JPS608310B2 - 電解槽用電極 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〈技術分野〉 本発明は電解槽用の電極、特に単極型電解槽用の電極に
関する。

〈背景技術〉 電解槽の電圧は３つの主要要素、すなわち全体的な槽内
反応に要する運動力学的電位、効力学的制約から生じる
電極過電圧及び電解槽電圧に対する抵抗の影響の和であ
る。

所望の特定工程に対してエネルギー要求を低減する主な
道は電極の活性化により所望の反応に対する過電圧を低
減することと設計を改善して抵抗損失地濠することであ
る。 ＼、抵抗損失には２種
類あり、そ机ま電解質中の電流の通過に対する抵抗を反
映したイオン抵抗損失と、電解槽の電流搬送金属素子内
の電流の通過に対する抵抗を反映した電子抵抗損失であ
る。

複極型電解槽の設計において、イオン抵抗の影響が遥か
に重要であり、その理由は金属素子内の電流径路が通常
非常に短いためである。しかしながら単極型の設計の装
置においては、通常各電極から鞠流移送体へ電子流が移
動されるため、電子抵抗損失が重要となる。電解槽のイ
オン抵抗を制御する設計において、特に重要な点が２つ
ある。

それはアノード及びカソード電極素子間の距離の最４・
にすることと、電極間に保留されると電解質の固有抵抗
を増大してしまう生成ガスの量を最小にすることである
。後者の条件はガス分離素子ないし膜を有する糟におい
て、特に重要である。その理由はガスが分離器内やその
表面上に累積してその抵抗値を高めるからである。イオ
ン抵抗値を最小限とするためのこれら２つの条件を満す
ための広く採用されつつある設計方法は、有孔前暦電極
Ｐｒｅ‐ｅｌｅｃｔｒｏｄｅを使用することである。

ここで言う所の前層電極（プリェレクトロード）とは、
電流移送導体である集電体の前面に集電体と接続されて
設けられた電極であって、前層電極の表面において電極
反応が起こり、それによって生成されたガスは前層電極
をすり抜けて移動できるような形状に作られる。

従って生成ガスは保留することなく電極附近より排除さ
れる。集電体はこの前直電極からの電流を集めて移送さ
せるための装置である。典型的な前暦電極形状は有孔板
、伸展金属板及び編組金属布である。いろいろな有孔構
造が考えられそれには発泡状金属上の溝付板も含まれる
。さまざまの設計において支持材なしに使用できる充分
な強度を有し且つ電極周辺において電流移送構造に直接
取りつけることのできる材料から製作したこの種の有孔
前層電極を使用できる。

その一例は１９６ｇ王９月９日付カナダ国特許第８２２
６６２号に開示されている。しかしながらこれらの前暦
電極は工業用単極型電解槽に必要とされる電流移送能力
を有していない。所望の機械的目的を達成するために電
極の一部として支持構造を使用するのが望ましいことを
何人かの発明者が認識するにいたつた。

例えば１９７６年１２月２８日付カナダ国特許第１００
２４７６号には前鷹電極内部に薄い波型構造を使用して
スプリング効果を与え、電解槽組立中に可榛性を与えな
がらアノード／セパレータ／カソードアレイの圧縮を改
善することが開示されている。１９８位玉９月２３日付
カナダ国特許第１０８６２５６号にはダイアフラム材が
真空下で電極表面上に配置されている時に前直電極を支
持する目的で同様な内部構造を使用することが開示され
ている。

しかしながらこれらの電極の内部支持構造は電流移送構
造には接続されておらず、特に重要なことは工業用単極
型電解槽に必要な１０００〜１００００Ａ以上の電流を
運ぶようには設計されていない。前贋電極素子はいよい
よ集電体例えば１９７８王１０月２４日付カナダ国特許
第１０４１０４び号‘こ開示された単極設計のロッドも
しくは等価構造、もしくは１９６８王４月２３日付米国
特許第３３７９６３４号に開示された複極型電解槽装置
内の成型複極板に取りつけられる。

しかしながらこれらの電極設計は電解槽には適せず、そ
の理由はそれらが電極の上に有効にガスの除去を行わな
いためである。米国特許第４００８１４３号の電極構造
は２個の間隔のとられた有孔前暦電極と各有孔電極に別
々に取りつけられ有孔前層電極間の空間に配置されて電
解質が有孔前暦電極間を上向きに流れる空間を残すよう
にされた複数個の導電性ロッドを有している。しかしな
がら電解槽は前層電極が１０００〜１００００Ａ以上の
電流を運ぶようにするには多数の導電性ロッドを必要と
し、そのため有孔前暦電極間のガスの循環が著しく制約
される。〈発明の要約） 従って次の特徴を有する電解槽用の電極を提供すること
が本発明の目的である。

ａ 電極表面の外面上に形成されたガスを電解液の自然
の浮力のを利用して電極構造の内部から電極構造の上部
へと有効に除去して電解槽電圧へのイオンの影響を低減
する。

ｂ 電子抵抗損失を最小としながら各電極から電流を移
送する。

ｃ 圧延、型打及び溶接等のローコスト技術により要易
に製作できる経済的電極を提供する。

ｄ ニッケル電気メッキその他の耐腐蝕性被覆を行うこ
とにより電解質の腐蝕から高信頼度で且つ経済的に保護
できる通常の表面を有する構造の低コスト材を使用でき
る。ｅ 生産能力の単位当りサイズを最小とする為の電
解槽の設計に従った薄い形状を有する。

本発明による電解槽用の電極の構成は集電体部分と前層
電極部分より成っている。

この集電体は少なくともその一方の面に複数の凸部を有
し、かつ集電体は電解槽中に垂直に置かれる。一方の前
層電極は、集電体の少なくとも１方の面の凸部において
固着された多孔性電極で、実質的に平面状である。集電
体の表面に凹凸部を設けることにより、生成ガスは妨げ
られることなく電極の上部に上昇できるようになってい
る。集電体は、電解槽の垂直方向に波条（コルゲーショ
ン）を設けた板とし、このような波型の凸部峰に前鷹電
極が固定されていることが望ましい。

〈発明の実施態様〉第１図及び第２図にガス放出電極１
０を示し、そのァノードもしくはカソードは集電体１２
を有しその両側に前置電極１４が取りつけられている。

隣接電極からの反対極性のイオン電流は矢印Ａで示すよ
うに前暦電極構造に直角な電極へ流れ、電流は矢印Ｂで
示すように集電体１２により前瞳電極から移送される。
前層電極は通常編組スクリーン、伸展金属もしくは孔を
打ち抜いた板であるが、ガスがその内部を通過できるも
のであれば、他のどの様な孔を打ち抜いた板や多孔性構
造のものでもよい。

集電体は図示するように波型となった固体、成型金属片
であるが、経済的方法で形成でき且つ放出ガスを妨げず
に電極頂部に上昇できるいかなる構造も発明の範囲内に
入る。

前層電極は集電体の凸部において集電体に取りつけられ
て実質的に平面状の前層電極面を形成し、その前層電極
面において電気化学反応が生ずる。

取りつけは溶接、ねじもしくは他の機械的接続臭、もし
くは電極とセパレータ部間に作用する圧力によって行う
ことができる。集電体は電極から電流を移送する素子に
取りつけなければならない。

この取付けは溶接、ボルトもしくはリベット接触等によ
り連続的なものとするか、もしくは数箇所の点で適正な
導体に取りつけることができる。後者の場合バー１６で
示すようにもう一つの導電材を集電体１２に取り付ける
ことにより垂直方向における電流の均等化を助けさらに
抵抗損失を低減することができる。いかなる特定の電解
槽の設計においても、本発明の電極パラメー外ま構造内
の抵抗損失、構造材のコスト及び最大及び最小電極厚さ
に対する詳細な電解槽の設計により課される物理的制約
を考慮した最適化により達成される。

驚くべきことに電流密度が１０００ｈＡ／のまでのガス
放出において７５伽までの電極高さに対して０．１６肌
の深さの波型Ｃで充分であり（第２図）、電流密度を増
大しても電解槽のイオン抵抗係数の増大は検出されず発
生するガスは電極構造の内部へ有効に移送されることが
判った。しかしながら波型の深さは０．１伽以下にはな
らないものと思われる。波型の最大深さは電解槽サイズ
の実際上の制約により達成され、３弧よりも深い波型は
望ましくないものと思われる。集電体の厚さ○（第２図
）は電極から移送される電流量に応じて０．０４〜１．
５肌の間とすることができる。

波条の間隔Ｅ（第２図）すなわち均一構造の凸部の間隔
は集電体の経済的形成に従って最少限なものとされる。
これは前層電極の抵抗損失を最少限とする必要からであ
る。波型の間隔は０．０４〜１．５伽の厚さを有する集
電体に対しては０．７〜１５伽とすることができる。集
電体の他の寸法は詳細な最適化により達成して資本の償
却を含む総運転コストを最少限とすることができる。

その様な最適化をする電極のパラメータの主なものは次
の通りである。すなわち集電体を形成する材料の厚さ、
電極の幅及び電流移送に使用する詳細方法に応じて電流
均一化すなわち移送バー１６及び電極高さの寸法である
。第３図及び第４図に側面において電流が均一に移送さ
れる電極の典型的な最適化を示す。アノード及びカソー
ドは同じ設計とする。集電体の電子抵抗によるセル電圧
への寄与（第３図）は集電体材料の厚さの増大もしくは
電極幅の低減と共に低滅する。このような電圧の影響は
応用電気化学ジヤ ー ナ ル （ ＪｏｍＭ１ ｏ
ｆ ＡｐｐｌｉｅｄＥｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｓｔび）
８（１９７母年）第５４９〜５５５頁に記載されたアー
ル・オー・ロートフイ（Ｒ．０．山ｕｔ＆）及びアール
・ェル・レロィ（Ｒ．Ｌ．戊Ｒｏｙ）の方法により明確
に計算することができる。それに示された結果において
は、構造材が軟鋼であり、７０ｑ０において突き出した
前層電極の電流密度は２４仇ｈＡ／のと仮定している。
第４図は典型的な最適化を示し、この場合現在の欧鋼価
格及び＄０．０３／ＫＷｈ当りの電力コストを仮定して
いる。最適電極厚は電極幅の増大と共に増大することが
判る。もちろんこのような計算により示される最適値は
電解槽の全体寸法、電流移送方法等に関する考慮に塞い
て修正することができる。本発明の形成された集電体は
電極体の圧縮等の機械的目的に使用されている従来技術
に示された形成された構造とは無関係である。

本発明の電極は１０００〜１０００船以上を運ぶように
設計されており、鯖済的結果を得るには電流移送方法の
正確な仕様が重要である。同様にこのような電流負荷に
より放出される大量のガスは妨げられずに電極を自由に
上昇して頂部から排出しなければならない。従来技術で
はこれら２つの目的は達成されない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従った電極の透視図、第２図は第１図
の電極の一部の平面図、第３図及び第４図は側面におい
て電流が均一に移送される電極に対する最適化曲線であ
る。 参照符号の説明、１０…ガス放出電極、１２・・・集電
体、１４・・・前暦電極、１６・・，バー。 Ｆ！Ｇ．ｌＦＩＧ．２ＦーＧ．３ ＦＩＧ．４

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 電解槽用電極において、 （イ）該電解槽中に垂直に配置される成形金属板であっ
   て、しかも該垂直方向に波条が作られた該成形金属板と
   、（ロ）前記成形金属板の少なくとも一方の面に設けた
   前記波条の波形の凸部に固着されて実質的に平面状の前
   置電極面を形成する多孔性電極とを有し、前記波形の深
   さは前記金属板と前記前置電極面との間で生成ガスが妨
   げられることなく前記電極の上部に上昇するように選ば
   れ、さらに前記電解槽用電極は、（ハ）前記金属板の１
   つの垂直縁から電流を移送する装置とを有する電解槽用
   電極。 ２ 特許請求の範囲第１項において、前記金属板の垂直
   縁から電流を移送する装置は前記垂直縁に固着された電
   流均一化の為のバーを有することを特徴とする電解槽用
   電極。 ３ 特許請求の範囲第１項もしくは第２項において、前
   記金属板の波形の深さは０．１〜３ｃｍの間であること
   を特徴とする電解槽用電極。 ４ 特許請求の範囲第１項もしくは第２項において、前
   記金属板の厚さは０．０４〜１．５ｃｍであることを特
   徴とする電解槽用電極。 ５ 特許請求の範囲第１項もしくは第２項において、前
   記金属板の波条の間隔Ｅは０．０４〜１．５ｃｍの厚さ
   を有する前記金属板に対しては０．７〜１５ｃｍである
   ことを特徴とする電解槽用電極。