(57)【要約】【課題】高濃度の強アルカリ性の電解液にも適用が可能で、電解効率の向上に有効な電解用隔膜及びその製造方法を提供する。【解決手段】電解液２を収容する電解槽１の陽極６と陰極７の間に配設され、電気分解によりそれぞれの電極６，７で生成した気体を電解液２中で分離状態に保持する電解用隔膜３を、ポリオレフィン系繊維糸の織布から構成し、その織布に対して水酸化ナトリウム等の非溶解状態で固体の電解質を予め含浸させることにより、電極６，７間に存在する電解液２中のイオンの電解用隔膜３を挟んだ流れを円滑にする。使用する織布としては、厚さが０．３〜１．０ｍｍ、目付量が１８０〜３５０ｇ／ｍ２に製織されたものが好ましい。【選択図】図１
2006037170.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解液を収容する電解槽の陽極と陰極の間に配設され、電気分解によりそれぞれの電極で生成した気体を分離状態に保持するポリオレフィン系繊維糸の織布からなる電解用隔膜であって、前記織布に非溶解状態で固体の電解質を含浸させたことを特徴とする電解用隔膜。
【請求項２】
前記非溶解状態で固体の電解質が電解液に使用する電解質と同一の化合物である請求項１に記載の電解用隔膜。
【請求項３】
前記非溶解状態で固体の電解質がアルカリ金属水酸化物である請求項１又は２に記載の電解用隔膜。
【請求項４】
前記織布がポリプロピレン繊維糸を０．３〜１．０ｍｍの厚さで１８０〜３５０ｇ／ｍ２の目付量に製織したものである請求項１〜３のいずれか一項に記載の電解用隔膜。
【請求項５】
非溶解状態で固体の電解質が溶媒に溶解した処理液にポリオレフィン系繊維糸の織布を浸漬した後、該織布に浸透した前記処理液中の溶媒を蒸発させ、該織布の内部に前記電解質を残留させたことを特徴とする電解用隔膜の製造方法。
【請求項６】
前記処理液が４０重量％以上のアルカリ金属水酸化物を含む水溶液である請求項５に記載の電解用隔膜の製造方法。
【請求項７】
前記織布がポリプロピレン繊維糸を０．３〜１．０ｍｍの厚さで１８０〜３５０ｇ／ｍ２の目付量に製織したものである請求項５又は６に記載の電解用隔膜の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水等の電気分解により水素ガスや酸素ガスなどを生成する電解装置に使用される電解用隔膜及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、水素ガスは溶接用やボイラー用などの燃料として工業的に広く利用されている。水素ガスの工業的な製造方法の一つに水の電気分解があり、天然ガス等の化石資源を改質する方法に比べて高純度の水素ガスが得られるという利点がある。水を電気分解する場合には、一般的に電解液の導電性を高めるために数〜２５重量％程度の水酸化ナトリウムや水酸化カリウムなどのアルカリ化合物を電解質として水に添加し、室温〜百数十度の電解温度、常圧〜１０気圧の条件下で直流電圧を両極間に印加することにより行われている。それら電解液を収容する電解槽は、隔膜を介して陽極室と陰極室に仕切られ、それぞれの電極で生成した酸素ガスと水素ガスが隔膜により遮断されて混合しないように構成されている。この種の電解用隔膜は、これまでアスベストが主流であったが、近年では合成繊維の織布が使用されている。合成繊維製の電解用隔膜は、本質的には絶縁体であるため電気抵抗が大きく、そのままでは電解液内での隔膜を挟んだ各電極へのイオンの移動を阻害する要因になりやすい。そこで、合成繊維の織布からなる隔膜を化学的に処理して電気伝導性を付与することにより、この隔膜を通過するイオンの流れを円滑にし、電解効率を向上させる技術が提案されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−３３２５８６号公報
【０００３】
上記特許文献１に記載された従来の電解用隔膜は、ポリフェニレンスルフィド繊維からなる織布を濃硫酸に浸漬し、水で洗浄した後に高温で乾燥させたもので、高い耐熱性と適度な電気伝導性を備えている。ところで、電解効率を向上させるには、電解槽内の電解質濃度や電解温度を高めることが有効である。しかるに、前記化学処理が施されたポリフェニレンスルフィド繊維織布からなる隔膜を、例えば飽和濃度に近い４５重量％の水酸化ナトリウム水溶液、あるいは２５重量％の水酸化カリウム水溶液などの強アルカリ性の電解液に適用した場合には、隔膜自体の耐熱性が低下すると同時に電気伝導性も低下することが判明した。このため、電解液中において前記隔膜で隔てられた両極間でのイオンの移動が阻害され、結果的には電解効率を向上させることが難しかった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、以上のような従来の技術的状況に鑑みて開発したものであり、高濃度の強アルカリ性の電解液にも適用が可能で、電解効率の向上に有効な電解用隔膜とその製造方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、前記課題を解決するため、電解液を収容する電解槽の陽極と陰極の間に配設され、電気分解によりそれぞれの電極で生成した気体を電解液中で分離状態に保持するポリオレフィン系繊維糸の織布からなる電解用隔膜において、前記織布に非溶解状態で固体の電解質を含浸させるという技術手段を採用した。なお、ここでいう非溶解状態で固体の電解質とは、溶媒が存在しない条件下では固体状を呈する電解質のことであり、電解液に使用する電解質と同一あるいは近縁の化合物が好ましく、その中でもアルカリ金属水酸化物が好適である。また、織布に非溶解状態で固体の電解質を含浸させるとは、その電解質を織布の内部まで入り込ませて繊維表面に付着させることである。さらに、これら電解質を含浸させる織布としては、ポリプロピレン繊維糸（マルチフィラメント）を０．３〜１．０ｍｍの厚さで１８０〜３５０ｇ／ｍ２の目付量となるように製織したものが好例である。この数値範囲にある織布に前記電解質を含浸してなる隔膜は、強アルカリ性の電解液に適用した場合においても、電解用隔膜としての耐久性を維持しながら、電解液中での十分なイオン移動特性を実現することができる。前記数値範囲から外れた織布を使用した場合、すなわち布厚及び目付量の大きい織布の場合には、織布内部の密度が高いために隙間が少なく、かつ織布表面から内部への距離が長くなることから、電解質を溶解させた処理液の織布内部への浸透性が低下し、その含浸効果が不安定になりやすい。一方、布厚及び目付量の小さい織布の場合には、電解液中での生成ガスの分離機能が低下し、処理液の含浸効果も減少することから、望ましくは前記数値範囲内で選択するとよい。また、ポリオレフィン系繊維糸からなる織布に前記非溶解状態で固体の電解質を含浸するには、例えば前記電解質を溶媒に溶解させた処理液に前記織布を浸漬した後、該織布に浸透した処理液中の溶媒を蒸発させればよく、その結果、織布の内部に固体状態の電解質が残留することになる。この場合、前記処理液に４０重量％以上のアルカリ金属水酸化物を含む水溶液を使用すれば、電解液中でのイオン移動特性をより高めることができる。なお、処理液に使用する電解質としてアルカリ金属水酸化物を選択した場合、含浸処理を行った電解用隔膜は、織布の内部に存在する電解質が吸湿しやすいことから、電解装置に適用するまでの間は乾燥状態に保管することが望ましい。
【０００６】
上述のように、ポリオレフィン系繊維糸からなる織布を例えばアルカリ金属水酸化物等の非溶解状態では固体の電解質が水等の溶媒に溶解した処理液に浸漬することにより、処理液が多数の細繊維の集合体からなる糸の内部にまで浸透し、この織布を適宜の雰囲気で加熱乾燥させるなどして処理液中の溶媒を蒸発させると、処理液に溶解していた電解質が細繊維間の隙間や糸間の隙間に固体として析出して付着する。このようにして電解質が細繊維の表面に付着した織布からなる電解用隔膜は、ポリオレフィン系繊維が本質的に備える疎水性が効果的に減殺され、電解槽内で電解液に接したときに濡れやすくなる。したがって、電解液が織布の細部にまで十分に浸透して湿潤状態となり、織布の表面及び内部の細繊維表面に含浸されていた電解質が電解液に溶解することにより、織布と電解液との親和性が増大する。これにより、電解用隔膜を挟んだ電解液中でのそれぞれの電極に向けたイオンの移動が円滑に行われるようになる。
【発明の効果】
【０００７】
以上のように、本発明に係る電解用隔膜の場合には、ポリオレフィン系繊維が本質的に備える疎水性が効果的に減殺され、電解槽内で電解液に接すると、織布の細部にまで電解液が十分に浸透して湿潤状態となり、それぞれの電極へ向けたイオンの移動が円滑に行われ、電気分解に必要なエネルギーを減らすことができる。しかも、ポリオレフィン系繊維は化学的にきわめて安定な素材であり、水酸化ナトリウム等の強アルカリ性の電解質が溶解した電解液に適用しても何ら変質しないことから、耐熱性や耐久性が低下することもない。したがって、種々の処理条件に対して適応が可能である。なお、処理液に使用する電解質と電解液で使用する電解質を同一の化合物とし、また処理液に使用する電解質をアルカリ金属水酸化物としたり、さらに電解質を含浸させる織布としてポリプロピレン繊維糸を０．３〜１．０ｍｍの厚さで１８０〜３５０ｇ／ｍ２の目付量となるように製織したものを使用すれば、いずれの場合においても電解用隔膜としての機能をより向上させ、電解効率の向上にも有効である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明に係る電解用隔膜は、水の電気分解による水素ガス及び酸素ガスの生成装置以外に、電解液の種類等を変えることで他の生成物を得るための電解装置にも広く適用することができる。電解用隔膜の基質である織布を構成するポリオレフィン系樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレンなどを用いることができる。それらのマルチフィラメントからなる糸は、電解液中においてイオンは自由に通過させるが、両方の電極で生成した気泡状態のガスが通過できない程度の密度に製織される。また、予め織布に含浸する非溶解状態で固体の電解質としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等のアルカリ金属水酸化物に代表される強電解質が、織布と電解液との親和性などの面から好適であるが、電気分解の目的によってはアルカリ金属ハロゲン化物などの各種の塩も適用可能である。これら含浸用の電解質は、織布に対して必ずしも単独で適用しなくともよく、例えば初めに水酸化ナトリウム水溶液に浸漬し、さらに水酸化カリウム水溶液に浸漬した後、織布の乾燥処理を行ってもよい。すなわち、電解質が異なる処理液を複数種用意し、これを適宜組み合わせて使用したり、あるいは濃度の異なる処理液で２回以上処理することもできる。なお、本発明に係る電解用隔膜を使用する電解装置において、電解液の濃度を高めることは電解効率を向上させる上で有効な手段であり、さらに電解温度や電解槽内の圧力を高めることも同様である。以下、実施例を参照しながら本発明について詳細に説明するが、もちろん実施例に限定されるものではない。例えば、本発明に係る電解用隔膜は、複数の電極を用いた複極式の電解槽などの隔膜としても広く適用することができる。
【実施例】
【０００９】
図１は、本発明の実施例に係る電解用隔膜を適用した電解装置の概略説明図である。図中、１はポリ塩化ビニル等の耐薬品性に優れる素材で形成された電解槽であり、その内部に電解液２として水酸化ナトリウム水溶液が収容され、さらに本発明に係る電解用隔膜３により陽極室４と陰極室５とに仕切られている。陽極室４と陰極室５には、それぞれ電極６，７が配設されるとともに、それら陽極室４と陰極室５の上部に電気分解で生成した気体を外部に導くための集気管８，９が設けられている。なお、電極６，７の素材としては、ステンレススチール、金、白金、パラジウム、イリジウム、ニッケル、鉄、亜鉛、チタン等の導電性素材、あるいはそれらの素材に必要に応じてコーティング等の適宜の表面処理を施したものなどが使用される。
【００１０】
前記電解槽１内に配設された電解用隔膜３は、水酸化ナトリウムを含む処理液で予め含浸処理をしたポリプロピレン繊維糸からなる織布である。実施例で用いた織布の仕様は、ポリプロピレンのマルチフィラメント糸を縦方向が１２２本／インチ、横方向が４０本／インチの密度で製織したもので、その厚さと目付量は、それぞれ０．８ｍｍ、３３０ｇ／ｍ２である。織布に電解質を含浸させる作業手順の一例として、まず織布を水洗いし、さらに超音波洗浄をした後、水１００重量部に対して水酸化ナトリウム９５重量部を加えた常温の処理液に該織布を適宜の時間浸漬し、次いで処理液から引き揚げた織布を１９０〜２００℃の雰囲気に３０〜９０秒間おいて乾燥させる手順が可能である。このような処理工程を経たポリプロピレン繊維糸からなる織布は、糸を構成する多数の細繊維間の隙間や糸間の隙間にまで浸透した処理液から溶媒である水が蒸発し、当該部分に水酸化ナトリウムが析出して付着する。
【００１１】
次に、前記電解装置の使用方法について説明する。電解槽１には電解液２として４５重量％の水酸化ナトリウム水溶液が収容され、所定の直流電圧を電極６，７に印加すると、電解液２中では電解用隔膜３を挟んでイオンがそれぞれの電極６，７へ向けて移動し、陽極室４では酸素ガスが、また陰極室５では水素ガスが生成する。電極６，７の表面で生成したそれらのガスは、電解用隔膜３により電解液２内で混合することなく確実に分離され、各電極室内でそれぞれ気泡となって上昇し、電解槽１の上部に設けられた集気管８，９を介して外部に設けられた図示しないタンク等に収集される。以上のように、本発明に係る電解用隔膜によれば、電解液との親和性が良好で電解液中のイオンの移動特性を阻害せず、しかも素材自体が化学的にきわめて安定で、特に高濃度の強アルカリ性の電解液を対象とした電解装置にも適用することが可能である。さらに、素材自体の耐熱性がそのまま維持されることから、高い温度での電気分解を行うことで、電解効率をより向上させることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施例に係る電解用隔膜を適用した電解装置の概略説明図である。
【符号の説明】
【００１３】
１…電解槽、２…電解液、３…電解用隔膜、４…陽極室、５…陰極室、６，７…電極、８，９…集気管
【図１】
2006037170.tif 000003