JPH08333693A - 電解槽 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 イオン交換膜側で生成しガス拡散電極を浸透
してガス室側に到達した生成電解液はその表面に滞留し
て原料ガスの供給を阻害して電解効率を低下させやす
い。本発明はこの欠点を解消した電解槽を提供する。 【構成】 生成電解液が滞留しやすいガス拡散陰極６表
面に、ルーバー８等の除去用ガイドを設置し、該表面に
滞留する生成電解液を該ルーバー８に沿って下降させて
ガス拡散陰極６表面から除去する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガス拡散電極を使用す
る電解槽に関し、より詳細には例えばガス拡散陰極を使
用するクロルアルカリ用電解槽に関する。

【０００２】

【従来技術とその問題点】苛性アルカリ電解を代表とす
る工業電解は素材産業として重要な役割を果たしている
が、電解に掛かるエネルギーが大きく、我が国のように
エネルギーコストが高いと、電解における省エネルギー
化が重要問題となる。苛性アルカリ電解では環境問題の
改善も含めて初期の水銀法から隔膜法を経てイオン交換
膜法へと転換され、この転換により約40％の省エネルギ
ーが達成された。しかしこの省エネルギー化でも依然と
して不十分であり、電力コストが全製造費の50％を占め
ているが、現在の電解技術に依存する限り、より以上の
エネルギー節約は不可能なところまで来ている。

【０００３】このより以上の省エネルギー化のために、
主として燃料電池を代表とする電池分野で研究開発され
てきたガス拡散電極の使用が試みられている。このガス
拡散電極を、現在のところ最も省エネルギー化の進んだ
イオン交換膜型食塩電解に適用すると、下記式に示す如
く理論的に約50％以上の省エネルギーが可能になる。従
ってこのガス拡散電極の実用化に向けて種々の検討がな
されている。 ２ＮａＣｌ＋２Ｈ₂ Ｏ → Ｃｌ₂ ＋２ＮａＯＨ＋Ｈ₂ Ｅ₀ ＝2.21Ｖ ２ＮａＣｌ＋1/2 Ｏ₂ ＋Ｈ₂ Ｏ → Ｃｌ₂ ＋２ＮａＯＨ Ｅ₀ ＝0.96Ｖ

【０００４】苛性アルカリ電解に使用するガス拡散電極
の構造は所謂半疎水（撥水）型と称されるもので、親水
性の反応層と撥水性のガス拡散層を張り合わせた構造と
なっている。これらのガス拡散電極の材料面からの省エ
ネルギー化も推進されて、槽電圧の低減等の成果が達成
されている。他方前記ガス拡散電極の構造面からの省エ
ネルギー化も検討され、イオン交換膜とガス拡散電極と
を密着又は接着させることにより槽電圧が低減されてい
る。この構造によると、ガス拡散陰極で生成した苛性ソ
ーダは反応層及びガス拡散層を通って陰極室（ガス室）
側に取り出される。該苛性ソーダのガス拡散層の透過を
円滑に行なうためには、ガス拡散層の貫通孔のサイズ及
び分布を制御する必要があるが、前述の構造は、ガス室
側の高さ方向の圧力差の影響がなく大型化しても圧力分
布を考慮しなくても良く、更に苛性ソーダ（陰極液）の
電気抵抗が最小になり槽電圧を低く維持できるため望ま
しい方法の一つである。

【０００５】しかしながらこの構造では、ガス室側に透
過した苛性ソーダがガス拡散電極表面に滞留しやすく前
記貫通孔を覆ってしまうという欠点がある。この欠点は
特に大型の実用槽で顕著になり、原料ガスの供給及び生
成ガスの取出しが阻害されて電流分布の不均一や槽電圧
の上昇を招きやすく、電解槽の大型化を阻害する大きな
要因となっている。本発明者らの経験によると直径５cm
程度の小型の実験用電解槽で電解を行なうと、電流密度
30A/dm² で槽電圧は２〜2.2 Ｖであるのに対し、電解面
積を大きくするために高さを25cm程度にすると槽電圧は
2.5 Ｖ以上になってしまう。更に電解槽を大型にする
と、電流密度30A/dm² では電解が行なえなくなる。この
原因は前述の通り、生成苛性ソーダ等がガス拡散電極表
面を覆いガス供給が阻害されるからであり、これはガス
供給面の濡れ性の調節程度では十分に解消されない。

【０００６】

【発明の目的】本発明は、前述の従来技術の問題点、つ
まりガス拡散電極のガス拡散層を透過した苛性ソーダ等
の電解液がガス拡散電極表面を覆ってガスの供給及び取
出しを円滑に行なえないという欠点を解消したガス拡散
電極を使用する電解槽、特にクロルアルカリ用電解槽を
提供することを目的とする。

【０００７】

【問題点を解決するための手段】本発明は、イオン交換
膜により陽極室と陰極室に区画され、陽極及び陰極の少
なくとも一方を前記イオン交換膜に密着させたガス拡散
電極とし、該ガス拡散電極に密着させて該ガス拡散電極
表面を被覆する生成電解液の除去用ガイドを有する給電
体を設置し、前記生成電解液の少なくとも一部を前記除
去用ガイドを使用して前記ガス拡散電極から分離し取り
出すようにしたことを特徴とする電解槽である。

【０００８】以下本発明を詳細に説明する。本発明で
は、ガス拡散層を透過した電解液により被覆されやすい
イオン交換膜と反対側のガス拡散電極表面に、生成電解
液の除去機能、例えばルーバーを有する給電体を密着し
て設置し、前記ガス拡散電極表面に達した電解液を前記
ルーバー等に接触させ該ルーバー等の傾斜を利用して下
方に誘導して前記ガス拡散電極表面から分離することに
より、電解液による前記ガス拡散電極表面の被覆つまり
貫通孔の閉塞を防止してガス供給及び取出しを円滑に行
ない、特に電解槽の大型化の際に生じやすい電流分布の
不均一や槽電圧の上昇を防止する。

【０００９】本発明に係わる電解槽で使用するガス拡散
電極は特に限定されず、従来使用されている反応層とガ
ス拡散層から成るガス拡散電極を使用できる。該ガス拡
散電極のガス拡散層では撥水性保持のためＰＴＦＥ樹脂
等のフッ化炭素化合物の量を多くしてつまり60〜70％程
度とし、一方反応層では適度の撥水性と親水性の保持の
ためフッ化炭素化合物含有量は35〜45％程度とすること
が望ましい。前記反応層は、従来通りカーボンブラック
等の炭素と撥水性付与のため及びバインダーとして機能
するＰＴＦＥ樹脂から構成されても、あるいは銀と前記
ＰＴＦＥ樹脂等のフッ化炭素化合物の混練物により形成
しても良い。フッ化炭素化合物を添加する理由は、ＰＴ
ＦＥ樹脂は撥水性であるが、高濃度アルカリ中では親水
化しやすく、該フッ化炭素化合物によりＰＴＦＥの撥水
化を防止するためである。

【００１０】一方ガス拡散層は腐食を考慮する必要が殆
どなく、従来通り炭素とＰＴＦＥ樹脂の混練物で構成で
きるが、当然前記反応層と同様に銀を使用しても良い。
又より以上の撥水性を得るためには、撥水材を懸濁めっ
き法や熱分解法又は銀の焼結時に混入する等の方法によ
りガス拡散電極に付着又は混入しても良い。なお該ガス
拡散層の外面に、該ガス拡散層の親水性化を更に有効に
抑制するための保護層を設置しても良い。前記反応層及
びガス拡散層の作製法は特に限定されないが、金属銀単
独で焼結するような煩雑な方法を使用する必要はなく、
従来のガス拡散電極における炭素をバインダーで固める
方法と同じ方法で作製し、その後ホットプレス等により
焼結すれば良い。

【００１１】本発明では、前述の通り、このガス拡散電
極のイオン交換膜との反対面、つまり通常はガス拡散層
側に給電機能と生成電解液除去機能を有する給電体を密
着させて設置する。該給電体は、液体生成物を速やかに
ガス拡散電極表面から除去して原料ガスの供給及び生成
ガスの取出しを円滑に行なうことを目的とするため、液
体が生成するガス室側にのみ設置すれば十分である。つ
まり本発明に係わる電解槽をクロルアルカリ電解槽とし
て使用する場合には、陽極室側では塩素ガスのみが生成
し液体生成物がないため陽極室側に設置する意味は殆ど
ない。一方陰極室では苛性ソーダが液体として得られ、
この苛性ソーダがガス拡散電極表面を被覆して、原料で
ある酸素含有ガスの供給が阻害されるため、前記給電体
の設置により液体である苛性ソーダが該給電体のルーバ
ー等に接触して除去され、電解効率が向上する。

【００１２】前記給電体は、原料ガスの供給が円滑に行
なえるようにガス拡散電極表面の一部にのみ接触する形
状とすることが好ましい。例えばエクスパンドメッシュ
等の多孔体や、複数の狭幅板体や棒状体を間隔を開けて
設置する。更に板状体に複数の切込みを形成して該切込
みを同一方向にルーバー状に突出させても良い。該給電
体にはイオン交換膜側からガス拡散電極を透過して来る
生成電解液の除去用ガイドが必要である。このガイドは
前記電解液が接触しかつ下方に移動してガス拡散電極表
面から除去する機能を有するものであり、従って下向き
に傾斜していなければならない。前述した複数の狭幅板
体や棒状体の場合には、これらを傾斜した状態でガス拡
散電極に接触させ設置すれば良く、ルーバーを突出させ
る場合には下向きに形成した切込みをその先端が下向き
に傾斜するよう突出させれば良い。エクスパンドメッシ
ュを使用する場合には、前記棒状体等を表面に設置した
り、別にルーバーを用意しこれを表面に接着すれば良
い。複数の除去用ガイドを形成する場合に隣接するガイ
ド間の間隔が小さ過ぎると、表面張力により両ガイド間
に生成電解液が滞留するため、前記間隔は５〜100mmと
することが望ましい。該給電体は、銅、ニッケル、銀又
はこれらの合金から成る材料で成形することが望まし
く、又銀以外の材料で成形した場合にはその表面を銀で
被覆することか好ましい。

【００１３】なお生成電解液がガイド接触しながら下方
に移動すれば良いため、前記ガイドは傾斜するのではな
く垂下していても良く、前記ガイドの下端は鋭角に成形
して下端に達した生成電解液がガイド下端から滴下又は
流下しやすくしておくことが望ましい。このように除去
用ガイドが装着された給電体を有するガス拡散電極を使
用する電解槽特に工業用の大型の電解槽では、ガス拡散
電極の反応層で生成しガス拡散層を透過してガス拡散電
極表面に滞留して電流分布の不均一や槽電圧の上昇を招
きやすい液体生成物を、前記除去用ガイドを介してガス
拡散電極表面から下方に導くことによりガス拡散電極表
面から除去できる。従ってガス拡散電極表面に液体生成
物が滞留することがなく原料ガスが円滑に供給できるた
め、電流分布の不均一や槽電圧の上昇といったガス拡散
電極を使用する際の欠点を解消できる。

【００１４】図１は、本発明に係わる電解槽の一例を示
す概略縦断面図、図２は、図１の給電体の部分側面図、
図３は他の給電体を例示する側面図である。電解槽１
は、イオン交換膜２により陽極室３と陰極室４とに区画
され、陽極室３にはエクスパンドメッシュから成る寸法
安定性陽極５が前記イオン交換膜２に密着して収容さ
れ、陰極室４には前記イオン交換膜２に密着して、反応
層とガス拡散層から成るガス拡散陰極６が収容されてい
る。該ガス拡散陰極６には、切込み７を外向きに突出さ
せた複数のルーバー８が縦横に離間して形成された平板
状の給電体９が密着して設置されている。

【００１５】陽極室３の下部側面及び上部側面には、そ
れぞれ陽極液供給口10及び陽極液取出口11がそれぞれ設
置され、かつ陰極室４の上部側面及び底面には、それぞ
れ酸素含有ガス供給口12及び苛性ソーダ取出口13が設置
されている。この電解槽１の陽極室３に食塩水を、又陰
極室４に酸素含有ガスを供給しながら両極間に通電する
と、陽極室で水素ガスが生成し、かつガス拡散陰極６の
イオン交換膜２近傍において苛性ソーダが生成する。こ
の苛性ソーダは前記ガス拡散陰極６を透過して該ガス拡
散陰極６の給電体９側に達する。この苛性ソーダは給電
体９の前記ルーバー８に接触し該ルーバー８の傾斜に従
って該ルーバー８表面に沿って下降し、該ルーバー８先
端から流下して電解槽１底面に除去される。従ってガス
拡散陰極６表面が生成する苛性ソーダにより被覆される
ことがなく、電解槽を大型化した場合でも、電流分布の
不均一や槽電圧の低下といった不都合が生じなくなる。
図２のルーバーは図３に示すように、ガス拡散陰極６表
面に直接設置された給電体を兼ねる複数の棒状体14で置
換されても良く、この場合にもガス拡散陰極６の表面に
達した苛性ソーダは前記棒状体14に接触しかつ案内され
て該棒状体14に沿って流下し、ガス拡散陰極６表面から
除去される。

【００１６】

【実施例】次に本発明に係わる電解槽を使用する電解の
実施例を記載するが、該実施例は本発明を限定するもの
ではない。

【実施例１】気孔率90％で孔径0.2 〜１mmの貫通孔を有
する厚さ１mmの銀フォームを基材としてその片面に粒径
１〜５μｍの銀粉とＰＴＦＥ樹脂懸濁液を混練して作製
した銀ペーストを塗布し温度350 ℃で10分間焼き付け
た。更にその表面に塩化白金酸水溶液を塗布し水素とア
ルゴンの１：１混合ガスを流しながら250 ℃で加熱し白
金を担持してガス拡散電極とした。

【００１７】このガス拡散電極を、陽イオン交換膜（デ
ュポン社製ナフィオン90209 ）により陽極室及び陰極室
に区画された食塩電解槽（高さ25cm、幅５cm）の陰極室
に、前記銀を有する反応層側が前記陽イオン交換膜に面
するように設置した。陽極として厚さ0.5 mmのチタン製
エクスパンドメッシュに酸化ルテニウムが担持された寸
法安定性陽極を使用した。陰極側給電体として板厚１mm
の銀板に幅５mm、ピッチ10mm、長さ10mmの切り込みをつ
くり、ルーバー状に加工した。これを25mm間隔に高さ方
向につくり、それぞれの先端を電極面に対して下向きに
60度傾斜させた。この電解槽の陰極室に水分を飽和させ
た酸素ガスを、又陽極室に200 ｇ／リットルの食塩水を
送りながら電流密度30Ａ／ｄｍ² で電解を行なった。観
察された槽電圧は2.1 Ｖであり、35％の苛性ソーダが得
られ、電流効率は93〜95％であった。

【００１８】

【比較例１】陰極側給電体として複数の銀板の代わりに
開口率70％で厚さ0.5 mmの銀めっきしたニッケル製のエ
クスパンドメッシュを使用したこと以外は実施例１と同
一条件で電解を行なったところ、槽電圧は2.7 Ｖを越え
電解が安定せず、電流密度を下げなければ電解を継続す
ることができなかった。これは、ガス拡散電極のイオン
交換膜の反対面には薄い苛性ソーダの膜が付着し、これ
により酸素ガス供給が円滑に行なえなかったためと推測
された。

【００１９】

【実施例２】複数の銀板の間隔を変えたこと以外は実施
例１同一条件で電解を行なった。間隔を５mmとしたとき
は、槽電圧が2.5 Ｖであり生成苛性ソーダの一部が隣接
する銀板間に留まっていた。銀板の間隔を10〜50mmとし
たときは、槽電圧は2.05〜2.1 Ｖ間に維持された。又間
隔を50〜100 mmとしたときは、間隔の広がりとともに電
圧上昇が見られ、100 mmでは電極の裏側に生成した苛性
ソーダの僅かな滞留が見られた。100 mm以上では苛性ソ
ーダの滞留量が更に増加しそれに伴って槽電圧も上昇し
た。

【００２０】

【発明の効果】本発明は、イオン交換膜により陽極室と
陰極室に区画され、陽極及び陰極の少なくとも一方を前
記イオン交換膜に密着させたガス拡散電極とし、該ガス
拡散電極に密着させて該ガス拡散電極表面を被覆する生
成電解液の除去用ガイドを有する給電体を設置し、前記
生成電解液の少なくとも一部を前記除去用ガイドを使用
して前記ガス拡散電極から分離し取り出すようにしたこ
とを特徴とする電解槽である。本発明に係わる電解槽
は、イオン交換膜側からガス拡散電極を透過してその表
面に達した苛性ソーダ等の生成電解液がガス拡散電極表
面に滞留することなく、除去用ガイドを介して電解槽内
の下部に向けて除去される。従って除去用ガイドがない
場合にはガス拡散電極表面に滞留しかつその貫通孔を閉
塞して原料ガスの供給や生成ガスの取出しを阻害する生
成電解液の滞留が、前記除去用ガイドを設置したことに
より防止され、電流分布の均一化や槽電圧の低下が達成
できる。

【００２１】前記除去用ガイドは、平板にルーバーを突
出形成したり、複数の狭幅板状体や棒状体を平行に設置
したりすることができ、いずれの場合にも生成電解液の
ガス拡散電極表面での滞留が防止される。又隣接する除
去用ガイド間の間隔は小さ過ぎるとガイド間に、その表
面張力により生成電解液が滞留し、大き過ぎるとガイド
を形成する効果が小さくなる。従って前記間隔は５〜10
0 mmとすることが望ましい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる電解槽の一例を示す概略縦断面
図。

【図２】図１の給電体の部分側面図。

【図３】他の給電体を例示する側面図。

【符号の説明】

１・・・電解槽 ２・・・イオン交換膜 ３・・・陽極
室 ４・・・陰極室 ５・・・陽極 ６・・・ガス拡散陰極 ７・・・切込み
８・・・ルーバー ９・・・給電体

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 イオン交換膜により陽極室と陰極室に区
   画され、陽極及び陰極の少なくとも一方を前記イオン交
   換膜に密着させたガス拡散電極とし、該ガス拡散電極に
   密着させて該ガス拡散電極表面を被覆する生成電解液の
   除去用ガイドを有する給電体を設置し、前記生成電解液
   の少なくとも一部を前記除去用ガイドを使用して前記ガ
   ス拡散電極から分離し取り出すようにしたことを特徴と
   する電解槽。
2. 【請求項２】 除去用ガイドが、平板状の給電体に突出
   形成されたルーバーである請求項１に記載の電解槽。
3. 【請求項３】 除去用ガイドが、ガス拡散電極表面に接
   触して設置された複数の狭幅板状又は棒状体である請求
   項１に記載の電解槽。
4. 【請求項４】 除去用ガイドを複数個形成し、隣接する
   該ガイド間の間隔が５〜100 mmである請求項１に記載の
   電解槽。