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【発明の名称】 電解装置の電極構造、電解装置、および金属精錬方法
【発明者】 【氏名】山下 泰一郎

【氏名】山▲崎▼ 卓

【要約】 【課題】電極部材に電力を供給するための金属製の通電部材の腐食を防止できる電解装置の電極構造、電解装置、および金属精錬方法を提供する。

【解決手段】電解装置は、電気分解によって金属塩化物から金属を取り出すための装置である。電解装置は、電極構造体を備える。電極構造体は、隙間をあけて並置された複数の電極板7と、複数の電極板7の両端の電極と電気的に接続されて電力を供給する金属製の一対の通電棒11と、通電棒11のそれぞれに設けられ、対応する通電棒11を覆うセラミックス製の複数の保護管13とを備える。保護管13と通電棒11との間には隙間21があいており、保護管13は、希ガス等の気体Xを隙間21に取り入れるための導入口13bを有する。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
電気分解によって金属塩化物から金属を取り出すための電解装置の電極構造であって、
隙間をあけて並置された複数の電極部材と、
前記複数の電極部材の両端の電極と電気的に接続されて電力を供給する金属製の一対の通電棒と、
前記一対の通電棒のそれぞれに設けられ、対応する前記通電棒を覆うセラミックス製の複数の保護管と
を備え、
前記保護管と前記通電棒との間には隙間があいており、
前記保護管が、所定の気体を前記保護管と前記通電棒との隙間に取り入れるための導入口を有することを特徴とする、電解装置の電極構造。
【請求項2】
前記保護管の前記電極部材側の端部が前記電極部材に気密に固定されていることを特徴とする、請求項1に記載の電解装置の電極構造。
【請求項3】
電気分解によって金属塩化物から金属を取り出すための電解装置であって、
溶融した前記金属塩化物を収容するための電解槽と、
前記電解槽に設置されて前記金属塩化物を電解するための請求項1または2に記載の電極構造と、
前記電解槽を加熱して前記金属塩化物の溶融状態を維持するための熱源と
を備えることを特徴とする、電解装置。
【請求項4】
請求項1または2に記載の電解装置の電極構造、または請求項3に記載の電解装置を用いた金属精錬方法であって、
溶融した前記金属塩化物中に前記複数の電極部材を浸し、前記保護管の前記導入口から前記保護管と前記通電棒との隙間へ前記所定の気体を導入しつつ、前記複数の電極部材に電位差を与えて前記金属塩化物を電解することにより前記金属塩化物を金属と塩素とに分離することを特徴とする、金属精錬方法。
【請求項5】
前記所定の気体が、前記金属塩化物、前記通電棒、前記保護管及び生成された前記金属の何れとも反応しない気体であることを特徴とする、請求項4に記載の金属精錬方法。
【請求項6】
前記所定の気体が窒素及び希ガスのうち少なくとも一方を含むことを特徴とする、請求項5に記載の金属精錬方法。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【0001】
本発明は、電解装置の電極構造および金属精錬方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
金属塩化物を電解するための装置としては、例えば特許文献1に記載された電解装置がある。この電解装置は、直立的に置かれた少なくとも一組の陽極および陰極を備えており、これらの電極には軟鋼製の通電体が取り付けられている。
【特許文献1】特開2005−200759号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
金属塩化物を電気分解するための電解装置において、電極部材に電力を供給するための通電部材としては一般的に金属製のものが使用される。しかし、金属塩化物を電気分解すると塩素ガスが発生する。そして、金属製の通電部材は塩素ガスによって腐食し易い。このため、従来の電解装置においては、通電部材を頻繁に取り替える必要があった。
【0004】
本発明は、上記した問題点を鑑みてなされたものであり、電極部材に電力を供給するための金属製の通電部材の腐食を防止できる電解装置の電極構造、電解装置、および金属精錬方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0005】
上記した課題を解決するために、本発明による電解装置の電極構造は、電気分解によって金属塩化物から金属を取り出すための電解装置の電極構造であって、隙間をあけて並置された複数の電極部材と、複数の電極部材の両端の電極と電気的に接続されて電力を供給する金属製の一対の通電棒と、一対の通電棒のそれぞれに設けられ、対応する通電棒を覆うセラミックス製の複数の保護管とを備え、保護管と通電棒との間には隙間があいており、保護管が、所定の気体を保護管と通電棒との隙間に取り入れるための導入口を有することを特徴とする。
【0006】
この電解装置の電極構造においては、金属製の通電棒がセラミックス製の保護管によって覆われている。セラミックスは塩素ガスに対する耐食性が極めて高いので、この電極構造によれば、塩素ガスから通電棒を好適に保護できる。また、金属塩化物を電気分解する際には金属塩化物を溶融させるため高温(例えば500℃以上)に保つ必要があるが、セラミックス製の保護管と金属製の通電棒とを密着させずに隙間を設けることにより、互いの熱膨張率の差を好適に吸収できる。また、保護管と通電棒との隙間に導入口から所定の気体を取り入れることにより、この隙間を陽圧に保って塩素ガスの侵入を確実に防ぐことができる。このように、上記した電解装置の電極構造によれば、塩素ガスから通電棒を確実に保護し、通電棒の腐食を防止できる。
【0007】
また、電解装置の電極構造は、保護管の電極部材側の端部が電極部材に気密に固定されていることを特徴としてもよい。これにより、保護管と通電棒との隙間への塩素ガスの侵入をより確実に防ぐことができる。
【0008】
また、本発明による電解装置は、電気分解によって金属塩化物から金属を取り出すための電解装置であって、溶融した金属塩化物を収容するための電解槽と、電解槽に設置されて金属塩化物を電解するための上記した何れかの電極構造と、電解槽を加熱して金属塩化物の溶融状態を維持するための熱源とを備えることを特徴とする。この電解装置によれば、上記した何れかの電極構造を備えることによって、塩素ガスから通電棒を確実に保護し、通電棒の腐食を防止できる。
【0009】
また、本発明による金属精錬方法は、上記した何れかの電解装置の電極構造、または上記電解装置を用いた金属精錬方法であって、溶融した金属塩化物中に複数の電極部材を浸し、保護管の導入口から保護管と通電棒との隙間へ所定の気体を導入しつつ、複数の電極部材に電位差を与えて金属塩化物を電解することにより金属塩化物を金属と塩素とに分離することを特徴とする。この金属精錬方法によれば、上記した何れかの電解装置の電極構造、または上記電解装置を用いることによって、塩素ガスから通電棒を確実に保護し、通電棒の腐食を防止できる。
【0010】
また、金属精錬方法は、所定の気体が、金属塩化物、通電棒、保護管及び生成された金属の何れとも反応しない気体であることを特徴としてもよい。これにより、金属塩化物の電気分解を妨げることなく、また、通電棒及び保護管を腐食させることなく、保護管と通電棒との隙間を陽圧に保つことができる。この場合、所定の気体は、窒素及び希ガスのうち少なくとも一方を含むことが好ましい。
【発明の効果】
【0011】
本発明による電解装置の電極構造、電解装置、および金属精錬方法によれば、電極部材に電力を供給するための金属製の通電部材の腐食を防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0012】
以下、添付図面を参照しながら本発明による電解装置の電極構造、電解装置、および金属精錬方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【0013】
図1は、本発明による電解装置の一実施形態を示す側面断面図である。本実施形態の電解装置1は、例えば塩化亜鉛(ZnCl)などの金属塩化物を電気分解して純金属を取り出すための装置である。図1を参照すると、電解装置1は、本体部3及び電極構造体5を備える。
【0014】
本体部3は、例えば炭素(カーボン)等の耐熱性材料からなり、溶融した金属塩化物を収容するとともに該金属塩化物を電解するための電解槽31と、溶融した金属塩化物を導入する導入管32と、生成された塩素ガスを排出する塩素排出管33と、生成された純金属を排出する金属排出管34と、電解槽31の内部を加熱するための熱源であるヒータ35とを有する。電解槽31の上方には空間36が設けられ、該空間36の水平方向の一端に導入管32が配置され、他端に塩素排出管33が配置されている。導入管32から導入された金属塩化物の融液は、電解槽31へ導かれる。また、電解槽31において発生した塩素ガスは、空間36を通って塩素排出管33から排出される。金属排出管34は電解槽31の底部に連結されており、電解槽31の底部に堆積した純金属は、この金属排出管34から取り出される。
【0015】
電極構造体5は、複数の電極板7を有する。複数の電極板7は、本実施形態における電極部材であり、隙間をあけて板厚方向に並置され、該板厚方向を水平方向として電解槽31内に配置されている。複数の電極板7は、例えば高純度炭素材料といった、高温に強く塩素に対し耐食性を有する導電性物質からなり、水平方向に延設された一または複数の棒状部材9によって貫通され、相互の位置関係が保持されている。
【0016】
また、電極構造体5の両端の電極板7は、通電棒11と、保護管13とを更に有する。通電棒11は、金属製(例えば鉄やステンレス等)の棒状部材であり、電解装置1の外部へ延びている。また、保護管13は、セラミックス製の筒状部材であり、通電棒11に対応して各々設けられている。なお、保護管13に用いられるセラミックスとしては、例えばアルミナ(酸化アルミニウム、Al)、スピネル、ムライト(xAl(1−x)SiO、xは混合比)、マグネシア(酸化マグネシウム、MgO)等が好適である。
【0017】
一対(一本の正極と一本の負極との組み合わせ)の通電棒11の一端は、両端の電極板7のそれぞれに取り付けられ、電気的に接続されている。具体的には、水平方向の一端に位置する電極板7には通電棒11を介して所定の正電圧が印加され、この電極板7は陽極15として機能する。また、水平方向の他端に位置する電極板7には通電棒11を介して所定の負電圧が印加され、この電極板7は陰極17として機能する。これら陽極15および陰極17の間に配置された電極板7には、溶融した金属塩化物を介して、上記した正電圧および負電圧の間で電位勾配が与えられ、これらの電極板7はそれぞれ中間電極19として機能する。なお、陽極15と陰極17との間の電位差は、例えば5V程度である。また、隣り合う各電極間を流れる電流は、例えば電解面積1mあたり8000A程度である。ここでいう電解面積とは、例えば図1のように各電極板7の極間が6つ存在する場合、各電極板7の一方の板面積の6倍となる。
【0018】
ここで、図2は、本実施形態の電極板7、通電棒11、および保護管13の構成を拡大して示す側面断面図である。図2に示すように、通電棒11は、通電棒11の長手方向Aと交差する電極板7の表面(上面7a)に取り付けられており、通電棒11の一端部11aは電極板7の上面7aに形成されたネジ穴7bに螺合して電極板7に固定されている。また、保護管13は、対応する通電棒11のうち少なくとも電解槽31及び空間36に配置される部分(但し、電極板7に螺合している部分を除く)を覆うように、通電棒11の周囲に隙間21をあけて配置されている。保護管13における電極板7側の一端部13aは、電極板7の上面7aに形成された凹部7cに挿入されている。そして、この凹部7cの側壁と保護管13の外周面との隙間は、アルミナ等のセラミックス材料を主に含む接合剤(パテ)23によって気密に封止され、これにより保護管13の一端部13aと電極板7とが互いに固定されている。また、保護管13の他端部には、所定の気体Xを隙間21に取り入れるための導入口13bが設けられている。なお、保護管13の他端側における保護管13と通電棒11との境界部分14は、保護管13と通電棒11とが互いに密着するか、或いは図示しない接着剤や充填剤(セラミックスセメントなど)が間に設けられることによって気密に封止されるとよい。
【0019】
所定の気体Xは、通電棒及び保護管13の何れとも反応しない気体である。さらに、所定の気体Xは、電解装置1において電気分解の対象となる金属塩化物、通電棒11、保護管13及び電解槽31において生成される金属の何れとも反応しない気体であることが好ましい。このような気体Xとしては、例えば、ヘリウム、アルゴン、及びネオン等の不活性ガス(希ガス)や、窒素ガスなどが好適である。
【0020】
以上の構成を備える電解装置1を用いた金属精錬方法について、図3を参照しつつ説明する。図3は、本実施形態による金属精錬方法を示すフローチャートである。なお、以下の説明では金属塩化物として塩化亜鉛を例示しているが、本実施形態の電解装置1および金属精錬方法は、塩化亜鉛以外の金属塩化物の電解にも好適に用いられる。
【0021】
まず、溶融した塩化亜鉛を導入管32を介して電解装置1の内部へ導入し、電解槽31に取り込む(ステップS1)。電解槽31内はヒータ35によって例えば500℃以上の高温に保たれるので、塩化亜鉛は溶融状態のまま維持される。また、電解槽31の内部には複数の電極板7が配置されており、溶融した塩化亜鉛中に複数の電極板7が浸される。そして、保護管13の導入口13bから隙間21へ気体Xを導入しつつ(ステップS2)、所定の電位差を両端の電極板7に与える(ステップS3)。これにより、隣り合う電極板7同士の対向する面(電解面)を介して塩化亜鉛中に電流が流れ、塩化亜鉛が塩素と純亜鉛とに電気分解される(ステップS4)。こうして生成された純亜鉛は、塩化亜鉛より比重が大きいので電解槽31の底部に堆積し、金属排出管34から取り出される(ステップS5)。また、生成された塩素は、気体となって電解槽31の上方へ移動し、塩素排出管33を介して電解装置1の外部へ排出される。
【0022】
以上に説明した本実施形態による電解装置1の電極構造、電解装置1、および金属精錬方法の効果について説明する。前述したように、金属塩化物を電気分解するための電解装置においては、電極板に電力を供給するための通電棒として一般的に金属部材が使用される。しかし、金属は塩素ガスによって腐食し易いので、従来の電解装置においては通電棒を頻繁に取り替える必要があった。このような課題に対し、例えばグラファイトといった耐熱・耐食性が高い導電性材料によって通電棒を構成することも考えられるが、このような物質は金属と比較して電気抵抗率が高く、電力効率が低下してしまう。また、電極板に十分な電力を供給するために断面積を大きくして抵抗値を下げることもできるが、現実的ではない。また、金属製の通電棒の表面にセラミックス膜などの耐熱・耐食性が高い絶縁被膜を設けることも考えられるが、金属とセラミックスとでは熱膨張率の差が大きく、500℃以上といった高温になる電解槽内では被膜の割れにより信頼性が不足してしまう。
【0023】
本実施形態の電解装置1および金属精錬方法においては、金属製の通電棒11をセラミックス製の保護管13により覆っている。セラミックスは塩素ガスに対する耐食性が極めて高いので、この構成によって、塩素ガスから通電棒11を好適に保護できる。また、セラミックス製の保護管13と金属製の通電棒11とを密着させずに隙間21を設けることにより、互いの熱膨張率の差を好適に吸収できるので、信頼性を高め実用に供することができる。また、保護管13と通電棒11との隙間21に導入口13bから気体Xを取り入れることにより、この隙間21を陽圧に保って塩素ガスの侵入を確実に防ぐことができる。従って、本実施形態の電解装置1および金属精錬方法によれば、塩素ガスから通電棒11を確実に保護し、通電棒11の腐食を防止できる。
【0024】
また、本実施形態の電解装置1によれば、保護管13と通電棒11との隙間21を陽圧に保つことにより、この隙間21を通って塩素ガスが外部へ漏出することも好適に防止できる。
【0025】
また、本実施形態のように、保護管13の一端部13aは、電極板7に気密に固定されていることが好ましい。これにより、隙間21への塩素ガスの侵入をより確実に防ぐことができる。なお、一端部13aを電極板7に気密に固定する方式としては、本実施形態のようにセラミック製の接合剤(パテ)23を用いる方式の他にも、例えば一端部13aと電極板7とを密着させる方式でもよい。また、隙間21の内部は陽圧に保たれているので気密でなくとも上記効果を得ることはできるが、溶融した金属塩化物中に気体Xが過度に漏れ出すと、その泡沫によって金属塩化物が飛散して塩素排出管33が閉塞し易くなると同時に、飛散した金属塩化物が無駄になる。従って、保護管13の一端部13aは、電極板7に気密に固定されていることが好ましい。
【0026】
また、本実施形態のように、気体Xは、金属塩化物、通電棒11、及び生成された金属の何れとも反応しない気体(希ガスや窒素など)であることが好ましい。これにより、金属塩化物の電気分解を妨げることなく、また、通電棒11を腐食させることなく、隙間21を陽圧に保つことができる。
【0027】
なお、本実施形態における電極構造の好適な実施例を以下に示す。
電極板7の数:10枚
電極板7の水平方向の幅:200mm
電極板7の垂直方向の幅:250mm
電極板7の厚さ:10mm
電極板7同士の間隔:5mm
通電棒11の材質:鉄(Fe)
通電棒11の長さ:1m
通電棒11の直径:8mm
【0028】
本実施形態の電解装置1および金属精錬方法は、例えば、次のような場面において特に効果的である。すなわち、塩化物法により多結晶シリコンを製造する際には、シリコンの塩化物(例えば四塩化珪素や三塩化シラン)を亜鉛で還元して多結晶シリコンを得ると共に、還元用の亜鉛は塩化亜鉛として取り出される。そして、塩化亜鉛を電解することにより純亜鉛を得、この純亜鉛を再びシリコン塩化物の還元に用いることができる。この塩化亜鉛を電解する工程において、本実施形態の電解装置1および金属精錬方法が好適に用いられる。
【0029】
本発明による電解装置の電極構造、電解装置、および金属精錬方法は、上記した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、通電棒と保護管との隙間においては、通電棒と保護管とが部分的に接触していてもよい。また、上記実施形態では、金属塩化物、通電棒、保護管及び生成された金属の何れとも反応しない気体として窒素ガス及び希ガスを例示しているが、本発明における所定の気体はこれらに限られるものではなく、電気分解の対象となる金属塩化物および電解後の金属と反応しない気体であれば、様々な気体を適用できる。
【図面の簡単な説明】
【0030】
【図1】図1は、本発明による電極構造を備える電解装置の一実施形態を示す側面断面図である。
【図2】図2は、電極板、通電棒、および保護管の構成を拡大して示す側面断面図である。
【図3】図3は、金属精錬方法の一実施形態を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【0031】
1…電解装置、3…本体部、5…電極構造体、7…電極板、9…棒状部材、11…通電棒、13…保護管、15…陽極、17…陰極、19…中間電極、21…隙間、31…電解槽、32…導入管、33…塩素排出管、34…金属排出管、35…ヒータ。
【出願人】 【識別番号】000002130
【氏名又は名称】住友電気工業株式会社
【出願日】 平成18年9月27日(2006.9.27)
【代理人】 【識別番号】100088155
【弁理士】
【氏名又は名称】長谷川 芳樹

【識別番号】100092657
【弁理士】
【氏名又は名称】寺崎 史朗

【識別番号】100110582
【弁理士】
【氏名又は名称】柴田 昌聰


【公開番号】 特開2008−81786(P2008−81786A)
【公開日】 平成20年4月10日(2008.4.10)
【出願番号】 特願2006−263001(P2006−263001)