(57)【要約】【課題】  電極間間隔を所定の大きさに保持することが可能なイオン交換膜電解槽を提供する。【解決手段】  イオン交換膜電解槽において、少なくとも一方の電極は、平板状の電極室隔壁に帯状の接合部によって接合された電極室隔壁との間に空間を形成した電極保持部材の電極側に形成された平板ばね状体と接触して通電されており、該電極はイオン交換膜と平行な面から電極保持部材側へ電極面と直角方向に延びた結合部を有し、該結合部には電極面と直角方向に広がった係合用開口部が設けられており、係合用開口部は係合部材と係合して該電極を電極面に垂直方向であって平板ばね状体の変位範囲内の移動を許容したイオン交換膜電解槽。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン交換膜電解槽において、少なくとも一方の電極は、平板状の電極室隔壁に帯状の接合部によって接合された電極室隔壁との間に空間を形成した電極保持部材の電極側に形成された平板ばね状体と接触して通電されており、該電極はイオン交換膜と平行な面から電極保持部材側へ電極面と直角方向に延びた結合部を有し、該結合部には電極面と直角方向に広がった係合用開口部が設けられており、係合用開口部は係合部材と係合して該電極を電極面に垂直方向であって平板ばね状体の変位範囲内の移動を許容したものであることを特徴とするイオン交換膜電解槽。
【請求項２】
係合用開口部は、電極がイオン交換膜と平行な面から直角方向に延びた電極の結合部に形成された開口、あるいは前記結合部に取り付けられた係合部材に形成され開口であることを特徴とする請求項１記載のイオン交換膜電解槽。
【請求項３】
平板ばね状体は電極保持部材の板状体から傾斜して延びる複数の同一の長さの櫛状のばね状体であることを特徴とする請求項１又は２記載のイオン交換膜電解槽。
【請求項４】
平板ばね状体が結合された板状体は、平板状の電極室隔壁に帯状の接合部によって接合され、電極室隔壁との間に空間を形成した電極室隔壁と平行な部分に形成されたものであり、電極室隔壁との間に形成した空間を電解液の下降流路とし、電極側には電解液の上昇流路を形成したことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１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に関するものであり、電極間の間隔を所定の大きさに保持することが可能なイオン交換膜電解槽に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水溶液の電気分解に用いる電解槽においては、電気分解に要する電圧は各種の要因によって左右される。なかでも陽極と陰極との間の間隔が電解槽電圧に大きく影響を及ぼす。そこで、電極間の間隔を小さくし、電解槽電圧を低下させて電気分解に要するエネルギー消費量を低下させることが行なわれている。
食塩水の電気分解に使用するイオン交換膜電解槽等においては、陽極、イオン交換膜、陰極の三者を密着状態に配置して電解槽電圧を低下させているが、電極面積が数平方メートルにも達する大型の電解槽では、陽極、陰極を剛性の部材によって電極室に結合した場合には、両電極をイオン交換膜に密着させて電極間隔を小さくして所定の値に保持することは困難であった。
【０００３】
そこで、陽極または陰極の少なくともいずれか一方に可撓性の部材を使用して電極間の間隔を調整可能とした電解槽が提案されている。例えば、金属の細線の織布、不織布、網等からなる可撓性の部材を多孔性の電極基体上に配置した電極が提案されている。
これらの電極は、可撓性の部材が金属細線から構成されているので、対極からの逆圧によって過度に押圧された場合には、部分的に変形して電極間の間隔が不均一なものとなったり、細線がイオン交換膜に突き刺さる等の問題点があった。
【０００４】
また、多数の平板状のばね材によって電極室隔壁側と電極との間に導電接続を形成した電解槽が提案されている（例えば、特許文献１又は特許文献２参照）。
平板ばね状体を用いた可撓性の電極にあっては、細線からなる部材等を用いたものに比べると押圧の際の部分的な変形に対する挙動は優れているものの、これらの電解槽では、平板ばね状体は、可撓性の陰極保持部材からすべて同一の方向へと斜めに延びるものである。
【０００５】
したがって、電極面側から力が作用すると、電極面には平板ばね状体の変位によってばね材が変形する一方向へと移動する力が作用することとなり、その結果、平板ばね状体と接触する電極の位置ずれが生じたり、イオン交換膜に電極が接している場合には、電極の位置ずれの際にイオン交換膜に傷が生じるおそれがあった。
【０００６】
そこで、このような問題点を解決するために、平板ばね状体を設けた板を平板状の電極室隔壁、集電体等に配置し、平板ばね状体を互いに櫛状に対向させて相互に差し込んで配置することによって、電極面を平板ばね状体に押圧した場合には、電極の横ずれ等は生じずに対極との間隔を所定の大きさに保持した電解槽を本出願人は提案している（例えば、特許文献３参照）。
【０００７】
【特許文献１】特開昭５７−１０８２７８号公報
【特許文献２】特開昭５８−３７１８３号公報
【特許文献３】特許第３５０１４５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、平板ばね状体を設けた板を平板状の電極室隔壁、集電体等に配置し、平板ばね状体を互いに櫛状に対向させて相互に差し込んで配置したイオン交換膜電解槽において、組立が容易で組立精度が高く、平板ばね状体に接触する電極の横ずれが生じない電解槽を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の課題は、イオン交換膜電解槽において、少なくとも一方の電極は、平板状の電極室隔壁に帯状の接合部によって接合された電極室隔壁との間に空間を形成した電極保持部材の電極側に形成された平板ばね状体と接触して通電されており、該電極はイオン交換膜と平行な面から電極保持部材側へ電極面と直角方向に延びた結合部を有し、該結合部には電極面と直角方向に広がった係合用開口部が設けられており、係合用開口部は係合部材と係合して該電極を電極面に垂直方向であって平板ばね状体の変位範囲内の移動を許容したイオン交換膜電解槽によって解決することができる。
また、電極面に直角方向に曲げた結合部を設けると共に結合部には、電極面と直角方向に広がった係合用開口部を設けて係合部材と係合したので、電極は平板ばね状体による電極面に垂直方向への変位に対応して電極の移動が可能とするとともに、電極面に平行な方向への電極のずれを防止することができる。
【００１０】
また、係合用開口部は、電極がイオン交換膜と平行な面から直角方向に延びた電極の結合部に形成された開口、あるいは前記結合部に取り付けられた係合部材に形成され開口である前記のイオン交換膜電解槽である。
平板ばね状体は電極保持部材の板状体から傾斜して延びる複数の同一の長さの櫛状のばね状体からなる前記のイオン交換膜電解槽である。
平板ばね状体が結合された板状体は、平板状の電極室隔壁に帯状の接合部によって接合され、電極室隔壁との間に空間を形成した電極室隔壁と平行な部分に形成されたものであり、電極室隔壁との間に形成した空間を電解液の下降流路とし、電極側には電解液の上昇流路を形成した前記のイオン交換膜電解槽である。
また、電極間隔を所定の大きさに保持するとともに、電解槽内部での電解液の循環を確保して効率的な電気分解が可能となる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のイオン交換膜電解槽によれば、少なくとも一方の電極を、相互に差し込まれた平板ばね状体によって保持するとともに、電極には電極面に垂直な方向への結合部を設け、結合部には電極面と直角方向に広がった係合用開口部を形成して、係合部材によって保持したので、横ずれ等を生じることなく電極間の間隔を所定の大きさに保持可能なイオン交換膜電解槽を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明は、平板ばね状体を設けた板を平板状の電極室隔壁、集電体等に配置した電解槽において、平板ばね状体を互いに櫛状に対向させて相互に差し込んで配置して電極を接触させたイオン交換膜電解槽における電極の横ずれを、電極面に垂直な結合部を設けて、結合部には電極の移動を電極面に垂直な方向に制限する係合用開口部と係合用開口部の電極面と平行な方向の幅に合致した係合部材を設けて保持することによって、電極の横ずれ等が生じることなくイオン交換膜との距離を所望の大きさに設定することを可能としたものである。
【００１３】
以下に図面を参照して本発明を説明する。
図１は、本発明の電解槽の一実施例を説明する図であり、図１（Ａ）は、複数個の電解槽ユニットを積層したイオン交換膜電解槽の断面を説明する図であり、図１（Ｂ）は、電解槽ユニットの陰極側から見た平面図であり、図１（Ｃ）は、図１（Ｂ）において、Ａ−Ａ’線で切断した断面図である。
図１（Ａ）に示すように、イオン交換膜電解槽１は複数の複極式の電解槽ユニット２をイオン交換膜３を介して積層して組み立てられている。
電解槽ユニット２には、陽極室隔壁４から間隔を設けて陽極５が配置され、陽極室６が形成されている。また、陰極室隔壁７から間隔を設けて陰極８が配置されており、陰極室隔壁７とイオン交換膜３の間に陰極室９が形成されており、電解槽ユニット２の周囲には枠体１０が設けられており、電解槽ユニット２の変形を防止している。
また、陽極室６、陰極室９の上部には、それぞれ陽極室側気液分離手段３０、陰極室側気液分離手段３１が設けられている。
【００１４】
また、電解槽ユニット２の陽極室６には、陽極液供給管３２が取り付けられ、陽極室側気液分離手段３０には、濃度が低下した陽極液と気体を排出する陽極室排出管３４が取り付けられている。
また、電解槽ユニット２の陰極室６には、陰極液供給管３３が取り付けられ、陰極室側気液分離手段３１には、陰極液と気体を排出する陰極室排出管３５が取り付けられている。
なお、陽極液供給管、陰極液排出管は、図に示すように、それぞれを同一の側に配置する例を示したが、供給管と排出管を対向して配置しても良く、また陽極液供給管と陰極液供給管を同一の側に配置しても良い。
【００１５】
図１（Ｂ）および図１（Ｃ）に示すように、陰極室隔壁７には、平板ばね状体保持部材１１が取り付けられており、平板ばね状体保持部材１１から傾斜して延びる複数対の櫛状の平板ばね状体１２の先端部に陰極８が接触して通電されており、各対の櫛状の平板ばね状体１２は、隣接する平板ばね状体１２が相互に対向して差し込んで配置されている。また、陰極８面上にはイオン交換膜３が配置されている。
【００１６】
陰極８は平板ばね状体保持部材１１から相互に反対方向へ延びた平板ばね状体１２と接しているので、陰極８には、陰極室隔壁と垂直方向の力のみが作用することとなる。その結果、平板ばね状体１２の反発力によって陰極室隔壁７と直角の方向へと陰極を変位させ、陰極８を陰極室隔壁７と平行に移動させることはなく、イオン交換膜面を傷つける等の問題を生じることなく所定の位置に調整することが可能となる。
【００１７】
また、帯状の接合部１３において陰極室隔壁７と平板ばね状体保持部材１１が密着して接合されている。平板ばね状体保持部材１１は、接合部１３に接続された縦方向部１１Ａと、縦方向部に直角に交わる陰極室隔壁に平行な横方向部１１Ｂとから構成されており、横方向部１１Ｂに平板ばね状体１２が櫛状に互いに対向する平板ばね状体１２を相互に差し込んで設けられており、平板ばね状体保持部材１１と陰極室隔壁７の間に陰極液循環通路１４が形成されている。
【００１８】
その結果、陰極８面側の空間を上昇した気液混合流体が陰極室の上部で気液分離した電解液の一部は陰極室排出管３５を通じて電解槽外へ流出するとともに、一部は陰極液循環通路１４を下降し、陰極室の下部において陰極面側の空間へ流出し、電解槽に設けた陰極液供給管３３から供給されて陰極室内へ噴出する陰極液と共に混合されて陰極において電気分解を受ける。
このように、陰極室内における電解液の循環が促進されるので、陰極液の濃度分布が均一となり、電気分解が効率的に行われる。
【００１９】
一方、陽極室隔壁４には、Ｌ字状の陽極保持部材１５の底部１６が接合されており、底部と直角の先端部１７は板状のダウンカマー１８の接合部１８Ａに接合されている。陽極保持部材１５は、陽極５の保持と陽極５への通電の機能を果たしているので、通電抵抗を減少させるために陽極保持部材１５の底部１６は、陰極壁隔壁７の接合部１３の背面に設けることが好ましい。
接合部１８Ａには、陽極保持部材１５が安定に装着されるように、陽極室隔壁４側の面には凹部１８Ｂが形成されており、陽極５側へ突出した凸部１８Ｃには陽極５が接合されている。
【００２０】
そして、ダウンカマー１８の陽極５面側の空間を上昇した気液混合流体が陽極室の上部で気液分離し、陽極液の一部は陽極液循環通路１９を下降し、電解液の一部は陽極室排出管３４から流出する。そして陽極液循環通路１９を下降した陽極液は、陽極側の電極室の下部において陽極面側の空間へ流出し、電解槽に設けた陽極液供給管３２から供給る陽極液とともに混合されて陽極面において電気分解を受ける。
【００２１】
本発明のイオン交換膜電解槽において、陰極８は、イオン交換膜３に対向する陰極面８２と、陰極面８２に垂直な結合部８３を有しており、結合部８３には係合用開口部８５が設けられている。また、係合用開口部８５はフック状係合部材２５、又は平板ばね状体保持部材１１の接合部１３に接続された縦方向部１１Ａに設けられた板状係合部材２６によって係合されている。
係合用開口部８５は、陰極面８２に垂直な方向に陰極が可動することが可能な開口部を有しており、平板ばね状体１２による電極間隔の調整を可能としている。
【００２２】
また、図１（Ｃ）に示した例においては、平板ばね状体保持部材１１の陰極室隔壁７との間には４列の帯状の接合部１３、すなわち３列の平板ばね状体保持部２０に対応して１個の単位陰極８１を配置した例を示している。
単位陰極８１に対応する平板ばね状体保持部２０の数は３個に限らず、電解槽の大きさ等に応じて任意の大きさとすることができ、５ないし６個程度の大きさとすることができる。
【００２３】
平板ばね状体および平板ばね状体保持部材は、陰極室内部の環境において、良好な耐食性を示すニッケル、ニッケル合金、ステンレス等を用いることができ、陰極には、ニッケル、ニッケル合金の多孔体、網状体、エキスパンデッドメタル、あるいはこれらを基体として、表面に白金族金属含有層、ラネーニッケル含有層、活性炭含有ニッケル層等の電極触媒物質の被覆を形成し、水素過電圧を低下させたものを用いることができる。
また、平板ばね状体の大きさは、電解槽の電極面積等に応じて定めることができるが、厚さ０．２ｍｍないし０．５ｍｍ、幅２ｍｍないし１０ｍｍ、長さ２０ｍｍないし５０ｍｍのものを挙げることができる。
【００２４】
なお、以上の説明では、陰極室側に櫛状の平板ばね状体を設けて、平板ばね状体に接触する陰極と陰極室隔壁との間隔を調整することによって、対向する陽極との電極間隔を調整可能とした電解槽について説明したが陰極と陰極室隔壁との間隔を固定し、陽極室側に櫛状の平板ばね状体を設け、陽極と陽極室隔壁との間隔を調整可能として電極間間隔を調整しても良い。
【００２５】
また、平板ばね状体および平板ばね状体保持部材を陽極側に設ける場合には、チタン、タンタル、ジルコニウム等の薄膜形成性金属あるいはこれらの合金を用いることができる。陽極には、チタン、タンタル、ジルコニウム等の薄膜形成性金属あるいはこれらの合金の表面に、白金族金属、白金族金属の酸化物を含有する電極触媒物質の被覆を形成した陽極を用いることができる。
したがって、以上の図１の説明において記載の陰極、陽極は、それぞれ陽極、陰極と置き換えることができる。また、陰極および陽極を総称して電極と称することもできる。
【００２６】
図２は、本発明の平板ばね状体保持部材への陰極の取り付け状態を説明する図である。
図２（Ａ）は、帯状の接合部１３から一つの平板ばね状体保持部２０までの部分を説明する斜視図である。
平板ばね状体保持部材１１は、帯状の接合部１３において陰極室隔壁７と平板ばね状体保持部材１１が密着して接合されている。
また、単位陰極８１は、対極側に面する陰極面８２と、陰極面８２に垂直な結合部８３を有している。結合部８３には、間隔を設けて複数個の係合部材８４が取り付けられており、それぞれの係合部材８４には、係合用開口部８５が設けられている。
【００２７】
係合用開口部８５には、平板ばね状体保持部材１１の帯状の接合部１３上に取り付けた、フック状係合部材２５のフック２６が係合している。フック状係合部材２５のフック部２６は、係合用開口部８５に係合した状態で、単位陰極８１が陰極面に垂直方向に移動可能な遊びを有している。
したがって、単位陰極８１は、平板ばね状体保持部材１１に設けた平板ばね状体１２を陰極室隔壁側へ押圧した状態で、フック状係合部材２５のフック２６を係合用開口部８５へ装着した後には、平板ばね状体１２の反発力によって所望の位置で保持される。
【００２８】
図２（Ｂ）は、他の実施例の電極と保持方法を説明する図である。
図２（Ｂ）に示す電極は、単位陰極８１の対極側に面する陰極面８２と、陰極面８２に垂直な結合部８３を有している。結合部８３には、間隔を設けて複数個の係合用開口部８５が形成されている。
また、係合用開口部８５には、平板ばね状体保持部材１１の縦方向部１１Ａに接合された板状係合部材２７が係合している。板状係合部材２７は係合用開口部８５に係合した状態で、単位陰極８１が陰極面８２に垂直方向に移動可能な遊びを有している。
したがって、単位陰極８１は、板状係合部材２７を係合用開口部８５へ装着した後には、平板ばね状体１２の反発力によって所望の位置で保持される。
単位陰極８１の結合部８３は、図２（Ａ）、（Ｂ）のいずれの場合にも、陰極面８２と同一の材料によって一体に作製しても良いが、開口を有さない板材によって作製し、所定の位置に係合用の開口部を設けても良く、係合用開口部の周囲のみに、板材を接合してもよい。
【００２９】
図２（Ｃ）は、本発明の電解槽の枠体に最も近い平板ばね状体保持部材の電極との係合部の一例を説明する図であり、電極を装着する前の状態を説明する図である。
平板ばね状体保持部材１１の電解槽の枠体に近傍の平板ばね状体保持部材１１は帯状の接合部１３において陰極室隔壁７に接合されており、帯状の接合部１３に近接してフック状係合部材２５が設けられている。
フック状係合部材２５のフック部２６の作用によって、電極が平板ばね状体保持部材側へ押圧されて、平板ばね状体保持部材との距離が小さくなった場合にも電極がフック状係合部材から外れることを防止することが可能となる。
【００３０】
図３は、平板ばね状体の装着方法の一例を説明する図であり、陰極室隔壁と平板ばね状体保持部材の帯状の接合部の近傍を示した断面図である。
図３（Ａ）に示すように、陰極室隔壁７上に帯状の接合部１３で平板ばね状体保持部材１１が接合されており、平板ばね状体保持部材１１の縦方向部１１Ａ−１には、陰極室隔壁７に向かって斜めに傾斜した板状係合部材２７−１が取り付けられている。また、縦方向部１１Ａ−１に対向する縦方向部１１Ａ−２にも板状係合部材２７−２が取り付けられており、板状係合部材２７−２には、単位陰極８１−２が既に装着されている。
【００３１】
単位陰極８１−１を陰極隔壁７に向かって押圧すると、平板状の板状係合部材２７−１が陰極室隔壁７に向かって斜めに配置されているので、図３（Ｂ）に示すように、単位陰極８１−１と直角に設けた結合部８３−１は板状係合部材２７−１の下部へと進み、結合部８３−１に形成した板状係合部材２７−１と係合する。
次いで、図３（Ｃ）に示すように、Ｌ字型のフック等の治具を用いて単位陰極８１を上部へ引き上げると、板状係合部材２６−１は陰極室隔壁７とに平行となる。
【００３２】
その結果、既に装着されている単位陰極８１−２の結合部８３−２に設けた係合用開口部と係合した板状係合部材２７−２の作用によって各単位陰極は、横ずれ、脱落等を生じること無く、平板ばね状体保持部材の作用によって所定の電極間隔を保持することが可能となる。
また、単位陰極を取り外す場合には、単位陰極８１−１あるいは８１−２の装着とは逆に、板状係合部材２７−１、２７−２をフック部を有するＬ字型のフック等の治具を用いて陰極室隔壁側へ押し込み、斜めに折り曲げることによって単位電極を取り外すことができる。
【００３３】
図４は、本発明のイオン交換膜電解槽の平板ばね状体保持部材に保持される電極を説明する図であり、陰極を例にして説明する図である。
図２に示した単位陰極が、それぞれ単位陰極８１の陰極面８２を形成する部材を直角に折り曲げて結合部８３を形成し、図２（Ａ）に示すように結合部には係合用部材を装着したもの、および図２（Ｂ）に示すように結合部に係合用開口部を形成したものである。
これに対して、図４（Ａ）に示すものは、単位陰極８１の端部を直角に折り曲げて結合部８３を形成すると共に、先端部８６を１８０度折り返して重ね合わせ、結合部８３を二重化したものである。これによって結合部８３および係合用開口部８５の強度が大きくなるとともに、陰極面の剛性を高めることができる。
【００３４】
また、図４（Ｂ）に示すものは、単位陰極８１に対して直角の結合部８３を開口部有さない板材で形成し、板材に一体に図２（Ｂ）で示したものと同様の係合用部材８４を設けたものである。
単位陰極８１は、以上のように様々な形状のものを用いることができるが、単陰極の陰極面に係合用部材を直接に取り付けて単位陰極の端部を露出することは好ましくない。陰極面に係合用部材を直接取り付けた場合には、単位陰極の陰極面の平面性を充分に保持することができなくなる。
また、露出した端部がイオン交換膜と接触してイオン交換膜に損傷を及ぼす可能性があるので、端部は滑らかに折り曲げて陰極面に露出しない様に処理を施す必要がある。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明のイオン交換膜電解槽は、少なくとも一方の電極を、相互に差し込まれた平板ばね状体によって保持するとともに、電極面に垂直な方向のみへ、平板ばね状体の可動範囲内の量の移動を可能とするように、係合部材によって電極を取り付けたので、電極の横ずれ等を生じることなく電極間の間隔を所定の大きさに保持するとともに、圧力の異常時に対極側から押圧された場合にも、圧力が取り除かれた後は元の状態へ復帰して運転することが可能なイオン交換膜電解槽を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】図１は、本発明の電解槽の一実施例を説明する図である。
【図２】図２は、本発明の平板ばね状体保持部材への陰極の取り付け状態を説明する図である。
【図３】図３は、平板ばね状体の装着方法の一例を説明する図である。
【図４】図４は、本発明のイオン交換膜電解槽の平板ばね状体保持部材に保持される電極を説明する図である。
【符号の説明】
【００３７】
１…イオン交換膜電解槽、２…電解槽ユニット、３…イオン交換膜、４…陽極室隔壁、５…陽極、６…陽極室、７…陰極室隔壁、８…陰極、９…陰極室、１０…枠体、１１…平板ばね状体保持部材、１１Ａ…縦方向部、１１Ｂ…横方向部、１２…平板ばね状体、１２…平板ばね状体の接触部、１３…帯状の接合部、１４…陰極液循環通路、１５…陽極保持部材、１６…底部、１７…先端部、１８…ダウンカマー、１８Ａ…接合部、１８…凹部、１８Ｃ…凸部、１９…陽極液循環通路、２０…平板ばね状体保持部、２５…フック状係合部材、２６…フック部、２７…板状係合部材、３０…陽極室側気液分離手段、３１…陰極室側気液分離手段、３２…陽極液供給管、３３…陰極液供給管、３４…陽極室排出管、３５…陰極室排出管、８１…単位陰極、８２…陰極面、８３…結合部、８４…係合部材、８５…係合用開口部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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