CN110462105B - 碱性水电解装置 - Google Patents

Abstract

提供一种防止了碱性水溶液的泄漏的碱性水电解装置。一种碱性水电解装置(10)，其具有：阳极室框(11)，其划分形成阳极室(12)；阴极室框(17)，其划分形成阴极室(18)；以及多孔质隔膜(16)，其配置于阳极室框(11)与阴极室框(17)之间，划分出阳极室(12)和阴极室(18)，在该碱性水电解装置(10)中，在阳极室框(11)配置有阳极垫片(15)，在阴极室框(17)配置有阴极垫片(21)，在阳极室框(11)和阴极室框(17)被紧固了时，多孔质隔膜(16)隔着阳极垫片(15)和阴极垫片(21)被阳极室框(11)和阴极室框(17)夹持，并且，阳极垫片(15)和阴极垫片(21)被压缩，阳极垫片(15)与阴极垫片(21)在多孔质隔膜(16)的周端部处接触。

Description

碱性水电解装置

技术领域

本发明涉及一种碱性水电解装置，详细而言涉及一种使用了多孔质隔膜的碱性水电解装置，该碱性水电解装置防止了碱性水溶液的泄漏。

背景技术

作为碱性水电解、碱金属盐水溶液的电解(例如食盐电解)所使用的电解槽，公知有在阳极室与阴极室之间配置有隔膜的构造。在碱性水电解的情况下，使用多孔质隔膜作为隔膜，在碱金属盐水溶液的电解中，使用离子交换膜作为隔膜。使分别配置到构成阳极室的框体的表面和构成阴极室的框体的表面的垫片夹持隔膜。利用该垫片防止电解液从阳极室和阴极室泄漏等。

例如，如在专利文献1和专利文献2中所图示那样，隔膜比垫片大，在利用阳极室和阴极室隔着垫片夹持隔膜之际，隔膜相对于电解槽框体向外侧突出。专利文献1和专利文献2例示有碱金属盐的电解，但在碱性水电解的情况下，也采用相同的结构。特别是在大型的电解槽中，为了一边对隔膜可靠地施加张力，一边夹持隔膜，采用上述的构造。然而，电解液使用腐蚀性较高的碱性溶液，因此，缺点是垫片经时劣化。在专利文献3中，作为解决该问题的对策，提出了长期无需更换垫片的密封构造。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2014-221944号

专利文献2：日本特开2012-193437号

专利文献3：日本特开平05-9772号

发明内容

发明要解决的问题

然而，在使用了多孔质隔膜的碱性水电解装置中，尽管使用了垫片，但还是产生了碱性水溶液的泄漏的问题。一般而言，在大型装置中，室框的紧固面压易于变得不均匀，因此，易于产生泄漏。现状是：电解液的泄漏产生几天左右，要求进一步的改善。

因此，本发明的目的在于提供一种防止了碱性水溶液的泄漏的碱性水电解装置。

用于解决问题的方案

本发明人等为了消除上述问题而进行了深入研究，结果获得了以下的见解。即、发现了如下见解：在碱性水电解装置中，碱性水溶液的泄漏不是因为垫片的劣化、腐蚀，而是因为在多孔质隔膜进行了渗透的碱性水溶液。基于该见解，本发明人等进一步进行了深入研究，结果发现了如下内容，以至于完成本发明：通过如下述这样设置碱性水电解装置的构造，能消除上述问题。

即、本发明的碱性水电解装置具有：阳极室框，其划分形成阳极室；阴极室框，其划分形成阴极室；阳极，其收容于所述阳极室；阴极，其收容于所述阴极室；以及多孔质隔膜，其配置于所述阳极室框与所述阴极室框之间，划分出所述阳极室和所述阴极室，该碱性水电解装置的特征在于，

在所述阳极室框的要配置所述多孔质隔膜的面配置有阳极垫片，在所述阴极室框的要配置所述多孔质隔膜的面配置有阴极垫片，

在所述阳极室框和所述阴极室框被紧固了时，所述多孔质隔膜隔着所述阳极垫片和所述阴极垫片被所述阳极室框和所述阴极室框夹持，并且，所述阳极垫片和所述阴极垫片被压缩，所述阳极垫片和所述阴极垫片在所述多孔质隔膜的周端部处接触。

在本发明的电解装置中，优选的是，所述阳极垫片和所述阴极垫片具有相同形状，将所述阳极垫片和所述阴极垫片的垫片宽度设为W，将压缩前的所述阳极垫片和所述阴极垫片的厚度设为D，将压缩后的所述阳极垫片和所述阴极垫片的内周侧的厚度设为D’，将所述阳极垫片以及所述阴极垫片与所述多孔质隔膜之间的接触宽度设为A，将压缩时的所述多孔质隔膜的厚度设为T，在如此设置时，满足式(1)～(3)的条件。

A≥3mm…(1)

W-A≥3mm…(2)

(D-D’)×2-T≥0.01mm…(3)

发明的效果

根据本发明，能够在碱性水电解装置中以简易的方法防止电解液从多孔质隔膜的端部泄漏。

附图说明

图1是将本发明的一优选的实施方式的碱性水电解装置的阳极室框和阴极室框紧固之前的单侧剖视图。

图2是图1中的多孔质隔膜的周端部侧的放大剖视图。

图3是将本发明的一优选的实施方式的碱性水电解装置的阳极室框和阴极室框紧固了之后的单侧剖视图。

图4是图3中的多孔质隔膜的周端部侧的放大剖视图。

具体实施方式

以下，使用附图而详细地说明本发明的实施方式。

图1～图4是用于说明本发明的一优选的实施方式的碱性水电解装置的剖视图。图1表示将阳极室框和阴极室框紧固之前的状态。图2是图1中的多孔质隔膜的周端部侧的放大剖视图。碱性水电解装置10具有：阳极室框11，其划分形成阳极室12；阴极室框17，其划分形成阴极室18；以及多孔质隔膜16，其配置于阳极室框11与阴极室框17之间，划分出阳极室12和阴极室18。在阳极室12内收容有阳极13。在阴极室18内收容有阴极19。在图示例中，阳极13和阴极19分别被支承体14、20支承。

阳极室框11和阴极室框17是一面开口的槽体。虽未图示，但在阳极室框11和阴极室框17设置有电解液的供给口以及电解后的碱性水溶液和气体的排出口。在阳极室框11的要配置多孔质隔膜16的面(垫片面)11a配置有阳极垫片15。另外，在阴极室框17的要配置多孔质隔膜16的面(垫片面)17a配置有阴极垫片21。具体而言，阳极垫片15和阴极垫片21配置于各室框的凸缘部。多孔质隔膜16被阳极垫片15和阴极垫片21夹持。

阳极垫片15和阴极垫片21具有与阳极室框11以及阴极室框17的垫片面相对应的形状。例如，若垫片面是矩形，则阳极垫片15和阴极垫片21是在中央部具有矩形的开口的矩形的框状体。或者，若垫片面是圆形，则阳极垫片15和阴极垫片21也可以是环状的框状体。阳极垫片15和阴极垫片21可以具有彼此相同的形状、厚度，但形状、厚度也可以不同。优选阳极垫片15和阴极垫片21是平板形状，但也可以是，为了定位多孔质隔膜16，在与多孔质隔膜16接触的那一侧的面中设置有垫片15、21的内周侧的厚度变薄那样的台阶。

在本发明中，多孔质隔膜16比阳极垫片15和阴极垫片21的外周小，且比阳极垫片15和阴极垫片21的开口大。因而，在利用阳极垫片15和阴极垫片21夹持多孔质隔膜16时，多孔质隔膜16的端部不向垫片15、21的外侧突出。在阳极垫片15和阴极垫片21的内周侧多孔质隔膜16和各垫片15、21接触，但在阳极垫片15和阴极垫片21的外周侧多孔质隔膜16不与各垫片15、21接触。

图3是用于说明本发明的一优选的实施方式的碱性水电解装置的剖视图，表示将阳极室框和阴极室框紧固了之后的状态。图4是图3中的多孔质隔膜的周端部侧的放大剖视图。在本发明的碱性水电解装置10中，如图3和图4所示，通过将阳极室框11和阴极室框17紧固，多孔质隔膜16隔着阳极垫片15和阴极垫片21被阳极室框11和阴极室框17夹持。此时，阳极垫片15和阴极垫片21被压缩而变形，阳极垫片15的外周部和阴极垫片21的外周部相互接触。由此，成为多孔质隔膜16的周端部的外侧被各垫片15、21包围着的状态，在将电解液填充到阳极室12和阴极室18之际，利用阳极垫片15和阴极垫片21保持液密状态。

在以往的具备多孔质隔膜的碱性水电解装置中，在向阳极室和阴极室填充电解液(碱性水溶液)时，碱性水溶液向多孔质隔膜渗透，碱性水溶液从端部向外部泄漏。在本发明的碱性水电解装置10中，通过紧固阳极室框11和阴极室框17，阳极垫片15和阴极垫片21在多孔质隔膜16的周端部侧接触而保持液密状态，因此，防止了碱性水溶液向外部泄漏。

如图2所示，将阳极垫片15和阴极垫片21的宽度(垫片宽度)定义为W，将阳极垫片15以及阴极垫片21与多孔质隔膜16之间的接触宽度定义为A。为了利用各垫片15、21夹持多孔质隔膜16，接触宽度是A≥3mm(式(1))。另一方面，A变大导致阳极室框11和阴极室框17的凸缘部的宽度增大。考虑碱性水电解装置10的设置面积等而适当规定接触宽度A的上限值。

垫片宽度W与接触宽度A之差W-A相当于阳极垫片15与阴极垫片21之间的接触宽度。为了使阳极垫片15与阴极垫片21接触，必须使阳极垫片15和阴极垫片21比多孔质隔膜16大。为了考虑配置垫片之际的定位精度和操作性，并且利用阳极垫片15与阴极垫片21之间的接触在多孔质隔膜16的周端部侧确保液密状态，优选垫片彼此的接触宽度是W-A≥3mm(式(2))。若垫片彼此的接触宽度W-A增大，则阳极垫片15与阴极垫片21之间的接触面积变多，能够更可靠地确保液密状态。不过，W-A变大导致增大碱性水电解装置10的设置面积。因此，考虑电解液的泄漏和设置面积等而适当设定接触宽度W-A的上限值。

如图2所示，将压缩前的阳极垫片15和阴极垫片21的厚度定义为D。另外，如图4所示，将压缩后的阳极垫片15和阴极垫片21的内周侧的厚度定义为D’，将压缩后的多孔质隔膜16的厚度定义为T。在本发明中，为了防止电解液的泄漏，优选的是，除了满足式(1)、式(2)之外，还满足式(3)的关系。

(D-D’)×2-T≥0.01mm…(3)

对施加于阳极垫片15和阴极垫片21的压力(紧固面压)进行调整，以便获得满足式(3)的压缩量。若将垫片宽度W设为恒定，则在垫片彼此的接触宽度W-A与电解液的泄漏之间存在以下的关系。若垫片彼此的接触宽度W-A变大，则接触宽度A变小，垫片的受压面积变小。因此，在将阳极室框11和阴极室框17紧固了时施加于阳极垫片15和阴极垫片21的压力(施加于每单位面积的力)变大，阳极垫片15和阴极垫片21的压缩量变大。即、即使紧固面压变小，也能够防止电解液的泄漏。另一方面，若垫片彼此的接触宽度W-A变小，则接触宽度A变大，垫片的受压面积变大。因此，在将阳极室框11和阴极室框17紧固了时施加于阳极垫片15和阴极垫片21的压力(施加于每单位面积的力)变小，阳极垫片15和阴极垫片21的压缩量变小。即、为了防止电解液的泄漏，必须一定程度增大紧固面压。

在本发明的碱性水电解装置10中，对于除了阳极垫片15以及阴极垫片21与多孔质隔膜16之间的配置关系、多孔质隔膜16的周端部被阳极垫片15和阴极垫片21包围的结构以外的结构，能够采用已知的结构。

在本发明的碱性水电解装置10中，作为多孔质隔膜16，能够使用可普遍获得的碱性水电解用隔膜。碱性水电解用隔膜是包括片状的多孔性支承体和浸渗于所述支承体的有机高分子树脂的多孔膜。支承体是无纺布、机织布或无纺布和机织布的复合布。支承体由从如下组选择的至少1种纤维形成，该组由聚苯硫醚、聚丙烯、聚砜、聚醚砜、聚亚苯基砜、氟系树脂、聚酮、聚酰亚胺以及聚醚酰亚胺构成。有机高分子树脂由从组选择的至少1种构成，该组由聚砜、聚醚砜、聚亚苯基砜、聚偏氟乙烯、聚碳酸酯、聚四氟乙烯、聚丙烯、聚苯硫醚、聚酮、聚醚醚酮、聚酰亚胺、以及聚醚酰亚胺构成。

作为本发明的碱性水电解装置10的阳极垫片15和阴极垫片21的具体例，可列举出框状的橡胶制片材等。对于阳极垫片15和阴极垫片21而言，要求针对腐蚀性的电解液、所生成的气体等具有耐受性、能够长期使用，因此，出于耐化学试剂性、硬度这点考虑，作为阳极垫片15和阴极垫片21的材质，能够优选使用三元乙丙橡胶(EPDM)、乙丙橡胶(EPM)的硫化品、过氧化物交联品等。另外，根据需要也能够使用由聚四氟乙烯(PTFE)、四氟乙烯·全氟烷基乙烯基醚共聚物(PFA)等氟系树脂包覆了与液体接触的区域(接液部)的垫片。阳极垫片15和阴极垫片21的厚度是例如1mm～4mm左右。

在本发明的碱性水电解装置10中，作为阳极13和阴极19，能够恰当地使用在导电性基材上设置有催化剂层的阳极和阴极。

在图1～4中示出由一对阳极室框和阴极室框构成的1个单元的碱性水电解装置的构造，但本发明并不限定于此。本发明也能够适用于通过使1个单元的阳极室框和其他单元的阴极室框一体化而具有多个单元的碱性水电解装置。

本发明的碱性水电解装置10能够特别恰当地适用于紧固面压易于变得不均匀、易于产生电解液的泄漏的大型的碱性水电解装置。在此，大型的碱性水电解装置是指电极面积是3m²以上的碱性水电解装置。

在使用本发明的碱性水电解装置10而进行碱性水的电解的情况下，用电解液充满阳极室12和阴极室18的内部，对阳极13与阴极19之间施加直流电流来进行碱性水的电解。作为电解液，使用例如氢氧化钠、氢氧化钾的碱性水溶液。碱性水溶液的浓度并没有特别限定，优选15质量％～40质量％，更优选20质量％～35质量％。通过设为15质量％～40质量％的范围，充分显现溶液的离子传导性，能够减轻溶液的电阻。

另外，对于进行碱性水溶液的电解时的温度，也没有特别限制，优选40℃～90℃，更优选60℃～90℃的范围。只要是该温度范围，就充分显现溶液的离子传导性，能够高效地进行碱性水溶液的电解。

实施例

以下，详细地说明本发明的实施例，但这些实施例只不过是用于恰当地说明本发明的例示，并不对本发明有任何限定。

使用电解面积1dm²(10cm×10cm)的阳极室框和阴极室框，利用阳极室框和阴极室框隔着阳极垫片和阴极垫片夹持碱性水电解用隔膜而将该碱性水电解用隔膜紧固，装配了碱性水电解装置。垫片的尺寸、材质以及紧固条件如以下这样。

垫片规格

外尺寸：150mm×150mm

内尺寸：104mm×104mm(相当于垫片开口)

垫片宽度(图1中的附图标记W)：23mm

厚度：3mm

材质：EPDM

垫片彼此的接触宽度(相当于W-A)：0mm、3mm、5mm、10mm、15mm、20mm

垫片紧固面压：10kgf/cm²～50kgf/cm²

使25质量％的氢氧化钾水溶液在阳极室和阴极室内进行了浸湿(液張り)。为了促进液从多孔质隔膜渗出，将阳极室内和阴极室内的加压条件设为2000mmH₂O。在以该状态放置了15分钟之后，通过目视和以pH试纸确认了氢氧化钾水溶液从垫片周缘部泄漏。在表1中表示将垫片彼此的接触宽度和垫片紧固面压设为参数时的泄漏状况。

[表1]

在垫片彼此的接触宽度是0mm(W-A＝0)的情况下，即使提高面压，也确认到氢氧化钾水溶液的泄漏。在该条件下，也能够通过目视确认到未利用阳极垫片和阴极垫片包围多孔质隔膜的周缘部。

存在垫片彼此的接触宽度W-A是3mm以上且能够防止氢氧化钾水溶液的泄漏的条件。可知：能够通过调整垫片紧固面压来防止氢氧化钾水溶液的泄漏。如从表1可明确那样，垫片彼此的接触宽度W-A越大，能够以越低的垫片紧固面压防止泄漏。

对表1所示的垫片彼此的接触宽度和垫片紧固面压的条件下的各垫片的压缩量(相当于式(3)中的D-D’)和压缩后的多孔质隔膜的膜厚进行了计算。在表2中表示各条件下的式(3)的左边(D-D’)×2-T(单位：mm)。

[表2]

若比较表1和表2，则可知：在垫片彼此的接触宽度W-A是3mm以上的条件下，能够在(D-D’)×2-T为正、即、0.01mm以上的情况下防止泄漏，在(D-D’)×2-T为负的情况下电解液泄漏。根据表1、2的结果可说成，(D-D’)×2-T≥0.01mm这样的条件是能够防止电解液的泄漏的条件。此外，在改变了多孔质隔膜的种类的情况下，也确认到存在与表1、2相同的倾向。

附图标记说明

10、碱性水电解装置；11、阳极室框；11a、阳极室框的面；12、阳极室；13、阳极；14、支承体；15、阳极垫片；16、多孔质隔膜；17、阴极室框；17a、阴极室框的面；18、阴极室；19、阴极；20、支承体；21、阴极垫片。

Claims (1)

1.一种碱性水电解装置，其具有：阳极室框，其划分形成阳极室；阴极室框，其划分形成阴极室；阳极，其收容于所述阳极室；阴极，其收容于所述阴极室；以及多孔质隔膜，其配置于所述阳极室框与所述阴极室框之间，划分出所述阳极室和所述阴极室，在该碱性水电解装置中，

在所述阳极室框的要配置所述多孔质隔膜的面配置有阳极垫片，在所述阴极室框的要配置所述多孔质隔膜的面配置有阴极垫片，

在所述阳极室框和所述阴极室框被紧固了时，所述多孔质隔膜隔着所述阳极垫片和所述阴极垫片被所述阳极室框和所述阴极室框夹持，并且，所述阳极垫片和所述阴极垫片被压缩，所述阳极垫片和所述阴极垫片在所述多孔质隔膜的周端部处接触，

所述阳极垫片和所述阴极垫片具有相同形状，将所述阳极垫片和所述阴极垫片的垫片宽度设为W，将压缩前的所述阳极垫片和所述阴极垫片的厚度设为D，将压缩后的所述阳极垫片和所述阴极垫片的内周侧的厚度设为D’，将所述阳极垫片以及所述阴极垫片与所述多孔质隔膜之间的接触宽度设为A，将压缩时的所述多孔质隔膜的厚度设为T，在如此设置时，满足式(1)～(3)的条件，

A≥3mm…(1)

W-A≥3mm…(2)

(D-D’)×2-T≥0.01mm…(3)。

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