JP2010174346A - イオン交換膜法電解槽及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】イオン交換膜4で陽極室と陰極室とに区画されたイオン交換膜法電解槽1の陰極室には、第一のエキスパンデッドメタル8A面に、刻み幅、短径及び長径が、第一のエキスパンデッドメタルの刻み幅、短径及び長径の半分よりも小さい第二のエキスパンデッドメタル8Bの表面がイオン交換膜に面した陰極8を備えており、陰極8は陰極室缶体3に結合した陰極支持体7に接合されて取付られており、陰極支持体7を陰極8との接合部以外の陰極表面へ垂直投影した部分と交わる陰極の表面を結ぶ平面を基準面とし、基準面から陰極8への最も長い垂直距離が0.05〜0.3mmであるイオン交換膜法電解槽およびその製造方法。
【選択図】図1
Description
電極からの気泡の離脱は、開口率が所定の範囲にある場合には、陰極を重ね合わせても気体の離脱の作用は低下することはないとの理由で、多孔性陰極の陽極に向かった面に更にもう1つの水素過電圧が前記陰極よりも低い多孔性の陰極を容易に取り除くことができるかまたは脱着ができるように取り付けた電解槽が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
また、食塩水のイオン交換膜法電解槽においては、陰極室の圧力を陽極室の圧力よりも大きくすることによって効率的な電気分解が可能であることが知られている。このため、陰極室と陽極室との圧力差によってイオン交換膜を陽極に密着すると共に、陰極を可能な限りイオン交換膜に接して電極間隔を小さくして電解電圧を低下させて電気分解が行われている。
第二のエキスパンドメタルの板厚が0.15mm〜0.5mmである前記のイオン交換膜法電解槽である。
また、スポット溶接の際に、溶接時の圧力を5〜22MPaとする前記のイオン交換膜法電解槽の製造方法である。
本発明者らは、イオン交換膜で陽極室と陰極室とに区画されたイオン交換膜法電解槽の陰極室に装着する陰極として、第一のエキスパンデッドメタル面上に、刻み幅、短径及び長径のそれぞれが、第一のエキスパンデッドメタルの刻み幅、短径及び長径の半分よりも小さな第二のエキスパンデッドメタルを装着した陰極を形成するとともに、陰極室缶体に結合した陰極支持体を陰極との接合部以外の陰極表面へ垂直投影した部分と交わる陰極の表面を結ぶ平面を基準面とし、前記基準面から前記陰極への最も長い垂直距離が0.05〜0.3mmとしたことによって、陰極表面とイオン交換膜との間の電気抵抗が小さくなり、電解電圧が低い電解槽を提供することが可能であることを見出したものである。
また、長期間の運転の後に陰極が劣化した場合には、第二のエキスパンデッドメタルは、第一のエキスパンデッドメタルに比べて厚みが薄いものであるので、陰極面からの取り外し及び陰極の更新が容易である電極を提供することができる。
図1は、本発明のイオン交換膜法電解槽の一実施例を説明する図であり、陽極および陰極面に垂直な面で切断した断面図である。
ここで示すイオン交換膜法電解槽1は、一対の陽極室缶体2と陰極室缶体3をイオン交換膜4を介して対向させて積層したものである。この図では一対の陽極室缶体と陰極室缶体を積層した単位電解槽を示しているが、このような電解槽の複数個を積層したものであっても同様である。
また、陽極室缶体と陰極室缶体の缶体の外面を相互一体に接合して、両面に陽極と陰極を設けた複極ユニットをイオン交換膜4を介して積層し、両端には陽極室または陰極室のいずれか一方のみを有する陽極室ユニット、陰極室ユニットをイオン交換膜を介して積層したものにも同様に適用することができる。
陽極室缶体2には、陽極リブ等の陽極支持体5に陽極6が固定されており、陰極室缶体3には、陰極リブ等の陰極支持体7に陰極8が固定されている。
陽極6には、平板に刻みを形成した後に拡開して作製したエキスパンデッドメタルをロール掛け等により平坦化加工したチタン製の基体上に電極触媒の被覆を形成した電極が用いられる。
第二のエキスパンデッドメタル8Bの接合方法としては、アーク溶接方法やスポット溶接方法等の種々の溶接方法が適用可能であるが、スポット溶接方法が好ましい。
スポット溶接機40に陰極室缶体3を装着し、陰極支持体7上に固着させた第一のエキスパンデッドメタル8A上の所定の位置に第二のエキスパンデッドメタル8bを載置し、一方の溶接電極41を陰極室缶体3の壁面に接触し、他方の溶接電極42を、第二のエキスパンデッドメタル8Bに接触させ、両溶接電極間に所定の力を加えて通電することにより、第一のエキスパンデッドメタル8Aと第二のエキスパンデッドメタル8Bとを溶接することができる。
図3(A)は、陰極缶体の断面を陰極面に垂直な面で切断した断面を説明する図であり、図3(B)は、陰極の一部を表面からみた平面図である。
陰極缶体3に取り付けた陰極支持体7に陰極8が接合されている。陰極8と陰極支持体7との接合部8Cは、スポット溶接等によって接合されたものであるので、接合部8Cは変形等を生じている。
したがって、本発明では、陰極面の基準となる基準面51は、陰極支持体7と陰極8との接合部8C以外の部分であって、陰極支持体7を陰極方向へ垂直に投影した部分と交わる陰極表面を結ぶ平面を基準としている。これによって、陰極の構造を正確に評価することができる。
すなわち、本発明においては、陰極支持体を陰極との接合部以外の陰極表面へ垂直投影した部分と交わる陰極の表面を結ぶ平面を基準面とし、基準面から前記陰極への最も長い垂直距離52を0.05〜0.3mmとすることにより電気分解性能に優れたイオン交換膜法電解槽を提供することができる。
図4(A)は、第一のエキスパンデッドメタル8Aを説明する図である。
第一のエキスパンデッドメタルは、平板に刻みを設けて刻み方向と直角方向に拡開することによって製造されたものであって、刻み幅81A、短径82A、長径83A、エキスパンデッドメタルの孔部84A及びエキスパンデッドメタルのメッシュ部85Aで構成されている。
第二のエキスパンデッドメタル8Bは、刻み幅81B、短径82B、長径83B、エキスパンデッドメタル孔部84B及びエキスパンデッドメタルのメッシュ部85Bで構成されている。
第二のエキスパンデッドメタル8Bは、刻み幅81B、短径82B、長径83Bのいずれもが第一のエキスパンデッドメタル8Aの刻み幅81B、短径82B、長径83Bよりも小さいのみではなく、第一のエキスパンデッドメタルの刻み幅81B、短径82B、長径83Bのそれぞれの1/2よりも小さくすることによって、陰極上での広い範囲において電気分解反応が均一化されることによって電解性能向上が向上し、第二のエキスパンデッドメタルの孔が第一のエキスパンデッドメタルのメッシュ部でふさがれることによる影響を補うことができる。その結果、本発明の陰極を用いることにより、低い電解電圧によって電気分解が行われるものと見られる。
また、第二のエキスパンデッドメタル8B上で発生した水素気泡は、大きな孔から第一のエキスパンデッドメタルの背面、すなわちイオン交換膜と反対側の陰極缶体側へと速やかに取り出すことができ、水素気泡の滞留による電解液の導電性の低下を小さくすることが可能となるので好ましい。
また、第二のエキスパンデッドメタル8Bは、刻み幅0.1〜0.5mm、短径0.5mm〜2.5mm、長径1mm〜5.0mm、板厚0.1mm以上とすることが好ましい。
また、第二のエキスパンドメタルの板厚が0.15mm〜0.5mmであることがより好ましい。
また、陰極の表面精度は、第一のエキスパンデッドメタルに第二のエキスパンデッドメタルを均一に密着することで確保することができる。このため、第一のエキスパンデッドメタルから第二のエキスパンデッドメタルが部分的に浮き上がる部位がないようにすることが必要となる。
以下、実施例を示して本発明を説明する。
第一のエキスパンデッドメタルの調製
ロール掛けした、刻み幅1.5mm、短径6mm、長径15mm、板厚1.5mmのニッケル製のエキスパンデッドメタルを、縦53cm、横40cmに切断して第一のエキスパンデッドメタルとした。短径方向を縦、長径方向を横とした。
第一のエキスパンデッドメタルを、有効電解面積:2120cm2 (縦:53cm、横:40cm)の電解槽の4.5cm間隔に設けた陰極室のリブに溶接で取り付けるとともに、第一のエキスパンデッドメタルが平坦になるように調整した。
ロール掛けした刻み幅0.16mm、短径1.0mm、長径2mm、板厚:0.15mmのニッケル製エキスパンデッドメタルを、縦53cm、横40cmに切断して第二のエキスパンデッドメタルとした。短径方向を縦、長径方向を横とした。
得られた、第二のエキスパンデッドメタルを、10質量%の塩酸を用いて温度50℃で15分間エッチングした後、水洗、乾燥した。
ジニトロジアンミン白金硝酸溶液(田中貴金属製、白金濃度:4.5重量%、溶媒:8質量%硝酸溶液)と硝酸ニッケル6水和物と水を用いて白金含有量がモル比で0.5、混合液中の白金とニッケルの合計濃度が金属換算で5質量%の塗布液を調製した。
電極触媒用塗布液を先に調製した第二のエキスパンデッドメタルに刷毛を用い全面に塗布し、熱風式乾燥機内で80℃15分間乾燥後、箱型電気炉を用いて空気流通下のもと500℃で15分間加熱した。この一連の操作を5回繰り返して、触媒被膜を形成した第二のエキスパンデッドメタルを作製した。
触媒被膜を形成した第二のエキスパンデッドメタルを電解槽に取り付けた第一のエキスパンデッドメタルに載置して14mmの間隔でスポット溶接を行った。
スポット溶接は、電極面積0.13cm2 の電極を用い、圧力を11MPaとして3,000Aの電流を4サイクル通電して行った。
第二のエキスパンデッドメタルと陰極リブとの接合部を除く陰極リブを第二のエキスパンデッドメタルへの垂直投影した部分と第二のエキスパンデッドメタル表面を結ぶ面を基準面として、第二のエキスパンデッドメタルまでの垂直距離は、0.1〜0.2mmの範囲となった。
陽極室缶体にチタン製エキスパンデッドメタルに電極触媒被覆を形成した陽極(ペルメレック電極製)を取り付けた。
電解槽の作製
陰極として第一のエキスパンデッドメタルと第二のエキスパンデッドメタルを取り付けた陰極缶体と、陽極を取り付けた陽極缶体とをイオン交換膜(旭化成ケミカルズ製アシプレックス)を介して積層し、ガスケット厚みを調整して、イオン交換膜と陰極との距離を、0.5mm、1.0mm、1.5mm及び2.0mmの電解槽を組み立てた。
それぞれの電解槽を、陽極室の圧力に対して陰極室の圧力を5kPa高く設定しイオン交換膜を陽極表面に密着させ、陽極室には、飽和食塩水を供給し、電流密度6kA/m2、陽極室出口塩水濃度200〜210g/l、陰極室出口水酸化ナトリウム水溶液濃度:31〜33質量%、温度90℃に保持して食塩水の電気分解試験を行い、電解電圧を測定した。電解電圧は、5分間にわたり、1秒間隔で測定・記録し、それを平均した値を表1に示す。イオン交換膜と陰極との距離が0.5mmの場合を除いて、電圧は安定していた。
実施例1において、第二のエキスパンデッドメタルを第一のエキスパンデッドメタルにスポット溶接で取り付ける際の圧力を22MPaとした点を除き実施例1と同様に陰極を作製した。
作製した陰極は、第二のエキスパンデッドメタルと陰極リブとの接合部を除く陰極リブを第二のエキスパンデッドメタルへの垂直投影部と第二のエキスパンデッドメタル表面を結ぶ面を基準面として、第二のエキスパンデッドメタルまでの垂直距離は、0.2〜0.3mmの範囲となった。
実施例1と同様にして電解槽を組み立て、食塩水の電気分解試験を実施し、電解電圧を測定した。その測定結果を表1に示すが、電圧は安定していた。
第二のエキスパンデッドメタルを、第一のエキスパンデッドメタルにスポット溶接で取り付ける際の圧力を42MPaとした点を除き実施例1と同様に陰極を作製した。
作製した陰極は、第二のエキスパンデッドメタルと陰極リブとの接合部を除く陰極リブを第二のエキスパンデッドメタルへの垂直投影部と第二のエキスパンデッドメタル表面を結ぶ面を基準面として、第二のエキスパンデッドメタルまでの垂直距離は、最大1.6mmであった。
実施例1と同様にして電解槽を組み立て、食塩水の電気分解試験を実施し、電解電圧を測定した。その結果を表1に示す。
40…スポット溶接機、41,42…溶接電極、51…陰極面の基準となる基準面、52…基準面からの陰極への最も遠い垂直距離、81A,81B…刻み幅、82A,82B…短径、83A,83B…長径、84A,84B…エキスパンデッドメタルの孔部、85A,85B…エキスパンデッドメタルのメッシュ部
Claims (5)
- イオン交換膜で陽極室と陰極室とに区画されたイオン交換膜法電解槽の陰極室には、第一のエキスパンデッドメタル面に、刻み幅、短径及び長径が、第一のエキスパンデッドメタルの刻み幅、短径及び長径の半分よりも小さい第二のエキスパンデッドメタルが、前記第二のエキスパンデッドメタルの表面がイオン交換膜に面した陰極を備えており、前記陰極は陰極室缶体に結合した陰極支持体に接合されて取付られており、前記陰極支持体を陰極との接合部以外の陰極表面へ垂直投影した部分と交わる陰極の表面を結ぶ平面を基準面とし、基準面から前記陰極への最も長い垂直距離が0.05〜0.3mmであることを特徴とするイオン交換膜法電解槽。
- 第二のエキスパンドメタルの刻み幅0.1mm〜0.5mm、短径0.5mm〜2.5mm、長径1mm〜5mm、板厚0.1mm以上であることを特徴とする請求項1記載のイオン交換膜法電解槽。
- 第二のエキスパンドメタルの板厚が0.15mm〜0.5mmであることを特徴とする請求項1または2記載のイオン交換膜法電解槽。
- イオン交換膜で陽極室と陰極室とに区画されたイオン交換膜法電解槽の陰極室缶体に結合した陰極支持体に、第一のエキスパンデッドメタルを取り付けた後に、刻み幅、短径及び長径が、第一のエキスパンデッドメタルの刻み幅、短径及び長径の半分よりも小さい第二のエキスパンデッドメタルをスポット溶接によって接合して陰極を作製する際に、スポット溶接時に加える圧力を調整することによって前記陰極支持体を陰極との接合部以外の陰極表面へ垂直投影した部分と交わる陰極の表面を結ぶ平面を基準面とし、基準面から前記陰極への最も長い垂直距離を0.05〜0.3mmに設定することを特徴とするイオン交換膜法電解槽の製造方法。
- スポット溶接の際に、溶接時の圧力を5〜22MPaとすることを特徴とする請求項4記載のイオン交換膜法電解槽の製造方法。
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