JP2923635B2 - ガス拡散電極を用いる塩化アルカリ金属水溶液電解槽 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガス拡散電極を用
いる塩化アルカリ金属水溶液電解槽の改良、特に一体化
により導体抵抗等を減少させ電槽電圧を低下するように
した塩化アルカリ金属水溶液電解槽の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガス拡散電極を用いる塩化アルカリ金属
水溶液電解槽としては、例えば塩化ナトリウム水溶液
（以下「塩水」という。）を酸素陰極を使用してイオン
交換膜法で電解し、苛性ソーダを製造する際に使用する
食塩電解槽が良く知られているものである。以下には食
塩電解槽として説明する。この種の食塩電解槽の構造の
概要は、陽極を有し塩水を入れた陽極室と、陰極を有し
水又は苛性ソーダ水溶液を入れた陰極室とを、陽イオン
交換能を持つイオン交換膜により区画し、その陰極とし
て素材が多孔質体からなり、酸素含有ガスが供給される
ガス拡散電極（いわゆる酸素陰極）を用いたものであっ
て、両電極間に通電して電解する際には、前記ガス拡散
電極に酸素含有ガスが供給されながら陰極として電解す
ることにより、陰極液を入れた陰極室（以下「陰極液
室」という。）に苛性ソーダを濃厚化した苛性ソーダ水
溶液として得るものである。この電解槽では、陰極とし
て酸素ガス拡散電極を使用しているため、そこで水素ガ
スが発生しないので、電解電圧が著しく低減されるとい
う利点を有するものである。

【０００３】従来の既に知られている、ガス拡散電極を
使用しない通常のイオン交換膜法食塩電解では、陽極と
イオン交換膜との距離は実質的にゼロ、イオン交換膜と
陰極との距離は２ｍｍ以下であって、極間距離を極めて
小さく抑えている。これは、両方の電極をガス及び液が
通れる部材で構成し、陽極液及び陰極液が両電極の背面
から供給できるようになっており、かつ電極表面で発生
したガスを電極の背面に排出できるようになっているた
め、このようにすることができるのであって、これらの
構造により特に陽極とイオン交換膜との距離を実質的に
ゼロとするようにすることにより電解液によるオーム損
を極小化して低電解電圧を実現している。

【０００４】イオン交換膜法電解槽を高性能に運転する
ためには、陽極とイオン交換膜、イオン交換膜と陰極と
の距離が数ｍｍ程度ないしはそれ以下に近接したものと
しなければならない。前記通常のイオン交換膜法食塩電
解の場合と同様に、ガス拡散電極を用いるイオン交換膜
法電解槽においても従来の電解槽と同様に、陽極液は陽
極の背面から供給できるようにでき、また陽極表面で発
生したガスは電極の背面に排出できるようにできるの
で、陽極とイオン交換膜との距離は実質的にゼロとする
ことが可能である。しかしながら、陰極のガス拡散電極
は、イオン交換膜に面した側の裏側の面では、そこへガ
スを供給しなければならないので、従来技術のように該
電極の裏側から電極内部を通して表面側に陰極液を供給
するようなことはできず、イオン交換膜に面した側のみ
に液を供給する必要がある。

【０００５】したがって、ガス拡散電極を用いるイオン
交換膜法電解槽においては、イオン交換膜とガス拡散電
極（陰極）との間に陰極液を供給するための供給口及び
排出口が設けられるため、イオン交換膜とガス拡散電極
（陰極）との間の距離の短縮には限界があった。さら
に、従来のガス拡散電極では、ガス拡散電極の周辺端に
端子を設けそこを通って電流が流れるという設計になっ
ているため、装置の大型化にともない前記端子から前記
電極の各点までの平均距離が大きくなり、ガス拡散電極
は金属にくらべれば比抵抗が高く、電気抵抗が増大する
という問題点もあった。このようなガス拡散電極を用い
たイオン交換膜法電解槽の１例を第４図に示す。ガス拡
散電極を経由することによるオーム損の増大は電解槽を
大型化する時重大な課題となる。

【０００６】さらにまた、従来のイオン交換膜法電解槽
のガス拡散電極周辺の構造においては、ガス拡散電極、
ガス室および陰極枠などはそれぞれ分割されたものから
なっているため、電解槽を作る際には、それらの部品を
組み立て、ボルト・ナットを用いて各部品を固定する必
要があるので、特に電解槽を大型化したとき、ｋＡオー
ダーの大電流を供給するには、強度的にも問題がある
し、装置のコンパクト化、装置の準備作業の効率化など
の点でも問題であった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来、ガス拡散電極を
使用するイオン交換膜法電解についての改良は、ガス拡
散電極の製法や性能向上のみに注意が払われており、ガ
ス拡散電極を使用するイオン交換膜法食塩電解槽の構造
上の改善等についてはほとんど考慮されてこなかった。
本発明は、ガス拡散電極を用いるイオン交換膜法電解槽
において、イオン交換膜とガス拡散電極との間の距離を
なるべく近接させて、イオン交換膜法電解槽を高性能で
運転することを可能にし、ガス拡散電極を含めた陰極部
全体の構造をコンパクト化し、装置の準備作業の効率化
をはかり、かつ装置を大型化しても電気抵抗の増大が少
なくてすむ電流供給方法を提供することを目的とするも
のである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、ガス拡散
電極を用いるイオン交換膜法電解において、電解槽をコ
ンパクト化し、イオン交換膜とガス拡散陰極との間の距
離をなるべく近接した陰極室とし、かつ電気抵抗の少な
い電流供給方法を開発するべく鋭意研究を重ねた結果、
本発明を完成するに至った。

【０００９】即ち、本発明は、次の手段によって前記の
目的を達成することができた。 （１） 陽極、イオン交換膜ならびにガス拡散電極によ
って、互いに区画された陽極室、陰極液室、ガス室およ
び陰極枠からなる、ガス拡散電極を用いた塩化アルカリ
金属水溶液電解槽において、陰極枠の内側にガス拡散電
極とガス室が形成されることにより、ガス拡散電極、ガ
ス室および陰極枠が一体として製作され、かつ陰極枠の
内部に陰極液供給路および陰極液排出路と、酸素含有ガ
ス供給路および酸素含有ガス排出路とを有することを特
徴とするガス拡散電極を用いる塩化アルカリ金属水溶液
電解槽。 （２） 前記ガス室内に３次元的にガスの流通が可能な
多孔性材料を充填されていることを特徴とする請求項１
記載のガス拡散電極を用いる塩化アルカリ金属水溶液電
解槽。 （３） 前記ガス室内に充填された、３次元的にガスの
流通が可能な多孔性材料が導電性材料からなり、陰極端
子から前記導体製多孔性材料を介してガス拡散電極へ電
気的に接続していることを特徴とする請求項２記載のガ
ス拡散電極を用いる塩化アルカリ金属水溶液電解槽。

【００１０】ガス拡散電極を用いた従来のイオン交換膜
法電解槽の１例を図４に示す。図４において、陽極室３
１は、通常のイオン交換膜法電解槽と同じであり、塩水
供給口３７より塩化アルカリ水溶液（塩水）が供給さ
れ、通液性陽極３２で電解される。生成した塩素及び希
薄塩化アルカリ水溶液は排出口３８より排出される。ま
た、陽極にて生成したアルカリ金属イオンは、陽イオン
交換膜３３を通り陰極液室３５へ移動する。陰極液室３
５では供給口３９より苛性アルカリ水溶液又は水が供給
され、ガス拡散電極（陰極）３４にて電解される。生成
した水酸イオンは、イオン交換膜３３を通り移動してき
たアルカリ金属イオンと反応して苛性アルカリを生成
し、前記供給されてきた苛性アルカリ水溶液を濃厚化し
て排出口４０より排出される。一方、ガス拡散電極３４
の陰極液室３５と反対側にガス室３６があり、ガス供給
口４１より酸素ガス（又は酸素含有ガス）が供給され、
一部消費されて排出口４２より排出される。通液性陽極
３２の上部および／又は下部には陽極端子４３が設けら
れ電気を供給し、またガス拡散電極３４の上部および／
又は下部には陰極端子４４が設けられており電気を逃が
している。

【００１１】前記のような従来型の電解槽において、陰
極液は、陽イオン交換膜３３と陰極３４（ガス拡散電
極）との間に供給しなければならない。しかし、陽イオ
ン交換膜と陰極との間に苛性アルカリ水供給口３９及び
排出口４０を取り付けると、供給口や排出口のスリット
幅以外にガスケット４５等のシール材を取り付ける幅が
必要となるため、陽イオン交換膜３３と陰極３４間の距
離が大きくなり、電解電圧の上昇をもたらすことにな
る。その合計距離は通常５ｍｍ以上に達する。

【００１２】そこで、陰極液供給口及び排出口をイオン
交換膜と陰極との間に取り付けるのでなく、電解槽の裏
面から陰極液供給管を陰極液室に通し、また陰極液室か
ら陰極液排出管を電解槽の裏面に出すことにより陰極液
を供給し、電解槽の裏面から供給、排出することを可能
にする方法について、本発明者らが検討したところ、ガ
ス拡散電極、ガス室および陰極枠を一体として製作する
ことによって、図１の陰極部１の断面説明図に示すよう
に、陰極部１の外枠である陰極枠３の内部に陰極液室
（図３の２０）に接続する陰極液供給路７と、同様に陰
極液室に接続する陰極液排出路８とを設けるようにすれ
ばよいとの結論に達した。その際、前記陰極液供給路７
は、陰極液を陰極液室に供給するための通路となる。

【００１３】なおこの時、図１の陰極部の断面説明図に
おいて、ガス拡散電極２のガス室（多孔性材料５が充填
されている部分）４内に３次元的にガスの流通が可能
な、導体製多孔性材料５を充填し、この導体製多孔性材
料５の裏側にある、それに接する板状体を陰極端子とし
て構成すれば、電流はガス拡散電極を構成しているカー
ボンブラック微粒子など導体微粒子を通り、ガス室内に
ガス拡散電極に接触して設けた、３次元的にガスの流通
が可能な、導体製多孔性材料５を経て、さらに陰極端子
と陰極導線６を経て系外に電流を流すことができるの
で、特別に集電体をガス拡散電極組み込む必要がない。
なお、３次元的にガスの流通可能とは、ガス電極に垂直
な方向、平行な方向にガスが流通できることを意味し、
例えば金網を重ねたものが適している。このようにガス
室内に導体製多孔性材料５を充填することによって、ガ
ス拡散電極、ガス室および陰極枠（前記陰極端子は陰極
枠の一部を形成することになる。）を一体的に成形する
のにガス室に前記導体製多孔性材料を充填することが役
立つ。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明のガス拡散電極、ガス室お
よび陰極枠を一体として製作する態様を図１〜図２を用
いて以下に説明する。ただし以下に行う説明は本発明を
制限するものではない。まず、図２において、本発明の
ガス拡散電極２は、反応層１１とガス拡散層１２との２
層構造からなる。両層とも黒鉛質カーボンとテフロン粒
子との混合体から形成される。ここで、反応層１１は、
主として親水性カーボンの微粒子と撥水性カーボン微粒
子の混合物からなり、これにフッ素樹脂微粒子を混合
し、さらにカーボン微粒子上には前記白金などの貴金属
系からなる触媒を担持せしめ、ホットプレスして１層の
要素反応層とする。

【００１５】これに対しガス拡散層１２は、主としてフ
ッ素樹脂微粒子と撥水性カーボン、の混合物からなり、
これに少量の親水性カーボンの微粒子とこれら微粒子を
繋ぐ結着剤粒子を混合し、これらの微粒子を多孔性板状
体に成形してメッシュ状の支持体の上に載せ、多孔性板
状体を支持体と共に金属製の治具に入れ、治具と共にホ
ットプレスして１層の要素ガス拡散層とする。

【００１６】これらの前記要素反応層および要素ガス拡
散層を、陰極液に近い層ほど親水性の要素反応層、ガス
室に近い層ほど疎水性の要素ガス拡散層となる順に配置
・積層してガス拡散電極２とする。また、図２に示すよ
うに構成する要素反応層と要素ガス拡散層をメッシュ状
の支持体と共に完成ガス拡散電極（図２では２層の要素
反応層と２層の要素ガス拡散層を５枚のメッシュ状の支
持体から構成される。）に組み込んだ後、金属製の治具
に入れ、治具と共にホットプレスしてガス拡散電極２を
成形する場合もある。ガス拡散電極２と３次元的にガス
の流通が可能な多孔性材料（図１参照）と陰極枠３（好
ましくは陰極端子、陰極導線６を含んだ形態で、）も含
めて、図１に示すようなガス拡散電極の陰極部１として
一体的に成形する。

【００１７】図１に示すようなガス拡散電極の陰極部１
を用い、これに陽極１４とイオン交換膜１５を陽極室枠
１８に装着して組み立てた陽極部１９をガスケット１６
を介し、陰極液を通す陰極液室１７を設けるように前記
陰極部１と組み合わせて図３に示す本発明の塩化アルカ
リ金属水溶液電解槽が得られる。ただ、図３では陽極室
の左側の部材は省略されている。前記したように、少な
くともガス拡散電極、ガス室及び陰極枠をともに一体型
にして本発明の塩化アルカリ金属電解槽の陰極部を製作
することにより、陰極液の注入、排出を陰極部の裏面か
ら行うことが可能となり、それにより陰極液室の厚みを
極めて小さくすることができるようになったので、陽極
と陰極（ガス拡散電極）の極間距離を従来の５ｍｍから
例えば２ｍｍのように小さくすることができた。また、
陰極部を一体型にし、ガス室に導体製多孔質材料を装着
することにより、電流をガス拡散電極の裏面から抜き出
すことを可能にし、従来のガス拡散電極より電気抵抗を
低減することができた。またさらに陰極部を一体型にす
ることにより、ガス拡散電極、ガス室の多孔体および陰
極外枠などの接触抵抗が極度に小さくなった。

【００１８】

【実施例】以下、実施例により本発明を具体的に説明す
る。ただし、本発明はこの実施例のみに限定されるもの
ではない。 実施例１ 図１に示す陰極部を用いて、図３に示す塩化アルカリ金
属電解槽を形成した。ガス拡散電極の大きさは縦、横、
厚みが１１０×１１０×０．５ｍｍであった。ガス室の
大きさは縦、横、厚みが１００×１００×１ｍｍであ
り、その中にニッケル製金網（２０メッシュ）を３枚重
ねて構成した多孔性材料を充填した。この多孔性材料は
ガス拡散電極と一体に成形されている。陰極枠はニッケ
ル製の枠体であり、その枠体の内部に陰極液供給用の通
路及び排出用の通路が内蔵されている。ガス室の裏側は
陰極端子となっている。この構造の塩化アルカリ金属水
溶液電解槽においては、ガス拡散電極とイオン交換膜と
の間隔を２ｍｍ程度とすることができた。

【００１９】陽極室には、３１０ｇ／リットルの精製食
塩水を加温して供給し、陰極液室へは３２％の水酸化ナ
トリウム水溶液を加温して２００ｍｌ／分の流量で供給
した。酸素室へは酸素を２００ｍｌ／分供給した。電解
槽全体を温度９０℃に調節しながら３０Ａの電流で電解
した。陽極室出口の食塩濃度は２１０ｇ／リットル、陰
極室出口の苛性ソーダ濃度は３２．５％であった。端子
間電圧は１．９７Ｖであった。また、苛性ソーダの生成
電流効率は９５％であった。電流インタラプタ法による
電気抵抗成分の分析によれば、オーム槽は全体で０．４
２Ｖであった。

【００２０】比較例 図４の構成で実施例と同様に電解を行った。極間距離は
５ｍｍであった。ガス室の厚みは３ｍｍであった。端子
間電圧は２．２５Ｖであった。苛性ソーダの生成電流効
率は９５％であった。電流インタラプタ法にらる電気抵
抗成分の分析によれば、オーム損は全体で０．６５Ｖで
あった。

【００２１】

【発明の効果】本発明によれば、ガス拡散電極を用いる
イオン交換膜法塩化アルカリ電解槽に製作において、少
なくともガス拡散電極、ガス室及び陰極枠を一体的に製
作することによって、さらにはガス拡散電極の陰極液室
に陰極液を該電極の背面から供給することを可能にする
ことによって、陽極とガス拡散電極の極間距離を従来の
５ｍｍから２ｍｍ程度に短縮することができる。陽極と
ガス拡散電極の極間距離の短縮による液電気抵抗の減
少、一体型陰極による導体抵抗の減少、極間距離の短縮
による液線速度の向上などにより、電解電圧は電流密度
３ｋＡ／ｍ² 、電解温度９０℃において２．０Ｖを下回
る結果となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一体型陰極の一例を示す断面説明図で
ある。

【図２】本発明のガス拡散電極の一例を示す断面説明図
である。

【図３】本発明の一体型陰極を用いて組み立てた本発明
の電解槽の一例を示す断面説明図である。

【図４】ガス拡散電極を有する従来のイオン交換膜法電
解槽の典型例を示す断面説明図である。

【符号の説明】

１ 陰極部 ２ ガス拡散電極 ３ 陰極枠 ４ ガス室 ５ 多孔性材料 ６ 陰極端子 ７ 陰極液供給路 ８ 陰極液排出路 ９ 酸素供給路 １０ 酸素排出路 １１ 反応層 １２ ガス拡散層 １３ 電解槽 １４ 陽極 １５ イオン交換膜 １６ ガスケット １７ 陰極液室 １８ 陽極室枠 １９ 陽極部 ３０ 電解槽 ３１ 陽極室 ３２ 通液性陽極 ３３ 陽イオン交換膜 ３４ ガス拡散電極 ３５ 陰極液室 ３６ ガス室 ３７ 塩水供給口 ３８ 塩水排出口 ３９ 苛性アルカリ水供給口 ４０ 苛性アルカリ水排出口 ４１ ガス供給口 ４２ ガス排出口 ４３ 陽極端子 ４４ 陰極端子 ４５ ガスケット ４６ 陰極室枠

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−271974（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−11686（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C25B 1/00 - 15/08

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 陽極、イオン交換膜ならびにガス拡散電
   極によって、互いに区画された陽極室、陰極液室、ガス
   室および陰極枠からなる、ガス拡散電極を用いた塩化ア
   ルカリ金属水溶液電解槽において、陰極枠の内側にガス
   拡散電極とガス室が形成されることにより、ガス拡散電
   極、ガス室および陰極枠が一体として製作され、かつ陰
   極枠の内部に陰極液供給路および陰極液排出路と、酸素
   含有ガス供給路および酸素含有ガス排出路とを有するこ
   とを特徴とするガス拡散電極を用いる塩化アルカリ金属
   水溶液電解槽。
2. 【請求項２】 前記ガス室内に３次元的にガスの流通が
   可能な多孔性材料を充填されていることを特徴とする請
   求項１記載のガス拡散電極を用いる塩化アルカリ金属水
   溶液電解槽。
3. 【請求項３】 前記ガス室内に充填された、３次元的に
   ガスの流通が可能な多孔性材料が導電性材料からなり、
   陰極端子から前記導体製多孔性材料を介してガス拡散電
   極へ電気的に接続していることを特徴とする請求項２記
   載のガス拡散電極を用いる塩化アルカリ金属水溶液電解
   槽。