JP6242676B2 - 電解セル及び電解槽 - Google Patents

Description

本発明は、電解セル及び電解槽に関する。

陽極が設けられた陽極室と、陰極が設けられた陰極室と、陽極室と陰極室とを隔てる隔壁と、陽極室に電解液を供給する第一供給流路と、陰極室に電解液を供給する第二供給流路と、陽極室から電解液を回収する第一回収流路と、陰極室から電解液を回収する第二回収流路と、を備えた電解セルが知られている。また、当該電解セルを備えた電解槽が知られている。

特開平１０―９９８６１号公報

電気分解（以下、電解という）は、電解槽を構成する複数の電解セルに電解液を通過させ、陽極と陰極とに電位差を与えることにより行われる。電解が停止され、陽極と陰極とに電位差が与えられないとき、地絡した電解槽と電解液との電位差により、電解時に流れる電流の向きとは逆向きに電流が生じる場合がある。この電流は逆電流と呼ばれている。逆電流が発生すると、電解時とは異なる化学反応が陽極及び陰極それぞれにて起こるため、例えば陰極が酸化し失活するおそれがある。

そこで、本発明は、逆電流の発生を抑制できる電解セル及び電解槽を提供することを目的とする。

本発明に係る電解セルは、電解液を電解する電解セルであって、陽極が設けられた陽極室と、陰極が設けられた陰極室と、陽極室と陰極室とを隔てる隔壁と、陽極室に電解液を供給する第一供給流路と、陰極室に電解液を供給する第二供給流路と、陽極室から電解液を回収する第一回収流路と、陰極室から電解液を回収する第二回収流路と、第一供給流路及び第一回収流路の少なくとも一方の流路に設けられ、電解が止められているときに、当該流路を狭窄する第一流路狭窄部と、第二供給流路及び第二回収流路の少なくとも一方の流路に設けられ、電解が止められているときに、当該流路を狭窄する第二流路狭窄部と、を備える。

本発明に係る電解セルによれば、第一流路狭窄部により第一流路狭窄部が設けられている流路が狭窄される。第二流路狭窄部により第二流路狭窄部が設けられている流路が狭窄される。流路が狭窄されると電解液が流れる流路の流路面積が小さくなる。流路面積が狭くなると流路の電気抵抗値が高くなるため、電解セルにおける逆電流の発生を抑制することができる。

第一及び第二流路狭窄部は、電解液の流れが少なくなるにつれ自重で垂下する垂下部材を有してもよい。この場合、電解液の流れが少なくなるにつれ垂下部材は自重で垂下するため、簡易な構成により電解液の流路面積を小さくすることができる。

垂下部材は、電気絶縁性を有する材料から構成されてもよい。この場合、垂下部材が電気絶縁性を有する部材で構成されるため、第一及び第二流路狭窄部は、簡易な構成により電気絶縁性を高めることができる。

第一及び第二流路狭窄部は、垂下した状態の垂下部材と当接し、垂下部材と協働して流路を狭窄する当接部材を更に有してもよい。この場合、垂下部材及び当接部材により第一及び第二流路狭窄部の流路がより狭窄される。よって、簡易な構成により電解液の流路面積をより一層小さくすることができる。

第一及び第二流路狭窄部は、耐蝕性を有する材料から構成されてもよい。この場合、第一及び第二流路狭窄部は耐蝕性を有する部材であるため、第一及び第二流路狭窄部の長寿命化を図ることができる。

第一及び第二流路狭窄部は、電気絶縁性を有する材料から構成されてもよい。この場合、第一及び第二流路狭窄部が電気絶縁性の部材で構成されるため、第一及び第二流路狭窄部は、簡易な構成により電気絶縁性を高めることができる。

本発明に係る電解槽は、上述した電解セルを備える。

本発明によれば、逆電流の発生を抑制できる電解セル及び電解槽を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る電解槽の模式図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面構成を説明する図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面構成を説明する図である。

以下、本発明の実施形態について、必要に応じて図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明は以下の内容に限定されない。

図１から図３を参照して、本実施形態に係る電解セル及び電解槽について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る電解槽の模式図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面構成を説明する図である。図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面構成を説明する図である。

図１に示されているように、本実施形態に係る電解槽４は、複数の電解セル１とイオン透過性の膜２とを備えている。電解槽４は、プレス器３により連結された電解セル１及びイオン透過性の膜２を備えている。電解槽４は、複極式構造の電解槽である。電解槽４は、隣接する電解セル１の間にイオン透過性の膜２を備えている。電解槽４は、電解セル１に電解液を供給するための電解液供給管８ａ，８ｂを備えている。電解槽４は、電解セル１から電解液を回収するための電解液回収管９ａ，９ｂを備えている。電解液供給管８ａ，８ｂ及び電解液回収管９ａ，９ｂは循環ポンプ（不図示）に接続されている。循環ポンプは、例えば、複数のポンプから構成されていてもよい。この場合、電解液供給管８ａ，８ｂと電解液回収管９ａ，９ｂとが、それぞれ異なる循環ポンプに接続されていてもよい。電解槽４内の電解液は、循環ポンプにより循環させられる。

電解セル１は、電解液を電解する。図２及び図３に示されているように、電解セル１は、陽極室１０と、陰極室２０と、隔壁３０と、第一供給流路４１と、第二供給流路４２と、第一回収流路５１と、第二回収流路５２と、第一流路狭窄部６１と、第二流路狭窄部６２と、を備えている。

電解槽４は、陽極１１と陰極２１とが所定の方向に沿って交互に並ぶように電解セル１とイオン透過性の膜２とを備えている。すなわち、イオン透過性の膜２は、隣接する２つの電解セル１のうち一方の電解セル１の陽極室１０と他方の電解セル１の陰極室２０との間に備えられている。電解セル１の陽極室１０と、この電解セル１に隣接する電解セル１の陰極室２０とは、イオン透過性の膜２で隔てられている。

イオン透過性の膜２は、特に限定されず、公知のものを用いることができる。例えば、塩化アルカリ等の電解により塩素とアルカリを製造する場合、耐熱性及び耐薬品性等に優れるという観点から、含フッ素系イオン交換膜が好ましい。イオン透過性の膜２としては、例えば、旭化成ケミカルズ株式会社製のイオン交換膜Ａｃｉｐｌｅｘ（登録商標）のＦ６８０１を好適に用いることができる。

陽極１１は陽極室１０に設けられている。陽極１１は、電解液に電荷が移動する電極である。クロロアルカリ電解の場合、陽極１１は、例えば塩素発生用の電極である。陽極１１は、電解セル１の一方の面に設けられている。陽極１１は、例えば、エクスパンデッドメッシュ加工されたチタン板の表面に、ルテニウム、イリジウム、及びチタンの少なくとも１つの元素を成分とする酸化物を被覆することにより製造されてもよい。アルカリ水電解の場合、陽極１１は、酸素発生用の電極である。陽極１１は、例えば、エクスパンドメッシュ加工されたニッケル板の表面に、ニッケル、コバルト、白金、イリジウム、パラジウム、及びルテニウムの少なくとも１つの元素を成分とする酸化物を被覆することにより製造されてもよい。

電解槽４は、陽極１１と陰極２１との対向方向に、複数の電解セル１を備えている。電解槽４は、電源に接続される陽極端子を備えている。電解槽４に備えられた複数の電解セル１において、陽極１１と陰極２１との対向方向の一方の端に位置している電解セル１の陽極１１は、陽極端子と電気的に接続されている。電解槽４に備えられた複数の電解セル１において一方の端に、陽極室のみを有する電解セル（陽極ターミナルセル）５が備えられていてもよい。陽極ターミナルセル５と陽極端子とは電気的に接続されている。

陰極２１は陰極室２０に設けられている。陰極２１は、電解液から電荷が移動する電極である。陰極２１は、例えば、水素発生用の電極である。陰極２１は、陽極１１と対向する電解セル１の面に設けられている。陰極２１の表面全体は還元反応のための触媒層で被覆されていることが好ましい。陰極２１は、例えば、ニッケル製ファインメッシュ基材にルテニウムを含有する酸化物が被覆されている。

電解槽４は、電源に接続される陰極端子を備えている。電解槽４に備えられた複数の電解セル１において、陽極１１と陰極２１との対向方向の他方の端に備えられている電解セル１の陰極２１は、陰極端子と電気的に接続されている。電解槽４に備えられた複数の電解セル１において他方の端に、陰極室のみを有する電解セル（陰極ターミナルセル）６が備えられていてもよい。この場合、陰極ターミナルセル６と陰極端子とは電気的に接続されている。

電解セル１は、陰極２１側に集電体２２と、金属弾性体２３と、を備えている。集電体２２は、陰極２１の集電効果を高める。集電体２２は、陰極２１沿って備えられている。集電体２２は、金属弾性体２３を介して、陰極２１と電気的に接続されている。金属弾性体２３は、陰極２１と集電体２２との間に備えられている。集電体２２と陰極２１との間に金属弾性体２３が備えられることにより、電解槽４が組み立てられた際に、複数の電解セル１の陰極２１がイオン透過性の膜２に押し付けられ、陽極１１と陰極２１との間の距離が短くなる。

陽極室１０と陰極室２０との間には、隔壁３０が備えられている。隔壁３０は、陽極室１０と陰極室２０とを隔てている。隔壁３０は、導電性の金属板から構成されている。隔壁３０は、例えば鋼及びニッケルを含む材料から構成されていてもよい。隔壁３０は、陽極リブ１５と陰極リブ２５とが取り付けられている。陽極リブ１５及び陰極リブ２５が隔壁３０に取り付けられる方法は、例えば、レーザ溶接又はＴｉｇ溶接である。陽極リブ１５は陽極１１を支えている。陰極リブ２５は陰極２１を支えている。

第一供給流路４１は、陽極室１０に電解液を供給するための流路である。電解液は、第一供給流路４１を通り陽極室１０に供給される。第一供給流路４１は、陽極室１０において、陽極１１と陰極２１とが対向する方向と交差する方向における一方の側面に設けられている。第一供給流路４１は電解液供給管８ａに接続している。

第一回収流路５１は、陽極室１０から電解液を回収するための流路である。電解液は、第一回収流路５１を通り陽極室１０から回収される。第一回収流路５１は、陽極室１０において、陽極１１と陰極２１とが対向する方向と交差する方向における他方の側面に設けられている。第一回収流路５１は電解液回収管９ａに接続している。

第一流路狭窄部６１は、電解が止められているときに、第一流路狭窄部６１が設けられている流路を狭窄する。本実施形態では、第一流路狭窄部６１は、第一供給流路４１及び第一回収流路５１に設けられている。第一流路狭窄部６１は、第一供給流路４１及び第一回収流路５１の少なくとも一方の流路に設けられていればよい。

第一流路狭窄部６１は、電気絶縁性を有する材料から構成されている。第一流路狭窄部６１は、耐蝕性を有する材料から構成されている。本実施形態において、耐蝕性とは、例えば、アルカリに対する耐腐食性又は酸素に対する耐腐食性である。

第一流路狭窄部６１は、垂下部材７０と当接部材７１とを有している。本実施形態では、第一供給流路４１及び第一回収流路５１に設けられた第一流路狭窄部６１が垂下部材７０と当接部材７１とを有している。

垂下部材７０は、第一供給流路４１及び第一回収流路５１に設けられている。垂下部材７０は、電解液が流れる方向に対して回動する。第一流路狭窄部６１において電解液が流れる速さは、１５０Ｌ／ｈ程度を例示することができる。垂下部材７０は、例えば、垂下部材７０が設けられる電解液の流路に収容可能な大きさを有する板状の部材であってもよい。垂下部材７０は、例えば、ヒンジなどを介して第一供給流路４１及び第一回収流路５１に設けられている。

垂下部材７０は、電気絶縁性を有する材料から構成されている。垂下部材７０は、耐蝕性を有する材料から構成されている。垂下部材７０の材質としては、耐腐食性の観点からフッ素樹脂を採用してもよい。フッ素樹脂としては、例えば、四フッ化エチレン（ＰＴＦＥ）、四フッ化エチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体（ＦＥＰ）、フッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）が挙げられる。垂下部材７０は、電解液よりも比重が重い部材又は電解液と略同等の比重を有する部材で構成されていてもよい。

このように構成した場合、垂下部材７０は、第一流路狭窄部６１における電解液の流れが電解時の流れに比べて少なくないときに垂下する。垂下部材７０は、電解液の流れが少なくなるにつれ自重で垂下する。

当接部材７１は、垂下した状態の垂下部材７０と当接する。当接部材７１は、垂下部材７０と協働して、垂下部材７０及び当接部材７１が設けられている電解液の流路を狭窄する。当接部材７１は、電気絶縁性を有する材料から構成されることが好ましい。当接部材７１は、耐蝕性を有する材料から構成されることが好ましい。当接部材７１は、垂下部材７０と同様の材料から構成されてもよい。

第二供給流路４２は、陰極室２０に電解液を供給するための流路である。電解液は、第二供給流路４２を通り陰極室２０に供給される。第二供給流路４２は、陰極室２０において、陽極１１と陰極２１とが対向する方向と交差する方向における一方の側面に設けられている。第二供給流路４２は電解液供給管８ｂに接続している。

第二回収流路５２は、陰極室２０から電解液を回収するための流路である。電解液は、第二回収流路５２を通り陰極室２０から回収される。第二回収流路５２は、陰極室２０において、陽極１１と陰極２１とが対向する方向と交差する方向における他方の側面に設けられている。第二回収流路５２は電解液回収管９ｂに接続している。

第二流路狭窄部６２は、電解が止められているときに、第二流路狭窄部６２が設けられている流路を狭窄する。本実施形態では、第二流路狭窄部６２は、第二供給流路４２及び第二回収流路５２に設けられている。第二流路狭窄部６２は、第二供給流路４２及び第二回収流路５２の少なくとも一方の流路に設けられていればよい。

第二流路狭窄部６２は、電気絶縁性を有する材料から構成されている。第二流路狭窄部６２は、耐蝕性を有する材料から構成されている。

第二流路狭窄部６２は、垂下部材７０と当接部材７１とを有している。本実施形態では、第二供給流路４２及び第二回収流路５２に設けられた第二流路狭窄部６２が垂下部材７０と当接部材７１とを有している。

垂下部材７０は、第二供給流路４２及び第二回収流路５２に設けられている。垂下部材７０は、電解液が流れる方向に対して回動する。第二流路狭窄部６２において電解液が流れる速さは、１５０Ｌ／ｈ程度を例示することができる。垂下部材７０は、例えば、ヒンジなどを介して第二供給流路４２及び第二回収流路５２に設けられている。垂下部材７０は、第二流路狭窄部６２における電解液の流れが電解時の流れに比べて少なくないときに垂下する。

電解槽４における電解について説明する。電解槽４は、例えばアルカリ水、及び塩水からなる電解液を電解して苛性ソーダ、塩素、及び水素を得るための装置である。例えば、塩水の電解を行なう場合、陽極室１０へ塩水が供給され、陰極室２０へ電解液として純水又は低濃度の水酸化ナトリウム水溶液が供給される。陽極室１０に供給される電解液は、電解液供給管８ａ及び第一供給流路４１を通り供給される。陰極室２０に供給される電解液は、電解液供給管８ｂ及び第二供給流路４２を通り供給される。

塩水の電解が行われている場合、塩水中のナトリウムイオンは、一方の電解セル１の陽極室１０から、イオン透過性の膜２を通過して、隣の電解セル１の陰極室２０へ移動する。よって、電解時の電流は、陽極端子から、イオン透過性の膜２を介して陽極１１及び陰極２１を経由し、陰極端子へ流れる。塩水の電解が行われている場合、陽極１１で塩素ガスが生成し、陰極２１で水酸化ナトリウムと水素ガスが生成する。

電解により陽極室１０において生じる生成物の一部は、電解液とともに電解液回収管９ａ及び第一回収流路５１を通り回収される。電解により陰極室２０において生じる生成物の一部は、電解液とともに電解液回収管９ｂ及び第二回収流路５２を通り回収される。

電解が止められると、第一流路狭窄部６１における電解液の電解液の流れが少なくなるにつれ垂下部材７０が垂下する。垂下部材７０垂下することにより、第一流路狭窄部６１が設けられている電解液が流れる流路の流路面積が狭窄される。電気抵抗は電流が流れる面積に反比例するため、電気抵抗値が高くなる。このため、電解セル１にかかる電位差によって逆電流が発生しにくくなる。

電解が止められると、第二流路狭窄部６２における電解液の電解液の流れが少なくなるにつれ垂下部材７０が垂下する。垂下部材７０垂下することにより、第二流路狭窄部６２が設けられている電解液が流れる流路の流路面積が狭窄される。このため、電解セル１にかかる電位差によって逆電流が発生しにくくなる。

なお、本実施形態において、電解が止められているときとは、陽極端子と陰極端子とが接続する電源から電流が止められているとともに、循環ポンプによる電解液の循環が止められているときである。電解が止められているときとは、次の電解のために電圧を印加するまでの期間を含んでいる。

逆電流が発生しにくくなることにより、陰極２１の酸化、触媒層の溶解又は酸化等、陰極２１の劣化が起こりにくくなる。陰極２１の触媒層として、例えばルテニウム（Ｒｕ）又はスズ（Ｓｎ）など逆電流により溶解する触媒材料を使用した場合であっても、逆電流による陰極２１の触媒層の溶解が抑制されるため、陰極２１の触媒層の寿命が極端に短くなることを防ぐことができる。

以上、本実施形態によれば、電解が止められているとき、垂下部材７０は、電解液の流れが少なくなるにつれ垂下する。第一流路狭窄部６１及び第二流路狭窄部６２により電解液の流路が狭窄され流路面積が小さくなる。このため、第一流路狭窄部６１及び第二流路狭窄部６２における電気抵抗が高くなる。よって、第一供給流路４１又は第一回収流路５１、及び、第二供給流路４２又は第二回収流路５２において電解液と地絡した電解槽４と電位差が生じた場合であっても、逆電流の発生を抑制することができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。

本実施形態では、第一流路狭窄部６１は、電気絶縁性を有する材料から構成されている場合を説明したが、これに限定されない。第一流路狭窄部６１は、耐蝕性を有する材料から構成されている場合を説明したが、これに限定されない。第一流路狭窄部６１は、電気絶縁性を有する材料から構成されていることが好ましいが、耐蝕性を有していなくともよい。

本実施形態では、第一流路狭窄部６１は垂下部材７０及び当接部材７１を有している場合を説明したが、これに限定されない。第一流路狭窄部６１は、垂下部材７０を有し当接部材７１を有していなくてもよい。垂下部材７０の形状は、板状に限定されず、円形形状であってもよい。垂下部材７０は、揺動可能な部材であってもよい。この場合、垂下部材７０は、例えば、ゴムから構成される部材であってもよい。垂下部材７０は、例えば、ヒンジなどを介さずに第一供給流路４１及び第一回収流路５１に設けられてもよい。あるいは、第一流路狭窄部６１は電磁弁等により流路を狭窄してもよい。

本実施形態では、第二流路狭窄部６２は垂下部材７０及び当接部材７１を有している場合を説明したが、これに限定されない。第二流路狭窄部６２は、垂下部材７０を有し当接部材７１を有していなくてもよい。あるいは、第二流路狭窄部６２は電磁弁等により流路を狭窄してもよい。

本実施形態では、電解液は循環ポンプにより電解槽４内を循環していたが、これに限定されない。例えば、電解により生成した気体が上昇する浮力を利用することにより、電解液を循環させてもよい。

１…電解セル、４…電解槽、１０…陽極室、１１…陽極、２０…陰極室、２１…陰極、４１…第一供給流路、４２…第二供給流路、５１…第一回収流路、５２…第二回収流路、６１…第一流路狭窄部、６２…第二流路狭窄部、７０…垂下部材、７１…当接部材。

Claims (7)

1. 電解液を電解する電解セルであって、
   陽極が設けられた陽極室と、
   陰極が設けられた陰極室と、
   前記陽極室と前記陰極室とを隔てる隔壁と、
   前記陽極室に電解液を供給する第一供給流路と、
   前記陰極室に電解液を供給する第二供給流路と、
   前記陽極室から電解液を回収する第一回収流路と、
   前記陰極室から電解液を回収する第二回収流路と、
   前記第一供給流路及び前記第一回収流路の少なくとも一方の流路に設けられ、電解が止められているときに、当該流路を狭窄する第一流路狭窄部と、
   前記第二供給流路及び前記第二回収流路の少なくとも一方の流路に設けられ、電解が止められているときに、当該流路を狭窄する第二流路狭窄部と、を備え、
   前記第一及び第二流路狭窄部は、電気絶縁性を有する材料から構成される、電解セル。
2. 前記第一及び第二流路狭窄部は、電解液の循環が止められて電解液の流れが少なくなるにつれ自重で垂下する垂下部材を有する、請求項１に記載の電解セル。
3. 前記垂下部材は、電気絶縁性を有する材料から構成される、請求項２に記載の電解セル。
4. 前記第一及び第二流路狭窄部は、垂下した状態の前記垂下部材と当接し、前記垂下部材と協働して前記流路を狭窄する当接部材を更に有する、請求項２又は３に記載の電解セル。
5. 前記第一及び第二流路狭窄部は、耐蝕性を有する材料から構成される、請求項１〜４の何れか一項に記載の電解セル。
6. 耐蝕性を有する前記材料は、四フッ化エチレン、四フッ化エチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体、又はフッ化ビニリデンである、請求項５に記載の電解セル。
7. 請求項１〜６の何れか一項に記載の電解セルを備える、電解槽。

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