JPH0397881A - 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】 （Ｍ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
闇極室と陰極室とを隔壁を介して電気的および機械的に
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
ニットおよ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
それぞれ陽極およ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法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で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５２−３２８６６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５８−３６２３１号にはチタンと鉄を銅を挟ん
で二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問題点） 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乙解槽が得られ
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生成分とする被覆が
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低下す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有物質を被覆とする電極の基本
特許である特公昭４８−２１８８４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
類等を含有する液を電極面上に塗布し空気中で５００な
いし７　０　０　’Ｃ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陽極室ユニットの隔壁と陰極室ユ
ニットの隔壁の熱膨張率が宍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どは形
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鍍金の
ノ」法で形成されている場合には、再生すべ８ｌ！３極
を単位電解槽から取り外すことなく陰極而のＰ丁生用の
電気鍍金槽において電気鍍金して再生するこ，ｌが可能
であるが、熱的な方法によって陰極（７）　ｌ占件波ｍ
ｕｆｆ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、一万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ちぇる事なくいずれかを取り除く
ことは困難であった。

（問題点を解決するための手段） 本発明者は複極式電解槽の隅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
できる接会方法を鋭意検討した結果本発明に至ったもの
である，３ 本発明は、電解槽の隣接する隔檗を融点の低い金属で電
気的および機械的に結合し、電解槽の隔壁を比較的低温
度で分離する（゛，とを可能としテーものである。本発
明に使用する融点の低い金属は鉛、錫、ビスマスおよび
ギれらをし成分とする含金から選ばれる金属などであり
、とくに融点が２００℃程度までのビスマス、鉛、錫等
からなる可融合金が好ましい。可融合金は混合する金属
成分に爪、じて数ｔｏ’ｃから２００℃程度１での溶融
温度を示すが、電解槽の運転温度においては溶融しない
が空気中で電解槽を構成するチタン等の金属が酸化しな
い範囲の温度で溶融するものが好ましい。

以下、可融合金を使用した例について述べる。

可融合金を隣接する隔幣の間に配置して単に溶融した後
に凝固することにより両者を結合することも可能である
が，可融合金は陽極室側のチタンまたはその合金とは接
合することができないので両隔壁，！：の可融合金の結
合力を大きくするために両隔壁の間に形成した空所に充
填した可融合金の機械的な係合作用を高める結合部を設
けることが好まし．い。

また、電解槽の還転謁度において溶融する可融合金を使
用し、溶融した可融合金による電気的な接続を確保する
こともできるが、垂直に立てた電解檀ユニットの多数を
水平方向に配置したフィルタ・−ブレス型の電解槽では
結合部分の可融合金が落下するので溶融した金属が落下
しない工夫が必姿である。

（作用） 本発明では隣接する電極室の隔壁を融点の低い合金で結
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７１１生の際には容易に
分解することができるので、隣接する電極室の隔壁が異
種金属である場合にも電極の再生が可能であり、実用的
な硼偵がきわめ゜ｒ大きな電解槽が得られる。

（実施例） 以下に複極式の電解槽の陽極室側のチタンと１：ツ極室
側のステンレスまたはニッケルを可融合金を用いて結合
する場合を例にして本発明を更ｉこ詳１１に説明するが
、本発明の電解槽は複極式の電解イ・〃に限らず同挿の
隔壁を結合することにより甲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１こよる食塩の電解用
の複極式電解槽の単位電解槽の陽極側かあ見た陰極室ユ
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線での断面図であり、第３図は各種
の態様の結合部の断面図である。

複極式の電解槽ユニットｉｉｉ鍋状の賜極室ユニット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｝　ＩＪ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｝　ＩＪ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１１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、陰極室隔ｇ！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。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することが好ましい。

また、陽極導電用リブおよび陰極導電用リブには単なる
板状体に代えて角筒状の内部が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。

陽極室隔壁９と陰極室隔壁１２の間には空所に充填した
融点の低い金属によって導電接続と機械的な結合を形成
する結合部１５を設けている。この図に示した例では隔
壁全面にわたり所望の電気的および機械的な結合を形成
するために必要な数の円筒状の結合部を配置しているが
、結合部はなんらこのような円筒状、角筒状に限定され
るものではなく、電極室の高さ方向に溝状の結合部を形
成してもよい。

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
の面か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バンデ
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、ニッケル、ステンレス、あるいはそれらの合金から
なるエキスバンデッドメタル、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。

陽極室ユニットと陰極室ユニットの隔壁の間に設ける結
合部の各種の態様の断面を第３図に示すが、結合部１５
には可融合金の受容部１８と係合部１７とをそれぞれの
隔壁と同種の材料で形成し各々の隔壁と溶接しても良い
し、陽極ユニットあるいは陰極室ユニットの隔壁に凹部
を設け、他方の隔壁の対応する位置に凸部を設けて受容
部と係合部とを形成してもよい。電極室ユニットに受容
部および係合部を溶接する場合には陽極室隔壁、陰極室
隔壁の何れの側の隔壁に受容部あるいは係合部を溶接す
ることも任意であるが、受容部の方が大きいので材料の
価格および溶接の容易さから陰極室ユニットに受容部を
形成することが好ましいので、第３図では陰極室隔壁に
受容部を形成する例について述べる。

第３図の（イ）の結合部は陰極室隔壁に円筒状の受容部
１６を取り付けたものであるが、受容部の内径には陰極
室隔壁に近い部分の径を大きくした段差を設け、陽極室
隔壁９には受容部の内径よりも該径の小さい円筒状の部
材からなる係合部１７を陽極室隔壁９に取り付け、係合
部の外部は陽極室隔壁に近い部分の外径を小さ＜シ、結
合部に充填した可融合金１８による受容部と保合部との
間での大きな結合力が得られるようにするのが好ましい
。また、第３図の（ロ）では（イ）と同様な受容部を設
けると共に、係合部には内部には可融合金が入らない形
状の取り付け部の径が小さくなった段差を設けた円柱状
あるいは丁字形の部材を設けたものである。また、第３
図の（ハ）は陰極室隔壁に凹部を設けてその凹所に受容
部を接合したものであり、　（二）は陰極室隔壁に凹所
を設け、その凹所および相対する位置の陽極室隔壁のそ
れぞれのａｌｌと同種の材質のエキスバンデッドメタル
あるいは網状の部材を接合したもので、凹所に封入した
可融合金との結合力を高めている。

（ハ）および（二）で隔壁に凹所を設ける例を示すが、
四所を設ける（ハ）および（二）の方法は前記（イ）お
よび（ロ）の平板状の隔壁に結合部を接合した場合に比
べて電解槽ユニットの厚みを小さくすることができる。

受容部の形状は円筒状、角Ｒ状に限らず電解槽ユニット
の高さ方向に取り付けた溝状ののものや、電解槽の高さ
方向に溝状の凹所を成型したもの等の多様な形状のもの
を使用することができ、対応する係合部についても受容
部に対応して各種の形状のものを使用することができる
。また、受容部の隔貼への取り付け部分とは反対の端部
、係合部の隔壁との取り付け部には内部の空気を排出す
る溝、孔を設けることにより内部に空洞が生じない可融
合金の封入物が得られるので大きな結合力を得ることが
できる。

陽極室ユニットおよび陰極室ユニットを結合する場合に
は結合部をサンドブラスト、脱脂等の表面処理を施した
後に受容部に可融合金の固形物あるいは溶融物を入れて
加熱下において保合部を静かに挿入し加圧状態で冷却す
る。

結合部に充填する可融合金にはビスマス、鉛、錫等を含
む各種の組成の合金が使用可能であるが、凝固時に体積
変化の少ないものあるいはわずかに膨張するものを使用
することによって大きな結合力を得ることができる。食
塩のイオン交換膜法による電解設備の場合には９０℃前
後の温度で運転しているので、ビスマスを含む２成分な
いしは３成分系の共晶合金であるビスマス５５．５重景
％、鉛４４．５重量％である融点１２４゜Ｃの合金、ビ
スマス５６％、錫４０％、亜鉛４％の融点１３０℃の合
金あるいはビスマス５８％、Ｂ４２％の融点が１３８℃
の合金を使用するこ占が好ましい。

実施例１ 外径３４ｎ１　内径２６關、高さ９關の管の半分の高さ
までの外径を３　０　ｍｍに切削したチタン管の外径の
小さい端部に内径２の通気孔を形成したものを縦および
横が１００ｍｌ１％　厚み１６２■のチタンｉｆ中心に
外形の小さい端部を摩擦溶接して係合部の部材を作成し
た。

また、外径５　０　．．，　　内径４０ＩＩＩｍ．，高
さ１０ｍ−の管の内杼を半分の高さまで４５山としたス
テンレス（ＳＵＳ３ｕＯＳ）管の内径の小さい端部に幅
、深さ共に２關の溝を切削したものを内径の大きな端部
を縦横各ｉ　ｏ　ｏ　．．，　厚み２ｆｆｉ１のステン
レス板に摩擦溶接し、受容部の部材を作成した。

ついでそれぞれの部材をサンドブラストの後、イＩ′機
溶剤で脱脂し両者を黒鉛板」二に載置して電気炉中で１
３０゜Ｃに加熱した。一方ビスマスと鉛との重量比が５
　５　．５　：　　４　４。５の融点が１２４゜Ｃの町
融合金の溶湯を調整した。

両部材を戦置した黒鉛板を取り山し、受容部分に３分の
２の深さまで該溶湯を注入し、係合部の中心を合わせて
静かに溶湯中に挿入した。自然冷却して一体化して結合
体を得た。

次に、この桔合体の結含部外周を４等分する位置にリー
ド線をボルトで結合し、８５゜Ｃの恒ｉＦｉ　＋３中で
７５アンペアの通電時の両隔壁間のオーム損を測定した
ところ８ないし１２ｍＶであった。また、結合体を室温
で引っ張り試験を行ったところ４００Ｋｇ重以上の強度
があり、食塩電解用のフィルタープレス型電解槽に要求
される性能を満足するものであった。

実施例２ 縦１．０００闘、横１　，２　４　０璽ｌ１　深さ３４
セｈ電極室ユニットの周囲のガスケットと接するフラン
ジの幅３０關、厚み１ウ■のチタン板製の鍋状の陽極室
ユニットを成型し、陽極側供給管と陽極側排出管を取り
付けた。陽極室隔壁には横方向に１０列、高さ方向に５
列に実施例１で示したものと同様の大きさの係合部を摩
擦溶接で取り付けた。

また、陽極室ユニットと同じ大きさのニッケル板製の陰
極室隔壁にも同様に実施例１で示したものと同様の大き
さのニッケル製の係合部を取り付けた。

それぞれの電極室ユニットには結合部の中心を高さ方向
に結ぶ位置に陽極導電用リブおよび陰極導電用リブを取
り付け、該リブにはエキスバンデッドメタルを基材とし
た陽極及び陰極をスポット溶接によって取り付けた。陽
極は食塩電解において不溶性電極として一般的に使用さ
れているルテニウム酸化物を含む被覆を形成したもので
あり、陰極は硫黄含有ニッケル鍍金によって活性層を被
覆したものである。

次いで、陰極室ユニットを電極面を下にして水平に配置
し、両電極室ユニットの供給管と排出管に対応する位置
に切り欠きを設けた縦１．０６０ｍ−、横１　，３　０
　０１冒、幅７８ｍ雪、厚み５６富嘗の軟鋼製電極室枠
体を取り付け、陰極室ユニットに取り付けた受容部には
実施例１と同じ可融合金を１４５グラムずつ入れ両電極
室ユニットを電気炉中で１３５℃に加熱すると共に陽極
室ユニットも１　３　５　’Ｃに加熱した。可融合金が
溶けた後に両電極室ユニットを電気炉から取り出し、陽
極室ユニットを陰極室ユニットに取り付けた電極室枠体
上に降ろし、平坦度を保持するために加圧下で空冷した
。

上記の方法で接合した電解槽ユニットによって第４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｝２Ｌ２個の電解槽ユニット１、端部陽極室ユ
ニット２２の順に配置し各電極室ユニットの間にはイオ
ン交換膜を設けた。

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）　９０２０９を使用し、イオン交換膜と７Ｘ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ＥＰＤ
Ｍ（エチレンブロビレンディエンモノマーゴム）製の額
縁状のガスケットを配置した。両端部電極室ユニットに
は給電板用端板２３、２４および電解槽の固定用端板２
５、２８を取り付け、締め付けボルト２７で締め付けて
電解槽架台２８に固定した。

各電極室の供給用ノズル５、排出用ノズル８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３０Ａ／ａ♂
、温度８６℃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槽電圧は９．４Ｖ，電
流効率９６．２％であった。

（発明の効果） 以上詳述したように本発明は隣接する電極室の隔壁を空
所に充填した融点の低い金属で結合したので、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■図は本発明のイオン交換膜法による食塩の電解用の
複極式電解槽の単位電解槽の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線での断面図であり、第３図は各種の
態様の結合部の断面図である。第４図は電解槽ユニット
を組み立てたフィルタープレス型の電解槽である。 電解槽ユニット・・・・・１ １１１ｇ室ユニット・・・・・２ 陰極室ユニット・・・・・３ 電極室枠体　　・・・・・４ 陽極室隔壁　　・・・・・９ 陽極　　　　・・・・・１ 陰極室隔壁　・・・・・１ 結合部　　　・・・・・ｌ 受容部　　　・・・・・１ 係合部　　　・・・・・１ 可融合金　　・・・・・１

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）電解槽の隣接する隔壁に形成した空所に充填した
   融点の低い金属によって該隔壁を電気的および機械的に
   結合したことを特徴とする電解槽。
2. （２）電解槽の隣接する隔壁が複極式の電解槽の隔壁で
   あることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の電
   解槽。
3. （３）融点の低い金属がビスマスを主成分とする可融合
   金であることを特徴とする特許請求範囲第１項あるいは
   第２項に記載の電解槽。
4. （４）隔壁に融点の低い金属を充填した空所が金属を充
   填する受容部と受容部に対向し受容部に挿入される係合
   部から形成されることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項ないし第３項のいずれかに記載の電解槽。