JPH01287289A - 複極式電解槽 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、水電解によるオゾン製造等の液抵抗の高い電
解液の電解に使用する固体電解質（ＳＰＥ）型複極弐電
解槽に関する。

（従来技術とその問題点） オゾンはその高い酸化力のため、水や空気等の処理特に
有機物の分解用として広く利用され、該オゾンは、従来
から長期間に亘って放電法により製造されてきた。該放
電法は空気又は酸素中で無声放電等の放電によりオゾン
を得る方法であり、電力原単位は少なくてすむが、高濃
度オゾン（水）を得るためには乾燥酸素を必要とし、又
電極の消耗による電極物質のガス中への混入が問題とな
っている。特にエレクトロニクス用超純水の製造用やレ
ジスト除去用に使用する場合の不純物混入は致命的であ
る。放電法の該欠点を克服するために最近は、電力原単
位は数倍となるが不純物混入が少なくしかも容易に湿潤
高濃度オゾンを得ることができる電解法が注目されてい
る。

該電解法によりオゾンを製造するには、例えば酸化鉛の
ような酸化力の強い電極を使用し、水の電解を行う。該
電解オゾン製造では、通常小型の電解槽を複数個設置し
て同時に電解が行われ、該電解方式はその電気的接続法
により複極式と単極式の２種類に分類される。

複極式は、複数の電解槽を電気的に直列につまり陽−陰
一陽一陰一陽一陰と接続する方法であり、整流器の電圧
は大きくなるが電流が小さいため電気接続が容易になる
と共に各電解槽に均等に電流が分配されるという特徴が
ある。しかしながら該複極式電解槽において、各電解槽
の電解室が繋がっている場合に、電解液をバイパスして
電流が流れる漏洩電流の問題があり、該電解液が実質的
に絶縁性があるにもかかわらず該漏洩電流が、効率の低
下を来したり、バルブや配管等を腐食させる原因となっ
ている。

この問題を回避するために、従来の複極式電解槽では、
同し陽極（陰極）液であっても隣接する陽極（陰極）液
間を厳密に分離して漏洩を防止しているが、該分離は簡
単な構造を有し小型化が可能で安価であ北という複極式
の特徴を減殺していることになる。特に液抵抗が大きい
場合にも前記分離が行われ、必要以上に電流の漏洩が考
慮され複雑になっているという問題点がある。

一方本発明者らは、ＳＰＥ法によるオゾン電解を提案し
たが（特願昭６２−２９７６７３号、特願昭６２−２９
７６７４号及び特願昭６２−２９７６７３号）、該ＳＰ
Ｅ法を使用する複極式電解槽においても同様の問題点が
指摘されている。

（発明の目的） 本発明は、叙」二の問題点を解決するためになされたも
ので、液抵抗の大きい電解液を電解する電解槽として、
構造が簡単なＳＰＥ法による複極式電解槽を提供するこ
とを目的とする。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、電解槽の側壁間に、固体電解質であるイオン
交換膜の両面にそれぞれ陽極物質と陰極物質を被覆して
成る複数の固体電解質電極を、前記陽極物質同士及び陰
極物質同士が対向するように十分な間隔を設けて設置し
て、前記固体電解質電極間及び該固体電解質電極と前記
側壁間に複数の極室を形成し、前記固体電解質電極の陽
極物質及び陰極物質を該固体電解質電極の前記イオン交
換膜を介して隣接する固体電解質電極の相対しない側の
異種の電極物質に電気的に接続したことを特徴とするオ
ゾン製造用複極式電解槽である。

以下本発明の詳細な説明する。

従来のＳＰＥ型複極式電解槽は、１個の極室には１個の
電極物質が存在するのみであり、つまり両側に陽極物質
及び陰極物質を被覆した固体電解質電極を隔膜や隔壁で
分離して、イオン交換膜−陽極物質−隔壁−陰極物質−
イオン交換膜−陽極物質の順に配置し、隔膜とイオン交
換膜の間に形成される極室には陽極物質又は陰極物質の
いずれか１種類のみが存在している。例えば５層の陽極
物質と５層の陰極物質が存在するＳＰＥ型複極式電解槽
を構成、するためには５個の陽極室と５個の陰極室の計
１０個の極室を必要とじし−かも該極室の数が多いこと
から配管が複雑になり、構造が簡単であるという複極式
電解槽の特徴が活かされていなかったのである。

しかしながら本発明では、従来の複極式電解槽の前記固
体電解質電極間を分離する隔壁を取り去り、１個の極室
に２層の電極物質を存在させることにより極室数をほぼ
半減させると共にそれに伴う配線等の耐相設備を簡略化
して、該耐相設備を含む電解槽全体を小型化し、複極式
電解槽の特徴を十分に活かすようにしている。つまり本
発明のＳＰＥ型複極式電解槽では、各要素の配列は、例
えば側壁−陽極室一陽極物質−イオン交換膜−陰極物質
−陰極室−陰極物質一イオン交換膜−陽極物質−陽極室
−陽極物質−イオン交換膜−陰極物質−陰極室−陰極物
質−・・・−側壁となる。

しかし前記隔膜又は隔壁を取り去った複極式電解槽では
、前記極室内で対向する隣接する固体電解質電極間の同
種の電極物質間に、極室１個分の摺電圧に相当する電位
差が生じ、従って該対向する電極物質のうち高電位を有
する電極物質が陽極として機能し他方が陰極として機能
し、画電極物質間で通常の電解反応が生してしまう恐れ
がある。

これを防止するには該画電極物質間の液抵抗を大きくす
る必要があり、従って本発明に係わる電解槽は液抵抗の
大きい水電解によるオゾン製造用に使用する電解槽に限
定される。

更に前記イオン交換膜の両面に位置する異種電極物質間
に生ずる正規の電極反応の液抵抗に対して、前記対向す
る同種電極体間の液抵抗をかなり大きく好ましくは１０
倍程度とするために極室厚さ（隣接するイオン交換膜間
の距離）を前記異種電極体間の距離より大きく、例えば
該異種電極体間の距離が１ｍｍである場合には、１０ｍ
ｍ程度以上とすることが好ましい。

前記同種電極物質間の距離を大きくしてその間の液抵抗
を大きくしても多少は副反応が生し、正規の生成物に反
対極で生ずるガスが混入してしまう。例えば本発明に係
わる電解槽を使用して水電解によるオゾン製造を行うと
、前記陽極物質のうちの電位が低い方が陰極として機能
して該陰極から僅少量の水素ガスが発生して前記主生成
物であるオゾンを含む酸素ガス中に混入する。

しかし本発明では、極室の厚さ等の調節により、該混入
ガスの割合を２．５％程度まで抑えることができ、例え
ば水電解の場合、水素の酸素への混入の爆発限界は４％
であるため爆発の危険はなく、該水素のガスの混入以外
でも反応生成物の混入は５％以下であれば事実上問題に
ならない。

なお、複数の極室を有する電解槽により電解を行うと、
過電圧やオーム損に起因する発熱のため液温カ月−昇し
がちであるが、極室内の電解液を循環させたり、中間に
水ジャケットを挿入したり、極室を大きくして放熱しや
すくしたりすることができるが、装置の小型化の要請か
ら、電解液の循環が最も好ましい。

本発明に係わる複極式電解槽の極室は、該電解槽の側壁
と最も外側に位置する前記イオン交換膜間に形成される
左右１対の極室と、隣接するイオン交換膜間に形成され
る少なくとも１個の極室とから成っている。前記イオン
交換膜は固体電解質として使用できるものであれば特に
限定されないが、発生オゾンに対する耐食性の点からは
パーフルオロスルボン酸系イオン交換膜が好ましい。又
陽極物質としては耐食性及び触媒活性の点からはβ−二
酸化鉛が最も望ましいが、不純物混入を完全に防止する
ためには触媒活性がやや劣るが純度の高い金や白金等あ
るいは他の物質を使用してもよい。陰極物質も特に限定
されないが、発熱防止の点からは白金等の水素過電圧の
小さい物質を選択することが好ましい。

又各極室の電極物質間の電気的接続は、最外方の極室及
び固体電解質電極を介してそれに隣接する極室の電極物
質を除いて、各固体電解質電極の電極物質を前記イオン
交換膜を介して隣接する異種の電極物質の相対しない側
の電極物質に接続するようにしている。該接続により同
一極室内の２層の電極物質間に１極室分の摺電圧に相当
する電位差が生ずるが、前述した通り画電極物質間の距
離及び液抵抗により該電位差による電解を抑制すること
ができる。

次に本発明を添イ」図面に示す実施例に基づいてより詳
細に説明するが、該実施例は本発明を限定するものでは
ない。

図面は、本発明に係わる複極式電解槽の一実施例を示す
縦断面図である。

電解槽１の両側の側壁２の上端間には、４個の電解液取
出口３が上向きに形成された天板４が配設され、下端間
には同じ（４個の電解液供給口５が形成された底板６が
配設されている。

前記電解槽１の内部は、イオン交換膜７の一方面に陽極
物質８を又他面に陰極物質９を被覆して成る３枚の固体
電解質電極１０を、隣接する該固体電解質電極１０の陽
極物質８同士及び陰極物質９同士が十分な距離をおいて
対向するように、電極被覆が形成されていない上下両端
を前記天板４及び底板６で挟持することにより、左から
順に陽極室１１−陰極室１２−陽極室１１“−陰極室１
２“の４個の極室に区画されている。

前記左方の固体電解質電極１０の左面の陽極物質には上
方から陽極集電体１３が接続され、かつ右方の固体電解
質電極１０の右面の陰極物質９には上方から陰極集電体
１４が接続されている。又左方の固体電解質電極１０の
右面の陰極物質９の上部と中央の固体電解質電極１０の
右面の陽極物質８は結′ｆＡ１５により接続され、更に
中央の固体電解質電極１０の左面の陰極物質９の上部と
右方の固体電解質電極１０の左面の陽極物質８の上部ば
結線１５゛により接続されている。

該構成から成る本実施例の電解槽に前記陽極集電体１３
から通電すると、電気が左方の固体電解質電極１０の左
面の陽極物質８−左方のイオン交換膜７−左方の固体電
解質電極１０の右面の陰極物質９−結線１５−・中央の
固体電解質電極１０の右面の陽極物質８−中央のイオン
交換膜７−中央の固体電解質電極１０の左面の陰極物質
９−結線１５゛−＋右方の固体電解質電極１０の左面の
陽極物質８−・右方のイオン交換膜７−・右方の同体電
解質電極１０の右面の陰極物質９の順に流れて前記陰極
集電体１４から取り出される。このとき電解液として前
記電解液供給口５から水道水を供給すると、陽極室１１
．１１“では陽極反応によりオゾンを含む酸素ガスが発
生して前記電解液取出口３から取出される。一方陰極１
２．１２’では陰極反応により水素ガス発生して前記電
解液取出口３から取出される。

この場合、電流が前記した通りの経路で流れるため、中
央の陽極室１１°及び陰極室１２内の対向するそれぞれ
の陽極物質８及び陰極物質９間には電位差が生じ、陽極
室１１′及び陰極室１２とも左方の電極物質８．９の電
位が高く右方の電極物質８．９の電位が低くなっている
。従って対向する陽極物質８間及び陰極物質９間に存在
する電解液の液抵抗自体が小さくあるいは対向する陽極
物質８間又は陰極物質９間の極間距離が小さいと左側の
電極物質８．９が陽極として又右側の電極物質８．９が
陰極としてそれぞれ機能し、対向する電極物質８．９間
で水の電解反応による酸素ガス（及びオゾン）と水素ガ
スの発生が見られ、中央の陽極室１１“内では水素ガス
が混入したオゾンを含む酸素ガスが得られることになる
。しかしながら本実施例では、電解液の液抵抗を十分高
くし、かつ前記対向する陽極物質８間の距離を十分大き
くしてあり、対向する陽極物質８間の液抵抗が前記イオ
ン交換膜７を介して隣接する異種電極物質８．９間の液
抵抗より遥かに大きいため、前記陽極室１１“内の陽極
物質８間では殆ど電解反応は起こらない。

実施例１ 図面に示す構造を有するＳＰＥ型複極式電解槽を作製し
た。ＳＰＥの固体電解質としてパーフロロスルホン酸陰
イオン交換膜（商品名ナフィオン１１０）を使用し、陽
極物質としてβ−二酸化鉛粉末を、陰極物質として白金
粉末をそれぞれ使用し、前記固体電解質に被覆した。集
電体として陽極側はβ−二酸化鉛を被覆したチタンを又
陰極側は白金メンキしたニッケルを使用し、極室の幅は
１．５　ｍ　ｍとした。

陽極室に純水を加えながら１．０ＯＡ／ｄｍ２の電流密
度で電解を行った。陽極室から１５重景％のオゾンを含
む酸素ガスが得られた。単位極室光たりの電圧は３．２
Ｖ（合計９．６Ｖ）であり、液温度は３８℃に維持され
た。

実施例２ 陽極室内の純水を１分間で５回循環する速度で循環させ
たこと以外は実施例１と同様の条件で電解によるオゾン
製造を行った。液温は３０°Ｃまでしか上昇せず、陽極
で発生する酸素ガス中のオゾン濃度は１６重量％まで」
二昇した。単位極室光たりの電圧は３．２Ｖ（合計９．
６Ｖ）であった。

（発明の効果） 本発明は、両面に異種の電極物質が被覆された固体電解
質電極を、隣接する該固体電解質電極の同種の電極物質
が互いに対向するように、十分な距離をとって配置した
ＳＰＥ型複極式電解槽であり、従来の電解槽と比較して
その極室数をほぼ半減させることを可能にする。

通常の電解反応では、単一の極室内に電位差のある２個
以上の電極物質を位置させると、いずれか一方が陽極と
して他方が陰極として機能し、該単一極室内に陽極生成
物と陰極生成物が生じるという欠点があるが、本発明で
は、前記した通り液抵抗の大きい電解液を使用しかつ単
一極室内に存在する電位の異なる電極物質の極間距離を
大きくすることにより、該同種の電極物質間の液抵抗を
、固体電解質であるイオン交換膜を介して隣接する異種
の電極物質間の液抵抗と比較して遥かに大きくすること
により、前記異種電極物質間の正規の電極反応のみをほ
ぼ選択的に行わせるようにしである。

従って陽極生成物及び陰極生成物として純度の高い物質
が得られ、仮に対極で得られるべき生成物が混入しても
その量は僅かであり、前記液抵抗や極間距離の調節によ
りその量を更に少なくすることも可能であり、所定の生
成物に悪影響を与えることが殆どない。

このように本発明に係わる複極式電解槽は、従来の電解
槽と比較して極室数をほぼ半減させることができ、小型
で両帯設備が少ないという複極的電解槽の特徴を最大限
に活かすことができる。

又電解によるオゾン製造ではオーム損等による液温の上
昇が問題となることがあるが、本発明では電解液を循環
さゼたり、ジャゲットを設置したりして液温の上昇を抑
えることも可能である。

【図面の簡単な説明】

図面は、本発明の複極式電解槽の一実施例を示す縦断面
図である。 １・・・電解槽　２・・・側壁 ３・・・電解液取出口　４・・・天板 ５・・・電解液供給口　６・・・底板 ７・・・イオン交換膜　８・・・陽極物質９・・・陰極
物質　１０・・・固体電解質電極１１．１１゛　・・・
陽極室　１２．１２゛　・・・陰極室１３・・・陽極集
電体　１４・・・陰極集電体１５．１５“・・・結線 手続令市正摺：（自発） 平成元年４月（７日 特許庁長官　　　吉　１）　文　毅　　殿］、事件の表
示 昭和６３年特許願第１１４３９０号 ２、発明の名称 複極式電解槽 ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 住所　　神奈川県藤沢市石用１１５９番地名称　　　ベ
ルメレノク電極株式会社 ４、代理人 住所　　神奈川県横浜市西区楠町４番地３６、補正の対
象　明細書の特許請求の範囲の欄及び発明の詳細な説明
の欄 ７、補正の内容 （１）特許請求の範囲を別紙の通り訂正する。 （２）明細書第３頁第１３行「電解室が繋か」を「電解
室が導管により繋が」と訂正する。 （３）同第４頁第９行［特願昭６２−２９７６７３号−
１を「特願昭６２−２９７［ｉ７５号」と訂正する。 （４）同第４頁第１９行、第２０行、第５頁第１行く２
語）、第４行、第５行、第７行、第１１行、第１２行く
２語）、第１４行（２語）、第１５行、第１６行（２語
）、第１８行（２語）、第６頁第６行、第１２行、第１
３行（２語）、第１４行（２語）、１４〜１５行、第１
５行、第１８行、第２０行（２語）、第７＠１〜２行、
第３行、第８行、第１５行、第１９行、第９頁第１１行
、第１３行、第１４行、第１５行（２語）、第１７行、
第１８行、第１０頁第１１行（２語）、第１３行（２語
）、第１９行、第１１頁第１行、第３行、第４行、第６
行、第７行、第１１行、第１２行、第１４行、第１５行
、第１６行、第１８行、第１２頁第７行く２詔）、第９
行（２詔）、第１１行（２語）、第１２行、第１３行、
第１４行（２語）、１５〜１６行、第１３頁第１行、第
２行、第３行、第５行、第１４頁第９行、第１１行、第
１６行、第１５頁第１行、第２行、第４行、第５行、第
１６＠第８行及び第９行の［物質−］をそれぞれ１休」
と訂正する。 （５）　　同第５頁第８行［製造用複極式電解槽」を「
製造用等の複極式電解槽」と訂正する。 （６）　　同第７頁第５行の１大きい水電解によるオゾ
ン製造用に」を１大きい電解液用例えば水電解によるオ
ゾン製造用等に」と訂正する。 （７）同第９頁第４行、第８行、同第１３頁第１０行及
び第１１行の「極物質」をそれぞれ「棒体の物質」と訂
正する。 （以−１，） （別紙） 特許請求の範囲 ［（１）電解槽の側壁間に、固体電解質であるイオン交
換膜の両面にそれぞれ賜極述−と陰極杯−を被覆して成
る複数の固体電解質電極を、前記陽極体同士及び陰極体
同士が対向するように十分な間隔を設けて設置して、ｒ
Ｉｉｊ記固体電解質電極間及び該固体電解質電極と前記
側壁間に複数の極室を形成し、前記固体電解質電極の陽
極劣及び陰極体を該固体電解質電極の前記イオン交換膜
を介して瞬接する固体電解質電極の相対しない側の異種
の電極体に電気的に接続したことを特徴とする複極式電
解槽。 （２）　　イオン交換膜がパーフロロスルボン酸膜で、
陽極生が二酸化鉛又は二酸化鉛を主成分とする物質であ
る請求項１に記載の電解槽。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）電解槽の側壁間に、固体電解質であるイオン交換
   膜の両面にそれぞれ陽極物質と陰極物質を被覆して成る
   複数の固体電解質電極を、前記陽極物質同士及び陰極物
   質同士が対向するように十分な間隔を設けて設置して、
   前記固体電解質電極間及び該固体電解質電極と前記側壁
   間に複数の極室を形成し、前記固体電解質電極の陽極物
   質及び陰極物質を該固体電解質電極の前記イオン交換膜
   を介して隣接する固体電解質電極の相対しない側の異種
   の電極物質に電気的に接続したことを特徴とするオゾン
   製造用複極式電解槽。
2. （２）イオン交換膜がパーフロロスルホン酸膜で、陽極
   物質が二酸化鉛又は二酸化鉛を主成分とする物質である
   請求項１に記載の電解槽。
3. （３）極室内の電解液を循環し又は極室内に水ジャケッ
   トを設けて槽温度の上昇を抑制するようにした請求項１
   又は２に記載の複極式電解槽。