JP2016084503A - 電解槽の製作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接の効率化を図り、電解槽の量産を可能とする電解槽の製作方法を提供すること。
【解決手段】電解槽を製作組立する過程において、陽極リブ１及び陽極パン２と、隔壁３と、陰極パン４及び陰極リブ５の構成部材１００を接着するに際し、これらのうち少なくとも２つの構成部材１００を重ねた組立状態のまま、レーザー溶接法により重ね溶接することで、溶接の効率化を図り、電解槽の量産を可能とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、電解槽の製作方法に関する。

従来、食塩電解法等によるアルカリ水電解槽の構成部材には、陽極側にチタン、陰極側にニッケル等が用いられている。さらに最近は再生エネルギー等を利用するアルカリ水電解にて水素製造に使用する電解槽の陽極側もニッケル、陰極側もニッケルが使用されるようになっている。
例えば、イオン交換膜を有する電解槽において、厚みの薄いニッケル板（１）、厚みの薄いニッケル（２）と、厚みの薄いニッケル板（３）をこの順序でイオン交換膜に向かって配置して苛性枠室とすることにより、苛性室を極めて薄い厚さに構成する電解槽が提案されている（特許文献１）。

特開２０００−２８２２７８号公報

ところで、ニッケル板等の溶接は非常に難しく、ＴＩＧ（Tungsten Inert Gas）溶接でも、溶接部の高温割れを起こし、漏れの原因になることがしばしばある。また、ニッケル板の溶接ができるような人材は限られており、工数の低減が問題となっている。このため、こういう電解槽を備えるアルカリ水電解の水素製造装置を大量生産するためには、溶接の効率化を考慮せざるを得なくなっている。

また、食塩電解の場合の複極式イオン交換膜電解槽は陽極側にチタン、陰極側にニッケル、ステンレスを使用していたが、隔壁にチタンクラッド（チタンとＳＳ４００の爆発圧着品）を用いていたが、ニッケル側の溶接は、抵抗溶接機を採用しており、溶接条件が非常にシビアなところであるため、抵抗溶接部にクラックが入ったり、ＳＳ４００を巻き込んだり、必ずしも万全ではなかった。また、抵抗溶接機のスポットガンに溶着物が付着するなど、メンテナンスに時間がかかり、コストアップ、量産化に支障をきたしていた。

本発明は、溶接の効率化を図り、電解槽の量産を可能とする電解槽の製作方法を提供することを目的とする。

（１） 電解槽を製作組立する過程におけるリブ、パン及び隔壁の構成部材を接着するに際し、
前記リブ、前記パン及び前記隔壁の少なくとも２つの構成部材を重ねた組立状態のまま、レーザー溶接法により重ね溶接することを特徴とする電解槽の製作方法。

（１）の発明によれば、電解槽を製作組立する過程におけるリブ、パン及び隔壁の構成部材のうち、の少なくとも２つを重ねた組立状態のまま、レーザー溶接法により重ね溶接するので、抵抗溶接機で溶接した場合に比べ、溶接の効率化を図ることができる。
したがって、溶接の効率化を図り、電解槽の量産を可能とする電解槽の製作方法を提供できる。

（２） 前記リブ、前記パン及び前記隔壁の３層を重ねた組立状態のまま、レーザー溶接法により重ね溶接することを特徴とする（１）に記載の電解槽の製作方法。

（２）の発明によれば、リブ、パン及び隔壁の３層を重ねた組立状態のまま、レーザー溶接法により重ね溶接するので、従来のように、抵抗溶接機により各部材ごとに溶接した場合に比べ、溶接の効率化を図ることができるとともに、完全に一体化することが可能となる。

（３） 前記パン及び前記隔壁の２層を重ねた組立状態のまま、レーザー溶接法により重ね溶接し、
次に、前記リブ及び重ね溶接した前記パンの２層を重ねた組立状態のまま、レーザー溶接法により重ね溶接して一体化することを特徴とする（１）に記載の電解槽の製作方法。

（３）の発明によれば、レーザー溶接法により、パン及び隔壁の２層を重ねた組立状態のまま重ね溶接し、次に、リブ及び重ね溶接したパンの２層を重ねた組立状態のまま重ね溶接して一体化するので、抵抗溶接機で溶接した場合に比べ、溶接の効率化を図ることができる。

（４）前記リブ、前記パン及び前記隔壁の３層を重ねた組立状態のまま、リブ側からレーザー溶接法により重ね溶接することを特徴とする（１）又は（２）に記載の電解槽の製作方法。

（４）の発明によれば、リブ、パン及び隔壁の３層を重ねた組立状態のまま、リブ側からレーザー溶接法により重ね溶接する。
ここで、例えば、溶接するのが陰極側のリブ、パン及び隔壁であれば、隔壁側には、陽極側のリブ及びパンが配置される。このため、リブ側からレーザー溶接法により重ね溶接することで、溶接の作業性が向上する。また、例えば、隔壁を挟んで、陰極側のリブ及びパンと、陽極側のリブ及びパンと、を配置し、陰極側及び陽極側のリブ側から同時に溶接することで、更に、溶接の効率化を図ることができる。

（５） 前記リブ及び前記パンは、前記電解槽において、前記隔壁を挟んで、陰極側と陽極側とにそれぞれ配置され、
仮組立した前記電解槽を平面配置ではなく縦向きに立てて配置し、レーザー溶接法による溶接を行う２台のレーザー溶接装置により、陰極側と陽極側とを同時に重ね溶接することを特徴とする（１）に記載の電解槽の製作方法。

（５）の発明によれば、隔壁を挟んで、陰極側と陽極側とにそれぞれ配置されたリブ及びパンを、２台のレーザー溶接装置により、陰極側と陽極側とを同時に重ね溶接するので、更に、溶接の効率化を図ることができる。

本発明によれば、溶接の効率化を図り、電解槽の量産を可能とする電解槽の製作方法を提供できる。

本発明の実施形態に係る電解槽の製作方法により溶接するアルカリ水電解槽における構成部材１００の斜視図である。 第１実施形態の実施例に係る電解槽の製作方法を説明する図である。 第１実施形態の実施例に係る電解槽の製作方法を説明する図である。 第２実施形態の実施例に係る電解槽の製作方法を説明する図である。 第２実施形態の実施例による溶接後のマクロ断面写真である。

以下、本発明の実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。また、以下の実施形態の説明にあたって、同一構成要件については同一符号を付し、その説明を省略もしくは簡略化する。
まず、前記実施形態に係る電解槽の製作方法により溶接するアルカリ水電解槽における構成部材の構成について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る電解槽の製作方法により溶接するアルカリ水電解槽における構成部材１００の斜視図である。

構成部材１００は、１．５ｍｍ厚のニッケル板である陽極リブ１及び１ｍｍ厚のニッケル板である陽極パン２と、３ｍｍ厚のニッケル材である隔壁３と、隔壁３の反対面に、陽極パン２と同材質で同じ厚さの陰極パン４及び陽極リブ１と同材質で同じ厚さの陰極リブ５と、が組立られ、ファイバーレーザー溶接により、これら全てが接着される。

具体的には、電解槽を製作組立する過程において、陽極リブ１及び陽極パン２と、隔壁３と、陰極パン４及び陰極リブ５との構成部材１００を接着するに際し、これらのうち少なくとも２つの構成部材１００を重ねた組立状態のまま、レーザー溶接法により重ね溶接する。

［第１実施形態］
第１実施形態の電解槽の製作方法は、パン（陽極パン２又は陰極パン４）及び隔壁３の２層を重ねた組立状態のまま、レーザー溶接法により重ね溶接し、次に、リブ（陽極リブ１又は陽極リブ１）及び重ね溶接したパン（陽極パン２又は陰極パン４）の２層を重ねた組立状態のまま、レーザー溶接法により重ね溶接して一体化する。

（実施例）
第１実施形態の電解槽の製作方法について、陽極側の実施例を説明する。
図２及び図３は、第１実施形態の実施例に係る電解槽の製作方法を説明する図である。
第１実施形態の実施例に係る電解槽の製作方法は、陽極リブ１、陽極パン２及び隔壁３を２回に分けて溶接する。

まず、図２の断面図に示すように、陽極パン２と隔壁３との重ね接着溶接を陽極パン２側より、下記に示す表１のＡに示すファイバーレーザー溶接条件で実施した。
ファイバーレーザー： 集光レンズ Ｆ0：Ｆ＝２００：２００
ファイバー径・加工点径： ０．３ｍｍ／０．３ｍｍ
上記ファイバーレーザー溶接条件により、溶接ビード幅が表面２．２ｍｍ、深部０．８ｍｍ、溶け込み深さ３．１ｍｍの適切な重ね接着６が実現できた。

次に、図３の断面図に示すように、陽極リブ１を配設して、陽極リブ１と隔壁３に重ね接着溶接された陽極パン２との重ね接着溶接を陽極リブ１側より、上記に示す表１のＢに示すファイバーレーザー溶接条件で実施した。
上記ファイバーレーザー溶接条件により、溶接ビード幅が表層２．０ｍｍ、深部０．７ｍｍ、溶け込み深さが２．０ｍｍの良好な重ね接着７が実現できた。

反面の陰極側も陽極側と同様の手順および条件により実施し、構成部材１００（図１参照）の全ての接着を実現できた。

［第２実施形態］
第２実施形態の電解槽の製作方法は、リブ（陽極リブ１又は陽極リブ１）、パン（陽極パン２又は陰極パン４）及び隔壁３の３層を重ねた組立状態のまま、レーザー溶接法により重ね溶接して一体化する。

（実施例）
第２実施形態の電解槽の製作方法について、陽極側の実施例を説明する。
図４は、第２実施形態の実施例に係る電解槽の製作方法を説明する図である。
第１実施形態の実施例に係る電解槽の製作方法は、陽極リブ１、陽極パン２及び隔壁３を３枚重ねて接着溶接する。

図４の断面図に示すように、陽極リブ１、陽極パン２及び隔壁３の貫通接着溶接を陽極リブ１側より、下記に示す表２に示すファイバーレーザー溶接条件で実施した。
ファイバーレーザー： 集光レンズ Ｆ0：Ｆ＝２００：２００
ファイバー径・加工点径： ０．３ｍｍ／０．３ｍｍ
上記ファイバーレーザー溶接条件により、溶接ビード幅が表面３．３ｍｍ、深部１ｍｍ、溶け込み深さ４．３ｍｍの適切な重ね接着８が実現できた。
図５は、第２実施形態の実施例による溶接後のマクロ断面写真である。

反面の陰極側も陽極側と同様の手順および条件により実施し、構成部材１００（図１参照）の全ての接着を実現できた。

［第３実施形態］
第３実施形態の電解槽の製作方法は、図１に示すように、陽極リブ１及び陽極パン２と、隔壁３と、隔壁３の反対面に、陰極パン４及び陰極リブ５と、を仮組立した電解槽を平面配置ではなく縦向きに立てて配置し、レーザー溶接法による溶接を行う２台のレーザー溶接装置により、第２実施形態の実施例と同様のファイバーレーザー溶接条件で、陰極側と陽極側とを同時に重ね溶接する。

上記実施形態に係る電解槽の製作方法によれば、以下の作用効果を奏する。
上記実施形態のニッケル板のレーザー溶接法によれば、Ａ側（陽極側）にニッケル板のリブ、ニッケル板のパン、が隔壁をはさんでＢ側（陰極側）にも対照的に配列されており、Ａ側とＢ側が完全にレーザー溶接によって、完全に一体化されている。
ニッケル板の隔壁を設けることによって、差圧に対する強度アップ、同じニッケル同志の溶接であるため、溶接歪みがすくない。

従来の抵抗溶接機を使用して、Ａ側（陽極側）、Ｂ側（陰極側）を一体化することは、ほぼ不可能であり、レーザー溶接法であれば、確実に、高品質で漏れのない製品となる。また、２枚のニッケル板（例えば、陽極側の陽極パン２と隔壁３、陽極リブ１と陽極パン２、並びに、陰極側の陰極パン４と隔壁３、陰極リブ５と陰極パン４）のように片側を２回に分けてレーザー溶接してもよいし、ニッケル間に隙間がないように接合することで、３枚のニッケル板(例えば、陽極リブ１と陽極パン２と隔壁３)を一度にレーザー溶接を行うこともできる。

また、予め、リブとパン、パンと隔壁を、点溶接にて位置の固定をし、位置ずれ防止の治具で押さえつけておくことで、より正確にリブ、隔壁を等ピッチに配列することができる。

また、Ａ側、Ｂ側のリブとパンを挟んで、ニッケル板の隔壁がリブと等間隔に配列されており、ニッケル板の隔壁は、ニッケル板のリブ、ニッケル板のパンの厚さよりも同等かまたは厚くしておくのが望ましい。また、差圧に関しても当然だが、Ａ側サイドとＢ側サイドのレーザー溶接が重ならないようにしておくことが望ましい。

また、第３実施形態において、製品である電解槽を縦にして、２台のレーザー溶接機でＡ側、Ｂ側を同時溶接し、歪みが出ないように、配列を考慮しながら、施工することで、高品質、大量生産が期待できる。

このような上記実施形態に係る電解槽の製作方法によれば、１００Ａ／ｄｍ２のような高電流密度でも安定した運転ができ、電解電圧の低い単極式および複極式電解槽を提供できる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。

例えば、第３実施形態において、２台のレーザー溶接機で、製品である電解槽を縦型にして、Ａ側、Ｂ側を同時レーザー溶接することが、望ましいが、例えば、Ａ側だけを横にして片方ずつレーザー溶接を行うことも可能である。その場合は、溶接歪みが発生しないように、逆歪みをかけるのが望ましい。

１ 陽極リブ
２ 陽極パン
３ 隔壁
４ 陰極パン
５ 陰極リブ
６,７，８ 重ね溶着部
１００ 構成部材

Claims (5)

1. 電解槽を製作組立する過程におけるリブ、パン及び隔壁の構成部材を接着するに際し、
   前記リブ、前記パン及び前記隔壁の少なくとも２つの構成部材を重ねた組立状態のまま、レーザー溶接法により重ね溶接することを特徴とする電解槽の製作方法。
2. 前記リブ、前記パン及び前記隔壁の３層を重ねた組立状態のまま、レーザー溶接法により重ね溶接することを特徴とする請求項１に記載の電解槽の製作方法。
3. 前記パン及び前記隔壁の２層を重ねた組立状態のまま、レーザー溶接法により重ね溶接し、
   次に、前記リブ及び重ね溶接した前記パンの２層を重ねた組立状態のまま、レーザー溶接法により重ね溶接して一体化することを特徴とする請求項１に記載の電解槽の製作方法。
4. 前記リブ、前記パン及び前記隔壁の３層を重ねた組立状態のまま、リブ側からレーザー溶接法により重ね溶接することを特徴とする請求項１又は２に記載の電解槽の製作方法。
5. 前記リブ及び前記パンは、前記電解槽において、前記隔壁を挟んで、陰極側と陽極側とにそれぞれ配置され、
   仮組立した前記電解槽を平面配置ではなく縦向きに立てて配置し、レーザー溶接法による溶接を行う２台のレーザー溶接装置により、陰極側と陽極側とを同時に重ね溶接することを特徴とする請求項１に記載の電解槽の製作方法。