JP2008063614A

JP2008063614A - オゾン製造装置

Info

Publication number: JP2008063614A
Application number: JP2006242152A
Authority: JP
Inventors: Terumi Hashimoto; てるみ橋本; Masaaki Kato; 昌明加藤; Akiyoshi Manabe; 明義真鍋
Original assignee: Chlorine Engineers Corp Ltd
Current assignee: ThyssenKrupp Uhde Chlorine Engineers Japan Ltd
Priority date: 2006-09-06
Filing date: 2006-09-06
Publication date: 2008-03-21
Also published as: TW200815627A; US20080060936A1; KR20080022521A

Abstract

【課題】水電解によりオゾンガスを製造するオゾン製造装置において、オゾン発生用電解セルに供給する電流値が同じであっても電流密度を小さくして、オゾン発生用電解セルへの負荷を抑えることことのできるオゾン製造装置の提供。
【解決手段】オゾン発生用電解セル３を構成する前記陽極室１、前記陰極室２、前記陽極室枠６、前記陽極８、前記イオン交換膜９、前記陰極１０、前記集電体１１、前記陰極室枠１２の形状を同じ形状の角型とし、かつ、前記陽極室枠６及び前記陰極室枠１２の内面に複数の溝１３を形成したことにある。
【選択図】図１−ａ

Description

本発明は、水電解によりオゾンガスを製造するオゾン製造装置において、オゾン発生用電解セルに供給する電流値が同じであっても電流密度を小さくして、オゾン発生用電解セルへの負荷を抑えるとともに、電解セル内部の温度を下げることにより、より高効率でオゾンガスを製造し、オゾン発生用電解セルを構成する各種部材の寿命を長くすることを目的とするオゾン発生用水電解方法に関する。

水電解によってオゾンガスを製造する方法は、公知の技術であり、従来、パーフルオロカーボン系のイオン交換膜の両側に、オゾン発生用触媒を導電性多孔体に担持させた陽極及び白金触媒を担持させた陰極を直接密着させ、純水を陽極室内に供給してオゾンガスを発生させるオゾン発生用電解セルが一般的であった。この従来のオゾン発生用電解セルの形状は、パーフルオロカーボンスルホン酸系イオン交換膜の両面に密着させる陽極及び陰極を押し付ける圧力を均一にし易くするため、殆ど全て円型であった（例えば、特許文献１参照）。

また、高濃度のオゾンガスを高電流効率にて得るには、電解温度を３０℃前後にして電解することが一般的である。しかし、オゾンガス発生用電解セルは、電解によって発熱し、３０℃を大幅に越えた高い温度となる為、電解セルを冷却し、内部の温度を下げることが必要となる。電解セルの冷却方法としては、例えば、電解セルの陽極室と陽極液の気液分離塔との間で陽極液を循環させて、循環ラインからの放熱により温度を下げる方法、あるいは電解セルを構成する陽極室、陰極室の外面に冷却ジャケットを設けて、電解セルの温度を下げる方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開平０９−０９５７９１号公報特開平１１−３１５３８９号公報

しかしながら、特許文献１の装置では、オゾン発生用電解セルの形状が円型であるため、オゾン製造装置を設置する際、オゾン発生用電解セルが占有する体積が大きくなり、オゾン製造装置が大型化する欠点があった。一方、電解面積を小さくした場合、これを補うため、高電流密度で運転することが必要となり、その結果、オゾン発生電流効率の低下や、装置を構成する各種部材の寿命が短くなることがあった。逆に、高電流密度による電解を避けるためには、電解面積を大きくする必要があり、その結果電解セルが大きくなり、装置全体の設置面積が大きくなる欠点があった。

そこで、本発明が解決しようとする第１の課題は、上記の従来方法の欠点を解消し、水電解によりオゾンガスを製造するオゾン製造装置において、オゾン発生用電解セルが占有する体積を有効に活用し、電解面積を大きくするための電解セルの形状の検討を行い、電流密度を小さくし、高電流効率のオゾンを得ると共に、オゾン発生用電解セルを構成する各種部材の寿命を長くするとともに、省スペースでオゾンを高効率に製造することにある。

また、特許文献２の装置では、陽極室内の温度の上昇を抑え、電解セルの温度を下げる効果はあるが、陰極冷却を行わないため温度は、高いままであり、電解セル内部、特に電解反応が起きているイオン交換膜と陽極、イオン交換膜と陰極の界面での温度を低下させるには十分でなかった。このため、電解セル内での温度分布が生じ、部材の劣化により経時的にオゾンガス濃度や電流効率の低下が起きやすく、性能を維持するためには頻繁な部材交換が発生するという問題があった。

そこで、本発明が解決しようとする第２及び第３の課題は、電解セル内の温度を均一にすることによって高効率でオゾンガスを得ると共に、電解セルを構成する各種部材の寿命を長くすることにある。

本発明は、上記第１の課題を解決するため、パーフルオロカーボン系のイオン交換膜９と、前記イオン交換膜９の両側に密着させた、オゾン発生用触媒を導電性多孔体に担持させた陽極８及び白金触媒を担持させた陰極１０と、前記陽極８の背面に装着した陽極室枠６と、前記陽極室枠６の内面と陽極８の背面間に形成した陽極室１と、前記陰極１０の背面に集電体１１を介して装着した陰極室枠１２と、前記陰極室枠１２の内面と前記集電体１１の背面間に形成した陰極室２とよりなり、純水を陽極室１内に供給してオゾンガスを発生させるオゾン発生用電解セル３において、前記オゾン発生用電解セル３を構成する前記陽極室１、前記陰極室２、前記陽極室枠６、前記陽極８、前記イオン交換膜９、前記陰極１０、前記集電体１１、前記陰極室枠１２の形状を同じ形状の角型とし、かつ、前記陽極室枠６及び前記陰極室枠１２の内面に複数の溝１３を形成したことを特徴とするオゾン製造装置を構成したことにある。

また、第２の課題解決手段は、前記陽極室枠６及び陰極室枠１２の外面に密着するよう冷却ジャケット１６，１６を設けたことにある。

また、第３の課題解決手段は、前記オゾン発生用電解セル３の外部に、前記陽極室１に接続して、前記陽極室１より発生するオゾン含有ガスと陽極液を分離する陽極液の気液分離塔４を設けるとともに、前記陰極室２に接続して、前記陰極室２より発生する水素ガスと陰極液を気液分離する陰極液の気液分離塔５を設けたことにある。

本発明によれば、水電解によりオゾンガスを製造するオゾン製造装置において、オゾン発生用電解セルが占有する体積を有効に活用し、電解面積を大きくするための電解セルの形状の検討を行い、電流密度を小さくし、高電流効率のオゾンを得ると共に、オゾン発生用電解セルを構成する各種部材の寿命を長くするとともに、省スペースでオゾンを高効率に製造することができる。

また、本発明によれば、冷却効率を高めて、電解により発生する熱による電解セルの温度上昇を抑え、更に、電解セル内の温度を均一にすることによって高効率でオゾンガスを得ると共に、電解セルを構成する各種部材の寿命を長くすることができる。

以下に、本発明の実施の形態を説明する。
図１−ａは、本発明の電解セル３の上部から見た詳細図、図１−ｂは、本発明の電解セル３を横から見た詳細図、図２は、本発明による陽極室枠６及び陰極室枠１２の形状及びそれぞれの内面に形成した複数の溝１３の詳細図、図３は、本発明によるオゾン製造装置の全体図を示したものである。
本発明によるオゾン製造装置に使用するオゾン発生用電解セル３は、図１−ａ及び図１−ｂに示すように、パーフルオロカーボン系のイオン交換膜９と、前記イオン交換膜９の両側に密着させた、オゾン発生用触媒を導電性多孔体に担持させた陽極８及び白金触媒を担持させた陰極１０と、前記陽極８の背面に装着した陽極室枠６と、前記陽極室枠６の内面と陽極８の背面間に形成した陽極室１と、前記陰極１０の背面に集電体１１を介して装着した陰極室枠１２と、前記陰極室枠１２の内面と前記集電体１１の背面間に形成した陰極室２により構成されている。７は、Ｏ−リングである。また、１６，１６は、陽極室枠６及び陰極室枠１２の外面には、密着するよう設けられた冷却ジャケットである。

オゾン発生用電解セル３を構成する陽極室１、陰極室２、陽極室枠６、陽極８、イオン交換膜９、陰極１０、集電体１１、陰極室枠１２の形状は、すべて同じ形状の角型に形成されており、かつ、陽極室枠６及び陰極室枠１２の内面には、熱交換に用いられる面積を増加させ、冷却効率を上昇させるため、複数の溝１３が縦方向（図２参照）、放射方向等に複数形成されている。これらの複数の溝１３は、陽極液及び陰極液のそれぞれの液を循環し易くする事を目的としており、形状を限定するものではなく、その他の形状に加工してもよい。

本発明によるオゾン製造装置は、図３に示すように、純水を供給してオゾン含有ガスを発生させる電解セル３と、電解セル３の上方空間に設けられた二つの気液分離塔４、５から構成される。一方の気液分離塔は、陽極液の気液分離塔４であって、電解セル３からオゾンガスを気泡として含んだ水を陽極液の気液分離塔４へ供給するフッ素樹脂製配管Ａと陽極液の気液分離塔４から水を陽極室１に戻すフッ素樹脂製配管Ｂが接続され、かつ、オゾン含有ガス出口１４を有している。もう一方の気液分離塔は、陰極液の気液分離塔５であって、電解セル３から水素を気泡として含んだ水を陰極液の気液分離塔５へ供給する配管Ｃと陰極液の気液分離塔５から水を陰極室２へ戻す配管Ｄが接続され、かつ、水素ガス出口１５を有している。

本発明によれば、電解セル３の陽極室１内に純水を供給して電解すると、陽極室１内にてオゾン含有ガスが発生し、このオゾン含有ガスは、陽極液とともに、配管Ｂを通り、陽極液の気液分離塔４に供給され、陽極液の気液分離塔４内で気液分離され、オゾン含有ガスは、オゾン含有ガス出口１４より排出され、陽極液は、配管Ｂを通り、陽極室１に循環される。一方、陰極室２内にて水素ガスが発生し、この水素ガスは、陰極液とともに、配管Ｃを通り、陰極液の気液分離塔５に供給され、陰極液の気液分離塔５内で気液分離され、水素ガスは、水素ガス出口１５より排出され、陰極液は、配管Ｄを通り、陰極室２に循環される。本発明によれば、このように、陽極液の気液分離塔４及び陰極液の気液分離塔５と電解セル３の陽極室１及び陰極室２との間で、陽極液、陰極液を循環させているので、配管Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄや気液分離塔４及び５から放熱され、冷却が促進され、電解セル３の冷却効率を上げる事が出来る。また、その際に陽極室枠６及び陰極室枠１２の内面に、縦横方向、放射方向等に複数の溝１３が形成されているので、熱交換に用いられる面積も増加するとともに、電解セル３内の電解液通路の液抵抗が小さくなり、エアーリフト作用による陰極液、陽極液循環が一層促進される。本発明によれば、電解セル３の陰極側に循環系統を設けない場合に比べて、陽極室１、陰極室２とも温度の低下が見られ、また電解セル３内の温度分布も小さくなる。この温度の低減効果は発熱量が大きい高電流密度ほど顕著になる。更に、本発明によれば、陽極室枠６及び陰極室枠１２の外面に密着するよう、冷却ジャケット１６，１６が設けられている。従って、電解セル３の電解面積を一定にした場合、オゾンガス発生量を増加させるためには高電流密度で運転することになるが、電解による発熱が大きくなる為必然的にセル内、特にイオン交換膜と電極の接触部分の温度は上昇し、電流効率が低下する電解条件となるが、本発明によれば、電解セル３の温度上昇を抑制することで高い電流効率を保つことができ、同時に電解セル３を構成する部材の寿命を長くすることも出来る。即ち、本発明によれば、電解セル３内の温度は上昇せず、特に電解発熱部分であるイオン交換膜９近傍の温度は低下した。また電解セル３全体の温度分布も小さくなった。省スペースで多量のオゾンガスを得るために電解セル３を高電流密度で運転する場合には電解による発熱が大きくなる為、本発明による温度低減効果が有効である。

＜実施例及び比較例＞
実施例１、２として、図１−図３に示すオゾン製造装置を使用してセル電流を２００Ａにて電解を行った。陽極８は、オゾン発生用触媒を導電性多孔体に担持させた陽極、９は、パーフルオロカーボンスルホン酸系イオン交換膜、陰極１０は、白金触媒を担持させた陰極を用いた。実施例１の陽極、陰極は１１２．５ｍｍ角の角型の電極を、実施例２の陽極、陰極は、１００ｍｍ角の角型の電極を使用した。
陽極液、陰極液は、それぞれ陽極室１と陽極液の気液分離塔４、陰極室２と陰極液の気液分離塔５の間を循環した。陽極室枠６、陰極室枠１２の外側には、冷却ジャケット１６，１６を設けて、陽極室１及び陰極室２を冷却した。
比較例として、円型の電解セルを用いた。円型の電解セルに使用した陽極室枠６及び陰極室枠１２の形状は、図４に示す通りである。実施例２と同じ１ｄｍ²電解面積の円型のセルを用いて、実施例１及び２に示すオゾン製造装置を使用して、セル電流を２００Ａにして電解を行った。

実施例、比較例それぞれの結果を表１に示す。これらの結果より、角型セルを用いることによって、円型と同等もしくはそれ以上の性能を得ることができ、電解セルの設置面積も約１０％小さくすることができた。

上記実施例及び比較例は、共に、陽極液、陰極液を、それぞれ陽極室１と陽極液の気液分離塔４、陰極室２と陰極液の気液分離塔５の間で循環することにより、セル全体の温度が低下し、温度分布も小さくなり、高電流効率のオゾンを得ることができるともに、更に、冷却ジャケット１６，１６を設けることにより、陽極室１及び陰極室２を冷却することにより、その効果は向上させることができた。

尚、陽極液及び陰極液の循環を行わない場合、又は、冷却ジャケット１６，１６を設けない場合においても、本発明による角型電解セルによれば、円型と同等もしくはそれ以上の性能を得ることができ、電解セルの設置面積も約１０％小さくすることができた。

本発明によるオゾン発生装置によれば、水電解によりオゾンガスを製造するオゾン製造装置において、オゾン発生用電解セルが占有する体積を有効に活用し、電解面積を大きくするための電解セルの形状の検討を行い、電流密度を小さくし、高電流効率のオゾンを得ると共に、オゾン発生用電解セルを構成する各種部材の寿命を長くするとともに、省スペースでオゾンを高効率に製造することができると共に、電解セルを構成する各種部材の寿命を長くすることができる。

更に、本発明によるオゾン発生装置によれば、冷却ジャケットにより陽極室及び陰極室が冷却されるとともに、電解セルの陽極液、陰極液を循環させることによって放熱が起こり、冷却が促進される。またその際に縦横方向、放射方向等に複数の溝を形成した陽極室、陰極室を用いることで、エアーリフト作用による陰極液、陽極液の循環を良好にして冷却効率を高め、電解により発生する熱によるセルの温度上昇を抑え、電解セル内の温度を均一にすることによって高効率でオゾンガスを得ると共に、電解セルを構成する各種部材の寿命を長くすることができる。

本発明の電解セル３の上から見た詳細図。本発明の電解セル３を横から見た詳細図。本発明による陽極室枠６及び陰極室枠１２の内面に形成した複数の溝１３の詳細図。本発明によるオゾン製造装置の全体図。比較例で用いた電解セル３を示す図。

符号の説明

１：陽極室
２：陰極室
３：電解セル
４：陽極液の気液分離塔
５：陰極液の気液分離塔
６：陽極室枠
７：Ｏ−リング
８：陽極
９：イオン交換膜
１０：陰極
１１：集電体
１２：陰極室枠
１３：溝
１４：オゾン含有ガス出口
１５：水素ガス出口
１６：冷却ジャケット

Claims

パーフルオロカーボン系のイオン交換膜９と、前記イオン交換膜９の両側に密着させた、オゾン発生用触媒を導電性多孔体に担持させた陽極８及び白金触媒を担持させた陰極１０と、前記陽極８の背面に装着した陽極室枠６と、前記陽極室枠６の内面と陽極８の背面間に形成した陽極室１と、前記陰極１０の背面に集電体１１を介して装着した陰極室枠１２と、前記陰極室枠１２の内面と前記集電体１１の背面間に形成した陰極室２とよりなり、純水を陽極室１内に供給してオゾンガスを発生させるオゾン発生用電解セル３において、前記オゾン発生用電解セル３を構成する前記陽極室１、前記陰極室２、前記陽極室枠６、前記陽極８、前記イオン交換膜９、前記陰極１０、前記集電体１１、前記陰極室枠１２の形状を同じ形状の角型とし、かつ、前記陽極室枠６及び前記陰極室枠１２の内面に複数の溝１３を形成したことを特徴とするオゾン製造装置。
前記陽極室枠６及び前記陰極室枠１２の外面に密着するよう冷却ジャケット１６，１６を設けたことを特徴とする請求項１に記載のオゾン製造装置。
前記オゾン発生用電解セル３の外部に、前記陽極室１に接続して、前記陽極室１より発生するオゾン含有ガスと陽極液を分離する陽極液の気液分離塔４を設けるとともに、前記陰極室２に接続して、前記陰極室２より発生する水素ガスと陰極液を気液分離する陰極液の気液分離塔５を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載のオゾン製造装置。