JP2001152379A - 電解槽 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】電解槽電解室において、陽イオン交換膜の有効
利用及び電解室内の脈動、通電時の電極室内圧力変動を
防止する。 【解決手段】電極室の気液俳出口を電極上端とほぼ同じ
位置で上向に開口する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、アルカリ金属塩水
溶液の電解に用いる電解槽に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、アルカリ金属塩水溶液の電解によ
る水酸化アルカリ金属の製造、特に塩化ナトリウム水溶
液の電解により、水酸化ナトリウム及び塩素を製造する
方法として、陽イオン交換膜により、陽極室と陰極室と
を区分し、陽極室には陽極を、陰極室には陰極をそれぞ
れ存在させ、陽極室にアルカリ金属塩水溶液を、又陰極
室にアルカリ金属水酸化物水溶液を満たして、両電極間
に直流電流を通し、電解を行う方法及びそれに用いられ
るイオン交換膜電解槽は、周知である。

【０００３】イオン交換膜電解槽にあっては、陽極室と
陰極室とを交互に直列に配置し、その両端から直流電流
を印加する複極式（バイポーラ）電解槽と、陽極室と陰
極室とは互いに陽イオン交換膜を介して対立する位置に
存在するが、各陽極室及び陰極室は、それぞれ電気的に
並列に配置された構造の単極式（モノポーラ）電解槽と
が工業的に用いられる。

【０００４】これらの電解槽は、一般的に陽極室と陰極
室を構成する一単位（ユニットセル）を多数配列して用
いられるため、各ユニットは、その上壁面、下壁面及び
両側壁面が−体に成形された矩形の電極室枠と、その中
に収納された電極とより主として構成されている。

【０００５】モノポーラ式の電極室では、一般に電極室
枠の両開口面に陽極（又は陰極）を設置した構造であ
り、バイポーラ式の電極室は、陽極室と陰極室とが−枚
の隔壁を挟んで背中合わせに一体化した構造とし、隣り
合った陰極室（又は陽極室）との間でユニットセルを構
成する。バイポーラユニットセルの場合も電極室枠の開
口面にそれぞれ電極が設置されている。

【０００６】モノポーラ式電解槽にしろ、バイポーラ式
電解槽にしろ、陽極室と陰極室とは陽イオン交換膜を介
して対立した構造である。又陽極室には、アルカリ金属
塩、例えば塩化ナトリウムの水溶液が、該室の底部隅
（電極室枠の下角部近傍）の塩水供給口から導入され、
電解を行った後、電極室枠の前記塩水供給口の存する角
の対角の位置にある上角部近傍に設けられた塩水排出口
から排出される。

【０００７】他方、陰極室にあっては、アルカリ金属水
酸化物例えば水酸化ナトリウムの稀薄な水溶液又は場合
によっては水を、同様に陰極室枠の下部角近傍から供給
し、対角をなす上部角近傍から濃厚なアルカリ金属水酸
化物水溶液を排出する。

【０００８】本発明においては、電極とは陽極又は陰極
或いは、それらの両方を指称し、電極室とは陽極室又は
陰極室或いは、それらの両方を意味するものとする。
又、液供給口とは、陽極室にあっては、アルカリ金属塩
水溶液の供給口を意味し、陰極室にあっては、水又は水
酸化アルカリ金属水溶液の供給口を意味する。同様に、
気液排出口とは、陽極室においては、電解を行った後の
アルカリ金属塩水溶液及び該電解により生成した気体、
例えば塩化ナトリウムの電解にあっては塩素ガスの排出
口であり、又陰極室においては、電解により生成した水
酸化アルカリ金属水溶液及び該電解により生成した気
体、一般に水素ガスの排出口を意味する。更に、電解槽
とは、特に説明を付加しない限り、モノポーラ式及びバ
イポーラ式の両方を指称するものとする。

【０００９】アルカリ金属水溶液の電解、例えば塩化ナ
トリウム等のハロゲン化アルカリ金属塩水溶液の電解に
あたっては、陽極室では、塩素ガス等のハロゲンガスが
発生し、又陰極室では水酸化ナトリウムの如き、強アル
カリが存在することになるため、陽極室と陰極室とを区
画する陽イオン交換膜は、耐酸化性であり、且つ耐薬品
性の強い材質で構成されなければならない。そこで一般
にパーフルオロカーボン骨格を有し、側鎖にカルボキシ
ル基、スルホン酸基その他の陽イオン交換基を有する陽
イオン交換膜が用いられる。これらの陽イオン交換膜は
ナフィオン（デュポン社），フレミオン（旭硝子社），
或いはアシプレックス（旭化成社）などの商品名で市販
されている。

【００１０】しかしながら、これらのパーフルオロカー
ボン系の陽イオン交換膜は極めて高価であり、その有効
利用率を可及的に高めることが望まれる。

【００１１】そのため、電解槽のユニットセルの構造と
しては、陽イオン交換膜面積に対する有効通電面積をで
きるだけ大きくするための工夫がなされることになる。
その一つとして、電極室枠−ぱいに電極を設置し、電極
室内全体に液を充填して、電極面全体を使って電解する
方法が用いられている。この場合当然電極室枠に設けら
れる気液排出口は、該枠の上壁面に設けられる。所謂上
抜き方式が採用されている。

【００１２】ところが、アルカリ金属塩水溶液の電解に
あたっては、陽・陰両室内ともに気体が発生するため電
極室内、特にその上部程、気泡密度が大きくなり、気液
混合状態となって気体のリフト作用で液を同伴して排出
するため、気液排出口からは、脈流となって排出する。
このためユニットセル内圧は極めて不規則に変動し、陽
イオン交換膜や電極に振動を生ずることになり、延いて
は陽イオン交換膜や電極或いは電極を支える弾性体（特
にゼロギャップ電解槽に用いられている）の損傷を来す
惧れがあった。

【００１３】そこで、気液流出の比較的容易な方法とし
て、電極室枠の上角部近傍の側壁に気液排出口を設ける
ことも行われている。確かに、この場合脈流は、かなり
抑えられるため、電解槽の運転には都合がよいものの、
運転中はガスゾーンが存在することになり、ブリスター
が発生する。又運転を中断したとき、電極室液面は気液
排出口の高さまで低下することになり、陽イオン交換膜
上端近傍は気相中に曝される。

【００１４】このため、陽イオン交換膜上部が乾燥し、
膜内に存在するアルカリ金属分が塩として析出し、結晶
が成長することによって膜の組織を破壊するなどの不都
合が生じる。又停止中に微少電流を流す方式では、上記
同様ガスゾーン部にブリスターが発生する。

【００１５】又別の方法として、電極室の上部に電解に
関与しない気相溜りを別途持たせることによって、そこ
で気液分離を行い、脈動させないで気液排出を行わせる
手段も提案されている。しかし、この場合電解槽の構造
が複雑となり、しかも場合によっては、電解に関与しな
い陽イオン交換膜の所謂デッドスペースが大きくなり不
経済である。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明の目的
は陽イオン交換膜の有効利用率が高く、しかも運転時に
排出する気液に由来する脈動に伴う圧変動の少ない電解
槽であって、しかも、運転休止時に陽イオン交換膜の部
分的な乾燥による膜の損傷のない電解槽を提供するにあ
る。

【００１７】本発明の電解槽における電極室の基本的な
構成は、有効通電面積を電解室枠内開口部のほぼ全面と
し、しかも排出する気液の脈動を抑制し、且つ電解槽の
運転休止時或いは低電流密度下に運転した場合であって
も電極室内の液面が低下しないよう、電極室枠に設けら
れる気液排出口を電極の上端とほぼ同−の高さに上向に
開口させることにある。

【００１８】ここで、「ほぼ同一の高さ」とは、電極の
全高にたいして、９８％以上の高さの位置を意味する。
好ましくは、１０２％以下である。

【００１９】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、陽
極室と陰極室とが陽イオン交換膜を介して対立する縦型
の電解槽であって、陽極室及び陰極室は、それぞれ周囲
を電極室枠で構成されており、且つ、各電極室枠の−方
の下角部に液供給口を有し、該液供給口の対角をなす上
角部近傍の側壁に気液排出口を有し、さらに陽極室及び
陰極室の少なくとも−方の電極室の気液排出口は、該電
極室に存在する電極上部端とほぼ同一の高さの位置で上
向に開口していることを特徴とするアルカリ金属塩水溶
液の電解槽である。

【００２０】更に、本発明を効率的に行う一つの手段
は、本出願人の先願、特開平６−２２０６７７号公報所
載の発明の原理を併用することである。即ち、該発明の
要旨は、電極室枠の一方の開口面が隔壁で遮蔽され、他
方の開口面に陽極が設けられた電解槽陽極室において、
陽極が設けられた開口面からみて、該陽極室の下端部に
アルカリ金属塩水溶液の供給口が設けられ、該供給口か
ら遠い上端部に電解されたアルカリ金属塩水溶液の排出
口が夫々設けられており、且つ陽極室内の通電部の上部
に該通電部を水平方向に連通する気液分離樋が陽極との
間に間隙を有して設けられ、末端が該アルカリ金属塩水
溶液の供給口近傍に開口する陽極液の下降管が該気液分
離樋に接続されてなることを特徴とする電解槽陽極室で
ある。特開平６−２２０６７７号の発明はバイポーラ電
解槽の陽極室について主として説明されているが、該発
明の原理は、モノポーラ電解槽や陰極室に対しても適用
できることは明らかである。

【００２１】即ち、該発明の基本的構造は、電極室内の
上部に電極室のほぼ全幅に亘って、或いは幅方向の一
部、特に気液排出口付近に、樋状の受け溝を設置し、そ
の一端、特に、気液排出口から遠い方の端部付近から下
降管を降ろし、その先端を液供給口付近に開口させるも
のである。

【００２２】電極室内では、電極で発生する気体によ
り、気液の乱流混相流が上昇し、上部に行くにつれて、
気体密度が大きくなり、電極室内上部近傍では蟹泡状と
なって盛り上っている。

【００２３】前記特開平６−２２０６７７号の発明の作
用原理は、電極室内の前記蟹泡状の気液混合物を樋状溝
に受け、下方から上昇する混相乱流の影響を排除するこ
とによって、消泡し、気液分離され樋状溝内に残った液
体部分は、気泡を含有する上昇流との密度差を利用し
て、下降管より電極室内の底部、液供給口近傍に放出す
る。かくして、電極室内では、液が循環し、比較的均一
な濃度が得られるのである。

【００２４】本発明は、かかる電極室内還流手段と併用
することにより、電極室内上部での気液分離をスムース
に行い、排出する気液の脈流を一層十分に制御すること
が可能になるのである。

【００２５】

【発明の実施の形態】本発明は、前記のとおり、基本的
には電極室の気液排出口を、ほぼ電極上端部の高さの位
置に開口させることにあり、電極室のその他の構造は、
従来公知の構造がそのまま適用できる。

【００２６】以下に図面を用いて、本発明を説明する。

【００２７】図１は、本発明の基本的構造である。図中
１は電極室枠であり、２はバイポーラ式電解槽における
陽極室と陰極室とを区画する隔壁である。３は電極、４
は電極へ電気を供給すると同時に電極を平坦に支えるリ
ブである。また５は、液供給口、６は、気液排出ロ
（管）である。

【００２８】本発明の最大の特徴は、気液排出口の電極
室内開口部7が電極上端部とほぼ同じ高さの位置で上向
に開口している点にある。図1にあっては電極上端が電
極室枠の上壁面と接する位置であるため、電極前高長の
９８％以上で、電極上端よりも下の位置で開口している
場合が示されている。

【００２９】図２は、図１のａ−ａ′面の断面図であ
る。

【００３０】バイポーラ式電極室枠の隔壁を挟んで左側
の電極室は、記載を省略したものである。（以下の図面
においても同様である）図面に付された符号は、図1と
共通で同一の符号は同一の部分を表す。以下各図面とも
共通である。

【００３１】図１又は図２に示すように、気液排出口は
電極の上端とほぼ同一の高さで上向に開口させることに
より、電解槽の運転中は電極室内で生じる気液混合物、
即ち蟹泡状物は、開口部７の縁を乗り越えて開口部内に
流入する。その様子は模式的に示すと図３のようにな
る。図３に例示するように、電極室内で発生した気体に
より、上部近傍では、蟹泡状の気液混合物が気液排出口
の開口部７内に流入する。開口部７内は、電極室下方か
ら上昇してくる気泡の影響を受けないので、気液は比較
的容易に分離し、ほぼ二相流として、気液排出管６から
流出する。

【００３２】この場合、電極室内は気液排出管６より、
上部は、実質的に気相部として作用するため、電極室内
圧の変動を気体の圧縮、膨張弾性により吸収するため、
例えば、電解槽起動時、特に急速に定常電流量まで負荷
した場合であっても、電極室内圧の急上昇によるトラブ
ルを回避することができるので、電解槽の起動を容易に
且つ短時間で行い得るというメリットもある。

【００３３】他方、電解槽の運転を中止したときは、電
極室内液高は、気液排出開口部の縁の高さ、図３のＡの
位置に保つことができるため、陽イオン交換膜８は実質
的に気相に曝されることはなく、電解槽休止時の陽イオ
ン交換膜の損傷も生じない。

【００３４】本発明において、電極室の気液排出口開口
部の形状は本発明の目的に適合する限り、何ら限定され
ない。前記特開平６−２２０６７７号の発明における樋
状溝と組合せた形態として、例えば図４に示すように樋
状溝９中に堰１０を設けた構造も有利に採用できる。尚
図４中１１は、下降管を表す。勿論堰の構造は、その他
種々の態様が採り得る。その例を図５及び６に示す。こ
れらの図は樋状溝９と気液排出口開口部７及びその間を
仕切る堰１０の関係を示すため、リブ及び電極室枠上壁
面を除いたものである。図５は樋状溝９と気液排出口開
口部７とが共に電極室幅方向の全幅に亘って存在する態
様であり、該開口部の面積を大きく採ることが可能とな
る点で圧力変動を最も緩和することができる。図６に示
す態様は、内部循環のための樋状溝が、下降管１１に近
い側で漸次拡大しており、電極室内液の下降流をスムー
ズに誘導できるため、電極室内液循環を安定させるので
好ましい態様の一つである。但し、これらの構造は電極
室内上部構造を複雑にする点で好ましくない場合もあ
る。

【００３５】以上、バイポーラ式電極室の図面により説
明したが、勿論モノポーラ式電極室においても同様に適
用し得る。

【００３６】以下、実施例及び比較例によって本発明を
説明するが、本発明は、これらの例に限定されるもので
はない。

【００３７】実施例1 陽極室、陰極室ともに図１及び図２に示す構造であっ
て、通電部となる電極室枠の開口部は縦１４０ｃｍ、横
２３４ｃｍの大きさで、陽極室の厚みが４ｃｍ、陰極室
の厚みが３ｃｍであるバイポーラ電解槽の１ユニットセ
ルを用いる。対立する陽極室と陰極室との間はパーフル
オロカーボン系陽イオン交換膜（ナフィオンＮ−９８
１）で区画し、陽極は剛性のあるチタン製のパンチドメ
タルに活性物質を被服したものを用い、陰極は、線径
０．１５ｍｍ、開口率６８％のニッケル網にＮｉ₃Ｓｎ₂
の合金メッキを施した柔軟な網であり、その後にニッケ
ル製の線径０．０８ｍｍワイヤーの編物をクリンプした
弾性体よりなる集電マットを介してニッケル多孔板より
なる集電体に接続されている。気液排出管は、電極室内
上端から４ｃｍの位置に設け該室内でラッパ状に広がっ
た開口部面積は四角形で３０ｃｍ²、電極室内排出管面
積を１５ｃｍ²とし、該開口部の縁と電極室上壁面内側
との間隙は０．５ｃｍであった。

【００３８】かかる電解槽を用い、電流１６．４ＫＡ
（電流密度５０Ａ／ｄｍ²）、電解温度８５℃、苛性濃
度３３％、塩水濃度１９５ｇ／ｌ、陽極室内圧力５．９
ＫＰａ、陰極室圧力９．８ＫＰａで２ヶ月間塩化ナトリ
ウム水溶液の電解を行った。このときの電解電圧は３．
０ｖで、この間の陽・陰極室内の脈動は最大で１ＫＰａ
であった。その後、電解を中止し、１ヶ月間の微少通電
を行った後、電解槽を解体し、陽イオン交換膜の状態を
調べたところ、膜上辺部には何らの異常もなかった。

【００３９】又上記構造での膜の有効利用率は購入寸法
の９２．５％であった。

【００４０】比較例１ 実施例１とほぼ同じ仕様の構造で、気液排出管が電極室
内上端から４ｃｍの位置に設けられた電解槽を用いて塩
化ナトリウム水溶液の電解を行った。通電部となる室枠
の開口部は、縦１４０ｃｍ、横２３４ｃｍの大きさで、
陽極室の厚みが４ｃｍ、陰極室の厚みが３ｃｍであっ
た。使用する陽極及び陰極は実施例１において用いたの
と同じものを用いた。

【００４１】電解は、電流電流１６．４ＫＡ（電流密度
５０Ａ／ｄｍ²）、電解温度８５℃、苛性濃度３３％、
塩水濃度１９５ｇ／ｌ、陽極室内圧力５．９ＫＰａ、陰
極室圧力９．８ＫＰａで約２ヶ月電解した。この電解に
おける電圧は、３．０２ｖであった。その後、電解を中
止し、１ヶ月間の微少通電を行った後、電解槽を解体
し、陽イオン交換膜の状態を調べたところ、ガスゾーン
の陽極面に塩が析出し、一部ブリスターが発生してい
た。

【００４２】

【発明の効果】本発明の電解槽は、陽極室及び陰極室の
少なくとも一方の電極室において、気液排出口の開口部
を電極の有効通電部の上端とほぼ同一の高さの位置に上
向に開口させることにより、電解槽運転時の電極室内圧
変動を抑制すると共に休転時における陽イオン交換膜の
損傷を防止し得るという作用効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】は、本発明の電極室正面図である。

【図２】は、図1のａ−ａ′断面図である。

【図３】は、本発明の原理を説明する概念図である。

【図４】は、本発明の一態様を示す電極室正面図であ
る。

【図５】は、電極室の気液排出口開口部の形状の一例を
示す図である。

【図６】は、図７と同じく別の形状を示す図である。

【符号の説明】

１は、電極室枠 ２は、バイポーラ式電極室における隔壁 ３は、電極 ４は、電導リブ ５は、液供給口 ６は、気液排出口（管） ７は、気液排出口開口部 ８は、陽イオン交換膜 ９は、電極室内液循環用樋状溝 １０は、堰 １１は、下降管

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】陽極室と陰極室とが、陽イオン交換膜を介
   して対立する縦型の電解槽であって、陽極室及び陰極室
   は、それぞれ周囲を電極室枠で構成されており、且つ、
   各電極室枠の−方の下角部に液供給口を有し、該液供給
   口の対角をなす上角部近傍の側壁に気液排出口を有し、
   さらに陽極室及び陰極室の少なくとも一方の電極室の気
   液排出口は、該電極室に存在する電極上部端とほぼ同一
   の高さの位置で上向に開口していることを特徴とするア
   ルカリ金属塩水溶液の電解槽。