JPS5937754B2 - 水または水溶液電解槽の構造 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、水または水溶液電解槽の構造に関する。

−ーより詳しくは多孔質電極薄膜が積層されたイオン交
換膜積層体を相互にからまりあつた導電性繊維状物集合
体と共に集電体で挾みつけた構造を有する水または水溶
液電解槽の構造に係るものである。

ここに水溶液とは食塩等のハロゲン化アルカリ金属水溶
液が代表例であり食塩水溶液の電解では塩素、水素、苛
性ソーダが製造され水の電解によつては水素及び酸素が
製造される。

これら電解例えば食塩水の電解においては、従来広く用
いられている隔膜法による電解槽の概略構造はアスベス
ト隔膜と一体化している陰極と陽極との間には電解液を
介してかなりの距離が置かれている。これは隔膜法に従
う限り避けられない構造であるが、電極間の電解液によ
る電気抵抗はかなり大であり電力損失のかなりの部分を
占めている。従つて該電極間の距離を可及的に減じるこ
とが望まれているが、このことは最近開発の進んでいる
いわゆるイオン交換膜法においても同様である。近年こ
の間隙を極限的に減じる方法としてイオン交換膜と電極
とを一体化する方法が種々提案され該一体化したイオン
交換膜積層体を用いて電解する方法が種々提案されてい
る。

例えば特開昭５３−１０２２７８、同５４−９３６９０
）同５４−９７５８１、同５４一１１２３９８、同５５
−１２６９２、同５５一３８９９１、同５５−３８８９
２等。

これらの特許出願に開示されている方法または物は、基
本的には電極を結合した陽イオン交換膜とこれに広面積
にわたり電流を流すための剛体集電体とからなつており
、理想的状態においては電極と剛体集電体とは両集電体
間を締めつけることにより全面にわたり均一に密着し電
解電圧の低減の効果は大きいと考えられるが現実的には
広面積にわたり、剛性の集電体間にイオン交換膜、電極
の薄膜を均一に介在密着させることは不可能に近い。

即ち、これまでに提案されている集電体は剛性の多孔板
、格子状体、エキスパンド金網等であり、表面に金属ま
たは金属酸化物からなる電極を結合した薄層イオン交換
膜を挾んでも、剛性集電体表面が元来、平滑化加工が難
しいので、集電体と、電極間は全面にわたり必ずしも一
様に接触し難いので、部分的に大電流が流れる恐れがあ
り、これを避けるため両集電体を締めつけると軟質のイ
オン交換膜ひいてはその表面の電極を変形ないし破損さ
せる結果を招き易い。本発明者等は上記諸問題点の解決
方法につき鋭意研究した結果軟質のイオン交換膜に結合
した電極に均一な電流を容易に流すことが出来、イオン
交換膜等の破損変形の危険性の極めて少い電解槽の構造
を発明するに到つた。

以下、本発明の内容を食塩水溶液電解を中心に詳細に説
明する。

本発明はイオン交換膜、通常は陽イオン交換膜であり、
弗素系ポリマーまたはジビニルベンゼン系ポリマー製が
一般的であるが、本発明はこれらに限定されるものでは
ない。

該膜の片面または両面に、主として金属およびまたは金
属酸化物からなる透水性多孔質の薄膜電極が積層される
が、該積層の方法は前記公知文献（特許出願）に記載さ
れた方法で充分であり、該積層薄膜はその製法からも明
らかなように多孔室で、水及びイオン透過性を有するの
で、イオン交換膜と水、イオンの接触は容易である。上
記のごとく積層される金属およびまたは金属酸化物を主
成分とする薄膜は電極であるので電解液に対する耐薬品
性を有する必要性があることは勿論であり、また例えば
弗素系ポリマーの陽イオン交換膜の場合には膜が酸性で
あるので耐酸性である事が必要であり、一般に陽極材に
はイリジウム、ロジウム、白金、ルテニウム、パラジウ
ム等の他ロジウム一白金合金、白金一ルテニウム合金、
酸化イリジウム、酸化ルテニウム、酸化パラジウム、酸
化ロジウム等の単独または組合わせが好適であり、陰極
材には白金族金属が適当である。

上記したごとく電極間が可及的に接近しているので電力
効率は非常にすぐれている。しかし剛体集電体で挟む場
合前記のように密着性に問題があり部分的に大電流が流
れ易いのでこの解決は当該電解法による技術分野におい
ては重要な課題である。本発明者等は前記積層薄膜の電
極がイオン交換膜の両側にある場合はその少なくとも一
方側と剛性集電体との中間に、また、前記積層膜の電極
が片側にのみある場合はそのない方の側若しくは両側と
それぞれの剛性集電体との中間に、相互にからまり合つ
た導電性繊維状物集合体を介在させることにより前記問
題を解決することに成功した。

前記相互にからまりあつた繊維とは、接する電解液とか
電解により発生するガスに耐蝕性を有する導電性材料単
体あるいはこれらの材料を被覆した複合体からなる繊維
状物の集合体であり、該集合体の態様としては綿状のウ
エブ、フエルト、低密度ウエブ焼結体、織布あるいは網
体等の弾力性のあるシート状物である。なおここにいう
ウエブとｉよ適当な長さに切つた繊維を開繊機にかけて
綿状にした不織布を言い、フエルトとは前記ウエブにニ
ードルパンチ等をかけてからみ合いを強化したものであ
る。また低密度ウエブ焼結体とは前記ウエブを軽く圧縮
した状態で焼結し、繊維状物を相互に固着させた弾力性
のある焼結体を指す。この場合、該薄層の特性は繊維径
（α）、目付け（ｇ／（１７７１）及び集電体の締めつ
け後の厚み（（１１）に支配されるが、締めつけ後の厚
みが小の場合、目付けが小に過ぎると前記イオン交換膜
積層体との均一な密着性を低下させ、大に過ぎると、大
きい締めつけ力を要し、また、イオン交換膜積層体の損
傷を来たし易い。一方締めつけ後の厚みが大の場合、流
体の通りが悪くなり好ましくなく目付が小に過ぎると密
着が不良となり電流の均一供給に問題が生じる。しかし
逆に大に過ぎることは技術的にも経済的にも意味がない
。即ち繊維状物使用量の増大とガスギヤツプの発生は避
けなければならない。結局、締めつけ後の厚みは大き過
ぎないようまた小に過ぎないようにして適当な目付を選
ばなければならないが締めつけ後の厚みは通常、０．１
〜５ｍ１が好適である。繊維状物の繊維径は細い方がイ
オン交換膜積層体との密着性の点で良く、実用的には５
〜１００μ、更に好ましくは５〜５０μのものが採用さ
れる。なお該繊維状物集合体の厚みを再現性よく一定に
するため該集合体周囲部分に耐蝕性金属または合成樹脂
製のスペーサーを置くと便利である。

これら導電性繊維は電極にもなりうるので、前述のごと
く、前記のイオン交換膜に対する金属等の積層を片面の
みにして、少くとも他の面に上記繊維状物集合体の層を
配して、イオン交換膜の両面に電極を構成することもで
きる。なお繊維状物集合体の層は多孔状または格子状等
流体の流れを良くしておくと好都合である。ここに用い
る導電性繊維に適する材料としては、陽極側に用いるか
陰極側に用いるかによつて変るのが一般的で、陽極とし
てまたは陽極側の介在物として用いる場合は、白金族金
属あるいは表面に酸化物を有する該金属、あるいは炭素
等の材料が使用に適する。

また、陽極液に対して耐蝕性があり、且つ塩素過電圧の
低い公知の材料を耐蝕性材料にコーテイングまたはメツ
キをして用いてもよい。一方陰極としてまたは陰極側の
介在物として用いる場合は鉄、ニツケル、鉄とニツケル
のうち少くとも１を含有する合金チタンおよび白金族金
属からなる群から選ばれる材料が好適である。

また、純水を用いる水電解の場合には陽イオン交換膜は
酸性を示すので陽極側、陰極側共に白金族金属あるいは
チタン、ニオブ、タンタル等の耐蝕材料に白金族金属ま
たはその酸化物の単体または混合物を被覆したものがよ
い。次に最外両面に配設される剛体集電体について述べ
る。

集電体は電極全面にわたり通電されるように広くかつ、
接触面は平滑であり、良導電性である必要性があること
は勿論であるが、電極で発生するガスを導き出しかつ電
解液の流通をよくする多数の通孔およびまたは溝を持つ
ことが必要で格子状または円孔蜂の巣状のいずれでもよ
い。この場合締めつけが均一になるように必要ならば耐
彎曲性補強材で補強しても本発明の他の効果を何ら損う
ものではない。また集電体は電解槽の端板ある，いはバ
イポーラ一電槽における陽極室と陰極室とを区分する隔
壁等と一体化した構造例えば板の表面に格子状に溝を作
つた構造にしてもよい。集電体の導電性は少くとも電極
、導電性繊維状物よりも良くなければならないが、使用
される材料としては、陽極側においては、チタン、その
他のバルブメタルまたはこれらを基材として白金、パラ
ジウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウムまたはこれ
らの酸化物単独もしくは混合物等を被覆したものが挙げ
られ、陰極の場合は、鉄、ニツケル、鉄とニツケルのう
ち少くとも１を含有する合金、チタン、白金族金属等が
あげられる。また純水を用いる水電解の場合には、陽イ
オン交換膜が酸性を示すので陽極側、陰極側共に前記の
陽極側材料を用いることが好ましい。以上述べたイオン
交換膜、積層薄膜の電極、導電性繊維状物集合体及び集
電体の一体化は種々の方法がとられるが、バネにより単
位毎に締めつける方法、あるいは単位毎でなくフイルタ
ーブレス形式に締めつける方法等があるが、本発明はこ
れらの方法に特に限定されるものではない。

本発明は以上説明した構成をとることにより電極に陽イ
オン交換膜を均一で且つ極度に接近させ得、しかも該接
近方法が容易に実施し得て本発明に係る構造の電解槽を
用いれば、終局的には低電解電圧で電解しうる効果を伴
うことを見出したものである。

以上本発明について詳細に説明したが、本発明の要旨は
、イオン交換膜の片側もしくは、両側に金属およびまた
は金属酸化物を主成分とする透水性の多孔質電極薄膜が
積層されてなるイオン交換膜一電極接合体の前記電極薄
膜が片側にあるときはそのない方の側もしくは両側に、
また当該電極薄膜が両側にあるときは少なくとも一方の
側に、相互にからまりあつた導電性繊維状物集合体薄層
が配され、更にその両外側面には剛性多孔体からなる集
電体が互いに締めつけられて配設されてなる水または水
溶液電解槽の構造にある。

次に本発明に係る電解槽の構造についての一実施態様を
図面について説明する。

第１図は電解槽の横断面を示すが陽イオン交換膜３の両
面に透水性多孔質金属槽７が陽極として同８が陰極とし
てホツトプレス等の方法により緊密に積層されている。

その陰極側にはからまりあつた繊維状物の薄層６が存在
し、全体が最外側の透水孔４及び５を持つ陽極側及び陰
極側集電体１及び２により挟まれている。これら全体の
締めつけ装置については通常用いられるものでよいので
省略した。なお、以上の記載では隔膜には陽イオン交換
膜を用いて説明しているが他の類似な隔膜例えばマイク
ロボーラス膜等についても同様の構造をとれることは勿
論である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構造の横断面図で概念的に
示したものである。 図面中に用いられた符号について簡単に説明する。 １，２・・・・・・集電体、３・・・・・・陽イオン交
換膜、４，５・・・・・・透水孔、６・・・・・・相互
にからまりあつた繊維状物集合体、７，８・・・・・・
電極。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ イオン交換膜の片側もしくは両側に金属およびまた
   は金属酸化物を主成分とする透水性の多孔質電極薄膜が
   積層されてなるイオン交換膜−電極接合体の前記電極薄
   膜が片側にあるときはそのない方の側もしくは両側に、
   また当該電極薄膜が両側にあるときは少なくとも一方の
   側に、相互にからまりあつた導電性繊維状物集合体薄膜
   が配され、更にその両外側面には剛性多孔体からなる集
   電体が互に締めつけられて配設されてなることを特徴と
   する水または水溶液電解槽の構造。