JP3807676B2 - Ion exchange membrane electrolytic cell - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はイオン交換膜電解槽に関するものであり、とくに複極式フィルタープレス型イオン交換膜電解槽に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
複極式のフィルタープレス型イオン交換膜電解槽は、陽極室隔壁と陰極室隔壁とを機械的および電気的に接合した電解槽ユニットをイオン交換膜を介して多数積層したものが用いられている。
【0003】
図8は、従来のイオン交換膜電解槽を説明する図である。
図8(A)は、複極式イオン交換膜電解槽の電解槽ユニットの陽極室側から見た図であり、図8(B)は、断面図であり、図8(A)においてA−Aで切断した断面図である。
単位電解槽51の陽極室52および陰極室53を形成する、陽極室隔壁54および陰極室隔壁55には、それぞれ所定の間隔で陽極リブ56、および陰極リブ57が接合され、陽極リブ56には陽極58が取り付けられている。また、陰極リブ57には、陰極59が取り付けられている。
【0004】
イオン交換膜電解槽は、縦方向には1m余の高さを有し、また横方向にも2m余の幅を有しているので、電気分解を効率的に行なうためには、電極室内での電解液の濃度分布を小さくすることが求められている。電極室内での濃度分布を小さくするためには、電解液の循環用のポンプを外部に配置して電解液を循環する方法もあるが、電気分解によって発生する気体の浮力を利用して内部循環を行う方法は、循環用ポンプを必要としない方法である。そして、内部循環を円滑に進めるために電極室内に内部循環用の部材を配置することが提案されている。
ところが、陽極リブ、陰極リブとは別に電極室内に内部循環用の部材を配置することは電解槽の構成に必要な部材を多く必要とし、また内部循環の性能も不充分なものであった。
【0005】
図9は、従来の他の構造のイオン交換膜電解槽を説明する図である。
図9(A)は、複極型イオン交換膜電解槽の単位電解槽の陽極室側から見た図であり、図9(B)は、隔壁板の斜視図である。
図9に示す電解槽は、本出願人が特開平5−9774号公報等において提案した複極式イオン交換膜電解槽である。
電解槽ユニット51の陽極室52および陰極室を形成する陽極室隔壁54および陰極室隔壁に同様の形状の凹凸部を形成して、凹凸部によって陽極室隔壁54と陰極室隔壁が互いにかみ合って一体化され、凹部60に沿って電極で発生した気体と電解液との気液混相流体が上昇するとともに、電極室内に設けた電解液循環路形成部材61と陽極室隔壁54との間を電解液が下降することによって電解槽内での内部循環を行ったものである。この電解槽においては、電解液循環路が電解液循環路形成部材と、凹凸状の隔壁との間に形成される空間であるために、電解液の循環の面において改良の余地があった。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、イオン交換膜電解槽において、陽極室および陰極室内での発生気体の上昇および気体を分離した後に下降流を利用した電解液の内部循環が良好で、電気分解効率が良好で、剛性が大きなイオン交換膜電解槽を提供することを課題とするものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の課題は、イオン交換膜電解槽において、平板状の陽極室隔壁と平板状の陰極室隔壁とが接合され、少なくとも一方の隔壁に、帯状の接合部を形成して接合され、隣接する接合部の間には電極を接合した凸条部を設けた板状の電極保持部材を有し、該電極保持部材の接合部と凸条部の間がそれぞれ一つの平面で結合されて、該電極保持部材の電極面側の空間は電極室内の流体の上昇流路を形成し、その反対側の空間は、電極室の上部で気体を分離した電解液の下降流路を形成し、陽極保持部材、陰極保持部材のいずれか一方がバネ性の部材から形成され、バネ性の部材が隔壁との接合部側とは反対側へ突出した少なくとも三個の凸条部を有し、凸条部のうち押圧した際の変位量が最も大きな凸条部は、一部を切り欠くことによって形成されており、該変位量が最も大きな凸条部の最大開角度を開角度とする凸条部保護部材が変位量が最も大きな凸条部に結合されているイオン交換膜電解槽によって解決することができる。
【0009】
凸条部のうち押圧した際に変位量が最も大きな凸条部に電極を接合した前記のイオン交換膜電解槽である。
変位量が最も大きな凸条部は、凸条部の一部を切り欠くことによって形成した前記のイオン交換膜電解槽である。
接合部に近接する凸条部に電極が接触する際に、変位量が最も大きな凸条部の開角度を最大開角度とする凸条部保護部材が変位量の最も大きな凸条部に結合されている前記のイオン交換膜電解槽である。
変位量が最も大きな凸条部に接合した電極を隔壁側へ押圧した場合に、接合部に隣接する凸条部によって電極の移動が制限を受ける前記のイオン交換膜電解槽である。
【0010】
このように、凸条部に電極を接合すると共に、凸条部に開角度を制限する部材を設けることによって対向する電極との間の電極間距離を所定の大きさに設定することを可能とすると共に、圧力変動によって対極室側から押圧した場合にも、凸条部の開角度が制限されて、大きく変形することを防止することができる。
【0011】
【発明の実施の形態】
本発明のイオン交換膜電解槽は、陽極室と陰極室とを区画する隔壁をそれぞれ平板状とし、平板状の各隔壁に隔壁との間に帯状の接合部を形成して接合され、隣接する接合部の間には電極を接合した凸条部を設けた板状の電極保持部材を設けたので、電極保持部材は電極を保持する単位電解槽の構造部材としての作用を果たして電解槽の剛性を高めるとともに、電解液の循環路が電極室の全面にわたり配置されるので、電極室内での電解液の循環をより十分なものとして電解効率を高めたものである。
【0012】
以下に、図面を参照して本発明を説明する。
図1は、本発明のイオン交換膜電解槽の一実施例を説明する図である。
図1(A)は、複数個の電解槽ユニットを積層したイオン交換膜電解槽の断面を説明する図であり、図1(B)は、陽極室側から電解槽ユニットを見た図である。また、図1(B)において、A−A線で切断した断面図を図1(C)に示す。
図1(A)に示すように、イオン交換膜電解槽1は複数の複極式の電解槽ユニット2のフランジ面3にガスケット4を配置し、イオン交換膜5を介して積層して組み立てられており、一方の端部には陰極室側のみを有する陰極室ユニット2Aを有し、他方の端部には陽極室側のみを有する陽極室ユニット2Bを有している。
電解槽ユニット2の陽極室6には、陽極室隔壁8から間隔を設けて陽極15が配置されている。陰極室7には、陰極室隔壁9から間隔を設けて陰極20が配置されており、陰極室側隔壁9とイオン交換膜5の間に陰極室7が形成されている。
【0013】
また、陽極室6、陰極室7の上部には、それぞれ陽極室側気液分離室30、陰極室側気液分離室37が設けられている。
イオン交換膜電解槽の複極式の電解槽ユニット2は、陽極室6と陰極室7とから構成されており、陽極室6および陰極室7は、それぞれ平板状の陽極室隔壁8と陰極室隔壁9が電気的および機械的に接合一体化されている。
【0014】
陽極室隔壁8には、陽極保持部材10が帯状の接合部11を形成して接合されており、帯状の接合部11において陽極室隔壁8と陽極保持部材10が密着して接合されている。両者は、連続的な溶接部によって接合されていなくても、両者を密着した状態で多数のスポット溶接部12によって接合することによって陽極保持部材10と陽極室隔壁8とが密着し、両者の導電接続と陽極保持部材10と陽極室隔壁8の間で形成される空間が反対側の空間と分離されていればよい。
陽極保持部材10の隣接する帯状の接合部11の間には凸条部13が形成され、凸条部13と帯状の接合部11の間は平面部14で結合されている。また、凸状部13には、陽極15が複数の個所において接合されており、陽極15の保持と陽極15への電気分解電流の通電が行なわれている。
【0015】
凸条部13は、頂部に電極を接合することができる幅を有していれば十分であり、金属板に角を設けて折り曲げ加工して形成された凸条部であっても、電極保持部材が隔壁に平行な平面であっても良い。陽極保持部材を別個の部材として作製しても、プレス成形によって複数個が連結した部材を作製しても良く、あるいは陽極室隔壁に配置するすべての陽極保持部材を、一枚の金属板を成形して製造したものであっても良い。
また、接合部11と凸状部13とが平面部14で結合されている場合には、断面形状がトラス型となり、薄板で作製した陽極室の剛性を高めることができる。
【0016】
陽極保持部材10、陽極室隔壁8および隣接する帯状の接合部11によって形成される空間には、陽極液循環通路16が形成され、陽極保持部材10の陽極15面側の空間を上昇した気液混合流体が陽極室の上部で気液分離した電解液の一部は陽極液排出口19から流出する。また、その他の部分は陽極液循環通路16を下降し、陽極電極室の下部において陽極面側の空間へ流出し、電解槽ユニットに設けた陽極液供給管17から供給されて陽極液噴出口18から陽極室内へ噴出する陽極液とともに混合されて陽極15において電気分解を受ける。
【0017】
一方、陰極室7には、図1(C)に示すように、陰極20が陰極室隔壁9に接合された陰極保持部材21に取り付けられ、陰極室隔壁9と陰極保持部材21との間に陰極液循環通路22が形成されている。
陰極室隔壁9に接合した陰極保持部材21はバネ性の部材であり、陰極保持部材21は、陰極液循環通路22の流通方向に直角の面で切断した断面図は、左右対称であって、陰極20を取り付けた凸条部23の両側の帯状の接合部24において陰極室隔壁9と接合されているとともに、接合部24に隣接して接合部側凸条部25が設けられており、陰極20を取り付けた凸条部23が両側の接合部側凸条部25に比べて対極面側に突出している。また、バネ性の部材であるので陰極20とイオン交換膜面との間隔を所定の大きさに保持することができる。
【0018】
本発明のイオン交換膜電解槽は、陽極室と陰極室とを区画する隔壁をそれぞれ平板状とし、平板状の各隔壁に隔壁との間に帯状の接合部を形成し、隣接する接合部の間には電極を接合した凸条部を設けた板状の電極保持部材を設けたので、電解液の循環路を隔壁の全面にわたり配置することができるので電極室内での電解液の循環が十分に行われる剛性の大きな電解槽とすることができる。
また、図1(C)に示したように、陽極室隔壁8と陽極保持部材10との接合部11の背面側の陰極室隔壁9に陰極保持部材21との接合部24を設けることが好ましい。これによって陽極側から陰極側への電流の通電経路を短くすることができるので好ましい。
【0019】
図2は、本発明のイオン交換膜電解槽の電解液循環機構の一例を説明する図である。
図2(A)は、図1(A)において、B−B線での断面を説明する図であり、電解槽の上部に設けた気液分離室を説明する図である。
陽極室の電気分解領域よりも上部には陽極側気液分離室30を有しており、陽極側気液分離室30の陽極室隔壁8側には、電気分解領域と陽極側気液分離室30とを連通する隔壁側通路31を有している。陽極側気液分離室30内を部分的に上下に分離する断面がL字状の第一区画部材32が配置され、また第1区画部材とは、陽極側気液分離室内での高さが異なる位置から隔壁側から延びて陽極側気液分離室30内を部分的に上下に分離する断面がL字状の第二区画部材33が配置されており、第一区画部材32と第二区画部材33の間には上下に連通路34が形成されている。
【0020】
電気分解によって発生した気泡を含有した気液混相流体は、陽極保持部材10と陽極15との間に形成された空間を上昇し、隔壁側通路31および連通路34から陽極側気液分離室30へと流入し、発生気体を分離した電解液は陽極保持部材の上端部を越えて陽極室隔壁と陽極保持部材によって形成された陽極液循環通路16を陽極室の下方へと下降する。
【0021】
陽極側気液分離室30に設ける第一区画部材32および第二区画部材33は、陽極室の構造体を構成する陽極室枠体の一部を兼ねたものとしても良く、また陽極側気液分離室30内部に仕切り板35を設けるとともに、仕切り板35を陽極室枠体を兼ねた第一区画部材32および第二区画部材33に接合することにより、単位電解槽を積層して電解槽を組み立てる際に単位電解槽の荷重による変形を防止し、剛性の大きな電解槽とすることができる。
【0022】
また、陰極室の電気分解領域の上部には、陰極側気液分離室37が設けられており、陰極20と陰極保持部材21によって形成された空間を上昇した気液混相流体は、気体を分離した後に、陰極保持部材21と陰極室隔壁9とによって形成された、陰極液循環通路20を陰極室の下方へ下降する。
陰極側気液分離室37の内部にも、陰極室の構造体を構成する陰極室枠体38の一部を設け、陰極室枠体38に仕切り板39を所定の間隔で設けることによって、陰極室枠体38の電解槽を積層した際の荷重による変形を防止し、剛性の大きな電解槽とすることができる。
【0023】
図2(B)は、図1(A)において、C−C線での断面を説明する図であり、電解槽の下部の電解液の循環機構を説明する図である。
また、電解槽の下部の陽極保持部材10には下降液噴出口40が設けられており、気液分離室で気体を分離して陽極保持部材10と陽極室隔壁8とによって形成された陽極液循環通路12を下降した陽極液が下降液噴出口40から電極室内へ噴出し、陽極液供給管に連結された陽極室の下部に設けた陽極液供給通路41を通じて陽極液噴出口18から陽極室内へ噴出する陽極液をとともに混合されて陽極11面において電気分解を受ける。
【0024】
同様に、陰極室の下部には、陰極保持部材21の下部の開口部から下降した陰極液が噴出するとともに、陰極液供給管に連結した陰極液供給通路42を通じて陰極液噴出口43から陰極室内へ噴出する陰極液とともに、陰極20において電気分解を受ける。
また、電解槽ユニット2の下部には、電解槽の機械的な構造を保持し、電解槽の剛性を保つ電解槽枠体44を有している。
【0025】
なお、以上の説明では、電極室内での気泡の影響、および電解液の濃度分布の影響を受けやすい陽極室において、より気液分離性能と電解液の循環性能に優れた気液分離室を設ける例について説明をしたが、陰極側気液分離室においても陽極側気液分離室と同様の構造の気液分離室を設けても良い。
【0026】
図3は、本発明のイオン交換膜電解槽の他の実施例を説明する図である。
図3(A)は、陽極室側から電解槽ユニットを見た図である。また、図3(A)において、A−A線で切断した断面図を図3(B)に示す。
電解槽ユニット2は、陽極室6と陰極室7とから構成されており、陽極室6および陰極室7は、それぞれ平板状の陽極室隔壁8と陰極室隔壁9が電気的、および機械的に接合一体化されている。
陽極室隔壁8には、陽極保持部材10が帯状の接合部11を形成して接合されている。帯状の接合部11において陽極室隔壁8と陽極保持部材10が密着して接合されている。陽極保持部材10は、接合部11に接続された縦方向部10Aと、縦方向部に直角に交わる陽極室隔壁8に平行な横方向部10Bとから構成されており、横方向部10Bには凸条部13が形成され、凸条部13には陽極15が複数の個所において接合されており、陽極保持部材10を通じた陽極15の保持と陽極15への電気分解電流の通電が行なわれる。
【0027】
凸条部13は、頂部に電極を接合することができる幅を有しておれば十分であり、図3(B)に示すように金属板を山型に加工する際に形成された頂部であっても、あるいは頂部が平坦な形状を有しているものであっても良い。陽極室隔壁8と陽極保持部材10は、帯状の接合部によって陽極液循環通路16を形成している。
図3で示す形状の陽極保持部材10は、接合部に連なる縦方向部10Aの高さ、あるいは角度を変化させることによって、陽極液循環通路16の断面積を調整することが容易であり、陽極室の断面積に占める陽極液循環通路16の断面積を任意の割合とすることができる。
【0028】
また、平板状の陽極室隔壁8の全幅に均一に陽極保持部材10に接合し、陽極保持部材10の凸状部13に陽極15を接合することにより陽極室内での循環を均一なものとするとともに、強度が大きな電解槽とすることができる。
陽極保持部材10の陽極15面側の空間を上昇した気液混合流体が陽極室の上部で気液分離した電解液が、陽極液循環通路16を下降し、電極室の下部において電極面側の空間へ流出し、電解槽に設けた陽極液供給管17から供給されて、陽極液噴出口18から電極室内へ噴出する陽極液とともに陽極15において電気分解を受ける。
【0029】
陰極室7には、図1(B)で示したものと同様に、陰極20が陰極室隔壁9に接合された陰極保持部材21に取り付けられ、陰極室隔壁9と陰極保持部材21との間に陰極液循環通路22が形成されている。
陰極室隔壁9に接合した陰極保持部材21はバネ状の部材であり、陰極保持部材21は、陰極液循環通路22の流通方向に直角の面で切断した断面図は、左右対称であって、陰極20を取り付けた凸条部23の両側の帯状の接合部24において陰極室隔壁9と接合されているとともに、接合部24に隣接して接合部側凸条部25が設けられており、陰極20を取り付けた凸条部23が両側の凸条部25に比べて大きく対極面側に突出しており、陰極20とイオン交換膜面との距離を小さく保持する作用を果たしている。
【0030】
図4は、本発明のイオン交換膜電解槽の電解液循環機構の他の例を説明する図である。
図4(A)は、図3(A)において、B−B線での断面を説明する図であり、電解槽の上部に設けた気液分離室の他の例を説明する図である。
陽極室の電気分解領域よりも上部には陽極側気液分離室30を有しており、陽極側気液分離室30の陽極室隔壁8側には、電気分解領域と陽極側気液分離室30とを連通する隔壁側通路31を有し、陽極面側から延びて隔壁側通路31の壁面を形成する部材と接合された陽極側気液分離室30内を上下に分離する区画部材36を有している。
【0031】
電気分解によって発生した気泡を含有した気液混相流体は、陽極保持部材10と陽極15との間に形成された空間を上昇し、隔壁側通路31から陽極側気液分離室30へと流入し、発生気体を分離した電解液は陽極保持部材の上端部を越えて陽極室隔壁と陽極保持部材によって形成された陽極液循環通路16を陽極室の下方へと下降する。
【0032】
陽極側気液分離室30に設ける区画部材36は、陽極室の構造体を構成する陽極室枠体の一部を兼ねたものとしても良く、また陽極側気液分離室30内部に仕切り板35を設けるとともに、仕切り板35を陽極室枠体を兼ねた区画部材36に接合することにより、単位電解槽を積層して電解槽を組み立てる際に単位電解槽の荷重による変形を防止し、剛性の大きな電解槽とすることができる。
【0033】
また、陰極室の電気分解領域の上部には、陰極側気液分離室37が設けられており、陰極20と陰極保持部材21によって形成された空間を上昇した気液混相流体は、気体を分離した後に陰極保持部材21と陰極室隔壁9とによって形成された陰極液循環通路22を陰極室の下方へ下降する。
陰極側気液分離室37の内部にも、陰極室の構造体を構成する陰極室枠体38の一部を設け、陰極室枠体38に仕切り板39を所定の間隔で設けることによって、陰極室枠体38の電解槽を積層した際の荷重による変形を防止し、剛性の大きな電解槽とすることができる。
【0034】
また、図4(B)に、図3(A)における、C−C線での断面を説明する図を示すように、電解槽の下部の陽極保持部材10には下降液噴出口40が設けられており、陽極液は気液分離室で気体を分離し陽極保持部材10と陽極室隔壁8とによって形成された陽極液循環通路16を下降し、下降液噴出口40から電極室内へ噴出して電解槽の下部に設けた陽極液供給通路41から供給されて陽極液噴出口18から陽極室内へ噴出する陽極液とともに混合されて陽極15において電気分解を受ける。
【0035】
同様に、陰極室7の下部には、陰極保持部材21の下部の開口部から下降した陰極液が噴出するとともに、陰極液供給通路42を通じて供給されて陰極液噴出口43から陰極室内へ噴出する陰極液とともに、陰極20において電気分解を受ける。
また、イオン交換膜電解槽1の下部には、電解槽の機械的な構造を保持し、電解槽の剛性を保つ電解槽枠体44を有している。
【0036】
図5は、本発明のイオン交換膜電解槽の他の実施例を説明する図である。
図5(A)は、陽極室側から電解槽ユニットを見た図である。また、図5(A)において、A−A線で切断した断面図を図5(B)に示す。
イオン交換膜電解槽の複極式の電解槽ユニット2は、陽極室6と陰極室7とから構成されており、陽極室6および陰極室7は、それぞれ平板状の陽極室隔壁8と陰極室隔壁9が電気的および機械的に接合一体化されている。
【0037】
陽極室隔壁8には、陽極保持部材10が帯状の接合部11を形成して接合されており、帯状の接合部11において陽極室隔壁8と陽極保持部材10が密着して接合されている。両者は連続した溶接部によって溶接されて接合されていなくても良い。すなわち両者を密着した状態で多数のスポット溶接部12によって接合することによって陽極保持部材10と陽極室隔壁8とが密着し、両者の導電接続と陽極保持部材10と陽極室隔壁8の間で形成される空間が反対側の空間と分離されている。
【0038】
陽極保持部材10の隣接する帯状の接合部11の間には凸条部13が形成され、凸条部13と帯状の接合部11の間は平面部14で結合されている。また、凸状部13には、陽極15が複数の個所において接合されており、陽極15の保持と陽極への電気分解電流の通電が行なわれている。
【0039】
凸条部13は、頂部に電極を接合することができる幅を有しておれば十分であり、金属板を三角形状に折り曲げ加工することによって形成された凸条部であっても、隔壁に平行な面を有する凸条部であっても良い。陽極保持部材を別個の部材として作製しても、プレス成形によって複数個が連結した部材を作製しても良く、あるいは陽極室隔壁に配置するすべての陽極保持部材を、一枚の金属板のプレス成型によって製造したものであっても良い。
【0040】
また、陰極室7の陰極保持部材21は、隣接する接合部24の間には少なくとも三個の、隔壁との接合部とは反対側へ突出した凸条部を形成した可撓性の電極支持部材を有し、該凸条部のうち陰極室隔壁方向への押圧時の変位量が最も大きな凸条部23に電極が接合されており、接合部側凸条部25が接合部24とは90度近傍の角度をなしている。
【0041】
これにより、電解槽の運転時に何らかの原因で陰極室側の圧力が低くなり、イオン交換膜が陽極室側から陰極側へ押し付けられた場合にも、陰極20は凸状部23よりも変位量が小さな接合部側凸状部25おいても保持されることとなり、陰極20あるいは陰極保持部材21が回復しがたい変形を生じることを防止することができる。
【0042】
図6は、図5で示した押圧時の陰極の挙動を説明する図である。
電解槽の運転中の圧力異常時に陽極室側の圧力が陰極室側の圧力に比べて大きくなると、イオン交換膜によって陰極面に作用する圧力によって、陰極保持部材21が陰極室隔壁9側へ変位するが、陰極保持部材21の陰極室隔壁9とは反対側へ突出した凸条部のうち陰極室隔壁側への変位量が最も大きな凸条部23に陰極20が接合されているので、図6(A)に示すように、陰極20が陰極室隔壁9側へ押圧力Fで押圧された場合には、接合部の両側に位置する接合部側凸条部25は、押圧時の変位量が小さいので、陰極を接合した凸条部の開角度θが大きくなり、陰極20が陰極室隔壁9側へ変位する。
【0043】
そして、図6(B)に示すように、接合部側凸条部25の高さ、および変位量と、陰極20を接合した凸条部23の変位量、陰極を接合した凸条部の両側に形成した陰極室隔壁側へ向かって突出した凹条部26の大きさを調整することによって、陰極面が接合部側凸条部25に接した際に、同時に凹条部26の先端が陰極室隔壁9に接触するように設定することによって陰極に加わる圧力を多数の接触点で分散するようにすることができる。
【0044】
また、陰極保持部材に陰極を接合した凸条部の変位量は、陰極保持部材の他の部分に比べて押圧時の変形を大きくするためには、凸条部23の一部、もしくは全部の厚みを小さくしたり、図6(C)に、陰極保持部材の斜視図を示すように、凸条方向に沿って横長の孔27を形成する等の方法によって実現することができる。
【0045】
その結果、押圧された場合には凸条部は比較的小さな圧力によって開角度θが大きくなり陰極隔壁方向へ変形するものとなる。
小さな押圧力によって変位する凸条部に装着した陰極は、通常の電解槽の運転時には、陰極面に近接して配置してもイオン交換膜面を大きな圧力で押圧してイオン交換膜に損傷を及ぼす等の怖れはなく、安定した運転が可能となる。
【0046】
図7は、本発明のイオン交換膜電解槽の他の実施例を説明する図である。
図7(A)は、陽極室側から電解槽ユニットを見た図である。また、図7(B)において、A−A線で切断した断面図を図7(B)に示す。
イオン交換膜電解槽の複極式の電解槽ユニット2は、陽極室6と陰極室7とから構成されており、陽極室6および陰極室7は、それぞれ平板状の陽極室隔壁8と陰極室隔壁9が電気的および機械的に接合一体化されている。
【0047】
陽極室隔壁8には、陽極保持部材10が帯状の接合部11を形成して接合されており、帯状の接合部11において陽極室隔壁8と陽極保持部材10が密着して接合されている。両者は線状の溶接部によって溶接されて接合されていなくても、両者を密着した状態で多数のスポット溶接部12において接合することによって陽極保持部材10と陽極室隔壁8とが密着し、両者の導電接続と陽極保持部材10と陽極室隔壁8の間で形成される空間が反対側の空間と分離されていればよい。
陽極保持部材10の隣接する帯状の接合部11の間には凸条部13が形成され、凸条部13と帯状の接合部11の間は平面部14で結合されている。また、凸状部13には、陽極15が複数の個所において接合されており、陽極15の保持と陽極への電解電流の通電が行なわれている。
【0048】
また、陰極室7の陰極保持部材21は、隣接する接合部24の間には少なくとも三個の、隔壁との接合部側とは反対側へ突出した凸条部を形成した可撓性の電極支持部材を有し、該凸条部のうち陰極室隔壁方向への押圧時の変位量が最も大きな凸条部23には、凸条の方向に横長の開口部を間隔を設けて形成し、凸条部23の変位を大きくするとともに、凸条部保護部材28を配置したものである。凸条部保護部材28を設けることによって、陰極保持部材21の変位量を大きくするために凸条部23の厚みを薄くしたり、凸条に沿って開口部を設けたことによって、凸条部23への陰極20の溶接個所が不確実となることを防止することができる。
【0049】
また、凸条部保護部材28の開角度θは、陰極が接合部側凸条部25と接触する凸条部の最大開角度とすることが好ましい。この様にすることによって、押圧されて凸条部が開いた場合にも、凸条部が大きく変形することを防止する。また、凸条部保護部材は、陰極保持部材に比べて厚みが大きく、剛性が大きな材料で作製することにより、陰極に異常に大きな圧力が加わった際に凸条部が大きく変形することを制限し、陰極の変形を防止する作用をより大きなものとすることができる。
【0050】
また、接合部24と接合部側凸条部25を結ぶ面が陰極室隔壁となす角度は、90度以上、100度以下とすることが好ましく、これによって接合部側凸条部25は陰極が押圧された場合に陰極保持部材の変形を小さくすることができ、陰極20あるいは陰極保持部材21が回復しがたい変形を生じることを防止することができる。
【0051】
本発明のイオン交換膜電解槽は、上記した陽極室と陰極室を有する複極式の電解槽ユニットの複数個を積層し、両端部には、陰極室のみを有する陰極側端部電解槽と陽極室のみを有する陽極側端部電解槽を積層することによって作製することができる。
【0052】
本発明のイオン交換膜電解槽の陽極室隔壁には、チタン、タンタル、ジルコニウム等の薄膜形成性金属あるいはこれらの合金を用いることができる。陽極には、チタン、タンタル、ジルコニウム等の薄膜形成性金属あるいはこれらの合金の表面に、白金族金属、白金族金属の酸化物を含有する電極触媒物質の被覆を形成した陽極を用いることができる。
【0053】
また、陰極室隔壁には、ニッケル、ニッケル合金等を用いることができ、陰極には、ニッケル、ニッケル合金の多孔体、網状体、エキスパンデッドメタル、あるいはこれらを基体として、表面に白金族金属含有層、ラネーニッケル含有層、活性炭含有ニッケル層等の電極触媒物質の被覆を形成し、水素過電圧を低下させたものを用いることができる。また、陰極液循環通路形成部材は、陰極室隔壁と同一の材料を用いることができる。
【0054】
また、陽極保持部材、陰極保持部材は、それぞれ陽極室隔壁、陰極室隔壁と同一の材料を用いて作製することができ、個別に作製した陽極保持部材、陰極保持部材を、陽極室隔壁、陰極室隔壁に接合したものでも、あるいは複数個の陽極保持部材、陰極保持部材、あるいはすべての陽極保持部材、陰極保持部材を一体にプレス成形によって作製して、それぞれ陽極室隔壁、陰極室隔壁に接合しても良い。
【0055】
本発明のイオン交換膜電解槽をアルカリ金属ハロゲン化物の水溶液の電気分解、例えば食塩水の電気分解に用いる場合には、陽極室には、飽和食塩水を供給し、陰極室には水または希薄水酸化ナトリウム水溶液を供給し、所定の分解率で電気分解を行った後に電解槽から取り出される。
また、食塩水のイオン交換膜電解槽による電気分解においては、陰極室の圧力を陽極室の圧力よりも高く保持して電気分解が行われ、イオン交換膜は陽極に密着した状態で運転が行われるが、陰極保持部材はバネ性の部材であって変位量が大きな凸条部に陰極が接合されているので、陰極をイオン交換膜面に所定の距離に近づけて電気分解をすることができることができる。
【発明の効果】
本発明のイオン交換膜電解槽によれば、平板状の陽極室隔壁と陰極室隔壁を帯状の接合部を形成して接合され、隣接する接合部の間には電極を接合した凸条部を有する板状の電極保持部材を設けたので、電極保持部材の電極面側の空間は電極室内の流体の上昇流路を形成し、隔壁側の空間は電極室内の流体の下降通路を電極室内の全面に形成したので、電解液の循環を効率的に行うことが可能であるとともに、電極保持部材を全面に配置したので、剛性の大きなイオン交換膜電解槽を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明のイオン交換膜電解槽の一実施例を説明する図である。
【図2】図2は、本発明のイオン交換膜電解槽の電解液循環機構の一例を説明する図である。
【図3】図3は、本発明のイオン交換膜電解槽の他の実施例を説明する図である。
【図4】図4は、本発明のイオン交換膜電解槽の電解液循環機構の他の例を説明する図である。
【図5】図5は、本発明のイオン交換膜電解槽の他の実施例を説明する図である。
【図6】図6は、図5で示した押圧時の陰極の挙動を説明する図である。
【図7】図7は、本発明のイオン交換膜電解槽の他の実施例を説明する図である。
【図8】図8は、従来のイオン交換膜電解槽を説明する図である。
【図9】図9は、従来の他の構造のイオン交換膜電解槽を説明する図である。
【符号の説明】
1…イオン交換膜電解槽、2…電解槽ユニット、2A…陰極室ユニット、2B…陽極室ユニット、3…フランジ面、4…ガスケット、5…イオン交換膜、6…陽極室、7…陰極室、8…陽極室隔壁、9…陰極室隔壁、10…陽極保持部材、10A…縦方向部、10B…横方向部、11…接合部、12…スポット溶接部、13…凸条部、14…平面部、15…陽極、16…陽極液循環通路、17…陽極液供給管、18…陽極液噴出口、19…陽極液排出口、20…陰極、21…陰極保持部材、22…陰極液循環通路、23…凸条部、24…接合部、25…接合部側凸条部、26…凹条部、27…横長の孔、28…凸条部保護部材、30…陽極室側気液分離室、31…隔壁側通路、32…第一区画部材、33…第二区画部材、34…連通路、35…仕切り板、36…区画部材、37…陰極室側気液分離室、38…陰極室枠体、39…仕切り板、40…下降液噴出口、41…陽極液供給通路、42…陰極液供給通路、43…陰極液噴出口、44…電解槽枠体、F…押圧力、θ…開角度[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an ion exchange membrane electrolytic cell, and more particularly to a bipolar filter press type ion exchange membrane electrolytic cell.
[0002]
[Prior art]
A bipolar filter-press type ion exchange membrane electrolytic cell is used in which a large number of electrolytic cell units in which an anode chamber partition wall and a cathode chamber partition wall are mechanically and electrically joined are laminated via an ion exchange membrane. .
[0003]
FIG. 8 is a diagram for explaining a conventional ion exchange membrane electrolytic cell.
FIG. 8 (A) is a view as seen from the anode chamber side of the electrolytic cell unit of the bipolar ion exchange membrane electrolytic cell, FIG. 8 (B) is a cross-sectional view, and FIG. It is sectional drawing cut | disconnected by A. FIG.
An
[0004]
Since the ion exchange membrane electrolytic cell has a height of about 1 m in the vertical direction and a width of about 2 m in the horizontal direction, in order to perform electrolysis efficiently, It is required to reduce the concentration distribution of the electrolyte. In order to reduce the concentration distribution in the electrode chamber, there is a method to circulate the electrolyte solution by arranging a pump for circulating the electrolyte solution. However, the internal circulation is performed using the buoyancy of the gas generated by electrolysis. This is a method that does not require a circulation pump. In order to facilitate the internal circulation, it has been proposed to arrange an internal circulation member in the electrode chamber.
However, disposing an internal circulation member in the electrode chamber separately from the anode rib and the cathode rib requires many members necessary for the construction of the electrolytic cell, and the internal circulation performance is insufficient.
[0005]
FIG. 9 is a diagram illustrating an ion exchange membrane electrolytic cell having another conventional structure.
FIG. 9A is a view seen from the anode chamber side of the unit cell of the bipolar ion exchange membrane electrolytic cell, and FIG. 9B is a perspective view of the partition plate.
The electrolytic cell shown in FIG. 9 is a bipolar ion exchange membrane electrolytic cell proposed by the present applicant in Japanese Patent Laid-Open No. 5-9774.
The anode
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In the ion exchange membrane electrolytic cell, the present invention provides a good rise in the generated gas in the anode chamber and the cathode chamber and good internal circulation of the electrolyte using the downflow after separating the gas, good electrolysis efficiency, and rigidity. An object of the present invention is to provide a large ion exchange membrane electrolytic cell.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
An object of the present invention is to provide a plate-like anode chamber partition and a plate-like cathode chamber partition which are joined in an ion exchange membrane electrolytic cell, and are joined to each other by forming a strip-like joint on at least one partition. There is a plate-like electrode holding member provided with a protruding strip portion to which an electrode is bonded between the bonding portions, and the bonding portion of the electrode holding member and the protruding strip portion are respectively coupled with one plane, The space on the electrode surface side of the electrode holding member forms an ascending flow path for the fluid in the electrode chamber, and the space on the opposite side forms a descending flow path for the electrolyte that separates the gas in the upper part of the electrode chamber, and holds the anode Either the member or the cathode holding member is formed of a spring-like member, and the spring-like member has at least three ridges projecting to the side opposite to the joint side with the partition wall, The protrusion with the largest displacement when pressed is formed by cutting out a part. The ridge protection member having the maximum opening angle of the ridge having the largest displacement as the opening angle is solved by an ion exchange membrane electrolytic cell in which the ridge having the largest displacement is coupled. Can do.
[0009]
It is the said ion exchange membrane electrolytic cell which joined the electrode to the protruding item | line part with the largest displacement amount when pressing among protruding item | lines.
The protruding portion having the largest displacement is the ion exchange membrane electrolytic cell formed by cutting out a part of the protruding portion.
When the electrode comes into contact with the protruding portion adjacent to the joint, the protruding portion protection member having the maximum opening angle of the protruding portion with the largest displacement amount is coupled to the protruding portion with the largest displacement amount. It is the said ion exchange membrane electrolytic cell.
In the ion exchange membrane electrolytic cell, the movement of the electrode is restricted by the convex portion adjacent to the joint portion when the electrode joined to the convex portion having the largest displacement amount is pressed toward the partition wall.
[0010]
In this way, it is possible to set the distance between the electrodes to a predetermined size by joining the electrodes to the ridges and providing a member that limits the opening angle on the ridges. In addition, even when pressed from the counter electrode chamber side due to pressure fluctuations, the opening angle of the ridges is limited, and it is possible to prevent large deformation.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the ion exchange membrane electrolytic cell of the present invention, the partition walls partitioning the anode chamber and the cathode chamber are each formed in a flat plate shape, and each flat plate partition wall is bonded by forming a band-shaped joint between the partition walls. Since the plate-like electrode holding member provided with the protruding strip portion to which the electrode is joined is provided between the joint portions, the electrode holding member serves as a structural member of the unit electrolytic cell for holding the electrode, and the rigidity of the electrolytic cell. In addition, since the circulation path of the electrolytic solution is disposed over the entire surface of the electrode chamber, the electrolytic efficiency is enhanced by making the circulation of the electrolytic solution in the electrode chamber more satisfactory.
[0012]
The present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a view for explaining an embodiment of the ion exchange membrane electrolytic cell of the present invention.
FIG. 1A is a diagram for explaining a cross section of an ion exchange membrane electrolytic cell in which a plurality of electrolytic cell units are stacked, and FIG. 1B is a diagram of the electrolytic cell unit viewed from the anode chamber side. . In addition, a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 1B is illustrated in FIG.
As shown in FIG. 1A, the ion exchange membrane
An
[0013]
An anode chamber side gas-
The bipolar
[0014]
An
A protruding
[0015]
It is sufficient that the
Moreover, when the
[0016]
An
[0017]
On the other hand, in the
The
[0018]
In the ion exchange membrane electrolytic cell of the present invention, the partition walls partitioning the anode chamber and the cathode chamber are each formed in a flat plate shape, and a strip-shaped junction is formed between the partition walls on each of the flat partition walls. Since a plate-like electrode holding member provided with protruding strips joined with electrodes is provided between the electrodes, the electrolyte circulation path can be arranged over the entire surface of the partition wall, so that the electrolyte is sufficiently circulated in the electrode chamber. It is possible to provide a highly rigid electrolytic cell.
Further, as shown in FIG. 1C, it is preferable to provide a
[0019]
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of an electrolyte solution circulation mechanism of the ion exchange membrane electrolytic cell of the present invention.
FIG. 2A is a view for explaining a cross section taken along line BB in FIG. 1A, and is a view for explaining a gas-liquid separation chamber provided in the upper part of the electrolytic cell.
The anode side gas-
[0020]
The gas-liquid mixed phase fluid containing bubbles generated by electrolysis rises in the space formed between the
[0021]
The
[0022]
In addition, a cathode side gas-
A part of the
[0023]
FIG. 2B is a view for explaining a cross section taken along line CC in FIG. 1A, and is a view for explaining an electrolyte solution circulation mechanism at the lower part of the electrolytic cell.
Further, the
[0024]
Similarly, the catholyte descending from the opening at the bottom of the
Further, below the
[0025]
In the above description, a gas-liquid separation chamber having better gas-liquid separation performance and electrolyte circulation performance is provided in the anode chamber that is easily affected by bubbles in the electrode chamber and the concentration distribution of the electrolyte. Although an example has been described, a gas-liquid separation chamber having the same structure as that of the anode-side gas-liquid separation chamber may be provided in the cathode-side gas-liquid separation chamber.
[0026]
FIG. 3 is a view for explaining another embodiment of the ion exchange membrane electrolytic cell of the present invention.
FIG. 3A is a view of the electrolytic cell unit viewed from the anode chamber side. 3A is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
The
An
[0027]
It is sufficient that the
The
[0028]
Further, the
The electrolytic solution obtained by gas-liquid separation of the gas-liquid mixed fluid that has risen in the space on the
[0029]
In the
The
[0030]
FIG. 4 is a diagram for explaining another example of the electrolyte circulation mechanism of the ion exchange membrane electrolytic cell of the present invention.
FIG. 4A is a view for explaining a cross section taken along line BB in FIG. 3A, and is a view for explaining another example of the gas-liquid separation chamber provided in the upper part of the electrolytic cell.
The anode side gas-
[0031]
The gas-liquid mixed phase fluid containing bubbles generated by the electrolysis rises in the space formed between the
[0032]
The
[0033]
In addition, a cathode side gas-
A part of the
[0034]
Further, as shown in FIG. 4B, a view for explaining a cross section taken along the line CC in FIG. 3A is provided, the
[0035]
Similarly, the catholyte descending from the lower opening of the
Further, below the ion exchange membrane
[0036]
FIG. 5 is a view for explaining another embodiment of the ion exchange membrane electrolytic cell of the present invention.
FIG. 5A shows the electrolytic cell unit viewed from the anode chamber side. FIG. 5B is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
The bipolar
[0037]
An
[0038]
A protruding
[0039]
It is sufficient for the
[0040]
Further, the
[0041]
Thereby, the pressure on the cathode chamber side is lowered for some reason during the operation of the electrolytic cell, and even when the ion exchange membrane is pressed from the anode chamber side to the cathode side, the
[0042]
FIG. 6 is a diagram for explaining the behavior of the cathode during pressing shown in FIG.
When the pressure on the anode chamber side becomes larger than the pressure on the cathode chamber side when the pressure is abnormal during operation of the electrolytic cell, the
[0043]
Then, as shown in FIG. 6B, the height and displacement amount of the joint-
[0044]
In addition, the displacement amount of the ridge portion in which the cathode is joined to the cathode holding member is set to be a part or all of the
[0045]
As a result, when pressed, the ridge is increased in opening angle θ by a relatively small pressure and deformed in the direction of the cathode partition.
The cathode mounted on the ridge that is displaced by a small pressing force may damage the ion exchange membrane by pressing the ion exchange membrane surface with a large pressure even if it is placed close to the cathode surface during normal electrolytic cell operation. There is no fear of impact and stable operation is possible.
[0046]
FIG. 7 is a view for explaining another embodiment of the ion exchange membrane electrolytic cell of the present invention.
FIG. 7A shows the electrolytic cell unit viewed from the anode chamber side. FIG. 7B shows a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 7B.
The bipolar
[0047]
An
A protruding
[0048]
Further, the
[0049]
Moreover, it is preferable that the opening angle θ of the protruding
[0050]
The angle formed by the surface connecting the joint 24 and the joint-
[0051]
The ion exchange membrane electrolytic cell of the present invention comprises a plurality of bipolar electrode units each having the above-described anode chamber and cathode chamber, and a cathode side end electrolytic cell having only a cathode chamber at both ends. It can be produced by stacking anode side end electrolytic cells having only an anode chamber.
[0052]
A thin film forming metal such as titanium, tantalum or zirconium or an alloy thereof can be used for the anode chamber partition wall of the ion exchange membrane electrolytic cell of the present invention. As the anode, an anode in which a coating of an electrocatalytic substance containing a platinum group metal or an oxide of a platinum group metal is formed on the surface of a thin film forming metal such as titanium, tantalum or zirconium or an alloy thereof can be used. .
[0053]
In addition, nickel, nickel alloy, or the like can be used for the cathode chamber partition wall, and the cathode is made of nickel, a porous body of nickel alloy, a net-like body, an expanded metal, or a platinum group metal on the surface thereof. A coating in which an electrode catalyst material such as a containing layer, a Raney nickel-containing layer, an activated carbon-containing nickel layer, or the like is formed and the hydrogen overvoltage is reduced can be used. Moreover, the same material as the cathode chamber partition can be used for the catholyte circulation passage forming member.
[0054]
The anode holding member and the cathode holding member can be manufactured using the same material as the anode chamber partition and the cathode chamber partition, respectively. Even those bonded to the chamber partition walls, or a plurality of anode holding members, cathode holding members, or all anode holding members and cathode holding members are integrally manufactured by press molding, and bonded to the anode chamber partition walls and the cathode chamber partition walls, respectively. You may do it.
[0055]
When the ion exchange membrane electrolytic cell of the present invention is used for electrolysis of an aqueous solution of an alkali metal halide, for example, electrolysis of brine, saturated saline is supplied to the anode chamber, and water or dilute is supplied to the cathode chamber. A sodium hydroxide aqueous solution is supplied, electrolyzed at a predetermined decomposition rate, and then taken out from the electrolytic cell.
Also, in the electrolysis using saline ion exchange membrane electrolytic cell, the electrolysis is performed with the pressure in the cathode chamber kept higher than the pressure in the anode chamber, and the ion exchange membrane is operated in close contact with the anode. However, since the cathode holding member is a spring-like member and the cathode is bonded to the protruding portion having a large displacement, the cathode can be electrolyzed close to a predetermined distance on the surface of the ion exchange membrane. Can do.
【The invention's effect】
According to the ion exchange membrane electrolytic cell of the present invention, the plate-like anode chamber partition and the cathode chamber partition are joined by forming a strip-like joint, and the protruding strip part joining the electrodes is provided between the adjacent joints. Since the electrode holding member having a plate shape is provided, the space on the electrode surface side of the electrode holding member forms an ascending flow path for fluid in the electrode chamber, and the space on the partition wall serves as a descending passage for fluid in the electrode chamber. Since it is formed on the entire surface, it is possible to efficiently circulate the electrolytic solution, and since the electrode holding member is disposed on the entire surface, a highly rigid ion exchange membrane electrolytic cell can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram for explaining an embodiment of an ion exchange membrane electrolytic cell of the present invention.
FIG. 2 is a diagram for explaining an example of an electrolyte circulation mechanism of the ion exchange membrane electrolytic cell of the present invention.
FIG. 3 is a view for explaining another embodiment of the ion exchange membrane electrolytic cell of the present invention.
FIG. 4 is a diagram for explaining another example of the electrolyte circulation mechanism of the ion exchange membrane electrolytic cell of the present invention.
FIG. 5 is a view for explaining another embodiment of the ion exchange membrane electrolytic cell of the present invention.
6 is a diagram for explaining the behavior of the cathode during pressing shown in FIG. 5. FIG.
FIG. 7 is a view for explaining another embodiment of the ion exchange membrane electrolytic cell of the present invention.
FIG. 8 is a diagram illustrating a conventional ion exchange membrane electrolytic cell.
FIG. 9 is a diagram for explaining an ion exchange membrane electrolytic cell having another conventional structure.
[Explanation of symbols]
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