JPS5867879A - イオン交換膜電解槽 - 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】 本発明はイオン交換膜電解槽に関する。

特には、製作コストの安い優れたイオン交倹膜電解槽に
関する。

塩化アルカリ、水、塩酸等の電解に用いられる電解槽と
して各種のものが知られている。古くは、水銀を陰極と
する無隔膜電解である水銀法から、アスベス）ｌｉｄ維
を陰極上にデポジットして得られる電解液透過性の隔膜
を用いる、いわゆるヂ隔膜法を経て、現在は、特定イオ
ンのみを選択的に透過しうる選択透過性膜、特には陽イ
オン選択透過性膜を用いる、いわゆるイオン交換ｊ＊（
？ｌ’ｊ’、角１法が陽イオン選択透過性膜の改良進歩
に伴い、電解コストの点から主力になりつつある。

このイオンｙ換豚（電解法に用いられる電解槽は、大別
して単極式電解槽と複極式電解槽とがあり、いずれも、
陽イオン父切１ｘ）；ｉの両側に１褐極及び陰極を配し
、さらにその外側に陽極室枠及び陰極室枠を配しだ構成
を１単位として、これを必要単位数繰り返してフィルタ
ープレス式に糾上げた、いわゆるフィルタープレス式単
極栖あるいはフィルタープレス式複椅槽がよく用いられ
るものである。

フィルタープレス型電解槽の室枠としては、従来、例え
ば、角型中空パイプ’ｃ　ｊｊＡ合ｔて作られる額縁状
室枠が用いられてきた。ギ１縁状室粋の横方向あるいは
下方向から導電棒を挿入し、これに、例えばエキスバン
ドメタルのよう々多孔性電極板が上記室枠の額縁状開口
部を両面から怪うように取りつけられ、該開口部は細孔
により中空パイプと連通されておシ、該開口部は電極室
を構成する。

このような室枠を用いる電解槽はそれなりに効果をもつ
有用なものであるが、高価な材質からなる中空パイプを
加工して室枠を製作するために、材料費、加工費の点か
らコスト的にかなり高価にならざるを得ない。

そこで、上記欠点を解消せしめる電解槽として案出され
たのが室枠として板状の額縁状ガスケットを用いる、い
わゆるプレートタイプの電槽である。このタイプの電槽
は、例えば特開昭５３−１０８８９９号公報に開示され
る如きもので、これは非導電性、可撓性材料からなる、
プレート状の、額縁状開口部を電解室とする室枠がガス
ケットと陽イオン交換膜及び電極板をフィルタープレス
式に組み上げたもので、上記室枠、電極板、陽イオン交
換膜の４隅に電解液及び被電解生成物の通路となる開孔
を有するものである。

このタイプの電解槽は製造コストの面からは前述の中空
パイプを用いるものに比べて確かに有利ではあるが、電
極板の構造自体に問題がある。

即ち、上記公報に開示されるようなプレートタイプの電
槽は、プレート状の額縁状開口部を有する室枠で電極板
をサンドウィッチするものであるが、この電極板は、１
枚の打抜きプレートの両面を電極面として機能させるた
めに、フランジ面と電極面の間に必然的に段差を生ずる
構造となっている。近年、省エネルギー型の電解技術が
指向されており、公報極間距離を低減させる努力がなさ
れているが、上記公報のような構造の場合、極間距離を
低減した場合、電極面とフランジ面に生ずる段差の部分
でイオン交換膜を破損する危険性が多い。又、ゼロギャ
ップ電解槽においては、電極面近傍での電流分布を均一
にし、電圧を低く保つために、目開きの小ぢい多孔性電
極を使用することが望まれるが、そ、の様な要求に対し
て、上記先行文献に開示される電解槽では、桓能的、強
度的制約から、プレート自体に目開きの小さい電槽を構
成するととが困難である為、別途に目開きの小さいエキ
スバンドメタル等を溶接等の手段でフランジ又は打抜プ
レートに取付ける必要があり、電極板の製作コストを上
昇さ騒るのみならず、溶接部が電解室内に存在し、イオ
ン交換膜、と接触することになる為、やはりイオン交換
膜の使用上は好ましくない。

本発明者等は、上記問題点を解決し、真に工業的に採用
し得る電解槽について検討を加え、本発明に至ったもの
で、本発明は、 （ａ）該電解室枠は、外部に通じる被電解液及び電解生
成物の通路と、該通路と連通ずる電解室を形成する開孔
部を有する額縁状室枠であセ・ （ｂ）　　該電極板は、電解室より大きい尖細的に１枚
の平板からなる多孔性電極板であって、該電極板の電極
部分と電解室枠に面するシール部分との間に段差を生じ
ない形状をもち、（Ｃ）　　該シール部分の陽極−陽イ
オン交換股間、陽イオン交換膜−陰極間の少なくとも一
方に、液密用シール部材が介在されていることを特徴と
するイオン交換膜電解檀を要旨とするものである。

本発明に用いられる電極について説明する。

電極は多孔性電極、例えばエキスバンドメタル、パンチ
トメタル、ワイヤーメツシュ等の多孔性であって、ガス
及び液体透過性のものが使用可能である。これら牝；極
の電イケ活性付与手段については特別に限定をする必要
はなく、陽極については、白金、パラジウム、ロジュー
ム、ルテリウム等の白金属金属又はこれらの合金ないし
白金じ金属又は白金属金属の合金の酸化物等の公知の電
極活性成分を上記の如き、多孔性の電極基体上に被覆し
たものが用いられうる。また、陰極としては、鉄、ステ
ンレスあるいはニッケル等の金属からなる多孔性電極が
用いられつるが、好ましくは、特開昭５３−１０２２７
９号公報に開示されるようなステンレスをエッチ７グ処
理したもの、あるいは特開昭５４−１１２７８５号公報
に開示される如き、展開又は未展られる。

本発明の特徴は、上記の如き電極が、電解官枠に面する
シール部分と段差を生じることなく一体となった平板状
の多孔性電極である点にある。又、それ以外の特徴とし
ては、外部から電極面への電流の供給及び外部への電流
の導出が実質的に電極基体となる平担な多孔性電極板の
みによってなされるだめ、電極面が陽イオン交換膜に相
対する部分において、Ｗ電すブもしくは導電板などと電
気的接合をする為に必要な溶接、ボルト締め構造などが
不要となるので、これらの接合によって生ずる電極面の
荒れや、段差などが生じｈいことがあげられる。

上記、多孔性電極板の具体的形態としては、パンチトメ
タル、全面が平滑化されたエキスバンドメタル、シール
部分が平滑化されたワイヤーメツシュ等があげられる。

多孔性電極板がパンチトメタルの場合、シール部分を孔
のない平板のままで残して加工することが可能であるの
で、室枠又はイオン交換膜との液密シールが容易になる
ことに加え、パンチトメタルの開孔部のエツジは製作段
階で一方の面においては丸みを帯びるので、この面をイ
オン交換膜に面する側に設置することにより、該開孔部
のエツジによってイオン交換膜に破損を与えることがな
くなるので、本発明の電極板の実施態様としては特に好
ましい。

多孔性電極板が、全面がプレスによシ平滑されたエキス
バンドメタルの場合は、その周辺に該多孔性電極と実質
的に同じ厚さをもつ額縁状の平板を溶接等の手段により
、段差を生じることなく取付けることも可能であるが、
この様に特別にフランジを取付けることなくエキスバン
ドメタルをそのままシール部分まで延長し、室枠と接す
る部分において直接又はバッキングを介して室枠とイオ
ン交換膜で、サンドインチすることも可能である。室枠
に弾力性のある梵質（例えばＥＰＤＭ等のゴム）のもの
を用いる時はバッキングを介さなくとも液洩れが生じな
いが、安全を期すことからは陽イオン交換膜の少くとも
一面にバッキングを介することがよい。

また、室枠に比較的弾力性の小さな樹脂を用いる場合に
は、陽イオン交換膜の両面にバッキングを介在させるこ
とが必要である。この様な構成をとっても、予測される
液濡洩が全く生じないということは篤くべきことである
。ワイヤメツシュの場合も、エキスバンドメタルの場合
と同様の形態をとり得る。

本発明に用いられる電解室枠としては、特開昭５３−１
０２２７９号公報に開示される如きものが用いられうる
。即ち、塩ビ樹脂等の非導電性、可撓性の材質、あるい
は天然ゴム、ＥＰＤＭ等の合成ゴムからなる非導電性、
可撓性が弾力性のある材質からなる板状体の中央部に電
解室を形成する開口部を設け、その４隅にはこれよシ小
さい大きさの電解液、被電解生成物の通路を形成する開
孔部を設けることによって極めて容易に製作されうる。

この室枠の厚み及び大きさは、電解槽の処理能力に合わ
せて適宜に選択すればよいが、厚みについては電解によ
って発生するガスの抜けやすさ等の点からあまり薄くす
ることは好ましくなく、通常は７１１１１以上、好まし
くは１０ｍｍ以上とするのがよい。

本発明に用いられるイオン交換膜としては、例えばカル
ボキシル基、スルホン酸基、燐酸基、フェノール性水酸
基等の陽イオン交換基を含有する重合体からなり、かか
る重合体としては、含弗素重合体を採用するのが特に好
ましい。イオン交換基含有の含弗素重合体としては、例
えばテトラフルオロエチレン、クロロトリフルオロエチ
レン等のビニルモノマーとスルホン酸、カルボン酸、燐
＃ｌ基等のイオン交換基に転化し得る反応性基を有する
パーフルオロのビニルモノマーとスルホン酸、カルボン
酸、燐酸基等のイオン交換基を有するパーフルオロのビ
ニルモノマーとの共重合体が好適に使用される。

又、トリフルオロスチレンの取運状重合体にスルホン酸
基等のイオン交換基を導入したものや、スチレンジビニ
ルベンゼンにスルホン酸基ヲ導大したもの等も使用でき
る。

そして、これら共１ｒ合体からなる乾燥樹脂１２当シの
膜内カルボン酸基濃度が０５〜２．Ｏミリ当量である含
弗素陽イオン父換膜を用いる場合には、例えば苛性ソー
ダの濃度が４０％以上であっても、その電流効率は９０
％以上にも達する。そして、上記乾燥樹脂１１当りの膜
内カルボン酸基濃度が１．１２〜１．７　ミリ当量の場
合には、前述の如き高濃度の苛性ソーダを高゛電流効率
で長期にわだり安定して得ることができるので特に好ま
しい。また、水電解の場合には、０．５〜２．５ミリ当
量、好ましくは１．１２〜２．０ミリ当量とするのがよ
い。更に、本発明に用いられる陽イオン交換膜は、必要
に応じ、製膜時にポリエチレン、ポリプロピレン等のオ
レフィンの重合体、好ましくはポリテトラフルオロエチ
レン、エチレンとテトラフルオロエチレンとの共重合体
等の含弗素重合体を混合して形成することもでき、或は
これらの重合体からなる布、網等の織物、不織布又は多
孔質フィルム等を支持体としたり、金が製の線や網、多
孔体を支持体として用いて膜を補強することも可能であ
る。

また、特開昭５６−７５５８３号公報で開示されるよう
に上記の如き陽イオン交換膜の表面に、ガス及び液体透
過性で電極活性を有しない多孔質層を設けたものも勿論
有効に用いられうる。

次に、本発明を図面をもとに詳しく説明する。

第１図は、１つの陰極セルと１つの陽極セルからなる本
発す」電解槽の１例を示す水平断面図であって、単極＋
３′・ｊの鳩舎を示す。多孔性隣接板１は、例えばチタ
ニウム製の、ロールプレスにより平滑化されたエキスバ
ンドメタルに酸化ルテニウム被覆を施した公知のもので
あって、フランジを取付けずに、陽極室枠の両面に保持
されている。該電極の室枠面への保持は、それぞれ単に
面接し、タイロッド等で締付ける時の締付圧のみにより
保持することも可能でりるが、化１図に示されるように
、陽極室枠に隣接板固定孔１３を設け、一方、陽極板の
対応する位置には陽極板固定フック１４を取利け、この
フック１４を上述の固定孔１３にはめ込むことにより固
定する方法が、電解槽の絹み上げの際の位置づれ等が起
らす好邊しい。

また、陽極室枠２が塩ビ等の樹脂で製作されている場合
には陽極板と陪椿の１ｔｉ１にバッキングを介在させる
のがよいが、陽極γ枠２がゴム製の集合には、第１図に
示されるように、陽極板と陽極室枠の間にバッキングを
介在させる必要はない。

多孔性陰楠板３は、例えばステンレス製の、ロールプレ
スにより平滑化されたエキスバンドメタルにラネーニッ
ケル粒子を共電着して得られる低水素過電圧のもので、
陽極板同様フランジを取付けずに、陰極室枠の両面に保
持されている。室枠面への保持は陽極板の場合のように
固定フックを用いることもできるが、第１図においては
、固定フックを用いず単に面接させる場合が示されてい
る。陰極室枠が弾力性のある材質の場合は紀１図のよう
に陰棒板と陰極集枠の間にバッキングを介在させる必隠
・はないが、塩ビ樹脂のようにそれ程弾力性のない材質
のものを陰極室枠に用いる際にはバッキングを介在させ
るのがよい。

陽イオン交換膜５は、例えばカルボン酸基をイオン交換
基とするパーフルオロカーホンを１００〜３００μの厚
みにシート状にしたもので、４’ｌにクロルアルカリ電
解あるいは水電解に好適なものである。陽イオン交換膜
５は第１図に示す如く多孔性陽極板１と多孔性陰極板３
の間にサンドインチして配置され陽極室枠及び陰＄ＪＬ
室枠の部分で保持される。通常、陽イオン交換膜は厚さ
が薄く、甘た弾力性にやや欠けているため、陽イオン交
換Ｊｌψ゛と多孔性Ｌ９／Ｉ　極板の間及び陽イオン交
換膜と多孔性陰極板の間の各々室枠ｔ’＋を分にバッキ
ング６．７を介在させるのが好ましいが、必要に応じ、
６まだは７の一方のみを介在させるだけでもよい。

多孔性陽極板と多孔性陰極４ｆｔは室枠の各々左右にわ
ずか突き出させておき、その突出部に各れらを各々陽極
ブスバー及び陰Ｈ：ｓｉ、ブスバーに接続する。ブスバ
ーへの接続方法としては第１図に陽極側についてのみ図
示されているが、陽棹接続板８に可撓性接続板１０を接
続し、とれに陽極ブスバー１１を接続する。可撓性接続
板を介在させることにより、ブスバーと電解槽との接続
がフレキシブルに行われる。陰極側についても図示は寿
されていないが、同様に行うことが好ましい。

また、隣接−隘棒間距瑚゛：を減少させることが電解電
圧低下のだめに好ましく、この場合には、陽極屋の中に
陽極室枠の厚みより若干大きな陽極板支持体を挿入し、
陽極室枠の両側に配置されている多孔性陽極板を多孔性
成−極板の方へ張り出させることにより、陽極−陰極間
距離を減少させ、好ましくは、陽極及び陰極を陽イオン
交換膜に密接させることができる。

陽極板支持体は、シ：１図に示されるようなパイプ状の
もののみでなく、弾力性をもつもの、例えば、スプリン
グ、板バネ等のバネ性を有する部材とすることもできる
。

上記に説明したように多孔性陽極板、多孔性陰極板、陽
イオン交換膜、陽極室枠及び陰極室枠を必要数だけ繰り
返し配置して、両端に陽極側端板及び陰極側端板を配置
して、これをタイロッドで締め付ければ、フィルタープ
レス式の本発明の電解槽が得られる。

このようにして得られる電解槽は、フランジを有しない
多孔性陰極板を用いているにもかかわらず、締付部分か
らの液洩れも生じ々い、製作の容易な正解槽となる。

第２図は、第１図の電解槽、・の部分分解平面図である
（但し、陽イオン交換ｌＩ≠及沙バッキングは省略しで
ある）。室枠２，４には、４つの開孔が設けられ、この
開孔は電解液及び被電解生成Ｃ吻の通路となる。

即ち、この４つの開孔は、陽極液、陽極側電解生成物、
陰極液及び陰極側電解生成物の通路となるもので、陽極
室枠の場合には陽極液通路と陽極側電解生成物通路は各
々、中央１す１１０部から形成される陽極室１５と連通
孔（図示されていない）を介して通じており、陰椿□室
枠の場合には、陰鞭液通路と陰極側電解生成物通路は、
中央開孔部から形成される陰極室１６と連通孔（図示さ
れていない）を介して通じている。

以上、本発明電解槽が単極槽である場合について説明し
てきたが、勿論複極槽の場合についても適用できるもの
である。

複極型ル′解槽の場合には、室枠の中央開口部を隔壁で
２室に分け、室枠の片面には多孔性１場極板を、他面に
は多孔性陰極板を配置し、多孔性陽極板と隔壁で形成さ
れる部分が陽極室となり、多孔性陰極板と隔壁で形成さ
れる部分が陰極室となる。隔壁は導電性の、例えば公知
のバイメタルで構成し、これと多孔性陽極板及び多孔性
陰極板とを電気的に接続してもよいし、隔壁非導電性材
料で製作し、上記と同様にして設けられる多孔性陽極板
と多孔性陰極板は電解ｈｌ外部に突出させ、これらを電
気的に接続してもよい。

実施例１ 室枠として、ＥＰＤＭ製の１４００間×２６０朋×１０
祁の中央開口部（電極室）が１０００耐×２００胡、４
つの開孔部のうち、上部に位置する２つの開孔部が各々
１５０　ｍｌ＋・×９０１、下部に位置する２つの開孔
部が各々７０　ｍｍ　Ｘ　７０　ｍｍのものを用ガ５し
た。

多孔性陽極板として、開孔部が長径８覇、短径４喘、厚
さ１０間のチタニウム製の、ロールプレスにより平滑化
されたエキスバンドメタルにτへ・ソ化ルテニウムを板
枠した大きさ１０６０ｍｍ１０６Ｏ間のものを用意した
。

一方、多孔性陰極板として、開孔部が長径８聴、短径４
咽、厚さ０８簡のニッケル製の、ロールプレスにより平
滑化されたエキスバンドメタルにラネーニッケルを共電
着した大きさ１０６０ｍｍＸ１０６Ｏのものを用意した
。多孔性陽極板及び多孔性陰極板の各一方の垂直辺にチ
タニウム製の大きさ１０００ｍＸ１００Ｏの陽極接続板
及びニッケル製の大きさ１００　ｏ配ｘ　４０ｍｒｒＩ
の陰極接続板を溶接によって取り付け、これに各々陽極
側可撓性接続板及び陰極側可撓性接続板を取り付けた。

また、陽極室枠の周辺部には、陽極板固定孔を設け、多
孔性陽極板のこの位置に対応する部分に陽極板固定フッ
クを取り付けた。

陽イオン交換膜として、イオン交也ｌ容４・Ｉ゛が１・
４５　ｍｅｔ／ｆ樹脂、厚さ２５０μを有するテトラフ
ルオロエチレンとＣＦ２＝ＯＦＯ（ＣＦ”２）　３ＣＯ
ＯＣ！Ｈ３の共重合体からなる脱の陽極側表面にＴｉＯ
２粉末を、陰極側表面にｓｉｃ粉末を、それぞれ１グ／
ｄの割合で塗布した多孔質層を設けたものを用意した。

このようにして準（１４＋された多孔性陽極板、多孔性
陽極板、陽極室枠、陰枠室棒陽イオン交撫膜を、ＥＰＤ
Ｍ製バッキングを用いて第１図に示すような単位電解槽
を５０個フィルタープレス式に配列し、両端には端板を
設はタイロッドで締付けた。そして、陽極側可撓性接続
板には駆使ブスバーを、隈極側可撓性接続板には陰極ブ
スバーを各々ボルト締めして取り付けた。この時、陽極
室には中央部に外径１２ｍ、長さ７００胴のチタニウム
製パイプを挿入し、多孔性陽極板を外方へ若干ふくらま
せ、陽極板及び陰・極が陽イオン交換膜と密接するよう
にした。

かくして得られた電解槽の陽極室に濃鳩３００ｙ／ｌの
貴地水溶液を、陰極室には水を供給しつつ２０　Ａ／ｄ
ｉ、９０’Ｃで食塩電解を行った。

生成した苛性ソーダ水溶液は改゛Ｃ度３５％、塩素ガス
純度は９７．４％、陰極側電流効率は９４４チであった
。電解を６０日間継続したが、この間樵・電圧は２９６
■を糺〜持し、植洩れは全く見られなかった。

実施例２ 実施例Ｉの室枠とは、厚さが２０．でめること以外は同
寸法の梁゛粋の中央開口部にテトラフロロエチレン樹脂
製の１０６０炉×２６０唄×１０７のｈ′肴壁を設け、
室枠の断面に多孔性陽極板を、他面に多孔性陰極板を設
け、隔壁と多孔性陽極板の間に外径７＃、長さ７００間
のチタニウム製陽極支持体を設け、この両電惇を電解槽
外で電気接続すること以外は実施例１と全く同様にして
複極型の電解槽を組み立てた。

なお、電解槽の１端は陽極端板の代りに陽極導電板とし
て、これを正電源に接続し、電解槽の他端は陰極端板の
代りに陰極導電板として、これを負電源に接続した。

電解条件は実施例１と同様にした。電、解性能は以下の
通りであった。

苛性ソーダ濃度　　　　　　　　　３５　　チ塩素ガス
純度　　　　　　　　　９７．４％陰極側電流効率　　
　　　　　　９４．４チ摺電圧（１セル当りの平均値）
　　２．９１Ｖまた、電解期間中液洩れは全くみられ々
かった。

【図面の簡単な説明】

第１図は１つの陰極セルと、１つの陽極セルからなる本
発明電解槽の１例を示す水平断面図である。 第２図は、第１図の電解槽を構成する室枠、多孔性陽極
板及び多孔性陰極板について示す第１図電解槽の部分分
解平面図である。 １・・・多孔性陽極板 ２・・・陽極室枠 ３・・・多孔性陰極板 ４・・・陰極室枠 １５・・・陽極室 １６・・・陰極室 代理人　内　１）　明 代理人萩原亮−

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１１’ｌ・解室枠、電極及び陽イオン交ｐｈ≠をフィ
   ルタープレス式に締めつけてなるイオン交候１ｊ９　’
   由゛解１・、′・において、（ａ）θ°電解室枠は、外
   部に辿じる′ｇＳ解液及び電解生成物のｊＯＪ路と、該
   通路と連通ずる電解室を形成する開孔部を有する額縁状
   室枠であり、 （ｂ）　　ｐ電極板は、電解室より大きい実質的に１枚
   の平板からなる多孔性電極板であって、該電極板の電極
   部分と電解室枠に面するシール部分との間に段差を生じ
   ない形状ダもち、 （ｃ）該シール部分の陽極−陽イオン交換膜間、陽イオ
   ン交換膜−陰樹間の少なくとも一方に、液密用シール部
   材が介在されていることを特徴とするイオン交セリ・′
   、！電解槽。 （２）　　電極板がロールプレスされて平担になされた
   エキスバンドメタルである特許請求の範囲第（１）項の
   イオン交換膜電解槽。 （８）　　電極板が平板に開孔が設けられたバンチトメ
   タルでめる特許８−ｔｆ求の範囲第（１）項のイオン交
   換膜電解槽。 （４）　　液密用シール部材がシート軟弾ｔｌ：、部材
   である特許請求の範囲（１）〜（３）項いずれかのイオ
   ン交換膜電解槽。