JP7440999B2 - 電解槽用ガスケット、及び電解槽 - Google Patents

Description

本発明は、電解槽に用いられるガスケット、及びガスケットを用いてなる電解槽に関する。

電気分解法を用いて、工業的に塩素、水素及び水酸化アルカリ化合物を製造する設備として、選択的に特定イオンを透過させるイオン交換膜を備えた電解槽が使用されている。当該電解槽は給電方法により単極式と複極式の２方式が存在するが、いずれもイオン交換膜を挟んで陽極及び陰極を備えた電極室を有する構造となっている。また、陽極と陰極の極間距離の関係により、ギャップ式、ナローギャップ式、ファイナイトギャップ式、ゼロギャップ式といった区別もあるが、いずれもイオン交換膜を挟んで陽極及び陰極を備えるという構成については同一である。製造目的物により陽極室及び陰極室に満たされる電解液が異なるが、アルカリ塩や水酸化アルカリ化合物の水溶液を用いることが一般的である。

当該電解槽は電極室からの液漏れを防ぐためにイオン交換膜を挟んで陽極ガスケットと陰極ガスケットが備わっており、ガスケットには水、アルカリ塩、水酸化アルカリ化合物、次亜塩素酸化合物、塩素酸化合物などに対する耐薬品性が求められている。また、電気分解反応を効率よく行うために、加温運転を行う場合もあり、耐熱性も求められている。これらの条件を満たす軟質材料としてガスケットにはＥＰＤＭ等が用いられることが広く普及している。（特許文献１、２参照）

電解槽に使用されるイオン交換膜や電極は定期的な交換を必要とする部品であり、これらの部品交換の際にはガスケットを交換することが望まれる。電解槽に組み付けられるガスケットはイオン交換膜の性能維持のために、陽極側ガスケットと陰極側ガスケットには好ましい位置関係があり、電解槽型式によりガスケットを組み付ける規定位置は異なるが、規定位置に対し数ｍｍの寸法公差範囲内で双方のガスケットを配置する必要がある。ガスケット位置関係が好ましくない状態で電解槽に通電するとイオン交換膜にブリスター状の損傷が発生し、電解性能の低下や電解槽内で発生したガスが混合して爆発する危険性が有った。

ガスケットには、イオン交換膜と接触する面にはいわゆるギャザーといわれる凹凸差０．６～１．５ｍｍを設けることが一般的ではあるが、このギャザーの劣化が激しく、改善が求められていた。

特開平５－９７７２号公報 特開２０００－１７８７８０号公報

本発明はギャザーを有することにより、ガスケットが劣化しやすくなるという問題を解決することを課題とする。

本発明者らは鋭意検討を重ねた結果、イオン交換膜との接触する面の凹凸差を０．３ｍｍ未満とする電解槽用ガスケット、及び該ガスケットを有する電解槽を用いることで上記課題が解決することを見出し、本発明を完成するに至った。

項１ イオン交換膜との接触する面の凹凸差を０．３ｍｍ未満とする電解槽用ガスケット。
項２ 陰極室枠、及び陽極室枠に項１に記載の電解槽用ガスケットを具備する電解槽。
項３ 陰極室枠、及び陽極室枠に具備される電解槽用ガスケットが同一である項２に記載の電解槽。
項４ 押し型面に接触して成型されるガスケット面が対面する関係となる項３に記載の電解槽。
項５ イオン交換膜を介して対面する関係となる項４に記載の電解槽。
項６ 陰極室枠、及び陽極室枠と請求項１に記載の電解槽用ガスケットの間に接着剤層、又は粘着剤層を有する項２～５いずれかに記載の電解槽。
項７ ガスケットがエチレン－プロピレン系ゴムにより構成される項１～６いずれかに記載の電解槽用ガスケット、電解槽。
項８ 過酸化物架橋剤により架橋されてなる項７に記載の電解槽用ガスケット、電解槽。

本発明によれば、ギャザーを有することにより劣化することがないために、メンテナンスの頻度を低減することができる。

単極式電解槽の断面模式図である。 複極式電解槽の断面模式図である。

本発明はイオン交換膜との接触する面の凹凸差を０．３ｍｍ未満とする電解槽用ガスケットである。

ガスケットの材料の具体例としては、天然ゴム、イソプレンゴム、スチレン・ブタジエンゴム、ブチルゴム、ブタジエンゴム、エチレン・プロピレンゴム（ＥＰＭゴム）、エチレン・プロピレン・ジエンゴム（ＥＰＤＭゴム）、クロロプレンゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴム、アクリルゴム、多孔質ＰＴＦＥ（ポリテロラフルオロエチレン）等が挙げられる。それらの中でも、耐薬品性や硬度の観点から、エチレン・プロピレン・ジエンゴム（ＥＰＤＭゴム）、エチレン・プロピレンゴム（ＥＰＭゴム）等のエチレン－プロピレン系ゴム、及びこれらの架橋体からなる１種であることが好ましい。架橋方法は、材料の種類に応じて、硫黄加硫、過酸化物架橋等の公知の方法を用いることができる。

本発明のガスケットは電極室枠フランジ面に配置され、電解液やガスのリークを防止する。そのため、ガスケットには電気化学反応により電極室で発生したイオン種がイオン交換膜を透過するために電極面積と同程度の大きさの開口部が形成されている。通常、電解槽は上面視で長方形状であるため、ガスケットも長方形状の開口部を有する長方形状になっていることが好ましい。

本発明のガスケットは、イオン交換膜との接触する面の凹凸差は０．３ｍｍ未満であり、０．２５ｍｍ未満であることが好ましく、０～０．２ｍｍであることがより好ましい。

本発明のガスケットは、後述する陽極室枠、陰極室枠に具備するガスケットに用いることができるが、陽極室枠に具備するガスケット、陰極室枠に具備するガスケットは同一であっても異なってもよい。陽極室枠に具備するガスケット、陰極室枠に具備するガスケットを同一にすることにより、生産コストや在庫管理コストを低減することができる。さらに、電解槽を組み立てる再に陽極側部品と陰極側部品が異なる場合には、細心の注意を払って組み立てることが求められるが、同一のすなわち陽極側と陰極側の部品を共通化することで、電解槽組立作業の管理を簡便かつ間違いの起こらない様にすることができる。「ガスケットを同一にする」とは同一の寸法を有するように成形されることを指し、具体的には同一の寸法を有する金型から成形されることが好ましい。この際、同一の材質の金型を用い、同一の条件で成形されることがより好ましい。

電極室枠
本発明の電極室枠は電極室枠のフランジ面に本発明の電解槽用ガスケットを具備してなる。電極室枠は陽極、又は陰極を備えてなり、陽極を備える電極室枠を陽極室枠、陰極を備える電極室枠を陰極室枠と記載することができる。本発明の電極室枠は電解槽を作製後に電極室となる部分を指す。

陰極室枠、陽極室枠と電解槽用ガスケットの間に接着剤層・粘着剤層を有することが好ましい。接着剤層・粘着剤層に用いる接着剤・粘着剤としては、乾燥固化型クロロプレン系接着剤等の有機溶剤を含む接着剤・粘着剤、有機溶剤を含まない接着剤・粘着剤いずれも使用することができるが、物性変化を招かない点で有機溶剤を含まない接着剤・粘着剤であることが好ましい。

有機溶剤を含まない接着剤としては、反応系接着剤が好ましく、エポキシ樹脂系接着剤（１液系・２液混合系）、シアノアクリレート系接着剤、ポリウレタン系接着剤、アクリル系接着剤、アクリル樹脂系接着剤、その他の反応系接着剤、エポキシ変成シリコーン系、アクリル変成シリコーン系等の変成シリコーン系接着剤、シリル化ウレタン系接着剤等が挙げられる。有機溶剤を含まない粘着剤としてはアクリル系粘着剤や、ウレタン系粘着剤、シリコーン系粘着剤が例示できる。

電解槽
本発明の電解槽は、本発明の電極室枠により構成される電極室を具備する。好ましくは、本発明の電極室枠により構成される電極室、イオン交換膜を具備する。

本発明の陽極室枠に具備された陽極は、開口を有する導電性基体とその導電性基体上に設けられる触媒層とを有する。

導電性基体としては、耐食性を有するチタニウム製エキスパンドメタル、チタニウム製織網又はチタニウム製パンチングメタルが好ましく、均一導電性と経済性の観点から、チタン製エキスパンドメタルが特に好ましい。導電性基体の開口率は、機械的強度と通液性とを両立させるために、２５～７５％であることが好ましい。

陽極の触媒層、即ち、導電性基体の表面に被覆する電極活性物質として、イリジウム、ルテニウム、白金、パラジウム等の白金族金属と、チタン、タンタル、ニオブ、タングステン、ジルコニウム等のバルブ金属及び錫からなる群より選ばれた１種類以上の金属の酸化物との混合酸化物が好ましい。一例として、イリジウム－ルテニウム－チタン混合酸化物、イリジウム－ルテニウム－白金－チタン混合酸化物、白金及びイリジウム酸化物が挙げられる。また、水酸化アルカリ化合物の水溶液を陽極液として電解する場合にはニッケルを含む化合物を電極活性物質として用いることができる。

導電性基体に行う表面処理として、機械的表面処理及び化学的表面処理が挙げられる。機械的表面処理法として、微細な研磨材を使用し、基材の表面を緻密に凹凸化するブラスト処理法があり、また、化学的表面処理の方法として、シュウ酸、硝酸、硫酸、塩酸、フッ酸等の浴中で化学エッチング処理を行う方法がある。

斯かる表面処理は、前記化学的表面処理を単独に又は前記機械的表面処理を単独に行ってもよく、両処理法を組み合わせてもよい。なお、陽極の表面に形成される凹凸の高低差の最大値は、通液性の確保とイオン交換膜の保護とを両立させるために、３～５０μｍであることが好ましく、５～４０μｍであることがより好ましい。

本発明の陰極室枠に具備された陰極は、開口を有する導電性基体とその導電性基体上に設けられる触媒層とを有する。

また、陰極の導電性基体は、鉄、銅、ステンレス、ニッケル等を使うことが可能であり、特に耐食性等の点からはニッケルを使うことが好ましい。導電性基体の形状は通液性を確保し、均一な導電性が保たれることが望まれ、具体的にはエキスパンドメタル、パンチングメタル、ファインメッシュ、平織メッシュがよく、例えば、ニッケル製ファインメッシュ又はニッケル製平織メッシュであることが好ましい。斯かる陰極の導電性基体における開口率は、２５～７５％であることが好ましい。

陰極の触媒層、即ち、導電性基体の表面に被覆する電極活性物質として、白金、パラジウム、ルテニウム、イリジウム、銅、銀、錫、ニッケル、コバルト及び鉛等の金属又はそれらの単一もしくは混合物や混合酸化物の使用が好ましい。

本発明の電解槽は、陽極と、陰極と、それらの間に配置されるイオン交換膜と、を備えており、陽極を有する陽極室、及び陰極を有する陰極室を構成する。電解槽内に所定数の電極ユニットが同一極性で縦列的に配置され、隣接するユニットにイオン交換膜が配置されることにより複極式電解槽を形成することができる。また、単極式電解槽の場合、１つの電極ユニットの両側に、陽極又は陰極の何れかが形成され、それぞれの電極ユニットがイオン交換膜を介して交互に配置されることで単極式電解槽を形成することができる。本発明の電解槽は、単極式又は複極式の電解槽の何れの方式にも適用することができる。また、電解槽組立状態で陽極と陰極の極間距離により、ギャップ式、ナローギャップ式、ファイナイトギャップ式、ゼロギャップ式といった分類をする場合もあるが、ガスケットの位置関係においては電極間距離の影響を受けないため、いずれの方式にも本発明の電解槽を適用することができる。

本発明の電解槽は、陰極室枠、及び陽極室枠に具備される電解槽用ガスケットが同一であることが好ましく、更に押し型面に接触して成型されるガスケット面が対面する（向い合う）関係となるように配置することが好ましい。尚、本願発明においては、ガスケット面には、金型を用いてプレス成型する際には、押し型面に接触して成型されるガスケット面と受け型面に接触して成型されるガスケット面が存在する。この際、ガスケットを金型等で成形する場合には、製造上の公差が発生する。同一のガスケットを用いて、押し型面に接触して成型されるガスケット面が対面する（向い合う）関係となるように配置することにより、公差を低減することができ、電解槽に用いられるガスケットの枚数が多くなるほど効果が大きくなる。

電極室枠、電解槽の製造方法
本発明の電極室枠、電解槽の製造方法は、ガスケットを電極室枠のフランジ面に具備する工程を含み、具備させる工程としては接着剤や粘着剤を塗布する工程（塗布工程）であることが好ましい。接着剤、粘着剤は段落「００１８」に記載されている接着剤、粘着剤を用いることができる。

塗布工程により、ガスケットを具備させる場合には、ガスケット、電極室枠のフランジ面の両方又は片方に塗布すればよく、具備させる面の全部、又は一部に塗布することができる。尚、粘着剤は一般的にはフィルム等の支持体を用い、支持体に塗工された両面テープ等の粘着製品を貼り付ける等により塗布される。

また、本発明の電極室枠、電解槽の製造方法においては、電極室にガスケットを具備する工程（塗布工程）の前にガスケットをエタノール等のアルコール系溶剤、アセトン、メチルエチルケトン等のケトン系溶剤、及び水から選択される溶剤で洗浄する工程（洗浄工程）を含むことが好ましい。ガスケットの材料であるゴム成形品は、一般的に金型を使用した加硫工程を経て製造され、加硫工程で金型からゴム成形品を取り外しやすくするために離型剤が使用される。ガスケットを電極室枠のフランジ面に具備させる際に、ガスケット表面に離型剤が残存していると粘着剤・接着剤の効果が低下する場合がある。そこで、ガスケット表面に残存する離型剤を拭き取り（洗浄により）除去することで粘着剤・接着剤の効果が改善される。ガスケット表面を拭き取る際には、ガスケットの損傷を引き起こしにくい水、アルコール、揮発性の高いケトン系溶剤を使用することが好ましく、フッ素系やケイ素系の離型剤を効率よく簡便に除去するためにエタノールやアセトンを使用することが好ましい。尚、電極室枠のフランジ面における不純物を除去する目的で、アルコール系溶剤、ケトン系溶剤、及び水から選択される溶剤で洗浄してもよく、洗浄することが好ましい。

本発明により、ギャザーを有することにより劣化することがないために、メンテナンスの頻度を低減することができる電解槽を提供できるために有用である。

１０１ 陽極室枠（陽極室）
１０２ 陽極
１０３ 陽極フランジ面
１０４ 陽極ガスケット
１０５ イオン交換膜
１０６ 陰極室枠（陰極室）
１０７ 陰極
１０８ 陰極フランジ面
１０９ 陰極ガスケット
２０１ 複極室枠における陽極室
２０２ 陽極
２０３ 陽極室枠フランジ面
２０４ 陰極ガスケット
２０５ イオン交換膜
２０６ 複極室枠における陰極室
２０７ 陰極
２０８ 陰極フランジ面
２０９ 陽極ガスケット
２１０ 隔壁

Claims (5)

1. 陰極室枠、及び陽極室枠に電解槽用ガスケットを具備する電解槽の製造方法であって、
   陰極室枠、及び陽極室枠に具備される電解槽用ガスケットが同一であり、ガスケットはプレス成型により成形されており、押し型面に接触して成型されるガスケット面が対面する関係となるように配置され、
   電解槽用ガスケットがイオン交換膜との接触する面の凹凸差を０．３ｍｍ未満とする電解槽用ガスケット（但し、下記（ｉ）又は（ｉｉ）に記載の電解槽用ガスケットを除く）である電解槽の製造方法。
   （ｉ）イオン交換膜に接する側の一部分、電解室内に露出する一部分、及び、電解槽枠フランジに接する側の一部分が、フッソ系樹脂シートで覆われており、且つ、該ガスケットの電解槽枠フランジ面に接する側のフッソ系樹脂シート上にゴムの裏打ちがなされている電解槽用ガスケット。
   （ｉｉ）電解槽枠フランジ面の接する側に台形状の凹凸を設ける電解槽用ガスケット
2. ガスケットがイオン交換膜を介して対面する関係となる請求項１に記載の電解槽の製造方法。
3. 陰極室枠、及び陽極室枠と電解槽用ガスケットの間に接着剤層を有する請求項1又は２に記載の電解槽の製造方法。
4. ガスケットがエチレン－プロピレン系ゴムにより構成される請求項１～３いずれかに記載の電解槽の製造方法。
5. ガスケットが過酸化物架橋剤により架橋されてなる請求項４に記載の電解槽の製造方法。