JPS6144189A - イオン交換膜法塩化アルカリ電解槽 - 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、アルカリ金属塩化物水溶液を電解して塩素と
アルカリ金属水酸化物を製造するための霜、解４！に関
する。更に詳しくは、陽極と陰極の間に陽イオン交換膜
を備えた、加圧状態で運転されるアルカリ金属塩化物水
溶液の電解槽に関する。

アルカリ金属塩化物としては、例えば、食塩、塩化カリ
ウム、塩化リチム等があり、工業土竜も重要なものは食
塩である。以後食塩を例にとり説明するが、本発明は食
塩の電解にのみ限定されるものではな（・。

従来の技術 食塩水溶液を電解するためのイオン交換膜式電解槽には
複極式と単極式の二つのクイズがあり、それぞれＫつい
て従来より多数の電解槽が提案されている。例えば、複
極式電解槽としては、隣接セルの電気接続をチタン−鉄
爆発圧着板によって行なっている特開昭５１−４３３７
７号、隣接セルの電気接続をバネ性を有するコネクター
で行なっているｑ＃開昭５３−１４９１７４号、電解槽
材料にプラスチックを用いて隣接セルの電気接続なざル
トナットで行なっている特開昭５１−７２９７５号等が
ある。また、単極式電解槽としては、電解槽内に挿入さ
れた複数のリード棒により電流分配を行なっている特開
昭５２−１５３８７７号、通電面積を小さくして電極の
端部に直接デスバーを接続している特開昭５３−４０８
８９９号等がある。

発明が解決しようとする問題点 上記の従来の電解槽は、イオン交換族法食塩亀解に適す
るように各種の改良がなされているのであるが、組み立
てが複雑であったり、隣接セル間の接触電気抵抗が大き
かったり、電解槽内の電流密度が不均一であったり、あ
るいは高価であったり、いまだに十分満足ゆくものでは
ない。更に、これら従来の電解槽は、複極式から単極式
へ、単極式から複極式への互換性がな（、両タイプの電
解槽ｔｔ準備しようとすると、数多くのユニツ）Ｙ用意
する必要がある。

また、特公昭５６−４５１１６号には、セル内圧を加圧
して運転するとｔ力原単位が極めて低下すると開示され
ている。しかし、か〜る加圧状態下での電解においても
、上述したような、まだ改良の必要のある従来の電解槽
がそのまま使用されており、加圧し℃いるという％徴を
十分に生かした電解槽はいまだ提案されていない。

本発明の目的は、組み立℃が容易で、隣接セル間の接触
電気抵抗が小さく、電解槽内の電流密度か均一な、且つ
、安価な加圧型イオン交換良法９食塩’ａｕｓ槽を提供
することにある。また、本発明の別の目的は、複極式か
ら単極式へ、単極式から複極式への交換性のある電解槽
乞提供することにある。

本発明の上記目的は、額縁状周壁、金属製の板状側壁お
よび該側壁に複数個の導電用リブを介して溶接され℃い
る陽極からなる陽極室ユニットと、ｍ縁状周壁、金属製
の板状側壁および該側壁に複数個の４？１用リプを介し
て溶接されている陰極からなる陰極室ユニットとを陽イ
オン交換膜の両側に陽極と陰極が膜に面するように配置
した単位セルを複数個並べ、両端より締結枠で締め付け
た電解槽を加圧状態で運転することにより初めて達成さ
れる。

本発明の電解Ｗｉを複極式１４Ｌ解槽として使用するに
は、隣接セルの陽極室ユニットと陽極室ユニットか背中
あわせ罠なるよう罠並べ、両端に電流リード板を配置し
、両サイドより締結枠によって締め付けれはよい。また
、単極式電解槽として使用する九は、隣接セルの間に電
流リード＆を仲人し、隣接セルの陽極室ユニットと陽極
室ユニットおよび［＆室ユニットと陰極室ユニットが背
中あわせになるように配置し、両層にも電流リード板を
配置し、両サイドより締結枠によって締め付ければよい
。本発明の電解槽は加圧状態で運転されるので、内圧に
より側壁が外側に脹らむ。従って、隣接セルの１１１１
１壁と側壁および１！流リード板と側壁は全面くわたっ
て密着するから、隣接セル間および／または電流リード
板と各セル間の接触電気抵抗は極めて小さくなり、且つ
、電解槽内のｇＩｔ流密度分布は均一化される、また、
＃極室ユニットと陰極室ユニツ）Ｙ陽イオン交換ｍを介
しておよび電１ｍ　１７−ド板を介してまたは介さすに
並ぺ、両端より締結枠（より締め付けた簡単な構造であ
るから、組み立ては極めて容易であり、製作費も極めて
安価である。

以下に、図面を用いて本発明の電解槽を詳細に説明する
が、本発明の電解槽はこれらの図面にのみ限定されるも
のではない。

第１図および第２図は本発明の電解槽′ｆｔｍ成する側
壁の一態様である。第６図は本発明の複極式′を飼槽の
組立図、第７図は本発明Ｑ）単極式電解槽の組立図であ
る。図中番号はそれぞれ対応しており、同一番号のもの
は同一物を示し、１は周壁、２は側壁、３は導電用リブ
、４は電極である。

周壁１は、下部に電解液の供給ノズル５、上部に電解液
および電解生成物の１ｉＦｋｋ３ノズル６を有する。こ
れらのノズルは、フレキシブルホースによって電解液供
給ヘッダーと電解液および電解生成物排出ヘッダーに接
続され、亀％Ｉ％［および電解生成物の供給・排出に供
される。

周壁の厚みは、ノズルが設ゆられ、且つ、十分な強度を
有丁れば別に制限されず、一般に０．５〜５．０　ｏｎ
、好ましくは１．０〜６，０αである。韻緑邪の巾は、
セル内圧に耐え、’＊解漱をシールするに十分な巾があ
れはよ（，１，０〜５．０ｃＩｎ１好ましくは２．０〜
３．０　ａｎである。

周壁の一辺の長さが１ｒｒＬ以上という大盤の場合には
、中央に補強用リブを設けると、周壁の厚みおよび額縁
部の巾を小さくできるので好ましい。

補強用リゾを設けた態様を第６図および１４図に示した
。補強用リブ７は、周壁１の上辺および下辺Ｖｃ溶接ま
たはボルト締めされており、電解液および生成がスの通
路となる孔８を有している。補強用り゛ブ７とｌｌＩ壁
２は溶接しない方が好ましい。

溶接するとｇＡ壁の内圧による脹らみが不十分となり、
側壁と側壁および％流す−ド板と（ｌ！Ｉ壁の密着が不
良となる。

］４１壁の材質としては、鉄、ニッケル、チタンおよび
それらの合金等の金属、ポリエチレン、ポリプロピレン
、ポリ塩化ビニル等の２２スナツクが何の制限もな（使
用される。金属製であれば、側壁と溶接構造により一体
化できるので、ｔｓｇの漏洩防止および％解槽り強度ア
ップ上好ましい。

この場合、−極室ユニット用にはチタンおよびチタン合
金が、陰極室ユニット用には鉄、ニッケルおよびそれら
の合金が好ましい。

ａ壁２には導電用リブ３が溶接されており、導電用リブ
３に：はＩＥ電極が溶接されている。側壁および導電用
リブを製作するための材料は、電解条件下において不活
性な材料であればよく、例えば、陰極室ユニットにはチ
タンおよびチタン合金が、陰極室ユニットには鉄、ニッ
ケル、およびそれらの合金が使用できる。

側壁の外側面９には、隣接する９１１１壁、％流り−ド
板との接触電気抵抗を小さくするために、電気伝導度が
太き（且つ硬度の小さい金属、例えば、銅、錫、アルミ
ニウム等の被覆ｔ′ａげてお（ことが好ましい。特に、
側壁材料がチタンの場合には醸化被膜の生成防止にもな
るので、かｋる核種は有効である。被覆する手段として
は、例えば、無電解メッキ、電気メッキ、溶射、蒸着等
の通常の手段が適用される。側壁の厚みは、セル内圧に
より適度に脹らみ、且つ、導電用リプを溶接し得る厚み
であればよく、１〜３關程度が好ましい。

側壁と周壁は、溶接、ボルト締め、接着等の手段により
一体化しておくことが好ましい。また、周壁がグラスチ
ック等ｔＭ液および電解生成物に対する耐性の不十分な
材質から製作されている場合には、第５図に示す如く、
側壁を皿状に抑圧成型し、角！１１）（ＨＣＭ＋壁をは
め込むようにしておいてもよい。

４′ＩＩＬ用リブ３にも、補強剤リブと同様、電解液お
よび電解生成物の通路となる孔１１が設けられて（・る
゛。導電用リプの高さは、周壁１の高さ、シール用ガス
ケツ）１３．１５の厚み、を極４の厚み等を考慮して、
膜−を極間隔が０または０近辺になるよ５ＫＩＡ整され
る。この際、陽極室ユニットの導電用リプと陰極室ユニ
ットの導電用リブの位置は互い違いになるように配置さ
れていることが好ましい。同位［ＫなるようＩＣ配置さ
れていると、導電用リプの高さが高すぎた場合、４九用
リブの箇所で膜が電極によって圧切されたり、を流がシ
ョートしたりする恐れがある。互い違いに配置しておけ
ば、導電用リゾの高さを計算値よりも若干高目にしても
、電極および／または側壁が波型に変形することによっ
て高さの差が調節されるので、膜が１！極によって圧切
されろことはなく、児全に膜−電極間隔なＯにできる。

電極４には、エキスパンデッドメタル、有孔平板、棒状
、網状等の通常の多孔性電極が使用され得るが、有孔平
板電極は、膜に損傷を与えずに膜−電極間隔を０にでき
るので好ましい。有孔平板電極とは、平板に円形、接円
形、正方形、長方形、十字形等の開口部を設けた電極で
ある。孔の製作はパンチング加工によるのが一般的であ
り、開口部の形状は、パンチング加工し易い円形が好ま
しい。孔径は、０．５〜６龍、好ましくは１〜５Ｂであ
り、開口率は、１０〜７０％、好ましくは１５〜６０％
である。孔径、開口率があまり小さ丁ぎると、がス抜け
が悪くなり、あまり大きすぎると、陽イオン交換膜中の
％流密度が不均一になるので好ましくない。

陽極材料としては、通常の塩化アルカリ金属水溶液の電
解に使用されるものでよい。即ち、チタン、ジルコ／、
タンタル、ニオブ、およびそれらの合金を基材とし、そ
の表面（、酸化ルテニウム等の白金族金属酸化物を主体
とした陽極活性物を被覆した電極が使用される。陰極材
料としては、鉄、ニッケル、およびそれらの合金をその
まま、又は、その表面に、ラネーニッケル、ロダンニッ
ケル、酸化ニッケル等の陰極活性物を被覆して用いられ
る。

次Ｋ、上述の陽極室ユニットおよび陰極室ユニソ）Ｙ用
いて本発明の電解槽を組み立てる方法につ（゛て説明す
る。

第６図は本発明の複極式＠飼槽の一例である。

陽イオン交換膜１２０片側に陽極室がスケノド１３を介
して陽極室ユニット１４が、もう一方の側に陰極室がス
ケノド１５を介して陰極室ユニット１６が配ｆｉ！され
、これら１２，１３．１４．１５゜１６によって単位セ
ル１Ｔが構成されている。この単位セル？：陽極室ユニ
ットと陰極室ユニットが背中合わせになるように、４電
性ンート１８を介在させつつ多数並べ、両端に電流ＩＪ
−）１’叛１９を配置し、フィルターゾレスｆＪ１締結
粋により締め付けることによってｔｊＬＭ槽は組み豆て
られろ。

導電性シート１８は必ずしも必要ではない。しかし、隣
接セル間および電流リード板とセル間の接触電気抵抗ン
小さくてるためには、用いた方が好ましい。導電性シー
トには、厚みＱ、１〜ろ龍程度の平板、エキスパンデッ
ドノート、網状物等が１枚または２枚以上夏ねて用いら
れる。エキスパンデッドシートおよび網状物が接触電気
抵抗をより小さくできるので好ましい、導電性ンー）１
１作するための材料は、電気伝４度が大きい金属であれ
ばよく、例えば、銅、錫、アルミニウム、鉄、ニッケル
およびそれらの合金等が使用できる。

陽極室がスケノド１３および陰極室がスケノド１５は１
電解液をシールするためのものであり、陽イオン交換膜
の表面が平坦で、膜自体に７−ル性がある場合は、これ
らのがスケノドはなくてもよいし、どちらか一方のみで
もよい。陽極室ガスケットの材質としては、塩素ガスに
耐性があり、且つ、弾力性のある材質であればよく、例
えば、クロロプレンゴム、フッ素ゴム、シリンゴム等が
好ましい。陰極室ガスケットの材質としては、例えハ、
エチレン／プロピレンゴム、クロロプレンゴム、ブチル
ゴム、フッ素ゴム等が好ましい。また、がスケソトは補
強布で裏打ちされていてもよい。

がスケントの厚みは、電解液を完全に７−ルするに足ろ
厚みがあればよく、硬度によって異なるが、通常０．５
〜５．０朋程度である。

本発明に用いられるイオン交換膜１２としては特に一定
はな（、一般に塩化アルカリ金属水溶散（使用されるも
のがすべて用いられる。イオン交換基としてはスルホン
酸梨、カルピン酸型あるいはスルホン酸アミド型いずれ
でもよいが、アルカリ金属輸率の高いカルピン酸型、ま
たはカルざン酸とスルホン酸の組み合わせ型が最適であ
る。この場合、スルホン酸基の存在する側を陽極面Ｋ、
カルピンは基の存在する側を陰極面にし１用いるのが最
も好ましい。樹脂母体としては、フロロカーボン系の樹
脂が耐塩素性の面で優れている。また、強度向上のため
に布、網等で鉄打ちしてあってもよい。

電流リード板１９は、［ｗ４槽内のａｍ、密度を均一化
するために、［壁全面に接触するように、周壁の外形と
同一の大きさであり、その上部には整流器からのブスバ
ーの接続部２１を有している。

電流リード板の厚みは、通電面積、電流密度を考慮して
、電流リード版中でのオーム損があまり太き（ならない
ような厚みｔ選べばよい。電流リード板の材質としては
、電気伝導度の大きな金属、例えば、銅、アルミニウム
が好ましい。

第７図は本発明の単極式電解槽の一例である。

単位セル１７の構成は複極式電解槽の場合と同一である
。この単位セルを陽極室ユニットと陰極室ユニット、陰
極室ユニットと陰極室ユニットが背中合わせになるよう
に、導電性シート１８と電流リード板１９を介在させつ
つ多数並べ、両端にも導電性シート１８と電流リード板
１９を配置し、フィルタープレス型締結枠２０により締
め付けることによって電解槽は組み立てられろ。

本発明の電解槽は加圧状態で運転されろことを必須とす
る。加圧する方法は別に制限を受けない。

例えば、生成塩素ガスおよび水素ガスの排出糸に圧力調
節弁を設けてガス圧を掛けてもよいし、電解槽への陽極
液および陰極層の循環流量の制御により電解槽内の圧力
を調節してもよ〜・。また、電解液の排出口を高くして
、ヘッド圧により調節してもよい。加圧の程度は、０．
２〜３．０に９／ぼ４Ｇ、好ましくは０．５〜２　、０
　ｋｇ／ａｔ？　Ｇである。あまり小さ丁ぎると隣接セ
ルの側壁間および側壁とｔ流す−ド板間の面圧が不十分
となり、接触電気抵抗が大きくなる。逆に大き丁ぎると
、電解槽を高圧に耐える構造としなければならず、を飼
槽が高価になる。

次に本発明の実施例を示すが、本発明はこの実施例にの
み限定されるものではない。

実施例 ５ケの単位セル、６ケの４電性シートおよび２ケの電流
リード根な用いて、第６図に示した複極式電解槽を組み
立てた。

周壁は、巾が２４００１１、高さが１２００朋、厚みが
２０朋、額縁部の巾が２０勇翼であり、中央部に高さ２
０龍、巾５龍の補強用リブを有する。

補強用リブには、直径８ｕの孔が１０ケ電解液および電
解生成物の通路用に設けられている。陽極室ユニット用
周壁はチタンで、陰極室エニット用周壁はステンレス鋼
で製作した。

側壁は、厚みが２ｆｉで、周壁と同一の外形を有し、周
壁とその外周および内周で溶接されている。

側壁には、導電用リブが１２傭間隔で、陽極用導電リブ
と陰極用導電リブが互い違いの位＆になるように溶接さ
れている。陽極用導電リブは、高さが２０ｍ、巾が５關
、陰極用導電リブは、高さか２２龍、巾が５朋である。

これら導電用リブにも、電解液および電解生成物の通路
用に直径８闘の孔が１０ケ設けられている。側壁および
導電用リゾの材質は、周壁のそれと同一であり、陽極室
ユニット用はチタン、陰極室ユニ７ト用はステンレス鋼
である。陽極室１１１１壁の外側には銅を無電解メッキ
した。

陽極は、厚さ１　＊ｙｒのチタン板に１．５ｙｙｊの孔
を２．５朋ピツチで千鳥状に明け、その表面にルテニラ
ム、イリジウム、チタンおよびジルコンを成分とする含
酸素固溶体を複核することにより製作した。陰極は、）
！１．さ１ｊｌＩ＋のステンレス鋼板に１　、　”ｐｕ
ｒｌの孔を２．５市ピツチで千鳥状に明け、その表面に
ニッケル酸化物を被覆することにより製作した。

導電用シートには、短径２朋、長径５ｍｘ、厚みＱ、４
ｍｊ＋のステンレスＷ４製エキスパンデソドンートを用
いた。その大きさは、周壁の外形と同一である。

電流リード板には、４　ａｍ厚みの銅板を用いた。

陽極室がスケノドは厚さ０．５Ｂのフッ素ゴムで、陰極
室がスケノドは厚さ２．５ｕのエチレｙ　／　７’　。

ピレンゴムで製作した。それらの形状は周壁と同一寸法
の額縁状である。

陽イオン交換膜は次のようにして製作した。テトラフロ
ロエチレンとパー７０ロー４．７−シオキンー５−メチ
ル−８−ノネンスルホニルフルオライドとを共１合して
、当Ｊｋ重１１３００１７）３Ａ合体（１合体１）およ
び当量重量１１６００１合体（Ｎ合体２）を得た。これ
らの重合体を加熱成型して、それぞれの厚さか６５μ（
１合体１）と１００μ（重合体２）の２Ｎ積層物とし、
史にテフ・ン■峨布な重合体２の面より真空８１層法に
より埋め込んだ。該積層物をけん化して得たスルホン酸
型陽イオン交換膜の１合体１０面だけを還元処理してカ
ルボン酸基に変換した。

陽イオン交換膜のカルボン酸層が陰極側になるよ５［し
て、第６図に示した電解４ｇを組み立て、陽極室には、
出口の食塩濃度が１７５ｇ７ｚになるよ５に、５１０．
９／Ａ’の食塩水を供給し、陰極室には、出口のカセイ
ソーダ濃度が６０重′ｊ！に％になるように希薄カセイ
ソーダ水溶液を供給し、電解１度９０℃、電流密度５０
Ａ　／　ｃｔ、ｍ”で電解した。

その結果、電流効率は９６．０％、摺電圧は１５．８７
であった。

発明の効果 本発明の電解槽は、隣接セル間および電流リード板とセ
ル間の接触電気抵抗が小さく、且つ、を解檀内のｔ流密
度が均一化されているので、５０　Ａ／ｃｔｍ”以上と
いう比較的高電流密度で運転できる。更に組み立て・解
体が容易で表両である。

また、立地条件に合わせて、複極式にも単極式にも構成
し得る。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明の電解槽を構成する陽極室
ユニットおよび陰極室ユニットの正面図とそのＡ−Ａ’
矢視図である。第３図および第４図は別の態様の陽極室
ユニットおよび陰極室ユニットの正面図とそのＢ−Ｂ’
矢視図である。第５図は本発明の電解槽に用いる側壁の
一態様でおる。第６図は本発明の復極式電解槽の組立図
、第７図は本発明の単極式電解槽の組立図である。 １・・・・・・・・・周壁　２・・・・・・・・・側壁
　３・・・・・・・・・導電用リプ４・・・・・・・・
・電極　５・・・曲・供給ノズル　６・・・・・・・排
出ノズル７・・・・補強用リブ　８・・・・・・・孔　
９・・・・・・・外壁面　１０・・・角部１１・・・・
・孔１２・・・・陽イオン交換膜　　１１１５・・・ガ
スケット１４・・・陽極室ユニット１６・・・陰極室ユ
ニット１７・・・・単位セル　１８・・・・導電性シー
ト１９・・・・・リード板２０・・・・締結枠　２１・
・・・・接続部特許出願人　旭化成工業株式会社 第１図　　　　　　第２図 第３図 第４図　　　　　　第５図 第６図 第７図

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. （１）額縁状周壁、金属製の板状側壁および該側壁に複
   数の導電用リブを介して溶接されている陽極からなる陽
   極室ユニットと、額縁状周壁、金属製の板状側壁および
   該側壁に複数の導電用リブを介して溶接されている陰極
   からなる陰極室ユニットとを陽イオン交換膜の両側に陽
   極と陰極が膜に面するように配置した単位セルを複数個
   並べ、両端より締結枠で締め付けたことを特徴とする加
   圧状態で運転されるイオン交換膜性塩化アルカリ多対電
   解槽。
2. （２）陽極室ユニットのリブと陰極室ユニットのリブが
   互い違いになるように配置されていることを特徴とする
   特許請求の範囲第（１）項に記載の電解槽。
3. （３）額縁状周壁が金属製であり、該周壁と側壁が溶接
   により一体化されていることを特徴とする特許請求の範
   囲第（１）項または第（２）項に記載の電解槽。
4. （４）陽極室ユニットの側壁がチタンであり、その外側
   が銅、錫、アルミニウムから選ばれた金属で被覆されて
   いることを特徴とする特許請求の範囲第（１）項〜第（
   ３）項いずれかに記載の電解槽。
5. （５）隣接セルの陽極室ユニットと陰極室ユニットが背
   中あわせになるように並べられ、複極式電解槽を構成し
   ていることを特徴とする特許請求の範囲第（１）項〜第
   （４）項いずれかに記載の電解槽。
6. （６）隣接する電解セルの間に導電性シートが挿入され
   ていることを特徴とする特許請求の範囲第（５）項に記
   載の電解槽。
7. （７）隣接セルの陽極ユニットと陽極ユニットおよび陰
   極ユニットと陰極ユニットが電流リード板を介して背中
   あわせになるように並べられ、単極式電解槽を構成して
   いることを特徴とする特許請求の範囲第（１）項〜第（
   ４）項いずれかに記載の電解槽。
8. （８）電流リード板と陽極室ユニットまたは陰極室ユニ
   ットとの間に導電性シートが挿入されていることを特徴
   とする特許請求の範囲第（７）項に記載の電解槽。
9. （９）導電性シートが銅、錫、アルミニウム、鉄、ニッ
   ケルおよびそれらの合金から選ばれた金属からなること
   を特徴とする特許請求の範囲第（６）項または第（８）
   項に記載の電解槽。
10. （１０）導電性シートが金網またはエキスパンデッドシ
    ートであることを特徴とする特許請求の範囲第（９）項
    に記載の電解槽。
11. （１１）セル内圧が０．５〜２．０ｋｇ／ｃｍ＾２Ｇで
    あることを特徴とする特許請求の範囲第（１）項〜第（
    １０）項いずれかに記載の電解槽。