JP2003515677A - 単一要素技術による電気分解用電気化学セル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、独立要素技術による電気分解用の膜式電気分解手順のための電気化学セルに関する。前記セルは、間に膜（５）が設置された陽極液室（１６）と陰極室（２２）とを取り巻く少なくとも２個のハーフシェル（８、１０）、及び陽極液室（１６）内に置かれた陽極（６）より構成される。陰極室（２２）には、酸素消費陰極（４）、数個の重ねられ圧力の相殺されたガスポケット（１５）、陰極液間隙（１４）、及び選択的に後室（１９）が設けられる。電解液室（１６）内の導電性の支持部材（７）及び陰極室（２２）内の支持部品（３、２、１）が、互いに向かい合って同様な位置に設けられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は、請求項１の前文による膜式電気分解過程のための単一要素技術によ
る電気分解装置用電気化学セルに関する。セルは、間に膜が配置された陽極液室
及び陰極室を囲む少なくとも２個のハーフシェルよりなり、陽極液室内には陽極
があり、陰極室には酸素消費電極が設けられ、上下に配置され圧力が相殺された
（ｐｒｅｓｓｕｒｅ−ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ）複数のガスポケット、陰極液間
隙、及び選択的に後室があり、導電性支持部材が陽極液室に設けられ、更に支持
部材が互いに向かい合った同じ位置で陰極室内に設けられる。

【０００２】 電気分解、例えばＮａＣｌの電気分解は、２極法として基本的に知られた２種
の基本技術が知られる。

【０００３】 フィルタープレス技術においては、セル部材は、ハーフシェルが背中合わせに
溶接される方法でフレーム内に配列され、陽極及び陰極の各は、自立している方
法で外側に置かれ、そしてイオン交換膜は、電気化学セルを形成している２個の
部材の間に挿入される。電流は、ハーフシェル間の溶接された合わせ目を経てセ
ルからセルに流れる。

【０００４】 単一要素技術においては、電気化学セルは、２個の個別の電極ハーフシェルに
より形成され、これらの間に膜が置かれ、そしてこれらは１個の要素を形成する
ように互いにボルト締めされる。単一要素のパックを互いに押すことにより、単
一要素から単一要素への電気的接触が生じ、これらが適切な接触用ストリップを
介して互いに接続される。外部で作動する圧縮力を、部材構造内に通過させねば
ならない。

【０００５】 基本的原理について米国特許５，９６３，２０２号において、またガスが活発
に流れるガスポケットについてＤＥ−Ａ １９６２２７４４Ａ１において説明さ
れるように、いわゆるガスポケットによる圧力が相殺された運転状態における酸
素消費電極の使用は、酸素消費陰極と膜との間の電解液間隙により生ずる。同時
に、ガスポケット自体は空虚な容積を示す。力の伝達用として定められない両構
造は、応力の伝達に適したシステムの手段により繋がれなければならない。同時
に、圧迫接触を介した酸素消費陰極内への電流の分布を更に改善するために応力
を利用することが狙いである。

【０００６】 酸素消費陰極を収容しているガスポケットは、通常は、電解セルの幅全体にわ
たって伸びる。応力伝達用の構造は、水力学的な理由で、水素発生電気分解の場
合と同様に垂直方向に配置される。交差機能（ｃｒｏｓｓｉｎｇ ｆｕｎｃｔｉ
ｏｎｓ）のために、最初から新しい電気分解用部材内に両者を一体化し、更に水
素運転において現在運転している電気分解の改良を可能とする計画的な簡単な解
を見いださねばならない。

【０００７】 この目的は、本発明により、膜式電気分解処理用の電気化学セルにより達成さ
れる。間に膜が配置された陽極液室と陰極室とを取り巻く少なくとも２個のハー
フシェル、及び陽極液室内にある陽極、酸素消費陰極が設けられた陰極室、互い
に重ねられて配置され圧力が相殺された複数のガスポケット、陰極液間隙、及び
選択的には後室より構成される膜式電気分解処理用の電気化学セルであって、導
電性支持部材が陽極液室に設けられ、かつ陰極室内の互いに向かい合った同じ位
置に支持部材が設けられており、これがハーフシェル壁上で作用している圧縮力
を吸収することを特徴とする膜電気分解処理用の電気化学セルにより達成される
。

【０００８】 電気化学セルの好ましい実施例は、陰極室における支持が、多部品の支持部材
の手段により生じ、この場合、一つの支持部品が陰極液間隙内に配置され、更な
る支持部品がガスポケット内に配置され、そして後室がある場合は、第３の支持
部品がガスポケット後方の後室内に配列されることを特徴とする。

【０００９】 特に、ガスポケットの背部は、力及び電流を伝達するために垂直方向支持部材
に溶接される。例えば、構造ビーム又はその他の形式の垂直方向に走っている構
造ブリッジが、好ましくは、支持部材として溶接継ぎ目を介してガスポケット内
に溶接され、これらは、ガスポケットの周囲の外側の縁と同じ高さにあるような
高さである。

【００１０】 選定された実施例とは無関係に、これらの内部取付けは、ガスの水平方向のガ
スポケット通過、及び下端における凝結液の水平方向の流出を容易にしなければ
ならない。

【００１１】 酸素消費陰極は、設置された後、例えば構造ビーム上に平らに置かれ又はガス
ポケットの縁の上を跨ぎ、ガスポケットの全幅にわたりかつガスポケットの関係
の高さでの平面を形成する。

【００１２】 酸素消費陰極と膜との間の陰極液間隙に架橋するために、支持部材は、特に、
上述の構造ビーム又はブリッジに対する相手役として耐電解液かつ耐熱性の材料
から作られた支持部材として設置され、そして酸素消費陰極を介し、更に、膜を
介して陽極構造においてそれ自体を支持し、この陽極構造はそれの区域において
同様に支持され、これにより電気化学セルを通る力の伝達を容易にする。

【００１３】 支持部材（スペーサー）は、例えば次の理由でセル内の１ピースに設置されな
いことが好ましい。第１に、上述の構造ビーム又はブリッジに関する信頼し得る
位置決めは、全高にわたっては保証されず小さい横方向の変形でも滑りを起こす
可能性があり、これは酸素消費陰極の破壊の危険性がある。第２に、熱膨張係数
の差が大きく、このため、陰極を通る滑り効果により横方向の曲がりが促進され
ることが有り得る。この理由に対しては、支持部材を複数のピースに分割し、こ
れをそれぞれの個別ガスポケットの高さに相当するセグメントに分割することが
有利である。支持部材のセグメントは、特に、以下の手順に従って頂部と底部と
に取り付けられ案内される。上方端部においては、これらは、ガスポケットの縁
に取り付けられる。これは、スペーサー又はガスポケット上端のいずれかにおい
て、ピン又はスナップの形式の取付具のいずれかで行うことができるが、関係の
向かい合った部品と対応する穴を有することが必要である。

【００１４】 従って、本発明の好ましい変更例は、陰極液間隙内の支持部品が、互いに重ね
られて配置された複数のバーから形成され、これらは、選択的に、その上方端部
において、着脱可能な連結手段、例えばスナップ式連結具を介して、電極を支持
する（ｃａｒｒｙ）クロスブレースに取り付けられることを特徴とする。

【００１５】 下方端部においては、支持部材は、次の下方支持部材のとがった上方端部を囲
む二股構造で終わり、これにより支持部材の水平方向位置決めを確実なものとす
る。これら２個のセグメント間の間隙は、金属構造に比較して大きい支持部材の
熱膨張を補償するように選定されることが有利である。

【００１６】 電気化学セルの好ましい変更例においては、支持部品のそれぞれの隣接してい
る端部が、トングアンドグルーブ（ｔｏｎｇｕｅ−ａｎｄ−ｇｒｏｏｖｅ）組合
せとして設計され、特に、それぞれの（ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅ）下方支持部品の
上方端部がトングとして設計される。

【００１７】 支持部材がハーフシェルの全高にわたって伸びる場合に良好な力の分布が生ず
る。

【００１８】 ガスポケット内の第２の支持部品は、特に好ましくは選定された点、特に関係
のガスポケットの上方区域及び下方区域内の点において開口する開口部を有し又
は通路開口を残す。

【００１９】 第２の支持部品は、固体の導電性のバーの形式又はＵ形輪郭で、或いは、ガス
ポケットの後壁の対応した垂直方向の浮出しとして設計されることが特に好まし
い。

【００２０】 支持部材のより信頼し得る位置決めを確保するために、構造ビーム又はブリッ
ジは、縦方向（ｖｅｒｔｉｃａｌ）で右又は左のいずれかに僅かに弓形にするこ
とができ、或いはしかし中心（ｃｅｎｔｅｒ）では支持部材の対応した形に相当
するようにされ、このため、後者は、電気分解装置の変形（ｄｉｓｔｏｒｔｉｏ
ｎ）において両側の（ｏｐｐｏｓｉｔｅ）構造上で常に再集中する。

【００２１】 酸素消費陰極は、特にその背面が導電性であるべきである。ガスポケットの縁
と酸素消費陰極との金属接触の他に、これは、導電性支持部材を介して圧迫接触
による更なる電気接続を提供し、抵抗損の更なる極小化をもたらす。更に、支持
部材の使用により、酸素消費陰極と膜との接触により電極液の流れを局部的に阻
止する危険のある大きな面積でのこの電極の陰極間隙内への膨らみが防止される
。これは、特に、酸素消費陰極が応力を受ける支持部材の上述の構造の場合に適
用する。

【００２２】 電解液間隙内の支持部材は、特にクロロアルカリ電解液の場合は、ＥＣＴＦＥ
、ＦＥＰ、ＭＦＡ又はＰＦＡで作ることが有利であるが、導電性支持部材、例え
ば構造ビーム又はブリッジは、ニッケル又はその他の耐苛性アルカリ金属合金で
作るべきであり、或いはガスポケットの後壁に直接浮出しにされる。

【００２３】 前面が金属又は導電性である酸素消費陰極の場合は、陰極電解液間隙内の支持
部材は、圧迫接触による酸素消費陰極内への電流分布を改良するために、酸素消
費陰極に面した側を金属とすることができる。この場合、支持部材は、膜に面し
た側がＥＣＴＦＥ、ＦＥＰ、ＭＦＡ又はＰＦＡからなり、一方、金属部分が耐苛
性アルカリ金属よりなる２層構造を持つことが好ましい。

【００２４】 単一要素技術において説明された力の伝達の使用は、クロロアルカリ電気分解
には限られず、例えば以、下のような、圧力の相殺を要する液体電解液に直接接
触するガス拡散電極による全ての電気分解に使用することができる。 − 酸素消費陰極による過酸化水素の製造、 − 水素消費陽極及び酸素消費電極による二クロム酸ナトリウムの電気分解、 − 水酸化ナトリウム溶液の濃縮のためのアルカリ燃料電池、 − 酸素消費陰極による塩酸の電気分解。

【００２５】

【例】

図１は上左コーナーの詳細図として、陰極ハーフシェルの図を示し、図２はガ
スポケット１５を通る水平方向断面図Ａ−Ａ’を示す。陰極ハーフシェル１０内
において、後壁１１と横方向フレーム９とを有するガスポケット構造が支持用構
造３により支持される。

【００２６】 垂直方向支持ビーム２ａ、或いは同じ図２又は３に示された変更例による「空
洞」の垂直方向の構造ブリッジ２ｂが、ガスポケット１５内に溶接される。２個
の構造は、ガスポケット１５内の酸素の横断方向輸送を確保するために開口し、
かつ、構造は、酸素消費電極より形成されたいかなる凝結物の流出も容易にする
ためにガスポケット１５の水平方向境界１２上にはない。酸素消費陰極４は、電
気を伝導しかつ気密の方法で横方向フレーム９及び水平方向境界１２に取り付け
られ、そして構造ビーム又はブリッジ上に設置される。膜５と酸素消費陰極４と
の間の陰極液間隙１４はスペーサー部材１により定められ、一方これらは膜を介
して陽極６において支持され、陽極は支持構造７を介して陽極ハーフシェル８内
に定められた方法で保持される（図２参照）。

【００２７】 陽極ハーフシェル８及び陰極ハーフシェル１０は、液体の漏れない方法で互い
に連結され、単一の要素（電気分解セル）を形成する。電気分解装置が一緒に押
されたとき、多数のかかる単一要素が一緒に押され、それぞれ隣接の単一要素の
次の陽極ハーフシェル８’が陰極ハーフシェル１０の上に押し付けられ、単一要
素の他方の側に隣接した単一要素の次の陰極ハーフシェル１０’が陽極ハーフシ
ェル８の上に押し付けられる。単一要素を一緒に押すことにより、陰極ハーフシ
ェル１０を介して、支持構造３、垂直方向構造ビーム２ａ又は垂直方向構造ブリ
ッジ２ｂ、及びスペーサー１に荷重が加わり、これが、一方では酸素消費陰極４
に対し、そして他方では膜５を介して陽極６に対して力を加える。これにより、
応力は、支持構造７を経て陽極ハーフシェル８に伝えられる。単一要素から単一
要素への電気接続は、接触用ストリップ２１ａ及び２１ｂを押し付けることによ
り生ずる。

【００２８】 スペーサー部材１ａ、１ｂ自体は、頂部のある点へのテーパーを有しかつ底部
には対応した二股構造が設けるように設計される（図１）。これらは、ピン又は
スナップ式取付具のような保持用器具１３の手段により、ガスポケット１５の水
平方向境界１２の頂部に取り付けられる。スペーサー部材１ｂの二股部分は下方
の次のスペーサー部材１ａの頂部の上に組み合って明確に位置を定める。同時に
、スペーサー部材１ａ、１ｂ間に定められた間隙が、金属構造よりも大きい材料
の熱膨張を容易にする。

【図面の簡単な説明】

【図１】 上左コーナーの詳細として、本発明によるセルの陰極ハーフシェルを通る長手
方向断面図を示す。

【図２】 電気化学セルを通る図１の線Ａ−Ａ’に相当する断面を示す。

【図３】 図１の線Ｂ−Ｂ’に相当する陰極ハーフシェルを通る長手方向断面を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ， ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ， ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ， ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｂ Ｚ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ， ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，Ｊ Ｐ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ， ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，Ｒ Ｏ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ， ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 間に膜（５）が配置された陽極液室（１６）及び陰極室（２
   ２）を囲む少なくとも２個のハーフシェル（８、１０）、及び陽極液室（１６）
   内の陽極（６）、酸素消費陰極（４）の設けられた陰極室（２２）、互いに重な
   るように配置され圧力が相殺された複数のガスポケット（１５）、陰極液間隙（
   １４）及び選択的には後室（１９）より構成された膜式電気分解処理用の電気化
   学セルにおいて、導電性支持部材（７）が陽極液室（１６）に設けられており、
   かつ互いに向かい合った同じ位置において支持部材（３、２、１）が陰極室（２
   ２）内に設けられていることを特徴とする膜式電気分解処理用の電気化学セル。
2. 【請求項２】 陰極室（２２）における支持が多部品の支持部材（３、２、
   １）の手段により生じ、この場合、一つの支持部品（１）は陰極液間隙（１４）
   内に配置され、更なる支持部品（２ａ、２ｂ）はガスポケット（１５）内に配置
   され、そして後室（１９）がある場合は、第３の支持部品（３）がガスポケット
   （１５）後方の後室（１９）内に配列されることを特徴とする請求項１に請求さ
   れた電気化学セル。
3. 【請求項３】 陰極液間隙（１４）内の支持部品（１）が互いに重ねられて
   配置された複数のバー（１）から形成され、これらは、選択的には、その上方端
   部において、着脱可能な連結手段（１３）、例えばスナップ式連結具（１３）を
   介して、電極（４）を支持するクロスブレース（１２）に取り付けられることを
   特徴とする請求項１又は２に請求された電気化学セル。
4. 【請求項４】 支持部品（１ａ、１ｂ）のそれぞれの隣接している端部が、
   トングアンドグルーブ組合せとして設計され、それぞれの下方支持部品（１ａ）
   の上方端部が、特にトングとして設計されることを特徴とする請求項３に請求さ
   れた電気化学セル。
5. 【請求項５】 支持部品（３、２、１）がハーフシェル（１０）の全高にわ
   たって伸び、そして第２のハーフシェル（８）内の連続する支持部品（７）と向
   かい合って置かれることを特徴とする請求項１ないし４の一に請求された電気化
   学セル。
6. 【請求項６】 ガスポケット（１５）内の第２の支持部品（２ａ）又は（２
   ｂ）が、選定された点、特にそれぞれのガスポケット（１５）のそれらの上方区
   域又は下方区域内の点において開口する開口部（２２ａ、２２ｂ、２３ａ）を有
   し又は通路（２４）の開口を残すことを特徴とする請求項１ないし５の一に請求
   された電気化学セル。
7. 【請求項７】 第２の支持部品（２）が、固体の導電性のバー（２ａ）又は
   Ｕ形輪郭（２ｂ）のいずれかとして設計されることを特徴とする請求項１ないし
   ６の一に請求された電気化学セル。
8. 【請求項８】 Ｕ形輪郭（２ｂ）が、ガスポケットの後壁からの浮出しにさ
   れ、支持部品（３）が浮出しのＵ形輪郭（２ｂ）の基部内に伸びて力を直接伝達
   することを特徴とする請求項７に請求された電気化学セル。
9. 【請求項９】 支持部材（７、３及び２）が耐苛性液の金属又は合金、特に
   ニッケルより、或いは耐酸性の金属又は合金、特にチタン又はチタン及びパラジ
   ウムの合金から作られることを特徴とする請求項１ないし８の一に請求された電
   気化学セル。
10. 【請求項１０】 支持部品（１、１ａ又は１ｂ）が、耐熱耐電解液プラスチ
    ックより構成されることを特徴とする請求項１ないし９の一に請求された電気化
    学セル。
11. 【請求項１１】 支持部品（１、１ａ、１ｂ）が、酸素消費陰極（４）に面
    する側に金属導電がなされることを特徴とする請求項１ないし１０の一に請求さ
    れた電気化学セル。