(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ背板とメッシュ状の極板とを間隔を置いてほぼ平行に配置してなる陽極室枠と陰極室枠とをその背板を背中合わせにして結合してなる室枠体をイオン交換膜を挾んで複数配置し締め付けてなる複極型イオン交換膜電解槽において、各陽極室枠、陰極室枠の上部の非通電部に気液分離器が設けられ、該気液分離器は、各陽極室枠と陰極室枠の極板より上の背板の上方部分が逆Ｕ字形になるようにそれぞれ外側に曲げられ、その逆Ｕ字形部分内にＵ字形の樋状部材が背板との間に通路となる隙間が設けられるように配置固定されてなり、逆Ｕ字形部分とＵ字形の樋状部材で区画される部分が気液分離室となっていることを特徴とする複極型イオン交換膜電解槽。
【請求項２】
Ｕ字形の樋状部材内に、所どころに孔が穿たれている保持部材がほぼ水平に配置され、保持部材より上の部分が気液分離室の気相室を構成し、保持部材より下の部分が気液分離室の液相室を構成していることを特徴とする請求項１に記載の複極型イオン交換膜電解槽。
【請求項３】
Ｕ字形の樋状部材と背板との間の通路の幅が極室枠の幅の５〜２０％であることを特徴とする請求項１又は２に記載の複極型イオン交換膜電解槽。
【請求項４】
Ｕ字形の樋状部材の通路側の上端の気液分離室への入口の寸法が、気液分離室の高さの５〜３０％であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の複極型イオン交換膜電解槽。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は複極型イオン交換膜電解槽に関する。
【０００２】
【従来の技術】
イオン交換膜電解槽にはフィルタープレス（締め付け）型の電解槽が多く用いられている。これは図４のようにイオン交換膜２０と室枠体２１とをガスケット２２（実際より厚めに描いてある）を介して交互に多数配置して両側から油圧式プレス等で締め付けてなるもので電解槽の形式は電気的な接続方法の相違から並列接続形式の単極型電解槽と、直列接続形式の複極型電解槽とに大別される。
【０００３】
図５のように複極型イオン交換膜電解槽の場合室枠体２１は、陽極室枠３０と陰極室枠４０とを背中合わせに配置結合してなり、陽極室３１を構成する陽極室枠３０は背板３２と、これと間隔を置いてほぼ平行に配置されたメッシュ状の陽極板３３とよりなり、背板３２と陽極板３３との間には間隔を保持するために支持部材３４が配置されている。各支持部材３４には、それを通じて極液が図５の左右方向に流通できるように複数の孔が設けられている。
【０００４】
陰極室４１を構成する陰極室枠４０の構造も陽極室枠３０と同じで、背板４２と、メッシュ状の陰極板４３と、支持部材４４とよりなっている。なお背板３２と背板４２は一体に結合されて複極電解槽用の隔壁を構成している。背板３２及び４２の周縁部は、折曲げられて筒状体２４に固定されている。
【０００５】
室枠体２１を正面（ここでは陰極側）からみると図６のようになる。２７は陰極液が導入される陰極室枠４０側の導入口であり、２８は排出口である。陽極室枠３０側にも同様に陽極液の導入口２７ａ及び排出口２８ａが設けられている。
【０００６】
塩化アルカリ電解槽の場合、陽極室３１内では塩素ガスが発生し、また陰極室４１内では水素ガスが発生し、ガスが液相中に混じった気液混相流が各極室内を上昇し、各極室の上方に設けられた気液分離器２９で気相と液相とに分離されてそれぞれ排出口２８、２８ａから極室外に排出される。
【０００７】
気液分離器としては、特開平４ー２８９１８４に開示されているように極板より上の非通電部に気液分離室を設け、この気液分離室の底部に穴を穿ち、極室内を上昇してきた気液混相流がそこから気液分離室内に入るようにしたものがある。また特公昭６０ー４６１９１に開示されているように通電部にＬ形の樋状体により気液分離室を設け、気液混相流が極板側から気液分離室内に入り排出されるようになされているものもある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
複極型イオン交換膜電解槽では気液混相流の排出がスムースに行われないと、極室内の上方にガスだまりが生じ、これは極室内に圧力変動を生じさせ、電圧変動の原因にもなる。さらに極室内での圧力変動により隣接するイオン交換膜が振動して極板との接触をくり返してイオン交換膜の劣化を引き起こす原因となる。従って気液分離器で気体と液体とを速やかに分離して極室外に排出する必要があり、気液分離器の性能は重要である。
【０００９】
上記した特開平４ー２８９１８４に開示されるような非通電部に設けた気液分離器では、気液分離室の底部に設けられた穴の付近にガスだまりが形成されやすく、極室内の圧力の変動を生じさせ、イオン交換膜の劣化、極室内における電圧変動を生じさせる。
【００１０】
また、上記した特公昭６０ー４６１９１に開示のような通電部内に設けた気液分離器では、気液混相流は極板と気液分離室との隙間を通って気液分離室内に入るが、極板はメッシュ状である為、極板とイオン交換膜との間にガスだまりが形成され、極室内の圧力の変動、イオン交換膜の劣化、極室内における電圧変動の原因となる。
【００１１】
本発明は、極室内の圧力の変動、イオン交換膜の劣化、極室内における電圧変動が生じにくい気液分離器を有する、複極型イオン交換膜電解槽を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明では、それぞれ背板とメッシュ状の極板とを間隔を置いてほぼ平行に配置してなる陽極室枠と陰極室枠とをその背板を背中合わせにして結合してなる室枠体をイオン交換膜を挾んで複数配置し締め付けてなる複極型イオン交換膜電解槽において、各陽極室枠と陰極室枠の極板より上の背板の上方部分が逆Ｕ字形になるようにそれぞれ外側に曲げられ、その逆Ｕ字形部分内にＵ字形の樋状部材が背板と間に通路となる隙間が設けられるように配置固定され、逆Ｕ字形部分とＵ字形の樋状部材で区画される部分が気液分離室となっているように構成されている。
【００１３】
また、Ｕ字形の樋状部材内に、所どころに孔が穿たれている保持部材がほぼ水平に配置され、保持部材より上の部分が気液分離室の気相室を構成し、保持部材より下の部分が気液分離室の液相室を構成しているように構成されている。
【００１４】
またＵ字形の樋状部材と背板と間の通路の幅が極室枠の幅の５〜２０％であるように構成されている。
【００１５】
さらにＵ字形の樋状部材の通路側の上端の気液分離室への入口の寸法が、気液分離室の高さの５〜３０％であるように構成されている。
【００１６】図１〜図３のように、本発明の複極型イオン交換膜電解槽の室枠体１は陽極室枠２と陰極室枠３とを背中合わせに配置し結合したものからなる。陽極室枠２は背板５と、これとほぼ平行に配置されたメッシュ状の陽極板６とよりなり、陽極側背板５と陽極板６との間には間隔を保持するために支持部材７が配置されている。支持部材７には所どころに極液を流通させる孔７ａが穿たれている。一方、陰極室枠３も陰極側背板３ａと、陰極板３ｂと、支持部材３ｃとからなる。なお４はガスケット、１ａはイオン交換膜である。
【００１７】
陽極室枠２の背板５と支持部材７は例えばチタンやチタン合金からなり、陽極板６はチタン等の導電性のメッシュ状板を基板としこれに酸化チタンや貴金属の酸化物（例えば酸化ルテニウム、酸化イリジウム等）をコーティングしてなる。一方、陰極室枠３の構造も陽極室枠２と同じであるが、陰極板３ｂは耐アルカリ性の例えば鉄、ニッケル、ステンレス等の導電性のメッシュ状板を基板としこれにラネーニッケルや貴金属をコーティングしてなり、背板３ａ及び支持部材３ｃは例えば軟鋼、ニッケル、ステンレス等からなる。
【００１８】
電解槽において極板６、３ｂが存在する所が通電部であり、気液分離器８は陽極室枠２、陰極室枠３の上部の非通電部にそれぞれ設けられている。気液分離器８は、陽極室枠２の背板５の上方部分を逆Ｕ字形になるように外側に曲げてその外枠９が構成され、その中にＵ字形の樋状部材１０が配置されている。この外枠９と樋状部材１０で区画される部分が気液分離室１１を構成する。
【００１９】
気液分離器８の外枠９は内側部９ａ、上部９ｂ、外側部９ｃから構成され、外枠９の外側部９ｃの下端９ｄは、樋状部材１０の外側部１０ｂの下端付近で点溶接などにより外側部１０ｂに固着されている。
【００２０】
なお、外枠９の外側部９ｃが樋状部材１０の外側部１０ｂの上端付近までしかないときは、液漏れが生じないよう線状に厳重に溶接するなどする必要があり、これにより室枠に歪を生じさせる可能性がある。しかし図のように外枠９の外側部９ｃが樋状部材１０の外側部１０ｂの下端付近まで伸びていると、液漏れを心配する必要がなく点溶接で済ませることができる。
【００２１】
一方、樋状部材１０の内側部１０ａと外枠９の内側部９ａとの間には気液混相流の通路１２となる隙間が設けられている。通路１２には所どころにスペーサ１３（図３）が配置され、この存在により陽極室枠２と陰極室枠３からなる室枠体１が両側からガスケット４を介してプレスされたときに隙間の間隔を保持する。樋状部材１０及びスペーサ１３は例えば背板と同じ材質からなる。
【００２２】
樋状部材１０の内側部１０ａは外側部１０ｂより好ましくは高くなされ、樋状部材１０の内側部１０ａの上端と外枠９の上部９ｂとの間には、通路１２を通じて上昇してきた気液混相流が気液分離室へ入る入口１４となる間隙が形成される。
【００２３】
樋状部材１０内のほぼ中頃にはほぼ水平に保持部材１５が設けられ、保持部材１５には所どころに孔１６が穿たれている。保持部材１５は両室枠が両側からプレスされたときに樋状部材１０の間隔を保持し、また気液分離室１１内での気相と液相を分離する分離板の役目をし、気液分離室１１内は保持部材１５より上の部分１７が気相室、下の部分１８が液相室となる。
【００２４】
各極室枠２、３の大きさは正面（図６）から見た場合、例えば横２４０ｃｍ、縦１２０ｃｍ、幅（厚さ）２ｃｍ程度で、気液分離室１１の大きさは、外枠９の外側部９ｃの長さが例えば６０ｍｍ、上部９ｂの幅が例えば２０ｍｍ程度である。樋状部材１０の内側部１０ａの上端と外枠９の上部９ｂとの間の、入口１４となる間隙の寸法Ａは１０ｍｍ程度になされている。寸法Ａは気液分離室１１の高さの５〜３０％が好ましく、更に好ましくは１０〜２０％がよい。
【００２５】
また樋状部材１０の内側部１０ａと外側部１０ｂの高さは、外側部１０ｂを高くして同じにしてもよいが、外側部１０ｂを低くした方が、保持部材１５を樋状部材１０内に配置するときの作業がしやすい。通路１２の幅は２ｍｍ程度になされている。通路１２の幅は極室枠の幅の５〜２０％が好ましく、更に好ましくは７〜１５％がよい。
【００２６】
本発明の複極型イオン交換膜電解槽において、陽極室枠２内を上昇してきた気液混相流は、背板５側の狭い通路１２をサイホン現象で上昇するが、その際に気泡が液相中に小さく分散された気泡流の状態になり、入口１４から気液分離室１１の気相室１７に入る。気相室１７に入った気泡流のうち液相はさらに保持部材１５の孔１６を通って下の液相室１８に入る。このように通路１２を上昇してきた気液混相流が先ず気液分離室の気相室に入ることにより、気相と液相の分離が迅速に行われる。気液分離室１１で分離された気相と液相は、横方向（図２の前後方向、図６の左右方向）に移動して排出口から排出される。このような動作は陰極室枠３側でも同様である。
【００２７】
なお背板５、３ａと気液分離器８とは別部材で構成してもよい。しかし同一部材の方が溶接個所が少なく加工は容易である。またＵ字形の樋状部材１０の代わりにＵ字形の変形であるＬ字形部材を用いて気液分離室１１と背板５、３ａ側の通路１２を形成するようにしてもよい。
【００２８】
【実施例】
＜実施例１＞
本発明の気液分離器を備えた陽、陰極室枠からなる室枠体を用いた複極型イオン交換膜電解槽にて電解試験を実施し、陽極室枠内の圧力変動値を測定した。各極室枠の極板の寸法は幅２４０ｃｍ、高さ１２０ｃｍで、陽極板には板厚１．７ｍｍのチタンエキスパンドメッシュ、陰極板には板厚１．２ｍｍのニッケルパンチドメッシュを用いた。陽極側背板には厚み１．２ｍｍのチタン板、支持部材には厚み２．０ｍｍ、幅３０ｍｍのチタン板を用いた。支持部材は縦方向に等間隔で２４本背板と極板に溶接して固定した。また陰極側背板には厚み１．２ｍｍのニッケル板、支持部材は厚み１．０ｍｍ、幅３０ｍｍのニッケル板を用いた。支持部材は電解面の縦方向に等間隔で２４本背板と極板に溶接して固定した。
【００２９】
気液分離器部分の高さは６０ｍｍ、幅は３０ｍｍ、入口１４の寸法Ａは１０ｍｍ、通路１２の幅は２ｍｍである。通路１２を確保するために厚み２ｍｍ、幅５ｍｍ、高さ５０ｍｍのスペーサ１３を２４か所等間隔に配置した。
【００３０】
Ｕ字形の樋状部材内には、外枠９の上部から２５ｍｍの箇所に水平に保持部材１５が固定されている。保持部材１５には直径１２ｍｍの孔が等間隔に２４個設けられている。
【００３１】
このような陽極室枠及び陰極室枠からなる室枠体とイオン交換膜をガスケットを挾んで交互に並べ、両側から鉄製の締め具で締め付けて複極型イオン交換膜電解槽を組み立てた。なおイオン交換膜にはフレミオン膜Ｆ−８９３（旭硝子株式会社製）を使用した。
【００３２】
陽極室には出口の食塩水濃度が２１０ｇ／リットルになるよう３００ｇ／リットルの食塩水が室枠下部の入口から供給され、陰極室には出口のカセイソーダの水溶液濃度が３２重量％になるよう希薄カセイソーダ水溶液を室枠下部の入口から供給した。
【００３３】
電解温度９０℃、電流密度５ＫＡ／ｍ２  で電解試験を行い圧力変動値を測定した。その結果を表１に示す。６か月運転後解体し、イオン交換膜の観察及び調査をしたが、外観上、膜強度とも全く異常なかった。
【００３４】
0003555197.tif 000002
【００３５】
＜実施例２＞
電流密度を４ＫＡ／ｍ２  にした以外は実施例１と同じ条件で電解試験を行い圧力変動値を測定した。その結果を表１に示す。６か月運転後解体したが全く異常なかった。
【００３６】
＜実施例３＞
電流密度を３ＫＡ／ｍ２  にした以外は実施例１と同じ条件で電解試験を行い圧力変動値を測定した。その結果を表１に示す。６か月運転後解体したが全く異常なかった。
【００３７】
＜比較例１＞
極板の大きさが実施例１と同じ複極型イオン交換膜電解槽とし、極板、背板、イオン交換膜の材質も同じにした。ただし気液分離室は極板と背板で構成される室枠内、即ち通電部内に作った。極板と背板で構成される室枠の上方にＬ形部材を背板に固定して気液分離室を作り、室枠内を上昇してきた気液混相流はＬ形部材と極板との間の通路を通ってＬ形部材の上方と室枠の上部との間の隙間からなる入口から気液分離室内に入るようになされている。通路の幅は１０ｍｍ、Ｌ形部材の高さは６０ｍｍ、入口の隙間の高さは１０ｍｍとした。
【００３８】
実施例１と同じ条件で電解試験を行い、圧力変動値を測定した。その結果を表２に示す。３か月運転後解体し、膜の観察及び調査を実施した。膜の上部はガスだまりにより白色化しており、膜強度も膜の中央部及び下部に比べると明らかに低下していた。
【００３９】
0003555197.tif 000003
【００４０】
＜比較例２＞
電流密度を４ＫＡ／ｍ２  にした以外は比較例１と同じ条件で電解試験を行い、圧力変動値を測定した。その結果を表２に示す。
【００４１】
＜比較例３＞
電流密度を３ＫＡ／ｍ２  にした以外は比較例１と同じ条件で電解試験を行い、圧力変動値を測定した。その結果を表２に示す。
【００４２】
表１及び表２の結果から、実施例１〜３の本発明による複極イオン交換膜電解槽は、比較例１〜３の電解槽に比べて、陽極室内圧力変動値が低く、イオン交換膜に対する影響が少ないことがわかる。
【００４３】
【発明の効果】
本発明では、極室内を上昇してきた気液混相流は、気液分離室の側部に設けられた通路からサイホン現象により吸い上げられるように気液分離室に入るので、気液分離室の外側下部にガスだまりが出来にくい。また気液混相流が狭い通路を通ることにより、小さい気泡が分散された気泡流となり気液の分離がスムースに行なわれ、迅速に排出できるので、極室内での圧力変動や電圧変動がなく、４０Ａ／ｄｍ２  以上の高電流密度で且つ高温運転でも安定した運転ができる。
【００４４】
本発明では気液分離器は電解槽の非通電部に設けられ、気液分離室への通路は背板側に設けられているので、メッシュ状の極板側、ことに極板とイオン交換膜との間にガスだまりができないため、イオン交換膜が劣化する可能性がすくない。
【００４５】
本発明では、極室枠の背板の上方部分が逆Ｕ字形になるように外側に曲げられ、その中に気液分離室となるＵ字形の樋状部材が背板と間に通路となる隙間が設けられるように固定されて気液分離器を構成しているので、溶接個所を少なくでき、製造が容易でしかも、高い剛性の室枠が得られる。
【００４６】
更に本発明において、気液分離室内中ほどに、所どころに孔が穿たれている保持部材がその長手方向に伸びるように配置される場合は、気液分離室の保持部材より上の部分が気相室を構成し、保持部材より下の部分が液相室を構成しているので、気液分離室が両側からプレスされてもつぶれることがなく、しかも保持部材により気相室と液相室とを構成するので、極室外への排出がスムースに行なわれ、極室内での圧力変動を小さくできる。また通路を上昇してきた気泡流は、気液分離室の先ず気相室に入るので、気相と液相の分離が効率よく行われる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による複極型イオン交換膜電解槽の一部の縦断面図。
【図２】本発明による複極型イオン交換膜電解槽の気液分離器付近の縦断面を示す図。
【図３】気液分離器付近を一部破断して示す斜視図。
【図４】複極型イオン交換膜電解槽を側面から見た概略縦断面図。
【図５】図４のＢーＢ線による一部横断面図。
【図６】室枠体の正面図。
【符号の説明】
１  室枠体
１ａ  イオン交換膜
２  陽極室枠
３  陰極室枠
３ａ  陰極側背板
３ｂ  陰極板
３ｃ  支持部材
４  ガスケット
５  陽極側背板
６  陽極板
７  支持部材
７ａ  孔
８  気液分離器
９  外枠
９ａ  内側部
９ｂ  上部
９ｃ  外側部
９ｄ  下端
１０  樋状部材
１０ａ  内側部
１０ｂ  外側部
１１  気液分離室
１２  通路
１３  スペーサ
１４  入口
１５  保持部材
１６  孔
１７  気相室
１８  液相室
【図１】
0003555197.tif 000004
【図２】
0003555197.tif 000005
【図３】
0003555197.tif 000006
【図４】
0003555197.tif 000007
【図５】
0003555197.tif 000008
【図６】
0003555197.tif 000009