JPS59226186A - 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】 本発明は、陽イオン交換膜を用いた塩化アルカリ水溶液
の電解槽に関するものであシ、更に詳しくは電極と陽極
室と陰極室とを分離する隔壁とを電気的及び機械的に接
合するリプの構造が投影開口率２０〜６０チの範囲内で
あることを特徴とする複極式電解槽に関するものである
。

陽イオン交換膜を隔膜として食塩水溶液の電解を行ない
、塩素及び苛性ソーダを製造する方法は公知である。陽
イオン交換膜を用いる電解方法は、陰極で生成する苛性
ソーダ水溶液中に混入する食塩の量が極めて少なく、ま
だ水銀法やアスベスト隔膜法などに比較して公害原因も
なく、近年になって特に注目されてきた方法である。

陰極室で得られる苛性ソーダ水溶液の濃度及び電流効率
を高めるために陽イオン交換膜の開発。

改良がなされ、最近では５０’ｗｔ％以上の苛性ソーダ
水溶液を９０チ以上の高い電流効率で得ることができる
。また、パーフルオロカーボン重合体を基材とした陽イ
オン交換膜が開発され、現在一部では商業化されている
。

一方、近年、エネルギー節約の重要性が世界的に認識さ
れつつあシ、この点において電解電力を極力少なくする
こと、即ち、電解槽での電解電圧を極力低下させること
が強く望まれている。

これまでの電摺電圧を低下させる目的で発生するガスを
電極の背面に抜は易くするために、エキスバンドメタル
、バンチトメタル、金網状などの多孔性電極を使用した
シ、あるいは陽イオン交換膜の組成９交換基の種類を特
定化する等の種々の手段が提案されている。一方、電摺
電圧を低下させる手段としては、液の循環、気液分離構
造、極間の減少等の電解槽構造も提案されている。

また、近年更に、省エネルギーの見地から電極間距離が
実質的にゼロであり、膜に密着一体化した状態で電解す
る方法としてｓｐｇ法（ＳｏｌｉｄＰｏｌｉｍｅｒ　Ｅ
ｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ　Ｐｒｏｃｅｓｓ）とよばれる技
術が、例えば特開昭５３−１０２２７８号等で開示され
ている。

同じく省エネルギーの面から電力消費量の一層の低下が
望まれ、例えば特願昭５５−９２２９５゜特願昭５６−
６１２４８号等に開示されるように、鉄よシも低い水素
過電圧を有する陰極の開発も種々なされている。

しかし、これらの活性陰極を用いる場合、陰極室の構成
金属として炭素鋼を使用すれば、苛性ソーダ水溶液中の
鉄イオン濃度が短期的に極端に増加する現象が認められ
る。この現象は更に、高温。

高アルカリ濃度指向という厳しい電解条件下においては
、一層顕著に現われる。

従って、陰極室の構成金属としては高ニツケル含有のス
テンレス・スチール更にはニッケルそのものが、あるい
は視点を変えて導電機能が要求されないフレーム部等に
はプラスチックスが考えられる。

陽イオン交換膜を用いる電解槽は、現在フィルタープレ
ス型の単極式及び複極式が実用槽とじて主流である。

構造上は、単極式の場合単位槽毎に給排型が外部との接
続とによルなされる為、複雑かつ単位槽の電圧が高くな
るのに対し、複極式の場合は、単位槽間の給排型が直接
接続によシなされるため、単純かつ単位槽の電圧が低い
という特徴がある。ただし後者の複極式の場合、単位槽
間の給排型の為の接続は陽極側隔壁である一般にはチタ
ンと陰極側隔壁である一般には炭素鋼、ステンレス・ス
チール、ニッケル等との間でなされるため、工夫が必要
である。具体的には、ネジ込み式、爆着方式。

波数溶接方式、連続対状シーム溶接方式等が採用される
。

複極式では、それぞれの極室における隔壁と電極との接
続はリプを介して行われる。リプはその厚みあるいは数
を増やせば導体抵抗が減少し、かつ均一な電流分布を蝋
極面に実現させることになるが、他方、極室内の濃度分
布を生じせしめることにもなり、その結果電流あるいは
濃度の分布の均一が実現できる実験室的規模の電槽を用
いて得られる良好なる膜性能即ち低電圧と高電流効率が
大型化実用電槽では再現できなくなる。従って、リプの
構造や設置には、斯様なることを前提として最適なる設
計基準が必要である。本発明者らは、この問題点を解決
すべく検討を重ねた結果、陽イオン交換膜を隔膜とする
ハロゲン化アルカリ複極式電解槽において、隔壁とフ稼
との接合リプの投影開口率を規制することにより、高濃
度の苛性ソーダ水溶液が高い電流効率で得られるという
知見を得て本発明を完成したものである。

即ち、本発明は、陽イオン交換膜を用い、陽極室と陰極
室に区分された塩化アルカリ水溶液の複極式電解槽にお
いて、隔壁と電極との接合リプの投影開口率を極室の垂
直断面積に対し２０〜６０％の範囲とすることを特徴と
する複極式電解槽を提供するものである。

以下本発明の１実施態様として複極式電解槽の例を図面
に基づいて説明する。

第１図は、複極式電解槽の構造を示す見取図である。ま
た第２図は、本発明による極室の垂直断面図である。

第１図において、１は隔壁固定用の額縁状陽極室枠であ
シ、２は陽極室薄板隔壁であシ、３は隔壁より陽極へ電
気を導くためのリプであり、４は陽極であシ、５は塩水
の給液ノズルであり、６は電解発生塩素ガス及び陽極室
液の排出ノズルであシ、１〜６はいずれも対塩素耐食性
金属のＴ１あるいはＴ１合金を基材とし、７は隔壁固定
用の額縁状陰極室枠であシ、１１は純水又はアルカリ金
属水溶液の給液ノズルであり、１２は電解発生水素ガス
及び陰極液の排出ノズルであシ、７〜１２はいずれも対
アルカリ金属耐食性金属で、例えばニッケルあるいはス
テンレス・スチールを基材としている。

第２図において、８は陰極室薄板隔壁であシ、４は陽極
であシ、１０は陰極であり、９及び３は本発明の隔壁と
”電極を接合するためのリプである。

第１図に示した複極式電解槽の所定の個所に食塩水、純
水（又は希薄アルカリ金属水溶液）を供給しつつ電解を
行なった場合、イオン交換膜全通過してきた電流は、陰
極→陰極室リプ→陰極室隔壁→シーム溶接部→陽極室隔
壁→陽極室すプ→陽極そして次のイオン交換膜へと流れ
る。陽極では陽極反応が起とシ塩素ガスが発生する。該
電極と陽イオン交換膜は実質的に近接構造となっている
ため、電解発生ガスは膜と電極の間に滞留することなく
電極の後方に速やかに排出され、極室上部の排出ノズル
よシ陽極液と共に電槽外に排出される。陰極では陰極反
応により水素ガスとアルカリ金属水溶液が生成する。生
成物はほぼ陽極室と同一の流動状態で上部排出ノズルよ
り電解槽外に排出される。

次に、本発明の電解槽に用いる各要素の関係を詳しく説
明する。

陽イオン交換膜としては、その官能基がカルボン酸基又
はスルホン酸基又はそれらの混合膜等の通常使用される
膜でハイドロカーボン系の陽イオン交換膜であってもパ
ーフルオロ系の陽イオン交換膜であってもよい。更に、
膜の両表面が平担かつ平滑なる膜であってもよいが、好
ましくは膜の両表面又は片面が粗面化されたシ、あるい
は微細なる多孔層を保有するものが良い。陽極としては
通常使用されるチタン基体上に例えば常用の白金族金属
か又はそれらの合金又は白金族金属の酸化物を塗布、焼
結して用いるのがよい。陰極としては、白金族金属、ニ
ッケル、コバルト、クロム又はこれらの合金金属を用い
るか、又はニッケル。

ステンレス・スチール、鉄系金属の基体上に低い水素過
電圧を有する金属被覆をメッキ法又は溶射法等によシ施
こして用いることが好ましい。

両極室の電極形状はエキスバンドメタル、パンチトメタ
ル、ワイヤーメツシュ等の気体透過性と液体透過性を保
持せしめた多孔体であシ、イオン交換膜に接する側の電
極面は機椋加工等によシ平担かつ平滑な面にした上で電
気的９機械的にリブに十分接続されていることが必要で
ある。

電極の寸法に関しては少なくとも片方の極室の電極はフ
ァイン形状が好ましく、望ましい態様としては開口率が
３０〜７０％で、厚みα１〜２％、幅つまり開口部の周
より最隣接開口部の周への最短距離が６％以下であるこ
とが特に好ましい。陽極リプに接合された陽極と陰極リ
ブに接合された陰極とが陽イオン交換膜を間にして可及
的に該膜の厚みに近づくようセットして運転する場合、
電極面の一部が膜に接触しても強く該膜を押しつけるこ
となく、従って膜に機械的ダメージを与えることなく安
定した性能を続けることができる。該ファイン電極の寸
法や形態は図に見られる電極のみに限定されたものでは
ない。

極室枠の幅は、陽極室及び陰極室のそれぞれにおいてイ
オン交換膜に面する電極表面より電解液に接する隔壁表
面までの間隔によっておよそ決まる。

該間隔は、電極と隔壁とを電気的に接続するリブの電気
抵抗による電圧降下量を小さくするためには狭いほど好
ましいが、電解発生ガスが電解液よりの離脱を容易にす
るという制限もあシ望ましい間隔は１５〜４０鴫である
。極室枠の材質には陽極枠はチタンあるいは少量のパラ
ジウムを含んだチタンであり、陰極枠はニッケル、ステ
ンレス・スチール、鉄系金属である。

第２図は、本発明の隔壁と電極を接合したリブをよるｐ
Ｈ濃度分布、供給塩水の食塩濃度分布等は該リブの投影
開口率が大きいほど好ましく、少なくとも２５係以上必
要であることを見いだした。また該リブは電気を電極か
ら隔壁に排電する導電体として作用するため、投影開口
率が大きすぎると電気抵抗が犬きくな・シ、電解槽の電
圧低減を意図すれば望ましくない。また電力損失は電流
の２乗となるために、投影開口率を６０係以上とするこ
とは極めて不利となる。した拳って好ましい該リブの投
影開口率は２０〜６０チであシ、最も好ましい態様は２
５〜４０チである。

また、１０は陰極であシ、′９は陰極室側のリブである
。陰極液の苛性ソーダ濃度分布は該リブの投影開口率が
大きいほど好ましく、少なくとも２５係以上必要である
ことを見いだした。該リブも陽極室側のリブと同じ作用
として、電極への電気の給電作用をするため投影開口率
を大きくする。ことは電気的に不利であるが、陽極室側
のリブと異なり７０係以上となることは極めて不利とな
る。したがって好ましい該リブの投影開口率は２５〜６
０チであシ最も好ましい態様は２５〜４０チである。

これらリブの材質としては陽極室側の“リブはチタンで
あり陰極室側のリブはニッケル、ステンレス・スチール
又は鉄系金属である。

これらリブの形状は円形打抜形、半円形切取り形。

フラットバー形、又はＬ型サポート取付のリブ形状等で
あり特に限定されるものはない。ただ可能な限り、開口
率を電槽上下方向において均一に分布させておくことが
望ましい。

２は陽極室の隔壁であシ、８は陰極室の隔壁である。隔
壁の厚さは実質的には陽極側と陰糧側の隔壁の厚さの和
となシ良好な平担面を実現するには厚いほど好ましいが
、電解槽を軽量化する観点から６Ｘ以下である。また陽
極側及び陰極側それぞれの隔壁の電気的９機械的接合は
全面に実施する必要はなく、陽イオン交換膜の有効通電
面積の１１５００〜１／１０であシ、望ましくは１／１
００〜１／２０である。

リブの数、具体的には電解槽方向でのリブ間隔は狭いほ
ど電極の重布分布が均一となシ、かつ導体損の低減にも
なるわけであるが、濃度分布からすれば望ましくないこ
とは自明である。しかし、リブにある程度の開口率を持
たせれば、即ち陽。

陰極室共２５係以上であれば、濃度分布は均一となシ、
電流あるいは濃度の分布均一が実現できる実験室サイズ
の電槽を用いて得られる良好なる膜性能即ち低電圧と高
電流動車が大型実用電槽において再現できる。

次に、本発明の電解槽の使用例を実施例によシ説明する
。

実施例１ 一辺が１２０ｃｒｎ、他辺が１２ｏｃｒｎで厚さ１．５
％のチタン板と一辺が１２０Ｃｒｎ、他辺が１２ｏｃｒ
ｎで厚さ４ｘのステンレス・スチール板とを部分的にス
ポット溶接により圧接接合して陽極室と陰極室の隔壁と
した。陽極室側の極室枠中は３０ｔＸとし、陰極室側の
極室枠中は４０％とした。板厚２ｚで格子状１５％ピッ
チで半径４．５￥ｎの円形開口部を配置した投影開口率
およそ６０係のチタン製陽極リブを隔壁の陽極側に１２
０％の間隔で取付けた。

又、板厚２％で格子状１５％ピッチで半径４．６％の円
形開口部を配置した投影開口率およそ３０％のニッケル
製陰極リブを隔壁の陰極側に陽極リプと同じ間隔で取付
けた。

陽極はチタン基材の全面に塩化ルテニウムを塗布し、５
６０°Ｃで４時間焼成して活性化した１／２インチのエ
キスバンドメタルを１／２０−ル加工した多孔性電極を
用い、陰極はニッケル製１／２インチのエキスバンドメ
タルを１／４０−ル加工した多孔性電極を陰極リプ顛ス
ポット溶接で接合した。

陽イオン交換膜としては、０Ｆ２−Ｑｙ、と。

ＣＦ２−　Ｃ！？−０−ＣＦ２−ＯＦ（ＣｕＦ２）−０
−ＣＦ２−ＣＦ、−Ｂ　Ｏ，Ｆとのモノマーを１．１．
２−　）ジクロロ−１，２，２−トリフルオロエタン中
パーフルオロプロピオニルペルオキシドを開始剤として
共重合体を得た（スルホン酸基としての交換容量はα９
１　ｍ−ｅｑ／９　）　（Ａ−ポリマー）。同様にして
、０Ｆ２−ＯＦ２と０Ｆ２−Ｃ！Ｆ−０−ａ−ｐ２−ｃ
　Ｆ（ＯＦ、）−０−ａｙ２−ａｙ２−ｃ　ｏｏ　ａｎ
３との共重合体を得た（カルボン酸基としての交換容量
は１．１ｍ−〇ｑ／９　）（Ｂ−ポリマー）。

次に、Ａ−ポリマーを４ミルの厚さで、Ｂポリマーを３
ミルの厚さでそれぞれフィルムに成型したのち、これら
のフィルムを２枚重ね合わせ熱圧着し１枚のフィルムと
し両面をサンドブラストで粗面化処理した。続いて該フ
ィルムを濃度１０ｗｔ％のＮａＯＨ／メタノール（重量
比１／１）で８０°Ｃ，６時間加水分解を行ない陽イオ
ン交換膜を得た。

次に、このようにして得られた膜、陰・＠電極を接合し
た電解枠を厚さ２ｘのゴム性ガスケットを陽極枠と１陰
極枠にそれぞれ接着し、電極と膜が密接するように順次
多槽のフィルタープレス式電解槽に組み上げ、両端にエ
ンドプレートを設置してタイロッドで均一に締め上げて
複極式電解槽とした。

そして電所槽両端のブスバーにそれぞれ直流電源を接続
し、次の条件妊よシ食塩水の電解を行なった。

供給塩水濃度　　　　２００％ 生成苛性ソーダ濃度　　３　Ｓ　ｗｔチ電流密度　　　
　　　　３０　Ａ／ｄぜ電槽温度　　　　　　　９０°
Ｃ 通電後６０日での電解性能は 電流効率　　　　　　　９２．０チ １槽当りの電槽電圧　　　五２０Ｖ であった。

比較例１ 実施例１と同じ電解槽を用い、陰極リブについてのみ半
径４．５￥ｎの円形開口部を格子状に配置し、その格子
ピッ、ｆを変えて投影開口率を１０％。

２０チ、６０％、７０チとし、実施例と同じ電解条件で
食塩水の電解を行なった。通電６０日で次の結果が得ら
れた。

リブの投影開口率（イ）　　１０　　　２０　　　６０
　　　７０電流効率　　　　←）　　　９４．６　　９
５．８　　９６．０　　９ａ８電　　圧　　（ｖｏｌｔ
）　　　　Ｎ２０　　　！Ｌ２０　　　Ｎ２７　　　＆
３０カセイソーダ濃度 フィード側　　　３１．２　　３２．０　　３ｉ８　　
’３４．［ｌ中央部　　　　　５１２　　３！Ｌ５　　
５４．５　　３４．５抜き出し側　　　３５，１　　３
４．９　　３５．０　　５５．１上表のカセイソーダ濃
度は電解槽上部より挿入したテフロンチュプの先端を電
解槽の中間部に来るようセットして採取した陰極液の濃
雇である。フィード側電解槽枠の最隣接リブとの間、中
央部は電解槽中央リブの間、抜き出し側は抜き出し側電
解槽粋の最隣接リブとの間のそれぞれである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明電解槽の組み立て図の一例を示すもので
あシ、第２図は第１図における極室の垂直断面図である
。 １・・・陽極室枠 ２・・・陽極室隔壁 ３・・・陽極リブ ４・・・陽極 ５・・・塩化アルカリ水溶液給液ノズル６・・・塩化ア
ルカリ水溶液及び電解発生塩素ガス。 の排出ノズル ７・・・陰極室枠 ８・・・陰極室隔壁 ９・・・陰極リブ １０・・・陰極 １１・・・純水あるいはアルカリ金属水溶液の給液ノズ
ル １２・・・アルカリ金属水溶液及び電解発生水素ガスの
排出ノズル 特許出願人　　東洋曹達工業株式会社

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）　　陽イオン交換膜を用い陽極室と陰極室とに区
   分された塩化アルカリ水溶液の複極式電解槽において電
   極と隔壁とを電気的及び機械的に接合するリプの投影開
   口率が極室の垂直断面積に対し２０〜６０チの範囲内で
   あることを特徴とする複極式電解槽。
2. （２）電極と隔壁とを接合するリプの構造が、円形打ち
   抜き形状、角形切取シ形状、溶接接合したフラットパー
   形状、エキスバンド形状である特許請求の範囲第（１）
   項に記載の複極式電解槽。
3. （３）陽極リプの材質がチタンであり、陰極リプの材質
   がニッケル又はステンレススチールである特許請求の範
   囲第（１）項又は第（２）項に記載の複極式電解槽。