명의 태양으로서 유효하다.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예에 의해 하등 한정되는 것이 아니다.

(실시예 A1)

본 실시예에 있어서는, 도 15~19에 나타낸 가스 발생 장치(전기 분해 셀(100))를 이용했다. 본 실시예의 전기 분해 셀(100)은, 이하의 순서로 제조했다.

제 1 전극(108)과 제 2 전극(110)은 같은 구성을 갖기 때문에, 여기서는 제 1 전극(108)의 제조 순서를 설명한다. 제 2 전극(110)도 마찬가지로 제조했다. 제 1 전극(108)으로 되는 탄소판(신니혼 테크노카본사제 IMF307 1mmt)을 기계가공하여, 12mm×10mm(r=1mm)로 도려냈다. 이어서, 제 1 가스 유로(104)의 일부로 되는 홈(폭 1.0mm, 깊이 500μm, 도 18의 제 1 가스 유로(104)에 대응하는 부분)과, 기체 미세 유로(112)로 되는 홈(도 17의 기체 미세 유로(112)에 대응하는 부분)을 가공했다. 기체 미세 유로(112)는, 직경 100μm의 엔드 밀(사이토 제작소제 초경(超硬) 솔리드 스퀘어 엔드 밀 AMEL-0.1×1)을 이용하여 기계가공하여 형성했다. 여기서, 기체 미세 유로(112)는, 액체 유로(102) 및 제 1 가스 유로(104)에 대하여 직교하는 직사각형 홈 구조로 했다. 기체 미세 유로(112)의 치수는, 폭 100μm, 깊이 100μm, 길이 400μm로 하여, 인접하는 기체 미세 유로(112)와의 폭이 75μm가 되도록 일정 간격으로 형성했다. 제 1 전극(108)이 액체 유로(102)와 접하는 부위의 길이는 10mm가 되도록 했다. 또한, 액체 유로(102)와 접하는 제 1 전극(108)의 전극 면적이, 0.05cm²가 되도록 했다.

이어서, 유로 기판(150)으로 되는 폴리카보네이트판(30mm×70mm, 2mmt)을 기계가공하여, 액체 유로(102), 및 액체 유로(102)의 양측방에 제 1 가스 유로(104) 및 제 2 가스 유로(106)로 되는 홈(각각 폭 1.0mm, 깊이 500μm, 도 19의 액체 유로(102), 제 1 가스 유로(104) 및 제 2 가스 유로(106)에 대응하는 부분)을 형성했다. 각 홈의 단면이 직사각형이 되도록 했다. 또한, 제 1 전극(108) 및 제 2 전극(110)을 끼워 넣기 위한 오목부(도 18의 제 1 전극(108) 및 제 2 전극(110)에 대응하는 부분)를 가공했다. 이 오목부에 제 1 전극(108) 및 제 2 전극(110)을 각각 부착했다. 이에 의해, 제 1 전극(108)에 형성된 제 1 가스 유로(104)로 되는 홈과 유로 기판(150)에 형성된 제 1 가스 유로(104)로 되는 홈이 연결되어, 제 1 가스 유로(104)가 형성되었다. 마찬가지로, 제 2 전극(110)에 형성된 제 2 가스 유로(106)로 되는 홈과 유로 기판(150)에 형성된 제 2 가스 유로(106)로 되는 홈이 이어져서, 제 2 가스 유로(106)가 형성되었다.

이어서, 뚜껑 기판(152)으로 되는 폴리카보네이트판(30mm×70mm, 2mmt)을 기계가공하여, 유로 기판(150)의 액체 유로(102), 제 1 가스 유로(104), 및 제 2 가스 유로(106)의 말단에 상당하는 위치에, 각각 관통 구멍을 설치했다. 관통 구멍의 직경은, 각각 1mm로 했다. 액체 유로(102)에 설치된 관통 구멍은, 액체 입구(102a) 및 액체 출구(102b)가 된다. 제 1 가스 유로(104)에 설치된 관통 구멍은, 가스 입구(104a) 및 가스 출구(104b)가 된다. 제 2 가스 유로(106)에 설치된 관통 구멍은, 가스 입구(106a) 및 가스 출구(106b)가 된다. 유로 기판(150) 및 뚜껑 기판(152)을 이 순으로 적층하여, 비스(vis) 등으로 고정함으로써 전기 분해 셀(100)을 제조했다.

이상과 같이 하여 제조한 전기 분해 셀(100)을 도 20 및 도 21에 나타낸 전 기 분해 셀 부착 장치(200)에 부착했다. 여기서는, 전해액(114)으로서, KF?2.3HF(융점 약 80℃)의 용융염을 이용했다.

전기 분해 셀 부착 장치(200)는, 히터 블록(212)과, 그 위에 형성된 용융염 유로판(208)을 포함한다. 히터 블록(212)과 용융염 유로판(208) 사이에는, 세퍼레이터(210)가 설치되어 있다. 히터 블록(212)에는, 로드(rod) 히터(214)와 열전대(216)가 삽입되어 있다. 열전대(216)로 온도를 측정하여 로드 히터(214)를 제어하는 것에 의해 온도 제어가 행하여진다. 용융염 유로판(208) 상에는, 용융염을 수용하는 용융염조(202) 및 기어 펌프인 펌프(206)가 배치되어, 전기 분해 셀(100)이 부착되게 되어 있다. 용융염 유로판(208)에는, 용융염조(202)로부터 펌프(206)를 통해서 전기 분해 셀(100)의 액체 입구(102a)에 접속되는 용융염 유로(204)가 형성되어 있다.

전기 분해 셀(100)을 누름판(218)으로 누르고, 용융염조(202), 펌프(206) 및 전기 분해 셀(100)을, 용융염 유로판(208)과 세퍼레이터(210)를 사이에 두고, 히터 블록(212)에 나사를 이용하여 압착했다. 또한, 히터 블록(212)의 온도를 100℃로 온도 제어했다.

이 상태로, 펌프(206)를 이용하여, 용융염조(202)로부터 전기 분해 셀(100)의 액체 입구(102a)에 용융염을 1.0mL/min의 유량으로 공급했다. 또한, 제 1 가스 유로(104) 및 제 2 가스 유로(106)에 각각 가스 입구(104a) 및 가스 입구(106a)로부터 질소를 10mL/min의 유량으로 공급했다. 본 실시예에 있어서, 전해액(114)의 표면 장력 γ가 94[mN/m], 접촉각 θ가 140°, 기체 미세 유로(112)의 폭 w가 100 μm이기 때문에, 이 때 전해액(114)을 기체 미세 유로(112)에 밀어 넣는 데 필요한 압력은 2.88[kPa]로 계산된다. 또한, 전해액(114)에 걸리는 압력 P₁이 1.03[kPa](계산치), 제 1 가스 유로(104) 및 제 2 가스 유로(106)의 압력 P₂가 각각 1.58×10^-2[kPa](계산치)로 되어, 전기 분해 셀(100)은, 상기 식(4)를 만족시키도록 구성되어 있다. 이 때, 현미경에 의한 관찰에 의해, 전해액(114)이 액체 유로(102)로부터 제 1 가스 유로(104)나 제 2 가스 유로(106)로 새고 있지 않은 것을 확인했다. 또한, 현미경에 의한 관찰에 의해, 액체 유로(102)와 제 1 가스 유로(104) 및 제 2 가스 유로(106)와의 경계 근방에서 기액 계면이 형성되어 있는 것을 확인했다.

이 상태로, 제 1 전극(108)이 양극, 제 2 전극(110)이 음극이 되도록, 제 1 전극(108)과 제 2 전극(110) 사이에 전압을 걸어 6.0V로 정전압 전해했다. 제 1 전극(108) 및 제 2 전극(110)에 있어서, 전기 분해에 의해 생긴 기체는, 처음에는 각 전극에 부착했지만, 기액 계면에 접촉하면 각각 빠르게 제 1 가스 유로(104) 및 제 2 가스 유로(106)의 기체와 합체하여 소멸하는 양상을 확인할 수 있었다.

또한, 양극인 제 1 전극(108)측의 제 1 가스 유로(104)의 가스 출구(104b)에서 나온 기체를 테들러(tedlar) 팩에 채집하고, 불소 가스 검지관(주식회사 가스 테크사제 가스 검지관 No.17)을 사용하여 측정했다. 그 결과, 검지관의 지시약이 백색으로 탈색했다. 이에 의해 불소 가스가 발생한 것을 확인할 수 있었다. 또한, 음극에서는 수소 가스를 회수할 수 있었다.

본 실시예에 있어서의 전류 밀도의 시간에 대한 변화량을 도 22에 나타낸다. 전압 인가 직후는 400mA/cm² 정도의 전류 밀도로 전류가 흐르고, 점차로 전류 밀도가 감소했지만, 그 후 약 75mA/cm² 정도의 전류 밀도로 안정되었다.

(비교예 A1)

제 1 전극(108) 및 제 2 전극(110)으로서 탄소판에 기체 미세 유로(112)를 형성하지 않은 점 이외에는, 실시예 A1과 마찬가지로 했다. 제 1 전극(108)과 제 2 전극(110) 사이에 전압 6.0V를 인가하여, 전류 밀도의 시간에 대한 변화량을 측정했다. 결과를 도 23에 나타낸다. 전압 인가 직후는 400mA/cm² 정도의 전류 밀도로 전류가 흘렀지만, 점차로 감소하여 약 15초 후에는 거의 흐르지 않게 되었다. 이 원인은, 각 전극에서 발생한 기포가 전극에 부착하여, 전극이 용융염과 접촉할 수 없게 되었기 때문이라고 생각된다.

(실시예 A2-1)

본 실시예에 있어서의 전기 분해 셀의 구성을 도 24 내지 도 29에 나타낸다. 본 실시예에서는, 전기 분해 셀(100)은, 제 2 전극 기판(154), 그 위에 배치된 유로 기판(156), 그 위에 배치된 제 1 전극 기판(158) 및 그 위에 배치된 뚜껑 기판(160)에 의해 구성된다. 도 25는, 전기 분해 셀(100)의 평면도이다. 여기서는, 구성을 알기 쉽게 하기 위해서, 유로 기판(156), 제 1 전극 기판(158), 및 뚜껑 기판(160)을 투과적으로 나타내고 있다. 도 26은, 도 25의 D-D' 단면도이다. 도 27은, 도 25의 E-E' 단면도이다.

본 실시예에서는, 액체 유로(102), 제 1 가스 유로(104), 및 제 2 가스 유로(106)가 각각 다른 기판에 형성되어 있다. 도 26에 나타낸 바와 같이, 액체 유로(102)는 유로 기판(156)에, 제 1 가스 유로(104)는 제 1 전극 기판(158)에, 제 2 가스 유로(106)는 제 2 전극 기판(154)에 각각 형성되어 있다. 또한, 제 1 전극(108) 및 제 2 전극(110)은, 각각 제 1 전극 기판(158) 및 제 2 전극 기판(154)에 설치된다. 도 27에 나타낸 바와 같이, 액체 유로(102)는, 제 2 전극 기판(154)에도 설치된다.

도 28은, 도 25의 제 1 전극(108)의 표면과 이면의 모식도이다. 제 1 전극(108) 및 제 2 전극(110)은 같은 구성을 갖기 때문에, 여기서는 제 1 전극(108)의 구성을 설명한다. 도 28(a)는, 제 1 전극(108)이 액체 유로(102)와 접하는 면, 즉 제 1 전극(108)이 전해액(114)과 접하는 면(이하 표면(108a)이라고 함)을 나타낸다. 도 28(b)는, 제 1 전극(108)이 액체 유로(102)와 접하는 면의 반대면, 즉 제 1 가스 유로(104)와 접하는 면(이하 이면(108b)이라고 함)을 나타낸다. 제 1 전극(108)에는, 복수의 기체 미세 유로(112)가 설치되어 있다. 또한, 제 1 전극(108)의 이면(108b)에는, 오목부(자리파기(座繰)부)(120)가 설치되어 있다.

도 29는, 제 1 전극(108)의 기체 미세 유로(112) 부분을 확대하여 나타낸 부분 확대도이다. 기체 미세 유로(112)는, 예컨대, 150μm 피치로 60° 지그재그상으로 배치할 수 있다.

본 실시예의 전기 분해 셀(100)은, 이하의 순서로 제조했다.

제 1 전극(108)과 제 2 전극(110)은 같은 구성을 갖기 때문에, 여기서는 제 1 전극(108)의 제조 순서를 설명한다. 제 2 전극(110)도 마찬가지로 제조했다. 제 1 전극(108)으로 되는 탄소판(신니혼 테크노카본사제 IMF307 1mmt)을 기계가공하여, 12mm×10mm(r=1mm)로 도려내었다. 이어서, 도 28(b)에 나타낸 오목부(120)를 형성했다. 오목부의 깊이는 0.6mm로 했다. 또한, 제 1 전극(108)의 오목부(120)를 형성한 부분에 기체 미세 유로(112)로 되는 구멍을 가공했다. 기체 미세 유로(112)는, 직경 100μm의 드릴(사이토 제작소제 초경 솔리드 루마 드릴 ADR-0.1)을 이용하여 기계가공하여 형성했다. 기체 미세 유로(112)의 치수는, 직경 100μm로 했다. 또한, 도 29에 나타낸 바와 같이, 복수의 기체 미세 유로(112)를 150μm 피치로 60° 지그재그상으로 배치했다. 기체 미세 유로(112)가 형성된 부분과 액체 유로(102)의 전해액(114)이 접하는 영역이 폭 1mm, 길이 10mm가 되도록 했다.

제 1 전극 기판(158) 및 제 2 전극 기판(154)은 같은 구성을 갖기 때문에, 여기서는 제 1 전극 기판(158)의 제조 순서를 설명한다. 제 2 전극 기판(154)도 거의 마찬가지로 제조했다. 제 1 전극 기판(158)으로 되는 폴리카보네이트판(30mm×100mm, 2mmt)을 기계가공하여, 제 1 전극(108)을 끼워 넣기 위한 오목부를 형성했다. 또한, 제 1 전극 기판(158)에, 제 1 전극(108)의 오목부(120)와 이어지는 제 1 가스 유로(104)를 형성했다. 기체 미세 유로(112)와 접하는 부분의 제 1 가스 유로(104)의 치수는, 폭 1.0mm, 길이 10mm, 깊이 600μm였다. 한편, 제 2 전극 기판(154)에는, 액체 유로(102)로 되는 접속 구멍을 형성했다.

이어서, 유로 기판(156)으로 되는 폴리카보네이트판(30mm×70mm, 1mmt)을 기 계가공하여, 액체 유로(102)를 형성했다. 액체 유로(102)의 양말단은, 제 2 전극 기판(154)에 형성된 관통 구멍을 통하여 액체 입구(102a) 및 액체 출구(102b)에 각각 접속하고 있다. 관통 구멍의 직경은, 각각 1mm로 했다.

이어서, 뚜껑 기판(160)으로 되는 폴리카보네이트판(30mm×70mm, 2mmt)을 기계가공하여, 제 1 전극 기판(158)의 제 1 가스 유로(104)의 양말단에 상당하는 위치에 각각 관통 구멍을 형성했다. 관통 구멍의 직경은, 각각 1mm로 했다. 제 2 전극 기판(154), 유로 기판(156), 제 1 전극 기판(158), 및 뚜껑 기판(160)을 이 순으로 적층하여 비스 등으로 고정함으로써 전기 분해 셀(100)을 제조했다.

이상과 같이 하여 제조한 전기 분해 셀(100)을 실시예 A1에서 도 20 및 도 21을 참조하여 설명한 것과 같은 전기 분해 셀 부착 장치(200)에 부착하여, 전해액을 전기 분해하는 것에 의해 가스를 생성시켰다. 여기서는, 전해액(114)으로서, KF?2.3HF(융점 약 80℃)의 용융염을 이용했다.

전기 분해 셀(100)을 누름판(218)으로 누르고, 용융염조(202), 펌프(206) 및 전기 분해 셀(100)을, 용융염 유로판(208)과 세퍼레이터(210)를 사이에 두고, 히터 블록(212)에 나사를 이용하여 압착했다. 또한, 히터 블록(212)의 온도를 100℃로 온도 제어했다.

이 상태로, 펌프(206)를 이용하여, 용융염조(202)로부터 전기 분해 셀(100)의 액체 입구(102a)에 용융염을 1.0mL/min의 유량으로 공급했다. 또한, 제 1 가스 유로(104) 및 제 2 가스 유로(106)에 각각 가스 입구(104a) 및 가스 입구(106a)로부터 질소를 10mL/min의 유량으로 공급했다. 본 실시예에 있어서, 전해액(114)의 표면 장력 γ가 94[mN/m], 접촉각 θ가 140°, 기체 미세 유로(112)의 폭(직경) w가 100μm이기 때문에, 이 때 전해액(114)을 기체 미세 유로(112)에 밀어 넣는 데 필요한 압력은, 2.88[kPa]로 계산된다. 또한, 전해액(114)에 걸리는 압력 P₁이 0.48[kPa](계산치), 제 1 가스 유로(104) 및 제 2 가스 유로(106)의 압력 P₂가 각각 1.58×10^-2[kPa](계산치)로 되어, 전기 분해 셀(100)은, 상기 식(4)를 만족시키도록 구성되어 있다. 이 때, 전해액(114)이 액체 유로(102)로부터 제 1 가스 유로(104)나 제 2 가스 유로(106)로 새고 있지 않은 것을 확인했다.

이 상태로, 제 1 전극(108)이 양극, 제 2 전극(110)이 음극이 되도록, 제 1 전극(108)과 제 2 전극(110) 사이에 전압을 걸어, 7.0V로 정전압 전해했다. 제 1 전극(108)과 제 2 전극(110)으로부터 생긴 기체의 양상은, 전극 배치의 관계로 관찰할 수 없었다. 그러나, 양극인 제 1 전극(108)측의 제 1 가스 유로(104)의 가스 출구(104b)에서 나온 기체를 테들러 팩에 채집하고, 불소 가스 검지관(주식회사 가스테크사제 가스 검지관 No.17)을 사용하여 측정했다. 그 결과, 검지관의 지시약이 백색으로 탈색했다. 이에 의해 불소 가스가 발생한 것을 확인할 수 있었다.

본 실시예에 있어서의 전류 밀도의 시간에 대한 변화량을, 도 30 중의 (a)에 나타낸다. 안정 시의 평균 전류 밀도는 약 150mA/cm²였다.

(실시예 A2-2)

제 1 전극(108) 및 제 2 전극(110)의 기체 미세 유로(112)를 레이저(YAG 4차 고조파)를 이용하여 가공한 것 이외에는, 실시예 A2-1과 마찬가지로 했다. 레이저로 가공한 기체 미세 유로(112)의 치수는, 전해액에 접하는 면(도 28(a)의 표면(108a))에서는 직경 약 20μm, 반대면(도 28(b)의 이면(108b))에서는 직경 약 5μm로, 50μm 피치였다.

전기 분해 셀(100)을 전기 분해 셀 부착 장치(200)에 부착하고, 히터 블록(212)의 온도를 100℃로 온도 제어했다. 이 상태로, 펌프(206)를 이용하여, 용융염조(202)로부터 전기 분해 셀(100)의 액체 입구(102a)에 용융염을 1.0mL/min의 유량으로 공급했다. 또한, 제 1 가스 유로(104) 및 제 2 가스 유로(106)에 각각 가스 입구(104a) 및 가스 입구(106a)로부터 질소를 10mL/min의 유량으로 공급했다. 본 실시예에 있어서, 전해액(114)의 표면 장력 γ가 94[mN/m], 접촉각 θ가 140°, 기체 미세 유로(112)의 폭(직경) w가 20μm이기 때문에, 이 때 전해액(114)을 기체 미세 유로(112)에 밀어 넣는 데 필요한 압력은, 14.40[kPa]으로 계산된다. 또한, 전해액(114)에 걸리는 압력 P₁이 0.48[kPa](계산치), 제 1 가스 유로(104) 및 제 2 가스 유로(106)의 압력 P₂가 각각 1.58×10^-2[kPa](계산치)로 되어, 전기 분해 셀(100)은, 상기 식(4)를 만족시키도록 구성되어 있다.

실시예 A2-1과 마찬가지로, 제 1 전극(108)과 제 2 전극(110) 사이에 전압을 걸고, 7.0V로 정전압 전해했다. 제 1 전극(108)과 제 2 전극(110)으로부터 생긴 기체의 양상은, 전극 배치의 관계로 관찰할 수 없었다. 그러나, 양극인 제 1 전극(108)측의 제 1 가스 유로(104)의 가스 출구(104b)로부터 나온 기체를 테들러 팩 에 채집하고, 불소 가스 검지관(주식회사 가스테크사제 가스 검지관 No.17)을 사용하여 측정한 바, 검지관의 지시약이 백색으로 탈색했다. 이에 의해 불소 가스가 발생한 것을 확인할 수 있었다. 또한, 본 실시예에 있어서의 전류 밀도의 시간에 대한 변화량을, 도 30 중의 (b)에 나타낸다. 안정 시의 평균 전류 밀도는 약 50mA/cm²였다.

(실시예 A2-3)

제 1 전극(108) 및 제 2 전극(110)의 기체 미세 유로(112)의 직경을 50μm로 하고, 피치를 100μm로 한 것 이외에는, 실시예 A2-1과 마찬가지로 했다.

전기 분해 셀(100)을 전기 분해 셀 부착 장치(200)에 부착하고, 히터 블록(212)의 온도를 100℃로 온도 제어했다. 이 상태로, 펌프(206)를 이용하여, 용융염조(202)로부터 전기 분해 셀(100)의 액체 입구(102a)에 용융염을 1.0mL/min의 유량으로 공급했다. 또한, 제 1 가스 유로(104) 및 제 2 가스 유로(106)에 각각 가스 입구(104a) 및 가스 입구(106a)로부터 질소를 10mL/min의 유량으로 공급했다. 본 실시예에 있어서, 전해액(114)의 표면 장력 γ가 94[mN/m], 접촉각 θ가 140°, 기체 미세 유로(112)의 폭(직경) w가 50μm이기 때문에, 이 때 전해액(114)을 기체 미세 유로(112)에 밀어 넣는 데 필요한 압력은, 5.76[kPa]로 계산된다. 또한, 전해액(114)에 걸리는 압력 P₁이 0.48[kPa](계산치), 제 1 가스 유로(104) 및 제 2 가스 유로(106)의 압력 P₂가 각각 1.58×10^-2[kPa](계산치)로 되어, 전기 분해 셀(100)은, 상기 식(4)를 만족시키도록 구성되어 있다.

실시예 A2-1과 마찬가지로, 제 1 전극(108)과 제 2 전극(110) 사이에 전압을 걸어, 7.0V로 정전압 전해했다. 제 1 전극(108)과 제 2 전극(110)으로부터 생긴 기체의 양상은, 전극 배치의 관계로 관찰할 수 없었다. 그러나, 양극인 제 1 전극(108)측의 제 1 가스 유로(104)의 가스 출구(104b)로부터 나온 기체를 테들러 팩에 채집하고, 불소 가스 검지관(주식회사 가스테크사제 가스 검지관 No.17)을 사용하여 측정한 바, 검지관의 지시약이 백색으로 탈색했다. 이에 의해 불소 가스가 발생한 것을 확인할 수 있었다. 또한, 본 실시예에 있어서의 전류 밀도의 시간에 대한 변화량을, 도 30 중의 (c)에 나타낸다. 안정 시의 평균 전류 밀도는 약 70mA/cm²였다.

(실시예 A3)

본 실시예에 있어서의 전기 분해 셀의 구성을 도 31 내지 도 35에 나타낸다. 도 31 및 도 32는, 복수의 전기 분해 셀이 부착된 전기 분해 셀 부착 장치의 구성을 나타내는 그림이다. 도 31은, 전기 분해 셀 부착 장치(200)의 측면 단면도, 도 32는, 전기 분해 셀 부착 장치(200)의 상면 단면도이다.

전기 분해 셀 부착 장치(200)는, 제 1 실(232), 제 2 실(234), 및 제 3 실(236)로 분할된 용융염 탱크(230)를 포함한다. 제 2 실(234)에는, 3개의 전기 분해 셀(300a), 전기 분해 셀(300b), 및 전기 분해 셀(300c)이 부착된다. 제 2 실(234)에는, 슬릿이 형성되어 있고, 이 슬릿에 따라 전기 분해 셀(300a~300c)을 삽입한다. 제 3 실(236)에는, 물 전해용의 니켈 전극에 의한 전극판(238) 및 전극판(240)과, HF 가스를 공급하기 위한 도입관(245)이 설치되어 있다. 제 1 실(232)과 제 3 실(236)은, 펌프(206)를 통해서 용융염 유로(204)로 접속되어 있다. 전기 분해 셀 부착 장치(200)의 구성은 후술한다.

본 실시예에 있어서, 전기 분해 셀은, 개구창이 설치된 용기와, 상기 개구창을 덮도록 설치된 탄소판 전극에 의해 구성된다. 탄소판 전극에는, 기체 미세 유로(112)로 되는 복수의 관통 구멍이 설치된다. 이에 의해, 용기 밖으로부터 탄소판 전극 표면에 전해액(114)을 공급하여, 전기 분해를 행하는 것에 의해, 탄소판 전극 표면에서 생성된 가스가 용기 내로 들어가도록 할 수 있다. 즉, 제 1 전극(108) 및 제 2 전극(110)을 각각 기체 미세 유로(112)로 되는 복수의 관통 구멍이 설치된 제 1 탄소판 및 제 2 탄소판에 의해 구성하고, 제 1 탄소판의 표면 및 제 2 탄소판의 표면을 대향 배치하고, 제 1 탄소판과 제 2 탄소판 사이에 액체 유로를 설치하고, 제 1 탄소판의 이면측에 용기인 제 1 가스 수용부를 설치하고, 제 2 탄소판의 이면측에 용기인 제 2 가스 수용부를 설치하도록 할 수 있다.

전기 분해 셀(300b)은, 탄소판 전극인 제 2 전극(110)을 6장 구비한 구성으로 했다. 각 탄소판 전극에는, 도 29를 참조하여 설명한 것과 마찬가지의 복수의 관통 구멍인 복수의 기체 미세 유로(112)가 형성된 구성으로 했다. 또한, 전기 분해 셀(300a) 및 전기 분해 셀(300c)은, 마찬가지의 탄소판 전극인 제 1 전극(108)을 3장 구비한 구성으로 했다. 전기 분해 셀(300a~300c)은, 전기 분해 셀(300b)의 제 2 전극(110)과, 전기 분해 셀(300a)의 제 1 전극(108), 및 전기 분해 셀(300c) 의 제 1 전극(108)이 각각 대향하도록 제 2 실(234) 내에 배치된다.

도 33 및 도 34는, 도 31 및 도 32에 나타낸 3개의 전기 분해 셀(300a~300c) 중, 중심에 부착된 전기 분해 셀(300b)의 구조를 나타내는 그림이다. 도 34는, 도 33의 F-F' 단면도이다. 도 34에 나타낸 바와 같이, 전기 분해 셀(300b)은, 전기 분해 셀 부착 장치(200)에 부착했을 때에 각각 전기 분해 셀(300a)과 전기 분해 셀(300c)의 제 1 전극(108)과 대향하도록, 양면에 제 2 전극(110)이 형성된 구조를 갖는다. 전기 분해 셀(300b)은, 오목부(164a)가 설치된 셀 용기(164)와, 제 2 전극(110)을 부착하는 창(162a)이 설치된 전극 누름판(162)과, 제 2 전극(110)에 전기를 통전하기 위한 통전용 금속 틀(122)과, 통전용의 와이어(124)를 포함한다. 전극 누름판(162)은, 비스(166)에 의해, 셀 용기(164)에 부착된다. 또한, 셀 용기(164)의 상부에는 각각 테플론(등록상표) 조인트(126)을 통해서 테플론관(128) 및 테플론관(130)이 부착되어 있다. 테플론관(128) 및 테플론관(130)에는, 각각 3방 밸브(132)가 부착되어 있다. 여기서는, 테플론관(130)으로부터 가스가 유입하고, 테플론관(128)으로부터 가스가 유출하게 되어 있다. 이러한 구성에 있어서, 셀 용기(164) 내의 공간이 제 2 가스 유로(106)가 된다.

본 실시예의 전기 분해 셀은, 이하의 순서로 제조했다. 이하로서는, 예로서 전기 분해 셀(300b)의 제조 순서를 나타낸다.

제 2 전극(110)으로서 탄소판(도카이 카본사제 G348 1mmt)을 기계가공하여, 24mm×14mm(r=1mm)로 도려내었다. 이어서, 탄소판을 자리파기(座繰)하여, 오목부(10mm×20mm, 깊이가 0.6mm)를 형성했다. 또한, 탄소판의 오목부를 형성한 부분 에 기체 미세 유로(112)로 되는 구멍을 가공했다. 기체 미세 유로(112)는, 직경 100μm의 드릴(사이토 제작소제 초경 솔리드 루마 드릴 ADR-0.1)을 이용하여 기계가공하여 형성했다. 기체 미세 유로(112)의 치수는, 직경 100μm로 했다. 본 실시예에서도, 도 29에 나타낸 바와 같이, 복수의 기체 미세 유로(112)를 150μm 피치로 60° 지그재그상으로 배치했다. 기체 미세 유로(112)가 형성된 부분과 전해액(114)이 접하는 영역이 10mm×20mm가 되도록 했다. 이러한 탄소판을 6장 준비했다.

또한, Ni판을 기계 절삭 가공하여, 24mm×14mm×2mmt(r=1mm)의 크기로 가공하고, 20mm×10mm(r=0.5mm)를 도려내어, 통전용 금속 틀(122)을 작성했다.

또한, 전극 누름판(162)으로 되는 PTFE판(50mm×70mm, 1mmt)을 기계가공하여, 제 2 전극(110)을 끼워 넣은 오목부와, 제 2 전극(110)과 전해액(114)이 접촉할 수 있는 창(162a)를 3개 형성했다. 이러한 전극 누름판(162)을 2장 준비했다.

셀 용기(164)로 되는 PTFE판(50mm×70mm, 10mmt)을 기계가공하여, 제 1 가스 유로(104)로 되는 오목부(164a)를 형성했다. 여기서, 오목부(164a)의 깊이는 10mm로 했다. 또한, 통전용 금속 틀(122)을 끼워 넣을 오목부를 형성하여, 통전용 금속 틀(122)을 끼워 넣었다. 통전용 금속 틀(122)에는, 와이어(124)로서 직경 0.5 mm의 Ni 와이어를 접속했다. 셀 용기(164)의 통전용 금속 틀(122)에 제 2 전극(110)을 포개어, 전극 누름판(162)으로 눌렀다. 또 한 쪽의 면에도 마찬가지로 통전용 금속 틀(122) 및 전극 누름판(162)을 설치했다. 셀 용기(164)의 상부에, 2개의 테플론 조인트(126)를 접속하고, 추가로 각각의 테플론 조인트(126)에 테플론 관(128) 및 테플론관(130)을 접속했다. 테플론관(128)에는 와이어(124)를 통해서, 셀 외부의 직류 전원과 접속할 수 있도록 했다.

전기 분해 셀(300a) 및 전기 분해 셀(300c)은, 한쪽의 면에만 제 1 전극(108)이 형성되어 있다는 점을 제외하고, 전기 분해 셀(300b)과 마찬가지로 제조했다.

이상과 같이 하여 제조한 전기 분해 셀(300a~300b)을 전기 분해 셀 부착 장치(200)에 부착했다. 전기 분해 셀 부착 장치(200)에 있어서의 가스 생성의 메커니즘을 도 31 및 도 32도 참조하여 이하에서 설명한다. 여기서는, 전해액(114)으로서, KF?2.3HF(융점 약 80℃)의 용융염을 이용한다. 한편, 도시하지 않고 있지만, 용융염 탱크(230)는 세퍼레이터 등을 끼어 히터 블록 상에 배치된다. 히터 블록(212)의 온도를 100℃로 온도 제어했다.

제 1 실(232)에 전해액(114)이 고이면, 제 1 실(232)과 제 2 실(234) 사이의 둑(堰)(244)을 넘어가서, 전해액(114)이, 제 2 실(234) 위로부터 주입된다. 이 때 제 1 실과 제 2 실을 가로막는 둑(244)에 의해서 그 액면이 유지된다. 제 2 실(234)에 흘러 들어 온 전해액(114)은, 전기 분해 셀 사이의 간극을 낙하하도록 하여 흐른다. 즉, 본 실시예에서는, 전기 분해 셀 사이의 간극 및 전기 분해 셀의 아래 부분이 액체 유로(102)가 된다. 대향한 제 1 전극(108)과 제 2 전극(110) 사이에, 제 1 전극(108)을 양극, 제 2 전극(110)을 음극으로 하여 전압을 인가함으로써 이들 사이에서 전기 분해가 행하여진다. 여기서, 전해액(114)은, 전기 분해를 실시하는 데 충분한 HF 농도를 갖는 용융염으로 할 수 있다. 또한, 전해액(114)이 끊임없이 전극 표면을 흐르기 때문에 전기 분해를 행했을 때에 신선한 HF를 공급할 수 있다. 제 1 전극(108) 표면에서 생성된 제 1 가스(116)는 제 1 전극(108)에 설치된 기체 미세 유로(112)를 통과하여 전기 분해 셀(300a) 및 전기 분해 셀(300c) 내로 들어간다. 또한, 제 2 전극(110) 표면에서 생성된 제 2 가스(118)는 제 2 전극(110)에 설치된 기체 미세 유로(112)를 통과하여 전기 분해 셀(300c) 내에 들어간다. 테플론관(130)으로부터 질소 가스 등을 도입함으로써 제 1 가스(116) 및 제 2 가스(118)를 각각의 전기 분해 셀의 테플론관(128)으로부터 뽑아 낼 수 있다.

제 2 실(234)의 하방으로 흘러내린 전해액(114)은, 제 2 실(234)과 제 3 실(236) 사이에 설치된 배출구(242)로부터 제 3 실(236)로 유입된다. 제 3 실(236)에 있어서, 전극판(238) 및 전극판(240)에 의해, 용융염에 포함되는 HF의 양이 상시 감시된다. 전극판(238)과 전극판(240) 사이에는, 항상 5V 이하의 전압이 인가되어 있고, 용융염의 액면 레벨을 감시하고 있다. 용융염의 액면 레벨이 내려가면 제 3 실(236)에 도입관(245)을 통해서 무수 HF 가스를 공급하여, 일정 레벨 액면이 되는 시점에서 무수 HF의 공급을 정지하는 것에 의해 HF의 농도를 일정하게 유지할 수 있다. 제 3 실(236)에 흘러들어 온 전해액(114)은, 용융염 탱크(230) 밖으로 배출되지만, 펌프(206)에 의해서 다시 제 1 실(232)로 공급된다.

이상과 같은 구성의 전기 분해 셀 부착 장치(200)에 있어서, 펌프(206)를 이용하여, 제 3 실(236)로부터 전해액(114)인 용융염을 300mL/min의 유량으로 공급했다. 또한, 전기 분해 셀(300a), 전기 분해 셀(300b), 및 전기 분해 셀(300c)에 각각 부착된 테플론관(130)에는, 질소를 100mL/min의 유량으로 공급했다.

본 실시예에 있어서, 전해액(114)의 표면 장력 γ가 94[mN/m], 접촉각 θ가 140°, 기체 미세 유로(112)의 폭(직경) w가 100μm이기 때문에, 이 때 전해액(114)을 기체 미세 유로(112)에 밀어 넣는 데 필요한 압력은, 2.88[kPa]로 계산된다. 또한, 전극 최하부에서는 전해액의 깊이 4cm에 위치하기 때문에, 전극 최하부에 걸리는 압력 P₁은 0.80[kPa](계산치), 제 1 가스 유로(104) 및 제 2 가스 유로(106)의 압력 P₂가 각각 6.68×10^-3[kPa](계산치)로 되어, 전기 분해 셀(300)은, 상기 식(4)를 만족시키도록 구성되어 있다. 이 때, 전해액(114)이 제 1 가스 유로(104)나 제 2 가스 유로(106)로 새고 있지 않은 것을 확인했다.

이러한 상태로, 제 1 전극(108)이 양극, 제 2 전극(110)이 음극이 되도록, 제 1 전극(108)과 제 2 전극(110) 사이에 전압을 걸어 전기 분해를 행했다. 테플론관(128)으로부터 각 전기 분해 셀에서 생성된 가스를 채집하여 분석을 실시했다. 이 결과, 전기 분해 셀(300a) 및 전기 분해 셀(300c)에서 불소 가스가 발생한 것을 확인할 수 있었다.

본 실시예에서는, 전해액(114)을 순회시킴과 더불어 제 3 실(236)에서 HF가 공급되기 때문에, 용융염 중의 HF 농도를 전기 분해를 실시하기 위해서 충분히 높게 유지할 수 있다.

이상, 본 발명을 실시의 형태를 바탕으로 설명했다. 실시의 형태는 예시이며, 그들의 각 구성 요소나 각 처리 프로세스의 조합에 여러 가지 변형예가 가능한 것, 또한 그러한 변형예도 본 발명의 범위에 있는 것은 당업자에 이해되는 부분이 다.

또한, 이상의 실시의 형태에서는, 불화수소의 전기 분해 반응을 일으키기 위한 물질로서 불화수소를 포함하는 불화칼륨 용융염을 이용하는 예를 보였지만, 예컨대, 불화세슘 용융염 등의 다른 물질이나, 상기 용융염에 첨가제로서 불화리튬 등을 첨가하여 사용할 수 있다. 또한, 이상의 실시의 형태에서는, 양극에서 불소 가스, 음극에서 수소 가스가 생성되는 예를 보였지만, 본 발명의 가스 생성 장치는, 전기 분해에 의해, 예컨대 삼불화질소, 염소, 산소, 아르신 등, 다른 가스를 생성하는 데 이용할 수도 있다.

이상의 실시의 형태에 있어서는, 기판을 폴리카보네이트판에 의해 구성하고, 전극을 탄소판에 의해 구성하는 예를 보였다. 그러나, 다른 예에 있어서, 기판을 실리콘에 의해 구성하여, 실리콘 기판에 유로로 되는 홈이나, 전극의 기체 미세 유로(112)로 되는 홈을 형성하고, 전극 부분에 스퍼터링이나 증착 등의 박막 기술 등에 의해 성막한 박막 금속을 마이크로 머신 기술에 의해 패터닝하거나, 또는 실리콘에 불순물을 도핑하는 등을 하여 가스 생성 장치를 형성할 수도 있다.

또한, 이상의 실시의 형태에 있어서는, 액체 유로(102), 제 1 가스 유로(104), 및 제 2 가스 유로(106)가 각각 하나씩 설치된 구성을 나타내었지만, 이들을 복수 설치한 구성으로 할 수도 있다. 도 24에, 액체 유로(102) 및 그 액체 유로(102)를 끼어 설치된 1조의 제 1 전극(108) 및 제 2 전극(110)을 세트로 하고, 이 세트를 3개 설치한 예를 나타낸다. 이러한 구성에 있어서, 제 1 가스 유로(104)는, 2개의 제 1 전극(108)으로 공유할 수 있다. 또한, 제 2 가스 유 로(106)도, 2개의 제 2 전극(110)으로 공유할 수 있다. 즉, 복수의 제 1 전극과 복수의 제 2 전극을, 제 2 전극, 제 1 전극, 제 1 전극, 제 2 전극의 순으로 배치하여, 제 1 전극과 제 2 전극 사이의 영역을 액체 유로로 하고, 제 1 전극과 제 1 전극 사이의 영역을 제 1 가스 수용부로 할 수 있다.

또한, 실시예 A3에서 나타낸 구성에 있어서도, 도 35에 나타낸 바와 같이, 용융염 탱크(230) 내에 추가로 다수의 전기 분해 셀을 설치한 구성으로 할 수 있다.

(실시예 B1)

이하와 같이 하여, 가스 생성용 탄소 전극을 이용한 전기 분해 셀의 실험 장치를 제작함과 더불어 전기 분해 실험을 행했다.

한편, 도 37은, 실시예 B1에서 제작한 구멍 절삭 가공 후의 수지판을 나타내는 평면 약도이다. 도 38은, 도 37에서 나타낸 구멍 가공부(401)의 확대 약도이다. 도 39는, 실시예 B1에서 제작한 전기 분해 셀을 나타내는 정면도이다. 도 40은, 도 39에 나타낸 A-A 단면도이다. 도 41은, 실시예 B1에서 제작한 전기 분해 셀에 사용하는, 통전용 금속 틀(505)의 평면 약도이다. 도 42는, 실시예 B1에서 사용하는 전기 분해 셀 실험 장치의 정면 투시도이다. 도 43은, 실시예 B1에서 사용하는 전기 분해 셀 실험 장치의 상면 투시도이다.

(1) 도 37, 38에 나타낸 바와 같이, 폴리이미드판(400)(우베고산제 UPLEX AD 시트 20mm×20mm, 0.5mmt)의 중앙부의 구멍 가공부(401)(14mm×14 mm)에, 직경 100μm의 드릴(사이토 제작소제 초경 솔리드 루마 드릴 ADR-0.1)을 이용하여, 도 38에 나타낸 바와 같이 복수의 미세 구멍(가스 투과용 관통 구멍)(402)을 200μm 피치로 60° 지그재그상으로 천공 가공을 행했다.

(2) (1)에서 작성한 다공 가공된 폴리이미드판(400)을, 소성 시에 만곡 변형을 억제하기 위해, 2장의 흑연판(150mm×150mm×30mm)에 끼워, 오븐에 넣었다. 아르곤으로 충분히 치환하고, 아르곤 기류 하(1L/분)에서 가열 승온시켜, 1시간에 걸쳐 1500℃로 승온시켰다. 그 온도로 1시간 유지하여 소성한 후, 가열을 정지하여 자연 냉각하여, 200℃까지 냉각하고 나서 뽑아 내어, 다공 전극(가스 생성용 탄소 전극)(403)을 완성했다.

다공 전극(403)의 크기는 20% 정도 수축되고, 더불어 구멍 직경도 같은 정도 수축되어 약 80μm로 되어 있었다. 또한, 두께 방향으로도 수축되어, 두께는 430μm였다. 이 다공 전극(403)의 라만 스펙트럼의 G1 밴드의 반치폭(半値幅)은 58cm^-1이며, XRD 측정에서의 22°~ 27° 부근에서 측정되는 피크의 반치폭은 7.8°이며, 4단자법으로 측정한 부피 저항률은 6.5×10³μΩcm였다.

라만 스펙트럼은, 측정 장치로서 JRS-SYSTEM 2000(RENISHAW사제 현미(顯微) 라만 시스템)을 이용하여, 레이저 파장 532nm, 레이저 파워 100%, 그레이팅 1800L/mm, 대물 렌즈 50배, 측정 시간 30초, 적산 회수 3회의 조건으로 측정했다. 측정 스펙트럼을 가우스 함수를 사용하여 커브 피팅하여, 1610cm^-1 근방의 피크를 G1 밴드로 했다. G1 밴드의 반치폭이 작을수록 흑연화도가 높고, 반대로 반치폭이 클수록 흑연화도가 낮다고 한다.

XRD 측정은, 측정 장치에는 RINT-1500(리가쿠사제)을 이용하고, X선은 Cu K-α선, 인가 전압은 50kV, 인가 전류는 200mA, 스캔 스피드는 4°/분, 스캔 스텝 0.2°의 조건으로 실시했다. 22°~ 27° 부근에서 측정되는 피크의 반치폭으로부터, 흑연화도를 평가했다. 22°~ 27° 부근에서 측정되는 피크는, 흑연의 002면 유래이며, 이 피크의 반치폭이 좁을수록, 고도로 배향된 흑연으로 간주되고, 통상의 흑연재의 측정 결과는 1.0° 이하이다. 반대로, 흑연층이 작거나, 흑연층의 규칙성이 저하되거나 하면, 반치폭은 커진다.

(3) (2)에서 작성한 다공 전극(403)을, 도 39에 나타낸 전기 분해 셀에 설치하여, KF?2HF 용융염의 전기 분해 실험을 행했다. 전기 분해 셀은, 불소 수지(PTFE)를 기계가공하여 작성했다. 도 40에 나타낸 바와 같이, 전기 분해 셀에는, 다공 전극(403)의 이측(裏側)에 공간(509)이 마련되어 있다.

다공 전극(403)은, 누름판(504)과 통전용 금속 틀(505)에 끼워, 누름판(504)을 통해서 불소 수지제 볼트에 의해 전기 분해 셀 본체(508)에 밀착되어, 통전을 확보하고 있다. 누름판(504)에는, 다공 전극(103)이 KF?2HF 용융염과 접촉하기 위한 창(510)(10mm×10mm)이 내어져 있고, 이 때의 전극 면적은 1cm²로 된다.

통전용 금속 틀(505)은, 도 41에 나타내었듯이, 전극과 용융염이 접촉하는 중앙부에 10mm×10mm의 창이 내어져 있어, 발생한 가스를 공간(509)으로 보내는 것이 가능한 구조로 되어있다. 또한, 통전용 금속 틀(505)에는, 통전용 와이어(506) 가 접속되어 있고, 통전용 와이어(506)는 외부에 설치한 직류 전원 장치와 접속되어 있다.

전기 분해 셀 본체(508)에는, 질소 가스 공급용 관(501)과 가스 배출용 관(502)이 불소 수지제 커넥터(507)를 사용하여 접속되어 있고, 양관 함께 전기 분해 셀 본체(508)에 열려진 관통 구멍(503)을 통하여, 전극 이측의 공간(509)과 통하여 있다. 질소 가스 도입구(1A)로부터 도입된 질소 가스는, 관통 구멍(503)을 통과하여, 전극 이측의 공간(509)을 통하여, 전극에서 발생한 가스를 따라, 도출구(1B)로부터 계 밖으로 배출된다.

(4) 도 39에 나타낸 전기 분해 셀은, 도 42에 나타낸 전기 분해 셀 실험 장치에 조립되어 있다. 전기 분해 셀 실험 장치는, 용융염(518)을 축적하는 조(515)와, 뚜껑(516)으로 크게 나누어진다.

전기 분해 셀은 뚜껑(516)에 불소 수지제 커넥터(507)을 통해서 설치되어 있고, 질소 가스 공급용 관(501)과 가스 배출용 관(502)이, 전기 분해 셀 실험 장치 외부로 통해 있다. 전기 분해 셀 실험 장치의 뚜껑(516)에는, 불소 수지제 커넥터(507)를 통해서, φ 6mm의 니켈 막대로 이루어지는 캐쏘드 전극(511)과, 열전대(514), 질소 가스 공급용 관(512), 가스 배출용관(513)이 설치되어 있다. 질소 가스 도입구(2A)로부터 도입된 질소 가스는, 다공 전극(403)에서 발생한 가스를 따라, 도출구(2B)로부터 계 밖으로 배출된다. 전기 분해 셀의 전극면과 캐쏘드 전극(511)의 최단부의 거리는 30mm였다. KF?2HF 용융염(518)을, 전극의 최심부로부터 30mm 위의 라인(517)까지 넣어 실험했다.

(5) (4)에서 작성한 전기 분해 셀 실험 장치를, 100℃로 조정한 오일 욕(bath)에 담그고, 질소 가스 공급용 관(501과 512)에 질소 가스를 10mL/min의 유속으로 유통시키고, 통전용 와이어(506)를 직류 전원의 양극에 캐쏘드 전극(511)을 음극에 접속시켜, 전기 분해 실험을 행했다.

제작한 전기 분해 셀 실험 장치에, 7V의 직류 전류를 인가하여 실험한 바, 5일 이상 안정되게 전기 분해가 계속되었다. 도출구(1B)로부터 나온 기체를 테들러 팩에 채집하고, 불소 가스 검지관(주식회사 가스테크사제 가스 검지관 No.17)을 사용하여 측정한 바, 검지관의 지시약이 백색으로 탈색하여 불소 가스가 발생한 것을 확인했다. 이 때의 전류 밀도의 시간에 대한 변화량을 나타내는 그래프를 도 44에 나타낸다. 안정 시의 평균 전류 밀도는 약 30mA/cm²였다.

(실시예 B2)

다공 전극(403)의 소성 온도를 1300℃로 바꾼 이외에는, 실시예 B1과 마찬가지로 실험했다. 이 다공 전극(403)의 라만 스펙트럼의 G1 밴드의 반치폭은 62cm^-1이며, XRD 측정으로 22°~ 27° 부근에서 측정되는 피크의 반치폭은 7.4°이며, 4단자법으로 측정한 부피 저항률은 4.7×10³μΩcm였다. 7V의 직류 전류를 인가하여 실험한 바, 평균 전류 밀도 5mA/cm²로 1일 이상 안정되게 흘렀다. 전기 분해 개시 직후에, 도출구(1B)로부터 나온 기체를 테들러 팩에 채집하고, 불소 가스 검지관(주식회사 가스테크사제 가스 검지관 No.17)을 사용하여 측정한 바, 검지관의 지시 약이 백색으로 탈색하여 불소 가스가 발생한 것을 확인했다.

(실시예 B3)

다공 전극(403)의 소성 조건에 있어서 1300℃에 달하는 시간을 5시간으로 바꾼 이외에는, 실시예 B2와 마찬가지로 실험했다. 이 다공 전극(403)의 라만 스펙트럼의 G1 밴드의 반치폭은 61cm^-1이며, XRD 측정으로 22°~ 27° 부근에서 측정되는 피크의 반치폭은 7.3°이며, 4단자법으로 측정한 부피 저항률은 4.7×10³μΩcm였다. 7V의 직류 전류를 인가하여 실험한 바, 평균 전류 밀도 15mA/cm²로 1일 이상 안정되게 흘렀다. 전기 분해 개시 직후에, 도출구(1B)로부터 나온 기체를 테들러 팩에 채집하고, 불소 가스 검지관(주식회사 가스테크사제 가스 검지관 No.17)을 사용하여 측정한 바, 검지관의 지시약이 백색으로 탈색하여 불소 가스가 발생한 것을 확인했다.

(실시예 B4)

다공 전극(403)의 소성 조건에 있어서 1300℃에 도달하고 나서 5시간 그 온도로 유지한 것 이외에는, 실시예 B2와 마찬가지로 실험했다. 이 다공 전극(403)의 라만 스펙트럼의 G1 밴드의 반치폭은 60cm^-1이며, XRD 측정으로 22°~ 27° 부근에서 측정되는 피크의 반치폭은 7.4°이며, 4단자법으로 측정한 부피 저항률은 4.5×10³μΩcm였다. 7V의 직류 전류를 인가하여 실험한 바, 평균 전류 밀도 10mA/cm²로 1일 이상 안정되게 흘렀다. 전기 분해 개시 직후에, 도출구(1B)로부터 나온 기 체를 테들러 팩에 채집하고, 불소 가스 검지관(주식회사 가스테크사제 가스 검지관 No.17)을 사용하여 측정한 바, 검지관의 지시약이 백색으로 탈색하여 불소 가스가 발생한 것을 확인했다.

(비교예 B1)

천공 가공을 하지 않고서 실시예 B1과 마찬가지로 소성한 탄소판을, 다공 전극(403) 대신에 이용한 것 이외에는, 실시예 B1과 마찬가지로 실험했다. 이 탄소판의 라만 스펙트럼의 G1 밴드의 반치폭은 57cm^-1이며, XRD 측정으로 22°~ 27° 부근에서 측정되는 피크의 반치폭은 7.5°이며, 4단자법으로 측정한 부피 저항률은 6.8×10³μΩcm였다. 7V의 직류 전류를 인가하여 실험한 바, 전해 초기는 약 200mA/cm²의 전류 밀도로 전류가 흘렀지만, 1시간 후에는 거의 전류가 흐르지 않게 되었다.

(실시예 C1)

이하에서, 도 45~도 47에 따라, 전기 분해 셀 실험 장치(이하, 「본 실험 장치」라고 함)에 의한 실험 결과를 설명한다.

도 45(a)는 본 실험 장치의 상면도, 도 45(b)는 정면도이다.

도 45(a), 도 45(b)에 나타내는 전기 분해 셀 실험 장치는, 용융염조(35)의 중앙부에 전기 분해 셀(E)을 조립하여 전기 분해의 실험을 실시하는 장치이다. 용융염조(35)는 도시하는 편의상, 내부를 투시한 상태로 도시하고 있다.

용융염조(35)의 상부를 덮는 천개(天蓋)(36)에는, 예비도 포함하여 복수의 테플론(등록상표)관(22, 23)이, 테플론(등록상표) 조인트(28)에 의해 수직으로 고정되어 있다.

도 45(b)에 나타낸 바와 같이, 막대상의 전극(32)이, 전해액(7)에 침지됨과 더불어, 그 상부가 용융염조(35) 밖에 존재하고 있다. 전극(32)은, 도시하지 않는 도선을 통하여 직류 전원의 음극에 접속되어 있다. 또한, 용융염조(35)의 중앙부에는, 전기 분해 셀(E)이 천개(36)로부터 매달려 전해액(7)에 담겨져 있다. 이하에, 도 46을 참조하여, 전기 분해 셀(E)에 대하여 설명한다.

도 46(a)는, 본 실험 장치에 있어서의 전기 분해 셀(E)의 단면도, 도 46(b)는 도 46(a)의 D-D 단면도이다. 도 46(a), 도 46(b)에 나타낸 바와 같이, 전기 분해 셀(E)은, 절연 재료에 의한 전기 분해 셀 본체(29)의 전면 중앙에 전극(51)이 배설되어 있다. 전극(51)은, 전극 누름판(27)으로 고정되어 있다. 전극 누름판(27)에 의해 전극(51)의 가스 발생면(α)을 전해액(7)에 접촉시킬 수 있다. 전극(51)은 통전용 금속 와이어(니켈 와이어)(26)를 통하여 직류 전원의 양극에 접속되어 있다.

전기 분해 셀 본체(29)는, PTFE판으로 이루어지고, 35mm×40mm×15mmt의 형상을 갖는다. 또한, 그 중앙부에 깊이 10mm의 오목부(31)를 구비한다. 전극(51)의 가스 방출면(β)은 오목부(31) 내에 노출되어 있다. 또한, 전기 분해 셀 본체(29)에는, 기체 유로(3)가 테플론(등록상표)관(22, 23) 내에 설치되어, 외부로부터 오목부(31)의 공간(37)에 기체를 도입, 배출할 수 있다.

오목부(31)의 전연부(前緣部)에는 오목부가 형성되어 있고, 이 오목부에, 통 전용 금속 틀(30)이 끼워져 들어가 있다. 한편, 전극 누름판(27)의 오목부(31)에는, 전극(51)이 끼워져 들어가 있고, 전극 누름판(27)을 전기 분해 셀 본체(29)에 접속함으로써 전극(51)은 전기 분해 셀(E)에 고정된다.

전기 분해 셀(E)에 접속된 테플론(등록상표)관(22)에 의해, 질소 가스를 오목부(31)의 공간(37) 내에 도입하여, 배출관(23)으로부터 배출한다. 배출관(23)으로부터 유출하는 가스를 채집하여 분석할 수 있다.

음(-)의 전극(32)은 직경 3mm의 니켈 막대 2개에 의해 구성되어 있다. 이 전극(32)은, 전극(51)을 관찰하는 시계를 가로막지 않도록, 전극(51)의 정면을 피하여 곁에 가까이 대고, 또한, 음양(+/-)의 전극간 거리를 균등하게 하기 위해, 좌우 대칭인 위치에 2개 설치되어 있다.

용융염 액면 레벨(34)은, 전기 분해 셀(E)의 전극(51)이 전해액(7)에 잠기는 높이로 유지한다. 한편, 전해액(7)의 액면이, 전극(51)의 최하부로부터 4cm 이상 위쪽에 존재하고 있는 상태로, 전해액(7)이 관통 구멍을 통해서 오목부(31)의 공간(37) 내에 침윤?투과?누설하지 않는 것이 필수 요건이다.

용융염조(35)의 바닥부는 구리제의 히터 블록(18)에 테플론(등록상표) 시트(t=0.2mm)를 끼워 재치(載置)되도록 구성되어 있다. 그 히터 블록(18)에는 로드 히터(20) 및 열전대(21)가 설치되어, 용융염조(35)의 바닥부로부터 전해액(7)을 적당히 가열한다. 전해액(7)의 온도는, 열전대(21)의 검출하는 온도 정보를 도시하지 않는 써모스탯 등에 피드백하여, 지정 온도로 유지하는 것이 가능하다.

본 실시예에 있어서, F₂ 가스를 얻기 위해서, HF를 포함하는 전해액을 전기 분해한다. 일반적으로, 무수 HF는 전기 저항이 높아, 전기 분해하기 어렵지만, 예컨대 KF와 HF를 반응시켜, HF?nHF의 전해액(7)을 제작하면, 전해액(7)의 전기 저항은 낮아, 전해액(7) 중의 HF의 전기 분해가 가능해진다.

2HF→ H₂ + F₂

이 반응에 있어서, KF는 소비되지 않고, 원재료로서의 HF만이 소비된다. 따라서, 생성된 F₂ 가스의 양에 따라 HF 가스를 전해액(7) 중에 공급할 필요가 있다. 그래서 전해조(35) 내의 전해액(7)에 HF 가스를 버블링하는 등을 하여, 전해액(7)에 HF를 공급한다. 전해액(7)은 그 융점 이상으로 가열되고 있어, 그 내부에는 대류가 발생하고, 게다가 버블링에 의해 발생하는 대류의 효과와 합쳐져서 전해액(7)은 교반되고 있다. 따라서, 전해액(7)에 공급된 HF는 전해액(7) 내에 거의 균일하게 확산된다.

도 47(a)는 본 실험장치에 있어서의 전기 분해 셀(E) 용의 전극(51)의 정면도, 도 47(b)는, 통전용 금속 틀(30)의 정면도이다. 도 47(a)에 나타내는 전극(51)은, 탄소판(도카이카본사제 G348 1mmt)을, 24mm×14mm(r=1mm)로 한 후, 자리파기면(14)에 깊이 0.6mm만큼 오목부를 형성하여, 이 자리파기면(14)의 오목부에, 탄소판의 두께 방향으로 관통 구멍을 설치하는 것에 의해 제조된다.

관통 구멍(6)은, 도 29에도 나타내었듯이, 드릴(초경 솔리드 루마 드릴ADR-0.1)에 의해서, 직경 100μm, 150μm 피치로 60도의 지그재그로 천설(穿設)했다. 또한, 기체 미세 유로(112)의 가공된 면과 전해액(7)이 접하는 유효 전극면은 10mm×20mm로 했다.

도 47(b)에 나타내는 통전용 금속 틀(30)은, 도 46(b)에 나타낸 바와 같이, 전극(51)을 지탱함과 더불어 양의 전압을 인가하도록 통전하기 위한 금속 틀이다. 통전용 금속 틀(30)은, 외측 치수 24mm×14mm×2mmt(r=1mm)의 니켈판에, 20mm×10mm(r=0.5mm)의 창이 절삭 가공에 의해 형성된 니켈 틀이다.

이 통전용 금속 틀(30)로부터 양의 전원까지의 사이는, 통전용 금속 와이어(26)인 직경 0.5mm의 니켈 와이어를 통해서 접속되어 있다. 전기 분해 셀 본체(29)의 상부에 테플론(등록상표) 조인트(28)가 배설되고, 이 테플론(등록상표) 조인트(28)에 테플론(등록상표)관(22, 23)이 고정되어 있다. 이 테플론(등록상표)관(22) 내를 통전용 금속 와이어(26)가 통과해 나와, 전기 분해 셀(E)의 외부의 직류 전원과 접속할 수 있도록 전기 분해 셀(E) 및 전기 분해 셀 실험 장치가 구성되어 있다.

이 전기 분해 셀 실험 장치에 있어서, 전극(51)을 양극, 전극(32)을 음극으로 하고, 이들 두 극 사이에 직류 전압 7.0V를 인가하여 정전압 전해했다. 각각의 기체 유로 입구(도입구)인 테플론(등록상표)관(22)으로부터 질소를 10mL/min의 유량으로 공급했다. 이 상태로 전극(51)으로부터 생긴 가스는, 관통 구멍을 통해서 오목부(31)의 공간(37) 내로 배출되어, 기체 유로 출구(도출구)인 테플론(등록상표)관(23)으로부터 질소 가스와 함께 배출되었다. 한편, 전극(51)의 표면으로부터 전해액(7)의 액면으로 떠오르는 기포가 존재하지 않는 것이 관찰되었다.

기체 유로 출구(도출구)(23)로부터 배출된 기체를 테들러 팩에 채집하고, 불소 가스 검지관(주식회사 가스테크사제 가스 검지관 No.17)을 사용하여 측정한 바, 검지관의 지시약이 백색으로 탈색하여 불소 가스가 생성된 것을 확인했다. 이 때의 전류 밀도의 시간에 대한 변화량은, 안정 시의 평균 전류 밀도는 약 50mA/cm²였다. 전압을 8V로 했을 때의 평균 전류 밀도는 약 120mA/cm²이며, 전압을 9V로 했을 때의 평균 전류 밀도는 약 250mA/cm²였다. 이것은 도 48의 그래프에 나타내는 바와 같다.

(실시예 C2)

전극(51)에 설치한 관통 구멍(6)의 피치를 1mm로 한 것 이외에는, 실시예 C1과 마찬가지로 하여 전기 분해를 행했다. 전해액(7)의 액면을 전극(51)의 최하부로부터 4cm 위의 위치까지 채웠지만, 전해액(7)은 관통 구멍(6)을 통해서 오목부(31)의 공간(37)으로 새지 않는다는 것을, 실시예 C1과 마찬가지로 확인했다. 또한, 전압을 7V로 했을 때의 안정 시의 평균 전류 밀도는 약 80mA/cm²이며, 전압을 8V로 했을 때의 평균 전류 밀도는 약 150mA/cm²였다. 그리고, 전압을 9V로 했을 때의 평균 전류 밀도는 약 200mA/cm²였다.

(실시예 C3)

전극(51)에 관통 구멍(6)을 형성하지 않은 것 이외에는, 실시예 C1과 마찬가 지로 하여 전기 분해를 행했다. 전압 7V를 인가한 직후는, 약 90mA/cm²의 전류 밀도로 전류가 흘렀지만, 차차 감소하여, 약 20분 경과한 시점에서 거의 전류가 흐르지 않게 되었다. 이것은 도 49의 그래프에 나타내는 바와 같다.

한편, 상술한 어느 쪽의 실시예도, 불화수소의 전기 분해 반응에 의해, 불소와 수소로 분해되어, 각각 회수할 수 있었다. 또한, 본 실험에서는, 불화수소의 전기 분해 반응을 시키기 위한 물질로서 불화수소를 함유하는 전해액을 이용하여 예시했지만, 이 전해액은 다른 물질이더라도 상관없다.

Claims (51)

1. 양극 또는 음극의 어느 한쪽 및 다른 쪽인 제 1 탄소 전극 및 제 2 전극의 사이에 전압을 걸어 전해액을 전기 분해하는 것에 의해 상기 제 1 탄소 전극에서 제 1 가스를 생성하는 가스 생성 장치로서,

   상기 제 1 탄소 전극에는, 상기 전해액을 통과시키지 않고, 한쪽의 면에서 생성된 상기 제 1 가스를 다른 쪽의 면에 선택적으로 통과시키는 복수의 기체 미세 유로가 형성되어 있는 가스 생성 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 탄소 전극 및 상기 제 2 전극의 사이에 전압을 걸어 상기 전해액을 전기 분해하는 것에 의해 상기 제 2 전극에서 제 2 가스가 생성되는 가스 생성 장치로서,

   상기 전해액이 흐르는 액체 유로와,

   상기 액체 유로에 각각 접하고, 상기 액체 유로를 사이에 두고 설치된 상기 제 1 탄소 전극 및 상기 제 2 전극과,

   상기 액체 유로와의 사이에 상기 제 1 탄소 전극을 두고 설치되고, 상기 제 1 가스를 수용하는 제 1 가스 수용부와,

   제 2 탄소 전극인 상기 제 2 전극과,

   상기 액체 유로와의 사이에 상기 제 2 탄소 전극을 두고 설치되고, 상기 제 2 가스를 수용하는 제 2 가스 수용부

   를 포함하고,

   상기 제 1 탄소 전극에 형성된 상기 기체 미세 유로를 통해서 상기 액체 유로와 상기 제 1 가스 수용부가 연통하고 있고,

   상기 제 2 탄소 전극에는, 상기 제 2 가스를 선택적으로 통과시키는 복수의 기체 미세 유로가 형성되어 있고, 상기 기체 미세 유로를 통해서 상기 액체 유로와 상기 제 2 가스 수용부가 연통하고 있는 가스 생성 장치.
3. 삭제
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 제 1 가스 수용부는, 불활성 가스가 도입되는 가스 입구와, 상기 불활성 가스와 함께 상기 제 1 가스가 도출되는 가스 출구를 갖는 제 1 가스 유로이고,

   상기 제 2 가스 수용부는, 불활성 가스가 도입되는 가스 입구와, 상기 불활성 가스와 함께 상기 제 2 가스가 도출되는 가스 출구를 갖는 제 2 가스 유로인 가스 생성 장치.
5. 제 4 항에 있어서,

   지지 기판과, 상기 지지 기판 상에 배치된 뚜껑 기판을 갖고,

   상기 액체 유로는, 상기 지지 기판에 형성된 제 1 유로용 홈과, 상기 제 1 유로용 홈을 덮는 상기 뚜껑 기판으로부터 형성되고,

   상기 제 1 가스 수용부 및 상기 제 2 가스 수용부는, 상기 지지 기판의 상기 제 1 유로용 홈의 양측방에 상기 제 1 유로용 홈과 간격을 두고 각각 형성된 제 2 유로용 홈 및 제 3 유로용 홈과, 상기 제 2 유로용 홈 및 상기 제 3 유로용 홈을 덮는 상기 뚜껑 기판으로부터 형성되고,

   상기 제 1 탄소 전극은, 상기 지지 기판의 상기 제 1 유로용 홈과 상기 제 2 유로용 홈 사이에 이들에 접하여 설치된 제 1 전극 설치용 오목부 내에 설치되고,

   상기 제 2 탄소 전극은, 상기 지지 기판의 상기 제 1 유로용 홈과 상기 제 3 유로용 홈 사이에 이들에 접함과 더불어, 상기 제 1 전극 설치용 오목부와 대향하는 위치에 설치된 제 2 전극용 오목부 내에 설치된 가스 생성 장치.
6. 삭제
7. 삭제
8. 제 2 항에 있어서,

   상기 제 1 탄소 전극은, 상기 기체 미세 유로로 되는 복수의 관통 구멍이 설치된 제 1 탄소판에 의해 구성되고,

   상기 제 2 탄소 전극은, 상기 기체 미세 유로로 되는 복수의 관통 구멍이 설치된 제 2 탄소판에 의해 구성되고,

   상기 제 1 탄소 전극 및 상기 제 2 탄소 전극은 상기 액체 유로를 통해서 대향 배치되고, 상기 제 1 탄소판에 있어서 상기 제 2 탄소 전극과 대향하는 면의 이면측에 상기 제 1 가스 수용부를 구비하고, 상기 제 2 탄소판에 있어서 상기 제 1 탄소 전극과 대향하는 면의 이면측에 상기 제 2 가스 수용부를 구비하는 가스 생성 장치.
9. 제 2 항에 있어서,

   복수의 상기 제 1 탄소 전극과 복수의 상기 제 2 탄소 전극이, 상기 제 2 탄소 전극, 상기 제 1 탄소 전극, 상기 제 1 탄소 전극, 상기 제 2 탄소 전극의 순으로 배치되고, 상기 제 1 탄소 전극과 상기 제 2 탄소 전극 사이에 상기 액체 유로가 배치되고, 상기 제 1 탄소 전극과 상기 제 1 탄소 전극 사이에 상기 제 1 가스 수용부가 배치되어 있는 가스 생성 장치.
10. 제 2 항에 있어서,

    상기 전해액은, 불화수소를 포함하는 용융염이고,

    상기 제 1 탄소 전극은 양극이고, 상기 제 1 탄소 전극에서 불소 가스가 생성되고, 상기 제 2 탄소 전극에서 수소 가스가 생성되는 가스 생성 장치.
11. 제 1 항에 있어서,

    양극인 제 1 탄소 전극과 음극인 제 2 전극 사이에 전압을 걸어 전해액을 전기 분해함으로써 상기 제 1 탄소 전극에서 제 1 가스를 생성하고, 상기 제 2 전극에서 제 2 가스를 생성하는 가스 생성 장치로서,

    상기 전해액이 흐르는 액체 유로와,

    상기 액체 유로를 사이에 두고 설치되고, 대향하는 면이 상기 전해액에 접촉하는 상기 제 1 탄소 전극 및 상기 제 2 전극과,

    상기 제 1 탄소 전극의 상기 전해액에 접촉하는 면의 이면을 위요(圍繞)하도록 설치된, 상기 제 1 가스를 수용하는 제 1 가스 수용부와,

    상기 제 2 전극의 상기 전해액에 접촉하는 면의 이면을 위요하도록 설치된, 상기 제 2 가스를 수용하는 제 2 가스 수용부

    를 구비하고,

    상기 기체 미세 유로는 가스 투과용 관통 구멍이고,

    상기 액체 유로와 상기 제 1 가스 수용부는 상기 가스 투과용 관통 구멍을 통해서 연통하고 있고, 상기 제 1 탄소 전극의 상기 전해액에 접촉하는 면에서 생성된 상기 제 1 가스를, 상기 가스 투과용 관통 구멍을 통해서 선택적으로 통과시켜 상기 제 1 가스 수용부에 공급하도록 구성되어 있고,

    상기 제 2 전극은, 한쪽의 면에서 생성된 상기 제 2 가스를, 다른 쪽의 면에 선택적으로 통과시킬 수 있는 복수의 가스 투과용 관통 구멍이 형성된 제 2 탄소 전극이며,

    상기 액체 유로와 상기 제 2 가스 수용부는 상기 가스 투과용 관통 구멍을 통해서 연통하고 있고, 상기 제 2 탄소 전극의 상기 전해액에 접촉하는 면에서 생성된 상기 제 2 가스를, 상기 가스 투과용 관통 구멍을 통해서 선택적으로 통과시켜 상기 제 2 가스 수용부에 공급하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 가스 생성 장치.
12. 삭제
13. 삭제
14. 삭제
15. 삭제
16. 삭제
17. 삭제
18. 삭제
19. 삭제
20. 삭제
21. 삭제
22. 삭제
23. 삭제
24. 제 1 항에 있어서,

    상기 제 1 탄소 전극 및 상기 제 2 전극의 적어도 한쪽은 탄소재에 의해 구성되고, 상기 기체 미세 유로는 가스를 선택적으로 통과시키는 관통 구멍이고,

    상기 관통 구멍의 개구폭은 1000μm 이하인 것을 특징으로 하는 가스 생성 장치.
25. 제 24 항에 있어서,

    상기 탄소재는, 비정질 탄소로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가스 생성 장치.
26. 삭제
27. 삭제
28. 삭제
29. 삭제
30. 삭제
31. 제 25 항에 있어서,

    상기 탄소재는, 유기 수지를 700℃ 이상 3200℃ 이하의 온도로 소성하여 수득되고,

    상기 유기 수지는, 방향족 폴리이미드 수지 또는 아라미드 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 생성 장치.
32. 삭제
33. 삭제
34. 삭제
35. 삭제
36. 삭제
37. 삭제
38. 삭제
39. 삭제
40. 삭제
41. 삭제
42. 삭제
43. 삭제
44. 삭제
45. 유기 수지 재료를 준비하는 공정,

    상기 유기 수지 재료를 이용하여, 전해액을 통과시키지 않고, 한쪽의 면에서 생성된 가스를 다른 쪽의 면에 선택적으로 통과시키는 관통 구멍을 복수로 구비하는 유기 수지막을 조제하는 공정, 및

    700℃ 이상 3200℃ 이하의 온도로, 상기 유기 수지막을 소성하는 것에 의해 탄소재를 얻는 공정

    을 포함하는 것을 특징으로 하는, 제 1 항, 제 2 항, 제 4 항, 제 5 항, 제 8 항 내지 제 11 항, 제 24 항 제 25 항 및 제 31 항 중 어느 한 항에 기재된 가스 생성 장치에 사용되rd는 가스 생성용 탄소 전극의 제조방법.
46. 삭제
47. 제 45 항에 있어서,

    상기 관통 구멍을 복수 구비하는 상기 유기 수지막을 조제하는 상기 공정에 있어서,

    기계가공, 에칭, 사출 성형, 샌드 블래스트 가공 또는 레이저 가공에 의해 상기 관통 구멍을 형성하는 것을 특징으로 하는 가스 생성용 탄소 전극의 제조방법.
48. 삭제
49. 삭제
50. 삭제
51. 전해액이 흐르는 액체 유로와,

    상기 액체 유로를 사이에 두고 설치되고, 대향하는 면이 상기 전해액에 접촉하는 제 1 탄소 전극 및 상기 제 2 전극과,

    상기 제 1 탄소 전극의 상기 전해액에 접촉하는 면의 이면을 위요하도록 설치된 제 1 가스 수용부를 구비하고,

    상기 제 1 탄소 전극으로서, 탄소재에 의해 구성되고, 가스를 선택적으로 통과시키는 개구폭이 1000μm 이하의 관통 구멍이 복수 설치된 가스 생성용 탄소 전극을 구비하는 가스 생성 장치를 이용하여, 가스를 생성하는 방법으로서,

    상기 액체 유로에 상기 전해액을 흐르게 하는 공정, 및

    상기 제 1 탄소 전극 및 상기 제 2 전극의 사이에 전압을 걸어 상기 전해액을 전기 분해하여, 상기 제 1 탄소 전극에서 제 1 가스를 생성하는 공정

    을 포함하고,

    상기 제 1 가스를 생성하는 공정에 있어서,

    상기 전기 분해를 계속함과 더불어, 상기 제 1 탄소 전극에서 발생한 상기 제 1 가스를 상기 가스 투과용 관통 구멍을 통해서 선택적으로 통과시켜 상기 제 1 가스 수용부에 공급하는 공정을 포함하는, 가스 생성 방법.

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