JP3437128B2 - 塩化アルカリ電解装置及びその運転方法 - 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、ガス拡散陰極を備
えた電解槽において、塩化アルカリ水溶液を電解し、塩
素及び苛性アルカリを製造する電解装置及びその運転方
法に関し、特に電解を継続すると危険な状態となる場合
において電解槽を停止するようにできる保護するための
システムを有する電解装置及びその運転方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】塩化アルカリ水溶液を、ガス拡散陰極を
使用するイオン交換膜法で電解し、苛性アルカリを得る
方法は公知である。この製造方法は、その大要が、陽極
を有し塩化アルカリ水溶液を入れた陽極室と、陰極を有
し、水又は苛性アルカリ水溶液を入れた陰極室とを、一
般に陽イオン交換膜であるイオン交換膜により区画し、
両電極間に通電して電解する際に、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つつ電解され
るガス拡散陰極を用いて電解することにより、陰極室に
苛性アルカリを得るものであって、その陰極では水素ガ
スが発生しないため、電解電圧が著しく低減されるとい
う利点を有する。

【０００３】この製造方法を開示した特許文献として
は、例えば特開昭５４−９７６００号、特開昭５６−４
４７８４号、特開昭５６−１３０４８２号、特開昭５７
−１５２４７９号、特開昭５９−１３３３８６号、特開
昭６１−２６６５９１号、特公昭５８−４４１５６号、
特公昭５８−４９６３９号、特公昭６０−９５９５号、
特公昭６１−２０６３４号公報などが挙げられる。その
他多くのガス拡散陰極の製造法や性能の改善に関する多
くの提案がなされているが、異常事態を回避する方法に
ついての提案はなかった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ガス拡散陰極を使用す
るイオン交換膜法電解槽を、高性能を維持しつつ長期間
にわたり運転するためには、運転条件が重要であるとと
もに、特に電解槽の異常を検知して適切な処置を取るこ
とが重要であり、処置の仕方によっては停止時に電解槽
の性能を大幅に低下させてしまったり、場合によっては
使用できなくしてしまうこともありえる。従来の既に知
られている、ガス拡散陰極を使用しないイオン交換膜法
塩化アルカリ電解では、陽極を含む陽極室と陰極を含む
陰極室がイオン交換膜により区画され、陽極室には塩化
アルカリ水溶液が供給され、陽極において塩素ガスを生
成し、陰極室には苛性アルカリ水溶液又は水が供給さ
れ、陰極において苛性アルカリ及び水素ガスを生成す
る。

【０００５】一方、ガス拡散陰極を用いる塩化アルカリ
電解においては、陽極を含む陽極室とガス拡散陰極を含
む陰極室がイオン交換膜により区画され、陽極室には塩
化アルカリ水溶液が供給され、陽極において塩素ガスを
生成し、陰極室には苛性アルカリ水溶液又は水及び酸素
含有ガスが供給され、ガス拡散陰極において苛性アルカ
リを生成する。これら二つの電解法を比較した場合、陽
極反応は全く同じであるが、陰極反応は大きく異なり、
ガス拡散陰極を使用するイオン交換膜法電解において
は、水素ガスが発生しないのが特徴である。これに使用
するガス拡散陰極は各種のものが提案されており、代表
的なものとしては、カーボン粉末とポリテトラフルオロ
エチレンの混合物からホットプレスなどで成形されてお
り、微細孔を有するガス透過性のシート状であり、これ
に触媒として白金等の貴金属や銀それらの合金などが担
持されたものがあり、強度や導電性を増すために金属メ
ッシュで補強されることもある。

【０００６】ガス拡散陰極を用いる塩化アルカリ電解に
おいては、通常時は水素の発生はないが、場合によって
は水素を発生することがある。例えば、極端な場合とし
て酸素含有ガスが遮断された場合においては、加えられ
ている電流分は水素が発生する。また、ガス拡散陰極が
劣化すると、酸素の還元反応が起こりにくくなり、水素
が発生するし、酸素の過剰度が低くなり、陰極室におけ
る酸素濃度がある限界以下になった場合においても水素
が発生する。このように、ガス拡散陰極は導電体である
から、酸素還元反応が起きにくくなった場合には、水素
の発生が起こる。このような水素の発生が起きた時に
は、水素ガスは、排ガスとして排出される他に、循環苛
性アルカリ出口からも排出される。運転中は、酸素含有
ガスを供給し、排ガス中には過剰分の酸素が含まれるか
ら、水素が発生した場合においては、電解槽の陰極室の
ガス相あるいは排ガスラインにおいて、爆鳴気を形成す
ることになる。水素の爆発範囲は、空気中では、４〜７
５％といわれ、着火エネルギーが非常に低いのが特徴で
ある。ひとたび爆発が起これば、電解槽および付帯する
設備が破壊されることになる。

【０００７】本発明は、ガス拡散陰極を備えた電解槽に
おいて、塩化アルカリ水溶液を電解し、塩素及び苛性ア
ルカリを製造する電解装置における運転方法に関し、水
素の発生を検知し、検知された水素濃度がまだ爆発を起
こさないが、それに近い程度に予め設定された値になっ
た時に、電解槽を停止することによって電解装置を保護
することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、ガス拡散
陰極を備えた電解槽において、塩化アルカリ水溶液を電
解し、塩素及び苛性アルカリを製造する電解装置での運
転方法に関し、ガス拡散陰極において水素が発生した事
態に対処するための方法について鋭意検討を重ねた結
果、本発明を完成するに至った。具体的には、本発明
は、ガス拡散陰極を備えた塩化アルカリ電解槽におい
て、塩化アルカリ水溶液を電解し、塩素及び苛性アルカ
リを製造する電解装置における運転方法に関し、ガス拡
散陰極での水素の発生を検知し、検知された水素濃度が
爆発を起こさない程度の予め設定された値になった時
に、電解槽を停止することによって電解装置を保護でき
ることを見出してなされたものである。

【０００９】すなわち、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る。 （１）ガス拡散陰極を備えた塩化アルカリ電解槽を有す
る塩化アルカリ電解装置において、該塩化アルカリ電解
槽から出る酸素含有排ガスの排出ライン中及び／又は苛
性アルカリ水溶液を循環するタンクの気相部に水素検知
計を設置してなることを特徴とする塩化アルカリ電解装
置。 （２）ガス拡散陰極を備えた塩化アルカリ電解槽を有す
る塩化アルカリ電解装置の該塩化アルカリ電解槽から出
る酸素含有排ガスの排出ライン中及び／又は苛性アルカ
リ水溶液を循環するタンクの気相部での水素濃度が、設
定された値を超えた時に該塩化アルカリ電解槽の通電を
停止することを特徴とする塩化アルカリ電解装置の運転
方法。 （３）ガス拡散陰極を備えた塩化アルカリ電解槽を有す
る塩化アルカリ電解装置の該塩化アルカリ電解槽から出
る酸素含有排ガスの排出ライン中及び／又は苛性アルカ
リ水溶液を循環するタンクの気相部での水素濃度が、設
定された値を超えた時に該塩化アルカリ電解槽の通電を
停止するように構成してなることを特徴とする塩化アル
カリ電解装置の保護システム。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明をさらに詳しく説明する。
ガス拡散陰極を用いるイオン交換膜法塩化アルカリ電解
において、ガス拡散陰極では、次の反応が起こってい
る。 １／４ Ｏ₂ ＋ １／２ Ｈ₂ Ｏ ＋ ｅ → ＯＨ^- このように、ガス拡散陰極では酸素及び水が反応に関与
する。

【００１１】以下、本発明の実施の形態を図面に基づい
て詳細に説明する。ガス拡散陰極を用いたイオン交換膜
法電解槽の１例を図２に示す。図２において、陽極室２
は、通常のイオン交換膜法電解槽と同じであり、供給口
４より塩化アルカリ水溶液が供給され、ガス液透過性陽
極３で電解される。生成した塩素ガス及び希薄塩化アル
カリ水溶液は排出口５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、イオン交換膜６を通り
陰極室７（３室型電解槽では「苛性室７」ともいう）へ
移動する。苛性室７では供給口８より苛性アルカリ水溶
液又は水が供給され、ガス拡散陰極１０にて上式に従っ
て電解される。生成した水酸イオンは、イオン交換膜６
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、排出口９より排出される。一方、ガ
ス拡散陰極１０の苛性室７と反対側にガス室１１があ
り、ガス供給口１３より酸素含有ガスが供給され、排出
口１２より排出される。

【００１２】又、ガス拡散陰極を用いたイオン交換膜法
電解槽の別の例を図３に示す。図３において、イオン交
換膜から陽極室側は、図２に示すものと同じである。ガ
ス拡散陰極３０は、イオン交換膜に接して配置され、陰
極室３１はガス室と兼用になっており、ガス＋水供給口
２８より酸素含有ガス及び水が供給され、ガス拡散陰極
３０にて上式に従って電解される。生成した水酸イオン
は、イオン交換膜２６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、苛性液＋排ガ
ス排出口２７より排ガスとともに排出される。ガス＋水
供給口２８より供給される水は苛性アルカリ濃度調整の
ために使用される。このようにガス拡散陰極を用いたイ
オン交換膜法電解にもいくつかの方式があるが、どの方
式にも適用できる。

【００１３】ガス拡散陰極において水素が発生する原因
については、先の述べた通りであるが、発生した水素ガ
スは、図２におけるガス室１１及び陰極室７に排出さ
れ、排出口１２又は、苛性液排出口９より出る。図３に
おいては、苛性液＋排ガス排出口２７より出る。したが
って、水素濃度を検知する位置は、排ガスライン及び苛
性循環タンク気相部で検出できる。もちろん、電解槽ガ
ス室での検出も可能であるが、一般に電解槽は、フィル
タープレス式で多数のガス室が存在するため、それぞれ
に設置することはコスト的に不利となる。水素濃度は、
極微量でも検出可能であるから複数の電解槽の排ガスが
集合されたラインでの採用が実用的である。尚、苛性循
環タンクは、複数の電解槽への苛性アルカリの供給循環
が行われるのが一般的である。使用する水素濃度計とし
ては、接触燃焼式、気体熱伝導式、熱線式半導体式など
の可燃性ガス検知計及びガスクロマトグラフ法等が使用
できる。図１に、設置例を示す。排ガスライン及び苛性
循環タンク気相部に水素ガス濃度計のセンサーを設置し
ている。

【００１４】水素ガスが一定量以上検出された場合にお
いては、電解槽を停止するのが最も安全である。水素ガ
スの爆発範囲は空気中で４〜７５％であるから、４％未
満にすれば爆発という最悪の事態は避けられるが、検出
している位置による誤差やその後処置が行われるまでの
タイムラグ等も考慮し、安全率を見込み設定する。図２
のごとく陰極室には、酸素ガスは存在しないのであるか
ら、苛性循環タンク気相部での設定値は、安全率を見込
み、２％以下での設定が好ましいが、より低く設定する
ことにより、ガス拡散陰極で水素発生が行われていると
いう状態を早く検出できる。また、排ガスラインにおい
ては、いくつかのガス室からの集合となっている場合が
多く、その場合には、数に応じて設定値を低くすること
により、どのガス室においても４％未満で検出できるよ
うにしておけば良い。

【００１５】水素ガスが検出された場合は、一刻も早く
処置する必要があるので、自動的に電解槽を停止するの
が良い。そのシステムとしては、検出された値がある設
定値になった時の信号により電解槽を停止させるシーケ
ンスとすれば良い。通常は電解槽の整流器を停止させれ
ば、電解反応は速やかに停止する。

【００１６】本発明によれば、ガス拡散陰極を用いるイ
オン交換膜法電解において、排ガスライン及び／又は苛
性循環タンク気相部に水素濃度検知計を設置することに
より、ガス拡散陰極での水素の発生を検知し、検知され
た水素濃度が爆発を起こさない程度の予め設定された値
になった時に、電解槽を停止することによって電解装置
を保護することができる。

【００１７】

【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。

【００１８】実施例 図１に示すように、本発明に基づくガス拡散陰極を用い
るイオン交換膜法電解において、排ガスライン及び苛性
循環タンク気相部に水素濃度検知計を設置した。イオン
交換膜法の電解槽３４は、陽極室３２、陰極室３１及び
ガス室３３を有する。陰極室３１は、苛性循環タンク３
５からの苛性ソーダ水溶液を導入し、濃度が上昇した苛
性ソーダ水溶液を苛性循環タンク３５へ戻しているが、
その苛性循環タンク３５の上部の気相部に水素ガスを検
出するセンサー３７を設け、そのセンサー３７を水素濃
度計３６に接続する。さらに、同電解槽３４では、酸素
含有ガス供給装置３９から酸素含有ガスがガス室３３の
上部に供給され、下部から酸素含有排ガス３８が排出さ
れるが、その排ガス３８の導管に、同様に水素ガスを検
出するセンサー３７を設け、そのセンサー３７を水素濃
度計３６に接続する。

【００１９】この例では、酸素含有排ガス３８の導管
に、センサー３７を有する水素濃度計３６として、新コ
スモス電機社製、ＰＥ−２ＤＣ型を使用し、このものは
接触燃焼式で、検知範囲０〜４％、警報点１％、測定精
度０．１％のものであった。また、苛性循環タンク３５
の上部に設けた水素濃度計３６は、新コスモス電機社
製、ＶＴ−２型を使用し、このものは気体熱伝導式で、
検知範囲０〜４％、警報点１％、測定精度０．１％のも
のであった。これらのセンサー３７を有する水素濃度計
３６を用いることにより、水素濃度が上昇したとき、電
解槽の通電を停止することができるので、危険を回避す
ることができた。

【００２０】

【発明の効果】本発明によれば、ガス拡散陰極を備えた
塩化アルカリ電解槽において、ガス拡散陰極における水
素発生を検知することにより、電解装置を保護し、長期
間にわたり高性能のまま維持することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による塩化アルカリ電解装置の保護シス
テムのフロー図を示す。

【図２】ガス拡散陰極を有するイオン交換膜法電解槽の
一例の模式図を示す。

【図３】ガス拡散陰極を有するイオン交換膜法電解槽の
別の模式図を示す。

【符号の説明】

１ 電解槽 ２ 陽極室 ３ 陽極 ４ 陽極液供給口 ５ 陽極液排出口 ６ イオン交換膜 ７ 陰極室 ８ 苛性液供給口 ９ 苛性液排出口 １０ ガス拡散陰極 １１ ガス室 １２ ガス排出口 １３ ガス供給口 ２１ 電解槽 ２２ 陽極室 ２３ 陽極 ２４ 陽極液供給口 ２５ 陽極液排出口 ２６ イオン交換膜 ２７ 苛性液＋排ガス排出口 ２８ ガス＋水供給口 ３０ ガス拡散陰極 ３１ 陰極室 ３２ 陽極室 ３３ ガス室 ３４ 電解槽 ３５ 苛性循環タンク ３６ 水素濃度計 ３７ センサー ３８ 排ガス ３９ 酸素含有ガス供給装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 斎木 幸治 大阪府豊中市北条町４丁目６番１−815 号 (72)発明者 渡辺 武史 大阪府高石市高砂１−６ 三井化学株式 会社 大阪工場内 (56)参考文献 特開 昭51−9078（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C25B 1/00 - 15/08

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガス拡散陰極を備えた塩化アルカリ電解
   槽を有する塩化アルカリ電解装置において、該塩化アル
   カリ電解槽から出る酸素含有排ガスの排出ライン中及び
   ／又は苛性アルカリ水溶液を循環するタンクの気相部に
   水素検知計を設置してなることを特徴とする塩化アルカ
   リ電解装置。
2. 【請求項２】 ガス拡散陰極を備えた塩化アルカリ電解
   槽を有する塩化アルカリ電解装置の該塩化アルカリ電解
   槽から出る酸素含有排ガスの排出ライン中及び／又は苛
   性アルカリ水溶液を循環するタンクの気相部での水素濃
   度が、設定された値を超えた時に該塩化アルカリ電解槽
   の通電を停止することを特徴とする塩化アルカリ電解装
   置の運転方法。
3. 【請求項３】 ガス拡散陰極を備えた塩化アルカリ電解
   槽を有する塩化アルカリ電解装置の該塩化アルカリ電解
   槽から出る酸素含有排ガスの排出ライン中及び／又は苛
   性アルカリ水溶液を循環するタンクの気相部での水素濃
   度が、設定された値を超えた時に該塩化アルカリ電解槽
   の通電を停止するように構成してなることを特徴とする
   塩化アルカリ電解装置の保護システム。