JPH11124698A - ガス拡散電極を使用する電解槽 - Google Patents
ガス拡散電極を使用する電解槽Info
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- JPH11124698A JPH11124698A JP9299563A JP29956397A JPH11124698A JP H11124698 A JPH11124698 A JP H11124698A JP 9299563 A JP9299563 A JP 9299563A JP 29956397 A JP29956397 A JP 29956397A JP H11124698 A JPH11124698 A JP H11124698A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 従来技術では、反応効率に直結する反応ガス
の円滑な供給及び生成物の円滑な取り出しという相反す
る操作を両者とも効率良く行なうことは不可能であっ
た。本発明の目的は前記した相反する２種類の操作をそ
れぞれ円滑に行ない、高効率で目的生成物を電解生成で
きる電解槽を提供することである。 【構成】 ゼロギャップ型の電解槽11のイオン交換膜12
とガス拡散陰極17の間に親水性の液透過材16を設けるこ
とを特徴とするガス拡散電極を使用する電解槽。前記液
透過材を通して生成する目的物を該液透過材の周縁方向
に分散させ抜き出せるようにしたため、目的物の抜き出
し方向と反応ガスの供給方向が対向することがなくな
り、生成物量が増加しても反応ガスは該生成物に阻害さ
れずに反応サイトに達することができる。
の円滑な供給及び生成物の円滑な取り出しという相反す
る操作を両者とも効率良く行なうことは不可能であっ
た。本発明の目的は前記した相反する２種類の操作をそ
れぞれ円滑に行ない、高効率で目的生成物を電解生成で
きる電解槽を提供することである。 【構成】 ゼロギャップ型の電解槽11のイオン交換膜12
とガス拡散陰極17の間に親水性の液透過材16を設けるこ
とを特徴とするガス拡散電極を使用する電解槽。前記液
透過材を通して生成する目的物を該液透過材の周縁方向
に分散させ抜き出せるようにしたため、目的物の抜き出
し方向と反応ガスの供給方向が対向することがなくな
り、生成物量が増加しても反応ガスは該生成物に阻害さ
れずに反応サイトに達することができる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ガス供給を円滑に行な
い得るガス拡散電極を使用する電解槽に関し、より詳細
にはガス供給を円滑にして水酸化ナトリウム製造や過酸
化水素製造用電解において大きな省エネルギー効果を達
成できる酸素ガス拡散陰極を配置した電解槽に関する。
い得るガス拡散電極を使用する電解槽に関し、より詳細
にはガス供給を円滑にして水酸化ナトリウム製造や過酸
化水素製造用電解において大きな省エネルギー効果を達
成できる酸素ガス拡散陰極を配置した電解槽に関する。
【０００２】
【従来技術とその問題点】クロルアルカリ電解を代表と
する電解工業は素材産業として重要な役割を果たしてい
る。このように重要な役割を持つが、クロルアルカリ電
解に要する消費エネルギーが大きく、日本のようにエネ
ルギーコストが高い国ではその省エネルギー化が大きな
問題となる。例えばクロルアルカリ電解では環境問題の
解決とともに省エネルギー化を達成するために、水銀法
から隔膜法を経てイオン交換膜法へと転換され、約25年
で約40％の省エネルギー化を達成してきた。しかしこの
省エネルギー化でも不十分で、エネルギーである電力コ
ストが全製造費の50％を占めている。現行の方法を使用
する限りこれ以上の電力節約は不可能なところまで来て
いる。さらなる省エネルギー化を達成するためには、従
来と異なる電極反応を用いる等の抜本的に変えなければ
ならない。その例として燃料電池等で採用されているガ
ス拡散電極の使用は現在考えられる中で最も可能性が高
く、電力節約が大きい手段である。
する電解工業は素材産業として重要な役割を果たしてい
る。このように重要な役割を持つが、クロルアルカリ電
解に要する消費エネルギーが大きく、日本のようにエネ
ルギーコストが高い国ではその省エネルギー化が大きな
問題となる。例えばクロルアルカリ電解では環境問題の
解決とともに省エネルギー化を達成するために、水銀法
から隔膜法を経てイオン交換膜法へと転換され、約25年
で約40％の省エネルギー化を達成してきた。しかしこの
省エネルギー化でも不十分で、エネルギーである電力コ
ストが全製造費の50％を占めている。現行の方法を使用
する限りこれ以上の電力節約は不可能なところまで来て
いる。さらなる省エネルギー化を達成するためには、従
来と異なる電極反応を用いる等の抜本的に変えなければ
ならない。その例として燃料電池等で採用されているガ
ス拡散電極の使用は現在考えられる中で最も可能性が高
く、電力節約が大きい手段である。
【０００３】ガス拡散電極は、反応物質としてガスを電
極表面に供給しやすい性質を有することを特徴とし、燃
料電池等の用途を踏まえて開発されてきた。最近になっ
てガス拡散電極を工業電解に利用することが検討され始
め、例えば過酸化水素のオンサイト製造装置では酸素還
元反応を行なうための疎水性陰極が利用されている（In
dustrial Electrochemistry (2nd Edit.) p279〜、199
1) 。又アルカリ製造や各種回収プロセスでは対極反応
としての陽極の酸素発生或いは陰極の水素発生の代替と
して、陽極での水素酸化あるいは陰極での酸素還元反応
をガス拡散電極を用いて行ない、消費電力の低減を図っ
ている。又亜鉛採取等の金属回収あるいは亜鉛めっきの
対極としても水素陽極による減極が可能であることが報
告されている。しかしながらこれらの工業電解系では、
溶液やガスの組成あるいは運転条件が燃料電池の場合と
比較して単純でないために、前記電極の寿命や性能が十
分に得られないという問題点がある。
極表面に供給しやすい性質を有することを特徴とし、燃
料電池等の用途を踏まえて開発されてきた。最近になっ
てガス拡散電極を工業電解に利用することが検討され始
め、例えば過酸化水素のオンサイト製造装置では酸素還
元反応を行なうための疎水性陰極が利用されている（In
dustrial Electrochemistry (2nd Edit.) p279〜、199
1) 。又アルカリ製造や各種回収プロセスでは対極反応
としての陽極の酸素発生或いは陰極の水素発生の代替と
して、陽極での水素酸化あるいは陰極での酸素還元反応
をガス拡散電極を用いて行ない、消費電力の低減を図っ
ている。又亜鉛採取等の金属回収あるいは亜鉛めっきの
対極としても水素陽極による減極が可能であることが報
告されている。しかしながらこれらの工業電解系では、
溶液やガスの組成あるいは運転条件が燃料電池の場合と
比較して単純でないために、前記電極の寿命や性能が十
分に得られないという問題点がある。
【０００４】食塩電解による水酸化ナトリウム製造プロ
セスにおける一例を述べる。工業用原料として重要であ
る水酸化ナトリウム及び塩素は主として食塩電解により
製造されている。この電解プロセスは前述の通りの変遷
を経て、イオン交換膜を隔膜とし、過電圧の小さい活性
化陰極を使用するイオン交換膜法に移行してきた。この
間、水酸化ナトリウム１トンの製造の電力原単位は2000
ｋＷｈまで減少した。更に従来法のように陰極で水素発
生を行なわせる代わりに水素発生を伴わない酸素還元反
応を行なわせれば、理論分解電圧は従来の2.19Ｖから0.
96Ｖとなり、1.23Ｖの低減が可能になり、大幅な省エネ
ルギー化が期待できる。この新プロセスを工業的に実現
するためには高性能かつ上記電解系で十分な安定性を有
する酸素ガス拡散陰極（酸素を供給ガスとするガス拡散
陰極）の開発が不可欠になる。現在最も一般的に行なわ
れている酸素ガス拡散陰極を用いた食塩電解槽の概略図
を図１に示す。
セスにおける一例を述べる。工業用原料として重要であ
る水酸化ナトリウム及び塩素は主として食塩電解により
製造されている。この電解プロセスは前述の通りの変遷
を経て、イオン交換膜を隔膜とし、過電圧の小さい活性
化陰極を使用するイオン交換膜法に移行してきた。この
間、水酸化ナトリウム１トンの製造の電力原単位は2000
ｋＷｈまで減少した。更に従来法のように陰極で水素発
生を行なわせる代わりに水素発生を伴わない酸素還元反
応を行なわせれば、理論分解電圧は従来の2.19Ｖから0.
96Ｖとなり、1.23Ｖの低減が可能になり、大幅な省エネ
ルギー化が期待できる。この新プロセスを工業的に実現
するためには高性能かつ上記電解系で十分な安定性を有
する酸素ガス拡散陰極（酸素を供給ガスとするガス拡散
陰極）の開発が不可欠になる。現在最も一般的に行なわ
れている酸素ガス拡散陰極を用いた食塩電解槽の概略図
を図１に示す。
【０００５】この電解槽１では、陽イオン交換膜２によ
り該電解槽１が陽極室３と陰極室４に区画され、更に該
陰極室４は酸素ガス拡散陰極５により溶液室６とガス室
７に区画されている。原料となる酸素ガスはガス室７側
から酸素ガス拡散陰極５のガス相面に供給され、酸素ガ
ス拡散陰極５内を拡散し該陰極５内の触媒層で水と反応
して水酸化ナトリウムを生成する。従ってこの電解法に
用いられる陰極は、酸素のみを十分に透過し、かつ水酸
化ナトリウムの溶液室からガス室への透過を妨げ、いわ
ゆる気液分離型のガス拡散電極でなければならない。こ
のような要求を満たす電極として現在食塩電解用として
提案されている酸素ガス拡散陰極は、カーボン粉末とＰ
ＴＦＥを混合しシート状に成形した電極基体に銀、白金
等の触媒を担持させたガス拡散電極が中心となってい
る。従来の食塩電解における陽極反応及び陰極反応はそ
れぞれ次の通りであり、理論分解電圧は2.19Ｖとなる。 陽極反応：２Ｃｌ- →Ｃｌ2 ＋ ２ｅ （1.36Ｖ） 陰極反応：２Ｈ2 Ｏ ＋ ２ｅ → ４ＯＨ- ＋ Ｈ2 （−0.83Ｖ）
り該電解槽１が陽極室３と陰極室４に区画され、更に該
陰極室４は酸素ガス拡散陰極５により溶液室６とガス室
７に区画されている。原料となる酸素ガスはガス室７側
から酸素ガス拡散陰極５のガス相面に供給され、酸素ガ
ス拡散陰極５内を拡散し該陰極５内の触媒層で水と反応
して水酸化ナトリウムを生成する。従ってこの電解法に
用いられる陰極は、酸素のみを十分に透過し、かつ水酸
化ナトリウムの溶液室からガス室への透過を妨げ、いわ
ゆる気液分離型のガス拡散電極でなければならない。こ
のような要求を満たす電極として現在食塩電解用として
提案されている酸素ガス拡散陰極は、カーボン粉末とＰ
ＴＦＥを混合しシート状に成形した電極基体に銀、白金
等の触媒を担持させたガス拡散電極が中心となってい
る。従来の食塩電解における陽極反応及び陰極反応はそ
れぞれ次の通りであり、理論分解電圧は2.19Ｖとなる。 陽極反応：２Ｃｌ- →Ｃｌ2 ＋ ２ｅ （1.36Ｖ） 陰極反応：２Ｈ2 Ｏ ＋ ２ｅ → ４ＯＨ- ＋ Ｈ2 （−0.83Ｖ）
【０００６】ここで陰極に酸素を供給しながら電解する
と、水素が供給酸素で消費されて陰極反応は次のように
なる。 陰極反応：２Ｈ2 Ｏ＋Ｏ2 ＋４ｅ → ４ＯＨ- （0.40Ｖ） 従って理論的には1.23Ｖ、実用的電流密度範囲でも0.8
Ｖ程度の電力消費を低減でき、水酸化ナトリウム１トン
当たり700 ｋＷｈの節減になる。このような省エネルギ
ー化の観点から1980年代以降、ガス拡散電極を利用する
食塩電解の実用化が検討されているが、このタイプの電
極には次のような欠点があった。
と、水素が供給酸素で消費されて陰極反応は次のように
なる。 陰極反応：２Ｈ2 Ｏ＋Ｏ2 ＋４ｅ → ４ＯＨ- （0.40Ｖ） 従って理論的には1.23Ｖ、実用的電流密度範囲でも0.8
Ｖ程度の電力消費を低減でき、水酸化ナトリウム１トン
当たり700 ｋＷｈの節減になる。このような省エネルギ
ー化の観点から1980年代以降、ガス拡散電極を利用する
食塩電解の実用化が検討されているが、このタイプの電
極には次のような欠点があった。
【０００７】 電極材料として用いられるカーボンが
高温で水酸化ナトリウム及び酸素の共存下では容易に劣
化し、電極性能を著しく低下させる。 液圧の上昇及び電極の劣化に伴い発生する水酸化ナ
トリウムのガス室側へのリークを防止することが困難で
ある。 実用レベルで必要な大きさ（１ｍ2 以上）の電極の
作製が困難である。 槽内の圧力は高さによって変化し、それを補償する
供給酸素ガス圧分布を与えることが困難である。 陰極液の溶液抵抗損失があり、又溶液の攪拌の動力
を必要とする。 実用化に際し、既存の電解設備の大幅な改良が必要
になる。 酸素ガスとして空気を利用すると、空気中の炭酸ガ
スが水酸化ナトリウムと反応して炭酸ナトリウムとして
ガス拡散電極の細孔に析出するため、ガス拡散能が低下
してしまう。
高温で水酸化ナトリウム及び酸素の共存下では容易に劣
化し、電極性能を著しく低下させる。 液圧の上昇及び電極の劣化に伴い発生する水酸化ナ
トリウムのガス室側へのリークを防止することが困難で
ある。 実用レベルで必要な大きさ（１ｍ2 以上）の電極の
作製が困難である。 槽内の圧力は高さによって変化し、それを補償する
供給酸素ガス圧分布を与えることが困難である。 陰極液の溶液抵抗損失があり、又溶液の攪拌の動力
を必要とする。 実用化に際し、既存の電解設備の大幅な改良が必要
になる。 酸素ガスとして空気を利用すると、空気中の炭酸ガ
スが水酸化ナトリウムと反応して炭酸ナトリウムとして
ガス拡散電極の細孔に析出するため、ガス拡散能が低下
してしまう。
【０００８】これらの問題点を解決する電解法が図２に
示す電解槽を使用するセロギャップ型電解法である。こ
の電解法では、電解槽８の酸素ガス拡散陰極９とイオン
交換膜10を密着することにより図１の溶液室を無くし、
原料である酸素ガス及び水を供給し、又生成物である水
酸化ナトリウムも同じ側から回収することを特徴として
いる。この電解法を用いると、溶液室とガス室との間の
ガスリークが無くなるため、前記問題点が解消し、又
電極とイオン交換膜が密着した構造であるため従来のイ
オン交換膜法の電解設備をあまり改良することなく使用
できるため、前記問題点も解決される。この電解プ
ロセスに適した酸素ガス拡散陰極に要求される性能は、
ガス透過性が高いこと、水酸化ナトリウムによる湿潤を
避けるために必要な疎水性が高いこと、及び水酸化ナト
リウムが電極内を移動するのに必要な透過性が高いこと
である。このような目的のために前記酸素ガス拡散陰極
はニッケルや銀等の耐久性金属で作製されており，前記
問題点が解決されて、長時間の電解が期待できる。
示す電解槽を使用するセロギャップ型電解法である。こ
の電解法では、電解槽８の酸素ガス拡散陰極９とイオン
交換膜10を密着することにより図１の溶液室を無くし、
原料である酸素ガス及び水を供給し、又生成物である水
酸化ナトリウムも同じ側から回収することを特徴として
いる。この電解法を用いると、溶液室とガス室との間の
ガスリークが無くなるため、前記問題点が解消し、又
電極とイオン交換膜が密着した構造であるため従来のイ
オン交換膜法の電解設備をあまり改良することなく使用
できるため、前記問題点も解決される。この電解プ
ロセスに適した酸素ガス拡散陰極に要求される性能は、
ガス透過性が高いこと、水酸化ナトリウムによる湿潤を
避けるために必要な疎水性が高いこと、及び水酸化ナト
リウムが電極内を移動するのに必要な透過性が高いこと
である。このような目的のために前記酸素ガス拡散陰極
はニッケルや銀等の耐久性金属で作製されており，前記
問題点が解決されて、長時間の電解が期待できる。
【０００９】又この電解プロセスでは、酸素供給側に透
過してきた水酸化ナトリウムを回収するので，従来のよ
うに陰極により溶液室とガス室に区画することが不要に
なる。従って電極は液が透過性しても問題が起こらず、
大型化も比較的に容易になると考えられ、問題点が解
決される。溶液室が存在せず、従って高さ方向による液
圧変化を受けないため、当然問題点は起こりえない。
又生成した水酸化ナトリウムが、必然的に電極内部を通
って酸素供給側に移動するため、問題点が起こりにく
くなる。このようにガス拡散電極を工業電解系に適合さ
せる試みは継続的に行なわれ、種々の改良が施され、成
果が上がっている。しかし高さが１ｍにも達する既存の
電解槽を利用する場合には、上述の構造を有するガス拡
散電極でも本来の電解性能が充分に得られない。その理
由として、酸素供給側に移動するアルカリ溶液に加え
て、重力により高さ方向に移動した液が、電極内部に滞
留するので、ガス供給が阻害されることが挙げられる。
過してきた水酸化ナトリウムを回収するので，従来のよ
うに陰極により溶液室とガス室に区画することが不要に
なる。従って電極は液が透過性しても問題が起こらず、
大型化も比較的に容易になると考えられ、問題点が解
決される。溶液室が存在せず、従って高さ方向による液
圧変化を受けないため、当然問題点は起こりえない。
又生成した水酸化ナトリウムが、必然的に電極内部を通
って酸素供給側に移動するため、問題点が起こりにく
くなる。このようにガス拡散電極を工業電解系に適合さ
せる試みは継続的に行なわれ、種々の改良が施され、成
果が上がっている。しかし高さが１ｍにも達する既存の
電解槽を利用する場合には、上述の構造を有するガス拡
散電極でも本来の電解性能が充分に得られない。その理
由として、酸素供給側に移動するアルカリ溶液に加え
て、重力により高さ方向に移動した液が、電極内部に滞
留するので、ガス供給が阻害されることが挙げられる。
【００１０】
【発明の目的】本発明は、前述の従来技術の問題点、つ
まりガス拡散電極方式の電解、特に酸素ガス拡散電極を
イオン交換膜に密着させて電解を行なうゼロギャップ型
の食塩電解や過酸化水素生成電解における陰極表面への
ガス供給が円滑でないという問題点を解決し、低電解電
圧下で水酸化ナトリウムや過酸化水素等を製造できるガ
ス拡散電極を使用する電解槽を提供することを目的とす
る。
まりガス拡散電極方式の電解、特に酸素ガス拡散電極を
イオン交換膜に密着させて電解を行なうゼロギャップ型
の食塩電解や過酸化水素生成電解における陰極表面への
ガス供給が円滑でないという問題点を解決し、低電解電
圧下で水酸化ナトリウムや過酸化水素等を製造できるガ
ス拡散電極を使用する電解槽を提供することを目的とす
る。
【００１１】
【問題点を解決するための手段】本発明に係わる電解槽
は、イオン交換膜により陽極室と陰極室に区画された該
陰極室にガス拡散陰極を配置し、陽極室に陽極液を陰極
室に酸素含有ガスをそれぞれ供給しながら電解する電解
槽において、前記イオン交換膜とガス拡散陰極の間に親
水性の液透過材を設けたことを特徴とするガス拡散電極
を使用する電解槽である。
は、イオン交換膜により陽極室と陰極室に区画された該
陰極室にガス拡散陰極を配置し、陽極室に陽極液を陰極
室に酸素含有ガスをそれぞれ供給しながら電解する電解
槽において、前記イオン交換膜とガス拡散陰極の間に親
水性の液透過材を設けたことを特徴とするガス拡散電極
を使用する電解槽である。
【００１２】以下本発明を詳細に説明する。従来から酸
素ガス拡散陰極の食塩電解等の工業電解への適用は検討
され報告されている。陰極室を酸素ガス拡散陰極により
溶液室とガス室とに区画するタイプの電解槽では、イオ
ン交換膜と陰極間の液による液抵抗は無視できないほど
大きい。イオン交換膜と陰極を密着させるゼロギャップ
タイプは、この液抵抗を低減させるために開発された技
術である。例えば食塩電解の場合、前述した陰極反応：
２Ｈ2 Ｏ＋２ｅ→４ＯＨ- ＋Ｈ2 がイオン交換膜と陰極
との界面で生じ、生成した水酸化ナトリウムは溶液とし
て酸素ガス拡散陰極を透過して該陰極のガス相側から取
り出される。この場合水酸化ナトリウムの流れ方向と酸
素含有ガスの流れ方向が逆であるため、溶液が酸素電極
内に滞留したり、ガス供給速度が遅くなったりする。
素ガス拡散陰極の食塩電解等の工業電解への適用は検討
され報告されている。陰極室を酸素ガス拡散陰極により
溶液室とガス室とに区画するタイプの電解槽では、イオ
ン交換膜と陰極間の液による液抵抗は無視できないほど
大きい。イオン交換膜と陰極を密着させるゼロギャップ
タイプは、この液抵抗を低減させるために開発された技
術である。例えば食塩電解の場合、前述した陰極反応：
２Ｈ2 Ｏ＋２ｅ→４ＯＨ- ＋Ｈ2 がイオン交換膜と陰極
との界面で生じ、生成した水酸化ナトリウムは溶液とし
て酸素ガス拡散陰極を透過して該陰極のガス相側から取
り出される。この場合水酸化ナトリウムの流れ方向と酸
素含有ガスの流れ方向が逆であるため、溶液が酸素電極
内に滞留したり、ガス供給速度が遅くなったりする。
【００１３】例えば酸素ガス拡散陰極を食塩電解に使用
する場合とガス発生電極を食塩電解に使用する場合にお
ける電流密度の増加に対する電解電圧の上昇は、前者の
方が後者の約1.5 〜２倍であることが知られている。こ
れは酸素ガス拡散陰極の特性として捉えられ、その主要
因は反応の種類ではなく、電極反応以外の過電圧に依る
ものであることが判っている。その過電圧上昇の原因の
１つが酸素ガス拡散陰極に対する供給ガス不足であり、
例えば食塩電解の場合、ガス源を空気とする場合と純酸
素とする場合では前者の方が約200 ｍＶ過電圧が高くな
ることが知られている。又供給量を増加した方が過電圧
が低くなるが、生成物の取り出しに支障を来たし、結局
円滑なガス供給もできなくなる。
する場合とガス発生電極を食塩電解に使用する場合にお
ける電流密度の増加に対する電解電圧の上昇は、前者の
方が後者の約1.5 〜２倍であることが知られている。こ
れは酸素ガス拡散陰極の特性として捉えられ、その主要
因は反応の種類ではなく、電極反応以外の過電圧に依る
ものであることが判っている。その過電圧上昇の原因の
１つが酸素ガス拡散陰極に対する供給ガス不足であり、
例えば食塩電解の場合、ガス源を空気とする場合と純酸
素とする場合では前者の方が約200 ｍＶ過電圧が高くな
ることが知られている。又供給量を増加した方が過電圧
が低くなるが、生成物の取り出しに支障を来たし、結局
円滑なガス供給もできなくなる。
【００１４】本発明は、この生成物を含む溶液と酸素含
有ガスの供給を共に円滑に行ない得る電解槽を提供する
ことも目的とし、これにより酸素ガス拡散陰極を使用す
る工業電解槽の実現の可能性が高くなる。本発明ではイ
オン交換膜と酸素ガス拡散陰極を密着させて設置するゼ
ロギャップ型電解槽の前記イオン交換膜と酸素ガス拡散
陰極間に親水性の液透過材を設けることを特徴とする。
この親水性液透過材は、イオン交換膜で生成する水酸化
ナトリウムや過酸化水素を溶解した溶液の全部又は一部
を、該親水性液透過材を通して陰極室の周囲、特に下部
に抜き出して前記溶液がイオン交換膜と酸素ガス拡散陰
極間に滞留する時間を短くし、これにより酸素ガス拡散
陰極背面からの酸素含有ガスの供給を円滑に行なうよう
にしたものである。従って本発明によると生成物を溶解
した溶液の円滑な抜き出しと酸素ガスの円滑な供給とい
う方向の異なる操作を最大効率で行ない、電解電圧を従
来以上に低減して酸素ガス拡散陰極を工業電解へ適用す
る道を大きく開くことを可能にする。
有ガスの供給を共に円滑に行ない得る電解槽を提供する
ことも目的とし、これにより酸素ガス拡散陰極を使用す
る工業電解槽の実現の可能性が高くなる。本発明ではイ
オン交換膜と酸素ガス拡散陰極を密着させて設置するゼ
ロギャップ型電解槽の前記イオン交換膜と酸素ガス拡散
陰極間に親水性の液透過材を設けることを特徴とする。
この親水性液透過材は、イオン交換膜で生成する水酸化
ナトリウムや過酸化水素を溶解した溶液の全部又は一部
を、該親水性液透過材を通して陰極室の周囲、特に下部
に抜き出して前記溶液がイオン交換膜と酸素ガス拡散陰
極間に滞留する時間を短くし、これにより酸素ガス拡散
陰極背面からの酸素含有ガスの供給を円滑に行なうよう
にしたものである。従って本発明によると生成物を溶解
した溶液の円滑な抜き出しと酸素ガスの円滑な供給とい
う方向の異なる操作を最大効率で行ない、電解電圧を従
来以上に低減して酸素ガス拡散陰極を工業電解へ適用す
る道を大きく開くことを可能にする。
【００１５】液抵抗の面から見れば、イオン交換膜と酸
素ガス拡散陰極との間には何も存在しないことが好まし
いので、本発明の親水性液透過材を両者間に挿入しない
ほうが良いことになり、挿入すれば電解電圧は上昇す
る。しかし純水電解のようなイオン交換膜を固体電解質
として利用する場合以外はイオン交換膜と陰極とが密着
しなければならない必然性はなく、前記親水性液透過材
の挿入による電解電圧の上昇分以上の効果が現れれば、
全体としての省エネルギー化が達成できる。本発明はま
さにこの効果を狙ったもので、前述の溶液を親水性液透
過材を通して取り出すことにより、供給ガスの円滑化を
達成し、これにより前記親水性液透過材の挿入による上
昇分以上の電解電圧の低減を行ない、全体として省エネ
ルギー化を図ろうとするものである。
素ガス拡散陰極との間には何も存在しないことが好まし
いので、本発明の親水性液透過材を両者間に挿入しない
ほうが良いことになり、挿入すれば電解電圧は上昇す
る。しかし純水電解のようなイオン交換膜を固体電解質
として利用する場合以外はイオン交換膜と陰極とが密着
しなければならない必然性はなく、前記親水性液透過材
の挿入による電解電圧の上昇分以上の効果が現れれば、
全体としての省エネルギー化が達成できる。本発明はま
さにこの効果を狙ったもので、前述の溶液を親水性液透
過材を通して取り出すことにより、供給ガスの円滑化を
達成し、これにより前記親水性液透過材の挿入による上
昇分以上の電解電圧の低減を行ない、全体として省エネ
ルギー化を図ろうとするものである。
【００１６】又親水性液透過材が連続した液層である
と、この液層の高さ方向に前記酸素ガス拡散陰極へ掛か
る圧力差が生じ、大型化へのネックになる可能性がある
が、本発明では電解槽の陰極室には溶液室がなく酸素ガ
ス拡散陰極の背面側にはガス圧が等しく掛かっているこ
と、及び前記溶液は前記親水性液透過材から実質的に液
滴として抜き出され、該親水性液透過材内には連続的な
液層が生じているのではなく途中で途切れた液膜状にな
っていると考えることが妥当であることから、高さ方向
の圧力変化を酸素ガス拡散陰極が受けることはない。本
発明で使用する酸素ガス拡散陰極は従来の酸素ガス拡散
陰極の特徴を活かしたまま使用できる。例えばチタン、
ニオブ、タンタル、ステンレス、ニッケル、ジルコニウ
ム、カーボン、銀などの耐食性材料から成る金網、粉末
焼結体、金属繊維焼結体、発泡体等の材料を、必要に応
じて前処理洗浄して電極支持体とする。電流、ガス及び
液の供給や除去を円滑に行なうため、この電極支持体に
適度な多孔性と電導性を持たせることが好ましい。
と、この液層の高さ方向に前記酸素ガス拡散陰極へ掛か
る圧力差が生じ、大型化へのネックになる可能性がある
が、本発明では電解槽の陰極室には溶液室がなく酸素ガ
ス拡散陰極の背面側にはガス圧が等しく掛かっているこ
と、及び前記溶液は前記親水性液透過材から実質的に液
滴として抜き出され、該親水性液透過材内には連続的な
液層が生じているのではなく途中で途切れた液膜状にな
っていると考えることが妥当であることから、高さ方向
の圧力変化を酸素ガス拡散陰極が受けることはない。本
発明で使用する酸素ガス拡散陰極は従来の酸素ガス拡散
陰極の特徴を活かしたまま使用できる。例えばチタン、
ニオブ、タンタル、ステンレス、ニッケル、ジルコニウ
ム、カーボン、銀などの耐食性材料から成る金網、粉末
焼結体、金属繊維焼結体、発泡体等の材料を、必要に応
じて前処理洗浄して電極支持体とする。電流、ガス及び
液の供給や除去を円滑に行なうため、この電極支持体に
適度な多孔性と電導性を持たせることが好ましい。
【００１７】このような電極支持体表面には触媒層を形
成させることが望ましく、触媒としては、白金、パラジ
ウム、ルテニウム、イリジウム，銅、銀、コバルト、鉛
等の金属又はそれらの酸化物を使用できる。これらの触
媒は、粉末としてフッ素樹脂等のバインダー及びナフサ
等の溶剤と混合してペーストとし固着するか、触媒金属
の塩溶液を支持体表面に塗布し焼成するか、又は塩溶液
を電気めっきするか、還元剤を使用して無電解めっきす
ることにより、触媒層を成形できる。反応ガスの物質移
動を速やかに行なうために、疎水性材料を、前記電極支
持体や集電体に分散担持することが好ましい。疎水性材
料としては、フッ化ピッチ、フッ化黒鉛、フッ素樹脂等
が望ましく、特にフッ素樹脂は均一かつ良好な性能を得
るために、200 から400 ℃の温度において焼成すること
も好ましい。フッ素成分の粉末の粒径は0.005 〜100 μ
ｍとすることが好ましい。疎水性や親水性の部分は電極
断面方向に沿ってそれぞれ連続していることが望まし
い。
成させることが望ましく、触媒としては、白金、パラジ
ウム、ルテニウム、イリジウム，銅、銀、コバルト、鉛
等の金属又はそれらの酸化物を使用できる。これらの触
媒は、粉末としてフッ素樹脂等のバインダー及びナフサ
等の溶剤と混合してペーストとし固着するか、触媒金属
の塩溶液を支持体表面に塗布し焼成するか、又は塩溶液
を電気めっきするか、還元剤を使用して無電解めっきす
ることにより、触媒層を成形できる。反応ガスの物質移
動を速やかに行なうために、疎水性材料を、前記電極支
持体や集電体に分散担持することが好ましい。疎水性材
料としては、フッ化ピッチ、フッ化黒鉛、フッ素樹脂等
が望ましく、特にフッ素樹脂は均一かつ良好な性能を得
るために、200 から400 ℃の温度において焼成すること
も好ましい。フッ素成分の粉末の粒径は0.005 〜100 μ
ｍとすることが好ましい。疎水性や親水性の部分は電極
断面方向に沿ってそれぞれ連続していることが望まし
い。
【００１８】耐食性や経済性の観点から、前記電極支持
体に貴金属めっき特に銀めっきを施すことが望ましい。
疎水性銀めっき浴は、例えば、チオシアン化銀10〜50ｇ
／リットル、チオシアン化カリウム200 〜400 ｇ／リッ
トルの水溶液中へ、ＰＴＦＥ粒子10〜200 ｇ／リット
ル、及び界面活性剤10〜200 ｇ／（ｇ／ＰＴＦＥ）を添
加して調製し、適度に攪拌しながら、室温にて電流密度
0.2 〜２A/dm2 で電着させる。めっき厚としては１〜30
0 μｍのときに良好な疏水性及び耐食性を発現する。め
っき後はアセトン等で充分に洗浄することが好ましい。
本発明においてイオン交換膜とガス拡散陰極間に挿入さ
れる親水性材料としては、耐食性を有する金属や樹脂か
らなる多孔性構造体が好ましい。該親水性材料は電子の
移動には寄与しないため、導電性は無くても良い。該親
水性材料の例としては、カーボン、酸化ジルコニウム、
炭化珪素等のセラミックス、親水性化したＰＴＦＥ、Ｅ
ＥＰ等の樹脂、ニッケル、ステンレス、銀等の金属や合
金などがある。その形状は厚さが0.01〜10mmのシート状
とすることが好ましく、膜と陰極の間に配置されるため
弾力があり圧力の不均一が生ずる場合に変形して前記圧
力を吸収する材料であることが望ましい。更に陰極液を
常に保持し得る材料及び構造であることが好ましく、例
えばその構造としては、網、織物、不織物、発泡体があ
り、特に粉末を原料として孔形成剤と各種バインダーで
シート状に成形した後、溶剤により孔形成粒子を除去し
た焼結板又はそれを重ねた物が好ましい。この親水性材
料の孔径は0.01〜10mmで適切である。
体に貴金属めっき特に銀めっきを施すことが望ましい。
疎水性銀めっき浴は、例えば、チオシアン化銀10〜50ｇ
／リットル、チオシアン化カリウム200 〜400 ｇ／リッ
トルの水溶液中へ、ＰＴＦＥ粒子10〜200 ｇ／リット
ル、及び界面活性剤10〜200 ｇ／（ｇ／ＰＴＦＥ）を添
加して調製し、適度に攪拌しながら、室温にて電流密度
0.2 〜２A/dm2 で電着させる。めっき厚としては１〜30
0 μｍのときに良好な疏水性及び耐食性を発現する。め
っき後はアセトン等で充分に洗浄することが好ましい。
本発明においてイオン交換膜とガス拡散陰極間に挿入さ
れる親水性材料としては、耐食性を有する金属や樹脂か
らなる多孔性構造体が好ましい。該親水性材料は電子の
移動には寄与しないため、導電性は無くても良い。該親
水性材料の例としては、カーボン、酸化ジルコニウム、
炭化珪素等のセラミックス、親水性化したＰＴＦＥ、Ｅ
ＥＰ等の樹脂、ニッケル、ステンレス、銀等の金属や合
金などがある。その形状は厚さが0.01〜10mmのシート状
とすることが好ましく、膜と陰極の間に配置されるため
弾力があり圧力の不均一が生ずる場合に変形して前記圧
力を吸収する材料であることが望ましい。更に陰極液を
常に保持し得る材料及び構造であることが好ましく、例
えばその構造としては、網、織物、不織物、発泡体があ
り、特に粉末を原料として孔形成剤と各種バインダーで
シート状に成形した後、溶剤により孔形成粒子を除去し
た焼結板又はそれを重ねた物が好ましい。この親水性材
料の孔径は0.01〜10mmで適切である。
【００１９】この親水性材料をイオン交換膜と酸素ガス
拡散陰極間に配置するには、前記イオン交換膜と陰極間
に挟み、陽極液の液高さによる水圧差0.1 〜30kgf/cm2
程度の圧力で一体化することが好ましい。又前記親水性
材料は予め陰極の膜側表面又はイオン交換膜の陰極側表
面に形成し、該イオン交換膜及び陰極を密着させて所定
位置に配置するようにしても良い。食塩電解に本発明の
電解槽を使用する場合、イオン交換膜としてはフッ素樹
脂系の膜が耐食性の面から好適である。陽極は通常のＤ
ＳＡと呼ばれるチタン製の不溶性電極を使用することが
望ましく、他の電極の使用も可能である。電解条件は、
例えば温度60〜90℃、電流密度10〜100 A/dm2 とするこ
とが好ましく、必要に応じて供給酸素含有ガスを加湿す
る。加湿方法としては、電解槽入口に70〜95℃に加湿さ
れた加湿装置を設け、前記酸素含有ガスを通すことによ
り制御する。現在市販されている膜の性能では、陽極液
の濃度を200 ｇ／リットル以下、特に170 ｇ／リットル
付近に維持すると、酸素含有ガスの加湿は不要になる。
得られる水酸化ナトリウム濃度は25〜40％程度が適当で
あるが、基本的にはイオン交換膜の性能により決定され
る。
拡散陰極間に配置するには、前記イオン交換膜と陰極間
に挟み、陽極液の液高さによる水圧差0.1 〜30kgf/cm2
程度の圧力で一体化することが好ましい。又前記親水性
材料は予め陰極の膜側表面又はイオン交換膜の陰極側表
面に形成し、該イオン交換膜及び陰極を密着させて所定
位置に配置するようにしても良い。食塩電解に本発明の
電解槽を使用する場合、イオン交換膜としてはフッ素樹
脂系の膜が耐食性の面から好適である。陽極は通常のＤ
ＳＡと呼ばれるチタン製の不溶性電極を使用することが
望ましく、他の電極の使用も可能である。電解条件は、
例えば温度60〜90℃、電流密度10〜100 A/dm2 とするこ
とが好ましく、必要に応じて供給酸素含有ガスを加湿す
る。加湿方法としては、電解槽入口に70〜95℃に加湿さ
れた加湿装置を設け、前記酸素含有ガスを通すことによ
り制御する。現在市販されている膜の性能では、陽極液
の濃度を200 ｇ／リットル以下、特に170 ｇ／リットル
付近に維持すると、酸素含有ガスの加湿は不要になる。
得られる水酸化ナトリウム濃度は25〜40％程度が適当で
あるが、基本的にはイオン交換膜の性能により決定され
る。
【００２０】本発明の電解槽を使用して食塩電解を行な
うと、酸素ガス拡散陰極のイオン交換膜側表面近傍で主
として生成する水酸化ナトリウムを前記親水性材料を通
してつまり酸素ガス拡散陰極を通さずに抜き出すことが
できる。その際に該親水性材料がシード状であると、前
記水酸化ナトリウムがその周縁に達しなければ抜き出さ
れず、抜き出しまでに比較的長時間を要することがあ
る。この問題点を解決するために、本発明では、例えば
シートを複数に分割して各分割シートの一端を、例えば
１〜５mm幅のスリットやガイドを形成した酸素ガス拡散
陰極のこれらの隙間から電極背面に達するように配置す
ると、生成水酸化ナトリウムが周縁に達する前に、短時
間でイオン交換膜と酸素ガス拡散陰極間から抜き出され
る。
うと、酸素ガス拡散陰極のイオン交換膜側表面近傍で主
として生成する水酸化ナトリウムを前記親水性材料を通
してつまり酸素ガス拡散陰極を通さずに抜き出すことが
できる。その際に該親水性材料がシード状であると、前
記水酸化ナトリウムがその周縁に達しなければ抜き出さ
れず、抜き出しまでに比較的長時間を要することがあ
る。この問題点を解決するために、本発明では、例えば
シートを複数に分割して各分割シートの一端を、例えば
１〜５mm幅のスリットやガイドを形成した酸素ガス拡散
陰極のこれらの隙間から電極背面に達するように配置す
ると、生成水酸化ナトリウムが周縁に達する前に、短時
間でイオン交換膜と酸素ガス拡散陰極間から抜き出され
る。
【００２１】図３は、本発明に係わる酸素ガス拡散陰極
を使用する食塩電解用電解槽の一例を示す縦断面図であ
る。電解槽本体11は、イオン交換膜12により陽極室13と
陰極室14に区画され、前記イオン交換膜12の陽極室13側
にはメッシュ状の不溶性陽極15が密着し、該イオン交換
膜12の陰極室14側にはシート状の親水性材料16が密着し
更に該親水性材料16の陰極室側には液透過型酸素ガス拡
散陰極17が密着し、該酸素ガス拡散陰極17にはメッシュ
状の陰極集電体18が接続され該集電体18により給電され
るようになっている。なお19は陽極室底部近傍の側壁に
形成された陽極液（飽和食塩水）導入口、20は陽極室上
部近傍の側壁に形成された陽極液（未反応食塩水）及び
塩素ガス取出口、21は陰極室上部近傍の側壁に形成され
た（加湿）酸素含有ガス導入口、22は陰極室底部近傍の
側壁に形成された水酸化ナトリウム及び過剰酸素の取出
口である。
を使用する食塩電解用電解槽の一例を示す縦断面図であ
る。電解槽本体11は、イオン交換膜12により陽極室13と
陰極室14に区画され、前記イオン交換膜12の陽極室13側
にはメッシュ状の不溶性陽極15が密着し、該イオン交換
膜12の陰極室14側にはシート状の親水性材料16が密着し
更に該親水性材料16の陰極室側には液透過型酸素ガス拡
散陰極17が密着し、該酸素ガス拡散陰極17にはメッシュ
状の陰極集電体18が接続され該集電体18により給電され
るようになっている。なお19は陽極室底部近傍の側壁に
形成された陽極液（飽和食塩水）導入口、20は陽極室上
部近傍の側壁に形成された陽極液（未反応食塩水）及び
塩素ガス取出口、21は陰極室上部近傍の側壁に形成され
た（加湿）酸素含有ガス導入口、22は陰極室底部近傍の
側壁に形成された水酸化ナトリウム及び過剰酸素の取出
口である。
【００２２】この電解槽11の陽極室13に陽極液である飽
和食塩水を供給しかつ陰極室14に加湿した酸素含有ガス
例えば純酸素や空気を供給しながら両電極15、16間に通
電すると、イオン交換膜12の陰極室14側表面で水酸化ナ
トリウムが生成する。通常の電解槽ではこの水酸化ナト
リウムは水溶液として酸素ガス拡散陰極を透過してその
陰極室側表面に達する。しかし図示の電解槽11ではイオ
ン交換膜12と酸素ガス拡散陰極17の間に親水性材料16が
存在するため、前記水酸化ナトリウム水溶液は前記陰極
17内を透過するよりも抵抗が小さくなる、前記親水性材
料16内を分散し、特に重力により下降して該親水性材料
16の下端に達して液滴として陰極室14底部に落下して貯
留される。この電解槽を図２等の従来の電解槽と比較す
ると、図２の従来型電解槽では、生成する水酸化ナトリ
ウム水溶液は密度の高い酸素ガス拡散陰極内を透過しな
ければならず、従って電極内での滞留時間が長くなり、
供給される酸素含有ガスの円滑な透過を阻害し、反応を
律速するガス供給が不十分になるため生成する水酸化ナ
トリウムも不足し、反応効率が大きく低下する。それに
比べ、図３の電解槽では、生成する水酸化ナトリウム水
溶液の反応サイトからの取り出しが比較的抵抗の小さい
親水性材料内の分散により行なわれ、陰極内に殆ど滞留
しないため、反応ガスの供給が円滑に行なわれ、従って
反応効率も高く維持される。
和食塩水を供給しかつ陰極室14に加湿した酸素含有ガス
例えば純酸素や空気を供給しながら両電極15、16間に通
電すると、イオン交換膜12の陰極室14側表面で水酸化ナ
トリウムが生成する。通常の電解槽ではこの水酸化ナト
リウムは水溶液として酸素ガス拡散陰極を透過してその
陰極室側表面に達する。しかし図示の電解槽11ではイオ
ン交換膜12と酸素ガス拡散陰極17の間に親水性材料16が
存在するため、前記水酸化ナトリウム水溶液は前記陰極
17内を透過するよりも抵抗が小さくなる、前記親水性材
料16内を分散し、特に重力により下降して該親水性材料
16の下端に達して液滴として陰極室14底部に落下して貯
留される。この電解槽を図２等の従来の電解槽と比較す
ると、図２の従来型電解槽では、生成する水酸化ナトリ
ウム水溶液は密度の高い酸素ガス拡散陰極内を透過しな
ければならず、従って電極内での滞留時間が長くなり、
供給される酸素含有ガスの円滑な透過を阻害し、反応を
律速するガス供給が不十分になるため生成する水酸化ナ
トリウムも不足し、反応効率が大きく低下する。それに
比べ、図３の電解槽では、生成する水酸化ナトリウム水
溶液の反応サイトからの取り出しが比較的抵抗の小さい
親水性材料内の分散により行なわれ、陰極内に殆ど滞留
しないため、反応ガスの供給が円滑に行なわれ、従って
反応効率も高く維持される。
【００２３】図４は、生成する水酸化ナトリウム水溶液
を更に円滑に取り出すことのできる図３の電解槽の一部
を改良した要部斜視図で、図４ａは陰極を複数に分割し
た例、図４ｂは陰極にスリットを形成した例を示す。図
４ａでは、酸素ガス拡散陰極17ａを複数に分割して陰極
片17ｂとし、かつ親水性の液透過材16ａも対応する数の
液透過材片16ｂに分割している。各液透過材片ｂの下端
は前記陰極17ｂ方向に折り曲げられ上下に隣接する陰極
17ｂ間を通って該陰極17ｂの背面に達し、折曲片16ｃを
形成している。
を更に円滑に取り出すことのできる図３の電解槽の一部
を改良した要部斜視図で、図４ａは陰極を複数に分割し
た例、図４ｂは陰極にスリットを形成した例を示す。図
４ａでは、酸素ガス拡散陰極17ａを複数に分割して陰極
片17ｂとし、かつ親水性の液透過材16ａも対応する数の
液透過材片16ｂに分割している。各液透過材片ｂの下端
は前記陰極17ｂ方向に折り曲げられ上下に隣接する陰極
17ｂ間を通って該陰極17ｂの背面に達し、折曲片16ｃを
形成している。
【００２４】この電解槽を使用して電解を行なうと、図
３の電解槽の場合と同様に、イオン交換膜の陰極室側表
面で生成する水酸化ナトリウム水溶液が親水性の液透過
材片16ｂ内を透過する。該液透過材16ｂが分割されてい
るので、前記水酸化ナトリウム水溶液は周縁部まで移動
せずに各液透過材片16ｂ内をその下端部までの比較的短
い距離を移動すれば陰極17ｂ方向に折り曲げられた折曲
片16ｃから液滴として落下する。それ故図３の電解槽よ
りも円滑に液抜きを行なうことができる。図４ｂは陰極
を複数に分割せず、陰極17ｃに横長の四角形の形状のス
リット23を形成した例である。図４ａのように陰極を複
数に分割すると各分割片ごとに給電する必要があって煩
雑であるが、図４ｂのように陰極17ｃにスリット23を形
成し、このスリット23を通して陰極16ｂの折曲片16ｃを
陰極背面に位置させるようにすると、陰極への給電を単
一の集電体で行なえるため、更に好都合である。
３の電解槽の場合と同様に、イオン交換膜の陰極室側表
面で生成する水酸化ナトリウム水溶液が親水性の液透過
材片16ｂ内を透過する。該液透過材16ｂが分割されてい
るので、前記水酸化ナトリウム水溶液は周縁部まで移動
せずに各液透過材片16ｂ内をその下端部までの比較的短
い距離を移動すれば陰極17ｂ方向に折り曲げられた折曲
片16ｃから液滴として落下する。それ故図３の電解槽よ
りも円滑に液抜きを行なうことができる。図４ｂは陰極
を複数に分割せず、陰極17ｃに横長の四角形の形状のス
リット23を形成した例である。図４ａのように陰極を複
数に分割すると各分割片ごとに給電する必要があって煩
雑であるが、図４ｂのように陰極17ｃにスリット23を形
成し、このスリット23を通して陰極16ｂの折曲片16ｃを
陰極背面に位置させるようにすると、陰極への給電を単
一の集電体で行なえるため、更に好都合である。
【００２５】
【実施例】次に本発明に係わる電解槽を使用する電解の
実施例を記載するが、該実施例は本発明を限定するもの
ではない。
実施例を記載するが、該実施例は本発明を限定するもの
ではない。
【００２６】
【実施例１】厚さ１mmの銀製の発泡体を陰極支持体（投
影電解面積として1.25dm2 、幅５cm、高さ25cm、厚さ0.
5 mm）とし、この支持体に、銀の超微粉体（真空冶金株
式会社製500 Ａ）とＰＴＦＥ水懸濁液（三井フロロケミ
カル株式会社製30Ｊ）を体積比１：１で混合した懸濁液
を500 ｇ／ｍ2 となるように塗布した後、350 ℃で50分
間電気炉で焼成した。塩化銀30ｇ／リットル、チオシア
ン化アンモニウム300 ｇ／リットル及び硼酸20ｇ／リッ
トルのめっき浴を使用して銀めっきを施したニッケルメ
ッシュ（厚さ２mm、開口率40％、孔径５mm）を集電体と
して、前記陰極支持体に接続して酸素ガス拡散陰極とし
た。
影電解面積として1.25dm2 、幅５cm、高さ25cm、厚さ0.
5 mm）とし、この支持体に、銀の超微粉体（真空冶金株
式会社製500 Ａ）とＰＴＦＥ水懸濁液（三井フロロケミ
カル株式会社製30Ｊ）を体積比１：１で混合した懸濁液
を500 ｇ／ｍ2 となるように塗布した後、350 ℃で50分
間電気炉で焼成した。塩化銀30ｇ／リットル、チオシア
ン化アンモニウム300 ｇ／リットル及び硼酸20ｇ／リッ
トルのめっき浴を使用して銀めっきを施したニッケルメ
ッシュ（厚さ２mm、開口率40％、孔径５mm）を集電体と
して、前記陰極支持体に接続して酸素ガス拡散陰極とし
た。
【００２７】陽極としてチタン製で多孔性の寸法安定性
電極（ＤＳＥ）を、イオン交換膜としてナフィオン962
（デュポン社製）をそれぞれ使用した。高さ25cm、幅５
cm、厚さ１mmの銀製の繊維焼結体シートを親水性液透過
材として前記酸素ガス拡散陰極及びイオン交換膜間に挿
入した。イオン交換膜に陽極を密着させて電解槽を構成
し、前記親水性液透過材を鉛直方向に固定し（固定後の
前記親水性液透過材の厚さは0.5 mmになった）。陽極液
として濃度180 ｇ／リットルの飽和食塩水を毎分４ml
で、酸素ガス拡散陰極には理論量1.5 倍の湿潤酸素ガス
を毎分200 mlで供給して水酸化ナトリウムの濃度制御を
行ないながら、温度90℃、電流量37.5Ａで電解を行なっ
た。電解電圧は2.10Ｖで陰極出口から32％の水酸化ナト
リウムが電流効率96％で得られた。80日間電解を継続し
たところ、電解電圧は20ｍＶ上昇したが、電流効率は95
％に維持された。
電極（ＤＳＥ）を、イオン交換膜としてナフィオン962
（デュポン社製）をそれぞれ使用した。高さ25cm、幅５
cm、厚さ１mmの銀製の繊維焼結体シートを親水性液透過
材として前記酸素ガス拡散陰極及びイオン交換膜間に挿
入した。イオン交換膜に陽極を密着させて電解槽を構成
し、前記親水性液透過材を鉛直方向に固定し（固定後の
前記親水性液透過材の厚さは0.5 mmになった）。陽極液
として濃度180 ｇ／リットルの飽和食塩水を毎分４ml
で、酸素ガス拡散陰極には理論量1.5 倍の湿潤酸素ガス
を毎分200 mlで供給して水酸化ナトリウムの濃度制御を
行ないながら、温度90℃、電流量37.5Ａで電解を行なっ
た。電解電圧は2.10Ｖで陰極出口から32％の水酸化ナト
リウムが電流効率96％で得られた。80日間電解を継続し
たところ、電解電圧は20ｍＶ上昇したが、電流効率は95
％に維持された。
【００２８】
【比較例１】親水性液透過材をイオン交換膜と酸素ガス
拡散陰極間に挿入しなかったこと以外は実施例１と同一
条件で電解を行なったところ、電解電圧は2.35Ｖであっ
た。
拡散陰極間に挿入しなかったこと以外は実施例１と同一
条件で電解を行なったところ、電解電圧は2.35Ｖであっ
た。
【００２９】
【実施例２】厚さ１mmの黒鉛化カーボンクロス（日本カ
ーボン株式会社製）を親水性液透過材とし、これを２枚
重ねてイオン交換膜と酸素ガス拡散陰極間に挿入した
（固定後の前記親水性液透過層の厚さは0.4 mmになっ
た）こと以外は実施例１と同一の電解槽を構成し、実施
例１と同一条件で電解を行なったところ、電解電圧は2.
15Ｖで陰極出口から32％の水酸化ナトリウムが電流効率
96％で得られた。
ーボン株式会社製）を親水性液透過材とし、これを２枚
重ねてイオン交換膜と酸素ガス拡散陰極間に挿入した
（固定後の前記親水性液透過層の厚さは0.4 mmになっ
た）こと以外は実施例１と同一の電解槽を構成し、実施
例１と同一条件で電解を行なったところ、電解電圧は2.
15Ｖで陰極出口から32％の水酸化ナトリウムが電流効率
96％で得られた。
【００３０】
【実施例３】幅10cm、高さ100 cmの電解槽としたこと以
外は、実施例２と同じ電解槽を使用し、陽極液として飽
和食塩水を毎分250 mlで、陰極には毎分２リットルで湿
潤した純酸素ガスを理論量の２倍それぞれ供給しなが
ら、温度90℃、電流量300 Ａで電解を行なったところ、
電解電圧は2.25Ｖで陰極出口から32％の水酸化ナトリウ
ムが電流効率98％で得られた。
外は、実施例２と同じ電解槽を使用し、陽極液として飽
和食塩水を毎分250 mlで、陰極には毎分２リットルで湿
潤した純酸素ガスを理論量の２倍それぞれ供給しなが
ら、温度90℃、電流量300 Ａで電解を行なったところ、
電解電圧は2.25Ｖで陰極出口から32％の水酸化ナトリウ
ムが電流効率98％で得られた。
【００３１】
【比較例２】親水性液透過層をイオン交換膜と酸素ガス
拡散陰極間に挿入しなかったこと及び電流密度を10A/dm
2 （100 Ａ）としたこと以外は実施例３と同一条件で電
解を行なったところ、電解電圧は2.4 Ｖであり、水素ガ
ス発生が観察された。
拡散陰極間に挿入しなかったこと及び電流密度を10A/dm
2 （100 Ａ）としたこと以外は実施例３と同一条件で電
解を行なったところ、電解電圧は2.4 Ｖであり、水素ガ
ス発生が観察された。
【００３２】
【実施例４】幅10cm、高さ100 cmの電解槽としたこと以
外は、実施例２と同じ電解槽を使用し、親水性液透過材
であるカーボンクロスに20cmごとに３mmのスリットを設
け、その一端を陰極裏側に垂らした。300 Ａの電流を流
したところ電解電圧は2.15Ｖであった。
外は、実施例２と同じ電解槽を使用し、親水性液透過材
であるカーボンクロスに20cmごとに３mmのスリットを設
け、その一端を陰極裏側に垂らした。300 Ａの電流を流
したところ電解電圧は2.15Ｖであった。
【００３３】
【比較例３】親水性液透過層を挿入しなかったこと以外
は実施例４と同一条件で電解を行なったところ、電解電
圧は2.35Ｖであった。
は実施例４と同一条件で電解を行なったところ、電解電
圧は2.35Ｖであった。
【００３４】
【発明の効果】本発明のガス拡散電極を使用する電解槽
は、イオン交換膜により陽極室と陰極室に区画された該
陰極室にガス拡散陰極を配置し、陽極室に陽極液を陰極
室に陰極ガスをそれぞれ供給しながら電解する電解槽に
おいて、前記イオン交換膜とガス拡散陰極の間に親水性
の液透過材を設けたことを特徴とするガス拡散電極を使
用する電解槽である。従来のガス拡散陰極を使用する電
解槽特にガス拡散電極をイオン交換膜に密着させるゼロ
ギャップタイプの電解槽では、イオン交換膜の陰極室側
表面で生ずる目的生成物が比較的密度の高い前記ガス拡
散陰極を透過してつまり供給される反応ガスの供給方向
と反対方向に、換言すると反応ガスの供給を阻害しなが
ら前記ガス拡散陰極を透過しなければならず、生成物が
増加するほど反応ガスの反応サイトへの供給が阻害され
て反応効率が低下するという問題点があった。
は、イオン交換膜により陽極室と陰極室に区画された該
陰極室にガス拡散陰極を配置し、陽極室に陽極液を陰極
室に陰極ガスをそれぞれ供給しながら電解する電解槽に
おいて、前記イオン交換膜とガス拡散陰極の間に親水性
の液透過材を設けたことを特徴とするガス拡散電極を使
用する電解槽である。従来のガス拡散陰極を使用する電
解槽特にガス拡散電極をイオン交換膜に密着させるゼロ
ギャップタイプの電解槽では、イオン交換膜の陰極室側
表面で生ずる目的生成物が比較的密度の高い前記ガス拡
散陰極を透過してつまり供給される反応ガスの供給方向
と反対方向に、換言すると反応ガスの供給を阻害しなが
ら前記ガス拡散陰極を透過しなければならず、生成物が
増加するほど反応ガスの反応サイトへの供給が阻害され
て反応効率が低下するという問題点があった。
【００３５】これに対し本発明では、酸素ガス拡散陰極
とイオン交換膜の間に親水性の液透過材を配置したた
め、従来はその殆ど全てが前記酸素ガス拡散陰極を透過
して取り出されなければならなかった水酸化ナトリウム
水溶液等の生成物が酸素ガス拡散陰極を透過せずに前記
液透過材を通って反応ガスの供給方向は対向することな
くイオン交換膜表面から取り出すことができる。従って
生成物量が増加しても、反応ガス供給には殆ど影響がな
く、反応効率を高く維持したまま、所定の電解反応を継
続できる。親水性の液透過材は多孔性であり食塩電解の
場合には生成する水酸化ナトリウムに対する耐性を有す
る材料、例えばセラミックス、樹脂あるいは金属を使用
することが望ましい。本発明の電解槽は、食塩電解によ
る水酸化ナトリウムの製造や過酸化水素製造に使用する
ことができ、いずれの電解反応でも前述したように反応
ガスの円滑な供給による反応効率の向上を達成できる。
とイオン交換膜の間に親水性の液透過材を配置したた
め、従来はその殆ど全てが前記酸素ガス拡散陰極を透過
して取り出されなければならなかった水酸化ナトリウム
水溶液等の生成物が酸素ガス拡散陰極を透過せずに前記
液透過材を通って反応ガスの供給方向は対向することな
くイオン交換膜表面から取り出すことができる。従って
生成物量が増加しても、反応ガス供給には殆ど影響がな
く、反応効率を高く維持したまま、所定の電解反応を継
続できる。親水性の液透過材は多孔性であり食塩電解の
場合には生成する水酸化ナトリウムに対する耐性を有す
る材料、例えばセラミックス、樹脂あるいは金属を使用
することが望ましい。本発明の電解槽は、食塩電解によ
る水酸化ナトリウムの製造や過酸化水素製造に使用する
ことができ、いずれの電解反応でも前述したように反応
ガスの円滑な供給による反応効率の向上を達成できる。
【図１】従来の食塩電解槽の一例を示す概略図。
【図２】従来の食塩電解槽の他の例を示す概略図。
【図３】本発明に係わる酸素ガス拡散陰極を使用する食
塩電解用電解槽の一例を示す縦断面図。
塩電解用電解槽の一例を示す縦断面図。
【図４】本発明に係わる酸素ガス拡散陰極を使用する食
塩電解用電解槽の他の例を示す縦断面図で、図４ａは陰
極を複数の分解した例を、図４ｂは陰極にスリットを形
成し例を示す。
塩電解用電解槽の他の例を示す縦断面図で、図４ａは陰
極を複数の分解した例を、図４ｂは陰極にスリットを形
成し例を示す。
11・・・電解槽本体 12・・・イオン交換膜 13・・・
陽極室 14・・・陰極室 15・・・不溶性陽極 16・・
・親水性材料 17・・・酸素ガス拡散陰極 18・・・集
電体
陽極室 14・・・陰極室 15・・・不溶性陽極 16・・
・親水性材料 17・・・酸素ガス拡散陰極 18・・・集
電体
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 濱口 克巳 神奈川県藤沢市亀井野3263−７ザ・ケープ 亀井野Ａ棟205号 (72)発明者 錦 善則 神奈川県藤沢市藤沢１丁目１番の23の304
Claims (3)
- 【請求項１】 イオン交換膜により陽極室と陰極室に区
画された該陰極室にガス拡散陰極を配置し、陽極室に陽
極液を陰極室に酸素含有ガスをそれぞれ供給しながら電
解する電解槽において、前記イオン交換膜とガス拡散陰
極の間に親水性の液透過材を設けたことを特徴とするガ
ス拡散電極を使用する電解槽。 - 【請求項２】 親水性の液透過材が多孔性でありアルカ
リに対する耐性を有する材料から成る請求項１に記載の
電解槽。 - 【請求項３】 イオン交換膜により陽極室と陰極室に区
画された該陰極室にガス拡散陰極を配置し、陽極室に食
塩水を陰極室に酸素含有ガスをそれぞれ供給しながら電
解して陽極室で塩素ガスを陰極室で水酸化ナトリウムを
それぞれ製造する電解槽において、前記イオン交換膜と
ガス拡散陰極の間に親水性の液透過材を設けたことを特
徴とするガス拡散電極を使用する水酸化ナトリウム製造
用電解槽。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29956397A JP3553775B2 (ja) | 1997-10-16 | 1997-10-16 | ガス拡散電極を使用する電解槽 |
| IT1998RM000649A IT1302377B1 (it) | 1997-10-16 | 1998-10-15 | Cella elettrolitica utilizzante un elettrodo a diffusione di gas |
| US09/173,686 US6117286A (en) | 1997-10-16 | 1998-10-16 | Electrolytic cell employing gas diffusion electrode |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29956397A JP3553775B2 (ja) | 1997-10-16 | 1997-10-16 | ガス拡散電極を使用する電解槽 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11124698A true JPH11124698A (ja) | 1999-05-11 |
| JP3553775B2 JP3553775B2 (ja) | 2004-08-11 |
Family
ID=17874255
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP29956397A Expired - Fee Related JP3553775B2 (ja) | 1997-10-16 | 1997-10-16 | ガス拡散電極を使用する電解槽 |
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|---|---|
| US (1) | US6117286A (ja) |
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| IT (1) | IT1302377B1 (ja) |
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