JP4446088B2

JP4446088B2 - カソード液室に液溜めを有する食塩電解槽

Info

Publication number: JP4446088B2
Application number: JP2004086579A
Authority: JP
Inventors: 長一古屋
Original assignee: University of Yamanashi NUC
Current assignee: University of Yamanashi NUC
Priority date: 2004-03-24
Filing date: 2004-03-24
Publication date: 2010-04-07
Anticipated expiration: 2024-03-24
Also published as: JP2005272916A

Description

本発明は、イオン交換膜を挟んでアノード及びガス拡散陰極からなるカソードを配置したイオン交換膜型酸素陰極法食塩電解槽において、カソード液の供給、流下を円滑にできるようにした電解槽に関する。

従来、イオン交換膜型酸素陰極法食塩電解槽では、二室式電解槽と三室式電解槽とがある。二室式電解槽は、イオン交換膜で電解槽をアノード室とカソード室に区分した構造であり、従来の二室式電解槽は、多孔性のスペーサーがイオン交換膜とガス拡散電極の間に挟まれた構造でイオン交換膜からの透過水をカソード液として電解が進行する。三室式電解槽は、イオン交換膜で電解槽をアノード室とカソード液室に区分するとともに、カソード室はガス拡散電極でカソード液室とガス拡散電極に酸素ガスを供給するガス室に区分されているので、全体としては三室式の電解槽となっている。三室式電解槽ではカソード液室は通常の場合、カソード液が下部から上部に流され、ガス室から完全にシールされている。

前記三室式電解槽ではカソード液室とガス室のシールを完全にする必要があるので、そのシール構造が問題となるが、そのシール方法として、カソード液室とガス室とのシールすべき間隙にＰＴＦＥファインパウダーを充填し、充填部を超音波溶着することによりシールするか、あるいはポリエーテルスルホン樹脂を有機溶媒で液状とした溶液を接着剤として用いて接合する手段が特許文献１に提案されている。
また、ガス拡散電極の溶接固定及び排電に際して、ガス拡散電極の外周部に露出させた導電体の溶接箇所であるガス拡散電極間の間隙への苛性ソーダの進入防止のために、前記間隙をシール剤によってシールする手段が特許文献２に提案されている。

一方、前記二室式電解槽では、酸素供給側に移動するカソード液に加えて、重力により高さ方向に移動したカソード液が、ガス拡散電極内部に滞留して、ガス供給が阻害される欠点があるので、カソード液の排出を容易にすることによりガス供給が円滑に行なわれるようにするために、親水性多孔層、該親水性多孔層の片面に形成された液及びガス透過性の電極物質層並びに該親水性多孔層の他面に密着するイオン交換膜を含んで成るガス拡散電極構造体が、特許文献３に提案されている。
また、カソード室の上部から下部へ希薄アルカリ金属水酸化物水溶液の流下流を形成して電解すること、及びその際イオン交換膜とガス拡散電極との間には親水性液透過性層を設けることが特許文献４に提案されている。さらに、イオン交換膜とガス拡散電極との間の領域には充分にアルカリ金属水酸化物水溶液が存在していることが好ましいとして、イオン交換膜とガス拡散電極との間に親水性部材を配置する手段を用いることが、特許文献５にも示されている。
特開２０００−２７３６７９号公報特開２０００−１９９０９４号公報特開平１１−１７２４８４号公報特開２００２−２７５６７０号公報特開２００３−０４１３８８号公報

従来の二室式電解槽では実用されている電解槽の高さは１．２ｍ以上となるためカソード液は重力に引かれて下部に行ってしまい、イオン交換膜とガス拡散電極の間に親水性部材として多孔性のスペーサーが設けられている場合においてもスペーサー上部は気体に置換され、電解が進行しない部分が出来てしまう欠点があった。また、三室式電解槽ではカソード液室からガス室への液漏れを防ぐためのシールが困難で、どうしてもカソード液室からガス室への液漏れが生じてしまうという欠点があった。
更に、両者ともアノード液の液圧によりイオン交換膜がカソード液室側に押されて、イオン交換膜とガス拡散電極が密着することによりカソード液が流れにくくなるという問題があった。
従って、本発明の目的は、二室式電解槽の欠点であるイオン交換膜がガス拡散電極の間に気相部が生じて電解が進行しない部分が出来てしまうこと、すなわち、ガス拡散電極表面の液切れがなく、又、三室式電解槽の欠点であるカソード液室からガス室への液漏れを防ぐためのシール部分からの液漏れのない、長期間安定して運転の出来る電解槽を提供することにある。

本発明は、下記の手段により上記課題を解決することができた。
（１）イオン交換膜を挟んでアノード及びガス拡散電極からなるガス拡散電極を配置したイオン交換膜型酸素陰極法食塩電解槽において、イオン交換膜とガス拡散電極の間に区画を形成するパッキングを挟むことによりカソード液室内上下に液溜めを複数形成し、上部の液溜めと下部の液溜めとの間に流路を形成し、該上部の液溜めからカソード液が該流路を経て該下部の液溜めに流れる液経路を有し、該上部の液溜めから該流路への液流下部付近にガス拡散電極のガス室と気体が連通できる窓が設けられている構造を有することを特徴とする食塩電解槽。
（２）前記液溜めは、太さ２ｍｍ以下の線状のパッキングによりＵ字形状に形成し、これらを上下に複数設置し、該アノードと該ガス拡散電極で押しつけることで該イオン交換膜と該ガス拡散電極の間に形成されることを特徴とする前記（１）記載の食塩電解槽。
（３）前記イオン交換膜の表面の一部に凸部を形成してなることを特徴とする前記（１）又は（２）に記載の食塩電解槽。
（４）前記ガス拡散電極の表面の一部に凸部を形成してなることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれか一項に記載の食塩電解槽。
（５）カソード液を上部の液溜めに供給し、最下部の液溜めより気体と共に流出させることを特徴とする前記（１）〜（４）のいずれか一項に記載の食塩電解槽。
（６）前記パッキングは、材質がフッ素系樹脂又はフッ素系イオン交換樹脂であることを特徴とする前記（１）〜（５）のいずれか一項に記載の食塩電解槽。
（７）個別のパッキングすべてを線、網、多孔体で一体化した液溜めスペーサーを備えたことを特徴とする前記（１）〜（６）のいずれか一項に記載の食塩電解槽。

本発明によれば、二室法電解槽の欠点であるカソード液の液切れが無くなり、また、三室法電解槽の欠点であったカソード液室からガス室への液漏れを防ぐためのシール部分からの液漏れの心配も無くなり、長期間安定して運転の出来る食塩電解槽が実現できた。又、イオン交換膜とガス拡散電極の間に配置する多孔性のスペーサーとガス拡散電極を重ねることで安価な食塩電解槽が実現できた。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して詳細に説明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。なお、実施の形態及び実施例を説明する図において、同一機能を有する構成要素は同一の符号を付けて説明する。
図１は、（Ａ）が本発明食塩電解槽１の側部断面図を示し、（Ｂ）が本発明食塩電解槽１の正面断面図を示すものであり、イオン交換膜２とガス拡散電極３の間にパッキング８を挟むことによりカソード液室を上下に区画して複数の液溜め９を形成した本発明の一実施態様であるカソード液室５の液流路構造の断面の主要部を示す。

本発明のパッキング８を挟むことにより区画して形成される液溜め９は、図１に示すように、単なるスペーサーではなく、長い縦枠部として高さ方向を１０ｃｍ程度、短い縦枠部として高さ方向を５ｃｍ程度、下枠部として横方向は２０ｃｍ程度の長さを持つ変形Ｕ字形パッキング８を上下に配置することにより形成することができる。該液溜めは１つのカソード液室の上下方向に対して２つ以上形成することが必要であるが、設置する数はカソード液室の高さに応じて適宜決定すれば良い。すなわち、高さ１０ｃｍ前後で２つに区分するように設置すれば良く、図１には４つの液溜め９を有する場合を示した。区画する高さが小さ過ぎると、本発明の効果が向上することなく、単に製作費が増加したり、及び／又は、有効電解面積が減少し電圧が上昇するなどの悪影響をきたす。一方、区画の高さが大きすぎると、カソード液の液切れやカソード液室からガス室への液の漏洩が生じる場合があり、本発明の効果が不十分となる。また、水平方向は複数に区画しても良いし、区画しなくてもよい。図１は水平方向に区画しない例を示しているが、区画の有無は電解槽の横幅に応じて適宜選択する。例えば、２ｍ幅の電解槽を製作する場合、好ましくは５〜１００ｃｍ毎、更に好ましくは５〜４０ｃｍ毎に区画する。区画の幅が狭すぎると、本発明の効果が向上することなく、単に製作費が増加したり、及び／又は、有効電解面積が減少し電圧が上昇するなどの悪影響をきたす。一方、区画の幅が広過ぎると、区画内でのカソード液の分散が滞る場所ができやすく、本発明の効果が不十分となる場合がある。液溜めを形成する具体的方法は、これらのパッキング８をイオン交換膜２とガス拡散電極３で挟むことにより液溜め９を形成した。カソード液１２は上部から液溜め９に流し、Ｕ字形パッキング８の片方の縦枠部の上端からオーバーフローするように液溜め９を形成した。オーバーフローしたカソード液１２はカソード液流路１０を通って下部の液溜め９に流れていく。このオーバーフロー部の上部にガス室７と気体が連通できる窓１１を開けるか、又は上下のＵ字形パッキング８の端はガス室７側に連通して開放した。

前記液溜めの形態としては、液溜めを設ける目的が、カソード液室内にカソード液が保持されるようにして、電解室内にカソード液切れが生じるのを防ぐことにあるから、カソード液室が上下方向に少なくとも２つに区画され、なおかつ、上方に設置した液溜めから下方に設置した液溜めにカソード液が流れるような位置関係とする必要がある。例えば、図１に示した水平方向の区画がない場合は、上の液溜めから下の液溜めに順次カソード液が流れるような位置関係にすれば良い。また、水平方向を２つ以上に区画したばあいは、同一高さで隣り合う区画にカソード液の一部又は全部が流れ、左右方向に液が移動しながら全体として下降して行く方式が好ましく採用できるし、同一高さで隣り合う区画には液の流通がなく、上部の液溜めから垂直方向に隣り合う下部の液溜めにカソード液が流れる方式も好ましく採用可能である。これらは、カソード液室内に液切れをなくすことを目的に、電解槽の高さと横幅に応じて適宜方式を選択すれば良い。そして、一つの液溜めはその内部に液溜めを形成する関係で、その室の最下部はその室の出口より下にあるようにすることが好適ではあるが、カソード液が流れるためにはその室の出口は入口より低い位置にあるようにすることが必要である。
しかし、液溜めの容積を大きくするように、その液溜めの室の最下部を下げ過ぎると、液溜めの室にカソード液が滞留してしまう箇所が生じて、カソード液が排出されず、その箇所に対応する箇所でのガス拡散電極へのガスの供給が悪化するなどの問題があるので、そのような問題が起きない形状が好ましい。その関係で、液溜めの形状は、図１のような変形Ｕ字状、図２のような角型形状、袋形状などが挙げられる。図２の場合、１つの液溜めの中が迂回路のように区画されているためデッドスペースを生じることがなく、好適である。

本発明においては、カソード液室に多数の液溜めを形成し、上部の液溜めからカソード液流路への液流下部付近にガス拡散電極のガス室と気体が連通できる窓が設けられている構造を有することにより、カソード液室内では各液溜めごとにおける液柱の圧力がガス拡散電極にかかることになり、また各液溜めごとに独立しているので、カソード液室の底部にカソード液高さに相当するカソード液の液圧がかかることがないので、カソード液室における液漏れの程度は著しく低減される。また、カソード液室において液漏れが生じても、各液溜めにカソード液が保持されているのでカソード液の液切れの問題を生じない。さらに、カソード液室からカソード液がガス室に流入するような操作条件を取ってもカソード液の液切れを起こすことがない。

このため、ガス拡散電極３にかかる液圧はカソード液柱で１０ｃｍ以下の圧力であるからカソード液側からガス室側への圧力はほとんど問題にならない。液溜め９の出口部はガス室７に解放されているので、サイホンの原理は働かず液溜め９が空になることはない。カソード液は、通常上部の液溜めに供給し、最下部の液溜めより気体と共に流出させる態様を取る。
液溜めを形成した際に、パッキングの材質や形状を選択、工夫してもイオン交換膜とパッキングの間及びがス拡散電極とパッキングの間のシールを十分にすることが困難な場合がある。このような場合にはパッキング側に接するイオン交換膜、あるいはガス拡散電極の面について少なくともその接する部分の表面を凸部に形成させると、イオン交換膜とパッキングの間及びがス拡散電極とパッキングの間のシールをより完全にすることができる。

なお、ガス室７の上部と下部には酸素ガス入口１９とカソード液及び酸素ガス出口１４が設けられている。
ガス室７のガス圧がアノード室６の液圧より低い状態になるとイオン交換膜２がガス拡散電極側に押されてイオン交換膜２とガス拡散電極３の間が狭くなり、液溜め９内のカソード液の流れが阻害されるので、パッキング部８以外はカソード液の流れを確保するために多孔性のスペーサーを入れることが望ましい。

図１に示すようなカソード液が透過しない、区画を形成するパッキング８と面圧がかかっても液が流れる多孔部を有するスペーサー２０を、イオン交換膜２とガス拡散電極３の間に入れ、アノード４とガス拡散電極のガス拡散電極３でイオン交換膜とパッキングの間及びガス拡散電極とパッキングとの間からカソード液が漏れない程度に、イオン交換膜とパッキングの間及びガス拡散電極とパッキングを押しつけてカソード液流路を確保することが好ましい。前記スペーサー２０は合成樹脂製の薄い網状体であることが好ましい。電解槽の上部のカソード液入口１３よりカソード液１２を流下させた。カソード液室内のパッキング８で区画され形成された複数の液溜め９は上から順次カソード液１２に満たされる。カソード液１２はカソード液出口及び酸素ガス出口１４より排出される。

更に、図２のように多孔部に液が均一に流れるようにパッキング８を配置してもよい。パッキングで遮られてオーバーフローしたカソード液１２はカソード液室とガス室に連通されたガス室への開放窓１１があるのでサイホンとならずに下部の液溜め９に順次流れていく。ガス拡散電極３にかかる液圧は１つの液溜部の高さのみである。そのため使用するガス拡散電極３の耐水圧は小さなものでもよい。電解槽を組み立てるとき楽なようにそれぞれのパッキングをパッキングの厚さより細い線、網、多孔体で連結することが望ましい。

パッキングの形状としては、区画してその液溜めを形成するものであるから、形成させようとする液溜めの形状により決まってくる。さらに上部の液溜めと下部の液溜めとを結ぶ液路を形成する形状も有することが必要である。
パッキングの素材としては、α−オレフィン樹脂、フッ素系樹脂、フッ素系イオン交換樹脂などが挙げられ、α−オレフィン樹脂としては、ポリプロピレン、ポリエチレン等が、フッ素系樹脂としては、四弗化ポリエチレン、三弗化ポリエチレン、二弗化ポリエチレンのホモポリマー若しくはコポリマー、ＰＦＡ、ＥＰＤＭ系ゴム剤、ＰＴＦＥ樹脂発泡体が、またフッ素系イオン交換樹脂としては、スルフォン酸単層膜、スルホン−カルボン酸複合膜などが挙げられる。

供給するカソード液１２は、純水でもＮａＯＨ溶液でもよい。純水としては、イオン交換水、蒸留水、逆浸透水等が挙げられる。電解室（ガス拡散電極室）にはカソード液を供給せず、アノード室からの透過水だけで運転してもよい。アノードとガス拡散電極間の極間距離を大きくとると電気抵抗も大きくなるため、極間距離１ｍｍ程度の場合が望ましい。
イオン交換膜がガス拡散電極の表面に密着すると、その箇所にカソード液が流れなくなるので、この欠点を解消するために、ガス拡散電極の表面に凹凸を付けたり、あるいはイオン交換膜の表面に凹凸を付ける手段を採用することができる。凹凸における凸部の形状や高さについては、凸部はその接触面積がなるべく小さい形状であることが望ましく、高さは前記パッキングの太さよりも低いことが好ましい。また、一定高さごとに庇状の案内板を取り付けてカソード液の電解表面からの離脱を促進したりする手段も採用することができる。

ガス拡散電極を使用した食塩電解において、液漏れがなく陰極室にカソード液を液切れすることなく電解することができる電解槽を提供する。

イオン交換膜とガス拡散電極の間にパッキングを挟むことにより複数の液溜めを形成した本発明の一実施態様であるカソード液室のカソード液経路構造の断面を示す図であり、（Ａ）は側部縦断面図で、（Ｂ）は正面縦断面図である。カソード液が均一に流れるようにパッキングを配置した本発明の別の実施態様であるカソード液経路を示すカソード液室の断面説明図である。

符号の説明

１食塩電解槽
２イオン交換膜
３ガス拡散電極
４アノード
５カソード液室
６アノード室
７酸素ガス室（ガス室）
８パッキング
９液溜め
１０液流路
１１ガス室への開放窓
１２カソード液
１３カソード液入口
１４カソード液及び酸素ガス出口
１５食塩水
１６食塩水入口
１７食塩水出口
１８酸素ガス
１９酸素ガス入口
２０スペーサー

Claims

イオン交換膜を挟んでアノード及びガス拡散電極からなるガス拡散電極を配置したイオン交換膜型酸素陰極法食塩電解槽において、イオン交換膜とガス拡散電極の間に区画を形成するパッキングを挟むことによりカソード液室内上下に液溜めを複数形成し、上部の液溜めと下部の液溜めとの間に液流路を形成し、該上部の液溜めからカソード液が該流路を経て該下部の液溜めに流れる経路を有し、該上部の液溜めから該流路への液流下部付近にガス拡散電極のガス室と気体が連通できる窓が設けられている構造を有することを特徴とする食塩電解槽。
前記液溜めは、太さ２ｍｍ以下の線状のパッキングによりＵ字形状に形成し、これらを上下に複数設置し、該アノードと該ガス拡散電極で押しつけることで該イオン交換膜と該ガス拡散電極の間に形成されることを特徴とする請求項１記載の食塩電解槽。
前記イオン交換膜の表面の一部に凸部を形成してなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の食塩電解槽。
前記ガス拡散電極の表面の一部に凸部を形成してなることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の食塩電解槽。
カソード液を上部の液溜めに供給し、最下部の液溜めより気体と共に流出させることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の食塩電解槽。
前記パッキングは、材質がフッ素系樹脂又はフッ素系イオン交換樹脂であることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の食塩電解槽。
個別のパッキングすべてを線、網、多孔体で一体化した液溜めスペーサーを備えたことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の食塩電解槽。