JP4121137B2 - イオン交換膜電解槽 - Google Patents
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Description
食塩水の電気分解に使用するイオン交換膜電解槽等においては、陽極、イオン交換膜、陰極の三者を密着状態に配置して電解槽電圧を低下させているが、電極面積が数平方メートルにも達する大型の電解槽では、陽極、陰極を剛性の部材によって電極室に結合した場合には、両電極をイオン交換膜に密着させて電極間隔を小さくして所定の値に保持することは困難であった。
これらの電極は、可撓性の部材が金属細線から構成されているので、対極からの逆圧によって過度に押圧された場合には、部分的に変形して電極間の間隔が不均一なものとなったり、細線がイオン交換膜に突き刺さる等の問題点があった。
平板ばね状体を用いた可撓性の電極にあっては、細線からなる部材等を用いたものに比べると押圧の際の部分的な変形に対する挙動は優れているものの、これらの電解槽では、平板ばね状体は、可撓性の陰極保持部材からすべて同一の方向へと斜めに延びるものである。
また、遊動取付手段は、電極取付部と係合部材に係合する係合部を設けた脚部を有し、遊動取付手段の少なくとも一方の脚部は、電極保持部材が電極室隔壁との帯状の接合部から電極室隔壁面に対して垂直方向に立ち上がる壁面に設けた開口部からなる係合部に係合されて電極面に垂直な方向のみに移動可能である前記のイオン交換膜電解槽である。
平板ばね状体は電極保持部材の板状体から傾斜して延びる複数の同一の長さの櫛状のばね状体である前記のイオン交換膜電解槽である。
平板ばね状体が結合された板状体は、平板状の電極室隔壁に帯状の接合部によって接合され、電極室隔壁との間に空間を形成した電極室隔壁と平行な部分に形成されたものであり、電極室隔壁との間に形成した空間を電解液の下降流路とし、電極側には電解液の上昇流路を形成した前記のイオン交換膜電解槽である。
その結果、電極面に接触するイオン交換膜等に損傷を及ぼす危険はなくなるとともに、大面積の電極にあっても電極の横ずれ等が生じることなくイオン交換膜との距離を所望の大きさに設定することを可能としたものである。
図1は、本発明の電解槽の一実施例を説明する図であり、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、電解槽ユニットの陰極側から見た平面図であり、図1(C)は、図1(B)において、A−A’線で切断した断面図である。
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をイオン交換膜3を介して積層して組み立てられている。
電解槽ユニット2には、陽極室隔壁4から間隔を設けて陽極5が配置され、陽極室6が形成されている。また、陰極室隔壁7から間隔を設けて陰極8が配置されており、陰極室隔壁7とイオン交換膜3の間に陰極室9が形成されており、電解槽ユニット2の周囲には枠体10が設けられており、電解槽ユニット2の変形を防止している。
また、陽極室6、陰極室9の上部には、それぞれ陽極室側気液分離手段30、陰極室側気液分離手段31が設けられている。
また、電解槽ユニット2の陰極室6には、陰極液供給管33が取り付けられ、陰極室側気液分離手段31には、濃度が低下した陰極液と気体を排出する陰極室排出管35が取り付けられている。
なお、陽極液供給管、陰極液排出管は、図に示すように、それぞれを同一の側に配置する例を示したが、供給管と排出管を対向して配置しても良く、また陽極液供給管と陰極液供給管を同一の側に配置しても良い。
このように、陰極室内における電解液の循環が促進されるので、陰極液の濃度分布が均一となり、電気分解が効率的に行われる。
接合部18Aには、陽極保持部材15が安定に装着されるように、陽極室隔壁4側の面には凹部18Bが形成されており、陽極5側へ突出した凸部18Cには陽極5が接合されている。
遊動取付手段20の陰極を取り付けた部分すなわち電極結合部21は、陰極8の対極面側、すなわち陽極面側に形成された凹部8Aにおいて陰極8を結合している。また、陰極8に形成した凹部8Aは陰極8が多少の変動等をしても対極面から結合部材23の頂部が突出することがない深さを有している。
また、遊動取付手段20は、陰極室隔壁7と直角方向への所定の距離の移動を可能としたものであって、陰極の陰極室隔壁に平行な方向への移動を制限し、平板ばね状体12による電極間隔の調整を可能としている。
その結果、遊動取付手段は、陰極室隔壁と直角方向の移動を可能とすることができるので、陰極を陰極室隔壁と直角方向の位置を調整することができる。
また、平板ばね状体の大きさは、電解槽の電極面積等に応じて定めることができるが、厚さ0.2mmないし0.5mm、幅2mmないし10mm、長さ20mmないし50mmのものを挙げることができる。
また、平板ばね状体および平板ばね状体保持部材を陽極側に設ける場合には、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。
図2(A)は、電解槽ユニットの枠体に隣接する側の陰極の一部を切り欠いた斜視図であり、平板ばね状体保持部材11は、帯状の接合部13において陰極室隔壁7と平板ばね状体保持部材11が密着して接合されている。
平板ばね状体保持部材11は、接合部13に接続された縦方向部11Aと、陰極室隔壁に平行な横方向部11Bとから構成されており、該横方向部11Bには、平板ばね状部材が櫛状に互いに対向して相互に差し込んで結合された平板ばね状体12が形成されており、平板ばね状体保持部材11と陰極室隔壁7の間には、陰極液循環通路14が形成されている。
凹部8Aは、結合部材23が陰極8の対極面側から突出しない深さを有しており、遊動取付手段20の脚部24には係合部25が設けられており、平板ばね状体保持部材11の縦方向部11Aに設けた開口部26に係合している。
その結果、遊動取付手段20は、陰極室隔壁7と直角方向のみに移動が制限されるので、陰極は、陰極室隔壁と平行な方向への位置ずれ等を生じることなく陰極室隔壁と直角方向への距離を調整可能とした安定した保持が可能となる。
また、残存部29は、すべての平板ばね状体12の間に設けなくても良く、部材の剛性等を考慮して配置個所、配置個数を決定することができる。
陰極8と平板ばね状体保持部材11との間の間隔を小さくした場合に陰極8と平板ばね状体12との動きが円滑なものとなり、電極間の間隔の調整が円滑に行われるとともに、電極と平板ばね状体との導電接続も確実なものとなる。
図3(A)は、電解槽ユニットの枠体に隣接する電極の一部を切り欠いた斜視図である。
電解槽ユニットの枠体に最も近い部分は、平板ばね状体保持部材11の縦方向部11Aと、平板ばね状体保持部材11と一体に形成され、端部の帯状の接合部13から縦方向部11と同様に陰極室隔壁に対して直角方向に延びた一体型遊動取付手段係合部材27Aから構成されている。そして、遊動取付手段20は縦方向部11と同様に陰極室隔壁と直角方向に延びた一体型遊動取付手段係合部材27Aに設けた開口部26に係合されて保持されている。
この例で示した電解槽では、すべての遊動取付手段を係合する部材が、平板ばね状体保持部材11と一体に構成されているので、電解槽ユニットの製造においては、遊動取付手段の係合部は、遊動取付手段の係合部用の開口部を形成した平板ばね状体保持部材を陰極室隔壁に結合するのみで製造することが可能である。
この例で示した電解槽では、遊動取付手段20の個数に見合った数の部材を個別に取り付けることが必要となるので、先に示した電解槽に比べて組立工程が増加するが、材料の使用量を減少させることができ、また電解槽内の電解液の流動等に及ぼす影響を小さくすることが可能となる。
図4(A)は、遊動取付手段の一例を説明する図であり、断面図である。
遊動取付手段20は平板ばね状体保持部材11の対向する2個の縦方向部11Aの間に装着されており、陰極8の対極面側、すなわち陽極面側に形成された凹部8Aを電極結合部21において、結合孔22を貫通する結合部材23によって固定されている。
また、遊動取付手段20はその脚部24に設けた係合部25を、両側に位置する開口部26に係合して保持されているので、開口部の下部および上部で上下の移動の制限を受けるとともに、2個の縦方向部11Aの内部に製造上の遊びを設けて装着されるので、紙面の横方向及びその直角方向への動きが制限され、図示していない平板ばね状体の反発力とつり合って所定の位置に電極面を保持することができる。
また、陰極8に形成した凹部8Aは陰極8が多少の変動等をしても対極面から電極結合部23の頂部23が突出することがない深さとすることが好ましい。
図4(B)に示す遊動取付手段20は、図4(A)に示したものと、結合部22および結合部材23の構造が異なっている点を除き、図4(A)に示すものと同様の構造を有している。
結合部22には、結合部材23の挿入によって結合孔が押し広げられて固着されるように、結合部には挿入方向から径が漸減するように傾斜結合孔22Aが形成されている。
また、曲面状結合部材頭部23Cおよび曲面状結合部材軸部23Dを有しているので電解液の抵抗を小さくことができる。
遊動取付手段と陰極との結合は各種の取付手段によって行うことが可能であるが、図4で示したように、遊動取付手段の結合部に設けた結合孔に嵌合させることによって固定が結合が可能な部材で行うことが好ましい。
また、結合部材としては、電解室内の環境において影響を受けないものであれば任意の材料を用いることができるが、例えば、電解液中で安定したゴム、フッ素樹脂で作製した部材を用いることが好ましい。
板材以外にも、線材、エキスパンデッドメタル等で作製したものを利用することができる。
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、陰極は可撓性の平板ばね状体によって保持されているので、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。また、異常時に陽極室側の圧力が大きくなった場合においても、平板ばね状体は復元力が大きく、圧力が取り除かれた後には所定の間隔を保持した運転が可能となる。
Claims (4)
- イオン交換膜電解槽において、少なくとも一方の電極は、平板状の電極室隔壁に帯状の接合部によって接合された電極室隔壁との間に空間を形成した電極保持部材の電極室隔壁と平行な部分に形成された平板ばね状体と接触して通電されており、該電極には平板ばね状体との接触部以外の部分に遊動取付手段が設けられ、該遊動取付手段には係合部が設けられ、該係合部は固定された係合部材と係合して該電極を電極面に垂直方向であって平板ばね状体の変位範囲内の移動が許容されたことを特徴とするイオン交換膜電解槽。
- 遊動取付手段は、電極取付部と係合部材に係合する係合部を設けた脚部を有し、遊動取付手段の少なくとも一方の脚部は、電極保持部材が電極室隔壁との帯状の接合部から電極室隔壁面に対して垂直方向に立ち上がる壁面に設けた開口部からなる係合部に係合されて電極面に垂直な方向のみに移動可能であることを特徴とする請求項1記載のイオン交換膜電解槽。
- 平板ばね状体は電極保持部材の板状体から傾斜して延びる複数の同一の長さの櫛状のばね状体であることを特徴とする請求項1又は2記載のイオン交換膜電解槽。
- 平板ばね状体が結合された板状体は、平板状の電極室隔壁に帯状の接合部によって接合され、電極室隔壁との間に空間を形成した電極室隔壁と平行な部分に形成されたものであり、電極室隔壁との間に形成した空間を電解液の下降流路とし、電極側には電解液の上昇流路を形成したことを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項記載のイオン交換膜電解槽。
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