(57)【要約】【課題】従来のナローギャップイオン交換膜電解槽を、簡便かつ安価な手法によりゼロギャップ化した、電解性能が向上したイオン交換膜電解槽を提供する。【解決手段】イオン交換膜１により陽極室２と陰極室３とに区画され、陰極室３が、剛性陰極４と金属製弾性体５と水素発生陰極６とが重ねて配置されてなる陰極を有するイオン交換膜電解槽である。剛性陰極４の、金属製弾性体５との接触領域に凹部４ａが形成され、凹部４ａに金属製弾性体５が配置されてなる。【選択図】図１
2014214350.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン交換膜により陽極室と陰極室とに区画され、該陰極室が、剛性陰極と金属製弾性体と可撓性陰極とが順次重ねて配置されてなる構造を有するイオン交換膜電解槽において、
前記剛性陰極における前記金属製弾性体との接触領域が凹部として形成され、該凹部に前記金属製弾性体が収容されてなることを特徴とするイオン交換膜電解槽。
【請求項２】
前記凹部の深さが１．５〜２．０ｍｍである請求項１記載のイオン交換膜電解槽。
【請求項３】
前記剛性陰極における前記金属製弾性体が配置されていない領域と、前記凹部の底面と、を結ぶ傾斜部の角度が１０〜４５°である請求項１または２記載のイオン交換膜電解槽。
【請求項４】
前記金属製弾性体が、耐食性フレームに金属製弾性体を巻回してなる弾性クッション材である請求項１〜３のうちいずれか一項記載のイオン交換膜電解槽。
【請求項５】
前記金属製弾性体が金属製コイル体である請求項１〜４のうちいずれか一項記載のイオン交換膜電解槽。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン交換膜電解槽（以下、単に「電解槽」とも称する）に関し、詳しくは、従来のナローギャップイオン交換膜電解槽を、簡便かつ安価な手法によりゼロギャップ化した、電解性能が向上したイオン交換膜電解槽に関する。
【背景技術】
【０００２】
食塩電解や水電解等に使用されるイオン交換膜電解槽の陰極室に設置される陰極には、電解中に水素発生反応が生じる。この陰極は、通常、電解電圧を低減する目的で、発生した水素ガスを円滑に脱離させるために多孔板の形状からなっている。また、電解時の水素過電圧を低下させるために、その表面には活性触媒が担持されている。
【０００３】
電解槽は長期間使用すると、水素発生用触媒の性能が低下し、水素過電圧が経年的に増加するため、電解に必要なエネルギーが増大する。そこで、電解エネルギーを低減させるため、陰極を一定期間ごとに更新または再活性化する必要がある。陰極の更新方法としては、一般に、劣化した陰極を電解槽から取り外し、新規に作製した陰極を電解槽に取り付けることにより行われる。
【０００４】
例えば、特許文献１に記載されている電解槽は、可撓性の水素発生陰極を金属製コイル体の弾性反発力でイオン交換膜に押付け、陰極を保持するとともに通電を行う、いわゆる、ゼロギャップ電解槽である。このようなゼロギャップ電解槽においては、可撓性の水素発生陰極は電解槽に強固に固定する必要がないため、可撓性の水素発生陰極の着脱が極めて容易である。そのため、劣化した水素発生陰極を電解槽から取り外し、新規に作製した水素発生陰極を電解槽に取り付けることは極めて容易である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−３００５４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
今日、イオン交換膜と陰極との距離を０〜１ｍｍ、に設定した、いわゆる、ナローギャップ電解槽が知られている。ナローギャップ電解槽の陰極として、（１）剛性陰極が溶接により陰極室枠に取り付けられているタイプと、（２）１枚の耐食性を有する導電基材からなり、パンチング等で多孔化された電解面にのみ触媒を有する陰極触媒部分を有しその周辺の触媒を担持していない陰極フレーム部分がガスケットや耐食性材料からなる陰極室枠に締付固定により陰極室を形成しているタイプがある。
【０００７】
前者のような電解槽の陰極を更新するにあたっては、剛性陰極をフレームから取り外して、新たな剛性陰極を溶接により、フレームに再度固定することにより行われてきた。また、溶接により陰極を固定するため、その基材としてはニッケル等の電解液に対する耐食性を有するものが用いられてきた。一方、後者の陰極を更新する場合には、陰極部材は陰極室枠に固定されていないため容易に取り外すことができ、性能を向上させるべく陰極部材の交換または触媒成分の再メッキ等を行ってきた。このような取り外し可能な陰極部材には銅や鉄基材の多孔板にニッケルコーティングが施され、その表面に活性触媒にコーティングが施されたものが用いられてきた。
【０００８】
しかしながら、このような陰極部材は非常に高価であるため再利用した方が好ましいが、電極触媒を再メッキする際には一度取り外したものにメッキを行うため陰極の更新に時間を要するという問題があった。そこで、ナローギャップ電解槽においても、特許文献１に記載のゼロギャップ電解槽のように、既存の陰極上に、金属製コイル体および可撓性の水素発生陰極を積層してゼロギャップ化を図ることにより、簡便に電解性能を改善する方法が考えられる。
【０００９】
しかしながら、上記のようなナローギャップ電解槽は、イオン交換膜と既存陰極との距離が近いため、イオン交換膜と既存陰極との間に通常の電解槽で弾性体として用いている仕様の金属製コイル体を挿入することができない。したがって、ナローギャップ電解槽についてゼロギャップ化を図るためには、金属製コイル体の厚みの設計変更や、陰極−イオン交換膜間のガスケット厚の変更等が必要になるという問題が生じる。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、従来のナローギャップイオン交換膜電解槽を、簡便かつ安価な手法によりゼロギャップ化した、電解性能が向上したイオン交換膜電解槽を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、剛性陰極を所定の構造とすることにより、上記課題を解消することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１２】
すなわち、本発明のイオン交換膜電解槽は、イオン交換膜により陽極室と陰極室とに区画され、該陰極室が、剛性陰極と金属製弾性体と可撓性陰極とが順次重ねて配置されてなる構造を有するイオン交換膜電解槽において、
前記剛性陰極における前記金属製弾性体との接触領域が凹部として形成され、該凹部に前記金属製弾性体が収容されてなることを特徴とするものである。
【００１３】
本発明においては、前記凹部の深さが１．５〜２．０ｍｍであることが好ましい。また、本発明においては、前記剛性陰極における前記金属製弾性体が配置されていない領域と、前記凹部の底面と、を結ぶ傾斜部の角度は１０〜４５°であることが好ましい。さらに、本発明のイオン交換膜電解槽においては、前記金属製弾性体は、耐食性フレームに金属製弾性体を巻回してなる弾性クッション材であることが好ましい。さらにまた、前記金属製弾性体は、耐食性フレームに金属製弾性体を巻回してなる弾性クッション材であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、従来のナローギャップイオン交換膜電解槽を、簡便かつ安価な手法によりゼロギャップ化することが可能であり、従来のイオン交換膜電解槽の電解性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一好適な実施の形態に係るイオン交換膜電解槽の陽極室および陰極室を説明する概略横断面図である。
【図２】本発明の一好適な実施の形態に係るイオン交換膜電解槽の陰極の断面図である。
【図３】（ａ）は、弾性クッション材に用いられていた耐食性フレームの例を示す斜視図であり、（ｂ）は弾性クッション材の例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１は、本発明の一好適な実施の形態に係るイオン交換膜電解槽の陽極室および陰極室を説明する概略横断面図である。図示するイオン交換膜電解槽は、イオン交換膜１により陽極室２と陰極室３とに区画されており、陰極室３は、剛性陰極４と、金属製弾性体５（図示例においては金属製コイル体）と、可撓性陰極としての水素発生陰極６と、が重ねて配置されてなる構造を有する。図示例においては、陽極７は、陽極室枠８に溶接固定されており、剛性陰極４は陰極室枠９に締付により固定されている。また、陽極室２および陰極室３には、それぞれ補強用の導電性リブ１０が設けられている。
【００１７】
本発明の一好適な実施の形態に係るイオン交換膜電解槽においては、剛性陰極４の、金属製弾性体５との接触領域に凹部が形成されており、この凹部に金属製弾性体５が収容されている。図２に、本発明の一好適な実施の形態に係るイオン交換膜電解槽の陰極の断面図を示す。上述の通り、ナローギャップ電解槽はイオン交換膜と陰極とのギャップが小さいため、金属製コイル体を用いたゼロギャップ化技術を適用することができない。そこで、図示するように、剛性陰極４に凹部４ａを設け、この凹部４ａに金属製弾性体５を配置し、その上に可撓性の水素発生陰極６を配置することで、陽極７とイオン交換膜１と水素発生陰極６とを密着させている。
【００１８】
すなわち、本発明のイオン交換膜電解槽は、金属製弾性体５を配置するために剛性陰極４に凹部４ａを設けているため、金属製弾性体５を配置した領域の全面において、水素発生陰極６とイオン交換膜１と陽極７とを密着させることができる（図１参照）。これにより、従来のナローギャップ電解槽の電解性能を改善することができる。なお、図２に示す例においては、剛性陰極４と、金属製弾性体５と、水素発生陰極６は耐食性のピン１１により固定されている。
【００１９】
本発明の一好適な実施の形態に係るイオン交換膜電解槽においては、凹部４ａの深さｈは、ナローギャプ電解槽のギャップに応じて適宜決定すればよい。例えば、ギャップが０．５〜１．０ｍｍのナローギャップ電解槽の場合、凹部４ａの深さｈは、１．５〜２．０ｍｍとすればよい。なお、図示例においては、凹部４ａに金属製弾性体５が配置され、その上に可撓性の水素発生陰極６が重ねて配置されているが、本発明の一好適な実施の形態に係るイオン交換膜電解槽の形態はこれに限られるものではない。例えば、金属製弾性体５に代えて、後述する、耐食性フレームに金属製弾性体を巻回して構成した弾性クッション材を用いてもよい。また、金属製弾性体５（または弾性クッション材）および可撓性の水素発生陰極６を剛性陰極４に固定する方法も、図示するような、ピン１１を用いた固定に限られるものではなく、溶接等により固定してもよい。
【００２０】
本発明のイオン交換膜電解槽においては、剛性陰極４における金属製弾性体５が配置されていない領域４ｂと、凹部４ａの底面と、を結ぶ傾斜部４ｃの角度（以下、絞り込み角θ）は１０〜４５°であることが好ましい。絞り込み角θが４５°よりも大きくなると、剛性陰極の既存のコーティングに割れが発生してしまう場合があるからである。絞り込み角θを上記範囲とすることで、剛性陰極の既存コーティングに割れが発生せず、弾性体の反力を適切に得ることができる。より好ましくは１０〜３５°であり、さらに好ましくは１０〜１５°である。
【００２１】
図１に例示する本発明のイオン交換膜電解槽においては、金属製弾性体５として金属製コイル体を例に挙げているが、本発明のイオン交換膜電解槽においては、金属製弾性体５は導電性材料からなり、かつ、弾性的性質を有するものであって、柔軟な水素発生陰極６をイオン交換膜１に押し付けて給電することができるものであれば、特に制限はない。例えば、金属製コイル体以外にも、金属細線に波形型付けしたものを用いてもよく、また、金属製の不織布を用いてもよい。なお、これ以外にも金属製弾性体としては、金属線の織物である弾性マット、金属ワイヤーからなる編物、織物およびこれらの積層体、または三次元的に編んであるか、三次元的に編んだ後これにうねり加工等を施した形状のものを用いてもよい。
【００２２】
金属製弾性体５として金属製コイル体を用いる場合は、例えば、良好な耐食性を示すニッケル、ニッケル合金、ステンレス鋼、または銅等の固有抵抗の小さい金属に良好な耐食性を示すニッケル等をめっき等で被覆して製造した線材をロール加工により螺旋コイルに加工することにより得られる。得られた線材の断面形状は、イオン交換膜の損傷を防止するという観点から、円、楕円、角部が丸い矩形等であることが好ましい。具体的には、直径０．１７ｍｍのニッケル線（ＮＷ２２０１）をロール加工すると、断面形状が約０．０５ｍｍ×０．５ｍｍの角部が丸い矩形となり、巻き径が約６ｍｍであるコイル線を得ることができる。
【００２３】
図１においては、金属製弾性体５（図示例では金属製コイル体）はそのまま電解槽内の剛性陰極４と水素発生陰極６間に装着されているが、本発明のイオン交換膜電解槽においては、先述のとおり、金属製弾性体５に代えて、耐食性フレームに金属製弾性体を巻回して構成した弾性クッション材を用いてもよい。図３（ａ）は、弾性クッション材に用いられていた耐食性フレームの例を示す斜視図であり、（ｂ）は弾性クッション材の例を示す斜視図である。
【００２４】
図３（ａ）および（ｂ）に例示すように、本発明に係る耐食性フレーム１００は金属丸棒で長方形の枠１０１の長手方向の１対の丸棒間に掛け渡された補強杆１０２から成っている。この金属丸棒としては、例えば、直径約１．２ｍｍのニッケル製金属丸棒を好適に用いることができる。本発明に係る弾性クッション材１０３は、耐食性フレーム１００の長手方向の１対の丸棒間のほぼ全長に渡って、金属製弾性体１０４（図示例においては、金属製コイル体）を巻回することにより、得ることができる（図３（ｂ））。このようにして得られた弾性クッション材１０３は、金属製弾性体１０４が耐食性フレーム１０３に巻回されているため、耐食性フレーム１００の形状のまま保持され、金属製弾性体１０４が耐食性フレーム１００から離脱することはほとんどなく、金属製弾性体１０４を耐食性フレーム１００と一体化したものとして取り扱うことができる。金属製弾性体１０４を耐食性フレーム１００に巻回することにより、以下の利点を得ることができる。
【００２５】
すなわち、金属製弾性体１０４は変形率が高いため、取扱い難く、作業員の意図通りに電解槽の所定箇所に設置することが困難になることが多い。さらに容易に変形する（強度が不十分である）ため、一旦電解槽の所定箇所に設置しても電解槽内の電解液や生成ガスにより偏位して各部材の均一密着が困難になることがある。これに対して弾性クッション材１０３は、例えば、図３（ａ）に示すように、長方形状の耐食性フレーム４本の枠杆からなる。このうち対向する２本の間に、ほぼ均一密度になるように金属製弾性体１０４を巻回すことにより得られる（図３（ｂ）参照）。なお、本発明の電解槽においては、弾性クッション材に用いる金属製弾製体として金属製コイル体を例に用いて説明してきたが、金属製コイル体以外にも、金属製不織布等の上記金属製弾性体を用いてもよい。
【００２６】
本発明においては、通常、電気は接触通電方式で流すことにする。なお、金属製弾性体を使用する弾性クッション材の組立は、電解槽外の作業であるため、容易に行うことができ、得られた弾性クッション材は、電解槽組立時に、電解槽内の対象電極と装着の集電体を電気的に接続するように装着するようにすればよい。この装着時にも弾性クッション材自体は耐食性フレームの強度により組立に支障が出る程には変形しないため、容易に所定箇所に設置できる。
【００２７】
金属製弾性体として金属製コイル体を用いた場合、金属製コイル体や金属製コイル体を巻回して得られた弾性クッション材１０３においては、金属製コイル体の径（コイルの見掛け上の直径）は電解槽内に装着されることにより通常１０〜７０％まで縮んで弾性が生じ、この弾性により剛性陰極４と水素発生陰極６とを弾性的に接続して電極への給電が容易になる。線径の小さい金属製コイル体を使用すれば必然的に剛性陰極４や水素発生陰極６と弾性クッション材との接触点の数が多くなり、均一接触が可能になる。また、電解槽に装着された後の弾性クッション材１０３は、その耐食性フレーム１００により形状が保持されるため、塑性変形を受けることがほとんどなく、電解槽の解体−再組立時にもほとんどの場合再使用できる。
【００２８】
本発明のイオン交換膜電解槽においては、金属製弾性体や、弾性クッション材を含むイオン交換膜電解槽を組み立てる際には、剛性陰極４と水素発生陰極６に弾性クッション材等を位置させ、その後は通常通りに組立てれば所定の位置に弾性クッション材等が保持されたイオン交換膜電解槽が得られる。
【００２９】
本発明のイオン交換膜電解槽は、従来のナローギャップ電解槽の改良に係るものであり、上記構成を満足することのみが重要であり、それ以外の構造については、従来から用いられている構造を適宜用いることができ、特に制限はない。
【００３０】
例えば、水素発生陰極６については、金属製弾性体５または弾性クッション材により押圧されてイオン交換膜１に接触するものであるのであれば特に制限はなく、通常、電解用に用いられるものであれば、いかなるものをも用いることができるが、触媒皮膜が薄くとも高活性であって、かつ、皮膜表面が平滑で、イオン交換膜を機械的に傷つけることのない、Ｒｕ−Ｌａ−Ｐｔ系、Ｒｕ−Ｃｅ系、Ｐｔ−Ｃｅ系、および、Ｐｔ−Ｎｉ系からなる群から選択される熱分解型活性陰極が好適である。
【００３１】
本発明のイオン交換膜電解槽を使用して食塩電解を行うには、陽極室に食塩水溶液等の電解液を、陰極室に希釈苛性ソーダ水溶液を供給しながら、両極間に通電する。弾性クッション材等が電極として機能する電解槽では、弾性クッション材等の高強度及び強靭性によりこの状態が長期間維持されるため、イオン交換膜等が機械的に損傷したりすることなく、また過度に変形して給電が不十分になることがなく、苛性ソーダ等を高効率で製造できる。
【実施例】
【００３２】
以下、実施例を用いて本発明をより詳細に説明する。
＜実施例１＞
イオン交換膜電解槽としては、ＡＺＥＣ−Ｆ２（旭硝子（株）社製）を用いた。陽極として中国製の寸法安定性電極を採用し、水素発生陰極としてニッケル製マイクロメッシュ基材の活性陰極を採用した。剛性陰極としては、ニッケルメッキと陰極コーティングを施した銅製パンチングメタルを採用した。陽極および陰極の反応面サイズはそれぞれ幅１１４０ｍｍ、高さ１５００ｍｍとした。イオン交換膜は旭硝子（株）社製のＦｌｅｍｉｏｎＦ−８０３０を用いた。
【００３３】
上記の剛性陰極の反応面前面を凹部とした。凹部の深さｈは２．０ｍｍ、絞り込み角θは１２°とし、ここに弾性クッション材を配置した。弾性クッション材は以下の手順で作製した。線径が０．１４ｍｍで、引張強度７５０〜９００Ｎ／ｍ２のニッケル線（ＮＷ２２０１）をロール加工により約０．５ｍｍ幅のコイル線を作製した。得られたコイル線を用いて、コイルの巻き径が約５ｍｍの金属製コイル体を作製した。この金属製コイル体を、直径１．２ｍｍのニッケル丸棒製枠（耐食性フレーム）に巻回して直方体状に形状を整え、概略サイズが厚さ５ｍｍ×幅１１００ｍｍ×長さ４７０ｍｍの弾性クッション材を作製した。この弾性クッション材のコイル線密度は約１．２ｇ／ｄｍ２であった。得られた弾性クッション材を、剛性陰極と水素発生陰極間に弾性クッション材に弾性が生じるように挿入し、電流密度５．９３ｋＡ／ｍ２で継続して電解を行った。
【００３４】
＜結果＞
本発明のイオン交換膜電解槽によれば、従来のＡＺＥＣ−Ｆ２を用いて５．９３ｋＡ／ｍ２にて電解を行った場合と比較して、１７０〜２１０ｍＶの電圧低減が可能となった。
【符号の説明】
【００３５】
１  イオン交換膜
２  陽極室
３  陰極室
４  剛性陰極
５  金属製弾性体
６  水素発生電極
７  陽極
８  陽極室枠
９  陰極室枠
１０  導電性リブ
１１  ピン
１００  耐食性フレーム
１０１  長方形枠
１０２  補強杆
１０３  弾性クッション材
１０４  金属製弾性体
【図１】
2014214350.tif 000003
【図２】
2014214350.tif 000004
【図３】
2014214350.tif 000005