JP6599411B2 - 電解セルおよび電解セル用電極板 - Google Patents

Description

本発明は、電解セルおよび電解セル用電極板に関する。

近年、電解水生成装置の電解セルとして、様々なものが開発されている。特許文献１には、陰極と、陰極に対して所定距離を置いて対向配置された陽極と、陰極と陽極の間に設けられた隔膜と、陰極と隔膜との間に設けられ、原水を入口から出口へと流通させる陰極流路とを備え、陰極と陽極間に電圧を印加して電解水を生成する電解水生成装置が開示されている。この装置では、陽極と隔膜の間にそれぞれ接するように原水を通過させる通水性部材を設け、陰極流路を流れる原水の一部を、隔膜を通過させ、さらに通水性部材を通過させて、陽極表面で生成された水素イオンと共に前記原水の一部を系外へと排水させることで、電解電圧を低く抑えると共に排水量を少なくしても所望のｐＨ値とした電解水を効率良く提供することができるとされている。

また、特許文献２には、イオン透過性の隔膜を介して対向配置された１対の電解室と、隔膜を挟んで電解室に設けられた１対の電極とを備え、さらに、電極が隔膜に密着して形成された膜−電極構造体と、電解室の内壁面に設けられ、先端部で膜−電極構造体に圧接する突出部と、電解室の内壁に沿って形成された集電体とを備える電解水生成装置の電解槽が開示されている。この装置では、集電体は蒸着またはメッキにより形成された導電性金属部材層からなり、電解室と隔膜との間に、接続部材として導電性の金属パッキンを備え、さらに、電解室は、膜−電極構造体の両側の互いに対向する位置に突出部を備え、電極は、導電性粉体を含む多孔質体からなることで、膜−電極構造体の電極に対して確実に十分な電力を供給できるとされている。

また、特許文献３には、イオン透過性の隔膜を介して対向配置された１対の電解室と、原水供給手段と、隔膜を挟んで各電解室に設けられた１対の電極と、電解水を取り出す電解水取出手段とを備え、隔膜は陰イオン透過膜であり、電極は陰イオン透過膜の両表面に密着して陰イオン透過膜と一体に、かつ陰イオン透過膜の一部を露出させて形成されている電解槽と電解水生成装置が開示されている。この装置では、陰極側の電解室に供給される原水のみが電解質を含み、さらに、電極は、導電性の粉体から形成された多孔質体であるか、メッシュ状または櫛形状に形成されており、電極は、導電性の粉体を含む導電性ペーストを陰イオン透過膜の表面に塗布し、加熱または加圧することにより形成されることで、小型で電解効率に優れ、酸性電解水中の陰イオン濃度を低減できるとされている。

特開２００７−７５７３０号公報 特開２００６−１５２３１８号公報 特開２００５−１４４２４０号公報

しかし、従来のいずれの電解セルでも、水素ガスの排出がスムーズではない場合、電極板表面が露出し電流密度が低下するという問題点があった。気泡となって電極表面に生成する水素ガスの排出を促すためには、スターラー等による撹拌が有効であるが、それを用いた場合でも水流を平面である電極表面に均一に当てることは難しく、置換率が一定とはならないため電極部位により表面の膜の消耗度にバラツキの生じる可能性が高い。表面の膜は一部でも欠損した場合には、電極ごとの取り換えが余儀なくされる、つまり、部位によっては十分な膜厚があっても使用不可となるため、電極寿命のロスが大きく、電極の費用対効果が低いという問題点があった。

また、電極の裏面は電流密度が小さく、ほとんど有効に使われないにも関わらず、耐食性を維持するため、コーティングが必要となる。このため、電極の単位面積当たりの電流密度が低くなり、やはり、電極の費用対効果が低くなるという問題点もあった。

また、従来の電解セルでは、連続的に送液して電解する場合、溶液の流れが均一になり難く、スルーパスなどの要因により電解効率、すなわち変換効率が低下する場合があるという問題点もあった。

さらにまた、生成した次亜塩素酸ナトリウム水溶液の室温における分解速度が大きく（２４時間で１０％）、実用上保存不可であるため、直ちに分解しない濃度（１０００ｐｐｍ以下）まで希釈するかもしくは５℃以下の低温保存が必要となるが、直ちに分解しない濃度まで希釈した場合には電流密度が低下するという問題点もあった。

そこで本発明の目的は、水素ガスの排出がスムーズで、かつ、水流が平面である電極表面に均一に当たるため表面の膜の消耗度にバラツキが生じず、さらに電極の裏面も有効に使われるため電極の費用対効果も高く、また、溶液の流れが均一であるためスルーパスなどによる電解効率の低下を防止でき、さらにまた、次亜塩素酸ナトリウム水溶液の分解防止のために希釈した場合の電流密度の低下にも対応できる電解セルおよびそれに用いられる電解セル用電極板を提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、電解セルおよび電解セル用電極板を特定の構造とすることにより、上記課題を解決できることを見出して、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明の電解セルは、複数の、略円形の電極部を有する電極板と、該電極板を支持する複数の電極板支持体とを有する電解セルであって、前記電極板支持体に、前記電極部と略同形の断面を有する円筒形状で、水平方向に中心軸を有する貫通孔が設けられており、前記電極板と前記電極板支持体が互い違いに、前記電極板が前記電極板支持体に挟着されるように横置されることで、前記電極板支持体の前記貫通孔と、それを両側から挟む前記電極板とで電解室が構成され、前記貫通孔の側壁下部に原料供給孔を、前記貫通孔の側壁上部に製品排出孔を有することを特徴とするものである。

また、本発明の電解セルは、製品排出孔が、前記貫通孔の前記側壁上部に少なくとも２つ備えられていることが好ましく、次亜塩素酸生成に用いられることが好ましい。

本発明の電解セルおよびそれに用いられる電解セル用電極板によれば、水素ガスの排出がスムーズで、かつ、水流が平面である電極表面に均一に当たるため表面の膜の消耗度にバラツキが生じず、さらに電極の裏面も有効に使われるため電極の費用対効果を高くすることができる。また、溶液の流れが均一であるためスルーパスなどによる電解効率の低下を防止でき、さらにまた、次亜塩素酸ナトリウム水溶液の分解防止のために希釈した場合の電流密度が低下にも対応できる。

本発明の一実施形態に係る電解セルの組み立て方を示す説明図である。 図１に示す電解セルの組み立て状態を示す斜視図である。 図１に示す電解セルの電解室の幅方向中央における運転状態を示す正面断面図である。 図３中のＡ−Ａ´線に沿う断面における電解セルの運転状態を示す部分断面図である。 本発明の一実施形態に係る電解セルの運転状態を示す説明用模式図である。

以下、本発明の具体的実施形態について詳細に説明する。
図１に示す、本発明の一実施形態に係る電解セル１は、複数の、略円形の電極部３を有する電極板２と、電極板２を支持する複数の電極板支持体５とを有する。電極板支持体５には、電極部３と略同形の断面を有する円筒形状で、水平方向に対称軸を有する貫通孔６が奥行方向に設けられており、電極板２と電極板支持体５が互い違いに、電極板２が電極板支持体５に挟着されるように横置されている。電極板支持体５の貫通孔６と、それを両側から挟む電極板２とで電解室が構成される。貫通孔６の側壁下部には原料供給孔８が、貫通孔６の側壁上部には製品排出孔９が設けられている。

電極板２および電極板支持体５を互い違いに横置する個数は、電解セル１に要求される電解能力や、設置エリアの面積等に応じ任意に選択することができる。

電極板２は、電極部３と端子部４からなり、陽極電極板２ａと陰極電極板２ｂが交互に、かつ、陽極電極板２ａの端子部４の向きと陰極電極板２ｂの端子部４の向きが逆方向となるように設置される。電極板２には、電解セルの電極板に通常使用される材質、例えば表面に膜処理がされたチタンやカーボンを使用することができる。また、電極部３と端子部４を一体成型することで、電極板２の接触抵抗をなくすことができる。

電極支持体５は、耐薬品性の材質であることが好ましい。特に、透明であり、運転状態のモニターが容易な樹脂であるアクリル樹脂であることが好ましい。

本発明の電解セル１は、電解室の基本的な構成要素である電極板２および電極支持板５に特殊な材料を用いず、かつ構造も複雑ではないため、製作やメンテナンスにかかるコストを低く抑えることができる。

本発明の電解セル１においては、図３に示すように、電解液は原料供給ヘッダー８から、貫通孔６の側壁下部に連通する原料供給孔９経由で円筒形の電解室７内に導入される。原料供給孔９の径を電解室７の幅（電極板支持体５の奥行方向の幅）に対して小さくし、かつ、原料供給孔９と電解室７の接続点を、図３および４に示すように、電解室７の幅方向における中央部に位置させることで、電極部３表面付近の流速の上昇が抑えられつつ、電解室７の幅方向中央に、電解室７の内壁に沿って流速を有す縦方向の旋回流が発生する。このとき、流速は電解室内に乱流を生じない範囲にとどめる。これにより、本発明の電解セル１においては、局所的に電流密度が上昇または低下することなく、均一な電流密度が得られ、電極部３の消耗の均一化と長寿命化が可能となる。なお、電解室７内における縦方向の旋回流の発生をより促進するため、原料供給孔９は、貫通孔６の側壁下部に少なくとも２つ備えられていることが望ましい。

また、水素ガスを含む生成物は、貫通孔６の側壁上部に接続する製品排出孔１０経由で弊品ヘッダー１１に排出される。水素ガスは電解室７に発生する縦方向の旋回流に同伴されながら排出されるため、電解室７内で生成する水素ガスが電解質７内に滞留することはなく、電極部３表面の露出や、それに伴う電流密度低下を防止することができる。なお、電解室７内で生成する水素ガスの排出をより促進するため、製品排出孔１０は、貫通孔６の側壁上部に少なくとも２つ備えられていることが望ましい。また、同じ理由から、製品排出孔１０は、排出の方向に向かって上向きに設置されていることが好ましい。

以上のように、本発明の電解セル１によれば、電解室７内で生成する水素ガスによる電極部３表面の露出や、それに伴う電流密度低下を防止しつつ、局所的に電流密度が上昇または低下することなく均一な電流密度が得られる。このため、電極部３の消耗が均一になり、長寿命化が可能となり、電極板２の費用対効果が高くなる。さらに、電極板２を電極板支持体５に挟着する際にＯリング１２を使用することで、製作やメンテナンスにかかるコストを低く抑えることができるだけでなく、最も欠損しやすい電極部３端部の表面の膜を、メッキすることなく保護することができ、電極板２の費用対効果をより一層高くすることができる。

また、本発明の電解セル１においては、１枚の電極板２が、隣り合った電解室７同士で共有されることから、電極部３の裏面も有効に活用されることとなる。これにより電極部３の単位面積当たりの電流密度が高くなり、電極板２の費用対効果がさらに高くなる。１枚の電極板２が、隣り合った電解室７同士で共有されることは、電極板２の集積化による電解セル１の小型化にも寄与する。

また、前述の通り、電解室７の幅方向中央に縦方向の旋回流が発生することで、電解液のスルーパスもしくは滞留も防止される。このため、溶液の流れが均一になり、電解質７内の電解効率、すなわち変換効率が、安定、上昇することはもとより、過度の電解並びにそれに起因する温度上昇が防止され、生成した次亜塩素酸ナトリウム水溶液の分解、塩素酸化の防止にもつながることとなる。

前述の通り、生成した次亜塩素酸ナトリウム水溶液の分解を防止するためには、直ちに分解しない濃度まで希釈することも有効であるが、本発明の電解セル１によれば、電極板２同士の距離を最小にすることができることから、この場合の電流密度の低下にも対応することができる。

図５に、本発明の一実施形態に係る電解セルの運転状態を示す説明用模式図を示す。前述の通り、電解液は、原料供給ヘッダー８から、貫通孔６の側壁に連通する原料供給孔９経由で円筒形の電解室７内に導入されて電解に供され、水素ガスを含む生成物は、貫通孔６の側壁に接続する製品排出孔１０経由で製品ヘッダー１１に排出される。また、１枚の陽極電極板２ａは、その両隣の陰極電極板２ｂ１および２ｂ２それぞれと電気回路を形成するため、電解室７ａと７ｂとで共有されることになる。

ここで、同一の陽極電極板２ａと電気回路を形成する陰極電極板２ｂ１および２ｂ２と、直流電源１３とを結ぶ各の電気回路上の電流確認個所１４にて電流値を確認することで、運転状態や、各電極板２の電極部３の消耗度合をモニターすることができる。

なお、１枚の電極板２が、隣り合った電解室７同士で共有される本発明の電解セル１においても、電解セル１の両端に設置された陽極電極板２ｃと陰極電極板２ｄについては運転中に裏面を有効活用することは難しい。しかし、陽極電極板２ｃと陰極電極板２ｄの表面が消耗した際には、裏返して裏面を使用することで各電極板２の費用対効果を高くすることができる。

本発明の電解セル１は、あらゆる電気分解に使用することができるが、電解水の製造に用いられることが好ましく、次亜塩素酸の製造に用いられることが特に好ましい。

以上のとおり、本発明の電解セル１によれば、スムーズな水素ガスの排出と均一な電流密度による電極部３の長寿命化と、電極部３の裏面の有効活用化により、電極板２の費用対効果の向上と電極板２の集積化による小型化が可能になる。また、本発明の電解セル１によれば、電解液のスルーパスや滞留も防止できることから電解効率、すなわち変換効率の、安定、上昇はもとより、生成した次亜塩素酸ナトリウム水溶液の品質の安定化も図ることができる。

本発明の電解セル１は、電極板２と電極板支持体５が互い違いに、電極板２が電極板支持体５に挟着されるように横置されることで、電極板支持体５の貫通孔６と、それを両側から挟む電極板２とで電解室７が構成されるが、同じように電極板２と電極板支持体５を使用しながら、図１において、２ｂの電極の位置に例えばセラミックス製の隔膜や、イオン交換膜を設置し、これを挟む２ａの電極の位置に陽極電極板２ａと陰極電極板２ｂを設置し、これを繰り返し横置する構成とすることにより、隔膜法や、イオン交換膜法の電解セルに応用することもできる。ただし、この場合、原料および製品が、陽極電解室、陰極電解室で異なってくるため、例えば、原料供給ヘッダー８および製品排出ヘッダー１１それぞれを、陽極電解室用、陰極電解室用に区分けして設ける構造に変更する必要がある。

１ 電解セル
２ 電極板
２ａ、２ｃ 陽極電極板
２ｂ、２ｂ１、２ｂ２、２ｄ 陰極電極板
３ 電極部
４ 端子部
５ 電極板支持体
６ 貫通孔
７、７ａ、７ｂ 電解室
８ 原料供給ヘッダー
９ 原料供給孔
１０ 製品排出孔
１１ 製品排出ヘッダー
１２ Ｏリング
１３ 直流電源
１４ 電流確認個所

Claims (3)

1. 複数の、略円形の電極部を有する電極板と、該電極板を支持する複数の電極板支持体とを有する電解セルであって、
   前記電極板支持体に、前記電極部と略同形の断面を有する円筒形状で、水平方向に中心軸を有する貫通孔が設けられており、
   前記電極板と前記電極板支持体が互い違いに、前記電極板が前記電極板支持体に挟着されるように横置されることで、前記電極板支持体の前記貫通孔と、それを両側から挟む前記電極板とで電解室が構成され、
   前記貫通孔の側壁下部に原料供給孔を、前記貫通孔の側壁上部に製品排出孔を有することを特徴とする電解セル。
2. 前記製品排出孔が、前記貫通孔の前記側壁上部に少なくとも２つ備えられている請求項１に記載の電解セル。
3. 次亜塩素酸生成に用いられる請求項１または２に記載の電解セル。
   

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