JPH03232987A - 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、フィルタープレス型の電解槽に関し、特に隣
接する電極室間で電解液を分離する隔壁に形成した電気
的な接続と機械的な結合手段に特徴を有する電解槽に関
する。

［従来技術］ フィルタープレス型電解槽は食塩の電気分解による塩素
と苛性ソーダの製造をはじめとして、有機物の電解製造
、海水の電解等に広く用いられている。

フィルタープレス型電解槽を使用する代表的な電解方法
である食塩のフィルタープレス型の電解槽には隣接する
陽極室と陰極室とを隔壁を介して電気的及び機械的に結
合した複極式電解槽ユニットを陽イオン交換膜を介して
多数積層し、両端には陽極あるいは陰極のいずれかを片
面に有する端部電極室ユニットを積層して油圧式のプレ
ス等で固定した複極式フィルタープレス型電解槽と、額
縁状の電極室枠の両面に同一の電極を有する陽極室ユニ
ット及び陰極室ユニットを陽イオン交換膜を介して多数
積層し、両端部には陽極または陰極を片面に有する電極
室ユニットを積層した単極式フィルタープレス型電解槽
がある。単極式の電解槽の電極室ユニットは額縁状の電
極室枠を補強するとともに電解液の循環を促進する作用
をするダウンカマーやリブ等を設けこれらのリブ等に電
極を取り付けており、通常は電解液を分離する隔壁は有
していない。

一方、複極式の電解槽のユニットには、陽極室と陰極室
とを分離するとともに電解電流の伝達の作用をする隔壁
が設けられている。陽極室と陰極室を分離する隔壁には
それぞれ陽極及び陰極が取り付けられている。陽極室と
陰極室は対象となる電解反応によっては一方は過酷な酸
化性の環境にあり他方が還元性の環境となる。とくに代
表的なイオン交換膜性電解である食塩電解においては陽
極では塩素ガスが発生し、陰極では高濃度の水酸化ナト
リウムと水素が生成するので陽極室には耐食性の大きな
チタン、タンタル、ジルコニウムなどの薄膜形成性金属
あるいはその合金を使用している。一方、陰極室の水素
ガスの雰囲気ではチタンは水素を吸収して脆化するので
耐食性が大きなチタンも陰極室には使用できない。この
ため、陰極室には鉄、ニッケル、ステンレス等の鉄系の
金属あるいはその合金を使用している。隔壁を各々の電
極室を構成する金属材料で形成し両者を接合することに
より電気的接合を形成することができるが、チタンと鉄
、ニッケル、ステンレスなどを直接に溶接によって接合
しようとするとチタンと陰極室側の金属が金属間化合物
をを形成するために溶接によって実用的な強度を有する
接合体を得ることは不可能である。

このため、複極式の電解槽では、多くの提案が行われて
いる。例えば、特公昭５３−５８８０号には合成樹脂材
料の隔壁を貫通するボルトて陽極室側の部材と陰極室側
の部材とを結合することを記載している。

また、特公昭５２−３２８８６号では鉄系の金属とチタ
ンとを爆着により接合した板状体を隔壁とし、各々の面
にリブを溶接し、リブに陽極および陰極を溶接している
。特公昭５θ−３６２３１号にはチタンと鉄を銅を挟ん
で三者を接合した複合材料を使用し、複合材料のチタン
と複極式電解槽ユニットの陽極側隔壁のチタンとを溶接
し、同様に該複合材料の鉄と陰極側の鉄系の金属の隔壁
とを溶接によって結合している。

［発明が解決しようとする課題］ 合成樹脂材料で隔壁を構成する場合には隔壁の強度を得
るためには厚い材料を用いることが必要であるだけでな
く、ガスケット等からの漏洩や隔壁の合成樹脂材料の塩
素に対する耐食性の問題もあり好ましいものではない。

陽極室のチタンと陰極室の鉄系の金属を爆着あるいはチ
タンと鉄とを銅を挟んで接合した複合部材との間で溶接
した場合には十分な強度と耐食性を有する電解槽が得ら
れるので工業的にも単極式の電解槽と並んで広く用いら
れている。

ところが、食塩の電解用電解槽は陽極にはチタン基体上
にルテニウム等の貴金属の酸化物を主成分とする被覆が
設けられており、また陰極にもニッケルあるいは貴金属
等を含む水素過電圧を下げる電極活性物質の被覆が形成
されている。これらの電極は電解を続けると電極面上の
被覆物の性能が劣化し電解電圧が上昇するので、電極の
初期の性能を回復する必要が生じる。電極の性能の回復
には電極を新しいものと交換したり、電極面上の被覆を
再生することが行われるが、電極面上の被覆を再生する
方法がコスト的に好ましいことはいうまでもない。

陽極の被覆物は貴金属含を物質を被覆とする電極の基本
特許である特公昭４６−２１８８４号に記載されている
ようにルテニウムなどの貴金属の塩類およびチタンの塩
類等を含存する液を電極面上に塗布し空気中で６００な
いし７００℃で焼成し、電極面上に金属の酸化物の被覆
層を形成している。

ところが、陽極室ユニットを構成するチタンおよびその
合金は陽極の焼成温度において空気中の酸素と反応して
酸化物を形成し、また、陽極室と陰極室とを隔壁を介し
て接合した電解槽では隔壁の熱膨張率が異なるので電極
の焼成温度に曝すことは不可能である。このため、陽極
室と陰極室とを隔壁を介して結合した隔壁を使用した電
解槽では陽極の溶接部分を切断して電解槽から切り取ら
ざるを得ないが、切り取った陽極を元の電解槽に取り付
けることは形状的には不可能であるので、実質的には陽
極を切り取り新しい陽極を溶接することが行われており
、陽極の再生にはきわめて大きな問題があった。

また、陰極についても陰極面上の被覆物質が電気めっき
の方法で形成されている場合には、再生すべき陰極を単
位電解槽から取り外すことなく陰極面の再生用の電気め
っき槽において電気めっきして再生することが可能であ
るが、熱的な方法によって陰極の活性被覆層を形成した
場合には、上記した陽極の再生の際に生じる問題と同様
の問題が生じる。

また、一方の電極室のみに腐食等の問題が発生したため
に一方の電極室のみを交換することが必要となった場合
であっても、陽極室側と陰極室側とを接合した単位電解
槽から機械的に損傷を与える事なくいずれかを取り除（
ことは困難であった。

［課題を解決するための手段］ 本発明者らは複極式電解槽ユニットの隔壁のチタンある
いはその合金と鉄、ニッケル、ステンレス等とを比較的
簡単に分割できしかも十分な機械的強度と導電性を有す
る接合方法を鋭意検討した結果本発明に至ったものであ
る。

本発明は、電解槽の隣接する隔壁を半田で電気的および
機械的に接合し、電解槽の隔壁を比較的低温度で分離す
ることを可能としたものである。

チタンはその表面に緻密な酸化皮膜を有しているために
半田によって接合することはできないので、チタンの陽
極室ユニットの少なくとも陰極ユニットとの接合面には
半田との接合性の良い金属であるニッケル、銅等を無電
解めっきで形成し、半田と陽極室ユニットを接合できる
ようにしたものである。

［作用コ 本発明では隣接する電極室の隔壁を比較的融点の低い半
田で接合したもので充分な電気的及び機械的な接続を得
ることができるのみではなく、電極の再生の際には容易
に分解することができるので、隣接する電極室が異種金
属で構成されている場合にも電極の再生が可能であり、
実用的な価値がきわめて大きな電解槽が得られる。

［実施例コ 以下に複極式の電解槽の陽極室側のチタンと陰極室側の
ステンレスとを半田を用いて接合する場合を例にして本
発明を更に詳細に説明するが、本発明の電解槽は複極式
の電解槽に限らず同種の隔壁を接合した単極式の電解槽
に使用することも可能である。

第１図は本発明のイオン交換膜法による食塩電解用の複
極式電解槽の単位電解槽を陽極側から見た陰極室ユニッ
トの隔壁までを一部切り欠いた平面図を示し、第２図は
第１図のＡ−Ａ線で切断した電解槽ユニットの断面図を
示す。

複極式の電解槽ユニット１は鋼状の陽極室ユニット２と
陰極室ユニット３からなり、陽極室ユニットには陽極室
内への飽和食塩水の供給のための陽極側供給ノズル５お
よび電解により希薄となった塩水と発生した塩素の排出
用の陽極側排出ノズル６が取り付けている。同様に陰極
室ユニットにも水酸化ナトリウムまたは水の供給用の陰
極側供給ノズル７および水酸化ナトリウムおよび水素の
排出用の陰極側排出ノズル８が取り付けられており、両
ユニットを額縁状の電極室枠体４と一体化している。陽
極室隔壁９には陽極導電用リブ１０を取り付け、陽極１
１の機械的な保持と導電接続を行っている。陽極室隔壁
と同様に陰極室隔壁１２には陰極導電用リブ１３が取り
付けられ、陰極室隔壁１２と陰極１４との間の機械的な
保持と導電接続を行っている。両型極室ユニットの間に
はは半田層１５を形成している。

また、陽極導電用リブおよび陰極導電用リブには穴を設
けて電極室内での電解液および発生気体の流通を促進し
たり、両導電用リブには単なる板状体に代えて内部が筒
状となり電解液のダウンカマーを形成する部材で構成し
、電解液の内部循環を促進しても良い。

陽極室ユニットの材料はチタンおよびチタン合金を使用
することができ、陰極室ユニットには鉄、ニッケル、ス
テンレスなどを使用することができる。また、額縁状の
電解槽枠体には鉄、ステンレス等の金属や各種の合成樹
脂類を使用することが可能であるが、電解槽の強度保持
の面がらは金属を使用することが好ましい。

また、陽極にはチタン、ジルコニウム、タンタルなどの
バルブ金属あるいはそれらの合金からなるエキスパンデ
ッドメタル、有孔平板、網状の多孔性の金属を基体とし
てその表面に酸化ルテニウム等の白金族の金属の酸化物
を主成分とする被覆を形成した電極を使用し、陰極には
鉄、二、ツケル、ステンレス、あるいはそれらの合金か
らなるエキスパンデッドメタル、有孔平板、網状の多孔
性の金属をそのままあるいはそれらの金属基体の表面に
活性炭、白金族の金属粒子、各種の触媒粒子等を分散し
たニッケル、ラネーニッケルを被覆した電極を使用する
ことができる。

陽極室ユニットの陰極室ユニットとの接合面には半田が
付着する金属を無電解めっきするが、陽極室ユニットに
無電解めっきする金属は半田が接合できる金属であれば
銅、ニッケル等の任意の金属を使用することが可能であ
るが、電解槽の使用環境において耐食性の大きいニッケ
°ルを使用することが好ましい。

両電極室ユニットを半田で接合するには、百雷１１ 極室ユニットの接合面を清浄にした後に溶融した半田で
接合しても良いし、あらかじめ半田めっきをした後に両
者を加熱し加圧下で冷却して半田を凝固して接合しても
よい。

また、半田めっきは電解室ユニットの接合面の全面に形
成するのが好ましいが、所定の導電性接続および機械的
な強度が得られる場合には部分的に半田を接合する部分
を設けても良い。

実施例１ 第１図に示すような縦、横１２８４ｍｍのパン型の厚さ
１ｍｍのチタン板で製造した陽極室ユニットおよび同様
の形状のニッケル板で製造した陰極室ユニットを製造し
、陽極室ユニットのチタン板の陰極室ユニットとの接合
面にはニッケルを無電解めっきした。ニッケルの無電解
めっきは陽極室ユニットの電解面をポリ塩化ビニル樹脂
の板で覆い電極室内に薬液が入らないようにしてアサヒ
クリーナーＣ４０００（上材工業卸商品名）を６０ｇ／
ｌ含む洛中にて陰極として５Ａ／ｄＩ＋？で電解脱脂し
、水洗の後にアクチベーターＴＩ（上材１２− 工業卸商品名）で活性化処理をした。続いてワ、ット浴
中においてニッケルのストライクめっきをした後に無電
解ニッケルめっき浴（上材工業卸商品名二ムデンＳＸ）
中においてニッケルめっきをした。

ニッケルめっきを施したチタン製の陽極室ユニットとニ
ッケル製の陰極室ユニットの接合面を１０重量％濃度の
苛性ソーダ水溶液で脱脂し、ＪＩＳ−Ｚ−３２８３に準
拠する鉛６０％、錫４０％の組成からなり、固相温度１
８３°Ｃ１液相温度１９０℃の半田を溶かした２３０℃
の半田洛中に陽極室ユニット及び陰極室ユニットの接合
面を５分間浸漬して、接合面に半田めっきした電極室ユ
ニットを半田浴から取り出して一方の陽極室ユニットの
接合面を上にして電極室ユニット接合治具に取り付ける
。この接合面に陰極室ユニットの接合面を合わせて両電
極室ユニットを均一に締め付ける。

電気炉に治具ごと電極室ユニットを入れて、電気炉を昇
温し、２３０°Ｃの温度で５分間保持した後に冷却して
両電極室ユニットを接合する。

冷却の後に電極室ユニット接合治具から電解槽ユニット
を取り外した。

電解槽ユニットの接合強度を調べたところ、室温で４１
Ｋｇ重／　ｃ　Ｊの引張り強度があり、電解槽ユニット
の強度としては充分なものであった。

実施例２ 実施例１の方法で製造した電解槽ユニットによって第３
図で示すフィルタープレス型電解槽を組み立てた。端部
陰極室ユニット１６、電解槽ユニット１、端部陽極室ユ
ニット１７の順に配置し各電極室ユニットの間にはイオ
ン交換膜１８を設けた。イオン交換膜としてデュポン社
製のナフィオン（登録商標）　ＮＸ９０２０９を使用し
、イオン交換膜と電極室ユニットとの間には電解液やガ
スの漏洩を防止するＥＰＤＭ（エチレンプロピレンデイ
エンモノマーゴム）製の額縁状のガスケット１９を配置
した。両端部電極室ユニットには給・電および固定用端
板２１を取り付け、締め付はボルト２２で締め付けて電
解槽架台２３に固定し、ブスバー２０で給電した。

各電極室の供給用ノズル、排出用ノズルには所定の配管
をし、陽極室には飽和食塩水を供給し、陰極室には希薄
苛性ソーダ水溶液を供給し、電流密度４０Ａ／ｄ／、温
度８６°Ｃで運転し、陰極室からは濃度３２％の苛性ソ
ーダ水溶液を取り出したが平均摺電圧は３．２５Ｖ、　
　電流効率９６．５％であった。

［発明の効果コ 以上詳述したように本発明は隣接する電極室の隔壁を半
田で接合したので、組立が容易であるばかりではなく、
電極室に損傷を与えることなく容易に分解することがで
きるので、電極の再生やいずれかの電極室の交換等に極
めて大きな効果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のイオン交換膜法による食塩電解用の複
極式電解槽の単位電解槽を陽極側から見た陰極室ユニッ
トの隔壁までを一部切り欠いた平面図を示し、第２図は
第１図をＡ−Ａ面で切断し５− 第１図 た断面図を示す。また、第３図は単位電解槽を組み立て
たフィルタープレス型電解槽の側面図を示す。 電解槽ユニット・ 陽極室ユニット・ 陰極室ユニット・ 電極室用枠体囃働 陽極室隔壁・Φ・ 陽極・・・・・・ 陰極室隔壁・・・ 陰極・・・・・・ 半田層・・・・・ ・　１ ・　２ １３ 舎　４ ・　９ １ ２ ４ ５

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）陽極室ユニットの陰極室ユニットとの接合面に半
   田が接合可能な金属をめっきし、両電極室ユニットを半
   田によって接合したことを特徴とする複極式電解槽。
2. （２）陽極室ユニットが薄膜形成性金属またはその合金
   からなり、接合面にはニッケルめっきをした請求項１記
   載の複極式電解槽。