JPS627885A - イオン交換膜法塩化アルカリ多対電解槽 - 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電解槽に関する
。

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、塩化リチウム等があり、工業上置も重要なものは
食塩である。以後食塩を例にして説明するが、本発明は
食塩の電解のみに限定されるものではない。

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型式があり、それぞれについて
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もの（特開
昭５１−４３３７７号）、隣接セルの電気接続を弾性を
有するコネクターで行なっているもの（特開昭５３−１
４９１７４号）電解槽材料にプラスチックを用いて隣接
セルの電気接続をボルトとナツトで行なっているもの（
特開昭５１−７２９７３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もの〈特開
昭５２−１５３８７７号〉、通電面積を小さくして電極
の端部に直接ブスバーを接続しているものく特開昭５３
−１０８８９９＠）等がある。

発明が解決しようとする問題点 上記従来の電解槽は、イオン交換脱法食塩電解に適する
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
は高価であったりして、いまだに十分満足できるもので
はない。

更に上記従来の電解槽は、複極式から単極式への互換性
がなく、両型式の電解槽を準備しようとすると、数多く
のユニットを用意する必要がある。　　　。

また、セルの内圧を高くして運転すると電力原単位が極
めて低下することも知られている（特公昭５６−４３１
１６号）。しかし、このような加圧状態の電解において
も、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、加圧することによる利点を十分に生かした
電解槽はいまだに提案されていない。

本発明の目的は組み立てが容易で、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が均一で、安価な
加圧型イオン交換膜法食塩電解槽を提供することにおる
。

問題点を解決するための手段 上記目的を達成するための本発明の構成は額縁状周壁、
金属製の板状側壁および該板状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板状側壁に複
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、単位
セル間および／又は単位セルと電流リード板との間の電
気接続を多数の突起状部を有する弾力性の無い板状体に
より行なっている加圧状態で運転されるイオン交換膜沃
塩化アルカリ多対電解槽である。

上記単位セル間および／又は単位セルと電流リード板と
の間の電気接続を多数の突起状部を有する弾力性の無い
板状体により行なうためには、単位セル間および／又は
単位セルと電流リード板との間に多数の突起状部を有す
る弾力性の無い板状体からなる導電性シートを挿入して
もよいし１．陽極室ユニットおよび／又は陰極室ユニッ
トの板状側壁に多数の突起状部を設けてもよい。

本発明に使用される多数の突起状部を有する弾力性の無
い板状体としては、本発明の目的を満足しさえすればそ
の形状は如何なるものでもよいが、一般に、突起の高さ
は１．Ｏ〜４．０ｍｍ、好ましくは１．５〜３．０ｍｍ
であり、突起の大きさは２〜１　ｏｍｍφ、好ましくは
３〜５ｍｍφである。そして突起は５〜３０ｍｍピッチ
、好ましくは１０〜２０ｍｍピッチで存在する。また、
側壁とは別個にかかる板状体を設ける場合、その板厚は
０．３〜２．０ｍｍ、好ましくは０．５〜１．５ｍｍで
ある。

側壁に直接突起状部を設ける時には、側壁に孔が開かな
いように注意をすることが重要である。

導電性シートを用いる場合には、このような制限を受け
ないので加工か簡単である。

本発明でいう、弾力性の無い板状体とは、この板状体を
二枚の平板ではさみ、両側から圧力をかけた時に実質的
に厚みが変化しない板状体を意味する。

本発明の電解槽を複極式電解槽として使用するには、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、両端に電流リード板を配置し、両側
から締結枠によって締め付ければよい。

また、単極式電解槽として使用するには、隣接セルの間
に電流リード板を挿入し隣接セルの陽極室ユニットと陽
極室ユニットおよび陰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配置し、両端にも電流配置し両
端から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。したがって隣接セルの側壁と側
壁および電流リード板と側壁は全面にわたって接触する
。

この際、接触電気抵抗を少なくするためには、接触圧力
を大きくすることが重要である。

本発明では、多数の突起状部を有する弾力性の無い板状
体によって接触が行なわれるので接触箇所の圧力は非常
に大きくなる。

したがって隣接セル間および／又は電流リード板と各セ
ル間の接触電流抵抗は極めて小ざくなり、かつ、電解槽
内の電流密度分布は均一化される。

また、陽極室ユニットと陰極室ユニットを陽イオン交換
膜を介して、あるいは、電流リード板を介し、または、
介さずに並べ両端から締結枠に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、図面によっ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Ａ−Ａ”断面
を矢印の方向に見た断面図であり、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Ｂ−Ｂ−断面を矢印の方向に見た断面図である。

第５図は本発明の電解槽に用いる側壁の一態様である。

第６図は本発明の複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。図中の番号はそれぞ
れ対応しており、同一の番号は同一の物を示す。

１は周壁、２は側壁、３は導電用リア、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排出ノズル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、電
解液および電解生成物の供給、排出に供される。

周壁の厚みは、ノズルが設けられ、かつ、充分な強度を
有すれば特に制限はなく、一般に０．５〜５．０ｃｍ、
好ましくは１．０〜３．０ｃｍが適当でおる。

周壁の一辺の長さが１ｍ以上という大型の場合には、中
央に補強用リブ７を設けると、壁の厚みおよび額縁部の
幅を小ざくできるので好ましい。

補強用リブを設けた態様を第３図および第４図に示した
。補強用リブ７は周壁１の上辺および下辺に溶接または
ボルト締めされており、電解液および生成ガスの通路に
なる孔８を有している。補強用リブ７と側壁２は溶接し
ない方が好ましい。溶接すると側壁の内圧による脹らみ
が不十分になり、側壁と側壁および電流リード板と側壁
の密着が不良になる。

周壁の材料としては、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
リ塩化ビニル等のプラスチックが何の制限もなく使用で
きる。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、電解液の漏洩防止および電解槽の強度向上のた
めに好ましい。この場合、陽極室ユニット用にはチタン
またはチタン合金、陰極室ユニット用には鉄、ニッケル
またはそれらの合金が好ましい。

側壁２には導電用リブ３が溶接されており、導電用リブ
３には電極４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、陽極
室ユニットにはチタンまたはチタン合金が、陰極室ユニ
ットには鉄、ニッケルまたはそれらの合金が使用できる
。

側壁の外側面９には、隣接する側壁、電流リード板との
接触電気抵抗を小さくするために電気伝導度が大きく、
かつ、硬度の小さい金属、例えば、銅、錫、アルミニウ
ム等の被覆を設けておくことが好ましい。特に側壁材料
がチタンの場合には酸化被膜の生成防止にもなるので、
このような被膜は有効である。

これらの金属を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
できる。

側壁の厚さは、セルの内圧により適度に脹らみ、かつ、
導電様リブを溶接し得る厚みであればよく、１〜３ｍｍ
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
一体化してあくことが好ましい。

また、周壁がプラスチック等電解液および電解性物質に
対する耐性の不十分な材料から製作されている場合には
一第５図に示す如く、側壁を皿状に押圧成型し、角部１
０に周壁をはめ込むようにしておいてもよい。

導電用リブ３にも、補強用リブ７と同様、電解液および
電解生成物の通路となる孔１１が設けられている。導電
用リブの高さは、周壁１の高さ、シール用ガスケット１
３．１５の厚み、電極４の厚み等を考慮して、膜−電極
間隔がＯまたはＯ付近になるように調整される。この際
、陽極室ユニットの導電用リブ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。同位置になるように配置されていると、
導電用リブの高さが高すぎた場合、導電用リブの箇所で
膜が電極によって圧切されたり、電流がショートしたり
する恐れがおる。互い違いに配置しておけば、導電用リ
ブ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型することによって高さの差が
調節されているので、膜が電極によって圧切されること
はなく、完全に膜−電極間隔を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Ｏにで
きるので好ましい。

有孔平板電極とは、平板に円形、だ円形、正方形、長方
形、十字形等の開口部を設けた電極である。孔の制作は
、パンチング加工によるのが一般的でおり、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、
０．５〜６ｍｍ　、好ましくは１〜５ｍｍ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いとガス扱けが悪くなり、こ
れが大きすぎると陽イオン交換膜中の電流密度が不均一
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、ジルコニウ
ム、タンタル、ニオブおよび、それらの合金を基材とし
、その表面に酸化ルテニウム等の白金属金属酸化物を主
体とする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、または、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。

次に上記陽極室ユニットおよび陰極室ユニットを用いて
本発明の電解槽を組み立てる方法について説明をする。

第６図は本発明の複極式電解槽の一例である。陽イオン
交換膜１２の片側に陽極室ガスケット１３を介して陰極
室ユニット１４がもう一方の側に陰極室ガスケット１５
を介して陰極室ユニット１６が配置され、これら、１２
．１３．１４．１５．１６によって単位セル１７が構成
されている。

この単位セルを陽極室ユニットと陰極室ユニットが背中
合せになるように、導電性シート１８を介在させつつ多
数並べ両端に電流リード板１９を配置し、フィルタープ
レス型締結枠により締め付けることによって電解槽が組
み立てられる。

陽極室ユニットおよび／又は陰極室ユニットの板状側壁
が多数の突起状部を有する場合は導電性シート１８は必
ずしも必要ではない。

導電性シート１８は多数の突起状部を有する弾力性の無
い板状体から成る。弾力性を有すると緩衝作用により接
触圧力が大きくならず、その結果、接触電気抵抗が大き
くなるので弾力性を有ざないことは重要でおる。

導電性シートには厚みが０．１〜３ｍｍ程度の平板の片
面又は両面に突起を設けたもの、エキスパンデッドシー
ト、およびバーリングが接触電気抵抗をより小さくでき
るので好ましい。

導電性シートの大きさは側壁と同じ大きざで突起状部は
全面にわたって多数設けられている。

導電性シートの材料°は電気導電度の大きい金属であれ
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。

陽極室ガスケット１３および陰極室ガスケット１５は電
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、膜自体にシール性がおる場合は、これら
のガスケットはなくてもよいし、どちらか一方のみでも
よい。

陽極室ガスケットの材料は、塩素ガスに耐性があり、か
つ、弾性のある材料でおればよく、例えば、クロロプレ
ンゴム、フッ素ゴム、シリコーンゴム等が好ましい。陰
極室ガスケットの材料としては、例えばエチレン／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、ガスケットは補強布で
裏打されていてもよい。

ガスケットの厚みは電解液を完全にシールするに足りる
厚みがおればよく、硬度によって異なるが、通常０．５
〜３ｍｍ程度である。

本発明に用いられるイオン交換膜１２としては特に限定
はなく、一般に塩化アルカリ金属水溶液に使用されるも
のがすへて用いられる。

イオン交換基としてはスルホン酸型、カルボン酸型ある
いはスルホン酸アミド型いずれでもよいが、アルカリ金
属輸率の高いカルボ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
面に、カルボン酸基の存在する側を陰極面にして用いる
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、網等で裏打してあってもよい。

電流リード板１９は、電解槽内の電流密度を均一化する
ために、側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、電流リード板中でのオーム損が
あまり大きくならないような厚みを選べばよい。

電流リード板の材料としては電気導電度の大きな金属、
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おる。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ぜになるように導電性シ
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
み立てられる。

本発明の電解槽は加圧状態で運転されることを必須とす
る。加圧する方法には特別制限はない。例えば、生成塩
素ガスおよび水素ガスの排出系に圧力調整弁を設けてガ
ス圧を加えてもよいし、電解槽へ供給する陽極液および
陰極液の循環流量の制御により電解槽内の圧力を制御し
てもよい。その加圧の程度は、０．２〜３．０ｋＭＣｍ
　　Ｇ好ましくは０．５〜２．０ｋｇ／ｃｍ　　Ｇであ
る。これが小さ過ぎると隣接セルの側壁間および側壁と
電流リード板間の面圧が不十分になり、接触電気抵抗が
大きくなる。反対に大き過ぎると電解槽を高圧に耐える
構造にしなければならず、電解槽が高価になる。

以下、本発明の実施例を示すが本発明はこの実施例のみ
に限定されるものではない。

実施例１ ２個の単位セル、導電性シート３個、電流リード板２個
を用いて第６図に示した複極式電解槽を組み立てた 周壁は幅が２４００ｍｍ、高さが１２００ｍｍ、厚さが
２０ｍｍ、額縁部の幅が２０ｍｍであり、中央部に高さ
２０ｍｍ、幅５ｍｍの補強用リブを有する。

補強用リブには、直径８ｍｍの孔が１０個、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、陰極室ユニット用周壁はステンレ
ス鋼で製作した。

側壁は厚さが２ｍｍで融壁と同じ外形を有し、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１２ｃｍ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置になるように溶接さ
れている。

陽極用導電リブは高さが２０ｍｍ、幅が５ｍｍ、陰極用
導電リブは高さが２２ｍｍ、幅が５ｍｍ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
８ｍｍの孔が１０個設けられている。側壁および導電用
リブの材料は周壁のそれと同じであり、陽極室ユニット
用はチタン、陰極室ユニット用はステンレス鋼でおる。

陽極室側壁の外側には銅を無電解メッキした。

陽極は厚さ１ｍｍのチタン板に２ｍｍφの孔を３ｍｍピ
ッチで千鳥状に開け、その表面にルテニウム、イリジウ
ム、チタンおよびジルコニウムを成分とする含酸素固溶
体を被覆することにより製作した。

陰極は厚さ１ｍｍのステンレス鋼板に２ｍｍφの孔を３
ｍｍピッチで千鳥状に開は製作した。

導電性シートには、厚さ１．５ｍｍのステンレス鋼板か
ら作製した短径７ｍｍ　、長径１４ｍｍのエキスパンデ
ッドシートを用いた。その大きさは、周壁の外形と同じ
である。

電流リード板には厚さ４ｍｍの銅板を用いた。

陽極室ガスケットは厚さ０．５ｍｍのフッ素ゴムで陰極
室ガスケットは厚さ２．５ｍｍのエチレン／プロピレン
ゴムで製作した。それらの形状は周壁と同じ寸法の額縁
状である。

陽イオン交換膜は次の工程で製造した。

テトラフロロエチレンとパーフロロ−４，７−゛ジオキ
シー５−メチルー８−ノネンスルホニルフルオライドを
共重合して当量重量１３００の重合体（重合体１）およ
び当量重量１１３０の重合体（重合体２）を得た。

これらの重合体を加熱成型して、それぞれの厚さが３５
μ（重合体１）と１００μ−重合体２）の２層積層物と
し、更にテフロン（登録商標）織布を重合体２の面より
真空積層法により埋めこんだ。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重合体１の面だけを還
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が陰極側になるようにして
第６図に示した電解槽を組み立て、陽極室には、出口の
食塩濃度が１７５ＣＩ／１になるように、３１０ｇ／Ｉ
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３０重量％になるように稀薄カセイソーダ水溶液を
供給し、電解温度９０℃、電流密度 ４０Ａ　／　ｃｄｍ　　で電解した。その結果、電流効
率は９６．０％、摺電圧は６．７Ｖでおった。

実施例２４ 実施例１と同一条件で、導電性シートのみを厚さ０．８
ｍｍのステンレス鋼板の片側に、行方向に２０ｍｍ、列
方向に１７．５ｍｍのピッチで、内径３ｍｍ　、深さ２
ｍｍの凹みをつけ、その先端を内径１ｍｍの孔としたバ
ーリングに代えて電解した。その結果は電流効率９６，
０％、摺電圧６．６Ｖであった。

発明の効果 以上、説明したように本発明の電解槽は、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、か
つ、電解槽内の電流密度が均一化されているので３０Ａ
／Ｃｄｍ　　以上という比較的高電流密度で運転できる
。接触電気抵抗を小ざくするには接触圧力を高くするこ
とが重要であるが弾力性を有すると緩衝作用により接触
圧力は高くならない。更に組み立て・解体が容易で安価
である。また、立地条件に合せて、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　
＝断面図、 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−断面図、 第５図は本発明の電解槽に用いる側壁の一態様の断面図
、　　　。 第６図は本発明の複極式電解層の組立て図、第７図は本
発明の単極式電解槽の組立て図である。 １・・・周壁　　　　２・・・側壁 ３・・・導電用リブ　４・・・電極 ５・・・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１３
・１５・・・ガスケット １／１・・・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−・・締結棒２１・・・・・・・・
・接続部

Claims (3)

【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板状側壁
   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
   よび該板状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、単位セル間および／又は単位セルと電流
   リード板との間の電気接続を多数の突起状部を有する弾
   力性の無い板状体により行なっていることを特徴とする
   加圧状態で運転されるイオン交換膜法塩化アルカリ多対
   電解槽
2. （２）陽極室ユニットおよび／又は陰極室ユニットの板
   状側壁が多数の突起状部を有し、該板状側壁が多数の突
   起状部を有する弾力性の無い板状体としても作用する特
   許請求の範囲（１）記載の電解槽。
3. （３）単位セル間および／又は単位セルと電流リード板
   との間に多数の突起状部を有する弾力性の無い板状体か
   ら成る導電性シートが挿入されている特許請求の範囲（
   １）記載の電解槽。