(57)【要約】【課題】ガス拡散電極を装着したイオン交換膜電解槽の前記ガス拡散電極からの排電を比較的簡単な手法で行えるような提案を行う。【解決手段】ガス拡散電極１０を装着し、ガス室１１側の壁面１５が導電性を有する電解槽の前記ガス拡散電極からの排電する際に、前記ガス拡散電極と部分的に接触する電気的接続部材１２を介して前記導電性壁面と電気的に接続させ、ガス拡散電極からの排電を行う。【選択図】  図１
2004300553.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス拡散電極を装着し、ガス室側の壁面が導電性を有する電解槽の前記ガス拡散電極からの排電方法において、前記ガス拡散電極と部分的に接触する電気的接続部材を介して前記導電性壁面と電気的に接続させ、ガス拡散電極からの排電を行うことを特徴とする方法。
【請求項２】
ガス拡散電極を、耐アルカリ性の接着剤で、少なくとも電気的接続部材に接着固定して取り付けた請求項１記載のガス拡散電極の排電方法。
【請求項３】
電解槽が３室型電解槽であり、陰極液室に通液可能な耐アルカリ性の充填材を挿入することにより、ガス拡散電極を電気的接続部材方向に押さえ付けて、前記ガス拡散電極を前記電気的接続部材に接触させて電気的接続を行う請求項１又は２記載のガス拡散電極の排電方法。
【請求項４】
電解槽が３室型電解槽であり、陰極液室の液圧でガス拡散電極を電気的接続部材方向に押さえ付けて、前記ガス拡散電極を前記電気的接続部材に接触させて電気的接続を行う請求項１又は２記載のガス拡散電極の排電方法。
【請求項５】
電解槽が２室型電解槽であり、陽極室に通液可能な充填材を挿入することにより、隔膜を介してガス拡散電極を電気的接続部材方向に押さえ付けて、前記ガス拡散電極を前記電気的接続部材に接触させて電気的接続を行う請求項１又は２記載のガス拡散電極の排電方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、イオン交換膜食塩電解や芒硝電解等に使用するガス室側表面が導電性を有するガス拡散電極の排電方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のガス拡散電極の取付け、排電方法としては、大別して▲１▼ガス拡散電極外周部からの排電方式と▲２▼陰極集電枠−ガス拡散電極一体型方式が利用されてきた。
【０００３】
▲１▼のガス拡散電極外周部からの排電方式は、ガス拡散電極の寸法を、ガス拡散電極外周部が陰極エレメント又は陰極集電枠のガスケットシール面に僅かに掛かるようなサイズにし、ガス拡散電極外周部と陰極エレメントまたは陰極集電枠のガスケットシール面を接触させ、そのガス拡散電極の外周部から陰極集電枠へ排電する方法である。
【０００４】
他方▲２▼の陰極集電枠−ガス拡散電極一体型方式は、シート状にしたガス拡散電極の触媒層を陰極集電枠に取り付けたガス室形成用メッシュ状シート（電気的接続部材）の上に置き、プレス機にて高温、高圧下で触媒体を焼結させると共にガス室形成用メッシュ状シートと触媒層を一体化することにより、ガス拡散電極から陰極集電枠、陰極エレメントへ排電する方法である。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−１９９０９４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来のガス拡散電極の取付け、排電方法は、実機電解槽において、次のような問題点がある。
【０００７】
つまり▲１▼のガス拡散電極外周部からの排電方式では、小型の電解槽においては、反応面積に対し適当な電気接触面積を確保できるが、反応面積が約３ｍ２の実機電解槽においては、反応面積に対して適当な電気接触面積が確保出来ないため、接触電流密度が大きくなり、電気接触抵抗が大きくなる。また、ガス拡散電極外周部からの排電方式では、ガス拡散電極サイズが大きくなるに伴い、ガス拡散電極の中の導電体の構造体抵抗が大きくなる。このため、運転経済性に劣るという欠点がある。
【０００８】
更に▲２▼の陰極集電枠−ガス拡散電極一体型方式では、実機電解槽の場合、反応面積が３ｍ２程度になり、ガス拡散電極と陰極集電枠を一体化する場合、巨大なプレス機及びプレス金型が必要となり、経済的でない。
このため、実機電解槽でのガス拡散電極の取付け、排電方法として、ガス拡散電極を陰極集電枠に溶接固定して排電を行う方法が提案されている（特許文献１）。しかしながら、この排電方法についても、次のような問題点がある。
【０００９】
ガス拡散電極を溶接するために、ガス拡散電極に用いている金属メッシュ加工材を露出させなければならず、その加工に手間がかかる。また、ガス拡散電極を陰極集電枠に溶接する作業にも手間がかかり、作業性が悪い。１枚当たりのガス拡散電極サイズを大きくすると作業性は向上するが、電極サイズが大きくなるに伴い、ガス拡散電極の中の導電体（金属メッシュ加工材）の構造体抵抗が大きくなるため、ガス拡散電極サイズは、あまり大きく出来ない。
【００１０】
本発明者らは、上記問題を解決すべく鋭意研究した結果、ガス拡散電極を、ガス室側の導電性を有する電解槽壁面に、比較的簡単な手法で電気的に接続できる方法を創作し、これによりガス拡散電極から簡便に排電できる方法を見出した。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ガス拡散電極を装着し、ガス室側の壁面が導電性を有する電解槽の前記ガス拡散電極からの排電方法において、前記ガス拡散電極と部分的に接触するガス室形成用メッシュ状シート等の電気的接続部材を介して前記導電性壁面と電気的に接続させ、ガス拡散電極からの排電を行うことを特徴とする方法である。
【００１２】
以下本発明を詳細に説明する。
本発明の対象とする電解槽は、ガス拡散電極を陰極として使用する、塩化アルカリ電解槽や芒硝電解槽などがあり、本発明をクロルアルカリ（食塩）電解による苛性アルカリ（苛性ソーダ）の生成反応を例に説明するが、陰極室側で反応物質として酸素含有ガスを供給する反応であれば特に限定されない。
更に、本発明の電解槽は、ガス拡散電極がイオン交換膜に密着した陰極室がガス室として構成される２室型電解槽、又はガス拡散電極により陰極室が陰極液室と陰極ガス室に区画された３室型電解槽がある。又本発明の電解槽は単極型電解槽でも複極型電解槽のいずれでも良い。
【００１３】
本発明では前述した３室型電解槽の場合でも２室型電解槽の場合でも陰極ガス室内に電気的接続部材を収容し、この電気的接続部材を介してガス拡散電極を陰極室壁面に電気的に接続し、ガス拡散電極内の電気を前記電気的接続部材を通して外部に排電する。
この電気的接続部材はガス室形成用メッシュ状シートとして形成されても良い。この電気的接続部材は、排電時にガス拡散電極及び陰極室内壁へ電気的に接触するだけでは不十分で、適度な面圧が必要である。
この電気的接続部材は、ガス拡散電極をイオン交換膜方向へ押し付けるといった機能は本質的に不要であるため、自身が弾性部材である必要はないが、前記電気的接続部材が弾性を有すると、反発力としてガス拡散電極や陰極室壁面に対する押圧力が生じて接触力が大きくなる。
【００１４】
ガス拡散電極と陰極ガス室内の電気的接続部材の電気的な接触を確実にするには、イオン交換膜の方向からガス拡散電極に力を加えることが望ましい。このような力として、陰極液室内（３室型の場合）又は陽極室内（２室型の場合）に、収容される充填材があり、この充填材がガス拡散電極を電気的接続部材側に押圧して両者間の電気的接続が確実になる。
又陽陰極差圧を利用して陰極ガス室内のガス拡散電極を電気的接続部材に接触させても良い。
前記電気的接続部材は導電性と耐アルカリ性があれば材料は問わないが、通電は金属を使用する。
【００１５】
本発明で使用可能なガス拡散電極は特に限定されず、従来のガス拡散電極を制限なく使用できる。例えば炭素微粒子とフッ素樹脂微粒子を混練し焼成したガス拡散層と、触媒を担持した炭素微粒子とフッ素樹脂微粒子を混練し焼成した反応層を貼り合わせた積層型ガス拡散電極、あるいは発泡金属に銀等を電気めっきした基材に、銀微粒子とフッ素樹脂微粒子の混練物を含浸させかつホットプレスしたガス拡散電極などがある。
【００１６】
本発明では、ガス拡散電極のガス室側に露出させた導電体からガス室形成用メッシュ状シートへ排電を行うため、ガス拡散電極に用いている導電体を排電のために陰極集電枠へ溶接する必要が無い。このため、ガス拡散電極の取り付けは、耐アルカリ性の接着剤で、ガス拡散電極をガス室形成用メッシュ状シートまたは陰極集電枠のいずれかに部分的に接着して固定するだけでよい。これにより、従来行われてきたガス拡散電極に用いている導電体の外周部を露出させる等の作業を省くことが出来る。また、ガス拡散電極のガス室側に露出させた導電体からガス室形成用メッシュ状シートへ排電を行うことにより、ガス拡散電極のサイズが大きくなっても反応面積に対して適当な電気接触面積を確保することが出来る。
【００１７】
ガス拡散電極を押さえ付ける際に、陰極液室充填材を用いる場合には、陰極液室充填材として、耐アルカリ性の樹脂等からなるメッシュ状シートや多孔性構造体が使用出来る。陰極液室充填材の材料の例としては、カーボン、ポリプロピレンやフッ素樹脂等のプラスチック系材料、エチレン・プロピレンゴム等のゴム系材料、ステンレス、ニッケル等の金属材料などがある。陰極液室充填材の形状は、下方から上方へ通液可能で流体抵抗が小さく、弾性がある構造が望ましく、形状の例としては、網、織物、発泡体がある。但し、陰極液室充填材による陰極液室の遮蔽率が大きいと、イオン交換膜やガス拡散電極面の遮蔽等により、電解電圧の上昇が生じるため、陰極液室充填材による陰極液室の体積遮蔽率は５０％以下が好ましい。また、イオン交換膜５及びガス拡散電極１０を陰極液室充填材７との接触により損傷させないために、陰極液室充填材７には鋭利な凸がないものがよい。
【００１８】
前述のような構成から成るイオン交換膜電解槽を使用して、陽極室に食塩水溶液等の電解液を、陰極液室に苛性ソーダ水溶液を、陰極ガス室に酸素含有ガスを供給しながら、両極間に通電すると、電気的接続部材がガス拡散電極の電流を陰極室壁面方向に伝達して系外に排電できる。
また、本発明によるガス拡散電極をガス室形成用メッシュ状シートに押し付ける排電方法には、万一ガス室内の圧力が陰極液室内の圧力より大きくなった場合、ガス拡散電極が陰極液室６側に浮き上がり損傷することを防止する効果も期待出来る。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明するが、本発明はこれに限定されない。
図１は、本発明の一実施形態によるガス拡散電極とガス室形成用メッシュ状シート（電気的接続部材）を部分的に接触させて電気的接続を行うガス拡散電極装着食塩単位電解槽の断面図である。
ガス拡散電極１０は、銀、ニッケル等の導電性の優れた金属メッシュ加工材またはスポンジ状加工材からなる導電体の上に、触媒層を取り付けて構成されており、ガス拡散電極のガス室側には、この導電体が露出させてある。また、ガス室形成用メッシュ状シート１２も銀、ニッケル等の導電性に優れた金属メッシュ加工材またはスポンジ状加工材であり、陰極集電枠に溶接等により取り付けてある。
【００２０】
ガス拡散電極１０は、ガス拡散電極のガス室側に露出させた導電体を、耐アルカリ性の接着剤でガス室形成用メッシュ状シート１２に部分的に接着して固定してある。図１において、ガス拡散電極１０は、陰極液室６に挿入された陰極液室充填材７と陰極液室液圧のいずれかまたは両方によって、ガス室形成用メッシュ状シート１２に押し付けられる。これにより、ガス拡散電極１０のガス室側に露出させた導電体とガス室形成用メッシュ状シートが接触し、ガス拡散電極１０→ガス室形成用メッシュ状シート１２→陰極集電枠１５の順に排電が行われる。陰極液室の液圧のみで、ガス拡散電極をガス室形成用メッシュ状シートへ押し付けてもよいが、陰極液室に挿入した陰極液室充填材と合わせて、ガス拡散電極を押さえ付けた方が、ガス拡散電極のガス室側に露出させた導電体とガス室形成用メッシュ状シート間の電気接触抵抗がより小さく安定する。
【００２１】
また、ガス拡散電極１０とガス室形成用メッシュ状シート１２の接触面圧については、単位面積あたり５ｋＰａ以上、２０ｋＰａ以下が好ましい。ガス拡散電極１０のガス室形成用メッシュ状シート１２に対する単位面積あたりの面圧と、ガス拡散電極１０とガス室形成用メッシュ状シート１２の電流密度３ｋＡ／ｍ２時の電気接触抵抗による電圧降下の関係の一例を図２に示す。例えば、ガス拡散電極１０のガス室側に露出させた導電体が銀メッキ発泡ニッケル体の場合は、ガス拡散電極１０のガス室形成用メッシュ状シート１２に対する単位面積あたりの面圧が５ｋＰａ以上でガス拡散電極１０とガス室形成用メッシュ状シート１２の電気接触抵抗が急激に低下し、ガス拡散電極１０のガス室形成用メッシュ状シート１２に対する単位面積あたりの面圧が２０ｋＰａ以上でガス拡散電極１０とガス室形成用メッシュ状シート１２の電気接触抵抗が略安定する。ガス拡散電極１０のガス室形成用メッシュ状シート１２に対する単位面積あたりの面圧が大きいほど、ガス拡散電極１０とガス室形成用メッシュ状シート１２の電気接触抵抗は安定するが、面圧を過剰に大きくすると、陽極、陰極集電枠、電解槽を強度アップする必要が生じるため経済的でない。従って、ガス拡散電極１０のガス室形成用メッシュ状シート１２に対する面圧は、ガス拡散電極１０とガス室形成用メッシュ状シート１２の電気接触抵抗が低下する５ｋＰａから、ガス拡散電極１０とガス室形成用メッシュ状シート１２の電気接触抵抗が安定する２０ｋＰａが適している。
【００２２】
また本発明の場合、ガス拡散電極１０とガス室形成用メッシュ状シート１２は、ガス室形成用メッシュ状シート１２の最も厚い交点部分で電気的接触を行うため、電気的接触面の接触面圧は単位面積あたりの平均面圧よりも大きい。このため、ガス拡散電極１０のガス室形成用メッシュ状シート１２に対する単位面積あたりの面圧が小さくても、ガス拡散電極１０とガス室形成用メッシュ状シート１２の電気的接触面の接触面圧は大きくなり、電気接触抵抗は小さくなる。このことにより、陽極、陰極集電枠、電解槽を過剰に強度アップすることなく、ガス拡散電極１０とガス室形成用メッシュ状シート１２の電気接触抵抗を小さくすることが出来る。
【００２３】
次に本発明に係るガス拡散電極の排電方法に関する実施例を記載するが、これらは本発明を限定するものではない。
【００２４】
［実施例１］
図１に示すようなイオン交換膜電解槽を組み立てた。
陽極はペルメレック電極株式会社製の寸法安定性電極を使用し、陰極は液不透過型ガス拡散電極を使用した。このガス拡散電極は、銀を電気めっきした発泡ニッケルを基材とし、この基材上に、カーボンブラック、銀微粒子、ＰＴＦＥ微粒子を含浸させ、ホットプレスにより焼結して製作した。陽極及びガス拡散電極の反応面サイズはそれぞれ幅２４８０ｍｍ、高さ１２２０ｍｍとした。
イオン交換膜は旭化成株式会社製のＡｃｉｐｌｅｘ    Ｆ−４２０３を使用した。
【００２５】
ガス室形成用メッシュ状シート（電気的接続部材）としては、桂田グレイチング株式会社製の１０μｍの銀電気めっきを施したニッケル製コルゲートメッシュを使用した。
陰極液室充填材はプロピレン製網状シートとし、この網状シートは、図３に示すように、所定の間隔で平行に並べたロープ上に同一の間隔で平行に並べたロープを重ねて多数の菱形状開口部を設けた形状で、図４に示す通り、交点部分が最も厚くなっていた。開口のＳＷ（短径）は２５ｍｍ、ＬＷ（長径）は３７ｍｍ、交点部の厚さは２．７ｍｍで、体積遮蔽率は約２０％、面積遮蔽率は約４０％、開口率は約６０％であった。
これらの各部材を積層し、ボルト締めしてイオン交換膜電解槽を組み立てた。
このイオン交換膜電解槽を、電流密度３ｋＡ／ｍ２、電解温度８５℃、苛性ソーダ濃度３２重量％の条件で運転したところ、補正電解電圧は２．２０Ｖであった。ここで、補正電解電圧とは、電解温度９０℃で苛性ソーダ濃度が３２重量％の条件に換算した電解電圧である。
【００２６】
［実施例２］
ガス拡散電極が、Ａｇメッシュに触媒層を取り付けたガス拡散電極であること、及びガス拡散電極を集電枠に溶接固定し排電するタイプとしたこと以外は実施例１と同じ条件で電解を行ったところ、補正電解電圧は実施例１とほぼ同じであった。
【００２７】
【発明の効果】
本発明の、ガス室側表面が導電性を有するガス拡散電極を、陰極液室側から適度な面圧で押さえ付けて、ガス室形成用メッシュ状シートと部分的に接触させて電気的接続を行う排電方法を用いることにより、実機サイズの大きなガス拡散電極サイズでも構造体抵抗を増大させること無く、排電を行うことが可能となると同時に、低コストで既存の従来法電解槽をガス拡散電極装着タイプに改造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態によるガス拡散電極装着食塩単位電解槽の断面図。
【図２】ガス拡散電極のガス室形成用メッシュ状シートに対する単位面積あたりの面圧と、ガス拡散電極とガス室形成用メッシュ状シートの接触電流密度３ｋＡ／ｍ２時の電気接触抵抗による電圧降下の関係を示すグラフ。
【図３】実施例１で用いた陰極液室充填材の概略図。
【図４】図３の側面図。
【符号の説明】
１  陽極室
２  陽極
３  陽極液供給口
４  陽極液排出口
５  イオン交換膜
６  陰極液室
７  陰極液室充填材
８  苛性液供給口
９  苛性液排出口
１０  ガス拡散電極
１１  ガス室
１２  ガス室形成用メッシュ状シート
１３  ガス供給口
１４  ガス排出口
１５  陰極集電枠
【図１】
2004300553.tif 000003
【図２】
2004300553.tif 000004
【図３】
2004300553.tif 000005
【図４】
2004300553.tif 000006