JPS5964786A - 単極式イオン交換膜法電解槽 - 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、塩化アルカリ金属水溶液を電解し、塩素、水
酸化アルカリ金属、水素を製造するための単極式フィル
タープレス型イオン交換脱法電解槽に関する。

イオン交換脱法電解槽は、イオン交換膜がシート状であ
るため、多数の単位セルを並べて両端よシ締め付けた、
いわゆるフィルタープレス型屯解槽が一般的である。そ
して、この単位セルのそれぞれに電極リードを設け、並
列に給電する単極式フィルタープレス型電解槽が従来よ
シ多数知られている。イオン交換膜の底流効率、電圧等
の性能および製品水酸化アルカリ金属の純度等はイオン
交換ｌ摸を通過する電流密度および′電解液の濃度分布
によって大きく影響されるので、イオン交換膜を通過す
る電流密度は可及的に均一化されていなければならない
。従って、単位セル毎に並列に給電する単極式電解槽で
は、′電流分配機構等を設け、セル間、セル内の電流密
度の均一化を図っているが、装置が複雑となるために、
１１尤解槽の製造、組み立てが煩雑となり、価格が上昇
するという欠点を有していた。

本発明の目的は、容易に製造、組み立てができ、しかも
安価であり、且つ、電流密度分布および電解液濃度分布
の良好な電解槽を提供することにある。斯る目的を達成
するために、本発明は、下部および上部に電解液および
電解生成物の給排液ノズルが設けられている額縁状陽極
室枠および該陽極室枠の両面にガスケットを介して配置
され、且つ、一方の側部が陽極室枠の側部の外側に伸び
出している多孔陰極平板から成る陽極ユニットと、下部
および上部に電解液および電解生成物の給排液ノズルが
設けられている額縁状陰極室枠および該陰極室枠の両面
にガスケットを介して配置され、且つ、一方の側部が陰
極室枠の側部の外側に伸び出している多孔陰極平板から
成る陰極ユニットとをイオン交換膜を介して交互に多数
配列し、その両端に端板を配置して両側から締付は枠に
より締め付けた単極式イオン交換脱法電解槽を提供する
ものである。

端板は、外形寸法が室枠の寸法に等しく、厚みが数ｍｍ
の板状物で、両端の陽極室および／又は陰極室を構成す
るだめの隔壁として作用する。端板に隣接する陽極ユニ
ットおよび／又は陰極ユニットは、多孔陽極平板又は多
孔陰極平板を両面に有さすに、イオン交換膜に接する面
のみに有していれば十分である。

端板は陽、１タユニツトに隣接してもよいし、陰極ユニ
ットに隣接してもよいが、陽極ユニットに接する場合は
、耐塩素性を有しなければならず、材質が限定され且つ
高価になるので、陰極ユニットに隣接させた方が好まし
い。陰極ユニットに隣接する場合は、端板の材質として
、例工ば、軟鋼ステンレス６Ｎ　、ニッケ／ｌ／等の金
属、ポリエグ−レン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル
、ポリテトラフロロエチレン等の種々のプラスチックが
何の制限もなく用いられる。しか【７、陽極ユニットに
接する場合は、金属ではチタニウム等の薄膜形成金属に
、プラスチックではポリテトラフロロエチレン、ホリフ
ツ化ビニリデン等のフッ素系樹脂に制限される。

多孔陽極平板（又は多孔陰極平板）とは、平板に円形、
債円形、正方形、長方形、十字形等の開口部を設けた陽
極（又は陰極）で、開口部は額縁状室枠の中空部に対応
する部分に設けてあればよい。孔の製作はパンチング加
工によるのが一般的であり、開口部の形状はパンチング
加工し易い円形が好ましい。孔径は、０．５〜６ｍｍ、
好ましくは１〜５洞であり、開孔率は、１０〜７０係、
好ましくは１５〜６０％である。孔径、開孔率が、あま
り小さすぎると、ガス抜けが悪くなり、また、あ１り大
きすぎると、陽イオン交換膜の電流密度が不均一になる
ので好ましくない。

多孔陽極平板（又は陰極）の上下方向の寸法は、額縁状
室枠のそれと等しく、巾方向の寸法は、額縁状室枠のそ
れよりも長く、多孔陽極平板（又は陰極）の一方の側部
は、額縁状室枠の側部よりも外方向に伸張しており、電
源に接続するためのフレキシブルリード等が接続できる
ように、加工されている。陽極の側部と陰極の側部とは
互に反対方向に伸張している方が、セル内電流密度の均
一化および電源からのリードの取り付は易さの点で好ま
しい。多孔平板の厚みは、簡単に変形したり、破損した
りしない程度の強度を保つために、０．５〜３．０咽程
度が好寸しい。必要以上に厚すぎても価格が高くなるだ
けであり、また、あまり薄すぎると、断面の電気抵抗が
大きくなり、電解槽の巾方向に電流密度差が生じるので
、０．８〜２．０ｍが好寸しい。

多孔陽極平板としては、塩化アルカリ金属水溶液電解の
陽極として一般に使用されているものは何の制限もなく
使用できる。即ち、例えば、チタニウ台、タンタル、ジ
ルコニウム、ニオブ等の薄膜形成金属を基材とし、その
表面の少くとも一部に白金族金属酸化物を主体とする陽
極活性物を被覆した陽極が使用される。陽極活性物は、
多孔陽極平板の陽極どして作用する３１％分、即ち、額
縁状室枠の中空部に対応する部分のみに被覆］７ておい
てもよいが、ガスケットと接している電解液シール部分
にも被覆しておくと、基材チタニウムの隙間腐食がおこ
らないので好ましい。捷た、室枠の外側に伸張し７てい
るリード接続部にも１り極薄性・吻を被覆しておくと、
基材チタニウムとフレキシブルリードとの接触抵抗が小
さくなるので好寸しい。しかし、多孔陽極平板の電解液
シール部、電極リード部に設ける被覆層の厚みは、非常
に薄くて十分である。

多孔陰極平板としては、経済性および耐食性の面から、
軟鋼、ステンレス鋼、ニッケル等が用いられる。これら
の材料を用いて作成した多孔陰１ゲ平板にエツチング又
はサンドブラスト等を施して表面ｆｙｔを増加させたも
の、あるいは、表面の少くとも一部にラネーニッケル、
酸化ニッケル、ロダンニッケル等の陰極活性物を被覆し
た電極も才た好ましい。

額縁状室枠は、下部に電解液の供給ノズルを１本又は２
本以上有し、上部に電解液および電解生成物の排出ノズ
ルを１本又は２本以上有する。これらのノズルｔ」１、
フレキシブルホースＶこよって電解液供給ヘッダーと電
解液および電解生成物排出ヘッダーにそれぞれ接続され
、電解液および電解生成物の供給・排出゛に供される。

このような外部ヘッダ一方式の給排液は、電解槽内部に
共通管路と汐道を設けた内部給排液方式に比較し、各単
位セルへの均一給液が容易であり、目一つ、電解液通路
の閉塞が生じ難く、電解４１ｉ内の電解液の濃度分布を
均一化できるので好ましい。また、塩化アルカリ金属水
溶液の電解では、陰極液がカセイアルカリ、陽極液が塩
素含有塩化アルカリ水溶液という腐食性の激しい液であ
り、且つ、これらの液に対する防食材料が全く異なって
いるので、陰−陽極液の内部リークを完全に防電しなけ
ればならない。内部給排液方式では、内部リークが起こ
り易く、１１つ、その発見が困難であるのに対し、外部
ヘッダ一方式は、内部ＩＪ−りが起こりｙ准＜、＋４Ｌ
つ、運転開始前に各単位セルのリークのイイ２＋１を検
査できるので好址しい。史に、塩素、水先等のガス状市
渭生成物を電解液と共に気液混相で排出する＠企、市）
弄槽内の液面が変動し、排出省内がプラグｖｌｊとなり
、磁極室内の圧力が変動し、ｆｉｌ’；７　ｏ！：れを
起こし易い。このような現象を防止１゛るためには、特
開昭５６−５９８８号公報に提案されている如く、排出
ノズルを磁極室内に突き出させることが必要となるが、
外部ヘッダ一方式は、斯る子役を採用し易いので好まし
い。

室枠の厚みは、ノズルが設けられ、且つ、十分な強１反
を・Ｈすれば別に制限されず、一般に０．５〜５．０　
ｃｍ　、好ましくは１．０〜２．　Ｏｃ、Ｍである。鎮
イー＋昔トの［１］は、電解Ｉ夜を７−ルするに十分な
１ｔ」があればよく、１．０〜５．０　ｃｍ　％好まし
くは２．０〜３．０αである。中空部の「１」ば、１５
〜５０帰が好ましく、炉にＩ）（ましくば２０〜３０α
である。中空部の＋ｉＪを１−記の如く短かくすること
により、電極のｒｌｊも短かくなり、復雑な亜流分配機
構を設けずに、電極板の片倶［に直」妾リードを接続す
るだけで、電極内の電圧降下が十分小さく、セル内ｒｄ
流密度分布も均一となるう中空部の巾をＬ記の如く短か
くするので、通電面積を犬きくするために、中空部の高
さ（徒なるべく１燗（ハ万が好ましく、少くとも５０Ｃ
ｒｎ以−ヒ、好寸しくばｌ　ｔ）　０〜１５０αあった
方がよいっこのような縦長、ｌ【槽は、敷地面積が小さ
くなり、Ｎ「る短点からも好ましい。

額縁状室枠の材質は、軍、培液およびＦｌｊ解生酸生成
物して１「Ｆ１性があり、７０〜９０℃の山；Ｍ　’！
Ｗ１取においても変形せずに十分な強度をイテし、且つ
、安価なものでちれば何でイ、よい。

４４を室枠の材質としては、例之−げ、チタン等のン専
１１体形戎４ン属ポリテトラフロロコー了−レン、ポリ
フッ化ビニリデン等のフッＩ系イ１１脂、ポリ塩化ビニ
ル等が好゛ましい。陰極室枠の材質としてＱ；ｌ：、例
えば、上記陽極室枠の４」′直に加えて、金属としては
、軟鋼、ステンレス鋼、ニッケル等が、グラスチックと
しては、ポリプロピレン、ポリエチレン等が使用でキル
。

ガスケットは、額縁状室枠と醒極間に、および必要に応
じて゛電極とイオン交換ＩＶＡ間に、電解液をシールす
るために配置６１されている。

従って、ガスケットは弾力性を有していなければならず
、その形状は、額縁状室枠と同一である。陽極液と接す
る陽極室ガスケットの材質としては、塩素ガスに耐性の
ある相貫でアレハよく、例えば、クロロプレンゴム、フ
ッ素ゴム、シリコンゴム等が好ましい。隘極液と接する
陰＠ｌ室ガスケットの材質としては、例えば、エチレン
／フロピレンゴム、クロロプレンゴム、ブチルゴム、フ
ッ素ゴム−λ１１７；　カ好ましい。′また、ガスケッ
トは補強布で民打ちされ°Ｃいてもよい。ガスケットの
厚みは、電解液を完全にシールするに足る厚みがあれば
よく、硬度によって異なるが、通常０５〜３０馴程度で
ある。

本発明に用いられるイオン交換１莫としては特に限定は
なく、一般に塩化アルカリ金属水溶液に１吏用されるも
のがすべて用いられる。

イオン交換基としてはスルホ／酸型、カルボン酸型ある
いはスルホン酸アミド型等いずれでもよいが、アルカリ
金属輸率のよいカルボン酸型、またはカルボン酸とスル
ホン酸との組み合わせ型が最適である。この場合、スル
ポン酸基の存在する側を陽極面に、カルボン酸基の存在
する側を陰極面に（−て用いるのが最も好ましい。樹脂
母体としては、フロロカーボン系の樹脂が耐塩素性の面
で優れている。

また、強度向上のために布、網等で裏打ちしてあっても
よい。

これらの端板、額縁状陽極室枠、多孔ｌ＄極平板、額縁
状陰極室枠、多孔陰極平板、イオン交換膜、ガスケット
類を決められた順序通りに並べ、両側より締付は枠によ
って締付け、電解槽を組み立てる。締付は枠は、金属で
もプラスチックでもよいが、強度上および価格上、軟鋼
又はステンレス鋼が好ましい。締付は手段に特に制限は
なく、例えば、ボルト締め、油圧ユニット、水圧ユニッ
ト等が使用される。

次に図面を用いて本発明を更に具体的に説明する。しか
し、本発明はこれらの図面のみに限定されるものではな
い。

第１図は電解槽主要部品の組み立て順序を示す斜視図で
あり、第２図は電解槽の組み立て図である。第１図、第
２図において、図中番号はそれぞれ対応しておシ、同一
番号のものは同一物を示す。

第１図において、１は、額縁状陽極室枠で下部に電解液
供給ノズル２を、上部に電解液および電解生成物排出ノ
ズル３を有している。

額縁状陽極室枠１の両面に陽極室ガスケット４を介して
、多孔陽極平板５が配置されている。多孔陽極平板の一
方の側部６は、額縁状陽極室枠の側部７よりも外側に伸
張しており、電極リードをボルト締めできるように、穴
８が明けられている。これらの１つの額縁状陽極室枠１
．２枚の多孔陽極平板５、および２枚の陽極室ガスケッ
ト４から陽極ユニット９が構成されている。これらの５
つの部品は、それぞれ接着されて一体物となっていても
よい。陽極ユニット９の両面に、陽極室ガスケット１１
を介在して陽イオン交換膜１０が配置されている。しか
し、陽イオン交換膜の表面が平Ｊ１１で、膜自体にシー
ル性がある場合１ｄ、この陽極室ガスケット１１はなく
てもよいレポリテトラフロロエチレン等の薄いシートを
代用してもよい。これらの陽極室ガスクーット１１も、
多孔陽極平板５に接着して、陽極ユニット９と一体化し
ておいてもよい。

次に、１２は、額縁状陰極室枠で、下部に電解液供給ノ
ズル（第１図には図示されていない。第２図の２６）を
、上部に電解液および電解生成物の排出ノズル１３を有
している。

額縁状陰極室枠１２の両面に、陰極室ガスケット１４を
介して多孔陰極平板１５が配置されている。多孔陰極平
板の一方の側部１６は額縁状陰極室枠の側部１７よすも
外側に伸張しており、′Ｉｒ：Ｌ極り−ドをボルト締め
できるように、穴１８が明けられている。これらの１つ
の額縁状陰極室枠１２．２枚の多孔陰極平板１５、およ
び２枚の陰極室ガスケット１４から陰極ユニット１９が
構成されている。陰極ユニット１９を構成するこれらの
５つの部品は、それぞれ接着されて一体化されていても
よい。陰極ユニット１９の両面に、陰極室ガスケット２
０を介在して陽イオン交換膜１０が配置されている。し
かし、陽イオン交換膜の表面が平担で、膜自体にシール
性がある場合Ｖま、との陰極室ガスケット２０も、陽極
室ガスケット１１と同様になくてもよい。

また、これらの陰極室ガスケット２０も、多孔陰極平板
１５に接着して、陰極ユニット１９と一体化しておいて
もよい。

第２図に示す如く、陽極ユニット９および陰極ユニット
１９を、陽イオン交換膜１０を介在させて交互に多数配
列し、両端に端板２１を配置し、更にその両側に締付は
枠２２を配置して、ポルト２３、ナツト２４で締め付け
ることによって、電解槽は組み立てられる。なお、端板
２１に隣接する端陰極ユニット２５は、額縁状陰極室枠
１２の片面に多孔陰極平板１５が配置されているのみで
、１つの額縁状陰極室枠１２．１枚の多孔陰極平板１５
、および２枚の陰極室ガスケットから構成されている。

額縁状陰極室枠１２の電解液供給ノズル２６は、フレキ
シブルホース２７によって陰極液供給ヘッダー２８に接
続されており、電解液および電解生成物排出ノズル１３
は、フレキシブルホース２９によって陰極液排出ヘッダ
ー３０に接続されている。また、額縁状陽極室枠１の電
解液供給ノズル２は、フレキシブルホース３１によって
陽極液供給ヘッダー３２に、電解液および電解生成物排
出ノズル３は、フレキシブルホース３３によって陽極液
排出ヘッダー３４にそれぞれ接続されている。

本発明の電解（１Ｗが適用される塩化アルカリ金属水溶
液は特に限定されないが、工業的には、塩化ナトリウム
および塩化カリウム水溶液の電解が重要である。

本発明の電解槽は、電極内での電圧降下が小さく、セル
内の電流密度分布が均一化されているので、３０Ａ／Ｍ
以上という比較的高電流密度で運転できる。また、複雑
な電流分配機構を必要としないので、製造、組み立てが
容易で価格が安い。

次に、本発明の実施例を示すが、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 ５０枚の陽イオン交換膜、２５ケの陽極ユニット、２４
ケの陰極ユニット、および２ケの端陰極ユニット等を用
いて、第１図および第２図に示した電解槽を組み立てた
。

額縁状陽極室枠および額縁状陰極室枠は耐熱性ポリ塩化
ビニルで製作し、中空部のｒＩＪは２４０ｍｍ、高さは
１２５０ｍｍ、額縁部の１〕は２５咽、厚みは１０陥と
した。

多孔陽極平板は、１３００ａ＋＋Ｘ３５０ｗｎの厚さＩ
Ｔｍｎのチタニウム板に、２關φの孔を３ｍｍピッチで
千鳥状に明け、その表向にルテニウム、イリジウム、チ
タニウム、およびジルコニウムを成分とする含酸素固溶
体を被覆することにより製作した。

多孔陰極平板は、１３００咽Ｘ　３５０　ｍｍの厚さ１
論のニッケル板に、２言φの孔を３喘ピツチで千鳥状に
明け、その表面にニッケル酸化物をプラズマ溶射法で沢
瀉することにより製作した。

なお、多孔陽極平板、多孔陰極平板共に、孔は額縁状室
枠の中空部に対応する部分のみに設けた。

陰極室ガスケットは厚さ２．５胴のエチレン／プロピレ
ンゴムで、陽極室ガスケットは厚さく）５咽のフッ素ゴ
ムでそれぞれ製作した。

陽イオン交換膜は次のようにして製作し九テトラフロロ
エチレンとパーフロロ−３，６−シオキシー４−メヂル
ー７−オクテンスルホニルフルオライドとを共重合して
、当量重量１３５００■合体（重合体１）および当量型
１代１０９０の＋ｉ重合体重合体２）を得た。

これらの重合体を加熱成型して、それぞれの厚さが３５
μ（重合体１）と１００μ（重合体２）の２層積層物と
し、更にテフロン■織布を重合体２の而より真空積層法
により埋め込んだ。該積層物をけん化して得たスルホン
酸型陽イオン交換膜の重合体１の面だけを還元処理して
カルボン酸基に変換した。

陽イオン交換膜のカルボン酸層が陰極側になるようにし
て、第２図に示した電解槽を組み立て、陽極室には、出
口の食塩濃度が１７５　ｙ／Ｌになるように、３１０ｆ
／ｌの食塩水を供給し、陰極室には、出口のカセイソー
ダ濃度が２５重瞼チになるように希薄カセイソーダ水溶
液を供給し、電解温度９０℃、電流密度：３０Ａ／／ｄ
で電解した。その結果、電流効率は９６．５　Ｔｏ、槽
［１ｆ、ＩＪＥは３．０５　Ｖであった。

【図面の簡単な説明】

第１図は電解槽主要部品の配列を示す斜視図であり、第
２図は電解槽の組み立て図である。 代理人　三　宅　正　夫　他１名

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）下部および上部に電解液および電解生成物の給排
   液ノズルが設けられている額縁状陽極室枠および該陽極
   室枠の両面にガスケットを介して配置され、且つ、一方
   の側部が陽極室枠の側部の外側に伸び出している多孔陽
   極平板から成る陽極ユニットと、下部および上部に電解
   液および電解生成物の給排液ノズルが設けられている額
   縁状陰極室枠および該陰極室枠の両面にガスケットを介
   して配置され、且つ、一方の側部が陰極室枠の側部の外
   側に伸び出している多孔陰極平板から成る陰極ユニット
   とをイオン交換膜を介して交互に多数配列し、その両端
   に端板を配置して両側から締付枠により締め付けた単極
   式イオン交換脱法電解槽。