JPS62502125A - 単極式および複極式電解槽およびこれらの電極構造体 - 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】 単極式および複極式電解槽およびこれらの電極構造体発明の説明 本発明は、単極式および複極式ダイヤフラムまたはメンプレイン電解槽、詳しく は多数の電解隔室よりなる電解槽、さらに詳しくはこれらの電流分配構造体およ びこれらの電極構造体にこの業界の専門家には周知のように、陽極室と陰極室と の間に位置するセパレーター（多孔質ダイヤフラムまたはイオン交換膜）を有す る電解槽は、電気的に結合したそして二つの電極末端構造体間に位置した一連の 中間電極構造体よりなる。電解槽の各隔室は壁で境界が定められ、これらの壁は 電流分配器および電極を支持する手段として働く、電極は通常エキスパンデッド シートまたは孔あきシートまたは有孔性シートよりなり、適当な材料、たとえば 陽極はチタンそして陰極はニッケルまたは銅、でできている。

中間の各電８ｉ！構造体は上記の壁の一つおよび適切な電極によって構成される 。

上記の電極構造体はいわゆるフィルタープレス配列状に組立て、適当な装置、た とえば引棒、ジャック、で共に押さえつける。電気接続は、特別の要件および実 際条件および経済条件を考慮して、直列または並列のいずれかにする。

接続が直列の場合、電極末端構造体への電流は同じ電極構造体に属する電流分配 面間に二極性の発生をもたらす、従って一方の面で支持されている電極は一方の 隔室の陽極であり、反対面で支持されている電極は隣接隔室の陰極である。

並列接続の場合、電流は母線に接続している一連の電気接点および上記の各壁に よって供給される。従って、電流は壁を通って縦方向に流れ、そしてその後支持 部材によって電極へ供給される。並列接続に頼ると、二つの隣接隔室を分けてい る同じ電導壁によって支持された二つの電極は、同じ極性を持つ（単極式電解槽 ）。この種の電解槽の電流分布をできるだけ均一に保つためには、電流が分布し ている壁の内部の抵抗の低下を最小にする必要がある。公知のように、不均一な 電流分布は、電力消費量を高め、電極およびメンプレインの操作寿命を短くする 。

電解槽が大きくなるにつれて、従って電流分配壁が大きくなるにつれて、不均一 な電流分布のためにさらに難しい結果が生じる：導電性のすぐれた材料は、電流 を導く壁を構成するのにたいへん好ましい、非常に都合の悪いことには、すぐれ た導電性を示す金属はしばしば腐蝕性の電解槽環境下で抵抗力を持たない、従っ て、導電性は実質的により低いが、電解槽環境下で耐えることのできる金属を用 いる：たとえば、チタンは陽ｉＦｆ！構造体用にそしてニッケルは陰極構造体用 に分けられる。その結果、母線への電気接続からより離れている電流分配壁部分 は通常、近いものより実質的により少ない電流が供給される。

順番に電流分配壁へ溶接する支持手段への電極の数回の溶接を伴う、上記電解槽 の製法には、さらに問題が生じる。

米国特許第４，４６４，２４２号では、金属シートの両側の電極の支持手段を、 スタンピング法によって得ることにより、この製造の複雑さを減じている。電流 分配壁としても働くこの金属シートは、耐蝕性材料で作らなければならず、従っ て、上記の理由のため、特定範囲内に電流分布の不均一性を保持しなければなら ないということは、スタンピングシートの寸法を厳しく制限することになる。

米国特許第４，４８８，９４６号には、両側にスタッドまたはボスを有する、電 流を導きそして分配する手段よりなり、導電性の低い安価な材料（鋼、鋳鉄等） でできた、電極構造体が記載されている。抵抗損を埋め合わせるために、構造体 はかなりの厚みを有し、鋳造することによって得られる。鋳鉄、鋼等の鋳造部材 を次に耐蝕性金属のライナーでカバーし、適当に成形しそしてスタッドまたはボ スへ電流溶接によって取付ける。

電極構造体はこのようにして得られ、これは均一な電流分布を持たらし、米国特 許第４．４６４．２４２号のように、許容される数の溶接である；しかしながら 、抵抗損を最小にするために厚みを大きくする必要があるので、各々の単一電極 構造体は非常に重く、そしてさらに確かに鋳造工程は、簡単なプレスまたはスタ ンプ工程のように、容易に行なうことができかつ経済的なものではない。

本発明は、大きな寸法のものであっても、均一な電流分布を持たらし、軽重量で ありそして簡単で経済的な工程で製造される、フィルタープレス電解槽を得るよ うにするものである。

さらに詳しく述べると、本発明の電解槽は二つの電極末端構造体、これらの電極 末端構造体の間にはさまれた少なくとも一つの中間電極構造体、電解槽を陽極室 および陰極室に分ける上記中間電極構造体の各々の側におけるセパレーター（多 孔質ダイヤフラムまたはイオン交換膜）、電解電流を電解槽へ印加するための手 段および電解槽室へ電解液を供給しそして電解槽室から電解生成物を取出すため の手段よりなり、この電解槽は、中間を極楕遺体が： ａ）　少なくとも一枚の高導電性の金属よりなる、電流を導きそして分配するコ アー、 ｂ）　上記コアーの両面上に備えたあるいは備えていない、一連の実質的に平行 な突き出たリブ；これらのリブは、一枚のまたは複数のコアーシートをコールド プレスまたはホットプレスすることによって、あるいは導電性の形材を機械的に および電気的に上記のコアーへ結合することによって得られる、Ｃ）　コアーの 各々の側における耐蝕性金属でできた一対のコールドまたはホットプレスライナ ー：これらのライナーは、コアーリブがある場合は上記リブに合うように作られ ており、コアーリブがない場合は実質的に平らであり、平行なリブがこれらに取 付けてあり：上記ライナーは、ライナーの面と実質的に平行な、突き出た外辺フ ランジ（４）を有する、ｄ）　上記ライナーに電気的に結合した実質的に平らな 電極スクリーン、 よりなることを特徴とするものである。

上記のコアー、リブ、ライナーおよび電極スクリーンは互いに電気的に結合して おり、フレーム部材は各ライナーの外辺フランジとコアーの関連した外辺部との 間にはさまれる。

電流を分配するコアーは高導電性金属（たとえばＡＮ、Ｃｕま　。

たはこれらの合金）でできたー、二またはこれ以上の金属シートよりなる。電流 を導きそして分配するコアーは三枚のシートで構成されているのが有利であり、 二枚の外側のシートは高導電性金属であり、中間のシートは他の二枚のシートよ りも弾性率が高い金属でできている。

コアーは電解槽環境に耐えうる材料でできたスタンプまたはプレスライナーで覆 う、陰イオン側に適した材料は鉄、炭素鋼、ステンレス鋼、ニッケルおよびニッ ケル合金である。陽極側では、ニッケルでできたライナーがアルカリ性溶液の存 在下で適しており、一方、より攻撃的な溶液、たとえばアルカリ金属ハロゲン化 物溶液、の場合、バルブ金属、たとえばチタン、ジルコニウム、タンタル、を使 うのが必須である。

このような電流を分配するコアーを使用すると、大きなサイズの電解槽の場合で も、十分に軽く、そして抵抗損が著しく減少したそして簡単で経済的な方法で製 造することができる、電極構造体が得られるようになる。

さらにまた、外辺フレームが導電性材料でできている場合も、電流を導くコアー 内の縦の電流通路を半分に減じることによって、均一な電流分布を得る一助にも なる。その上、フレームはガスケットのより適切な外辺シールを行なうという利 点を持たらす。

本発明の電極構造体の様々な部材の中の機械的および電気的結合は、従来の方法 に従って、特にスポット溶接または連続溶接によって行なうことができ、この種 の結合は、実施が簡単かつ容易なので、最も好ましい。

様々な部材のサイズはそれら自体限定されるものではないが、構造体の十分なが ん強さおよび電極の平面性を持たらすようなサイズに決まるであろう。

工業電解槽では、電流を分配するコアーは、適当な厚みを持つ銅またはアルミニ ウムのシートで構成されるのが好ましく、同時に耐蝕性ライナーは、陽極室には チタンでできたそして陰極室にはニッケルでできた金属シートまたは他の材料を 、コールドまたはホットプレスすることによって得る。

リブは実質的に平行でありそして等距離であって適当に間隔をおいて、たとえば １０〜１５ｃｍの距離で、離れており、実質的に垂直方向に縦に伸びている。電 流を分配するコアーの片側のリブは他の側のリブに対して喰違っていてもよい。

リブがコアーシートのコールドまたはホットプレスあるいは成形によって直接得 られない場合、リブはたとえば常温成形した導電性金属形材（たとえばコアーリ ブの場合は銅形材あるいはライナーリブの場合はチタンまたはニッケル形材、厚 みは１．５〜２ｍｇ＋）によって構成し、これを次に上記の方法でコアーまたは ライナーに結合する。

また、リブの形は全く限定されない；適当な形はたとえば、横断面が小さい方の 底が電極メツシュと接触している実質的な台形であり、たとえば幅が約３〜１０ ｚｉ＋で高さが約２０〜２５ｉ＋ｍのものである。リブが金属形材よりなる場合 、リブは実質的にＬ形、Ｌ形または台形の横断面を有するのが有利である。

電極構造体は液体および気体を通過しうる有孔性構造体である０通常、この電極 構造体は少なくとも金属スクリーンまたはエキスパンデッドメタルシートから構 成されている。当業界で周知のように、この電極構造体に適した材料は以下の通 りである： 陰極二鉄、炭素鋼、ステンレス鋼、ニッケル、およびニッケル合金 陽極：アルカリ性溶液の場合二ニッケル；より攻撃的な溶液、たとえばアルカリ ハロゲン化物溶液、の場合：バルブ金属、たとえば白金族金属および／またはこ れらの化合物、好ましくは酸化物、を含有する電気触媒的にコーティングで被覆 されたチタン、ジルコニウム、タンタル前述のように、本発明の電極構造体は単 極式並びに複極式電解槽の両方に使用しうる。単極式電解槽の場合、電流を分配 するコアーの反対側に位置するライナーおよび適当な電極メッシ。

が同じ材料でできているのは明らかであり、複極式電解槽の場合は異なっている 。この後者の場合、たとえば、適当に活性化されたまたはされないニッケルまた は鋼でできたライナーおよびメツシュは、陰極側で用いられ、そしてチタンエキ スパンデッドシートおよびより細かいチタンメツシュスクリーンは陽極側で用い られ、メツシュおよびシートは共に適当に活性化されているかまたはされていな い。

本発明の特徴は、リブをコアー上に設けない場合、ライナーに取付けた垂直リブ はライナー外辺フランジと一定の間隔を保ち、そして開放部を上記リブの末端に 設けて、発生したガスと共に上方へあがる電解液が、リブによって形成された路 に添って下方へ少なくとも部分的に再循環するようにすることである。

電解液の内部循環はこのようにして活性化されることになる。

本発明の電極構造体はさらにＳＰＥ電解槽でも使用でき、この電解槽では電極を 非常に微細な粉末の形で、電解液として働くイオン交換膜に結合または埋め込む 、この場合、電極およびリブに結合したメツシュ間の電流の伝導は、適当な電流 を導く弾性部材によってもたらされる。

本発明の電解槽は工業的な電解を行なうのに適しており、特にカリ溶液の電解に よる水素および酸素の製造におよび塩化ナトリウム溶液の電解による塩素、水素 および苛性ソーダの製造に有利である。

以下に本発明のいくつかの好ましい具体例について記す、しかしながら、これら の具体例は、本発明を限定するものでないことは無油のことである。以下の図面 を参照して本発明を説明する。

第１図は、リブを一枚の高導電性金属シートのみからなる、電流を導きそして分 配するコアーの、常温成形によって得る、好ましい具体例の水平横断面図である 。

第２図は、電流を分配するコアーが、構造体を補則する働きをする中間シートに 取付けた高導電性金属の二枚の常温成形シートでできており、コアーをその後耐 蝕性の導電性材料でできた適当に成形したライナーで覆い、各々のリブを喰違い にした、本発明の別の具体例の分解水平横断面図である。

第３図は、各コアーシートのリブが背中合わせに一致し、コアーが共に結合した 二枚のシートによってでできている。別の具体例の分解水平横断面図である。

第４図は、リブが電流を分配するコアー上に固定された常温成形形材よりなる、 本発明の別の具体例を示す。

第５図は、第２図の構成部材を具体的に示す、本発明の電極構造体の部分的な分 解透視図である。

第６ａ図および第６ｂ図は、各々突き出たリブをライナーに取付け、そして電解 液の再循環を助けるために開放部を上記リブの端に設けている、本発明の別の具 体例の正面図および水平横断面図を示す。

図中、同じ参照番号は同じ部材または相当する部材を示す。

第１図において、電流を導きそして分配するコアー１は、金属の種類およびシー トの厚みに従ってコールドまたはホットプレスすることにより適切に成形し、両 側で喰違いそして反対になっているリブ２を得る。単極式および複極式電解槽の 場合において各々、同じ材料でまたは異なる材料で（これらの材料はいずれの場 合も電解槽環境に耐えるものである）できた二つのコールドまたはホットプレス ライナー３は、たとえば溶接によって、リブ２の頂部にそしてそれらの外辺フラ ンジ４に対応させてフレーム５の形の金属部材上に固定する。

二つの外辺フランジ４（水を封じる表面材としても働く）、電流を分配するコア ー１の外辺端およびコアー１とライナー３との間にはさまれた二つのフレームに よって形成されるアセンブリーは各々、電極構造体を補則する作用をする。フレ ーム５は導電性材料でできており、従って、これらは電流を分配するコアー１の 電流分配をさらに改良する。電流はこのようにコアーの端全体にそって供給され るので、電流の路は半分に実質的に減少する。

その上、ガスゲットの完全な外辺シールが得られ、これは米国特許第４，４８４ ，２４２号に記載されているシールよりももっと効果的である。

電極メツジュロはリブ２上に取付けられ、電解槽が単極式かまたは複極式かどう かによって、同じまたは異なる材料でできている。

第２図は、電流を導きそして分配するコアーが、実質的に平らで硬質のシート７ およびシート７に取付けた高導電性の金属（Ｃｕ、Ａｊ！等）でできた薄い常温 成形シート１で構成されている、電極端構造体および中間型８ｉ！構造体を示す 、を流を導くコアーは、第１図に示すように、フレーム５上に固定した外辺フラ ンジ４を有するライナー３によづて保護される。

参照番号６は電極メツシュを示し、一方番号８は、適切なガスケット９を有する 、陽極室と陰極室との間にはさまれたセパレーター（イオン交換膜または多孔質 ダイヤフラム）を示す。

第３図は、本発明の別の具体例の二つの代表的な電極中間構造体を示す、電流を 導きそして分配するコアーは、二枚のシート１を結合すると、反対側のリブ２が 一致するように成形した二枚のシート１でできている。二枚のシートの間に、第 ２図に示すような平らな中間シートを置いてもよく、これは補強作用をなし、導 電率がより低くても（たとえば炭素鋼）あるいは不活性材料（たとえばプラスチ ック材料）であっても、二枚のシートよりも高い弾性率の金属で作る。第３図に 示す他の部材は第１または第２図のものに相当する。

第４図は本発明のまた別の具体例を示すものであり、ここではリブ１０は、Ｌ形 （第４ｂ図）または台形（第４ａ図）の横断面を有する、そしていずれかの公知 の方法によって電流を導きそして分配するコアー７に電気的に結合した、常温成 形形材によって作られている。

ＡＩｌまたはＣｕのようなすぐれた導電性を示す材料でできたリブｌＯの形が限 定されないのは明らかであり、ここに示すものと異なっていてもよい、また、リ ブの数も限定されない：しかしながら、これらは、電極の適当な機械的支持、均 一な電流分布およびアセンブリーの適切な強度を持たらすような十分な数でなけ ればならない。

第２図の中間電極構造体を電極メツジュロを支持するためのリブ２がはっきり見 える第５図の透視図で説明する。上記リブは実質的に平行でありそして垂直方向 に伸びている０部材１１によって、電流を導きそして分配するコアー７へおよび 大きな横断面を有する導電フレーム５へ供給される電流は、怒知しうる抵抗損な しで、リブ２へそしてその後電極６へ、均一に分配される。

第６ａ図および第６ｂ図は、電流を導きそして分配するコアー１が、たとえば銅 でできた、単一の平らなシートで構成される、本発明の別の具体例を示す、ライ ナー３はトレーの形をしており、その端は適当なフランジ４を有している。上記 ライナー３の底に、横断面が台形のリブ１０’が取付けである。上記リブ１０′ の端は、開放端部とするためにフランジ４から一定の距離を保っており、発生し たガスと共に上方向へあがった電解液が、リブ１０′の下方で形成された台形横 断面を有する路を通って下方向へ再循環するようにする。電解液の内部循環はこ のように改良される。

第６ｂ図では、コアーとライナーとの間の電気的および機械的結合を図解し、そ れらの結合を数字１２で示す、これらの結合はスポット溶接で行なうのが有利で ある。

Ｆｉｇ、　Ｉ　Ｆｉｑ、　２ Ｆｉｇ、　３ 国際調査報告 ＡＮＮＥＸＴｏ’ｌ＝ＥｒｌＩｒｒＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬＳＥＡＲＣＨＲＥＰＯ ＲＴｕＮ

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. １．二つの電極末端構造体、これらの電極末端構造体の間にはさまれた少なくと も一つの中間電極構造体、電解槽を陽極室および陰極室に分ける上記中間電極構 造体の各々の側におけるセパレーター（多孔質ダイヤフラムまたはイオン交換膜 ）、電解電流を電解槽へ送るための手段および電解槽室へ電解液を供給しそして 電解槽室から電解生成物を取出すための手段よりなる電解槽において、中間電極 構造体が： ａ）少なくとも一つの高導電性の金属シートよりなる、電流を導きそして分配す るコアー（１）、 ｂ）上記コアー（１）の両面上に備えたあるいは備えていない、一連の実質的に 平行な突き出たりブ（２，１０）；これらのリブは、一枚のまたは複数のコアー シートをコールドプレスまたはホットプレスすることによって、あるいは導電性 の形材を機械的におよび電気的に上記のコアーへ結合することによって得られる 、ｃ）コアーの各々の側における耐蝕性金属でできた一対のライナー（３）；こ れらのライナーは、コアーリブがある場合はこれらのリブ（２，１０）に合うよ うに作られており、あるいはコアーリブ（１０）がコアー上にない場合は実質的 に平らであり、平行なリブ（１０′）がこれらに取付けてあり；上記ライナーは 、ライナーの面と実質的に平行な、突き出た外辺フランジ（４）を有する、ｄ） 上記ライナー（３）に電気的に結合した実質的に平らな電極スクリーン（６）； 上記コアー（１）、リブ（２，１０；１０′）、ライナー（３）および電極スク リーン（６）は互いに電気的に結合しており、フレーム部材（５）は、各ライナ ー（３）の外辺フランジ（４）とコアー（１）の外辺部との間にはさまれている 、よりなることを特徴とする上記の電解槽。
2. ２．リブ（２，１０；１０′）が実質的に平行であり、実質的に等間隔に配置し てあり、そして実質的に垂直方向に縦に伸びていることを特徴とする、請求の範 囲第１項記載の電解槽。
3. ３．コアーシートのコールドプレスまたはホットプレスによって得たりブ（２， １０）の断面が実質的に台形であることを特徴とする、請求の範囲第１項または 第２項記載の電解槽。
4. ４．電流を導きそして分配するコアー（１）がこれらに取付けたリブを持たず、 垂直リブ（１０′）がライナーに取付けてある場合、これらの垂直リブ（１０′ ）の末端は開いておりそして各ライナー（３）の外辺フランジ（４）から一定の 間隔を保っていることを特徴とする、請求の範囲第１項記載の電解槽。
5. ５．導電性リブ（２，１０；１０′）が常温成形金属形材よりなることを特徴と する、請求の範囲第１，２または４項記載の電解槽。
6. ６．リブ（２．１０；１０′）を形成する常温成形金属形材の横断面がＬ形、Ｕ 形または台形であることを特徴とする、請求の範囲第５項記載の電解槽。
7. ７．電流を導きそして分配するコアー（１）が単一シートでできていることを特 徴とする、前記の請求の範囲のいずれかに記載の電解槽。
8. ８．電流を導きそして分配するコアー（１）が二枚の高導電性金属で構成されて いることを特徴とする、前記の請求の範囲のいずれかに記載の電解槽。
9. ９．電流を導きそして分配するコアー（１）が三枚のシートで構成され、二枚の 外側のシートは高導電性金属であり、そして中間のシートは他の二枚のシートよ りも高い弾性率を有する金属でできていることを特徴とする、請求の範囲第１〜 ６項のいずれかに記載の電解槽。
10. １０．ライナー（３）が電流を導きそして分配するコアー（１）に溶接によって 取付けられていることを特徴とする、請求の範囲第１〜９項のいずれかに記載の 電解槽。
11. １１．電流を導きそして分配するコアー（１）の両側のライナー（３）が、単極 電解槽に用いるときは、同じ材料でできていることを特徴とする、前記の請求の 範囲のいずれかに記載の電解槽。
12. １２．電流を導きそして分配するコアー（１）の両側のライナー（３）が、複極 電解槽に用いるときは、異なる材料でできていることを特徴とする、請求の範囲 第１〜１０項記載のいずれかの電解槽。
13. １３．ライナー（３）が、陰極室に対してはニッケルまたは鋼、そして陽極室に 対してはチタンでできていることを特徴とする、請求の範囲第１１または１２項 記載の電解槽。
14. １４．ライナー（３）の外辺フランジ（４）と電流を導きそして分配するコアー の外辺部との間にはさまれたフレーム（５）の形の部材が導電性の材料でできて いることを特徴とする、前記の請求の範囲のいずれかに記載の電解槽。