電気分解装置及び電気分解方法
【課題】電極の劣化を従来よりも低減する。
【解決手段】所定の電解液を電気分解する電気分解装置Ａ1であって、電解液２に浸漬される接液面と、気体流路を形成する接気面と、接液面と接気面とを連通させ、壁面が電解液に対して疎液性、かつ、孔径が分解ガスを電解液に対して選択的に通過させる大きさに設定された複数の貫通孔とを備える複数の電気分解電極Ｂ1、Ｂ2と、該複数の電気分解電極Ｂ1、Ｂ2に極性が時間の経過とともに交互に切り替わる電位を供給する極性切換電源３とを具備する。
【解決手段】所定の電解液を電気分解する電気分解装置Ａ1であって、電解液２に浸漬される接液面と、気体流路を形成する接気面と、接液面と接気面とを連通させ、壁面が電解液に対して疎液性、かつ、孔径が分解ガスを電解液に対して選択的に通過させる大きさに設定された複数の貫通孔とを備える複数の電気分解電極Ｂ1、Ｂ2と、該複数の電気分解電極Ｂ1、Ｂ2に極性が時間の経過とともに交互に切り替わる電位を供給する極性切換電源３とを具備する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気分解装置及び電気分解方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１には、フッ化カリウム（ＫＦ）とフッ化水素（ＨＦ）とが混合したＫＦ−ＨＦ系混合溶融塩を含む溶液を電解液とし、当該電解液を電気分解することによって高純度のフッ素ガスを安定的に発生させるフッ素ガス発生装置が開示されている。このフッ素ガス発生装置は、半導体製造装置のクリーニングに供するために、陽極電極で発生したフッ素ガスを回収するものである。このようなフッ素ガス発生装置では、電子を脱離することによってフッ素イオンをフッ素ガス化する陽極電極として、ニッケル（Ｎｉ）電極を使用している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３３９０９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記ニッケル（Ｎｉ）電極は、電位をかけたことによる溶解によって材料であるニッケル（Ｎｉ）が電解液中に溶出し、この結果として陽極が劣化するという問題が発生する。すなわち、従来のフッ素ガス発生装置（電気分解装置）は、陽極の劣化に対応するために陽極電極を定期的に交換する必要があるため、連続した運転が困難である。したがって、フッ素ガス発生装置（電気分解装置）では、陽極電極の寿命を延ばすことが重大な技術課題となっている。
【０００５】
また、半導体製造装置のクリーニングに使用するためには、高純度のフッ素ガスが必要である。上記従来のフッ素ガス発生装置は、十分な純度のフッ素ガスが得られるものの、陽極電極の寿命が短いという問題点がある。
【０００６】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、以下の点を目的とするものである。
（１）電極の劣化を従来よりも低減する。
（２）発生ガスの純度を確保しつつ電極の劣化を従来よりも低減する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明では、電気分解方法に係る第１の解決手段として、所定の電解液を電気分解する電気分解装置であって、電解液に浸漬される接液面と、気体流路を形成する接気面と、接液面と接気面とを連通させ、壁面が電解液に対して疎液性、かつ、孔径が分解ガスを電解液に対して選択的に通過させる大きさに設定された複数の貫通孔とを備える複数の電気分解電極と、該複数の電気分解電極に極性が時間の経過とともに交互に切り替わる電位を供給する極性切換電源とを具備する、という手段を採用する。
【０００８】
電気分解装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、各電気分解電極は、各接液面が垂直姿勢かつ互いに向き合うように電解液内に配置される、という手段を採用する。
【０００９】
電気分解装置に係る第３の解決手段として、上記第１の解決手段において、各電気分解電極は、接液面を上側として電解液内に配置される、という手段を採用する。
【００１０】
電気分解装置に係る第４の解決手段として、上記第１〜第３のいずれかの解決手段において、極性切換電源は、陰極面積が陽極面積と同じまたは陰極面積が陽極面積よりも大きくなるように極性を設定して各電気分解電極に電位を供給する、という手段を採用する。
【００１１】
電気分解装置に係る第５の解決手段として、上記第１〜第４のいずれかの解決手段において、電解液がフッ素化合物を溶融塩とするものであり、フッ素化合物を電気分解してフッ素ガスを発生させる、という手段を採用する。
【００１２】
また、本発明では、電気分解方法に係る第１の解決手段として、所定の電解液を電気分解する電気分解方法であって、電解液に浸漬される接液面と、気体流路を形成する接気面と、接液面と接気面とを連通させ、壁面が電解液に対して疎液性、かつ、孔径が分解ガスを電解液に対して選択的に通過させる大きさに設定された複数の貫通孔とを有する電気分解電極を電解液に複数浸漬させ、各電気分解電極に極性が時間の経過とともに交互に切り替わる電位を供給する、という手段を採用する。
【００１３】
電気分解方法に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、各電気分解電極を各接液面が垂直姿勢かつ互いに向き合うように電解液内に配置する、という手段を採用する。
【００１４】
電気分解方法に係る第３の解決手段として、上記第１の解決手段において、各電気分解電極を接液面を上側として電解液内に配置する、という手段を採用する。
【００１５】
電気分解方法に係る第４の解決手段として、上記第１〜第３のいずれかの解決手段において、陰極面積が陽極面積と同じまたは陰極面積が陽極面積よりも大きくなるように極性を設定して各電気分解電極に電位を供給する、という手段を採用する。
【００１６】
電気分解方法に係る第５の解決手段として、上記第１〜第４のいずれかの解決手段において、フッ素化合物を溶融塩とする電解液を用い、フッ素化合物を電気分解してフッ素ガスを発生させる、という手段を採用する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、極性が時間の経過とともに交互に切り替わる電位が各電気分解電極に供給されるので、各電気分解電極に供給する極性を固定している従来技術よりも電極、特に陽極の劣化を低減することが可能である。
また、本発明によれば、接液面で発生した分解ガスは、接液面から効果的に排除されて貫通孔の内部に移動し、また接液面から貫通孔の内部に電解液に対して選択的に侵入して接気面に移動するので、接液面に分解ガスが滞留する時間を従来よりも短縮することが可能であり、これによっても電極の劣化を従来よりも低減することが可能であると共に電解液の分解効率（分解ガスの発生効率）を従来よりも向上させることが可能である。
さらに、本発明によれば、接液面から貫通孔の内部に電解液に対して選択的に侵入して接気面に移動するので、純度の高い分解ガスを気体流路に収集することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１実施形態に係る電気分解装置Ａ1の構成を示すものであり、（ａ）は正面図、（ｂ）は正面図におけるＸ1−Ｘ1線の矢視図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る電気分解装置Ａ1における電極ユニットＢ（第１電極ユニットＢ1及び陰極電極ユニットＢ2）の構成を示すものであり、（ａ）は正面図、（ｂ）は正面図におけるＹ1−Ｙ1線の矢視図、（ｃ）は側面図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る電気分解装置Ａ1における電極ユニットＢの電極板の構成を示すものであり、（ａ）は正面図、（ｂ）は正面図におけるＺ1−Ｚ1線の矢視図、（ｃ）は側面図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る電気分解装置Ａ1における第１の電位Ｖ1及び第２の電位Ｖ2の電圧パターンを示す特性図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る電気分解装置Ａ2の構成を示すものであり、（ａ）は正面図、（ｂ）は正面図におけるＸ2−Ｘ2線の矢視図である。
【図６】本発明の第２実施形態の変形例に係る電気分解装置Ａ3の構成を示す矢視図である。
【図７】本発明の第３実施形態に係る電気分解装置Ａ4の構成を示す正面図である。
【図８】本発明の第３実施形態に係る電気分解装置Ａ4における第１〜第３の電位Ｖ1、Ｖ2、Ｖ3の電圧パターンを示す特性図である。
【図９】本発明の第４実施形態に係る電気分解装置Ａ5の構成を示すものであり、（ａ）は正面図、（ｂ）は正面図におけるＸ3−Ｘ3線の矢視図である。
【図１０】本発明の第５実施形態の変形例に係る電気分解装置Ａ6の構成を示す矢視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
〔第１実施形態〕
最初に、第１実施形態について説明する。本第１実施形態に係る電気分解装置Ａ1は、図１に示すように、電解槽１、電解液２、第１電極ユニットＢ1、第２電極ユニットＢ2及び極性切換電源３から構成されている。電解槽１は、上端が解放されると共に内部に電解液２が貯留された箱型の容器である。
【００２０】
電解液２は、所定の溶媒に所定の化合物（電気分解対象物）を含有するものである。この電解液２は、電気分解装置Ａ1の目的、つまりどのような気体を電気分解によって回収するかによって種々のものが選定される。例えば、フッ素ガス（Ｆ２）の生成・回収を目的とする場合には、電解液２として、フッ化カリウム（ＫＦ）とフッ化水素（ＨＦ）とが混合したものを溶融塩（ＫＦ・ｎＨＦ（１≦ｎ≦３））とするものが選定される。第１電極ユニットＢ1及び第２電極ユニットＢ2は、全く同一に構成されており、各電極面ｆ1、ｆ2がお互いに並行対峙するように垂直姿勢で電解液２に浸漬されている。
【００２１】
極性切換電源３は、一対の出力端を有し、各出力端の電気的な極性を時間の経過とともに交互に切換える機能を備えた一種の交流電源である。上記一対の出力端のうち、一方の出力端は第１電極ユニットＢ1に接続され、他方の出力端は第２電極ユニットＢ2に接続されている。つまり、この極性切換電源３は、一方の出力端を介して第１電極ユニットＢ1に第１の電位Ｖ1を供給し、また他方の出力端を介して第２電極ユニットＢ2に第２の電位Ｖ2を供給する。
【００２２】
したがって、本電気分解装置Ａ1における第１電極ユニットＢ1及び第２電極ユニットＢ2は、極性切換電源３から時間の経過とともに異なる極性の電位が印加されるので、陽極電極あるいは陰極電極として機能する。
【００２３】
図２は、上記第１電極ユニットＢ1及び第２電極ユニットＢ2の構成を極電極ユニットＢとして示している。この極電極ユニットＢは、図示するように、多孔電極板４、導線５、電極ホルダ６、気体導管７、電極カバー８及び締結ネジ９から構成されている。
【００２４】
多孔電極板４は、図３に示されているように、正方形かつ一定厚の導体板４ａの接液面４ｂと接気面４ｃとの間に、当該接液面４ｂと接気面４ｃとを連通させる多数の貫通孔４ｄが形成されたものである。上記導体板４ａは、所定の金属、例えばニッケル（Ｎｉ）を材料とする平板である。このような多孔電極板４の接液面４ｂは、第１電極ユニットＢ1及び第２電極ユニットＢ2における電極面ｆ1、ｆ2である。
【００２５】
この貫通孔４ｄは、図示するように、壁面に疎液性の被膜４ｅ（疎液膜）が形成されたものであり、また断面形状が互いに平行な接液面４ｂと接気面４ｃとに直交すると共に一定の断面積となるように形成されている。貫通孔４ｄの直径は、例えば５００μｍ以下であり、より好ましくは１０μｍ〜５００μｍである。このような貫通孔４ｄの直径は、以下に詳説するように電解液が貫通孔４ｄの内部に浸入しないように最適化されている。
【００２６】
また、貫通孔４ｄの配列ピッチは、特に制限がないが、１０μｍ〜５００μｍ程度が好ましい。すなわち、貫通孔４ｄの配列ピッチは、貫通孔４ｄの孔径と同程度が好ましい。
なお、図３の多孔電極板４は、貫通孔４ｄが碁盤の目のように配置された状態に形成されているが、貫通孔４ｄの配置態様はこれに限定されるものではなく、例えば千鳥格子状あるいは規則性のない配列状態であっても良い。また、図３に示す貫通孔４ｄの断面形状は、軸線方向に一定の断面積となる形状であるが、軸線方向に断面積が変化するような形状であっても良い。このような多孔電極板４は、平板な導体板４ａを例えばレーザ加工することによって容易に形成することができる。
【００２７】
また、上記多孔電極板４の接液面４ｂは、電解液に対して親液性となるよう表面処理されている。多孔電極板４は、導体板４ａを母材として形成されているが、各貫通孔４ｄの壁面は、導電性材料の表面に電解液に対して疎液性の被膜である疎液膜４ｅが全面的に形成されている。このような各被膜は、例えばスプレーコーティング、フローコーティング、スピンコーティング、ディップコーティング、ロールコーティング、加圧コーティング等の各種コーティング方法によって親液性材料あるいは疎液性材料を塗布することによって形成される。
【００２８】
ここで、「親液性」とは、一定量の液滴が固体表面に置かれた状態において液滴の気液界面と固液界面がなす角度（接触角）が９０°より小さくなる状態のことであり、また「疎液性」とは、上記接触角が９０°より大きくなる状態のことである。上記接触角として接液面４ｂ（親液面）及び各貫通孔４ｄの疎液膜４ｅ（疎液面）を見た場合、上記接液面４ｂ（親液面）の電解液に対する接触角α（α＜９０°）及び疎液膜４ｅ（疎液面）の電解液に対する接触角β（９０°＜β）は、以下の関係式（１）を満足する。すなわち、接液面４ｂの接触角αは、各貫通孔４ｄの疎液膜４ｅの接触角βよりも小さく設定されている。
α＜９０°＜β （１）
【００２９】
すなわち、多孔電極板４は、貫通孔４ｄの直径が５００μｍ以下に設定され、かつ、接液面４ｂ（親液面）及び各貫通孔４ｄの疎液膜４ｅ（疎液面）の各接触角α、βが上記関係式（１）を満足するように構成されている。また、各接触角α、βについては、上記関係式（１）に代えて、α＋１０°＜９０°＜βの条件あるいはα＋２５°＜９０°＜βの条件を満足することがより好ましい。なお、接気面４ｃの接触角については特に限定しないが、９０°よりも大きく（つまり疎液性とし）設定することが好ましい。
【００３０】
導線５は、このような多孔電極板４の接気面４ｃに一端が接続されると共に他端が外部の電源（図示略）の出力端に接続された電線であり、電源から出力された電気分解用の電位を多孔電極板４に供給するためのものである。電極ホルダ６は、内部に窪み部が形成された立方体状の非導電性部材である。図示するように、この電極ホルダ６には窪み部を一方から塞ぐような状態で上述した平板状の多孔電極板４が装着されている。なお、電極ホルダ６の窪み部と多孔電極板４とによって囲まれた空洞は気体チャンバー６ａである。このような気体チャンバー６ａは、図示するように複数の貫通孔４ｄを介して接液面４ｂに連通する。
【００３１】
気体導管７は、一端が電極ホルダ６の上部に固定された中空円筒状の非導電性部材であり、内部空洞は上記気体チャンバー６ａに連通する気体チャネル７ａである。図示していないが、気体導管７の他端は気体回収装置に接続されている。電極カバー８は、中心部に正方形の開口８ａが形成された正方形状の非導電性部材である。この電極カバー８は、接液面４ｂが開口８ａを介して外部に露出するように多孔電極板４を電極ホルダ６の一部に保持するためのものである。締結ネジ９は、このような電極カバー８を電極ホルダ６に締結固定するためのものであり、電極カバー８の各丁部近傍にそれぞれ設けられている。
【００３２】
次に、このように構成された電気分解装置Ａ1の動作について図４に示す第１の電位Ｖ1及び第２の電位Ｖ2の電圧パターンをも参照して詳しく説明する。
なお、以下の説明では、フッ素ガス（Ｆ２）を生成・回収するために、フッ化カリウム（ＫＦ）とフッ化水素（ＨＦ）とが混合したものを溶融塩（ＫＦ・ｎＨＦ（１≦ｎ≦３））とする電解液２を電気分解する場合について説明する。
【００３３】
本電気分解装置Ａ1の運転時において、極性切換電源３は、図４（ａ）に示す電圧パターンの第１の電位Ｖ1を第１電極ユニットＢ1に供給すると共に、第２の電位Ｖ2を第２電極ユニットＢ2に供給する。第１の電位Ｖ1及び第２の電位Ｖ2は、電圧が一定の周期で方形波状に正極運転電位＋Ｖａと負極運転電位０との間で変化する電圧パターンの電位である。なお、負極電位は必ずしも零とは限らず負電位である場合もある。
【００３４】
また、これら第１の電位Ｖ1及び第２の電位Ｖ2は、図示するように、お互いの正極運転電位＋Ｖａがオーバーラップしないように、つまり同時に正極運転電位＋Ｖａとならないように電圧パターンが設定されている。なお、正極運転電位＋Ｖａは、電気分解が発生し得る正極ガス発生電位＋Ｖｇを超える電圧として設定されている。
【００３５】
このような第１の電位Ｖ1及び第２の電位Ｖ2は、第１の電位Ｖ1が正極運転電位＋Ｖａのとき、第２の電位Ｖ2は負極運転電位０である。また、これとは逆に、第２の電位Ｖ2が正極運転電位＋Ｖａのとき、第１の電位Ｖ1は負極運転電位０である。したがって、第１電極ユニットＢ1に正極運転電位＋Ｖａが印加されたとき、つまり第１電極ユニットＢ1が陽極曲電極として機能するとき、第２電極ユニットＢ2には負極運転電位０が印加されて陽極曲電極として機能する。
【００３６】
なお、第１の電位Ｖ1及び第２の電位Ｖ2の電圧パターンは、上述した図４（ａ）のパターンに代えて、図４（ｂ）に示す電圧パターンであっても良い。図４（ｂ）の電圧パターンは、図４（ａ）のパターンとの対比において、第１の電位Ｖ1及び第２の電位Ｖ2の負極運転電位０から正極運転電位＋Ｖａへの電圧変化を多段的（中間が３段階）に順次変化させる点で相違する。なお、この電圧変化における段階数は中間３段階に限定されない。また、この電圧変化は、多段的ではなく、ランプ波形のように一定の傾斜で直線的に変化するもの、あるいは滑らかな曲線状に変化するものでも良い。
【００３７】
さて、第１電極ユニットＢ1が正極運転電位＋Ｖａ、また第２電極ユニットＢ2が負極運転電位０の状態において、電解液２と接触する第１電極ユニットＢ1の多孔電極板４の接液面４ｂ（電極面ｆ1）では以下の反応式（２）に示す化学反応が生じ、電極面ｆ1においてフッ素ガス（Ｆ２）が気泡として発生する。また、第２電極ユニットＢ2の多孔電極板４の接液面４ｂ（電極面ｆ2）では、以下の反応式（３）に示す化学反応が生じ、電極面ｆ2において水素ガス（Ｈ２）が気泡として発生する。
陽極 ： ２Ｆ− → Ｆ２＋２ｅ− （２）
陰極 ： ２Ｈ＋＋２ｅ− → Ｈ２ （３）
【００３８】
ここで、第１電極ユニットＢ1の接液面４ｂは、親液性のため電解液２と馴染みが良く、よってフッ素ガス（Ｆ２）が効率良く生成される。また、このような接液面４ｂは、親液性の被膜で覆われているので気泡（気体）であるフッ素ガス（Ｆ２）との馴染みが悪い。一方、このような接液面４ｂに多数形成された貫通孔４ｄの疎液膜４ｅは、疎液性の被膜で覆われているので、電解液２との馴染みは悪いが、気泡（気体）であるフッ素ガス（Ｆ２）との馴染みが良い。
【００３９】
すなわち、第１電極ユニットＢ1の多孔電極板４では、接液面４ｂの接触角αと貫通孔４ｄの疎液膜４ｅの接触角βとの間に関係式（１）が成立しているので、第１電極ユニットＢ1の接液面４ｂにおいて貫通孔４ｄ近傍で発生したフッ素ガス（Ｆ２）の気泡は、接液面４ｂ（親液面）から排除されて貫通孔４ｄの疎液膜４ｅ（疎液面）に移動する。そして、接液面４ｂにおいて貫通孔４ｄ近傍で発生したフッ素ガス（Ｆ２）の気泡は、この力の作用によって、接液面４ｂから貫通孔４ｄに移動する。
【００４０】
電解液２の表面張力γ［Ｎ／ｍ］、接液面４ｂの電解液２に対する接触角α［ｄｅｇ］、貫通孔４ｄの半径ｒ［ｍ］とした場合、電解液２が貫通孔４ｄの内部に入り込むために必要な圧力（ヤング・ラプラス圧力）ΔＰは、下式（４）のように表される。
ΔＰ＝−２γ（ｃｏｓα）／ｒ （４）
したがって、貫通孔４ｄの入口における電解液２の圧力（電解液２に対する貫通孔４ｄの深さに依存する）が上記ヤング・ラプラス圧力ΔＰを超えなければ、電解液２は貫通孔４ｄの内部に浸入することができない。
【００４１】
このように、第１電極ユニットＢ1の多孔電極板４では、電解液２が内部に浸入できない大きさ、つまり分解ガス（気体）であるフッ素ガス（Ｆ２）を選択的に通過させる大きさ（上述した５００μｍｍ以下の直径）となるように貫通孔４ｄの孔径が設定されると共に、貫通孔４ｄの壁面に接液面４ｂの接触角αよりも大きな接触角βを有する疎液膜４ｅが設けられているので、接液面４ｂで発生したフッ素ガス（Ｆ２）の気泡は、接液面４ｂから効果的に排除されて貫通孔４ｄの内部に移動し、また接液面４ｂから貫通孔４ｄの内部に電解液２に対して選択的に侵入して接気面４ｃに移動する。
【００４２】
すなわち、本電気分解装置Ａ1の第１電極ユニットＢ1では、気泡（気体）であるフッ素ガス（Ｆ２）が液体である電解液２から効果的に分離されて、電解液２は貫通孔４ｄを通過することなく、このような電解液２に対して選択的に貫通孔４ｄを通過して気体チャンバー６ａ内に収集される。そして、気体チャンバー６ａ内のフッ素ガス（Ｆ２）は、気体導管７によって形成される気体チャネル７ａを介して外部に回収される。したがって、本電気分解装置Ａ1によれば、従来まで気泡に覆われていた部分からガスを除去することにより電解における有効面積を増加することが可能であり、電解液２の分解効率、つまりフッ素ガス（Ｆ２）の発生効率を向上させることができる。
【００４３】
このような第１電極ユニットＢ1における作用に対して、第２電極ユニットＢ2では、多孔電極板４が第１電極ユニットＢ1の多孔電極板４と全く同様に構成されているものの、接液面４ｂ（電極面ｆ2）で発生するガスがフッ素ガス（Ｆ２）ではなく水素ガス（Ｈ２）の気泡であるために、当該水素ガス（Ｈ２）の気泡は、接液面４ｂから貫通孔４ｄの内部に移動せず、また、接液面４ｂが親液性であり気泡（気体）に対して馴染みが悪いので、浮力に従って接液面４ｂから速やかに排除されて電解液２内を浮上する。すなわち、水素ガス（Ｈ２）は、フッ素ガス（Ｆ２）のように気体チャンバー６ａ内に収集されるのではなく、第２電極ユニットＢ2の上方に別途設けられたガス回収器に回収される。
【００４４】
続いて、このような第１電極ユニットＢ1が正極運転電位＋Ｖａ、また第２電極ユニットＢ2が負極運転電位０の状態から第１電極ユニットＢ1が負極運転電位−Ｖａ、また第２電極ユニットＢ2が正極運転電位＋Ｖａの状態に切換ると、第１電極ユニットＢ1の電極面ｆ1では水素ガス（Ｈ２）が発生し、第２電極ユニットＢ2の電極面ｆ2ではフッ素ガス（Ｆ２）が発生する。
【００４５】
この状態では、第１電極ユニットＢ1の電極面ｆ1で発生した水素ガス（Ｈ２）は、上述した第２電極ユニットＢ2の場合と同様に、第１電極ユニットＢ1の貫通孔４ｄを通過して気体チャンバー６ａ内に収集されることはなく、浮力に従って電解液２内を浮上して回収される。一方、第２電極ユニットＢ2の電極面ｆ2で発生したフッ素ガス（Ｆ２）は、上述したように貫通孔４ｄに侵入して気体チャンバー６ａ内に収集される。
【００４６】
このような本電気分解装置Ａ1によれば、第１電極ユニットＢ1に印加する第１の電位Ｖ1及び第２電極ユニットＢ2に印加する第２の電位Ｖ2の極性を交互に切換えることにより、第１電極ユニットＢ1と第２電極ユニットＢ2とで交互に陽極電極として機能するので、金属板４ａの溶出を大幅に抑制することが可能であり、よって第１電極ユニットＢ1及び第２電極ユニットＢ2の劣化を大幅に抑制することができる。
【００４７】
また、本電気分解装置Ａ1によれば、第１電極ユニットＢ1及び第２電極ユニットＢ2では、陽極電極と陰極電極とに交互に切り換わることによってフッ素ガス（Ｆ２）と水素ガス（Ｈ２）とが交互に発生するものの、フッ素ガス（Ｆ２）と水素ガス（Ｈ２）とが個別に収集されるので、純度の高いフッ素ガス（Ｆ２）及び水素ガス（Ｈ２）を収集することが可能である。
【００４８】
さらに、本電気分解装置Ａ1によれば、各電極面ｆ1、ｆ2が平行に対向するように第１電極ユニットＢ1及び第２電極ユニットＢ2の姿勢が設定されているので、各電極面ｆ1、ｆ2の各部位における各電極面ｆ1、ｆ2間の距離が同一であり、よって各電極面ｆ1、ｆ2間に均一な電界が発生する。仮に各電極面ｆ1、ｆ2が不平行であった場合、各電極面ｆ1、ｆ2の各部位における各電極面ｆ1、ｆ2間の距離は一定ではなくなるので、各電極面ｆ1、ｆ2の部位によって異なる電界が発生する。このような本電気分解装置Ａ1によれば、各電極面ｆ1、ｆ2間に均一な電界が発生するので、フッ素ガス（Ｆ２）及び水素ガス（Ｈ２）を効率良く発生させることができる。
【００４９】
〔第２実施形態〕
次に、第２実施形態について、図５を参照して説明する。なお、図５では、上述した第１実施形態に係る電気分解装置Ａ1と同一の構成要素については同一符合を付している。以下では、このような同一の構成要素については、重複するので説明を省略する。
【００５０】
本第２実施形態に係る電気分解装置Ａ2は、電解槽１Ａ、電解液２、第１電極ユニットＢ1、第２電極ユニットＢ2及び極性切換電源３（図示略）から構成されている。本電気分解装置Ａ2は、図示するように第１電極ユニットＢ1及び第２電極ユニットＢ2を水平姿勢で電解槽１Ａ内に収容する電解槽１Ａを備えている。この電解槽１Ａは、第１実施形態に係る電気分解装置Ａ1における電解槽１よりも正面から見た面積が大きく、また深さが浅く構成されたものである。また、第１電極ユニットＢ1及び第２電極ユニットＢ2は、図示するように、電極面ｆ1、ｆ2を上側に向けた姿勢、かつ、互いに同一深さとなるように電解槽１Ａ内の電解液２に浸漬されている。
【００５１】
また、本電気分解装置Ａ2の変形例として、図６に示すような電気分解装置Ａ3が考えられる。この変形例に係る電気分解装置Ａ3は、各電極面ｆ1、ｆ2が下側に向けたれた姿勢、かつ、各電極面ｆ1、ｆ2が水平に対して多少傾斜した姿勢で第１電極ユニットＢ1及び第２電極ユニットＢ2を電解槽１Ａ内の電解液２に浸漬されたものである。
【００５２】
このような各電気分解装置Ａ2、Ａ3においても、上述した第１実施形態に係る電気分解装置Ａ1と全く同様に、第１電極ユニットＢ1及び第２電極ユニットＢ2の電極面ｆ1、ｆ2で発生したフッ素ガス（Ｆ２）は、貫通孔４ｄに侵入して気体チャンバー６ａ内に移動して回収され、一方、第１電極ユニットＢ1及び第２電極ユニットＢ2の各電極面ｆ1、ｆ2で発生した水素ガス（Ｈ２）は、第１電極ユニットＢ1及び第２電極ユニットＢ2の各貫通孔４ｄすることなく浮力に従って電解液２内を浮上して回収される。
【００５３】
また、各電気分解装置Ａ2、Ａ3によれば、第１電極ユニットＢ1に印加する第１の電位Ｖ1及び第２電極ユニットＢ2に印加する第２の電位Ｖ2の極性を交互に切換えるので、フッ素ガス（Ｆ２）が第１電極ユニットＢ1と第２電極ユニットＢ2とで交互に発生する。したがって、第１電極ユニットＢ1及び第２電極ユニットＢ2における金属板４ａの溶出を大幅に抑制することができる。
【００５４】
また、本電気分解装置Ａ2によれば、各電極面ｆ1、ｆ2を上側に向けた姿勢かつ水平姿勢になっているので、各電極面ｆ1、ｆ2の各部位の電解液２における深さが同一であり、よって各電極面ｆ1、ｆ2の各部位で発生した水素ガス（Ｈ２）に均等な浮力が発生する。したがって、本電気分解装置Ａ2によれば、上述した各電極面ｆ1、ｆ2間に発生する電界の均一性は損なわれるものの、各電極面ｆ1、ｆ2の各部位で発生した水素ガス（Ｈ２）を効果的に浮上させることができる。
【００５５】
これに対して、第１実施形態に係る電気分解装置Ａ1では、各電極面ｆ1、ｆ2が垂直姿勢に設定されているので、各電極面ｆ1、ｆ2それぞれの液深さ方向において、深い部分はより大きな液圧が加わるため、気液界面を形成するヤングラブラス圧よりも大きな液圧が加わった場合、貫通孔４ｄの内部に電解液２が侵入してしまう。
【００５６】
また、変形例に係る電気分解装置Ａ3によれば、各電極面ｆ1、ｆ2が下側に向いているので、各電極面ｆ1、ｆ2において若干発生するスラッジ（沈殿物）は重力の作用によって下降する。したがって、この電気分解装置Ａ3によれば、スラッジ（沈殿物）が各電極面ｆ1、ｆ2上に堆積することを防止することができる。
【００５７】
〔第３実施形態〕
次に、第３実施形態について説明する。なお、図７では、図１と同一の構成要素には同一符合を付している。以下では、図１と同一の構成要素については、重複するので説明を省略する。
【００５８】
本第３実施形態に係る電気分解装置Ａ4は、図示するように、第１〜第３電極ユニットＢ1〜Ｂ3を備えると共に、これら第１〜第３電極ユニットＢ1〜Ｂ3に対応する極性切換電源３Ａを備えるものである。すなわち、第１〜第３電極ユニットＢ1〜Ｂ3は、各電極面ｆ1、ｆ2、ｆ3（接液面）が垂直姿勢、かつ互いに６０度の角度で向き合うように電解槽１内の電解液２に浸漬されている。なお、本実施形態では６０度の場合を図示しているが、本発明はこれに制限されず、任意の角度を持っても良い。
【００５９】
極性切換電源３Ａは、図８（ａ）の電圧パターンに示すように、上記第１〜第３電極ユニットＢ1〜Ｂ3に対応する第１〜第３の電位Ｖ1〜Ｖ3を出力する。すなわち、極性切換電源３Ａは、電圧が一定の周期かつ交互に正極運転電位＋Ｖａと負極運転電位０との間で方形波状に変化する電圧パターンの第１〜第３の電位Ｖ1〜Ｖ3を出力する。
【００６０】
また、これら第１〜第３の電位Ｖ1〜Ｖ3は、図示するように、お互いの正極運転電位＋Ｖａがオーバーラップしないように、つまり同時に正極運転電位＋Ｖａとならないように電圧パターンが設定されている。すなわち、第１〜第３の電位Ｖ1〜Ｖ3は、第１〜第３電極ユニットＢ1〜Ｂ3の何れかに正極運転電位＋Ｖａを印加したときに、他の２つには負極運転電位０を印加するように設定されている。
【００６１】
このような第１〜第３の電位Ｖ1〜Ｖ3に電圧パターンは、陽極面積が陰極面積よりも小さくなるように制御したものである。これにより陰極上で起こる電気化学反応が律速となって陽極でのフッ素ガス発生効率を低下させることを回避している。すなわち、極性切換電源３Ａは、陰極電極の反応面積が陽極分解電極の反応面積よりも実効的に大きくなるように第１〜第３の電位Ｖ1〜Ｖ3の極性を設定して第１〜第３電極ユニットＢ1〜Ｂ3に電位を供給する。
【００６２】
なお、極性切換電源３Ａについては、図８（ａ）のような電圧パターンに代えて、図８（ｂ）のような電圧パターンの第１〜第３の電位Ｖ1〜Ｖ3を出力するものであっても良い。図８（ｂ）の電圧パターンは、図８（ａ）のパターンとの対比において、第１〜第３の電位Ｖ1〜Ｖ3の負極運転電位−Ｖａから正極運転電位＋Ｖａへの電圧変化を多段的に順次変化させる点で相違する。
【００６３】
このような本電気分解装置Ａ4では、極性切換電源３Ａが例えば図８（ａ）のような電圧パターンの第１〜第３の電位Ｖ1〜Ｖ3を出力した場合、第１〜第３電極ユニットＢ1〜Ｂ3の何れかに正極運転電位＋Ｖａが印加されたとき、他の２つには負極運転電位０が印加される。すなわち、第１〜第３電極ユニットＢ1〜Ｂ3の何れかが陽極電極として機能した場合に、他は陰極電極として機能する。そして、正極運転電位＋Ｖａが印加された陽極電極ではフッ素ガス（Ｆ２）が発生し、負極運転電位０が印加された陰極電極では水素ガス（Ｈ２）が発生する。
【００６４】
このような本電気分解装置Ａ4においても、上述した第１、第２実施形態に係る電気分解装置Ａ1〜Ａ3と全く同様に、正極運転電位＋Ｖａが印加されたときに第１〜第３電極ユニットＢ1〜Ｂ3の電極面ｆ1〜ｆ3で発生したフッ素ガス（Ｆ２）は、貫通孔４ｄを介して気体チャンバー６ａ内に移動して回収され、一方、負極運転電位０が印加されたときに第１〜第３電極ユニットＢ1〜Ｂ3の電極面ｆ1〜ｆ3で発生した水素ガス（Ｈ２）は、第１〜第３電極ユニットＢ1〜Ｂ3の各貫通孔４ｄすることなく浮力に従って電解液２内を浮上して回収される。
【００６５】
また、本電気分解装置Ａ4によれば、第１電極ユニットＢ1に印加する第１の電位Ｖ1、第２電極ユニットＢ2に印加する第２の電位Ｖ2及び第３電極ユニットＢ3に印加する第３の電位Ｖ3の極性を交互に切換えるので、フッ素ガス（Ｆ２）が第１〜第３電極ユニットＢ1〜Ｂ3で交互に発生する。したがって、第１〜第３電極ユニットＢ1〜Ｂ3における金属板４ａの溶出を大幅に抑制することができる。
【００６６】
また、本電気分解装置Ａ4の全体的な反応速度は、陽極電極における電解液２の分解速度（フッ素ガス（Ｆ２）の発生速度）によって決定される。すなわち、陽極電極における電解液２の分解速度が本電気分解装置Ａ4の反応律速である。
【００６７】
本電気分解装置Ａ4によれば、ある１つの電極ユニットに正極運転電位＋Ｖａが印加されたとき、他の２つの電極ユニットには負極運転電位０が印加されるので、負極の実効的な電極面積を大きくすることが可能である。したがって、本電気分解装置Ａ4によれば、陰極で起こる電気化学反応が律速にならず、よってフッ素ガス（Ｆ２）の発生効率を向上させることができる。
【００６８】
また、本電気分解装置Ａ4によれば、第１〜第３電極ユニットＢ1〜Ｂ3の各電極面ｆ1〜ｆ3が互いに等距離に設けられているので、各電極面ｆ1〜ｆ3間の電界が同一である。したがって、このような本電気分解装置Ａ4によれば、第１〜第３電極ユニットＢ1〜Ｂ3におけるフッ素ガス（Ｆ２）及び水素ガス（Ｈ２）の発生量を均一化することができる。
【００６９】
〔第４実施形態〕
次に、第４実施形態について、図９を参照して説明する。なお、図９では、上述した第１〜第３実施形態に係る電気分解装置Ａ1〜Ａ4と同一の構成要素については同一符合を付している。以下では、このような同一の構成要素については、重複するので説明を省略する。
【００７０】
本第４実施形態に係る電気分解装置Ａ5は、電解槽１Ｂ、電解液２、第１〜第３電極ユニットＢ1〜Ｂ3及び極性切換電源３Ａ（図示略）から構成されている。本電気分解装置Ａ5は、図示するように第１〜第３電極ユニットＢ1〜Ｂ3を水平姿勢で電解槽１Ａ内に収容する電解槽１Ｂを備えている。この電解槽１Ｂは、第１、正面から見た面積が第２電極ユニットＢ1、Ｂ2を水平姿勢で収容する第２実施形態に係る電気分解装置Ａ2の電解槽１Ａよりも大きく、また深さは電解槽１Ａと同等である。また、第１〜第３電極ユニットＢ1〜Ｂ3は、図示するように、電極面ｆ1〜ｆ3を上側に向けた姿勢、かつ、互いに同一深さとなるように電解槽１Ｂ内の電解液２に浸漬されている。
【００７１】
また、このような本電気分解装置Ａ5の変形例として、図１０に示すような電気分解装置Ａ6が考えられる。この変形例に係る電気分解装置Ａ6は、各電極面ｆ1〜ｆ3が下側に向けたれた姿勢、かつ、各電極面ｆ1〜ｆ3が水平に対して多少傾斜した状態となるように第１〜第３電極ユニットＢ1〜Ｂ3を電解槽１Ｂ内の電解液２に浸漬させたものである。
【００７２】
すなわち、本第４実施形態に係る電気分解装置Ａ5は、第２実施形態に係る電気分解装置Ａ2における電解槽１Ａの水平面積を第１〜第３電極ユニットＢ1〜Ｂ3を収容できるようにさに大きくしたものである。したがって、電極面ｆ1、ｆ2を上側に向けた姿勢、かつ、互いに同一深さとなるように第１、第２電極ユニットＢ1、Ｂ2を電解液２に浸漬する第２実施形態に係る電気分解装置Ａ2の作用効果と第１〜第３電極ユニットＢ1〜Ｂ3を電解液２に浸漬する第３実施形態に係る電気分解装置Ａ3の作用効果とを奏する。
【００７３】
また、変形例に係る電気分解装置Ａ6は、第２実施形態の変形例に係る電気分解装置Ａ3における電解槽１Ａの水平面積を第１〜第３電極ユニットＢ1〜Ｂ3を収容できるようにさに大きくしたものである。したがって、各電極面ｆ1、ｆ2が下側に向けたれた姿勢、かつ、各電極面ｆ1、ｆ2が水平に対して多少傾斜した姿勢となるように第１電極ユニットＢ1及び第２電極ユニットＢ2を電解槽１Ａ内の電解液２に浸漬させた第２実施形態の変形例に係る電気分解装置Ａ3の作用効果と第１〜第３電極ユニットＢ1〜Ｂ3を電解液２に浸漬する第３実施形態に係る電気分解装置Ａ3の作用効果とを奏する。
【００７４】
なお、本発明は、上記各実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のようなさらなる変形例が考えられる。
（１）上記各実施形態では、２つあるいは３つの電極ユニットを組み合わせる構成を採用するものであるが、本発明はこれに限定されない。４つ以上の電極ユニットを組み合わせても良い。上記各実施形態では、全ての電極ユニットを同一構成としたが、必要に応じて異なる構成の電極ユニットを組み合わせても良い。
【００７５】
（２）また、３つ以上の電極ユニットを組み合わせる場合には、全ての電極ユニットに電位を供給しなくても良い。すなわち、例えば第３、第４実施形態のように、第１〜第３電極ユニットＢ1〜Ｂ3を用いる場合において、何れか２つの電極ユニットに電位を供給し、他の１つの電極ユニットに電位を供給しないような運用も考えられる。
【００７６】
（３）上記各実施形態では、第１電極ユニットＡ1pの多孔電極板１（金属板１ａ）の材料としてニッケル（Ｎｉ）を選定したが、本願発明はこれに限定されない。ニッケル（Ｎｉ）に代えて以下の材料を用いても良い。すなわち、金属電極としては、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐｂ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、タングステン（Ｗ）の単体、またはこれらを主成分とする合金もしくはニッケル（Ｎｉ）−銅（Ｃｕ）合金、ニッケル（Ｎｉ）−クロム（Ｃｒ）−鉄（Ｆｅ）合金、ニッケル（Ｎｉ）−モリブデン（Ｍｏ）合金、ニッケル（Ｎｉ）−クロム（Ｃｒ）−モリブデン（Ｍｏ）合金、等々を用いても良い。
【００７７】
また、炭素電極としては、グラッシーカーボン、パイロリティックグラファイト、ベーサルプレインパイロリティックグラファイト、カーボンペースト、ＨＯＰＧ（Highly Oriented Pyrolytic Graphite）、炭素繊維、導電性ダイヤモンド、ＢＤＤ（Boron Doped Diamond）、導電性ＤＬＣ（Diamond Like Carbon）電極等を用いても良い。また、透明電極として、Ｎesa（アンチモン（Ｓｂ）をドープした酸化錫（ＳｎＯ２））、Ｎesatoron（錫（Ｓｎ）をドープした酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３））等を用いても良い。酸化物電極としては、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化マンガン（ＭｎＯ２），二酸化鉛（ＰｂＯ２）、ペロブスカイト酸化物、ブロンズ酸化物等を用いても良い。
【００７８】
また、半導体電極としては、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、硫化カドニウム（ＣｄＳ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、酸化チタン（ＴｉＯ２）等を用いても良い。また、高分子固体電解質電極を用いても良い。さらには、陽極電極と陰極電極との組み合わせとして、上述した各材料単一あるいは２つ以上の材料の組み合わせを採用しても良い。
【００７９】
（４）上記各実施形態では、フッ素ガス（Ｆ２）及び水素ガス（Ｈ２）のうち、フッ素ガス（Ｆ２）のみが貫通孔を通過するように各電極ユニットを構成したが、本発明は、これに限定されない。貫通孔の孔径あるいは／及び内壁の疎液性等を適宜調節することにより、水素ガス（Ｈ２）が貫通孔を通過する状態を実現することも可能であると思われる。
なお、陽極の親液面で発生したフッ素ガスは貫通孔を経て疎液面へ移動する。一方、陰極の親液面で発生した水素ガスは、貫通孔を経て疎液面へ移動する場合と貫通孔を通過せずに電解液内を移動する場合がある。この場合は、フッ素ガスと水素ガスが接触すると爆発的反応を起こす可能性があるので、混合しないように回収するものでも良い。
【００８０】
したがって、フッ素ガス（Ｆ２）及び水素ガス（Ｈ２）の両方が貫通孔を通過するように各電極ユニットを構成しても良い。このように構成した電極ユニットを用いた場合であっても、各電極ユニットからのフッ素ガス（Ｆ２）及び水素ガス（Ｈ２）の回収方法を工夫することによって、純度の高いフッ素ガス（Ｆ２）及び水素ガス（Ｈ２）を収集することが可能である。
【符号の説明】
【００８１】
Ａ1〜Ａ6…電気分解装置、Ｂ…電極ユニット、Ｂ1…第１電極ユニット、Ｂ2…第２電極ユニット、Ｂ3…第３電極ユニット、ｆ1〜ｆ3…電極面、１、１Ａ、１Ｂ…電解槽、２…電解液、３、３Ａ…極性切換電源、４…多孔電極板、４ａ…金属板、４ｂ…接液面、４ｃ…接気面、４ｄ…貫通孔、４ｅ…壁面、５…導線、６…電極ホルダ、７…気体導管、８…電極カバー、９…締結ネジ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気分解装置及び電気分解方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１には、フッ化カリウム（ＫＦ）とフッ化水素（ＨＦ）とが混合したＫＦ−ＨＦ系混合溶融塩を含む溶液を電解液とし、当該電解液を電気分解することによって高純度のフッ素ガスを安定的に発生させるフッ素ガス発生装置が開示されている。このフッ素ガス発生装置は、半導体製造装置のクリーニングに供するために、陽極電極で発生したフッ素ガスを回収するものである。このようなフッ素ガス発生装置では、電子を脱離することによってフッ素イオンをフッ素ガス化する陽極電極として、ニッケル（Ｎｉ）電極を使用している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３３９０９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記ニッケル（Ｎｉ）電極は、電位をかけたことによる溶解によって材料であるニッケル（Ｎｉ）が電解液中に溶出し、この結果として陽極が劣化するという問題が発生する。すなわち、従来のフッ素ガス発生装置（電気分解装置）は、陽極の劣化に対応するために陽極電極を定期的に交換する必要があるため、連続した運転が困難である。したがって、フッ素ガス発生装置（電気分解装置）では、陽極電極の寿命を延ばすことが重大な技術課題となっている。
【０００５】
また、半導体製造装置のクリーニングに使用するためには、高純度のフッ素ガスが必要である。上記従来のフッ素ガス発生装置は、十分な純度のフッ素ガスが得られるものの、陽極電極の寿命が短いという問題点がある。
【０００６】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、以下の点を目的とするものである。
（１）電極の劣化を従来よりも低減する。
（２）発生ガスの純度を確保しつつ電極の劣化を従来よりも低減する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明では、電気分解方法に係る第１の解決手段として、所定の電解液を電気分解する電気分解装置であって、電解液に浸漬される接液面と、気体流路を形成する接気面と、接液面と接気面とを連通させ、壁面が電解液に対して疎液性、かつ、孔径が分解ガスを電解液に対して選択的に通過させる大きさに設定された複数の貫通孔とを備える複数の電気分解電極と、該複数の電気分解電極に極性が時間の経過とともに交互に切り替わる電位を供給する極性切換電源とを具備する、という手段を採用する。
【０００８】
電気分解装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、各電気分解電極は、各接液面が垂直姿勢かつ互いに向き合うように電解液内に配置される、という手段を採用する。
【０００９】
電気分解装置に係る第３の解決手段として、上記第１の解決手段において、各電気分解電極は、接液面を上側として電解液内に配置される、という手段を採用する。
【００１０】
電気分解装置に係る第４の解決手段として、上記第１〜第３のいずれかの解決手段において、極性切換電源は、陰極面積が陽極面積と同じまたは陰極面積が陽極面積よりも大きくなるように極性を設定して各電気分解電極に電位を供給する、という手段を採用する。
【００１１】
電気分解装置に係る第５の解決手段として、上記第１〜第４のいずれかの解決手段において、電解液がフッ素化合物を溶融塩とするものであり、フッ素化合物を電気分解してフッ素ガスを発生させる、という手段を採用する。
【００１２】
また、本発明では、電気分解方法に係る第１の解決手段として、所定の電解液を電気分解する電気分解方法であって、電解液に浸漬される接液面と、気体流路を形成する接気面と、接液面と接気面とを連通させ、壁面が電解液に対して疎液性、かつ、孔径が分解ガスを電解液に対して選択的に通過させる大きさに設定された複数の貫通孔とを有する電気分解電極を電解液に複数浸漬させ、各電気分解電極に極性が時間の経過とともに交互に切り替わる電位を供給する、という手段を採用する。
【００１３】
電気分解方法に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、各電気分解電極を各接液面が垂直姿勢かつ互いに向き合うように電解液内に配置する、という手段を採用する。
【００１４】
電気分解方法に係る第３の解決手段として、上記第１の解決手段において、各電気分解電極を接液面を上側として電解液内に配置する、という手段を採用する。
【００１５】
電気分解方法に係る第４の解決手段として、上記第１〜第３のいずれかの解決手段において、陰極面積が陽極面積と同じまたは陰極面積が陽極面積よりも大きくなるように極性を設定して各電気分解電極に電位を供給する、という手段を採用する。
【００１６】
電気分解方法に係る第５の解決手段として、上記第１〜第４のいずれかの解決手段において、フッ素化合物を溶融塩とする電解液を用い、フッ素化合物を電気分解してフッ素ガスを発生させる、という手段を採用する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、極性が時間の経過とともに交互に切り替わる電位が各電気分解電極に供給されるので、各電気分解電極に供給する極性を固定している従来技術よりも電極、特に陽極の劣化を低減することが可能である。
また、本発明によれば、接液面で発生した分解ガスは、接液面から効果的に排除されて貫通孔の内部に移動し、また接液面から貫通孔の内部に電解液に対して選択的に侵入して接気面に移動するので、接液面に分解ガスが滞留する時間を従来よりも短縮することが可能であり、これによっても電極の劣化を従来よりも低減することが可能であると共に電解液の分解効率（分解ガスの発生効率）を従来よりも向上させることが可能である。
さらに、本発明によれば、接液面から貫通孔の内部に電解液に対して選択的に侵入して接気面に移動するので、純度の高い分解ガスを気体流路に収集することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１実施形態に係る電気分解装置Ａ1の構成を示すものであり、（ａ）は正面図、（ｂ）は正面図におけるＸ1−Ｘ1線の矢視図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る電気分解装置Ａ1における電極ユニットＢ（第１電極ユニットＢ1及び陰極電極ユニットＢ2）の構成を示すものであり、（ａ）は正面図、（ｂ）は正面図におけるＹ1−Ｙ1線の矢視図、（ｃ）は側面図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る電気分解装置Ａ1における電極ユニットＢの電極板の構成を示すものであり、（ａ）は正面図、（ｂ）は正面図におけるＺ1−Ｚ1線の矢視図、（ｃ）は側面図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る電気分解装置Ａ1における第１の電位Ｖ1及び第２の電位Ｖ2の電圧パターンを示す特性図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る電気分解装置Ａ2の構成を示すものであり、（ａ）は正面図、（ｂ）は正面図におけるＸ2−Ｘ2線の矢視図である。
【図６】本発明の第２実施形態の変形例に係る電気分解装置Ａ3の構成を示す矢視図である。
【図７】本発明の第３実施形態に係る電気分解装置Ａ4の構成を示す正面図である。
【図８】本発明の第３実施形態に係る電気分解装置Ａ4における第１〜第３の電位Ｖ1、Ｖ2、Ｖ3の電圧パターンを示す特性図である。
【図９】本発明の第４実施形態に係る電気分解装置Ａ5の構成を示すものであり、（ａ）は正面図、（ｂ）は正面図におけるＸ3−Ｘ3線の矢視図である。
【図１０】本発明の第５実施形態の変形例に係る電気分解装置Ａ6の構成を示す矢視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
〔第１実施形態〕
最初に、第１実施形態について説明する。本第１実施形態に係る電気分解装置Ａ1は、図１に示すように、電解槽１、電解液２、第１電極ユニットＢ1、第２電極ユニットＢ2及び極性切換電源３から構成されている。電解槽１は、上端が解放されると共に内部に電解液２が貯留された箱型の容器である。
【００２０】
電解液２は、所定の溶媒に所定の化合物（電気分解対象物）を含有するものである。この電解液２は、電気分解装置Ａ1の目的、つまりどのような気体を電気分解によって回収するかによって種々のものが選定される。例えば、フッ素ガス（Ｆ２）の生成・回収を目的とする場合には、電解液２として、フッ化カリウム（ＫＦ）とフッ化水素（ＨＦ）とが混合したものを溶融塩（ＫＦ・ｎＨＦ（１≦ｎ≦３））とするものが選定される。第１電極ユニットＢ1及び第２電極ユニットＢ2は、全く同一に構成されており、各電極面ｆ1、ｆ2がお互いに並行対峙するように垂直姿勢で電解液２に浸漬されている。
【００２１】
極性切換電源３は、一対の出力端を有し、各出力端の電気的な極性を時間の経過とともに交互に切換える機能を備えた一種の交流電源である。上記一対の出力端のうち、一方の出力端は第１電極ユニットＢ1に接続され、他方の出力端は第２電極ユニットＢ2に接続されている。つまり、この極性切換電源３は、一方の出力端を介して第１電極ユニットＢ1に第１の電位Ｖ1を供給し、また他方の出力端を介して第２電極ユニットＢ2に第２の電位Ｖ2を供給する。
【００２２】
したがって、本電気分解装置Ａ1における第１電極ユニットＢ1及び第２電極ユニットＢ2は、極性切換電源３から時間の経過とともに異なる極性の電位が印加されるので、陽極電極あるいは陰極電極として機能する。
【００２３】
図２は、上記第１電極ユニットＢ1及び第２電極ユニットＢ2の構成を極電極ユニットＢとして示している。この極電極ユニットＢは、図示するように、多孔電極板４、導線５、電極ホルダ６、気体導管７、電極カバー８及び締結ネジ９から構成されている。
【００２４】
多孔電極板４は、図３に示されているように、正方形かつ一定厚の導体板４ａの接液面４ｂと接気面４ｃとの間に、当該接液面４ｂと接気面４ｃとを連通させる多数の貫通孔４ｄが形成されたものである。上記導体板４ａは、所定の金属、例えばニッケル（Ｎｉ）を材料とする平板である。このような多孔電極板４の接液面４ｂは、第１電極ユニットＢ1及び第２電極ユニットＢ2における電極面ｆ1、ｆ2である。
【００２５】
この貫通孔４ｄは、図示するように、壁面に疎液性の被膜４ｅ（疎液膜）が形成されたものであり、また断面形状が互いに平行な接液面４ｂと接気面４ｃとに直交すると共に一定の断面積となるように形成されている。貫通孔４ｄの直径は、例えば５００μｍ以下であり、より好ましくは１０μｍ〜５００μｍである。このような貫通孔４ｄの直径は、以下に詳説するように電解液が貫通孔４ｄの内部に浸入しないように最適化されている。
【００２６】
また、貫通孔４ｄの配列ピッチは、特に制限がないが、１０μｍ〜５００μｍ程度が好ましい。すなわち、貫通孔４ｄの配列ピッチは、貫通孔４ｄの孔径と同程度が好ましい。
なお、図３の多孔電極板４は、貫通孔４ｄが碁盤の目のように配置された状態に形成されているが、貫通孔４ｄの配置態様はこれに限定されるものではなく、例えば千鳥格子状あるいは規則性のない配列状態であっても良い。また、図３に示す貫通孔４ｄの断面形状は、軸線方向に一定の断面積となる形状であるが、軸線方向に断面積が変化するような形状であっても良い。このような多孔電極板４は、平板な導体板４ａを例えばレーザ加工することによって容易に形成することができる。
【００２７】
また、上記多孔電極板４の接液面４ｂは、電解液に対して親液性となるよう表面処理されている。多孔電極板４は、導体板４ａを母材として形成されているが、各貫通孔４ｄの壁面は、導電性材料の表面に電解液に対して疎液性の被膜である疎液膜４ｅが全面的に形成されている。このような各被膜は、例えばスプレーコーティング、フローコーティング、スピンコーティング、ディップコーティング、ロールコーティング、加圧コーティング等の各種コーティング方法によって親液性材料あるいは疎液性材料を塗布することによって形成される。
【００２８】
ここで、「親液性」とは、一定量の液滴が固体表面に置かれた状態において液滴の気液界面と固液界面がなす角度（接触角）が９０°より小さくなる状態のことであり、また「疎液性」とは、上記接触角が９０°より大きくなる状態のことである。上記接触角として接液面４ｂ（親液面）及び各貫通孔４ｄの疎液膜４ｅ（疎液面）を見た場合、上記接液面４ｂ（親液面）の電解液に対する接触角α（α＜９０°）及び疎液膜４ｅ（疎液面）の電解液に対する接触角β（９０°＜β）は、以下の関係式（１）を満足する。すなわち、接液面４ｂの接触角αは、各貫通孔４ｄの疎液膜４ｅの接触角βよりも小さく設定されている。
α＜９０°＜β （１）
【００２９】
すなわち、多孔電極板４は、貫通孔４ｄの直径が５００μｍ以下に設定され、かつ、接液面４ｂ（親液面）及び各貫通孔４ｄの疎液膜４ｅ（疎液面）の各接触角α、βが上記関係式（１）を満足するように構成されている。また、各接触角α、βについては、上記関係式（１）に代えて、α＋１０°＜９０°＜βの条件あるいはα＋２５°＜９０°＜βの条件を満足することがより好ましい。なお、接気面４ｃの接触角については特に限定しないが、９０°よりも大きく（つまり疎液性とし）設定することが好ましい。
【００３０】
導線５は、このような多孔電極板４の接気面４ｃに一端が接続されると共に他端が外部の電源（図示略）の出力端に接続された電線であり、電源から出力された電気分解用の電位を多孔電極板４に供給するためのものである。電極ホルダ６は、内部に窪み部が形成された立方体状の非導電性部材である。図示するように、この電極ホルダ６には窪み部を一方から塞ぐような状態で上述した平板状の多孔電極板４が装着されている。なお、電極ホルダ６の窪み部と多孔電極板４とによって囲まれた空洞は気体チャンバー６ａである。このような気体チャンバー６ａは、図示するように複数の貫通孔４ｄを介して接液面４ｂに連通する。
【００３１】
気体導管７は、一端が電極ホルダ６の上部に固定された中空円筒状の非導電性部材であり、内部空洞は上記気体チャンバー６ａに連通する気体チャネル７ａである。図示していないが、気体導管７の他端は気体回収装置に接続されている。電極カバー８は、中心部に正方形の開口８ａが形成された正方形状の非導電性部材である。この電極カバー８は、接液面４ｂが開口８ａを介して外部に露出するように多孔電極板４を電極ホルダ６の一部に保持するためのものである。締結ネジ９は、このような電極カバー８を電極ホルダ６に締結固定するためのものであり、電極カバー８の各丁部近傍にそれぞれ設けられている。
【００３２】
次に、このように構成された電気分解装置Ａ1の動作について図４に示す第１の電位Ｖ1及び第２の電位Ｖ2の電圧パターンをも参照して詳しく説明する。
なお、以下の説明では、フッ素ガス（Ｆ２）を生成・回収するために、フッ化カリウム（ＫＦ）とフッ化水素（ＨＦ）とが混合したものを溶融塩（ＫＦ・ｎＨＦ（１≦ｎ≦３））とする電解液２を電気分解する場合について説明する。
【００３３】
本電気分解装置Ａ1の運転時において、極性切換電源３は、図４（ａ）に示す電圧パターンの第１の電位Ｖ1を第１電極ユニットＢ1に供給すると共に、第２の電位Ｖ2を第２電極ユニットＢ2に供給する。第１の電位Ｖ1及び第２の電位Ｖ2は、電圧が一定の周期で方形波状に正極運転電位＋Ｖａと負極運転電位０との間で変化する電圧パターンの電位である。なお、負極電位は必ずしも零とは限らず負電位である場合もある。
【００３４】
また、これら第１の電位Ｖ1及び第２の電位Ｖ2は、図示するように、お互いの正極運転電位＋Ｖａがオーバーラップしないように、つまり同時に正極運転電位＋Ｖａとならないように電圧パターンが設定されている。なお、正極運転電位＋Ｖａは、電気分解が発生し得る正極ガス発生電位＋Ｖｇを超える電圧として設定されている。
【００３５】
このような第１の電位Ｖ1及び第２の電位Ｖ2は、第１の電位Ｖ1が正極運転電位＋Ｖａのとき、第２の電位Ｖ2は負極運転電位０である。また、これとは逆に、第２の電位Ｖ2が正極運転電位＋Ｖａのとき、第１の電位Ｖ1は負極運転電位０である。したがって、第１電極ユニットＢ1に正極運転電位＋Ｖａが印加されたとき、つまり第１電極ユニットＢ1が陽極曲電極として機能するとき、第２電極ユニットＢ2には負極運転電位０が印加されて陽極曲電極として機能する。
【００３６】
なお、第１の電位Ｖ1及び第２の電位Ｖ2の電圧パターンは、上述した図４（ａ）のパターンに代えて、図４（ｂ）に示す電圧パターンであっても良い。図４（ｂ）の電圧パターンは、図４（ａ）のパターンとの対比において、第１の電位Ｖ1及び第２の電位Ｖ2の負極運転電位０から正極運転電位＋Ｖａへの電圧変化を多段的（中間が３段階）に順次変化させる点で相違する。なお、この電圧変化における段階数は中間３段階に限定されない。また、この電圧変化は、多段的ではなく、ランプ波形のように一定の傾斜で直線的に変化するもの、あるいは滑らかな曲線状に変化するものでも良い。
【００３７】
さて、第１電極ユニットＢ1が正極運転電位＋Ｖａ、また第２電極ユニットＢ2が負極運転電位０の状態において、電解液２と接触する第１電極ユニットＢ1の多孔電極板４の接液面４ｂ（電極面ｆ1）では以下の反応式（２）に示す化学反応が生じ、電極面ｆ1においてフッ素ガス（Ｆ２）が気泡として発生する。また、第２電極ユニットＢ2の多孔電極板４の接液面４ｂ（電極面ｆ2）では、以下の反応式（３）に示す化学反応が生じ、電極面ｆ2において水素ガス（Ｈ２）が気泡として発生する。
陽極 ： ２Ｆ− → Ｆ２＋２ｅ− （２）
陰極 ： ２Ｈ＋＋２ｅ− → Ｈ２ （３）
【００３８】
ここで、第１電極ユニットＢ1の接液面４ｂは、親液性のため電解液２と馴染みが良く、よってフッ素ガス（Ｆ２）が効率良く生成される。また、このような接液面４ｂは、親液性の被膜で覆われているので気泡（気体）であるフッ素ガス（Ｆ２）との馴染みが悪い。一方、このような接液面４ｂに多数形成された貫通孔４ｄの疎液膜４ｅは、疎液性の被膜で覆われているので、電解液２との馴染みは悪いが、気泡（気体）であるフッ素ガス（Ｆ２）との馴染みが良い。
【００３９】
すなわち、第１電極ユニットＢ1の多孔電極板４では、接液面４ｂの接触角αと貫通孔４ｄの疎液膜４ｅの接触角βとの間に関係式（１）が成立しているので、第１電極ユニットＢ1の接液面４ｂにおいて貫通孔４ｄ近傍で発生したフッ素ガス（Ｆ２）の気泡は、接液面４ｂ（親液面）から排除されて貫通孔４ｄの疎液膜４ｅ（疎液面）に移動する。そして、接液面４ｂにおいて貫通孔４ｄ近傍で発生したフッ素ガス（Ｆ２）の気泡は、この力の作用によって、接液面４ｂから貫通孔４ｄに移動する。
【００４０】
電解液２の表面張力γ［Ｎ／ｍ］、接液面４ｂの電解液２に対する接触角α［ｄｅｇ］、貫通孔４ｄの半径ｒ［ｍ］とした場合、電解液２が貫通孔４ｄの内部に入り込むために必要な圧力（ヤング・ラプラス圧力）ΔＰは、下式（４）のように表される。
ΔＰ＝−２γ（ｃｏｓα）／ｒ （４）
したがって、貫通孔４ｄの入口における電解液２の圧力（電解液２に対する貫通孔４ｄの深さに依存する）が上記ヤング・ラプラス圧力ΔＰを超えなければ、電解液２は貫通孔４ｄの内部に浸入することができない。
【００４１】
このように、第１電極ユニットＢ1の多孔電極板４では、電解液２が内部に浸入できない大きさ、つまり分解ガス（気体）であるフッ素ガス（Ｆ２）を選択的に通過させる大きさ（上述した５００μｍｍ以下の直径）となるように貫通孔４ｄの孔径が設定されると共に、貫通孔４ｄの壁面に接液面４ｂの接触角αよりも大きな接触角βを有する疎液膜４ｅが設けられているので、接液面４ｂで発生したフッ素ガス（Ｆ２）の気泡は、接液面４ｂから効果的に排除されて貫通孔４ｄの内部に移動し、また接液面４ｂから貫通孔４ｄの内部に電解液２に対して選択的に侵入して接気面４ｃに移動する。
【００４２】
すなわち、本電気分解装置Ａ1の第１電極ユニットＢ1では、気泡（気体）であるフッ素ガス（Ｆ２）が液体である電解液２から効果的に分離されて、電解液２は貫通孔４ｄを通過することなく、このような電解液２に対して選択的に貫通孔４ｄを通過して気体チャンバー６ａ内に収集される。そして、気体チャンバー６ａ内のフッ素ガス（Ｆ２）は、気体導管７によって形成される気体チャネル７ａを介して外部に回収される。したがって、本電気分解装置Ａ1によれば、従来まで気泡に覆われていた部分からガスを除去することにより電解における有効面積を増加することが可能であり、電解液２の分解効率、つまりフッ素ガス（Ｆ２）の発生効率を向上させることができる。
【００４３】
このような第１電極ユニットＢ1における作用に対して、第２電極ユニットＢ2では、多孔電極板４が第１電極ユニットＢ1の多孔電極板４と全く同様に構成されているものの、接液面４ｂ（電極面ｆ2）で発生するガスがフッ素ガス（Ｆ２）ではなく水素ガス（Ｈ２）の気泡であるために、当該水素ガス（Ｈ２）の気泡は、接液面４ｂから貫通孔４ｄの内部に移動せず、また、接液面４ｂが親液性であり気泡（気体）に対して馴染みが悪いので、浮力に従って接液面４ｂから速やかに排除されて電解液２内を浮上する。すなわち、水素ガス（Ｈ２）は、フッ素ガス（Ｆ２）のように気体チャンバー６ａ内に収集されるのではなく、第２電極ユニットＢ2の上方に別途設けられたガス回収器に回収される。
【００４４】
続いて、このような第１電極ユニットＢ1が正極運転電位＋Ｖａ、また第２電極ユニットＢ2が負極運転電位０の状態から第１電極ユニットＢ1が負極運転電位−Ｖａ、また第２電極ユニットＢ2が正極運転電位＋Ｖａの状態に切換ると、第１電極ユニットＢ1の電極面ｆ1では水素ガス（Ｈ２）が発生し、第２電極ユニットＢ2の電極面ｆ2ではフッ素ガス（Ｆ２）が発生する。
【００４５】
この状態では、第１電極ユニットＢ1の電極面ｆ1で発生した水素ガス（Ｈ２）は、上述した第２電極ユニットＢ2の場合と同様に、第１電極ユニットＢ1の貫通孔４ｄを通過して気体チャンバー６ａ内に収集されることはなく、浮力に従って電解液２内を浮上して回収される。一方、第２電極ユニットＢ2の電極面ｆ2で発生したフッ素ガス（Ｆ２）は、上述したように貫通孔４ｄに侵入して気体チャンバー６ａ内に収集される。
【００４６】
このような本電気分解装置Ａ1によれば、第１電極ユニットＢ1に印加する第１の電位Ｖ1及び第２電極ユニットＢ2に印加する第２の電位Ｖ2の極性を交互に切換えることにより、第１電極ユニットＢ1と第２電極ユニットＢ2とで交互に陽極電極として機能するので、金属板４ａの溶出を大幅に抑制することが可能であり、よって第１電極ユニットＢ1及び第２電極ユニットＢ2の劣化を大幅に抑制することができる。
【００４７】
また、本電気分解装置Ａ1によれば、第１電極ユニットＢ1及び第２電極ユニットＢ2では、陽極電極と陰極電極とに交互に切り換わることによってフッ素ガス（Ｆ２）と水素ガス（Ｈ２）とが交互に発生するものの、フッ素ガス（Ｆ２）と水素ガス（Ｈ２）とが個別に収集されるので、純度の高いフッ素ガス（Ｆ２）及び水素ガス（Ｈ２）を収集することが可能である。
【００４８】
さらに、本電気分解装置Ａ1によれば、各電極面ｆ1、ｆ2が平行に対向するように第１電極ユニットＢ1及び第２電極ユニットＢ2の姿勢が設定されているので、各電極面ｆ1、ｆ2の各部位における各電極面ｆ1、ｆ2間の距離が同一であり、よって各電極面ｆ1、ｆ2間に均一な電界が発生する。仮に各電極面ｆ1、ｆ2が不平行であった場合、各電極面ｆ1、ｆ2の各部位における各電極面ｆ1、ｆ2間の距離は一定ではなくなるので、各電極面ｆ1、ｆ2の部位によって異なる電界が発生する。このような本電気分解装置Ａ1によれば、各電極面ｆ1、ｆ2間に均一な電界が発生するので、フッ素ガス（Ｆ２）及び水素ガス（Ｈ２）を効率良く発生させることができる。
【００４９】
〔第２実施形態〕
次に、第２実施形態について、図５を参照して説明する。なお、図５では、上述した第１実施形態に係る電気分解装置Ａ1と同一の構成要素については同一符合を付している。以下では、このような同一の構成要素については、重複するので説明を省略する。
【００５０】
本第２実施形態に係る電気分解装置Ａ2は、電解槽１Ａ、電解液２、第１電極ユニットＢ1、第２電極ユニットＢ2及び極性切換電源３（図示略）から構成されている。本電気分解装置Ａ2は、図示するように第１電極ユニットＢ1及び第２電極ユニットＢ2を水平姿勢で電解槽１Ａ内に収容する電解槽１Ａを備えている。この電解槽１Ａは、第１実施形態に係る電気分解装置Ａ1における電解槽１よりも正面から見た面積が大きく、また深さが浅く構成されたものである。また、第１電極ユニットＢ1及び第２電極ユニットＢ2は、図示するように、電極面ｆ1、ｆ2を上側に向けた姿勢、かつ、互いに同一深さとなるように電解槽１Ａ内の電解液２に浸漬されている。
【００５１】
また、本電気分解装置Ａ2の変形例として、図６に示すような電気分解装置Ａ3が考えられる。この変形例に係る電気分解装置Ａ3は、各電極面ｆ1、ｆ2が下側に向けたれた姿勢、かつ、各電極面ｆ1、ｆ2が水平に対して多少傾斜した姿勢で第１電極ユニットＢ1及び第２電極ユニットＢ2を電解槽１Ａ内の電解液２に浸漬されたものである。
【００５２】
このような各電気分解装置Ａ2、Ａ3においても、上述した第１実施形態に係る電気分解装置Ａ1と全く同様に、第１電極ユニットＢ1及び第２電極ユニットＢ2の電極面ｆ1、ｆ2で発生したフッ素ガス（Ｆ２）は、貫通孔４ｄに侵入して気体チャンバー６ａ内に移動して回収され、一方、第１電極ユニットＢ1及び第２電極ユニットＢ2の各電極面ｆ1、ｆ2で発生した水素ガス（Ｈ２）は、第１電極ユニットＢ1及び第２電極ユニットＢ2の各貫通孔４ｄすることなく浮力に従って電解液２内を浮上して回収される。
【００５３】
また、各電気分解装置Ａ2、Ａ3によれば、第１電極ユニットＢ1に印加する第１の電位Ｖ1及び第２電極ユニットＢ2に印加する第２の電位Ｖ2の極性を交互に切換えるので、フッ素ガス（Ｆ２）が第１電極ユニットＢ1と第２電極ユニットＢ2とで交互に発生する。したがって、第１電極ユニットＢ1及び第２電極ユニットＢ2における金属板４ａの溶出を大幅に抑制することができる。
【００５４】
また、本電気分解装置Ａ2によれば、各電極面ｆ1、ｆ2を上側に向けた姿勢かつ水平姿勢になっているので、各電極面ｆ1、ｆ2の各部位の電解液２における深さが同一であり、よって各電極面ｆ1、ｆ2の各部位で発生した水素ガス（Ｈ２）に均等な浮力が発生する。したがって、本電気分解装置Ａ2によれば、上述した各電極面ｆ1、ｆ2間に発生する電界の均一性は損なわれるものの、各電極面ｆ1、ｆ2の各部位で発生した水素ガス（Ｈ２）を効果的に浮上させることができる。
【００５５】
これに対して、第１実施形態に係る電気分解装置Ａ1では、各電極面ｆ1、ｆ2が垂直姿勢に設定されているので、各電極面ｆ1、ｆ2それぞれの液深さ方向において、深い部分はより大きな液圧が加わるため、気液界面を形成するヤングラブラス圧よりも大きな液圧が加わった場合、貫通孔４ｄの内部に電解液２が侵入してしまう。
【００５６】
また、変形例に係る電気分解装置Ａ3によれば、各電極面ｆ1、ｆ2が下側に向いているので、各電極面ｆ1、ｆ2において若干発生するスラッジ（沈殿物）は重力の作用によって下降する。したがって、この電気分解装置Ａ3によれば、スラッジ（沈殿物）が各電極面ｆ1、ｆ2上に堆積することを防止することができる。
【００５７】
〔第３実施形態〕
次に、第３実施形態について説明する。なお、図７では、図１と同一の構成要素には同一符合を付している。以下では、図１と同一の構成要素については、重複するので説明を省略する。
【００５８】
本第３実施形態に係る電気分解装置Ａ4は、図示するように、第１〜第３電極ユニットＢ1〜Ｂ3を備えると共に、これら第１〜第３電極ユニットＢ1〜Ｂ3に対応する極性切換電源３Ａを備えるものである。すなわち、第１〜第３電極ユニットＢ1〜Ｂ3は、各電極面ｆ1、ｆ2、ｆ3（接液面）が垂直姿勢、かつ互いに６０度の角度で向き合うように電解槽１内の電解液２に浸漬されている。なお、本実施形態では６０度の場合を図示しているが、本発明はこれに制限されず、任意の角度を持っても良い。
【００５９】
極性切換電源３Ａは、図８（ａ）の電圧パターンに示すように、上記第１〜第３電極ユニットＢ1〜Ｂ3に対応する第１〜第３の電位Ｖ1〜Ｖ3を出力する。すなわち、極性切換電源３Ａは、電圧が一定の周期かつ交互に正極運転電位＋Ｖａと負極運転電位０との間で方形波状に変化する電圧パターンの第１〜第３の電位Ｖ1〜Ｖ3を出力する。
【００６０】
また、これら第１〜第３の電位Ｖ1〜Ｖ3は、図示するように、お互いの正極運転電位＋Ｖａがオーバーラップしないように、つまり同時に正極運転電位＋Ｖａとならないように電圧パターンが設定されている。すなわち、第１〜第３の電位Ｖ1〜Ｖ3は、第１〜第３電極ユニットＢ1〜Ｂ3の何れかに正極運転電位＋Ｖａを印加したときに、他の２つには負極運転電位０を印加するように設定されている。
【００６１】
このような第１〜第３の電位Ｖ1〜Ｖ3に電圧パターンは、陽極面積が陰極面積よりも小さくなるように制御したものである。これにより陰極上で起こる電気化学反応が律速となって陽極でのフッ素ガス発生効率を低下させることを回避している。すなわち、極性切換電源３Ａは、陰極電極の反応面積が陽極分解電極の反応面積よりも実効的に大きくなるように第１〜第３の電位Ｖ1〜Ｖ3の極性を設定して第１〜第３電極ユニットＢ1〜Ｂ3に電位を供給する。
【００６２】
なお、極性切換電源３Ａについては、図８（ａ）のような電圧パターンに代えて、図８（ｂ）のような電圧パターンの第１〜第３の電位Ｖ1〜Ｖ3を出力するものであっても良い。図８（ｂ）の電圧パターンは、図８（ａ）のパターンとの対比において、第１〜第３の電位Ｖ1〜Ｖ3の負極運転電位−Ｖａから正極運転電位＋Ｖａへの電圧変化を多段的に順次変化させる点で相違する。
【００６３】
このような本電気分解装置Ａ4では、極性切換電源３Ａが例えば図８（ａ）のような電圧パターンの第１〜第３の電位Ｖ1〜Ｖ3を出力した場合、第１〜第３電極ユニットＢ1〜Ｂ3の何れかに正極運転電位＋Ｖａが印加されたとき、他の２つには負極運転電位０が印加される。すなわち、第１〜第３電極ユニットＢ1〜Ｂ3の何れかが陽極電極として機能した場合に、他は陰極電極として機能する。そして、正極運転電位＋Ｖａが印加された陽極電極ではフッ素ガス（Ｆ２）が発生し、負極運転電位０が印加された陰極電極では水素ガス（Ｈ２）が発生する。
【００６４】
このような本電気分解装置Ａ4においても、上述した第１、第２実施形態に係る電気分解装置Ａ1〜Ａ3と全く同様に、正極運転電位＋Ｖａが印加されたときに第１〜第３電極ユニットＢ1〜Ｂ3の電極面ｆ1〜ｆ3で発生したフッ素ガス（Ｆ２）は、貫通孔４ｄを介して気体チャンバー６ａ内に移動して回収され、一方、負極運転電位０が印加されたときに第１〜第３電極ユニットＢ1〜Ｂ3の電極面ｆ1〜ｆ3で発生した水素ガス（Ｈ２）は、第１〜第３電極ユニットＢ1〜Ｂ3の各貫通孔４ｄすることなく浮力に従って電解液２内を浮上して回収される。
【００６５】
また、本電気分解装置Ａ4によれば、第１電極ユニットＢ1に印加する第１の電位Ｖ1、第２電極ユニットＢ2に印加する第２の電位Ｖ2及び第３電極ユニットＢ3に印加する第３の電位Ｖ3の極性を交互に切換えるので、フッ素ガス（Ｆ２）が第１〜第３電極ユニットＢ1〜Ｂ3で交互に発生する。したがって、第１〜第３電極ユニットＢ1〜Ｂ3における金属板４ａの溶出を大幅に抑制することができる。
【００６６】
また、本電気分解装置Ａ4の全体的な反応速度は、陽極電極における電解液２の分解速度（フッ素ガス（Ｆ２）の発生速度）によって決定される。すなわち、陽極電極における電解液２の分解速度が本電気分解装置Ａ4の反応律速である。
【００６７】
本電気分解装置Ａ4によれば、ある１つの電極ユニットに正極運転電位＋Ｖａが印加されたとき、他の２つの電極ユニットには負極運転電位０が印加されるので、負極の実効的な電極面積を大きくすることが可能である。したがって、本電気分解装置Ａ4によれば、陰極で起こる電気化学反応が律速にならず、よってフッ素ガス（Ｆ２）の発生効率を向上させることができる。
【００６８】
また、本電気分解装置Ａ4によれば、第１〜第３電極ユニットＢ1〜Ｂ3の各電極面ｆ1〜ｆ3が互いに等距離に設けられているので、各電極面ｆ1〜ｆ3間の電界が同一である。したがって、このような本電気分解装置Ａ4によれば、第１〜第３電極ユニットＢ1〜Ｂ3におけるフッ素ガス（Ｆ２）及び水素ガス（Ｈ２）の発生量を均一化することができる。
【００６９】
〔第４実施形態〕
次に、第４実施形態について、図９を参照して説明する。なお、図９では、上述した第１〜第３実施形態に係る電気分解装置Ａ1〜Ａ4と同一の構成要素については同一符合を付している。以下では、このような同一の構成要素については、重複するので説明を省略する。
【００７０】
本第４実施形態に係る電気分解装置Ａ5は、電解槽１Ｂ、電解液２、第１〜第３電極ユニットＢ1〜Ｂ3及び極性切換電源３Ａ（図示略）から構成されている。本電気分解装置Ａ5は、図示するように第１〜第３電極ユニットＢ1〜Ｂ3を水平姿勢で電解槽１Ａ内に収容する電解槽１Ｂを備えている。この電解槽１Ｂは、第１、正面から見た面積が第２電極ユニットＢ1、Ｂ2を水平姿勢で収容する第２実施形態に係る電気分解装置Ａ2の電解槽１Ａよりも大きく、また深さは電解槽１Ａと同等である。また、第１〜第３電極ユニットＢ1〜Ｂ3は、図示するように、電極面ｆ1〜ｆ3を上側に向けた姿勢、かつ、互いに同一深さとなるように電解槽１Ｂ内の電解液２に浸漬されている。
【００７１】
また、このような本電気分解装置Ａ5の変形例として、図１０に示すような電気分解装置Ａ6が考えられる。この変形例に係る電気分解装置Ａ6は、各電極面ｆ1〜ｆ3が下側に向けたれた姿勢、かつ、各電極面ｆ1〜ｆ3が水平に対して多少傾斜した状態となるように第１〜第３電極ユニットＢ1〜Ｂ3を電解槽１Ｂ内の電解液２に浸漬させたものである。
【００７２】
すなわち、本第４実施形態に係る電気分解装置Ａ5は、第２実施形態に係る電気分解装置Ａ2における電解槽１Ａの水平面積を第１〜第３電極ユニットＢ1〜Ｂ3を収容できるようにさに大きくしたものである。したがって、電極面ｆ1、ｆ2を上側に向けた姿勢、かつ、互いに同一深さとなるように第１、第２電極ユニットＢ1、Ｂ2を電解液２に浸漬する第２実施形態に係る電気分解装置Ａ2の作用効果と第１〜第３電極ユニットＢ1〜Ｂ3を電解液２に浸漬する第３実施形態に係る電気分解装置Ａ3の作用効果とを奏する。
【００７３】
また、変形例に係る電気分解装置Ａ6は、第２実施形態の変形例に係る電気分解装置Ａ3における電解槽１Ａの水平面積を第１〜第３電極ユニットＢ1〜Ｂ3を収容できるようにさに大きくしたものである。したがって、各電極面ｆ1、ｆ2が下側に向けたれた姿勢、かつ、各電極面ｆ1、ｆ2が水平に対して多少傾斜した姿勢となるように第１電極ユニットＢ1及び第２電極ユニットＢ2を電解槽１Ａ内の電解液２に浸漬させた第２実施形態の変形例に係る電気分解装置Ａ3の作用効果と第１〜第３電極ユニットＢ1〜Ｂ3を電解液２に浸漬する第３実施形態に係る電気分解装置Ａ3の作用効果とを奏する。
【００７４】
なお、本発明は、上記各実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のようなさらなる変形例が考えられる。
（１）上記各実施形態では、２つあるいは３つの電極ユニットを組み合わせる構成を採用するものであるが、本発明はこれに限定されない。４つ以上の電極ユニットを組み合わせても良い。上記各実施形態では、全ての電極ユニットを同一構成としたが、必要に応じて異なる構成の電極ユニットを組み合わせても良い。
【００７５】
（２）また、３つ以上の電極ユニットを組み合わせる場合には、全ての電極ユニットに電位を供給しなくても良い。すなわち、例えば第３、第４実施形態のように、第１〜第３電極ユニットＢ1〜Ｂ3を用いる場合において、何れか２つの電極ユニットに電位を供給し、他の１つの電極ユニットに電位を供給しないような運用も考えられる。
【００７６】
（３）上記各実施形態では、第１電極ユニットＡ1pの多孔電極板１（金属板１ａ）の材料としてニッケル（Ｎｉ）を選定したが、本願発明はこれに限定されない。ニッケル（Ｎｉ）に代えて以下の材料を用いても良い。すなわち、金属電極としては、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐｂ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、タングステン（Ｗ）の単体、またはこれらを主成分とする合金もしくはニッケル（Ｎｉ）−銅（Ｃｕ）合金、ニッケル（Ｎｉ）−クロム（Ｃｒ）−鉄（Ｆｅ）合金、ニッケル（Ｎｉ）−モリブデン（Ｍｏ）合金、ニッケル（Ｎｉ）−クロム（Ｃｒ）−モリブデン（Ｍｏ）合金、等々を用いても良い。
【００７７】
また、炭素電極としては、グラッシーカーボン、パイロリティックグラファイト、ベーサルプレインパイロリティックグラファイト、カーボンペースト、ＨＯＰＧ（Highly Oriented Pyrolytic Graphite）、炭素繊維、導電性ダイヤモンド、ＢＤＤ（Boron Doped Diamond）、導電性ＤＬＣ（Diamond Like Carbon）電極等を用いても良い。また、透明電極として、Ｎesa（アンチモン（Ｓｂ）をドープした酸化錫（ＳｎＯ２））、Ｎesatoron（錫（Ｓｎ）をドープした酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３））等を用いても良い。酸化物電極としては、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化マンガン（ＭｎＯ２），二酸化鉛（ＰｂＯ２）、ペロブスカイト酸化物、ブロンズ酸化物等を用いても良い。
【００７８】
また、半導体電極としては、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、硫化カドニウム（ＣｄＳ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、酸化チタン（ＴｉＯ２）等を用いても良い。また、高分子固体電解質電極を用いても良い。さらには、陽極電極と陰極電極との組み合わせとして、上述した各材料単一あるいは２つ以上の材料の組み合わせを採用しても良い。
【００７９】
（４）上記各実施形態では、フッ素ガス（Ｆ２）及び水素ガス（Ｈ２）のうち、フッ素ガス（Ｆ２）のみが貫通孔を通過するように各電極ユニットを構成したが、本発明は、これに限定されない。貫通孔の孔径あるいは／及び内壁の疎液性等を適宜調節することにより、水素ガス（Ｈ２）が貫通孔を通過する状態を実現することも可能であると思われる。
なお、陽極の親液面で発生したフッ素ガスは貫通孔を経て疎液面へ移動する。一方、陰極の親液面で発生した水素ガスは、貫通孔を経て疎液面へ移動する場合と貫通孔を通過せずに電解液内を移動する場合がある。この場合は、フッ素ガスと水素ガスが接触すると爆発的反応を起こす可能性があるので、混合しないように回収するものでも良い。
【００８０】
したがって、フッ素ガス（Ｆ２）及び水素ガス（Ｈ２）の両方が貫通孔を通過するように各電極ユニットを構成しても良い。このように構成した電極ユニットを用いた場合であっても、各電極ユニットからのフッ素ガス（Ｆ２）及び水素ガス（Ｈ２）の回収方法を工夫することによって、純度の高いフッ素ガス（Ｆ２）及び水素ガス（Ｈ２）を収集することが可能である。
【符号の説明】
【００８１】
Ａ1〜Ａ6…電気分解装置、Ｂ…電極ユニット、Ｂ1…第１電極ユニット、Ｂ2…第２電極ユニット、Ｂ3…第３電極ユニット、ｆ1〜ｆ3…電極面、１、１Ａ、１Ｂ…電解槽、２…電解液、３、３Ａ…極性切換電源、４…多孔電極板、４ａ…金属板、４ｂ…接液面、４ｃ…接気面、４ｄ…貫通孔、４ｅ…壁面、５…導線、６…電極ホルダ、７…気体導管、８…電極カバー、９…締結ネジ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の電解液を電気分解する電気分解装置であって、
電解液に浸漬される接液面と、気体流路を形成する接気面と、接液面と接気面とを連通させ、壁面が電解液に対して疎液性、かつ、孔径が分解ガスを電解液に対して選択的に通過させる大きさに設定された複数の貫通孔とを備える複数の電気分解電極と、
該複数の電気分解電極に極性が時間の経過とともに交互に切り替わる電位を供給する極性切換電源と
を具備することを特徴とする電気分解装置。
【請求項２】
各電気分解電極は、各接液面が垂直姿勢かつ互いに向き合うように電解液内に配置されることを特徴とする請求項１記載の電気分解装置。
【請求項３】
各電気分解電極は、接液面を上側として電解液内に配置されることを特徴とする請求項１記載の電気分解装置。
【請求項４】
電解液がフッ素化合物を溶融塩とするものであり、フッ素化合物を電気分解してフッ素ガスを発生させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電気分解装置。
【請求項５】
所定の電解液を電気分解する電気分解方法であって、
電解液に浸漬される接液面と、気体流路を形成する接気面と、接液面と接気面とを連通させ、壁面が電解液に対して疎液性、かつ、孔径が分解ガスを電解液に対して選択的に通過させる大きさに設定された複数の貫通孔とを有する電気分解電極を電解液に複数浸漬させ、
各電気分解電極に時間の経過とともに交互に切り替わる電位を供給する
ことを特徴とする電気分解方法。
【請求項６】
各電気分解電極を各接液面が垂直姿勢かつ互いに向き合うように電解液内に配置することを特徴とする請求項５記載の電気分解方法。
【請求項７】
各電気分解電極を接液面を上側として電解液内に配置することを特徴とする請求項５記載の電気分解方法。
【請求項８】
フッ素化合物を溶融塩とする電解液を用い、フッ素化合物を電気分解してフッ素ガスを発生させることを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項に記載の電気分解方法。
【請求項１】
所定の電解液を電気分解する電気分解装置であって、
電解液に浸漬される接液面と、気体流路を形成する接気面と、接液面と接気面とを連通させ、壁面が電解液に対して疎液性、かつ、孔径が分解ガスを電解液に対して選択的に通過させる大きさに設定された複数の貫通孔とを備える複数の電気分解電極と、
該複数の電気分解電極に極性が時間の経過とともに交互に切り替わる電位を供給する極性切換電源と
を具備することを特徴とする電気分解装置。
【請求項２】
各電気分解電極は、各接液面が垂直姿勢かつ互いに向き合うように電解液内に配置されることを特徴とする請求項１記載の電気分解装置。
【請求項３】
各電気分解電極は、接液面を上側として電解液内に配置されることを特徴とする請求項１記載の電気分解装置。
【請求項４】
電解液がフッ素化合物を溶融塩とするものであり、フッ素化合物を電気分解してフッ素ガスを発生させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電気分解装置。
【請求項５】
所定の電解液を電気分解する電気分解方法であって、
電解液に浸漬される接液面と、気体流路を形成する接気面と、接液面と接気面とを連通させ、壁面が電解液に対して疎液性、かつ、孔径が分解ガスを電解液に対して選択的に通過させる大きさに設定された複数の貫通孔とを有する電気分解電極を電解液に複数浸漬させ、
各電気分解電極に時間の経過とともに交互に切り替わる電位を供給する
ことを特徴とする電気分解方法。
【請求項６】
各電気分解電極を各接液面が垂直姿勢かつ互いに向き合うように電解液内に配置することを特徴とする請求項５記載の電気分解方法。
【請求項７】
各電気分解電極を接液面を上側として電解液内に配置することを特徴とする請求項５記載の電気分解方法。
【請求項８】
フッ素化合物を溶融塩とする電解液を用い、フッ素化合物を電気分解してフッ素ガスを発生させることを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項に記載の電気分解方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１１−３８１４５（Ｐ２０１１−３８１４５Ａ）
【公開日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１８５７８５（Ｐ２００９−１８５７８５）
【出願日】平成２１年８月１０日（２００９．８．１０）
【出願人】（０００００６５０７）横河電機株式会社 (4,443)
【出願人】（０００００５８８７）三井化学株式会社 (2,318)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年８月１０日（２００９．８．１０）
【出願人】（０００００６５０７）横河電機株式会社 (4,443)
【出願人】（０００００５８８７）三井化学株式会社 (2,318)
【Ｆターム（参考）】
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