JPH08225975A - 圧力補償電気化学槽 - Google Patents

圧力補償電気化学槽

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JPH08225975A
JPH08225975A JP7345424A JP34542495A JPH08225975A JP H08225975 A JPH08225975 A JP H08225975A JP 7345424 A JP7345424 A JP 7345424A JP 34542495 A JP34542495 A JP 34542495A JP H08225975 A JPH08225975 A JP H08225975A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 先行技術の欠点を有しておらず、槽の垂直配
置において気体−拡散電極を用いることができ、電極へ
の電解質の静水圧が簡単な方法で補償されている電気化
学半−槽を提供すること。 【解決手段】 本発明は、電解質の収容のための少なく
とも１つの電極室１４、気体室２３、及び気体室２３と
電極室１４を分離している陽極又は陰極としての少なく
とも１つの気体−拡散電極５を含み、ここで気体室２３
がカスケード状に互いに重ねられた２つ又はそれ以上の
気体ポケット２０、２０’に分けられ、気体供給又は気
体排出が電解質２２への開口部１１、１２を横切って行
われる電気化学半−槽に関する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】広範囲の電解法における気体−拡散電極の
使用は、多くの場合に別の反応経路を可能にし、又は電
解の望ましくない又は非経済的な副生成物の予防を助け
る。例えばアルカリ−ハライド電解において、水素は望
ましくない副生成物であり、それは多くの場合に、その
製造が不可避である生成物として実用的に利用すること
ができない。さらに電解法における水素のエネルギー値
は一般に、通常水素で得ることができる販売価格よりず
っと高い。従って電気化学的に副生成物として生成され
る水素はさらに電気化学的に用いられるべきであるか、
又は別の反応経路を用いることにより完全に防がれるべ
きであるというのが常識的であると思われる。
【０００２】水素の別の電気化学的利用の１つの可能性
は、燃料電池における利用である。興味深い方法が米国
特許第４６ ４７ ３５１号に記載されている。アルカ
リ燃料電池の電解法へのカップリングを介して水素を集
める提案がされている。この場合、電解の陰極室からの
アルカリ溶液が燃料電池の陽極及び陰極室中に導入さ
れ、陰極室で濃縮され、放出され、陽極室で使い尽くさ
れ、電解にフィードバックされる。この方法に伴う欠点
は、装置の高い経費、水素生成の間の追加されるエネル
ギー損失、及び続く燃料電池における酸化、及び又、電
線損失、ならびに互いに反する電流−対−電圧特性を前
提とし、燃料電池からの直流の電解への直接の使用と結
び付いた問題である。
【０００３】別の方法は、酸素−消費陰極上における酸
素還元により電解陰極上の水素の生成を防ぐことであ
る。この方法で、例えばアルカリヒドロキシド電解の間
に−水素の生成を伴う従来の方法と非常に類似した方法
で−ヒドロキシドイオンが陰極上で生成され、それはカ
チオン−選択膜を介したアルカリイオンの陰極室への移
動を刺激し、アルカリヒドロキシド溶液の生成に導く。
急激に減少する電力の消費とはっきり対照的に、目的生
成物であるハロゲン及びアルカリヒドロキシド溶液の生
成はこれにより影響を受けない。過去においてアルカリ
−ハライド電解の酸素−消費陰極につき複数の研究が行
われた。以下の一般的問題が生じた：例えば酸素−消費
陰極として運転されるアルカリ−ハライド電解の場合、
気体−拡散陰極は電解質と気体室の間の連続気泡膜であ
り、それは電解質に可能な限り近い電解質、触媒及び酸
素の間の３相境界における酸素の還元を可能にすること
を目的とする。この境界層は陰極材料の疎水性の故に安
定化される。しかし単に電解質の表面張力の結果として
起こるこの安定化は、気体側及び液体側の間の有限の圧
力低下を可能にするのみである。気体−側の圧力が高す
ぎると、結局気体は膜を突破し、この領域において電極
の機能が撹乱され、電解過程が中断される。他方、液体
の圧力が高すぎると、３相境界が膜の触媒領域から押し
出され、それは同様に陰極の機能を妨害し、さらに圧力
が上昇すると気体室中への電解質の液体浸透が起こる。
垂直電極配置−目的生成物である塩素を満足に取り出せ
るようにするために膜電解の場合に必要である−の場
合、これは気体−拡散電極の全体的高さの制限を生じ、
なぜならば制限しないと気体は上部において陰極室中に
浸透し、液体は底において気体室中に浸透するからであ
る。従って技術的に実行可能な全体的高さは約２０ｃｍ
に制限されたままであり、それは現在市場にある膜電解
槽にとって魅力的でない。
【０００４】この欠点の克服のために、提案されたいく
つかの方法が記載されたが、そのいずれも成功であるこ
とが証明されなかった。例えば公開公報ＤＥ ３４ ０
１６３６ Ａ１において、電解質が落膜装置（ｆａｌｌ
ｉｎｇ−ｆｉｌｍ ａｐｐａｒａｔｕｓ）においてカチ
オン−交換膜と気体−拡散電極の間を流れるということ
により、静水圧の問題が防がれた。この方法で電解質室
と気体室の間の十分に同重の状態が達成される。しかし
長期間試験における問題（例えば湿潤の問題及び膜の間
の泡の生成）が電解目的へのこの方法を諦めさせた。
【０００５】公開特許ＤＥ ３４ ３９ ２６５ Ａ１
において、差圧の問題を防ぐための水平（ｌｅｖｅｌ）
電池配置が提案され、その場合電解質流は水平に向けら
れる。一方で電池において生成される気体の除去が困難
であり、他方で電解質を更新するための強制流がこの配
置ではほとんど不可能であるので、この配置も成功であ
ることが証明されなかった。
【０００６】技術的点でもっと複雑な別の提案が米国特
許第４６ ５７ ６５１号に開示されている。この場
合、陰極が個別の水平室に分けられ、それにそれぞれ気
体が装填され、ここで垂直室においてそれぞれ出る気体
流の浸漬から生ずる気体圧は、該室の深さがそれぞれの
室より上の電解質の高さに対応するという事実により制
御されるということにより、圧力が等しくされている。
この場合の欠点は装置の高い経費であり、それが技術的
遂行を邪魔している。この場合個別の気体室のそれぞれ
の圧力は実際にバルブを用いて別々に調節されねばなら
ない。
【０００７】米国特許第４５ ７８ １５９号に従う別
の方法は、酸素還元のための触媒をカチオン−交換膜に
直接適用することを提供している。酸素還元により生成
されるヒドロキシドイオンは、水和物に囲まれて膜を通
って移動するアルカリイオンと共にアルカリ−ヒドロキ
シド水溶液を形成し、それは触媒で親水的にコーティン
グされた膜の気体−側表面上を流れ去り、集められる。
この場合の欠点は、気体室に向かって位置する３相境界
層が気体側において流れ去るアルカリ−ヒドロキシド水
溶液により破壊され得、必然的に電解のためにより高い
運転電圧を用いなければならないことである。
【０００８】本発明の目的は、前記の装置の欠点を有し
ておらず、特に槽の垂直配置において気体−拡散電極を
用いることができ、ここで電極上への電解質の静水圧が
簡単な方法で補償されている電気化学半−槽の提供であ
る。
【０００９】目的は、電解質の収容（ａｃｃｏｍｍｏｄ
ａｔｉｎｇ）のための少なくとも１つの電極室、気体
室、及び気体室と電極室を分離している陽極又は陰極と
しての少なくとも１つの気体−拡散電極を含み、気体室
がカスケード（ｃａｓｃａｄｅ）状に互いに重ねられた
２つ又はそれ以上の気体ポケットに分けられ、気体ポケ
ットは互いに分離され、下方に電解質に向かって開か
れ、それで電解質への開口部を横切る各気体ポケットの
圧力が気体−拡散電極の前にある電極室の対応する部分
の電解質の液柱の圧力と平衡であるようにされ、それに
よって気体供給又は気体排出が電解質への開口部を横切
って行われることを特徴とする電気化学半−槽(electro
chemical half-cell)により本発明に従って達成され
る。
【００１０】気体ポケットはそれぞれ電解質より上にお
いて、気体−拡散電極の他の側の対応する電極室と静水
平衡にあるのが好ましい。
【００１１】気体ポケットはその後側においていわゆる
気体じゃま板(gas baffles)により境界がつけられ、じ
ゃま板自身は、電解質への開口部として、気体収集フー
ドにおいて事実上の気体ポケットの下で終わっており、
ここで気体収集フードは電解質中で上昇する気泡を収容
するために働き、後者は電極気体を次の高さの気体ポケ
ットに通過させるのが好ましい。
【００１２】特に気体収集フードは半−槽において、例
えば気泡が迂回するのを防ぐが、他方で電解質で満たさ
れた後方の室における静水圧を等しくするために、電気
化学槽の後壁の直前まで配置される。
【００１３】気体収集フードは気体通過開口部、例えば
限定された孔又はスリットを、それぞれの気体ポケット
の下端の下、又は気体収集フードの上部領域に有するの
が好ましく、それは過剰の気体の、次に高い(next high
est)気体ポケットへの制御されたデリバリーを与える。
それぞれの気体ポケットの下端からの気体通過開口部の
距離は、気体状拡散電極より上の差圧に影響を与える。
【００１４】気体通過開口部は、気体ポケットから気体
ポケットに互いに横に食い違って配置され、上昇する気
泡が常に気体通過開口部のないフード領域に衝突するよ
うにするのが好ましい。
【００１５】互いに隣合って位置する気体通過開口部の
群を有し、次に高いフードにおいてはその上に気体通過
開口部のない全領域がある実施態様が特に好ましい。極
端な場合それぞれのフードは、一方の側に通過孔を有
し、上記の残りの領域には通過孔がないように配置する
ことができる。かくして孔のある、及びない領域の配置
はそれぞれの場合に、次に高いフードに関して完全に逆
となる。
【００１６】気体ポケット中への「収集」及び導入の機
能の、次の高さの気体ポケットへの供給気体のデリバリ
ー及び移送の機能からの物理的分離の故に、気体ポケッ
トの気体領域において対流が確立され、それが気体ポケ
ットにおける変換不可能な気体の部分の堆積の予防を助
ける。フードと気体じゃま板の間のひだは、導入とデリ
バリーの分離を強化するように働くことができ、気体ポ
ケットにおける気体の対流を強制する。
【００１７】貫流される電解質間隙における圧力損失の
他の補償のために、上記の孔又はスリットを、それらよ
り上にある気体ポケットと同じ高さ以外にも適応させる
ことができる。それらは代わりに（場合によりスペーサ
ーで満たされた狭い電極室における水圧損失の他の補償
のために）、最底の(bottommost)フードにおいて最も深
い点に位置し、それぞれの気体室において常に同じ差圧
の状態が得られるような方法で、次に高い気体ポケット
のフードにおいて、対応してもっと高くずらされている
ことができる。
【００１８】圧力損失の他の補償は特に、気体通過開口
部の直径を気体ポケットから気体ポケットに、それぞれ
の場合に気体収集フードにおける相対的高さが同じであ
ると仮定して、底から上部に減少させるか又は増加させ
る、好ましくは減少させることを介して可能になる。
【００１９】最底の気体ポケットの気体収集フードは特
にサイホンとして構築され（例えば変換されたシート−
金属ストリップ（ｃｏｎｖｅｒｔｅｄ ｓｈｅｅｔ−ｍ
ｅｔａｌ ｓｔｒｉｐ））、それが半−槽中に流入する
電解質により撹乱されずに、従って気体−拡散電極とイ
オン交換膜の間の主流によっても撹乱されずに圧力補償
がなされることを可能にする。
【００２０】本発明の半−槽の好ましい変形は、気体収
集フードから気体ポケット中への気体の導入が狭いスリ
ットを通って行われることを特徴としており、それは場
合により気体ポケットの支持体と後方の電力供給の間の
低抵抗電力接続を向上させるために金属的導電性接続に
より中断される。
【００２１】スリットは、気体収集フードの下の気体メ
ニスカスにおいて破れる気泡からの電解質スプレーが気
体−拡散電極の後側に直接通過できないように配置され
るのが好ましい。電極の後側は場合により気体の導入に
対してスクリーンで覆われ、気体室における電極の汚染
を予防する。
【００２２】それぞれの気体ポケットの高さは１〜５０
ｃｍが好ましく、５〜３０ｃｍが特に好ましい。
【００２３】半−槽は１本の気体供給管を介して最底の
気体ポケット中において電極気体が供給されるのが好ま
しく、ここでそれぞれの余剰気体は、そうする間に気体
ポケットから気体ポケットに、底から上部に通過し、最
後の気体ポケットの後に残る余剰気体は、槽の頭部にお
いて外方に除去される。
【００２４】槽の変形において、電極気体は電極室中へ
の電解質供給管と共通のノズルを介し、最底の気体ポケ
ット中に同軸的に供給されることができるが、過剰の気
体は電解質と一緒に取り出される。
【００２５】気体−拡散電極として数個の電極セグメン
トが用いられる場合、気体−拡散電極セグメントの取り
付けは、電極室に関して気密的に行われる。
【００２６】気体−拡散部品のための保持部品は、例え
ば締付ストリップ又は磁気ストリップとして構築するこ
とができ、それは最初に組み立て補助部品（ａｓｓｅｍ
ｂｌｙ ａｉｄｓ）として働く。
【００２７】中間イオン交換膜を有する電解槽の場合、
保持部品は組み立ての後、イオン交換膜を用い、その後
に支持されている反対−電極構造上に支持され、かくし
て気体−拡散電極に対する適した一定の圧力を保証する
ことができる。
【００２８】電解槽の場合、保持部品はそのイオン交換
膜に面している側に、流れの方向に配置された刻み目を
有することができ、それは緊張した状態の槽の場合でさ
え、電極室の区画から区画への均一な電解質の通過を可
能にする。
【００２９】特に好ましい実施態様の場合、狭い電極室
は弾性のスペーサーで満たされ、それはスペーサー及び
乱流促進物の機能を満たすのみでなく、上記の保持部品
を横切って置かれ、保持部品と一緒に緊張し、それによ
り接触圧のためのさらに別の弾性部品及び気体−拡散電
極の封止を与えることができる。
【００３０】本発明の半−槽の好ましい変形の場合、気
体−拡散電極セグメントの取り付けは、Ｔ−形保持スト
リップを用いて行われ、その長い部分は適した長さのス
トラップにおいて終わり、ストラップは、例えば適切に
配置された内腔により駆動される締付くさびを介して後
方への締付を行うことができるような方法で、低抵抗電
力供給線により挿入される。気体−拡散電極及び場合に
より封止具は、Ｔ−形保持ストリップの短い部分を介
し、気密性及び優れた電気的接触の両方が保証されるよ
うな方法で、低抵抗電力供給線に圧し付けられる。
【００３１】気体−拡散電極への電力供給は、気体−拡
散電極の保持装置を介して行われるのが好ましく、それ
自身は電池の後側と共に低抵抗性で外部電力源に接続し
ており、ここで保持装置の間において、気体−拡散電極
が電解質側で接続している金属格子構造が短い電流路を
保証している。一体的金属格子を有する気体−拡散電極
の場合、場合により保持装置の間の別の金属格子構造を
省略することができる。
【００３２】特に槽の後側への低抵抗接続には開口部又
は孔が設けられ、それは一方で後方の室における電解質
の静水圧を等しくすることができ、他方で移送される気
泡を通すことができる。
【００３３】特に槽の後側への最底の低抵抗接続は小さ
い同等化孔（ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ｂｏｒｅ）を
含み、それは電極室を通る電解質のゆっくりした主流に
有意に影響を与えずに、後方の室における電解質の混合
を可能にする。
【００３４】本発明の半−槽の有利な実施態様は、気体
ポケット電極の構造全体が電解半−槽から除去できるよ
うに成形されることを特徴とする。
【００３５】特に気体−拡散電極を交換できるのが好ま
しいが、気体ポケット電極の残りのすべての構造は運転
し続けることができる。
【００３６】好ましい形態の本発明の半−槽は、例えば
塩素−アルカリ電解において酸素−消費陰極として働
く。必要な酸素は水平気体ポケットにおいて供給され、
そのそれぞれの高さは気体−拡散電極の差圧負荷性（ｄ
ｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｌｏａｄ
ａｂｉｌｉｔｙ）により決定される。この場合気体ポケ
ットは電極、適した気体通過孔を有する後−側じゃま板
及び気泡収集フード、ならびに気体−拡散電極のための
逆−側（ｒｅｖｅｒｓｅ−ｓｉｄｅ）保持構造から形成
され、保持構造は電力分配機能を果すこともできる。酸
素は最底の気体ポケット中に供給される。ここで変換さ
れない酸素は後−側じゃま板の底領域における適した孔
を介してそこに含まれる、好ましくは陰極室におけるも
のと同じ電解質の液中に泡となって出、次の高さの気体
ポケットの気泡収集フードにより吸収され、ならびにそ
れを満たす。この過程は最上の気体ポケットまで繰り返
され、そこにおいて酸素の一部は各酸素−消費陰極で消
費される。最底の気体ポケットの供給は、最上の気体ポ
ケットが常に過剰の酸素を放出し、従ってすべての酸素
−消費陰極が過剰なまで酸素を供給されることが保証さ
れるように調節される。非変換酸素は収集され、下方に
もう一度供給されることができる。
【００３７】各気体ポケットの領域において、気体ポケ
ットの階段と電解槽の後壁の間における気泡のメニスカ
スの底端から液柱の上端までの液柱に対応する気体圧が
得られる。この圧力は電極室の液柱により補償され、こ
こで両室における充填度が同じと仮定して（例えば両室
の水圧接続を用いて）、前記の気泡メニスカスの底端に
おいて平衡している。それぞれの気体ポケットにおいて
は均一な圧力が支配しているので、気体側において平均
してわずかに過剰の圧力が存在し、それは例えば接触酸
素還元の最適機能のためには望ましくもある。
【００３８】本発明の半−槽のさらに好ましい変形にお
いて電極室及び後部電解質室が水圧的に分離されている
場合、すべての室に関して同じであるそれぞれの差圧
は、充填度又は排出の高さ（ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｈｅ
ｉｇｈｔ）を変えることにより両室において随意に設定
することができる。
【００３９】かくして例えば管を介して頭頂で気体除去
器及び場合により設けられるその上の電解質受け器に除
去される分離された気体排出により、制御可能な過剰圧
を設定することができ、それはかくしてすべての気体ポ
ケットに関して電極室と比較して同じ量である。
【００４０】他方、槽からの電解質排出が、例えば図５
に示される通り立て管を介して下方に、又は他に場合に
より槽の側管に好ましく行われる場合、電極室からの電
解質を気体ポケット電極を介して上部において後部電解
質室のみに流れさせ、そこから電解質を過剰の酸素と共
に立て管を介して槽から下方に、又は横放出の場合は側
にも逃がすことにより、電解質及び過剰の気体を一緒に
直接流出させることができる。立て管の異なる高さは異
なる差圧に導き、ここでその場合液圧は気体圧より高
く、それは電流分配格子上の布−型気体−拡散電極のフ
ラッシ支持（ｆｌｕｓｈ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ）のた
めに特に有利である。かくして電極のための保持及び締
付装置を場合により省略することができる。立て管を介
した電解質及び過剰の気体の合同排出に非常に類似した
方法で、半−槽に横に固定された排出管を介して排出を
横に行うこともでき、ここで気体及び電解質の分離は、
例えば槽の隣の収集器において行われる。この方法にお
いても、液圧を気体−拡散電極より上の気体圧より高く
設定することができる。
【００４１】本発明の半−槽は、対応する気体ポケット
の数を用いることによりいずれの技術的に実行可能な寸
法にも拡大することができる。代表的な電解荷電（ｅｌ
ｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ ｃｈａｒｇｅｓ）のために必要
な気体量（例えば酸素）は、例えば１時間当たりに陰極
面積の１平方メートル当たり０．７〜１標準立方メート
ルなので、水力学試験が示す通り、必要な気体の輸送は
気泡開口部の適した分布により問題なく得ることができ
る。
【００４２】原則的に本発明の半−槽を用い、アルカリ
−ハライド溶液の電解のための従来の市販の膜電解槽
を、それが十分に深い陰極室を有していれば、例えば酸
素−消費陰極を用いてエネルギー−節約運転に変換する
ことができる。
【００４３】本発明の半槽に関する他の可能な用途の分
野は、例えば以下である。
【００４４】−ナトリウム−ジクロメート電解。この場
合酸素−生成陽極の代わりに水素−消費陽極が可能であ
り；陰極における水素生成を酸素−消費陰極における酸
素還元により置換することができる。
【００４５】−気体−拡散電極上の酸素還元を介した過
酸化水素生成。
【００４６】−序文において記載のアルカリ燃料電池が
水酸化ナトリウム溶液濃縮に用いられる。この場合本発
明の半−槽を水素変換のための陽極として、及び酸素還
元の場合の陰極として用いることができる。
【００４７】原則的に本発明の半−槽は、気体−拡散電
極が液体電解質と直接接触して運転される場合はいつで
も用いることができる。
【００４８】原則的に既知のすべての種類の気体−拡散
電極、例えば一体化金属支持体又は電力分配格子を有す
る種類、あるいは炭素マット上に構築される電極を本発
明の半−槽に用いることができる。本発明の半−槽の他
の好ましい実施態様を後述の本発明の主たる特徴及び態
様の項に示す。
【００４９】本発明を図を用い、下記に詳細を例示して
説明する。
【００５０】電解質入口ノズル２及び電解質出口ノズル
３を有する、従来のイオン−交換膜により境界を付けら
れた半−槽１の場合、従来の金属電極の代わりに気体−
拡散電極５が取り付けられている。気体−拡散電極はそ
の電力供給を後の金属格子構造６を介して得、それは気
体−拡散電極中への低抵抗電力分配を担い、その電力供
給を構造部品７を介して得、構造部品自身は後の接続部
品８と金属的接触をしており、それは後壁１を介して外
部電力分配（ここでは示されていない）と接続してい
る。格子構造６は、一体化金属性電力分配格子を有する
気体−拡散電極５の場合には省略することができる。
【００５１】事実上の気体ポケット２０は、疎水性の後
側を有する気体−拡散電極５、ポケット２０を上部及び
底のみでなく横にも境界付ける構造部品７、ならびに上
及び横において気密的に、例えば溶接されて構造部品７
に接続している後部気体じゃま板９から形成される。気
密的接続は、気体フード２１に向かって曲がる気体じゃ
ま板９と横の構造部品（ここでは示されていない）の間
のひだの下端に延びている。
【００５２】そのようにして形成される気体ポケット電
極は、装置として取り出せるように成形することができ
る。
【００５３】気体供給は、最底の気体ポケット２０に機
密的に取り付けられ、入口ノズル２を通って同軸的に走
る柔軟性管１０を介して行うことができる。最底の気体
ポケット２０で変換されない気体は、すべての気体ポケ
ット部品に関して同じに成形されている気体通過開口部
１１を通って流れ、気体じゃま板９の角度をつけられた
フード２１における孔１２又は場合によりサイホン１８
を通って垂直の液柱中に泡となって出、後の接続部品８
の孔又は開口部１３を通過し、次の高さの気体じゃま板
９のフード２１により吸収され、それに伴う気体ポケッ
ト２０’中に通過し、そこで気体の一部が再度変換され
る。電極５上で完全に変換されない気体は、電解質室か
ら流出する電解質２２と一緒に出口ノズル３を通って取
り出され、場合により分離され、供給気体として再度用
いられる。
【００５４】変形の場合（図４を参照）、完全に変換さ
れない気体は立て管２４を通って電解質と一緒に下方に
排出され、ここで差圧は立て管の高さを介し、すべての
気体−拡散電極５を横切って等しく変えることができ
る。
【００５５】気体−拡散電極５の固定及び封止は、締付
ストリップ１５を用いて構造部品７上に行われ（図２も
参照）、それは最初に取付補助具としてのみ働く。従っ
てそれらを対応するプラスチックコーティングを有する
磁気ストリップとして構築することもでき、ここで加圧
部品のイオン交換膜４に向かっている側に、ストリップ
に斜めに刻み目１５ａが設けられ、それは陰極室１４の
室から室への電解質流を容易にすることを目的とする。
【００５６】弾性で電解質−耐性の、好ましくは非導電
性の薄い材料の間座１６が陰極室の全体を覆い、それは
撹乱促進物及びスペーサーとして働き、電流分配格子６
上の気体−拡散電極１５のフラッシ支持を生ずる。膜４
の他の側にある電極１７が面積的接合点として働き、そ
れはアルカリ−ハライド電解の場合、陽極１７として膜
４上に位置を占め、槽の組み立ての後はこの機械的機能
を引き継ぐのみでなく、特に、圧縮された間座１６を介
して適した圧力で締付又は磁気ストリップ１５を気体−
拡散電極５に圧し付け、後者の封止を助けもする。この
方法で膜及び気体−拡散電極の波打ちが確実に予防さ
れ、かくしてそれらの有効寿命が増加する。さらに気体
−拡散電極５と電力分配格子６の間の低−抵抗フラッシ
電流接触（ｆｌｕｓｈ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｎｔａｃ
ｔ）がそれにより達成される。
【００５７】底における電解質供給管の領域において、
電極気体としての例えば酸素が陰極間隙中に入るのを確
実に防ぐことが意図されているので、ここで気泡の流出
が以下の通りに変えられる：気体の流出のための間隙１
１を、他の気体ポケット２０上におけると同様に形成す
る。しかしこの場合に働く気体じゃま板９は、曲がって
サイホン１８となり、開口部１３を有していない後の接
続部品８ａを通って逆に導かれ、そこに関連する最底の
気体ポケット２０の気体じゃま板９が浸漬され、その気
体じゃま板２０はフードに向かって曲がっていない。気
体じゃま板９の後に間隙１１と同様に間隙１１ａが形成
され、それは流出する気体を通過させる。この方法を用
い、対応する過剰の圧力も最底の気体ポケット２０に対
して保証される。後の接続部品８ａの小さい同等化孔１
９は、陰極室１４を通る強制流を有意に撹乱することな
く、後部室における最小の電解質交換を保証する。
【００５８】
【実施例】実施例１ 気体ポケット電極の水力学（ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ）を
模するための例としての実施態様において、以下のパラ
メーターを用いてモデル試験を行った：モデル（図４に
従う）は以下の寸法で構築したが電気部品は用いなかっ
た。
【００５９】モデルの高さは３０ｃｍ、モデルの幅は２
０ｃｍ、３つの気体ポケットはそれぞれ高さが１０ｃ
ｍ、室の深さは１ｃｍ、フードの長さは６ｃｍ、フード
の角度は約３０o、フードの屈曲部分(ｈｏｏｄ ｂｅｎ
ｄ)における２つの孔はそれぞれ０．５ｍｍ、孔から孔
への距離は１０ｃｍ。
【００６０】孔は、気体フード２１から気体フード２
１’に、互いに横にずらした。
【００６１】結果：圧縮空気及び酸素を用いて試験を行
った。選ばれた配置を用い、自由に立ったままの（ｆｒ
ｅｅ−ｓｔａｎｄｉｎｇ）気体ポケットのフードの端を
横切って最初の気泡が出る前に、孔当たり最高３０〜３
５ｌ／時の気体が通過することができた。差圧試験は、
３つのすべての室に関して同じ差圧を与えた。５ｋＡ／
ｍ2の特定の負荷の場合に電極面積の１平方メートル当
たりに必要な酸素の量は、例えば０．６３ｍN 3／ｍ2ｘ
時、又は７５℃の運転温度において約０．８ｍ3／ｍ2ｘ
時となる（ｍN 3＝標準立方メートル）。
【００６２】モデルにおいて測定される孔当たり３０ｌ
／時の通過速度の場合、及び電解質槽の高さが１ｍであ
り、それぞれ２５ｃｍの高さの４つの気体ポケットが十
分であると仮定し、他が等しい寸法であると仮定する
と、約７ｃｍ毎に１つの孔で間に合わせることができ、
それは最底の気体ポケットからの出口において０．２ｍ
3／時の供給酸素がすでに最底の電極において消費さ
れ、次の高さの気体ポケットの流出への負荷は同様に、
そこで消費される０．２ｍ3／時の酸素により減少して
いるからである。
【００６３】実施例２ 酸素−消費陰極の圧力−補償運転の実際の実施例： 他の実際の実施例において、以下の寸法の電気化学槽を構築し、運転した： 槽の高さ ９０ｃｍ 槽の幅 ２２ｃｍ ４つの気体ポケット それぞれ１８ｘ１８ｃｍ2 室の深さ １．５ｃｍ フードの長さ ６ｃｍ フードの角度 約１０o フード当たりに１つの孔、４ｃｍの間隔でそれぞれ１．５ｍｍ、フードからフー ドに側を変える 酸素−消費陰極 それぞれ１８ｘ１８ｃｍ2の４つの自由活性表面 （ｆｒｅｅ ａｃｔｉｖｅ ｓｕｒｆａｃｅ）、 型ＥＳＮＳ、ＧＤＥ，Ｆｒａｎｋｆｕｒｔにより 製造、Ｃ上に２０％のＰｔを含む、１５．７ｇ Ｐｔ／ｍ2 膜 ＮａｆｉｏｎR９８０ＷＸ、ＤｕＰｏｎｔにより 製造 陰極及び膜の間の間隙 ０．３ｃｍ 陽極 Ｈａｅｒｅｕｓ，Ｈａｎａｕからの低−酸素活性 化のチタンエキスパンデッドメタル ４つの陽極セグメント１８ｘ１８ｃｍ2、互いに 電気的に分離 結果：３ｋＡ／ｍ2の電流密度、８５℃の槽温度、３０
０ｇ／ｌのＮａＣｌの単独流入濃度、槽における約９０
ｇ／ｌの濃度の単独減少、３２．５％の水酸化ナトリウ
ム濃度、及び約１０％過剰の純粋な酸素の供給の場合、
上から底への槽セグメントにおいて以下のそれぞれの電
圧が測定された： セグメント１ ２．０４Ｖ セグメント２ ２．０５Ｖ セグメント３ ２．０４Ｖ セグメント４ ２．０４Ｖ １週間の連続運転の後も、高さへの電圧の依存性は検出
されなかった。平均値からの変動は≦５ｍＶの範囲に留
まり；電圧測定のノイズは非常に低かった。
【００６４】本発明の主たる特徴及び態様は以下の通り
である。
【００６５】１．電解質（２２）の収容のための少なく
とも１つの電極室（１４）、気体室（２３）、及び気体
室（２３）と電極室（１４）の間にある陽極又は陰極と
しての少なくとも１つの気体−拡散電極（５）を含み、
気体室（２３）がカスケード状に互いに重ねられた２つ
又はそれ以上の気体ポケット（２０）及び（２０’）に
分けられ、気体ポケットは互いに分離され、下方に電解
質（２２）に向かって開かれ、それで電解質（２２）へ
の開口部を横切る各気体ポケット（２０、２０’）の圧
力が気体−拡散電極（５）の前にある電極室（１４）の
対応する部分の電解質の液柱の圧力と平衡であるように
され、それによって気体供給又は気体排出が電解質（２
２）への開口部（１１）及び（１２）を横切って行われ
ることを特徴とする電気化学半−槽（１）。
【００６６】２．電解質（２２）より上の気体ポケット
（２０、２０’）がそれぞれ、気体−拡散電極（５）の
他の側の対応する電極室（１４）に対して、厳格に調節
可能な差圧を示すことを特徴とする上記１項に記載の半
−槽。
【００６７】３．気体ポケット（２）はその後側におい
て気体じゃま板（９）により境界が付けられ、じゃま板
自身は、電解質（２２）への開口部（１１）として気体
収集フード（２１）において事実上の気体ポケット（２
０）の下で終わっており、ここで気体収集フード（２
１）は電解質中で上昇する気泡を収集するために働き、
後者は電極気体を次の高さの気体ポケット（２０’）に
通過させることを特徴とする上記１〜２項に記載の半−
槽。
【００６８】４．気体収集フード（２１）が半−槽
（１）の後壁の直前まで配置されていることを特徴とす
る上記１〜３項に記載の半−槽。
【００６９】５．気体収集フード（２１）が、過剰の気
体の、次に高い気体ポケット（２０’）への制御された
デリバリーのために、それぞれの気体ポケット（２０）
の下端の下に、又は気体収集フード（２１）の上部領域
に気体通過開口部（１２）を有することを特徴とする上
記１〜４項に記載の半−槽。
【００７０】６．気体通過開口部（１２）が（電極室に
おける水圧損失の補償のために）最底の気体ポケット
（２０）の気体収集フードで始まり、それぞれの気体ポ
ケット（２０）の底の端に対して上昇するように、又は
落ちるようにずらされて配置されることを特徴とする上
記１項に記載の半−槽。
【００７１】７．気体通過開口部（１２）が特に、互い
に隣合う群として配置される領域であり、ここで重ねら
れた気体ポケット（２０、２０’）の場合、気体収集フ
ード（２１）の通過開口部（１２）を有する領域が常
に、その上にある特定の気体収集フード（２１）におけ
る気体通過開口部（１２）のない領域の上に配置される
上記５項に記載の半−槽。
【００７２】８．気体収集フード（２１）における気体
ポケット（２０）の気体通過開口部（１２）を有する領
域が、気体収集フード（２１）と気体じゃま板（９）の
間のひだにより気体通過開口部のない領域から分離さ
れ、気体室（２３）における気体の交換が促進されるこ
とを特徴とする上記５項に記載の半−槽。
【００７３】９．気体収集フード（２１）が最底気体ポ
ケット（２０）にサイホン（１８）として構築され、そ
れが半−槽（１）に流入する電解質（２２）により撹乱
されずに圧力補償が起こることを可能にしている上記１
〜８項に記載の半−槽。
【００７４】１０．それぞれの気体ポケット（２０）の
高さが１〜５０ｃｍ、好ましくは５〜３０ｃｍであるこ
とを特徴とする上記１〜９項に記載の半−槽。
【００７５】１１．槽が、１本の気体供給管を介して最
底気体ポケット（２０）中において供給され、それぞれ
の余剰気体は気体ポケット（２０）から気体ポケット
（２０’）に、底から上部に移送され、最上の気体ポケ
ットの後に残る余剰気体は槽の頭部において除去される
ことを特徴とする上記１〜１０項に記載の半−槽。
【００７６】１２．気体−拡散電極（５）の前及び後の
領域の間の差圧が、電極室（１４）及び電解質室（２
２）の水力学的分離により自由に調節可能であることを
特徴とする上記１〜１１項に記載の半−槽。
【００７７】１３．最底の気体ポケット（２０）中への
気体（１０）の供給がノズル（２）を介して同軸的に、
電極室（１４）中への電解質の供給と一緒に行われ、過
剰の気体の流出が出口ノズル（３）を通って上方に、電
解質と一緒に行われることを特徴とする上記１〜１２項
に記載の半−槽。
【００７８】１４．電極室（１４）が上部において水力
学的に気体ポケット（２０）の後の電解質室と連結し、
後者中に流出し、過剰の気体の排出が電解質（２２）と
一緒に、気体ポケット（２０）の後の領域の立て管を介
して下方に、又は横に配置されたノズルを介し、同じ高
さにある気−液分離器を通って側方に行われることを特
徴とする上記１〜１３項に記載の半−槽。
【００７９】１５．気体ポケット（２０）の後の領域の
立て管（２４）の高さを介して、又は横に取り付けられ
たノズルの高さを介して、電解質（２２）の液の高さを
電極室（１４）における電解質の高さと比較して異なっ
て設定することができ、従って気体室（２３）と電極室
（１４）の間の差圧をすべての気体ポケット（２０、２
０’）に関して等しく変えることができることを特徴と
する上記１４項に記載の半−槽。
【００８０】１６．気体−拡散電極（５）への電流の供
給がその保持装置（７）を用いて行われ、それ自身は外
部電力源に通ずる槽の後側に低い抵抗で接続され、ここ
で保持装置（７）の間において、気体−拡散電極（５）
が電解質側において接続された金属格子構造（６）が短
い電流路を保証している上記１〜１５項に記載の半−
槽。
【００８１】１７．槽の後側への低−抵抗接続（８）が
開口部又は孔（１３、１９）を備え、それが一方で電極
室（１４）の後領域における電解質（２２）の静水圧を
等しくし、他方で移送される電極気体の気泡を通過させ
ることを特徴とする上記１６項に記載の半−槽。
【００８２】１８．槽の後側への最底の低−抵抗接続が
小さい同等化孔を含み、それが電極室（１４）を通る電
解質（２２）のゆっくりした主流に有意に影響を与えず
に、電極室の後の領域における電解質の混合を可能にす
ることを特徴とする上記１６項に記載の半−槽。
【００８３】１９．気体−拡散電極（５）が交換可能で
あるが、半−槽（１）の残りのすべての構造が保持され
る上記１〜１８項に記載の半−槽。
【図面の簡単な説明】
【図１】塩素−アルカリ電解槽の一部としての酸素−消
費陰極として接続されている半−槽の主要な配置図を示
す。
【図２】図１における線Ａ−Ｂに従い電解槽を貫通する
断面図を示す。
【図３】図２における線Ｃ−Ｄに従い電解槽を貫通する
断面図を示す。
【図４】本発明の半−槽のための気体ポケットの基本的
配置の図を示す。
【図５】調節可能な差圧を有する半−槽の図を示す。

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電解質（２２）の収容（ａｃｃｏｍｍｏ
    ｄａｔｉｎｇ）のための少なくとも１つの電極室（１
    ４）、気体室（２３）、及び気体室（２３）と電極室
    （１４）の間にある陽極又は陰極としての少なくとも１
    つの気体−拡散電極（５）を含み、気体室（２３）がカ
    スケード（ｃａｓｃａｄｅ）状に互いに重ねられた２つ
    又はそれ以上の気体ポケット（２０）及び（２０’）に
    分けられ、気体ポケットは互いに分離され、下方に電解
    質（２２）に向かって開かれ、それで電解質（２２）へ
    の開口部を横切る各気体ポケット（２０、２０’）の圧
    力が気体−拡散電極（５）の前にある電極室（１４）の
    対応する部分の電解質の液柱の圧力と平衡であるように
    され、それによって気体供給又は気体排出が電解質（２
    ２）への開口部（１１）及び（１２）を横切って行われ
    ることを特徴とする電気化学半−槽（１）。
  2. 【請求項２】 電解質（２２）より上の気体ポケット
    （２０、２０’）がそれぞれ、気体−拡散電極（５）の
    他の側の対応する電極室（１４）に対して、厳格に調節
    可能な差圧を示すことを特徴とする請求項１に記載の半
    −槽。
  3. 【請求項３】 気体ポケット（２）はその後側において
    気体じゃま板（９）により境界が付けられ、じゃま板自
    身は、電解質（２２）への開口部（１１）として気体収
    集フード（２１）において事実上の気体ポケット（２
    ０）の下で終わっており、ここで気体収集フード（２
    １）は電解質中で上昇する気泡を収集するために働き、
    後者は電極気体を次の高さの気体ポケット（２０’）に
    通過させることを特徴とする請求項１又は２に記載の半
    −槽。
  4. 【請求項４】 気体収集フード（２１）が、過剰の気体
    の、次に高い気体ポケット（２０’）への制御されたデ
    リバリーのために、それぞれの気体ポケット（２０）の
    下端の下に、又は気体収集フード（２１）の上部領域に
    気体通過開口部（１２）を有することを特徴とする請求
    項１〜３のいずれかに記載の半−槽。
  5. 【請求項５】 気体収集フード（２１）が最底気体ポケ
    ット（２０）にサイホン（１８）として構築され、それ
    が半−槽（１）に流入する電解質（２２）により撹乱さ
    れずに圧力補償が起こることを可能にしている請求項１
    〜４のいずれかに記載の半−槽。
  6. 【請求項６】 槽が、１本の気体供給管を介して最底の
    気体ポケット（２０）中において供給され、それぞれの
    余剰気体は気体ポケット（２０）から気体ポケット（２
    ０’）に、底から上部に移送され、最上の気体ポケット
    の後に残る余剰気体は槽の頭部において除去されること
    を特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の半−槽。
  7. 【請求項７】 気体−拡散電極（５）の前及び後の領域
    の間の差圧が電極室（１４）及び電解質室（２２）の水
    力学的分離（ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｅｐａｒａｔｉｏ
    ｎ）により自由に調節可能であることを特徴とする請求
    項１〜６のいずれかに記載の半−槽。
  8. 【請求項８】 電極室（１４）が上部において水力学的
    に気体ポケット（２０）の後の電解質室と連結し、後者
    中に流出し、過剰の気体の排出が電解質（２２）と一緒
    に、気体ポケット（２０）の後の領域の立て管を介して
    下方に、又は横に配置されたノズルを介し、同じ高さに
    ある気−液分離器を通って側方に行われることを特徴と
    する請求項１〜７のいずれかに記載の半−槽。
  9. 【請求項９】 気体−拡散電極（５）への電流の供給が
    その保持装置（７）を用いて行われ、それ自身は外部電
    力源に通ずる槽の後側に低い抵抗で接続され、ここで保
    持装置（７）の間において、気体−拡散電極（５）が電
    解質側において接続された金属格子構造（６）が短い電
    流路を保証している請求項１〜８のいずれかに記載の半
    −槽。
  10. 【請求項１０】 気体−拡散電極（５）が交換可能であ
    るが、半−槽（１）の残りのすべての構造が保持される
    請求項１〜９のいずれかに記載の半−槽。
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