WO2021015120A1 - 電解槽用ガスケット及びそれを用いた電解槽 - Google Patents

Abstract

簡単な操作で隔膜を電解槽内部に収容保持でき、電解液や電解生成ガスが電解槽内部から漏れることをより確実に防ぐことができ、しかも、隔膜を一方の電極に接触する、該電極に沿った位置に保持させた状態にできるため、隔膜の損傷を抑制し、隔膜を長期間安定的に使用できる電解槽用ガスケット及び電解槽を提供する。　額縁状の薄板状枠体からなり、陽極側金属枠体に接触する第一面と陰極側金属枠体に接触する第二面を有し、第一面及び第二面のいずれか一方の面上に、陽極室側又は陰極室側の縁を含む領域が均一の厚みで薄く削り取られてなる、前記隔膜の厚みと略同じ厚みの段差を有する切欠き部が形成されており、隔膜の端部を前記切欠き部に収容し、保持させる構造の電解槽用ガスケット及びこれを用いた電解槽。

Description

電解槽用ガスケット及びそれを用いた電解槽

　本発明は、電解槽用ガスケット及びそれを用いた電解槽に関するものである。

　アルカリ水電解、純水電解、非精製水の電解、食塩電解、塩化物水溶液電解、臭化物水溶液電解、塩酸水溶液電解、硫酸水溶液電解等に用いる電解槽として、陽極と陰極との間に隔膜を設け、該隔膜により陽極と陰極とを隔離した電解槽が多く用いられている。これら電解槽内に供給される電解液、及び、電解により生成される、水素ガス、酸素ガス、塩素ガス、ハロゲンガス等の電解生成ガス、並びに、電解槽内の電解液は、隔膜の縁部から電解槽外部に漏洩してはならない。電解生成ガスや電解液等が漏洩するとプラントの連続運転ができないことになり、更に、運転管理者や環境への問題を起こしかねない。

　従来、上記のような電解槽において、電解槽用隔膜の縁部から電解液や電解生成ガス等が漏洩するのを防ぐため、陽極と陰極との間に、２枚の薄板状のガスケット、又は、４枚若しくは２枚のО－リングを配置し、これらの密封用部材により、電解生成ガスや電解液等の漏洩を防ぐとともに、隔膜を挟持させている。

　上記のような電解槽において、例えば、図６に示した４枚のО－リング５を使用する場合には、電解槽側の２枚のО－リング５で隔膜を挟持し、電解槽の外周側の２枚のО－リング５で電解液が電解槽外部に漏れることを防止している。尚、隔膜としてイオン交換膜を使用する場合には、イオン交換膜はフィルムのようなもので、隔膜のように液の染み出しによる漏れが無いことから、２枚のО－リングだけで密封している。

　また、上記のような電解槽において、密封用部材に薄板状のガスケットを用いる従来方法を記載した特許文献１及び特許文献２には、図７（Ａ）に示す構造が開示されている。この方法では、陽極１を装着した陽極側金属枠体２に陽極側ガスケット７を設け、陰極３を装着した陰極側金属枠体４に陰極側ガスケット８を設け、この一対（２枚）のガスケット７、８によって隔膜６を挟持している。

　然るに、本発明者らの検討の結果、上記のような電解槽において、О－リング５を用いる構造や、２枚のガスケット７、８を使用する構造によって隔膜６の挟持をすると、特に、構成する隔膜６が多孔質膜である場合には、次のような欠陥があることが分かった。上記に挙げた構造では、いずれの場合も、隔膜６の保持を、複数の密封用部材を用い、これらの部材で隔膜６の縁部を挟持することで行い、同時に、電解槽からの電解液や電解生成ガスの漏洩を防ぎ、電解槽内の気密性を維持することを行っている。このため、複数のガスケットやО－リングなどの密封用部材が必要となる。そして、特に、電解セルを何枚も重ねて組立てるフィルタープレス式の電解槽では、ガスケットなどの密封用部材の数も多くなる。密封用部材の数が多くなると、例えば、ガスケットの位置ズレに起因して生じるはみ出しや、はみ出しなどによる液漏れ等のトラブルも皆無ではなかった。図７（Ａ）に示したような、隔膜を２枚のガスケットを用いて挟持した構成とする場合は、大型の電解槽を組立てるときに膜をガスケット内に収めることに手間が掛かる。また、隔膜を、２枚のガスケットの間から電解槽の外部に引き出した状態で保持することもできる。しかし、このような２枚のガスケットを用いた構成にした場合、イオン交換膜ではなく隔膜を使用するときには、図７（Ｂ）に示したように、２枚のガスケットによって形成される僅かな隙間を通じて、電解液や電解生成ガスが電解槽外部に漏出することがある。

　また、上記のような電解槽において、ガスケットを用いる他の従来方法としては、特許文献３に開示されている下記の構造がある。具体的には、図８に示すような、一枚のガスケット９によって構成された構造が知られている。該ガスケット９は、陽極側金属枠体２に接する第１面１０と、陰極側金属枠体４に接する第２面１１とを有するとともに、環状をなしており、電解槽内部に向かって開口するスリット部１２が設けられている。より詳しくは、図８に示したように、ガスケット９の縦方向の上端より中間部分までを充填部１３とし、該充填部１３の下方をスリット形成部１４とし、該スリット形成部１４の中央部に、該ガスケット９の第１面１０及び第２面１１と略平行に延び、電極槽内部に向かって開口した構造のスリット部１２が設けられている。そして、この例では、該スリット部１２内に隔膜６の縁部を収容して、隔膜６を、上記構造を有するガスケット９によって保持している。

　上記構造を有するガスケット９によれば、一つの部材よりなるので、例えば、図７（Ｂ）に示したような、複数枚のガスケットによって隔膜を挟持した場合に生じるガスケットの縁部からの電解液又は電解生成ガスの漏洩の恐れがなくなる。このため、図８に示した構造のガスケットを用いた場合、図７（Ａ）に示した構造のガスケットを用いた場合と比較して、電解液又は電解生成ガスの漏洩率を低減できる。

　然るに、本発明者らの検討の結果、図８に示した構造のガスケットを用いた場合には、下記の課題があることが分かった。図８に示すような構造のガスケットによって隔膜を保持させる場合、薄板状（シート状）のガスケット９の内部に、スリット部１２を、ガスケット９の第１面１０及び第２面１１と平行に延びるように形成する必要がある。これに対し、電解液又は電解生成ガスの漏洩率をより低減させるためには、形成するスリット部１２の長さ及び厚さの正確さが要求されるので、製造に高い技巧が必要になる。また、図８に示した構造のガスケットに隔膜を保持させる場合、薄板状の隔膜６の縁部をスリット部１２内の奥まで、隙間のないようにしっかりと収容する必要があるが、容易なことではない。このため、隔膜の取付に手間がかかり、製造の困難性に加えて、作業性にも劣るという課題もある。

　先に挙げた特許文献３には、上記した不具合を解消するため、下記の構造とすることが記載されている。ガスケットを、第１面と第１部分において、スリット部を画成する面とに連続して第１部分を分断する分断部、又は、第２面と第２部分においてスリット部を画成する面とに連続して第２部分を分断する分断部、を備えた構造が開示されている。そして、この分断部によって、隔膜をスリット部に収容するときに、第１部分又は第２部分をめくり上げて、隔膜をスリット部に収容している。しかし、このようにしてガスケットに隔膜を取り付けできるようにするためには、スリット部に分断部を形成しなければならず、ガスケットの構造は、かなり複雑になる。従って、上記したような構造にする場合は、ガスケットへの隔膜の取り付けの作業性を向上させるためにする手段が製造の困難性を増し、作業をより煩雑にしており、しかも、ガスケットの製造コストが高くなる。更に、上記の構成において、隔膜の厚さとスリット部の差が小さい場合は、隔膜をガスケットのスリット部の奥まで強固に保持させることは極めて困難である。

　更に、先に挙げた特許文献２に記載の構造のガスケットでは、上記したような問題はないものの、本発明者らの検討によれば、下記のような別の重大な技術課題がある。特許文献２に記載された構造のガスケットでは、図７（Ａ）に示したように、ガスケットに取り付けた場合に、隔膜が、陽極と陰極とが対向して形成する間隔の中央部に配置される。このように、上記のガスケットを用いて隔膜を保持した場合、構造上、隔膜は、陽極及び陰極の何れにも接していない状態になる。このため、電解運転中に、薄いシート状の隔膜が確りと固定され難く左右に折り曲げられる不安定な状態が続き、隔膜は、陽極及び陰極と常に接触擦れ現象を起こし、隔膜の早期破損を防ぐことができない。すなわち、上記した従来技術では、先に挙げた課題に加えて、保持させた隔膜の耐久性に関する欠陥がある。

特開２００２－３３２５８６号公報 特開２０１１－６７６７号公報 国際公開第２０１４／１７８３１７号

　本発明の目的は、構造がシンプルで製造が容易にできる電解槽用ガスケットであって、該ガスケットを用い、極めて容易な操作（動作）で簡便に隔膜を装着することができ、しかも、電解運転中に隔膜が折り曲げられることがなく、安定に隔膜を保持することができるため、電解運転中における隔膜の耐久性に優れ、ガスケットの基本的な機能である、電解槽から電解液や電解生成ガスが漏れるのを効果的に防ぐことができる、実用価値の高い電解槽用ガスケット及びそれを用いた電解槽を提供することにある。

　上記の目的は、下記の本発明によって達成される。
　本発明は、第１の解決手段として、下記の電解槽用ガスケットを提供する。
［１］陽極と陰極と、陽極と陰極とを隔離するシート状の隔膜よりなる電解槽に組み込まれた、前記隔膜を保持するための電解槽用ガスケットであって、
　前記電解槽は、中央部に陽極室を形成するための開口部を有する額縁状に形成された陽極側金属枠体と、該陽極側金属枠体と同一形状の、中央部に陰極室を形成するための開口部を有する陰極側金属枠体とを有し、前記陽極側金属枠体の開口部に陽極が装着され、前記陰極側金属枠体の開口部に陰極が装着され、かつ、前記陽極側金属枠体と前記陰極側金属枠体との間に、前記電解槽用ガスケットが緊密な状態に挟持されており、
　前記電解槽用ガスケットは、前記陽極側金属枠体及び前記陰極側金属枠体と略同じ形状を有する、一枚の、額縁状の薄板状枠体よりなり、
　該額縁状の薄板状枠体は、前記陽極側金属枠体に密接する第一面と、前記陰極側金属枠体に密接する第二面とを有し、前記第一面及び前記第二面のいずれか一方の面上に、前記薄板状枠体の、前記陽極側又は前記陰極側の縁を含む一部の領域が均一の厚みで薄く削り取られてなる、前記隔膜の厚みと略同じ厚みの段差を有する切欠き部が形成された構造を有し、
　前記隔膜の縁部が、前記切欠き部と、前記陽極側金属枠体あるいは前記陰極側金属枠体との間に形成される隙間に収容されて、前記隔膜が、前記陽極の表面あるいは前記陰極の表面のいずれかに、より近接した状態で保持されていることを特徴とする電解槽用ガスケット。

　本発明は、上記の電解槽用ガスケットの好ましい形態として下記の電解槽用ガスケットを提供する。
［２］更に、前記電解槽用ガスケットの外周面に押し付けられた状態で、絶縁性を有するガスケット押え板が装着されている上記［１］に記載の電解槽用ガスケット。
［３］前記電解槽用ガスケットが、電解液及び電解生成ガスに対して耐食性を有する弾性体からなる材料で形成されている上記［１］又は［２］に記載の電解槽用ガスケット。

［４］前記陽極の隔膜側に、陽極触媒活性コーティングが施されているか、あるいは、陽極触媒活性コーティングが施されている陽極側ファインメッシュが装着されている、及び／又は、前記陰極の隔膜側に、陰極触媒活性コーティングが施されているか、あるいは、陰極触媒活性コーティングが施されている陰極側ファインメッシュが装着されている上記［１］～［３］のいずれかに記載の電解槽用ガスケット。
［５］前記陽極と前記陰極とのゼロギャップ化を図るため、前記陽極側ファインメッシュと前記陽極との間に、及び／又は、前記陰極側ファインメッシュと前記陰極との間に、スプリング材料が装着されている上記［４］に記載の電解槽用ガスケット。

［６］前記陽極及び前記陰極が、エキスパンデッドメッシュ、打抜き多孔板、金網、及び、これらに類似する形状の、多数の孔を有する導電性電極材料からなる群から、独立して選ばれるいずれかの材料よりなる上記［１］～［５］のいずれかに記載の電解槽用ガスケット。

［７］前記陽極側金属枠体の背面に、前記陽極室を形成するための陽極室枠体が接続されているとともに、前記陰極側金属枠体の背面に、前記陰極室を形成するための陰極室枠体が接続されている上記［１］～［６］のいずれかに記載の電解槽用ガスケット。
［８］前記陽極側金属枠体が、前記陽極室枠体の一部として形成されているとともに、前記陰極側金属枠体が、前記陰極室枠体の一部として形成されている上記［７］記載の電解槽用ガスケット。

［９］前記隔膜は、前記隙間に収容されている縁部を除く隔膜の一方の面の全面が、前記陽極又は前記陽極に装着されている陽極側ファインメッシュに接触している状態で、あるいは、前記陰極又は前記陰極に装着されている陰極側ファインメッシュに接触している状態で、保持されている上記［１］～［８］のいずれかに記載の電解槽用ガスケット。

［１０］前記陽極、前記陽極側金属枠体、前記陽極室枠体、前記陰極、前記陰極側金属枠体、及び前記陰極室枠体が、それぞれ、ニッケル、ステンレス、鉄及びそれらの合金よりなる群より選ばれた少なくとも一つを含む材料からなり、
　前記隔膜が、水溶液透過性の多孔質隔膜よりなり、
　前記陽極室及び前記陰極室に導入される電解液が、共通した組成の苛性アルカリ金属水溶液であり、
　前記電解槽が、アルカリ水電解槽である上記［１］～［９］のいずれかに記載の電解槽用ガスケット。

［１１］前記陽極、前記陽極側金属枠体及び前記陽極室枠体が、チタン又はチタン合金からなり、
　前記陰極、前記陰極側金属枠体及び前記陰極室枠体が、ニッケル、ステンレス、鉄及びそれらの合金よりなる群より選ばれた少なくとも一つを含む材料からなり、
　前記隔膜が、陽イオン交換膜よりなり、
　前記陽極室及び前記陰極室に導入される電解液が、陰極側電解液と陽極側電解液よりなり、
　前記陰極側電解液が、苛性アルカリ金属水溶液よりなり、
　前記陽極側電解液が、ハロゲン化アルカリ金属水溶液よりなり、
　前記電解槽が、食塩電解槽である上記［１］～［９］のいずれかに記載の電解槽用ガスケット。

　本発明は、別の実施形態として下記の電解槽を提供する。
［１２］上記［１］～［１１］のいずれかに記載の電解槽用ガスケットを備えてなることを特徴とする電解槽。
［１３］更に、電解液を加圧しながら電解を行う構成の上記［１２］に記載の電解槽。

［１４］上記［１］～［１１］のいずれかに記載の電解槽用ガスケットを備えてなり、該ガスケットを構成する、前記第一面又は前記第二面が、それぞれが接する前記陽極側枠体又は前記陰極側枠体に接着剤で接着されていることを特徴とする電解槽。

　本発明によれば、構造がシンプルで製造が容易にできる電解槽用ガスケットであって、該ガスケットを用い、極めて容易な操作（動作）で簡便に隔膜を装着することができ、しかも、電解運転中に隔膜が折り曲げられることがなく、安定に隔膜を保持することができるため、電解運転中における隔膜の耐久性に優れ、ガスケットの基本的な機能である、電解槽から電解液や電解生成ガスが漏れるのを効果的に防ぐことができる、実用価値の高い電解槽用ガスケット及びそれを用いた電解槽の提供が実現できる。

　詳しくは、本発明によれば、電解槽用ガスケットの構造を、下記のような特有の切欠き部を有するものにしたことで、該切欠き部に隔膜の縁部（端部）を所望の状態に収容して、隔膜を安定に保持させることができ、また、隔膜の保持のために要する操作が容易で、簡単に隔膜を装着できる、作業性に優れ、製作費が安価な電解槽用ガスケットの提供が可能になる。すなわち、陽極側金属枠体及び陰極側金属枠体と略同じ形状を有する、一枚の、額縁状の薄板状枠体よりなるガスケットを、電解槽に組み込まれた際に、陽極側金属枠体又は陰極側金属枠体と接する第一面又は第二面のいずれか一方の面上に、前記薄板状枠体の、前記陽極側又は前記陰極側の縁を含む一部の領域が均一の厚みで薄く削り取られてなる、前記隔膜の厚みと略同じ厚みの段差を有する切欠き部が形成された構造としたことで、上記効果が得られる。

　本発明によれば、上記特有の構造の切欠き部を有する電解槽用ガスケットを電解槽に適用することで、隔膜の縁部が、前記切欠き部と、前記陽極側金属枠体あるいは前記陰極側金属枠体との間に形成される隙間に収容されるため、収容した隔膜の中央部が、前記陽極の表面あるいは前記陰極の表面のいずれかに、より近接した状態で保持されるので、隔膜に撓みや皺、ねじれが生じることが少なく、無理な負荷がかかることも、隔膜に損傷を起こすこともなく、隔膜を長期間安定的に正常な状態で保持することが可能となる。

　更に、本発明の電解槽用ガスケットを電解槽に適用すると、前記隙間に収容されている縁部を除く隔膜の一方の面の全面が、前記陽極又は前記陽極に装着されている陽極側ファインメッシュに接触している状態で、あるいは、前記陰極又は前記陰極に装着されている陰極側ファインメッシュに接触している状態で、保持され、従来のガスケットを用いた場合のように、陽極と陰極の中間部に不安定な状態で保持されることはない。このため、本発明の電解槽用ガスケットを電解槽に適用することで、保持した隔膜に撓みや皺、ねじれが生じることが少なく、無理な負荷がかかることも、隔膜に損傷を起こすこともなく、隔膜を長期間安定的に正常な状態で保持するという上記効果が助長される。

本発明の電解槽用ガスケットの一例の構成を説明するための模式図である。 本発明の電解槽用ガスケットを用いた電解槽の一例を説明するための模式図である。 本発明の電解槽用ガスケットを使用して隔膜を保持させることを説明するための模式図である。 本発明の電解槽用ガスケットを用いた電解槽の他の例を説明するための模式図である。 本発明の電解槽用ガスケットに隔膜を保持させ方の一例を説明する模式図である。 従来の電解槽用Ｏリングの一例の構成を示す模式図である。 従来の電解槽用ガスケットの一例の構成を示す模式図である。 従来の電解槽用ガスケットの別の一例の構成と、電解液が電解槽外部に漏出する状況を示す模式図である。 従来の電解槽用ガスケットの他の一例の構成を示す模式図である。

　以下、本発明の好ましい実施の形態について説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではない。本発明を詳細に説明するに当たり、先ず、本発明の電解槽用ガスケットを、その構造を模式的に示した一例の図１を参照して説明する。

　本発明の電解槽用ガスケット１７は、図１に示すように、陽極側金属枠体２に接する第一面１８と、陰極側金属枠体４に接する第二面１９を有しており、電解槽用ガスケット１７、陽極側金属枠体２、陰極側金属枠体４は、何れも、中央部に開口部を有し、額縁状に形成された角型又は円形等の形状をなしている。図１に例示した本発明の電解槽用ガスケットは、額縁状の薄板状枠体からなる電解槽用ガスケット１７の、第一面１８の面上に、前記薄板状枠体の中央近傍から前記陽極室側の縁に至るまでの、陽極側の縁を含む一部の領域が均一の厚みで薄く削り取られており、隔膜６の厚みと略同じ厚みの段差を有する切欠き部２０が形成された構造を有してなる。その結果、図１及び図５に示したように、本発明の電解槽用ガスケットを電解槽に用いると、隔膜６の縁部が、切欠き部２０の内部（段差部分）に容易に収容されて、電解槽用ガスケット１７と陽極側金属枠体２との隙間に強固に保持される状態になる。図１の例では、陽極側金属枠体２に接する第一面１８上に切欠き部２０を設けているが、これに替えて、陰極側金属枠体４に接する第二面１９上に切欠き部２０を設けた構造としてもよい。

　図１中の２１は、隔膜６を保持した際に電解槽用ガスケット１７の上下動を防ぎ、ガスケットが金属枠体からはみ出すのを防止するための部材の、絶縁性の押え板である。該押え板は、図１に示したように、電解槽用ガスケット１７の外周面に密着した状態で装着させる。押さえ板２１の形状は、電解セルの形状に則したもので、円形状又は角形状の枠構造となる。押え板２１は、ガスケットのズレを防止することで、電解槽２４（図２等参照）内の気密性を向上させることができるため、多数のセルを積層させる大容量の電解槽や加圧運転を行う場合に効果的な処置である。なお、図２は、陽極室、陰極室の一対で組み立てられた例を記載しているが、複数積層される電解槽についても同一のことが適用される。

　陽極側金属枠体２の、中央部に形成される開口部には、エキスパンデッドメッシュ、打抜き多孔板、金網、及び、これらに類似する形状の、多数の孔を有する導電性電極材料からなる群から選ばれるいずれかの材料よりなる、板状又はメッシュ状の陽極１が装着されている。また、陰極側金属枠体４の、中央部に形成される開口部には、エキスパンデッドメッシュ、打抜き多孔板、金網、及び、これらに類似する形状の、多数の孔を有する導電性電極材料からなる群から選ばれるいずれかの材料よりなる、板状又はメッシュ状の陰極３が装着されている。そして、隔膜６は、その縁部分（端部）が、先に説明した電解槽用ガスケット１７の切欠き部２０内に保持されており、保持されている部分以外の隔膜６の一方の面が、全面にわたって陽極１に接触している状態になるように設置される。

　図３は、本発明の電解槽用ガスケット１７に、隔膜６を保持させる構成を説明するための模式図である。図３に示した例の電解装用ガスケット１７は、一枚の、額縁状の薄板状枠体よりなり、該枠体の一方の面（陽極側の面）上に、枠体の中央近傍から、前記陽極室側の縁に向かって該縁に至るまでの一部の領域が、均一の厚みで薄く削り取られてなる状態の、切欠き部２０が形成されている。該切欠き部２０は、隔膜６の厚みと略同じ厚み（段差）を有する構造を有している。そして、図３に示したように、前記隔膜６の外周部が、陽極側金属枠体２と切欠き部２０との間に形成される隙間に収容され、上記切欠き部２０内に収容される状態になる。電解槽用ガスケット１７を構成する額縁状のシート状の枠体は、陽極側金属枠体及び前記陰極側金属枠体と略同じ形状を有するものであればよく、その外観形状が、例えば、角型や円形（環）であることが挙げられる。

　以下、本発明の実施形態について説明する。
〔第１実施形態〕
　図２は、電解槽としてアルカリ水電解槽２４に用いた、本発明の電解装用ガスケットの第１実施態様を説明するための、模式的な断面図である。アルカリ水電解槽２４を用いて行うアルカリ水電解では、２５質量％～３５質量％のＫＯＨ水溶液又はＮａＯＨ水溶液が電解液として用いられる。この電解液が、陽極室１５及び陰極室１６に供給されて電解が行われると、陽極室１５より電解液及び酸素ガスを系外に排出し、陰極室１６より電解液及び水素ガスを系外に排出する。排出された電解液は、系外において混合されて、陽極室１５及び陰極室１６に循環して、連続電解が行われる。

　本発明のアルカリ水電解槽２４は、図２に例示したように、陽極側金属枠体２と、該陽極側金属枠体２に装着した陽極１と、該陽極１を含む陽極室１５と、陽極側金属枠体２と同一形状の陰極側金属枠体４と、該陰極側金属枠体４に装着したる陰極３と、陽極１と陰極３とを隔離するための、陽極１と陰極３との間に設けられた隔膜６とを有してなる。上記アルカリ水電解槽２４の特徴は、陽極側金属枠体２と陰極側金属枠体４との間に挟持させた特有の形状を有する電解槽用ガスケット１７によって、隔膜６を、図２に示した状態で保持させるようにした点にある。すなわち、図２に示したように、本発明の切欠き部２０を有する電解槽用ガスケット１７を用いたことで、該電解槽用ガスケット１７と陽極側金属枠体２との間に形成される隙間に、隔膜６の縁部を、緊密な状態に容易に収容させることができる。その結果、隔膜６の陽極側の面が、略全面にわたって、陽極１に、より近接した状態に保持された構成になる。上記の説明は、図２に示した、陽極１側に寄せて隔膜６を保持させるように構成した例で行ったが、上記と同様にして、陰極側２に寄せて隔膜６を保持するように構成することもでき、この場合も、同様に本発明の効果が得られる。

　陽極側金属枠体２は、中央部に陽極室を形成するための開口部を有する、例えば、外観形状が、角型又は円形（環）等である、額縁状の形状をしている。該陽極側金属枠体２の開口部には、陽極１が装着される。陽極１は、エキスパンデッドメッシュ、打抜き多孔板、金網、或いは、これらに類似する形状の、多数の孔を有する導電性電極材料よりなる。陰極側金属枠体４は、上記陽極側金属枠体と同一形状をしており、中央部に陰極室を形成するための開口部を有する、角型又は円形等の額縁状の形状をしている。該陰極側金属枠体４の開口部には、陰極３が装着される。陰極３は、エキスパンデッドメッシュ、打抜き多孔板、金網、或いは、これらに類似する形状の、多数の孔を有する導電性電極材料よりなる。

　第１実施形態のアルカリ水電解槽では、導電性電極材料からなる陽極１及び陰極３に、何れも、ニッケルメッキした鉄板、ニッケル又はニッケル合金が使用されている。陽極側金属枠体２と陰極側金属枠体４も、陽極１及び陰極３と同一の、ニッケルメッキした鉄板、ニッケル又はニッケル合金によって形成することができる。これらを同一の材料で形成した場合、陽極１及び陰極３は、それぞれ、陽極側金属枠体２、陰極側金属枠体４の、隔膜６側に位置する面に、溶接等の手段により装着することができる。

　本発明を特徴づける電解槽用ガスケット１７は、前記陽極側金属枠体２及び前記陰極側金属枠体４と略同じ形状を有する、一枚の、額縁状の薄板状枠体よりなる。そして、図２に示したように、前記陽極側金属枠体２と、前記陰極側金属枠体３との間に、緊密な状態に挟持される。電解槽用ガスケット１７は、図１に示したように、前記陽極側金属枠体２に密接する第一面１８と、前記陰極側金属枠体４に密接する第二面１９とを有する。本発明の電解槽用ガスケット１７は、前記第一面１８及び前記第二面１９のいずれか一方の面上に、特有の形状の切欠き部２０が形成されていることを特徴とする。

　以下、図１～図３及び図５を参照して、第一面１８上に設けられた切欠き部２０の詳細について説明する。切欠き部２０は、電解槽用ガスケット１７の、額縁状の薄板状枠体の中央近傍から、前記陽極室１５側の縁に至るまでの縁を含む一部の領域が、均一の厚みで薄く削り取られた形状をしており、切欠き部２０により、前記第一面１８上に、該第一面１８と特定の厚みの段差を有する凹面が形成される。

　図３に示したように、切欠き部２０によって形成される段差（厚さ）Ｗは、隔膜６の厚みＭと略同じ厚みを有する。本発明の電解槽用ガスケットは、上記特有の形状の切欠き部２０が形成された構造を有するため、図１に示したように、隔膜６の縁部が、前記切欠き部２０と、前記陽極側金属枠体２との間に形成される隙間に容易に収容できるとともに、隔膜６が保持された部分を緊密な状態にできる。そして、図２に示したように、上記特有の形状の切欠き部２０を有する本発明の電解槽用ガスケット１７を電解槽に用いることで、隔膜６は、陽極１と対向する全面が、陽極１の表面に、より近接した状態で保持されることになる。すなわち、本発明の電解槽用ガスケットを用いることで、従来技術のガスケットを用いた場合のように、隔膜６が、陽極１と陰極３の中間部に保持されることはなく、陽極１の表面に接触して、陽極１側に安定な状態で保持される。

　上記したように、電解槽において、本発明の電解槽用ガスケット１７を用いて隔膜６を保持すると、図２に示したように、隔膜６の、切欠き部２０内に収容されている縁部を除く隔膜６の一方の面の全面が、陽極１の表面近傍に固定されているような状態で安定に保持されるため、隔膜に、撓みや皺、ねじれが生じることが少なく、無理な負荷がかかることも抑制される。このため、隔膜に損傷を起こすことが抑制されるので、電解槽内の隔膜を長期間安定的に正常な状態で保持することが実現できる。先に述べたように、上記の説明は、陽極１側に寄せて隔膜６を保持させるように構成した例で行った。尚、上記と同様にして、陰極側２に寄せて隔膜６を保持する構成とした場合も同様に、上記した本発明の効果が得られる。

　上記に例示したアルカリ水電解槽２４において、使用する電解液の種類や、発生するガスの性状にも因るが、陽極側金属枠体２又は陰極側金属枠体４と、緊密な状態に挟持させた電解槽用ガスケット１７の間で生じる隙間腐食を防止するため、陽極側金属枠体２又は陰極側金属枠体４の表面に耐食性コーティングを施してもよい。

　また、電解槽用ガスケット１７の形成材料には、電解液及び電解生成ガスに対して耐食性を有する弾性体が使用することが好ましい。例えば、次にあげるような弾性体を適宜に選択して用いることができる。天然ゴム（ＮＲ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、ブタジエンゴム（ＢＲ）、アクリロニトリル－ブタジエンゴム（ＮＢＲ）、シリコーンゴム（ＳＲ）、エチレン－プロピレンゴム（ＥＰＴ）、エチレン－プロピレン－ジエンゴム（ＥＰＤＭ）、フッ素ゴム（ＦＲ）、イソブチレン－イソプレンゴム（ＩＩＲ）、ウレタンゴム（ＵＲ）、クロロスルホン化ポリエチレンゴム（ＣＳＭ）等を用いることができる。

　隔膜６の形成材料としては、水溶液透過性の隔膜であればよく、特に限定されない。例えば、アスベスト隔膜、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）の不織布、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオルエチレン）やＰＳＦ（ポリサルフォン又はポリスルホン）などのポリマーを含浸させた化学的耐性のある不織布等が、好適に使用される。隔膜の厚みは、１００μｍ～６５０μｍ程度であり、特に限定されない。

　本発明の電解槽用ガスケット１７は、図３に示したように、切欠き部が形成されない上部（薄板状枠体の外周側）の充填部２６と、下部（薄板状枠体の中央側）の切欠き形成部２７よりなる。また、電解槽に設置された場合に、陽極側金属枠体２に密接する第一面１８と、陰極側金属枠体４に密接する第二面１９を有している。そして、先に説明したように、電解槽用ガスケット１７の第一面１８上には、切欠き形成部２７に、上記した充填部２６との境目から、切欠き形成部２７の縁までの領域に、隔膜６の厚みとほぼ同じ厚み（段差）を有するように設計した切欠き部２０が設けられている。電解槽用ガスケット１７を構成する第一面１８の、切欠き形成部２７の領域より上方（外周側）の充填部２６は、電解槽に設置された場合に、陽極側金属枠体２に面接触した状態になる。

　図３に、本発明の電解槽用ガスケット１７の各部についての寸法を示すための符号を示した。具体的な寸法は、個々の電解槽のサイズによって適宜設定される。また、図３は、電解槽に、電解槽用ガスケット１７を組み入れて設置する際における設置前の、各構成要素が密着していない状態で示してある。以下、図３を参照して説明する。

　切欠き部２０の長さＬは、隔膜６を保持できる程度の長さに、電解槽のサイズや、電極反応面積に合わせ適宜設計すればよく、例えば、５～３０ｍｍ程度、好ましくは１０ｍｍ～２０ｍｍである。切欠き部２０の深さ（段差或いは厚みとも呼ぶ）Ｗは、隔膜の厚みに応じて適宜に設定すればよく、例えば、０．１～１．０ｍｍ程度である。本実施形態では、切欠き部２０の深さＷは、隔膜の厚みＭと略同等であり、例えば、０．５ｍｍ程度である。電解槽用ガスケット１７の長さＣ（枠体の幅Ｃ）は、２０ｍｍ～５０ｍｍ程度であり、充填部２６の長さＡは、１０ｍｍ～４０ｍｍ程度、切欠き形成部２７の長さＢは、５ｍｍ～３０ｍｍ程度、隔膜の厚みＭは、１００μｍ～６５０μｍ程度である。本発明者らの検討によれば、充填部２６の長さＡと、切欠き形成部２７の長さＢとの比は、Ａ：Ｂ＝１：１～２：１程度であることが、隔膜６を緊密な状態に挟持し、より液漏れを発生させないようにするためには好ましい。但し、この関係も、使用するガスケットの特性（強度、弾性、延伸性等）に影響を受けるため、この限りではない。

　一方、図２に示した電解槽用ガスケット１７の第二面１９は、その全面が陰極側金属枠体４に面接触しており、電解槽用ガスケット１７と陽極側金属枠体２及び陰極側金属枠体４とに隙間は全くなく、これらの接触面から電解槽２４内の電解液及び電解生成ガスが、外部に漏えいすることはない。

　隔膜６の上下の両端の縁部は、電解槽用ガスケット１７（以下、単に「ガスケット」とも呼ぶ。）の切欠き部２０内に挿入した後、陽極側金属枠体２及び陰極側金属枠体４の両側からタイロッド２５（図２、図４参照）、又は油圧手段（不図示）等その他の締付手段により締め付けることが好ましい。このように構成することにより、隔膜６の外周部は、ガスケット１７の切欠き部２０内に緊密な状態で収容されて、ガスケット１７の切欠き部２０の内部の各辺により強固に保持されるとともに、ガスケット１７の第一面１８上部及び第二面１９の全面と、陽極側金属枠体２及び陰極側金属枠体４によって緊密な状態になり、密閉される。このため、電解槽２４内から、電解液及び電解生成ガスが外部に漏れることを、より確実に防止できるようになる。

　電解槽に電解槽用ガスケット１７を用いた場合、隔膜６の一方の面の電極に対向する全面が、陽極１と陽極側金属枠体２、あるいは、前記陰極３と前記陰極側金属枠体４に接触している状態になる。すなわち、図２に示した例では、電解槽用ガスケット１７の切欠き部２０内に、外周部（縁部）が収容保持された隔膜６の陽極側の面は、その全面が、陽極側金属枠体２及び陽極１にそれぞれ接触した状態になる。このため、接触した部分の断面形状が、図２に示したように、陽極側金属枠体２とガスケット１７との接触部と、電解槽用ガスケット１７内の隔膜６の陽極側の面と陽極側金属枠体２との接触部と、陽極１と隔膜６との接触部の、いずれもが一直線上に配置されて保持された状態になる。

　従って、隔膜６は、陽極１と陰極３の中間部に不安定に保持されることはなく、陽極１の表面に沿った状態（積層されているような状態）で、固定された一平面の状態で保持される。このため、電解運転中に隔膜６に、撓みや皺、ねじれが生じることがなく、しかも、無理な負荷がかかることもなく、隔膜６に損傷を起こすことが格段に抑制される。その結果、隔膜６を長期間安定的に使用することが可能となるので、資源の有効利用及び経済的な効果も期待できる。尚、隔膜６が保持された際の配置を、上記に挙げた複数の接触部が一直線上に保持された状態にすることにより、隔膜６に屈曲する箇所の発生率が低下し、隔膜損傷率が低減できる。しかし、陽極１又は陰極３の取り付け位置によっては、必ずしも、隔膜６の一方の面の、保持された部分を除いた全面と、陽極１又は陰極３が接触した状態でなくてもよく、その間隔が狭ければよい。

　図２に示したように、陽極側金属枠体２の背面には、陽極室１５を形成する陽極室枠体２２が接続されており、陰極側金属枠体４の背面には、陰極室１６を形成する陰極室枠体２３が接続されている。陽極室枠体２２及び陰極室枠体２３は、陽極側金属枠体２及び陰極側金属枠体４と同一の材料で形成することができる。また、陽極１、陽極側金属枠体２、陽極室枠体２２、陰極３、陰極側金属枠体４、陰極側金属枠体２３は、全て、ニッケルメッキした鉄板、ニッケル又はニッケル合金等の同一の材料で形成することもできる。尚、電解槽用ガスケットの第一面１８又は第二面１９は、それぞれが接する陽極側金属枠体２又は陰極側金属枠体４に接着剤により接着してもよい。大型実機の場合、セル組立を現場で立てたまま実施する場合があるので、接着剤の利用はこのような時に有効である。一方、小型の場合は、横にしたまま組み立てる場合が多く、この場合、接着剤は不用である。

〔第２実施形態〕
　第１の実施態様においては、陽極側金属枠体２に接するガスケット１７の第一面１８の切欠き形成部２７に切欠き部２０を設けた例について説明した。第２実施形態では、これとは逆側の、陰極側金属枠体４に接するガスケット１７の第二面１９に、切欠き形成部２７を設けて、切欠き部２０を形成した（不図示）。この例では、ガスケット１７の第二面１９の中央より上方の充填部２６を、陰極側金属枠体４に面接触させ、一方、ガスケット１７の第一面１８は、その全面を陽極側金属枠体２に面接触させる。この場合、陰極側金属枠体４及び陰極３は、同一の平面状に配置された構成になる。このため、ガスケット１７の陰極側に設けられた切欠き部２０内に、縁部が収容保持された隔膜６は、隔膜６の全面が、陰極側金属枠体４及び陰極３に接触した状態となり、隔膜６が、陰極３の表面に沿った状態（積層されているような状態）で、固定された一平面の状態に保持されることになる。

　従って、第２実施形態の場合も前記第１実施形態と同様に、隔膜６の中央の部分は、図６～８に示した従来のガスケットを用いた場合のように、陽極１と陰極３の中間部に不安定な状態に保持されることはなく、陰極３の表面に沿って接触した状態で直線的に保持される。このため、隔膜６にねじれが生じることがなく、しかも、無理な負荷がかかることもなく、隔膜６に損傷を起こすこともなく、隔膜６を長期間安定的に使用することが可能となる。

〔第３実施形態〕
　第３実施形態では、第１実施形態又は第２実施形態の構成に加えて、陽極１に、隔膜６側の表面に陽極活性化触媒を被覆したものを用い、陰極３に、隔膜６側の表面に陰極活性化触媒を被覆したものを用いる。このように構成することによって、電解槽の高性能化を図ることが可能となる。更に、本発明の電解槽を高性能化するためには、陽極１の隔膜６側の表面に、陽極触媒活性コーティングを施した陽極側ファインメッシュ２８を装着し、及び／又は、陰極３の隔膜６側表面に、陰極触媒活性コーティングを施した陰極側ファインメッシュ２９を装着することが好ましい。

　電解槽の更なる高性能化を図るためには、陽極側ファインメッシュ２８と陽極１、及び／又は、陰極側ファインメッシュ２９と陰極３との間に、スプリング材料３０を装着し、陽極１と陰極３とのゼロギャップ化を図ることが好ましい。スプリング材料としては、ニッケル基材のクッションコイルが好適に使用できる。図４に、陰極側ファインメッシュ２９と陰極３との間に、スプリング材料３０を装着した電解槽の例を示した。図４のような構成とすることによって、陽極１と陰極３とのゼロギャップ化が図られ、電解槽の更なる高性能化が図られる。

〔第４実施形態〕
　本発明の電解槽用ガスケットは、アルカリ水電解槽に好適であるが、食塩電解の電解槽や、その他の電解槽、例えば、純水電解、非精製水の電解、臭化物水溶液電解、塩酸水溶液電解、硫酸水溶液電解等の電解槽にも適用することができる。本発明を食塩電解槽に適用するためには、隔膜６として、陽イオン交換膜を使用し、電解槽の陽極室１５及び陰極室１６を、前記陽イオン交換膜により隔離し、陽極側電解液として食塩水を使用し、陰極側電解液として、苛性アルカリ金属水溶液とする。

〔第５実施形態〕
　更に、本発明の電解槽用ガスケット及び電解槽は、加圧システムにおいても適用することができる。尚、加圧システムの場合は、陽極室、陰極室がともに加圧される。このとき陽極側より陰極側の圧力を少し高め、陰極加圧の制御をすることで陰極側から集められる水素純度は高くなる傾向があり、運転管理としては陰極加圧が好ましい。一方、隔膜の種類にもより、電解液が透過し易い隔膜では、その陰極加圧も水柱１０ｃｍ－Ｈ_２Ｏ程度の小さなもの、又は同圧を採用することになる。

〔第６実施形態〕
　更に、本発明の電解槽用ガスケット及び電解槽は、単極式の電解槽だけでなく複極式電解槽にも適用することができる。

　本発明によれば、一枚のガスケットにより、簡単な装着操作により、隔膜を電解槽内部に収容保持することができ、しかも、電解液や電解生成ガスが電解槽の内部から漏れるのを確実に防ぐことができる。更に、特有の形態の切欠き部を有する構成としたことで、隔膜を、電極に接触する電極に沿った位置に保持することができるため、電解運転中に、隔膜が左右に屈曲して、隔膜に損傷を起こすことなく、隔膜を長期間安定的に使用することが可能になる。本発明の電解槽用ガスケットは、様々な電解槽に適用できるため、幅広い分野においての利用が期待される。

１：陽極
２：陽極側金属枠体
３：陰極
４：陰極側金属枠体
５：О－リング
６：隔膜
７：陽極側ガスケット
８：陰極側ガスケット
９：電解槽用ガスケット（従来技術）
１０：第一面（従来技術）
１１：第二面（従来技術）
１２：スリット部
１３：充填部
１４：スリット形成部
１５：陽極室
１６：陰極室
１７：電解槽用ガスケット
１８：第一面
１９：第二面
２０：切欠き部
２１：押え板
２２：陽極室枠体
２３：陰極室枠体
２４：アルカリ水電解槽
２５：タイロッド
２６：充填部
２７：切欠き形成部
２８：陽極側ファインメッシュ
２９：陰極側ファインメッシュ
３０：スプリング材料

 

Claims (14)

1. 　陽極と陰極と、陽極と陰極とを隔離するシート状の隔膜よりなる電解槽に組み込まれた、前記隔膜を保持するための電解槽用ガスケットであって、
   　前記電解槽は、中央部に陽極室を形成するための開口部を有する額縁状に形成された陽極側金属枠体と、該陽極側金属枠体と同一形状の、中央部に陰極室を形成するための開口部を有する陰極側金属枠体とを有し、前記陽極側金属枠体の開口部に陽極が装着され、前記陰極側金属枠体の開口部に陰極が装着され、かつ、前記陽極側金属枠体と前記陰極側金属枠体との間に、前記電解槽用ガスケットが緊密な状態に挟持されており、
   　前記電解槽用ガスケットは、前記陽極側金属枠体及び前記陰極側金属枠体と略同じ形状を有する、一枚の、額縁状の薄板状枠体よりなり、
   　該額縁状の薄板状枠体は、前記陽極側金属枠体に密接する第一面と、前記陰極側金属枠体に密接する第二面とを有し、前記第一面及び前記第二面のいずれか一方の面上に、前記薄板状枠体の、前記陽極側又は前記陰極側の縁を含む一部の領域が均一の厚みで薄く削り取られてなる、前記隔膜の厚みと略同じ厚みの段差を有する切欠き部が形成された構造を有し、
   　前記隔膜の縁部が、前記切欠き部と、前記陽極側金属枠体あるいは前記陰極側金属枠体との間に形成される隙間に収容されて、前記隔膜が、前記陽極の表面あるいは前記陰極の表面のいずれかに、より近接した状態で保持されていることを特徴とする電解槽用ガスケット。
2. 　更に、前記電解槽用ガスケットの外周面に押し付けられた状態で、絶縁性を有するガスケット押え板が装着されている請求項１に記載の電解槽用ガスケット。
3. 　前記電解槽用ガスケットが、電解液及び電解生成ガスに対して耐食性を有する弾性体からなる材料で形成されている請求項１又は２に記載の電解槽用ガスケット。
4. 　前記陽極の隔膜側に、陽極触媒活性コーティングが施されているか、あるいは、陽極触媒活性コーティングが施されている陽極側ファインメッシュが装着されている、
   　及び／又は、前記陰極の隔膜側に、陰極触媒活性コーティングが施されているか、あるいは、陰極触媒活性コーティングが施されている陰極側ファインメッシュが装着されている請求項１～３のいずれか１項に記載の電解槽用ガスケット。
5. 　前記陽極と前記陰極とのゼロギャップ化を図るため、前記陽極側ファインメッシュと前記陽極との間に、及び／又は、前記陰極側ファインメッシュと前記陰極との間に、スプリング材料が装着されている請求項４に記載の電解槽用ガスケット。
6. 　前記陽極及び前記陰極が、エキスパンデッドメッシュ、打抜き多孔板、金網、及び、これらに類似する形状の、多数の孔を有する導電性電極材料からなる群から、独立して選ばれるいずれかの材料よりなる請求項１～５のいずれか１項に記載の電解槽用ガスケット。
7. 　前記陽極側金属枠体の背面に、前記陽極室を形成するための陽極室枠体が接続されているとともに、前記陰極側金属枠体の背面に、前記陰極室を形成するための陰極室枠体が接続されている請求項１～６のいずれか１項に記載の電解槽用ガスケット。
8. 　前記陽極側金属枠体が、前記陽極室枠体の一部として形成されているとともに、前記陰極側金属枠体が、前記陰極室枠体の一部として形成されている請求項７に記載の電解槽用ガスケット。
9. 　前記隔膜は、前記隙間に収容されている縁部を除く隔膜の一方の面の全面が、前記陽極又は前記陽極に装着されている陽極側ファインメッシュに接触している状態で、あるいは、前記陰極又は前記陰極に装着されている陰極側ファインメッシュに接触している状態で、保持されている請求項１～８のいずれか１項に記載の電解槽用ガスケット。
10. 　前記陽極、前記陽極側金属枠体、前記陽極室枠体、前記陰極、前記陰極側金属枠体、及び前記陰極室枠体が、それぞれ、ニッケル、ステンレス、鉄及びそれらの合金よりなる群より選ばれた少なくとも一つを含む材料からなり、
    　前記隔膜が、水溶液透過性の多孔質隔膜よりなり、
    　前記陽極室及び前記陰極室に導入される電解液が、共通した組成の苛性アルカリ金属水溶液であり、
    　前記電解槽が、アルカリ水電解槽である請求項１～９のいずれか１項に記載の電解槽用ガスケット。
11. 　前記陽極、前記陽極側金属枠体及び前記陽極室枠体が、チタン又はチタン合金からなり、
    　前記陰極、前記陰極側金属枠体及び前記陰極室枠体が、ニッケル、ステンレス、鉄及びそれらの合金よりなる群より選ばれた少なくとも一つを含む材料からなり、
    　前記隔膜が、陽イオン交換膜よりなり、
    　前記陽極室及び前記陰極室に導入される電解液が、陰極側電解液と陽極側電解液よりなり、
    　前記陰極側電解液が、苛性アルカリ金属水溶液よりなり、
    　前記陽極側電解液が、ハロゲン化アルカリ金属水溶液よりなり、
    　前記電解槽が、食塩電解槽である請求項１～９のいずれか１項に記載の電解槽用ガスケット。
12. 　請求項１～１１のいずれか１項に記載の電解槽用ガスケットを備えてなることを特徴とする電解槽。
13. 　更に、電解液を加圧しながら電解を行う構成の請求項１２に記載の電解槽。
14. 　請求項１～１１のいずれか１項に記載の電解槽用ガスケットを備えてなり、該ガスケットを構成する、前記第一面又は前記第二面が、それぞれが接する前記陽極側枠体又は前記陰極側枠体に接着剤で接着されていることを特徴とする電解槽。
    
     

Images