專利名稱：電解裝置及方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及針對熔融電解液的電解裝置及方法，特別是涉及用于對 熔融金屬氯化物進行電解以從陽極得到氣體、從陰極得到熔融金屬的熔 融鹽電解裝置及方法。
背景技術(shù)：
近年來，提出了一種通過對金屬氯化物進行直接電解而得到金屬和 氯氣的制法。該制法與基于使用金屬氯化物水溶液的電解的制法有所不 同，所得到的氯氣的純度幾乎是100%的高純度，同時，所得到的金屬的 純度也較高，由于具有上述特性，對金屬氯化物進行直接電解而得到金 屬和氯氣的制法不僅在金屬的制造中能夠應用，而且在對由金屬氯化物 得到金屬時使用的還原用金屬進行回收時也能夠應用。
具體來講，作為從金屬氯化物得到的金屬，已知有鈉等堿金屬及鋁， 并且，作為將金屬氯化物還原后被回收的還原用金屬，已知有通過所謂
的Kmll法從氯化鈦精煉出鈦時所使用的鎂等。
并且，通過所謂的鋅還原法利用鋅還原四氯化硅以得到高純度的硅 的制法由于設備小型、能耗低且能夠得到6個9以上的高純度的硅，因 此該制法作為被認為今后需求將急劇擴大的太陽能電池用硅的制法而受 到矚目。
所述制法利用以下述化學式1表示的反應，但是，由于硅(Si)的 原子量為28.1而氯化鋅(ZnCl2)的分子量為136.4，并且生成2分子的 氯化鋅，因此，生成產(chǎn)量約為硅的產(chǎn)量的IO倍的氯化鋅，從而確立該氯 化鋅的回收處理方法已成為很大的問題。
SiCl4 + 2Zn ~~ Si + 2ZnCl2(化學式1)
本發(fā)明人著眼于氯化鋅的熔點處于283。C 36(TC范圍內(nèi)，鋅的熔點為413。C等，已發(fā)現(xiàn)能夠?qū)θ廴诼然\進行直接鹽電解的條件。具體來說， 鋅的熔點比氯化鋅的熔點高100。C以上，但是，進一步發(fā)現(xiàn)，如果考慮氯
化鋅電解質(zhì)的電導率及粘度系數(shù)，則在比氯化鋅的熔點高約20(TC以上的 50CrC 55(TC的溫度范圍，能夠高效地對熔融氯化鋅進行直接電解。但 是，在上述高溫區(qū)域中，氯化鋅的蒸氣壓會上升0.05atm左右，且生成氯 氣的同時也產(chǎn)生大量的氯化鋅霧，因此如果保持這種狀態(tài)，則具有發(fā)生 管道堵塞等現(xiàn)象的傾向。
因此，在下述專利文獻1中提出了一種電解裝置，其中，將電解用 電極設置為復極型電極，從而提高電解效率；同時，在電解槽上部設置 截面面積與電解槽截面面積幾乎相同的除霧器，邊降低含有金屬霧的氯 氣的上升速度，邊在氯氣的上升中冷卻氯氣，使氯氣中的氯化鋅微液滴 即氯化鋅霧朝電解浴側(cè)落下而被分離出來。
此外，在下述的專利文獻2中公開了一種電解裝置，其中，通過用 電極框架包圍電極，使電解液表面的溫度保持在比實際電解溫度低的溫 度，從而抑制氯化鋅霧的產(chǎn)生。
專利文獻1:日本特開2005-200759公報
專利文獻2:日本特開2005-200758公報
在熔融金屬氯化物等熔融鹽的電解領域中，不限于氯化鋅，還要有 效應用于從其它金屬鹽中獲取金屬的具有復極型電解槽的電解裝置是很 難實現(xiàn)的，這種電解裝置在以上的技術(shù)進展中取得了一定的成果，已完 成到驗證水平。
但是，根據(jù)本發(fā)明人的進一步研究，發(fā)現(xiàn)要提高電解效率，理論上 優(yōu)選設置有復極型電極的構(gòu)成，不過，采用該復極型電極時，為了降低 在電極間的區(qū)域中的歐姆損耗以提高電解效率，如果縮短電極間距離， 則產(chǎn)生向電極間之外的區(qū)域的泄漏電流，反而存在電解效率降低的傾向， 因此認為具有改良的余地。
并且，同時發(fā)現(xiàn)，由于在陰極面附近生成的電解生成金屬與在陽極 面附近生成的電解生成氣體的接觸而具有發(fā)生逆反應的傾向，因此在這 點也具有改良的余地。
5并且，還同時發(fā)現(xiàn)，電解生成金屬向電極間蓄積，從而出現(xiàn)電解液 的上升流被阻礙或者堵塞等現(xiàn)象，導致電解生成氣體不能迅速上升到除 霧器，因此在這點也有改良的余地。
此外，發(fā)現(xiàn)如果設置僅包圍復極型電極的周圍的電極框架，則電解 液容易滯留在電極框架內(nèi)的區(qū)域，反而存在使電解效率降低的傾向，因 此存在改良的余地。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是經(jīng)過以上研究而完成的，目的是提供一種電解裝置及方法， 其中，通過實現(xiàn)在降低歐姆損耗的同時抑制泄漏電流，抑制電解生成金 屬與電解生成氣體的接觸，進而將電解生成金屬迅速排放到電極框架外 這樣的構(gòu)成，使電解的電流效率得到提高。
為了解決上述問題，本發(fā)明的第1方面涉及一種熔融鹽電解裝置， 所述熔融鹽電解裝置具備電解槽和電極單元，所述電解槽容納熔融電解 液，該熔融電解液含有熔融金屬氯化物，所述電極單元應浸漬在熔融電 解液中，并且所述電極單元具有作為導體的電極、第1絕緣部件、第2 絕緣部件和電極框架，所述第1絕緣部件覆蓋電極的上端面，并且被固 定在電極的上端部并從上端部向上方延伸，所述第2絕緣部件覆蓋電極 的下端面，并且被固定在電極的下端部并從下端部向下方延伸，所述電 極框架是包圍電極的絕緣體。
此外，本發(fā)明的第2方面涉及一種熔融鹽電解裝置，該裝置在具有 上述構(gòu)成的基礎上，電極具有陽極面部及與陽極面部相對應的陰極面部， 在陽極面部生成氣體，在陰極面部生成比重大于熔融電解液的比重的熔 融金屬。
此外，本發(fā)明的第3方面涉及一種熔融鹽電解裝置，該裝置在上述 第2方面的^礎上，第2絕緣部件具有流道，在陰極面部生成的熔融金 屬通過流道而流向電解槽的底部。
此外，本發(fā)明的第4方面涉及一種熔融鹽電解裝置，該裝置在上述 第3方面的基礎上，流道在所述陰極面部的下端部與第2絕緣部件之間的間隙部具有將在陰極面部生成的熔融金屬導入的入口。
此外，本發(fā)明的第5方面涉及一種熔融鹽電解裝置，該裝置在上述 第4方面的基礎上，在流道的入口具有將陰極面部的下端部倒角后形成 的倒角形狀部和對第2絕緣部件進行切口所形成的切口部中的至少一方。 此外，本發(fā)明的第6方面涉及一種熔融鹽電解裝置，該裝置在上述
第2 5任一方面的基礎上，第1絕緣部件和第2絕緣部件中的至少一方 具有突出部，該突出部向與該絕緣部件鄰接的絕緣部件突出并突出于陰 極面部的位置。
此外，本發(fā)明的第7方面涉及一種熔融鹽電解裝置，該裝置在上述 第2 6任一方面的基礎上，將電極相對于垂直方向傾斜地配置，使得陽 極面部朝下、陰極面部朝上，從而在陽極面部生成的氣體沿著陽極面部 向上方移動、在陰極面部生成的熔融金屬沿著陰極表面向下方移動。
此外，本發(fā)明的第8方面涉及一種熔融鹽電解裝置，該裝置在上述 第2 7任一方面的基礎上，陽極面部與第1絕緣部件和第2絕緣部件處 于同一平面。
此外，本發(fā)明的第9方面涉及一種熔融鹽電解裝置，該裝置在上述 第2 8任一方面的基礎上，在熔融金屬與第2絕緣部件之間，設有抑制 泄漏電流的屏蔽部件，所述熔融金屬在陰極面部生成并存積于電解槽的 底部。
此外，本發(fā)明的第IO方面涉及一種熔融鹽電解裝置，該裝置在上述 第1 9任一方面的基礎上，電極是具有一對端部電極和配在一對端部電 極之間的中間部電極的復極式電極。
此外，本發(fā)明的第11方面涉及一種熔融鹽電解裝置，該裝置在上述 第1 10任一方面的基礎上，熔融電解液為熔融氯化鋅。
此外，本發(fā)明的第12方面涉及一種熔融鹽電解裝置，該裝置在上述 第1 11任一方面的基礎上，電解槽是在電解槽內(nèi)部表面被覆有陶瓷的 金屬制電解槽或者石墨制電解槽。
此外，本發(fā)明的第13方面涉及一種熔融鹽電解裝置，該裝置在上述 第1 12任一方面的基礎上，第1絕緣部件和第2絕緣部件是陶瓷制絕
7緣部件。
此外，本發(fā)明的第14方面涉及一種熔融鹽電解裝置，該裝置在上述 第1 13任一方面的基礎上，第1絕緣部件和第2絕緣部件中的至少一 方的厚度沿著朝向絕緣部件的前端部的方向減薄。
此外，本發(fā)明的第15方面涉及一種熔融鹽電解方法，該方法包括 準備熔融鹽電解裝置的工序，所述熔融鹽電解裝置具備電解槽和電極單 元，所述電解槽容納熔融電解液，該熔融電解液含有熔融金屬氯化物， 所述電極單元應浸漬在熔融電解液中，并且所述電極單元具有作為導體 的電極、第1絕緣部件、第2絕緣部件和電極框架，所述第1絕緣部件 固定在電極的上端部并從上端部向上方延伸，所述第2絕緣部件固定在 電極的下端部并從下端部向下方延伸，所述電極框架是包圍電極的絕緣 體；和電解工序，在該電解工序中，由于第1絕緣部件和第2絕緣部件 的存在使歐姆損耗降低，同時在電極的陽極面部生成氣體、在對應于陽 極面部的陰極面部生成比重大于熔融電解液的比重的熔融金屬。
在本發(fā)明的第1方面的熔融鹽電解裝置中，通過在電極上設置第1 絕緣部件和第2絕緣部件，能夠不阻礙電解生成氣體及電解生成金屬的 移動而降低歐姆損耗并同時抑制泄漏電流，從而能夠提高電解的電流效 率。并且，此時，通過設置電極框架，可調(diào)整電極框架內(nèi)電解反應區(qū)域 的電解液的溫度，從而能夠有效地完成電解。
此外，在本發(fā)明的第2方面的熔融鹽電解裝置中，在電極的陽極面 部能夠切實地生成氣體、在陰極面部能夠切實地生成比重大于熔融電解 液的比重的熔融金屬，能夠完成電流效率得到了提高的電解。
此外，在本發(fā)明的第3方面的熔融鹽電解裝置中，在陰極面部生成 的熔融金屬通過流道可靠地流向電解槽的底部，由此能夠更可靠地抑制 電解生成金屬與電解生成氣體的接觸，能夠更可靠地地將電解生成金屬 排出到電極間之外。
此外，在本發(fā)明的第4方面的熔融鹽電解裝置中，能夠切實地將在
陰極面部生成的熔融金屬從流道的入口導入到流道內(nèi)，從而能夠更可靠 地使在陰極面部生成的熔融金屬通過流道流向電解槽的底部。此外，在本發(fā)明的第5方面的熔融鹽電解裝置中，通過設置倒角形 狀部及切口部中的至少一方，能夠更切實地將在陰極面部生成的烙融金 屬從流道的入口引入到流道內(nèi)。
此外，在本發(fā)明的第6方面的熔融鹽電解裝置中，通過在第l絕緣 部件及第2絕緣部件中的至少一方上設置突出部，能夠使對應的絕緣部 件之間的距離比對應的電極面部間的距離短，從而能夠進一步抑制泄漏 電流。進而，能夠在陽極面部側(cè)形成較強的電解液流，從而能夠更可靠 地分離電解生成氣體和電解生成金屬。
此外，在本發(fā)明的第7方面的熔融鹽電解裝置中，通過將電極相對 于垂直方向傾斜地配置，能夠較強地將電解生成氣體控制在陽極面?zhèn)取?將電解生成金屬控制在陰極面?zhèn)龋虼岁枠O面部側(cè)的較強的電解液流因 電解生成氣體而能夠更有效地發(fā)揮作用，從而能夠更迅速地完成電解生 成氣體與電解生成金屬之間的可靠分離。
此外，在本發(fā)明的第8方面的熔融鹽電解裝置中，通過將陽極面部
與第1絕緣部件及第2絕緣部件設置成同一平面，能夠使生成氣體沿著
陽極面部切實地向上方移動，從而能夠更可靠地抑制電解生成金屬與電 解生成氣體的接觸。
此外，在本發(fā)明的第9方面的熔融鹽電解裝置中，通過設置屏蔽部
件，能夠更切實地抑制泄漏電流，而該泄漏電流是由存積在電解槽底部 的熔融金屬引起的。
此外，在本發(fā)明的第10方面的熔融鹽電解裝置中，通過設置復極式
電極，能夠更可靠地提高電解的電流效率。
此外，在本發(fā)明的第ll方面的熔融鹽電解裝置中，通過將熔融氯化 鋅用作熔融電解液，能夠開拓更具現(xiàn)實性的對在利用鋅還原法制造高純 度硅時產(chǎn)生的副產(chǎn)物進行處理的途徑。
此外，在本發(fā)明的第12方面的熔融鹽電解裝置中，通過將電解槽制 成內(nèi)部表面被覆有陶瓷的金屬制或者石墨制電解槽，能夠用耐熱性和耐 腐蝕性更優(yōu)異的電解槽穩(wěn)定地完成電解。
此外，在本發(fā)明的第13方面的熔融鹽電解裝置中，第1絕緣部件和第2絕緣部件由陶瓷制造，因此熱穩(wěn)定性好，能夠抑制泄漏電流。
此外，在本發(fā)明的第14方面的熔融鹽電解裝置中，第1絕緣部件和
第2絕緣部件中的至少一方的厚度沿著朝向其前端部的方向減薄，由于
具有這種構(gòu)成，因此能夠抑制泄漏電流的同時輕型化。
此外，在本發(fā)明的第15方面的熔融鹽電解方法中，通過使用在電極
上設有第1絕緣部件和第2絕緣部件的熔融鹽電解裝置，能夠不阻礙電
解生成氣體和電解生成金屬的移動而降低歐姆損耗且抑制泄漏電流，從 而能夠提高電解的電流效率。并且，此時，由于在熔融鹽電解裝置中設 有電極框架，因此能夠調(diào)整電極框架內(nèi)電解反應區(qū)域的電解液的溫度， 能夠有效地完成電解。
綜上所述，在以上的構(gòu)成中，能夠排除在抑制泄漏電流的同時擴大 電極間距離(擴大電極間距離是歐姆損耗增加的主要因素)的構(gòu)成，例
如可以將電極間距離設為5mm左右。并且，同時能夠維持電解液的上升 流，抑制電解液的滯留、電解生成氣體的氣泡的滯留、金屬霧的發(fā)生及 滯留。并且，同時能夠抑制電解生成金屬與電解生成氣體的接觸，而該 接觸引起電解產(chǎn)物的逆反應。并且，同時還能夠抑制因生成金屬在電極 間的蓄積所引起的電解液的滯留和電極間短路。如果進一步附加經(jīng)過流 道將電解生成金屬進行分離的結(jié)構(gòu)，則能夠更迅速地將電解生成金屬排 出到電極間之外的區(qū)域，從而能夠?qū)㈦姌O間距離縮短到例如2 mm 3 mm 左右。


圖1是本發(fā)明的實施方式中的熔融鹽電解裝置的截面示意圖。 圖2是同一實施方式的熔融鹽電解裝置中的電極單元的立體圖。 圖3是同一實施方式的熔融鹽電解裝置中的電極單元的電極結(jié)構(gòu)體
的截面圖，相當于圖2的沿A-A線的截面圖。
圖4是同一實施方式的第1變形例中的電極單元的電極結(jié)構(gòu)體的截
面圖，相當于圖2的沿A-A線的截面圖。
圖5是同一實施方式的第2變形例中的電極單元的電極結(jié)構(gòu)體的截
10面圖，相當于圖2的沿A-A線的截面圖。
圖6是同一實施方式的第3變形例中的電極單元的電極結(jié)構(gòu)體的截
面圖，相當于圖2的沿A-A線的截面圖。
圖7是同一實施方式的第4變形例中的電極單元的陰極生成金屬的 導入口附近的放大圖。
圖8是同一實施方式的其它變形例中的電極單元的電極結(jié)構(gòu)體的截 面圖，相當于圖2的沿A-A線的截面圖。
圖9是同一實施方式的其它變形例中的電極單元的電極結(jié)構(gòu)體的截 面圖，相當于圖2的沿A-A線的截面圖。
圖10是同一實施方式的其它變形例中的電極單元的電極結(jié)構(gòu)體的 截面圖，相當于圖2的沿A-A線的截面圖。
圖11是同一實施例方式中的實驗例的熔融鹽電解裝置的截面示意圖。
圖12是同一實驗例的電極單元的立體圖。 符號說明
S熔融鹽電解裝置
1電極單元
2除霧器
3外部加熱器
4 電解槽
4a 電解浴
4b陶瓷膜
P板
5孔板
5a孑L
6金屬液積存部 M熔融金屬 G電解生成氣體 7氣體出口
ii8 電極
8a端部電極
8b端部電極
8i中間電極
9上部絕緣部件
9a上部絕緣部件
9b上部絕緣部件
9i上部絕緣部件
9p突出部
10下部絕緣部件
10a下部絕緣部件
10b下部絕緣部件
10i下部絕緣部件
10p突出部
11電極結(jié)構(gòu)體
lla端部電極結(jié)構(gòu)體
lib端部電極結(jié)構(gòu)體
lli中間電極結(jié)構(gòu)體
12電極框架
12a 側(cè)壁
13電流供給端子
13a電流供給端子
13b電流供給端子
14 陽極面部
15 陰極面部 16排出流道 17間隙部 18 排出口
19端部切口部20孔
21電解槽
22端部電極
23中間電極
24定位槽
25小螺釘
26孔板
26a孔
41電極單元
51電極單元
61電極單元
71電極單元
81電極單元
91電極單元
100加熱爐
101電極單元
具體實施方式
(實施方式)
下面，適當參照附圖來詳細說明本發(fā)明的實施方式中的熔融鹽電解
裝置及方法。需要說明的是，圖中的x、 y、 z軸形成3軸正交坐標系， 為了便于說明，將y方向記為橫向、將z方向記為縱向或者記為上下方 向(垂直方向)，將x方向的長度記為厚度、將y方向的長度記為寬度、 將z方向的長度記為高度。
圖1是本實施方式中的熔融鹽電解裝置的截面示意圖，圖2是本實 施方式的熔融鹽電解裝置中的電極單元的立體圖，為了便于說明，切去 了電極框架的一部分來表示。此外，圖3是本實施方式的熔融鹽電解裝 置中的電極單元的電極結(jié)構(gòu)體的截面圖，相當于圖2的沿A-A線的截面 圖。如圖1所示，熔融鹽電解裝置S具有電極單元1及設置在其上方的 除霧器2。電極單元l具有后面將詳細敘述的電極及電極框架，電極單元
1被外部加熱器3加熱，并浸漬在裝滿作為電解液的熔融鹽的電解浴4a 中。在這樣的電極附近的電解浴中即在熔融鹽浴4a中發(fā)生電解反應。電 解液的溫度當然要設定為高于電解液的熔點，并且還要高于電解反應生 成的金屬的熔點，從而電解生成金屬作為熔融金屬M被取出。需要說明 的是，外部加熱器3配置在應當能夠?qū)⑷廴邴}浴4a中的電解液加熱到所 希望的溫度的加熱爐100中。并且，熔融鹽浴4a被劃定在電解槽4的內(nèi) 部空間，電解槽4是內(nèi)部表面被覆有陶瓷膜4b的金屬制電解槽，因此具 有足以容納經(jīng)加熱的電解液的耐熱性和耐腐蝕性。而且，只要滿足該特 性，電解槽4也可以是石墨制造的。此外，電極單元1是利用設置在電 解槽4中的支持體(圖中省略)固定在電解槽4中的，電解槽4固定在 配置有外部加熱器3的加熱爐100內(nèi)。
在所述電極單元1中生成的熔融金屬M從電極單元1的下部流出， 經(jīng)過被固定在電解槽4中且傾斜地配置在熔融鹽浴4a之中的板P而蓄積 保存在下方的金屬液積存部6中。此處，板P由莫來石等陶瓷制成，且 被設置在熔融金屬M (該熔融金屬M在電極單元1生成并存積在電解槽 4的底部的金屬液積存部6中)與將在后面詳細說明的絕緣部件(該絕緣 部件為電極單元1的下部構(gòu)成部件)之間，起到抑制從電極單元1向熔 融金屬M的泄漏電流的屏蔽部件的作用。需要說明的是，也可以設置具 有多個孔5a的孔板5代替上述那樣傾斜配置的板P,在這種情況下，熔 融金屬M經(jīng)過孔5a，流落到下方的金屬液積存部6中而被蓄積保存。
另一方面，在電極單元1的上部，通過電解反應生成的電解生成氣 體G穿過電解液層而被釋放，流進除霧器2，流進的電解生成氣體G'— 邊對流， 一邊通過除霧器2，并從設置在除霧器2的上端部的氣體出口 7 排出。
如圖2和圖3所示，電極單元1分別具備平板狀電極8、上部絕緣 部件9和下部絕緣部件10以及具有側(cè)壁12a的電極框架12。具體來講， 電極單元1具有如下結(jié)構(gòu)將上部絕緣部件9和下部絕緣部件10分別固定在電極8的上下并使得電極8被夾住，形成電極結(jié)構(gòu)體ll，該電極結(jié) 構(gòu)體11包括端部電極結(jié)構(gòu)體lla和lib以及中間電極結(jié)構(gòu)體lli，所述電 極結(jié)構(gòu)體11沿x方向平行排列配置7組，并且該7組電極結(jié)構(gòu)體11的 除上下區(qū)域之外的側(cè)部周圍被電極框架12的側(cè)壁12a包圍。如此電極框 架12包圍電極結(jié)構(gòu)體11的側(cè)部周圍，從而電極框架12起到保溫部件的 作用，能夠?qū)l(fā)生電解反應的電極單元1的內(nèi)部溫度維持在高于熔融鹽 浴4a的其它部分的溫度，從而能夠降低電解電壓，同時使電解液表面的 溫度比熔融鹽浴4a內(nèi)部的溫度還低，因此能夠抑制電解液的微液滴即電 解液霧的產(chǎn)生。此處，電極框架12包圍電極結(jié)構(gòu)體11中至少進行電解 反應的區(qū)域，從這方面考慮，電極框架12的側(cè)壁12a優(yōu)選具有能夠包圍 至少電極8那樣的高度。需要說明的是，電極8由石墨制造，從電特性、 溫度特性上以及制作上等方面出發(fā)，優(yōu)選上部絕緣部件9、下部絕緣部件 IO和電極框架12由陶瓷制造，并且從降低重量的方面出發(fā)，優(yōu)選其內(nèi)部 為中空的。并且，此處，電極單元1采用復極式構(gòu)成，在該構(gòu)成中，電 極結(jié)構(gòu)體11的個數(shù)為7個，即電極8的塊數(shù)為7塊，但是根據(jù)所要求的 電解能力和電解液種類等，適當設定該電極塊數(shù)。
更具體地講，電極8包括兩端的端部電極8a和8b以及設置在它們 之間的5塊中間電極8i;上部絕緣部件9包括兩端的上部絕緣部件9a和 9b以及設置在它們之間的5塊中間的上部絕緣部件9i;下部絕緣部件10 包括兩端的下部絕緣部件10a和10b以及設置在它們之間的5塊中間的 下部絕緣部件10i。
7塊上部絕緣部件9a、 9b及9i相應地固定在上述的7塊電極8a、 8b 及8i的上端部，7塊下部絕緣部件10a、 10b及10i相應地固定在電極8a、 8b及8i的下端部。為了抑制泄漏電流從電極8a、 8b及8i當中的任何一 個通過與該電極直接相鄰的電極的上方區(qū)域而流向與該電極不直接相鄰 的電極(例如，隔了一個的電極)，而設置上述上部絕緣部件9a、 9b及 9i，上部絕緣部件9a、 9b及9i特別覆蓋在電極Sa、 8b及8i的上端面(平 行于x-y平面的端面)且向上方延伸。另外，同樣地，下部絕緣部件10a、 10b及10i覆蓋在電極8a、 8b及8i的下端面(平行于x-y平面的端面)
15且向下方延伸。
此外，貫通與端部電極8a及8b對應的上部絕緣部件9a及9b中的 電流供給端子13即電流供給端子13a及13b對應地與端部電極8a及8b 連接，利用圖中省略的直流電源，通過電流供給端子13a及13b供給電 解電流。
若如此供給電解電流，則電極8的一面作為陽極面部14發(fā)揮作用， 其相反面作為陰極面部15發(fā)揮作用。具體來講，在端部電極8a中，在x 正方向的面(平行于y-z平面的面)為陰極面部15a，在x正方向與端部 電極8a直接相鄰的中間電極8i中，與上述陰極面部15a相對的面(平行 于y-z平面的面)為陽極面部14i，如此在互相鄰接的中間電極8i間，各 陰極面部15i及陽極面部14i相向依次排布。此外，在端部電極8b和在x 負方向與該端部電極8b直接相鄰的中間電極8i之間，端部電極8b的在 x負方向的面(平行于y-z平面的面)為陽極面部14a;在x負方向與端 部電極8b直接相鄰的中間電極8i中，與上述陽極面部14a相對的面(平 行于y-z平面的面)為陰極面部15i。
于是，電解生成氣體G從陽極面部14附近生成并移動到上方，作為 電解生成金屬的熔融金屬M從陰極面部15附近生成并移動到下方。此 處，設定上部絕緣部件9的陽極面部14側(cè)的面和陰極面部15側(cè)的面分 別與電極8的陽極面部14和陰極面部15為同一平面，因此不阻礙電解 生成氣體G向上方移動，而且，設定下部絕緣部件10的陰極面部15側(cè) 的面和陽極面部14側(cè)的面分別與電極8的陰極面部15和陽極面部14為 同一平面，因此不阻礙作為上述電解生成金屬的熔融金屬M向下方移動， 從而能夠使電解生成氣體G及電解生成金屬M切實地分別向電極單元1
的外方移動。
此外，當從陰極面部15附近生成的熔融金屬M與電解液之間的比 重差并不那么大時，陰極生成金屬M在電解液中以大量的微液滴的形式 存在，從而具有產(chǎn)生像那樣存在的金屬霧的傾向，但是，在加熱的電解 液的強上升流中發(fā)現(xiàn)了能夠抑制金屬霧在電解液中擴散的效果，由此， 能夠抑制因電解生成氣體G與電解生成金屬M的逆反應而引起的電流效
16率的降低，即能夠抑制電解效率的降低。此處，特別是，設定下部絕緣部件10的陽極面部14側(cè)的面及上部絕緣部件9的陽極面部14側(cè)的面與
電極8的陽極面部14為同一平面，因此不阻礙加熱的電解液的強上升流，
從而能夠抑制金屬霧向電解液中不想要的擴散。并且，上述電解液的上
升流給電解生成氣體G帶來較大的氣舉效應，從而能夠迅速地將電解生成氣體G從電極單元1向上外方排出。
如此，在以氯化鋅為代表的金屬鹽的直接電解中，從陽極面部14附近生成氯氣等氣體G，從陰極面部15附近生成熔融金屬M。此時，為了降低電解液的歐姆損耗的同時降低泄漏電流，以降低電解電壓，發(fā)現(xiàn)有效的措施是縮短電極8間的距離，即縮短相互相對的陽極面部14和陰極面部15之間的距離，同時，在電極上下設置較大的絕緣部件9和10。作為一例，在通過電解液與電解生成金屬之間的比重差較大的氯化鋅的直接電解來制造鋅和氯氣時，在長X寬為300mmX300mm、厚度為25 mm的各電極8上設置長x寬與各電極8相同的300 mmX300 mm的絕緣部件9和10，電極8間的距離即相互相對的陽極面部14和陰極面部15之間的距離分別設為5 mm (相應地，相互相對的上部絕緣部件9間的距離及相互相對的下部絕緣部件10間的距離也分別為5 mm)，此時，與沒有設置上部絕緣部件和下部絕緣部件的構(gòu)成相比較，泄漏電流能夠減少到一半以下即能夠減少到5%。接下來，為了降低歐姆損耗，即使將上述電極8間的距離設為3 mm (相應地上述絕緣部件9間的距離、10間的距離也為3 mm)，泄漏電流保持5%這樣的程度，以電流密度為50 A/dm2的高電流密度能夠得到90%以上的電流效率。據(jù)認為，這是因為，通過盡可能縮短電極8(該電極8上設置有覆蓋各電極8的上下端面的上下的絕緣部件9和10)之間的距離，具體來講，通過將電極8之間的距離設定為5mm 3mm左右，能夠有效減少流向電極8的上下區(qū)域的泄漏電流，且
還能夠切實地減少歐姆損耗。
此處，從理論上來講，絕緣部件9及10的縱長，即其高度越高，抑制電流泄漏的效果越好。但是，若將上述高度過度地變大，則導致電極單元1大型化，隨之需要大容量的電解槽4。例如，當絕緣部件9和10的高度降到60mm時，與該高度為300 mm時相比，雖然會增加60%左右的泄漏電流，但電極單元1的高度為一半以下。即，應如此均衡泄漏電流的抑制效果及電極單元1的大小來設定用于有效抑制泄漏電流的絕緣部件的高度，進而，此時，也應考慮金屬鹽的種類、電極8間的距離及電極8的寬度等來設定所述高度。此外，在本實施方式中，絕緣部件9和10是由與電極8分體的部件構(gòu)成的，因此，考慮到所要求的電極單元1的特性和大小等，能夠設計自由度較高地設定該絕緣部件9及10的高度和寬度。
如上述說明，通過在電極8上設置上部絕緣部件9和下部絕緣部件10，能夠?qū)㈦姌O8之間的距離縮短以降低電解電壓，但能保持較高的電流效率。進而，通過進一步縮短電極8之間的距離，并將絕緣部件9和10的兩面設定為與陽極面部14和陰極面部15處于同一平面，能夠使金屬霧不發(fā)生不需要的擴散，而使電解生成氣體G及電解生成金屬M能夠迅速移到外方。
接著，適當參照附圖對本實施方式的熔融鹽電解裝置S中的電極單元的各變形例進行詳細說明。在該各變形例中，除了特別記載的構(gòu)成之外，與以上說明的實施方式的構(gòu)成相同，適當省略對其的說明。
圖4是本實施方式的第1變形例中的電極單元的電極結(jié)構(gòu)體的截面圖，相當于圖2的沿A-A線的截面圖。并且，圖5是本實施方式的第2變形例中的電極單元的電極結(jié)構(gòu)體的截面圖，相當于圖2的沿A-A線的截面圖。此外，圖6是本實施方式的第3變形例中的電極單元的電極結(jié)構(gòu)體的截面圖，相當于圖2的沿A-A線的截面圖。此外，圖7是本實施方式的第4變形例中的電極單元的陰極生成金屬的導入口附近的放大圖。(第1變形例)
在圖4表示的本實施方式的第1變形例的電極單元41中，在下部絕緣部件10中設有將該下部絕緣部件10上下貫通的排出流道16，這點是與圖3所示的電極單元1的構(gòu)成主要的不同點。
如前述，通過電解反應，電解生成氣體G從陽極面部14生成并向上方移動，作為電解生成金屬的熔融金屬M從陰極面部15生成并向下方移動。進一步研究發(fā)現(xiàn)，如果設置絕緣部件9及10并縮短電極8之間的距離，則降低了歐姆損耗和泄漏電流，從而電解電壓變小，但是所生成
的熔融金屬M因該金屬對電極8、絕緣部件9及10具有浸濕性且該金屬自身的粘性而使其尤其在陰極面部15的下端部的表面、下部絕緣部件10
的表面上較厚地附著，由于該附著金屬，而存在阻礙電解液的上升流(該
電解液的上升流有助于電解生成氣體G從陽極面部14迅速脫離和上升)的傾向，或者存在引起電極8之間發(fā)生短路的傾向。此外，作為陽極產(chǎn)物的氣體G與作為陰極產(chǎn)物的金屬M相互接觸而會發(fā)生逆反應，其結(jié)果還會加劇電流效率降低的傾向。為了消除這一問題，如果附加不使電解生成金屬M附著在陰極面部15上且對電解液的上升流也不干涉那樣的結(jié)構(gòu)，則是更理想的。
此處，在本變形例中，在各電極8的下端部具有將該下端部切削成斜面或者曲面所形成的倒角形狀部8e，下部絕緣部件10中設有將該下部絕緣部件10上下貫通的排出流道16。由于如此在各電極8的下端部設有倒角形狀部8e，因此在下部絕緣部件10的排出流道16的上端部劃出間隙部17，該間隙部17成為將熔融金屬M導入排出流道16的導入口。因此，電解生成的熔融金屬M通過該間隙部17進入下部絕緣部件10的排出流道16中，通過排出流道16而流向下部，從設在下部絕緣部件10的下端部的排出口 18排出。需要說明的是，端部電極8b不具有陰極面部15，因此可以省略倒角形狀部8e，與端部電極8b相對應的下部絕緣部件10b可以省略排出流道16。
通過如此在具有與電極8的厚度至少相同的厚度的下部絕緣部件10內(nèi)設置電解生成金屬M用的排出流道16,能夠使電解生成金屬M從電解液的上升流所經(jīng)過的電極8之間、下部絕緣部件10之間，被迅速地引導到下部絕緣部件10內(nèi)。即，通過將電解生成金屬M迅速地導入到下部絕緣部件10內(nèi)，能夠確保下部絕緣部件10間和電極8間的電解液的上升路徑，從而能夠維持較高的電解液流的上升速度。同時，借助電解液的強上升流使氣舉效應更有效地發(fā)揮作用，從而使生成的陽極氣體G迅速地從電極單元41向上方排出。此外，在陰極生成的金屬M與電解
19液的比重差并不那么大時，陰極生成金屬M作為微液滴分散在電解液中， 產(chǎn)生金屬霧，但是上述強電解液上升流具有抑制金屬霧向電解液中擴撒 的效果。從而，能夠抑制因電解生成氣體G與電解生成金屬M發(fā)生逆反 應所導致的電流效率的降低，即電解效率的降低。
進而，對下部絕緣部件IO之間的距離進行研究，從減少泄漏電流的
方面出發(fā)，優(yōu)選下部絕緣部件10具有突出部10p，該突出部10p向與該 下部絕緣部件10相鄰的下部絕緣部件10的方向突出并突出于電極8的 陰極面部15的位置。這是因為，通過設置該突出部10p，下部絕緣部件 10間的距離d小于電極8間的距離D，從而使泄漏電流經(jīng)由電極8的下 方區(qū)域而流動的路徑變窄。此處，僅將下部絕緣部件10間的距離變窄時， 電解生成金屬M會阻礙電解液的上升流，但是，如上所述，通過在下部 絕緣部件10內(nèi)設置電解生成金屬M用的排出流道16，使電解生成金屬 M不流到下部絕緣部件10之間，而是通過排出流道16內(nèi)，因此對電解 液的上升流不產(chǎn)生影響。需要說明的是，由于端部電極8b不具有陰極面 部15，因此對應于端部電極8b的下部絕緣部件10b可以省略突出部10p。 此外，在如此將下部絕緣部件10間的距離變窄的情況下，優(yōu)選下部 絕緣部件10的陽極面部14側(cè)的面與電極8的陽極面部14處在同一平面。
這是因為，利用這種同一平面的構(gòu)成，能夠確保電解液的強上升流沿著 陽極面部14流動，能夠高效地將陽極生成氣體G向上方輸送，同時，能 夠更切實地防止在陰極面部15生成的熔融金屬M向液體中擴散，從而 能夠?qū)⒂山饘凫F的生成引起的電解效率的降低控制在最小限度。
如上所述，在本變形例的構(gòu)成中，由于在下部絕緣部件10中設有排 出流道16，因此電解生成金屬M能夠被迅速排出。進而，通過進一步縮 短下部絕緣部件10間的距離，能夠抑制泄漏電流，從而能夠保持較高的 電流效率。進而，通過將下部絕緣部件10的一面設定在同一平面，能夠 使電解生成氣體G與電解液的上升流一起迅速上升。 (第2變形例)
接下來，在圖5表示的本實施方式第2變形例的電極單元51中，上 部絕緣部件9設有突出部9p，該突出部9p朝著與該上部絕緣部件9直接
20相鄰的上部絕緣部件9的方向突出并突出于電極8的陰極面部15的位置，
第2變形例的電極單元51與圖4表示的第1變形例的電極單元41的構(gòu) 成相比，這點是主要的不同點。需要說明的是，由于端部電極8b不具有 陰極面部15，因此對應于端部電極8b的上部絕緣部件9b可以省略突出 部9p。而且，該上部絕緣部件9的突出部9p當然也可以設置在圖3所示 的電極單元l中。
在上述本變形例的構(gòu)成中，下部絕緣部件10的設定與第1變形例的 下部絕緣部件10的設定相同，上部絕緣部件9間的距離d'小于電極8 間的距離D，但并不妨礙陽極生成氣體G沿著陽極面部14的上升，并能 夠降低泄漏電流。反而通過在上部絕緣部件9上設置突出部9p，使上部 絕緣部件9偏于陽極面部14偵L由此沿著陽極面部14產(chǎn)生更強的電解 液的上升流，從而氣舉效應變強，促進陽極生成氣體G的上升。此外， 由于電解液流是僅在陽極面部14側(cè)的上方流，因此在陰極面部15側(cè)氣 泡不隨陽極生成氣體G的產(chǎn)生而擴散，從而能夠獲得與在陽極面部14和 陰極面部15之間設有隔膜所產(chǎn)生的效果相同的效果。
此外，在上述的本變形例的構(gòu)成中，設定上部絕緣部件9間的距離 及下部絕緣部件10間的距離均較短，使泄漏電流得到抑制，因此即使提 高電流密度，也能保持較高的電流效率。作為一例，在通過電解液與電 解生成金屬之間的比重差較大的氯化鋅的直接電解來制造鋅和氯氣時， 在長X寬為300 mmX 300 mm、厚度為25 mm的各電極8上設置長X寬 與各電極8相同的300mmX300mm的絕緣部件9和10，電極8間的距 離設定為5 mm，且分別設定上部絕緣部件9間的距離為3 mm以及下部 絕緣部件10間的距離為3 mm，以電流密度為50 A/dm2的高電流密度能 夠得到90%左右的電流效率。 (第3變形例)
接下來，在圖6所示的本實施方式的第3變形例的電極單元61中， 各電極8以及相對應的上部絕緣部件9及下部絕緣部件10相對于垂直方 向傾斜約9角度而配置，使得陽極面部14朝下、陰極面部15朝上，這 點是第3變形例的電極單元61與圖5所示的第2變形例中的電極單元51的構(gòu)成主要的不同點。需要說明的是，該電極8的傾斜配置也可以設置 在圖3或者圖4所示的電極單元1或電極單元41中。
在該構(gòu)成中，由于電極8的陰極面部15朝上方稍微傾斜，因此能夠 更好地控制電解生成氣體G的移動在陽極面部14頂ij、電解生成金屬M 的移動在陰極面部15側(cè)。g卩，陽極生成氣體G因浮力使向上方的力增加， 因此沿陽極面部14上升并排出到電極單元61的外方。另一方面，陰極 生成金屬M因重力使向下方的力發(fā)揮作用，因此沿陰極面部15移動到 下方。即，采用上述構(gòu)成，能夠使電解生成氣體G與電解生成金屬M的 接觸概率更小，同時，由于電解生成氣體G與電解生成金屬M分別沿著 陽極面部14及陰極面部15的面移動，因此還能抑制金屬霧的擴撒。此 處，若電極8、上部絕緣部件9及下部絕緣部件IO垂直配置，則得不到 上述效果，但如果它們的傾角過大，則反而妨礙電解生成氣體G的上升 和電解生成金屬M的流下。因此，設定該電極8、上部絕緣部件9及下 部絕緣部件IO的傾斜角度時，還必須考慮電解液的種類、電解生成金屬 的種類及電解生成氣體的種類，但在氯化鋅的熔融鹽電解中，從發(fā)揮上 述效果的方面而言，優(yōu)選傾斜角度為3° 10°。 (第4變形例)
接下來，在圖7所示的本實施方式的第4變形例的電極單元71中， 劃出電極8的下端部的倒角形狀部8e與下部絕緣部件10的排出流道16 的上端部，在間隙部17 (該間隙部17成為熔融金屬M被導入到排出流 道16的導入口)附近，在下部絕緣部件10的陰極面部15側(cè)的部分設有 端部切口部19及孔20，這點是第4變形例的電極單元71與圖5所示的 第2變形例中的電極單元51的構(gòu)成主要的不同點。需要說明的是，該端 部切口部19及孔20也可以設在圖3、圖4或圖6所示的電極單元1、 41 或者61中。并且，將端部切口部19及孔20總稱為切口部。此外，當然 只要能夠在該切口部劃出導入口，也可以不設置電極8的下端部的倒角 形狀部8e。
在上述構(gòu)成中，在間隙部17 (該間隙部17成為熔融金屬M被導入 到排出流道16的導入口)附近，由于在下部絕緣部件10的陰極面部15側(cè)設有切口部(端部切口部19及孔20)，因此與僅設有間隙部17的構(gòu)成
相比，能夠更切實地將電解生成金屬M導入到下部絕緣部件10的排出 流道16。此外，通過設置該切口部，能夠減輕下部絕緣部件10的重量， 如果同時將上部絕緣部件9及下部絕緣部件10適當?shù)匦纬芍锌詹考瑒t 能夠大幅度減輕電極單元71整體的重量，從而對其的支撐變得簡單且可罪。
如上所述，當然需要上部絕緣部件9及下部絕緣部件IO來幫助抑制 泄漏電流并同時幫助電解生成氣體迅速移動到上方且電解生成金屬迅速 移動到下方，但為了提高電解能力，可增加復極型電極的塊數(shù)，該復極 型電極的塊數(shù)越多，越有必要釆用更輕型化的構(gòu)成。因此，下面對上部 絕緣部件9及下部絕緣部件10的輕型化構(gòu)成進行說明。 (其它變形例)
圖8 圖10是本實施方式的其它變形例中的電極單元的電極結(jié)構(gòu)體 的截面圖，相當于圖2的沿A-A線的截面圖。
首先，在圖8所示的變形例的電極單元81中，下部絕緣部件10的 上端部覆蓋著電極8的下端面(平行于x-y平面的端面)，但在下部絕緣 部件10的上端部的下方其厚度減薄了，因此作為下部絕緣部件10整體 來說，陰極面部15側(cè)具有凹陷的L字形的截面形狀，從而得到了輕型化。 此外，在圖9所示的變形例的電極單元91中，上部絕緣部件9的下端部 覆蓋著電極8的上端面(平行于x-y平面的端面)，但在上部絕緣部件9 的下端部的上方其厚度減薄了，因此作為上部絕緣部件9整體來說，陽 極面部14側(cè)具有凹陷的L字形的截面形狀，從而得到了輕型化。
此外，在圖IO所示的變形例的電極單元101的構(gòu)成中，同時具有分 別帶有上述L字形的截面形狀的上部絕緣部件9及下部絕緣部件10，上 部絕緣部件9的下端部覆蓋著電極8的上端面(平行于x-y平面的端面)， 但在上部絕緣部件9的下端部的上方其厚度減薄了，因此作為上部絕緣 部件9整體來說，陽極面部14側(cè)具有凹陷的L字形的截面形狀；下部絕 緣部件10的上端部覆蓋著電極8的下端面(平行于x-y平面的端面)，但 在下部絕緣部件10的上端部的下方其厚度減薄了，因此作為下部絕緣部件10整體來說，陰極面部15側(cè)具有凹陷的L字形的截面形狀。
此處，上部絕緣部件9只要能夠覆蓋電極8的對應的上端面且延伸 到上方，并能夠使泄漏電流的抑制和電解生成氣體的移動同時實現(xiàn)即可； 下部絕緣部件10只要能夠覆蓋電極8的對應的下端面且延伸到下方，并 能夠使泄漏電流的抑制和電解生成氣體的移動同時實現(xiàn)即可；因此，除 了L字形的截面形狀以外，也能釆用傾斜狀的截面形狀，即沿著朝向其
前端的方向其厚度緩慢減薄的形狀。需要說明的是，對應于端部電極8a 的上部絕緣部件9及對應于端部電極的下部絕緣部件10均可以不具 有上述的截面形狀。
在上述變形例的構(gòu)成中，對于陽極面部14側(cè)凹陷的L字形的截面形 狀的上部絕緣部件9來說，由于其下端部覆蓋著電極8的上端面且其延 伸到上方，因此不僅能夠抑制泄漏電流，而且還由于具有陽極面部14側(cè) 凹陷的形狀，而能夠擴大電解生成氣體G上升的上升區(qū)域本身，從而能 夠更切實地使電解生成氣體移動到上方。此外，對于陰極面部15側(cè)凹陷 的L字形的截面形狀的下部絕緣部件10來說，由于其上端部覆蓋著電極 8的下端面且其延伸到下方，因此不僅能夠抑制泄漏電流，而且還由于具 有陰極面部15側(cè)凹陷的形狀，而能夠擴大電解生成金屬M下降的下降 區(qū)域本身，從而能夠更切實地使電解生成金屬移動到下方。
需要說明的是，在上述構(gòu)成中，如在第3變形例中的說明，如果采 用電極8和相對應的上部絕緣部件9及下部絕緣部件10相對于垂直方向 傾斜約e角度進行配置的構(gòu)成，使得陽極面部14朝下、陰極面部15朝 上，則能夠更好地控制電解生成氣體G的移動在陽極面部14側(cè)、電解生 成金屬M的移動在陰極面部15側(cè)，從而能夠更可靠地進行電解生成氣 體和電解生成金屬的移動。
下面，適當參照附圖對包括變形例在內(nèi)的本實施方式中的實驗例進 行詳細說明。
圖11是本實施方式中的實驗例的熔融鹽電解裝置的截面示意圖，圖 12是本實驗例的電極單元的立體圖。 (本實施方式的實驗例)
24如圖11所示，在本實驗例中，在直徑為350mm、z方向深度為800mm、 一面封閉的圓筒形軟鋼制容器的內(nèi)表面，通過等離子體噴涂形成厚度為 約200ixm的莫來石覆膜，進一步，將摻有纖維的澆注成型陶瓷耐火材料 (東芝陶瓷制造，商品名CASTYNA)微粉碎后與水混合，將所形成的 物質(zhì)以約500 u m的厚度涂布在該莫來石覆膜上，并在90(TC烘烤1小時， 形成陶瓷覆膜，由此形成的軟鋼制容器用作電解槽21。
此外，作為電極，使用一對端部電極22，該一對端部電極22的長 X寬為200mmX200mm、厚度為50mm，在該一對端部電極22之間配 置了一塊長X寬為200mmX200mm、厚度為20 mm的中間電極23。此 處，各電極間距離設定為5mm，各電極以該配置串聯(lián)連接。
作為固定在上述電極22及23上的上部絕緣部件9及下部絕緣部件 10，使用陶瓷板，該陶瓷板是通過將摻有纖維的澆注料形成板狀后在 90(TC進行燒結(jié)而成的，其長X寬的尺寸和厚度分別與相對應的電極22 及23相同。具體來講，設定上部絕緣部件9及下部絕緣部件10的陽極 面部側(cè)(x負方向的面一側(cè))的面與電極22及23的陽極面部(x負方向 的面)處于同一平面，且設定上部絕緣部件9及下部絕緣部件10的陰極 面部側(cè)(x正方向的面一側(cè))的面與電極22及23的陰極面部(x正方向 的面)處于同一平面。即，相鄰的上部絕緣部件9間的距離為5mm、相 鄰的下部絕緣部件10間的距離也為5 mm。
如圖12所示，固定有上部絕緣部件9及下部絕緣部件10的電極22 及23被厚度為10mm的莫來石制的電極框架12包圍。在該電極框架12 上設有用于確定電極22及23、上部絕緣部件9及下部絕緣部件10的位 置的定位槽24，被定位槽24所定位的電極22及23、上部絕緣部件9及 下部絕緣部件10被氧化鋁制的小螺釘25固定在電極框架12上。需要說 明的是，電極框架12的上面及下面是開放的。
此外，為了防止泄漏電流流向底部的金屬液積存部6，在距電解槽 21的底部100 mm的上方位置，設置了開口率(投影到z方向時，所有 孔26a的面積占總面積的百分率)為30%的莫來石制的孔板26作為屏蔽 部件。此外，配置電極單元時，使下部絕緣部件10的下端位于距電解槽
2521的底部150mm的上方位置。設定電解液4a的液面使其達到距上部絕 緣部件9的上端30mm的上方。在該電解槽21的上部安裝了直徑與電解 槽21的槽體相同且高度為1000mm的除霧器2，使得該除霧器2利用室 溫的冷風冷卻其外圍部，從而使陽極生成氣體從上部的氣體出口 7排出。 電解槽21用加熱器加熱，電解液4a能夠被加熱到約600°C。
在上述構(gòu)成中，在電解槽21中投入作為電解液4a的氯化鋅，然后 加熱該液體到500。C進行電解。這時的電流密度為50 A/dm2、電解電壓為 8.0 V (由2組電極22及23構(gòu)成的電極組，每組的電解電壓為4.0 V)。 該電解電壓相當于電解液溫度為560°C時的電解電壓。這表示被電極框架 12包圍起來的電極單元附近部的電解液溫度比電極單元外的電解液溫度 高出60°C，從而能夠確認到將電解反應發(fā)生的區(qū)域保溫在適當?shù)臏囟鹊?電解框架12的效果。并且，還確認到，泄漏電流也在5%以下，與不具 有具備上述結(jié)構(gòu)的上部絕緣部件9及下部絕緣部件10的構(gòu)成相比，泄漏 電流達到了一半左右。順便提及，根據(jù)所得到的鋅的重量計算電流效率 時，得到了相當于89% 90%的值。這個值與不具有具備上述結(jié)構(gòu)的上 部絕緣部件9及下部絕緣部件10的構(gòu)成相比，效率改善了約5%。 (第l變形例的實驗例)
在本實驗例中，在本實施方式的實驗例的構(gòu)成的基礎上，將下部絕 緣部件10的厚度增加2 mm、下部絕緣部件10的陰極面部側(cè)(x正方向 的面一側(cè))的面向x正方向突出并突出于電極22及23的陰極面部(x正 方向的面)2mm，除了進行上述設定之外，采用了與上述實驗例的構(gòu)成 相同的構(gòu)成。即，相鄰的上部絕緣部件9間的距離為5mm、相鄰的下部 絕緣部件10間的距離為3 mm。此外，盡管均省略了圖示，但在下部絕 緣部件10的陰極面部側(cè)的下端部形成了 R形狀部，且在下部絕緣部件 10的上端部設有2mm左右的間隙部，從而形成貫通下部絕緣部件10內(nèi) 的排出流道的導入口。
除了上述不同點之外，在與本實施方式的實驗例相同的條件下進行 了電解，結(jié)果電解電壓為8.0V (由2組電極22及23構(gòu)成的電極組，每 組的電解電壓為4.0 V)。該電解電壓相當于電解液溫度為56(TC時的電解
26電壓。這表示被電極框架12包圍起來的電極單元附近部的電解液溫度比電極單元外的電解液溫度高出60°C，從而能夠確認到將電解反應發(fā)生的區(qū)域保溫在適當?shù)臏囟鹊碾娊饪蚣?2的效果。并且，還確認到，泄漏電流也在3%以下，即使在下部絕緣物內(nèi)設有排出流道，也不會增加泄漏電流，反而減少了泄漏電流。此外，由于作為電解生成金屬的熔融鋅迅速
地流入下部絕緣部件10內(nèi)的排出流道，因此盡管下部絕緣部件10間的
距離變窄，也不發(fā)生以電解生成金屬為媒介的電流短路，從而能夠連續(xù)進行穩(wěn)定的電解反應。順便提及，根據(jù)所得到的鋅的重量計算電流效率
時，得到了相當于88% 91%的值。這個值與不具有具備上述結(jié)構(gòu)的上部絕緣部件9及下部絕緣部件10的構(gòu)成相比，效率改善了約10%。(第2變形例的實驗例)
在本實驗例中，在第1變形例的實驗例的構(gòu)成的基礎上，設定上部絕緣部件9的陰極面部側(cè)(x正方向的面一側(cè))的面在x正方向突出并突出于電極22及23的陰極面部(x正方向的面)2 mm，除此以外，釆用了與上述實驗例的構(gòu)成相同的構(gòu)成。即，相鄰的電極22及23間的距離保持5 mm，但相鄰的上部絕緣部件9的距離及相鄰的下部絕緣部件10的距離分別設定為3mm。
除了上述不同點之外，在與第1變形例的實驗例相同的條件下進行電解，結(jié)果電解電壓為7.6V (由2組電極22及23構(gòu)成的電極組，每組的電解電壓為3.8 V)，該電解電壓比第1變形例的實驗例稍低。這是因為，上部絕緣部件9部分的泄漏電流進一步減少，與之相對應的歐姆損耗也減少。此外，上部絕緣部件9間的間隔偏向于陽極面部側(cè)，因此沿著陽極面部產(chǎn)生更強的電解液的上升流，從而促進了電解生成的氯氣的上升。其結(jié)果，根據(jù)所得到的鋅計算出的電流效率在91% 92%的范圍內(nèi)，與第1變形例的實驗例相比，電流效率得到了進一步提高。(第3變形例的實驗例)
在本實驗例中，基于第1變形例的實驗例的構(gòu)成，固定有上部絕緣部件9及下部絕緣部件10的電極22及23以傾斜5°的方式配置，使得陰極面部側(cè)(x正方向的面一側(cè))朝上，除此以外，采用了與上述第1變形例的實驗例的構(gòu)成相同的構(gòu)成。
除了上述不同點之外，在與第1變形例的實驗例相同的條件下進行了電解，結(jié)果電解電壓為8.1 V 8.2V的范圍內(nèi)，與第l變形例的實驗
例1相比稍高，但電流效率上升到92% 93%的范圍內(nèi)。這是因為，通過將固定有上部絕緣部件9及下部絕緣部件10的電極22及23傾斜，進一步加強了作為電解生成氣體的氯氣和作為電解生成金屬的鋅的分離，從而強烈地抑制了逆反應。工業(yè)實用性
本發(fā)明的熔融鹽電解裝置及方法對熔點比較低的金屬是有用的，例如，通過對氯化鋁的電解來生產(chǎn)鋁等主要從氯化金屬化合物中獲得熔融金屬的情況，由于能夠減少泄漏電流、大幅度提高電流效率，而且也能防止金屬霧的擴散、生成氣體與生成金屬的逆反應、以電解生成金屬為媒介的電極間的短路現(xiàn)象，因而能夠維持穩(wěn)定且高效率的電解反應。因此，期待該熔融鹽電解裝置及方法能夠廣泛應用于利用電解來制造金屬的產(chǎn)業(yè)中。
另外，利用鋅還原法的高純度硅的制造對太陽能電池用聚硅氧烷的制造是有用的，但是卻出現(xiàn)了作為副產(chǎn)物的氯化鋅的處理這一大問題。針對這一問題，如果應用本發(fā)明的熔融鹽電解裝置及方法，則能夠容易地將氯化鋅分解成氯氣和鋅(氯氣和鋅是氯化鋅法的原料)而得以再利用。這通過使原料在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)，而幵拓出低能耗且可連續(xù)運轉(zhuǎn)的封閉型聚硅氧烷制造裝置之路。因此，期待該熔融鹽電解裝置及方法在作為基礎材料的聚硅氧烷的制造產(chǎn)業(yè)中起到更大的作用。
權(quán)利要求
1. 一種熔融鹽電解裝置，該裝置具備電解槽和電極單元，所述電解槽容納熔融電解液，該熔融電解液含有熔融金屬氯化物，所述電極單元應浸漬在所述熔融電解液中，并且所述電極單元具有作為導體的電極、第1絕緣部件、第2絕緣部件和電極框架，所述第1絕緣部件覆蓋所述電極的上端面并且被固定在所述電極的上端部并從所述上端部向上方延伸，所述第2絕緣部件覆蓋所述電極的下端面并且被固定在所述電極的下端部并從所述下端部向下方延伸，所述電極框架是包圍所述電極的絕緣體。
2. 如權(quán)利要求1所述的熔融鹽電解裝置，其中，所述電極具有陽極 面部及與所述陽極面部相對應的陰極面部，在所述陽極面部生成氣體， 在所述陰極面部生成比重大于所述熔融電解液的比重的熔融金屬。
3. 如權(quán)利要求2所述的熔融鹽電解裝置，其中，所述第2絕緣部件 具有流道，在所述陰極面部生成的熔融金屬通過所述流道而流向所述電 解槽的底部。
4. 如權(quán)利要求3所述的熔融鹽電解裝置，其中，所述流道在所述陰 極面部的下端部與所述第2絕緣部件之間的間隙部具有將在所述陰極面 部生成的熔融金屬導入的入口 。
5. 如權(quán)利要求4所述的熔融鹽電解裝置，其中，在所述流道的所述入口具有對所述陰極面部的所述下端部進行倒角所形成的倒角形狀部和 對所述第2絕緣部件進行切口所形成的切口部中的至少一方。
6. 如權(quán)利要求2所述的熔融鹽電解裝置，其中，所述第l絕緣部件 和所述第2絕緣部件中的至少一方具有突出部，該突出部向與該絕緣部 件鄰接的絕緣部件突出并突出于所述陰極面部的位置。
7. 如權(quán)利要求2所述的熔融鹽電解裝置，其中，將所述電極相對于 垂直方向傾斜地配置，使得所述陽極面部朝下、所述陰極面部朝上，從 而在所述陽極面部生成的氣體沿著所述陽極面部向上方移動、在所述陰 極面部生成的熔融金屬沿著所述陰極表面向下方移動。
8. 如權(quán)利要求7所述的熔融鹽電解裝置，其中，所述陽極面部與所 述第1絕緣部件和所述第2絕緣部件處于同一平面。
9. 如權(quán)利要求2所述的熔融鹽電解裝置，其中，在熔融金屬與所述 第2絕緣部件之間設有抑制泄漏電流的屏蔽部件，所述熔融金屬在所述 陰極面部生成并存積于所述電解槽的底部。
10. 如權(quán)利要求1所述的熔融鹽電解裝置，其中，所述電極是具有一 對端部電極和配在所述一對端部電極之間的中間部電極的復極式電極。
11. 如權(quán)利要求1所述的熔融鹽電解裝置，其中，所述熔融電解液為 熔融氯化鋅。
12. 如權(quán)利要求1所述的熔融鹽電解裝置，其中，所述電解槽是在 所述電解槽的內(nèi)部表面被覆有陶瓷的金屬制電解槽。
13. 如權(quán)利要求1所述的熔融鹽電解裝置，其中，所述第1絕緣部 件和所述第2絕緣部件是由陶瓷制造的。
14. 如權(quán)利要求1所述的熔融鹽電解裝置，其中，所述第1絕緣部 件和所述第2絕緣部件中的至少一方的厚度沿著朝向該絕緣部件的前端 部的方向減薄。
15. —種熔融鹽電解方法，該方法包括準備熔融鹽電解裝置的工序，所述熔融鹽電解裝置具備電解槽和電 極單元，所述電解槽容納熔融電解液，該熔融電解液含有熔融金屬氯化 物，所述電極單元應浸漬在所述熔融電解液中，并且所述電極單元具有 作為導體的電極、第1絕緣部件、第2絕緣部件和電極框架，所述第1 絕緣部件覆蓋所述電極的上端面并且被固定在所述電極的上端部并從所 述上端部向上方延伸，所述第2絕緣部件覆蓋所述電極的下端面并且被 固定在所述電極的下端部并從所述下端部向下方延伸，所述電極框架是 包圍所述電極的絕緣體；和電解工序，在該電解工序中，由于所述第1絕緣部件和所述第2絕 緣部件的存在使歐姆損耗降低，同時，在所述電極的陽極面部生成氣體、 在對應于所述陽極面部的陰極面部生成比重大于所述熔融電解液的比重 的熔融金屬。全文摘要
本發(fā)明提供一種熔融鹽電解裝置及使用該裝置的熔融鹽電解方法，所述熔融鹽電解裝置具備電解槽(4)和電極單元(1)，所述電解槽(4)容納熔融電解液，該熔融電解液含有熔融金屬氯化物，所述電極單元(1)應浸漬在熔融電解液中，并且所述電極單元(1)具有作為導體的電極(8)、第1絕緣部件(9)、第2絕緣部件(10)和電極框架(12)，所述第1絕緣部件(9)覆蓋電極的上端面，并且被固定在電極的上端部并從上端部向上方延伸，所述第2絕緣部件(10)覆蓋電極的下端面，并且被固定在電極的下端部并從下端部向下方延伸，所述電極框架(12)是包圍電極的絕緣體。
文檔編號C25C7/00GK101484613SQ20078002555
公開日2009年7月15日 申請日期2007年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月7日
發(fā)明者島宗孝之, 武內(nèi)喜則 申請人:木野科技太陽能股份有限公司