TWM466926U - 電解單元及電解槽 - Google Patents

Description

電解單元及電解槽

本創作係關於一種電解單元及電解槽。

所謂鹼金屬鹽電分解(以下稱為電解)係使鹽水等鹼金屬氯化物水溶液電分解而製造高濃度之鹼金屬氫氧化物、氫、氯等之方法。作為該方法，可列舉利用水銀法或隔膜法之電解，近年來，主要採用功率效率較佳之離子交換膜法。於離子交換膜法中，使用隔著離子交換膜而並列有多個包括陽極及陰極之電解單元之電解槽進行電解。電解單元具有安裝有陰極之陰極部、與安裝有陽極之陽極部隔著隔離壁(背面板)而背對背地配置之構造(例如參照專利文獻1)。

於電解中，藉由將鹼金屬氯化物水溶液供給至陽極室，將鹼金屬氫氧化物供給至陰極室，來進行電解，而於陽極室生成氯氣，於陰極室生成鹼金屬氫氧化物或氫氣。

[先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本專利特開2001-64793號公報

且說，電解單元中，於該電解單元上部設置有用以排出所生成之氣體或液體之氣液排出室。於該氣液排出室，經由形成於與陽極室及陰極室之間隔構件中之孔，而於氣液混相之狀態下使液體及氣體流入至該氣液排出室。於此種構造中，氣液經由孔而流入至氣液排出室 且排出至電解單元外時，有產生因電解單元內之壓力變動而產生振動、進而導致離子交換膜破損等問題之虞。尤其係若於電解槽中以大於4kA/m² 之電流密度運作，則振動變得極大，由此產生離子交換膜之損傷，故而難以長時間穩定地運作。

本創作係為解決上述課題而完成者，其目的在於提供一種可抑制因壓力變動所導致之振動的電解單元及電解槽。

本發明者等人為解決上述課題而反覆進行努力研究，結果發現藉由於電解單元中，在將陽極室及陰極室與氣液排出室連通之部分設為特定構造，可容易地使氣液分離，且可減少因電解單元內之壓力變動所導致之振動，而完成本創作。

即，本創作之電解單元之特徵在於：其係包括陽極室之陽極部與包括陰極室之陰極部隔著隔離壁配置而成者，且於陽極室及陰極室之上部，設置有將導入至陽極室及陰極室之電解液與混入於該電解液中之氣體分離的氣液排出室，氣液排出室藉由間隔構件而與陽極室及陰極室隔開，陽極室及陰極室中之至少一者與氣液排出室係藉由配置於氣液排出室並且立設於間隔構件之筒狀構件而連通。

於一實施形態中，筒狀構件自間隔構件之高度可設為20mm~65mm。

本創作之電解槽之特徵在於：隔著離子交換膜而串聯連結有2個以上之上述電解單元。

根據本創作，可抑制因壓力變動所導致之振動。

1‧‧‧電解槽

3‧‧‧電解單元

5‧‧‧離子交換膜

7‧‧‧按壓器

9‧‧‧陽極端子

11‧‧‧陰極端子

20‧‧‧陽極部

21‧‧‧陽極

22‧‧‧陽極側電解液供給部

23‧‧‧陽極室

24、35‧‧‧氣液排出部

25‧‧‧陽極側電解液導入噴嘴

26、37‧‧‧氣液排出室

27、38‧‧‧間隔板(間隔構件)

28、39‧‧‧筒狀構件

29‧‧‧阻隔壁

30‧‧‧陰極部

31‧‧‧陰極

32‧‧‧陰極側電解液供給部

33‧‧‧陰極室

34‧‧‧集電板

36‧‧‧陰極側電解液導入噴嘴

40‧‧‧隔離壁

D1、D2、D3‧‧‧間隔

圖1係模式性表示一實施形態之電解槽之圖。

圖2係表示連結有電解單元之狀態之一部分之剖面圖。

圖3係表示電解單元之前視圖。

圖4係表示電解單元之剖面構成之圖。

圖5係表示電解單元之立體圖。

圖6係自上方觀察氣液排出部之圖。

以下，參照隨附圖式對本創作之較佳之實施形態詳細地進行說明。再者，於圖式說明中，對同一或相當要素標註同一符號，並省略重複之說明。以下之本實施形態係用以說明本創作之例示，並非旨在將本創作限定於以下內容。又，隨附圖式表示實施形態之一例，並非將形態限定於此進行解釋者。本創作可於其主旨之範圍內適當地變化而實施。再者，只要未特別聲明，圖式中上下左右等位置關係係基於圖式所示之位置關係者，圖式之尺寸比率並不限定於圖示之比率。

圖1係模式性表示一實施形態之電解槽之前視圖。圖2係表示連結有電解單元之狀態之一部分之剖面圖。如圖1及圖2所示，電解槽1係藉由按壓器7將複數個電解單元3隔著離子交換膜5串聯連接而構成之複極式離子交換膜法電解槽。於電解槽1中，於位於兩端之電解單元3中之一者連接有陽極端子9，於另一者連接有陰極端子11。

如圖2所示，電解槽1中之電解係藉由在電解單元3之陽極室23(於下文敍述)、與鄰接之電解單元3之陰極室33(於下文敍述)之間之離子交換膜5處分離而進行。例如鈉離子自電解單元3之陽極室23通過離子交換膜5而移動至鄰接之電解單元3之陰極室33，電解過程中之電流沿串聯連結之電解單元3之方向流動。

離子交換膜5並無特別限定，可使用公知者。例如於藉由鹼金屬氯化物等之電分解製造氯及鹼金屬之情形時，就耐熱性及耐化學品性等優異之觀點而言，較佳為含氟系離子交換膜。作為含氟系離子交換膜，可列舉具有使於電解時產生之陽離子選擇性地透過之功能且包括 含有離子交換基之含氟系聚合物者等。此處所謂之含有離子交換基之含氟系聚合物係指含有離子交換基、或可藉由水解而成為離子交換基之離子交換基前驅物的含氟系聚合物。例如可列舉包含氫氟碳之主鏈、含有可藉由水解等轉換為離子交換基之官能基作為懸垂側鏈、且可進行熔融加工之聚合物等。

繼而，對電解單元3進行說明。圖3係表示電解單元之前視圖。圖4係表示電解單元之剖面構成之圖。圖5係表示電解單元之立體圖。如圖3及圖4所示，電解單元3包括陽極部20、陰極部30、及將陽極部20與陰極部30(陽極室23與陰極室33)隔開之隔離壁40。陽極部20與陰極部30電性連接。再者，於以下說明中，將圖3中之左右方向設為電解單元3之橫方向，將圖4中之左右方向設為電解單元3之寬度方向。

再者，本實施形態之電解單元3既可為不使陰極與離子交換膜接觸而進行電解之有限間距電解單元，亦可為使陰極與離子交換膜接觸而進行電解之零間距電解單元。若為零間距電解單元，則陽極係設為剛性相對較強、即便壓抵離子交換膜、變形亦較少之構造，僅使陰極側為柔軟之構造，且設為如吸收因電解單元之製作精度上之公差或電極之變形等所導致之凹凸而保持零間距般之構造。因此，於陽極室框內包括陽極，於陰極室框內包括陰極、隔墊(mattress)、集電體。於集電體與陰極之間包括隔墊。

[陽極部]

陽極部20構成為包括陽極21、陽極側電解液供給部22、由陽極側電解液供給部22供給電解液之陽極室23、及設置於陽極室23之上部之氣液排出部24。再者，陽極部20亦可於陽極室23內設置有隔板。陽極21設置於電解單元3之一側面側，可使用在鈦基材之表面被覆有以釕、銥為成分之氧化物之所謂DSA(Dimensionally Stable Anode，尺寸穩定性陽極)等金屬電極。

陽極側電解液供給部22將電解液供給至陽極室23。再者，供給至陽極室23之電解液例如為鹼金屬氯化物水溶液。陽極側電解液供給部22配置於陽極室23內之下部。陽極側電解液供給部22例如可使用於表面具有開口部之管道(分散管)等。陽極側電解液供給部22連接於將電解液導入至電解單元3之陽極側電解液導入噴嘴25。藉此，自陽極側電解液導入噴嘴25導入之電解液經由陽極側電解液供給部22而被供給至陽極室23。

於使用分散管作為陽極側電解液供給部22之情形時，其內徑並無特別限定，就減少壓力損失，且沿橫方向均勻地供給電解液之觀點而言，較佳為20~30mm。分散管較佳為沿電解單元3之寬度方向配置。又，分散管之截面面積較大時可抑制分散管中之壓力損失，且可將電解液之流量維持得更均勻。就該觀點而言，作為陽極側電解液供給部22之分散管之內徑較佳為20~30mm，更佳為22~28mm。

氣液排出部24設置於陽極室23之上部，且包括氣液排出室26。氣液排出部24具有將於電解過程中在陽極室23產生之氯氣等生成氣體與電解液分離之功能。氣液排出室26係藉由利用間隔板(間隔構件)27與陽極室23隔開而形成。於氣液排出室26中配置有筒狀構件28。

筒狀構件28係將陽極室23與氣液排出室26連通之構件。如圖3~5所示，筒狀構件28例如為圓筒狀之管道，且立設於間隔板27。筒狀構件28之長度(高度)距間隔板27為20mm~65mm左右。若筒狀構件28之長度短於20mm，則沿筒狀構件28之側面向下流動之距離變短，因此，氣泡未充分地得到拉伸，消泡效果減小。又，若筒狀構件28之長度長於65mm，則由於接近於排出口上端，因此，有壓力損失變大、振動變大之虞。

又，筒狀構件28更佳為配置於將陽極室23與氣液排出室26連通之所有孔處。於局部地配置筒狀構件28之情形時，有液體或所產生之 氣體主要自未配置之部分排出、而成為單向流動之狀態之虞。

圖6係自上方觀察氣液排出部之圖。如圖6所示，筒狀構件28設置於以間隔D3配置之阻隔壁(rib)29之間，且沿電解單元3之橫方向配置。阻隔壁29彼此之間隔D3例如為125mm左右。筒狀構件28隔開間隔D1而並列設置。間隔D1例如為30mm左右。於中間隔著阻隔壁29而配置之筒狀構件28、28彼此之間隔D2例如為35mm左右。

筒狀構件28較佳為於陽極部20(氣液排出室26)設置30~100個。若設置之筒狀構件28多於100個，則強度下降，故而不佳。又，筒狀構件28之內徑(形成於間隔板27之孔之直徑)較佳為5mm~30mm左右。若筒狀構件28之內徑過小，則壓力損失變大，若筒狀構件28之內徑過大，則強度下降，故而不佳。筒狀構件28之內側面之形狀(孔之形狀)可設為圓形形狀、四邊形形狀等，並無特別限定。

再者，筒狀構件28係設為未突出至陽極室23內(筒狀構件28未進入至陽極室23內)之構造。於為筒狀構件28突出至陽極室23內之構成之情形時，產生氣體滯留於相較筒狀構件28之入口更靠上部之位置，故而不佳。

進而，無需於筒狀構件28中設置孔、或於筒狀構件28上部(出口側)安裝網。例如雖可藉由於筒狀構件28安裝網，而使氣泡碰撞至網，從而於某程度上消除氣泡，但由於該效果較小，故而無需設為此種形狀。又，因網等而導致流路之截面面積變小，結果，壓力損失變大，振動變大，故而不佳。

[陰極部]

陰極部30構成為包括陰極31、陰極側電解液供給部32、由陰極側電解液供給部32供給電解液之陰極室33、集電板34、及設置於陰極室33之上部之氣液排出部35。陰極31設置於電解單元3之另一側面側，可列舉於鎳基材上塗佈有鎳、氧化鎳、鎳與錫之合金、活性碳及 氧化物、氧化釕、鉑等之陰極等。作為其製造方法，可列舉合金鍍敷、分散、複合鍍敷、熱分解、噴敷及其組合等。

陰極側電解液供給部32將電解液供給至陰極室33。陰極側電解液供給部32配置於陰極室33之下部。陰極側電解液供給部32與陽極側電解液供給部22同樣地，例如可使用於表面具有開口部之管道(分散管)等。陰極側電解液供給部32連接於將電解液導入至電解單元3之陰極側電解液導入噴嘴36。藉此，自陰極側電解液導入噴嘴36導入之電解液經由陰極側電解液供給部32而被供給至陰極室33。

再者，於使用分散管作為陰極側電解液供給部32之情形時，其內徑並無特別限定，就減少壓力損失，且沿橫方向均勻地供給液體之觀點而言，較佳為5~15mm，更佳為6~14mm。與陽極部20同樣地，陰極部30之分散管較佳為沿電解單元3之寬度方向配置，例如有存在靠近陰極側電解液導入噴嘴36之開口部、及距陰極側電解液導入噴嘴36較遠之開口部之情形。於該情形時，可藉由以使於各開口部流動之電解液之液量相等之方式進行控制，而將電解單元3之寬度方向之濃度分佈維持得更均勻。又，分散管之截面面積較大時可抑制分散管中之壓力損失，且可將電解液之流量維持得更均勻。就該觀點、及通常陰極室33設計得小於陽極室10之觀點而言，陰極室33之分散管之內徑較佳為5~15mm。

集電板34沿陰極31配置。集電板34係用以提高陰極31之集電效果者。集電板34可使用公知者，較佳為包括導電性較高之金屬。

氣液排出部35設置於陰極室33之上部，且包括氣液排出室37。氣液排出部35具有將於電解過程中在陰極室33產生之氫氣等生成氣體與電解液分離之功能。氣液排出室37係藉由利用間隔板38與陰極室33隔開而形成。於氣液排出室37中配置有筒狀構件39。

筒狀構件39係將陰極室33與氣液排出室37連通之構件。筒狀構 件39例如為圓筒狀之管道，且立設於間隔板38。筒狀構件39之長度(高度)距間隔板38為20mm~65mm左右。若筒狀構件39之長度短於20mm，則沿筒狀構件39之側面向下流動之距離變短，因此，氣泡未充分地得到拉伸，消泡效果減小。又，若筒狀構件39之長度長於65mm，則由於接近於排出口上端，因此，有壓力損失變大、振動變大之虞。

筒狀構件39具有與陽極部20之筒狀構件28相同之構成，較佳為於陰極部30(氣液排出室37)設置30~100個。

隔離壁40配置於陽極室23與陰極室33(陽極部20與陰極部30)之間。隔離壁40有時亦稱為分隔件(separator)，且係劃分陽極室23與陰極室33者。關於隔離壁40，可使用公知者作為電解用之分隔件，例如可列舉焊接有於陰極側包含鎳、於陽極側包含鈦之板之隔離壁等。

於先前之電解單元中，為將於陽極室或陰極室產生之氣體或者電解液排出至氣液排出室，而於氣液排出室之下端(上述間隔板27、38)形成有孔。於先前之電解單元中，成為經過該孔而將氣體或液體排出至氣液排出室之構造。於此種構造中，可能產生因電解單元內之壓力變動而產生振動、進而導致離子交換膜破損等不良情況。尤其係於以大於4kA/m² 之電流密度使電解槽1運作之情形時，振動變得極大，難以使電解槽1長時間穩定地運作。

相對於此，於本實施形態中，於氣液排出室26、37中設置有筒狀構件28、39，陽極室23及陰極室33與各氣液排出室26、37藉由筒狀構件28、39而連通。如此，藉由經由筒狀構件28、39，將生成氣體及電解液自陽極室23及陰極室33排出至氣液排出室26、37，而於沿筒狀構件28、39向下流動時拉伸氣泡，因此，可獲得除去氣泡之消泡效果(可將氣液分離)，且可順利地排出氣液。因此，可抑制因電解單元3內之壓力變動所導致之振動。其結果，即便於以大於4kA/m² 之電流 密度使電解槽1運作之情形時，亦可長時間穩定地運作。

本創作並不限定於上述實施形態。例如於上述實施形態中，於陽極部20及陰極部30之氣液排出部24、35分別設置有筒狀構件28、39，但亦可為筒狀構件僅設置於氣液排出部24、35中之任一者之構成。再者，因陽極側產生的氣泡較多，故而氣液之排出容易成為間斷流。因此，較佳為筒狀構件至少安裝於陽極側。

又，上述筒狀構件亦可安裝於現有之電解單元。具體而言，於在將陽極室及陰極室與氣液排出室隔開之間隔板中形成有孔之構造中，以孔與筒狀構件連通之方式安裝筒狀構件。

[實施例]

利用以下實施例對本實施形態更詳細地進行說明，但本實施形態並不受以下實施例之任何限定。

[電解槽之構成]

使用橫寬為2400mm、高度為1200mm、於氣液排出室下端且於寬度方向中央設有76個直徑為10mm之圓形孔的電解單元。電解槽係串聯地並列有10個該電解單元，於兩端配置有僅包括陽極室之電解單元(陽極終端單元(anode terminal cell))、及僅包括陰極室之電解單元(陰極終端單元)，且於陽極終端單元配置有陽極端子，於陰極終端單元配置有陰極端子。於各電解單元之開口部之周緣部，利用接著劑貼附陽極側墊片(gasket)及陰極側墊片，於各電解槽之間隔著離子交換膜ACIPLEX(註冊商標)F6801而組裝電解槽。

陽極係藉由將以釕、銥、鈦為成分之氧化物被覆於經擴張網(expanded mesh)加工之鈦板之表面而製作，陰極係使用在鎳製細目網(fine mesh)基材被覆有釕之氧化物者。

將300g/L之鹽水供給至並列有各電解單元之電解槽之陽極室作為陽極液，於陰極室，於排出位置附近，以苛性鈉濃度成為32重量% 之方式供給稀苛性鈉，於電解溫度為90℃，使陽極室側氣壓為40kPa，使陰極室側氣壓為44kPa，電流密度為4.5kA/m² 下，電解1個月。又，以陽極液之排出位置附近之鹽水之pH值成為3之方式，向供給之鹽水中添加鹽酸而進行電解。

又，電解單元內之振動係將內徑為4mm之管體(tube)插入至電解單元陽極室中央，且利用壓電元件轉換成電信號而測定。於取樣頻率為100Hz下，對壓力變動進行40秒鐘之測定，將壓力之最大值與最小值之差(單位係換算成水柱之高度[cm]來表示)設為電解單元內之振動之大小。

[實施例]

於自陽極室內通向氣液排出室之圓形之流路之76個部位，均焊接並安裝有直徑為9.8mm、長度為50mm、厚度為0.5mm之Ti製圓筒形狀之管道。藉由目視而確認到於電解過程中，自電解單元排出至排出軟管之電解液係於氣液分離之狀態下流動，未觀測到間斷流或脈動，電解液被順利排出。測定電解過程中之陽極室內之振動，結果可知水柱為5.1cm(0.5kPa)，振動充分地得到抑制。

[比較例]

於自陽極室內通向氣液排出口之圓形之流路之76個部位未安裝任何構件。藉由目視而確認到於電解過程中，自電解單元排出至排出軟管之電解液係氣液混雜之狀態，且以間斷流被排出。測定電解過程中之陽極室內之振動，結果，水柱為19.5cm(1.9kPa)。

3‧‧‧電解單元

20‧‧‧陽極部

21‧‧‧陽極

22‧‧‧陽極側電解液供給部

23‧‧‧陽極室

24、35‧‧‧氣液排出部

25‧‧‧陽極側電解液導入噴嘴

26、37‧‧‧氣液排出室

27、38‧‧‧間隔板(間隔構件)

28、39‧‧‧筒狀構件

30‧‧‧陰極部

31‧‧‧陰極

32‧‧‧陰極側電解液供給部

33‧‧‧陰極室

34‧‧‧集電板

36‧‧‧陰極側電解液導入噴嘴

Claims (3)

1. 一種電解單元，其特徵在於：其係包括陽極室之陽極部與包括陰極室之陰極部隔著隔離壁配置而成者，且於上述陽極室及上述陰極室之上部，設置有將導入至上述陽極室及上述陰極室之電解液與混入於該電解液中之氣體分離的氣液排出室，上述氣液排出室藉由間隔構件而與上述陽極室及上述陰極室隔開，上述陽極室及上述陰極室中之至少一者與上述氣液排出室係藉由配置於上述氣液排出室並且立設於上述間隔構件之筒狀構件而連通。
2. 如請求項1之電解單元，其中上述筒狀構件距上述間隔構件之高度為20mm~65mm。
3. 一種電解槽，其特徵在於：隔著離子交換膜而串聯連結有2個以上之如請求項1或2之電解單元。