JPH10158878A - Aqueous alkali metal chloride solution electrolytic cell using oxygen-cathode gas diffusion electrode - Google Patents

Aqueous alkali metal chloride solution electrolytic cell using oxygen-cathode gas diffusion electrode

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JPH10158878A
JPH10158878A JP8316514A JP31651496A JPH10158878A JP H10158878 A JPH10158878 A JP H10158878A JP 8316514 A JP8316514 A JP 8316514A JP 31651496 A JP31651496 A JP 31651496A JP H10158878 A JPH10158878 A JP H10158878A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an aq. alkali metal chloride soln. electrolytic cell by which an electrolyzing voltage is remarkably lowered in the electrolysis of an aq. alkali metal chloride soln., and electrolysis is performed at a low electrolyzing voltage even if a dil. gaseous oxygen such as air is supplied. SOLUTION: This aq. alkali metal chloride soln. electrolytic cell 1 consists of an ion-exchange membrane 7, the anode compartment 9 and cathode compartment 5 separated from each other by a gas diffusion electrode 2 and a gas chamber 4. The porous bodies of sponge metal through which a gas is three- dimensionally circulated and having an average pore diameter extending from 70ppi (0.36mm) to 6ppi (4.2mm) are packed in the gas chamber to constitute an oxygen-cathode gas diffusion electrode which is used. A porous body with sponge nickel as the sponge metal is preferably used.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、イオン交換膜法塩
化アルカリ金属水溶液電解における酸素陰極ガス拡散電
極を用いる電解槽に関し、特に酸素の供給効率が高めら
れ、濃度の希薄な酸素の使用が可能な、かつ低い電解電
圧で電解が可能な酸素陰極ガス拡散電極を用いた塩化ア
ルカリ金属水溶液電解槽に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an electrolytic cell using an oxygen cathode gas diffusion electrode in the electrolysis of an alkali metal chloride aqueous solution by an ion exchange membrane method, and more particularly, to an oxygen supply efficiency which can be increased and a dilute oxygen can be used. The present invention relates to an alkali metal chloride aqueous solution electrolytic cell using an oxygen cathode gas diffusion electrode capable of performing electrolysis at a low electrolysis voltage.

【0002】[0002]

【従来の技術】陽極、陽イオン交換膜とガス拡散電極を
備えた塩化アルカリ金属水溶液電解槽において、例えば
塩化ナトリウム水溶液を陽極室に、希薄苛性ソーダ水溶
液を陰極液室に、酸素を含んだガスをガス室に供給しな
がら電解することによって濃厚苛性ソーダ水溶液と塩素
を取得する方法は公知である。以下には、ガス拡散電極
を用いた陰極部を備えた塩化アルカリ金属水溶液電解槽
の構造について、食塩電解槽の場合に関してその概要を
図4により説明する。図4に示すように、陽極8を有し
塩水を入れた陽極室9と水又は苛性ソーダ水溶液を入れ
た陰極室5とを、陽イオン交換能を持つイオン交換膜7
により区画し、その陰極として素材が多孔質体からな
り、酸素含有ガスが供給されるガス拡散電極2(いわゆ
る酸素陰極)を用いたものであって、両電極間に通電し
て電解する際に、前記ガス拡散電極2に酸素含有ガス
(以下単にガスという)を供給しながら陰極2として電
解することにより、陰極液(希薄苛性ソーダ水溶液)を
入れた陰極室5(以下「陰極液室」ともいう。)に苛性
ソーダを濃厚化した苛性ソーダ水溶液を得、陽極8側に
塩素を得るものである。
2. Description of the Related Art In an alkali metal chloride aqueous solution electrolytic cell provided with an anode, a cation exchange membrane and a gas diffusion electrode, for example, an aqueous solution of sodium chloride is placed in an anode compartment, a diluted aqueous solution of caustic soda is placed in a catholyte compartment, and a gas containing oxygen is placed in the cathode compartment. A method of obtaining a concentrated aqueous solution of caustic soda and chlorine by performing electrolysis while supplying the gas to a gas chamber is known. The structure of an alkali metal chloride aqueous solution electrolytic cell provided with a cathode part using a gas diffusion electrode will be described below with reference to FIG. As shown in FIG. 4, an anode chamber 9 having an anode 8 and containing salt water and a cathode chamber 5 containing water or an aqueous caustic soda solution are connected to an ion exchange membrane 7 having a cation exchange ability.
A gas diffusion electrode 2 (so-called oxygen cathode) to which an oxygen-containing gas is supplied is used as a cathode. A catholyte 5 (hereinafter also referred to as a “catholyte compartment”) containing a catholyte (dilute caustic soda aqueous solution) by supplying an oxygen-containing gas (hereinafter simply referred to as a gas) to the gas diffusion electrode 2 and performing electrolysis as the cathode 2. ) To obtain an aqueous solution of caustic soda in which caustic soda is concentrated, and obtain chlorine on the anode 8 side.

【0003】陽極、陽イオン交換膜とガス拡散電極を備
えた前記食塩電解槽では、通常陽イオン交換膜により陽
極室と陰極液室に、またガス拡散電極により陰極液室と
酸素ガス室(単に「ガス室」ともいう)に分離されてお
り、陰極であるガス拡散電極では次の反応が進行する。 1/4O2 +1/2H2 O+e- →OH- ・・・・(1) また、陽極では水素発生型の通常の電解方法におけると
同様、次の反応が進行する。 Cl- →1/2Cl2 +e- ・・・・(2) 陰極部に設けたガス拡散電極は、通常反応層とガス拡散
層とを張り合わせた構造をしており、反応層は苛性ソー
ダ水溶液とガス拡散層は酸素ガスと接触している。前記
(1)式におけるH2 O(水)は希薄苛性ソーダ水溶液
に接触している反応層表面から、O2 (酸素ガス)はガ
ス室側に接触しているガス拡散層表面から供給され、両
者が接触する界面で前記(1)式で示される反応が進行
する。
In the above-mentioned salt cell provided with an anode, a cation exchange membrane and a gas diffusion electrode, usually, a cation exchange membrane is used for an anode chamber and a catholyte chamber, and a gas diffusion electrode is used for a catholyte chamber and an oxygen gas chamber. The following reaction proceeds at the gas diffusion electrode, which is a cathode, which is also referred to as a “gas chamber”. 4O 2 + / H 2 O + e → OH (1) At the anode, the following reaction proceeds as in the normal electrolysis method of the hydrogen generation type. Cl - → 1 / 2Cl 2 + e - ···· (2) gas diffusion electrode provided on the cathode portion has a structure in which laminated a normal reaction layer and a gas diffusion layer, the reaction layer is aqueous sodium hydroxide solution and gas The diffusion layer is in contact with oxygen gas. In the formula (1), H 2 O (water) is supplied from the surface of the reaction layer in contact with the diluted aqueous sodium hydroxide solution, and O 2 (oxygen gas) is supplied from the surface of the gas diffusion layer in contact with the gas chamber. The reaction represented by the formula (1) proceeds at the interface where the particles come into contact with each other.

【0004】苛性ソーダの製造費は、可能な限り低減さ
れることが望まれているので、食塩電解法で苛性ソーダ
の製造を行う場合、電解電圧を低くし、電力消費を少な
くして電解することが必要である。ガス拡散電極を用い
て行う食塩電解では、水素ガスが発生しないので、水素
発生型の通常の電解方法に比べて電解電圧を低くするこ
とができるという利点がある。ガス拡散電極を有する食
塩電解槽の陰極部は、構造の簡単な陰極が使用されガス
室が不要である通常の食塩電解槽の陰極部に比べると、
以下に述べるようにエネルギーロスを発生させる要因が
あるものの、電解中陰極部で水素ガスが発生しないため
全体としては低い電圧で反応を進行させることができる
のである。ただ、ガス拡散電極を有する食塩電解槽の陰
極部には、エネルギーロスを発生させる要因が他にもあ
り、それら要因によるエネルギーロスは電解槽が大型化
されるほど大きくなる。電解槽を工業的規模で実施でき
る程度の大型化を行って実用化することが望まれている
ガス拡散電極を有する食塩電解槽では、特にその陰極部
について一層の改良が望まれている。
[0004] Since it is desired that the cost of producing caustic soda be reduced as much as possible, when producing caustic soda by the salt electrolysis method, it is necessary to lower the electrolysis voltage and reduce the power consumption for electrolysis. is necessary. Since salt gas electrolysis using a gas diffusion electrode does not generate hydrogen gas, there is an advantage that the electrolysis voltage can be reduced as compared with a normal hydrogen generation type electrolysis method. The cathode part of the salt electrolysis cell having the gas diffusion electrode is compared with the cathode part of the ordinary salt electrolysis cell in which a cathode having a simple structure is used and a gas chamber is unnecessary.
Although there is a factor that causes energy loss as described below, the reaction can proceed at a low voltage as a whole because no hydrogen gas is generated at the cathode during electrolysis. However, there are other factors that cause energy loss in the cathode portion of the salt electrolytic cell having the gas diffusion electrode, and the energy loss due to these factors increases as the electrolytic cell becomes larger. In a salt electrolytic cell having a gas diffusion electrode, which is desired to be practically used after being enlarged to such an extent that the electrolytic cell can be carried out on an industrial scale, further improvement is required particularly for the cathode portion.

【0005】ガス拡散電極を使用するイオン交換膜法電
解についての改良は、従来、ガス拡散電極の製法や性能
向上のみに注意が払われており、ガス拡散電極を使用す
るイオン交換膜法食塩電解槽の構造上の改善等について
はほとんど考慮されてこなかった。このような食塩電解
槽の構造上の問題を陰極部について挙げれば、陰極液室
に陰極液を通すことに伴うエネルギーロス、ガス拡散電
極と外部陰極端子間での電気伝導に伴うエネルギーロス
やガス室からガス拡散電極に均一かつ十分のガスを供給
することに伴うエネルギーロスのような問題を挙げるこ
とができ、このような問題を改善することによって、現
状よりさらに電解電圧を低くでき、大型の食塩電解装置
にガス拡散電極を適用することが可能になると考えられ
る。
In the improvement of the ion exchange membrane method electrolysis using the gas diffusion electrode, attention has hitherto been paid only to the production method and the performance improvement of the gas diffusion electrode. Little consideration has been given to improvements in the tank structure. As for the structural problems of such a salt cell, regarding the cathode part, the energy loss caused by passing the catholyte through the catholyte compartment, the energy loss caused by the electric conduction between the gas diffusion electrode and the external cathode terminal, and the gas loss Problems such as energy loss caused by supplying a uniform and sufficient gas from the chamber to the gas diffusion electrode can be cited, and by improving such problems, the electrolytic voltage can be further reduced compared to the current situation, It is considered that the gas diffusion electrode can be applied to the salt electrolysis apparatus.

【0006】食塩電解槽などに使用されているガス拡散
電極の構造は、例えば図3に示すように反応層16とガ
ス拡散層17とを張り合わせた2層構造からなる。両層
とも黒鉛質カーボンとテフロン粒子との混合体から形成
される。これら2層の中、反応層16は陰極液室5に面
して電解液に接し、主として親水性カーボンの微粒子と
撥水性カーボン微粒子の混合物からなり、これにフッ素
樹脂微粒子を混合し、さらにカーボン微粒子上には前記
白金などの貴金属系からなる触媒を担持したものであ
る。また、ガス拡散層17は主としてフッ素樹脂微粒子
と撥水性カーボンの混合物からなり、これに少量の親水
性カーボンの微粒子とこれら微粒子を繋ぐ結着剤粒子を
混合し、これらの微粒子を多孔性板状体に成形したもの
である。前記反応層16とガス拡散層17とは、図4に
示す電解槽に使用する場合においては、陰極液室5側に
は親水性の反応層16、ガス室4側に疎水性のガス拡散
層17となる順に配置・積層してガス拡散電極2とす
る。ガス拡散電極2内外の導通は、反応層16とガス拡
散層17の層内および層間に挿入した導体メッシュとカ
ーボンの電導性によって維持されている。
[0006] The structure of a gas diffusion electrode used in a salt electrolysis tank or the like has, for example, a two-layer structure in which a reaction layer 16 and a gas diffusion layer 17 are laminated as shown in FIG. Both layers are formed from a mixture of graphitic carbon and Teflon particles. Of these two layers, the reaction layer 16 faces the catholyte chamber 5 and is in contact with the electrolytic solution, and is mainly composed of a mixture of hydrophilic carbon fine particles and water-repellent carbon fine particles. A catalyst made of a noble metal such as platinum is supported on the fine particles. The gas diffusion layer 17 is mainly composed of a mixture of fluororesin fine particles and water-repellent carbon, and a small amount of hydrophilic carbon fine particles and a binder particle connecting these fine particles are mixed with each other. It is molded into a body. When the reaction layer 16 and the gas diffusion layer 17 are used in the electrolytic cell shown in FIG. 4, a hydrophilic reaction layer 16 is provided on the catholyte chamber 5 side, and a hydrophobic gas diffusion layer is provided on the gas chamber 4 side. The gas diffusion electrode 2 is obtained by arranging and laminating in the order of 17. Electrical continuity between the inside and outside of the gas diffusion electrode 2 is maintained by the conductivity of the conductive mesh and carbon inserted in and between the reaction layer 16 and the gas diffusion layer 17.

【0007】ガス拡散電極を補強するために、従来、例
えば図5に示すように、ガス室4内に酸素通路18を設
けるようにして、かつガス拡散電極2を支持した例やガ
ス拡散電極の背面に網を設けた例はある。しかし、その
従来技術においては、前記支持体を挿入する目的が、ガ
ス拡散電極の強度が小さいという欠点を補うため補強す
る目的を主とするものであるため、ガス拡散電極中への
ガスの流入を部分的に妨げるので、ガスの流入が不均一
になり、またガスの供給が不足するので、電解電圧の増
加をきたすことになる。従って、これまでの前記補強対
策ではガス拡散電極の変形懸念に対し十分対応できるも
のといえない。また、以前に試みられたガス拡散電極支
持・補強用の材料は、ガス拡散電極に接合されていなか
ったので支持は不完全であり、また、ガス拡散電極の陰
極部の組み立てには手数がかかった。
In order to reinforce the gas diffusion electrode, conventionally, as shown in FIG. 5, for example, an oxygen passage 18 is provided in the gas chamber 4 and the gas diffusion electrode 2 is supported. There is an example in which a net is provided on the back. However, in the prior art, the purpose of inserting the support is mainly to reinforce the gas diffusion electrode in order to compensate for the disadvantage that the strength of the gas diffusion electrode is low. , The flow of gas becomes non-uniform, and the supply of gas is insufficient, resulting in an increase in electrolysis voltage. Therefore, it cannot be said that the above-mentioned reinforcement measures can sufficiently cope with concerns about deformation of the gas diffusion electrode. Also, the previously attempted materials for supporting and reinforcing the gas diffusion electrode were not joined to the gas diffusion electrode, so the support was incomplete, and the assembly of the cathode of the gas diffusion electrode was troublesome. Was.

【0008】本発明者は、ガス拡散電極を用いて行う食
塩電解について、電解電圧を低下させ、電解装置の大型
化を可能にすることについて、主としてイオン交換膜法
食塩電解槽の構造上の改善について鋭意検討した結果、
ガス拡散電極のガス室4内に導電性の剛性ガス透過性多
孔体、好ましくは金属製の剛性ガス透過性多孔体を図2
に示すような態様で充填することにより、ガス拡散電極
2の変形の防止、ガス室4からガス拡散電極2へのガス
供給の均一性の向上、(陰極液の供給手段を改良して従
来の陰極枠外の供給口及び排出口の除去することによ
る)イオン交換膜とガス拡散電極との間隙の縮小および
ガス拡散電極から陰極端子までの距離の短縮が可能にな
り、食塩電解における電解電圧の大幅な低下を実現する
ことができ、従って電解装置を1m角以上という実用ソ
ーダ電解槽にガス拡散電極を適用できる可能性が見出さ
れた。
The inventor of the present invention has been mainly concerned with improving the structure of a salt electrolyzer using an ion-exchange membrane method for reducing the electrolysis voltage and increasing the size of the electrolyzer in salt electrolysis using a gas diffusion electrode. After careful examination of
A conductive rigid gas-permeable porous body, preferably a metal-made rigid gas-permeable porous body, is provided in the gas chamber 4 of the gas diffusion electrode in FIG.
To prevent deformation of the gas diffusion electrode 2, improve the uniformity of gas supply from the gas chamber 4 to the gas diffusion electrode 2, and improve the conventional method for improving the catholyte supply means. By removing the supply port and discharge port outside the cathode frame), the gap between the ion exchange membrane and the gas diffusion electrode can be reduced, and the distance from the gas diffusion electrode to the cathode terminal can be reduced. It has been found that the gas diffusion electrode can be applied to a practical soda electrolytic cell having an electrolytic device of 1 m square or more.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】ガス拡散電極を用いる
電解において、ガス拡散電極への酸素供給に関わる要素
が電解電圧に及ぼす寄与がいかほどであるか、また電解
過電圧を低下させるためにどのような手段があるかにつ
いて系統的な検討はまだ十分に行われたといえない。本
発明の課題は、ガス室の構造およびそれに依存するガス
室内の酸素(ガス)の供給状態を解明して、その供給状
態などが電解電圧に及ぼす影響を少なくすることが本発
明の課題である。塩化アルカリ水溶液電解における電解
電圧の低下に関係する諸要素中、ガス室における酸素の
供給が電解電圧の低下に関係する影響、特にガス室内に
設けるガス透過性多孔体の構造が及ぼす影響について鋭
意検討し、酸素ガス室内に設けるガス透過性多孔体の構
造上の改善が、ガス拡散電極への酸素供給に関わる電圧
低下に寄与するところが極めて大きいことを発見し、本
発明に達した。
SUMMARY OF THE INVENTION In electrolysis using a gas diffusion electrode, how much an element relating to the supply of oxygen to the gas diffusion electrode contributes to the electrolysis voltage, and what kind of element is required to reduce the electrolysis overvoltage. The systematic study on whether there is any means has not been sufficiently conducted. An object of the present invention is to clarify the structure of a gas chamber and the supply state of oxygen (gas) in the gas chamber depending on the structure, and to reduce the influence of the supply state and the like on the electrolysis voltage. . Among the factors related to the reduction of the electrolysis voltage in the electrolysis of alkaline chloride aqueous solution, diligent studies on the effect of the supply of oxygen in the gas chamber on the reduction of the electrolysis voltage, especially the effect of the structure of the gas permeable porous body provided in the gas chamber However, the present inventors have found that the structural improvement of the gas-permeable porous body provided in the oxygen gas chamber significantly contributes to the voltage drop related to the supply of oxygen to the gas diffusion electrode, and reached the present invention.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】前記課題は、以下に示す
本発明の塩化アルカリ水溶液電解槽によって達成され
る。 (1)イオン交換膜ならびにガス拡散電極によって互い
に区画された陽極室、陰極液室、ガス室からなる塩化ア
ルカリ水溶液食塩電解槽において、前記ガス室内に三次
元的にガスの流通が可能な、平均孔径が70ppi以上
(0.36mm以上)、6ppi以下(4.2mm以
下)のスポンジ金属からなる多孔体が充填されてなるこ
とを特徴とする酸素陰極ガス拡散電極を用いた塩化アル
カリ水溶液電解槽。 (2)前記スポンジ金属がスポンジニッケルであること
を特徴とする前記(1)に記載の酸素陰極ガス拡散電極
を用いた塩化アルカリ水溶液電解槽。 (3)前記スポンジニッケルが銀で被覆されていること
を特徴とする前記(2)に記載の塩化アルカリ金属水溶
液電解槽。
The above object is achieved by the following alkaline chloride aqueous solution electrolytic cell of the present invention. (1) In an alkaline chloride aqueous solution electrolysis tank composed of an anode chamber, a catholyte chamber, and a gas chamber separated from each other by an ion exchange membrane and a gas diffusion electrode, gas can flow three-dimensionally into the gas chamber. An alkaline chloride aqueous solution electrolytic cell using an oxygen cathode gas diffusion electrode, characterized by being filled with a porous body made of a sponge metal having a pore diameter of 70 ppi or more (0.36 mm or more) and 6 ppi or less (4.2 mm or less). (2) The alkaline chloride aqueous solution electrolytic cell using the oxygen cathode gas diffusion electrode according to (1), wherein the sponge metal is sponge nickel. (3) The alkaline metal chloride aqueous solution electrolyzer according to (2), wherein the sponge nickel is coated with silver.

【0011】本発明の骨子は、ガス拡散電極のガス室中
に特定の多孔構造を有するスポンジ金属からなる多孔体
を充填して、スポンジ金属からなる多孔体を介してガス
拡散電極にガスを供給すると、ガスの供給状態に基づく
と思われる電圧低下を最大にすることができる。本発明
は、スポンジ金属からなる多孔体を充填して酸素含有ガ
スを供給すると、空気のような希薄な酸素を供給した場
合でも電圧低下の程度が大きく維持することができる。
また、ガス室中に充填したスポンジ金属からなる多孔体
は、ガス拡散電極を補強する作用も有する。スポンジ金
属からなる多孔体は、前記したように平均孔径が70p
pi以上(0.36mm以上)、6ppi以下(4.2
mm以下)という特定の平均孔径の範囲を有することが
必要である。
The gist of the present invention is to fill a gas chamber of a gas diffusion electrode with a porous body made of a sponge metal having a specific porous structure and supply a gas to the gas diffusion electrode via the porous body made of a sponge metal. Then, it is possible to maximize the voltage drop that is considered to be based on the gas supply state. According to the present invention, when a porous body made of a sponge metal is filled and an oxygen-containing gas is supplied, the degree of voltage drop can be largely maintained even when a dilute oxygen such as air is supplied.
Further, the porous body made of sponge metal filled in the gas chamber also has a function of reinforcing the gas diffusion electrode. The porous body made of sponge metal has an average pore diameter of 70 p as described above.
pi or more (0.36 mm or more), 6 ppi or less (4.2
mm or less).

【0012】前記した図4に示す、ガス透過性多孔体を
充填しない従来の電解槽で極間距離を2mm程度まで短
縮し、銀接合剤で電極を接合し、接触抵抗を排除すれ
ば、純酸素を使用して3kA/m2 、90℃で2.1V
程度の低い電解電圧が得られる。酸素陰極反応の酸素源
として、空気が使用できることが好ましいが、酸素が窒
素など不活性ガスで希釈されると酸素陰極の過電圧はさ
らに増大し、空気の使用は困難であった。例えば、図5
の構造のガス室の場合、空気を使用すると電圧はさらに
1.0Vも上昇した。
If the distance between the electrodes is reduced to about 2 mm in the conventional electrolytic cell not filled with the gas-permeable porous body shown in FIG. 3 kA / m 2 using oxygen, 2.1 V at 90 ° C.
A very low electrolysis voltage is obtained. It is preferable that air can be used as an oxygen source for the oxygen cathode reaction. However, when oxygen is diluted with an inert gas such as nitrogen, the overvoltage of the oxygen cathode further increases, and it is difficult to use air. For example, FIG.
In the case of the gas chamber having the above structure, the voltage was further increased by 1.0 V when air was used.

【0013】酸素陰極のこのような大きな過電圧が何に
由来するのか従来不明であった。本発明者は、ガス室の
集電体の構造を検討する過程で、酸素通路の構造が「酸
素過電圧」に重大な影響を及ぼすことを見出した。これ
ら多孔体の充填効果は次のように理解される。ガス室の
酸素は水蒸気、窒素により希釈され、ガス拡散電極表面
では酸素濃度の極めて低い境膜ができると考えられる。
充填物の存在により、酸素含有気体の流れが乱流化し、
境膜が薄くなり、酸素の供給が促進され、過電圧を低下
させるものと考えられる。従って、単純な溝状の通路よ
りも金網や発泡ニッケル等空隙率が大きく、乱流化効果
の大きいものを充填した方が適していると考えられる。
[0013] It was not previously known what caused such a large overvoltage of the oxygen cathode. The present inventor has found that in the course of studying the structure of the current collector in the gas chamber, the structure of the oxygen passage has a significant effect on the “oxygen overvoltage”. The filling effect of these porous bodies is understood as follows. It is considered that oxygen in the gas chamber is diluted with water vapor and nitrogen, and a film having an extremely low oxygen concentration is formed on the surface of the gas diffusion electrode.
Due to the presence of the packing, the flow of the oxygen-containing gas becomes turbulent,
It is considered that the film becomes thinner, the supply of oxygen is promoted, and the overvoltage is reduced. Therefore, it is considered that it is more suitable to fill a wire having a large porosity such as a wire mesh or foamed nickel and having a large turbulence effect than a simple groove-shaped passage.

【0014】本発明の電解槽の陰極部における好ましい
ガス室の形態について説明する。すなわち、本発明の電
解槽の陰極のガス室に、3次元的にガスの流通が可能な
スポンジ金属よりなる多孔体をガス拡散電極に接して充
填して、ガス拡散電極のガス拡散層側へのガスの供給を
均一化すると共にこれによってガス室内のガスの供給を
均一にし、かつガス拡散電極の変形を防止するものであ
る。本発明における前記多孔体は全面でガス拡散電極に
接触しているので、前記多孔体に陰極端子を接続するこ
とにより前記多孔体は面積の広い集電体となり、従来使
用されていた集電体よりも電流分布の均一化を図ること
ができる。更に、前記多孔体とガス拡散電極とを接合し
て一体に成形するならば特別に従来のような集電体は不
要になる。またこの時、ガス拡散電極に負荷される電流
も、従来のようにガス拡散電極の周辺端に設けた端子か
ら負荷されるようにした場合に流れる電流に比べ、ガス
拡散電極全面に均一に負荷することができる。
The preferred form of the gas chamber in the cathode portion of the electrolytic cell of the present invention will be described. That is, the gas chamber of the cathode of the electrolytic cell of the present invention is filled with a porous body made of sponge metal which allows gas to flow three-dimensionally in contact with the gas diffusion electrode, and the gas is diffused toward the gas diffusion layer of the gas diffusion electrode. In addition, the gas supply is made uniform, thereby making the gas supply in the gas chamber uniform, and preventing the gas diffusion electrode from being deformed. Since the porous body in the present invention is in contact with the gas diffusion electrode on the entire surface, by connecting a cathode terminal to the porous body, the porous body becomes a current collector having a large area. Thus, the current distribution can be made more uniform. Furthermore, if the porous body and the gas diffusion electrode are joined and molded integrally, a special current collector as in the prior art is not required. At this time, the current applied to the gas diffusion electrode is also uniformly applied to the entire surface of the gas diffusion electrode as compared with the current flowing when the current is applied from a terminal provided at the peripheral end of the gas diffusion electrode. can do.

【0015】電解槽の陰極部のガス室に3次元的にガス
を均一に供給可能な剛体の多孔体としてスポンジ金属を
充填するように構成した、ガス拡散電極を配置したガス
室の側縦断面図を図2として示す。図2において、2は
ガス拡散電極、4はガス室、5はスポンジ金属からなる
多孔体、6は陰極端子である。
Side longitudinal section of a gas chamber in which a gas diffusion electrode is arranged, wherein a sponge metal is filled as a rigid porous body capable of uniformly supplying gas three-dimensionally to a gas chamber in a cathode portion of an electrolytic cell. The figure is shown as FIG. In FIG. 2, 2 is a gas diffusion electrode, 4 is a gas chamber, 5 is a porous body made of sponge metal, and 6 is a cathode terminal.

【0016】[0016]

【発明の実施の形態】スポンジ金属からなる多孔体の好
ましい形態について、さらに詳細に述べる。スポンジ金
属は、発泡金属、金属多孔体などの呼び名を持ち、発泡
ポリウレタンに金属メッキしたり、金属粉と混合、焼成
して得ることができる。さらに製造方法の1例を説明す
ると、スポンジ金属は、連続気泡の発泡ポリウレタン
を、金属微粉末を分散させた媒体中にドブ漬けし、金属
微粉末を発泡ポリウレタンの気泡の内部にまで沈積さ
せ、その後金属微粉末を沈積させた発泡ポリウレタンを
遠心分離処理して脱媒体した後、好ましくは表面を金属
メッキする。その際発泡ポリウレタンを押ししぼり、押
す力を抜いて膨張させて液を吸収させるような工程を繰
り返すと内部に十分に金属微粉末を沈積させさせること
ができる。前記処理した金属微粉末含有発泡ポリウレタ
ンを還元炉に入れ焼成する。有機質の部分は完全に燃焼
除去され、金属微粉末も部分的に相互に溶融結合してス
ポンジ状の多孔体としてスポンジ金属が得られる。得ら
れたスポンジ金属の空隙率は95%前後と極めて高く、
かつ連続気泡という特徴を持っている。金属としてはニ
ッケル、銅、銀などが適している。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION A preferred embodiment of a porous body made of sponge metal will be described in more detail. The sponge metal has a name such as a foamed metal or a porous metal body, and can be obtained by plating a foamed polyurethane with a metal, mixing with a metal powder, and firing. To further explain an example of the production method, sponge metal is immersed in open-cell foamed polyurethane in a medium in which fine metal powder is dispersed, and the fine metal powder is deposited inside the foamed polyurethane foam, Thereafter, the foamed polyurethane on which the metal fine powder is deposited is subjected to a centrifugal separation treatment to remove the medium, and then the surface is preferably metal-plated. At this time, by repeating the process of squeezing the foamed polyurethane, removing the pushing force, expanding the polyurethane to absorb the liquid, the metal fine powder can be sufficiently deposited inside. The treated polyurethane foam containing fine metal powder is placed in a reduction furnace and fired. The organic portion is completely burned off, and the metal fine powder is also partially melt-bonded to each other to obtain sponge metal as a sponge-like porous body. The porosity of the obtained sponge metal is as high as about 95%,
And it has the characteristic of open cells. Nickel, copper, silver and the like are suitable as the metal.

【0017】スポンジ金属をガス室用充填材料として使
用する場合、重要な点は、先ず、孔径である。平均孔径
は原料の発泡ポリウレタンの関係でppi(1インチ当
たりの平均孔数)で表示することとする。ただし、この
「ppi」は1インチ当たりの平均孔数で表しているた
め、それが持つ孔の径を直接示したものではないが、発
泡ポリウレタンにおいては、個々の孔の径を測定して平
均孔径を算出することが困難であるために、このような
表示方式が使用されている。平均孔径が70ppi以上
(0.36mm以上)、6ppi以下(4.2mm以
下)のものが適している。平均孔径が6ppiを越すと
酸素の供給能力が劣り、希薄な酸素(例えば空気)を使
用する場合、陰極の過電圧が上昇することになる。一
方、孔径が70ppi以下になるとガス供給に伴う圧力
損失が高まりガス拡散電極に背面から高い圧力がかかる
ことになり実用上好ましくない。次に重要な点は、導電
抵抗が低いことが必要である。導電抵抗は材質、ガス拡
散電極との接合方法、背面陰極端子との接合方法などに
より決まる。材質としては銅、ニッケル、銀などが好ま
しい。特にニッケルは、耐食性の面からも経済性の面か
らも好ましい。また、スポンジニッケルは、その表面を
銀材料で被覆すると耐食性が一層高まる。被覆方法とし
てはメッキ、粉末コーティング等が好ましい。特にガス
拡散電極に接する面を銀で被覆することが好ましい。銀
により被覆することにより電極を長時間使用しても電圧
上昇することがなくなる。ガス拡散電極との接着には、
銀等の良導体を介して圧力による押し付けでも良いが、
銀または銀合金を接着材料として接着することにより好
ましい結果が得られる。
When using sponge metal as a filling material for a gas chamber, an important point is firstly a pore diameter. The average pore diameter is represented by ppi (average number of holes per inch) in relation to the raw material foamed polyurethane. However, since this “ppi” is represented by the average number of holes per inch, it does not directly indicate the diameter of the holes of the “ppi”. Since it is difficult to calculate the hole diameter, such a display method is used. Those having an average pore diameter of 70 ppi or more (0.36 mm or more) and 6 ppi or less (4.2 mm or less) are suitable. If the average pore diameter exceeds 6 ppi, the supply capacity of oxygen is inferior, and when dilute oxygen (for example, air) is used, the overvoltage of the cathode increases. On the other hand, when the pore diameter is 70 ppi or less, the pressure loss accompanying the gas supply increases, and a high pressure is applied to the gas diffusion electrode from the back surface, which is not practically preferable. The second important point is that the conductive resistance must be low. The conductive resistance is determined by the material, the bonding method with the gas diffusion electrode, the bonding method with the back cathode terminal, and the like. Preferred materials include copper, nickel, and silver. In particular, nickel is preferable in terms of corrosion resistance and economy. In addition, when the surface of the sponge nickel is coated with a silver material, the corrosion resistance is further improved. Plating, powder coating and the like are preferred as the coating method. In particular, it is preferable to cover the surface in contact with the gas diffusion electrode with silver. By coating with silver, the voltage does not increase even if the electrode is used for a long time. For bonding with gas diffusion electrode,
Pressing by pressure through a good conductor such as silver may be used,
Preferred results are obtained by bonding silver or a silver alloy as the bonding material.

【0018】ガス室の厚みも考慮すべき条件である。電
解槽の大きさによって適当な厚みは異なるが、通常の大
きさの電解槽では0.5mmないし3mm程度が好まし
い。厚みが3mm以上になると流速が低下し、酸素の供
給能力が低下し、結果として酸素濃度が低下したとき陰
極の過電圧上昇が大きくなる。また、0.5mm以下に
なると、酸素の供給能力は高まるが、ガス流通に伴う圧
力損失が大きくなり実用的でなくなる。ガス室は厚み1
mm程度で、厚み1mm程度のスポンジ金属によって完
全に充填された構造が極めて良好である。このような構
成の電解槽を使用することによって、セル電圧を2V程
度まで低下できる。また、酸素源として空気を使用して
も電圧の上昇を0.2V以下に抑えることができる。導
体抵抗を10mV以下にできる。また、そのようなスポ
ンジ金属を充填しても圧力損失を水柱2m以下にでき
る。電極、ターミナルとの接合の関しては融着、ペース
ト接合、圧接、半田接合、溶接、ネジ止め等が組み合わ
せに応じて可能である。
The thickness of the gas chamber is also a condition to be considered. Although the appropriate thickness varies depending on the size of the electrolytic cell, it is preferably about 0.5 mm to 3 mm for a normal-sized electrolytic cell. When the thickness is 3 mm or more, the flow velocity decreases, the oxygen supply capacity decreases, and as a result, when the oxygen concentration decreases, the overvoltage of the cathode increases. On the other hand, when the thickness is 0.5 mm or less, the oxygen supply capacity is increased, but the pressure loss accompanying the gas flow becomes large, which is not practical. Gas chamber thickness 1
The structure completely filled with sponge metal having a thickness of about 1 mm and a thickness of about 1 mm is extremely good. By using the electrolytic cell having such a configuration, the cell voltage can be reduced to about 2V. Further, even if air is used as the oxygen source, the rise in voltage can be suppressed to 0.2 V or less. The conductor resistance can be reduced to 10 mV or less. Even if such sponge metal is filled, the pressure loss can be reduced to 2 m or less. Regarding the connection with the electrode and the terminal, fusion, paste bonding, pressure welding, solder bonding, welding, screwing, and the like are possible according to the combination.

【0019】[0019]

【実施例】以下、実施例により本発明を具体的に説明す
る。ただし、本発明はこの実施例のみに限定されるもの
ではない。 実施例1 図1の電解槽を組み立てた。ガス拡散電極2は特開昭6
3−245863号公報の記載に従って作製した。反応
層の厚さが100μm、ガス拡散層の厚さは400μm
である、2層構造の電極である。反応層は親水性部分と
撥水性部分がからまり合った構造をしている。反応層に
は触媒として白金が担持されている。厚さが1mmのガ
ス室4に充填するスポンジ金属からなる多孔体3として
は、平均孔径が50ppi(1インチ当たりの孔数)、
厚み1mmのスポンジニッケル(日本重化学工業株式会
社製)を使用した。この多孔体3をスポンジニッケル3
ともいう。このスポンジニッケル3に350℃の温度
で、前記ガス拡散電極2を50kg/cm2 の圧力で圧
着した。図1に示すように組み立てた状態においてスポ
ンジニッケル3は裏面の陰極ターミナル6に強く押しつ
けられている。
The present invention will be described below in detail with reference to examples. However, the present invention is not limited to only this embodiment. Example 1 The electrolytic cell of FIG. 1 was assembled. Gas diffusion electrode 2 is disclosed in
It was prepared according to the description in Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-245683. The thickness of the reaction layer is 100 μm, and the thickness of the gas diffusion layer is 400 μm
This is an electrode having a two-layer structure. The reaction layer has a structure in which a hydrophilic portion and a water-repellent portion are entangled. The reaction layer supports platinum as a catalyst. The porous body 3 made of sponge metal to be filled in the gas chamber 4 having a thickness of 1 mm has an average pore diameter of 50 ppi (the number of holes per inch),
Sponge nickel (manufactured by Nippon Heavy Industries, Ltd.) having a thickness of 1 mm was used. This porous body 3 is sponge nickel 3
Also called. The gas diffusion electrode 2 was pressed against the sponge nickel 3 at a temperature of 350 ° C. at a pressure of 50 kg / cm 2 . In the assembled state as shown in FIG. 1, the sponge nickel 3 is strongly pressed against the cathode terminal 6 on the back surface.

【0020】DSA(登録商標)と呼ばれる陽極8、フ
ッ素系陽イオン交換膜7、前記陰極部分を重ねて電極槽
1を構成した。陽極8とガス拡散電極2の距離は2mm
とした。電極、イオン交換膜7の有効面積は10×10
cm2 である。陽極室9には310g/リットルの精製
食塩水を加温して供給し、陰極液室5(イオン交換膜7
と陰極2の間)へは32%の水酸化ナトリウム水溶液を
加温して、200ミリリットル/分の流量で供給した。
ガス室4(酸素室)へは酸素と窒素の混合ガスを酸素濃
度を変え、かつ酸素流量が同じになるように全体の流量
を変えて供給した。電解槽全体の温度を90℃に調節し
ながら電解を行った。その時の端子間電圧(陰極ターミ
ナルから陽極間の電圧)は次の第1表の通りであった。
An electrode tank 1 was constructed by stacking an anode 8, called a DSA (registered trademark), a fluorine-based cation exchange membrane 7, and the cathode portion. The distance between the anode 8 and the gas diffusion electrode 2 is 2 mm
And The effective area of the electrode and the ion exchange membrane 7 is 10 × 10
cm 2 . 310 g / l of purified saline is supplied to the anode compartment 9 while heating the catholyte compartment 5 (ion exchange membrane 7).
And a cathode 2), a 32% aqueous solution of sodium hydroxide was heated and supplied at a flow rate of 200 ml / min.
A mixed gas of oxygen and nitrogen was supplied to the gas chamber 4 (oxygen chamber) while changing the oxygen concentration and changing the overall flow rate so that the oxygen flow rate was the same. Electrolysis was performed while adjusting the temperature of the entire electrolytic cell to 90 ° C. The voltage between the terminals (voltage between the cathode terminal and the anode) at that time was as shown in Table 1 below.

【0021】[0021]

【表1】 [Table 1]

【0022】電圧についてオーム損、過電圧分析を行っ
たところ、オーム損は全て0.13V/(kA/m2
と一定であり、第1表中の電圧変化は過電圧の変化であ
ることがわかった。第1表によれば、酸素流量が同じで
あるようにしても、酸素濃度が低下すると電圧が上昇す
るが、空気のように酸素濃度が20%と低いものでも電
圧は実用的な範囲に維持されることがわかった。
When the ohmic loss and overvoltage analysis were performed on the voltage, all the ohmic losses were 0.13 V / (kA / m 2 ).
It was found that the voltage change in Table 1 was a change in overvoltage. According to Table 1, even if the oxygen flow rate is the same, the voltage increases as the oxygen concentration decreases, but the voltage is maintained in a practical range even when the oxygen concentration is as low as 20%, such as air. It turned out to be.

【0023】比較例1 ガス拡散電極としては実施例1と同等の電極を使用し
た。図4の構造の多孔体が充填されていないガス室4
(酸素室)を使用した電解槽1を組み立てた。溝幅は7
mmであった。ガス電極は銀メッシュを介して、310
℃の温度で加圧接着した。ガス室4の厚み(溝の深さ)
は1mmであった。極間距離は2mmであった。材質は
ニッケルである。実施例と同様の電解実験を行った。そ
の時の端子間電圧は次の第2表の通りであった。
Comparative Example 1 An electrode equivalent to that of Example 1 was used as a gas diffusion electrode. Gas chamber 4 not filled with a porous body having the structure of FIG.
The electrolytic cell 1 using the (oxygen chamber) was assembled. Groove width is 7
mm. The gas electrode is 310 through a silver mesh.
Pressure bonding was performed at a temperature of ° C. Thickness of gas chamber 4 (depth of groove)
Was 1 mm. The distance between the electrodes was 2 mm. The material is nickel. An electrolysis experiment similar to that of the example was performed. The voltage between the terminals at that time was as shown in Table 2 below.

【0024】[0024]

【表2】 [Table 2]

【0025】酸素を空気組成相当濃度まで低下する時、
電圧の上昇は1Vにも達する。
When oxygen is reduced to a concentration equivalent to the air composition,
The voltage rises up to 1V.

【0026】実施例2 スポンジニッケル3の孔径が13ppiと異なる以外は
実施例1と同様に電解槽を構成して電解実験を行った。
酸素濃度を変えたときの電圧の変化は次の第3表の通り
であった。
Example 2 An electrolysis experiment was carried out in the same manner as in Example 1 except that the pore size of the sponge nickel 3 was different from 13 ppi.
The change in voltage when the oxygen concentration was changed was as shown in Table 3 below.

【0027】[0027]

【表3】 [Table 3]

【0028】[0028]

【発明の効果】イオン交換膜ならびにガス拡散電極によ
って互いに区画された陽極室、陰極液室、ガス室からな
る塩化アルカリ水溶液電解槽において、本発明により、
ガス室内にスポンジ金属、好ましくはスポンジニッケル
を充填することによって、 1.前記酸素濃度が不十分な条件下、例えば空気を使用
するような条件下でも、酸素の陰極反応における電極過
電圧の上昇を極小化できる。 2.前記塩化アルカリ水溶液食塩電解槽におけるガス室
を経由してガス拡散電極に酸素を供給して行う塩化アル
カリ水溶液電解の電解電圧を従来の塩化アルカリ水溶液
電解の電解電圧より著しく低くすることができる。 3.前記陰極液室に陰極液を通す際に、ガス拡散電極に
起こる歪みを防止することができる。 4.前記スポンジ金属をガス室の外枠およびガス拡散電
極と相互に固定して一体化することにより、ガス拡散電
極を有する塩化アルカリ水溶液電解槽の陰極部の組立な
ど操作性を簡便にすることができる。
According to the present invention, in an alkaline chloride aqueous solution electrolysis tank comprising an anode chamber, a catholyte chamber and a gas chamber separated from each other by an ion exchange membrane and a gas diffusion electrode,
By filling the gas chamber with sponge metal, preferably sponge nickel: Under conditions where the oxygen concentration is insufficient, for example, under conditions where air is used, an increase in electrode overvoltage in the cathodic reaction of oxygen can be minimized. 2. The electrolysis voltage of the aqueous alkali chloride solution electrolysis performed by supplying oxygen to the gas diffusion electrode via the gas chamber in the aqueous alkali chloride solution electrolyzer can be significantly lower than the electrolysis voltage of the conventional alkali chloride aqueous solution electrolysis. 3. When the catholyte is passed through the catholyte compartment, distortion occurring in the gas diffusion electrode can be prevented. 4. By integrally fixing the sponge metal to the outer frame of the gas chamber and the gas diffusion electrode, operability such as assembly of the cathode portion of the alkaline chloride aqueous solution electrolytic cell having the gas diffusion electrode can be simplified. .

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明のスポンジ金属を充填したガス室を有す
るガス拡散電極を設けた塩化アルカリ水溶液電解槽の一
例を示す断面説明図である。
FIG. 1 is an explanatory sectional view showing an example of an alkaline chloride aqueous solution electrolytic cell provided with a gas diffusion electrode having a gas chamber filled with a sponge metal of the present invention.

【図2】本発明の多孔体を充填したガス室の一例を示す
断面説明図である。
FIG. 2 is an explanatory sectional view showing an example of a gas chamber filled with a porous body of the present invention.

【図3】本発明のガス拡散電極の一例を示す断面説明図
である。
FIG. 3 is an explanatory sectional view showing an example of the gas diffusion electrode of the present invention.

【図4】従来のガス拡散電極を設けた塩化アルカリ水溶
液電解槽の一例を示す断面説明図である。
FIG. 4 is a cross-sectional explanatory view showing an example of an alkaline chloride aqueous solution electrolytic cell provided with a conventional gas diffusion electrode.

【図5】ガス通路を室内に設けた従来のガス室の一例を
示す断面説明図である。
FIG. 5 is an explanatory cross-sectional view showing an example of a conventional gas chamber in which a gas passage is provided in a room.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 電解槽 2 ガス拡散電極 3 スポンジ金属多孔体 4 ガス室 5 陰極室(陰極液室) 6 陰極ターミナル 7 イオン交換膜 8 陽極 9 陽極室 10 ガス入口 11 ガス出口 12 苛性ソーダ液入口 13 苛性ソーダ液出口 14 塩水入口 15 塩水出口 16 反応層 17 ガス拡散層 18 酸素通路 19 集電体 Reference Signs List 1 electrolytic cell 2 gas diffusion electrode 3 porous metal sponge 4 gas chamber 5 cathode chamber (catholyte chamber) 6 cathode terminal 7 ion exchange membrane 8 anode 9 anode chamber 10 gas inlet 11 gas outlet 12 caustic soda liquid inlet 13 caustic soda liquid outlet 14 Salt water inlet 15 Salt water outlet 16 Reaction layer 17 Gas diffusion layer 18 Oxygen passage 19 Current collector

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 古屋 長一 山梨県甲府市中村町2−14 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Choichi Furiya 2-14 Nakamuracho, Kofu City, Yamanashi Prefecture

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 イオン交換膜ならびにガス拡散電極によ
って互いに区画された陽極室、陰極液室、ガス室からな
る塩化アルカリ金属水溶液電解槽において、前記ガス室
内に、三次元的にガスの流通が可能な、平均孔径が70
ppi以上(0.36mm以上)、6ppi以下(4.
2mm以下)のスポンジ金属からなる多孔体がガス拡散
電極に接して充填されてなることを特徴とする酸素陰極
ガス拡散電極を用いた塩化アルカリ金属水溶液電解槽。
1. An alkali metal chloride aqueous solution electrolysis tank comprising an anode exchange chamber, a catholyte compartment, and a gas compartment separated from each other by an ion exchange membrane and a gas diffusion electrode, whereby gas can flow three-dimensionally into the gas compartment. The average pore size is 70
ppi or more (0.36 mm or more), 6 ppi or less (4.
An alkali metal chloride aqueous solution electrolytic cell using an oxygen cathode gas diffusion electrode, wherein a porous material made of sponge metal (2 mm or less) is filled in contact with the gas diffusion electrode.
【請求項2】 前記スポンジ金属がスポンジニッケルで
あることを特徴とする請求項1記載の酸素陰極ガス拡散
電極を用いた塩化アルカリ金属水溶液電解槽。
2. The electrolytic solution of an alkali metal chloride aqueous solution using an oxygen cathode gas diffusion electrode according to claim 1, wherein the sponge metal is sponge nickel.
【請求項3】 前記スポンジニッケルが銀で被覆されて
いることを特徴とする請求項2記載の塩化アルカリ金属
水溶液電解槽。
3. The electrolytic solution of an alkali metal chloride aqueous solution according to claim 2, wherein said nickel sponge is coated with silver.
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WO2000011242A1 (en) * 1998-08-25 2000-03-02 Toagosei Co., Ltd. Soda electrolytic cell provided with gas diffusion electrode
JP2020147843A (en) * 2019-03-06 2020-09-17 株式会社東芝 Electrolytic tank and hydrogen production apparatus

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WO2000011242A1 (en) * 1998-08-25 2000-03-02 Toagosei Co., Ltd. Soda electrolytic cell provided with gas diffusion electrode
US6368473B1 (en) 1998-08-25 2002-04-09 Nagakazu Furuya Soda electrolytic cell provided with gas diffusion electrode
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