WO2018181617A1 - アルカリ水電解装置 - Google Patents

Abstract

アルカリ水溶液の漏洩を防止したアルカリ水電解装置を提供する。　陽極室１２を画定する陽極室枠１１と、陰極室１８を画定する陰極室枠１７と、陽極室枠１１と陰極室枠１７との間に配置され、陽極室１２と陰極室１８とを区画する多孔質隔膜１６と、を有するアルカリ水電解装置１０において、陽極室枠１１に陽極ガスケット１５が配置され、陰極室枠１７に陰極ガスケット２１が配置され、陽極室枠１１と陰極室枠１７とが締め付けられた時に陽極ガスケット１５及び陰極ガスケット２１を介して多孔質隔膜１６が陽極室枠１１と陰極室枠１７とに挟持されるとともに、陽極ガスケット１５と陰極ガスケット２１とが圧縮され、多孔質隔膜１６の周端部で陽極ガスケット１５と陰極ガスケット２１とが接触する。

Description

アルカリ水電解装置

　本発明はアルカリ水電解装置に関し、詳しくは、アルカリ水溶液の漏洩を防止した多孔質隔膜を用いたアルカリ水電解装置に関する。

　アルカリ水電解やアルカリ金属塩水溶液の電解（例えば食塩電解）で用いられる電解槽として、陽極室と陰極室との間に隔膜が配置された構造が知られている。アルカリ水電解の場合は隔膜として多孔質隔膜が用いられ、アルカリ金属塩水溶液の電解では隔膜としてイオン交換膜が用いられる。隔膜は、陽極室を構成する枠体の表面と陰極室を構成する枠体の表面とにそれぞれ配置されたガスケットに挟持されている。このガスケットにより、陽極室及び陰極室からの電解液の漏洩等が防止されている。

　例えば、特許文献１及び特許文献２に図示されるように、隔膜はガスケットよりも大きく、ガスケットを介して陽極室及び陰極室で隔膜を挟んだ際に隔膜が電解槽枠体よりも外側にはみ出る。特許文献１及び特許文献２はアルカリ金属塩の電解が例示されているが、アルカリ水電解の場合も同じ構成が採用される。特に大型の電解槽では、隔膜に確実に張力を掛けながら隔膜を挟むため、上記の構造が採用される。しかしながら、腐食性の高いアルカリ溶液が電解液に用いられるため、ガスケットが経年劣化することが欠点である。特許文献３ではこの問題を解決策として、長期間に亘りガスケット交換の必要のないシール構造が提案されている。

特開２０１４－２２１９４４号 特開２０１２－１９３４３７号 特開平０５－９７７２号

　しかしながら、多孔質隔膜を用いたアルカリ水電解装置においては、ガスケットを用いているにもかかわらず、アルカリ水溶液の漏洩が生じてしまうという問題が生じている。一般に大型装置では室枠の締め付け面圧が不均一になりやすいため、漏洩が発生しやすい。電解液の漏洩は数日程度で発生しており、さらなる改善が求められているのが現状である。

　そこで、本発明の目的は、アルカリ水溶液の漏洩を防止したアルカリ水電解装置を提供することにある。

　本発明者らは、上記課題を解消するために鋭意検討した結果、以下の知見を得た。すなわち、アルカリ水電解装置においては、アルカリ水溶液の漏洩は、ガスケットの劣化や腐食によるものではなく、多孔質隔膜を浸透したアルカリ水溶液が原因であることを見出した。かかる知見に基づき、本発明者らは、さらに鋭意検討した結果、アルカリ水電解装置の構造を下記のとおりとすることで、上記課題を解消し得ることを見出し、本発明を完成させるに至った。

　すなわち、本発明のアルカリ水電解装置は、陽極室を画定する陽極室枠と、陰極室を画定する陰極室枠と、前記陽極室に収容される陽極と、前記陰極室に収容される陰極と、前記陽極室枠と前記陰極室枠との間に配置され、前記陽極室と前記陰極室とを区画する多孔質隔膜と、を有するアルカリ水電解装置において、
　前記陽極室枠の前記多孔質隔膜が配置される面に陽極ガスケットが配置され、前記陰極室枠の前記多孔質隔膜が配置される面に陰極ガスケットが配置され、
　前記陽極室枠と前記陰極室枠とが締め付けられた時に前記陽極ガスケット及び前記陰極ガスケットを介して前記多孔質隔膜が前記陽極室枠と前記陰極室枠とに挟持されるとともに、前記陽極ガスケットと前記陰極ガスケットとが圧縮され、前記多孔質隔膜の周端部で前記陽極ガスケットと前記陰極ガスケットとが接触することを特徴とするものである。

　本発明の電解装置においては、前記陽極ガスケット及び前記陰極ガスケットが同一形状を有し、前記陽極ガスケット及び前記陰極ガスケットのガスケット幅をＷ、圧縮前の前記陽極ガスケット及び前記陰極ガスケットの厚さをＤ、圧縮後の前記陽極ガスケット及び前記陰極ガスケットの内周側の厚さをＤ’、前記陽極ガスケット及び前記陰極ガスケットと前記多孔質隔膜との接触幅をＡ、圧縮時の前記多孔質隔膜の厚さをＴとしたときに、式（１）～（３）の条件を満足することが好ましい。
　　Ａ≧３ｍｍ　　…（１）
　　Ｗ－Ａ≧３ｍｍ　　…（２）
　　（Ｄ－Ｄ’）×２－Ｔ≧０．０１ｍｍ　　…（３）

　本発明によれば、アルカリ水電解装置において多孔質隔膜の端部からの電解液の漏洩を簡易な方法で防止することができる。

本発明の一好適な実施の形態に係るアルカリ水電解装置の陽極室枠及び陰極室枠を締め付ける前の片側断面図である。 図１における多孔質隔膜の周端部側での拡大断面図である。 本発明の一好適な実施の形態に係るアルカリ水電解装置の陽極室枠及び陰極室枠を締め付けた後の片側断面図である。 図３における多孔質隔膜の周端部側での拡大断面図である。

　以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて詳細に説明する。
　図１～図４は、本発明の一好適な実施の形態に係るアルカリ水電解装置を説明するための断面図である。図１は、陽極室枠及び陰極室枠を締め付ける前の状態を表す。図２は図１における多孔質隔膜の周端部側での拡大断面図である。アルカリ水電解装置１０は、陽極室１２を画定する陽極室枠１１、陰極室１８を画定する陰極室枠１７、陽極室枠１１と陰極室枠１７との間に配置され、陽極室１２と陰極室１８とを区画する多孔質隔膜１６とを有する。陽極室１２内に陽極１３が収容される。陰極室１８内に陰極１９が収容される。図示例においては、陽極１３及び陰極１９は、それぞれ支持体１４、２０に、それぞれ支持されている。

　陽極室枠１１及び陰極室枠１７は一面が開口した槽体である。図示されていないが、陽極室枠１１と陰極室枠１７には、電解液の供給口と、電解後のアルカリ水溶液と気体の排出口とが設けられる。多孔質隔膜１６が配置される陽極室枠１１の面（ガスケット面）１１ａに陽極ガスケット１５が配置される。また、多孔質隔膜１６が配置される陰極室枠１７の面（ガスケット面）１７ａに陰極ガスケット２１が配置される。具体的に、陽極ガスケット１５及び陰極ガスケット２１は各室枠のフランジ部に配置される。多孔質隔膜１６は、陽極ガスケット１５と陰極ガスケット２１とに挟持されている。

　陽極ガスケット１５及び陰極ガスケット２１は、陽極室枠１１及び陰極室枠１７のガスケット面に対応する形状を有する。例えば、ガスケット面が矩形であれば、陽極ガスケット１５及び陰極ガスケット２１は中央部に矩形の開口を有する矩形の枠状体である。あるいは、ガスケット面が円形であれば、陽極ガスケット１５及び陰極ガスケット２１はリング状の枠状体であっても良い。陽極ガスケット１５と陰極ガスケット２１とは、互いに同一の形状や厚さを有していても良いが、形状や厚さが異なっていても良い。陽極ガスケット１５及び陰極ガスケット２１は平板形状であることが好ましいが、多孔質隔膜１６の位置決めのために、多孔質隔膜１６と接触する側の面において、ガスケット１５，２１の内周側の厚さが薄くなるような段差が設けられていても良い。

　本発明において、多孔質隔膜１６は陽極ガスケット１５及び陰極ガスケット２１の外周よりも小さく、陽極ガスケット１５及び陰極ガスケット２１の開口よりも大きい。従って、多孔質隔膜１６を陽極ガスケット１５及び陰極ガスケット２１で挟んだときに、多孔質隔膜１６の端部はガスケット１５，２１の外側にはみ出ていない。陽極ガスケット１５及び陰極ガスケット２１の内周側では多孔質隔膜１６と各ガスケット１５，２１とが接触するが、外周側では多孔質隔膜１６は各ガスケット１５，２１と接触していない。

　図３は、本発明の一好適な実施の形態に係るアルカリ水電解装置を説明するための断面図であり、陽極室枠及び陰極室枠を締め付けた後の状態を表す。図４は図３における多孔質隔膜の周端部側での拡大断面図である。本発明のアルカリ水電解装置１０においては、図３及び図４に示すように、陽極室枠１１と陰極室枠１７とが締め付けられることにより、多孔質隔膜１６が陽極ガスケット１５及び陰極ガスケット２１を介して陽極室枠１１及び陰極室枠１７に挟持される。この時、陽極ガスケット１５及び陰極ガスケット２１が圧縮されて変形し、陽極ガスケット１５及び陰極ガスケット２１は外周部が互いに接触する。これにより、多孔質隔膜１６の周端部の外側が各ガスケット１５，２１により囲まれた状態になり、陽極室１２及び陰極室１８に電解液を充填した際に陽極ガスケット１５及び陰極ガスケット２１により液密状態が保持される。

　従来の多孔質隔膜を備えたアルカリ水電解装置において、陽極室及び陰極室に電解液（アルカリ水溶液）を充填すると、アルカリ水溶液が多孔質隔膜に浸透し、端部からアルカリ水溶液が外部に漏洩する。本発明のアルカリ水電解装置１０においては、陽極室枠１１と陰極室枠１７とを締め付けることにより多孔質隔膜１６の周端部側で陽極ガスケット１５と陰極ガスケット２１とが接触して液密状態が保持されているため、アルカリ水溶液の外部への漏洩を防止している。

　図２に示すように、陽極ガスケット１５及び陰極ガスケット２１の幅（ガスケット幅）をＷ、陽極ガスケット１５及び陰極ガスケット２１と多孔質隔膜１６との接触幅をＡと定義する。多孔質隔膜１６を各ガスケット１５，２１で挟持するためには、接触幅はＡ≧３ｍｍ（式（１））である。一方、Ａが大きくなることは陽極室枠１１及び陰極室枠１７のフランジ部の幅が増大することに繋がる。アルカリ水電解装置１０の設置面積等を考慮して、接触幅Ａの上限値が適宜規定される。

　ガスケット幅Ｗと接触幅Ａとの差Ｗ－Ａは、陽極ガスケット１５と陰極ガスケット２１との接触幅に相当する。陽極ガスケット１５と陰極ガスケット２１とを接触させるためには、陽極ガスケット１５及び陰極ガスケット２１が多孔質隔膜１６よりも大きくなければならない。ガスケットを配置する際の位置決め精度及び作業性を考慮するとともに、陽極ガスケット１５と陰極ガスケット２１との接触により多孔質隔膜１６の周端部側で液密状態を確保するために、ガスケット同士の接触幅はＷ－Ａ≧３ｍｍ（式（２））であることが好ましい。ガスケット同士の接触幅Ｗ－Ａが大きければ陽極ガスケット１５と陰極ガスケット２１との接触面積が多くなり、より確実に液密状態を確保することができる。ただし、Ｗ－Ａが大きくなることはアルカリ水電解装置１０の設置面積を増大することに繋がる。このため、電解液の漏洩と設置面積等を考慮して、接触幅Ｗ－Ａの上限値が適宜設定される。

　図２に示すように、圧縮前の陽極ガスケット１５及び陰極ガスケット２１の厚さをＤと定義する。また、図４に示すように、圧縮後の陽極ガスケット１５及び陰極ガスケット２１の内周側の厚さをＤ’、圧縮後の多孔質隔膜１６の厚さをＴと定義する。本発明において電解液の漏洩を防止するためには、式（１）、式（２）に加えて式（３）の関係を満たすことが好ましい。
　　　（Ｄ－Ｄ’）×２－Ｔ≧０．０１ｍｍ　　…（３）

　式（３）を満足する圧縮量を得るように、陽極ガスケット１５及び陰極ガスケット２１にかかる圧力（締め付け面圧）を調整する。ガスケット幅Ｗを一定とすると、ガスケット同士の接触幅Ｗ－Ａと電解液の漏洩との間に以下の関係がある。ガスケット同士の接触幅Ｗ－Ａが大きくなると接触幅Ａが小さくなり、ガスケットの受圧面積が小さくなる。このため、陽極室枠１１と陰極室枠１７とを締め付けたときに陽極ガスケット１５及び陰極ガスケット２１にかかる圧力（単位面積当たりにかかる力）が大きくなり、陽極ガスケット１５及び陰極ガスケット２１の圧縮量が大きくなる。すなわち、締め付け面圧が小さくても電解液の漏洩を防止することができる。一方、ガスケット同士の接触幅Ｗ－Ａが小さくなると接触幅Ａが大きくなり、ガスケットの受圧面積が大きくなる。このため、陽極室枠１１と陰極室枠１７とを締め付けたときに陽極ガスケット１５及び陰極ガスケット２１にかかる圧力（単位面積当たりにかかる力）が小さくなり、陽極ガスケット１５及び陰極ガスケット２１の圧縮量が小さくなる。すなわち、電解液の漏洩を防止するためには、締め付け面圧をある程度大きくしなければならない。

　本発明のアルカリ水電解装置１０では、陽極ガスケット１５及び陰極ガスケット２１と多孔質隔膜１６との配置関係、多孔質隔膜１６の周端部が陽極ガスケット１５及び陰極ガスケット２１に囲まれること以外の構成については、既知の構成を採用することができる。

　本発明のアルカリ水電解装置１０においては、多孔質隔膜１６としては、一般に入手可能なアルカリ水電解用隔膜を用いることができる。アルカリ水電解用隔膜は、シート状の多孔性支持体と、前記支持体に含浸している有機高分子樹脂とを含む多孔膜である。支持体は、不織布、織布、又は、不織布と織布の複合布である。支持体は、ポリフェニレンサルファイド、ポリプロピレン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルスルホン、フッ素系樹脂、ポリケトン、ポリイミド、及び、ポリエーテルイミドからなる群から選択される少なくとも１種の繊維で形成される。有機高分子樹脂は、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルスルホン、ポリフッ化ビニリデン、ポリカーボネート、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレン、ポリフェニレンサルファイド、ポリケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド、及び、　ポリエーテルイミドからなる群から選択される少なくとも１種からなる。

　本発明のアルカリ水電解装置１０の陽極ガスケット１５及び陰極ガスケット２１の具体例としては、額縁状のゴム製シート等が挙げられる。陽極ガスケット１５及び陰極ガスケット２１には、腐食性の電解液や生成するガス等に対して耐性を有し、長期間使用できることが求められるので、耐薬品性や硬度の点から、陽極ガスケット１５及び陰極ガスケット２１の材質としては、エチレン・プロピレン・ジエンゴム（ＥＰＤＭ）、エチレン・プロピレンゴム（ＥＰＭ）の加硫品や過酸化物架橋品等を好ましく用いることができる。また、必要に応じて液体に接する領域（接液部）をポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）やテトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）等のフッ素系樹脂で被覆したガスケットを用いることもできる。陽極ガスケット１５及び陰極ガスケット２１の厚さは、例えば１ｍｍ～４ｍｍ程度である。

　本発明のアルカリ水電解装置１０においては、陽極１３及び陰極１９として、導電性基材上に触媒層を備えたものを好適に用いることができる。

　図１～４では一対の陽極室枠及び陰極室枠からなる１ユニットのアルカリ水電解装置の構造が示されているが、本発明はこれに限定されない。本発明は、１つのユニットの陽極室枠と別ユニットの陰極室枠とを一体化することによって、複数のユニットを有するアルカリ水電解装置にも適用することができる。

　本発明のアルカリ水電解装置１０は、締め付け面圧が不均一になり易く、電解液の漏洩が発生し易い大型のアルカリ水電解装置に特に好適に適用することができる。ここで、大型のアルカリ水電解装置とは、電極面積が３ｍ^２以上のものをいう。

　本発明のアルカリ水電解装置１０を用いてアルカリ水の電解を行う場合、陽極室１２及び陰極室１８の内部を電解液で満たし、陽極１３と陰極１９の間に直流電流を印加して行う。電解液としては、例えば、水酸化ナトリウムや水酸化カリウムのアルカリ水溶液が用いられる。アルカリ水溶液の濃度は、特に限定されるものではないが、１５～４０質量％が好ましく、２０～３５質量％がより好ましい。１５～４０質量％の範囲とすることで、溶液のイオン伝導性が十分発現され、溶液による電気抵抗を軽減することができる。

　また、アルカリ水溶液の電解を行うときの温度についても、特に制限されるものではないが、４０℃～９０℃が好ましく、６０℃～９０℃の範囲がより好ましい。かかる温度範囲であれば、溶液のイオン伝導性が十分発現され、アルカリ水溶液の電解を効率的に行うことができる。

　以下、本発明の実施例を詳細に説明するが、これら実施例は、本発明を好適に説明するための例示に過ぎず、なんら本発明を限定するものではない。

　電解面積１ｄｍ^２（１０ｃｍ×１０ｃｍ）の陽極室枠及び陰極室枠を用い、アルカリ水電解用隔膜を陽極ガスケット及び陰極ガスケットを介して陽極室枠及び陰極室枠で挟んで締結し、アルカリ水電解装置を組み立てた。ガスケットの寸法、材質、及び締め付け条件は以下の通りである。
　　ガスケット仕様
　　　外寸：１５０ｍｍ×１５０ｍｍ
　　　内寸：１０４ｍｍ×１０４ｍｍ（ガスケット開口に相当）
　　　ガスケット幅（図１中の符号Ｗ）：２３ｍｍ
　　　厚さ：３ｍｍ
　　　材質：ＥＰＤＭ
　　ガスケット同士の接触幅（Ｗ－Ａに相当）：０、３、５、１０、１５、２０ｍｍ
　　ガスケット締め付け面圧：１０～５０ｋｇｆ／ｃｍ^２

　陽極室及び陰極室内に２５質量％の水酸化カリウム水溶液を液張りした。多孔質隔膜からの液の染み出しを促進させるために、陽極室内及び陰極室内の加圧条件を２０００ｍｍＨ_２Ｏとした。この状態で１５分放置した後、ガスケット周縁部からの水酸化カリウム水溶液の漏洩を目視及びｐＨ試験紙で確認した。ガスケット同士の接触幅及びガスケット締め付け面圧をパラメータとしたときの漏洩状況を表１に示す。

　ガスケット同士の接触幅が０ｍｍ（Ｗ－Ａ＝０）の場合は、面圧を高くしても水酸化カリウム水溶液の漏洩が確認された。この条件では多孔質隔膜の周縁部を陽極ガスケット及び陰極ガスケットで囲まれていないことが目視でも確認できた。

　ガスケット同士の接触幅Ｗ－Ａが３ｍｍ以上で水酸化カリウム水溶液の漏洩を防止できる条件があった。ガスケット締め付け面圧の調整により水酸化カリウム水溶液の漏洩が防止できることが分かる。表１から明らかなように、ガスケット同士の接触幅Ｗ－Ａが大きくなるほど、低いガスケット締め付け面圧でも漏洩を防止することができる。

　表１に示したガスケット同士の接触幅及びガスケット締め付け面圧の条件での各ガスケットの圧縮量（式（３）におけるＤ－Ｄ’に相当）及び圧縮後の多孔質隔膜の膜厚を計算した。表２に各条件における式（３）の左辺（Ｄ－Ｄ’）×２－Ｔ（単位：ｍｍ）を示す。

　表１と表２とを比較すると、ガスケット同士の接触幅Ｗ－Ａが３ｍｍ以上の条件では、（Ｄ－Ｄ’）×２－Ｔが正、すなわち、０．０１ｍｍ以上の場合に漏洩が防止でき、（Ｄ－Ｄ’）×２－Ｔが負の場合に電解液が漏洩することが分かる。表１，２の結果から、（Ｄ－Ｄ’）×２－Ｔ≧０．０１ｍｍとの条件が電解液の漏洩を防止することができる条件であると言える。なお、多孔質隔膜の種類を変えた場合でも、表１，２と同じ傾向があることが確認された。

　１０　アルカリ水電解装置
　１１　陽極室枠
　１１ａ　陽極室枠の面
　１２　陽極室
　１３　陽極
　１４　支持体
　１５　陽極ガスケット
　１６　多孔質隔膜
　１７　陰極室枠
　１７ａ　陰極室枠の面
　１８　陰極室
　１９　陰極
　２０　支持体
　２１　陰極ガスケット

Claims (2)

1. 　陽極室を画定する陽極室枠と、陰極室を画定する陰極室枠と、前記陽極室に収容される陽極と、前記陰極室に収容される陰極と、前記陽極室枠と前記陰極室枠との間に配置され、前記陽極室と前記陰極室とを区画する多孔質隔膜と、を有するアルカリ水電解装置において、
   　前記陽極室枠の前記多孔質隔膜が配置される面に陽極ガスケットが配置され、前記陰極室枠の前記多孔質隔膜が配置される面に陰極ガスケットが配置され、
   　前記陽極室枠と前記陰極室枠とが締め付けられた時に前記陽極ガスケット及び前記陰極ガスケットを介して前記多孔質隔膜が前記陽極室枠と前記陰極室枠とに挟持されるとともに、前記陽極ガスケットと前記陰極ガスケットとが圧縮され、前記多孔質隔膜の周端部で前記陽極ガスケットと前記陰極ガスケットとが接触するアルカリ水電解装置。
2. 　前記陽極ガスケット及び前記陰極ガスケットが同一形状を有し、前記陽極ガスケット及び前記陰極ガスケットのガスケット幅をＷ、圧縮前の前記陽極ガスケット及び前記陰極ガスケットの厚さをＤ、圧縮後の前記陽極ガスケット及び前記陰極ガスケットの内周側の厚さをＤ’、前記陽極ガスケット及び前記陰極ガスケットと前記多孔質隔膜との接触幅をＡ、圧縮時の前記多孔質隔膜の厚さをＴとしたときに、式（１）～（３）の条件を満足する請求項１に記載のアルカリ水電解装置。
   　　Ａ≧３ｍｍ　　…（１）
   　　Ｗ－Ａ≧３ｍｍ　　…（２）
   　　（Ｄ－Ｄ’）×２－Ｔ≧０．０１ｍｍ　　…（３）

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