JPS5913085A - 鉛直な電極を有する隔膜電解槽 - 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） 本発明は電気化学プロセスに使用される鉛直な電極を有
する隔膜電解槽に関する。

電気化学プロセスを実施する場合には、電流を電極表面
に亘って均等に配分することが重要である。このような
却等な配分は、電解液のスロー４ングバワー（均一電着
性）により、また電極の均質性によって影響される。こ
のスローイングパワーは、電流が流れる反対の電極のＷ
ＪｆＲが太きければ大きいほど、それだけ良好になる。

スローイングパワーの不足は電極間隔を大きくすること
によって補償可能ではあるが、然しそのようにすると電
解槽における電圧降下が著しくなる。電極表面の不均一
性は電流の流れ番こ変形をもたらす。従って各電極プレ
ートの間隔、即ち陽極と陰極との間の距離は極めて重要
な要素である。

理想的な場合には、両電極の対向する面が互いに平行に
位置している。各面における平面平行性は効率よく働く
電解槽の前提条件である。何故ならばこのような条件の
もとでのみ均等な１！流分配が保証され、局部的なオー
バーヒートが回避されつるからである。電圧降下を出来
るだけ僅かなものに抑え、これによってエネルギー消費
量を低下させるためには、陽極と陰極との間の距離が出
来るだけ小さく保たれねばなよない。これら全ての条件
は小型の実験室用の電解槽では比較的簡単に実現されつ
るが、大型の工業用のユニットを構成する場合、理論的
な条件が完全に満たされねばならないとするならば、種
々の難点が生ずる。そのうえ更に、電解槽の寸法が大き
ければ大きいほど、電解槽はその平面平行性からの偏倚
と電流の流れの変形とに敏感に反応する。このタイプの
イオン交換隔膜における加速的な破壊を回避するために
は、一般に電極の高さを制限し、電解槽における各電極
間に実質的な距離を設け、電流密度を制限することが強
制されるが、このようにすると電解槽におけるエネルギ
ーの収量とその生産性とが減少する。

隔膜と鉛直方向に配置された電極とを有する電解槽にお
けるこれらの欠点を除くため、一般には反応ガスを排出
するための複数の開口部を備えた電極、例えば穿孔処理
された電極、細線金網又はエクスパンドメタル等が用い
られている。然しこの場合には、活性表面が減少し、機
械的安定性が不足すると共に、電極背面番とおける高価
なコーティング材料が損耗するという欠点がある。

イオン交換隔膜を有する隔膜電解槽には、通常出来るだ
け竪牢なフレーム構造が取付けられており、このフレー
ム構造内には電極が殆どの場合溶接結合によって剛に組
み込まれている。電極が要求きれる狭い許容範囲内で平
面平行を保ち、かつ多数の上記フレームが圧搾濾過器同
様に漏れの生じないように電解槽に結合されることを保
証するためには、各フレームの接触面にはそれ相応に費
用のかかる機械加工をしておかねばならない。

ドイツ連邦共和国籍町田願公告第２０５９８６８号明細
書に基づく公知の提案によれば、鉛直方向に配置された
電極においても、ガスを発生する隔膜電解槽内に個々の
板から成る電極プレートが設けられており、この場合側
々の板は、発生したガスを排出するための案内面を有し
ている。これらの案内面又はガイドプレートには勾配が
設けられているから、反対の電極に対する活性表面の間
隔は必然的に種々興なる寸法を持つことになり、その場
合特に局部的な温度上昇によって熱伝導率の低いデリケ
ートな隔壁が容易に反らされる。また電極と反対電極と
の全活性表面の間隔をエネルギー的に所望されるような
狭い間隔にすることも出来ない。

発明の目的 そこで本発明の目的は、前記の欠点及びその他の欠点を
除き、かつ隔膜電解槽における電極の配置に改良を加え
て、工業的な運転条件のもとで両電極面が確実な平面平
行性と、エネルギー的に有効な最小の電極間距離とを保
証されるようにし、しかも迅速かつ安全なガス排出が行
われるようにットから構成された鉛直な電極を有する冒
頭に述べた形式の隔膜電解槽において、ａ）　　一方の
極性を有する電極は水平方向に分割されて複数のユニッ
トを形成し、ｂ）　　これと反対の極性を有する電極は
鉛直方向に分割されて複数のユニットを形成し、ｃ）　
　上記両電極のうちの少なくとも一方の電極の各ユニッ
トは、ばね部材によって移動可能であるように構成きれ
ている。　　　　　　　　□以上のように構成すること
により、電解槽内における幾何学的な両基準システム、
つまりフレーム対フレ＝ム及び陽極対陰極というシステ
ムが互いに無関係に構成される。例えば一方の電極（陰
１１）が、水平方向に分割された個々のプレートの状態
で陰極フレームに剛に結合されているの番と対し、複数
のプレート又は条片ユニットが鉛直方向に分割された反
対の極性を有する電極（陽極）は、フレキシブルに又は
移動可能に構成されている。

そしてこのようなフレキシブルな構成はばね部材を介し
て行われる。そしてこのばね部材が電極への給電線に接
続されており、圧着又は溶着によって電極（陽極）にお
ける個々の条片ユニットと電気接続されている。

本発明によれば、前記の例とは反対に陰極をフレキシブ
ルに装着する一方、陽極を剛に固定することも可能であ
る。更には、個々のユニットに分割された両電極を、ば
ね部材によって移動可能に構成することも出来る。この
ような構成にすると、従来高い加工費をかけなければ除
去することの出来なかった電解槽のフレーム接触面の非
平坦性が、電極の位置ぎめに影響を及ぼすことがな（な
る。

むしろ電流分配器を電極の活性面に接続する可動継ぎ手
を用いることによって、電解槽のフレームの範囲で生ず
る偏差がカバーされることになる。

ばね部材のばね力は、陽極と陰極とにおける相対的な空
間位置の整合が許容されるように設定される。この場合
、フレームは引き抜き加工された市販の材料からさした
る後処理なしに製作され、所望の小ざな公差がスペーサ
によって達成されるので有利である。

本発明における別の実施の態様によれば、発生して集め
られたガス、例えば塩素ガスを排出するため、電極活性
面における可動又は移動自在な装置が用いられ、かつそ
れに応じて構成されている。

この場合フレキシブルな給電部材として構成されたばね
部材は、電解槽の底部に向って凹んだ彎曲部を形成する
か、又は底部に向って開いた角度を成している。このば
ね部材は例えば給電線に溶着された板ばねとして構成し
てもよい。個々のフレキシブルなばね部材又は給電部材
の下で集められた塩素ガスは、電解液収容室内の側方に
配置されたガス排出ダクト（部材）によって、−個所で
上方に排出される。このようにすることによって、電極
空間又は陽極空間における部分的なガス排出が行なわれ
る。この局部的なガス排出を行うことによって、電解液
□内に対流電流が生じ、電極の活性範囲における電解液
の交換が良好になり、この結果エネルギー収量が著しく
向上する。

又本発明番こよれば、隔膜に接触していない個々の電極
ユニット間の水平又は鉛直な分割個所壷ζ、スペーサが
設けられている。陰極液と陽極液との密度がそれぞれ異
なっているから、静水圧的高さが等しい場合、隔膜は一
つの電極に接触する。換言すれば、側方の力が電極に作
用する。

ところでこの側方の力はフレキシブルな給電部材のばね
力に抗して作用するので、ばねの強さと陽極液及び陰極
液間における静水圧的レベル差とは互いに整合され、陰
極に水平方向に取付けられた複数のスペーサにより大き
な力を消費することなく、つまり隔膜の圧搾が最小限に
抑えられた状態で、両活性面の相対的な位置が互いに調
整される。このスペーサの厚さは１〜５ミリメートルで
あることが望ましい。

本発明による別の実施の態様においては、ガス発生プロ
セスに際し、発生したガスを電極空間から排出するため
の案内部材としてスペーサが形成されている。水平方向
の配置の場合、このスペーサはガス分離ユニットとして
機能する。この場合スペーサは、例えばギザギザの縁を
有する条片状のプレートから、又はスリット状ないし円
形の開口部を有する条片から、もしくは格子状ないし網
状の条片から構成される。スペーサをこのように構成し
ておくならば、水平方向に分割されて複数の部分になっ
た電極（１１１極）の各ギャップから完全にガスが排出
される。

実施例 以下添付図面に示された実施例に基づき本発明を欽明す
る。

第１図には水平方向に分割された陰極プレート（２）を
有する電極フレームＣＦ）の正面図が示されており、＠
１ｂ図には鉛直方向及び水平方向に分割された陽極プレ
ート（３）を有する電極フレーム（Ｆ）の同じような正
面図が示されている。

１１８図は第１図における！−１線に沿った断面図であ
って、スペーサ（１）を有する水平方向に形成された陰
極プレート（２）を示している。

第２図は第１ａ図における符号Ａで示された部分の拡大
図であって、この図ではスペーサ（１）がガスを排出す
るための案内部材を形成しており、水平方向に分割され
た電極（２）（陰極）と鉛直方向に分割された反対電極
（３）（陽極）とが図示されている。図において矢印（
５）及び（６）は夫々電解液入口と電解槽からのガス−
電解液の混合物の出口とを示す。

第３図の上面図には、水平方向に分割された陰極（２）
と鉛直方向に分割された陽極（３）並びにばね部材（７
）から成る移動可能な電極アセンブリが示されており、
ばね部材（７）は給電線（８）に接続されている。

第４図の上面図には、移動可能な陽極（３）が示されて
いる。この図は第１Ｃ図番こおける符号Ｂで示された部
分の拡大図であって、給電線（８）及び陽極（３）に接
続きれているばね部材（７）を示している。運転状態で
は陽極（３）が隔膜（４）に圧着される。

次に下記の実施例と計算とによって本発明の詳細な説明
する。

例　　１ Ａ）塩素酸ナトリウムを生せしめるための実験室用電解
槽。

寸法二５０　Ｘ　５０ｍｍ＝０．００２５ｍ”電極間距
離＝５Ｍ 電流密度：３ｋＡ／石２ 電解液内の電圧降下：　２５ＤｍＶ 仮定ニ 一方の電極の表面１　ａｍ２が１　ａｍだけ突出してい
るものとする。その場合突出した個所にはパワーインプ
ットを介した第一近似ζこおいて検出されるべき電流密
度が生ずる。

電極が互いに平面平行であり、均等な間隔を有している
ならば、パワーインプットは、電流密度が等しい場合、
１ｍｍだけ突出した１ｃｍ２の面上におけるパワーイン
プットは、 この場合突出してない面におけるパワーインプットは、 ワーインプットは１．８６０ＶＡとなる。つまり、電い
ない面上における電流密度は、 となり、突出した面上における電流密度は、となる。

Ｂ）　　Ｃ７ｌ　２　、　ＮａＯＨ１Ｈ２を生せしめる
ための隔膜電解槽。

寸法二５０　Ｘ　５０ｍｍ＝０．００２５ｍ２電極間距
離：　５．Ｏｍｍ 電流密度：　３．Ｑ　ｋＡ／ｍ２ 電解液内の電圧降下：　２５０ｍＶ 隔膜内の隔膜内下：　４００ｍＶ 仮定ニ 一方の電極の表面１　ａｍ２が１　ｍｍだけ突出してい
るものとする。その場合例１番こおけると同じ計算によ
って、以下の値が出される。

全パワーインプット：　６４８ｍＶ 突出面の電流密度’　３．２４　ｋＡ／ｍ２非突出面の
電流密度：　２．９９　ｋＡ／ｍ２従って付加的な抵抗
を構成する隔膜が安定化作用を呈するが、隔膜内での熱
発生が著しく増大することはない。

隔膜内における３ｋＡ／ｍ２の電流密度での発熱量：５
Ｘ０．４Ｘ８６０＝１０５２ｋＣａｌ／ｍ２Ｘｈ３、２
４　ｋＡ／ｍ２テ０）　発熱量：従って熱放出が等しい
場合には、隔膜と電解液との間の温度差が約２０パーセ
ント上昇する。

１　ｍｍの非平坦性が小型の夾験室用電解槽において難
点となるのは明らかである。

これｌこ対し工業規模の電解槽においては、特別な措置
を講することなしに１　＋ｎｍの非平坦性を回避するこ
とは出来ない。工業規模の電解槽において５　ｍｍの間
隔で運転を行わせることは、経済的な制約があって許さ
れない。最小の電圧降下を保証するような間隔を維持す
ることが望ましい。電圧降下は１〜３　ｍｍ間隔の電極
形状に左右される。全陽極面又は陰極面は５０ｍ程度の
規模にすることが可能であって、その場合の高さは一般
に１，２ｍを越えない。高さを制限する理由は、電解槽
の上部において電解液内のガス濃度が不可避的に高くな
ることに基づいている。

以下に示す例では、比較的価かな間隔と比較的高いガス
濃度との効果が示されている。

例　　２ 工業規模の電解槽 Ａ）　　Ｃ１２，ＮａＯＨ，Ｈ２を生ぜしめるための単
極性隔膜電解槽。

寸法二１６Ｘ　１０００Ｘ　１２００ｍ＝１９．２ｍ２
電極間距離：５ｖｎｔｎ 電流密度：　３ｋＡ／ｍ２ 電解液の電圧降下＝１５０ｍＶ 隔膜による電圧降下：　４００ｍＶ 仮定： 両電極の表面１００ｍ２が約０．７５ｍｍ　　突出して
、互いに向き合っているものとする。

この場合例１のＡ）におけると同じ計算によって次の値
が得られる： 全電圧降下：　５５０ｍＶ 突出面ノミ流密度：　３．４７　ｋＡ／ｍ２残りの表面
に対する突出面の比から、全電圧降下は実際上変動せず
、非突出面上における電流一度も測定可能な範Ｈで減少
することもない。

然しなから隔膜における発熱量（例１のＢ）を参照）は
、１５８０　ｋ　ｃａｌ／ｌｎ２に上昇し、コｔＬにｊ
ａ？［の１．１５３パーセントに相当する。

Ｂ）廃塩酸から（ＪＪＩ２とＨ２とを生ぜしめるための
双極性隔膜電解槽。

電極高ざ：１．Ｏｍ 幅：２．５ｍ　　　　　　　　　　　４　　、電流密度
：　４ｋＡ／ｍ２ 電極形状二″□表面積の６０パーセントのガス排出スペ
ースを有する、鉛直方向にスリ ットが設けられた一体のグラファイ トプレート 測定された電流密度二　　　　゛ 上方の三分の一：　３．５０・ｋＡ／ｍ２下方の三分の
一：　４．６０　ｋＡ／ｍ２例２は工業規模の電解槽を
構成する場合の制ｉを示すもので゛あって、これは−流
の流線の変形によって左右される。手ごろな費用で維持
されつる公差は±０．７５　ｍｍである。１ｍｌ１１の
幅又は高さを有する電解槽においては、この公差は全体
の寸法に対する０、０７５パーセントの精度と意味する
。ガス排出のための許容されつる最大の自由面は３０〜
５０パーセントである。この値を超えると、有効な電流
密度が過度番こ高まることになる。

本発明の要旨を既述の実施例に基づき概略的に述べると
、複数のユニットから構成された鉛直な性を有する電極
は水平に分割されて複数のユニットを形成し、　ｂ）　
　これと反対の極性を有する電極は鉛直方向に分割され
て複数のユニットを形成し、Ｃ）上記両電極のうちの少
なくとも一方の電極の各ユニットはばね部材によって移
動可能である。

゛なお１．隔膜に接触していない電極ユニット間にスペ
ーサ］が配置される方が有効である。

′二：：、二、、ｌ：！ｔ＃ＩＩｊ□ＪＭＴＫ［”Ｃ６
Ｊ：。４□。。

を有している。多重分割によって移動可能になった電極
とばね部材との組み合わせによって、電解槽の運転中は
何時でも電極間の最小臨界間隔を保つことが出来る。こ
のような組み合わせを行なうことによって、小さな製作
公差を維持するために電極及び電極フレームｉと要して
いた製作費用が著しく軽減される。そして更ξと電解槽
における高さの制限が事実上解除される。というのは、
発生したガスが各電極間のギャップから排出されてガス
の１積が避けられるからである。

【図面の簡単な説明】

第１図は水平方向に分割された陰極プレートを有する電
極フレームの正面図、第１ａ図は第１図におけるＩ−１
線断面図、第１ｂ図は鉛直方向及び水平方向に分割され
た陽極を有する電極フレームの正面図、第１Ｃ図は第１
ｂ図における電極フレームの上面図、第２図は第１ａ図
における符号Ａで示された部分の拡大図、第６図は水平
方向に分割された陰極と鉛直方向に分割された陽極並び
にばね部材から成る移動可能な電極アセンブリの上面図
、第４図は１１０図における符号Ｂで示された部分の移
動可能な陽極の上面図である。 なお図面に用いられた符号において、 （１）・・・・・・・・・・・・スペーサ（２）・・・
・・・・・・・・・陰極プレート（３）・・・・・・・
・・・・・陽極プレート（４）・・・・・・・・・・・
・隔膜 （５）・・・・・・・・・・・・電解液入口（６）・・
・・・・・・・・・・ガス−電解液混合物出口（７）・
・・・・・・・・・・・ばね部材（８）・・・・・・・
・・・・・給電線（乃・・・・・・・・・・・・電極フ
レームである。 代理人　上屋　勝 Ｉ　　常包芳男 ｌ　　杉浦俊貴 （自発）手続補正書 １．事件の表示 昭和５８年特許願第１１４９９７号 事件との関係　　特許出願人 名　称　（９１２）メタルゲゼルシャフトアクチェンゲ
ゼルシャフト５０７−

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　複数のユニットから構成された鉛直な電極を有す
   る隔膜電解槽において、 ａ〕　一方の極性を有する電極は水平方向に分割されて
   複数のユニットを形成し、 ｂ）これと反対の極性を有する電極は鉛直方向に分割さ
   れて複数のユニットを形成し、Ｃ）上記両電極のうち少
   な（とも一方の電極の各ユニットはばね部材によって移
   動可能であるように構成されていることを特徴とする鉛
   直な電極を有する隔膜電解槽。 ２、隔膜に接触していない上記電極のユニット間に、ス
   ペーサが配置されていることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の隔膜電解槽。 ３、上記スペーサは発生したガスを電極間のギャップか
   ら排出するための案内部材として形成されていることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項又は第２項記載の隔膜
   電解槽。 ４、上記鉛直方向のユニットζこ分割された電極におい
   ては、上記ばね部材がガス排出装置として形成きれてい
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第６項
   のいずれかに記載の隔膜電解槽。 ５、電解液収容室内の側方に配置されたガス排出部材を
   備えていることを特徴とする特許請求の範囲第１項ない
   し第４項のいずれかに記載の隔膜電解槽。