(57)【要約】本発明は、特に塩酸の水溶液から塩素を電気化学的に製造するための電解槽に関する。前記電解槽は、アノード（１２）を支持するアノードフレーム（１０）を有する。集電体（２４）を支持するカソードフレーム（２２）をも設ける。アノード（１２）と集電体（２４）との間にガス拡散電極（４０）を設ける。本発明では、ガス拡散電極（４０）を例えば貼着または面ファスナによって集電体（２４）に接続する。
2005504893.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
特に塩化水素の水溶液から塩素を電気化学的に製造するための電解槽において、
アノード（１２）と、前記アノード（１２）を支持するアノードフレーム（１０）と、後壁（１４）とから形成され、電解液用の入口（１８）と出口（２０）とを有して成るアノード空間（１６）と、
集電体（２４）と、前記集電体（２４）を支持するカソードフレーム（２２）と、後壁（２６）とから形成され、ガス用の入口（３０）と出口（３２）とを有して成るカソード空間（２８）と、
アノード（１２）と集電体（２４、５４）との間に配置されたガス拡散電極（４０）と、
アノード（１２）とガス拡散電極（４０）との間に配置されたカチオン交換膜（３４）と、
を備えており、
前記ガス拡散電極（４０）が前記集電体（２４、５４）に固定されることを特徴とする電解槽。
【請求項２】
前記ガス拡散電極（４０）が前記集電体（２４、５４）に着脱自在に固定されることを特徴とする、請求項１に記載の電解槽。
【請求項３】
前記ガス拡散電極の縁部が前記集電体（２４、５４）を超えて突出するように、前記ガス拡散電極（４０）の領域が構成されることを特徴とする、請求項１または２に記載の電解槽。
【請求項４】
シール要素（３８、５６、６０）が前記カソードフレーム（２２）に沿って延在し、前記シール要素（３８、５６、６０）の前記アノード（１２）に面するシール面が、前記ガス拡散電極（４０）の前記アノード（１２）に面する表面と一平面内に配置されることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の電解槽。
【請求項５】
前記集電体（２４）が前記カソードフレーム（２２）から前記カチオン交換膜（３４）の方向に突出し、かつ前記カソードフレーム（２２）に沿って延在する前記シール要素（３８、６０）によって取り囲まれることを特徴とする、請求項４に記載の電解槽。
【請求項６】
前記シール要素（６０）が前記カソード空間（２２）と前記集電体（２４）との間に突出する延長部（６２）を有しており、前記ガス拡散電極（４０）の前記縁部（６４）が前記延長部（６２）と前記集電体（２４）との間に保持されることを特徴とする、請求項４および５のいずれかに記載の電解槽。
【請求項７】
前記ガス拡散電極（４０）を固定するために、前記集電体（２４）と前記シール要素（３８）との間に少なくとも一つの弾性くさび（６６）が設けられることを特徴とする、請求項４から６のいずれかに記載の電解槽。
【請求項８】
前記ガス拡散電極（４０）が前記集電体（２４）の周囲を部分的に把持することを特徴とする、請求項１から７のいずれかに記載の電解槽。
【請求項９】
前記ガス拡散電極（４０）の前記縁部（６４）が前記集電体（２４）に固定するための少なくとも一つのストリップ（７０）に接続されることを特徴とする、請求項１から８のいずれかに記載の電解槽。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、塩化水素の水溶液から塩素を電気化学的に製造するのに特に適した電解槽に関する。
【０００２】
塩酸の電解は、貴金属被覆アノードを持つアノード空間に塩酸が充填され、かつカソード空間に酸素含有ガスまたは純酸素が存在する電解槽で実行することができることは公知である。例えば米国特許第５、７７０、０３５Ａ号に記載されている通り、アノード空間およびカソード空間はカチオン交換膜によって相互に分離されており、カチオン交換膜は、以下でＧＤＥと称されるガス拡散電極に載置される。ガス拡散電極は集電体に載置される。
【０００３】
日本国特開平０９−０７８２７９は、ＧＤＥをカチオン交換膜に貼着接合することを記載している。ここでの不都合は、ＧＤＥを正確に切り取り、次いでカチオン交換膜に正確に貼着接合しなければならないことである。このプロセスは不便かつ高価である。加えて、膜またはＧＤＥが損傷した場合、ＧＤＥおよび膜の両方を交換しなければならない。
【０００４】
本発明の目的は、動作が信頼でき、かつ取扱いが容易な電解槽を提供することである。
【０００５】
該目的は、本発明に従って、請求項１の特徴によって達成される。
【０００６】
本発明に係る電解槽は、アノードフレームによって支持されたアノード空間と、カソードフレームによって支持された集電体と、アノードと集電体との間に配置された、例えば酸素消費電極のようなガス拡散電極（ＧＤＥ）とを有する。さらに、電解槽は、同様にアノードと集電体との間に配置されたカチオン交換膜を有する。アノード空間はアノード、アノードフレーム、および後壁から形成され、電解液用の入口および出口を有する。カソード空間は集電体、カソードフレーム、および後壁から形成され、ガス用の、酸素消費カソードの場合は酸素または酸素含有ガス用の、入口および出口を有する。
【０００７】
本発明では、ＧＤＥは集電体に固定される。ＧＤＥをカチオン交換膜に貼着接合するのに比較して、これは、ＧＤＥまたはカチオン交換膜が損傷した場合に、両方の部品を交換する必要が無いという利点を有する。
【０００８】
集電体にＧＤＥを固定することは、ＧＤＥの滑りが回避されるというさらなる利点を有する。したがって、露出した集電体における水素の形成が同様に回避される。
【０００９】
本発明では、ＧＤＥを集電体に固定することによって、ＧＤＥの境界領域をシールの間に配置する必要が無いようにＧＤＥを配置することが可能である。したがって、ＧＤＥの実質的に全面積を利用することが可能である。
【００１０】
ＧＤＥは貼着接合によって集電体に結合することができる。貼着接合によって、据付中のＧＤＥの滑りを防止することを主として意図しており、かつ、それはカチオン交換膜のアノードと集電体との間に締着されるため、組み立てられた状態でＧＤＥに大きい力は働かないので、ＧＤＥを集電体に数箇所だけ貼着接合すれば充分である。例えば、垂直に配置される電解槽の場合、ＧＤＥを上部領域のみで貼着接合すれば充分であろう。少数の接着面または接着点だけを設けることにより、例えばシール効果を持つかもしれない接着剤によるＧＤＥの挙動の弱化は軽減される。
【００１１】
ＧＤＥは集電体に着脱自在に固定することが好ましい。着脱自在の固定は、例えば穴のあいた金属シートまたは類似物の形で集電体に例えば縫着することによって達成することができる。電解槽内に存在する化学物質によって侵されない適切なプラスチックフィラメントがこの目的に使用される。また、ＧＤＥと集電体との間に例えばホック及びループ状のファスナーのような連動連結を設けることも可能である。
【００１２】
また、アノードフレームとカソードフレームとの間にＧＤＥをカチオン交換膜と共に締着することも可能であろう。これにより追加のシールが提供される。この構成では、ＧＤＥが集電体を完全に覆うことが確実になるが、ＧＤＥは動作中に発生する大きい力に曝される。その力はアノード空間とカソード空間との間の静水の圧力差の結果であり、それはＧＤＥを集電体に圧接させるために必要である。二つのフレームの間に締着されたＧＤＥの場合、これらの力はシーリング領域でＧＤＥまたはカチオン交換膜の損傷を導くおそれがある。ＧＤＥに破れが発生した場合、結果的に電解電圧の望ましくない上昇が生じる。さらに、ＧＤＥの破れの領域で集電体が露出するので、水素の望ましくない形成が起こる。他方、カチオン交換膜に破れが発生した場合、カソード空間に存在する酸素に塩素が混入する。慣習的なやり方の場合のように、酸素が過剰に使用される場合、塩素が酸素と共に槽から発生し、その後高価な手順によって分離するか除去しなければならない。かなりの展張の結果、さらに、カチオン交換膜の再使用が不可能になり、あるいはさらに使用すると破れの危険性が増大する。
【００１３】
本発明では、ＧＤＥはカチオン交換膜に固着接続されないので、対応する展張応力がＧＤＥの外部領域に発生しない。破れの発生およびそれに関連する不利益はこうして回避される。むしろ、ＧＤＥのより大きい移動性が確保される。本発明に係るＧＤＥ構成のさらなる利点は、二つのフレームの間を締着することによって面積の一部が覆われないので、ＧＤＥの実質的に全面積が利用されることから構成される。
【００１４】
ＧＤＥによる集電体の完全な被覆を確保するために、ＧＤＥは集電体よりわずかに大きいことが好ましい。組立に関し、集電体から突出するこのＧＤＥの縁部は例えば、後で集電体とカソードフレームとの間の間隙内にそっと押し込まれる。したがってＧＤＥの外縁はカソードフレームに当てて載置される。
【００１５】
実質的にカソードフレームの寸法を有することが好ましいシール要素、およびＧＤＥは、アノードに面するシール要素のシール面および同様にアノードに面するＧＤＥの表面が平面内に配置されるように、配置されることが好ましい。これにより、ＧＤＥが集電体およびカチオン交換膜の両方に当てて載置されることが確実になる。これは例えばＧＤＥの歪みまたは滑りを防止する。この実施形態では、組み立てられた状態で、シール要素の厚さがＧＤＥの厚さに実質的に一致することが好ましい。ここで、集電体はカソードフレームと実質的に同一平面にあるので、集電体およびフレームの頂部は平面を形成し、その上でカソードフレームの領域にシール要素を配置することができ、ＧＤＥは集電体自体の上に配置することができ、前記シール要素および前記ＧＤＥは同様にアノードに面する共通平面を有する。
【００１６】
さらなる実施形態では、集電体は、例えば相互に対向する二辺縁、または四辺縁全部が折り曲げられ、縁部領域はカソード空間内に突出し、集電体の縁部領域とカソードフレームとの間に間隙が形成される。集電体およびカソードフレームのアノード空間に面する表面は実質的に平面を形成する。この実施形態では、ＧＤＥは同様に縁部領域を折り曲げられる。ここで、ＧＤＥの縁部は集電体とカソードフレームとの間の間隙に押し込まれる。
【００１７】
さらなる実施形態では、集電体は、集電体の表面が、アノードに面するカソード空間の表面と同一平面ではなく、それを超えて突出するように、カソードフレームに結合される。これによりシールは厚くなり、その厚さは、集電体がカソードフレームを超えて突出する距離より大きい。これは、シールの位置が集電体によって画定されるという利点を有する。さらに、シールは次に、ＧＤＥをそこに挿入することのできるフレームを形成する。ＧＤＥは、例えば縫着によって、または接着点によって集電体に固定される。これは、電解槽の組立によりこれらの要素の位置が正確に画定されるという利点を有する。
【００１８】
本発明のさらなる好適な実施形態では、少なくとも部分的にガス拡散電極を取り囲み、かつカソードフレームと集電体との間に突出する延長部を有するシール要素を設ける。ガス拡散電極を固定するために、ガス拡散電極は延長部と集電体との間に保持される。保持は特に締着によって達成される。
【００１９】
シール要素に延長部を設ける代わりに、またはそれに加えて、ＧＤＥを固定するための弾性くさびを設けることが可能である。この実施形態では、集電体とシールとの間に弾性くさびを配置する。それは、ＧＤＥを取り囲む個別の、好ましくはフレーム様の弾性くさびとすることができる。さらに、ＧＤＥを固定するために、距離をおいて配置された複数のくさびを設けることができる。
【００２０】
さらなる実施形態では、ＧＤＥの固定は、ＧＤＥが部分的に集電体の周囲または後部を把持するという事実によって達成される。把持は集電体の二対辺で、あるいは例えば矩形の集電体の場合には四辺全部で行なうことが好ましい。この目的のために、ＧＤＥの一縁部は、集電体に簡単に固定できるようにするために、レールに接続することができる。例えばプラスチックストリップとすることができるレールは、ここでは、それを集電体とカソードフレームとの間の間隙に挿通させることができるように形成する。
【００２１】
本発明について、添付の図面を参照しながら、好適な実施形態に基づいてさらに詳しく説明する。
【００２２】
電解槽（図１）は、アノード１２を担持するアノードフレーム１０を有する。アノードフレーム１０はさらに、アノードフレーム１０と後壁１４とアノード１２とによってアノード空間１６が形成されるように、後壁１４に接続される。さらに、アノードフレーム１０は入口１８および出口２０を有する。
【００２３】
カソードフレーム２２は集電体２４を担持する。さらにカソードフレーム２２は、カソードフレーム２２と集電体２４と後壁２６とによりカソード空間２８が形成されるように、後壁２６を有する。さらに、カソードフレーム２２は入口３０および出口３２に接続される。
【００２４】
電解槽が組み立てられた状態で、二つのフレーム１０、２２は一緒に締着される。アノード空間１６をカソード空間２８から分離するために、カチオン交換膜３４が設けられる。カチオン交換膜３４はアノード１２または集電体２４より大きいので、それも二つのフレーム１０、２２の間に配置される。フレームは矩形の外形寸法を持つことが好ましい。カチオン交換膜は同様に矩形であるので、カチオン交換膜は二つのフレーム１０、２２の間の広がり全体にわたって配置される。シールするために、シール要素３６または３８がカチオン交換膜３４の両側に設けられる。さらに、ガス拡散電極４０がカチオン交換膜３４と集電体２４との間に配置される。組み立てられた状態で、ＧＤＥ４０は集電体２４に載置され、カチオン交換膜３４はＧＤＥ４０に当てて載置される。
【００２５】
本発明では、ＧＤＥ４０は、締着、貼着接合、ホック及びループ状のファスナー、縫着、または類似物によって集電体２４に結合される。集電体２４およびアノード１２は両方とも電気結線に接続される。
【００２６】
本発明の第一の好適な実施形態（図１）では、集電体２４がカソードフレーム２２を超えて突出している。シール３８は、カチオン交換膜３４またはカソードフレーム２２の二つの表面４２、４４の間の距離より大きい厚さを有する。結果的に得られる突出は、ＧＤＥ４０をその中に挿入することのできるフレームを形成する。これは組立をかなり簡素化する。集電体がＧＤＥ４０によって覆われることを確実にするために、ＧＤＥ４０の外形寸法は集電体２４のそれよりわずかに大きい。ＧＤＥ４０の外形寸法は、それがシール３６の内側に直接当てて載置されるように、シール３８の寸法よりわずかに小さいことが好ましい。
【００２７】
電解槽の動作中に、例えば塩酸が入口１８からアノード空間１６に矢印４６の方向に供給される。電解中に、塩酸は出口３２から矢印４８の方向に再び取り出される。カソード空間２８には入口３０から矢印５０の方向に酸素が供給され、出口３２から矢印５２の方向に再び排出される。電解中に、アノード空間１６で塩素が生成され、アノード空間１６の出口２０から排出される。アノード空間１６およびカソード空間２８内の流動については、他の流動変形も可能である。
【００２８】
図２から５に示した実施例は、基本的に図１に示した電解槽と同様の電解槽を構成するので、同一または同様の構成部品は同一参照番号で表わされている。
【００２９】
図２に示した実施形態の実質的な相違は、集電体５４がフレーム２２を超えて突出せず、それと平面を形成することである。集電体５４は、カソードフレーム２２の表面４４と同一平面内に配置される。これから生じるさらなる相違は、シール３８（図１）に代わるシール５６が設けられていることである。シール５６はシール３８より薄く、例えばＧＤＥ４０と同一厚さを持つことができる。したがって、アノード１２に面するＧＤＥ４０の表面は、同様にアノード１２に面するシール５６の表面と同一平面内に配設される。これは、特にシール５６を圧縮することができる組立状態の事例である。他の点では、示した二つの実施形態の構成要素および示した電解槽の機能は同一である。
【００３０】
本発明の第三の実施形態（図３）では、アノードフレーム１０とカソードフレーム２２との間にシール６０が設けられ、該シールはカソードフレーム２２内に突出する延長部６２を有する。したがって、延長部６２はカソードフレーム２２と集電体２４との間に配置される。ＧＤＥ４０を固定するために、後者は領域６４で折り曲げられ、シール６０の延長部６２と集電体２４との間に、特に締着によって固定される。この固定は、集電体２４の全周でまたは相互に対向する二辺で行なうことができる。
【００３１】
本発明の第四の実施形態（図４）では、設けられたシールはシール３８（図１）と一致する。この実施形態の相違は、集電体２４が単に小さく作られており、ガス拡散電極４０の縁部領域６４が再び折り曲げられることである。ＧＤＥ４０を固定するために、シール３８とＧＤＥ４０またはＧＤＥ４０の縁部領域６４との間に、弾性くさび６６が設けられる。くさび６６によって、ＧＤＥ４０の縁部領域６４は集電体２４に圧接され、したがってこれを固定することにもなる。くさび６６はフレーム形であることが好ましい。さらに、複数の個別くさび６６を使用することが可能である。
【００３２】
本発明の第五の実施形態（図５）では、集電体５４は、図２に示した実施例と実質的に同様に形成される。しかし、集電体５４は少なくとも部分的に、それとカソードフレーム２２との間に間隙６８を有する。特にＰＶＣで構成されたプラスチックストリップ７０を間隙６８に挿通することが可能である。ストリップ７０はＧＤＥ４０に接続される。ＧＤＥ４０は、ＧＤＥ４０が集電体５４の後部を把持するという事実によって、集電体５４に固定される。この実施形態は追加的に、シール５６とＧＤＥ４０との間に、図４に示した実施例と実質的に同様に形成された弾性くさび（ここには図示せず）を有することが特に好ましい。くさびはフレーム状にＧＤＥの周囲に延在することが好ましい。しかし、複数の個別のくさびを一定または不規則な間隔で使用することも可能である。
【００３３】
第六の実施形態（図６）では、図２に示した実施形態と同様に、集電体５４はフレーム２２を超えて突出せず、それと平面を形成する。図２に示した実施形態と比較した相違は、集電体がその縁部を全周にわたって折り曲げられることである。ここで、ＧＤＥ４０はその縁部を折り曲げられ、縁部領域６４はカソードフレーム２２と集電体５４との間の間隙内に挿入される。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】図１は、第一の好適な実施形態の電解槽の略縦断面図を示す。
【図２】図２は、第二の好適な実施形態の電解槽の略縦断面図を示す。
【図３】図３は、第三の好適な実施形態の電解槽の略縦断面図を示す。
【図４】図４は、第四の好適な実施形態の電解槽の略縦断面図を示す。
【図５】図５は、第五の好適な実施形態の電解槽の略縦断面図を示す。
【図６】図６は、第六の好適な実施形態の電解槽の略縦断面図を示す。
【国際公開パンフレット】
2005504893.tif 000003
2005504893.tif 000004
2005504893.tif 000005
2005504893.tif 000006
2005504893.tif 000007
2005504893.tif 000008
2005504893.tif 000009
2005504893.tif 000010
2005504893.tif 000011
2005504893.tif 000012
2005504893.tif 000013
2005504893.tif 000014
2005504893.tif 000015
2005504893.tif 000016
2005504893.tif 000017
2005504893.tif 000018
2005504893.tif 000019
2005504893.tif 000020
2005504893.tif 000021
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2005504893.tif 000022
2005504893.tif 000023
【国際調査報告】
2005504893.tif 000024
2005504893.tif 000025
2005504893.tif 000026
2005504893.tif 000027
2005504893.tif 000028
2005504893.tif 000029
2005504893.tif 000030
2005504893.tif 000031