JP7236568B2 - 電解用電極および電解装置 - Google Patents

Description

本発明は、電解用電極およびそれを使用する電解装置に関する。特に、本発明は、隔膜を使用する電解装置内の電解用電極、およびそれを使用する隔膜電解装置に関する。

水電解、アルカリ水電解または食塩電解などの電解によって、水素ガス、酸素ガスまたは塩素ガス、および苛性ソーダなどのアルカリ性原料を得る場合、電力消費率は、水素ガス、酸素ガス、苛性ソーダ（ＮａＯＨ）および塩素ガス（Ｃｌ_２）などの製品の製造コストに反映される。また、電解では電気が使用されるため、発電中に二酸化炭素（ＣＯ_２）ガスが放出され、地球温暖化に悪影響を及ぼす。このような社会環境では、隔膜を有する電解装置、またはイオン交換膜電解装置を運転する際に、電解電圧をさらに低減することができる電解装置が現在必要とされている。

このような問題について、隔膜またはイオン交換膜を含む電解装置では、カソードの形状、コーティングおよび給電などの様々な項目がこれまでに研究されている。例えば、特許文献１には、カソードとして使用されるエキスパンドメタルのメッシュの形状を小さくすることによって、電解電圧を低減する技術が開示されている。

一方、アノードについては、特許文献２には、エキスパンドメタルのメッシュの開口率を所定の範囲内にすることによって、電解性能を向上させる技術が開示されている。また、アノードにコーティングを施すことによって、電解電圧を低減する技術が知られている。特許文献３には、略菱形の穿孔を有する金属メッシュから構成されたアノードであって、ストランドと穿孔との比、および穿孔の長距離ＬＷＤと短距離ＳＷＤとが所定の値に設定されているアノードが開示されている。特許文献３には、白金族金属酸化物、マグネタイト、フェライト、コバルトスピネルまたは混合金属酸化物をコーティングとして使用することができることが開示されている。また、特許文献４には、アルカリ金属塩化物水溶液を従来よりも低い電圧で電解することができ、金属多孔板の厚さと、短路ＳＷと長路ＬＷの比ＳＷ／ＬＷとを一定の範囲内にすることによって、アノードガスに含有される不純物ガスの濃度を低下させることができるイオン交換膜電解用アノードが開示されている。さらに、特許文献５には、有孔金属板から作製された導電性基材と、導電性基材の表面に形成された少なくとも１つの触媒層とを含む電解用電極であって、電解用電極の厚さが０．５ｍｍ超１．２ｍｍ以下であり、電解用電極の穿孔の周長の和Ｂを電解用電極の開口率Ａで割ることによって得られた値Ｃが２超５以下である電解用電極が開示されている。国際公開第２０１８／１５５５０３号から、請求項１のプリアンブルに従う電解用電極が知られている。酸素過電圧が低い水電解装置を得るために、電極のニッケル多孔質基板の表面には、ペロブスカイト型構造を有する金属酸化物の層が形成されている。ＵＳ５，８０４，０５５Ａは、電流分配器として機能する平板のコアと、コアの周りに巻かれた非常に薄く非常に柔軟な金属メッシュの複数の層とを有する電気化学プロセス用の別の電極を記述する。

特開２０１２－１４０６５４号 日本特許第４４５３９７３号 特開昭６２－５０２８２０号 日本特許第６２１６８０６号 国際公開第２０１８／１３１５１９号

ただし、引用文献に記載されている電解用電極の形状、特に、特許文献４に開示されている金属多孔板の厚さと、短路ＳＷと長路ＬＷとの比ＳＷ／ＬＷとを満たすメッシュ形状を使用しても、セル電圧が高くなったり低くなったりすることが確認された。

したがって、本発明の目的は、従来よりも低い電圧で純水、アルカリ水溶液またはアルカリ金属塩化物水溶液を電解する点で、さらに好ましい形状を有する電解用電極、およびそれを使用する電解装置を提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、単位面積１ｄｍ^２当たりの面軸（ＸＹ軸）の面積Ｒｓ（ｃｍ^２／ｄｍ^２、以下、面軸面積とも略す）、単位面積１ｄｍ^２当たりの厚さ方向（Ｚ軸）の面積Ｒｃ（ｃｍ^２／ｄｍ^２、以下、厚さ方向面積とも略す）、および単位面積１ｄｍ^２当たりの微細度（ｆｉｎｅ ｄｅｇｒｅｅ）Ｆ（以下、微細度とも略す）と、セル電圧との間に相関があることを見出し、さらに、電解用電極がこれらの一定の条件を満たす形状を有する場合に、従来よりも低い電圧で純水、アルカリ水溶液またはアルカリ金属塩化物水溶液を電解することができることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、下記式によって表される、４０以上の係数Ｖの値を有する金属多孔板を含む本発明の電解用電極；
係数Ｖ＝Ｒｓ×Ｒｃ×Ｆ／１０００００
（式中、Ｒｓは、単位面積１ｄｍ^２当たりの平面方向表面積［ｃｍ^２／ｄｍ^２］であり、Ｒｃは、単位面積１ｄｍ^２当たりの厚さ方向表面積［ｃｍ^２／ｄｍ^２］であり、Ｆは、単位面積１ｄｍ^２当たりのメッシュ開口数（微細度）［数／ｄｍ^２］である）。

本発明の電解用電極では、係数Ｖの値が７０以上であることが好ましい。また、金属多孔板は、エキスパンドメタルである。さらに、エキスパンドメタルのメッシュの短路中心間距離ＳＷと長路中心間距離ＬＷとの比ＳＷ／ＬＷは０．４５以下であり、好ましくは、エキスパンドメタルのメッシュの短路中心間距離ＳＷは２．０ｍｍ以下であり、好ましくは、エキスパンドメタルのメッシュの厚さｔは０．５ｍｍ以下である。また、好ましくは、エキスパンドメタルのメッシュの厚さｔは０．３５～０．５ｍｍ、長路中心間距離は２．９～３．２ｍｍ、短路中心間距離は１．１～１．４ｍｍ、ストランドは０．４～０．７ｍｍである。

さらに、アノードおよびカソードのうちの少なくとも１つが、本発明の上述した電解用電極である、アノードと、カソードとを含む本発明の電解装置。

好ましくは、本発明の電解装置は、アノード室とカソード室とを分離する隔膜を含み、好ましくは、隔膜は、イオン交換膜または多孔質膜であり、好ましくは、隔膜とカソードまたはアノードとは、接触している。

本発明によれば、従来よりも低い電圧で純水、アルカリ水溶液またはアルカリ金属塩化物水溶液を電解する点で、さらに好ましい形状を有する電解用電極、およびそれを使用する電解装置が提供され得る。

発明比較例による電解用電極の概略部分拡大図である。 本発明の好ましい実施形態による電解用電極の概略部分拡大図である。 図２Ａの線Ａ－Ａに沿った断面図である。 図２Ａに示す概略部分拡大図の一部をさらに拡大することによって得られた概略部分拡大図である。 図３Ａの線Ｂ－Ｂに沿った断面図である。 本発明の好ましい一実施形態による電解装置の概略断面図である。 比較実施例１の係数Ｖとセル電圧低減効果との間の関係を示すグラフである。 本発明の実施例２の係数Ｖとセル電圧低減効果との間の関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する
本発明の電解用電極は、電解装置内で使用される電極であり、特に、イオン交換膜によって、アノードを収容するアノード室とカソードを収容するカソード室とに分離されたイオン交換膜電解装置内で使用されるイオン交換膜電解用電極である。本発明では、電解用電極は、金属多孔板を含む。図１は、菱形の穿孔が打ち抜かれたパンチングメッシュを使用する、発明比較例による電解用電極の概略部分拡大図である。さらに、図２Ａは、エキスパンドメタルを使用する、本発明の好ましい実施形態による電解用電極の概略部分拡大図を示し、図２Ｂは、図２Ａの線Ａ－Ａに沿った断面図を示し、図３Ａは、図２Ａに示す概略部分拡大図の一部をさらに拡大することによって得られた概略部分拡大図を示し、図３Ｂは、図３Ａの線Ｂ－Ｂに沿った断面図を示す。図１、図２Ａ、図２Ｂ、図３Ａおよび図３Ｂでは、金属多孔板１としてパンチングメッシュおよびエキスパンドメタルが例示されている。金属多孔板１は、金属多孔板を積層することによって得られた製品であってよい。

上述したように、セル電圧は、単位面積１ｄｍ^２当たりの面軸（ＸＹ軸）の面積Ｒｓ（ｃｍ^２／ｄｍ^２、以下、面軸面積とも略す）、単位面積１ｄｍ^２当たりの厚さ方向（Ｚ軸）の面積Ｒｃ（ｃｍ^２／ｄｍ^２、以下、厚さ方向面積とも略す）および単位面積１ｄｍ^２当たりの微細度Ｆ（以下、微細度とも略す）と相関を有し、本発明の電解用電極は、下記式によって表される、４０以上の係数Ｖの値を有する金属多孔板を含むことを特徴とする；
係数Ｖ＝Ｒｓ×Ｒｃ×Ｆ／１０００００。

係数Ｖとセル電圧低減効果とのグラフは、パンチングメッシュを使用した場合またはエキスパンドメタルを使用した場合のいずれでも近似した形状を有し、金属多孔板１の形状に関わらず使用され得る。また、エキスパンドメタルは、金属板を切り欠いて延伸し、圧延して表面を平坦化する工程を含むことを特徴とするため、図２Ｂの断面図および図３Ｂの断面図に示すように、断面は垂直ではなく傾斜しており、実施例に示す近似式が、係数Ｖ、特にＲｃの算出に使用され得る。

パンチングメッシュを使用する場合、係数Ｖが７０以上であれば良好なセル電圧低減効果を得ることができ、エキスパンドメタルを使用する場合、係数Ｖが４０以上であれば良好なセル電圧低減効果を得ることができる。パンチングメッシュを使用する場合とエキスパンドメタルを使用する場合との間で、良好なセル電圧低減効果を得ることができる係数Ｖの値に差がある理由は必ずしも明らかではないが、後述するように、エキスパンドメタルでは特に厚さ方向の形状がパンチングメッシュと異なるため、ガス放出などによる抵抗が原因と考えられる。

また、エキスパンドメタルを使用する場合、係数Ｖが同じ値であっても、ＳＷ／ＬＷ比が０．６を超えると、ＳＷ／ＬＷ比が０．４５超０．６０以下である場合と比較して、セル電圧低減効果が小さくなる。一方、ＳＷ／ＬＷ比が０．４５以下であると、係数Ｖが同じ値であり、ＳＷ／ＬＷ比が０．４５超０．６０以下である場合と比較して、セル電圧低減効果が大きくなるため好ましい。これは、パンチングメッシュでは見られない現象であり、電極形状としてエキスパンドメタルを使用すると、ＳＷとＬＷとの比は、パンチングメッシュよりもセル電圧低減効果に大きな影響を与える。これは、厚さ方向の角度などが電流分布に与える影響、発生したガスが電極表面から放出される際の抵抗などに起因すると考えられる。

本発明では、好ましくは、エキスパンドメタルのメッシュの短路中心間距離ＳＷは、２．０ｍｍ以下である。短路ＳＷを２．０ｍｍ以下とすることによって、電解中の電流分布をさらに均等化することができる。

また、本発明では、好ましくは、エキスパンドメタルのメッシュの厚さｔは、０．５ｍｍ以下である。メッシュの厚さｔを０．５ｍｍ以下とすることによって、パンチングメッシュよりも安価なエキスパンドメタルによって、メッシュ開口が比較的小さいメッシュを製造することができる。実際にメッシュを製造する場合、０．５ｍｍ超の厚さｔを有する本発明のメッシュをエキスパンドメタルによって製造することは、エキスパンドメタルの製造プロセスでは非常に困難であることが知られている。

本発明による電解用電極では、金属多孔板１の係数Ｖの値が４０以上であることのみが重要であり、他の構成については公知の構成を採用することができる。例えば、金属多孔板１としてエキスパンドメタルを使用する場合、板を剪断加工した後にエキスパンド加工することによって製造し、圧延などによって平坦化したチタンエキスパンドメタルを好適に使用することができる。電解用電極の表面に電極触媒材料、例えば、白金族金属酸化物、マグネタイト、フェライト、コバルトスピネルまたは混合金属酸化物のコーティングを形成して、電解電圧を低減してもよいことに留意されたい。

また、上述したように、本発明の電解用電極では、多層に積層した金属多孔板１を使用して、強度を確保してもよい。ただし、例えば、イオン交換膜電解装置の電極として使用する場合、イオン交換膜に接する側の金属多孔板１の係数Ｖの値は、４０以上である必要がある

次に、本発明の電解装置について説明する。
図４は、本発明の電解装置の好ましい一実施形態による、隔膜を含む電解装置の断面図であり、本発明の電解装置は、好ましくは、イオン交換膜電解および食塩電解だけでなく、他の電解、水電解およびアルカリ水電解にも使用することができる。図に示すように、隔膜電解装置１０は、隔膜１１によってアノード室１２とカソード室１３とに分離されており、アノード室１２およびカソード室１３にはそれぞれアノード１４およびカソード１５が収容されている。図によって示される例では、アノード１４は、アノード室１２内でアノードリブのようにアノード給電体１６に固定され、カソード１５は、カソード室１３内でカソード集電体１７を介してカソード室１３に固定されている。本発明のさらに好ましい実施形態の１つとして、カソード集電体は弾性を有し、アノード１４、隔膜１１およびカソード１５が好ましい圧力で互いに密着した状態が維持されることに留意されたい。

隔膜電解装置１０では、電極、特にアノード１４には、本発明の上述した電解用電極が使用される。上述したように、本発明の電解用電極を隔膜電解装置１０に適用することによって、従来よりも低い電圧で、電解液、例えば、アルカリ金属塩化物水溶液または水溶液を電解することができる。

隔膜電解装置１０は、隔膜１１によって、アノード１４が収容されるアノード室１２と、カソード１５が収容されるカソード室１３とに分離され、電極、特にアノード１４に本発明の上述した電解用電極が使用されることのみが重要であり、他の構成については公知の隔膜電解装置の構成を採用することができる。

例えば、カソード１５は、電解に通常使用されるカソードである限り特に限定されず、公知のカソードを使用することができ、例えば、ニッケルなどの耐食性金属から作製されたエキスパンドメタルを使用することができる。カソード１５の表面には、白金族金属酸化物を含有する電極触媒材料のコーティングが形成されてもよいことに留意されたい。

また、図によって示される例では、アノード室１２とカソード室１３とがガスケット１８を介して気密に積層されており、アノード１４とカソード１５との間の距離は、ガスケット１８の厚さと、アノード給電体１６およびカソード集電体１７の長さとによって調整されている。カソード１５と隔膜１１との間については、隔膜１１とカソード１５とを実質的に密着させた状態で電解装置が運転されてもよいか、図に示すように約１～２ｍｍの隙間を設けて電解装置が運転されてもよい。

図によって示される例では、一対のアノード室１２およびカソード室１３が積層されたユニット電解装置が示されているが、隔膜電解装置１０は、複数のこのようなユニット電解装置が積層された電解装置であってよいことに留意されたい。また、本発明の電解装置は、アノード室およびカソード室の外面を互いに接続することによって両側にアノードおよびカソードを各々有するバイポーラユニットが隔膜を挟んで積層され、アノード室またはカソード室を有するアノード室ユニットおよびカソード室ユニットが隔膜を挟んで両端に積層された電解装置であってよい。

本発明の隔膜電解装置１０を使用して食塩電解を行うには、アノード室１２に設けられたアノード室入口１２ａから食塩水溶液を、カソード室１３に設けられたカソード室入口１３ａから水酸化ナトリウムの希釈水溶液を供給しながら、両電極間に電流を流す。この時点で、カソード室１３の圧力をアノード室１２の圧力よりも高くして、隔膜１１をアノード１４に密着させて、隔膜電解装置１０を効率よく運転することができる。アノード室１２内のアノード室出口１２ｂからは、電解生成物とともにアノード溶液が排出され、カソード室１３内のカソード室出口１３ｂからも電解生成物を含有するカソード溶液が排出されることに留意されたい。また、食塩電解を行う場合、隔膜としてイオン交換膜が使用される。

［実施例］
以下、実施例を使用して本発明をさらに詳細に説明する。
［実施例１（比較例）］
下記表１に示す条件に従って、パンチングタイプのメッシュ用チタン基材にＤＳＥコーティングを施すことによって得られたサンプルから形成された電解用アノードのサンプル１～１６を製造し、図４に示すタイプのイオン交換膜電解装置にそれぞれ設置した。次いで、以下に示す電解条件に従って、食塩溶液の電解を行った。イオン交換膜電解装置の電解面積は１ｄｍ^２とし、隔膜にはＡＧＣ Ｉｎｃ．製のカチオン交換膜Ｆｌｅｍｉｏｎ Ｆ－８０８０Ａを使用し、カソード基材としてニッケルから作製された微細メッシュを使用し、Ｄｅ Ｎｏｒａ Ｐｅｒｍｅｌｅｃ Ｌｔｄ製のＮＲＧ－Ｖをコーティングした活性カソードを使用したことに留意されたい。微細メッシュとは、微細な穿孔を有するエキスパンドメタル、または平織メッシュを意味する。また、隔膜と電極との間の隙間をゼロにするために、隔膜をプレスし、さらにカソードをアノードに対してプレスした構造を有するセル内で、カソードに給電するための構造として弾性体を使用して食塩電解を行った。

なお、表１のＬＷ、ＳＷ、ＳＴ、ｔ、Ｓ、Ｆ、ＲｓおよびＲｃは以下の通りである（ＬＷ、ＳＷおよびＳＴに関しては、図１の説明も参照されたい）：
ＬＷ：長路中心間距離、ｍｍ、
ＳＷ：短路中心間距離、ｍｍ、
ＳＴ：ストランド（垂直メッシュ幅）、ｍｍ、
ｔ：メッシュ厚さ、ｍｍ、
Ｓ：下記の計算によって算出されるメッシュ開口率、％：

Ｆ：下記式によって算出される、単位面積１ｄｍ^２当たりの微細度、以下、微細度とも略す：
Ｆ＝（１００／ＬＷ）×（１００／ＳＷ）
Ｒｓ：下記式によって算出される、単位面積１ｄｍ^２当たりの面軸（ＸＹ軸）の面積、ｃｍ^２／ｄｍ^２、以下、面軸面積とも略す：
Ｒｓ＝（１００－Ｓ）×１００、および
Ｒｃ：単位面積１ｄｍ^２当たりの厚さ方向（Ｚ軸）の面積、ｃｍ^２／ｄｍ^２、以下、厚さ方向面積とも略す、Ｒｃ＝（図１の破線によって示される領域２、すなわち、１メッシュ当たりのメッシュ全周長）×Ｆ×ｔ、具体的には下記式によって算出される：

＜電解条件＞
アノード溶液として２００±１０ｇ／ＬのＮａＣｌの水溶液を使用し、カソード溶液として３２±０．５質量％のＮａＯＨの水溶液を使用した。電解温度は８６～８８℃であり、電流密度は６ｋＡ／ｍ^２であった。
＜評価＞
セル電圧が安定するまで（約２０～３０日間）運転を連続して行い、安定した後のセル電圧によって評価を行った。様々なメッシュの条件を変更した場合のセル電圧の結果を表１に示す。これらのセル電圧をいずれも、９０℃、および３２．０質量％のＮａＯＨの条件に補正した値によって比較したことに留意されたい。セル電圧低減効果として、サンプル１の値を標準化し、値が大きいほど低減効果が大きいことを示す。

表１は以下を示す。

サンプル１とサンプル２とを比較したところ、同じＬＷ、ＳＷおよびｔを有し、ＳＴを変化させることによって面軸面積Ｒｓがサンプル１の２．６倍となったサンプル２では、セル電圧が３０ｍＶ低減した。

また、サンプル１とサンプル３とを比較したところ、同じＬＷ、ＳＷおよびＳＴを有し、ｔを１．６７倍にすることによって厚さ方向面積Ｒｃがサンプル１の１．６７倍となったサンプル３では、セル電圧が１１ｍＶ低減した。

さらに、サンプル１とサンプル４とを比較したところ、面軸面積Ｒｓがサンプル１の２．６倍、厚さ方向面積Ｒｃがサンプル１の１．２５倍となったサンプル４では、セル電圧が３７ｍＶ低減した。

次に、サンプル１とサンプル５とを比較したところ、面軸面積Ｒｓがサンプル１の１．３倍となり、厚さ方向面積Ｒｃがサンプル１の１．２８倍となり、ＳＷとＬＷとの比を同じに保ちつつ、ＳＴおよびｔの値を同じに保ったままＬＷおよびＳＷを減少させることによって、微細度がサンプル１の１．７８倍となったサンプル５では、セル電圧が４７ｍＶ低減した。

また、面軸面積Ｒｓがサンプル１の１．９倍となり、厚さ方向面積Ｒｃがサンプル１の１．７倍となり、ＳＷとＬＷとの比を同じに保ちつつ、ＳＴおよびｔの値を同じに保ったままＬＷおよびＳＷをさらに減少させることによって、微細度がサンプル１の４．０倍となったサンプル９では、セル電圧が６３ｍＶ低減した。

さらに、サンプル１２～サンプル１６については、サンプル１～サンプル１２では０．５であるＳＷ／ＬＷを０．４に変更して行った。これは微細度が大きくなる条件であり、その結果、サンプル１３では、セル電圧がサンプル８と比較して６ｍＶ低減した。

上記の結果により、鋭意研究を重ねた結果、セル電圧は、メッシュのＲｓ、ＲｃおよびＦの乗算によって表される下記式によって表される係数Ｖと相関を有することが分かった：
係数Ｖ＝Ｒｓ×ＲＣ×Ｆ／１０００００。

係数Ｖと表１のセル電圧との相関を図５に示す。図５から、セル電圧低減効果は、６０付近の係数Ｖの値で大きく変化し、係数Ｖの値が７０以上である場合に良好なセル電圧低減効果を得ることができることが分かる。
［実施例２（本発明）］
以下では、表２に示すサンプル１７～３８について説明する。サンプル３２、３４、３７および３８のみが本発明による実施例である。他のサンプルは、比較例としてのみ示されている。下記表２に示す条件に従って、形状研究の要因が複雑になる、エキスパンドメタル用チタン基材にＤＳＥコーティングを施すことによって得られたサンプルから形成された電解用アノードのサンプル１７～３８を製造し、図４に示すタイプのイオン交換膜電解装置にそれぞれ設置した。次いで、以下に示す電解条件に従って、食塩溶液の電解を行った。実施例１と同様に、イオン交換膜電解装置の電解面積は１ｄｍ^２とし、隔膜にはＡＧＣ Ｉｎｃ．製のカチオン交換膜Ｆｌｅｍｉｏｎ（登録商標）Ｆ－８０８０Ａを使用し、カソード基材としてニッケルから作製された微細メッシュを使用し、Ｄｅ Ｎｏｒａ Ｐｅｒｍｅｌｅｃ Ｌｔｄ製のＮＲＧ（登録商標）－Ｖをコーティングした活性カソードを使用したことに留意されたい。

表２のＬＷ、ＳＷ、ＳＴ、ｔ、Ｓ、Ｆ、ＲｓおよびＲｃは、表１と同じであり、基本的にはパンチングメッシュと同じ計算式を有する。ただし、実際には、エキスパンドメタルは、金属板を切り欠いて延伸し、圧延して表面を平坦化する工程を含むことを特徴とするため、図２Ｂに示すように、断面は垂直ではなく傾斜している。

そのため、エキスパンドメタルでは、図２Ａおよび図３Ａの斜線部分によって示される面積が存在するため、実際のメッシュ開口率Ｓは、実施例１に示されるメッシュ開口率Ｓに関する式の計算結果よりも小さくなる傾向がある。そこで、表面からの光に露光した際の投影面積、すなわち、図２Ａおよび図３Ａの白色部分の面積Ａを実際の穿孔面積として顕微鏡によって測定し、この面積Ａに基づいてメッシュ開口率Ｓを算出した。また、斜線部分および白色部分を除いた灰色部分の面積を面軸面積として使用してＲｓを算出した。斜線部分は、厚さ方向の面積を見た状態を示していることに留意されたい。

実際の厚さを観察することは困難であるため、下記式から厚さ方向面積Ｒｃを単純に算出した。

また、顕微鏡によって、面積Ａとともに長路中心間距離ＬＷも測定し、面積ＡおよびＬＷから、菱形による穿孔形状を近似することによって短路中心間距離ＳＷを算出し、面積Ａ、ＬＷおよびＳＷの値から、穿孔形状の菱形近似値に基づいて、下記式によって、図２Ａの破線によって示される領域２、すなわち、１メッシュ当たりのメッシュ全周長Ｗを算出した。

図３Ａに示すＷ、Ｌ１およびＬ２と、厚さ方向の幅の三角形近似値によるメッシュ厚さｔとを使用して、厚さ方向面積Ｒｃを決定し、これを下記式に示す：

および

＜電解条件＞
実施例１と同様に、アノード溶液として２００±１０ｇ／ＬのＮａＣｌの水溶液を使用し、カソード溶液として３２±０．５質量％のＮａＯＨの水溶液を使用した。電解温度は８６～８８℃であり、電流密度は６ｋＡ／ｍ^２であった。
＜評価＞
実施例１と同様に、セル電圧が安定するまで（約２０～３０日間）運転を連続して行い、安定した後のセル電圧によって評価を行った。様々なメッシュの条件を変更した場合のセル電圧の結果を表２に示す。これらのセル電圧をいずれも、９０℃、および３２．０質量％のＮａＯＨの条件に補正した値によって比較したことに留意されたい。セル電圧低減効果として、サンプル１７の値を標準化し、値が大きいほど低減効果が大きいことを示す。

係数Ｖと表２のセル電圧との相関を図６に示す。図６から、エキスパンドメタルを使用した場合であっても、グラフはパンチングメッシュを使用した図５に近似した形状となることが分かる。また、エキスパンドメタルを使用した場合、係数Ｖが４０以上であると、良好なセル電圧低減効果を得ることができることが分かる。

さらに、係数Ｖが同じ値であっても、ＳＷ／ＬＷ比が０．６を超えると、ＳＷ／ＬＷ比が０．４５超０．６０以下である場合と比較して、セル電圧低減効果が小さくなる。一方、ＳＷ／ＬＷ比が０．４５以下であると、係数Ｖが同じ値であり、ＳＷ／ＬＷ比が０．４５超０．６０以下である場合と比較して、セル電圧低減効果が約１０ｍＶ大きくなることが分かる。これは、パンチングメッシュでは見られない現象であり、電極形状としてエキスパンドメタルを使用すると、ＳＷとＬＷとの比は、パンチングメッシュよりもセル電圧低減効果に大きな影響を与える。これは、厚さ方向の角度などが電流分布に与える影響、発生したガスが電極表面から放出される際の抵抗などに起因すると考えられる。

表１および表２の結果を総合的に考慮すると、表１のサンプル１３および表２のサンプル３４、３７および３８の構造、すなわち、０．３５～０．５ｍｍのメッシュ厚さｔ、２．９～３．２ｍｍの長路中心間距離ＬＷ、１．１～１．４ｍｍの短路中心間距離ＳＷ、および０．４～０．７ｍｍのストランド（垂直メッシュ幅）ＳＴが最も好ましい。

したがって、本発明によれば、従来よりも低い電圧で純水、アルカリ水溶液またはアルカリ金属塩化物水溶液を電解する点で、さらに好ましい形状を有する電解用電極、およびそれを使用する電解装置が提供され得ることが分かる。

１．金属多孔板
２．１つのメッシュ領域
１０．隔膜電解装置
１１．隔膜
１２．アノード室
１２ａ．アノード室入口
１２ｂ．アノード室出口
１３．カソード室
１３ａ．カソード室入口
１３ｂ．カソード室出口
１４．アノード
１５．カソード
１６．アノード給電体
１７．カソード集電体
１８．ガスケット

Claims (9)

1. 下記式によって表される、４０以上の係数Ｖの値を有する金属多孔板
   を備える電解用電極；
   係数Ｖ＝Ｒｓ×Ｒｃ×Ｆ／１０００００
   （式中、Ｒｓは、単位面積１ｄｍ^２当たりの平面方向表面積［ｃｍ^２／ｄｍ^２］であり、Ｒｃは、単位面積１ｄｍ^２当たりの厚さ方向表面積［ｃｍ^２／ｄｍ^２］であり、Ｆは、微細度としても知られている単位面積１ｄｍ^２当たりのメッシュ開口数［数／ｄｍ^２］である）、
   前記金属多孔板が、エキスパンドメタルであり、前記エキスパンドメタルのメッシュの短路中心間距離ＳＷと長路中心間距離ＬＷとの比ＳＷ／ＬＷが０．４５以下である。
2. 係数Ｖの値が７０以上である、請求項１に記載の電解用電極。
3. 前記エキスパンドメタルのメッシュの短路中心間距離ＳＷが２．０ｍｍ以下である、請求項１または２に記載の電解用電極。
4. 前記エキスパンドメタルのメッシュの厚さｔが０．５ｍｍ以下である、請求項１から３のいずれか一項に記載の電解用電極。
5. 前記エキスパンドメタルのメッシュの厚さｔが０．３５～０．５ｍｍ、前記長路中心間距離ＬＷが２．９～３．２ｍｍ、前記短路中心間距離ＳＷが１．１～１．４ｍｍ、ストランドＳＴが０．４～０．７ｍｍである、請求項１から３のいずれか一項に記載の電解用電極。
6. アノードと、
   カソードと、
   を備える電解装置であって、
   前記アノードおよび前記カソードのうちの少なくとも１つが、請求項１から５のいずれか一項に記載の電解用電極である電解装置。
7. アノード室とカソード室とを分離するための隔膜が設けられている、請求項６に記載の電解装置。
8. 前記隔膜が、イオン交換膜または多孔質膜である、請求項７に記載の電解装置。
9. 前記隔膜と前記カソードまたは前記アノードとが接触している、請求項７または８に記載の電解装置。

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