JPS6350490A - 水素回収フイルタ−プレス型電解槽 - 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、酸化還元物質（例えば鉄等）を含む高濃度酸
溶液（例えば塩酸等）より、水素ガスの製造若しくは回
収する電解槽の構造に関する。

上記のようにして製造若しくは回収された水素ガスは、
水素エネルギとして燃料電池にみられるように、将来に
亙って非常に有望々エネルギ源として利用される。

（従来の技術及び問題点） 従来、水素ガスの工業的製法には、水電解法、コークス
のガス化、石炭の完全ガス化、石油類のガス化、天然ガ
ス、コークス炉ガス、石油精製廃ガスなどの変成、コー
クスガスよシの分離等があり、ナフサよシの製造法が今
では主に用いられている。

しかしながら、上記の各製法には、それぞれ、工程が複
雑であったシ、効率が悪かった９、また設備費や経済面
で有利でないなど徨々の問題点があった。

また、廃棄処分される、鉄等の酸化還元物質を含む高濃
度酸溶液（例えば塩酸等）又は排ガス中の水素原子を含
有する例えば硫化水素ガス等の物質を上記溶液に吸収せ
しめた溶液を、電解反応を行なうことにより水素ガスを
回収できるという知見（考え方）も、数多くのビーカー
テスト程度のもので進められているが、未だ実用化され
るには至っていない。

本発明は、上記の知見を基にして、実用化を目的とした
電解槽を提供することを目的とし、該実用化する上で、
次の各事項、即ち （＋）　　電気抵抗が極力小さいこと。

（１）　　耐酸性材料であること。

（ＩＩ＋）　　内部漏洩及び外部漏洩がないこと。

４Ｖ）　　耐久性、安全性に問題がないこと。

を技術的課題としている。

（問題点を解決するための手段及び作用）本発明は、上
記した従来技術の問題点及び技術的課題を解決するため
に、酸化還元物質を含む高濃度酸溶液を電解反応によｐ
水素ガスを回収する目的で、イオン交換膜と電極とを多
数交互に配置して外側より押え板にて圧縮する電解槽に
おいて、電極材料として厚み１〜３　ｔｎｘの炭素板と
、厚み１〜５關のカーボン繊維とを交互に組合わせたこ
とを特徴とし、第２番目の発明として、更に、上記イオ
ン交換膜の周縁部の両側に接して、弾性を有する額縁状
のスペーサを介在させ、その両側を弾性を有しない樹脂
製の額縁状のスペーサで狭むようにしたことを特徴とし
ている。

上記した技術的課題に沿って更に詳述するに、前記課題
（１）の電気抵抗を極力小さくするために、先ず構成材
料に極力電気抵抗の小さいものを使用しなければならな
いが、取扱い液が強酸性のため、余端系材料としてはチ
タン或いはチタン合金等の非常に高価な材料しか使用で
きない。そこで本発明では、（１１）も満たすため、炭
素系材料に看目し、陽極室及び陰極室の電極構成材料と
して、炭素板及び炭素繊維特に炭素フェルトを使用して
いる。

上記炭素板として、プラスチック系炭素板であるポリエ
チレン系炭素板、フェノール樹脂系炭素板或いはガラス
系炭素板を用いた電解槽について、種々電解実験を行な
った結果、何れの場合も電解性能、耐酸性に問題はなく
、使用可能材料であることが判明している。なお、上記
以外の炭素板であっても、電気抵抗、耐酸性が上記の３
種と同等若しくはそれ以上の優れた性質があれば、使用
可能材料であることはいうまでもない。パまた、イオン
交換膜と上記炭素板との間に挟み込まれる電極材料とし
ては、電気抵抗が極力小さく且つ耐酸性を有し、且つ液
及びガス透過性に潰れていることが要求される。この条
件を満たすものとして、カーボンクロス、カーボンフェ
ルト等のカーボン繊維を使用し、種々電解実験を行った
結果、上記２種のものでは、固有電気抵抗、耐酸性、液
及びガスの透過性について問題がなく、使用可能材料で
あることが判明している。しかし、該電解槽の効率を向
上させるためには、炭素板との接か抵抗及びイオン交換
膜との接触抵抗を極力小さくすることが要求されるため
、カーボンフェルトの方がカーボンクロスよりも弾性を
有しているため、電極材料としては望ましい０しかし・
上記２穐の材料以外の材料であっても、これらと同等の
性質を有していれば使用可能材料であるととはいうまで
もない。

また、上記（＋ｉｉ、）に関連して、炭素板やイオン交
換膜との接触抵抗を小さくするためには、上記電極材料
をできるだけ圧縮すれば良いわけであるが、圧縮し過ぎ
ると、液及びガスの通過抵抗が犬となるためポンプ動力
が大となシ、また外部漏洩、内部漏洩の原因となる。そ
こで本発明（第２番目の発明）では、イオン交換膜の周
縁部に接してその両側に、弾性を有する額縁状のスペー
サを介して弾性を有しない樹脂製の額縁状のスペーサで
両側を挟むようにしている。

実験の結果、上記両スペーサの厚みの合計が、電極材料
の中のカーボン繊維の厚みと同等にした場合が、高効率
で内部漏洩、外部漏洩もなく良好であシ、しかも両スペ
ーサの厚みを等しくした場合が最も良好であることがＮ
ＷＸｉされている。例えば、厚さ３朋のカーボンフェル
トを使用した場合、両スペーサの厚みを１．５５ずっと
したときが最も良好であシ、ゴム製スペーサをＬｏｗに
したとき罠は、同じ圧縮力では内部漏洩を生じるため、
圧縮力を増加させると液の通過抵抗が犬となり、しかも
！解性能も殆んど上昇しないことが分かった〇又ゴム製
スペーサを２Ｍ１！にしたときは、同じ圧縮力では接触
抵抗が悪いため極端に電解性能が落ちる結果となった。

電解性能を上げるためには更に圧縮力を増加することも
考えられるが、圧縮力の増加は圧縮設備が大規模になる
ので、いたずらに圧縮力を増加させるのは好ましくない
。又、樹脂製スペーサを２　ｆｉｇにしゴム製スば一す
を１．０朋にして則し圧縮力で電解を行ったが、同じ圧
縮力では、１．５ｍｍ（前記のもの）と１．ＯｍＨの圧
縮歪みの違いがちシｓ　　１−５ｍの方が電解効率が良
好であることが確認されている。

イオン交換膜は、耐酸性を有し一価の選択的陽イオン交
換膜であれば何れのものも使用可能であるが、実用化す
るに際しては、機械的強度が高いこと、方法安定性があ
ること、運転や保守が容易であること、安全性が高いこ
と、量産が可能で信頼性があること等が要求される。本
発明者らは、現在電気透析装置等に使用され量産化して
いる数種類の耐酸性を有する一価の選択的陽イオン交換
膜を使用し種々電解実験を行った結果、本電解槽の構造
であれば十分使用に耐えることが確認されている。

更に前記（ｆｉｔ）に対して、内部漏洩を防止すること
が本電解槽を高効率に維持する上で重要であシ、そのた
めに、内部漏洩の生じ易い、給液孔から各電極室へ液を
供給する給液溝の部分を、樹脂製スペーサの給液部に形
成した断面コの字状の給液溝とするのが望ましい。

また外部漏洩については、押え板の圧縮力を強くすれば
防げるがそのため油圧装置等の設備が膨大となシ、必要
最小限の圧縮力で締めつけることが好ましい。そこで本
発明者らは、上記の材料で構成される電解槽を、圧縮力
を種々変えて実験を行った結果、圧縮力３．５〜６匂／
ロ２、好ましくは４．０Ｋｑ／ｃｍ２で圧縮することに
より、外部漏洩がなく電解性能も良好であることが確認
されている。

（実施例） 以下に、本発明の実施例を図面を用いて説明する。

第１図は、本発明の一実施例を示す水素回収フィルター
プレス型電解槽の単セルの概略断面図である。

図において、両性側に設けられた押え板１，１の内側に
、順次接するようにして、エンドプレート２，２を介し
て、側面に銅板３を貼シ付けた炭素板４，４を、更にそ
の内側に炭素系クロス又は炭素系フェルト等の炭素系繊
維５，５を介在させ、中央部にイオン交換膜６を配置さ
せるようにして挾持し、該イオン交換膜６の周縁部の両
側に接して、ゴム製スペーサ９を介してその両側を樹脂
製スペーサ８で挾持し、全体を圧縮力３．５〜６縁／−
２好ましくは４．ＯＫ９／ｃｍ２で押圧するようＫ　４
’ｉ；￥成されている。図中、４ａは炭素板支持板、７
は陰極側のイオン交換膜６とカーボン繊維５の間に挟み
込まれた白金族触媒担持カーボンベーパ、１１は給液孔
、１２は排液孔、１３はキャリヤガスの給ガス孔、１４
は水素ガス回収孔である。

上記給液孔１１に収化還元物質を含む高濃度酸溶液〔以
下原液という〕を、また給ガス孔１３に、キャリヤガス
として、膜６の乾燥を防ぐため水蒸気を含む不活性ガス
を導入し、両電極板３，３に電圧を印加（荷電）して電
解作用を行なうと、下記のような反応が起こシ、陰極側
の回収ガス孔１４より水素ガスが発生する。

＋（ｕ＋＋）　　− 陽極側Ｍ−→Ｍ　　　十ｅ　　（Ｍ：酸化可能な金属イ
オン若しくは金属塩） ＜ｉ側　２Ｈ＋　２ｅ−＋　Ｈ２↑ また、上記実施例では、特に、熱可塑性樹脂と炭素粉と
の混合材料であるプラスチックカーボンＰＦＣ（Ｐｌａ
ｓｔｉｃ　ｆｏｒｍｅｄ　Ｃａｒｂｏｎ）に属し１プラ
スチツクとカーボンの両性質を兼備し腐蝕性や電気伝導
度が非゛常にすぐれているポリエチレン樹脂系炭素板又
はフェノール樹脂系炭素板、或いは、ガラス状カーボン
マトリックス中にカーボン系補強剤を分散し成形焼成し
た複合カーボン材で、電気伝導性に優れ耐熱性、耐薬品
性をもったガラス系炭素板が使用されている。

第２図は、本発明の電解槽を分解して示した斜視図であ
って、図中、第１図に示した符号と同一の符号は同一な
いし同類部分を示すものとする。

図において、炭素板支持板４ａの給液孔１１に連通する
樹脂製額縁状のス×−サ８の給液孔１１部に、内方に向
かう給液＠１１ａが設けられている。

該給液溝１１ａは、第３図Ｃａ）　（ｂ）に示すように
、炭素板４側に開放した断面コの字状をなしておシ、こ
れにより、イオン交換膜６のつぶれを防ぎ、且つ内部漏
洩を防いでいる。

次に１第２図に示す電解槽について具体的な実施例（作
用例）を述べる。

第２図に示す構造で厚み３朋のカーボンフェルト５を電
極材に使用し、厚み１．５ｙ＋ｘの塩化ビニル樹脂で製
作した樹脂製スペーサー８と、厚み１．５朋の天然ゴム
製のゴムスペーサー９を用いて、陰極側のイオン交換膜
６とカーボンフェルト５間に触媒として白金を担持した
カーボンは−パー７を挟みこみ、炭素板４をポリエチレ
ン系炭素板、フェノール系炭素板、ガラス系炭素板の３
種類の炭素板で、各々電極面積４３２　ｃｎｔ２で５セ
ル積層形の電解槽を製作し、両側よシ押え板１．１で圧
縮力４　Ｋ１７ｃｍ２で圧縮しながら、陽極側下部給液
孔１１より５０〜５５°Ｃに加熱した０、　８　ｍｏｌ
　／　ｔ　ＦｅＣｌ２と０、２　ｍｏｌ　／　ｔ　Ｆｅ
ＣＡ３と５．０　ｍｏｆ　／　Ｌ　Ｈｃｔの混合溶液を
給液し、かつ陰極側の上部給ガス孔１３よシ、膜の乾燥
を防ぐため２５〜４５％の水蒸気を含む不活性ガスをキ
ャリヤガスとして常圧にて＠極側へ給ガスしつつ、外部
の直流電源装置よ、９３．５Ｖ（単セル当、ｉ５０．７
Ｖ）荷電したところ、電流密度８０〜９０　ｍＡ／α２
の結果が得られ、Ｈ２ガスの発生量も、この電流密度の
はｆｉ’１００％に見合う発生量が確認できた。

（発明の効果） 以上説明したよりに、本発明によれば、電極材料として
厚み１〜３ｍｍの炭素板と、厚み１〜５ｍｍのカーボン
繊維とを交互に組合わせるようにし、更にイオン交換膜
の周縁部の両側に弾性スペーサと樹脂製スペーサとを介
在させて挟むようＫしたことＫよシ、高効率で、しかも
内部漏洩及び外部漏洩なく水素ガスを発生させることが
できる。

また、廃棄処分される前記原液（溶液）又は排ガス中の
水素原子を含有する物質（例えば硫化水素ガス等〕を上
記原液に吸収させ、その原液を本発明の電解槽で電解反
応を行わせることにより、公害防止とエネルギ（水素エ
ネルギ）回収を兼ねた設備とすることが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すフィルタープレス型電
解檀の単セルを断面で示した概念図、第２図は同じく分
解して示した斜視図、第３図（ａ）は要部平面図、第３
図（ｂ）に同図（ａ）のＡ部を拡大して示す側面図であ
る。 １：押え板　２：エンドプレート　３：銅版４：炭素板
　５：炭素系フェルト　６：イオン交換膜　７：白金担
持カーボンベーパ　８：樹脂製スペーサ　９：ゴム天ス
Ｒ−サ　１１：給液孔１１ａ　：給液溝　１２：排液孔
　１３；給ガス孔１４：回収ガス孔。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、酸化還元物質を含む高濃度酸溶液を電解反応により
   水素ガスを回収する目的で、イオン交換膜と電極とを多
   数交互に配置して外側より押え板にて圧縮するようにし
   た電解槽において、電極材料として厚み１〜３ｍｍの炭
   素板と、厚み１〜５ｍｍのカーボン繊維とを交互に組合
   わせるようにしたことを特徴とする水素回収フィルター
   プレス型電解槽。 ２、上記炭素板が、プラスチック系炭素板又はガラス系
   炭素板からなつている特許請求の範囲第１項記載の水素
   回収フイルタープレス型電解槽。 ３、上記カーボン繊維が、好ましくは厚み３ｍｍのカー
   ボンフェルトからなつている特許請求の範囲第１項記載
   の水素回収フィルタープレス型電解槽。 ４、酸化還元物質を含む高濃度酸溶液を電解反応により
   水素ガスを回収する目的で、イオン交換膜と電極とを多
   数交互に配置して外側より押え板にて圧縮するようにし
   た電解槽において、電極材料として厚み１〜３ｍｍの炭
   素板と厚み１〜５ｍｍのカーボン繊維とを交互に組合わ
   せ、上記イオン交換膜の周縁部の両側に接して、弾性を
   有する額縁状のスペーサを介在させ、その両側を弾性を
   有しない樹脂製の額縁状のスペーサで狭むようにしたこ
   とを特徴とする水素回収フィルタープレス型電解槽。 ５、上記弾性を有する額縁状のスペーサの厚みと樹脂製
   の額縁状のスペーサの厚みとの合計が、カーボンフェル
   トからなるカーボン繊維の厚みと同等となつている特許
   請求の範囲第４項記載の水素回収フィルタープレス型電
   解槽。 ６、上記押え板が電解槽の両側から圧縮力３．５〜６．
   ０ｋｇ／ｃｍ＾２好ましくは４ｋｇ／ｃｍ＾２で圧縮さ
   れている特許請求の範囲第４項又は第５項記載の水素回
   収フィルタープレス型電解槽。 ７、上記樹脂製の額縁状のスペーサには、断面コの字状
   の給液溝が設けられている特許請求の範囲第４項ないし
   第６項の何れか１項記載の水素回収フィルタープレス型
   電解槽。