(57)【要約】【課題】電解槽構成部材が過熱状態になり易いガス拡散陰極装着電解槽を冷却して適正な電解温度で苛性ソーダ等の製造を行う。【解決手段】陽極２１、イオン交換膜２及びガス拡散陰極５を装着した電解槽１Ａに、電解槽外に通じる冷却用媒体の通気孔２２、２３を形成する。この通気孔を通って水や空気等の冷却用媒体が流通し、過剰な熱を除去し、電解槽を適切な電解温度に保持する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
陽極、イオン交換膜及びガス拡散陰極を装着した電解槽において、電解槽外に通じる冷却用媒体の通路を有することを特徴とするガス拡散陰極装着電解槽。
【請求項２】
電解槽が単極式電解槽であり、通路が陰極エレメントの陰極集電枠の間に形成されている請求項１に記載のガス拡散陰極装着電解槽。
【請求項３】
電解槽が複極式電解槽であり、通路がエレメントの陽極隔壁と陰極隔壁の間に形成されている請求項１に記載のガス拡散陰極装着電解槽。
【請求項４】
電解槽外へ向かう通路出口の数が複数である請求項１から３までのいずれかに記載のガス拡散陰極装着電解槽。
【請求項５】
陽極、イオン交換膜及びガス拡散陰極を装着した電解槽内に電解槽外に通じる通路を形成し、該通路に冷却用媒体を流通させることにより電解槽を構成する導電部材を冷却しジュール熱による過度の温度上昇を抑制することを特徴とするガス拡散陰極装着電解槽の冷却方法。
【請求項６】
自由対流又は強制対流により冷却用媒体を通路内を流通させるようにした請求項５に記載のガス拡散陰極装着電解槽の冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス拡散陰極を有するイオン交換膜電解槽が過度に加熱されることを抑制するようにした前記電解槽及び該電解槽の冷却方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
陽極、イオン交換膜、水素発生陰極を含む電解槽では、電解液を導電部材に接液させているため、該導電部材のジュール熱が電解液に伝達されて過度の温度上昇を抑制しており、導電部材のジュール熱による温度上昇は問題にならなかった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一方最近では、前記水素発生陰極における水素発生に要するエネルギーを節減する目的で、酸素ガス拡散陰極が前記水素発生陰極と置換されつつある。このガス拡散陰極装着電解槽では、陰極ガス室が存在するために導電部材の中には電解液に接液しない部材が存在する。
【０００４】
特に液不透過型ガス拡散陰極を使用する３室型電解槽（陽極室、苛性室又は陰極液室、及び陰極ガス室で構成される）の場合、陰極集電枠に接する流体は酸素含有ガスであり、この気体は電解液より熱伝導率が極めて小さいことも影響し、導電部材がジュール熱により過度な温度上昇を引き起こし、同時に導電部材に接続される陰極集電枠、網状体、ガス拡散陰極も過度な温度上昇を引き起こす。電解槽構成部品は温度が高い程腐食され易いことが知られており、上述の温度上昇は電解槽構成部品の腐食進行や該腐食進行による性能劣化という問題を引き起こす原因となる。
【０００５】
このジュール熱による導電部材の過熱に加えて、ガス拡散陰極を使用する電解槽では、ガス拡散陰極の過電圧が水素発生陰極の過電圧より通常２〜３倍大きく、電解反応に起因する発熱量も膨大になり、この傾向は高電流密度下で操業する際に特に著しくなる。
従って現行のガス拡散陰極を装着した電解槽では、電解槽の温度を望ましい９０℃以下で運転することが困難になりつつある。
【０００６】
続いてこれを図３に基づいて説明する。図３は従来のガス拡散陰極を装着した電解槽を示す縦断面図である。
図３において、電解槽１は２枚のイオン交換膜２より、陽極室３−陰極室４−陽極室３に区画されている。陰極室４内にはガス拡散陰極５が収容され、前記陰極室４が苛性室（陰極液室）６と網状体が収容されたガス室７に区画されて３室法電解槽が構成されている。
【０００７】
陰極室４の中央の上部及び下部にはそれぞれ筒状の上部苛性液チャンバー８及び下部苛性液チャンバー９が形成されている。両チャンバー８、９は陰極エレメント１０を構成している。前記ガス拡散陰極５へ給電するための陰極集電枠１１がコンセント式又は溶接等により、陰極エレメント１０の導電部材に取り付けられている。
上部苛性液チャンバー８及び下部苛性液チャンバー９のそれぞれの下方及び上方には、上部ガスチャンバー１２と下部ガスチャンバー１３が形成され、酸素含有ガスは．  上部ガスチャンバー１２からガス室７内の網状体に供給され、反応後に下部ガスチャンバー１３から取り出される。
【０００８】
下部苛性液チャンバー９の両側の側壁及びこれに対応する陰極集電枠１１の側壁には整合するように、多数の苛性液入口孔１４が穿設され、上部苛性液チャンバー８の両側の側壁及びこれに対応する陰極集電枠１１の側壁には整合するように、多数の苛性液出口孔１５が穿設されている。下部苛性液チャンバー９と両側のイオン交換膜２の間、及び上部苛性液チャンバー８と両側のイオン交換膜２の間にはそれぞれガスケット１６が挿入され、このガスケット１６の陰極エレメント１０側の内縁は切り欠かれ、この切り欠かれた箇所の下部苛性液チャンバー９に対応する部分に苛性液入口板１７が、又上部苛性液チャンバー８に対応する部分に苛性液出口板１８がそれぞれ埋め込まれている。
下部苛性液チャンバー９内の苛性液は苛性液入口孔１４を通り、苛性液入口板１７から苛性室６に入って上昇し、反応後に、苛性液出口板１８から苛性液出口孔１５を通り、上部苛性液チャンバー８に取り出される。
【０００９】
前記上部ガスチャンバー１２の側壁には多数の酸素ガス入口孔１９が、又前記下部ガスチャンバー１３の側壁には多数の酸素ガス出口孔２０が、それぞれ穿設されている。酸素ガス又は酸素含有ガスは前記上部ガスチャンバー１２から酸素ガス入口孔１９を通ってガス室７に入り、反応後に酸素ガス出口孔２０を通って下部ガスチャンバー１３から外部に取り出される。
なお陽極室５にはイオン交換膜２に近接して多孔性の陽極２１が設置されている。
このような構成の電解槽１では苛性室６内で陽極室から移動して来るナトリウムイオン及びガス拡散陰極５で発生する水酸化物イオンから苛性ソーダが生成し苛性液内に溶解し、高濃度の苛性液として電解槽から取り出される。
【００１０】
しかしこの電解槽１では、陰極エレメント１０に隣接するガス室７内には酸素ガス又は酸素含有ガスが流れるのみであり、陰極エレメント１０で発生する大量のジュール熱が除去し難くなっている。更にガス拡散陰極５の苛性ソーダ生成の過電圧が高く、水素発生陰極よりかなり大量の熱が発生するが、この熱も水素発生陰極の場合より除去し難くなっている。つまりガス拡散陰極装着電解槽では、水素発生陰極装着電解槽より、二重に発生熱量を除去し難くなっていて、電解槽構成部材が高温に曝されて腐食し易い環境にあるといえる。
【００１１】
本発明は前述したガス拡散陰極を装着した電解槽におけるジュール熱による導電部材等の過度の加熱が電解効率の低減を来たしていることに鑑み、前記過熱を防止して電解槽構成部品を保護して円滑な電解操作を行い得る、ガス拡散陰極装着電解槽及びその冷却方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、第１に、陽極、イオン交換膜及びガス拡散陰極を装着した電解槽において、電解槽外に通じる冷却用媒体の通路を有することを特徴とするガス拡散陰極装着電解槽であり、第２に、陽極、イオン交換膜及びガス拡散陰極を装着した電解槽内に電解槽外に通じる通路を形成し、該通路に冷却用媒体を流通させることにより電解槽を構成する導電部材を冷却しジュール熱による過度の温度上昇を抑制することを特徴とするガス拡散陰極装着電解槽の冷却方法である。
【００１３】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明者らは鋭意検討を進めた結果、電解槽構成部材、特に陰極エレメントの導電部材の過熱（加熱ともいう。基本的に通常の加熱以上に加熱されることを意味するが、両者間に厳密な意味での差異はない）が著しく、場合に依っては電解温度が９０℃を越すことがある。通常食塩電解は９０℃以下で行われるべきで、９０℃を越えた状態で電解を継続すると、部材の腐食が進行して電解槽の寿命が大きく短縮される。
従って本発明では電解槽内に電解槽外に達する冷却用媒体の通路を形成し、この通路に空気や水等の冷却用媒体を流通させて過熱された導電部材を冷却して電解温度を操業に適した９０℃以下に保持することを意図している。
冷却用媒体用通路の形成場所は、電解槽の性能を阻害せず、かつ過熱されている導電部材の冷却に効果がある限り、特に限定されない。
【００１４】
しかしながら単極式電解槽の場合には、陰極エレメントの陰極集電枠の間に、又複極式電解槽の場合はエレメントの陽極隔壁と陰極隔壁間にそれぞれ形成することが望ましい。
通路の電解槽外への出入口の数を１個として、冷却用媒体の導入と排出を単一の出入口で行うようにしても良いが、やはり前記出入口は複数にして、冷却用媒体の流通を円滑にすることが好ましい。陰極エレメントに通路を形成する場合には、陰極エレメント下部に１個以上の通気孔を穿設し、陰極エレメント上部に１個以上の通気孔を穿設して、自由対流効果により、陰極エレメント下部の通気孔から冷却用媒体である空気を陰極エレメント内を流通させ、空気が陰極エレメント内を上昇しながら加熱されて大量のジュール熱が発生し易い導電部材等に接触し、熱を奪ってこれらの部材を冷却した後、陰極エレメント上部の通気孔から電解槽外に取り出される。
【００１５】
冷却効果を更に高めるためには、空気の替わりに水を使用したり、ポンプ等の動力で強制的に冷却用媒体を流通させることが可能である。しかし水を冷却用媒体として使用することは冷却効率の点のみから見れば多大な効果があるが、陰極エレメント上部から陰極エレメント下部に向けて流下させたり、動力を使用したりする必要がある。
水は空気と異なり液体であり、周囲に飛散したり、又部材の表面保護が不十分であると、該部材の腐食を進行させたりする。従って冷却用媒体としては空気が最も望ましい。
【００１６】
冷却用媒体の流通にポンプ等の動力を使用するのはコストが嵩むため、出来るだけ避けることが望ましい。
冷却対象の導電部材の冷却効果を高めるために、導電部材にフィンを付けて冷却面積を増大させても良い。
このように本発明によると、自然対流の場合には、電解槽内に電解槽外に通じる冷却用媒体の通路を形成するのみで、空気により自然に過熱され易い導電部材が冷却されて、過熱時に生じ易い部材の腐食と該腐食による性能低下が防止できる。
ポンプによる強制対流が必要な場合でも、電解槽の構造の改良は通気孔穿設による通路形成のみであり、簡単に所定の冷却効果が得られる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に添付図面に基づいて本発明のガス拡散陰極装着電解槽の一例を図１及び図２に基づいて説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００１８】
図１は、本発明のガス拡散陰極装着電解槽の一例を示す概略縦断面図、図２は図１の電解槽の側面図である。なお本例は図３に示した従来の電解槽の改良に関するもので、図３と同じ部材には同一符号を付して説明を省略する。
図１の電解槽１Ａでは、陰極エレメント１０Ａの上部苛性液チャンバー８Ａと下部苛性液チャンバー９Ａのそれぞれのほぼ中央を貫通するように通気孔２２及び２３が穿設されている。
この両通気孔２２、２３により、電解槽１Ａの陰極エレメント１０Ａに下から上に向かうあるいはその逆の冷却用媒体用通路が矢印で示すように形成され、図１及び図２に示すようにこの通路を冷却用媒体が流通することにより、通路内の陰極集電枠１１内及び近接するガス室７が冷却されて導電部材のジュール熱やガス拡散陰極の過電圧に起因する熱が除去されて、電解温度を９０℃以下に保持して望ましい電解条件で運転を継続できる。
【００１９】
次に本発明に係るガス拡散陰極装着電解槽の冷却に関する実施例及び比較例を記載するが、これらは本発明を限定するものではない。
【００２０】
［実施例１］
図１及び図２に示す電解槽（反応面サイズ：幅６２０ｍｍ×高さ１２２０ｍｍ）を次のようにして組立てた。
ペルメレック電極株式会社製の寸法安定性陽極（型番ＪＰ１３０）を陽極とし、旭化成株式会社製のＡｃｉｐｌｅｘ−Ｆ４２０３をイオン交換膜とし、銀メッシュ基材タイプのガス拡散陰極をそれぞれ使用して電解槽とした。電解槽の上部苛性液チャンバーと下部苛性液チャンバーにそれぞれピッチ１５５ｍｍで計４個ずつの内径１３．３ｍｍの通気孔を穿設した。
電流密度３ｋＡ／ｍ２、運転温度８５℃で電解を行ったところ３２重量％の苛性ソーダ水溶液が得られ、電解電圧は２．２０Ｖであった。陰極集電枠内の温度を測定したところ、８７℃であり、望ましい運転温度の上限温度である９０℃より低かった。
【００２１】
［比較例１］
実施例１における上下４対の通気孔を塞いだこと以外は実施例１と同じ条件で電解を行ったところ、電解電圧は実施例１と同じ２．２０Ｖであったが、陰極集電枠内の温度は９８℃であり、望ましい運転温度の上限温度である９０℃を遥に越えていた。
【００２２】
【発明の効果】
本発明は、陽極、イオン交換膜及びガス拡散陰極を装着した電解槽において、電解槽外に通じる冷却用媒体の通路を有することを特徴とするガス拡散陰極装着電解槽である。
電解槽内の通路に冷却用媒体を流すと、ガス拡散陰極を使用する際の固有の欠点である電解槽内の温度上昇を抑制して適切な温度条件で電解を継続できる。
【００２３】
この冷却用媒体流通用の通路の形成箇所は、電解槽のタイプに応じて適宜選択する必要があり、電解槽が単極式電解槽の場合は、陰極エレメントの陰極集電枠の間に通路を形成することが望ましく、電解槽が複極式電解槽の場合にはエレメントの陽極隔壁と陰極隔壁の間に通路が形成されることが望ましい。
電解槽外へ向かう通路出口の数を複数にして円滑に冷却用媒体が流通できるようにすると、冷却効率が改善される。
【００２４】
本発明方法は、前記電解槽の冷却方法であり、同様の効果が得られる。
更に冷却用媒体を通路内を流通させるためには、自由対流、強制対流のいずれでも良いが、省エネルギーの観点から前者が望ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガス拡散陰極装着電解槽の一例を示す概略縦断面図。
【図２】図１の電解槽の側面図。
【図３】従来のガス拡散陰極装着電解槽の一例を示す概略縦断面図。
【符号の説明】
１Ａ    電解槽
２    イオン交換膜
３    陽極室
４    陰極室
５    ガス拡散陰極
８Ａ    上部苛性液チャンバー
９Ａ    下部苛性液チャンバー
１０Ａ    陰極エレメント
２２、２３    通気孔
【図１】
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【図２】
2004300542.tif 000004
【図３】
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