(57)【要約】【課題】気液分離効率が優れ、安定した運転が可能なイオン交換膜電解槽を提供する。【解決手段】隔壁板から間隔を設けて配置した電極をイオン交換膜によって区画して電極室を形成したイオン交換膜電解槽において、隔壁板に電極室内の電解液の循環部材を取り付けて隔壁板との間の空間に電解液の下降流路を設けるとともに、電極室の上部の隣接する電解槽ユニットを積層する際のフランジ面の裏面に気液分離手段を設け、気液分離手段には電極室内を上昇した流体が通過することができない衝突板を設けるとともに、衝突板よりも下方に、衝突板によって流路が変更された気液混相流体が流入する下降流路への開口部を位置させるとともに、気液分離手段の気体領域とを連通する連通路を隔壁板側に設けた電解槽ユニットから構成されたイオン交換膜電解槽。【選択図】　図１
2004091834.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
隔壁板から間隔を設けて配置した電極をイオン交換膜によって区画して電極室を形成したイオン交換膜電解槽において、隔壁板に電極室内の電解液の循環部材を取り付けて隔壁板との間の空間に電解液の下降流路を設けるとともに、電極室の上部の隣接する電解槽ユニットを積層する際のフランジ面の裏面に気液分離手段を設け、気液分離手段には電極室内を上昇した流体が通過することができない部材から形成された衝突板を設けるとともに、衝突板よりも下方に、衝突板によって流路が変更された気液混相流体が流入する下降流路への開口部を位置させるとともに、気液分離手段の気体領域とを連通する連通路を隔壁板側に設けた電解槽ユニットから構成されたことを特徴とするイオン交換膜電解槽。
【請求項２】
衝突板が、気液分離手段の隔壁板側、およびフランジ面の裏面側の異なる高さの位置から対向面に向かって伸びた複数の部材から構成された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】
隔壁板側から中央部に向けて延びた衝突板は、連通路を形成する連通路形成部材を介して隔壁板に接合されているとともに、連通路形成部材の衝突板の壁面に接する部分には、連通路形成部材の下端部から衝突板の壁面の上端部まで延びた開口部を有するとともに、衝突板の上端部よりも上方部は、隔壁板との間に間隔を形成したことを特徴とする請求項２記載のイオン交換膜電解槽。
【請求項４】
衝突板は、フランジ面の裏面および隔壁板のそれぞれに垂直であって間隔を設けて配置された保持部材と結合したことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のイオン交換膜電解槽。
【請求項５】
衝突板は気液分離手段の隔壁板とフランジ面の裏面側の両者に結合した一つの部材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６】
衝突板の隔壁板側の面は、隔壁板との間に配置され上下方向に延びる間隔を設けて配置した帯状の接合部によって隔壁板に接合されて、隣接する接合部の間には隔壁板との間に空間によって連通路を形成した連通路形成部材の連通路の裏面に接合されたことを特徴とする請求項５記載のイオン交換膜電解槽。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はイオン交換膜電解槽に関するものであり、とくに複極式フィルタープレス型イオン交換膜電解槽に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
食塩水の電気分解に使用される電解槽に代表される複極式のフィルタープレス型イオン交換膜電解槽は、イオン交換膜で区画した電極室において高電流密度の電流を通電して電気分解を行なっており、陰極室内および陽極室内では大量の気体が発生する。
電極室内で発生した気体を気泡として含んだ電解液から気泡が分離する際に、電極室内の圧力が大きく変動し、電解槽の運転に悪影響を及ぼしたり、イオン交換膜を劣化させたりすることがあった。
このために、電極室内で発生した気泡を含有した電解液から気体を速やかに分離することが可能な電解槽が求められていた。
こうした課題を解決するために、フィルタープレス型電解槽の上部に気液分離手段を設け電極室内の気体を円滑に分離する電解槽が提案されている。
【０００３】
例えば、電極室上部に気液分離室を設け、電極室上部と気液分離室の間を断面積が小さな開口部で結合したり、あるいは上部に樋状のものを設け、溢流によって電解液から気液分離と電解槽の側面からの排出を行なうものが特開平８−１００２８６号公報等が知られている。
【０００４】
ところがこれらのものでは、電解槽の圧力変動への対策が未だ充分なものではなかったり、電極室の上部に位置するイオン交換膜面に、電解槽の運転中あるいは停止中に気体の滞留部が形成され、気体の滞留部に面するイオン交換膜が早期に劣化するという問題点があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、電極室内で発生した気泡を含有した電解液から円滑な気体の分離が可能で、電極室内での圧力の変動も小さく、イオン交換膜に悪影響を及ぼすことがなく、効率的な電気分解が可能なイオン交換膜電解槽を提供することを課題とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の課題は、隔壁板から間隔を設けて配置した電極をイオン交換膜によって区画して電極室を形成したイオン交換膜電解槽において、隔壁板に電極室内の電解液の循環部材を取り付けて隔壁板との間の空間に電解液の下降流路を設けるとともに、電極室の上部の隣接する電解槽ユニットを積層する際のフランジ面の裏面に気液分離手段を設け、気液分離手段には電極室内を上昇した流体が通過することができない部材から形成された衝突板を設けるとともに、衝突板よりも下方に、衝突板によって流路が変更された気液混相流体が流入する下降流路への開口部を位置させるとともに、気液分離手段の気体領域とを連通する連通路を隔壁板側に設けた電解槽ユニットから構成されたイオン交換膜電解槽によって解決することができる。
【０００７】
また、衝突板が、気液分離手段の隔壁板側、およびフランジ面の裏面側の異なる高さの位置から対向面に向かって伸びた複数の部材から構成された前記のイオン交換膜電解槽である。
また、隔壁板側から中央部に向けて延びた衝突板は、連通路を形成する連通路形成部材を介して隔壁板に接合されているとともに、連通路形成部材の衝突板の壁面に接する部分には、連通路形成部材の下端部から衝突板の壁面の上端部まで延びた開口部を有するとともに、衝突板の上端部よりも上方部は、隔壁板との間に間隔を形成した前記のイオン交換膜電解槽である。
また、衝突板は、フランジ面の裏面および隔壁板のそれぞれに垂直であって間隔を設けて配置された保持部材と結合した前記のイオン交換膜電解槽である。
また、衝突板は気液分離手段の隔壁板とフランジ面の裏面側の両者に結合した一つの部材である前記のイオン交換膜電解槽である。
【０００８】
また、衝突板の隔壁板側の面は、隔壁板との間に配置され上下方向に延びる間隔を設けて配置した帯状の接合部によって隔壁板に接合されて、隣接する接合部の間には隔壁板との間に空間によって連通路を形成した連通路形成部材の連通路の裏面に接合された前記のイオン交換膜電解槽である。
衝突板は、フランジ部の裏面および隔壁板に垂直に、間隔を設けて配置された保持部材と結合した前記のイオン交換膜電解槽である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明のイオン交換膜電解槽は、電極室上部に、隔壁板と反対側の面をフランジ部に位置する気液分離手段を設けたので、電極室の上部に位置するイオン交換膜面には気体領域が形成されることはなく、また上昇した気液混合流体は、流体が通過することができない衝突板への衝突の後に反射して流路を変えられて、電極室内に設けた電解液下降流路側へ導入され、気泡は隔壁板との間に形成された連通路を通じて気液分離手段の上部の気体領域へと速やかに流入するので、安定した電気分解を効率的に行うことが可能となる。
また、衝突板をフランジ部の裏面に配置したので、衝突板あるいは衝突板に設けた保持部材は、単位電解槽を組み立てた際に電解槽の積層面へ加わる押圧力によって電解槽の変形等が生じることはなく安定した運転が可能となる。
【００１０】
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、電解槽ユニットの陽極側から見た平面図であり、図１（Ｃ）は、気液分離手段を説明する断面図である。
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、陽極室隔壁板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、陰極室隔壁板７から間隔を設けて陰極８が配置されており、陰極室側隔壁板７とイオン交換膜３の間に陰極室９が形成されている。
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２０、陰極室側気液分離手段４０が設けられている。
【００１１】
陽極室６、および陰極室９には、それぞれ電解液の内部循環を行なわせるために下降流路を形成する陽極液循環部材１０、陰極液循環部材１１が設けられており、陽極液循環部材１０、陰極液循環部材１によって。それぞれ陽極室隔壁板４、陰極室隔壁板７との間に陽極液下降流路１２、および陰極液下降流路１３が形成されている。
また、電解槽ユニット２の陽極室６には、陽極供給管１４が取り付けられ、陽極室側気液分離手段２０には、濃度が低下した陽極液と気体を排出する陽極側排出管１５が取り付けられている。
【００１２】
また、図１（Ｃ）に示すように、陽極室側気液分離手段２０は、陽極室６の上部に配置され、一方の壁面は陽極室隔壁板４の延長部に結合され、他方の面は電解槽ユニットの複数個を積層して電解槽を組み立てた際に隣接する電解槽ユニットとガスケットを介して積層するフランジ面２１を形成しており、図１（Ａ）に示すようにフランジ面に配置されたガスケット１６を介在させて積層されている。　陽極室側気液分離手段２０の陽極隔壁板４と対向するフランジ面２１の裏面には、流体が透過しないＬ字状の板材から形成された第一の衝突板２２が帯状の接合部で結合されており、他端が気液分離手段内部に伸びている。
【００１３】
また、第一の衝突板２２よりも上部には、流体が透過しないＬ字状の板材から形成された第二の衝突板２３が陽極室隔壁板４側から伸びている。また、陽極室隔壁板４側に配置された陽極側連通路形成用部材２４によって、陽極室側気液分離手段の気体領域２５と陽極室６内部を連通する連通路２６が形成されている。
【００１４】
陽極室６内において発生した気泡は、陽極液循環部材１０と陽極５の間の領域を気体の浮力によって上昇し、陽極室の上部の陽極室側気液分離手段２０の内部に設けた第一の衝突板２２に衝突して流路を変更されて、陽極液下降流路１２へと流入するとともに、陽極室隔壁板４との間の領域に開口した連通路２６から気液分離手段の気体領域２５へと流入して気液分離が行われる。また、一部は、第二の衝突板２３と対向する面との開口を通じて上部へと流入した陽極液は、連通路２６を通じて上昇した陽極液と液面２７を形成している。
陰極室側には、陰極室側気液分離手段４０を有しており、陰極側気液分離手段４０の陽極隔壁板７と対向する陰極側フランジ面４１の裏面には、流体が透過しないＬ字状の板材から形成された陰極側の第一の衝突板４２が帯状の接合部によって結合されており、他端が気液分離手段内部に伸びている。
【００１５】
また、陰極側の第一の衝突板４２よりも上部には、流体が透過しないＬ字状の板材から形成された第二の衝突板４３が陰極室隔壁板７側から延びている。また、陰極室隔壁板７側に配置された陰極室連通路形成用部材４４によって、陰極側気液分離手段の気体領域４５と陰極室９内部を連通する連通路４６が形成されている。
陰極室９内において発生した気泡は、陰極液循環部材１１と陰極８の間の領域を気体の浮力によって上昇し、陽極室の上部の陰極室側気液分離手段４０の内部に設けた、陰極側の第一の衝突板４２に衝突して下方へ流路を変更されて、陰極液下降流路１３へと流入するとともに、陰極隔壁板７との間の領域に開口した連通路４６から気液分離手段の気体領域４５へと流入する。また、一部は、第二の衝突板４３の開口を通じて、上部へと流入し液面４７を形成している。
【００１６】
以上の説明では、陽極室、陰極室のいずれにも、気液分離手段を設けた電解槽について説明をしたが、食塩水のイオン交換膜電解槽においては、発生した塩素による影響が大きな陽極室のみに気液分離手段を設けたものであっても良い。
【００１７】
図２は、気液分離手段の動作を説明する図であり、一部を切り欠いた斜視図である。
陽極室側気液分離手段２０は、陽極室６の上部に配置され、一方の壁面は陽極室隔壁板４の延長部に結合され、他方の面は電解槽ユニットの複数個を積層して電解槽を組み立てた際に隣接する電解槽ユニットとガスケットを介して積層するフランジ面２１を形成している。
陽極室側気液分離手段２０の陽極隔壁板４と対向するフランジ面２１の裏面には、流体が透過しないＬ字状の板材であって、電解槽ユニットの幅方向に延びる第一の衝突板２２が帯状の接合部によって結合されて、接合部は気密に形成されており、他端が気液分離手段内部に伸びている。
【００１８】
また、第一の衝突板２２よりも上部には、流体が透過しないＬ字状の板材からなり、電解槽ユニットの幅方向に延びた第二の衝突板２３が陽極室隔壁板４側に取り付けられている。また、陽極室隔壁板４側に配置された陽極側連通路形成用部材２４によって、陽極室気液分離手段の気体領域２５と陽極室６内部を連通する連通路２６が形成されている。
【００１９】
陽極室６内において発生した気泡は、陽極液循環部材１０と陽極５の間の領域を気体の浮力によって上昇流１７を形成して上昇し、第一の衝突板２２に衝突して下方へ流路１８を変更されて、陽極液下降流路１２へと流入し、気液混相流体の気泡に富んだ滞留部１９を形成する。そして、陽極室隔壁板４との間の領域に開口した連通路２６から気液分離手段の気体領域２５へと気液混相流体が流入して気液分離が行われるとともに、陽極液下降流路１２を下降して循環が形成される。また、一部は、第一の衝突板２２と第二の衝突板２３の開口部を通じて上部へと流入する。
【００２０】
第一の衝突板２２と第二の衝突板２３の間には、保持部材３０が間隔を設けて接合されており、電解槽ユニットを積層した際に電解槽の積層面に加わる押圧力による電解槽の変形を防止し、剛性が大きな電解槽が形成される。
【００２１】
図３は、気液分離手段の他の実施例を説明する図である。
図３（Ａ）は、陽極室側気液分離手段の断面を説明する図であり、図３（Ｂ）は、は、陽極室側気液分離手段を隔壁板側から見た図である。
陽極室側気液分離手段２０は、電解槽ユニットの複数個を積層して電解槽を組み立てた際に隣接する電解槽ユニットとガスケットを介して積層するフランジ面２１の裏面には、流体が透過しないＬ字状の板材であって、電解槽ユニットの幅方向に延びる第一の衝突板２２が帯状の接合部によって結合されて、接合部は気密に形成されており、他端が気液分離手段内部に伸びている。
【００２２】
また、第一の衝突板２２よりも上部には、流体が透過しないＬ字状の板材からなり、電解槽ユニットの幅方向に延びた第二の衝突板２３が陽極室隔壁板４側に取り付けられている。
第一の衝突板２２および第二の衝突板２３は、保持部材３０と接合されている。そして、第二の衝突板２３と陽極側の隔壁板４の間には、陽極側連通路形成用部材２４が配置されており一体に接合されている。
【００２３】
陽極側連通路形成用部材２４の下端部は、第二の衝突板２３と下端部がほぼ一致して配置されており、第二の衝突板２３の高さｈ１に相当する長さの、開口部３１が形成されており、開口部３１の下端部は、開放部３２を有している。また、開口部３１の上端部は第二の衝突板２３の上端部にほぼ一致している。
そして、開口部の上端部よりも上部に位置する偏向部３３は、隔壁板との間に連通路を形成するように隔壁板とは反対側へ第二の衝突板２３の上面に沿って折れ曲がり、更に、上方へ直角に折れ曲がっている。
【００２４】
これによって、第二の衝突板２３と陽極側連通路形成用部材２４を陽極室隔壁板７と一体に接合した場合には、開放部３２、開口部３１を通じた連通路２６が間隔を設けて形成されるとともに、平板部３５において第二の衝突板２３と陽極室隔壁板とが一体化することができるので、複数の電解槽ユニットを積層して電解槽を組み立てる際には、フランジ面から押圧されても連通路２６をはじめ、電解槽ユニットの各部が変形を生じることはない。
【００２５】
以上の説明では、陽極側連通路形成用部材２４の下端部が開放部を有し、下端部が第二の衝突板の下端部と一致する例を挙げたが、陽極側連通路形成用部材の下端部が開放したものである場合には、下端部は第二の衝突板の下端部よりも上部に位置したものであっても良く、また、開口部の一部が第二の衝突板の下端部よりも下部に存在する場合には下端部は開放部を有したものでなくても良い。
【００２６】
図４は、気液分離手段の他の実施例を説明する図であり、一部を切り欠いた斜視図である。
陽極室側気液分離手段２０は、陽極室６の上部に配置され、一方の壁面は陽極室隔壁板４の延長部に結合され、他方の面は電解槽ユニットの複数個を積層して電解槽を組み立てた際に隣接する電解槽ユニットとガスケットを介して積層するフランジ面２１を形成している。
陽極室側気液分離手段２０の陽極隔壁板４と対向するフランジ面２１の裏面には、流体が透過しないＪ字状の板材であって、フランジ面２１の裏面に帯状の接触部によって接合されて衝突板２２Ａが取り付けられている。
【００２７】
衝突板２２Ａは、電極室の断面を水平に覆い、陽極室隔壁板４との間には、連通路形成部材２４Ａを介して陽極室隔壁板４に接合されている。連通路形成部材２４Ａは、電解槽ユニットの上下方向に延びた帯状の複数の接合部３５によって陽極室隔壁板４に接合されているとともに、隣接する接合部の間には隔壁板との間に間隙を設けて連通路２６を形成している。
【００２８】
また、接合部３５には、保持部材３０が設けられており、電解槽ユニットを積層した際にフランジ面に加わる圧力による変形を防止している。保持部材３０と接合部３５とを同等の幅とすることによって、接合部３５から電解液が気液分離手段の気体領域へ流入することを防止することができる。
衝突板は、Ｊ字形に限らず、Ｕ字形等の部材を用いることができるが、気液分離室内の変形等を防止するために装着する保持部材との固定特性等を考慮すれば、Ｕ字形よりもＪ字形の方が好ましい。Ｊ字形であれば、保持部材の係合および固定性がより良好なものとなる。
【００２９】
また、連通路形成用部材としては、衝突板、保持部材との接合、固定性が良好で、隔壁板との間に所定の間隔を保持することができる部材であれば、凹部と凸部を設けた部材、厚みが一定の板材を切除した櫛状部材を挙げることができる。また、以上のように１個、あるいは少数のの部材で気液分離手段の幅方向全体に連通路を形成するものではなく、所定の厚みと幅を有する板状体を間隔を設けて配置することも可能ではあるが、大型の電解槽ユニットを精度良く製造するうえでは現実的ではない。
【００３０】
また、本発明においては、陽極室側気液分離手段は、陽極室隔壁と同様のチタンやチタン合金を用いることができる、陰極側気液分離手段は、ニッケルおよびその合金、ステンレス等の金属材料によって作製することができる。
液体、気体の漏洩を防止する必要がある個所においては、各部材は線状に溶接を行うことが必要であるが、厳密に流体の浸入を防止する必要がない個所には、間隔を設けて点状に溶接を行っても良い。
【００３１】
【発明の効果】
本発明のイオン交換膜電解槽では、極室内を上昇してきた気液混相流は、気液分離手段に設けた衝突板に衝突して、電極室内の下降通路の開口部へと強制的に方向を変化させられ、下降流路から電極室内を循環するとともに、気液分離手段と隔壁板との間の連通路から気体領域へと速やかに移動する。このため、電極室内でのイオン交換膜面には、発生した気体の滞留部が生じず、イオン交換膜へ悪影響を及ぼすことがない。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円滑に行なわれ、電極室内からの排出速度も大きくなり電極室内での圧力変動が生じず、高電流密度で安定した運転ができる。
更に、気液分離手段に設けた、衝突板、および保持部材によって、剛性の大きな電解槽を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【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、気液分離手段の動作を説明する図である。
【図３】図３は、気液分離手段の他の実施例を説明する図である。
【図４】図４は、気液分離手段の他の実施例を説明する図である。
【符号の説明】
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…陽極室隔壁板、５…陽極、６…陽極室、７…陰極室隔壁板、８…陰極、９…陰極室、１０…陽極液循環部材、１１…陰極液循環部材、１２…陽極液下降流路、１３…陰極液下降流路、１４…陽極供給管、１５…陽極側排出管、１６…ガスケット、１７…上昇流、１８…流路、１９…滞留部、２０…陽極室側気液分離手段、２１…フランジ面、２２…第一の衝突板、２２Ａ…衝突板、２３…第二の衝突板、２４…陽極側連通路形成用部材、２４Ａ…連通路形成部材、２５…気体領域、２６…連通路、２７…液面、３０…保持部材、ｈ１…第二の衝突板の高さ、３１…開口部、３２…開放部、３３…偏向部、３４…平板部、３５…接合部、ｈ１…第二の衝突板の高さ、４０…陰極室側気液分離手段、４１…陰極側フランジ面、４２…第一の衝突板、４３…第二の衝突板、４４…陰極室連通路形成用部材、４５…気体領域、４６…連通路、４７…液面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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