JP2013204130A - 電解セル及び電解槽 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】陽極室10と、陰極室20と、陽極室10と陰極室20との間に配置された隔壁30と、陽極室10に電解液を供給する陽極側電解液供給部104と、陰極室20に電解液を供給する陰極側電解液供給部204と、を備え、陽極側電解液供給部104は、陽極側電解液入口部1043と、陽極側電解液出口部1041と、陽極側接続部1042と、を有し、陽極側接続部1042は、パイプ形状であり、外周壁の陽極室内領域に孔が形成されている電解セル1。
【選択図】図1
Description
〔1〕
陽極室と、
陰極室と、
前記陽極室と前記陰極室との間に配置された隔壁と、
前記陽極室に電解液を供給する陽極側電解液供給部と、
前記陰極室に電解液を供給する陰極側電解液供給部と、を備え、
前記陽極側電解液供給部は、
前記陽極室外に配置された陽極側電解液入口部と、
前記陽極室内に配置された陽極側電解液出口部と、
前記陽極側電解液入口部と前記陽極側電解液出口部とを接続する陽極側接続部と、を有し、
前記陽極側接続部は、パイプ形状であり、外周壁の陽極室内領域に孔が形成されている電解セル。
〔2〕
前記陽極側接続部の中央内径が、前記陽極側電解液入口部との接続箇所の内径より小さい、〔1〕に記載の電解セル。
〔3〕
前記陽極側接続部の中央内径が、前記陽極側電解液出口部との接続箇所の内径より小さい、〔1〕又は〔2〕に記載の電解セル。
〔4〕
前記孔の内径は、前記陽極側接続部の中央内径より小さい、〔1〕〜〔3〕のいずれか一項に記載の電解セル。
〔5〕
前記陰極側電解液供給部は、
前記陰極室外に配置された陰極側電解液入口部と、
前記陰極室内に配置された陰極側電解液出口部と、
前記陰極側電解液入口部と前記陰極側電解液出口部とを接続する陰極側接続部と、をさらに有し、
前記陰極側接続部は、パイプ形状であり、外周壁の陽極室内領域に孔が形成されている、〔1〕〜〔4〕のいずれか一項に記載の電解セル。
〔6〕
前記陽極側接続部及び/又は前記陰極側接続部は、ベンチュリ部を有する、〔1〕〜〔5〕のいずれか一項に記載の電解セル。
〔7〕
前記陽極室は、区切り板により区画された複数の単位陽極室から構成され、
前記陽極側電解液出口部は、前記単位陽極室のそれぞれに前記電解液を分配するよう前記陽極側接続部から分岐した、〔1〕〜〔6〕のいずれか一項に記載の電解セル。
〔8〕
直列に配置された複数の〔1〕〜〔7〕のいずれか一項に記載の電解セルと、
隣接する前記電解セルの間に配置されたイオン交換膜と、
を備える電解槽。
陽極側電解液供給部は、陽極室外に配置された陽極側電解液入口部と、陽極室内に配置された陽極側電解液出口部と、陽極側電解液入口部と陽極側電解液出口部を接続する陽極側接続部と、を有し、
陽極側接続部は、パイプ形状であり、外周壁の陽極室内領域に孔が形成された電解セルである。
本実施形態の電解セルは、陽極室内に電解液を供給する電解液供給部において、陽極側電解液入口と陽極側電解液出口とを接続する陽極側接続部の形状が特徴の1つである。
陽極室10は、電解セル1を構成する枠体と、隔壁30と、陽極102とにより構成されている。図2に示すように、陽極室10は、区切り部(リブ)10aによって区画された複数の単位陽極室10bから構成されていてもよい。
陽極102としては、チタン基材の表面を、ルテニウム、イリジウムを成分とする酸化物で被覆した、いわゆるDSA等の金属電極を用いることができる。
必要に応じて、陽極室10は、陽極側電解液供給部104の上方に配置され、かつ、隔壁30と略並行に配置されたバッフル板108を、更に備えることが好ましい。バッフル板108は、陽極室10内の電解液の流れを制御する仕切り板である。バッフル板108を設けることで、陽極室10において電解液を内部循環させ、電解液の濃度をより均一にすることができる。内部循環を促進させるために、バッフル板108は、陽極102と隔壁30との間に配置することが好ましい。かかる観点から、バッフル板108は、陽極室10の幅方向(図1において紙面の垂直方向に相当し、図2において紙面の左右方向に相当する。)に沿って配置されることが好ましい。バッフル板108で仕切られた陽極102の近傍の空間では、電解が進行すると、電解液濃度が下がり、塩素ガス等の生成ガスが発生する。これにより気液の比重差が生じる場合があるが、バッフル板108を配置することで、陽極室10における電解液の内部循環を促進させ、陽極室10の電解液の濃度分布をより均一にすることができる。
陽極室10は、陽極側電解液供給部104の上方に配置され、気体が混入した電解液から気体を分離する陽極側気液分離部106を、更に備えることが好ましい。陽極側気液分離部106は、電解中に発生する塩素ガス等の生成ガスと、電解液とを分離する。電解時、電解セル1で発生する生成ガスと電解液が気液混相になると、電解セル1内部の圧力変動によって振動が発生する場合がある。陽極側気液分離部106により生成ガスと電解液とを分離することで、振動を抑制できる。陽極側気液分離部106としては、例えば、気泡を消去するための消泡板を備えるものが挙げられる。気液混相流が消泡板を通過するときに気泡が弾けることにより、生成ガスと電解液とを分離することができる。消泡板としては、例えば、エクスパンデッドメタル、丸型や角型等の孔を打ち抜いたパンチングメタル、金網、ワイヤーメッシュ、発泡金属等を用いることができる。
陽極側電解液供給部104は、陽極室10外に配置された陽極側電解液入口部1043と、陽極室10内に配置された陽極側電解液出口部1041と、陽極側電解液入口部1043と陽極側電解液出口部1041とを接続する陽極側接続部1042と、を有する。
以下、図3を用いて、陽極側電解液供給部について詳細に説明する。図3は、本実施形態の陽極側電解液供給部付近の部分拡大図である。陽極側電解液入口部1043は、陽極室10外に配置され、陽極室10外から陽極室10内へ電解液を供給する。陽極側電解液入口部1043の材料は、電解液に対する耐腐食性の観点から、チタンやフッ素樹脂等を用いることができる。陽極側電解液入口部1043としては、例えば、ノズル(入口ノズル)を用いることができる。
陽極側電解液出口部1041は、電解セル1の幅方向に沿って配置され、電解液を電解セル1内の幅方向に渡って分散的に供給する。陽極側電解液出口部1041としては、開口部1045を複数有していることが好ましい。開口部1045は、陽極側電解液出口部1041の上面に配置されていることが好ましい。これにより、開口部1045の電解液の流れや循環がより円滑になるため、電解セル内の液濃度をより均一化することができる。
陽極側接続部1042は、陽極室10内外に跨って配置され、陽極側電解液入口部1043と陽極側電解液出口部1041とを接続する。陽極側接続部1042は、パイプ形状であり、陽極側接続部1042の外周壁に孔1044が形成されている。孔1044は、陽極室10の内部領域に配置されている外周壁に形成されている(図3参照)。これにより、電解液が電解セル1内に残留することを防止できる。電解停止時には、陽極側電解液出口部1041の開口部1045だけでなく(図3の矢印A参照)、陽極側接続部1042の孔1044からも(図3の矢印B参照)、電解液を電解セル1外へ排出することができる。その結果、電解液を電解セル1から効率よく短時間で排出することができる。
さらに、陽極側接続部1042の孔1044の内径は、陽極側接続部1042の中央内径より小さいことが好ましい。このような構造とすることにより、電解液を電解セル内に供給する時に、陽極側接続部1042の孔1044付近で、供給される電解液の流速を増加させることができ、また、陽極側接続部1042の孔1044では、陽極室10内よりも低い圧力となる。それにより、陽極側接続部1042の孔1044から陽極室10へ液が漏れるように供給されず、効率的に電解液を陽極室10へ供給することができる。一方、電解液を排出する時には、陽極側接続部1042の孔1044からも電解セル外へ排出することができる。
続いて、陰極側について説明する。特に断りがない限り、陰極側の構成を上述した陽極側の構成と同様にしてもよい。陰極室20は、電解セル1を構成する枠体と、隔壁30と、陰極202とにより構成されている。陽極室10と同様に、陰極室20も、区切り部(リブ)によって区画された複数の単位陰極室から構成されている。
陰極202としては、ニッケル基材上の表面を、ニッケル、酸化ニッケル、ニッケルとスズの合金、活性炭と酸化物、酸化ルテニウム、白金等をコーティングした陰極等を用いることができる。その製造方法としては、合金めっき、分散・複合めっき、熱分解、溶射及びその組み合わせ等が挙げられる。
さらに、陰極室20に陰極側気液分離部206を設けてもよい。陰極側気液分離部206は、陰極側電解液供給部204の上方に配置することが好ましい。陰極側気液分離部206は、陽極側気液分離部106と同様の構成をとることができる。
陰極側電解液供給部204は、陽極側電解液供給部104と同様に、陰極室20外に配置された陰極側電解液入口部2043と、陰極室20内に配置された陰極側電解液出口部2041と、陰極側電解液入口部2043と陰極側電解液出口部2041とを接続する陰極側接続部2042と、を有することが好ましい。陰極側電解液入口部2043、陰極側電解液出口部2041及び陰極側接続部2042は、それぞれ、陽極側電解液入口部1043、陽極側電解液出口部1041及び陽極側接続部1042と同様の構成をとることが好ましい。
隔壁30は、陽極室10と陰極室20の間に配置されている。隔壁30は、セパレータと呼ばれることもあり、陽極室10と陰極室20とを区画するものである。隔壁30は、電解用のセパレータとして公知のものを使用することができ、例えば、陰極側にニッケルからなる板を、陽極側にチタンからなる板を溶接した隔壁等が挙げられる。
(ガスケット)
本実施形態の電解セル1は、陽極室10を構成する枠体表面に配置された陽極側ガスケット40と、陰極室20を構成する枠体表面に配置された陰極側ガスケット50と、を備えることが好ましい。
本実施形態の電解セル1は、イオン交換膜を介して複数個を直列に接続して、複極式電解槽とすることができる。図5は、同実施形態の電解槽を組み立てる途中の状態を示す概略斜視図である。本実施形態では、直列に配置された複数の電解セル1と、隣接する電解セル1の間に配置されたイオン交換膜(図示せず)と、を少なくとも備える複極式電解槽4(以下、単に「電解槽」という場合がある。)とすることができる。電解槽4は、イオン交換膜(図示せず)を介して複数の電解セル1を直列に配置して、プレス器7により連結されることにより組み立てられる(図5参照)。なお、連結した電解セル1の両端には、陽極室のみを有する電解セル(陽極ターミナルセル)と、陰極室のみを有する電解セル(陰極ターミナルセル)を配置する。さらに、連結した電解セル1には、電解セル1の陽極及び陰極の電解液供給部に接続された電解液供給管8と、電解セル1から排出された電解液を移送する電解液排出管9とが、接続される。電解液供給管8から、ホースを経由して、各電解セル1の電解液入口に電解液が供給される。また、電解停止時に、電解液を電解セル内から排出するときは、各電解セル1の電解液入口から、ホースを経由して電解液供給管に排出される。このようにして組み立てられた電解槽4では、その両端に配置された電解セル1のうちの一方に陽極端子が、もう一方に陰極端子が接続される。
電解槽の電解液の漏洩の有無について検討した。電解槽のうち陽極室側の領域における電解液の残留評価を行った。電解槽の構成について下記に示す。なお、以下、特に断りがない限り、陰極室側の各部材の配置は陽極室側の各部材の配置と同様にした。
図10に示す、横幅が2400mm、高さが1200mm、陽極室深さは35.5mm、陰極室深さは24.5mmである電解セル2を用意した。電解セル2は、区切り部(リブ)10aによって陽極室を区切られた26個の単位陽極室10bと、同様に区切り部(図示せず)によって陰極室を区切られた26個の単位陰極室と、を有する。陽極はエクスパンデッドメッシュ加工したチタン板の表面に、ルテニウム、イリジウム、チタンを成分とする酸化物を被覆することにより製作した。
陰極室内には、ニッケル製の集電板の上に、エクスパンデッドメッシュ加工したニッケル板に酸化ニッケルを溶射した陰極を用いた。
陽極室の内壁内部に、電解セル2の幅方向に沿って陽極側電解液出口部(分散パイプ)1041を配置し、陽極室外から陽極室内へ電解液を供給する陽極側電解液入口部(入口ノズル)1043を陽極室外に配置し、分散パイプ1041と入口ノズル1043とを接続する陽極側接続部(ジョイントパイプ)1042を配置した。陽極側のジョイントパイプとして、図6及び図7に示す形状のものを用いた。図6は、実施例1及び2で用いたジョイントパイプの正面図を表し、図7は、実施例1及び2で用いたジョイントパイプの側面図を表す。ジョイントパイプ1042は、図3に示すように、その外周に設けられた孔1044が、陽極室の底面と同じ高さに位置するように配置した。
また、陰極室においても同様に、分散パイプ(図示せず)、陰極側電解液入口部(入口ノズル)2043、陰極側接続部(ジョイントパイプ;図示せず)を配置した。陰極側においても、陽極側と同様に、ジョイントパイプの外周壁に設けられた孔が、陰極室の底面と同じ高さに位置するように配置した。
陽極側の分散パイプ1041は、外径25.4mm、厚み0.7mm、内径24mmのチタン製のパイプであり、電解セル2の陽極室の下端から分散パイプの中心までの距離が62.7mmである位置に配置した。分散パイプ1041には、図10に示す番号1〜26の各単位陽極室において、分散パイプ1041の上面に直径1.5mmの開口部を1か所ずつ設けた。番号3と23の単位陽極室においては、さらにもう1か所に直径1.5mmの開口部を設け、合計28個の開口部を設けた。なお、番号3と23以外の単位陽極室では、各開口部は単位陽極室の中心付近に配置した。番号3と23の陽極室では、2つの開口部間を31mmとし、開口部からリブまでの距離をそれぞれ32mmとなるように配置した。
陰極側の分散パイプは、直径12mm(内径)のニッケル製のパイプであり、電解セル2の陰極室の下端から分散パイプの中心までの距離が48.5mmである位置に設置した。陰極側の分散パイプも、陽極側と同様に開口部を設けた。
陽極室と陰極室にそれぞれ、気液分離部を電解セル2内の上部に設置した。陽極室にはさらに、長さ500mmのバッフル板を分散パイプの上方550mmにバッフル板の下端がくるように設置した。
なお、図10の電解セル2は、陽極側及び陰極側のジョイントパイプの孔が陽極室及び陰極室の底面と略同じ高さに位置するよう配置されている点以外は、図1の電解セル1と同様の構成とした。
この電解セル2を9個直列に並べ、両端には、陽極室のみを有する電解セル(陽極ターミナルセル)と、陰極室のみを有する電解セル(陰極ターミナルセル)を配置し、陽極ターミナルセルに陽極端子を、陰極ターミナルセルに陰極端子を配置した。各電解セル1は、その周縁部に陽極側ガスケット40と陰極側ガスケット50を接着剤で貼り付け、各電解セル1の間に、食塩電解用の含フッ素系イオン交換膜(旭化成ケミカルズ社製、商品名「ACIPLEX(登録商標)F6801」;以下、「イオン交換膜」という場合がある。)を挟んで、イオン交換膜と陰極との距離が1.7mmになるようにプレスして、図5に示すような、電解槽4を組み立てた。
また、電解液供給時において、高い流速で電解液を効率的に供給することができた。
陽極側のジョイントパイプとして、図8に示す形状のものを用いた以外は、実施例1と同様の条件で電解液の残留評価を行なった。図8は、比較例1で用いたジョイントパイプの正面図である。その結果、電解槽を開けた際に陽極室から電解液が漏れ、電解液が陽極室内に残っていたことを目視にて確認した。
続いて、実施例1で使用した電解セル2(図10)を用いて、運転時における濃度分布を測定した。
電解液の濃度分布の測定方法について説明する。電解槽の各電解セルの陽極室に、陽極液として300g/Lの塩水を供給し、陰極室には、排出ノズル付近より、苛性ソーダ濃度が32質量%となるように希薄苛性ソーダを供給し、電解温度90℃、陽極室側ガス圧(ゲージ圧)を40kPa、陰極室側ガス圧(ゲージ圧)を44kPa、電流密度6kA/m2で1ヶ月間電解した。また、陽極液の排出ノズル付近の塩水のpHが2となるように、供給する塩水に塩酸を添加して電解を行った。
中央3箇所:陽極室の中心点で1箇所、中心点から左右方向にそれぞれ968mmの位置で2箇所を測定した。
下部3箇所:陽極室の周縁部の下部から、150mm内側の高さにおいて、電解セルの幅方向に沿って、真ん中で1箇所、中央から左右方向にそれぞれ968mmの位置で2箇所を測定した。その結果、セル内濃度分布差(最大値と最小値の差)は0.27N(=4.08N−3.81N)であった。塩水濃度分布を測定した結果を表1に示す。
図10に示す番号2〜25の各単位陽極室10bにおいて、分散パイプを、直径1.5mmの孔を1か所ずつ設けた分散パイプに変更したこと以外は実施例2と同様にして実験を行った。なお、各開口部は、単位陽極室10bにおいて中心付近に設けた。その結果、セル内濃度分布差は0.40N(=3.98N−3.58N)であった。塩水濃度分布を測定した結果を表2に示す。
特に実施例2は、セル内濃度分布差が小さく、特に中央部における濃度分布差が小さくなっていることが確認された。また、実施例2では、電解セルの横方向の中央に相当する箇所(中央部の中央)で塩水濃度が高く、電解セルの左右端側に対して中央における塩水の供給量が増加し、電解セルの横方向における濃度がより均一になっていることが確認された。
Claims (8)
- 陽極室と、
陰極室と、
前記陽極室と前記陰極室との間に配置された隔壁と、
前記陽極室に電解液を供給する陽極側電解液供給部と、
前記陰極室に電解液を供給する陰極側電解液供給部と、を備え、
前記陽極側電解液供給部は、
前記陽極室外に配置された陽極側電解液入口部と、
前記陽極室内に配置された陽極側電解液出口部と、
前記陽極側電解液入口部と前記陽極側電解液出口部とを接続する陽極側接続部と、を有し、
前記陽極側接続部は、パイプ形状であり、外周壁の陽極室内領域に孔が形成されている電解セル。 - 前記陽極側接続部の中央内径が、前記陽極側電解液入口部との接続箇所の内径より小さい、請求項1に記載の電解セル。
- 前記陽極側接続部の中央内径が、前記陽極側電解液出口部との接続箇所の内径より小さい、請求項1又は2に記載の電解セル。
- 前記孔の内径は、前記陽極側接続部の中央内径より小さい、請求項1〜3のいずれか一項に記載の電解セル。
- 前記陰極側電解液供給部は、
前記陰極室外に配置された陰極側電解液入口部と、
前記陰極室内に配置された陰極側電解液出口部と、
前記陰極側電解液入口部と前記陰極側電解液出口部とを接続する陰極側接続部と、をさらに、有し、
前記陰極側接続部は、パイプ形状であり、外周壁の陰極室内領域に孔が形成されている、請求項1〜4のいずれか一項に記載の電解セル。 - 前記陽極側接続部及び/又は前記陰極側接続部は、ベンチュリ部を有する、請求項1〜5のいずれか一項に記載の電解セル。
- 前記陽極室は、区切り板により区画された複数の単位陽極室から構成され、
前記陽極側電解液出口部は、前記単位陽極室のそれぞれに前記電解液を分配するよう前記陽極側接続部から分岐した、請求項1〜6のいずれか一項に記載の電解セル。 - 直列に配置された複数の請求項1〜7のいずれか一項に記載の電解セルと、
隣接する前記電解セルの間に配置されたイオン交換膜と、
を備える電解槽。
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