JP4753939B2 - 電解セル - Google Patents

Description

本発明は、例えば、塩素、水素、および／または水酸化ナトリウム溶液などの生成のために利用され、最適化されたフランジ構造を用いて膜の不活性表面の部分が最小限に抑えられるように設計され、その結果シェル半体のフランジ表面と膜の活性表面の間の比が、０．０４５未満に調整可能であり、膜にもシェル半体にも、締付け部材を通すための孔または凹部が備えられていない単一要素、いわゆる「単一セル要素」の構造形状を有する電解セルに関する。

元素状塩素、水素、および／または水酸化ナトリウム溶液の生成用の電解セルは公知であり、それらの最高技術の設計については、これまでに十分に説明されている。従来の最高技術において、２タイプのセルの使用が業務用に広く普及している。一方がフィルタプレス設計であり、他方が、前記の電気的に直列接続された「単一セル要素」である。

独国特許出願公開第１９６４１１２５号、独国特許出願公開第１９７４０６３７号または独国特許出願公開第１９６４１１２５号において記載されたものなどの、こうした電解セルは、特に、それぞれアノードまたはカソードを収容し、それぞれが異なる表面構造を有する、１つのカソードのシェル半体、および１つのアノードのシェル半体からなる。イオン交換膜が、これらの電極間に配置され、シェル半体のフランジをはるかに超えて延びる。前記シェル半体のフランジは、イオン交換膜への損傷を回避するために、適切な圧力面となるように十分に寸法設定される。

従来の最高技術によれば、シェル半体のフランジ、およびそれらの間に配置される膜には、膜を確実に位置決めし、固定するための孔または開口が、各孔または開口に１つのボルト締め式の締付け部材が設けられるように設けられる。ボルト締めを用いてシェル半体に作用する密閉圧力は、シェル半体のフランジの両側上に配置される座金タイプの絶縁要素を介して伝達される。

公知の最高技術によれば、多数のそうした締付け部材が、セルの緊密性を確実にするため、および膜上の密閉圧力がほとんど均一となるようにするために、単一セルのフランジ周辺上に配置される。

この従来技術の電解装置の重大な欠点は、膜が、フランジによって囲まれている、または組立てを容易にするためにフランジを超えて突き出してさえいるため、イオン交換膜の１０％を超える部分が不活性であり、電解過程に関与せず、この非常に高価な材料が単に、前記アイテムを単一セルの組立て中に位置決めし、動作中の機械的安定性を強化するために利用されていることである。
独国特許出願公開第１９６４１１２５号明細書 独国特許出願公開第１９７４０６３７号明細書

本発明の目的は、上述の不都合を解消、または最小限に抑えること、および膜の表面積の利用率を最適にすることである。

本発明の目的は、電解セル全体のフランジ全体をより小さくし、通常ボルト締め部の通路用に必要とされる孔または凹部を省くことによって実現され、膜に対して部分的に重なり合うシェル半体のフランジ表面積と、膜の活性表面積との間の比が、０．０９未満、または好ましくは０．０７未満、または理想的な実施形態では、０．０４５未満になる。

本発明において詳述される電解セルの理想的な一実施形態によれば、膜は、一方または両方のシェル半体内に膜を位置決めする、または締付け部材を通す働きを通常する孔も凹部も持たないように形成される。

前記装置は、フランジの外側に適用され、またはフランジの上へ滑らされ、アノードおよびカソードのシェル半体を締め付けて密閉することによって、単一要素を形成する働きをする締付け部材も有する。

本発明の有利な一実施形態では、前記締付け部材は、個々にボルト締めされる要素である。理想的な一変形形態は、締付けタイプの、またはボルト締め式の凹字楔（ジブ）を、シェル半体を固定するための要素として使用することであり、前記要素が、予め製造された要素として市場で入手することが可能である。シェル半体のフランジに押し付けられ、少なくとも２つの平行で対向する、絶縁要素を有することを条件として、前記要素の別の形状もこの目的に適している。

さらに、本発明において説明される電解セルは、シェル半体のフランジに面した側に配置される絶縁要素の、一部分だけが前記フランジによって直接支持され、表面積の一部分がフランジから突き出ることを可能にする装置を備える。少なくとも１つのスペーサが、支持されていない絶縁要素面の間に配置される、あるいは一方または両方の絶縁要素が、スペーサがそれ自体で、または他の絶縁部材と共に、フランジの上方の領域内にある隙間を埋めるように形成される。このようにして形成された絶縁本体には、フランジに面する表面積内に、例えば突き出た、または片持ちされた部分が備えられる。

本発明の有利な一実施形態では、厚い方の部分と薄い方の部分を有し、組立て時に、厚い方の部分はフランジから突き出ており、薄い方の部分は、シェル半体のフランジの間で膜と一緒に締め付けられる、スペーサが提供される。上述された変形物の一実施形態では、その突き出た部分がボルトまたはクランプを収容することのできる孔または開口を有するスペーサを提供する。この場合、フランジから突き出たスペーサ部分の厚さは、組立て後のフランジの厚さ、すなわち、動作させるために差し込まれた構成部品の厚さが含まれる厚さにほぼ一致する。

したがって、本質的な利点は、活性膜領域のサイズは変わらないまま、不活性膜の表面積が大幅に低減されることである。
活性膜の比が増大されることに加えて、さらなる重要な利点は、膜表面積全体がより小さくなり、膜のパッケージングが容易になることである。膜のどんな孔または開口も、組立て前に作成されなければならない。孔が開けられる膜のタイプには、組立て、すなわち今や不要になった１ステップの前に、孔が設けられるべきである。膜の被覆またはベース材料の損傷または汚染が、決して完全に排除され得ないので、このステップは膜にとって常に危険なものとなっていた。

フランジサイズの低減により、シェル半体が、世界市場で標準サイズで購入できるコイルなどの半完成製品から製作されること、すなわち、今まで不可能であった手法も可能になる。したがって、シェル半体の材料コストに関して２つの重大で良い効果、すなわち調達の簡略化およびサイズの低減が実現され得る。

現在の技術の典型的な「単一セル要素」を示す図面、および本発明による電解装置を示す２つの図面が添付されており、さらなる実施形態または変形物が実現可能である。
図１の断面図は、現在の最高技術による電解セルの部分を示す。前記図は、アノード側のシェル半体１と、これに対向するカソード側のシェル半体２と、アノード３と、カソード４とを明確に示す。シェル半体１および２は、２つの部分、壁面９および周辺のフランジ８を呈する。フランジ８は、締付要素１０を固定するための孔を有し、ボルト１０．１がそれを貫通して差し込まれる。前記締付要素は、ばね座金１０．２も含み、ばね座金は、密閉圧力を一定に維持し、膜の異なる膨張状態による材料特性の変動を補償するために、精密なもの（ディテール）が必要とされる。２つの環状の絶縁要素１０．３が、フランジ８の金属表面に直接接触し、したがって、シェル半体と接触し、前記要素が力を伝達する働きをする。さらに、フランジ首部の領域内に配置されたボルト１０．１が、絶縁ホース１０．４内に差し込まれる。膜５は、アノード３とカソード４との間に配置される。

この図は、膜５が、締付要素用の孔を収容する部分を越えて突き出すように、寸法設定されることを示す。フランジの方式と類似した方式で、膜にもこの部分に開口が備えられる。フランジ８には、平坦なスペーサおよび絶縁要素６が備えられ、前記絶縁要素はフレームを構成し、また前記絶縁要素はフランジ８の孔に関連付けられた孔が同様に設けられる。フランジ８の領域内でシェル半体の間に配置された２つの周辺密閉コード１１が、これらのシェル半体の緊密性を確実にする。図１、図２および図３に示される内部構造物７が、セルの上部内での静穏な流れを確実にする働きをする。

図２は、締付け装置のない、本発明の電解セルを示す。フランジ８は、ずっと小さく寸法設定され、穴も孔もない。この図で示されるスペーサの変形物６は、フランジ８から突き出し、フランジフレーム６．１を越えて突き出すその上部には、孔６．２が備えられ、その中に１つの締付要素のボルト１０．１が差し込まれる。スペーサ６の内側の部分、すなわち、締付け領域６．３は、シェル半体１とシェル半体２との間のフランジ部分に配置される。この場合、ボルトがフランジと接触し得ないので、図１に示すボルト１０．１を保護する絶縁ホース１０．４を省くことができる。

図３は、本発明の電解セルを示しており、この電解セルは、取り付けられた締付兼密閉部材１０を備え、フレーム６．１およびスペーサ６の締付け領域６．３を備え、スペーサ６は２つの分離した部片からなり、この２つの分離した部片は互いにしっかりと連結されていない。

一変形物として、一方または両方の絶縁要素を、突き出して、片持ちされた部分を有し、上部に配置されるその突き出た部分がスペーサ自体となるようにして形成することが可能である。しかし、この変形物は、図面中に示されていない。

孔を省くことにより、本発明による装置が、より小さな膜表面積で膜の活性表面部分を増大させることを可能にするだけでなく、締付け装置およびその整合要素の設計においてある程度の自由度も可能にすることが明らかになる。

本発明において詳述された２つの電解セルは、テストベンチ内で、本物の製造条件の下で、５０００運転時間にわたってテストされた。２つの工業用電解セルは、２．７２ｍ²の膜の活性表面積をそれぞれ有し、１５．５ｍｍのフランジ幅を有し、したがって、前記表面積は、最先端技術の電解セルの表面積よりも６０％を上回る小さいものであった。テスト期間全体の間に印加されたセル電圧は、約６ｋＡ／ｍ²の電流密度、および約９０℃のセル温度のとき、約３．２Ｖであった。供給物は、３００ｇ／ｌのＮａＣｌ溶液であった。

水酸化ナトリウム溶液は、ＮａＣｌの残留濃度が２０ｐｐｍ未満の場合、３２％の平均排出濃度を有する。さらに、気体のＣｌ₂およびＨ₂が生成され、平均エネルギー消費は、ＮａＯＨ１トン当たり約２２００ｋＷｈであった。

テスト期間全体の間、本発明による単一のセルを用いて、高い変換率、生成物の品質などを得ることが可能であった。すなわち安全性、緊密性、または維持管理に関して一切不利な点を有することなく、数値が、より大型でより高価な最先端技術の単一セルの数値に匹敵した。

本発明において記載される設計の特徴により、膜の不活性表面積の部分を、従来技術において得られた１１％から、４．２％未満に低減することが可能になった。
テストシリーズの目的は、膜が、振動によって発生した機械的応力を受ける、および膨張または収縮するため、膜の振る舞いおよび劣化、ならびに単一セルの緊密性を観測することであった。

セルの緊密性、および膜がしっかりと配置されているかということに関して、異常は検出されなかった。テスト期間全体の間、運転上の問題または漏れは発見されず、障害を回避するための、膜または他の構成部品の調整または補正は不要であった。

セルの維持管理が容易になり、この過程においてすでに利用された膜の再利用の可能性が実質的に改善されたことが判明したことは驚きであった。これは、単一セルを開けると同時に、膜の収縮過程、すなわち、以前は孔付近の劣化した部分内の膜材料の引裂きをしばしば引き起こし、したがって膜の再利用を妨げていた特徴が始まるためである。本発明による電解セルは、水平位置に配置されてから開けられたとき、シェル半体が除去（非固定）されると膜が直ちに自由になり、その結果、その後の均一な収縮が、膜に変形または損傷をもたらし得ない。

単一セルの組立てに必要な時間を、短くできることも観測された。というのも、孔との整合が不要で、膜の両端部がフランジ端部と大まかに同一平面にあればよいことに鑑みて、膜の調整が今や容易になったためである。それらの端部と平行な状態からどんなずれがあってもそれを無視できるので、こうした整合の重要性はかなり低い。

符号の説明

１ アノード側の外部シェル半体
２ カソード側の外部シェル半体
３ アノード
４ カソード
５ 膜
６ スペーサ
６．１ フレーム
６．２ 孔
６．３ 締付け領域
７ 内部構造物
８ シェル半体フランジ
９ シェル半体の高くなった上部
１０ 締付要素
１０．１ ボルト
１０．２ ばね座金
１０．３ 絶縁要素
１０．４ 絶縁ホース
１０．５ スペーサ
１１ 密閉コード

Claims (9)

1. ２つのシェル半体によって区切られた、電解装置用の単一セルタイプの要素であって、前記２つのシェル半体は、それぞれに背壁面と、周辺のフランジとを備え、前記フランジ上に、絶縁要素が配置され、かつ前記絶縁要素は、前記フランジの領域内に合わされた締付要素によって締め付けられており、２つの電極を備え、当該電極の間に膜が配置されており、前記シェル半体に、前記締付要素のボルト締め部を収容するための孔または凹部がなく、前記膜に対して部分的に重なり合う前記フランジの表面と、前記膜の活性表面との間の比が、０．０９未満である、要素。
2. 前記フランジの表面と、前記膜の活性表面との間の前記比が、０．０４５未満である、請求項１に記載の要素。
3. 前記膜に、前記シェル半体内でその位置決めするための、または前記締付要素の前記ボルト締め部を収容するための孔または開口がない、請求項１または２に記載の要素。
4. 前記締付要素が、前記フランジの上へ滑らされる、または前記フランジにあてがわれる、前記請求項１乃至３のいずれか一項に記載の要素。
5. 前記締付要素は、ボルト締め式の単一要素、締付けタイプまたはボルト締め式の凹字楔として設計されており、前記要素は、少なくとも２つの平行かつ対向する絶縁要素を有し、当該絶縁要素は、前記シェル半体の前記フランジに対して押圧される、前記請求項１乃至４のいずれか一項に記載の要素。
6. 前記フランジの前記表面に面した側に配置される前記絶縁要素の一部分だけが、前記フランジによって直接支持され、少なくとも１つのスペーサが、支持されていない前記絶縁要素面の間にあてがわれ、あるいは一方または両方の絶縁本体が、突き出されたまたは片持ちされた部分を、前記絶縁本体に備えられるように形成されており、その結果、前記フランジを超えたところにある隙間が、少なくとも部分的に埋められる、前記請求項１乃至５のいずれか一項に記載の要素。
7. 前記少なくとも１つのスペーサが、厚い方の部分および薄い方の部分を有しており、前記厚い方の部分が前記フランジから突き出し、前記薄い方の部分が、前記２つのシェル半体の前記フランジの間で、前記膜と一緒に締め付けられる、請求項６に記載の要素。
8. 前記フランジから突き出た前記スペーサの部分に、孔または開口が備えられる、請求項７に記載の要素。
9. 前記フランジから突き出た前記スペーサの厚さが、あるいは前記絶縁要素の前記突き出たまたは片持ちされた材料の部分の厚さが、組み立てられた状態の前記フランジの厚さにほぼ一致し、挿入された要素の厚さを包括する、請求項６乃至８のいずれか一項に記載の要素。

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