JP5627600B2 - 電解プロセス用の基本セルおよび関連するモジュール型電解装置 - Google Patents

Description

工業用電気分解プロセス、たとえば水素および酸素の生成のための水の電気分解、ならびにアルカリブライン（鹹水）、特に塩素、苛性ソーダ、および水素の生成を対象とする塩化ナトリウムブラインの電気分解は、一般には図１に示されるタイプの電解装置にて行われる。図１の参照番号が示すのは、１は電解装置、２は基本セルであり、そのモジュール構成が電解装置を形成し、３および４はそれぞれ外部整流器の正極および負極への接続部、５は多数の基本セルの支持体であり、これは電解装置の下に配置することができ、または電解装置の側面に沿って対にて位置する片持ち梁として形成することができ、６および７はタイロッドまたは油圧ジャッキ（図面には示さず）によって加えられる圧力であり、この圧力は周辺ガスケット（図面には示さず）と共同で環境へのプロセス流体の気密シールを確実にし、一部のタイプの電解装置ではまた様々なセルの間の電気的導通を改善することを目的とする。電解装置はまた、電気分解すべき溶液を供給し、生成物および残留使用済み溶液を回収することを可能にする適当なノズルおよび油圧接続を装備する（やはり分かりやすくするために図面では省いている）。

図２は矢印８に示される方向に沿った、負極に接続された電解装置の終端部の断面を表し、産業慣行での一般的な設計による終端の素子および多数の個々の二極性素子を示す。参照番号が示すのは、
９は、壁面１０と、カソード垂直細長片１２によって支持された穿孔シートまたはメッシュからなるカソード１１とを備えた終端のカソード素子であり、
１３は、壁面１０ならびに、穿孔シートまたはメッシュからなりそれぞれカソードのおよびアノードの垂直細長片１２および１５によって支持されたカソード１１およびアノード１４を備える個々の二極性素子であり、
１６および１７は周辺ガスケットであり、外部タイロッドまたはジャッキによって発生された圧縮力の下でセパレータ１８（たとえば、多孔質隔膜またはイオン交換膜）を締め付け、環境へのカソード区画およびアノード区画内に含まれる電解液および電気分解生成物の気密シールを確実にする。

図２の概略図では分かりやすくするために様々な内部構成要素が別々のものとして示されており、慣行では、セパレータ１８はアノード１４に接触してそれを支持し、一方、カソード１１はたとえば１〜２ｍｍの隙間だけ間隔があけられる。高さが１〜１．５メートルおよび長さが２〜３メートルになり得る二極性素子１３の大きさを考えると、カソードとアノードの必要な平面性および平行度を得るのは構築の著しい難しさを伴うことが明らかである。さらに電解装置１の組み立ては、アノード表面が作業者に面した状態で、接着剤で固定された必要な周辺ガスケットを用いて２つの面上に設けられた二極性素子の関連する支持体の垂直位置決めの定期的繰り返し、およびその後のアノード表面およびガスケット上へのセパレータの適用を含む、一連の作業を行わなければならない作業スタッフによる特別な注意を必要とし、このような組み立てシーケンスの難しさの中でも留意されるべきであることは、セパレータが滑り落ちる傾向によりその正確な位置決めが複雑になること、および互いに異なる二極性素子の相互の整合を保つ必要があることである。

支持体上に位置決めされた多数の二極性素子は、最後に外部環境への必要な気密シールを確実にするために外部タイロッドまたは油圧ジャッキによって圧縮され、この段階においては様々な二極性素子のいかなるわずかな不整合、さらにはセパレータのわずかな滑りもセパレータを損傷し得ることになり正常な機能が妨げられる。これが起きないときでも、場合によりカソードとアノードの平行度および関連する隙間の公差からの変移により電流分布の不均一性を生じ、電気分解の品質、および特にセパレータがイオン交換膜からなる場合はセパレータの寿命に悪影響を及ぼす。さらに二極性素子および／またはセパレータの機能不良の場合は、交換のための介入は外部タイロッドまたは油圧ジャッキによって加えられた圧縮を解放する必要があり、これは結果としてセパレータに対する二極性素子の相互の滑りの可能性を伴い、この状態はそれに続くタイロッドまたは油圧ジャッキの締め直しの過程でさらなる損傷となり得る。

図３の概略図は矢印８で示された方向に沿った、異なるタイプの電解装置の負の終端部分の断面を表し、この場合は電解装置は、単一セル型設計による多数の個々のセル１９によって形成される。それぞれの個々のセル１９は、外部周辺に沿って配置された一連のボルト２２によって相互に固く締められたカソードシェル２０およびアノードシェル２１の２つのシェルを備え、ボルトによって発生された圧縮の下にカソードガスケット２３とアノードガスケット２４はそれらの間にセパレータ２５を締め付け、外部環境への気密シールを確実にする。２つのシェル２０および２１には、それぞれ２６および２７として示されるカソードのおよびアノードの垂直内部細長片が設けられ、それらにはそれぞれカソードのおよびアノードの穿孔シートまたはメッシュ２８および２９が固定され、最後に、電解装置の様々な個々のセルの間の電気的導通を確実にすることを目的として、カソードのおよびアノードの内部細長片に対応してアノードシェル２１の外面に配置された垂直接触細長片３０が設けられる。

図２の場合のように図３の場合も、カソード、アノード、およびセパレータは、セル内部構造を分かりやすくするために別々の要素として表されており、慣行では、セパレータは支持するアノードと接触し、一方、カソードは予め規定された有限の隙間にある。単一セル型のそれぞれの個々のセルはさらに、接触細長片３０と整合され、電気絶縁材料、好ましくはその化学的不活性によりＰＴＦＥから作られたスペーサ３１および３２を備える。スペーサ３１および３２の機能は最も重要であり特に単一セル設計を特徴付け、外部タイロッドまたは油圧ジャッキの圧縮の効果の下で、その厚さが注意深く較正されたスペーサ（厚さはたとえば０．１ｍｍ未満の機械的公差で、１〜２ｍｍに設定される）は、セパレータを損傷せずに互いに締め付け、周辺ガスケットの圧縮の調整を可能にし、わずかではあるが構造体のたわみを生じて、構築の公差からの一貫した変移の場合も、ほぼ一定でかつ予め規定された隙間での優れた平行度を確実にする。さらにスペーサは、外部タイロッドまたは油圧ジャッキの機械的負荷を外部接触細長片上に集中させて、最小の電気抵抗を保証するのに十分な圧力を発生することを可能にする。スペーサの圧力が加えられるアノード表面は、もちろんセパレータを損傷するのを避けるように適切に平らにされる。

上記に示した設計の利点は本質的に、工場の組み立て部門において水平位置にて各単一セルを個々に組み立てることができることであり、この水平位置はシェル、ガスケット、スペーサ、および特にセパレータの相互の位置決めを大幅に容易にする。組み立て作業が周辺のボルト締めの封止により終了した後に単一セルは支持体上に置かれ、すべての多数の個々のセルを位置決めした後に、組立体は外部タイロッドまたは油圧ジャッキの作用の下で締め付けられて様々なセルの間の電気的導通、およびカソードとアノードの間の予め規定された隙間での平行度を達成する。最後に単一セル設計は、セパレータの損傷を防止することを可能し、カソードとアノードの予め規定された隙間での平行度のおかげで、電流の均一な分布を達成して電解プロセスの良好な品質および長いセパレータ寿命を確実にする。さらに単一セルの機能不良の場合は、この場合も保守手順は外部タイロッドまたは油圧ジャッキによって加えられた圧力の解放を必要とするが、個々のセルを開ける必要はなく、様々な内部構成要素の内部資産には触れられず、したがって可能性のある、機能不良の単一セルを交換するための介入が、後続するタイロッドまたは油圧ジャッキの締め付け段階において損傷を必ず伴うということはなくなる。

上記に示した技術は、約１〜２ｍｍのカソード・アノード隙間をもたらし、産業慣行では、これまで満足できると見なされてきた単位生成物当たりの特定の電気エネルギー消費によって特徴付けられるが、それにもかかわらず電気エネルギーの価格の絶え間ない増加は、顕著なエネルギー節約をもたらすことができる新規な設計へと推し進めている。

本明細書に示される新規な単一セル設計はこの目的を、個々のセルの上面図を表す図４に図式化されるように、カソードからアノードへの隙間をなくすことによって達成する。図３の図面と共通な要素（シェル、周辺ガスケット、セパレータ、アノード垂直細長片、アノード、および接触細長片）は同じ参照番号で示され、差異のある要素は、それに固定された穿孔シートまたはメッシュ３４を有する低くされたカソード細長片３３と、たとえば、１つまたは複数の金属線から得られる互いに貫入した複数のコイルによって形成される、並置された２つ以上の波形の導電性金属布またはマットからなる弾性素子３５と、カソードとして働く薄い穿孔シートまたは可撓性平面メッシュ３６とからなる。カソード垂直細長片３３を低くすることによって、弾性素子３５を導入するための必要な余地を生じることが可能になる。

事前に組み立てられたセルが支持体上に据え付けられ、タイロッドまたは油圧ジャッキによって加えられる圧力を受けるときには、シートまたはメッシュ３４は弾性素子３５を圧縮し、同様に弾性素子３５はカソード３６をアノード２９によって支持されるセパレータ２５に対して圧縮する。素子３５の弾性は、アノード２９と、実質的に弾性素子へのかつそれを跨がって可撓性カソードへの電流分配素子として働くシートまたはメッシュ３４との理想的な平面性および平行度からの避けられない小さな変移とは無関係に、カソード３６がセパレータと連続的にかつ一様に接触したまま保たれることを確実にする。このようにして、動作時に電流が一様に分配され、その結果、エネルギー消費がそれに左右される個々のセル電圧が最小化されることが保証される。

図４の概略図から分かるように、弾性素子３５を用いることはスペーサ３１および３２をなくす必要があり、シートまたはメッシュ３４とアノード２９の平行度からの変移に対応して、セパレータ２５のアノードに対する過剰な圧縮が発生され、その結果膜を損傷し得るという明らかなリスクを生じる。このリスクは、シートまたはメッシュ３４およびアノード２９が補強されその剛性が増加されれば、かつ／または隣接するカソード細長片３３の間およびアノード細長片２７の間の距離が減少されれば軽減されるが、このような２つの対策は、材料の使用量の増加、および結果として接触細長片３０の数も増やす必要性のための追加のコストを当然伴う。

１つの代替的実施形態は、シートまたはメッシュ３４のみの厚さを増加させ、アノード細長片２７のそれぞれの対の間にＶ字形の垂直素子３７を導入することによって必要なアノード剛性を確実にし、垂直素子３７はプラスチック材料から製造することができ、その場合は強制的に挿入され、または金属から製造することができ、その場合は任意選択で溶接スポットによって固定される。素子３７の先端３８は、アノード２９のシートまたはメッシュに対する直線的な接合面として働き、それによりアノード２９のたわみは、その厚さ、またはアノード細長片の数それにしたがって接触細長片の数を、増やすことを必要とせずに大幅に低減される。素子３７はまた有利には、適切な寸法に作られれば、内部再循環を促進するものとして働くことができる。最後に、素子３７の端部は、弾性素子３５によって加えられる圧力を、部分的にアノード細長片２７の末端へ、したがって接触細長片３０の末端へ逃がし、隣接するセルのそれぞれの対の間の低い接触抵抗を保つのに有効に寄与する。

弾性素子に結合された可撓性平面シートまたはメッシュの形のカソードを利用した、このカソードからアノードへの隙間がゼロの設計の適用は特に、上述のように、電解装置支持体上での位置決めを始める前にセルの事前組み立てを行うことができる単一セル型の技術に特に適している。特に、関連する組み立て工場部門にて行われる事前組み立ては水平位置でのセルで行われ、したがってカソードおよび関連する弾性圧力素子の位置決め、さらにセパレータの位置決めは、大幅に容易になる。逆に言えば、多数の二極性素子からなる図２の電解装置のタイプへの適用は、上述のセパレータの滑りおよび二極性素子の不整合のリスクの他に、カソードの滑り、および弾性素子の下方向のたわみおよび滑りの不都合が生じ、この理由から、関連するガスケット、セパレータ、カソード、および弾性素子を有する多数の二極性素子は締め付けるとすぐに、その後の機能の正常性に悪影響を生じる圧力分布異常が生じ得るので非常に問題がある。

弾性圧力素子に結合されたカソードを利用する、カソードからアノードへの隙間がゼロの設計の有効性は、膜による塩素アルカリ電気分解用の試験的電解装置に対して検証された。電解装置は水平位置にて事前に組み立てられ、その後にそれらの支持体上に据え付けられた８個の単一セルを装備した。セルは標準の工業サイズ（高さが１．２メートルで長さが２．７メートル）であり、それぞれは関連する内部構成要素（カソード細長片、電流分配器として働く剛性のメッシュ、直径が約０．２ｍｍの互いに貫通した二線コイルから形成された高さが０．６ｍで長さが２．７ｍの２つのマットからなる弾性素子、水素発生のための触媒被覆を備える可撓性平面カソード）と同時にニッケル製のカソードシェルと、関連する内部構成要素（アノード細長片、Ｖ字形支持素子、塩素発生のための触媒被覆を備えるアノード、接触電気抵抗を最小にするためにニッケル膜で被覆されたチタン製の外部接触細長片）と同時にチタン製のアノードシェルと、化学的耐性のあるゴムのガスケットと、米国デュポン社によって製造されるＮ２０３０タイプの陽イオン交換膜とを備える。

電解装置は、３２重量パーセントの苛性ソーダ、２１０ｇ／ｌの出口濃度での塩化ナトリウムブラインを用いて、９０℃にて５ＫＡ／ｍ^２の電流密度にて動作させた。約１週間の安定化期間の後に、セルは２．９０Ｖの平均電圧によって特性化され、これは６ヶ月の動作の後にほぼ変化せず、そこで電気分解は中断され、２つの単一セルがそれらの支持体から移動されて開かれ、それらの構成要素の目視検査を受けた。検査では顕著な変化は示されず、特に２つの膜は、カソードの異常な圧縮によって発生されるしわまたは他の痕跡が実際上ない表面を示した。２つのセルは再び組み立てられ、電解装置の支持体上に再び据え付けられ次いで始動され、検査された２つのセルを含む単一セルの電圧は停止する前の値に戻った。

比較として、同じ構造を有するが圧力マットのない、図３の構造による１．５ｍｍのカソードからアノードへの隙間によって特性化されるセルを装備した電解装置の場合は、同じ膜および動作条件での平均セル電圧は約３．１５Ｖであり、これは生成物の苛性ソーダのトン当たり約１７０ＫＷｈのエネルギー消費量の顕著な増加に相当する。

Claims (6)

1. カソードシェルとアノードシェルとを備える電気分解セルであって、
   前記カソードシェルおよび前記アノードシェルは、カソードの周辺に設けられる周辺ガスケットと、アノードの周辺に設けられる周辺ガスケットと、セパレータとを介在して周辺のボルト締めによって相互に締め付けられ、前記セパレータはカソード区画及びアノード区画の間に設けられ、
   前記カソードシェルは、前記カソードに対して垂直な複数の内部カソード細長片上に固定された穿孔シートまたはメッシュの形の電流分配器と、前記電流分配器に電気的に接触し、前記セパレータと一様に接触する穿孔シートまたはメッシュの形の可撓性カソードと、前記電流分配器と前記可撓性カソードの間に配置された導電性弾性素子とを含み、
   前記アノードシェルは、前記アノードに対して垂直な複数の内部アノード細長片に接して固定された前記セパレータと一様に接触する穿孔シートまたはメッシュの形のアノードと、前記内部アノード細長片に直接対応する位置に外部に配置された複数の導電性のアノード接触細長片とを含み、
   前記アノードが、前記内部アノード細長片のそれぞれの対の間に導入されたＶ字形素子の先端によってさらに支持される、電気分解セル。
2. 前記弾性素子が、少なくとも２つの並置された波形の布状体からなる、請求項１に記載の電気分解セル。
3. 前記弾性素子が、互いに貫入した複数のコイルのマットからなる、請求項１に記載の電気分解セル。
4. 前記互いに貫入した複数のコイルが、少なくとも２つの金属線から形成される、請求項３に記載の電気分解セル。
5. 前記セパレータはイオン交換膜であり、前記カソードシェル、前記電流分配器、前記カソード細長片、前記カソード、および前記弾性素子は、ニッケル製であり、前記アノードシェル、前記内部アノード細長片、および前記アノードは、チタン製であり、前記外部に配置された前記アノード接触細長片は、ニッケル層で被覆されたチタン製である、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電気分解セル。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の、個別に事前に組み立てられた複数の電気分解セルのモジュール構成からなる電解装置。

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