JP2008528794A - 拡大された活性膜表面を有する電解セル - Google Patents

Abstract

本発明は、ハロゲン化アルカリ水溶液から塩素を生成するための電解セルに関する。この電解セルは主に、２つの半殻体、アノード（４）、カソード（５）および電極間に配置されたイオン交換膜（１）からなる。スペーサ要素（２、３）は、膜を定位置に固定し、圧縮力を分配するために、イオン交換膜と電極との間に配置され、膜の少なくとも片側上で、導電性および耐食性を有する材料から製作される。

Description

本発明は、ハロゲン化アルカリ水溶液から塩素を生成するための電解セルに関し、前記セルは主に、２つの半殻体（セミシェル）、アノード、カソード、およびイオン交換膜（以下「膜」と呼ぶ）からなる。各半殻体の内側には、導電性材料製の細長片（ストリップ）が設けられており、細長片は、それぞれの電極を支持し、かつ、膜を定位置に固定し機械力を分配するために、外側ならびにイオン交換膜と電極との間に配置されたスペーサ要素から作用する締付け力を伝達する。スペーサは、イオン交換膜の少なくとも片側上に配置され、導電性および耐食性を有する材料で製作される。

ハロゲンガスを生成するための単一セルタイプの電解装置が、当業界で知られている。最高４０個の個別のセルの、単一セルタイプの構造がラック上に平行に懸架され、隣接するセル対のそれぞれの壁部が、たとえば適当な接触細長片によって互いに電気的に接続される。このようにして、イオン交換膜は、外部に加えられる締付け力によって生じる高い機械的負荷を受け、これは、この要素を通じて伝達されなければならない。

現在の技術状態では、電極および半殻体の後部壁に対して垂直に配置され、したがって締付け力の方向で位置合せされる細長片上で、電極をそれぞれの半殻体に溶接することが知られている。外部の機械力を受ける膜が、スペーサによって締め付けられて定位置に固定されるように、多数のスペーサが、膜と電極の間の空間内に配置される。スペーサは、接触領域を画成する対向対として構成され、細長片は、前記接触領域に対応して、電極の反対側上に位置決めされる。

このタイプの電解セルは、ＤＥ１９６４１１２５およびＥＰ０１８９５３５で開示されている。ＤＥ２５３８４１４に記載されるように、スペーサ要素は、電気的絶縁性材料で製作される。ＥＰ１０７３７８０およびＥＰ０１８９５３５もまた、スペーサが金属性および導電性の構成要素を含まないことを教示している。これは、対向するスペーサ対によって、関連する接触領域における膜厚の減少がもたらされることに由来する。スペーサ要素が導電性材料製である場合、機械的負荷および減少した膜厚の影響を受けて、膜内で短絡が発生する可能性がある。

スペーサ要素によって遮蔽される膜領域は、電流透過の点で不活性となる。セルの組立て時に、スペーサ対の完璧な整合が有効に実現されることを保証することは、ほぼ不可能である。したがって、結果的に得られる膜の表面は、構造設計に従って指定される理論的な表面よりもいくらか大きい。

本発明の一目的は、上記で説明された欠点を克服し、特に、膜の活性表面領域のより良好な使用を可能にする、電解セルの設計を提供することである。
上記で説明した目的、ならびに本発明のさらに別の目的および利点は、ハロゲン化アルカリ水溶液から塩素を生成するための電解セルを提供することによって達成される。この電解セルは、２つの半殻体、ならびにイオン交換膜を間に有する２つの電極、すなわちアノードおよびカソードを備える。各半殻体の内側には、それぞれの電極を支持し、外側から作用する締付け力を伝達する、細長い導電性装置が設けられる。さらに、スペーサ要素が、膜を定位置に固定し機械力を分配するために、イオン交換膜と電極の間に配置され、前記スペーサ要素は、イオン交換膜の片面上のみで、導電性および耐食性を有する材料で製作される。

本発明の好ましい一実施形態では、膜のアノード側に相当する、電流受け入れ側上にあるスペーサ要素は、導電性および耐食性を有する材料で製作されるが、カソード側には、電気絶縁性材料で製作されたスペーサ要素が設置される。

特に好ましい一実施形態では、膜と接触し、電気絶縁性材料からなるスペーサ要素の表面直径は、６ｍｍより小さく、より好ましくは５ｍｍより小さい。本発明者らは、驚くべきことに、６ｍｍ未満の直径を有するスペーサ要素の使用は、膜の電流透過特性に全く影響を及ぼさないことに気付いた。

上述のように、従来技術のセルでは、対向するスペーサ要素の対の完全な整合をセルの組立て時に保証することが、非常に困難であった。本発明は、この点をかなり容易にする。というのも、第１の細いスペーサを、わずかに幅広の第２のスペーサに対向して連結させることができ、第２のスペーサは、導電性材料で製作され、したがって、対応する膜領域を不活性化しにくいからである。あるいは、有効に接触する対向表面の直径が十分に６ｍｍ未満に保たれる限り、適当に開いた構成を有する幅広のスペーサ要素を使用することも可能である。この方法で、セルの組立てが、実質的に単純化される。

膜側に一体のスペーサ要素を形成するように、細長片の接触領域内の電極を適当に形状付けし、別個のスペーサ要素の使用を避けることを可能にすることによって、さらなる改善を得ることができる。

本発明の好ましい一実施形態によれば、本発明の電解セルのスペーサ構成要素に使用される、導電性および耐食性を有する材料は、チタンおよびその合金、ニッケルおよびその合金、チタン被覆またはニッケル被覆材料からなる群から選択される。

本発明の別の好ましい実施形態では、膜厚は、導電性スペーサ要素との接触領域に対応して少なくとも１０％増大され、厚さの前記増大は、膜の片側上、好ましくはカソード側上に、追加被覆を加えることによって得られる。この膜の補強によって、膜全体の抵抗の増大を必要とせずに、スペーサ要素の小さい断面積ごとに分与される機械的負荷を局所的に補償することが可能になる。

本発明の一代替実施形態では、対向するスペーサ要素の両方が、金属性および導電性を有し、膜厚が、それらとの接触領域に対応して少なくとも１０％増大される。イオン交換膜の厚さの増大は、好ましくは、元の膜厚の２倍を超えない。

本発明の別の実施形態によれば、膜厚は、全表面にわたって均一であり、金属性および導電性を有するスペーサ要素が両側に設置され、前記スペーサは、接触領域に対応して、イオン交換膜と実質的に同一または同等の性質を有する材料で被覆される。

本発明を、例として提供され、本発明の範囲の限定を意図しない添付の図面を用いて、以下で説明する。

図１は、本発明の電解セルの内部構成要素を、斜視図で示す。膜１が、それと直接接触するスペーサ２および３の間で締め付けられる。アノード４が、スペーサ要素２に対して押し付けられ、その後部側が細長片６に溶接される。この細長片は、半殻体壁部８に溶接される。半殻体壁部８上に、接触細長片１０が、細長片６の高さに沿って位置決めされ、接触細長片１０は、この場合溝として形成され、隣接セル（図示せず）の接触細長片を受け入れる。

カソード側の構造も類似しており、カソード５が、スペーサ要素３と直接接触し、後部側上で細長片７に溶接される。スペーサ要素３は、図３に詳細に示すように、開口を備える。細長片７は、半殻体壁部８に溶接される。

図２ａは、従来技術のセルの区画を示す。ここで膜厚は、その図示を容易にするために誇張される。２つの矢印９は、隣接セルを通じて伝達される外部圧縮力の方向を指示する。

膜１は、電流の受け入れに対応して、カソード側に高抵抗区域１ａを、アノード側に低抵抗区域１ｂを有する。この膜の層別化は、膜内の均一な電流分布に役立つ。図２ａに示すように、膜は絶縁スペーサ要素２および３によって遮蔽されているので、電流の流れ線がその付近で実質的に逸らされ、電流の流れによって横断されない膜の区画が、周囲領域に形成される。この区画は、点描領域によって識別される。これらの不活性区画により、膜内で電圧が降下し、活性区画内の電流密度が増大する。

図２ｂは、本発明の電解セルの一実施形態に関する、膜内の電流線のパターンを示す。アノード側のスペーサ要素２は、アノードとの一体的部品を形成する金属で製作され、そのため電流線が、偏向されず平行に膜１の低抵抗区域に入ることができる。この平行度は、カソード側上のスペーサ要素３の領域内の高抵抗区域１ａ全体を通して維持されるため、電流線によって横断されない障害領域が形成されない。

図３は、スペーサ要素の好ましい実施形態の構造を示す。アノード側にあるバータイプのスペーサ部品２は、図示の例では菱形の凸部１１および凹部１２を有するプロファイル付けされた表面を、膜と接触する面上に有する。カソード側にある絶縁材料からなるスペーサ部品３は、表面上の多数の凹部を備え、そのため設置時にスペーサ要素２および３は、５ｍｍを超える直径を有するいかなる膜表面領域も覆わない。

本発明のスペーサ要素の電流密度が、試験用セルにおいて調査された。電解セル内に、それぞれ幅８ｍｍおよび長さ２９５ｍｍを有する４つのスペーサの、１７本の列が設置される。これらのスペーサ要素には、接触表面の直径が最大で５ｍｍとなるように、図３に示すような開口が設けられた。凹部は、全表面に対する開口の比として規定されるスペーサ要素表面の全開口比を、約５０％と決定した。

この方法で、約０．０８ｍ²（２．７２ｍ²から２．８０ｍ²）の活性膜表面の増加が得られた。したがって、電流密度が、２．９％低減した。
この方法で、８０ｍＶ／（ｋＡ／ｍ²）のｋファクターを示す、標準的な高負荷Ｎ９８２膜を備える電解セルの動作電圧が２．３ｍＶ／（ｋＡ／ｍ²）だけ低減され、これにより、６ｋＡ／ｍ²の電流密度で１４ｍＶの電圧低減がもたらされる。これは、ＮａＯＨの生成１トンにつき１０ｋＷｈのエネルギー節約に相当する。

スペーサが、膜の表面領域全体を利用するように設計される場合、電圧低減は、２倍の２８ｍＶとなり、ＮａＯＨの生成１トンにつき２０ｋＷｈの節約に相当する。

本発明の電解セルの斜視図である。 従来技術のセル内の締付け力の分布を示す図である。 本発明のセルの好ましい一実施形態における、電流線の分布を示す図である。 本発明のセルの一実施形態によるスペーサ要素を示す図である。

Claims (11)

1. ２つの半殻体によって区切られる電解セルであって、前記２つの半殻体のそれぞれは、多数の導電性細長片によって電極に固定され、前記電極は、膜によって分割される主表面を有するアノードおよびカソードから構成され、前記膜および前記アノードは、前記膜および前記アノードの間に配置される第１の多数のスペーサ要素を有し、前記膜および前記カソードは、前記第１の多数のスペーサ要素に対向する対として、前記膜および前記カソードの間に配置される、第２の多数のスペーサ要素を有し、前記対向する対は、前記膜の表面上に接触領域を画成し、かつ前記膜を定位置に固定する、電解セルにおいて、前記第１および第２の多数のスペーサ要素の少なくとも一方が、導電性および耐食性を有する材料から作られることを特徴とする電解セル。
2. 導電性および耐食性を有する材料で作られる前記多数のスペーサ要素が、前記第１の多数のスペーサ要素であることを特徴とする請求項１に記載の電解セル。
3. 前記電極の少なくとも一方が、前記膜と接触する前記領域内で、前記多数のスペーサ要素と共に一体的な部品を形成することを特徴とする請求項１または２に記載の電解セル。
4. 前記導電性および耐食性を有する材料が、チタンおよびその合金、ニッケルおよびその合金、チタン被覆およびニッケル被覆材料からなる群から選択されることを特徴とする前記請求項のいずれか一項に記載の電解セル。
5. 前記第１および第２の多数のスペーサ要素の一方が、５ｍｍより大きくない直径を有し電気絶縁性を有する多数のスペーサ要素から構成されることを特徴とする前記請求項のいずれか一項に記載の電解セル。
6. 前記膜厚が、導電性および耐食性を有する材料で作られる前記多数のスペーサ要素との前記接触領域に対応して、少なくとも１０％増大されることを特徴とする前記請求項のいずれか一項に記載の電解セル。
7. 前記膜厚の前記増大が、前記膜の一側部の上に追加被覆を加えることによって得られることを特徴とする請求項６に記載の電解セル。
8. 前記追加被覆が、前記膜の前記アノード側部の上に加えられることを特徴とする請求項７に記載の電解セル。
9. 前記第１および第２の多数のスペーサ要素の両方が、金属性および導電性を有し、前記膜厚が、スペーサ要素の前記対向対によって画成される前記接触領域に対応して少なくとも１０％増大されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電解セル。
10. 前記膜厚が、元の厚さの二倍を超えない最終的な厚さまで増大されることを特徴とする請求項６乃至９のいずれか一項に記載の電解セル。
11. 前記第１および第２の多数のスペーサ要素の両方が、金属性および導電性を有し、前記第１および第２の多数のスペーサ要素の少なくとも一方が、前記膜と同じ材料または同等の特性を有する材料で被覆されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電解セル。

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